TWI398022B - Separation method of epitaxial substrate of photovoltaic element - Google Patents

Description

光電元件之磊晶基板的分離方法

本發明是有關於一種光電元件的製造方法，特別是指一種光電元件之磊晶基板的分離方法。

參閱圖1，目前市面上的光電元件眾多，以垂直導通式發光二極體為例，光電元件1包含一導電基塊11、一設置於該導電基塊11上並在提供電能時以光電效應產生光的磊晶膜12，及一設置在該磊晶膜12上的電極13，該導電基塊11可與該電極13相配合對該磊晶膜12提供電能，使該磊晶膜12產生光。

在製作上述的光電元件1(垂直導通式發光二極體)時，是選用晶格匹配度較佳、並為晶圓態樣的藍寶石(Al₂ O₃ )作為磊晶基材，於磊晶基材上磊晶成長一層氮化鎵系半導體材料構成的磊晶層，然後在磊晶層的頂面向上形成一與磊晶層電連接並作為永久基板使用的導電層(切割後即成多數導電基塊11)，接著將磊晶基材與該磊晶層分離，並於磊晶層之移除磊晶基材後裸露出的表面形成多數與磊晶層電連接的電極，最後對應該等電極將磊晶層、導電層切割成多數磊晶膜12、導電基塊11，即製得多數分別包括導電基塊11、磊晶膜12與電極13的光電元件1。

在上述的製造過程中，是利用雷射剝離技術或機械研磨方式將磊晶基材自磊晶層直接分離，然而，利用雷射剝離技術分離磊晶基材，製程成本較高，而利用機械研磨的方式直接移除磊晶基材，則會有應力殘留破壞磊晶層結構的疑慮。

因此，如何設計、提出生產光電元件的製造方法，進而省時、低成本地製造光電元件，同時在製造的各步驟過程中不會造成既有結構受損，進而兼顧到製作之光電元件的發光亮度與發光效能，而供業界量產採用，仍是學界不斷努力的方向。

因此，本發明之目的，即在提供一種新的光電元件之磊晶基板的分離方法，可以省時且低成本地製作出具有高發光亮度的光電元件。

於是，本發明一種光電元件之磊晶基板的分離方法，包含下列六個步驟。

首先於一磊晶基材上形成一具有多數彼此相間隔之膜體結構的犧牲膜，再自該犧牲膜上側向磊晶形成一磊晶層。

接著於該磊晶層上形成一遮罩層，其中，該遮罩層遮覆該磊晶層部份表面區域而將該磊晶層定義出多數分別具有一頂面的磊晶膜。

再自每一磊晶膜頂面向上形成一與該磊晶膜電連接的導電基塊，其中，任兩相鄰的導電基塊被該遮罩層阻隔而彼此獨立。

然後移除該遮罩層，並在移除該遮罩層後繼續移除該磊晶層對應於該遮罩層圖樣的層體結構到實質至該磊晶基材裸露，得到多數與該磊晶基材連接的光電元件半成品。

再以濕蝕刻方式移除該犧牲膜以及使該等磊晶膜與該磊晶基材連結處分離，得到多數獨立且與該磊晶基材相分離後的底面是一粗糙面的光電元件半成品。

最後分別於該等光電元件半成品之一相反於該導電基塊的粗糙面上設置一與該磊晶膜電連接的電極，製得多數光電元件。

本發明之功效在於：提供完整的光電元件之磊晶基板的分離方法，藉著先成型具有間隔條狀膜體結構的犧牲膜，而能在後續蝕刻掉犧牲膜與分離磊晶基材時，同時粗化得到的光電元件半成品出光面，進而省時、低成本，且不須進行切割過程地製得結構完整且發光亮度高的光電元件。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2、圖3，本發明一種光電元件之磊晶基板的分離方法的一第一較佳實施例，是製作出如圖3所示的光電元件3。

