TWI621741B - Epitaxial heat dissipation substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

Abstract

一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，步驟包括：(A)於一多晶或非晶材料基板之表面形成粗糙面；(B)於該粗糙面上形成一平坦層；(C)於該平坦層上形成一緩衝層。藉此，使用平坦層降低基板之表面粗糙度，再利用緩衝層，作為磊晶成長之基底，可直接用於製備平坦及結晶等向成長的半導體元件。

Description

可磊晶之散熱基板與其製作方法

本發明係關於一種散熱基板與其製作方法，特別是關於一種可磊晶之散熱基板與其製作方法。

隨著半導體相關製程技術的推演與電子產品之多元化應用需求，微小化與高效率成為半導體元件不斷精進的趨勢方向，因此人們不得不面臨半導體元件的散熱問題，尤其在高功率以及高頻元件的應用領域更為嚴重。

以發光二極體(LED)元件為例。雖然由於LED具有節能省電之高效率的特性，使得它的應用市場越來越廣泛，但在高功率的應用領域上，如車燈等，卻仍然因為廢熱問題而存在著難進入的高門檻。由於LED的發光效率會受到溫度的直接影響，廢熱若無法導出元件外，將會使得其發光效率持續降低，在穩定性與使用壽命上大打折扣。若其穩定性會影響人身財產安全，如車燈應用，則更是嚴重阻礙此元件對此市場的滲透能力。

又例如以氮化鎵(GaN)材料為基礎之高電子遷移率電晶體(HEMT)。由於氮化鎵化合物半導體有高電子飽和速度、熱穩定性佳、高崩潰電壓等優點，其中AlGaN/GaN HEMT 具有高輸出功率，可廣泛應用在微波功率放大器、變壓器等。然而，在高功率操作時產生之廢熱，將會嚴重影響元件的效率。

為避免廢熱產生之高溫對上述元件的影響與傷害，將熱能導出元件外之散熱設計與管理是常見且直覺的方式。其中，已知有效技術之一是將元件轉移至高熱導係數之基板上。然而在轉移過程需要使用雷射剝離技術(laser lift-off)將元件自原磊晶基板移除，並配合晶圓接合技術將此元件接合至高導熱基板上，依此過程，不但增加了製作之成本與複雜度，並且對良率投入了不確定變因。此外，部分技術人員亦使用高熱導係數之單晶基板來磊晶製作元件，例如使用單晶氮化鋁基板磊晶製作氮化鎵LED或HEMT結構，利用氮化鋁之高導熱特性將熱能移出，同時避免元件轉移的過程。然而單晶氮化鋁基板不但取得困難，而且價格高昂，不利於量產。

而以多晶氮化鋁基板製備氮化鎵材料之研究中，多晶的氮化鋁基板由於硬度不均勻，無法單純透過拋光技術獲得奈米等級的表面粗糙度，因此其表面是非常粗糙的，這對於後續成長高品質氮化鎵磊晶極為不利。除了平坦化的問題尚待解決之外，由於多晶氮化鋁基板有隨機晶格面的問題，因此即使使用氧化鋅或氮化鋁等具有c軸從優取向之材料作為緩衝層，當作預成長層提供正確c軸朝上的晶格供氮化鎵 附生，在水平面方向(in-plane)卻無法形成相同晶格方向以供薄膜形成時的聚合成長。

因此，目前業界需要一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，提供一種平坦度佳，且可成長高品質磊晶的散熱基板，以製備出符合業界需求的半導體元件。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，以將高熱導係數之多晶或非晶材料製作出可直接供磊晶成長之散熱基板。

本發明在製作半導體元件之基板過程中，將高熱導係數之多晶或非晶材料切割成基板尺寸，再以平坦層平坦化該基板之粗糙表面，之後以緩衝層覆蓋於平坦層上，如此將提供可直接磊晶之散熱基板，解決元件磊晶結構完成後須剝離、轉移至散熱基板之程序，或者可免除使用高單價之單晶散熱基板。

為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，步驟包括：(A)於一多晶或非晶材料基板之表面形成粗糙面；(B)於該粗糙面上形成一平坦層；(C)於該平坦層上形成一緩衝層。

上述中，步驟(A)之基板係為氮化鋁、氧化鈹、鑽石或碳化矽；該粗糙面可經由研磨拋光製程所形成之粗糙面，其表面方均根粗糙度介於10nm~100nm之間。在多晶或 非晶材料製作成基板時，會利用研磨拋光製程，進行粗磨與細拋，目的在製作成鏡面型態之表面以利後續製程使用，但習知研磨拋光技術無法達成磊晶所需的表面平坦度，因此本發明進一步提出平坦層的使用。

