CN102867890B - 一种蓝宝石图形衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓝宝石图形衬底的制备方法，先制作光刻胶图形，进行氧气等离子体清洗后，再沉积薄膜，然后剥离得到掩膜图形，并通过湿法刻蚀得到蓝宝石图形衬底。本方法可以很好的控制图形的尺寸，保证掩膜图形的质量，有效提高GaN？LED的光提取效率，而且成本低，适用于批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种批量制造蓝宝石图形衬底的方法，属于光电子技术领域。
背景技术
GaN、InN、A1N等具有对称六方晶系结构的III-V族半导体材料，都是直接能隙，因此非常适合于作为发光器件的材料，其中根据成分的不同，可以得到禁带宽度从6.5eV到0.7eV的三元或四元化合物半导体，所对应的发光波长涵盖深紫外光到远红外光的波段范围。由于GaN系列半导体的这个特点，使得GaN系列半导体材料广泛应用于LED与LD等光电器件上。
早期由于GaN晶体与生长衬镀的晶格常数不匹配，使得GaN系列蓝绿光LED外延生长品质与GaAs系列红黄光LED相比相差甚远，直到日本日亚公司成功的将GaN蓝绿光LED结构生长于(0001)蓝宝石衬底上，使得人类拥有全彩LED的梦想得以实现。相对于Si、SiC等其它衬底，蓝宝石衬底有稳定性高、技术成熟、机械强度高、性价比高等优点，因此使用蓝宝石衬底仍然是现在LED产业的主流。
GaN基LED在应用于通用照明有着很好的发展前景，但是首先要解决问题的就是提高它的发光效率，这要求GaN基LED的内量子效率和提取效率都要提高。现在的外延技术已经改善提高了GaN基LED的内量子效率，但是GaN基LED的提取效率仍然很低，主要是由于GaN外延层与空气的折射率相差太大。GaN与空气的折射率分别为2.5和1，根据Snell定律，发光层产生的光能够传播出去的临界角约为23°，使得GaN基LED的提取效率非常低。
为提高GaN基LED的光提取效率，包括表面粗化、倒装结构、DBRs/ODRs结构、光子晶体、侧墙内切结构、垂直结构等许多的方法被提出来。而蓝宝石图形化衬底(PSS)工艺既能提高外延生长质量，又能提高光提取效率，可以有效的提高GaN基LED的发光效率，受到了越来越多的关注。
中国专利文献CN1700449A公开了一种湿法腐蚀蓝宝石衬底的方法，包括：采用常规技术在C面蓝宝石上蒸镀二氧化硅掩膜层，利用光刻技术沿[1100]，[1120]方向光刻条形二氧化硅掩膜图形；用硫酸或硫酸与磷酸的混合液作为腐蚀液湿法腐蚀该衬底，最后再用稀氢氟酸溶液腐蚀二氧化硅掩膜层，即可得到蓝宝石图形衬底。该专利文献需在二氧化硅上光刻图形，然后使用湿法刻蚀方法得到二氧化硅的掩膜图形，由于立体感尺寸很小，湿法腐蚀的方法很难控制图形的尺寸，而干法刻蚀的成本很高，不利于批量化生产。CN102034693A(CN200910235335.0)公开了一种在蓝宝石图形衬底上制备无应力GaN厚膜的方法，包括以下步骤：步骤1：在C面蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅膜；步骤2：利用常规光刻技术在淀积二氧化硅或氮化硅膜的C面蓝宝石衬底上光刻出沿着[11-20]方向的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形；步骤3：通过湿法刻蚀，将光刻的条形二氧化硅或氮化硅掩模图形转移到衬底上；步骤4：腐蚀去掉二氧化硅或氮化硅膜，清洗衬底，得到清洁的蓝宝石图形衬底；步骤5：直接采用氢化物气相外延系统在所得到的蓝宝石图形衬底上外延生长GaN厚膜，完成制备。CN101471404A(CN200710186129.6)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。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。该方法使用金属作为掩膜，然后使用干法刻蚀蓝宝石衬底，干法刻蚀蓝宝石衬底主要为物理轰击作用，对蓝宝石衬底的损伤较大，会影响之后外延层的生长质量，而且干法刻蚀成本高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，解决湿法腐蚀二氧化硅过程中图形难控制的问题，本发明提供一种蓝宝石图形衬底的制备方法。