本發明的製造方法在先了解製造出的產品結構後，當可更加清楚的明白。

先參閱圖3，該光電元件3包含一可導電的導電基塊31、一設置於該導電基塊31上的磊晶膜32，及一設置在該磊晶膜32上的電極33。

該導電基塊31與該磊晶膜32相電連接；該磊晶膜32在提供電能時以光電效應產生光，並包括一經蝕刻而粗化的粗糙面321。

該導電基塊31與電極33相配合對該磊晶膜32提供電能，使該磊晶膜32產生光。

當自電極33與導電基塊31配合對磊晶膜32施加電能時，電流向下通過磊晶膜32，使該磊晶膜32產生光，產生的光經粗化形成的粗糙面321穿出向外發射；藉由粗化形成的粗糙面321，可有效降低全反射發生的機率，進而使產生的光有較大的機率穿出向外發射，進而可使光電元件3具有高的發光亮度。

上述的光電元件3在通過下述本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例說明後，當可更加清楚的明白。

參閱圖2、圖4，首先進行步驟21，先於一呈晶圓態樣的藍寶石磊晶基材41上沉積形成一層由氧化矽(SiO_x )構成的犧牲膜42，其中，該犧牲膜42包括複數條狀且間隔排列的膜體結構421，而後，再於犧牲膜42側向磊晶形成一由氮化鎵系半導體材料所構成的磊晶層43；另外，犧牲膜的構成材料還可以是氧化鋅、氮化矽、氮化鈦，或氮化鉻等，由於該犧牲膜42的構成材料種類變化眾多，且可視後續的蝕刻移除製程而變，在此不再多加舉例說明。

參閱圖2、圖5，然後進行步驟22，運用微影蝕刻技術於磊晶層43上形成一層遮罩層44，其中，該遮罩層44遮覆該磊晶層43部份表面區域而將該磊晶層43定義出多數分別具有頂面322的磊晶膜32；在本實施例中，該遮罩層44是由多數呈垂直交錯排列的光阻。

參閱圖2、圖6，接著進行步驟23，自每一磊晶膜32的頂面322上形成可導電且與該磊晶膜32相電連接的導電基塊31，其中，由於該遮罩層44的阻隔，會使得該等導電基塊31各自獨立。

參閱圖2、圖7，然後進行步驟24，以感應式電漿耦合(ICP，Inductively Coupled Plasma)蝕刻移除該遮罩層44，並在蝕刻移除該遮罩層44後繼續移除該磊晶層43對應於該遮罩層44圖樣的層體結構至使該磊晶基材41裸露為止，使得磊晶層43被蝕刻出多數溝渠而成多數各自獨立的磊晶膜32，得到多數光電元件半成品45。

參閱圖2、圖8、圖9，然後進行步驟25，自實施步驟24後導電基塊31彼此間與磊晶膜32彼此間形成的溝渠及犧牲膜42周緣濕蝕刻移除犧牲膜42，以及同樣以濕蝕刻的方式使磊晶層43與磊晶基材41連結處分離，而使該等光電元件半成品45與該磊晶基材41相分離，特別的是，在濕蝕刻移除犧牲膜42以及使磊晶層43與磊晶基材41連結處分離的同時，每一磊晶膜32外露的表面會被蝕刻粗化而成粗糙面321。在本例中，是先以氫氟酸濕蝕刻由氧化矽構成的犧牲膜，再以260℃的磷酸、硫酸混合液(H₃ PO₄ ：H₂ SO₄ =3：1)使磊晶層43與磊晶基材41連結處分離，分離磊晶層43與磊晶基材41連結處的微觀結構如圖9所示，另外，單獨使用磷酸、氫氧化鉀等也可以有類似的蝕刻分離效果，因此等選擇眾多，且非本發明創作重點所在，故在此不多加舉例說明。

