利用激光剥离技术制造发光二极管的方法和激光剥离装置

摘要

本发明公开了一种利用激光剥离技术制造发光二极管的方法。所述方法包括以下步骤：在第一基板上生长外延层，所述外延层包括第一导电类型化合物半导体层、活性层和第二导电类型化合物半导体层；在高于室温的第一基板的第一温度，将与第一基板的热膨胀系数不同的第二基板结合到外延层；在高于室温但不高于第一温度的第一基板的第二温度，通过使激光束辐照通过第一基板，将第一基板与外延层分离。因而，在激光剥离过程中，可以容易地实现对激光束的聚焦，并且防止外延层破裂或折断。本发明还公开了一种包括加热器的激光剥离装置。

说明书

技术领域

本公开涉及一种制造发光二极管的方法和用在发光二极管的制造中的激光剥离装置，更具体地讲，涉及一种利用激光剥离技术以及包括加热器的激光剥离装置来制造发光二极管的方法。

背景技术

最近几年，III族氮化物(例如，氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)等)的良好的热稳定性和直接跃迁型能带(direct transition type energy band)将众多注意力吸引到用作在可见光和紫外光范围内的发光二极管材料的III族氮化物上。具体地讲，InGaN基蓝光发光二极管和InGaN基绿发光二极管被用于多种应用，例如大型自然色平板显示面板、交通信号灯、室内照明、高密度光源、高分辨率输出系统、光通信等。

由于难以制造允许半导体层在其上生长的同质基板，因此在晶体结构与通过金属有机化学气相淀积(MOCVD)或分子束外延(MBE)形成的半导体层的晶体结构相似的异质基板上生长III族氮化物半导体层。通常使用六方形结构的蓝宝石基板作为异质基板。然而，由于蓝宝石是电绝缘体，所以蓝宝石的使用限制了发光二极管的结构。因而，最近的研究已经关注能够使包含氮化物半导体层的外延层在异质基板(例如蓝宝石)上生长，之后将异质基板从外延层上剥离从而制造垂直结构型发光二极管的技术的开发。

通常使用激光剥离技术作为将异质基板剥离的方法。在激光剥离技术中，第二基板结合到生长在异质基板(例如蓝宝石基板)上的外延层的顶部，之后辐照激光束穿过蓝宝石基板，以将基板从外延层剥离。在此，从光学角度来说难以形成蓝宝石基板大小的激光束。因而，具有最终芯片尺寸的激光束通常被用于线扫描。

根据传统的技术，当第二基板是蓝宝石基板的同质基板，或者具有与蓝宝石基板的热膨胀系数相似的热膨胀系数时，可以通过激光束辐照来执行蓝宝石基板的剥离，而没有太大问题。然而，当第二基板的热膨胀系数与蓝宝石的热膨胀系数不同时，在利用激光剥离技术将蓝宝石基板剥离期间，常常出现外延层破裂或折断。此外，第二基板和蓝宝石基板之间的热膨胀系数的差别常常在将第二基板结合到外延层之后引起蓝宝石基板的弯曲(bowing)。蓝宝石基板的弯曲导致激光束没有聚焦在蓝宝石基板的位置处，从而难以准确地将激光束的能量传输到蓝宝石基板和外延层之间的界面。

发明内容

本发明的目的在于解决上述传统技术中的问题，并且一个实施例包括制造发光二级管的方法，所述方法可以防止在利用激光剥离技术将基板分离期间外延层的破裂和折断。

另一实施例包括制造发光二极管的方法，所述方法可以减轻生长基板的弯曲，从而促进在利用激光剥离技术将基板分离期间激光束的聚焦。

又一实施例包括一种激光剥离装置，所述装置能够在利用激光剥离技术将基板分离期间防止外延层的破裂和折断。

再一实施例包括一种激光剥离装置，所述装置能够减轻生长基板的弯曲，从而促进在利用激光剥离技术将基板分离期间激光束的聚焦。

根据一个方面，提供了一种利用激光剥离技术制造发光二极管的方法。该方法包括以下步骤：使外延层在第一基板上生长，所述外延层包括第一导电类型化合物半导体层、活性层和第二导电类型化合物半导体层；在高于室温的第一基板的第一温度，将与第一基板的热膨胀系数不同的第二基板结合到外延层的顶部；在高于室温但不高于第一温度的第一基板的第二温度，通过使激光束辐照通过第一基板，将第一基板与外延层分离。

