CN106206896A - 复合图形化蓝宝石衬底及其外延片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种复合图形化蓝宝石衬底及其外延片的制作方法，包括：先制作图形化蓝宝石衬底，再藉由金属Ni作为掩膜层，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整。其形成的复合图形化蓝宝石衬底，有效地增加了图案表面积，使得反光区域增大，出光效率增高。同时底部C面区域平整，减小了外延生长的难度，外延生长表面外观较好，减少了外延层的内部缺陷，从而降低蓝宝石衬底上外延材料的穿透位错密度，提升外延层质量，有利于半导体元件的光提取。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合图形化蓝宝石衬底的制作方法以及采用该图形化蓝宝石衬底的外延片的制作方法。
背景技术
图形化衬底（英文为Patterned Sapphire Substrate，简称PSS）是在蓝宝石衬底上利用光刻、刻蚀等工艺，形成具有图形化表面的蓝宝石衬底。图形化衬底一方面能够有效降低外延结构层的位错密度，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高发光二极管的内量子发光效率；另一方面，由于图形结构增加了光的散射，改变了发光二极管的光学线路，进而提升出光几率。
中国专利CN102362018A公开了一种衬底的制造方法，包括：在蓝宝石薄板上形成多个凸形状2’；在具有凸形状2’的蓝宝石衬底上蒸镀金属薄膜102，通过真空热处理使得金属薄膜102 形成为微粒103，以微粒103为掩模进行刻蚀，从而在衬底上形成凹坑，未被刻蚀的部分成为凸起，最终在图形化蓝宝石衬底的表面上随机形成凸起的图形，如此在相邻的两个图案之间增加凸起的图形，相当于减少了两个图案之间的底部C面区域大小，使得外延生长难度加大，而外延生长过程中缺陷增加，外延生长完成后表面外观较差，不利于光的取出。
发明内容
本发明提出一种复合图形化蓝宝石衬底及其外延片的制作方法，其形成的复合图形化蓝宝石衬底，有效地增加了图案表面积，使得反光区域增大，出光效率增高。同时底部C面区域平整，减小了外延生长的难度，外延生长表面外观较好，减少了外延层的内部缺陷，从而降低蓝宝石衬底上外延材料的穿透位错密度，提升外延层质量，有利于半导体元件的光提取。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，包括步骤：
（1）提供一平整蓝宝石衬底，其具有第一表面和第二表面，在部分第一表面上制作一系列凸起结构，形成底部为C面区域的图形化蓝宝石衬底；
（2）在所述图形化蓝宝石衬底沉积金属Ni层；
（3）将沉积完金属Ni层的图形化蓝宝石衬底进行退火处理，藉由金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构与底部C面区域的团聚速率不同，使得金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上呈现颗粒状分布，而在底部C面区域金属Ni层基本保持原状，即铺满底部C面区域；
（4）以所述金属Ni颗粒及金属Ni层作为掩膜层，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整；
（5）去除残余的金属Ni，制得复合图形化蓝宝石衬底。
优选地，所述步骤（1）中采用湿法蚀刻或者干法蚀刻工艺蚀刻所述蓝宝石衬底的第一表面，制作一系列凸起结构。
优选地，所述步骤（2）中金属Ni层的厚度为3~200nm。
优选地，所述步骤（3）中退火处理条件：温度为500~800℃，时间为0.5~10min。
优选地，所述步骤（4）中微图形凹陷于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30~600nm。
根据本发明的第二方面，还提供一种复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，包括步骤：
（1）提供一平整蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积金属Ni层；
（2）将沉积完金属Ni层的蓝宝石衬底进行退火，使得金属Ni呈颗粒状分布于平整蓝宝石衬底上；
（3）在所述金属Ni颗粒上形成掩膜层，并进行图案化，使得部分金属Ni颗粒裸露出来；
（4）去除裸露的金属Ni颗粒，而位于掩膜层下方的金属Ni颗粒保留；
（5）以所述金属Ni颗粒及掩膜层作为掩膜，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在平整蓝宝石衬底上形成凸起结构，且凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整，制得复合图形化蓝宝石衬底。
优选地，所述步骤（1）中金属Ni层的厚度为3~200nm。
优选地，所述步骤（2）中退火处理条件：温度为500~800℃，时间为0.5~10min。
优选地，所述步骤（3）中形成的图案化掩膜层由一系列柱状光阻或氧化物或金属构成。
优选地，所述步骤（5）中微图形凸起于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30~600nm。
根据本发明的第三方面，本发明又提供一种外延片的制作方法，所述方法包括：
采用上述制作方法制作复合图形化蓝宝石衬底，并在衬底上依次生长包括N型半导体层，发光层以及P型半导体层的发光外延层，制成外延片。
与现有技术相比，本发明提供的复合图形化蓝宝石衬底及其外延片的制作方法，至少包括以下技术效果：