參閱圖2、圖3，最後進行步驟26，分別於該等光電元件半成品45上設置電極33後，即製得多數如圖3所示的光電元件3。

由上述說明可知，本發明的光電元件之磊晶基板的分離方法，主要藉著遮罩層44簡單成型出彼此獨立的導電基塊31，並於後續將磊晶層43定義出多數磊晶膜32，移除遮罩層44後即可藉導電基塊31之間形成的溝渠簡易且精確地自該等溝槽更向下蝕刻移除對應於遮罩層44圖樣的磊晶層43層體結構，而得到多數分離的磊晶膜32，然後，導電基塊31彼此間，以及磊晶膜32彼此間形成的溝渠又可加快濕蝕刻移除犧牲膜42的過程，而能更快速地分離磊晶基材41，得到多數獨立的光電元件半成品45，之後，再製作電極33、即完成光電元件3的製作。

由於整個製作過程並沒有目前的切割晶圓過程，所以可以確保製得之光電元件3的磊晶膜32結構完整，不會有影響製得之光電元件3內部量子效率的應力殘留問題，同時，濕蝕刻的過程也有效地粗化光電元件3的磊晶膜32表面成粗糙面321，而可大幅增加製得之光電元件3的光提出比率，有效提升製作之光電元件3的整體發光亮度。

參閱圖10，另外要說明的是，該步驟21形成的犧牲膜42還具有多數彼此間隔且與該等膜體結構421相交錯的輔助膜體結構422，除可正面提升側向磊晶之外，更有助於後續分離磊晶基材41的速率。再者，該犧牲膜42可以是藉著製程的控制形成於磊晶基材41上，例如可以是於磊晶基材41上形成整層薄層態樣的層體結構，再利用微影蝕刻過程圖樣化而成，由於此等製程步驟細節並非本發明重點所在，故在此不再多加贅述。

參閱圖11，另外要補充說明的是，在實施步驟25之前，可以多增加一道將固著基板46可分離地貼附在該等導電基塊31上的步驟，如此，在蝕刻移除犧牲膜42、於光電元件半成品45上設置電極33後，即可簡易地依序將製作完成的光電元件3自固著基板46取下，進行後續的下游封裝。

參閱圖12，此外，導電基塊31’也可以先選用具有高反射率的金屬，或是合金，作為反射膜47，也同時作為後續電鍍增厚所需之晶種層，之後再以電鍍方式增厚形成一層基底48，使得導電基塊31’可同時反射光與配合電極3提供電能之用。

本發明一種光電元件之磊晶基板的分離方法的一第二較佳實施例，是與上例類似製作出如圖3所示的光電元件3，其不同處僅在於進行步驟21時，是於磊晶基材41上依序以氧化鋅(ZnO)、氧化矽為材料堆疊構成犧牲膜42(犧牲膜42同樣具有間隔排列的膜體結構421，及/或輔助膜體結構422)，藉此，當側向磊晶成長磊晶層43的過程中，磊晶條件會使氧化鋅成非緻密的弱化結構，進而可更快速地於後續製程中，快速地蝕刻移除犧牲層42、分離磊晶基材41。

綜上所述，本發明是提供一種全新且完整的光電元件之磊晶基板的分離方法，藉著遮罩層而可簡單成型出彼此獨立的導電基塊，而後，移除遮罩層即可使得導電基塊彼此間形成類似溝槽的結構，而加快蝕刻速度與蝕刻準確度，進而更快速、簡易地向下蝕刻預定移除的磊晶層層體結構，得到多數分離獨立的磊晶膜；而移除之磊晶層層體結構(即磊晶膜彼此的間距)又形成可供蝕刻劑進入以加快蝕刻速度的溝渠，進而可再更快速地濕蝕刻移除犧牲膜及蝕刻分離磊晶基材，並在此同時粗化光電元件半成品的表面，進而達到省時、低成本，且不須進行切割晶圓過程，即可製得結構完整且發光亮度高的光電元件，確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

