Прорезание канавок импульсным и квазинепрерывным CO2-лазерами пленок GaN для отвода газообразного азота

В современной промышленности все большее распространение получает использование широкозонных материалов, таких как сапфир, карбид кремния, алмаз, нитрид галлия и нитрид алюминия [1]. Эти материалы находят применение в создании твердотельных полупроводниковых устройств, элементов оптики, а также микро- и оптоэлектроники.

Послеэпитаксиальная обработка является важной частью производства полупроводниковых приборов. Одним из ключевых процессов на последнем этапе является разделение эпитаксиальных структур на основе GaN на отдельные чипы небольшого размера [2].

Использование лазерной обработки получило широкое распространение благодаря ее способности уменьшать вероятность повреждения материала при обработке, снижать затраты на обработку отходов, предоставлять альтернативу процессу химического травления, а также возможность удалять один тип материала без повреждения подслоев. Лазерная микрообработка включает в себя множество процессов, таких как сверление отверстий, абляция, фрезерование, резка (скрайбирование) и нарезка кубиками [3].

Применение лазерной обработки (в том числе резки) в различных производствен- ных процессах для изготовления электронных устройств на основе полупроводниковых пластин значительно увеличивает производительность и выход качественной продукции.

Процесс лазерной резки заключается в удалении материала из заготовки путем местного нагрева поверхности при помощи интенсивного лазерного излучения. Это излучение вызывает нагрев, испарение или абляцию материала.

В статье [4] описывается метод отделения тонких пленок нитрида галлия от сильно легированных подложек нитрида галлия с использованием импульсного CO 2 -лазера. Основная идея метода заключается в отделении тонких слоев полупроводниковой структуры (10-100 мкм) и активных слоев приборов от толстых (0.12 мм) кристаллов нитрида галлия на основе различия коэффициентов поглощения света инфракрасной области излучения α в слоях с разным уровнем легирования.

В процессе обработки пленок GaN лазером с длиной волны 10,6 мкм единичное воздействие излучения приводит к образованию замкнутого объема диаметром в несколько десятков микрон в области контакта пленки GaN с сапфиром (или nGaN), заполненного жидким галлием и азотом под давлением 105 Па. Для отделе- ния слабо легированной пленки GaN от подложки необходимо проводить последовательную обработку образца таким образом, чтобы области воздействия лазерного излучения частично перекрывались. Однако, увеличение площади обработанной поверхности образца приводит к увеличению силы Fср, с которой газообразный азот воздействует на освобожденную пленку, что может вызвать появление трещин в обрабатываемой пленке.

Для преодоления ограничений методики лазерного отделения пленок GaN было предложено решение, заключающееся в создании заранее прорезанных канавок, которые обеспечивают возможность свободного выхода газообразного азота из-под пленки GaN. Для прорезания канавок использовались импульсные и квазинепре-рывные лазеры. Такой подход может значительно улучшить эффективность и точность лазерной обработки пленок GaN, а также снизить вероятность появления трещин и других дефектов в обрабатываемом материале.

Рис. 1. Схема процесса отделения пленок GaN c помощью прорезания канавок квазине-прерывным лазером.

Методика эксперимента

В экспериментах использовались пленки GaN, размером 2*2 мм2, выращенные методами HVPE и MOCVD с толщинами 20мкм и 10 мкм соответственно. Для прорезания канавок использовался импульсный CO2-лазер с мощностью I=200 мДж и диаметром фокусного пятна Dф = 80 мкм (рис. 2).

Также для решения ограничений методики лазерного отделения пленок GaN использовался квазинепрерывный CO 2 -лазер. Прорезание канавок осуществлялось при помощи этого лазера с максимальной мощностью излучения 40 Вт, которая регулировалась с помощью Широтноимпульсной модуляции на частоте 5 кГц.

Излучение фокусировалось линзой с числовой апертурой NA = 0.35 и фокусным расстоянием f= 38.1 мм. Диаметр пучка лазерного излучения в фокусе составлял примерно 20мкм.

Результаты и их анализ.

