一種基于薄膜型的外延片剝離工藝的制作方法
【專利摘要】一種基于薄膜型的外延片剝離工藝屬于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域。先在襯底（600）上依次外延生長(zhǎng)緩沖層（500）、犧牲層（400）和待剝離外延層（300），再利用濺射或者電子束蒸發(fā)制備金屬種子層（200），然后電鍍制備具有內(nèi)部應(yīng)力的金屬支撐層（100）。在腐蝕犧牲層（400）進(jìn)行ELO工藝過程中，金屬支撐層由于內(nèi)部應(yīng)力作用，帶動(dòng)外延層一起向背離襯底的方向卷曲，從而形成有效的腐蝕通道，增大剝離速率，實(shí)現(xiàn)對(duì)2寸以及更大尺寸外延片的剝離。在外延層完全脫離襯底后，由于金屬支撐層的支撐作用，可以防止外延薄膜破裂，同時(shí)方便對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)和后續(xù)工藝操作。本發(fā)明可以同時(shí)對(duì)多個(gè)外延片進(jìn)行剝離，外延剝離后留下的襯底在進(jìn)行表面清潔處理后可重復(fù)使用，減少污染。
【專利說明】一種基于薄膜型的外延片剝離工藝【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]—種基于薄膜型的外延片剝離(ELO, Epitaxial lift-off )工藝,屬于半導(dǎo)體器件制造領(lǐng)域，涉及一種新型的半導(dǎo)體薄膜剝離結(jié)構(gòu)及剝離工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于常規(guī)的半導(dǎo)體器件，器件工作區(qū)主要集中在表面幾個(gè)甚至十幾個(gè)微米以內(nèi)的范圍，而為了保證制造半導(dǎo)體器件過程中的可操作性，制備器件的晶圓襯底厚度通常為約300 μ m至約700 μ m。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管(LED)、半導(dǎo)體激光器及其他器件，為了減少能量損耗及增加器件導(dǎo)熱性能，通常還要在器件制備完成前將襯底研磨減薄至100 μ m以下。而經(jīng)過機(jī)械研磨后晶圓襯底厚度的均勻性很難達(dá)到很高的要求。為了減少對(duì)晶圓襯底的浪費(fèi)，減少對(duì)環(huán)境的污染，降低成本，從上世紀(jì)80年代開始至今，逐漸開發(fā)出了一種外延片剝離技術(shù)，該技術(shù)可以將器件工作區(qū)從襯底上剝離下來，制備成薄膜器件，同時(shí)剝離后的襯底可以重復(fù)被使用。
[0003] 目前，對(duì)于光伏器件、LED、半導(dǎo)體激光器以及其它電子器件的制備過程中，為了獲得性能良好的薄膜器件，通常采用在襯底材料上先外延生長(zhǎng)犧牲層后，再外延生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)，然后通過刻蝕去除犧牲層，從而獲得完整的半導(dǎo)體薄膜。這種用于制備半導(dǎo)體薄膜器件的技術(shù)被稱為外延片剝離(ELO)工藝，剝離獲得的半導(dǎo)體薄膜稱為ELO膜。
[0004]在ELO工藝中，犧牲層一般非常薄(5nm~IOOnm),通常采用化學(xué)濕法腐蝕的方法進(jìn)行去除。在進(jìn)行腐蝕的過程中，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，腐蝕液和犧牲層界面間逐漸形成了非常窄的腐蝕通道。由于該通道的尺寸限制，新鮮的腐蝕液逐漸很難到達(dá)腐蝕界面，同時(shí)反應(yīng)的生成物也很難被及時(shí)移除，從而腐蝕速率隨之降低，直至停止。為了提高反應(yīng)腐蝕速率，增大可剝離外延片的尺寸，其中一個(gè)行之有效的方法就是隨著剝離的進(jìn)行，使邊界附近已經(jīng)與襯底脫離的ELO膜反生幾何形變，增大腐蝕液和犧牲層間腐蝕通道的幾何尺寸，從而促進(jìn)腐蝕的進(jìn)行。通常采用的方法是使ELO膜向背離襯底的方向卷曲。
