TWI437624B - 材料層分離方法 - Google Patents

Description

材料層分離方法

本發明涉及一種材料層分離方法，尤其涉及一種半導體器件之材料層分離方法。

半導體器件一般由基板上磊晶生長半導體結構層而形成，如藍光發光二極體由在藍寶石基板上以有機金屬化學氣相沈積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)等方法磊晶生長三族氮化物半導體材料層(III-Nitride semiconductor)而形成。

然而，因藍寶石基板熱傳效率不高，發光二極體產生之熱無法有效散發出去，造成發光二極體內部之熱堆積而影響發光二極體出光效率。另一方面，藍寶石基板之熱膨脹係數(thermal expansion coefficient)與三族氮化物半導體材料層不同，發光二極體受熱升溫後容易造成藍寶石基板或半導體材料層彎曲形變，因此，一般三族氮化物半導體在藍寶石基板上磊晶完成後會再移除該藍寶石基板。

一般半導體材料層厚度很薄且易碎，基板提供半導體材料層支撐性及增加其機械強度，若無基板存在則易造成半導體材料層碎裂損壞，為了改善上述問題，先前技術提出基板置換技術，即在半導體材料層上增加一第二基板，然後將原先之藍寶石基板移除。

先前之將基板與半導體材料層分離之方法大多使用雷射分離(laser lift-off)技術。然而，使用雷射照射半導體材料層與基板之分界處時，伴隨著雷射之高能量會被半導體層吸收，很可能會破壞半導體層之晶體結構，或使其切割面焦黑，使半導體光電元件之品質降低。

下面將以實施例說明一種材料層分離方法，可提高半導體器件之品質。

一種材料層分離方法，用於分離半導體器件中之材料層，其包括以下步驟：在一第一材料層上形成一高磁導率材料層；在該高磁導率材料層表面形成一第二材料層，從而使該高磁導率材料層形成於該第一材料層與該第二材料層之間；冷卻該第一材料層及第二材料層，使第一材料層及第二材料層產生收縮應力；利用一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層產生拉伸應力，從而分離該第一材料層與該第二材料層。

一種材料層分離方法，用於分離半導體器件中之材料層，其包括以下步驟：在一第一材料層上形成一高磁導率材料層；按照一預定圖案去除部分該高磁導率材料層，使第一材料層對應於該預定圖案之部分暴露；在該第一材料層表面對應於該預定圖案之部分生長一第二材料層並使該第二材料層覆蓋該高磁導率材料表面；冷卻該第一材料層及第二材料層，使第一材料層及第二材料層產生收縮應力；利用一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層產生拉伸應力，從而分離該第一材料層與該第二材料層。

該材料層分離方法藉由冷卻第一及第二材料層並藉由高頻率射頻加熱高磁導率材料層，從而使待分離材料層與高磁導率材料層產生應力拉扯，待分離材料層與高磁導率材料層之間發生斷裂從而完成相互分離，避免破壞半導體層之晶體結構，也避免了採用雷射分離法造成之切割面焦黑，從而提高半導體器件之品質。

下面將結合附圖對本發明實施例作進一步之詳細說明。

請參閱圖1與圖2，本發明第一實施例提供一種材料層分離方法，用於分離半導體器件中一半導體材料層與另一半導體材料層、或一半導體材料層與一絕緣體材料層，該材料層分離方法包括以下步驟。

步驟12，在第一材料層上形成一高磁導率材料層。

如圖2(a)所示，一高磁導率材料層104以電鍍或蒸鍍等方法形成在一第一材料層102表面。該第一材料層102為阻磁材料，其可為半導體材料或係絕緣材料，但不限定於上述兩種材料。

該高磁導率材料層104可以為鉬合金(Mo-metal)，透磁合金(permalloy)、電爐鋼(electrical steel)、鎳鋅鐵氧體(Nickel Zinc Ferrite)、錳鋅鐵氧體(manganese zinc ferrite)、鋼(steel)、鎳(nickel)等金屬或合金。一般地，高磁導率材料層104之磁導率大於第一材料層102之阻磁材料兩個數量級。一般地，第一材料層102之阻磁材料如藍寶石之磁導率約為1.25N/A² ，而高磁導率材料層104之磁導率等於或大於125N/A² 。材料之磁導率舉例如下表：

