CN114093992A - 图形化蓝宝石衬底及其制备方法、led外延片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体光刻技术领域，尤其是涉及一种图形化蓝宝石衬底及其制备方法、LED外延片。图形化蓝宝石衬底，包括衬底本体和凸起于所述衬底本体上表面的周期性复合结构；所述复合结构包括圆锥体和若干个凸出或凹入所述圆锥体的圆锥面的微结构；所述微结构的横截面积自底部向顶部逐渐减小，并在顶部与所述圆锥体的顶点相交。本发明的图形化蓝宝石衬底，具有规律的沟壑图形，具有棱角，一方面最大化侧边生长，有效抑制外延增长的失配位错，另一方面进一步改变入射光的光路，有效的增加光的散射，增加了光从蓝宝石衬底的出射几率，进一步提高了光的提取效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体光刻技术领域，尤其是涉及一种图形化蓝宝石衬底及其制备方法、LED外延片。
背景技术
光提取效率是LED中GaN材料的一个重要参数，目前有很多方法用于提高光提取效率，如光子晶体、表面粗化、图形化衬底等。早期的表面粗化研究包括对n-GaN表面形成六棱锥、四棱锥、半球状突起、半球状坑、楔形、柱形及柱形坑等微元粗化模拟研究，或者通过湿法腐蚀得到粗糙化的n-GaN表面等。但上述对n-GaN表面粗化的制作工艺过程都存在产品均一稳定性差和生产可操作性差的问题。
目前，工业生产上主要采用图形化蓝宝石衬底来提高LED光提取效率，经过衬底图形化工艺后，GaN的纵向外延变为横向外延，一方面可以有效减少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；另一方面有源区发出的光经过图形化界面多次散射，改变全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高光的提取效率。
现有图形化蓝宝石衬底的形状主要是圆锥，而圆锥图形化蓝宝石衬底在光的提取效率方面较难再进一步提升。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种图形化蓝宝石衬底，以解决现有技术中存在的光提取效率难以进一步提升的技术问题。
本发明的第二目的在于提供图形化蓝宝石衬底的制备方法，在不增加现有生产工艺设备和步骤的条件下，即可实现工业产业化生产。
本发明的第三目的在于提供LED外延片。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
图形化蓝宝石衬底，包括衬底本体和凸起于所述衬底本体上表面的周期性复合结构；所述复合结构包括圆锥体和若干个凸出或凹入所述圆锥体的圆锥面的微结构；所述微结构的横截面积自底部向顶部逐渐减小，并在顶部与所述圆锥体的顶点相交。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构围绕所述圆锥体的圆锥面设置；所述微结构的个数≥4个。进一步的，所述微结构的个数为4～8个。
在本发明的具体实施方式中，单个所述圆锥体的圆锥面设置的相邻的微结构可顺序头尾相接，或者沿单个所述圆锥体的圆周面间隔性的周期性排列。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构的底部横截面为类扇形或类多边形。进一步的，所述类多边形包括类三角形、类四边形或类五边形等。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构包括至少一个侧面。进一步的，所述侧面、微结构的底部横截面与所述圆锥体的部分圆锥面围合形成所述微结构。
在本发明的具体实施方式中，所述侧面为圆弧面或平面。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构包括两个侧面，所述两个侧面的边缘相接形成棱，若干个所述微结构各自的棱相交于所述圆锥体的顶点。所述两个侧面、微结构的底部横截面与所述圆锥体的部分圆锥面围合形成所述微结构。进一步的，相邻的两个所述微结构的边缘相接。
在本发明的具体实施方式中，所述复合结构的底部横截面中，所述圆锥体的底面半径为R；当所述微结构为凸出所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最远端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L1，并满足：L1≤1.5R；当所述微结构为凹入所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最近端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L2，并满足：L2≥0.5R。
在本发明的具体实施方式中，所述圆锥体的底面直径为2±0.5μm。
在本发明的具体实施方式中，所述复合结构的排布周期为3±1μm。
本发明还提供了上述任意一种所述图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石平片上涂覆压印光刻胶，采用软模板对涂覆有压印光刻胶的蓝宝石平片进行压印工艺处理，形成图形化光刻胶层；
(b)通过ICP干法刻蚀工艺对形成图形化光刻胶层的蓝宝石平片进行刻蚀，获得图形化蓝宝石衬底；
其中，所述图形化光刻胶层的图形沿俯视方向包括周期性排列的圆形和若干个沿所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部。
