CN103378227A - 形成图案化蓝宝石基板的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成图案化蓝宝石基板的方法，包含在蓝宝石基板上形成图案化的氧化铝层，之后对蓝宝石基板进行回火，其蓝宝石基板上的图案可以做的够深、够小。
Description
技术领域
本发明是有关一种图案化的方法，特别是有关一种提供图案化蓝宝石基板的方法。
背景技术
氮化镓发光二极管在未来的照明上扮演重要的角色，这是因为氮化镓发光二极管是目前最成熟的，商业化的发光二极管。氮化镓发光二极管可以提供绿光，蓝光，甚至是紫外光的光源，并且搭配适当的荧光粉，可以提供不同色温的白光或是其他颜色的混光。而这样的发光二极管，在照明的应用上有着相当低的消耗功率，这在未来的绿色科技或是节能照明上几乎是唯一的选项。
任何的发光二极管都必须在一基板上进行外延。目前，因为无法提供商业化的氮化镓基板，主流的氮化镓的外延都是在蓝宝石基板上进行。但是蓝宝石基板与氮化镓外延层之间的晶格常数有着相当大的差异，虽然利用低温缓冲层的方式可以让氮化镓在蓝宝石基板上外延，然而这会产生缺陷。当缺陷出现在主动层的时候，会吸住发光二极管的电子电洞对，因而降低发光效率。再者，主动层中的缺陷会成为发光二极管中漏电的绝佳路径，因而降低发光二极管的寿命。
一种解决的方式，是采用侧向外延的方式，让缺陷可以侧向生长而不会随着外延向上到发光二极管的主动层。这样有个优点，就是缺陷不会随着外延而向上成长，会随着侧向成长而有机会缺陷之间相互在横向连结。这样可以避免缺陷出现在外延层中的主动层，进而增加氮化镓发光二极管的亮度与寿命。
主要的外延方法是让氮化镓在外延成长的过程，侧向外延的速度大于正向外延成长的速度。这种方式，必须要让氮化镓基板在初次外延的时候就会有选择性的在某些区域不会外延而在某些区域会进行外延。目前的方式，是在蓝宝石基板上先外延一层薄的氮化镓层，然后对氮化镓层以PSS(Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)工艺进行图案转移，再继续进行氮化镓的外延。这样，只有表面有氮化镓区域的蓝宝石基板才会继续成长氮化镓。但是上述的PSS工艺要做的够深、够小非常困难。
然而这样的方式有引起许多的缺点。首先，进行外延氮化镓之后的蓝宝石基板要从反应炉中取出。然后进行光学光刻的工艺，这包含光刻胶的涂布在氮化镓层上，预烤光刻胶，曝光，显影，烘烤光刻胶，蚀刻氮化镓层，去光刻胶。由于这时候已经在氮化镓的表面上形成有高低起伏的图案，洁净的工作变的相当重要。如果没有清洗干净，氮化镓层旁边残余物在送回外延的反应炉之后，在之后的氮化镓外延条件下特别是温度上升到摄氏800到1400度之间，这些残余物会造成相当严重的污染，简单的造成整个晶圆报废，严重一些甚至可能会造成反应炉的污染，需要重新清洗反应炉。这对于商业化，需要大量制造的发光二极管的工艺来说，是有问题的。另外，这样的工艺，其实是集合许多复杂的步骤，在大量制造上会增加制造的时间成本。
为了解决上述的问题，因此本发明提出一较佳的形成图案化蓝宝石基板的方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种形成图案化蓝宝石基板的方法，其蓝宝石基板上的图案可以做的够深、够小。
本发明的另一目的是提供一种形成图案化蓝宝石基板的方法，其回火可以降至摄氏800度，以降低制造成本。
为达上述及其他目的，本发明提供一种形成图案化蓝宝石基板的方法，其包括下列步骤：在一蓝宝石基板上形成一图案化氧化铝层；以及对该蓝宝石基板进行回火。
其中，于该在一蓝宝石基板上形成一图案化氧化铝层的步骤中，是使用光学光刻或步进曝光机台(Stepper)与蚀刻法、纳米印刷、阳极氧化铝的工艺、成核受限成长法、过饱合相分离法、自行聚集单层纳米图案化法，或单原子层之后回火工艺的方式在该氧化铝层形成图案，其中，该光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法进一步包含：在该氧化铝层上形成光刻胶层；对该光刻胶层进行曝光与显影；以及以该光刻胶层为屏蔽对该氧化铝层进行蚀刻的次步骤。
其中，该图案化氧化铝层的形成方式可在该蓝宝石基板上形成一金属铝层，以及以阳极氧化或氧化炉的方式，将该金属铝层氧化成多孔氧化铝层。上述的图案化氧化铝层的形成方式可为形成一金属铝层在该蓝宝石基板上，以及以阳极氧化或氧化炉的方式，将该金属铝层氧化成均一粒子氧化铝层。
本发明的形成图案化蓝宝石基板的方法，在该回火步骤之前还包含一蚀刻或剥离(lift-off)步骤。上述的蚀刻步骤是以该图案化氧化铝层为屏蔽蚀刻该蓝宝石基板。上述的蚀刻该蓝宝石基板的步骤可以磷酸或是三氯化硼进行湿式蚀刻，或是以NF3/Ar为蚀刻等离子体源进行干式蚀刻。
