CN110429160A - 一种高亮度pss复合衬底及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高亮度PSS复合衬底及其制作方法，该高亮度PSS复合衬底，包括双面抛光的蓝宝石平片，设置在蓝宝石平片上表面的一组相互间隔的金属颗粒，所述金属颗粒上覆盖有一层SiO2。该高亮度PSS复合衬底的制作方法包括蒸镀金属、形成金属颗粒、在金属颗粒上沉积二氧化硅等工艺，从而获得高亮度PSS复合衬底。通过本发明获得的PSS复合衬底大大减少了光的的折射，增加光的反射效率，从而大大提高了蓝宝石衬底的LED芯片亮度。可广泛应用于蓝宝石衬底的制作和加工领域。
Description
技术领域
本发明涉及LED衬底制造领域，尤其是涉及一种高亮度PSS复合衬底及其制作方法。
背景技术
众所周知，PSS(图形化蓝宝石衬底)处于LED显示行业中上游流程，起着至关重要的作用，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的寿命等诸多优势。目前普遍采用微纳米图案化蓝宝石衬底技术，通过在外延的蓝宝石衬底表面制作出有周期排列的锥形图形，利用蓝宝石图形化衬底上锥形斜面势能高的特性，控制外延生长参数长出较高质量的GaN。但随着LED显示行业的飞速发展，消费市场对产品品质和亮度要求越来越高，目前传统微纳米图案化蓝宝石衬底的LED芯片亮度技术上遇到瓶颈，如果能提高约2％以上将是革命性的突破。
伴随着消费市场的高要求，目前传统微纳米图案化蓝宝石衬底难以满足要求，因此必须从材料和结构方面入手，采用新的蓝宝石衬底制备方法以满足人们的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高亮度PSS复合衬底及其制作方法，用于进一步提高蓝宝石衬底的亮度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高亮度PSS复合衬底，包括双面抛光的蓝宝石平片，设置在蓝宝石平片上表面的一组相互间隔的金属颗粒，所述金属颗粒上覆盖有一层SiO2。
优选的，所述金属颗粒的高度为5～2000nm，金属颗粒上SiO2的厚度为0.5～2.0μm。
本发明还提供了一种高亮度PSS复合衬底的制作方法，制备方法包括以下步骤：
(1)首先选择一表面平整且双面抛光的蓝宝石平片，清洗去除表面的杂质；
(2)在蓝宝石平片的上表面蒸镀一层金属涂层；
(3)对金属涂层进行处理，使金属涂层形成分布在蓝宝石表面的一组金属颗粒；
(4)在金属颗粒及蓝宝石表面涂覆一层负性光刻胶涂层，并通过曝光、显影去除金属颗粒上方的负性光刻胶涂层；
(5)利用化学气相沉积方法在负性光刻胶涂层及金属颗粒上沉积一层SiO2；
(6)清洗去除光刻胶，得到高亮度复合衬底。
进一步的，所述步骤(1)中的蓝宝石平片先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
优选的，所述步骤(2)金属涂层厚度为5～2000nm，所述金属涂层的材料为Au、Ag、Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Al中的一种或者几种金属的混合物。
优选的，所述步骤(3)中采用退火工艺对金属涂层进行处理，退火温度为500～1000℃，退火时间为0.5～15分钟。
作为金属颗粒的另一形成方式，所述步骤(3)金属颗粒的形成具体步骤如下：在金属涂层上涂覆一层正性光刻胶涂层，并通过曝光、显影去除不需要的部分在金属涂层上形成一组光刻胶柱；然后采用湿法腐蚀工艺对金属涂层进行腐蚀，使金属涂层形成金属颗粒，最后通过光阻去除剂(EKC)清洗去除顶部光刻胶。
优选的，所述步骤(4)中负性光刻胶涂层厚度为0.5～3.0μm，从蓝宝石平片相对于有金属颗粒的另一面对蓝宝石平片进行曝光，以金属颗粒代替光刻板作为遮挡进行曝光，曝光时间为3～20s，显影时去除金属颗粒遮挡位置光刻胶。