本发明的制备方法，通过对掩膜图形的设计等，可获得具有规则棱角的图形化蓝宝石衬底。棱角的存在可以进一步改变LED有源区所发射光线的行进方向，使更多的光线能够满足出射条件，从而提高了光提取效率。并且通过对工艺步骤的改进，保证制备过程中产品的均一稳定性和生产可操作性，适合工业化生产。
在本发明的具体实施方式中，所述软模板的制备方法包括：通过图形化压印母版对PDMS材料进行图形转印形成软模板；
所述图形化压印母版的制备包括：采用电子束直写在压印硬母版上形成目标图形，刻蚀获得图形化压印母版。
在本发明的具体实施方式中，所述压印工艺处理包括对准、压印、曝光和固化后脱模。具体的，可采用压印机将软模板压到压印光刻胶上，使压印光刻胶充满软模板的凹陷部分，曝光固化后，将软模板与光刻胶层分离。
在本发明的具体实施方式中，所述刻蚀的方法包括干法刻蚀至光刻胶层被完全刻蚀完后停止刻蚀。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶的图形的排列周期为3±1μm。排列周期是指图形化光刻胶层的相邻图形的各自的圆形的圆心之间的距离。
在本发明的具体实施方式中，所述凸出部或所述凹入部为类扇形或类多边形。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶层中，单个所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部的个数不限，优选为4个以上，如4～8个。进一步的，沿单个所述圆形的圆周周期排列的相邻凸出部或凹入部可顺序头尾相接，或者沿单个所述圆形的圆周间隔性的周期性排列。
在本发明的具体实施方式中，所述圆形的直径为2±0.5μm。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶层的厚度为1～3μm。
本发明还提供了LED外延片，包括上述任意一种所述图形化蓝宝石衬底。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的图形化蓝宝石衬底，具有规律的沟壑图形，具有棱角，一方面最大化侧边生长，更有效的抑制外延增长的失配位错，另一方面进一步改变入射光的光路，有效的增加光的散射，增加了光从蓝宝石衬底的出射几率，进一步提高了光的提取效率。
(2)本发明的图形化蓝宝石衬底的制备方法，工艺简单，操作性强，适合工业化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的图形化蓝宝石衬底的复合结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的电子束直写形成的目标图形示意图；
图3为本发明实施例提供的工艺路线图；
图4为本发明实施例提供的工艺路线示意图；
图5为本发明实施例1提供的电子束直写形成的目标图形示意图；
图6为本发明实施例1提供的图形化蓝宝石衬底的实物SEM图。
附图标记：
1-圆锥体； 2-微结构； 21-侧面；
22-棱； 3-圆形； 31-凸出部；
32-凹入部； 4-蓝宝石平片； 5-压印光刻胶；
6-软模板； 7-图形化光刻胶层； 8-复合结构。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
图形化蓝宝石衬底，包括衬底本体和凸起于所述衬底本体上表面的周期性复合结构；所述复合结构包括圆锥体和若干个凸出或凹入所述圆锥体的圆锥面的微结构；所述微结构的横截面积自底部向顶部逐渐减小，并在顶部与所述圆锥体的顶点相交。
在本发明的具体实施方式中，所述衬底本体和所述复合结构的材质均为蓝宝石。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构围绕所述圆锥体的圆锥面设置；所述微结构的个数≥4个。进一步的，所述微结构的个数为4～8个。
在本发明的具体实施方式中，单个所述圆锥体的圆锥面设置的相邻的微结构可顺序头尾相接，或者沿单个所述圆锥体的圆周面间隔性的周期性排列。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构的底部横截面为类扇形或类多边形。进一步的，所述类多边形包括类三角形、类四边形或类五边形等。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构包括至少一个侧面。进一步的，所述侧面、微结构的底部横截面与所述圆锥体的部分圆锥面围合形成所述微结构。
在本发明的具体实施方式中，所述侧面为圆弧面或平面。
在本发明的具体实施方式中，所述微结构包括两个侧面，所述两个侧面的边缘相接形成棱，若干个所述微结构各自的棱相交于所述圆锥体的顶点。所述两个侧面、微结构的底部横截面与所述圆锥体的部分圆锥面围合形成所述微结构。
在本发明的具体实施方式中，所述复合结构的底部横截面中，所述圆锥体的底面半径为R；当所述微结构为凸出所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最远端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L1，并满足：L1≤1.5R；当所述微结构为凹入所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最近端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L2，并满足：L2≥0.5R。
