CN102945900A

CN102945900A - 一种纳米级图形化衬底的制造方法

Info

Publication number: CN102945900A
Application number: CN2012105331707A
Authority: CN
Inventors: 毕少强
Original assignee: Enraytek Optoelectronics Co Ltd
Current assignee: Gallium semiconductor technology (Shanghai) Co., Ltd.
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-12-11
Also published as: CN102945900B

Abstract

本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，该方法先利用多孔阳极氧化铝在掩膜层上形成排布均匀的金属纳米颗粒，使用激光对金属纳米颗粒进行升温，使金属纳米颗粒的温度达到掩膜层的熔点，从而熔化与金属纳米颗粒接触的掩膜层，达到图形化掩膜层的目的，进而利用掩膜层图形化衬底。具有工艺简单，工艺成本低的优点。

Description

一种纳米级图形化衬底的制造方法

技术领域

本发明涉及LED制造技术领域，尤其涉及一种纳米级图形化衬底的制造方法。

背景技术

在LED制造技术工艺中，由于蓝宝石衬底材料与外延材料从晶格常数、热涨系数到折射率都相差很大。这些物理性质差异直接导致衬底上生长的外延材料质量不高，致使LED内量子效率（IQE）受到限制，进而影响外量子效率（EQE）以及光效的提高。

为了提高LED效率，业界引入了图形化的低温缓冲层，所述图形化的低温缓冲层可以提高内量子效率，具体地说，先在衬底上外延生长低温缓冲层，然后对所述低温缓冲层进行图形化，之后再生长其它外延层。如此，即需要外延生长-图形化-再次外延生长三个步骤，使得工艺复杂、费时。

因此，图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）技术被引入，其与之前的方法不同点在于，PSS技术将原来低温缓冲层上的图形做到了衬底上，也就是说图形化衬底而非图形化低温缓冲层，这样就克服了上述缺点。PSS技术能提高LED效率的原理在于能够有效的减少差排密度，减少外延生长缺陷，提升外延片品质，减少非辐射复合中心，提高了内量子效应；另外，光子在蓝宝石界面的PSS结构处发生散射，使本来应在出射面发生全反射的光得以射出，使光子逸出LED有源区的几率增加，从而使出光效率得以提高。实际生产中发现，PSS的图形的尺寸密度对LED的内量子效应和出光效率有不同的增益，因此，PSS图形的可控性也十分重要。

PSS主要制作流程包括：掩膜层制作、掩膜层图形化、掩膜图形向衬底的转移和掩膜层去除四个步骤。在微米级上常规的光刻技术就能满足掩膜层图形化工艺需求，但是，随着PSS技术的图案由微米级向着纳米级进发，常规的图形化衬底的工艺方法的成本和难度已无法适用于大规模生产。

目前纳米级PSS(NPSS:nano-PSS)技术掩膜层图形化的方法主要为纳米压印。纳米压印的基本思想是通过在模具上形成纳米级的图案，将模具压印在形成于衬底上的媒介上，媒介通常是一层很薄的聚合物膜，通过模具对媒介的热压或者透过模具的辐照等方法使媒介结构硬化，从而保留下图形。纳米压印对模具的分辨率、平坦化、均匀性、表面等有很高的要求，并且，压印过程中，模具与压印材料之间的对准、平行度、压力均匀性、温度均匀性、脱模技术等都存在着较多的问题。

发明内容

本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，该方法具有工艺简单、工艺成本低的优点。

本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，包括：

提供衬底，在所述衬底上形成掩膜层；

在所述掩膜层上贴装多孔阳极氧化铝薄膜；

在所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中形成金属纳米颗粒，所述掩膜层的比热容大于所述金属纳米颗粒的比热容，所述金属纳米颗粒的熔点大于所述掩膜层的熔点；

