CN103117337B - 一种图形化衬底制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种图形化衬底制备方法，包括如下步骤：在衬底表面形成光学膜；在光学膜上制备出图形化的掩模层；通过掩模层刻蚀光学膜；光学膜包括交替排布的光密介质层和光疏介质层，单层厚度为后续制作在衬底表面发光器件所发射的光在该介质内传输时波长的四分之一。本发明实现了传统图形化衬底和光学反射镜优势的有机结合，提高器件的内外量子效率。

Description

一种图形化衬底制备方法
技术领域
本发明涉及衬底制造技术领域，尤其涉及一种图形化衬底制备方法。
背景技术
发光二极管（LED）是一种将电能转化为光能的发光器件，广泛用于指示，显示，装饰，照明等诸多领域，成为我们生活中必不可少的一部分。目前用于商业化的LED所需氮化镓材料主要是在蓝宝石及SiC衬底上进行外延生长，由于材料的失配，在生长的氮化镓中，位错密度高达1.0×1010-1.0×1011/cm2。这严重影响了器件的发光效率及使用寿命。同时氮化镓和空气较大的折射率差，使得氮化镓与空气之间存在一个23度的全反射角，直接影响了光子的逸出。
目前用以改善以上不足的最主要的做法就是采用在图形化衬底上生长氮化镓外延，一方面通过横向生长减少位错密度，提高晶体质量，另一方面通过改变光在氮化镓与蓝宝石界面的反射提高光子逸出几率。常见并且实现量产的有以光刻胶或SiO2或金属作为掩模，在蓝宝石上通过等离子干法刻蚀或者浓磷酸和硫酸的混合液在高温下腐蚀，以实现在蓝宝石衬底上加工出平台、锥型等图形。如，CN1490844A中采用以SiO2作为掩模，完成SiO2图形刻蚀后，再进行外延生长；CN101471404A中所采用的方法为以金属作为掩模，进行干法刻蚀，得到图形化衬底，再进行外延生长；CN101471401A中采用的则是以SiO2作为掩模，经高温坍塌成半球型后，再进行外延生长；而CN1588640A采用的则是湿法化学腐蚀得到蓝宝石衬底，然后再进行外延生长；US2008070413中采用的也是以磷酸和硫酸在高温下腐蚀蓝宝石衬底，得到图形化衬底。
通过生产实践证明,采用以上方式都能够破坏氮化镓与蓝宝石界面的全反射，增加光线的出射几率，同时形成横向外延生长，降低位错密度。但在增加光线出射上，以上方法只是改变了一部分光的传输方向，氮化镓与蓝宝石界面对光的反射能力并没有增加，反而是有所降低。因此在很多对亮度要求比较高的LED芯片制作时，除了需要采用图形化衬底来生长外延层外，很多厂家还需要在芯片加工完成后在芯片背面制作金属反射镜或者布拉格反射镜。
发明内容
本发明目的在于通过对衬底图形层进行特殊设计，提供一种图形化蓝宝石衬底制备方法，能够将传统图形化衬底和光学反射镜优势的有机结合。
为了实现上述目的，本发明提供了一种图形化衬底制备方法，包括如下步骤：在衬底表面形成光学膜；在光学膜上制备出图形化的掩模层；通过掩模层刻蚀光学膜；光学膜包括交替排布的光密介质层和光疏介质层，单层厚度为后续制作在衬底表面发光器件所发射的光在该介质内传输时波长的四分之一。
可选的，光密介质层和光疏介质层交替排布的对数在3至30对之间。
可选的，在形成光学膜之前，包括在衬底表面形成介质膜的步骤，并进一步在介质膜表面形成光学膜，且所述刻蚀步骤进一步刻蚀介质膜。
可选的，介质膜的厚度小于3μm。
可选的，所述刻蚀步骤进一步刻蚀暴露出来的衬底。
可选的，光疏介质层的材料选自于氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和氧化镁中的一种或多种的组合，光密介质层的材料选自于氧化钛和氧化锆中的一种或多种的组合。
可选的，刻蚀步骤中，在光学膜中形成周期排布的实体的或者镂空的图形，所述实体或者镂空图形的形状选自于圆形、矩形、三角形或六边形中的任意一种，图案间隔周期为1至10μm。
可选的，所述衬底的材料是蓝宝石，所述掩模层的材料是光刻胶。
可选的，介质膜材料选自于氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化钛中的一种或者多种的组合。
本发明还提供了一种上述方法制作的图形化衬底，包括在衬底以及衬底表面的光学膜，所述光学膜是图形化的；光学膜包括交替排布的光密介质层和光疏介质层，单层厚度为后续制作在衬底表面发光器件所发射的光在该介质内传输时波长的四分之一。
与已有技术相比，本发明通过在衬底上制备光学膜，并刻蚀出周期图形，既达到了传统的图形化衬底的效果，又能起到良好的反射效果，进而提高了氮化镓LED芯片的光提取效率。
附图说明
图1是本发明实施例1的最终的衬底结构截面参考图；
图2是本发明实施例1的最终的衬底结构俯视参考图；
图3是本发明实施例2的最终的衬底结构截面参考图；
图4是本发明实施例2的最终的衬底结构俯视参考图；
图5是本发明实施例3的最终的衬底结构截面参考图；
图6是本发明实施例3的最终的衬底结构俯视参考图；
图7是本发明实施例4的最终的衬底结构截面参考图；
图8是本发明实施例4的最终的衬底结构俯视参考图；
其中：1—衬底，2—光学膜，3—介质膜。
具体实施方式：
以下结合附图对本发明进行进一步说明。
实施例1
一种图形化蓝宝石衬底制备方法包括以下步骤，最终的衬底结构参考图1和图2：
1、利用电子束蒸发法在衬底1积淀一层SiO2介质膜3，厚度是2μm，所述衬底1的材料是蓝宝石。
2、通过电子束蒸发的方法在介质膜3的表面淀积光学膜2，其组成为氧化硅-氧化钛交替层叠结构，对数为3对。
3、通过光刻在光学膜2的表面完成光刻胶掩模制作，光刻胶掩模图形为边长5um的三角形阵列，阵列图形周期为8μm。
4、将衬底放入BOE腐蚀液中20min，将衬底1未被光刻胶保护的光学膜2和介质膜3刻蚀掉，从而在光学膜2和介质膜3中形成三角形的实体图形。
5、待腐蚀完成后，去除衬底1上光刻胶，并清洗干净。
实施例2
一种图形化蓝宝石衬底制备方法包括以下过程，最终的衬底结构参考图3和图4：
1、通过电子束蒸发的方法在衬底1表面淀积光学膜2，其组成为氮氧化硅-氧化锆交替层叠结构，对数为30对。
2、通过光刻在光学膜2的表面完成光刻胶掩模制作，光刻胶掩模图形为直径为2μm的圆形孔洞阵列，阵列图形周期为3μm。
3、在ICP等离子干法蚀刻机中，利用Cl2和BCl3作为刻蚀气体将衬底1表面未被光刻胶保护的光学膜2刻蚀掉，从而在光学膜2中形成圆形的镂空图形。
4、待刻蚀完成后，去除衬底1上光刻胶，并清洗干净。
实施例3
一种图形化蓝宝石衬底制备方法包括以下过程，最终的衬底结构参考图5和图6：
1、通过电子束蒸发的方法在衬底1上淀积光学膜2，其组成为其组成为氧化镁-氧化锆的交替层叠结构，对数为10对。
2、通过光刻在光学膜2的表面完成光刻胶掩模制作，光刻胶掩模图形为边长为0.5μm的矩形阵列，阵列图形周期为1μm。
3、在ICP等离子干法蚀刻机中，利用Cl2和BCl3作为刻蚀气体将衬底1表面未被光刻胶保护的光学膜2刻蚀掉，从而在光学膜2中形成矩形的实体图形，待光学膜2刻蚀完成后，继续进行衬底1的刻蚀，对衬底1的厚度为1.2μm。
4、刻蚀完成后，去除衬底1上光刻胶，并清洗干净。
实施例4
一种图形化蓝宝石衬底制备方法包括以下步骤，最终的衬底结构参考图7和图8：
1、利用等离子化学气相沉积法在衬底1表面积淀一层氮氧化硅介质膜3，厚度是1μm。
2、通过电子束蒸发的方法在介质膜3表面淀积光学膜2，其组成为氮氧化硅-氧化钛的交替层叠结构，对数为5对。
3、通过光刻在光学膜2的表面完成光刻胶掩模制作。图形为边长3μm的六边形阵列，阵列图形的周期为10μm。
4、在ICP等离子干法蚀刻机中，利用Cl2和BCl3作为刻蚀气体将衬底1表面未被光刻胶保护的光学膜2和介质膜3刻蚀掉，，从而在光学膜2和介质膜3中形成六边形的实体图形，待刻蚀完成后，继续进行衬底1的刻蚀，衬底1的刻蚀厚度1μm。
5、待腐蚀完成后，去除衬底1上光刻胶，并清洗干净。
以上各个实施例中所列的具体物质、尺寸以及数目并不代表对本发明的具体限制，本领域技术人员可以根据需要对其进行灵活调整。

