CN108269888B - 一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法及应用，属于光电子技术领域，包括以下步骤：(1)在蓝宝石衬底上沉积一层光刻胶掩膜；(2)利用光刻对版进行曝光；(3)显影出光刻胶图形；(4)利用光刻胶做掩膜，激光刻蚀蓝宝石衬底，得到半球状蓝宝石图形衬底；(5)清洗衬底，利用加热的浓硫酸清洗衬底，得到半球状蓝宝石图形衬底。本发明通过光刻胶作掩膜，利用激光刻蚀光刻胶掩膜，有效的利用激光刻蚀过程中的钻蚀性制备出半球状图形衬底。解决了干法刻蚀蓝宝石价格比较昂贵的问题，湿法腐蚀图形失真的问题，工艺简单，便于操作，效率高，同时降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法及应用，属于光电子技术领域。
背景技术
从目前LED芯片来看，衬底材料的选用是首要考虑的问题。目前市面上一般有三种材料可作为衬底：蓝宝石、Si、SiC。图形衬底的制备以蓝宝石为例来说明。蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。但是金属透明电极一般要吸收约30％～40％的光，这严重影响发光效率。横向外延技术可以有效地降低外延层的位错密度。但传统的横向外延生长技术工艺复杂，而且横向外延生长的掩膜区薄膜会发生向下的晶向倾斜以及在掩膜区边界处会产生一些小角度晶界。为了克服传统横向外延生长存在的几个问题，利用横向外延生长原理，对蓝宝石进行表面处理，并结合MOCVD薄膜生长技术，在蓝宝石衬底上生长低位错密度、优异光学性能的GaN薄膜。
通过透明接触层，倒金字塔结构，倒装芯片，垂直结构，表面粗化，布拉格反射层(DBR)结构，光子晶体等技术改进能够有效的提高芯片的光提取效率，而蓝宝石图形化衬底(PSS)技术由于能够降低外延层应力、改善晶体生长性能、增加GaN/蓝宝石接触面逸出角等优势，近年来成为关注的焦点。
中国专利文献CN201410289596.1公开了一种《一种蓝宝石图形衬底制备方法》，包括如下步骤：步骤1：对蓝宝石切割片进行双面研磨，形成蓝宝石粗磨晶片；步骤2：对所述蓝宝石粗磨晶片进行单面精密研磨，形成蓝宝石精磨晶片；步骤3：在所述未经精抛的蓝宝石精磨晶片上直接形成刻蚀图形化结构，所述刻蚀图形化结构与蓝宝石精磨晶片上的粗化表面共同提高蓝宝石图形衬底光提取效率。该方案采用双面研磨，然后刻蚀图形，操作繁琐，衬底容易破裂。
中国专利文献CN201110222427.2公开了一种《一种图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀方法》，包括：包括以下步骤：先主刻蚀步骤，然后进行图形轮廓修饰刻蚀步骤；所述主刻蚀步骤具体指先将表面做有周期性排列的光刻胶图形的蓝宝石衬底装入ICP刻蚀设备中，设定ICP刻蚀设备的一些工艺参数，将光刻胶图形转移到蓝宝石衬底上，在蓝宝石衬底上初步形成所需的图形轮廓；所述图形轮廓修饰刻蚀步骤具体指通过再次调整ICP刻蚀设备的一些工艺参数，将主刻蚀阶段刻蚀出来的图形进一步做表面轮廓修饰处理利用ICP干法刻蚀蓝宝石，生产成本高。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法。
本发明还提供一种上述制备方法的应用。
本发明的技术方案如下：
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，包括以下步骤：
(1)旋转蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上涂上一层光刻胶，烘烤；
(2)利用光刻对版进行曝光；
(3)显影出光刻胶图形，然后烘烤；
(4)利用光刻胶做掩膜，激光刻蚀蓝宝石衬底，得到半球状蓝宝石图形衬底；
(5)清洗步骤(4)中的半球状蓝宝石图形衬底。步骤(4)中得到的半球状蓝宝石图形衬底是表面有杂质的衬底，不能用来直接生长外延层，经过步骤(5)的衬底清洗后，干净的衬底可用于生长外延层的衬底。