[0005]由于ELO膜通常非常薄(I μ m~10 μ m)，并且常常含有脆性材料，非常容易破碎，因此在剝離過程中，ELO膜很容易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)剝離后很難直接對(duì)ELO膜進(jìn)行移動(dòng)和其他工藝操作。因此，可以通過在剝離前對(duì)ELO膜表面添加支撐層來保證ELO膜的完整性和可操作性。
[0006]目前對(duì)于ELO膜的剝離，可以將黑膠粘附在膜層表面，黑膠既可以作為支撐層材料，同時(shí)在特定工藝下，黑膠可以產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，從而帶動(dòng)ELO膜發(fā)生卷曲。但是該方法由于黑膠材料本身的應(yīng)力限制，通常只能夠剝離尺寸較小的ELO膜，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)于2寸甚至更大尺寸外延片的剝離。除此以外，可以通過在膜層表面粘附軟性支撐層，如塑料材料、聚合物材料等，再利用機(jī)械外力使支撐材料發(fā)生彎曲，從而帶動(dòng)ELO膜形變。還可以通過在膜層表面電鍍磁性材料，再通過外加磁場(chǎng)使支撐層形變。然而，后兩種方法盡管可以剝離大面積外延片，但是在一定的成本控制下，很難實(shí)現(xiàn)多片同時(shí)剝離，從而很難應(yīng)用于生產(chǎn)中。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是要開發(fā)一種既可以對(duì)2寸及更大尺寸外延片進(jìn)行剝離，又可以在較低的成本下實(shí)現(xiàn)多片同時(shí)剝離的ELO方法，使其可以應(yīng)用于大批量生產(chǎn)中。
[0008]本發(fā)明中采用具有內(nèi)應(yīng)力的金屬支撐層材料，依靠在ELO過程中金屬支撐層材料卷曲帶動(dòng)外延層形變，促進(jìn)對(duì)犧牲層的腐蝕，實(shí)現(xiàn)ELO膜的剝離。將多片帶有支撐層材料的外延片一起放置于片槽Cassette中，可以實(shí)現(xiàn)多片外延片的同時(shí)批量剝離。
[0009]一種基于薄膜型的外延片剝離工藝，其特征在于:工藝中涉及器件結(jié)構(gòu)從上至下依次為金屬支撐層100、金屬種子層200、待剝離外延層300、犧牲層400、緩沖層500、襯底600，金屬支撐層100利用電鍍工藝制備，電鍍金屬是銅、鎳、鉻、金、錫、銀或鋅，鍍層是一種或者多種金屬，或者是一層或者多層金屬；
[0010]電鍍過程分兩步進(jìn)行，首先在低電流密度條件下進(jìn)行電鍍，再在高電流密度條件下進(jìn)行電鍍；低電流密度范圍是2mA/cm2至15mA/cm2，電鍍厚度為5 μ m-30 μ m ;高電流密度范圍是 80mA/cm2 至 160mA/cm2,電鍛厚度為 5 μ m-30 μ m ;。
[0011]該方法應(yīng)用于2寸、4寸以及6寸外延片進(jìn)行外延剝離工藝。
[0012]腐蝕剝離溶液采用HF溶液，質(zhì)量濃度采用5%至30%，溫度為20°C至65°C。將多個(gè)外延片700放置于一個(gè)Cassette800中進(jìn)行同時(shí)剝離。
[0013]本發(fā)明中待剝離器件組成部分包括:從上而下依次為金屬支撐層100、金屬種子層200、待剝離外延層300、犧牲層400、緩沖層500、襯底600。由于各層之間粘附緊密，并且金屬支撐層100具有內(nèi)應(yīng)力，可以在對(duì)犧牲層400的腐蝕過程中帶動(dòng)金屬種子層200和待剝離外延層300向背離襯底600的方向卷曲。
