TW201738935A - 基板晶圓以及ⅲ族氮化物半導體元件之製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種由一六方晶系單晶材料所構成之基板晶圓，且上述六方晶系單晶材料包含一c軸晶面、一a軸晶面、及一m軸方向，包含：一上表面，包含上述c軸晶面構成之一c軸平面；一第一側邊，與上述上表面連接，且自垂直於上述c軸平面方向觀之，上述第一側邊實質為一弧線；以及一第二側邊，與上述第一側邊連接，且自垂直於上述c軸平面方向觀之，上述第二側邊實質為一直線；其中，上述a軸晶面與上述m軸方向平行；其中，上述第二側邊與上述m軸方向不平行。

Description

基板晶圓以及Ⅲ族氮化物半導體元件之製造方法
本揭露係關於一種基板晶圓以及一種Ⅲ族氮化物半導體元件之製造方法，尤其關於一種使用此種基板晶圓製作的Ⅲ族氮化物半導體元件之製造方法。
近十年來III族氮化物半導體材料的研究已經非常廣泛。以現今來說，氮化鋁 (Aluminum Nitride, AlN)、 氮化鎵 (Gallium Nitride, GaN)、氮化銦 (Indium Nitride, InN)、或以與其相同元素依適當比例合成的三元或四元合金等都是目前相當熱門的材料。
依據其能隙寬度，氮化鎵系化合物材料透過有機金屬化學氣相沉積法 (Metalorganic Chemical Vapour Deposition, MOCVD)、分子束磊晶成長法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapour Phase Epitaxy, HVPE) 等磊晶技術，可製作高亮度藍光及綠光的發光二極體元件 (Light Emitting Diode, LED)。此外，亦可應用於藍光、綠光雷射二極體 (Laser Diode, LD)之製作。若再與 III-V 族其他氮化物材料以適當比例合成三元或四元合金，其能隙寬度可從 1.9 eV 連續調變到 6.4 eV，波長涵蓋範圍更可延伸至紫外光、紫光、藍光、綠光、紅光，甚至紅外光。除了上述的LED及LD外，可利用Ⅲ族氮化物半導體材料的物理特性所製作的元件還有太陽能電池元件、光偵測器、及高功率電子元件例如高電子遷移率電晶體 (High Electron Mobility Transistor, HEMT) 及整流器等。
傳統的III族氮化物半導體元件大略的製程步驟如下：首先，先透過磊晶製程於基板晶圓上形成複數III族氮化物半導體磊晶層後，再依據不同元件需求進行後續不同製程以形成複數III族氮化物半導體單元，例如：形成溝槽、形成絕緣層、形成電極等；接著，於各個III族氮化物半導體單元間，透過蝕刻製程移除部分III族氮化物半導體磊晶層，以形成分隔各個III族氮化物半導體單元的切割道；最後，再沿著上述的切割道分割基板晶圓，以將上述的複數III族氮化物半導體單元分割為複數個III族氮化物半導體元件。
分割基板晶圓的方式，一般有以下步驟：首先，藉由劃片機、切塊機、雷射等，對於欲切斷之基板晶圓，形成作為破壞之起點的溝或加工變質層。其中，舉例來說，透過雷射的切割方式為將雷射光以對物透鏡光學系統進行集光，再沿著對於基板晶圓所想定之切斷預定線，即前述切割道部分，聚焦照射至基板晶圓內部，使基板晶圓內部聚焦的位置變質形成結晶強度較低的加工變質層，此即所謂的隱形切割法；接著，以接觸的方式將前端具有銳角之刀片衝擊壓入至基板晶圓，使基板晶圓經由受力而斷裂，繼而切斷基板晶圓並分割成複數個III族氮化物半導體元件。
然而，使用藍寶石 (Sapphire) 等六方晶系單結晶材料作為基板晶圓時，即便經由隱形切割法於基板晶圓內部先進行加工變質、再以垂直基板晶圓表面的方向透過衝擊加壓的方式劈裂分割III族氮化物半導體元件，仍會產生不可控制的斜裂，造成III族氮化物半導體元件的部分側面 (切斷面)，產生傾斜的問題，甚至產生切斷面延伸到III族氮化物半導體元件內部，造成III族氮化物半導體元件的損傷。以下將詳述之：
