CN114823994A - 一种图形化衬底、图形化衬底的制备方法及led芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种图形化衬底、图形化衬底的制备方法及LED芯片，制备方法包括提供一蓝宝石衬底，并在蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版，将掩膜版上的图形转移到黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底，对第一图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第二图形化蓝宝石衬底，在第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将第二图形化蓝宝石衬底外圈的光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底，将第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底。本发明提供一种图形化衬底、图形化衬底的制备方法及LED芯片，旨在解决现有技术中，图形化蓝宝石衬底内外圈形貌不均匀，最终导致外延长晶外圈良率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别涉及一种图形化衬底、图形化衬底的制备方法及LED芯片。
背景技术
发光二极管(Light Emitting Diode，简称：LED)是一种能发光的半导体电子元件，由于其体积小、亮度高、能耗低等特点，吸引了越来越多研究者的注意。
传统的LED芯片一般由生长好的外延片制备而成，而外延片生长的好坏离不开外延长晶匹配度高的衬底，研究发现，图形化蓝宝石衬底的图形化表面结构可以增强光在GaN和衬底界面间的散射，减少GaN外延材料的位错密度，减小反向漏电流，提高LED的使用寿命；另一方面，经GaN和蓝宝石衬底界面的多次散射，改变了全反射光的出射角，LED的光从蓝宝石衬底出射几率大大增加，从而提高了光的提取效率。
随着LED芯片制作技术的不断精进，对图形化蓝宝石衬底提出了更高的要求，例如，提高外延长晶的有效匹配度，为了解决该问题，需要提升晶圆外圈的良率与利用率，改善晶圆片外圈状况，即对图形化蓝宝石衬底的外观进行优化，而传统的黄光工艺，即为涂胶、曝光、显影、蚀刻以及清洗的工艺流程，由于受限于蚀刻物理性铝盘遮挡问题，造成内外圈形貌不均匀，最终导致外延长晶外圈良率损失严重。
发明内容
基于此，本发明的目的是提供一种图形化衬底、图形化衬底的制备方法及LED芯片，旨在解决现有技术中，图形化蓝宝石衬底内外圈形貌不均匀，最终导致外延长晶外圈良率低的问题。
根据本发明实施例当中的一种图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版；
将所述掩膜版上的图形转移到所述黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底；
对所述第一图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第二图形化蓝宝石衬底；
在所述第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将所述第二图形化蓝宝石衬底外圈的所述光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底；
将所述第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底。
优选地，所述提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版的步骤具体包括：
通过将原料投入搅拌机台中搅拌，制作出软模板固态胶体，搅拌时间为20min～60min，静置时间为4h～8h；
将所述软模板固态胶体放入软模板制作机台中，制备得到所述掩膜版，其中，制备温度为100℃～150℃，胶量为50g～100g，消气泡次数为10次～50次。
优选地，所述将所述掩膜版上的图形转移到所述黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底的步骤包括：
将所述掩膜版放入压印机台内，对所述黄光涂胶进行压印，制备得到所述第一图形化蓝宝石衬底，其中，条件设定为温度为40℃～80℃，一次压力为0.5Kpa～3Kpa，二次压力10Kpa～20Kpa，增压位置为30mm～40mm，曝光时间为20s～60s，变速位置为10mm～20mm，压印时间为30s～120s。