上述的回火步骤亦可以在外延氮化镓层时同时进行。
为达上述及其他目的，本发明提供一种形成图案化蓝宝石基板的方法，其包括下列步骤：形成图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：在一蓝宝石基板上形成一金属铝层；对该金属铝层进行氧化，以形成一氧化铝层；对该氧化铝层进行图案化，以形成一图案化氧化铝层；以及对该蓝宝石基板进行回火。
为达上述及其他目的，本发明提供一种形成图案化蓝宝石基板的方法，其包括下列步骤：在一蓝宝石基板上形成一金属铝层；对该金属铝层进行图案化，以形成一图案化金属铝层；对该图案化金属铝层进行氧化，以形成一图案化氧化铝层；以及对该蓝宝石基板进行回火。
附图说明
为了详细说明本发明的结构、特征及功效所在，以下结合较佳实施例并配合附图说明如后，其中：
图1是为本发明的一实施例中蓝宝石基板的截面结构示意图。
图2是为本发明的一实施例中氧化铝层形成在蓝宝石基板的截面结构示意图。
图3是为本发明的一实施例中图案化氧化铝层的截面结构示意图。
图4是为本发明的一实施例中完成图案化蓝宝石基板的截面结构示意图。
图5是为本发明的流程示意图。
具体实施方式
本发明在此所探讨的方向为一种图案化蓝宝石基板的方法。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的步骤及其组成。显然地，本发明的施行并未限定于图案化蓝宝石基板的技术者所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的组成或步骤并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其他的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以本发明的权利要求范围为准。
实施例一：
本发明较佳实施例的一种图案化蓝宝石基板的方法，主要是在蓝宝石基板上先形成一图案化的氧化铝层，然后对图案化的氧化铝层进行回火。
氧化铝层的形成，主要是在蓝宝石基板上先形成金属铝，然后利用例如但不限于阳极氧化或氧化炉的方式形成氧化铝层。由于蓝宝石基板是单晶结构的氧化铝，要形成单晶结构的氧化铝需要极高的温度，一般会采用拉单晶的方式形成。而用阳极氧化(或氧化炉)的方式所形成的氧化铝，不会有很好的晶格结构。要对图案转移到氧化铝层，除了传统的光刻工艺之外，还可以利用阳极氧化铝工艺的一些优点。该阳极氧化铝的工艺，可以形成均一粒子(uni-sphere)的氧化铝颗粒，或者是多孔的氧化铝层。
请参阅图1，首先提供一蓝宝石基板10。在本发明中，该蓝宝石基板例如但不限于为极性的c-plan，非极性的r-plan，或是半极性的m-plan。一般蓝宝石基板都是用拉单晶的方式形成晶碇(ingot)，然后再切片成一片片的晶圆(wafer)，其中拉单晶的方式有柴氏拉晶法(CzochralskiMethod)或是凯式拉晶法(Kyropoulos Method)。从拉单晶到晶圆的工艺包含长晶，晶体方位的定向，掏棒，滚磨，质量检测，然后成为一根根的晶碇。接着进行晶格定向，切片，研磨，倒角，抛光，清洗，质量检测之后成为蓝宝石基板。目前用于氮化镓发光二极管或是激光二极管外延的蓝宝石基板，大多使用二英寸的晶圆。目前商业上在开发四英寸以上的蓝宝石基板与外延系统。
请参阅图2，在蓝宝石基板10上形成一氧化铝层20。该氧化铝层20的形成方式可以通过电子枪(E-gun)或是溅镀(sputter)的方式先形成一金属铝层，然后再以氧化的方式将金属层氧化。也可以直接使用电子枪(E-gun)或是溅镀(sputter)的方式，并且在环境中通入氧气，直接形成氧化铝层。或是，使用等离子体辅助化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition；PECVD)法直接形成氧化铝层。该氧化铝层20的厚度，可以是接近一到多个原子的厚度，例如但不限于为几十-几千纳米。
之后，如图3所示，将该层氧化铝层20形成图案化的氧化铝层22，其中形成的方式可以采用例如但不限于为光学光刻或步进曝光机台(Stepper)与蚀刻结合的技术、纳米印刷形成特定的图案、阳极氧化工艺、成核受限成长(nucleation limited growth)法、过饱合相分离法(phasesegregation of supersaturated method)、自行聚集单层纳米图案化法(nanopatterning of self-assembled monlayers)、或是单原子层之后回火工艺等，就可以直接形成多孔性或是岛状/球状分离的氧化铝层22。阳极氧化工艺是以磷酸作为电解液并将金属铝层置于低温环境下，利用定电压由电场辅助溶解出有如蜂巢式的氧化铝孔洞结构，再进行扩孔去除阻障层。