去除所述多孔阳极氧化铝薄膜；

利用激光照射所述金属纳米颗粒，使所述金属纳米颗粒的温度达到所述掩膜层的熔点，以形成图形化的掩膜层；

去除所述金属纳米颗粒；

以所述图形化的掩膜层作为掩膜刻蚀所述衬底；

去除所述图形化的掩膜层，形成纳米级图形化衬底。

可选的，用蒸镀或沉积的方法在所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中形成所述金属纳米颗粒。

可选的，所述掩膜层的比热容至少是所述金属纳米颗粒的比热容的四倍。

可选的，所述金属纳米颗粒的熔点比所述掩膜层的熔点至少高500℃。

可选的，所述金属纳米颗粒的材质为Ag或Au。

可选的，所述掩膜层的材质为聚合物。

可选的，所述掩膜层的熔点小于1000℃。

可选的，所述掩膜层的厚度为10nm~500nm。

可选的，所述多孔阳极氧化铝薄膜的厚度大于所述掩膜层的厚度。

可选的，利用刻蚀的方法去除所述金属纳米颗粒。

可选的，所述激光的波长与所述金属纳米颗粒的等离子共振的波长一致。

可选的，利用化学机械研磨或刻蚀的方法去除所述掩膜层。

本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，所述纳米级图形化衬底的制造方法利用多孔阳极氧化铝形成排布均匀的金属纳米颗粒，通过激光对金属纳米颗粒进行升温，使金属纳米颗粒的温度达到掩膜层的熔点，从而熔化与金属纳米颗粒接触的掩膜层，达到图形化掩膜层的目的，进而利用掩膜层图形化衬底。该方法无须用到高精度的光刻机台，也不用模具进行压印，具有工艺简单、工艺成本低的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的纳米级图形化衬底的制造方法的流程图；

图2A~2I为本发明实施例的纳米级图形化衬底的制造方法的各步骤的剖面示意图。

具体实施方式

在背景技术中已经提及，现有的NPSS方法具有各自的缺陷，对工艺成本具有较高的要求。本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，所述纳米级图形化衬底的制造方法利用多孔阳极氧化铝形成排布均匀的金属纳米颗粒，用激光对金属纳米颗粒进行升温，使金属纳米颗粒的温度达到掩膜层的熔点，从而熔化与金属纳米颗粒接触的掩膜层，达到图形化掩膜层的目的，进而利用掩膜层图形化衬底。该方法无须用到高精度的光刻机台，也不用模具进行压印，具有工艺简单，工艺成本低的优点。

下面将结合附图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应所述理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明实施例的纳米级图形化衬底的制造方法的流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤S021，提供衬底，在所述衬底上形成掩膜层；

步骤S022，在所述掩膜层上贴装多孔阳极氧化铝薄膜；

步骤S023，在所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中形成金属纳米颗粒，所述掩膜层的比热容大于所述金属纳米颗粒的比热容，所述金属纳米颗粒的熔点大于所述掩膜层的熔点；

步骤S024，去除所述多孔阳极氧化铝薄膜；

步骤S025，利用激光照射所述金属纳米颗粒，使所述金属纳米颗粒的温度达到所述掩膜层的熔点，以形成图形化的掩膜层；

步骤S026，去除所述金属纳米颗粒；

步骤S027，以所述图形化的掩膜层作为掩膜刻蚀所述衬底；

步骤S028，去除所述图形化的掩膜层，形成纳米级图形化衬底。

该方法的核心思想在于，利用多孔阳极氧化铝形成排布均匀的金属纳米颗粒，通过激光对金属纳米颗粒进行升温，使金属纳米颗粒的温度达到掩膜层的熔点，从而熔化与金属纳米颗粒接触的掩膜层，达到图形化掩膜层的目的，进而利用掩膜层图形化衬底。

参照图2A，执行步骤S021，提供衬底101，在衬底101上形成掩膜层102。本实施例中，所述衬底101为蓝宝石衬底，掩膜层102为比热容大且熔点低于1000℃的聚合物，掩膜层102的厚度为10nm~500nm，可用化学气相沉积或物理气相沉积的方法形成。具体的，掩膜层102的比热容需大于后续生成的金属纳米颗粒的比热容。更优选的，掩膜层102的比热容至少是金属纳米颗粒的比热容的四倍。这样，在激光照射的过程中掩膜层102的温度上升速度远小于金属纳米颗粒。

参考图2B，执行步骤S022，在所述掩膜层上贴装多孔阳极氧化铝薄膜。所述多孔阳极氧化铝薄膜的厚度大于所述掩膜层的厚度，这样，后续步骤中在多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞105’中形成的金属纳米颗粒103的厚度也大于所述掩膜层104的厚度。

参考图2C，执行步骤S023，在所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中形成金属纳米颗粒。可以选用蒸镀或沉积的方法对所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞进行金属填充，所述金属的熔点大于所述掩膜层102的熔点，避免在工艺过程中金属纳米颗粒103熔化变形，优选的，金属纳米颗粒103的熔点比所述掩膜层102的熔点至少高500℃。所述金属为Au或Ag，也选用其他满足熔点和比热要求的金属。由于多孔阳极氧化铝本身孔洞为高度有序的阵列结构，因此，在孔洞中形成的金属纳米颗粒也为有序排列的阵列。多孔阳极氧化铝薄膜的形貌和大小随电解条件不同可以在较大的范围内进行调控。本领域技术人员可根据具体的工艺需求选择不同种类的多孔阳极氧化铝薄膜，来控制金属纳米颗粒的大小和排布。