优选的，所述步骤(5)中SiO2厚度为0.5～2.0μm，化学气相沉积方法使用的腔体温度为100～500℃。
优选的，所述步骤(6)中清洗时使用的化学溶剂为浓H2SO4和H2O2混合溶液，浓H2SO4和H2O2比例为3:1。
本发明的有益效果：与传统图形化蓝宝石衬底相比，本方案通过金属颗粒构成金属化图形，金属化图形能够大大减少了光的折射，增加光的反射效率，从而大大提高由该蓝宝石平片制备的LED芯片的亮度，经过试验验证，采用本金属化图形的LED芯片亮度能够提高5％以上。又由于金属颗粒直接暴露在空气中，易氧化，从而影响整个蓝宝石平片的性能，因此，在金属颗粒上包裹一层SiO2涂层，SiO2涂层可以防止金属直接与空气接触，从而避免金属颗粒易氧化的问题。且SiO2折射率1.45小于蓝宝石折射率1.76，能够有效增加衬底对光的散射效果，进而提高LED芯片的发光效率。因此，金属颗粒与SiO2涂层形成的复合图形可以有效的减少光的折射，增加光的反射效率，从而提高由该蓝宝石平片制备的LED芯片的亮度，且该结构性能稳定，可靠性好。所述复合衬底的制作方法，具有工艺流程简单，加工效率高，成本低的优点。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
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为本发明实施例2的工艺流程图。
图2为本发明中在蓝宝石平片上蒸镀金属涂层的剖面示意图。
图3为本发明形成金属颗粒的剖面示意图。
图4为本发明在金属颗粒上涂覆负性光刻胶涂层的剖面示意图。
图5为本发明对涂覆负性光刻胶涂层的蓝宝石平片进行曝光的剖面示意图。
图6为本发明在负性光刻胶涂层曝光显影后沉积一层SiO2的剖面示意图。
图7为本发明获得的高亮度PSS复合衬底的剖面示意图。
图8为本发明实施例3的工艺流程图。
图9为本发明实施例3中在金属涂层上涂覆一层正性光刻胶涂层的剖面示意图。
图10为本发明实施例3中在金属涂层上形成一组光刻胶柱的剖面示意图。
图11为本发明实施例3中对有光刻胶柱的金属涂层进行湿法腐蚀得到金属颗粒后的剖面示意图。
具体实施方式
实施例1：一种高亮度PSS复合衬底，如图7所示，包括双面抛光的蓝宝石平片1，设置在蓝宝石平片1上表面的一组相互间隔的金属颗粒2构成金属化图形，所述金属颗粒3上覆盖有一层SiO2 6。所述金属颗粒的材料为Au、Ag、Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Al中的一种或者几种金属的混合物。所述金属颗粒3的高度为5～2000nm，金属颗粒2上SiO2 6的厚度为0.5～2.0μm。本发明通过在双面抛光的蓝宝石平片上设置金属化图形，能够大大提高PSS复合衬底制备的LED芯片亮度，同时，为防止金属化图形暴露后氧化，在金属颗粒的表面覆盖一层SiO2 6，SiO2 6即能够防止金属颗粒的氧化，同时还会提升PSS复合衬底制备的LED芯片亮度。
实施例2：一种高亮度PSS复合衬底的制作方法，工艺流程如图1所示，具体制备方法包括以下步骤：
(1)首先提供一表面平整的蓝宝石平片1，该平片经过双面抛光处理，背面可透光，即双面抛光的蓝宝石平片。蓝宝石平片1先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
(2)将清洗后的蓝宝石平片1放置在电子枪蒸镀机腔体内，利用加速电子轰击镀膜所用的金属材料，电子的动能转换成热能使金属材料加热至2000～6000℃使其蒸发，然后镀在蓝宝石平片的表面，制备一层5～2000nm金属涂层2，如图2所示，所述金属涂层2的材料为Au、Ag、Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Al中的一种或者几种金属的混合物。金属涂层2还可以采用原子层沉积、溅镀等镀膜工艺形成。
