CN103855266A - 波浪纹型蓝宝石衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪纹型蓝宝石衬底，波浪纹型蓝宝石衬底的平坦表面上等距离规则排列若干凸起的周期图形，每个周期图形由至少5个三角圆锥体构成，三角圆锥体的角度范围为20-60°，每个周期图形的高度和底宽分别为0.1-2μm、2-3μm。根据本发明的波浪纹型蓝宝石衬底首先会在平坦部分生长重结晶的GaN，随着GaN向上生长超过波纹型PSS的顶部会在顶部横向生长，在波纹型PSS顶部生长的GaN融合并在波浪纹齿冠形状的顶部之间形成空气空隙，这些嵌入环形空气空隙增强了光的散射，可显著提高光的提取效率，从而增加LED的亮度，与现有技术中的半球型PSS相比，光的提取效率提高9.8%，从而使得制备出的LED芯片单位流明的价格降低，因此非常具有应用前景。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料制备领域，特别涉及一种波浪纹型蓝宝石衬底及制备方法。
背景技术
PSS(Patterned Sapphire Substrate)，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命;另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。PSS的种类有很多，包括不同图形的衬底，比如圆锥形、圆台形、三角锥形、三棱台形等蓝宝石衬底，但是，这些蓝宝石图形衬底在实际测试结果中并未得到最优的光提取效率。
发明内容
本发明的目的在于在现有PSS图形的基础上，提供一种波浪纹型蓝宝石衬底及制备方法，以获得更优的光提取效率，从而进一步降低成本。
为了达到上述目的，本发明提供的一种波浪纹型蓝宝石衬底，所述的波浪纹型蓝宝石衬底的平坦表面上等距离规则排列若干凸起的周期图形，每个周期图形由至少5个三角圆锥体构成，所述的三角圆锥体的角度范围为20-60°，每个周期图形的高度和底宽分别为0.1-2μm、2-3μm。根据本发明的波浪纹型蓝宝石衬底首先会在平坦部分生长重结晶的GaN，随着GaN向上生长超过波纹型PSS的顶部，也会在顶部横向生长，在波纹型PSS顶部生长的GaN融合，并在波浪纹齿冠形状的顶部之间形成空气空隙，这些嵌入环形空气空隙增强了光的散射，可显著提高光的提取效率，从而增加LED的亮度。
作为进一步的改进，每个周期图形的高度和底宽分别为0.5-0.7μm、2.5-2.8μm。
作为进一步的改进，所述的三角圆锥体的角度范围为28-32°。
作为进一步的改进，所述的三角圆锥体的最优化的角度为30°。
作为进一步的改进，所述的蓝宝石衬底的尺寸为2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于如上所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上涂布光刻胶；
步骤2：用同心圆光刻板对光刻胶进行曝光、显影、烘烤，在光刻胶上形成光刻图形；
步骤3：使用电感藕合等离子刻蚀机进行干法刻蚀，使得蓝宝石衬底具有阵列分布的波浪纹型结构，所述波浪纹型结构的中心顶部为三角圆锥体；
步骤4：去掉残余的光刻胶，将蓝宝石衬底清洗干净。
作为进一步的改进，所述的光刻胶是厚度为1.6-3.0μm的圆柱形正型或者负型光刻胶。
作为进一步的改进，所述的光刻胶是厚度为2.0-2.2μm的圆柱形正型或者负型光刻胶。
作为进一步的改进，所述的同心圆光刻板，由至少3个等距离的同心圆环构成，内圆环直径为0.6-0.8μm，同心圆的间距为0.2-0.8μm。
作为进一步的改进，所述的步骤2中，曝光时间为150-300ms，烘烤温度为120-150℃，烘烤时间为5-10min。
作为进一步的改进，所述的步骤3分两步进行，第一步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100:10，刻蚀时间为360-1080s，下电极功率为40-120W；第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为10:100，刻蚀时间为0-360s，下电极功率为140-420W。
根据本发明的另一方面，所述的波浪纹型蓝宝石衬底用于制作发光二极管芯片。
由于采用了以上技术方案，本发明与现有技术中的半球型PSS相比，光的提取效率提高9.8%，从而使得制备出的LED芯片单位流明的价格降低，因此非常具有应用前景。
附图说明
图1为根据本发明的波浪纹型PSS的结构示意图并具体描述了其提高光提取效率的工作原理；
图2为根据本发明的波浪纹型PSS的SEM图，显示了其在显微镜下的微观构造；
图3为随着波浪纹型结构的三角锥的角度增加光提取效率的趋势图。
具体实施方式
参见附图1与附图2所示，所提供的波浪纹型蓝宝石衬底的平坦表面上等距离规则排列若干凸起的周期图形，每个周期图形由至少5个三角圆锥体构成，三角圆锥体的角度范围为20-60°，每个周期图形的高度和底宽分别为0.1-2μm、2-3μm。根据本发明的波浪纹型蓝宝石衬底首先会在平坦部分生长重结晶的GaN，随着GaN向上生长超过波纹型PSS的顶部，也会在顶部横向生长，在波纹型PSS顶部生长的GaN融合，并在波浪纹齿冠形状的顶部之间形成空气空隙，这些嵌入环形空气空隙增强了光的散射，可显著提高光的提取效率，从而增加LED的亮度。
作为进一步的改进，每个周期图形的高度和底宽分别为0.5-0.7μm、2.5-2.8μm；蓝宝石衬底的尺寸为2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
另外，此处提供一种用于如上波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上涂布光刻胶；
步骤2：用同心圆光刻板对光刻胶进行曝光、显影、烘烤，在光刻胶上形成光刻图形；
步骤3：使用电感藕合等离子刻蚀机进行干法刻蚀，使得蓝宝石衬底具有阵列分布的波浪纹型结构，所述波浪纹型结构的中心顶部为三角圆锥体；
步骤4：去掉残余的光刻胶，将蓝宝石衬底清洗干净。
作为进一步的改进，光刻胶是厚度为1.6-3.0μm的圆柱形正型或者负型光刻胶，更优地选用厚度为2.0-2.2μm的光刻胶。
作为进一步的改进，同心圆光刻板，由至少3个等距离的同心圆环构成，内圆环直径为0.6-0.8μm，同心圆的间距为0.2-0.8μm。
作为进一步的改进，步骤2中，曝光时间为150-300ms，烘烤温度为120-150℃，烘烤时间为5-10min。
作为进一步的改进，步骤3分两步进行，第一步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100:10，刻蚀时间为360-1080s，下电极功率为40-120W；第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为10:100，刻蚀时间为0-360s，下电极功率为140-420W。