在传统的激光剥离技术中，当在第一温度结合第二基板后，将第一基本冷却到室温，之后通过使激光束辐照通过第一基板而将第一基板与外延层分离。在此，第一基板和第二基板之间的热膨胀系数的差别引起第一基板弯曲，并且外延层易于在通过辐照激光束将第一基板分离期间发生破裂和折断。

相反，根据该方面，在高于室温的第一基板的第二温度辐照激光束。因此，随着第一基板的弯曲的减轻，可以将第一基板与外延层分离，从而防止外延层的破裂或折断。

同时，可以在辐照激光束前将第一基板加热到第二温度。例如，当第二基板结合到外延层的顶部之后，可以先将第一基板冷却到室温。之后，可以通过加热器将第一基板加热到第二温度。此外，在激光束的辐照期间，可以将第一基板加热并保持在第二温度。可选择地，当在第一温度将第二基板结合到外延层之后，可以在第一基板冷却到室温之前使激光束辐照通过第一基板。

可以使用热传导、对流或辐射来执行对第一基板的加热。例如，可以使用电阻加热器、红外灯和/或热风枪来加热第一基板。这些加热器可以位于激光剥离装置内部。

如果第一基板是直径为2英寸的蓝宝石基板，第二温度可以是第一基板的弯曲的平均值不超过3毫米的温度。第二温度可以是第一基板弯曲的平均值不超过1.5毫米的温度。

第二基板可以通过结合金属(bonding metal)的共晶结合而结合到外延层，但不限于此。在此，结合金属可以是AuSn。在这种情况下，第二温度可以在200℃～300℃的范围内。

根据本公开的实施例，外延层的总厚度不超过10μm。这样的外延层的总厚度相对非常小，没有超过第一基板的厚度的1/10。因此，由外延层和第一基板之间的热膨胀系数之间的差别引起的基板的弯曲非常微小而可以被忽略。

根据另一方面，提供了一种包括加热器的激光剥离装置。该装置包括：激光振荡器，发射激光束；工作台，支撑工作件；加热器，加热工作件。

工作件可以包括第一基板、生长在第一基板上的外延层以及结合到外延层的第二基板。

根据这个方面，可以使用加热器来加热第一基板。因此，随着第一基板的弯曲的减轻，可以使激光束辐照通过第一基板，因而防止外延层的破裂或折断的发生。

在一个实施例中，加热器可以是电阻加热器。此外，工作台可以包括可移动的主工作台和设置在主工作台上的电阻加热器。可替换地，电阻加热器可以设置在主工作台内部。

工作台还可以包括：绝缘件，在主工作台和电阻加热器之间；加热器固定板，位于电阻加热器上；固定销，固定加热器固定板。所述绝缘件、加热器固定板和/或固定销可以由陶瓷或塑料制成。所述绝缘件、加热器固定板和/或固定销可以由相同的材料制成。

在另一实施例中，加热器可以是红外灯或热风枪。

附图说明

图1至图5是示出根据本公开一个实施例的制造发光二极管的方法中各个过程的示意性剖视图；

图6是描绘出根据结合第二基板后的加热温度的第一基板弯曲的曲线图；

图7是根据本公开一个实施例的激光剥离装置的示意图；

图8是根据本公开一个实施例的包括电阻加热器的工作台的剖视图；

图9是根据本公开一个实施例的包括红外灯或热风枪的工作台的剖视图。

具体实施方式

下面将参照附图来详细地描述本公开的实施例。以说明的方式给出下面的实施例，从而将对本发明的彻底的理解传达给本领域技术人员。因此，应该理解，基于本公开的其他实施例将是明显的，并且可以在不脱离本公开范围的情况下作出系统、工艺或机械的改变。类似地，应该注意到附图没有精确地遵循比例，并且在附图中，为了清晰起见会夸大某些尺寸。此外，相同的标号在说明书和附图中始终表示相同的元件。

图1至图5示出了根据本公开一个实施例的利用激光剥离技术制造发光二极管的方法中的各个操作。

参照图1，在第一基板10上形成包括第一导电类型化合物半导体层21、活性层23和第二导电类型化合物半导体层25的外延层26。第一基板10可以是生长基板(例如蓝宝石基板)，在其上生长外延层26。

外延层26可以是通过MOCVD或MBE在第一基板10上生长的氮化镓基化合物半导体。尽管没有在附图中示出，但是外延层26可以包括缓冲层，该缓冲层用来减轻第一基板10与生长其上的外延层26之间的晶格错配。此外，活性层23可以具有单量子井或多量子井结构。第一导电类型化合物半导体和第二导电类型化合物半导体可以分别是n型半导体和p型半导体，或者分别是p型半导体和n型半导体。

