CN102254809B

CN102254809B - 一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法

Info

Publication number: CN102254809B
Application number: CN 201110222427
Authority: CN
Inventors: 袁根如; 郝茂盛; 王来
Original assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Blue Light Technology Co Ltd
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2031-08-04
Also published as: CN102254809A

Abstract

本发明提供一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，该方法包括以下步骤：先主刻蚀步骤，然后进行图形轮廓修饰刻蚀步骤；所述主刻蚀步骤具体指先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，设定ICP刻蚀设备的一些工艺参数，将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上初步形成所需的图形轮廓；所述图形轮廓修饰刻蚀步骤具体指通过再次调整ICP刻蚀设备的一些工艺参数，将主刻蚀阶段刻蚀出来的图形进一步做表面轮廓修饰处理。通过这样的刻蚀方法刻蚀出来的图形衬底，可以大大提高芯片的光提取效率。

Description

一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图形化衬底制程中的干法刻蚀方法。

背景技术

发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用.尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点.为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率.目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。

目前已经提出了几种提高芯片光提取效率的方法，主要包括：改变芯片的几何外形，减少光在芯片内部的传播路程，降低光的吸收损耗，如采用倒金字塔结构；控制和改变自发辐射，通常采用谐振腔或光子晶体等结构；采用表面粗糙方法，使光在粗糙的半导体和空气界面发生漫射，增加其投射的机会等。由于发光二极管芯片的衬底对芯片的发光效率有很大的影响，为减少发光二极管芯片的界面反射及内部吸收，可制备具有凸形微结构的发光二极管芯片衬底，该微结构还可有效改善外延生长的缺陷。

中国专利公开号为CN101325237，公开日为2008年12月17日，名称为“一种发光二极管芯片及其制造方法”的申请案公开了一种发光二极管芯片及其制造方法，该方法包括：制备衬底，在该衬底的上表面上形成多个凹凸微结构；在该衬底的上表面上形成缓冲图案层，该缓冲图案层具有多个分别与衬底上的所述凹凸微结构相对应的凹凸微结构；在该缓冲图案层上形成n型半导体层；在该n型半导体层的一部分上形成发光层；在该发光层上形成p型半导体层；以及在该n型半导体的另一部分和p型半导体层上分别形成n电极和p电极。该发明可以提高发光二极管芯片的发光效率。

这种具有凹凸微结构的衬底简称图形化衬底，其制作方式通常是在蓝宝石衬底上做周期性的光刻胶图形，再用ICP刻蚀技术(增强耦合等离子体)将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，即得到蓝宝石图形衬底。ICP刻蚀系统主要由四部分组成：温度控制系统、气路部分、能量产生系统和真空系统。如图1所示ICP设备腔体结构示意图，刻蚀气体由腔室上方引入到等离子体腔室，其流量由质量流量计控制。有两套自动匹配网络控制的射频源，第一套ICP射频源控制等离子体的产生，调节等离子体密度；第二套偏压射频源控制等离子体轰击刻蚀表面的能量。刻蚀生成物从基板两边由高效率的涡轮真空泵抽走。基板温控系统可以对基片的温度进行控制，满足不同基片温度下刻蚀的需要。

蓝宝石图形衬底技术被LED市场验证是一种最具实用性的提升亮度的技术，目前此种技术已被大部分LED芯片厂家所采用。

如何将光刻胶图形高质量的转移到蓝宝石衬底上，一直是图形化蓝宝石衬底领域研究工作者的研究对象。蓝宝石衬底上的图形形貌直接影响着发光二极管的亮度。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供提供一种干法刻蚀方法来制作出高质量的蓝宝石图形衬底，最大效率的提取芯片出光。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，该方法包括以下步骤：

1)主刻蚀步骤：将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上初步形成所需的图形轮廓；

2)图形轮廓修饰刻蚀步骤：将主刻蚀阶段刻蚀出来的图形进一步的做表面轮廓修饰处理。

所述主刻蚀步骤具体指先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Cl₂混合气体作为刻蚀气体，采用较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率，较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，合适的刻蚀压力，合适的He冷温度；该步骤中，所述较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的50％～100％之间；所述较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的5％～50％之间；所述合适的刻蚀压力为0.1～2pa；所述合适的He冷温度为-20～50℃；