第1圖表示的是六方晶系單結晶材料之結晶方位的圖。於六方晶系結構中，六角柱的底面朝上的面為c軸晶面(0001)，六角柱的六個側面分別為m軸晶面(1-100)及等價於m軸晶面(1-100) 的面 (m軸晶面的集合{1-100}，圖未示)，以下皆稱之為m軸晶面。垂直於c軸晶面(0001)的方向為[0001]方向(c軸方向)，垂直於m軸晶面(1-100)的方向為[1-100]方向(m軸方向)。此外，於六角柱結構之中，底面分別標示出a1軸、a2軸、a3軸，這三個a軸皆垂直於c軸方向；在a1軸及a2軸中，定義出一個包含各座標“1”的點，通過兩點平行於c軸的面為a軸晶面(11-20)。在這邊，以類似的方式，可另外由六角柱的上面(下面)之六角形其他頂點定義出平行於c軸之5個面為等價於a軸晶面(11-20)的面(a軸晶面的集合{11-20}，圖未示)。以下皆稱之為a軸晶面。並且，垂直於a軸晶面(11-20)的方向為[11-20]方向(a軸方向)。
如第2A圖所示，顯示為以形成III族氮化物發光二極體元件60為目標，在切割裂片前，基板晶圓10的上表面20形成有複數III族氮化物發光二極體單元40時磊晶晶圓100結構的俯視圖。進行半導體元件製程時，如果使用六方晶系單結晶材料，例如本實施例中之Sapphire作為基板晶圓10時，因應欲製成元件的特性需求，習知的技術會採用由c軸晶面((0001)面)構成的c軸平面作為基板晶圓的上表面20。值得注意的是，在這邊，基於製程能力及後續磊晶品質的考量，由c軸晶面構成的c軸平面被定義為相對於c軸晶面具有正負一度以內傾斜角(off angle)的平面。此外，自垂直於上表面20的方向(即，垂直於c軸平面方向)觀之，基板晶圓10還具有一個顯示基板晶圓10結晶方位的定向側邊30 (Orientation Flat)。如第2A圖中所示，定向側邊30會平行於基板晶圓10的a軸晶面(即，垂直於a軸方向([11-20]方向)或平行於m軸方向([1-100]方向))。亦即，a軸晶面與m軸方向平行。此外，複數個矩形的III族氮化物發光二極體單元40透過沿著垂直及平行於定向側邊30而被定義出來的切割道50a、50b被定義出來，彼此相鄰。
接著，當依據前述的分割製程沿著平行於a軸方向([11-20]方向)的切割道50a以及垂直於a軸方向(即，平行於a軸晶面或m軸[1-100]方向)之切割道50b而劈裂基板晶圓10後，便可分割出表面形狀為矩形之複數個III族氮化物發光二極體元件60。第2B圖、第2C圖、及第2D圖分別顯示分割後的III族氮化物發光二極體元件60的俯視圖、短邊側視圖、以及長邊側視圖。
由第2B~2D圖我們可以發現，當我們從俯視圖觀察時，III族氮化物發光二極體元件60包含III族氮化物半導體磊晶部分61、第一電極63、以及第二電極65。參考第2C圖，當我們從短邊側視圖觀察時，III族氮化物發光二極體元件60長邊側面62’的短邊62”相對應於上表面20的法線方向會有傾斜角θ3及θ4(即兩個長邊側面62’分別相對應於垂直上表面20之傾斜角)，於本實施例中傾斜角θ3及θ4為2°以下，即對於基板上表面20而言為幾乎垂直的切斷面。然而，參考第2D圖，從長邊側視圖觀察時，III族氮化物發光二極體元件60的長邊側面62’則約略形成為平行四邊形，即，當我們從長邊側視圖觀察時，III族氮化物發光二極體元件60短邊側面64’的短邊64”相對應於上表面20的法線方向會有傾斜角θ1及θ2(即兩個短邊側面64’分別相對應於垂直上表面20之傾斜角)，於本實施例中傾斜角θ1及θ2為5~8°。也就是說，III族氮化物發光二極體元件60的短邊側面64’相對於上表面20而言傾斜角較大，較為傾斜不垂直於上表面20。當傾斜角過大時，可能會造成分割裂片時斷裂的位置超過切割道(50a、50b)甚至到達III族氮化物半導體磊晶部分61，更嚴重的話，甚至會有影響III族氮化物發光二極體元件60製程良率的情況。值得注意的是，本領域具有通常知識的技術人士應當可以明白，當分割裂片時，兩個長邊與兩個短邊分別與上表面的法線方向夾角不一定會相同，也可以夾有不同的角度。
一種由一六方晶系單晶材料所構成之基板晶圓，且上述六方晶系單晶材料包含一c軸晶面、一a軸晶面、及一m軸方向，包含：一上表面，包含上述c軸晶面構成之一c軸平面；一第一側邊，與上述上表面連接，且自垂直於上述c軸平面方向觀之，上述第一側邊實質為一弧線，並具有一曲率中心；以及一第二側邊，與上述第一側邊連接；其中，上述a軸晶面與上述m軸方向平行；其中，上述第二側邊與上述曲率中心具有一最短距離構成之一線段，而上述線段與上述m軸方向不垂直。
一種由一六方晶系單晶材料所構成之基板晶圓，且上述六方晶系單晶材料包含一c軸晶面、一a軸晶面、及一m軸方向，包含：一上表面，包含上述c軸晶面構成之一c軸平面；一第一側邊，與上述上表面連接，且自垂直於上述c軸平面方向觀之，上述第一側邊實質為一弧線；以及一第二側邊，與上述第一側邊連接，且自垂直於上述c軸平面方向觀之，上述第二側邊實質為一直線。其中，上述a軸晶面與上述m軸方向平行；其中，上述第二側邊與上述m軸方向不平行。
