CN101471404B - 蓝宝石图形衬底的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高芯片出光效率的方法，通过在蓝宝石衬底上制作图形来提高出光率，所述图形为直径为1～10μm的圆柱均匀排布而构成的图形，圆柱高度为0.5～3μm，所述方法可以提高出光率在10％以上，效果明显，本发明还公开了蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：光刻—掩膜—剥离掩膜层—刻蚀—腐蚀金属掩膜层，蓝宝石图形衬底的制作方法工艺简便、易操作、刻蚀成品率高。

Description

蓝宝石图形衬底的制备方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石图形衬底的制备方法及通过其提高芯片出光效率的方法。
背景技术
为了提高LED照明的发光强度，就是要提高LED光电转换效率，LED的光电转换效率包括两部分：内量子效率和外量子效率，内量子效率是指电子空穴对在LED结区复合产生光子的效率；外量子效率指将LED结区产生的光子引出LED后的总效率，目前，随着外延生长技术和多量子阱结构的发展，超高亮度发光二极管的内量子效率已有了非常大的改善，可以使InGaN有源层在常温普通注入电流条件下的内量子效率达到90％-95％，甚至更高，如波长625nm AlGaInP基超高亮度发光二极管的内量子效率可达到100％，已接近极限。而外量子效率却非常低，导致GaN基发光二极管外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延层和空气的反射系数差异较大导致的全反射问题，GaN和空气的反射系数分别为2.5和1，因此在InGaN-GaN活性区产生的光能够传播出去的临界角约为23度，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率，因此，提高外量子效率是提高LED发光强度的关键。
目前提高外量子效率的方法主要是做GaN表面粗化，粗化对提高亮度有很好的效果，但技术要求很高，在提高亮度的同时，会带来电压升高、漏电等一系列问题难以解决。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种工艺简单、成品率高的制备蓝宝石衬底的方法。
本发明采用以下技术方案来解决上述技术问题：
一种蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：
(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶，烘干，然后在紫外线下曝光，再烘干后在2～3％TMAH显影，得到直径为1～10μm圆形孔组成的图案；
(2)、掩膜：在光刻后的衬底上，首先蒸镀Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni掩膜；
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在可溶解光刻胶的溶剂中超声处理，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，用去离子水冲洗干净；
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀后，衬底上均匀排布直径1-10微米的圆柱体，圆柱体高度为0.5-3微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.6-1.0μm；
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入酸溶液超声处理，在金属掩膜层完全去干净后再分别用丙酮、乙醇超声处理，然后用去离子水冲洗干净即可。
一种蓝宝石图形衬底的制作方法，优选包括以下步骤：
(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上采用旋涂工艺涂上光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为2.0μm，70-100℃下烘干10-40min，然后在紫外线13-40mw/cm2下曝光20-40sec，再烘干后在2～3％TMAH显影40-100sec，得到直径为1～10μm圆形孔组成的图案；
(2)、掩膜：使用电子束蒸发或溅射方法蒸镀金属掩膜层，首先在光刻后的衬底上蒸镀厚度为5-50nm的Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni层，Ni厚度为200-500nm；
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在丙酮、乙醇各超声8-15分钟，在去离子水中冲洗，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，在显微镜下观察干净后即可；
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀条件为：BCl3的流量为5-40sccm，Ar流量为5-40sccm，Cl2流量为15-80sccm，腔体压力为10-40mTorr，ICP：500-1000W，RF：50-200W，DC Bias：80-150V，刻蚀时间为10～15min，刻蚀后，衬底上均匀排布直径1-10微米的圆柱体，圆柱体高度为0.5-3微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.8～1.0μm；
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入10％-30％(质量百分比)盐酸溶液中超声15-25分钟，在显微镜下观察金属掩膜层完全去干净后，取出衬底，再用丙酮，乙醇各超声8-15分钟，然后用去离子水冲洗干净即可。
