TWI452621B - Separation method of epitaxial element - Google Patents

Description

磊晶元件的分離方法

本發明是有關於一種半導體元件的製造方法，特別是指一種磊晶元件的分離方法。

一般而言，以磊晶元件製得的發光二極體、雷射二極體、太陽能電池…的工作效能表現，主要取決於以「磊晶」形成而用於光電轉換或電光轉換之「元件本體層」的晶體品質；而由於用於磊晶形成高品質之元件本體層的磊晶用基板通常製作成本高昂，且也有其他元件整體工作表現的不利影響，例如散熱效果不佳，因此，目前大多以更換基板方式製作磊晶元件，用以兼顧成本、磊晶形成的元件本體層品質，以及磊晶元件整體工作表現。

參閱圖1，現有的太陽能電池可在如圖1所示的磊晶元件1上設置一電極10後得到，該磊晶元件1包含一可導電的元件基板11、一經磊晶成長出並在接受光子時以光伏特效應產生電能且形成於該元件基板11上的元件本體膜13，及一夾置於該元件基板11與該元件本體層13間且由高分子膠體構成而分別連接該元件基板11與該元件本體膜13的膠體層12，該元件基板11與該電極10相配合將該元件本體膜13受光時產生的電能對外輸出。

配合參閱圖2，大致說來，製作上述的磊晶元件1的方法是依序進行以下步驟後得到，首先進行步驟101是先於一由砷化鎵單晶材料構成且為晶圓態樣的磊晶用基板頂面上形成一層適於磊晶成長的犧牲層，其中，該磊晶用基板與該犧牲層具有高選擇蝕刻比，而可於後續製程中蝕刻移除而不損及磊晶用基板；接著進行步驟102，於該犧牲層上磊晶形成該受光時產生電能的元件本體膜13，類似地，該犧牲層亦與該元件本體膜13具有高選擇蝕刻比，而在後續製程中蝕刻移除時不損及元件本體膜13；再接著步驟103，利用高分子膠體使一在轉換基板過程中暫時固定該元件本體膜13的暫固片貼合於該元件本體膜13頂面上；之後進行步驟104，以濕蝕刻方式移除該犧牲層，蝕刻劑是經該犧牲層的側邊周緣蝕刻移除，使得該元件本體膜13自該磊晶用基板分離；再接著進行步驟105，利用該暫固片移動該元件本體膜13，並利用高分子膠體使該元件本體膜13相反貼合該暫固片的一面貼合於該元件基板11後移除該暫固片，得到一磊晶元件半成品；最後進行步驟106，切割該磊晶元件半成品成多數磊晶元件1。之後可在該等磊晶元件1上設置電極，即製得上述的太陽能電池。

以上述的製作過程製作的磊晶元件1，因為元件基板11與元件本體膜13是以高分子膠體相貼合，而在該元件基板11與該元件本體膜13間形成該膠體層12，但高分子膠體的導熱性差，使得該元件本體膜13作動而發出的熱無法迅速經該膠體層12而自該元件基板11散逸，並且該膠體層12易隨環境因素變化性質，皆會造成元件的工作特性降低。

此外，在製作過程中，僅是自該犧牲層側邊周緣逐步向中央區域蝕刻移除該犧牲層，當該元件本體膜13的尺寸愈大，移除該犧牲層的效率愈差，而無法有效率地製作出磊晶元件1。

參閱圖3，為改善移除犧牲層15的速度，J.J. Schermer等人於”Photon confinement in high-efficicenc,thin-films III-V solar cell obtained by epitaxial lift-off,”ELSEVIER,Thin Solid Films 511-512(2006)645-653中提出藉由彎曲具撓曲性的暫固片17使貼合其上的元件本體膜13與磊晶用基板16間受蝕刻處的間隙18擴大以增加蝕刻劑接觸面積，進而加快移除該犧牲層15的速度，也就是如圖3中所示，利用該暫固片17超過該元件本體膜13的部分受重力吸引(在圖3中以箭頭Y標示)，例如在上述的該暫固片17超過該元件本體膜13的部分附掛重物的方式，而使該部分向重力方向捲曲，進而擴大該元件本體膜13與該磊晶用基板16間受蝕刻處的間隙18。