步驟14，在該高磁導率材料層上形成第二材料層。

如圖2(b)所示，在該高磁導率材料層104上形成第二材料層106，該第二材料層106為阻磁材料，其可為半導體材料或係絕緣體材料，但不限定於上述兩種材料。第二材料層106與該第一材料層102可以為同質材料，第一材料層102與第二材料層106為同質材料，如第一材料層102與第二材料層106同為氮化鎵層，形成一氮化鎵緩衝層，高磁導率材料層104位於第一材料層102與第二材料層106形成之氮化鎵緩衝層內；第二材料層106與該第一材料層102也可以為異質材料，如第一材料層102為藍寶石基板，該第二材料層106為氮化鎵緩衝層。

步驟16，冷卻該第一材料層及第二材料層，並提供一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層與該第一材料層之間或該高磁導率材料層與該第二材料層之間發生應力拉扯並發生斷裂，從而分離該第一材料層與該第二材料層。

如圖2(c)、2(d1)及2(e)所示，利用噴射冷卻體108之方法冷卻該第一材料層102及第二材料層106。該冷卻體108可為冷卻流體(cooling fluid)，如液態氮、乾冰、低溫空氣、低溫水等物質，其具體實施可採用以下方式：將上述第一材料層102、高磁導率材料層104及第二材料層106放置於一反應腔體，向該反應腔體中通入冷卻流體使其對第一材料層102與第二材料層106進行降溫，經過熱交換後之流體從反應腔體之出口排出。該冷卻體108還可以為冷卻裝置，如半導體熱電致冷器(thermoelectric cooler)，其實施方式為使固態冷卻體108直接與上述元件相接觸進行降溫。

高頻率射頻110係一種頻率介於3GHz至300GHz之間之電磁波，在高頻率射頻環境下，高磁導率材料層104會吸收高頻率射頻並產生高溫。例如：將高頻率射頻線圈環繞上述第一材料層102、高磁導率材料層104及第二材料層106所形成之元件，利用高頻率射頻線圈產生之高頻率射頻使高磁導率材料層產生高溫，但不限定於此方法。

因為第一材料層102及第二材料層106為阻磁材料，所以有高頻率射頻之環境下，第一材料層102及第二材料層106不會產生高溫。因此在步驟16中，該高磁導率材料層104由於溫度升高而發生膨脹，而第一材料層102及第二材料層106由於冷卻體108之作用而降溫收縮，此時第一材料層102與高磁導率材料層104之間、及高磁導率材料層104與第二材料層106之間發生相互之應力拉扯，由於第一材料層102與高磁導材料層104之間及第二材料層106與高磁導率材料層104之間分別具有一定之結合力，高磁導率材料層104升溫過程中，高磁導率材料層104分別與第一材料層102與第二材料層106之應力拉扯力逐漸增加，當升至一定溫度時，應力拉扯力會克服第一材料層102與高磁導材料層104之間或第二材料層106與高磁導率材料層104之間之結合力，使第一材料層102與高磁導率材料層104或第二材料層106與高磁導率材料層104相互掙脫分離(如圖2(d)及圖2(e)所示)。

第一材料層102與該第二材料層106分離後，還包括將第一材料層102及第二材料層106表面殘留之高磁導率材料層104清除之步驟，清除該高磁導率材料層104之方法可以採用化學機械拋光(chemical mechanical polishing)方法、化學濕蝕刻(chemical wet etching)、乾蝕刻(dry etching)等方法。

請參閱圖3(a)及圖3(b)，該第一材料層102、高磁導率材料層104及第二材料層106形成一元件，縱軸表示元件內沿與第一材料層102垂直方向之位置，橫軸表示元件之沿縱軸方向各處之溫度，為表示方便，該第一材料層102與第二材料層106之厚度相同。如圖3(a)所示，當未使用該冷卻體108對第一材料層102及第二材料層106所組成之元件加以冷卻，僅使用高頻率射頻對高磁導率材料層104進行加熱時，自高磁導率材料層104分別向第一材料層102及第二材料層106之方向溫度梯度曲線為直線。如圖3(b)所示，當同時使用冷卻體108及射頻對上述元件作用時，自高磁導率材料層104分別向第一材料層102及第二材料層106之方向溫度梯度曲線為二次曲線，即越靠近高磁導率材料層104，溫度梯度變化越大，使得高磁導率材料層104受熱膨脹與第一材料層102、第二材料層106之冷卻收縮所產生應力拉扯作用更大，因此可更有效地產生斷開分離。

