CN103943736A - 一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法 - Google Patents

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韩沈丹
付刚
缪炳有
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Abstract

本发明提出了一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，包括以下步骤：1)在清洗后的抛光衬底表面旋涂一层光刻胶；2)对涂有光刻胶的衬底进行曝光；显影后得到圆柱型光刻胶掩膜；并对生成的光刻胶掩膜进行烘烤；3)ICP刻蚀步骤2)显影后的样片；得到低角度三角锥图形衬底；4)步骤3)中的低角度三角锥图形衬底，经去除边缘剩余光刻胶并出货清洗后，生长外延层。本发明基于目前LED用三角锥图形化蓝宝石衬底的现状的新形貌的三角锥图形化衬底结构理念，用于提高外延片的亮度。

Description

一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法
技术领域
本发明属于LED图形衬底材料的制备技术领域，主要涉及一种用于提高外延片亮度的图形衬底的制备方法。
背景技术
对于LED业界主流的底角为50°的三角锥图形化蓝宝石衬底工艺，一般均采用先在衬底表面旋涂一层一定厚度的光刻胶，然后通过步进式光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光，再经过显影得到具有特定形貌的光刻胶掩膜，在掩膜的保护下通过ICP(电感耦合等离子体)刻蚀得到图形化蓝宝石衬底。但模拟实验发现，当图形占空比一定时，随着三角锥图形底角从60°减小至25°，外延片亮度呈先增加后减小的趋势，33°附近有最大值。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于目前LED用三角锥图形化蓝宝石衬底的现状的新形貌的三角锥图形化衬底结构理念，用于提高外延片的亮度。
本发明的技术解决方案是：一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)在清洗后的抛光衬底表面旋涂一层光刻胶；
2)对涂有光刻胶的衬底进行曝光；显影后得到圆柱型光刻胶掩膜；并对生成的光刻胶掩膜进行烘烤；
3)ICP刻蚀步骤2)显影后的样片；得到低角度三角锥图形衬底；
4)步骤3)中的低角度三角锥图形衬底，经去除边缘剩余光刻胶并出货清洗后，生长外延层。
上述步骤1)中的光刻胶厚度为1.5μm。
上述步骤2)中曝光通过步进式光刻机实现。
上述步骤2)中采用的光刻板为6mm*6mm的5寸铬版，曝光能量为120ms、焦深DOF＝kλ/(NA)2为0.5，(DOF，Depth of Focus,表示焦点周围的范围，在该范围内图像连续地保持清晰，焦深穿越整个光刻胶层的上下表面，保证了光刻胶能完全曝光)；圆柱型光刻胶掩膜底径2.2μm，高1.5μm，光刻胶图形之间间距为0.8μm，135℃下烘烤10min。
上述步骤3)中刻蚀的具体步骤是：
3.1)采用600W下电极功率对光刻胶柱顶部形貌进行刻蚀，腔室压力为2.5mT，BCl3流量为70sccm；
3.2)采用中功率300W下电极保证刻蚀图形高度，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；
3.3)采用较低的下电极功率150W保证图形底径，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；
3.4)使用下电极功率为700W的过刻蚀对图形侧壁进行修饰，其中腔室压力为2mT，BCl3流量为60sccm。
步骤3.1)—步骤3.4)中的图形衬底温度均为20℃。
上述步骤4)中去除边缘剩余光刻胶采用硫酸、双氧水混合溶液；硫酸和双氧水体积比H2SO4(98％):H2O2(30％)＝4:1。
本发明在原有三角锥图形衬底的制备基础上，改变光刻板图形尺寸，并通过减薄光刻胶、调整ICP环节中的气体流量、下电极功率以及腔室压力，制备具有小角度的三角锥图形衬底。由于图形底角较小，导致大部分光线在其表面仅发生一次反射，改变出光路线后可直接射出外延片，最大限度的减少了光能的衰减，从而使出光效率增加,亮度增加。与原有工艺相比，仅需改变光刻板，调整刻蚀工艺参数就可以得到目标尺寸的三角锥图形衬底，因此实施起来较简便，同时降低生产成本。
通过本方法制备的小角度三角锥图形衬底，当占空比(图形化面积/衬底总面积)为60％时，与底角为55°的三角锥图形衬底相比外延片亮度可提升2～3倍，且外延层晶体质量较好，(102)(002)晶面半高宽均在300arcses以下，外延层表面光滑平整无缺陷。
本发明采用图形直径2.2μm、间距0.8μm的光刻板，1.5μm胶厚，利用曝光技术，并改变ICP参数调节选择比及刻蚀速率，制备出底角在33°附近的三角锥图形衬底。由于图形底角较小，导致大部分光线在其表面仅发生一次反射，改变光路后可直接射出外延片，最大限度的减少了光能的衰减，从而使出光效率增加,亮度增加。本技术对生产参数进行适当修改，就可以批量制备出可提高外延亮度的PSS衬底片。小角度图形衬底产品的具体规格如下：a)直三角锥，弧间距δ<0.1um；b)直三角角度θ＝30-40°，最优值33°；c)D：2.6+/-0.1um，H：0.9+/-0.2um；
附图说明
图1是本发明的LED内部光路原理图；
图2是本发明的一个实施例的流程图；
具体实施方式
参见图1，为本发明的LED内部光路原理图。GaN的全反射角θc只有24.6°，大于此角度的光线会在衬底内部不断反射直到转化为热能被吸收；目前业界使用图形化衬底的作用就是改变光路，使得光线逃逸到空气中。图中I0为量子阱原始光强，I为总出光光强，它包括四个部分：直接逃逸出的光强I1，经衬底表面图形一次反射后逃逸出的光强I2，经衬底表面图形两次反射逃逸出的光强I3，和被衬底平面区域反射的光强I4。通常I1为固定值、I4值过小可忽略不计，则剩下起主要作用的I2和I3。若入射角α大于图形底角θ，则光线主要以I2形式逸出；若入射角α小于图形底角θ，则主要以I3形式逸出。由于I3经历两次反射，强度较I2小，因此减小图形底角，可增大入射角范围，使I2强度增加，从而最大限度的减少光能的衰减；但图形底角θ小于33°以后，I3便急剧减少，因此底角33°附近的图形衬底可接受的光逃逸角范围最广，因此其出光效率最高,亮度最高。
参见图2，本发明主要提供一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，主要通过改变光刻板图形尺寸、光刻胶胶厚和ICP刻蚀菜单，降低刻蚀选择比，制备出底径大、高度小的小角度三角锥图形衬底,从而提高外延片的亮度。其主要步骤包括：
1)在清洗后的抛光衬底表面旋涂一层厚度为1.5μm的光刻胶；
2)通过步进式光刻机对涂有光刻胶的衬底进行曝光，光刻板为6mm*6mm的5寸铬版，曝光能量120ms、焦深0.5，显影后得到圆柱型光刻胶掩膜(其中圆柱型光刻胶底径＝2.2μm，高＝1.5μm，图形之间间距＝0.8μm)，135℃下烘烤10min；
3)ICP刻蚀显影后的样片，主要分三步主刻蚀和一步过刻蚀进行：第一步主刻蚀采用600W下电极功率对光刻胶柱顶部形貌进行刻蚀，其中腔室压力为2.5mT，BCl3流量为70sccm；第二部主刻蚀采用中功率300W下电极保证刻蚀图形高度，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；第三步主刻蚀采用较低的下电极功率150W保证图形底径，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；最后使用下电极功率为700W的过刻蚀对图形侧壁进行修饰，其中腔室压力为2mT，BCl3流量为60sccm。以上各步衬底温度均为20℃。
4)ICP刻蚀后的低角度三角锥图形衬底，经SPM(Sulphoacid perhydrolmixture，硫酸、双氧水混合溶液，体积比H2SO4(98％):H2O2(30％)＝4:1)去除边缘剩余光刻胶并出货清洗后，可按正常外延流程生长外延层。