如利用阳极氧化工艺形成多孔的氧化铝或是均一粒子的氧化铝层，不论是多孔或是均一粒子的氧化铝，其图案皆是自行形成的。相对于使用光刻与蚀刻工艺，其图案是可以掌控，在氧化铝层上形成特定的图案。
接着，可以直接进行回火的工艺，让图案化的氧化铝层22与蓝宝石基板10之间进行再结晶(re-crystallization)，让蓝宝石基板10的表面具有高低起伏的结构。这个回火的工艺，可以在一般的热炉管内进行，也可以在进入有机金属化学气相沉积的反应炉中，先进行加热回火再开始外延氮化镓的工艺。回火工艺之后的图案化氧化铝层22可以具有接近蓝宝石基板10的晶格结构。其中，该回火的温度例如但不限于约摄氏400度至1200度间，较佳为摄氏800度。
另外，如图3所示，也可以以这层图案化的氧化铝层22为屏蔽，对蓝宝石基板10进行蚀刻或剥离(lift-off)工艺，其中该蚀刻工艺例如但不限于为湿蚀刻或是干蚀刻。一般的湿蚀刻工艺，可以是以磷酸或是三氯化硼，或是两者的混合物进行湿蚀刻，或是采用硫酸与磷酸以3比1当作蚀刻溶液。而干蚀刻会以三氟化氮在氩气(NF3/Ar)中作为蚀刻的等离子体源与等离子体环境。
由于蓝宝石基板10与图案化的氧化铝层22均具有相同的化学结构，差异只有在于晶格结构是否完美，所以在对蓝宝石基板10进行蚀刻的时候，也会跟着移除作为屏蔽的图案化氧化铝层22。请参阅图4，调整蚀刻的参数，可以在蚀刻蓝宝石基板10后，在蓝宝石基板10的表面形成高低起伏的图案12，并且同时移除图案化氧化铝层。蚀刻之后的蓝宝石基板10，再送入炉管或是进入有机金属化学气相沉积的反应炉中，进行加热回火的工艺。
由于蓝宝石基板10较高的部份，未被蚀刻，或是被蚀刻的部份较少，可以作为之后较佳的氮化镓外延生长的区域，而凹陷的区域就不容易成长氮化镓。其中值得注意的，氮化镓的外延，依照不同的温度，反应炉内的压力，通入气体的流量等等会有不同的外延的速率与机制。这些不同的长晶条件与机制，搭配上具有图案的蓝宝石基板10，氮化镓外延层里的缺陷容易侧向成长，会停在某一平面后不会继续向上成长到发光二极管的主动层。
图5显示上述实施例的各步骤的流程图。首先，在蓝宝石基板上形成氧化铝层(步骤S6-1)，然后对氧化铝层20进行图案化(步骤S6-2)，这两个步骤可以是同一步骤完成，或是分成两个步骤进行。之后，对蓝宝石基板10进行蚀刻(步骤S6-3)，然后对蓝宝石基板10进行回火(步骤S6-4)。第三个步骤是选择性的，当后续的回火工艺可以直接将图案化的氧化铝层22进行再结晶形成单晶结构或是与蓝宝石基板10有相同的晶格结构，就可以不需要进行蚀刻蓝宝石基板10的步骤。
实施例二：
本发明另一较佳实施例的一种图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：在一蓝宝石基板10上形成一金属铝层；对该金属铝层进行氧化，以形成一氧化铝层20；对该氧化铝层20进行图案化，以形成一图案化氧化铝层22；以及对该蓝宝石基板10进行回火。其中各步骤的详细原理，请参照上述的说明，在此不拟重复赘述。
本实施例与第一实施例的主要差异在于：第一实施例是蓝宝石基板10上直接形成一图案化氧化铝层22，而本实施例则是先在蓝宝石基板10上形成一金属铝层，接着对该金属铝层以阳极氧化或氧化炉的方式，将该金属铝层氧化成多孔氧化铝层或均一粒子氧化铝层，接着对该氧化铝层进行图案化，以形成一图案化氧化铝层22，最后才对该蓝宝石基板10进行回火，如此亦可达到与实施例一相同的效果。
实施例三：
本发明又一较佳实施例的一种图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：在一蓝宝石基板上形成一金属铝层；对该金属铝层进行图案化，以形成一图案化金属铝层；对该图案化金属铝层进行氧化，以形成一图案化氧化铝层；以及对该蓝宝石基板进行回火。其中各步骤的详细原理，请参照上述的说明，在此不拟重复赘述。
本实施例与第二实施例的主要差异在于：第二实施例是先对该金属铝层进行氧化，以形成一氧化铝层，接着对该氧化铝层进行图案化，以形成一图案化氧化铝层22；而本实施例则是先对该金属铝层进行图案化，以形成一图案化金属铝层，接着才对该图案化金属铝层进行氧化，以形成一图案化氧化铝层22，如此亦可达到与实施例二相同的效果。