外延层26可以形成为具有小于10μm的总厚度。外延层26的总厚度比用作生长基板的第一基板10的厚度要小得多。例如，由于第一基板10的厚度通常为100μm或者比100μm厚，所以外延层26的厚度不超过第一基板10的厚度1/10。如此，外延层26可以形成为具有小于10μm的总厚度，从而相对地减小了从外延层26向第一基板10施加的压力。

在真空室中生长外延层26。在生长外延层26之后，将其上具有外延层26的第一基板10从室中取出，用于后续工艺。

参照图2，将第二基板30结合到外延层26的最上层(例如，第二导电类型化合物半导体层25)。可以考虑到热传导和电传导等来根据第二基板30的用途对其作出多种选择，第二基板30可以是例如硅基板或金属基板。具体来讲，当制造垂直发光二极管时，第二基板30是导电基板。第二基板30通常具有与第一基板10的热膨胀系数不同的热膨胀系数。

第二基板30可以通过结合金属31的共晶结合而结合到外延层26。结合金属31可以是AuSn，AuSn具有大约330℃的熔点。还可以使用熔点比AuSn的熔点更高的结合金属。在外延层26的一侧上以及第二基板30的相对侧上形成结合金属31之后，将结合金属31加热到例如约300℃以引发共晶结合，从而将第二基板30结合到外延层26。

在形成结合金属31之前，可以在外延层26上形成反射层27和扩散阻挡层29。反射层27通过反射由活性层23产生并向第二基板30传播的光而提高光输出。反射层27可以与第二导电类型化合物半导体层25欧姆接触，并且反射层27可由Al、Ag、Ni、Ph、Pd、Pt、Ru或它们的合金形成。扩散阻挡层29防止可能由结合金属31扩散进入反射层27而引起的反射层27的反射率的劣化。

参照图3，在将第二基板30结合之后，可以首先将第一基板10和第二基板30冷却到室温。之后，将第一基板10放置在激光剥离装置中，以将第一基板10分离。

在辐照激光之前，将第一基板10加热至高于室温的第二室温。在此，考虑到结合金属的熔点，第一基板10的温度(即第二温度)可以不超过第一温度(即共晶温度)。如果第二温度超过第一温度，由于结合金属的过度热膨胀，外延层26可能折断。因此，如果结合金属31例如是AuSn，可以将第一基板10加热到300℃或者低于300℃，优选在200℃～300℃的范围之内。

可以在特别制造的包括加热装置(即，在下文描述的加热器)的激光剥离装置中加热第一基板10。因此，在辐照激光束期间，可以将所述第一基板加热并保持在第二温度。可选择地，在将第一基板10在激光剥离装置外部加热之后，可以在将第一基板10冷却到室温之前将其移到激光剥离装置内。

然后，参照图4，使激光束辐照通过第一基板10，以将第一基板10与外延层26分离。在此，第一基板10的温度比室温高，并且没有超过第一温度。因此，由于第一基板10和第二基板30之间的热膨胀系数的差别而施加到第一基板10或第二基板30的压力得到减轻。结果，可以减轻第一基板10的弯曲，从而促进激光束的聚焦，并且可以在将第一基板10部分分离期间防止外延层26破裂或折断。

参照图5，在将第一基板10分离之后，在第一导电类型化合物半导体层21的暴露的表面上形成电极焊盘33，在第二基板30上形成电极焊盘35。然后，包括第二基板30的外延层26被划分为单个的发光二极管，从而完成垂直结构发光二极管的制造。

在该实施例中，第一基板10被描述为在激光辐照前被加热。可选择地，在第二基板30结合到外延层26之后，可以在将第一基板10冷却期间将其移到激光剥离装置中，然后可以通过向第一基板10辐照激光而使其与外延层26分离。

此外，尽管在该实施例中第二基板30被描述为通过结合金属31结合到外延层26，但是还可以通过其他技术将第二基板30结合到外延层26。

图6是描绘出根据第二基板30结合到外延层26后的加热温度的第一基板10的弯曲的曲线图。在此，第一基板10是直径为2英寸的蓝宝石基板，第二基板30是硅基板，并且第二基板30通过AuSn共晶结合在300℃下结合到外延层26。在此，在平坦表面上放置晶片，以使第二基板30与平坦表面接触，弯曲程度是通过测量第二基板30的各个边缘的高度而获得的平均值。

参照图6，在第二基板30结合到外延层之后，弯曲的程度在室温下达到大约3.2毫米。之后，随着晶片被加热，弯曲的程度降低。在200℃下，弯曲的程度降至室温下的弯曲程度的1/2以下，并且在250℃下，弯曲程度降至0.5毫米或者低于0.5毫米，并且即使继续加热也不会再显著地降低。