在本发明的具体实施方式中，所述圆锥体的底面直径为2±0.5μm。在实际操作中，所述圆锥体的底面直径不局限于此，可根据实际需求进行调整。
在本发明的具体实施方式中，所述复合结构的排布周期为3±1μm。在实际操作中，所述复合结构的排布方式可采用现有常用工艺，比如六角密堆排列方式。并且，所述复合结构的排布周期不局限于此，通常以复合结构底面半径的3倍左右作为排布周期。
图1为本发明实施例提供的一种图形化蓝宝石衬底的复合结构的示意图。如图1所示，所述图形化蓝宝石衬底的复合结构包括圆锥体1和若干个凸出所述圆锥体的圆锥面的微结构2。所述微结构2的横截面积自底部向顶部逐渐减小，并在顶部与所述圆锥体1的顶点相交。
进一步的，所述复合结构的材质为蓝宝石。
进一步的，所述微结构2围绕所述圆锥体1的圆周面设置。所述微结构2的个数≥4个。如图1所示，所述微结构2的个数为6个，但不局限于此，还可以为4个、5个、7个、8个等等。
进一步的，单个所述圆锥体1的圆锥面设置的相邻的微结构2顺序头尾相接。
进一步的，所述微结构2的底部横截面为类扇形或类多边形。其中底部横截面是指微结构2的底部最外缘与圆锥体1的部分底面圆形围合形成的图形。
进一步的，所述微结构2包括两个侧面21，两个所述侧面21、微结构2的底部横截面与所述圆锥体1的部分圆锥面围合形成所述微结构2。
进一步的，所述侧面21为圆弧面。
进一步的，两个所述侧面21的边缘相接形成棱22，若干个所述微结构2各自的棱22相较于所述圆锥体1的顶点。
进一步的，所述复合结构的底部横截面中，所述圆锥体1的底面半径为R，所述微结构2的最远端距离所述圆锥体1的底面圆心的距离为L，并满足：L≤1.5R。
本发明还提供了上述任意一种所述图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石平片上涂覆压印光刻胶，采用软模板对涂覆有压印光刻胶的蓝宝石平片进行压印工艺处理，形成图形化光刻胶层；
(b)通过ICP干法刻蚀工艺对形成图形化光刻胶层的蓝宝石平片进行刻蚀，获得图形化蓝宝石衬底；
其中，所述图形化光刻胶层的图形沿俯视方向包括周期性排列的圆形和若干个沿所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部。
本发明的制备方法，通过对掩膜图形的设计等，可获得具有规则棱角的图形化蓝宝石衬底。棱角的存在可以进一步改变LED有源区所发射光线的行进放线，使更多的光线能够满足出射条件，从而提高了光提取效率。并且通过对工艺步骤的改进，保证制备过程中产品的均一稳定性和生产可操作性，适合工业化生产。
在本发明的具体实施方式中，所述软模板的制备方法包括：通过图形化压印母版对PDMS材料进行图形转印形成软模板；
所述图形化压印母版的制备包括：采用电子束直写在压印硬母版上形成目标图形，刻蚀获得图形化压印母版。
所述目标图形与所述图形化光刻胶层的图形一致。所述目标图形包括周期性排列的圆形和若干个沿所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部。如图2所示，其为本发明实施例提供的电子束直写形成的单个目标图形示意图的多种方式，如其中的(a)～(l)所示。单个所述目标图形包括圆形3和若干个沿所述圆形3的圆周周期排列的凸出部31或凹入部32。
在本发明的具体实施方式中，所述压印工艺处理包括对准、压印、曝光和固化后脱模。具体的，可采用压印机将软模板压到压印光刻胶上，使压印光刻胶充满软模板的凹陷部分，曝光固化后，将软模板与光刻胶层分离。
在本发明的具体实施方式中，所述刻蚀的方法包括干法刻蚀至光刻胶层被完全刻蚀完后停止刻蚀。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶的图形的排列周期为3±1μm。排列周期是指图形化光刻胶层的相邻图形的各自的圆形的圆心之间的距离。
在实际操作中，所述图形化光刻胶的图形的排列周期与所述复合结构的排布周期相同，所述图形化光刻胶的图形的排列方式可采用现有常用工艺，比如六角密堆排列方式，但不局限于此，可根据实际需求进行调整。
在本发明的具体实施方式中，所述凸出部或所述凹入部为类扇形或类多边形。进一步的，所述类多边形包括类三角形、类四边形或类五边形等。其中，所述凸出部或所述凹入部的形状是指凸出部或凹入部的边缘与所述圆形的部分围合形成的形状。
在实际操作中，考量到生产工艺的可操作便捷性和刻蚀后的图形效果，以类扇形或类三角形为主进行说明。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶层中，单个所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部的个数不限，优选为4个以上，如4个、5个、6个、7个或8个等等。进一步的，沿单个所述圆形的圆周周期排列的相邻凸出部或凹入部可顺序头尾相接，或者沿单个所述圆形的圆周间隔性的周期性排列。
在本发明的具体实施方式中，所述圆形的直径为2±0.5μm。
在本发明的具体实施方式中，所述图形化光刻胶层的厚度为1～3μm。
本发明还提供了LED外延片，包括上述任意一种所述图形化蓝宝石衬底。
实施例1
本实施例提供了图形化蓝宝石衬底的制备方法，工艺路线图和示意图分别参考图3和图4，包括如下步骤：
(1)制备图形化压印母版