一種III族氮化物半導體元件的製作方法，包含提供一個上述之基板晶圓；形成複數個III族氮化物半導體單元於上述基板晶圓上；以及分割上述複數個III族氮化物半導體單元以形成複數個III族氮化物半導體元件。
參考第3A-3C顯示根據本揭露一實施例之一具有複數III族氮化物發光二極體單元的磊晶晶圓；第3D圖顯示根據本揭露一實施例之一種III族氮化物半導體基板晶圓的俯視圖；第4A~4C圖係顯示依據本揭露一實施例之經由雷射加工於磊晶晶圓內部形成改質結構的流程；第5A-5C圖係顯示本揭露一實施例之磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件視圖。
第3A圖為根據本揭露的一個實施例，一具有複數III族氮化物發光二極體單元140的磊晶晶圓200結構的俯視圖。在本實施例中，基板晶圓110是由藍寶石(Sapphire)構成。如前所述，六方晶系單晶材料本身便具有複數個c軸晶面、複數個a軸晶面、以及與a軸晶面平行的m軸方向。由俯視圖觀之，基板晶圓110的上表面120是一個以c軸晶面所構成的c軸平面。此外，基板晶圓110還包含與上表面120相連接的弧狀的第一側邊125、以及與上表面120和第一側邊125連接的第二側邊130。於本揭露中，c軸平面實質上為由c軸晶面所構成，但相對於c軸晶面具有正負一度以內傾斜角(off angle)的平面仍包含在c軸平面範圍內，於本揭露之一實施例中，此傾斜角為0.2度。在本實施例中，第一側邊125以及第二側邊130定義出上表面120。基板晶圓110更包含一第一側面及一第二側面(圖未示)分別垂直並與上表面120相連接於第一側邊125及第二側邊130。在這邊，第二側邊130實質是一條直線，同時也是用以作為後續製程的定向側邊，於本實施例中，第二側邊130與m軸方向([1-100]方向) 夾有夾角α。換句話說，當包含第二側邊130的第二側面與上表面120垂直時，第二側面也會與a軸晶面夾有一個夾角α。在本實施例中，夾角α=15°。也就是說，如第3A圖所示，第二側邊130與m軸方向([1-100]方向)的夾角為15度。值得注意的是，本領域具有通常知識的技術人士應當可以明白，在基板晶圓110上，作為定向的結構並不侷限為一個直線的側邊。如第3D圖所示，基板晶圓110’除了弧狀的第一側邊125’之外，還可以由弧狀的第二側邊130’構成定向溝槽(notch)。此時，不論是直線的第二側邊130或是弧狀的第二側邊130’，都可以找到一個與第一側邊125(或125’)的曲率中心R’(或R)的最短距離的線段L’(或L)。參考第3D圖，當我們在定向時，依據本揭露的精神，最短距離的線段L的延伸方向便會以與m軸方向([1-100]方向) 夾有夾角α’的方式設置，其中，夾角α’不等於90°。也就是說，線段L的方向與m軸方向不垂直。如第3D圖所示，於本實施例中，夾角α’=45°。同理，參考第3A圖，於本實施例中，我們也可以找到第二側邊130與第一側邊125的曲率中心R’的最短距離構成的線段L’。並且，線段L’與m軸方向([1-100]方向) 夾有一夾角α”，於本實施例中，夾角α”=90°-α。於第3A圖中，當夾角α等於15°時，夾角α”等於75°。
磊晶晶圓200形成的詳細製程步驟如下所示：首先，如第3B圖所示，在基板晶圓110上形成由複數磊晶層所構成的III族氮化物半導體磊晶層135。形成III族氮化物半導體磊晶層135的方式，例如可藉由緩衝層(略圖示)，和形成於緩衝層上之基底層(略圖示)為基底，而後再形成具有良好結晶性的III族氮化物半導體磊晶層135為佳，但並不以此為限。在此，後續僅作為代表例而舉出形成III族氮化物發光二極體元件160所需要的III族氮化物半導體磊晶層135作為實施例。上述之緩衝層可以由例如氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)等III族氮化物半導體材料之單結晶及/或柱狀結晶之集合體所組成，可用以緩和基板晶圓110與III族氮化物半導體磊晶層135之間晶格常數的不同。形成緩衝層的方式例如可以使用有機金屬氣相沈積法 (MOCVD法)、 氫化物氣相磊晶法(HVPE法)、分子束磊晶成長法 (MBE法)、物理氣象沉積法(PVD法)等方法，但並不以此為限。物理氣象沉積法包含濺鍍法。此外，緩衝層上的基底層例如也可以由III族氮化物半導體材料所構成，而基底層的材料可與緩衝層相同或不同。為了因應需求，基底層可以摻雜Si，Ge及Sn等之n型不純物，但亦可為未摻雜之III族氮化物半導體材料，而摻雜條件的調整是以不影響後續磊晶品質及其結晶性為目的。