參見圖4與圖5，本發明第二實施例提供一種材料層分離方法，其包括以下步驟。

步驟22：在第一材料層上形成一高磁導率材料層。

如圖5(a)所示，該第一材料層202可以為半導體材料層，也可以為絕緣材料，如藍寶石襯底層等。當第一材料層202為半導體材料時，該第一材料層202以磊晶法形成，此時，該第一材料層202包括元素半導體及化合物半導體，元素半導體如矽、鍺等，化合物半導體如四-四(IV-IV)族化合物半導體、三-五(III-V)族化合物半導體、二-六(II-VI)族化合物半導體。其中三-五族化合物半導體係發光二極體主要組成材料，如磷化鋁銦鎵系半導體、氮化鋁銦鎵系半導體、砷化鋁鎵系半導體等。一般作為藍光發光二極體之氮化鋁銦鎵系半導體，其包括AlN，GaN，InN，AlGaN，GalnN，AlInN，AlGaInN等化合物半導體，其磊晶生長方法可為液相磊晶法(liquid-phase epitaxy,LPE)、氣相磊晶法(vapor-phase epitaxy,VPE)、有機金屬氣相沈積磊晶法(metal organic chemical vapor deposition,MOCVD)或係分子束磊晶法(molecular beam epitaxy,MBE)等。

本實施例中之高磁導率材料層204與第一實施例之高磁導率材料層204相同，這裏不再贅述。

步驟24：按照一預定圖案去除部分該高磁導率材料層，使第一材料層對應於預定圖案之部分暴露。

如圖5(b)所示，以光微影法對高磁導率材料層204進行處理，部分高磁導率材料層204被顯影形成一預定圖案，本實施例為按行列式排列之複數方格。該第一材料層202對應於高磁導率材料層204被顯影之部分暴露於外界。對高磁導率材料層204進行圖案化之原因如下：在步驟26中形成第二材料層時，由於原子排列晶格不匹配等因素，第二材料層可能無法直接磊晶生長於高磁導率材料層204上，因此步驟24中以光微影法圖案化該高磁導率材料層204，使第一材料層202之表面對應於預定圖案之部分暴露於外界，此時可以採用磊晶法在暴露於外界之第一材料層202上繼續生長半導體材料層。

步驟26：於該第一材料層表面對應於該預定圖案之部分生長一第二材料層並使該第二材料層覆蓋該高磁導率材料表面。

如圖5(c)及5(d)所示，以磊晶法在第一材料層202暴露於外界之表面繼續生長半導體材料，並覆蓋該高磁導率材料層204，形成第二材料層206，該第二材料層206可以為半導體材料或絕緣材料。該第二材料層206與第一材料層202可以為同質材料，如第一材料層202與第二材料層206同為GaN；第二材料層206與第一材料層202也可以為異質材料，如第一材料層202為藍寶石襯底，第二材料層206之材料為GaN。

步驟28：冷卻該第一材料層及第二材料層，並提供一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層與該第一材料層之間或該高磁導率材料層與該第二材料層之間發生應力拉扯並斷開，從而分離該第一材料層與該第二材料層。

如圖5(e)及圖5(f)所示，冷卻該第一材料層202及第二材料層206之方法與第一實施例之冷卻方法相同，高頻率射頻加熱該高磁導率材料層204之方法與第一實施例之高頻率射頻加熱方法相同，這裏不再贅述。第一材料層202及206之半導體材料為阻磁材料，因此其基本不會升溫。該高磁導率材料層204由於高頻率射頻110之加熱而發生膨脹，而第一材料層202及第二材料層206由於冷卻體108之作用而降溫收縮，此時第一材料層202與高磁導率材料層204之間及高磁導率材料層204與第二材料層206之間發生應力拉扯，當應力拉扯達到一定程度時，第一材料層202與高磁導率材料層204分離或第二材料層206與高磁導率材料層204分離，從而使該第一材料層202與該第二材料層206分離。如圖5(f)所示，本實施例以第一材料層202與高磁導率材料層204相互分離為例。