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施案例1
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为10，刻蚀时间为360s，下电极功率为50W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100，刻蚀时间为120s，下电极功率为240W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为20°，光提取效率为42%。
实施案例2
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为20，刻蚀时间为370s，下电极功率为60W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100，刻蚀时间为120s，下电极功率为240W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为25°，光提取效率为42.6%。
实施案例3
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100，刻蚀时间为120s，下电极功率为240W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为30°，光提取效率为44%。
实施案例4
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为110，刻蚀时间为130s，下电极功率为250W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为35°，光提取效率为43.8%。
实施案例5
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为120，刻蚀时间为140s，下电极功率为260W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为40°，光提取效率为43.6%。
实施案例6
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为130，刻蚀时间为150s，下电极功率为270W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为45°，光提取效率为43.5%。
实施案例7
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为140，刻蚀时间为160s，下电极功率为280W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为50°，光提取效率为43.4%。
实施案例8
在蓝宝石衬底上涂布厚度为2μm的正性光刻胶；用内圆环外直径为0.8μm，中间圆环外直径为1.4μm，外圆环外直径为2.0μm的同心圆光刻板对光刻胶进行180ms的曝光，然后进行显影，120℃烘烤5min，在光刻胶上形成光刻图形。随后，使用电感藕合等离子刻蚀机（ICP）进行干法刻蚀，第一步刻蚀参数BCl3和Ar的流量比为30，刻蚀时间为380s，下电极功率为70W，第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为150，刻蚀时间为170s，下电极功率为290W。最后使用去胶液去掉残余的光刻胶，然后使用浓硫酸和双氧水将蓝宝石衬底清洗干净。得到的波浪纹型蓝宝石衬底，三角锥形的角度θ为55°，光提取效率为43.1%。
从附图3中可以看出，其总结了光提取效率和三角锥形角度的变化趋势，当本结构的三角圆锥体的角度范围为28-32°时，光提取效率开始显著提高；尤其是当三角锥形的角度为30°时候，光提取效率达到最高值，其和半球形PSS相比，光提取效率提高了9.8%。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种波浪纹型蓝宝石衬底，其特征在于：所述的波浪纹型蓝宝石衬底的平坦表面上等距离规则排列若干凸起的周期图形，每个周期图形由至少5个三角圆锥体构成，所述的三角圆锥体的角度范围为20-60°，每个周期图形的高度和底宽分别为0.1-2μm、2-3μm。
2.根据权利要求1所述的波浪纹型蓝宝石衬底，其特征在于：每个周期图形的高度和底宽分别为0.5-0.7μm、2.5-2.8μm。
3.根据权利要求1所述的波浪纹型蓝宝石衬底，其特征在于：所述的三角圆锥体的角度范围为28-32°。
4.根据权利要求3所述的波浪纹型蓝宝石衬底，其特征在于：所述的三角圆锥体的角度为30°。
5.根据权利要求1所述的波浪纹型蓝宝石衬底，其特征在于：所述的蓝宝石衬底的尺寸为2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
6.一种用于如上任一权利要求所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在蓝宝石衬底上涂布光刻胶；
步骤2：用同心圆光刻板对光刻胶进行曝光、显影、烘烤，在光刻胶上形成光刻图形；
步骤3：使用电感藕合等离子刻蚀机进行干法刻蚀，使得蓝宝石衬底具有阵列分布的波浪纹型结构，所述波浪纹型结构的中心顶部为三角圆锥体；
步骤4：去掉残余的光刻胶，将蓝宝石衬底清洗干净。
7.根据权利要求6所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于：所述的光刻胶是厚度为1.6-3.0μm的圆柱形正型或者负型光刻胶。
8.根据权利要求6所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于：所述的同心圆光刻板，由至少3个等距离的同心圆环构成，内圆环直径为0.6-0.8μm，同心圆的间距为0.2-0.8μm。
9.根据权利要求6所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于：所述的步骤2中，曝光时间为150-300ms，烘烤温度为120-150℃，烘烤时间为5-10min。
10.根据权利要求6所述的波浪纹型蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于：所述的步骤3分两步进行，第一步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为100:10，刻蚀时间为360-1080s，下电极功率为40-120W；第二步刻蚀的参数BCl3和Ar的流量比为10:100，刻蚀时间为0-360s，下电极功率为140-420W。
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