如側視圖第3B圖所示，III族氮化物半導體磊晶層135包含有與n型電極113a接觸之n型層132、發光層133、和與p型電極113b接觸的p型層134。n型層132通常可以由n型接觸層(圖未示)與n型包覆層(圖未示)所構成，或者也可以由n型接觸層單獨構成。n型接觸層的材料例如為Alx Ga1-x N(0≦x＜1、理想為0≦x≦0.5、更佳為0≦x≦0.1)，而為了與n型電極113a間維持良好的電性接觸，n型接觸層一般可以摻雜n型不純物，常用的n型不純物例如可以是Si、Ge、或Sn等。此外，當在n型接觸層與發光層133之間另外設置n型包覆層時，n型包覆層例如可由AlGaN，GaN，GaInN等材料構成，n型包覆層的組成成分能隙可大於發光層133的組成成分能隙。
發光層133例如可以是由單一量子井構造或多重量子井構造所構成。單一量子井構造例如可以使用Ga1-y Iny N(0＜y＜0.4)或者使用所構成之III族氮化物半導體層。另外，當發光層133是多重量子井構造時，例如可以使用前述Ga1-y Iny N作為井層，並使用較井層能帶隙為大之Alz Inq Ga1-z-q N(0≦z＜0.3，0≦q＜0.1)作為障壁層。而井層及障壁層可以經由設計例如為摻雜或未摻雜不純物皆可。發光層133發出光線的顏色包含綠色、藍色、以及藉由增加Al含量使其產生紫光或紫外光。
p型層134通常可以由p型包覆層(圖未示)及p型接觸層(圖未示)加以構成，也可以是由p型接觸層兼具p型包覆層所單獨構成。p型包覆層一般是由較發光層133能隙為大的成分所組成，例如可以是由Alx Ga1-x N(0＜x≦0.4)所構成，但並無特別加以限定。p型接觸層為了達到與p型電極113b間維持良好電性接觸，一般會摻雜p型不純物，例如可以有1×1018 ～1×1021 /cm3 之摻雜濃度，較佳則可含有5×1019 ～5×1020 /cm3 之摻雜濃度。摻雜濃度的調整，以達到良好的電性接觸的維持、龜裂發生之防止、良好的結晶性之維持為目標。在這邊，p型不純物例如可以是Mg，但並無特別加以限定。
將前述III族氮化物半導體磊晶層135形成於基板晶圓110上的方式，可使用例如機金屬氣相沈積法 (MOCVD法)、 氫化物氣相磊晶法(HVPE法)、分子束磊晶成長法(MBE法)、物理氣象沉積法(PVD法)等方法。在本實施例中，使用MOCVD法成長III族氮化物半導體磊晶層135時，可以使用氫(H2 )或氮(N2 )作為載氣(carrier gas)、III族原料之Ga源例如可以使用三甲基鎵(TMG)或三乙基鎵(TEG)、III族原料之Al源例如可以使用三甲基鋁(TMA)或三乙基鋁(TEA)、III族原料之In源例如可以使用三甲基銦(TMI)或三乙基銦(TEI)、V族原料之N源例如可以使用氨(NH3 )，聯胺(N2 H4 )等。另外，作為不純物摻雜，n型不純物例如可以使用甲矽烷(SiH4 )或二矽烷(Si2 H6 )作為Si不純物的原料、例如可以使用有機鍺作為Ge不純物的原料，p型不純物例如可以使用二茂基鎂(Cp2 Mg)或雙乙基環戊二烯基鎂((EtCp)2 Mg)作為Mg不純物的原料。
在III族氮化物半導體磊晶層135形成後，於III族氮化物半導體磊晶層135之p型層134上特定的位置，還可以選擇性地使用光微影技術及剝離技術形成透光性的透明導電層136。透明導電層136的材料，例如可以使用選自金屬或金屬氧化物材料；金屬包含Au、Ni或其合金；金屬氧化物材料包含NiO、ITO(In2 O3 -SnO2 )、AZO(ZnO-Al2 O3 )、IZO(In2 O3 -ZnO)、或GZO(ZnO-GeO2 )等之至少一種材料，但並不以此為限。如第3B圖所示，最後，再於透明導電層136上特定的位置，藉由光微影技術形成p型電極113b，而p型電極113b的材料例如可以使用Au、Al、Ni、Cu或其合金，但並不以此為限。