由上述的說明可知，現有的磊晶元件分離磊晶用基板的速率受到夾置於該磊晶用基板與該元件本體層間的犧牲層的尺寸大小限制，因此還需要加以改進，要尋求更便利且更有效率的製作方法以降低製作成本，並使得製作出的磊晶元件的元件特性更佳。

因此，本發明之目的，即在提供一種更有效率且所製作出元件之特性更佳的磊晶元件的分離方法。

於是，本發明磊晶元件的分離方法包含以下四個步驟。

首先，於一磊晶用基板頂面上形成一適於磊晶成長並具有一平行該磊晶用基板頂面之犧牲層的蝕刻限制膜，其中，該磊晶用基板與該犧牲層具有高選擇蝕刻比。

接著，於該犧牲層頂面上形成一元件本體膜，其中，該犧牲層與該元件本體膜具有高選擇蝕刻比。

再接著，於該元件本體膜頂面上形成一具磁性的元件基板，及一自該元件基板頂面向該蝕刻限制膜方向形成之圖樣流道，該圖樣流道深度達該犧牲層並將該元件基板、元件本體膜定義出多數磊晶元件。

最後，蝕刻劑經由該圖樣流道進行蝕刻移除該犧牲層，且以磁力吸引該元件基板，得到該等磊晶元件並回收該磊晶用基板。

本發明之功效：藉由圖樣流道與磁力吸引而大幅增加蝕刻效率，且整個製程中不需要使用高分子膠體轉換、貼合基板，而使製作出的磊晶元件的工作特性更佳。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖4，本發明磊晶元件的分離方法的一第一較佳實施例包含四個步驟，以製作出如圖5所示的磊晶元件2，之後於該磊晶元件2上設置一電極61後得到太陽能電池6。

參閱圖5，該磊晶元件2包含一具磁性且導熱性佳的元件基板24，及一形成於該元件基板24上的元件本體膜23。

該元件基板24包括一由具有磁性之金屬元素的材料構成且具有預定圖樣的磁性層242，及一由導電材料形成於該磁性層242上且與該磁性層242具有相同圖樣的基材層241，在本例中，該基材層241是以例如銅等具備高光反射率的金屬材料構成，使得該元件基板24具有磁性、散熱性佳，且可反射入射光而提高元件整體效能。

該元件本體膜23經磊晶形成於該元件基板24頂面，在受光時以光伏特效應產生電能，且所產生的電能是經該元件基板24與該電極61對外界輸出，並且元件本體膜23在運作時所產生的熱經由元件基板24快速地散逸至外界。

上述的磊晶元件2再配合如圖4所示的製作方法的第一較佳實施例的說明，當可更加清楚地明白。

參閱圖4、6，首先進行步驟31，依序於一以砷化鎵單晶材料構成且為晶圓態樣的磊晶用基板21頂面上形成一調整後續磊晶時所需之磊晶結構的第一緩衝層(buffer layer)221、一終止蝕刻而不會繼續蝕刻該第一緩衝層的蝕刻終止層(etch stop layer)222，及一調整後續磊晶時所需之磊晶結構的第二緩衝層(buffer layer)223後，再形成一平行該磊晶用基板21頂面的犧牲層224，而令該第一緩衝層221、蝕刻終止層222、第二緩衝層223，及犧牲層224共同構成一適於磊晶成長的蝕刻限制膜22，其中，該磊晶用基板21與該犧牲層224具有高選擇蝕刻比，而可於後續製程中蝕刻移除而不損及該暫時基板21。

參閱圖4、7，接著進行步驟32，於該犧牲層224頂面上磊晶成長出一層由半導體材料構成的元件本體膜23，類似地，該犧牲層224與該元件本體膜23具有高選擇蝕刻比，而在後續製程中蝕刻移除時不損及元件本體層23。

參閱圖4、8，再接著進行步驟33，該步驟33包括五個次步驟33a～33e，在依序進行該五個次步驟後，得到一於該元件本體膜23頂面上經電鍍法形成具磁性的元件基板24，及一自該元件基板24頂面向該蝕刻限制膜22方向形成之圖樣流道25，該圖樣流道25深度達該犧牲層224並將該元件基板24、元件本體膜23定義出多數的磊晶元件2。