21．．．步驟

22．．．步驟

23．．．步驟

24．．．步驟

25．．．步驟

26．．．步驟

3．．．光電元件

31．．．導電基塊

31’．．．導電基塊

32．．．磊晶膜

321．．．粗糙面

322．．．頂面

33．．．電極

41．．．磊晶基材

42．．．犧牲膜

421．．．膜體結構

422．．．輔助膜體結構

43．．．磊晶層

44．．．遮罩層

45．．．光電元件半成品

44．．．導電基塊

46．．．固著基板

47．．．反射膜

48．．．基底

圖1是一立體圖，說明目前的垂直導通式發光二極體；

圖2是一流程圖，說明本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的一第一較佳實施例；

圖3是一立體圖，說明以本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例所製得的光電元件；

圖4是一立體圖，配合圖2本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例，說明於一磊晶基材上依序形成一層犧牲膜及一層磊晶層；

圖5是一立體圖，配合圖2本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例，說明於磊晶層上形成一層遮罩層；

圖6是一立體圖，配合圖2本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例，說明於磊晶層上未被遮罩層遮覆的區域形成多數由遮罩層分隔的獨立導電基塊；

圖7是一立體圖，配合圖2本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例，說明移除遮罩層及移除遮罩層後繼續移除磊晶層對應於遮罩層圖樣的層體結構；

圖8是一立體圖，配合圖2本發明光電元件之磊晶基板的分離方法的第一較佳實施例，說明濕蝕刻分離磊晶基材得到多數顆光電元件半成品；

圖9是一電子顯微鏡照片圖，輔助說明濕蝕刻分離磊晶基材後，該多數顆光電元件半成品與磊晶基材的分離處；

圖10是一立體圖，說明於磊晶基材上依序形成之犧牲膜還包括多數輔助膜體結構；

圖11是一立體圖，說明以固著基板可分離地黏貼在多數導電基塊上；及

圖12是一立體圖，說明先形成反射膜作為晶種層，再電鍍增厚一層基底形成導電基塊。

21．．．步驟

22．．．步驟

23．．．步驟

24．．．步驟

25．．．步驟

26．．．步驟

Claims (6)

1. 一種光電元件之磊晶基板的分離方法，包含：(a)於一磊晶基材上形成一具有多數彼此相間隔之膜體結構的犧牲膜，再自該犧牲膜上側向磊晶形成一磊晶層；(b)於該磊晶層上形成一遮罩層，其中，該遮罩層遮覆該磊晶層部份表面區域而將該磊晶層定義出多數磊晶膜；(c)自每一磊晶膜頂面向上形成一與該磊晶膜電連接的導電基塊，其中，任兩相鄰的導電基塊被該遮罩層阻隔而彼此獨立；(d)移除該遮罩層，並在移除該遮罩層後繼續移除該磊晶層對應於該遮罩層圖樣的層體結構到實質使該磊晶基材裸露為止，得到多數與該磊晶基材連接的光電元件半成品；(e)以濕蝕刻方式移除該犧牲膜以及使該等磊晶膜與該磊晶基材連結處分離，得到多數獨立且外周面是粗糙面的光電元件半成品；及(f)分別於該等光電元件半成品之一相反於該導電基塊的粗糙面上設置一與該磊晶膜電連接的電極，製得多數光電元件。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之光電元件的製作方法，其中，該步驟(a)形成的犧牲膜還具有多數彼此間隔且與該等膜體結構交錯的輔助膜體結構。
3. 依據申請專利範圍第1或2項所述之光電元件的製作方法，其中，該步驟(a)是依序以氧化鋅及氧化矽為材料形成該犧牲層。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之光電元件的製作方法，其中，該步驟(a)於磊晶形成該磊晶層時以磊晶條件使氧化鋅成非緻密結構。
5. 依據申請專利範圍第1項所述之光電元件的製作方法，更包含一實施在步驟(e)之前的步驟(g)，在該等導電基塊上可分離地黏接一固著基板，而在該等光電元件半成品上設置電極製得多數光電元件後，依序將該等光電元件自該固著基板上取下。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之光電元件的製作方法，其中，該步驟(c)是先以具有高反射率的導電材料分別於每一磊晶膜頂面上形成一層反射膜，再於該反射膜上以導電材料向上增厚形成一層基底而形成該導電基塊。