在图形化衬底上形成微图形，可以有效地增加图形衬底图案的表面积，使得反光区域增大，出光效率增高；底部C面区域平整，大小合适，减小了后续外延生长的难度，外延生长表面外观较好，减少了外延层的内部缺陷，有利于半导体元件的光提取。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1为根据本发明实施例1的一种制作复合图形化蓝宝石衬底的流程图。
图2~6为根据本发明实施例1的一种复合图形化蓝宝石衬底的制作过程。
图7为根据本发明实施例2的一种制作复合图形化蓝宝石衬底的流程图。
图8~12为根据本发明实施例2的一种复合图形化蓝宝石衬底的制作过程。
图中各标号表示如下：
100：蓝宝石衬底；101：第一表面；102：第二表面；103：凸起结构；104：C面区域；201：金属Ni层；202：金属Ni颗粒；301：微图形；400：掩膜层。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明的具体实施作详细说明。
实施例1
如图1所示，公开了一种制作复合图形化蓝宝石衬底的流程图，包括步骤S101~S105，包括：先制作图形化蓝宝石衬底，再藉由金属Ni作为掩膜层，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整。下面对各步骤进行进展开说明。
步骤S101：如图2所示，提供具有相对的第一表面101和第二表面102的蓝宝石衬底100，在第一表面上形成图案化掩膜层（图中未示出），采用湿法蚀刻或者干法蚀刻工艺蚀刻所述蓝宝石衬底的第一表面，制作一系列凸起结构103，形成底部为C面区域104的图形化蓝宝石衬底。具体如下：首先在平整的蓝宝石衬底上涂布一层光阻作为掩膜层，此光阻厚度可为0.5μm~3μm；接下来运用黄光制程制作出由一系列柱状光阻构成的图形，此过程可采用步进式曝光机、接触式曝光机、投影式曝光机或压印方式，其图形尺寸直径可为0.5μm~10μm，各个图形之间的间距可为0.5μm~10μm。
步骤S102：如图3所示，在步骤S101中的图形化蓝宝石衬底100上沉积金属Ni层201，厚度介于3~200nm之间，沉积方法可以采用蒸镀或者溅镀或者原子层沉积或者其他镀膜方法，本实施例优选蒸镀方法。
步骤S103：如图4所示，将蒸镀完金属Ni层201的图形化蓝宝石衬底100进行退火处理，处理条件为：温度为500~800℃，时间为0.5~10min，气氛为N2：25~95L；凸起结构表面金属在退火温度、时间以及气氛共同作用下，平衡状况被打破，初期在重力作用下团聚，当团聚颗粒的重力与凸起结构的反作用力达到平衡时，即达到稳定状态。藉由金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构与底部C面区域的团聚速率不同，使得金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上呈现颗粒状分布，而在底部C面区域金属Ni层基本保持原状，即铺满底部C面区域。
步骤S104：如图5所示，以步骤S103中的金属Ni颗粒202及金属Ni层201作为掩膜层，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底100的凸起结构上形成微图形301，而底部C面区域平整；微图形可以是锥形或球冠形，凹陷于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30nm~600nm。
步骤S105：如图6所示，去除残余的金属Ni，制得复合图形化蓝宝石衬底。
本实施例的实现，关键点在于：利用在高温退火条件下，金属Ni在图形化蓝宝石衬底的凸起上和底部C面区域团聚速率不同，使得金属Ni在图形化蓝宝石衬底的凸起上呈现颗粒状分布，而在底部C面区域金属Ni基本保持原状，铺满底部C面区域。最后在Ni的阻挡作用下，通过ICP（感应耦合等离子体蚀刻）制程达到在图形化蓝宝石衬底的凸起上面形成纳米状的微图形，而底部C面区域平整。
由于图形化衬底图案底部宽度以及图案斜坡的大小对衬底的出光效率影响较大，目前实验结果表明：底部宽度越大，图案深度越深，即图案的表面积越大，使得反光区域越大，出光效率越高。这样必然导致两个图案之间的区域变小（称为底部C面区域变小）。如果底部C面区域太小，则会导致外延生长难度加大，同时外延层内部缺陷增多，直接表现在外延生长完成后表面外观很差，不利于半导体元件的光提取；如果底部C面区域太大，则导致相同面积的衬底表面排列的衬底图案数目较少，即图案表面积较少，降低衬底的出光效率。因此，本实施通过获得较大的图案表面积，同时底部C面区域大小合适的复合衬底，在该复合衬底上依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层，制成外延片、发光二极管，由于微图形可以增加光的反射和散射的区域，有利于更多的光线射出发光二极管，从而提高半导体元件出光效率。
实施例2
如图7所示，公开了另一种制作复合图形化蓝宝石衬底的流程图，包括步骤S201~S205，包括：提供一平整蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上形成金属Ni颗粒，在所述金属Ni颗粒上形成掩膜层，并进行图案化，使得部分金属Ni颗粒裸露出来并去除，以所述金属Ni颗粒及掩膜层作为掩膜，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整。下面对各步骤进行进展开说明。
步骤S201：如图8所示，提供一平整蓝宝石衬底100，并在蓝宝石衬底上沉积金属Ni层201，厚度介于3~200nm之间，沉积方法可以采用蒸镀或者溅镀或者原子层沉积或者其他镀膜方法，本实施例优选溅镀方法。
步骤S202：如图9所示，将溅镀完金属Ni层201的蓝宝石衬底100进行退火处理，处理条件为：温度为500~800℃，时间为0.5~10min，使得金属Ni呈颗粒状，即形成金属Ni颗粒202分布于平整蓝宝石衬底上；