(3)将蒸镀一层金属层的蓝宝石平片1送至退火炉进行退火处理，退火炉内温度加热到500～1000℃，退火时间为0.5～15分钟，使金属涂层形成分布在蓝宝石表面的一组金属颗粒3，即金属化图形；如图3所示。
(4)在金属化图形及蓝宝石表面涂覆一层负性光刻胶涂层4，厚度为0.5～3.0μm，从蓝宝石平片相对于有金属颗粒3的另一面对蓝宝石平片进行曝光，如图5箭头所示方向，以金属颗粒代替光刻板作为遮挡进行曝光，省去了光刻板，有效节约生产成本，曝光时间为3～20s，然后通过显影工艺去除金属颗粒遮挡位置的光刻胶，得到如图5所示的结构。
(5)利用等离子增强化学气相沉积方法在负性光刻胶涂层及金属颗粒3上沉积一层SiO2 6；PECVD(等离子增强化学气相沉积)所使用的腔体温度为100～500℃，SiO2厚度为0.5～2.0μm，具体根据金属图案大小流动性变更，通过SiO2涂层的涂覆，可以为金属涂层提供一层保护膜，又由于SiO2折射率1.45小于蓝宝石折射率1.76，能够有效增加衬底对光的散射效果，进而提高LED芯片的发光效率。所得结构如图6所示。
(6)通过化学溶剂浓H2SO4和H2O2混合溶液对晶片进行清洗，由于浓H2SO4和H2O2混合溶液只与光刻胶发生化学反应，不与SiO2发生化学反应，清洗后蓝宝石平片上只保留金属颗粒及其表面的SiO2，从而在蓝宝石平片上形成复合图形，获得高亮度复合衬底。而光刻胶去除后金属颗粒之间的蓝宝石表面外露，方便后道工序进行外延生长。优选的，浓H2SO4和H2O2比例为3:1，所述浓H2SO4为98％的浓H2SO4，所述H2O2的浓度为35％。
实施例3：一种高亮度PSS复合衬底的制作方法，工艺流程如图8所示，具体制备方法包括以下步骤：
(1)首先选择一表面平整且双面抛光的蓝宝石平片1，先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
(2)将清洗后的蓝宝石平片1放置在电子枪蒸镀机腔体内，利用加速电子轰击镀膜所用的金属材料，电子的动能转换成热能使金属材料加热至2000～6000℃使其蒸发，然后镀在蓝宝石平片1的表面，如图2所示，所述金属涂层2的材料为Au、Ag、Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Al中的一种或者几种金属的混合物。金属涂层还可以采用原子层沉积、溅镀等镀膜工艺形成。
步骤(3)在金属涂层上涂覆一层膜厚为0.5～3.0μm正性光刻胶涂层7，如图9所示；然后曝光处理，曝光时间为50～400ms，在曝光的过程中通过光刻板遮挡不需要曝光的部分，从正性光刻胶涂层的上方对正性光刻胶涂层进行曝光；再通过显影工艺选择性的去除不需要的部分在金属涂层上形成一组正性光刻胶柱8；如图10所示。然后采用湿法腐蚀工艺对金属涂层进行腐蚀，所述金属以铝为例，可使用keller腐蚀剂，具体的配方为95ml水、2.5mlHNO3、1.5mlHCl、1.0mlHF,使金属涂层形成金属颗粒3，此处腐蚀剂不固定为同一种溶剂，金属涂层为不同金属，使用相对应的腐蚀剂。最后通过EKC(光阻去除剂)清洗去除顶部光刻胶，获得如图11所示的金属化图形。该方法相对于退火工艺而言，其金属颗粒的分布和大小更容易控制，从而得到所需的金属化图形布局。
(4)在金属颗粒及蓝宝石表面涂覆一层负性光刻胶涂层，厚度为0.5～3.0μm，从蓝宝石平片相对于有金属颗粒的另一面对蓝宝石平片进行曝光，以金属颗粒代替光刻板作为遮挡进行曝光，省去了光刻板，有效节约生产成本，曝光时间为3～20s，然后通过显影工艺去除金属颗粒遮挡位置的光刻胶，，得到如图5所示的结构。
(5)利用等离子增强化学气相沉积方法在负性光刻胶涂层及金属颗粒上沉积一层SiO2；PECVD(等离子增强化学气相沉积)所使用的腔体温度为100～500℃，SiO2厚度为0.5～2.0μm，具体根据金属图案大小流动性变更，通过SiO2涂层的涂覆，可以为金属氧化提供一层保护膜，又由于SiO2折射率1.45小于蓝宝石折射率1.76，能够有效增加衬底对光的散射效果，进而提高LED芯片的发光效率。所得结构如图6所示。