參閱圖9、10，詳細地說，該步驟33首先進行次步驟33a，以電鍍法使導電材料自該元件本體膜23向上電鍍形成一基材層241，在本例中是以例如金或鎳等金屬材料自該元件本體膜23向上沉積成預定圖樣的該基材層241。

參閱圖9、11，接著進行次步驟33b，自該基材層241向下以乾式蝕刻方式定義出該圖樣流道25，在本例中，是利用該基材層241作為圖樣遮罩，自該元件本體膜23未被該基材層241遮蔽的區域向該蝕刻限制膜22方向以乾式蝕刻法形成該圖樣流道25，該圖樣流道25深度達該犧牲層224並將該基材層241、元件本體膜23定義出多數的磊晶元件2，較佳地，利用該蝕刻終止層222與該第二緩衝層223具有高選擇蝕刻比，進而使該圖樣流道25深度達該第二緩衝層223，而在移除該犧牲層224時，加速該犧牲層224的移除速度。

參閱圖9、12、13，再進行次步驟33c，以黃光微影製程的方式以光阻作為填充物27填補該圖樣流道25，並填滿至略凸出該基材層241頂面，使得該填充物27具有一填塞於該圖樣流道25中的填充本體271，及一略凸出且溢出該基材層241頂面地的外溢體272，該外溢體272自該圖樣流道25的邊緣至該外溢體272邊緣的間距為L，如圖12所示，較佳地，該L的平均距離大於30μm，使之後以該基材層241作為底著層電鍍加厚以形成該元件基板24時，不會在該基材層241與該填充本體271間電鍍形成而使該元件基板24與該元件本體膜23電連接，進而避免以該元件本體膜23製作的元件有電性異常的缺陷。

參閱圖9、14，之後進行次步驟33d，以包含具有磁性之金屬元素的材料自該基材層241向上電鍍形成一對應該基材層241態樣而使該填充物27頂面裸露的磁性層242，令該磁性層242與該基材層241共同構成一元件基板24。

參閱圖9、15，最後進行步驟33e，自該裸露的填充物27頂面蝕刻移除填補於該圖樣流道25中的填充物，而完成步驟33，在本例中，是以丙酮進行移除填充物27。

參閱圖4、16，依序進行次步驟33a至33e而完成步驟33後進行步驟34，利用濕蝕刻方式蝕刻移除該犧牲層224，作為蝕刻劑的氫氟酸經由該圖樣流道25、該犧牲層224側邊周緣側向蝕刻移除該犧牲層224，且蝕刻移除該犧牲層224時，輔以磁力吸引該元件基板24向上(在圖16中以箭頭X表示)，而重力吸引(在圖16中以箭頭Z表示)該磊晶用基板21向下，進一步增加蝕刻移除該犧牲層224的速率，並在蝕刻移除該犧牲層224後以磁力吸引該元件基板24自該磊晶用基板21脫離，得到多數的磊晶元件2，並在移除該移除犧牲層224後的蝕刻限制膜22之後再回收該磊晶用基板21。

本發明磊晶元件的分離方法在該元件本體膜23上形成該基材層241，再以該基材層241為底著層(seed layer)電鍍該磁性層242，使該元件基板24具有磁性，並在移除該犧牲層224時，自該犧牲層224外側與該圖樣流道25蝕刻移除該犧牲層224，以加速移除該犧牲層224的速度，同時配合以磁力吸引該元件基板24向上，並且重力自然吸引該磊晶用基板21向下，大幅增加移除該犧牲層224的速度，能更有效率地製作出磊晶元件2，並且元件基板24為金屬構成而具有良好的導熱性，可以快速的將磊晶元件2在運作時所產生的熱，經由該元件基板24所帶離，使以該等磊晶元件2製作出的元件之散熱性佳而具有更加的工作特性表現。