第一材料層202與第二材料層206分離後，還包括將半導體材料層102及第二材料層206表面殘留之高磁導率材料層204清除之步驟，清除該高磁導率材料層204之方法可以採用化學機械拋光(chemical mechanical polishing)方法，化學濕蝕刻(chemical wet etching)、乾蝕刻(dry etching)等方法。

參見圖6，本發明第三實施例提供一種材料層分離方法。本實施例之材料層分離方法與第二實施例之材料層分離方法相近，不同之處在於：本實施例之包括三層依次層疊設置之半導體材料層302、306及310，半導體材料層302與半導體材料層306之間具有第一高磁導率材料層304，半導體材料層306與半導體材料層310之間具有第二高磁導率材料層308，該第一及第二高磁導率材料層304與308分別具有以光微影法形成之圖案，以利於在半導體材料層302之部分表面磊晶生長半導體材料層306，及在半導體材料層306之部分表面磊晶生長半導體材料層310。與第二實施例相類似，利用冷卻體108冷卻該半導體材料層302、306及310，並提供一高頻率射頻110加熱該高磁導率材料層304及308，則可使半導體材料層302與半導體材料層306及半導體材料層310相互分離。

半導體材料層302、306及310相互分離後，還需包括將半導體材料層302、306及310表面殘留之高磁導率材料清除之步驟。

請參閱圖7，本發明第四實施例提供一種材料層分離方法，本實施例係將同質材料層相互分離。本實施例之材料層分離方法為第二實施例之材料層分離方法一具體實例，其為將一磊晶生長後之發光二極體40中之藍寶石基板42進行分離之方法。本實施例磊晶生長後之發光二極體40包括依次堆疊之藍寶石基板42、氮化鎵緩衝層44、半導體發光結構層46及金屬基板48。該半導體發光結構層46包括依次堆疊之n型氮化鎵層462、多重量子井結構層464及p型氮化鎵層466，該氮化鎵緩衝層44內具有一圖案化之高磁導率材料層442，該高磁導率材料層442將該氮化鎵緩衝層44沿堆疊方向分成兩層，且該氮化鎵緩衝層44之兩層在圖案部分相互連接。

與第二實施例相類似，利用冷卻體108冷卻該氮化鎵緩衝層44，並提供一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層442，則可使氮化鎵緩衝層44之兩層相互分離，即將藍寶石基板42與該半導體發光結構46相互分離。

請參閱圖8，本發明第五實施例提供一種材料層分離方法，本實施例之分離方法係將異質材料相互分離，此處以將磊晶生長後之發光二極體50中之藍寶石基板52與半導體發光結構進行分離為例。本實施例之發光二極體50與第四實施例之發光二極體40基本相同，不同之處在於，高磁導率材料層542設置於藍寶石基板52與氮化鎵緩衝層54之間。利用冷卻體108冷卻氮化鎵緩衝層54及藍寶石基板52，並提供一高頻率射頻110加熱該高磁導率材料層542，則可使藍寶石基板52與半導體發光結構56相互分離。

本發明實施例之材料層分離方法藉由冷卻材料層並藉由高頻率射頻加熱高磁導率材料層，從而使待分離材料層與高磁導率材料層產生應力拉扯，待分離材料層與高磁導率材料層之間發生斷裂，從而完成相互分離，避免破壞半導體層之晶體結構，也避免了採用雷射分離法造成之切割面焦黑。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

104、204．．．高磁導率材料層

102、206．．．第一材料層

106、206．．．第二材料層

108．．．冷卻體

110．．．高頻率射頻

304．．．第一高磁導率材料層

308．．．第二高磁導率材料層

302、306、310．．．半導體材料層

40．．．發光二極體

42、52．．．藍寶石基板

44、54．．．氮化鎵緩衝層

46、56．．．半導體發光結構層

48．．．金屬基板

442、542．．．高磁導率材料層

462．．．n型氮化鎵層

464．．．多重量子井結構層

466．．．p型氮化鎵層

圖1係本發明第一實施例材料層分離方法之流程圖。

圖2(a)-圖2(e)係圖1中所示之材料層分離方法之過程示意圖。

圖3(a)-圖3(b)係分別在未使用冷卻體及使用冷卻體時材料層各處溫度梯度示意圖。

圖4係本發明第二實施例材料層分離方法之流程圖。

圖5(a)-圖5(f)係圖4中所示之材料層分離方法之過程示意圖。

圖6係本發明第三實施例之材料層分離方法之過程示意圖。

圖7係本發明第四實施例之材料層分離方法之過程示意圖。

圖8係本發明第五實施例之材料層分離方法之過程示意圖。

104．．．高磁導率材料層

102．．．第一材料層

106．．．第二材料層

108．．．冷卻體

110．．．高頻率射頻

Claims (25)