优选地，所述蚀刻工艺为干法蚀刻，其中，气压为3mtorr～10mtorr，上电极功率为1500W～2800W，下电极功率为400W～1000W，刻蚀时间为2000s～3000s。
优选地，所述清洁的工艺为湿法工艺，其中，利用硫酸与双氧水的混合溶剂对图形化蓝宝石衬底表面进行清洗。
优选地，制备所述光阻层的工艺为黄光工艺。
优选地，所述在所述第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将所述第二图形化蓝宝石衬底外圈的所述光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底的步骤包括：
将所述第二图形化蓝宝石衬底边缘1mm～10mm距离的所述光阻层去除。
根据本发明实施例当中的一种图形化衬底，由上述的图形化衬底的制备方法制得，所述图形化衬底包括蓝宝石基板和所述蓝宝石基板向外延伸出的外延长晶层，所述外延长晶层包括掩膜部和位于所述掩膜部外侧的非掩膜部。
优选地，所述掩膜部的高度高于所述非掩膜部的高度，所述掩膜部的宽度大于所述非掩膜部的宽度。
根据本发明实施例当中的一种LED芯片，包括上述的图形化衬底。
与现有技术相比：在提供的蓝宝石衬底上沉积黄光涂料，并将事先准备好的掩膜版上的图形转移至黄光涂料上，形成第一图形化蓝宝石衬底，后对第一图形化蓝宝石衬底进行整体蚀刻，并清洁，得到具有一定形状的第二图形化蓝宝石衬底，但通过上述工艺制备的第二图形化蓝宝石衬底的外圈形状不均匀，为了解决该问题，在第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将第二图形化蓝宝石衬底外圈的光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底，通过将第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底，由于第二图形化蓝宝石衬底外圈的光阻层被去除，所以图形化蓝宝石衬底的外圈经历了两次蚀刻，使得外圈形貌得到优化，而在第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层的过程中，不再使用铝盘，所以蚀刻的遮挡问题得到解决，进而制备出内外圈形貌均匀的图形化蓝宝石衬底，提升了外延外圈良率。
附图说明
图1为本发明实施例一当中的图形化衬底的结构示意图；
图2为本发明实施例二当中的本发明实施例二提出的一种图形化衬底的制备方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
PSS(Patterned Sapphire Substrate，图形化衬底)，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料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。综合这两方面的原因，使PSS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的寿命也得到了延长。
ICP(Inductively Coupled Plasma，电感耦合等离子体)蚀刻，指的是利用等离子体激活的化学反应或者是利用高能粒子束轰击完成去除物质的方法。与湿法腐蚀相比其特点是各向异性刻蚀，能得到陡直的和有一定倾角的刻蚀侧壁。ICP蚀刻的过程中包括化学过程和物理过程。
化学过程分为两个部分，第一部分是刻蚀气体在电感耦合高能高频电磁场的作用下辉光放电，即在磁场的作用下产生活性游离基、亚稳态粒子、原子等粒子，产生等离子体，电离生成物之间也有一定的相互作用；第二部分是这些活性粒子与基片固体表面的相互作用，即刻蚀过程是一种气相与固相界面上的化学反应过程，该过程一般可分为三步：首先是固相表面对这些化学活性物质产生的化学吸附；然后被吸附的活性物质与固相表面进一步发生化学反应，反应生成物具有挥发性；最后是固相表面的反应化合物的脱附。
刻蚀过程中主要的物理过程是离子对基片表面的轰击。这里的物理轰击作用不等同于溅射刻蚀中的纯物理过程，它对化学反应具有明显的辅助作用，即具有较高动能的电子可以打断化学键，起到刻蚀作用，这类似于反应离子刻蚀(RIE)过程，还能够轰击吸附在表面，且阻挡刻蚀进一步进行的反应生成物脱附表面，促进基片表面的化学反应及去除基片表面的非挥发性残留物。
实施例一
请参阅图1，所示为本发明实施例一中的图形化衬底的结构示意图，包括蓝宝石基板1和蓝宝石基板1向外延伸出的外延长晶层4，外延长晶层4包括掩膜部2和位于掩膜部2外侧的非掩膜部3。
