一种共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法

技术领域

本发明涉及激光刻蚀领域，尤其涉及一种共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法。

背景技术

半导体的外延的剥离方法是半导体行业至关重要的一环，特别是对于氮化镓来说。通常，氮化镓需要通过MOCVD生长在蓝宝石衬底上，并经过后续一系列工艺制成芯片和最终的产品。蓝宝石衬底虽然生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗等一系列优点。而然，其散热性差的缺点使基于蓝宝石衬底的器件发热严重，通常需要额外配合散热装置，或者构筑特殊的散热结构以达到使器件正常运行的目的。

为了改变这一现状，科研界和产业界开发了多种剥离氮化镓的方法，也就是在蓝宝石衬底上生长出大面积氮化镓外延后，将氮化镓层从蓝宝石衬底上剥离出来，以期将其转移到散热性较好的衬底上。目前常见的氮化镓剥离方法主要有机械剥离，电化学剥离，激光剥离等。其中激光剥离通常是用一束高能激光照射衬底上的刻蚀层，使刻蚀层分解，从而获取高质量的氮化镓外延层。

但是在具体实施中，特别是当需要剥离的氮化镓外延层生长在曲面或者其它较为复杂的非平面衬底上时，由于应力的影响，单束激光的刻蚀无法准确的分解刻蚀层材料。例如目前被广泛应用的蓝宝石衬底，当衬底尺寸大于6寸时，应力引起的弯曲状态已经严重影响到了单个激光器的刻蚀效果。

发明内容

本发明针对上述问题，至少克服其中一个，提出了一种共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法。

本发明采取的技术方案如下：

本申请提供一种共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法，包括如下步骤：

步骤S1，准备衬底，所述衬底上依次沉积有刻蚀层以及氮化镓层，提供第一激光光路以及第二激光光路，所述第一激光光路与所述第二激光光路用于在所述刻蚀层形成共聚焦激光的聚焦点，所述共聚焦激光的聚焦点用于引导发生刻蚀行为，单一所述第一激光光路或者单一所述第二激光光路的光能量密度均不足以在所述刻蚀层引导发生刻蚀行为；

步骤S2，确定所述刻蚀层的曲率半径，依照所述刻蚀层的曲率半径制定共聚焦激光的聚焦点的行进路线，所述行进路线为拟刻蚀的路径；

步骤S3，计算所述第一激光光路与所述第二激光光路需产生聚焦点的路径以及刻蚀面积，所述需产生的焦点的路径为所需的聚焦轨迹；

步骤S4，根据所述聚焦轨迹计算所述第一激光光路与所述第二激光光路独立的角度变化速率，使所述聚焦轨迹与所述拟刻蚀的路径一致。

通过分别改变第一激光光路与所述第二激光光路的出光角度，使在具有较低化学物理稳定性的刻蚀层形成能够引发刻蚀行为的共聚焦激光的聚焦点，从而实现包括曲面在内的较为复杂几何结构的衬底与所述氮化镓层的准确剥离，获取到高质量的氮化镓外延。

进一步的，所述共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法还包括提供第一激光器以及第二激光器；

所述第一激光器设置在靠近所述氮化镓层一侧，所述第一激光器发出的第一激光光路用于穿过所述氮化镓层在所述刻蚀层与所述第二激光光路形成共聚焦激光的聚焦点；

所述第二激光器设置在靠近所述衬底一侧，所述第二激光器发出的第二激光光路用于穿过所述衬底在所述刻蚀层与所述第一激光光路形成聚焦激光的聚焦点。

实际使用时，第一激光光路与第二激光光路的共聚焦位置是通过调控第一激光器以及第二激光器的出光角度来达到控制的目的，共聚焦激光聚焦点的能量可以根据刻蚀层的材料性质具体调控，调控是通过分别控制第一激光器以及第二激光器的输出功率完成的。

第一激光器以及第二激光器发出的所述第一激光光路与所述第二激光光路形成的共聚焦激光的聚焦点可以在二维平面上任意控制刻蚀点，从而实现刻蚀层各二维平面的刻蚀。

实际使用时，还包括沿垂直于刻蚀层的二维平面方向移动所述第一激光器以及第二激光器，以实现三维空间内衬底与氮化镓层的剥离。

进一步的，所述S2步骤中，还包括测量所述衬底的曲率半径，所述衬底的曲率半径即为所述刻蚀层的曲率半径。

进一步的，可以利用光学显微镜、电子显微镜以及膜厚仪等设备确定所述衬底的曲率半径。

进一步的，所述第一激光光路的光能量密度小于所述第二激光光路的光能量密度。

实际使用时，激光剥离的原理是光强引起的GaN热分解，第一激光器的第一激光光路由于要穿过所述氮化镓层，第二激光器的第二激光光路由于要穿过所述衬底层，而所需剥离的氮化镓外延层结构不应该被强激光破坏，所以根据衬底以及所述氮化镓层的折光率、厚度、能量耐受性等因素，使所述第一激光光路的光能量密度小于所述第二激光光路的光能量密度可以达到保护所述氮化镓层的目的。