术语说明：
PECVD，等离子增强的化学气相沉积技术的常用简称。
一种蓝宝石图形衬底的制备方法，包括以下步骤：
(1)利用常规的光刻工艺在蓝宝石衬底上制得光刻胶掩膜图形，进行氧气等离子体清洗，以保证衬底上无残留光胶胶底膜。如图1所示。
(2)在步骤(1)制得的有光刻胶掩膜图形的衬底上蒸镀或沉积一层薄膜层，薄膜层材料选自金属或介质膜。如图2。
(3)将步骤(2)制得的有薄膜层的衬底放入剥离液中，剥离掉光刻胶上的薄膜层，保留图形上的薄膜层。如图3。
(4)将步骤(3)制得的衬底采用湿法刻蚀，得到有薄膜层的蓝宝石图形衬底。如图4。
(5)腐蚀去掉步骤(4)产品图形上的薄膜层，冲洗、甩干，得蓝宝石图形衬底。如图5。
上述步骤(1)中的常规的光刻工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、去胶等标准工艺；本发明增加了在常规光刻工艺后进行氧气等离子体清洗，保证了非剥离区域无光刻胶底膜。
根据本发明优选的，步骤(1)中所述的图形是六方排列的圆，直径为1-5μm、间距1-5μm；进一步优选的，所述圆的直径与间距相等。
根据本发明，步骤(2)中所述金属材料优选Cr或Ni，介质膜材料优选SiO2或SiN。步骤(2)中所述的薄膜层采用常规的电子束蒸镀、溅射或者等离子增强化学气相沉积(PECVD)技术生长。
进一步优选，步骤(2)中所述的薄膜层是，i、采用等离子增强化学气相沉积的SiO2或SiN薄膜，薄膜厚度500～
或者，ii、采用电子束蒸镀的方法蒸镀的Cr或Ni薄膜，薄膜厚度100～
根据本发明，步骤(4)中所述的湿法腐蚀采用硫酸与磷酸的混合溶液，在250-300℃进行腐蚀。优选的，步骤(4)中所述的湿法腐蚀是配制体积比3～10∶1的硫酸与磷酸的混合溶液，加热到250-300℃，腐蚀25-30min。所述硫酸是浓硫酸，浓度为95-98wt％，磷酸是浓磷酸，浓度85wt％以上。
根据本发明，步骤(5)中所述的腐蚀去掉薄膜是使用腐蚀液去掉薄膜，优选的，介质膜腐蚀液选自5-20wt％稀氢氟酸溶液，金属薄膜腐蚀液使用10-25wt％的稀盐酸溶液。
根据本发明，所制备的蓝宝石图形衬底上的图形由六方排列的圆台状凸起组成，圆台状凸起下底直径1-5μm、间距1-5μm，凸起高度5000-
(埃)。优选的圆台状凸起下底直径与间距相等。
步骤(3)中所述的剥离液参照现有技术，是能溶解光刻胶的市购溶剂。优选使用丙酮和乙醇。
本发明的特点及优良效果：
1、本发明使用剥离方法得到掩膜(SiO2、SiN等介质膜或者Cr、Ni等金属薄膜)，得到的掩膜图形尺寸与光刻显影后的图形尺寸基本一致，可以解决湿法腐蚀薄膜过程中图形难控制的问题，保证了实际生产中蓝宝石图形衬底的均匀性。
2、由于蓝宝石图形衬底的均匀性较好，使用本方法制备的蓝宝石图形衬底进行GaN外延生长能有效消除应力，使最终所制得的GaN LED的发光效率提高10％-15％。
3、本发明通过先制作光刻胶图形，在常规光刻工艺后、沉积薄膜之前进行氧气等离子体清洗，保证了非剥离区域无光刻胶底膜，剥离后可以得到高质量的掩膜图形。
4、本发明通过先制作光刻胶图形，再沉积薄膜，然后通过剥离的方法得到掩膜图形，最后使用湿法腐蚀获得蓝宝石图形衬底，整体工艺步骤合理组合不仅可以很好的控制图形的尺寸，而且工艺简单易行、成本低，适用于批量化生产。
附图说明
图1是本发明步骤(1)制得的衬底剖视示意图。
图2是本发明步骤(2)制得的衬底剖视示意图。
图3是本发明步骤(3)制得的衬底剖视示意图。
图4是本发明步骤(4)制得的衬底剖视示意图。
图5是本发明方法最终制得的蓝宝石图形衬底剖视示意图。
图6是本发明方法最终制得的蓝宝石图形衬底俯视示意图。
其中，1、蓝宝石衬底，2、光刻胶(掩膜图形)，3、SiO2薄膜，4、蓝宝石图形衬底。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例中所述硫酸浓度为96wt％，磷酸浓度86wt％，稀氢氟酸溶液浓度15wt％。
实施例1、一种蓝宝石图形衬底的制备方法，步骤如下：
