CN114335280A - 一种适用于uvc-led的纳米级图形化蓝宝石衬底结构及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种适用于UVC‑LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构及制作方法，首先清洁蓝宝石衬底并在衬底表面设置SiO2膜层，接着在SiO2膜层上设置光刻胶膜层，并通过光刻、显影的方式在SiO2膜层上形成周期不超过1000nm的光刻胶环形掩膜，然后采用BOE溶液在SiO2膜层上腐蚀形成凹坑，并通过干法刻蚀在凹坑处继续向下腐蚀，在蓝宝石衬底表面形成倒锥形凹坑，最后继续用BOE溶液腐蚀掉蓝宝石衬底表面残余的SiO2膜料，并将得到的纳米级图形化蓝宝石衬底清洗干净。通过本申请方法可制备得到目标纳米级图形化蓝宝石衬底，适用于UVC‑LED产品，且对比于凸台型图形衬底，更容易生长得到光滑的AlN外延层。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构及制作方法。
背景技术
图形化蓝宝石衬底(PatternedSapphire Substrate，PSS)，即先在蓝宝石衬底上生长一层掩膜，再利用干法刻蚀在掩膜上刻出图形，然后利用ICP刻蚀技术通过图形区域对蓝宝石表面进行刻蚀，最后去掉所有掩膜得到目标图形化蓝宝石衬底，在衬底上继续生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。这样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GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。因此，在图形化蓝宝石衬底上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED产品的使用寿命也得到了延长。
常规蓝光LED在PSS上的生长材料以GaN为主，AlN只做为缓冲层，生长过程使用Al组分较少，现有技术中为了提高GaN的晶体质量，通常在PSS表面设计周期为3um(微米级)的锥形图形。而对于发紫外光的UVC-LED来说，其在PSS上的生长材料则以AlN/AlGaN为主，生长过程Al组分含量极高，仅仅P层为GaN材料。
申请人通过对AlN/ALGaN外延生长工艺的反复探索发现：由于AlN/ALGaN生长过程中Al原子的粘附性远大于GaN生长过程中Ga原子的粘附性，因此在外延生长过程中Al原子的表面迁移距离远小于Ga原子，需要对相关工艺进行优化以弥补AlN横向生长迁移能力的不足，可行的方法是缩小图形化衬底的图形尺寸，最好是到纳米级。但目前未见相关的研究报道。
发明内容
本申请的目的在于提供一种适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构及制作方法，在将泡沫铝材料应用于隧道防火保护的同时，给出确切的精细化施工方案。本申请的技术方案如下：
一种适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1：清洁蓝宝石衬底；
步骤S2：在蓝宝石衬底上设置SiO2膜层；
步骤S3：在SiO2膜层上设置光刻胶膜层；
步骤S4：采用周期不超过1000nm的圆形透光掩膜版，通过光刻、显影的方式在SiO2膜层上形成光刻胶环形掩膜；
步骤S5：在SiO2膜层上腐蚀形成凹坑；
步骤S6：在凹坑处继续向下腐蚀，在蓝宝石衬底表面形成倒锥形凹坑；
步骤S7：腐蚀掉蓝宝石衬底表面残余的SiO2膜料；
步骤S8：清洁步骤S7中得到的蓝宝石衬底。
在一些具体的实施例中，所述圆形透光掩膜版上图形的直径为500～700nm。
在一些具体的实施例中，所述步骤S5中凹坑的深度为400～700nm、直径为400～700nm。
在一些具体的实施例中，所述步骤S2中通过气相沉积在蓝宝石衬底镀SiO2膜层。
在一些具体的实施例中，所述步骤S2中SiO2膜层的厚度为500～1000nm。
在一些具体的实施例中，所述步骤S3中光刻胶膜层的厚度为500～1000nm。
在一些具体的实施例中，所述步骤S5和步骤S7中均采用BOE溶液对SiO2进行腐蚀处理。
在一些具体的实施例中，所述步骤S6中通过等离子轰击在蓝宝石衬底表面形成倒锥形凹坑。