上述中，步驟(B)係使用旋塗法形成該平坦層；該旋塗法之旋塗材料為氧化矽、氧化鋅或氧化鎳；步驟(B)之平坦層的表面方均根粗糙度介於0.1nm~3nm之間，厚度在20nm~150nm之間。本發明可使用氧化矽、氧化鋅或氧化鎳之旋塗方式來改善多晶氮化鋁的粗糙度。以旋塗氧化矽(SOG，spin-on glass)為例，旋塗式玻璃(SOG)在液態狀態下形成薄膜，係將溶於溶劑中的介電物質旋轉塗佈在需要平坦化的晶片上，使介電物質隨著溶劑填入溝渠中，再經過高溫固化，形成近似二氧化矽的物質在晶片上，讓表面輪廓比較平滑達到局部平坦化的目的。

上述中，步驟(C)係使用二維材料貼附於步驟(B)之平坦層上形成緩衝層，該二維材料可為石墨烯、硫化鉬或硫化鎢，該二維材料之厚度係介於1~5個原子層之間。除了平坦化的問題可透過旋塗材料來解決，由於多晶或非晶材料基板有隨機晶格面的問題，因此本發明提出使用二維材料作為緩衝層來解決磊晶成長晶格方向的需求，該二維材料可透過轉移步驟，並經由凡德瓦爾力貼附於平坦層表面。例如，使用二維材料石墨烯(graphene)可同時解決氮化鎵磊晶c軸與 水平面上晶格成長方向的要求。由於二維材料石墨烯是一種六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，對纖鋅礦結構(wurtzite)的氮化鎵來說，是很好的緩衝成長層，可以同時幫助c軸與水平面方向的氮化鎵成長。

上述中，可進一步於該緩衝層成長一磊晶，該磊晶可為氮化鎵。將步驟(c)製備完成的基板置入磊晶機台內，藉由調整成長溫度、厚度、壓力以及載氣，以直接成長高溫磊晶材料。

本發明是一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，此方法的特色在於經由旋塗式製程，使旋塗材料均勻塗佈於多晶或非晶材料之粗糙基板表面，以改善基板之平坦性，並進一步利用週期性晶格排列之二維材料為緩衝層，作為磊晶成長之基底，以利於後續磊晶之製程。本發明製作的可磊晶之散熱基板，其表面方均根粗糙度可降低至3nm以下，經由電子顯微分析該基板之剖面形態，顯示其平坦層、緩衝層及磊晶層之各層結構；並由其表面形態分析圖，顯示其磊晶層顆粒大小均一、排列緊密，證實本發明之一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，其流程簡便，可直接用於製備品質佳的磊晶元件，對產業利用具有相當經濟之改良。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及 圖式中加以闡述。

S101-S103‧‧‧步驟

1‧‧‧多晶或非晶材料基板

2‧‧‧基板之粗糙表面

3‧‧‧平坦層

4‧‧‧緩衝層

5‧‧‧磊晶

第一圖係為本發明可磊晶之散熱基板之製作方法流程圖；第二圖係為本發明可磊晶之散熱基板之製作流程示意圖；第三圖係為本發明實施例基板與平坦層原子力顯微鏡表面形態圖；第四圖係為本發明實施例穿透式電子顯微鏡分析圖；第五圖係為本發明實施例磊晶掃描式電子顯微鏡分析圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。

本發明之一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，此方法的特色在於先使用旋塗法於多晶或非晶材料基板製備平坦層，透過平坦層改善基板表面粗糙度，以提升後續磊晶成長之平坦度，之後再於平坦層表面形成一緩衝層。利用原子層厚度之石墨烯二維材料做為緩衝層，可減少與磊晶層之間的晶格匹配與熱膨脹差異。因為磊晶層與石墨烯緩衝層之間是藉由凡德瓦力進行物理吸附，並無形成化學鍵結，因此 晶格匹配與熱膨脹差異所導致的變形問題便可迎刃而解，而石墨烯二維材料之週期性晶格排列與六角型蜂巢晶格之平面結構，則有助於具有同樣六方晶系纖鋅礦結構(wurtzite)的氮化鎵c軸與水平面方向的晶格成長，進一步改善c軸與水平面方向之磊晶品質，以利後續製備品質佳的磊晶層材料。

請參閱第一圖及第二圖，為本發明可磊晶之散熱基板之製作方法流程圖及製作流程示意圖。如圖所示，一種可磊晶之散熱基板之製作方法，步驟包括：(A)於一多晶或非晶材料基板之表面形成粗糙面S101；(B)於該粗糙面上形成一平坦層S102；(C)於該平坦層上形成一緩衝層S103。