所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Ar混合气体作为刻蚀气体，采用合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率，采用较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，采用较低的刻蚀压力，合适的He冷温度为-20～50℃；该步骤中，所述合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30％～100％之间；所述较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的50％～100％；所述较低的刻蚀压力为0.1～0.5pa。

作为本发明的优选方案之一，所述主刻蚀步骤中较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为ICP刻蚀设备额定功率的5％～30％。

作为本发明的优选方案之一，所述主刻蚀步骤中合适的刻蚀压力为0.5～2pa。

作为本发明的优选方案之一，所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30％～50％。

由于光刻胶和蓝宝石衬底在硬度方面的巨大差异性，需要得到出光效果好的图形，首先图形高度方面就需要具备一定的高度，从而就需要ICP刻蚀工艺具有高的选择比。而由于ICP刻蚀设备本身的特性，将刻蚀工艺调试出高的选择比的时候，刻蚀出来的图形形貌就达不到圆润光滑和所需要的图形角度，为了解决这种矛盾的对立面，本发明提出一种解决方案：在将光刻胶图形转移到蓝宝石上的过程中，分为两个阶段来完成。第一阶段是初步将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，形成需要的图形尺寸和大致形貌，这步称为刻蚀程序结构中的主刻蚀；第二阶段是在已经形成的图形形貌的基础上对图形轮廓做进一步的表面修饰，使图形表面轮廓圆润光滑，以及修饰出所需要的图形角度，这步称为刻蚀程序结构中的图形轮廓修饰刻蚀。

通过这样的刻蚀方法，可以刻蚀出高质量的图形形貌，从而提高芯片的光提取效率。通过本发明的刻蚀工艺，可以制作出高质量的图形化蓝宝石衬底，提高LED芯片光提取效率。通过图形修饰后，亮度可以提高6.8％。

附图说明

图1为现有的ICP刻蚀设备简图。

图2为本发明光刻胶图形示意图。

图3为本发明主刻蚀完之后图形示意图。

图4为本发明图形轮廓修饰刻蚀之后图形示意图。

具体实施方式

蓝宝石图形化衬底的制作方法通常是先在蓝宝石衬底上做一层周期性排列的光刻胶图形，再用干法刻蚀技术将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，经过清洗后即得到蓝宝石衬底。然而蓝宝石与光刻胶在硬度方面的巨大差异性，给图形化衬底制作带来困难，尤其是涉及到干法刻蚀工艺。干法刻蚀的图形形貌和刻蚀质量直接影响着LED芯片的亮度。本发明将通过一种新的干法刻蚀工艺方法来刻蚀出高质量的图形形貌，以便使LED芯片出光效率达到最大化。

具体的，先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中；根据本发明的刻蚀方法设置刻蚀设备的刻蚀程序，本发明刻蚀工艺主要分主刻蚀和表面轮廓修饰刻蚀二个阶段来实现。

主刻蚀：通过调整刻蚀程序中的相关参数，使刻蚀工艺具有高的选择比，从而刻蚀出的图形形貌初步达到所需要的图形尺寸。在调试出高的刻蚀选择比的时候，尤其会涉及到偏压射频源功率的调整，偏压射频源功率控制等离子体轰击刻蚀表面的能量，较低的偏压射频源功率具备较高的刻蚀选择比，但是图形形貌不会圆润光滑和图形角度不容易控制，相反，较高的偏压射频源功率具备较低的刻蚀选择比，但是图形形貌会圆润光滑和图形角度容易控制。所以在主刻蚀阶段选择较低的偏压射频源功率，初步形成所需要的图形尺寸，如图3所示图形。在偏压射频源功率设置方面，会因不同的设备而具体参数会有所不同，所以在调试出高的选择比和刻蚀出初步的图形尺寸的时候，需要根据具体的设备而定。比如本发明采用的设备此步偏压射频源功率设置在50-300W之间。本步骤的意图为在高刻蚀选择比(0.6～2)的刻蚀环境下将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上初步形成所要求的图形尺寸。