Claims (7)

1.一种提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)在清洗后的抛光衬底表面旋涂一层光刻胶；
2)对涂有光刻胶的衬底进行曝光；显影后得到圆柱型光刻胶掩膜；并对生成的光刻胶掩膜进行烘烤；
3)ICP刻蚀步骤2)显影后的样片；得到低角度三角锥图形衬底；
4)步骤3)中的低角度三角锥图形衬底，经去除边缘剩余光刻胶并出货清洗后，生长外延层。
2.根据权利要求1所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中的光刻胶厚度为1.5μm。
3.根据权利要求2所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中曝光通过步进式光刻机实现。
4.根据权利要求3所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中采用的光刻板为6mm*6mm的5寸铬版，曝光能量为120ms、焦深为0.5；圆柱型光刻胶掩膜底径2.2μm，高1.5μm，光刻胶图形之间间距为0.8μm，135℃下烘烤10min。
5.根据权利要求4所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中刻蚀的具体步骤是：
3.1)采用600W下电极功率对光刻胶柱顶部形貌进行刻蚀，腔室压力为2.5mT，BCl3流量为70sccm；
3.2)采用中功率300W下电极保证刻蚀图形高度，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；
3.3)采用较低的下电极功率150W保证图形底径，其中腔室压力为3mT，BCl3流量为60sccm，CHF3流量为5sccm；
3.4)使用下电极功率为700W的过刻蚀对图形侧壁进行修饰，其中腔室压力为2mT，BCl3流量为60sccm。
6.根据权利要求5所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：步骤3.1)—步骤3.4)中的图形衬底温度均为20℃。
7.根据权利要求6所述的提高外延片亮度的三角锥图形衬底的制备方法，其特征在于：所述步骤4)中去除边缘剩余光刻胶采用硫酸、双氧水混合溶液；硫酸和双氧水体积比H2SO4(98％):H2O2(30％)＝4:1。
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