因此，可以看出在第二基板30结合到外延层之后，可以通过加热第一基板10来减轻第一基板10的弯曲。上述示例是使用直径为2英寸蓝宝石基板获得的，并且预计弯曲的程度与蓝宝石基板的直径成比例地线性地增加。

在图6的示例中，可以看出，当将直径为2英寸的蓝宝石基板用作第一基板10时，可以将第一基板10加热到使弯曲程度变为至多3毫米或者小于3毫米，优选1.5毫米或者小于1.5毫米的温度。

图7是根据本公开一个实施例的激光剥离装置的示意图。

参照图7，激光剥离装置包括：激光振荡器100，发射激光束；镜子110，改变激光束的传播方向；光学透镜120，使激光束聚焦；工作台200，支撑设置为激光束辐照对象的工作件(即晶片300)。该装置可以包括壳体400，该壳体400具有限定在其中的激光束路径以保持在真空中的路径。

激光振荡器100可以是KrF准分子激光器或ArF准分子激光器。从激光振荡器100发射的光束被镜子110反射，并被改变传播方向。该装置可以包括多个镜子110，以改变激光束的传播方向。光学透镜120位于工作台200上方并将进入晶片300的激光束聚焦。

可以通过移动装置(未示出)将工作台200沿x方向和/或y方向移动，从而使其上的晶片300也可以被移动。晶片300包括：第一基板10；外延层26，生长在第一基板10上；第二基板，结合到外延层26。激光束被辐照通过第一基板10并主要被第一基板10和外延层26之间的界面吸收。激光束可以以点波束的形式辐照，并且通过晶片300的移动而扫描整个晶片300。

此外，工作台200包括加热器，该加热器用来在激光辐照之前或辐照期间加热晶片300。

图8是根据本公开一个实施例的包括作为加热器的电阻加热器的工作台的剖视图。

参照图8，工作台200可以包括主工作台201、电阻加热器205、绝缘件203、加热器固定板207和固定销209。主工作台201支撑电阻加热器205和晶片300，并起到通过移动装置使晶片300沿x方向和/或y方向移动的作用。

电阻加热器205利用来自电源的电能来产生电阻热。电阻热从电阻加热器205传递到与电阻加热器205接触的工作件300，从而工作件300被电阻热加热。

绝缘件203将主工作台201与电阻加热器205绝缘，并且屏蔽从电阻加热器205到主工作台201的热传递，从而提高热效率。绝缘件203可以由例如陶瓷或塑料制成，并且可以固定到主工作台201。

将加热器固定板207设置在加热器205上，以将电阻加热器205固定在主工作台201和加热器固定板207之间。通过固定螺丝或固定销209将加热器固定板207固定到主工作台201或者绝缘件203。加热器固定板207和固定销209也可以由陶瓷或者塑料制成。

在该实施例中，电阻加热器205被描述为设置在主工作台201上，但是也可以将其设置在主工作台内部。

根据该实施例，因为可以使用电阻加热器205加热晶片300，所以可以在辐照激光之前和/或辐照激光期间，通过将工作件300加热而减轻晶片弯曲。

图9是根据本公开一个实施例的包括作为加热器的红外灯或热风枪的工作台的剖视图。

参照图9，加热器(例如红外灯或者热风枪)设置在主工作台201上方。红外灯可以通过向主工作台201上的晶片300发射红外光来加热晶片300，热风枪可以通过电阻热的强对流来加热晶片300。

在上述描述中，描述了一些用于加热晶片的加热器，但是也可以使用多种其他加热器来通过热传导、对流和/或辐射来加热晶片。

根据这些实施例，在通过激光剥离技术将生长基板分离期间，生长基板的弯曲得到减轻，从而促进激光束的聚焦并且防止外延层的破裂或折断。此外，可以使用激光剥离装置的加热器来加热生长基板。

可以将如上描述的多个实施例组合以提供其他的实施例。本说明书涉及的和/或在申请数据列表中列出的所有专利、专利申请公开、专利申请、国外专利、国外专利申请以及非专利公开的全部内容通过引用结合到本文中。如果需要，可以对实施例的各个方面进行修改，可以采用各种专利、申请和公开的构思来提供进一步的实施例。

考虑到上述详细描述，可以对实施例作出这些和其他改变。总体来讲，用在下面的权利要求中的术语不应被解释为将权利要求局限在说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括连同权利要求的等同物的全部范围内的所有可能的实施例。因此，权利要求不限于本公开。