步骤(4)中的激光刻蚀是利用激光高能量的原理，刻蚀蓝宝石衬底，物理与化学原理相结合的工作原理。利用光刻胶做掩膜，光刻胶掩膜在激光刻蚀过程中，会不断缩小，减小掩膜的区域，最终刻蚀成半球状图形，对带有光刻胶图形的衬底进行激光刻蚀，通过控制激光功率，进行刻蚀，未覆盖掩膜的衬底区域受刻蚀的速率大于覆盖掩膜的衬底区域，在刻蚀过程中，由于掩膜受激光高能量影响，掩膜面积会逐渐减小，刻蚀的深度会不断增加，形成横向与纵向的刻蚀比，横向速率小于纵向速率，刻蚀完成后从而形成半球状的衬底。
根据本发明优选的，所述步骤(1)中，旋转采用两个不同的旋转速度，第一转速200-3000转/min，第二转速2500-7000转/min，烘烤5-30min。设置两个不同转速，先慢转速后快转速，一遍光刻胶能均匀的涂在衬底表面。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中，曝光时间1s-20s。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，显影液为碱性溶液，显影时间为5s-60s。
根据本发明优选的，所述步骤(3)中，烘烤时间为5-30min。
根据本发明优选的，所述步骤(4)中，激光刻蚀的激光功率为20～200W。激光刻蚀的工艺点在于激光功率的选择，低功率的激光起不到刻蚀的作用，需要选择高功率的激光器，才具有高能量的作用，还需要高功率的激光将刻蚀的少量残渣蚀掉。
根据本发明优选的，所述步骤(5)中，利用加热的浓硫酸清洗步骤(4)中的半球状蓝宝石图形衬底。
一种利用上述激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法制备的蓝宝石图形衬底，在衬底的表面上均匀分布有半球状突起。
根据本发明优选的，所述半球状突起在衬底表面呈行排列，相邻两行交错设置，任意两个相邻的半球状突起之间的距离均相等。设置如此图形的分布符合蓝宝石本身的晶向，刻蚀形成图形衬底后更容易生长外延层。
对上述方法制备的图形衬底利用显微镜观察，利用光刻胶做掩膜，进行激光刻蚀，由于激光刻蚀温度升高，光刻胶掩膜图形在刻蚀的过程中随之减小，最终刻蚀出半球状图形衬底，激光刻蚀速率容易控制，有效的利用激光刻蚀过程中的钻蚀性制备出半球状图形衬底，工艺简单，便于操作，效率高，同时降低生产成本。
本发明的优良效果如下：
本发明通过光刻胶作掩膜，利用激光刻蚀光刻胶掩膜，有效的利用激光刻蚀过程中的钻蚀性制备出半球状图形衬底，可控性高，工艺简单，便于操作，效率高，同时降低生产成本，解决了干法刻蚀蓝宝石价格比较昂贵、工艺复杂、可控性不高的问题，以及湿法腐蚀图形失真的问题，利用本发明制得的衬底可增加出光效率。
附图说明
图1是蓝宝石图形衬底上光刻胶。
图2是通过光刻胶光刻显影作出的掩膜图形的示意图。
图3是本发明通过激光制备的半球状蓝宝石图形衬底的示意图。
图4是本发明通过激光制备的半球状蓝宝石图形衬底的成品效果图。
其中，1、掩膜，2、衬底。
具体实施方式
下面通过实施例并结合说明书附图对本发明的技术方案进一步描述，但不限于此。
实施例1
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，包括以下步骤：
(1)旋转蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上涂上一层光刻胶，烘烤；旋转采用两个不同的旋转速度，第一转速500转/min，第二转速3000转/min，烘烤时间为10min；制得如图1所示；
(2)利用光刻对版进行曝光；曝光时间为15s；
(3)显影出光刻胶图形，显影液为碱性溶液，显影时间为25s；然后烘烤，烘烤时间为15min；制得如图2所示；
(4)利用光刻胶做掩膜，利用激光刻蚀设备进行激光刻蚀蓝宝石衬底，激光功率为130W，得到半球状蓝宝石图形衬底；
(5)利用加热的浓硫酸清洗步骤(4)中的半球状蓝宝石图形衬底，如图3所示。步骤(4)中得到的半球状蓝宝石图形衬底是表面有杂质的衬底，不能用来直接生长外延层，经过步骤(5)的衬底清洗后，干净的衬底可用于生长外延层的衬底。