[0014]本發(fā)明中，首先利用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積MOCVD或者分子束外延MBE依次在襯底600上外延生長(zhǎng)緩沖層500、犧牲層400、待剝離外延層300，再利用濺射或者電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)金屬種子層200，最后利用電鍍工藝生長(zhǎng)金屬支撐層100。金屬種子層200中金屬的選取由待剝離外延層300的表面材料而定，該金屬層需與摻雜的外延層表面形成良好的歐姆接觸。金屬支撐層100是利用電鍍工藝在金屬種子層200上制備獲得，該支撐層具有內(nèi)部應(yīng)力。
[0015]本發(fā)明中，金屬支撐層100的電鍍金屬可以是銅、鎳、鉻、金、錫、銀、鋅，鍍層可以是一種或者多種金屬，也可以是一層或者多層金屬。通過設(shè)計(jì)電鍍工藝，可以調(diào)節(jié)金屬支撐層100的內(nèi)應(yīng)力屬性及大小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)金屬支撐層100在自由狀態(tài)下的卷曲方向和卷曲后的曲率半徑。
[0016]本發(fā)明中，金屬支撐層100的厚度可以從約10 μ m至約60 μ m,例如20 μ m。
[0017]本發(fā)明中，利用電鍍的金屬支撐層100可以向背離襯底600方向卷曲的特性來實(shí)現(xiàn)ELO工藝。由于各層之間粘附緊密，在ELO工藝中，在金屬支撐層100的內(nèi)應(yīng)力作用下，帶動(dòng)外延片邊界處已經(jīng)與襯底600分離的ELO膜產(chǎn)生有效卷曲，增大腐蝕液與未腐蝕的犧牲層間腐蝕通道的尺寸，從而有效提高腐蝕犧牲層的速率。同時(shí)，金屬支撐層100為ELO膜提供了良好的支撐作用，有效防止ELO膜的破裂，方便移動(dòng)ELO膜和對(duì)ELO膜進(jìn)行后續(xù)工藝操作。
[0018]本發(fā)明中的ELO工藝可以應(yīng)用于2寸、4寸以及6寸外延片的外延剝離，并且可剝離外延片尺寸不局限于此。[0019]本發(fā)明中對(duì)多片外延片進(jìn)行同時(shí)剝離時(shí)，可以將多片已電鍍外延片700間隔放置于Cassette800中，再將Cassette800連同外延片700 —起放置于腐蝕液中進(jìn)行腐蝕剝離。
[0020]本發(fā)明的主要優(yōu)越性:
[0021]1、ELO膜的金屬支撐層100采用電鍍工藝制備。在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中，電鍍金屬工藝已經(jīng)非常成熟，電鍍層的粘附性非常好，并且成本低廉。對(duì)于2寸及更大尺寸外延片的電鍍，電鍍金屬層厚度的可控性強(qiáng)，并且厚度均勻性能夠達(dá)到很高的要求。
[0022]2、通過優(yōu)化設(shè)計(jì)金屬支撐層100的電鍍工藝中電流密度大小和厚度，可以有效調(diào)節(jié)金屬支撐層100的內(nèi)應(yīng)力大小，以滿足ELO工藝對(duì)于待剝離外延層300卷曲曲率的需求。電鍍中電流密度的調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)單，厚度由電鍍時(shí)間控制。與傳統(tǒng)黑膠ELO工藝相比，大大增加了可剝離外延片尺寸，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)4寸外延片和6寸外延片的ELO剝離，可剝離外延片尺寸并不局限于此。