(6)通过化学溶剂浓H2SO4和H2O2混合溶液对晶片进行清洗，由于浓H2SO4和H2O2混合溶液只与光刻胶发生化学反应，不与SiO2发生化学反应，清洗后蓝宝石平片上只保留金属颗粒及其表面的SiO2，得到高亮度复合衬底，而光刻胶去除后金属颗粒之间的蓝宝石表面外露，方便后道工序进行外延生长。优选的，浓H2SO4和H2O2比例为3:1，所述浓H2SO4为98％的浓H2SO4，所述H2O2的浓度为35％。
以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高亮度PSS复合衬底，其特征在于：包括双面抛光的蓝宝石平片(1)，设置在蓝宝石平片(1)上表面的一组相互间隔的金属颗粒(3)，所述金属颗粒(3)上覆盖有一层SiO2(6)。
2.根据权利要求1所述的高亮度PSS复合衬底，其特征在于：所述金属颗粒(3)的高度为5～2000nm，金属颗粒(3)上SiO2(6)的厚度为0.5～2.0μm。
3.一种高亮度PSS复合衬底的制作方法，制备方法包括以下步骤：
(1)首先选择一表面平整且双面抛光的蓝宝石平片，清洗去除表面的杂质；
(2)在蓝宝石平片的上表面蒸镀一层金属涂层；
(3)对金属涂层进行处理，使金属涂层形成分布在蓝宝石表面的一组金属颗粒；
(4)在金属颗粒及蓝宝石表面涂覆一层负性光刻胶涂层，并通过曝光、显影去除金属颗粒上方的负性光刻胶涂层；
(5)利用化学气相沉积方法在负性光刻胶涂层及金属颗粒上沉积一层SiO2；
(6)清洗去除光刻胶，得到高亮度复合衬底。
4.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(1)中的蓝宝石平片先经过丙酮刷洗5～10分钟，然后在90℃的浓H2SO4与H2O2体积比为3:1或5:2的混合溶液中清洗10～15分钟，再用80℃的去离子水清洗8～10分钟，最后用25℃的去离子水清洗5～10分钟，然后高速甩干3～10分钟。
5.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)金属涂层厚度为5～2000nm，所述金属涂层的材料为Au、Ag、Ni、Co、Fe、Cu、Pt、Pd、Al中的一种或者几种金属的混合物。
6.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用退火工艺对金属涂层进行处理，退火温度为500～1000℃，退火时间为0.5～15分钟。
7.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)金属颗粒的形成具体步骤如下：在金属涂层上涂覆一层正性光刻胶涂层，并通过曝光、显影去除不需要的部分在金属涂层上形成一组光刻胶柱；然后采用湿法腐蚀工艺对金属涂层进行腐蚀，使金属涂层形成金属颗粒，最后通过光阻去除剂清洗去除顶部光刻胶。
8.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中负性光刻胶涂层厚度为0.5～3.0μm，从蓝宝石平片相对于有金属颗粒的另一面对蓝宝石平片进行曝光，以金属颗粒代替光刻板作为遮挡进行曝光，曝光时间为3～20s，显影时去除金属颗粒遮挡位置光刻胶。
9.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中SiO2厚度为0.5～2.0μm，化学气相沉积方法使用的腔体温度为100～500℃。
10.根据权利要求书3所述的高亮度PSS复合衬底的制作方法，其特征在于：所述步骤(6)中清洗时使用的化学溶剂为浓H2SO4和H2O2混合溶液，浓H2SO4和H2O2比例为3:1。
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