先通过电子束直写在压印硬母版上形成如图5所示的目标图形，然后进行干法刻蚀获得图形化压印母版。其中，所述压印硬母版优选为硅基底。
所述目标图形包括圆形和5个尺寸相同的沿所述圆形的圆周周期排列的类扇形凸出部(由圆弧形边缘与圆形的部分围合形成)，相邻所述类扇形凸出部顺序头尾相接，所述圆形的半径为R，所述类扇形中的圆弧形的最远端距离所述圆形的圆心的距离为L，并满足：L≤1.5R；其中，上述类扇形的凸出部的个数和尺寸可根据实际设计进行调整选择。
(2)转印
通过步骤(1)得到的图形化压印母版对PDMS材料进行图形转印形成软模板。
(3)压印处理工艺
在蓝宝石平片4上涂覆压印光刻胶5，采用步骤(2)得到的软模板6对涂覆有压印光刻胶5的蓝宝石平片4进行压印工艺处理，包括对准、压印、曝光、固化后脱模等，在蓝宝石平片4上形成图形化光刻胶层7，所形成的图形化光刻胶层7的图形同图5。
(4)刻蚀
通过ICP等离子体干法刻蚀图形化光刻胶层7和蓝宝石平片4，完成图形化，形成具有规律棱角的周期性复合结构8的图形化蓝宝石衬底。
图6为本实施例的图形化蓝宝石衬底的实物SEM图。
本发明的图形化蓝宝石衬底，具有规律的沟壑图形，具有棱角，相较于同尺寸的圆锥体结构，一方面最大化侧边生长，从而更有效的抑制外延增长的失配位错，另一方面进一步改变入射光的光路，有效的增加光的散射，增加了光从蓝宝石衬底的出射几率，进一步提高了光的提取效率。
实施例2
本实施例参考实施例1的制备方法，区别仅在于：目标图形不同。本实施例的目标图形参考图2中的(i)。
目标图形不局限于此，还可参考图2中的其余几种目标图形。
本发明的图形化蓝宝石衬底具有一定规则的棱角，能够改变LED有源区所发射光线的行进方向，使更多的光线能够满足出射条件，从而提高了光提取效率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.图形化蓝宝石衬底，其特征在于，包括衬底本体和凸起于所述衬底本体上表面的周期性复合结构；所述复合结构包括圆锥体和若干个凸出或凹入所述圆锥体的圆锥面的微结构；所述微结构的横截面积自底部向顶部逐渐减小，并在顶部与所述圆锥体的顶点相交。
2.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述微结构围绕所述圆锥体的圆锥面设置；所述微结构的个数≥4个；
优选的，所述微结构的个数为4～8个。
3.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，单个所述圆锥体的圆锥面设置的相邻的微结构顺序头尾相接，或者沿单个所述圆锥体的圆周面间隔性的周期性排列。
4.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述微结构的底部横截面为类扇形或类多边形；
优选的，所述微结构包括至少一个侧面，所述侧面、微结构的底部横截面与所述圆锥体的部分圆锥面围合形成所述微结构；
更优选的，所述侧面为圆弧面或平面。
5.根据权利要求4所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述微结构包括两个侧面，所述两个侧面的边缘相接形成棱，若干个所述微结构各自的棱相交于所述圆锥体的顶点；
优选的，相邻的两个所述微结构的边缘相接。
6.根据权利要求1-5任一项所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述复合结构的底部横截面中，所述圆锥体的底面半径为R；当所述微结构凸出所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最远端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L1，并满足：L1≤1.5R；当所述微结构凹入所述圆锥体的圆锥面时，所述微结构的最近端距所述圆锥体的底面圆心的距离为L2，并满足：L2≥0.5R。
7.根据权利要求6所述的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述圆锥体的底面直径为2±0.5μm；
优选的，所述复合结构的排布周期为3±1μm。
8.权利要求1-7任一项所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石平片上涂覆压印光刻胶，采用软模板对涂覆有压印光刻胶的蓝宝石平片进行压印工艺处理，形成图形化光刻胶层；
(b)通过ICP干法刻蚀工艺对形成图形化光刻胶层的蓝宝石平片进行刻蚀，获得图形化蓝宝石衬底；
其中，所述图形化光刻胶层的图形沿俯视方向包括周期性排列的圆形和若干个沿所述圆形的圆周周期排列的凸出部或凹入部；
优选的，所述软模板的制备方法包括：通过图形化压印母版对PDMS材料进行图形转印形成软模板；
优选的，所述图形化压印母版的制备包括：采用电子束直写在压印硬母版上形成目标图形，刻蚀获得图形化压印母版。
9.根据权利要求8所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，所述凸出部或所述凹入部为类扇形或类多边形；
优选的，所述图形化光刻胶层的厚度为1～3μm。
10.LED外延片，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的图形化蓝宝石衬底。
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