形成p型電極113b之前或之後，可透過光微影技術及反應性離子蝕刻技術，蝕刻去除部分III族氮化物半導體磊晶層135，以形成複數條彼此間相互平行的切割道150a與複數條彼此間相互平行的切割道150b，而切割道150a與切割道150b之間則彼此相互垂直，並藉由切割道150a及切割道150b定義出彼此相鄰的III族氮化物發光二極體單元140的區域。在這邊，形成切割道150a及150b的技術還可以使用雷射法、鑽石刀切割法…等習知的手段，主要是以除去部分III族氮化物半導體磊晶層135為目標，並不以這邊所舉出實施方式為限。除此之外，形成切割道150a及150b的同時，還可以透過光微影技術及反應性離子蝕刻技術，一併移除剩餘的III族氮化物半導體磊晶層135內特定位置的部分磊晶層(p型層134及發光層133)，使得n型層132裸露出來。最後，在露出的n型層132上藉由光微影技術形成n型電極113a，便完成後如第3B圖所示的側視圖結構。n型電極113a的材料例如可以使用Ti，或Au等金屬材料或其合金之各種組成，並不以實施例為限。前述形成切割道150a，150b以及蝕刻特定位置的部分磊晶層露出n型電極113a的位置的先後順序可以調整。
第3C圖顯示為俯視圖第3A圖的局部放大圖，如圖中所示，將磊晶晶圓200分隔成複數III族氮化物發光二極體單元140的切割道150a及150b是以分別垂直與平行於第二側邊130的方向設置，也就是設置為分別與基板晶圓110的a軸晶面方向(即m軸方向([1-100]方向，兩者平行))夾15度角的方向垂直或平行。透過前述分割裂片的方式，後續便可以將本實施例中具有複數個III族氮化物發光二極體單元140的磊晶晶圓200分割為複數個III族氮化物發光二極體元件160。
在本實施例中，分割裂片基板晶圓110的方法是經由前述經過雷射光的照射進行隱形切割法而形成，其詳細製程方法如下所述：如第4A圖與第4B圖所示，圖中顯示為平行於其中一條切割道150b方向(即切斷預定面150b’)的磊晶晶圓200側面透視圖。首先，如第4A圖所示，磊晶晶圓200將形成有複數III族氮化物發光二極體單元140以及切割道150a的一側加以貼合於外圍以金屬環16固定的黏接薄片15上。接著，整個結構再設置於吸附台52上。以下，將對於磊晶晶圓200設置於吸附台52之後的雷射加工製程加以說明。雷射光45從磊晶晶圓200背表面110b的方向入射，經由光學系統44聚焦集光於相對應切割道150b並於與基板晶圓110背表面110b距離d1的位置形成改質結構23。接著，如第4B圖所示，經由脈衝振盪，雷射光45沿著相對應於切割道150b的延伸方向並持續以與基板晶圓110背表面110b距離d1的位置以聚焦集光的方式重複形成複數個基板內的改質結構23。雷射光45之脈衝振盪頻率數例如為15,000～300,000Hz、吸附台52的移動速度例如為100～500mm/sec，而雷射的輸出例如為1.5～5.0μJ之範圍。此外，除了前述的結構外，也可以如第4C圖所示，於基板晶圓110平行於其中一條切割道150b方向(即想定之切斷預定面150b’內)，從基板晶圓110背表面110b側距離第2個距離d2的位置作為雷射光45之集光點，沿著切割道150b的方向再形成複數個改質結構24。即，於基板晶圓110想定的切斷預定面150b’內，形成兩段的改質結構23與改質結構24。前述改質結構23及改質結構24形成的先後順序可以調整，於另一實施例中，可以藉由多焦點雷射光，在基板晶圓110內同時形成改質結構23及改質結構24。改質結構23及改質結構24係經由集光強的雷射光45經由集光聚焦而形成龜裂或熔融的結構，相較於未照射雷射光45之範圍，改質結構23、24之機械強度較低。重複上述步驟，在形成切割道150b方向的複數個改質結構23、 24之後，可以再沿著切割道150a的方向形成複數個改質結構23, 24(圖未示)。因此，在進行雷射加工工程後，便可再於磊晶晶圓200相反側，即磊晶晶圓200上表面相對應於雷射改質的位置以接觸的方式將前端具有銳角之刀片衝擊壓入至基板晶圓110內部，使基板晶圓110經由受力而沿著切割道150a、150b的方向斷裂。採用此種切割方式，便可以切斷基板晶圓110並將磊晶晶圓200上複數個III族氮化物發光二極體單元140分割成複數個III族氮化物發光二極體元件160。於另一實施例中，在進行雷射加工工程後，亦可於磊晶晶圓200背表面110b側相對應於雷射改質的位置以接觸的方式將前端具有銳角之刀片衝擊壓入至基板晶圓110內部，使基板晶圓110經由受力而沿著切割道150a、150b的方向斷裂。
第5A~5C圖說明依據本實施例分割裂片製成的III族氮化物發光二極體元件160的圖。第5A圖、第5B圖、及第5C圖分別顯示III族氮化物發光二極體元件160的俯視圖、短邊側視圖、以及長邊側視圖。
