CN107507890A - 一种图形化蓝宝石衬底的制备方法 - Google Patents

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成交错排布的周期性沟道阵列；步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗；步骤3：在蓝宝石衬底表面沉积一层介质薄膜层；步骤4：在沉积有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成掩膜图形；步骤5：将掩膜图形转移到蓝宝石衬底上，该蓝宝石衬底表面形成有微结构图形，经过清洗后，获得带有介质沟道的图形化蓝宝石。本发明有效地避免了Micro‑LED光电性能损伤问题，并提高制程良率，降低生产成本。

Description

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及到一种应用于微小尺寸发光二极管（Micro-LED）外延的图形化蓝宝石衬底的制备方法。
背景技术
Micro-LED是指芯片尺寸范围分布在1-100微米以内的小尺寸LED。由于其高出光效率、低功耗、高分辨率与色彩饱和度等优势，将大大拓展LED的应用领域。在下一代显示技术中，Micro-LED技术有望取代“背光源+液晶”的传统显示技术，给LED行业开辟新的发展空间。然而，实现Micro-LED产业化，仍有许多技术瓶颈待突破，其中最为关键的一点是如何将2-6英寸直径的LED芯片晶圆分割成独立的小尺寸Micr-LED单元，并保证批量生产中的产品良率和芯片性能。
目前GaN基LED外延所采用的衬底材料包括蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）等，其中蓝宝石衬底是主流衬底。GaN基LED的切割方式主要是紫外激光切割。紫外激光切割的工作原理是利用高能量的激光聚焦在LED芯片表面，烧蚀出切割槽，再进行劈裂和扩膜处理，即得到分离的芯片单元。然而，由于激光烧蚀会使得芯片边缘区域受到损伤，影响电学性能；另外，切割过程产生的残渣落在芯片表面不易清理，影响出光效率。特别地，对于Micro-LED这类小尺寸芯片，若仍采用激光切割方式进行芯片分离，芯片面积的受损比例相对更大，有效发光区域缩小，势必对Micro-LED的光电性能产生严重影响，以及降低批量生产过程中的成品率。如何实现Micro-LED芯片分离是制约该产业发展的一大挑战。
发明内容
本发明要解决的技术问题是一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，有效地避免了Micro-LED光电性能损伤问题，并提高制程良率，降低生产成本。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：
一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干沟道交错排布的周期性沟道阵列；
步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗；
步骤3：在蓝宝石衬底表面沉积一层介质薄膜层；
步骤4：在沉积有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成掩膜图形；
步骤5：将掩膜图形转移到蓝宝石衬底上，该蓝宝石衬底表面形成有微结构图形，经过清洗后，获得带有介质沟道的图形化蓝宝石。
所述步骤1中交错排布的周期性沟道阵列，横向与纵向沟道的夹角控制在30°-90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm。
所述步骤1中的沟道，沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为50μm-100μm，沟道侧壁倾斜度为60°-90°。
所述步骤2具体包括：将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。
所述步骤3具体包括：将蓝宝石衬底放入等离子体增强化学气相沉积真空室中，预热、抽真空、通入工艺气体，沉积速率控制在20-50nm/min,在蓝宝石衬底上沉积一层厚度在100nm-3μm间的介质薄膜层，该介质薄膜层为SiO2薄膜层或SixNy薄膜层。
所述步骤4具体采用光刻或者压印方式形成掩膜图形。
所述步骤5中的图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼和三氟甲烷，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，采用SiO2或SixNy材料刻蚀且刻蚀速率为100-300 nm/ min, 蓝宝石衬底刻蚀速率为30-100 nm/min，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，然后转移到蓝宝石衬底上。
所述步骤5中的图形转移具体采用湿法腐蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入氢氟酸溶液中，介质薄膜层表面没有被掩膜图形遮挡的区域被氢氟酸溶液腐蚀掉，露出蓝宝石衬底表面，然后去除残余掩膜图形后，掩膜图形转移到介质薄膜层，得到介质掩膜图形，接着将蓝宝石衬底放入浓硫酸与浓磷酸混合溶液中，浓硫酸与浓磷酸的体积比为3:1-5:1，溶液温度为250℃-300℃，腐蚀时间为5-20min，在蓝宝石衬底表面形成微结构图形。