[0023]3、采用金屬支撐層100的內(nèi)應(yīng)力作用于待剝離外延層300的剝離過程中，從而替代了傳統(tǒng)ELO工藝中所需的機(jī)械外力或者外界磁場(chǎng)力，從而簡(jiǎn)化了剝離裝置，降低了生產(chǎn)成本。
[0024]4、金屬種子層200和待剝離外延層300間形成良好的歐姆接觸，并且金屬支撐層100也為金屬材料，因此在對(duì)ELO膜完成器件工藝操作后，即可將金屬支撐層100作為器件電極，而無需去除支撐層后重新制備電極。
[0025]5、采用多個(gè)外延片700以Cassette800為單元進(jìn)行同時(shí)剝離的方法，大大提高了ELO膜的生產(chǎn)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1:電鍍完成后的待剝離外延片結(jié)構(gòu)示意圖
[0027]圖2:電鍍金屬支撐層100在自由狀態(tài)下的卷曲形貌示意圖
[0028]圖3:EL0過程示意圖，隨著犧牲層400的腐蝕，金屬支撐層100、金屬種子層200和待剝離外延層300向背離襯底600的方向卷曲
[0029]圖4:剝離后粘附有金屬支撐層100和金屬種子層200的ELO膜示意圖
[0030]圖5:多片外延片700在Cassette800中同時(shí)腐蝕示意圖
[0031]圖6:異質(zhì)結(jié)雙極晶體管ELO工藝結(jié)構(gòu)示意圖
[0032]圖7:太陽能電池ELO工藝結(jié)構(gòu)示意圖
[0033]圖8:發(fā)光二極管LEDELO工藝結(jié)構(gòu)示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0034]實(shí)施例1
[0035]如圖6所示，以GaAs基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管HBT的ELO技術(shù)為例。該待剝離器件由以下部分組成:金屬支撐層100,金屬種子層200, n-GaAs帽層301, n-AlGaAs發(fā)射極302,P-GaAs基極303，η型低摻雜GaAs集電極304，AlGaAs犧牲層400，n-GaAs緩沖層500，n-GaAs襯底600。具體制備及剝離過程如下:
[0036]L在η型GaAs600襯底上用MOCVD依次外延n_GaAs緩沖層500，AlGaAs犧牲層400，η 型低摻雜 GaAs 集電極 304，p_GaAs 基極 303，n_AlGaAs 發(fā)射極 302，n_GaAs 帽層 301 ;[0037]2.在帽層301上濺射一層AuGeNi金屬層200，并退火合金；
[0038]3.在AuGeNi層200上電鍍具有內(nèi)應(yīng)力的金屬支撐層100。例如電鍍厚度為20 μ m的銅金屬層，采用酸式電鍍銅工藝，依次用低電流密度如，電流密度4mA/cm2，電鍍銅厚度IOym和高電流密度如，電流密度150mA/cm2，電鍍銅厚度10 μ m進(jìn)行電鍍；
[0039]4.將電鍍后的HBT外延片放置于Cassette中，并浸沒于HF溶液中腐蝕犧牲層400，溶液濃度為20% ;溫度為60°C。對(duì)于4寸外延片，經(jīng)過約40小時(shí)后即可完全剝離。
[0040]實(shí)施例2
[0041]如圖7所示，以GaAs基太陽能電池的ELO技術(shù)為例。該待剝離器件由以下部分組成:金屬支撐層100，金屬種子層200，InGaAs基吸收區(qū)311，GaAs基吸收區(qū)312，AlGaInP基吸收區(qū)313，AlGaAs犧牲層400，GaAs緩沖層500，GaAs襯底600。具體制備及剝離過程如下:
[0042]1.在GaAs600襯底上用MOCVD依次外延GaAs緩沖層500，AlGaAs犧牲層400，AlGaInP基吸收區(qū)313，GaAs基吸收區(qū)312，InGaAs基吸收區(qū)311 ；