(1)在蓝宝石衬底上涂上1μm厚的光刻胶。使用热板在98℃下烘烤1-2min，然后在紫外线下曝光5-20sec，再烘干后使用四甲基氢氧化铵显影10-30sec，98℃下烘烤1-2min，使用氧气等离子体清洗机清洗2-5min，得到六方排列掩膜图形，圆的直径3μm、间距3μm。
(2)使用PECVD的方法在步骤(1)制得的光刻胶掩膜图形衬底上沉积
的SiO2薄膜。
(3)将沉积好SiO2薄膜的衬底放入丙酮中超声5-10min，然后在乙醇中超声10min，取出后使用去离子水冲洗10min，剥离掉光刻胶及其上的SiO2，得到SiO2掩膜图形。
(4)配制体积比5∶1的硫酸与磷酸的混合溶液作为刻蚀液，将步骤(3)制得的衬底放入刻蚀液中，加热到260℃，刻蚀30min。
(5)使用稀氢氟酸溶液溶液超声10min去除残留的SiO2，使用去离子水冲洗7min、甩干，得到蓝宝石图形衬底，所述图形为六方排列的下底直径3μm、间距3μm、高
的圆台状图形。
使用本实施例制备的蓝宝石图形衬底按常规工艺进行GaN外延生长，所制得的GaNLED的发光效率提高约12％。
实施例2、如实施例1所述，所不同的是：
(1)在蓝宝石衬底上涂上2μm厚的光刻胶。制得六方排列的直径4μm、间距4μm掩膜图形。
(2)使用PECVD的方法沉积
的SiN薄膜。
(3)同实施例1，剥离掉光刻胶及其上的SiN薄膜，得到SiN掩膜图形。
(4)将步骤(3)制得的衬底放入体积比4∶1的硫酸与磷酸的混合溶液中，加热到250℃，刻蚀20min。
(5)同实施例1，制得图形为六方排列的下底直径4μm、间距4μm、高
的圆台状蓝宝石图形衬底。
实施例3、
(1)同实施例1；
(2)使用电子束蒸镀的方法蒸镀
的Cr薄膜。
(3)将蒸镀好Cr薄膜的衬底放入剥离液中按实施例1的方法去掉光刻胶及其上的Cr薄膜，得到Cr掩膜图形。
(4)将步骤(3)制得的衬底放入体积比体积比6∶1的硫酸与磷酸的混合溶液，加热到260℃，刻蚀30min。
(5)使用25wt％的稀盐酸溶液超声10min去除残留的Cr，使用去离子水冲洗10min、甩干，得到下底直径3μm、间距3μm、高
的的圆台状蓝宝石图形衬底。
实施例4、
(1)同实施例2；
(2)使用电子束蒸镀的方法蒸镀
的Ni薄膜。
(3)将蒸镀好Ni薄膜的衬底放入剥离液中按实施例1的方法去掉光刻胶及其上的Ni薄膜，得到Ni掩膜图形。
(4)将步骤(3)制得的衬底放入体积比体积比5∶1的硫酸与磷酸的混合溶液，加热到270℃，刻蚀20min。
(5)使用20wt％的稀盐酸溶液超声10min去除残留的Ni，使用去离子水冲洗8min、甩干，得到下底直径4μm、间距4μm、高
的的圆台状蓝宝石图形衬底。
Claims (2)
1.一种圆台状蓝宝石图形衬底的制备方法，包括以下步骤：
（1）利用常规的光刻工艺在蓝宝石衬底上制得光刻胶掩膜图形，进行氧气等离子体清洗；所述的图形是六方排列的圆，直径为1-5μm、间距1-5μm；且所述的图形圆的直径与间距相等；所述常规的光刻工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、去胶；
（2）在步骤（1）制得的有光刻胶掩膜图形的衬底上沉积一层薄膜层，薄膜层材料选自介质膜；
所述的薄膜层是采用等离子增强的化学气相沉积SiO2或SiN薄膜，薄膜厚度500～2000Å；
（3）将步骤（2）制得的有薄膜层的衬底放入剥离液中，剥离掉光刻胶上的薄膜层，保留图形上的薄膜层；
所述的剥离液是丙酮和乙醇；
（4）将步骤（3）制得的衬底采用湿法刻蚀，得到有薄膜层的蓝宝石图形衬底；
所述的湿法腐蚀是配制体积比3～10：1的硫酸与磷酸的混合溶液，加热到250－300℃，腐蚀25－30min；
（5）腐蚀去掉步骤（4）产品图形上的薄膜层，冲洗、甩干，得蓝宝石图形衬底；
所述蓝宝石图形衬底上的图形由六方排列的圆台状凸起组成，圆台状凸起下底直径1-5μm、间距1-5μm，凸起高度5000-20000Å。
2.如权利要求1所述的圆台状蓝宝石图形衬底的制备方法，其特征在于步骤（4）中所述硫酸是浓硫酸，浓度为95-98wt%；所述磷酸是浓磷酸，浓度85wt%以上。
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