参考图2D，执行步骤S024，去除所述多孔阳极氧化铝薄膜。本实施例中优选采用湿法刻蚀工艺来去除多孔阳极氧化铝薄膜，例如，可选用对多孔阳极氧化铝薄膜刻蚀速率较高，而几乎不刻蚀掩膜层102的刻蚀液。这样就得到了周期性排布的和大小可控的金属纳米颗粒。

参考图2E至2F，执行步骤S025，利用激光104照射所述金属纳米颗粒103，形成图形化的掩膜层102’。所述激光波长根据金属纳米颗粒103的大小和材质选择，优选为与金属纳米颗粒的等离子共振的波长一致的激光光源，这样金属纳米颗粒103能得到最优的加热效果。

在该步骤过程中，由于掩膜层102的比热容至少是金属纳米颗粒103的比热容的四倍，金属纳米颗粒103的温度的上升速度要远远大于掩膜层102的温度上升速度。这样，金属纳米颗粒103的温度能迅速达到掩膜层102的熔点，与金属纳米颗粒103接触的掩膜层102达到其熔点而熔化，金属纳米颗粒102沉入掩膜层103，直至接触到熔点更高的蓝宝石衬底101，形成图形化的掩膜层102’。

参考图2G，执行步骤S026，去除所述金属纳米颗粒103。在图形化的掩膜层102’冷却固化后，对所述金属纳米颗粒103进行去除，这样就在图形化的掩膜层102’上形成了暴露出蓝宝石衬底的孔洞103’。本实施例中优选采用湿法刻蚀工艺来去除金属纳米颗粒，例如，本领域技术人员可选用公知的对所述金属纳米颗粒103刻蚀速率较高，而几乎不刻蚀掩膜层102的刻蚀液，以顺利去除所述金属纳米颗粒103。

参考图2H，执行步骤S027，以图形化的掩膜层102’作为掩膜刻蚀所述衬底101。可用湿法刻蚀或干法刻蚀来刻蚀所述蓝宝石衬底101。当然，如选用对金属纳米颗粒103和蓝宝石衬底101的都能进行刻蚀的刻蚀液，对刻蚀工艺的温度和工艺时间进行控制，即可实现在一步中完成步骤S026和步骤S027。

参考图2I，执行步骤S028，去除所述图形化的掩膜层102’，形成纳米级图形化衬底101’。可以通过化学机械研磨或刻蚀的方法来去除所述图形化的掩膜层102’。完成图形化的蓝宝石衬底即可进入后续的外延生产工艺。

综上所述，本发明提供一种纳米级图形化衬底的制造方法，所述纳米级图形化衬底的制造方法利用多孔阳极氧化铝形成排布均匀的金属纳米颗粒，通过激光对金属纳米颗粒进行升温，使金属纳米颗粒的温度达到掩膜层的熔点，从而熔化与金属纳米颗粒接触的掩膜层，达到图形化掩膜层的目的，进而利用掩膜层图形化衬底。该方法无须用到高精度的光刻机台，也不用模具进行压印，具有工艺简单，工艺成本低的优点。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种纳米级图形化衬底的制造方法，包括：

提供衬底，在所述衬底上形成掩膜层；

在所述掩膜层上贴装多孔阳极氧化铝薄膜；

去除所述多孔阳极氧化铝薄膜；

去除所述金属纳米颗粒；

以所述图形化的掩膜层作为掩膜刻蚀所述衬底；

去除所述图形化的掩膜层，形成纳米级图形化衬底。

2.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：用蒸镀或沉积的方法在所述多孔阳极氧化铝薄膜的孔洞中形成所述金属纳米颗粒。

3.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的比热容至少是所述金属纳米颗粒的比热容的四倍。

4.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述金属纳米颗粒的熔点比所述掩膜层的熔点至少高500℃。

5.如权利要求4所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述金属纳米颗粒的材质为Ag或Au。

6.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的材质为聚合物。

7.如权利要求6所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的熔点小于1000℃。

8.如权利要求7所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述掩膜层的厚度为10nm~500nm。

9.如权利要求8所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述多孔阳极氧化铝薄膜的厚度大于所述掩膜层的厚度。

10.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：利用刻蚀的方法去除所述金属纳米颗粒。

11.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：所述激光的波长与所述金属纳米颗粒的等离子共振的波长一致。

12.如权利要求1所述的纳米级图形化衬底的制造方法，其特征在于：利用化学机械研磨或刻蚀的方法去除所述掩膜层。