CN111710594A - 高质量低应力AlN图形模板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种AlN图形模板的制备方法，包括以下步骤：提供耐高温衬底；在所述衬底上沉积一层AlN薄膜，形成低质量AlN模板；在所述低质量AlN模板上形成微、纳米级图案，制作成低质量AlN图形模板；将得到的所述低质量AlN图形模板放入高温退火设备中进行退火处理，即得到高质量低应力AlN图形模板。本发明提供的技术方案能获得更高晶体质量和更低应力的AlN模板，且制备工艺简单有效稳定，成本低，便于产业化应用。

Description

高质量低应力AlN图形模板的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种高质量低应力A1N图形模板的制备方法。
背景技术
自上世纪90年代以来，GaN基LED引起广泛关注并取得了迅猛的发展。LED具有波长连续可调、轻便灵活、能耗低、工作电压低、定向发光、无污染、寿命长、响应时间快等显著优势，在白光照明、光通信、聚合物固化、杀菌消毒等方面有着巨大的市场价值或潜在应用价值。特别是深紫外LED，对公共卫生安全、健康医疗产业、绿色环保产业影响巨大。
深紫外LED的核心材料是AlN和高Al组分AlGaN，通常是在蓝宝石衬底上异质外延得到。想要获得高发光效率的深紫外LED，首先需要获得高质量、低应力的AlN模板。但由于AlN和蓝宝石衬底之间大的晶格失配(等效晶格失配13.3％)和热失配(44％)，蓝宝石衬底异质外延的AlN有密度高达1010cm-2的位错，且AlN层中存有较强的压应力，在后续AlN、AlGaN材料生长过程中，压应力又会逐渐以位错、缺陷的形式弛豫。基于微纳米图形模板的侧向外延技术能有效改善上述问题，而微纳米图形模板的晶体质量和应力状态直接关系到侧向外延的晶体质量。
因此，亟需提出一种高质量低应力AlN图形模板的制备方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高质量低应力AlN图形模板的制备方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种AlN图形模板的制备方法，包括以下步骤：
提供耐高温衬底；
在所述衬底上沉积一层AlN薄膜，形成低质量AlN模板；
在所述低质量AlN模板上形成微、纳米级图案，制作成低质量AlN图形模板；
将得到的所述低质量AlN图形模板放入高温退火设备中进行退火处理，即得到高质量低应力AlN图形模板。
其中，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、石英玻璃或金属耐高温材料。
其中，所述沉积AlN薄膜的方法为磁控溅射、MOCVD、MBE或HVPE。
其中，所述低质量AlN模板的厚度为0.01-10微米，优选为0.1-0.5微米。
其中，通过光刻、纳米压印、胶体球掩膜、金属自退火掩膜或荫罩的方法形成所述微、纳米级图形掩膜，然后对低质量AlN模板刻蚀，形成低质量AlN图形模板。
其中，所述退火处理的温度为1500-2000℃，退火气氛为氮气或含氮气的混合气氛，退火时间为0.5-10小时。
其中，进行所述退火处理时，在上一步骤中形成的低质量AlN图形模板和所述衬底或另一AlN薄膜采用面对面等方式放置，以防止AlN与退火气氛直接接触而发生热分解。
基于上述技术方案可知，本发明的高质量低应力AlN图形模板的制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：
与已报道的平面AlN模板高温退火或平面较高质量AlN模板再图形化技术方案相比，本发明提供的技术方案能获得更高晶体质量和更低应力的AlN模板，且制备工艺简单有效稳定，成本低，便于产业化应用。
附图说明
图1为本发明的一种高质量低应力AlN图形模板的制备方法示意图；
图2为本发明的高温退火样片放置方式示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、衬底； 2、低质量AlN模板；
21、低质量AlN图形模板； 22、高质量低应力AlN图形模板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本实施中提供了一种高质量低应力AlN图形模板的制备方法。参照图1和图2，制备方法具体包括以下步骤：
1.提供一耐高温的衬底1，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、石英玻璃、金属等耐高温材料。所述衬底1的厚度为50～500微米，为保证晶圆片在外延和工艺过程中的稳固性，所述衬底1的优选厚度为150～400微米。