Claims (9)

1.一种图形化衬底制备方法，包括如下步骤：
在衬底表面形成光学膜；
在光学膜上制备出图形化的掩模层；
通过掩模层刻蚀光学膜；
其特征在于，光学膜包括交替排布的光密介质层和光疏介质层，单层厚度为后续制作在衬底表面发光器件所发射的光在该介质内传输时波长的四分之一，光疏介质层的材料选自于氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和氧化镁中的多种的组合；在形成光学膜之前，包括在衬底表面形成介质膜的步骤，并进一步在介质膜表面形成光学膜，且所述刻蚀步骤进一步刻蚀介质膜。
2.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，光密介质层和光疏介质层交替排布的对数在3至30对之间。
3.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，介质膜的厚度小于3μm。
4.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，所述刻蚀步骤进一步刻蚀暴露出来的衬底。
5.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，光密介质层的材料选自于氧化钛和氧化锆中的一种或多种的组合。
6.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，刻蚀步骤中，在光学膜中形成周期排布的实体的或者镂空的图形，所述实体或者镂空图形的形状选自于圆形、矩形、三角形或六边形中的任意一种，图案间隔周期为1至10μm。
7.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，所述衬底的材料是蓝宝石，所述掩模层的材料是光刻胶。
8.如权利要求1所述的图形化衬底制备方法，其特征在于，介质膜材料选自于氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝和氧化钛中的一种或者多种的组合。
9.一种权利要求1所述方法制作的图形化衬底，包括衬底以及衬底表面的光学膜，其特征在于，所述光学膜是图形化的；光学膜包括交替排布的光密介质层和光疏介质层，单层厚度为后续制作在衬底表面发光器件所发射的光在该介质内传输时波长的四分之一，光疏介质层的材料选自于氧化硅、氮氧化硅、氮化硅和氧化镁中的多种的组合。
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