进一步的，所述S3步骤中，计算所述刻蚀面积的方法包括：

所述第一激光光路在所述刻蚀层沿纵向形成有纵向刻蚀线，所述纵向刻蚀线的长度为所述刻蚀层自下而上的高度；

所述第二激光光路在所述刻蚀层靠近所述第二激光器的一侧形成有横向刻蚀线，所述横向刻蚀线为从左向右的弧线；

将所述纵向刻蚀线沿所述横向刻蚀线积分即为所述刻蚀面积。

进一步的，所述弧线满足弧微分公式，所述弧微分公式为

进一步的，所述第一激光器用于发射第一激光光路，所述第二激光器用于发射形成第二激光光路b，调整所述第一激光器的发射角度，能够形成多个第一激光光路，调整所述第二激光器的发射角度，能够形成多个第二激光光路b；

所述S3步骤中，计算所述第一激光光路与所述第二激光光路需产生聚焦点的路径包括：

固定所述第二激光器的发射角度，所述第二激光器发射第二激光光路b1；

调节第一激光器的发射角度，使第一激光器形成的多个第一激光光路与所述第二激光光路b1相交，相交点位于刻蚀层内，并形成共聚焦激光的第一聚焦点，多个第一聚焦点形成第一纵向刻蚀线；

调整所述第二激光器的发射角度后再固定所述第二激光器的发射角度，所述第二激光器发射第二激光光路b2；

调节第一激光器的发射角度，使第一激光器形成的多个第一激光光路与所述第二激光光路b2相交，相交点位于刻蚀层内，并形成共聚焦激光的第二聚焦点，多个第二聚焦点形成第二纵向刻蚀线；

……

调整所述第二激光器的发射角度后再固定所述第二激光器的发射角度，所述第二激光器发射第二激光光路bn；

调节第一激光器的发射角度，使第一激光器形成的多个第一激光光路与所述第二激光光路bn相交，相交点位于刻蚀层内，并形成共聚焦激光的第n聚焦点，多个第n聚焦点形成第n纵向刻蚀线。

进一步的，所述S4步骤中，根据所需的刻蚀速度来调节所述第一激光光路与所述第二激光光路独立的角度变化速率。

进一步的，所述第一激光光路以及所述第二激光光路分别提供第一个自由度以及第二个自由度，共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法还包括提供第三激光光路，第三激光光路用于提供第三个自由度，所述第三激光光路、所述第一激光光路以及所述第二激光光路共同在所述刻蚀层形成共聚焦激光的聚焦点，以实现任意控制三维空间内的刻蚀点。

本发明的有益效果是：

(1)通过分别改变第一激光光路与所述第二激光光路的出光角度，使在具有较低化学物理稳定性的刻蚀层形成能够引发刻蚀行为的共聚焦激光的聚焦点，从而实现包括曲面在内的较为复杂几何结构的衬底与所述氮化镓层的准确剥离，获取到高质量的氮化镓外延。

(2)第三激光光路提供第三个自由度，不需移动第一激光器以及第二激光器即可以实现任意控制三维空间内的刻蚀点。

附图说明

图1是本实施例共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法的原理示意图；

图2是本实施例计算第一激光光路与第二激光光路需产生聚焦点的路径的原理示意图。

图中各附图标记为：

1、衬底；2、刻蚀层；3、氮化镓层；4、第一激光器；5、第二激光器；6、共聚焦激光的聚焦点；7、第一激光光路；8、第二激光光路；9、纵向刻蚀线；10、横向刻蚀线。

具体实施方式

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

如图1所示，本申请提供一种共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法，包括如下步骤：

步骤S1，准备衬底1，衬底1上依次沉积有刻蚀层2以及氮化镓层3，提供第一激光光路7以及第二激光光路8，第一激光光路7与第二激光光路8用于在刻蚀层2形成共聚焦激光的聚焦点6，共聚焦激光的聚焦点6用于引导发生刻蚀行为，单一第一激光光路7或者单一第二激光光路8的光能量密度均不足以在刻蚀层2引导发生刻蚀行为；

步骤S2，确定刻蚀层2的曲率半径，依照刻蚀层2的曲率半径制定共聚焦激光的聚焦点6的行进路线，行进路线为拟刻蚀的路径；

步骤S3，计算第一激光光路7与第二激光光路8需产生聚焦点的路径以及刻蚀面积，需产生的焦点的路径为所需的聚焦轨迹；

步骤S4，根据聚焦轨迹计算第一激光光路7与第二激光光路8独立的角度变化速率，使聚焦轨迹与拟刻蚀的路径一致。

通过分别改变第一激光光路7与第二激光光路8的出光角度，使在具有较低化学物理稳定性的刻蚀层2形成能够引发刻蚀行为的共聚焦激光的聚焦点6，从而实现包括曲面在内的较为复杂几何结构的衬底1与氮化镓层3的准确剥离，获取到高质量的氮化镓外延。