在一些具体的实施例中，所述步骤S8中采用硫酸与双氧水的混合液对蓝宝石衬底进行清洗。
在一些具体的实施例中，所述步骤S4中光刻胶环形掩膜上的通孔为非等径孔，其直径沿刻蚀方向逐渐增大。
一种基于上述方法制备得到的纳米级图形化蓝宝石衬底结构，衬底表面设有周期不超过1000nm的倒锥形凹坑微结构。该纳米级图形化蓝宝石衬底结构可适用于UVC-LED产品，特别是发光波长为270～280nm的LED产品。
需要注意的是，本申请中提到的周期是指相邻图形间几何中心的直线距离，所述BOE溶液是指缓冲氧化物刻蚀液。
本申请提供的技术方案至少具有如下有益效果：
1、本申请提供了一种图形化衬底的制作方法，通过在蓝宝石衬底上依次设置氧化硅、光刻胶双层掩膜，结合湿法腐蚀与干法刻蚀的工艺流程，实现将衬底上的图形规格由微米级缩小到纳米级，起到弥补AlN横向生长迁移能力不足的作用，更适用于UVC-LED产品。
2、本申请提供的图形化衬底为凹坑型，不需使用压印工艺，转印尺寸精准，符合纳米级图形化衬底的生产需求，且成本相对低廉，对比凸台型PSS，更容易生长得到光滑的AlN外延层，能得到较高结晶质量的UVC外延片。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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为本申请实施例所提供的一种适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法的流程示意图；
图中：1、蓝宝石衬底，2、SiO2膜层，3.1、光刻胶膜层，3.2、光刻胶环形掩膜，4、倒锥形凹坑。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将结合说明书附图和较佳的实施例对本申请中的技术方案作更全面、细致地描述，但本申请的保护范围并不限于以下具体的实施例，基于本申请中的实施例，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它实施例，均属于本申请保护的范围。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为与另一元件存在“固定、固接、连接或连通”关系时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本申请的保护范围。
实施例1
参见图1，制备周期为900nm、最大直径为500nm、最大深度为300nm的倒锥形凹坑微结构的图形化衬底，其工艺流程如下：
步骤S1：选择一表面平整的蓝宝石衬底1，清洗去除表面杂质。
步骤S2：采用PECVD I800镀膜机，设定设备加热温度为260℃，射频功率1300W，腔室压力2500mt，SiH4:N2O气体流量的比例为1:20，在蓝宝石衬底表面沉积SiO2膜层2，镀膜厚度为800nm。
步骤S3：SiO2镀膜衬底经过刷片基刷洗，传送至涂胶机上，在SiO2膜层上涂覆光刻胶膜层3.1，膜厚为700nm，涂膜后，传送至105℃的热板进行烘烤，烘烤时间为60秒。
步骤S4：涂胶衬底传送至STEPPER光刻机，使用设计周期为900nm、直径为700nm的圆形掩膜版，曝光，然后传送至显影机，显影时间为60秒，且在120℃下烘烤60秒，通过此步骤在SiO2膜层上形成光刻胶环形掩膜3.2。
步骤S5：采用BOE溶液腐蚀SiO2膜层，腐蚀时间为95秒，在SiO2膜层上形成凹坑，凹坑的孔径为700nm，深度为600nm。
步骤S6：采用NMC-380E ICP设备，设定上射频功率1200W，下射频功率300W，腔室压力2mt，通过等离子轰击与腐蚀，在凹坑处继续向下依次腐蚀SiO2和蓝宝石，在蓝宝石衬底表面形成最大深度为300nm、最大直径为500nm的倒锥形凹坑4。
步骤S7：继续使用BOE溶液，腐蚀时间为200秒，去除掉残留的SiO2膜料。
步骤S8：使用硫酸与双氧水的混合液(比例5:1)，对步骤S7得到的衬底进行清洗处理，到洁净的纳级米图形化衬底。
实施例2
参见图1，制备周期为800nm、最大直径为400nm、最大深度为300nm的倒锥形凹坑微结构的图形化衬底，其工艺流程如下：
步骤S1：选择一表面平整的蓝宝石衬底1，清洗去除表面杂质。