Результат прорезания канавки в пленке GaN, выращенной методом MOCVD, с использованием импульсного лазера представлен на рисунке 3. На исследуемом образце образуется воронка диаметром ≈100-150 мкм. К тому же на поверхности образца после обработки остаются кусочки пленки GaN и микронные капли жидкого Ga, что может повлиять на однородность последующей операции отделения пленки. Поэтому перед сканированием для отделе- ния пленки необходимо очистить ее от воду. грязи, используя HCl и дистиллированную

Рис. 3. Результат прорезания импульсным лазером канавки в пленке GaN

Для отделения пленок GaN использовался импульсный CO2-лазер с длиной волны 10,6 мкм, длительностью импульсов ≈60 нс, максимальной мощностью 60мДж и диаметром фокусного пятна Sф=20 мкм. Однако на всех образцах, выращенных методом MOCVD, не удалось произвести успешное отделение пленок. В процессе сканирования пленки начинали трескаться и раскалываться на небольшие кусочки диаметром ≈100мкм, что приводило к получению "трухи" вместо отделенной пленки. Вероятно, это связано с тем, что область пленки GaN вблизи канавки имеет переменную толщину, которая уменьшается к канавке, что приводит к изменению прочности пленки.

Образцы, выращенные методом HVPE, оказались более неподходящими для отделения пленок GaN по сравнению с MOCVD-пленками из-за их более высокой напряженности, связанной с особенностями ростового процесса [5]. Поэтому на этапе прорезания канавок и последующего сканирования для отделения пленок происходило активное трещинообразование и образование кусочков пленки GaN диаметром несколько сотен микрон. Таким образом, отделение пленок GaN с использованием импульсного CO2-лазера после предварительного нарезания канавок не представляется возможным для образцов, выращенных как методом MOCVD, так и методом HVPE.

На рисунке 4 показан пример канавки, которая была прорезана с помощью данной установки. Во время процесса прорезания канавки импульсным лазером, удаление лишнего материала происходило сразу же, а избыточное давление азота в области диссоциации GaN вырывало его. Если использовать квазинепрерывный лазер, то удаление материала происходит постепенно с поверхности образца, что увеличивает время обработки. Кроме того, на рисунке 3 видно, что поверхность после операции по нарезанию канавок осталась сильно запачканной. Часть этой грязи - это жидкий Ga, образовавшийся в процессе диссоциации GaN, однако большая часть загрязнения является оксидом галлия Ga2O3, который образуется из жидкого галлия при высоких температурах в присутствии кислорода. Поэтому после обработки квазинепрерывным лазером требу- ется дополнительная чистка образца от грязи.

Рис. 4. Прорезание канавок импульсным лазером

Для отделения образцов использовался импульсный CO2-лазер с теми же настройками, что и в описанных выше экспериментах (длина волны λ=10,6 мкм, длительность импульса τ≈60 нс, энергия импульса I=60 мДж, размер пятна на по- верхности образца Dф=20 мкм). На рисунке 5 показаны результаты эксперимента. Путем стравливания азотом по канавкам удалось отделить неповрежденную пленку GaN площадью 1-2 мм2.

Рис. 5. Отделение образцов GaN, выращенных MOCVD (слева) и HVPE (справа) импульсным CO 2 -лазером с стравлением азота через канавки

Время, необходимое для прорезания канавок в пленках, выращенных методом HVPE, может быть заметно больше, чем в пленках, выращенных методом MOCVD. Это связано с тем, что интерфейс GaN/n-GaN, который обычно находится близко к поверхности образца при использовании метода MOCVD, находится глубже внутри образца при использовании метода HVPE. Поэтому при обработке HVPE-пленок может потребоваться больше времени на прорезание канавок, чтобы достичь интерфейса GaN/n-GaN.

Заключение

Было предложено решение проблемы повреждений (растрескивания) пленок GaN в процессе их отделения.

Использование квазинепрерывного лазера для предварительного нарезания канавок позволило осуществить успешное отделение пленок GaN, выращенных как методом MOCVD, так и HVPE. Однако в процессе прорезания канавок происходит сильное загрязнение поверхности пленок, что приводит к необходимости дополнительной операции по очистке обрабатываемых пленок GaN.