所述微结构图形为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形形貌为类圆锥形、圆台形、三棱锥形或三棱台形。
本发明具有以下有益效果：
（1）采用本发明的蓝宝石衬底进行GaN基LED外延，由于采用SiO2或SixNy等异质材料进行沟道填充，在沟道区域不会生长出GaN晶体，外延过程结束后直接在蓝宝石基板上获得相互独立的高性能的Micro-LED外延片单元。将蓝宝石基板减薄至沟道接触面时，不需要进行激光切割，只要采用常温HF溶液进行腐蚀就可以获得完全独立的Micro-LED单元，避免了因激光切割导致的LED发光区损伤，导致Micro-LED光电性能下降的问题；另外，Micro-LED芯片制程成品通过率高，避免了激光切割导致芯片废品率高的问题；
（2）本发明的图形化蓝宝石衬底，其微结构图形由顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层双层不同折射率材料组成，通过控制二种材料的成分和占比，有利于进一步优化Micro-LED光束的远场角分布和提升出光效率。
附图说明
附图1本发明方法制备得到的图形化蓝宝石衬底的俯视示意图；
附图2为本发明流程示意图；
附图3是本发明基于等离子体干法刻蚀技术的图形化蓝宝石衬底制备的工艺流程图；
附图4是本发明基于等离子干法刻蚀技术所实现的图形化蓝宝石衬底微结构图形结构示意图；
附图5是本发明提供的基于湿法腐蚀技术的图形化蓝宝石衬底制备的工艺流程图；
附图6是本发明基于湿法腐蚀技术所实现的图形化蓝宝石衬底微结构图形结构示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的描述。
实施例一
如附图1、2、3和4所示，本发明揭示了一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底1放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干个沟道2交错排布的周期性沟道阵列。横向与纵向沟道的夹角控制在30°-90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm，沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为50μm-100μm，沟道侧壁倾斜度为60°-90°。比如，可具体为：横向与纵向沟道的夹角是30°、60°或90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm、30μm、60μm或100μm，沟道宽度为10μm、20μm、30μm或者50μm，沟道侧壁倾斜度为60°、70°、80°或者90°。具体的数字还可在上述区间范围内灵活选择。
步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗。将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1，混合溶液温度控制在100℃，清洗时间为30分钟。
步骤3：在蓝宝石衬底1表面沉积一层介质薄膜层3，该介质薄膜层也覆盖在沟通表面，该介质薄膜层为SiO2薄膜层。将蓝宝石衬底放入等离子体增强化学气相沉积真空室中，预热、抽真空、通入工艺气体，沉积速率控制在20nm/min,在蓝宝石衬底上沉积一层厚度在100nm的介质薄膜层。
步骤4：在沉积有介质薄膜层3的蓝宝石衬底1上形成掩膜图形。采用光刻方式，通过对蓝宝石衬底进行涂胶、前烘、曝光、显影，得到光刻胶掩膜图形4。
步骤5：将掩膜图形4转移到蓝宝石衬底1上，该蓝宝石衬底1表面形成有微结构图形5，经过清洗后，获得带有介质沟道的图形化蓝宝石。该图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼和三氟甲烷，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，采用SiO2或SixNy材料刻蚀且刻蚀速率为100-300 nm/min, 蓝宝石衬底刻蚀速率为30-100 nm/min，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，然后转移到蓝宝石衬底上，由于沟道区光刻胶掩膜残留相对多，沟道侧壁和底部的介质材料得以保留，即沟道的表面形成有一层介质薄膜层。得到的微结构图形为三棱台形，该微结构图形5的顶部为介质薄膜材料51、下部为蓝宝石材料52。通过刻蚀，使得微结构图形的底面即蓝宝石衬底表面与介质沟道平齐。
实施例二
如附图1、2、5和6所示，本发明揭示了一种图形蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底1放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干沟道2交错排布的周期性沟道阵列。该周期性沟道阵列，横向与纵向沟道阵列的夹角控制在30°-90°，横向与纵向沟道阵列的周期分布在10μm-100μm，沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为50μm-100μm，沟道侧壁倾斜度为60°-90°。比如，可具体为：横向与纵向沟道阵列的夹角是40°、50°或80°，横向与纵向沟道阵列的周期分布在20μm、40μm、70μm或90μm，沟道宽度为15μm、25μm、35μm或者45μm，沟道侧壁倾斜度为65°、75°、85°或者90°。具体的数字还可在上述区间范围内灵活选择。