以垂直於基板晶圓110的上表面120方向為基準，如第5B圖所示，從III族氮化物發光二極體元件160的短邊側視圖觀察，可以發現III族氮化物發光二極體元件160長邊側面162’的短邊162”相對應於上表面120的法線方向會有傾斜角θ3及θ4(即長邊側面162’相對應於垂直上表面120之傾斜角)；同樣的，如第5C圖所示，III族氮化物發光二極體元件160短邊側面164’的短邊164”相對應於上表面120的法線方向會有傾斜角θ1及θ2(即短邊側面164’相對應於垂直上表面120之傾斜角)。根據本實施例所呈現的結果，自垂直於上表面120的方向觀之，當III族氮化物發光二極體元件160的長邊162與基板晶圓110的m軸方向([1-100]方向)夾15度角時(即，III族氮化物發光二極體元件160的短邊164與基板晶圓110的a軸方向([11-20]方向)夾15度角時)，於分割裂片時，短邊側面164’的傾斜角θ1及θ2以及長邊側面162’的傾斜角θ3及θ4皆為2°以下，即對於基板晶圓110的上表面120而言，III族氮化物發光二極體元件160的短邊側面164’及長邊側面162’皆為近似垂直的切斷面。如此一來，藉由本揭露精神所提到的實施例，前述於裂片時斷裂的位置超過切割道(150a及150b)甚至到達III族氮化物半導體磊晶部分161的情況便不會發生，也可以使元件整體的製程良率穩定。
第6圖顯示本揭露之實施例中，在夾角α為不同角度下切割裂片的結果。參照第6圖，我們發現，當調整基板晶圓110第二側邊130與m軸方向([1-100]方向)間具有不同夾角α時，可以縮小切割裂片後III族氮化物發光二極體元件160的長邊側面162’及短邊側面164’相對應於上表面120法線方向的傾斜角(θ1~θ4，於本實施例中，傾斜角為2°以下，進一步藉此達到理想的元件製程良率。由第6圖實施例可知，夾角α=15°及45°時可得到較小的傾斜角。在這兩個情況下，傾斜角θ1~θ4可低於1°。此外，根據實驗得知(圖未示)，在較佳的情況下，當夾角α被控制在5°~20°或40°~50°時，傾斜角θ1~θ4也可以達到2°以下需求。
在製作III族氮化物發光二極體元件時，除了可以應用依據本揭露精神所製作的基板晶圓外，為了增加元件的整體出光效率，還可以在基板晶圓的上表面以蝕刻的方式形成複數個規則排列的凸部結構。
如第7A圖所示，顯示為依據本揭露精神所示一實施例的基板晶圓210俯視圖。於本實施例中，基板晶圓210第二側邊230與m軸方向([1-100]方向)間的夾角α為45°。自垂直基板晶圓210的上表面220方向(以本實施例為例，上表面220是由c軸晶面構成的一c軸平面)觀之，基板晶圓210的上表面220有複數個彼此間等間距並呈現規則交錯排列的凸部結構250。從俯視圖觀看，由於Sapphire構成的基板晶圓210是透明的，於是我們所看到的凸部結構250便會有一個與基板上表面相接觸的外輪廓圖案，在本實施例中，外輪廓圖案為圓形。值得注意的是，本領域具有通常知識的技術人士應當可以明白，外輪廓圖案並不以圓形為限，例如也可以是方形，正多邊形，橢圓形等形狀。在本實施例中，我們會發現，當我們將其中六個凸部結構250的各幾何中心點G(在本實施例中為圓心)連接起來時，由於凸部結構250彼此間為等間距且規則的排列，因此會連結構成一個想像的正六邊形H，具有六個側邊S。此外，由於複數個凸部結構250後續是要相對應於III族氮化物發光二極體單元而配置，因此會以平行於 a軸晶面(即m軸方向([1-100]方向))排列。於是，不論是在如第3A圖所示的實施例之中(夾角α為45°)或是在依據我們揭露精神所作的較佳實施方式中(即，夾角α為5°~20°或40°~50°)，想像的正六邊形H的六個想像的側邊S皆不會與第二側邊230平行或垂直。
如第7B~7D圖所示，舉出三種含有不同實施樣態凸部結構350、450、550的基板晶圓局部側視圖。如第7B圖所示，凸部結構350凸設於基板晶圓310的上表面320之上。本領域具有通常知識的技術人士應當可以明白，依據後續製程的需求，上表面320同樣可以是由c軸晶面構成之一c軸平面，但並不以此為限。此外，於本圖中，凸部結構350的側視圖為梯形，具有兩個傾斜的側邊351、352以及近似平坦的頂邊353。在不同的實施例之中，如第7C圖所示，凸部結構450凸設於基板晶圓410的上表面420之上。凸部結構450的側視圖例如可以是具有兩個外凸弧狀側邊451、452以及頂端453的帳篷狀，又或者，如第7D圖所示，凸部結構550凸設於基板晶圓510的上表面520之上。凸部結構550的側視圖例如也可以是具有兩個直線側邊551、552及頂端553的三角形，但並不以此為限。