步骤S2：采用PECVD I800镀膜机，设定设备加热温度为280℃，射频功率1300W，腔室压力2500mt，SiH4:N2O气体流量的比例为1:18，在蓝宝石衬底表面沉积SiO2膜层2，镀膜厚度为1000nm。
步骤S3：SiO2镀膜衬底经过刷片基刷洗，传送至涂胶机上，在SiO2膜层上涂覆光刻胶膜层3.1，膜厚为1000nm，涂膜后，传送至100℃的热板进行烘烤，烘烤时间为60秒。
步骤S4：涂胶衬底传送至STEPPER光刻机，使用设计周期为800nm、直径为600nm的正六边形掩膜版(圆形透光)，曝光，然后传送至显影机，显影时间为60秒，且在135℃下烘烤60秒，通过此步骤在SiO2膜层上形成光刻胶环形掩膜3.2。
步骤S5：采用BOE溶液腐蚀SiO2膜层，腐蚀时间为150秒，在SiO2膜层上形成凹坑，凹坑的孔径为600nm，深度为600nm。
步骤S6：采用NMC-380E ICP设备，设定上射频功率1200W，下射频功率200W，腔室压力2mt，通过等离子轰击与腐蚀，在凹坑处继续向下依次腐蚀SiO2和蓝宝石，在蓝宝石衬底表面形成最大深度为300nm、最大直径为400nm的倒锥形凹坑4。
步骤S7：继续使用BOE溶液，腐蚀时间为200秒，去除掉残留的SiO2膜料。
步骤S8：使用硫酸与双氧水的混合液(比例5:1)，对步骤S7得到的衬底进行清洗处理，到洁净的纳级米图形化衬底。
以上所述仅为本申请的部分实施例，并非因此限制本申请的专利保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。在本申请的精神和原则之内，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的任何改进或等同替换，直接或间接运用在其它相关的技术领域，均应包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：清洁蓝宝石衬底；
步骤S2：在蓝宝石衬底上设置SiO2膜层；
步骤S3：在SiO2膜层上设置光刻胶膜层；
步骤S4：采用周期不超过1000nm的圆形透光掩膜版，通过光刻、显影的方式在SiO2膜层上形成光刻胶环形掩膜；
步骤S5：在SiO2膜层上腐蚀形成凹坑；
步骤S6：在凹坑处继续向下腐蚀，在蓝宝石衬底表面形成倒锥形凹坑；
步骤S7：腐蚀掉蓝宝石衬底表面残余的SiO2膜料；
步骤S8：清洁步骤S7中得到的蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，其特征在于，所述步骤S2中通过气相沉积在蓝宝石衬底镀SiO2膜层。
3.根据权利要求2所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S2中SiO2膜层的厚度为500～1000nm。
4.根据权利要求1所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S3中光刻胶膜层的厚度为500～1000nm。
5.根据权利要求1所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S5和步骤S7中均采用BOE溶液对SiO2进行腐蚀处理。
6.根据权利要求1所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S6中通过等离子轰击在蓝宝石衬底表面形成倒锥形凹坑。
7.根据权利要求1所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S8中采用硫酸与双氧水的混合液对蓝宝石衬底进行清洗。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的适用于UVC-LED的纳米级图形化蓝宝石衬底结构的制作方法，所述步骤S4中光刻胶环形掩膜上的通孔为非等径孔，其直径沿刻蚀方向逐渐增大。
9.一种基于权利要求1～8中任意一项所述方法制备得到的纳米级图形化蓝宝石衬底结构，其特征在于，衬底表面设有周期不超过1000nm的倒锥形凹坑微结构。
10.一种如权利要求9所述纳米级图形化蓝宝石衬底结构在UVC-LED产品中的应用。
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