另外，在本例中該步驟33是以光阻作為填充物，再以丙酮移除而成該圖樣流道25，亦可以是以二氧化矽(SiO₂ )作為填充物，之後再以氫氟酸移除。

並且，以本發明製作出的磊晶元件2可藉由該以金屬材料製成的基材層241反射入射光，進而提高以磊晶元件2製得的太陽能電池的光電流輸出，亦可用來製作高載子移動率的高速電晶體(High-electron-mobility transistors,HEMTs)，由於以磊晶元件2製作成何種半導體元件並非本發明所欲強調之重點所在，故不在此一一舉例詳述。

參閱圖17、18，本發明磊晶元件的分離方法的一第二較佳實施例與該第一較佳實施例相類似，所不同的是該第二較佳實施例在該步驟43中，於一元件本體膜53頂面上形成一具磁性的元件基板54時，是先以包含具有磁性之金屬元素的材料自一元件本體膜53向上形成一磁性層541後，再以該磁性層541作為底著層電鍍一以導電材料構成的基材層542，而使該元件基板54具有磁性，並且導熱性優良而散熱效果佳，而與該第一較佳實施例具備相同的功效。

上述二例中，在利用濕蝕刻方式蝕刻移除該犧牲層224之前，可以先於該磊晶用基板21相反該蝕刻限制膜22之面上形成一層保護膜(圖未示)後，再經由該圖樣流道25側向蝕刻移除該犧牲層224，以避免濕蝕刻移除該犧牲層224時蝕刻劑蝕刻該磊晶用基板21，以利於回收重新使用。

並且，分離該等磊晶元件2後的該磊晶用基板21，可藉由化學清洗蝕刻製程分別移除第二緩衝層223及蝕刻終止層222並留下該第一緩衝層221後，得到可供重覆使用的磊晶用基板21，其中，該第一、二緩衝層221、223與該蝕刻終止層222分別具有高蝕刻選擇比。

綜上所述，本發明磊晶元件的分離方法藉由磁力吸引該具磁性的元件基板24而與該磊晶用基板21分離，不需要以高分子膠體貼合至基板上，使製作出的元件工作特性表現更佳，並且，藉由該圖樣流道25而在移除該犧牲層224時，大幅增加蝕刻移除該犧牲層224的速度，能更有效率地製作出磊晶元件2，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2．．．磊晶元件

21．．．磊晶用基板

22．．．蝕刻限制膜

221．．．第一緩衝層

222．．．蝕刻終止層

223．．．第二緩衝層

224．．．犧牲層

23．．．元件本體膜

24．．．元件基板

241．．．基材層

242．．．磁性層

25．．．圖樣流道

27．．．填充物

271．．．填充本體

272．．．外溢體

31．．．步驟

32．．．步驟

33．．．步驟

34．．．步驟

43．．．步驟

53．．．元件本體膜

54．．．元件基板

541．．．磁性層

542．．．基材層

6．．．太陽能電池

61．．．電極

X．．．磁力

Z．．．重力

圖1是一剖視示意圖，說明現有以更換基板方式製得的磊晶元件；

圖2是一流程圖，說明圖1之該磊晶元件的分離方法；

圖3是一剖視示意圖，輔助說明圖2的該製作方法；

圖4是一流程圖，說明本發明磊晶元件的分離方法的一第一較佳實施例；

圖5是一剖視示意圖，說明以圖4的該第一較佳實施例製作出的磊晶元件；

圖6是一剖視示意圖，輔助說明圖4的該第一較佳實施例；

圖7是一剖視示意圖，輔助說明圖4的該第一較佳實施例；

圖8是一剖視示意圖，輔助說明圖4的該第一較佳實施例；

圖9是一流程圖，輔助說明該第一較佳實施例的步驟33；

圖10是一剖視示意圖，輔助說明圖9；

圖11是一剖視示意圖，輔助說明圖9；

圖12是一剖視示意圖，輔助說明圖9；

圖13是一俯視圖，輔助說明圖12；

圖14是一剖視示意圖，輔助說明圖9；

圖15是一剖視示意圖，輔助說明圖9；

圖16是一剖視示意圖，輔助說明圖4的該第一較佳實施例；

圖17是一流程圖，說明本發明磊晶元件的分離方法的一第二較佳實施例；及

圖18是一剖視示意圖，輔助說明圖17的該第二較佳實施例。

31．．．步驟　於磊晶用基板頂面上形成具有犧牲層的蝕刻限制膜

32．．．步驟　於犧牲層頂面上形成與犧牲層具有高選擇蝕刻比的元件本體膜

33．．．步驟　於元件本體膜頂面上形成具磁性的元件基板，以及自元件基板頂面形成深度至犧牲層的圖樣流道

34．．．步驟　經圖樣流道側向蝕刻移除犧牲層，且以磁力吸引元件基板，得到該等磊晶元件並回收磊晶用基板

Claims (10)