藉由本揭露精神的實施方式，在分割裂片III族氮化物半導體元件時，於有效抑制元件側邊傾斜斷裂之同時，可以有效提高元件製程的製程良率。有著在製造、利用III族氮化物半導體元件的產業利用性。以上所述之實施例僅係為說明本揭露之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本揭露之內容並據以實施，當不能以之限定本揭露之專利範圍，即大凡依本揭露所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本揭露之專利範圍內。
10、110、110’、210、310、410、510‧‧‧基板晶圓
15‧‧‧黏接薄片
16‧‧‧金屬環
20、120、220、320、420、520‧‧‧上表面
23、24‧‧‧改質結構
30‧‧‧定向側邊
40、140‧‧‧III族氮化物發光二極體單元
44‧‧‧光學系統
45‧‧‧雷射光
50a、50b、150a、150b‧‧‧切割道
52‧‧‧吸附台
60、160‧‧‧III族氮化物發光二極體元件
61、161‧‧‧III族氮化物半導體磊晶部分
62’、162’‧‧‧長邊側面
62”、64” 、162”、164”‧‧‧短邊
63‧‧‧第一電極
64’、164’‧‧‧短邊側面65‧‧‧第二電極
100、200‧‧‧磊晶晶圓
110b‧‧‧背表面
113a‧‧‧n型電極
113b‧‧‧p型電極
125、125’‧‧‧第一側邊
130、130’、230‧‧‧第二側邊
132‧‧‧n型層
133‧‧‧發光層
134‧‧‧p型層
135‧‧‧III族氮化物半導體磊晶層
136‧‧‧透明導電層
150b’‧‧‧切斷預定面
250、350、450、550‧‧‧凸部結構
351、352、451、452、551、552‧‧‧側邊
353‧‧‧頂邊
453、553‧‧‧頂端
(0001)‧‧‧c軸晶面
[0001]‧‧‧c軸方向
(1-100)‧‧‧m軸晶面
[1-100]‧‧‧m軸方向
(11-20)‧‧‧a軸晶面
[11-20]‧‧‧a軸方向
a1、a2、a3‧‧‧a軸
θ1、θ2、θ3、θ4‧‧‧傾斜角
α、α’、 α”‧‧‧夾角
d1、d2‧‧‧距離
L、L’‧‧‧線段
R、R’‧‧‧曲率中心
H‧‧‧想像的正六邊形
G‧‧‧幾何中心點
S‧‧‧想像的側邊
第1圖係顯示六方晶系單晶材料之結晶方位的圖。
第2A圖係顯示習知III族氮化物發光二極體磊晶晶圓的俯視圖。
第2B圖係顯示使用習知磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的俯視圖。
第2C圖係顯示使用習知磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的短邊側視圖。
第2D圖係顯示使用習知磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的長邊側視圖。
第3A圖係顯示依據本揭露一實施例之一種III族氮化物發光二極體磊晶晶圓的俯視圖。
第3B圖係顯示依據本揭露一實施例之一種III族氮化物發光二極體磊晶晶圓的側視圖。
第3C圖係顯示依據本揭露一實施例之一種III族氮化物發光二極體磊晶晶圓的局部放大圖。
第3D圖係顯示依據本揭露一實施例之一種III族氮化物半導體基板晶圓的俯視圖。
第4A~4C圖係顯示依據本揭露一實施例之一磊晶晶圓，經由雷射加工形成改質結構於磊晶晶圓內部的方法的側面透視圖。
第5A圖係顯示使用本揭露一實施例之磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的俯視圖。
第5B圖係顯示使用本揭露一實施例之磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的短邊側視圖。
第5C圖係顯示使用本揭露一實施例之磊晶晶圓分割裂片的III族氮化物發光二極體元件的長邊側視圖。
第6圖係顯示改變定向側邊與a軸晶面的夾角α與相對應切割裂片後III族氮化物發光二極體元件側邊與上表面法線方向傾斜角θ1~θ4的關係圖。
第7A圖係顯示依據本揭露一實施例之一種具有凸部結構的基板晶圓的俯視圖。
第7B~7D圖係顯示依據三種不同實施樣態凸部結構350、450、550的基板晶圓局部側視圖。
無
無
110‧‧‧基板晶圓
113a‧‧‧n型電極
113b‧‧‧p型電極
120‧‧‧上表面
125‧‧‧第一側邊