所述主刻蚀步骤具体指先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Cl₂混合气体作为刻蚀气体，采用较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率，较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，合适的刻蚀压力，合适的He冷温度；该步骤中，所述较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的50％～100％之间；所述较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的5％～50％之间；所述合适的刻蚀压力为0.1～2pa；所述合适的He冷温度为-20～50℃。

所述主刻蚀步骤中较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率优选为ICP刻蚀设备额定功率的5％～30％。

所述主刻蚀步骤中合适的刻蚀压力优选为0.5～2pa。

图形轮廓修饰刻蚀：由于得到图3所示图形后，表面轮廓不是圆润光滑形貌以及图形的坡角还达不到所需要的角度，这种形貌对亮度提升有限，所以需要对图形表面轮廓做修饰，修饰出圆润光滑的形貌和所需要的图形的坡角。要达到这种目的，可以通过大一点的偏压射频源功率来完成。由于偏压射频源功率主要控制等离子体轰击刻蚀表面的能量，所以此步可以将偏压射频源功率设置的较大，使刻蚀气体等离子体具有较高的轰击刻蚀表面的能量，对图形表面进行抛光修饰的作用，从而形成表面圆润光滑和需要的图形坡角，修饰完之后图形如图4所示。在偏压射频源功率设置方面，会因不同的设备而具体参数会有所不同，所以在修饰形貌的时候，需要根据具体的设备而定。比如本发明采用的设备此步偏压射频源功率设置在400-1000W之间。

所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Ar混合气体作为刻蚀气体，采用合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率，采用较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，采用较低的刻蚀压力，合适的He冷温度为-20～50℃；该步骤中，所述合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30％～100％之间；所述较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的50％～100％之间；所述较低的刻蚀压力为0.1～0.5pa之间。

所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率优选为设备额定功率的30％～50％。

本步骤的意图为利用ICP刻蚀中的物理轰击刻蚀效应，使主刻蚀阶段刻蚀出来的图形在高能离子轰击下，图形表面轮廓得到进一步的修饰处理。

通过本发明的刻蚀工艺，可以制作出高质量的图形化蓝宝石衬底，提高LED芯片光提取效率。

如下表所示，通过图形修饰后，亮度可以提高6.8％。

	VF1	VZ1	IR	LOP(mw)	WLD
						图3图形制成的芯片亮度	3.2	38.6	0.03	16	457.9
图4图形制成的芯片亮度	3.16	38.6	0.03	17.1	457.8

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）主刻蚀步骤：将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上初步形成所需的图形轮廓；

2）图形轮廓修饰刻蚀步骤：将主刻蚀步骤后刻蚀出来的图形进一步的做表面轮廓修饰处理；

所述主刻蚀步骤具体指先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Cl₂混合气体作为刻蚀气体，采用较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率、较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，合适的刻蚀压力，合适的He冷温度；该步骤中，所述较高的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为ICP刻蚀设备额定功率的50%～100%；所述较低的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为ICP刻蚀设备额定功率的5%～30%；所述合适的刻蚀压力为0.1～2pa；所述合适的He冷温度为-20～50℃；

所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中，采用BCl₃气体作为刻蚀气体或BCl₃和Ar混合气体作为刻蚀气体，采用合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率，采用较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率，采用较低的刻蚀压力，合适的He冷温度为-20～50℃；该步骤中，所述合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30%～100%；所述较高的ICP刻蚀设备的偏压射频源功率为设备额定功率的50%～100%；所述较低的刻蚀压力为0.1～0.5pa。

2.如权利要求1所述的一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀步骤中合适的刻蚀压力为0.5～2pa。

3.如权利要求1所述的一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，其特征在于，所述图形轮廓修饰刻蚀步骤中合适的ICP刻蚀设备的RF射频源功率为设备额定功率的30%～50%。

4.如权利要求1所述的一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法，其特征在于，该方法在图形轮廓修饰刻蚀步骤完成后进行清洗步骤。