1. 一種磊晶元件的分離方法，包含：(a)　於一磊晶用基板頂面上形成一適於磊晶成長並具有一平行該磊晶用基板頂面之犧牲層的蝕刻限制膜，其中，該磊晶用基板與該犧牲層具有高選擇蝕刻比；(b)　於該犧牲層頂面上形成一元件本體膜，其中，該犧牲層與該元件本體膜具有高選擇蝕刻比；(c)　於該元件本體膜頂面上形成一具磁性的元件基板，及一自該元件基板頂面向該蝕刻限制膜方向形成之圖樣流道，該圖樣流道深度達該犧牲層並將該元件基板、元件本體膜定義出多數磊晶元件；及(d)　經由該圖樣流道側向蝕刻移除該犧牲層，且以磁力吸引該元件基板，得到該等磊晶元件並回收該磊晶用基板。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(a)是依序於該磊晶用基板頂面上形成一第一緩衝層、一蝕刻終止層，及一第二緩衝層後再形成該犧牲層，而令該第一緩衝層、蝕刻終止層、第二緩衝層，及犧牲層共同構成該蝕刻限制膜。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(c)包括以下次步驟(c1)以導電材料自該元件本體膜向上形成一基材層，(c2)自該基材層向下以乾式蝕刻方式定義出該圖樣流道，(c3)用填充物填補該圖樣流道至略凸出該基材層頂面，(c4)以包含具有磁性之金屬元素的材料自該基材層向上形成一對應該基材層態樣而使該填充物頂面裸露的磁性層，而使該基材層與該磁性層構成該元件基板，及(c5)自該裸露的填充物頂面蝕刻移除填補於該圖樣流道中的填充物。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該填充物具有一填塞於該圖樣流道中的填充本體，及一略凸出該基材層頂面且溢出該基材層頂面形成於該圖樣流道邊緣的外溢體，且該外溢體平均溢出該基材層頂面形成該圖樣流道邊緣上大於30μm。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(d)該磊晶用基板是先經過化學清洗蝕刻製程後回收。
6. 根據申請專利範圍第5項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(d)是先在該磊晶用基板相反該蝕刻限制膜之面形成一層保護膜後，再經由該圖樣流道側向蝕刻移除該犧牲層。
7. 根據申請專利範圍第2項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(c)包括以下次步驟(c1)以包含具有磁性之金屬元素的材料自該元件本體膜向上形成一磁性層，(c2)自該磁性層向下以乾式蝕刻方式定義出該圖樣流道，(c3)用填充物填補該圖樣流道至略凸出該磁性層頂面，(c4)以導電材料自該磁性層向上形成一對應該磁性層態樣而使該填充物頂面裸露的一基材層，而使該磁性層與該基材層構成該元件基板，及(c5)自該裸露的填充物頂面蝕刻移除填補於該圖樣流道中的填充物。
8. 根據申請專利範圍第7項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該填充物具有一填塞於該圖樣流道中的填充本體，及一略凸出該磁性層頂面且溢出該磁性層頂面形成於該圖樣流道邊緣的外溢體，且該外溢體平均溢出該磁性層頂面形成該圖樣流道邊緣上大於30μm。
9. 根據申請專利範圍第8項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(d)該磊晶用基板是先經過化學清洗蝕刻製程後回收。
10. 根據申請專利範圍第9項所述的磊晶元件的分離方法，其中，該步驟(d)是先在該磊晶用基板相反該蝕刻限制膜之面形成一層保護膜後，再經由該圖樣流道側向蝕刻移除該犧牲層。