基于原位应力控制的III族氮化物厚膜自分离方法技术

本发明专利技术公开了一种基于原位应力控制的III族氮化物厚膜自分离方法，在适当的退火条件下，对生长于衬底上的III族氮化物厚膜逐渐升高温度，同时利用在位应力监测系统监测其应力，当应力状态由负应力转变为正应力后，在高温下保持一段时间，然后逐渐降低温度，应力由正应力转变为负应力，循环重复该升温至降温的过程，直至III族氮化物厚膜与衬底分离。本发明专利技术通过热循环条件的调节，实现厚膜材料在特定位置的应力集中，在不断的应力正负切换过程中，使厚膜的特定位置发生形变，降低了特定位置界面结合强度，从而实现了厚膜自分离，可运用于GaN厚膜的分离，工艺简单可控，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料的应力控制领域和金属有机化学气相沉积(MOCVD)
，尤其涉及一种利用对外延材料应力的控制实现III族氮化物(如GaN)厚膜自分离的调节方法。
技术介绍
目前广泛使用的蓝宝石或者碳化硅衬底与GaN材料之间的晶格失配和热失配较大，造成GaN材料及其器件的质量下降。利用HVPE和MOCVD或MBE结合的外延方法制备自支撑GaN或复合薄膜GaN衬底技术一直对于GaN大功率LED、激光器等高性能的光电器件等方面都有非常重要的意义。 然而，由于蓝宝石或碳化硅等衬底与GaN材料有很大的晶格失配和热失配，GaN衬底的制备一直都受到残余应力大、外延片弯曲甚至开裂的影响而不能得到广泛应用。目前，GaN自支撑衬底中的应力控制方法主要包括(I)低温插入层技术主要是在生长过程中插入一层低温的应力调制层，达到缓解应力的效果；(2)图型化衬底的方法利用衬底的图形，释放生长过程带来的应力；(3)侧向外延技术通过侧向外延，形成狭长的空隙，达到应力的释放；(4)热退火处理将外延材料加热到适当温度，然后进行缓慢冷却的处理工艺。热退火技术对金属材料的作用效果显著，对于其他材料而言，应用该技术有很大的局限性。可见，目前关于外延材料的应力控制的研究并不多，相对而言，关于异质外延衬底与外延材料的分离技术种类很多。具体到GaN材料，异质分离技术主要分为三类第一种是激光剥离技术，第二种是牺牲衬底技术，第三种是利用插入层的分离技术。(一)激光剥离技术，主要利用激光可以无吸收通过蓝宝石(Sapphire)衬底，而能被GaN层局域强烈吸收的原理,使GaN/Sapphire界面处GaN在激光高能量作用下分解成金属镓，而使GaN与蓝宝石分离。基于该基本原理的激光剥离专利和专利申请数量很多，例如北京大学的中国专利“GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法”(专利号200410009840.0)和专利申请“一种制备自支撑单晶氮化镓衬底的方法”(申请号200810222720. 7);南京大学的中国专利“激光剥离制备自支撑氮化镓衬底的方法”(专利号02113085. X)和专利申请“改进的制备自支撑氮化镓衬底的激光剥离的方法”(申请号200510095245. 8);苏州纳晶光电有限公司的中国专利申请“一种氮化镓基外延膜的激光剥离方法“(申请号200910031266. I);台湾联胜光电股份有限公司的中国专利申请“激光剥离方法”(申请号=200810108596. I)等等。( 二 )牺牲衬底技术，主要思路是通过化学腐蚀、或刻蚀、或机械研磨的方法去除衬底。中国科学院半导体研究所的中国专利“在硅衬底上生长氮化镓自支撑衬底材料的方法”(专利号:200410009858. O),日本NEC公司的美国专利US6824610 (2004)和日本电线株式会社的中国专利ZL02107886. 6(2002)等都是基于该原理。(三)利用插入层的分离技术，即通过插入层和侧向外延在GaN与蓝宝石界面处形成空隙，在降温过程中受应力的作用实现GaN与蓝宝石的分离。2003年日本日立电线采用TiN插入层的方法得到2英寸自支撑的GaN衬底，2008年德国Ch. Henning等人又通过WSiN掩膜的方法得到2英寸自支撑衬底。总体而言，虽然异质衬底于外延材料的分离技术种类很多，但是现有技术存在着工艺过程比较复杂，衬底不能反复利用，需要寻找合适插入层等缺点，因此需要提出一种新的技术方案来克服这些问题。 另一方面，测试外延层中应力的传统方法包括X射线衍射、Raman散射、光致发光光谱以及高分辨透射电子显微镜。这些方法都是在样品生长完后对样品进行的测量，属于非在位的应力测量方法。