步骤(4)中的激光刻蚀是利用激光高能量的原理，刻蚀蓝宝石衬底，物理与化学原理相结合的工作原理。利用光刻胶做掩膜，对带有光刻胶图形的衬底进行激光刻蚀，通过控制不同位置的激光功率，未覆盖掩膜的衬底区域受刻蚀的速率大于覆盖掩膜的衬底区域，从而形成半球状的衬底。掩膜随着刻蚀的进行，掩膜不断的减小，最终完成刻蚀，制备出半球状图形。
实施例2
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，第一转速200转/min，第二转速2500转/min，烘烤时间为5min。
实施例3
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(1)中，第一转速3000转/min，第二转速7000转/min，烘烤时间为30min。
实施例4
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，曝光时间为10s。
实施例5
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中，曝光时间为20s。
实施例6
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，显影时间为5s；然后烘烤，烘烤时间为5min。
实施例7
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中，显影时间为60s；然后烘烤，烘烤时间为30min。
实施例8
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，激光刻蚀的激光功率为20W。
实施例9
一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤(4)中，激光刻蚀的激光功率为200W。
实施例10
一种利用实施例1所述激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法制备的蓝宝石图形衬底，在衬底的表面上均匀分布有半球状突起；半球状突起在衬底表面呈行排列，相邻两行交错设置，任意两个相邻的半球状突起之间的距离均相等，如图4所示。
Claims (4)
1.一种利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)旋转蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底上涂上一层光刻胶，烘烤；所述旋转采用两个不同的旋转速度，第一转速200-3000转/min，第二转速2500-7000转/min，烘烤5-30min；
(2)利用光刻对版进行曝光，曝光时间1s-20s；
(3)显影出光刻胶图形，然后烘烤，显影液为碱性溶液，显影时间为25s，烘烤时间为5-30min；
(4)利用光刻胶做掩膜，激光刻蚀蓝宝石衬底，得到具有半球状突起的蓝宝石图形衬底，激光刻蚀的激光功率为20～200W；利用光刻胶做掩膜，对带有光刻胶图形的衬底进行激光刻蚀，通过控制不同位置的激光功率，未覆盖掩膜的衬底区域受刻蚀的速率大于覆盖掩膜的衬底区域，从而形成具有半球状突起的衬底；掩膜随着刻蚀的进行，掩膜不断的减小，最终完成刻蚀，制备出半球状突起图形；
(5)清洗步骤(4)中的具有半球状突起的蓝宝石图形衬底。
2.根据权利要求1所述的利用激光刻蚀制备蓝宝石图形衬底的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，利用加热的浓硫酸清洗步骤(4)中的具有半球状突起的蓝宝石图形衬底。
3.一种利用权利要求1-2任意一项权利要求所述的方法制备的蓝宝石图形衬底，在衬底的表面上均匀分布有半球状突起。
4.根据权利要求3所述的蓝宝石图形衬底，其特征在于，所述半球状突起在衬底表面呈行排列，相邻两行交错设置，任意两个相邻的半球状突起之间的距离均相等。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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