1. 一種材料層分離方法，用於分離半導體器件中之材料層，其包括以下步驟：在一第一材料層上形成一高磁導率材料層；在該高磁導率材料層表面形成一第二材料層，從而使該高磁導率材料層形成於該第一材料層與該第二材料層之間；冷卻該第一材料層及第二材料層，使第一材料層及第二材料層產生收縮應力；利用一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層產生拉伸應力，從而分離該第一材料層與該第二材料層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與第二材料層為阻磁材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與第二材料層為半導體材料或絕緣材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與第二材料層為同質材料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與該第二材料層為半導體材料。
6. 如申請專利範圍第3項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層e與該第二材料層為異質材料。
7. 如申請專利範圍第6項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層為藍寶石基板，該第二材料層為半導體材料。
8. 如申請專利範圍第3項所述之材料層分離方法，其中，該半導體材料包括IV-IV族化合物半導體、III-V族化合物半導體、II-VI族化合物半導體。
9. 如申請專利範圍第8項所述之材料層分離方法，其中，該III-V族化合物半導體包括磷化鋁銦鎵系半導體、氮化鋁銦鎵系半導體、砷化鋁鎵系半導體。
10. 如申請專利範圍第1項所述之材料層分離方法，其中，該高頻率射頻之頻率範圍為3Ghz至300Ghz。
11. 如申請專利範圍第1項所述之材料層分離方法，其中，該高磁導率材料層之材料包括鉬合金、透磁合金、電爐鋼、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鋼、及鎳中之一種或多種。
12. 如申請專利範圍第1項所述之材料層分離方法，其中，提供一冷卻體冷卻該第一材料層及第二材料層。
13. 如申請專利範圍第12項所述之材料層分離方法，其中，該冷卻體為低溫氣體、低溫液體或半導體熱電致冷器。
14. 一種材料層分離方法，用於分離半導體器件中之材料層，其包括以下步驟：在一第一材料層上形成一高磁導率材料層；按照一預定圖案去除部分該高磁導率材料層，使第一材料層對應於該預定圖案之部分暴露；在該第一材料層表面對應於該預定圖案之部分生長一第二材料層並使該第二材料層覆蓋該高磁導率材料表面；冷卻該第一材料層及第二材料層，使第一材料層及第二材料層產生收縮應力；利用一高頻率射頻加熱該高磁導率材料層，使該高磁導率材料層產生拉伸應力，從而分離該第一材料層與該第二材料層。
15. 如申請專利範圍第14項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與第二材料層為半導體材料或絕緣材料。
16. 如申請專利範圍第15項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與第二材料層為同質材料。
17. 如申請專利範圍第16項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與該第二材料層為半導體材料。
18. 如申請專利範圍第15項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層與該第二材料層為異質材料。
19. 如申請專利範圍第18項所述之材料層分離方法，其中，該第一材料層為藍寶石基板，該第二材料層為半導體材料。
20. 如申請專利範圍第15項所述之材料層分離方法，其中，該半導體材料包括IV-IV族化合物半導體、III-V族化合物半導體、II-VI族化合物半導體。
21. 如申請專利範圍第20項所述之材料層分離方法，其中，該III-V族化合物半導體包括磷化鋁銦鎵系半導體、氮化鋁銦鎵系半導體、砷化鋁鎵系半導體。
22. 如申請專利範圍第14項所述之材料層分離方法，其中，該高頻率射頻之頻率範圍為3Ghz至300Ghz。
23. 如申請專利範圍第14項所述之材料層分離方法，其中，該高磁導率材料層之材料包括鉬合金、透磁合金、電爐鋼、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體、鋼、及鎳中之一種或多種。
24. 如申請專利範圍第14項所述之材料層分離方法，其中，提供一冷卻體冷卻該第一材料層及第二材料層。
25. 如申請專利範圍第24項所述之材料層分離方法，其中，該冷卻體為低溫氣體、低溫液體或半導體熱電致冷器。