目前使用最广的在位薄膜应力测试方法是基底弯曲法，S卩外延层中的应变会引起整个样品的弯曲。薄膜和衬底间存在晶格失配和热失配。薄膜中存在残余应力，这个残余应力可以是晶格失配或热失配造成的，也可能是其它物理化学因素造成的，或者兼有之。这个残余应力必然作用于衬底，使衬底产生翘曲。薄膜中的应力受多方面因素的影响，其中薄膜沉积工艺、热处理工艺以及材料本身的机械特性是主要影响因素。当样品降温时，弯曲可能进一步加强，改变或反向。应力在作用方向上有张应力和压应力之分。如图I所示，若薄膜呈凸面弯曲则基底对薄膜产生压应力；相反，薄膜呈凹面收缩趋势基底对薄膜造成张应力。一般定义张应力为正值薄膜应力，压应力为负值。通过光学干涉仪或者表面轮廓仪测量薄膜外延前后的圆片曲率半径的变化，通过根据Stoney公式计算得到薄膜的应力值，方法简单实用。金属有机气相化学沉积(MOCVD)设备是目前广泛米用的GaN基材料外延设备,该设备具有快速精确控制升降温，切换压强以及气流的优点。在改变各种腔室条件时，应力始终处于变化之中，监测衬底的翘曲就可以获得应力变化的讯息。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种操作过程简化，衬底可以反复利用、工艺流程具有普遍适用性的III族氮化物厚膜材料的自分离技术。本专利技术基于厚膜材料中应力的变换与热处理过程有正相关或负相关关系，利用在位薄膜应力(曲率)监测系统对应力状态的变化进行监控，通过循环交替地对生长在衬底上的III族氮化物厚膜升高和降低温度，加剧III族氮化物厚膜和衬底界面的应力集中，实现III族氮化物厚膜的可控自分离。本专利技术的技术方案如下一种III族氮化物厚膜自分离方法,在以氮气和/或氢气为载气,氨气为保护气体，压力l-2500Torr的条件下，对生长于衬底上的III族氮化物厚膜逐渐升高温度，同时利用在位应力监测系统监测其应力，当应力状态由负应力转变为正应力后，在高温下保持一段时间，然后逐渐降低温度，应力由正应力转变为负应力，循环重复升温至降温的过程，直至III族氮化物厚膜与衬底分离。上述III族氮化物厚膜自分离方法中，如图2所示，随着温度的升高和下降，III族氮化物厚膜的应力状态经历了下述三个阶段第一阶段，温度升高，III族氮化物厚膜的应力状态由负应力转变为正应力；第二阶段，维持高温，应力不变；第三阶段，降低温度，应力由正应力转变为负应力。循环重复上述过程，通过在位应力监测系统监控，直至应力发生突变，III族氮化物厚膜与衬底间应力消失，实现自分离。上述III族氮化物厚膜自分离方法在常规的MOCVD设备中就能实现，在衬底上外延生长厚膜材料后，通过热循环条件的调节，实现厚膜的自分离。上述衬底包括但不限制于蓝宝石、碳化硅、硅、铝酸锂、氧化镁等材料的衬底；上述厚膜材料可以是GaN、InN、AlN等，以及它们的三元或四元系合金；厚膜的厚度可以在20 μ m 以上；晶体取向不受限制。上述III族氮化物厚膜自分离方法中，通常氨气/载气的物质的量的比在O. 01 100之间，优选O. I I ;压力优选在50-500Torro上述III族氮化物厚膜自分离方法中，在第一阶段的升温过程中，温度的变化速率一般为l°c /min 600°C /min，优选为60°C /min 180°C /min ;在第二阶段，温度升高到400°C 1500°C维持10-3600秒或者更长时间；在第三阶段，温度逐渐减低到-100°C 200°C，通常降低到室温；然后进入下一轮循环。在循环重复升温至降温的过程中，可以不断改变(如提高)温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种III族氮化物厚膜自分离方法，在以氮气和/或氢气为载气，氨气为保护气体，压力1？2500Torr的条件下，对生长于衬底上的III族氮化物厚膜逐渐升高温度，同时利用在位应力监测系统监测其应力，当应力状态由负应力转变为正应力后，在高温下保持一段时间，然后逐渐降低温度，应力由正应力转变为负应力，循环重复该升温至降温的过程，直至III族氮化物厚膜与衬底分离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：马志芳，杨志坚，张国义，李丁，吴洁君，贾传宇，陈志忠，于彤军，康香宁，胡晓东，秦志新，龙浩，
申请(专利权)人：北京燕园中镓半导体工程研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：