上述中，可進一步於該緩衝層成長一磊晶，該磊晶可為氮化鎵。

實施例：

首先經由研磨拋光製程，於多晶氮化鋁基板上形成一粗糙面，其表面粗糙度介於10nm~100nm之間，再利用旋轉塗佈製程進行二氧化矽(SOG)平坦層的一次旋塗與二次旋塗，塗佈參數為旋塗轉速3000RPM，旋塗時間10秒，每次塗佈完後的二氧化矽層都須經由烘烤步驟去除多餘有機溶劑，並促進薄膜交聯反應(Crosslink)，烘烤步驟依序為80℃、150℃、250℃，烘烤時間皆為60秒。

接著透過習知轉移技術，先將聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)覆蓋在商用石墨烯之上，作 為固定石墨烯之用，以方便後續轉移步驟，再利用三氯化鐵(FeCl₃)將石墨烯底下之承載鎳基板溶解掉，接著浸泡於去離子水(DI Water)清洗多餘溶液，最後將PMMA/石墨烯轉移至平坦層表面，再利用丙酮去除掉PMMA，即可進行接下來的氮化鎵MOCVD(有機金屬化學氣相沉積)磊晶製程。本實施例氮化鎵最佳磊晶參數為低溫氮化鎵成核層成長溫度540℃，成長壓力300mtorr，高溫氮化鎵磊晶層成長溫度1150℃，五三比為200。

請參閱第三圖，為本發明實施例基板與平坦層原子力顯微鏡表面形態圖，如圖三(a)所示，多晶氮化鋁基板經研磨拋光後，仍無法獲得奈米等級的表面粗糙度，方均根粗糙度為26.68nm；經過二氧化矽一次旋塗後，其表面形貌如圖三(b)所示，方均根粗糙度為9.54nm；經過二氧化矽二次旋塗後，其表面形貌如圖三(c)所示，方均根粗糙度為2.87nm，顯示表面粗糙的基板，在經過平坦化之表面旋塗後，可有效提升其表面平坦度。

請參閱四圖，為本發明實施例穿透式電子顯微鏡(TEM)分析圖。如圖所示，可觀察本發明實施例剖面各層結構，由下而上依序為平坦層(二氧化矽，SiO₂)、緩衝層(石墨烯，Graphene)及磊晶層(氮化鎵，GaN)，並經由TEM繞射分析，於磊晶層顯示出具有氮化鎵的繞射晶面，證實本發明實施例已製備出可磊晶之散熱基板，並可提供磊晶良好的成晶結 果。

請參閱第五圖，為本發明實施例磊晶掃描式電子顯微鏡分析圖。如圖所示，為氮化鎵磊晶之表面分析圖，可觀察出氮化鎵結晶顆粒大小均一、排列緊密，顯示本發明製作之基板，可作為磊晶成長之基底，幫助後續磊晶均勻成長。

本發明提供一種可磊晶之散熱基板與其製作方法，經由旋塗式製程，使旋塗材料均勻塗佈於多晶或非晶材料之粗糙基板表面，可將表面方均根粗糙度降低至3nm以下，達到可磊晶薄膜之條件。並利用二維材料之週期性晶格排列為緩衝層，作為磊晶成長之基底，可幫助後續磊晶等向性成長，過程中使用對平坦層附著力佳之二維材料，不會在磊晶的高溫與氣流過程中脫離。本發明製備出之多晶及非晶材料基板，可直接用於製備平坦及結晶等向成長的磊晶元件，使其在未來的應用領域更加寬廣。

上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (12)

1. 一種可磊晶之散熱基板之製作方法，步驟包括：(A)於一多晶或非晶材料基板之表面形成粗糙面；(B)於該粗糙面上形成一平坦層；(C)於該平坦層上形成一緩衝層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(A)之基板係為氮化鋁、氧化鈹、鑽石或碳化矽。
3. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(A)之粗糙面係經由研磨拋光製程所形成之粗糙面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(A)之粗糙面的表面方均根粗糙度介於10nm~100nm之間。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(B)係使用旋塗法形成該平坦層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，該旋塗法之旋塗材料為氧化矽、氧化鋅或氧化鎳。
7. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(B)之平坦層的表面方均根粗糙度介於0.1nm~3nm之間，厚度在20nm~150nm之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，步驟(C)係使用二維材料貼附於步驟(B)之平坦層上形成緩衝層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，該二維材料係為石墨烯、硫化鉬或硫化鎢。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，該二維材料之厚度係介於1~5個原子層之間。
11. 如申請專利範圍第1項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，係進一步於該緩衝層成長一磊晶。
12. 如申請專利範圍第11項所述之可磊晶之散熱基板之製作方法，其中，該磊晶係為氮化鎵。