如图1所示，于本实施例中，共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法还包括提供第一激光器4以及第二激光器5；

第一激光器4设置在靠近氮化镓层3一侧，第一激光器4发出的第一激光光路7用于穿过氮化镓层3在刻蚀层2与第二激光光路8形成共聚焦激光的聚焦点6；

第二激光器5设置在靠近衬底1一侧，第二激光器5发出的第二激光光路8用于穿过衬底1在刻蚀层2与第一激光光路7形成聚焦激光的聚焦点。

实际使用时，第一激光光路7与第二激光光路8的共聚焦位置是通过调控第一激光器4以及第二激光器5的出光角度来达到控制的目的，共聚焦激光聚焦点的能量可以根据刻蚀层2的材料性质具体调控，调控是通过分别控制第一激光器4以及第二激光器5的输出功率完成的。

第一激光器4以及第二激光器5发出的第一激光光路7与第二激光光路8形成的共聚焦激光的聚焦点6可以在二维平面上任意控制刻蚀点，从而实现刻蚀层2各二维平面的刻蚀。

于本实施例中，还包括沿垂直于刻蚀层2的二维平面方向移动第一激光器4以及第二激光器5，以实现三维空间内衬底1与氮化镓层3的剥离。

于本实施例中，S2步骤中，还包括测量衬底1的曲率半径，衬底1的曲率半径即为刻蚀层2的曲率半径。

于本实施例中，可以利用光学显微镜、电子显微镜以及膜厚仪等设备确定衬底1的曲率半径。

于本实施例中，第一激光光路7的光能量密度小于第二激光光路8的光能量密度。

实际使用时，激光剥离的原理是光强引起的GaN热分解，第一激光器4的第一激光光路7由于要穿过氮化镓层3，第二激光器5的第二激光光路8由于要穿过衬底1层，而所需剥离的氮化镓外延层结构不应该被强激光破坏，所以根据衬底1以及氮化镓层3的折光率、厚度、能量耐受性等因素，使第一激光光路7的光能量密度小于第二激光光路8的光能量密度可以达到保护氮化镓层3的目的。

于本实施例中，第二激光器5采用波长248nm、脉冲宽度30ns的KrF准分子激光器源。

如图2所示，于本实施例中，S3步骤中，计算刻蚀面积的方法包括：

第一激光光路7在刻蚀层2沿纵向形成有纵向刻蚀线9，纵向刻蚀线9的长度为刻蚀层2自下而上的高度；

第二激光光路8在刻蚀层2靠近第二激光器5的一侧形成有横向刻蚀线10，横向刻蚀线10为从左向右的弧线；

将纵向刻蚀线9沿横向刻蚀线10积分即为刻蚀面积。

于本实施例中，弧线满足弧微分公式，弧微分公式为

于本实施例中，第一激光器4用于发射第一激光光路，第二激光器5用于发射形成第二激光光路b，调整第一激光器4的发射角度，能够形成多个第一激光光路，调整第二激光器5的发射角度，能够形成多个第二激光光路b；

如图2所示，S3步骤中，计算第一激光光路与第二激光光路8需产生聚焦点的路径包括：

固定第二激光器5的发射角度，第二激光器5发射第二激光光路b1；

调节第一激光器4的发射角度，使第一激光器4形成的多个第一激光光路与第二激光光路b1相交，相交点位于刻蚀层2内，并形成共聚焦激光的第一聚焦点，多个第一聚焦点形成第一纵向刻蚀线9；

调整第二激光器5的发射角度后再固定第二激光器5的发射角度，第二激光器5发射第二激光光路b2；

调节第一激光器4的发射角度，使第一激光器4形成的多个第一激光光路与第二激光光路b2相交，相交点位于刻蚀层2内，并形成共聚焦激光的第二聚焦点，多个第二聚焦点形成第二纵向刻蚀线9；

……

调整第二激光器5的发射角度后再固定第二激光器5的发射角度，第二激光器5发射第二激光光路bn；

调节第一激光器4的发射角度，使第一激光器4形成的多个第一激光光路与第二激光光路bn相交，相交点位于刻蚀层2内，并形成共聚焦激光的第n聚焦点，多个第n聚焦点形成第n纵向刻蚀线9。

于本实施例中，S4步骤中，根据所需的刻蚀速度来调节第一激光光路7与第二激光光路8独立的角度变化速率。

第一激光光路7以及第二激光光路8分别提供第一个自由度以及第二个自由度。

于其他实施例中，共聚焦激光剥离氮化镓外延的方法还包括提供第三激光光路，第三激光光路用于提供第三个自由度，第三激光光路、第一激光光路7以及第二激光光路8共同在刻蚀层2形成共聚焦激光的聚焦点6，以实现任意控制三维空间内的刻蚀点。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。