导致GaN基发光二极管外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延层和空气的反射系数差异较大导致的全反射问题，GaN和空气的反射系数分别为2.5和1，因此在InGaN-GaN有源层产生的光能够传播出去的临界角约为23度，这大大限制了GaN基发光二极管的外量子效率，本发明采用圆柱形组成的图案衬底，使光线在圆柱形图案中经过多次反射后出光，大大提高了外量子效率，通过本发明的刻蚀图形衬底使出光效率提高15～40％。
本发明制备图形衬底工艺步骤采用了光刻、掩膜、ICP刻蚀等步骤，由于图形衬底的尺寸很小，刻蚀对象为蓝宝石，因此与现有的制作普通LED的光刻、掩膜、ICP刻蚀是完全不同的工艺，第一，普通LED芯片光刻尺寸大多数在10μm以上，而本发明图形衬底的尺寸要求为2～4μm，对光刻工艺条件有很大不同，否则，会出现图形显影不开、图形“孔”和表面胶都过显影、“孔”没有显影干净但表面胶过显影，或者中间光刻较好边缘不稳定等等情况。第二，掩膜的选择不同。本发明选择Ni/Cr或Ti/Cr复合金属掩膜；Ni掩膜具有蒸镀方法简单、工艺稳定的优点，并且刻蚀选择比好，与蓝宝石衬底的刻蚀选择比为1∶7，即刻蚀1μm深的蓝宝石衬底只刻蚀Ni掩膜厚度为0.14μm，另外蒸镀过程中不加温，剥离容易，但是Ni掩膜也存在很多问题：由于Ni与蓝宝石衬底黏附性差，剥离时容易出现卷边脱落，并且刻蚀过程中，由于高温会导致Ni脱落，为解决Ni掩膜脱落问题，本发明在蒸镀Ni之前首先蒸镀一层Cr或Ti层，Cr或Ti与蓝宝石有很好的粘附性，解决了Ni掩膜的脱落问题。第三，常规LED芯片制造中，ICP刻蚀主要都是刻蚀GaN，而本发明刻蚀的是蓝宝石，由于蓝宝石硬度很大，普通的刻蚀技术不能完成，因此在刻蚀工艺及其参数上有很大差别，本发明选用了特殊的刻蚀气体、腔体压力、射频功率来解决该问题，增加了对蓝宝石的刻蚀速率，降低了对Ni/Cr或Ti/Cr掩膜的刻蚀速率，蓝宝石刻蚀后的厚度为0.8～1.0μm，图形刻蚀深度为0.5～3μm，这样既保证有足够深度的刻蚀图形对光线多次反射，有保证蓝宝石衬底的厚度。
附图说明
图1是正胶光刻后的电镜SEM图；
图2是蓝宝石图形衬底的电镜SEM图。
具体实施方式
实施例1，一种蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上采用旋涂工艺涂上光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为2.0μm，100℃下烘干10min，然后在紫外线20mw/cm2下曝光20sec，再烘干后在2％TMAH显影40sec，得到直径为5μm圆柱形孔，如图1为光刻后的SEM图。
(2)、掩膜：使用电子束蒸发或溅射方法蒸镀金属掩膜层，首先在光刻后的衬底上蒸镀厚度为5nm的Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni层，Ni厚度为200nm。
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在丙酮、乙醇各超声15分钟，在去离子水中冲洗，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，在显微镜下观察干净后即可。
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀条件为：BCl3的流量为5sccm，Ar流量为5sccm，Cl2流量为15sccm，腔体压力为10mTorr，ICP：500W，RF：50W，DC Bias：80V，刻蚀时间为15min，刻蚀后，衬底上均匀排布直径5微米的圆柱体，圆柱体高度为0.5微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.8～1.0μm。
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入10％(质量百分比)的稀盐酸溶液中超声15分钟，在显微镜下观察金属掩膜层完全去干净后，取出衬底，再用丙酮，乙醇各超声8分钟，然后用去离子水冲洗干净即可，如图2所示的是刻蚀完成后的蓝宝石图形衬底的SEM图。
实施例2，一种蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上采用旋涂工艺涂上光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为2.0μm，80℃下烘干20min，然后在紫外线13mw/cm2下曝光35sec，再烘干后在3％TMAH显影60sec，得到直径为1μm圆柱形图案。
(2)、掩膜：使用电子束蒸发或溅射方法蒸镀金属掩膜层，首先在光刻后的衬底上蒸镀厚度为5-50nm的Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni层，Ni厚度为200-500nm。
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在丙酮、乙醇各超声8分钟，在去离子水中冲洗，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，在显微镜下观察干净后即可。
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀条件为：BCl3的流量为30sccm，Ar流量为30sccm，Cl2流量为50sccm，腔体压力为30mTorr，ICP：700W，RF：100W，DC Bias：100V，刻蚀时间为10min，刻蚀后，衬底上均匀排布直径5微米的圆柱体，圆柱体高度为2微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在1μm。