显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其他的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种形成图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：
在一蓝宝石基板上形成一图案化氧化铝层；以及
对该蓝宝石基板进行回火。
2.如权利要求1所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于该在一蓝宝石基板上形成一图案化氧化铝层的步骤中，是使用光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法、纳米印刷、阳极氧化铝的工艺、成核受限成长法、过饱合相分离法、自行聚集单层纳米图案化法，或单原子层之后回火的方式在该氧化铝层形成图案，其中，该光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法进一步包含：在该氧化铝层上形成光刻胶层；对该光刻胶层进行曝光与显影；以及以该光刻胶层为屏蔽对该氧化铝层进行蚀刻的次步骤。
3.如权利要求1所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中在该回火步骤之前进一步包含一蚀刻或剥离步骤，其中，该蚀刻步骤以该图案化氧化铝层为屏蔽对该蓝宝石基板进行蚀刻，且以磷酸或三氯化硼对该蓝宝石基板进行湿式蚀刻，或以NF3/Ar为蚀刻等离子体源对该蓝宝石基板进行干式蚀刻。
4.一种形成图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：
在一蓝宝石基板上形成一金属铝层；
对该金属铝层进行氧化，以形成一氧化铝层；
对该氧化铝层进行图案化，以形成一图案化氧化铝层；以及
对该蓝宝石基板进行回火。
5.如权利要求4所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于该对该金属铝层进行氧化，以形成一氧化铝层的步骤中，是以阳极氧化或氧化炉的方式，将该金属铝层氧化成多孔氧化铝层或均一粒子氧化铝层。
6.如权利要求4所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于对该氧化铝层进行图案化，以形成一图案化氧化铝层的步骤中，是使用光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法、纳米印刷、阳极氧化铝的工艺、成核受限成长法、过饱合相分离法、自行聚集单层纳米图案化法，或单原子层之后回火工艺的方式在该氧化铝层形成图案，其中，该光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法进一步包含：在该氧化铝层上形成光刻胶层；对该光刻胶层进行曝光与显影；以及以该光刻胶层为屏蔽对该氧化铝层进行蚀刻的次步骤。
7.如权利要求4所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于该回火步骤之前进一步包含一蚀刻或剥离步骤，其中，该蚀刻步骤以该图案化氧化铝层为屏蔽对该蓝宝石基板进行蚀刻，且以磷酸或三氯化硼对该蓝宝石基板进行湿式蚀刻或以NF3/Ar为蚀刻等离子体源对该蓝宝石基板进行干式蚀刻。
8.一种形成图案化蓝宝石基板的方法，包括下列步骤：
在一蓝宝石基板上形成一金属铝层；
对该金属铝层进行图案化，以形成一图案化金属铝层；
对该图案化金属铝层进行氧化，以形成一图案化氧化铝层；以及
对该蓝宝石基板进行回火。
9.如权利要求8所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于对该金属铝层进行图案化，以形成一图案化金属铝层的步骤中，是使用光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法、纳米印刷、成核受限成长法、过饱合相分离法、自行聚集单层纳米图案化法，或单原子层之后回火工艺的方式在该金属铝层形成图案，其中，该光学光刻或步进曝光机台与蚀刻法进一步包含：在该金属铝层上形成光刻胶层；对该光刻胶层进行曝光与显影；以及以该光刻胶层为屏蔽对该金属铝层进行蚀刻的次步骤。
10.如权利要求8所述的形成图案化蓝宝石基板的方法，其中于该回火步骤之前进一步包含一蚀刻或剥离步骤，其中，该蚀刻步骤以该图案化氧化铝层为屏蔽对该蓝宝石基板进行蚀刻，且以磷酸或三氯化硼对该蓝宝石基板进行湿式蚀刻或以NF3/Ar为蚀刻等离子体源对该蓝宝石基板进行干式蚀刻。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20131030 |