步骤S203：如图10所示，在金属Ni颗粒202上形成掩膜层400，并进行图案化，使得部分金属Ni颗粒裸露出来，图案化掩膜层可以由一系列柱状光阻或氧化物或金属构成，本实施例优选柱状光阻；
步骤S204：如图11所示，去除裸露的金属Ni颗粒202，而位于掩膜层下方的金属Ni颗粒保留；
步骤S205：如图12所示，以步骤S204中的金属Ni颗粒及掩膜层作为掩膜，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在平整蓝宝石衬底上形成凸起结构103，且凸起结构上形成微图形301，而底部C面区域平整，微图形呈类“蒙古包”状，凸起于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30~600nm，制得复合图形化蓝宝石衬底。
与实施例1相比，实施例1是先制作出图形化蓝宝石衬底，然后再进行金属沉积、退火处理、ICP蚀刻等，且需要经过两次蚀刻工序，而本实施例不需要先制作图形化蓝宝石衬底，只需采用一次蚀刻工序，即可使得蓝宝石衬底图案的凸起结构（斜坡）上随机分布纳米尺寸的类“蒙古包”状微图形，并且纳米尺寸的类“蒙古包”状微图形之间呈间断分布。同时，蓝宝石衬底的底部C面区域保持平整，并且凸起微结构与底部C面区域交界处附近区域也保持平整。因此，本实施例通过获得较大的图案表面积同时底部C面区域大小合适的复合衬底，在该复合衬底上依次生长缓冲层、N型氮化镓层、多量子阱层、P型氮化镓层，制成外延片以及发光二极管，由于微图形可以增加光的反射和散射的区域，有利于更多的光线射出发光二极管，从而提高半导体元件出光效率。
应当理解的是，上述具体实施方案仅为本发明的部分优选实施例，以上实施例还可以进行各种组合、变形。本发明的范围不限于以上实施例，凡依本发明所做的任何变更，皆属本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，包括步骤：
（1）提供一平整蓝宝石衬底，其具有第一表面和第二表面，在部分第一表面上制作一系列凸起结构，从而形成底部为C面区域的图形化蓝宝石衬底；
（2）在所述图形化蓝宝石衬底沉积金属Ni层；
（3）将沉积完金属Ni层的图形化蓝宝石衬底进行退火处理，藉由金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构与底部C面区域的团聚速率不同，使得金属Ni层在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上呈现颗粒状分布，而在底部C面区域金属Ni层基本保持原状，即铺满底部C面区域；
（4）以所述金属Ni颗粒及金属Ni层作为掩膜层，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在图形化蓝宝石衬底的凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整；
（5）去除残余的金属Ni，制得复合图形化蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中采用湿法蚀刻或者干法蚀刻工艺蚀刻所述蓝宝石衬底的第一表面，制作一系列凸起结构。
3.根据权利要求1所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中金属Ni层的厚度为3~200nm。
4.根据权利要求1所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（3）中退火处理温度为500~800℃，时间为0.5~10min。
5.根据权利要求1所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（4）中微图形凹陷于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30~600nm。
6.一种复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，包括步骤：
（1）提供一平整蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积金属Ni层；
（2）将沉积完金属Ni层的蓝宝石衬底进行退火，使得金属Ni呈颗粒状分布于平整蓝宝石衬底上；
（3）在所述金属Ni颗粒上形成掩膜层，并进行图案化，使得部分金属Ni颗粒裸露出来；
（4）去除裸露的金属Ni颗粒，而位于掩膜层下方的金属Ni颗粒保留；
（5）以所述金属Ni颗粒及掩膜层作为掩膜，进行感应耦合等离子体蚀刻，从而在平整蓝宝石衬底上形成凸起结构，且凸起结构上形成微图形，而底部C面区域平整，制得复合图形化蓝宝石衬底。
7.根据权利要求6所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（1）中金属Ni层的厚度为3~200nm。
8.根据权利要求6所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（2）中退火处理温度为500~800℃，时间为0.5~10min。
9.根据权利要求6所述的复合图形化蓝宝石衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤（5）中微图形凸起于凸起结构表面，微图形深度为30~500nm，宽度为30~600nm。
10.一种外延片的制作方法，所述方法包括：
采用在权利要求 1~9所述的制作方法制作复合图形化蓝宝石衬底，并在衬底上依次发光外延层，制成外延片。
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