[0043]2.在InGaAs基吸收區(qū)311表面濺射歐姆接觸金屬層，并退火合金；
[0044]3.再電鍍具有內(nèi)應(yīng)力的金屬支撐層100。例如電鍍厚度為ΙΟμπι的鎳金屬層，先采用氨基磺酸鎳電鍍鎳工藝在電流密度lOmA/cm2條件下，電鍍鎳厚度5 μ m,再采用瓦特鎳電鍍工藝在電流密度lOOmA/cm2條件下，電鍍鎳厚度5 μ m ;
[0045]4.將電鍍后的太陽能電池外延片放置于Cassette中，并浸沒于HF溶液中腐蝕犧牲層400，溶液濃度30% ;溫度60°C。對(duì)于4寸外延片，經(jīng)過約65小時(shí)后即可完全剝離。
[0046]實(shí)施例3
[0047]如圖8所示，以AlGaInP基LED的ELO技術(shù)為例。該待剝離器件由以下部分組成:
[0048]金屬支撐層100，金屬種子層200，P型電流擴(kuò)展層321，p型限制層322，多量子阱發(fā)光區(qū)323，η型限制層324，AlGaAs犧牲層400，GaAs緩沖層500，GaAs襯底600。
[0049]具體制備及剝離過程如下:
[0050]1.在GaAs600襯底上用MOCVD依次外延GaAs緩沖層500，AlGaAs犧牲層400，η型限制層324，多量子阱發(fā)光區(qū)323，P型限制層322，ρ型電流擴(kuò)展層321 ；
[0051]2.在ρ型電流擴(kuò)展層321表面派射AuZnAu金屬層，并退火合金；
[0052]3.再電鍍具有內(nèi)應(yīng)力的金屬支撐層100。例如電鍍總厚度為15 μ m的鎳銅復(fù)合金屬層，先采用氨基磺酸鎳電鍍鎳工藝在電流密度lOmA/cm2條件下，電鍍鎳厚度5 μ m,再采用酸式電鍍銅工藝在電流密度150mA/cm2條件下，電鍍銅厚度10 μ m ;
[0053]4.將電鍍后的LED外延片放置于Cassette中，并浸沒于HF溶液中腐蝕犧牲層400，溶液濃度5% ;溫度可以為20°C。對(duì)于4寸外延片，經(jīng)過約50小時(shí)后即可完全剝離。
【權(quán)利要求】
1.一種基于薄膜型的外延片剝離工藝，其特征在于:工藝中涉及器件結(jié)構(gòu)從上至下依次為金屬支撐層(100)、金屬種子層(200)、待剝離外延層(300)、犧牲層(400)、緩沖層(500)、襯底(600)，金屬支撐層(100)利用電鍍工藝制備，電鍍金屬是銅、鎳、鉻、金、錫、銀或鋅，鍍層是一種或者多種金屬，或者是一層或者多層金屬； 電鍍過程分兩步進(jìn)行，首先在低電流密度條件下進(jìn)行電鍍，再在高電流密度條件下進(jìn)行電鍍；低電流密度范圍是2mA/cm2至15mA/cm2，電鍍厚度為5 μ m-30 μ m ;高電流密度范圍是 80mA/cm2 至 160mA/cm2,電鍛厚度為 5 μ m-30 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜型的外延片剝離工藝，其特征在于，該方法應(yīng)用于2寸、4寸以及6寸外延片進(jìn)行外延剝離工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜型的外延片剝離工藝，其特征在于:腐蝕剝離溶液采用HF溶液，質(zhì)量濃度采用5%至30%，溫度為20°C至65°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜型的外延片剝離工藝，其特征在于，將多個(gè)外延片(700)放置于一個(gè)Cassette (800)中進(jìn)行同時(shí)剝離。
【文檔編號(hào)】H01L31/18GK103545239SQ201310421391
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】馮巍, 郭帥, 張 杰, 蔣建, 杜全剛, 陳依新 申請(qǐng)人:新磊半導(dǎo)體科技（蘇州）有限公司