步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底1进行清洗。将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为3:1，混合溶液温度控制在150℃，清洗时间为10分钟。
步骤3：在蓝宝石衬底1表面沉积一层介质薄膜层3，该介质薄膜层为SixNy薄膜层。将蓝宝石衬底放入等离子体增强化学气相沉积PECVD真空室中，预热、抽真空、通入工艺气体，沉积速率控制在50nm/min,在蓝宝石衬底上沉积一层厚度在3μm的介质薄膜层。
步骤4：在沉积有介质薄膜层3的蓝宝石衬底1上形成掩膜图形4。采用压印方式，通过压印模板制备、涂胶、压印和脱模，得到压印胶掩膜图形。
步骤5：将掩膜图形4转移到蓝宝石衬底1上，该蓝宝石衬底表面形成有微结构图形5，经过清洗后，获得带有介质沟道的图形化蓝宝石。图形转移具体采用湿法腐蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入氢氟酸溶液中，介质薄膜层表面没有被掩膜图形遮挡的区域被氢氟酸溶液腐蚀掉，露出蓝宝石衬底表面，然后去除残余掩膜图形后，掩膜图形转移到介质薄膜层，得到介质掩膜图形，接着将蓝宝石衬底放入浓硫酸与浓磷酸混合溶液中，浓硫酸与浓磷酸的体积比为3:1-5:1，溶液温度为250℃-300℃，腐蚀时间为5-20min，在蓝宝石衬底表面形成微结构图形5，该微结构图形5顶部为介质薄膜材料51、下部为蓝宝石材料52。即先去除残余的掩膜图形，然后再进行腐蚀处理。得到的微结构图形的形貌为圆台形。
此外，所述微结构图形的形貌还可为类圆锥形、三棱锥形或三棱台形，或者其他形状，在此不再一一列举。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将蓝宝石衬底放入激光切割机器上进行切割，在蓝宝石衬底表面形成由若干沟道交错排布的周期性沟道阵列；
步骤2：对带有沟道阵列的蓝宝石衬底进行清洗；
步骤3：在蓝宝石衬底表面沉积一层介质薄膜层；
步骤4：在沉积有介质薄膜层的蓝宝石衬底上形成掩膜图形；
步骤5：将掩膜图形转移到蓝宝石衬底上，该蓝宝石衬底表面形成有微结构图形，经过清洗后，获得带有介质沟道的图形化蓝宝石。
2.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤1中交错排布的周期性沟道阵列，横向与纵向沟道的夹角控制在30°-90°，横向与纵向沟道的周期分布在10μm-100μm。
3.根据权利要求2所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的沟道，沟道宽度为10μm-50μm，沟道深度为50μm-100μm，沟道侧壁倾斜度为60°-90°。
4.根据权利要求3所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水的混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。
5.根据权利要求4所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：将蓝宝石衬底放入等离子体增强化学气相沉积真空室中，预热、抽真空、通入工艺气体，沉积速率控制在20-50nm/min,在蓝宝石衬底上沉积一层厚度在100nm-3μm间的介质薄膜层，该介质薄膜层为SiO2薄膜层或SixNy薄膜层。
6.根据权利要求5所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体采用光刻或者压印方式形成掩膜图形。
7.根据权利要求6所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤5中的图形转移具体采用等离子干法刻蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP设备真空室内，抽真空，通入工艺气体，工艺气体包括三氯化硼和三氟甲烷，上电极功率为1000-1500W，下电极功率为100-700W，采用SiO2或SixNy材料刻蚀且刻蚀速率为100-300 nm/min, 蓝宝石衬底刻蚀速率为30-100 nm/min，整个刻蚀过程，掩膜图形首先转移到介质薄膜层，然后转移到蓝宝石衬底上。
8.根据权利要求6所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述步骤5中的图形转移具体采用湿法腐蚀方式，将带有掩膜图形的蓝宝石衬底放入氢氟酸溶液中，介质薄膜层表面没有被掩膜图形遮挡的区域被氢氟酸溶液腐蚀掉，露出蓝宝石衬底表面，然后去除残余掩膜图形后，掩膜图形转移到介质薄膜层，得到介质掩膜图形，接着将蓝宝石衬底放入浓硫酸与浓磷酸混合溶液中，浓硫酸与浓磷酸的体积比为3:1-5:1，溶液温度为250℃-300℃，腐蚀时间为5-20min，在蓝宝石衬底表面形成微结构图形。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述微结构图形为包括顶部介质材料层和底部蓝宝石材料层，微结构图形形貌为类圆锥形、圆台形、三棱锥形或三棱台形。
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