130‧‧‧第二側邊
140‧‧‧III族氮化物發光二極體單元
150a、150b‧‧‧切割道
160‧‧‧III族氮化物發光二極體元件
200‧‧‧磊晶晶圓
α、α”‧‧‧夾角
[1-100]‧‧‧m軸方向
[11-20]‧‧‧a軸方向
R’‧‧‧曲率中心
L’‧‧‧線段

Claims (14)

  1. 一種由一六方晶系單晶材料所構成之基板晶圓，且該六方晶系單晶材料包含一c軸晶面、一a軸晶面、及一m軸方向，包含： 一上表面，包含該c軸晶面構成之一c軸平面； 一第一側邊，與該上表面連接，且自垂直於該c軸平面方向觀之，該第一側邊實質為一弧線，並具有一曲率中心；以及 一第二側邊，與該第一側邊連接； 其中，該a軸晶面與該m軸方向平行； 其中，該第二側邊與該曲率中心具有一最短距離構成之一線段，而該線段與該m軸方向不垂直。
  2. 一種由一六方晶系單晶材料所構成之基板晶圓，且該六方晶系單晶材料包含一c軸晶面、一a軸晶面、及一m軸方向，包含： 一上表面，包含該c軸晶面構成之一c軸平面； 一第一側邊，與該上表面連接，且自垂直於該c軸平面方向觀之，該第一側邊實質為一弧線；以及 一第二側邊，與該第一側邊連接，且自垂直於該c軸平面方向觀之，該第二側邊實質為一直線； 其中，該a軸晶面與該m軸方向平行； 其中，該第二側邊與該m軸方向不平行。
  3. 一磊晶晶圓，包含： 如申請專利範圍第2項所述之基板晶圓；以及 複數個Ⅲ族氮化物半導體單元，設置於該上表面上。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之基板晶圓或申請專利範圍第2項所述之磊晶晶圓，，該第二側邊與該m軸方向的夾角介於5度~20度或40~50度。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之基板晶圓或申請專利範圍第2項所述之磊晶晶圓，其中，該六方晶系單晶材料為藍寶石。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之基板晶圓或第3項所述之磊晶晶圓，該上表面更包含複數個規則排列的凸部結構。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之基板晶圓或磊晶晶圓，其中，自垂直於該c軸平面方向觀之，該些複數個規則排列的凸部結構中任六個凸部結構分別具有一個外輪廓圖案，且該些外輪廓圖案分別具有一個幾何中心點，連接該些幾何中心點實質上可構成一個想像的正六邊形，而該想像的正六邊形的各邊均不平行或垂直於該第二側邊。
  8. 如申請專利範圍第3項所述之磊晶晶圓，更包含複數條彼此相互平行的第一方向切割道及複數條彼此相互平行的第二方向切割道，分隔該些Ⅲ族氮化物半導體元件。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之磊晶晶圓，其中該些第一方向切割道或該些第二方向切割道平行於該第一側邊。
  10. 一種Ⅲ族氮化物半導體元件的製作方法，包含： 提供一個如申請專利範圍第1項所述之基板晶圓； 形成複數個Ⅲ族氮化物半導體單元於該基板晶圓上；以及 分割該些Ⅲ族氮化物半導體單元以形成複數個Ⅲ族氮化物半導體元件。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之Ⅲ族氮化物半導體元件的製作方法，更包含蝕刻該上表面以形成複數個規則排列的凸部結構。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之Ⅲ族氮化物半導體元件的製作方法，其中，自垂直於該c軸平面方向觀之，該些複數個規則排列的凸部結構中任六個凸部結構分別具有一個外輪廓圖案，且該些外輪廓圖案分別具有一個幾何中心點，連接該些幾何中心點實質上可構成一個想像的正六邊形，而該想像的正六邊形的各邊均不平行或垂直於該第二側邊。
  13. 如申請專利範圍第10項、第11項、或第12項所述之Ⅲ族氮化物半導體元件的製作方法，更包含形成複數條彼此相互平行的第一方向切割道及複數條彼此相互平行的第二方向切割道。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之Ⅲ族氮化物半導體元件的製作方法，其中該些第一方向切割道或該些第二方向切割道平行於該第二側邊。
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