2.在所述衬底1上沉积一层AlN薄膜，形成低质量AlN模板2。沉积AlN薄膜的方法包括但不限于磁控溅射、MOCVD、MBE和HVPE。所述低质量AlN模板2的厚度为0.01-10微米；为保证后续步骤中得到更高质量的AlN模板，所述低质量AlN模板2的厚度优选为0.1-0.5微米。
3.在所述低质量AlN模板2上，通过光刻、纳米压印、胶体球掩膜、金属自退火掩膜、荫罩等方法形成微、纳米级图形掩膜，然后对所述低质量AlN模板2进行刻蚀，形成低质量AlN图形模板21。
4.将上步得到的低质量AlN图形模板21放入高温退火设备中进行长时间的高温退火处理，即得到高质量低应力AlN图形模板22。其中，高温退火的温度为1500-2000℃，退火气氛为氮气或含氮气的混合气氛，退火时间为0.5-10小时。
需要指出的是，为抑制所述低质量AlN图形模板21的高温分解，在退火时应避免其表面与退火气氛直接接触。具体地，如图2所述，可将所述低质量AlN图形模板21与另一衬底或另一AlN模板采用面对面等方式放置。其中，低质量定义为第一预设范围为总位错密度在109cm-2以上，退火后的高质量定义为第二预设范围为总位错密度在109cm-2以下。
在高温退火过程中，AlN薄膜会发生重结晶；且微、纳米级图形化的AlN薄膜由于具有面内的自由度，在高温退火时，更容易发生晶柱、晶畴的扭转和融合，应力释放也更充分，而且制备图形模板过程中引入的刻蚀损伤可以得到修复、消除，因而采用此方法得到的AlN晶体质量会有显著的提升，且压应力会得到相当的释放。我们的实验表明，采用此方法得到的AlN图形模板，比之先退火、后制备图形的AlN图形模板(即先进行步骤4、后进行步骤3)，具有更高的晶体质量和更小的压应力，这有助于后续高质量的AlN单晶及AlGaN单晶材料的生长。
所述高质量低应力AlN图形模板22，可直接应用于III族氮化物材料及相关光电子器件、电子器件、声表面波、体波器件的侧向外延。
综上所述，本发明提出先制备低质量AlN图形模板，使其获得高温退火面内的自由度并消除刻蚀损伤，从而获得更高晶体质量和更低应力的AlN模板，且制备工艺简单有效稳定，成本低，便于产业化应用。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种高质量低应力AlN图形模板有了清楚的认识。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种AlN图形模板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供耐高温衬底；
在所述衬底上沉积一层AlN薄膜，形成总位错密度为第一预设范围的AlN模板；
在所述总位错密度为第一预设范围的AlN模板上形成微、纳米级图案，制作成总位错密度为第一预设范围的AlN图形模板；
将得到的所述总位错密度为第一预设范围的AlN图形模板放入高温退火设备中进行退火处理，即得到总位错密度为第二预设范围的AlN图形模板。
2.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、石英玻璃或金属耐高温材料。
3.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，所述沉积AlN薄膜的方法为磁控溅射、MOCVD、MBE或HVPE。
4.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，所述低质量AlN模板的厚度为0.01-10微米，优选为0.1-0.5微米。
5.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，通过光刻、纳米压印、胶体球掩膜、金属自退火掩膜或荫罩的方法形成所述微、纳米级图形掩膜，然后对低质量AlN模板刻蚀，形成总位错密度为第一预设范围的AlN图形模板。
6.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，所述退火处理的温度为1500-2000℃，退火气氛为氮气或含氮气的混合气氛，退火时间为0.5-10小时。
7.根据权利要求1所述的AlN图形模板的制备方法，其特征在于，进行所述退火处理时，在总位错密度为第一预设范围的AlN图形模板和所述衬底或另一AlN薄膜采用面对面等方式放置，以防止AlN与退火气氛直接接触而发生热分解。
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