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入20％(质量百分比)的盐酸溶液中超声20分钟，在显微镜下观察金属掩膜层完全去干净后，取出衬底，再用丙酮，乙醇各超声10分钟，然后用去离子水冲洗干净即可。
实施例3，一种蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上采用旋涂工艺涂上光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为2.0μm，70℃下烘干40min，然后在紫外线40mw/cm2下曝光40sec，再烘干后在3％TMAH显影100sec，得到直径为10μm圆柱形图案。
(2)、掩膜：使用电子束蒸发或溅射方法蒸镀金属掩膜层，首先在光刻后的衬底上蒸镀厚度为50nm的Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni层，Ni厚度为500nm。
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在丙酮、乙醇各超声10分钟，在去离子水中冲洗，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，在显微镜下观察干净后即可。
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀条件为：BCl3的流量为40sccm，Ar流量为40sccm，Cl2流量为80sccm，腔体压力为40mTorr，ICP：1000W，RF：200W，DC Bias：150V，刻蚀时间为15min，刻蚀后，衬底上均匀排布直径10微米的圆柱体，圆柱体高度为3微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.8μm。
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入30％(质量百分比)的盐酸溶液中超声25分钟，在显微镜下观察金属掩膜层完全去干净后，取出衬底，再用丙酮，乙醇各超声15分钟，然后用去离子水冲洗干净即可。
使用点测机对蓝宝石图形衬底上刻蚀不同柱高的圆柱体来测试芯片亮度。本发明使用的是台湾旺矽科技股份有限公司生产的点测机，型号为LEDA-8S测试条件：正向20mA的电流，结果见下表：
图形衬底对亮度提升结果表
Figure GDA0000092887900000071
其中，无图形衬底的芯片亮度检测为36mcd，从以上数据可知，通过在蓝宝石衬底制作圆形的图形衬底，使芯片的亮度提升有大幅提高，所做的圆形图案刻蚀深度越深，即刻蚀柱高越高，芯片亮度提升越高，但考虑到蓝宝石衬底的厚度，一般刻蚀图案的柱高为0.5～3μm，亮度提高在10％～40％。

Claims (2)

1.一种蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：
(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶，烘干，然后在紫外线下曝光，再烘干后在2～3％TMAH显影，得到直径为1～10μm圆形孔组成的图案；
(2)、掩膜：在光刻后的衬底上，首先蒸镀Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni掩膜；
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在可溶解光刻胶的溶剂中超声处理，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，用去离子水冲洗干净；
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀后，衬底上均匀排布直径1-10微米的圆柱体，圆柱体高度为0.5-3微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.6-1.0μm；
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入酸溶液超声处理，在金属掩膜层完全去干净后再分别用丙酮、乙醇超声处理，然后用去离子水冲洗干净即可。
2.如权利要求1所述的蓝宝石图形衬底的制作方法，包括以下步骤：
(1)、光刻：首先在蓝宝石衬底上采用旋涂工艺涂上光刻胶，涂覆的光刻胶厚度为2.0μm，70-100℃下烘干10-40min，然后在紫外线13-40mw/cm2下曝光20-40sec，再烘干后在2～3％TMAH显影40-100sec，得到直径为1～10μm圆形孔组成的图案；
(2)、掩膜：使用电子束蒸发或溅射方法蒸镀金属掩膜层，首先在光刻后的衬底上蒸镀厚度为5-50nm的Cr或Ti掩膜，然后在Cr或Ti膜层上再蒸镀一层金属Ni层，Ni厚度为200-500nm；
(3)、剥离掩膜层：将蒸镀好的衬底在丙酮、乙醇各超声8-15分钟，在去离子水中冲洗，将光刻胶上的掩膜层去掉，保留蓝宝石上的掩膜，在显微镜下观察干净后即可；
(4)、刻蚀：利用ICP刻蚀技术对步骤(3)的蓝宝石衬底进行刻蚀，其中，选择BCl3/Cl2或Ar/Cl2等离子气体对衬底进行刻蚀，刻蚀条件为：BCl3的流量为5-40sccm，Ar流量为5-40sccm，Cl2流量为15-80sccm，腔体压力为10-40mTorr，ICP：500-1000W，RF：50-200W，DC Bias：80-150V，刻蚀时间为10～15min，刻蚀后，衬底上均匀排布直径1-10微米的圆柱体，圆柱体高度为0.5-3微米，刻蚀后蓝宝石衬底厚度在0.8～1.0μm；
(5)、腐蚀金属掩膜层：将刻蚀后的图形衬底放入的10％-30％(质量百分比)盐酸溶液中超声15-25分钟，在显微镜下观察金属掩膜层完全去干净后，取出衬底，再用丙酮，乙醇各超声8-15分钟，然后用去离子水冲洗干净即可。
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