其中，图形化衬底的材料为Al2O3，在本实施例当中，外延长晶层4由若干圆锥体排列构成，且根据区域可被划分为外圈和内圈，示例而非限定，在其它一些实施例当中，外延长晶层4由其它形状排列构成，具体的，图形化蓝宝石衬底边缘1mm～10mm距离的区域为外圈，除外圈以外的区域为内圈，处于外圈的若干圆锥体为非掩膜部3，处于内圈的若干圆锥体为掩膜部2。
需要说明的是，非掩膜部3的圆锥体的高度低于掩膜部2圆锥体的高度，非掩膜部3的圆锥体的宽度小于掩膜部2圆锥体的宽度，其中，非掩膜部3中的圆锥体越靠近掩膜部2，其高度越高，宽度越宽，呈渐变状态，而掩膜部2中的圆锥体形貌较为统一，具体的，掩膜部2中的圆锥体大小为宽度2.0um～2.95um，高度1.6um～2.0um，通过渐层式图形化蓝宝石衬底，可将外延外圈长晶缺陷问题做补足，从而提升外延外圈良率。
实施例二
请参阅图2，图2为本发明实施例二提出的一种图形化衬底的制备方法，用于制备上述实施例一当中的图形化衬底，所述方法具体包括步骤S21至步骤S25，其中：
步骤S21，提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版。
需要说明的是，LED芯片的制作通常从外延片的生长开始，一般在蓝宝石衬底等衬底上外延生长外延层，在本实施例当中，需要提前将掩膜版准备好，该掩膜版用于当在蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶后，将掩膜版上的图形转移到黄光涂胶上。
具体的，掩膜版的制备方法为，首先将胶体原材料投入搅拌机台中，通过搅拌机台的搅拌制作出软模板胶体，其中，搅拌机台的搅拌时间设置为20min～60min，搅拌结束后，需静置4h～8h方可投入下一道工序，随后，取软模板胶体胶量50g～100g投入掩膜版制作机台中，制备得到具有既定图案的掩膜版，其中，制备温度为100℃～150℃，消气泡次数为10次～50次。
在本实施例当中，通过涂胶机台在蓝宝石衬底上覆盖1μm～3μm厚度的黄光涂胶，并在50℃～150℃的温度下烘烤60s～150s，烘烤后再将多余的涂胶去除，流入下一道工序。
步骤S22，将所述掩膜版上的图形转移到所述黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底。
其中，图形转移的工艺为纳米压印工艺，具体的，将掩膜版放入压印机台内，对蓝宝石衬底上沉积的黄光涂胶进行压印，完成对掩膜版上图案的复制，其中，条件设定为温度为40℃～80℃，一次压力为0.5Kpa～3Kpa，二次压力10Kpa～20Kpa，增压位置为30mm～40mm，曝光时间为20s～60s，变速位置为10mm～20mm，压印时间为30s～120s，最终获得周期3μm，宽度1.5μm～2.5μm，高度2μm～3μm的柱状体图案，即得到第一图形化蓝宝石衬底。
步骤S23，对所述第一图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第二图形化蓝宝石衬底。
具体的，蚀刻工艺为ICP蚀刻，该工艺在ICP设备中进行，将第一图形化蓝宝石衬底进行等离子体刻蚀，即在第一图形化蓝宝石衬底上形成有规则的圆锥图案，具体的，将第一图形化蓝宝石衬底正面朝上，即要进行处理的一面朝上，并固定在铝制载片盘中，再将固定有第一图形化蓝宝石衬底的铝制载片盘放入ICP设备反应腔内，腔室内抽真空至腔体压强为3mtorr～10mtorr，后通入工艺气体和辅助性气体，工艺气体可以为氯气、三氯化硼、三氟甲烷、四氟化碳和六氟化硫中一种或几种的混合气体，辅助性气体为氦气、氮气和氧气中的一种或几种的混合气体，在通入气体的同时，将ICP设备的上下电极功率打开，其中，上电极功率为1500W～2800W，下电极功率为400W～1000W，刻蚀时间为2000s～3000s，最终制备得到宽度2.0μm～2.95μm，高度1.6μm～2.0μm的圆锥形图案。
另外，在上述基础上进行清洁，清洁的工艺为湿法工艺，主要利用硫酸与双氧水的混合溶剂对图形化蓝宝石衬底表面进行清洗，其中，硫酸与双氧水的混合比例可以为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1等，主要清洁残留于表面的气体及刻蚀过程中的反应生成物及碳化物质。
需要说明的是，由于第一图形化蓝宝石衬底受限于蚀刻物理性铝盘遮挡问题，会导致第一图形化蓝宝石衬底外圈形貌的不均匀性，为了解决该问题，需要对外圈部分的形貌进行优化，即再次蚀刻，而传统的压印技术面临机台参数无法自主性变更的问题，导致通过传统的技术很难实现外圈的优化，具体的，藉由传统曝光机可自由变更片源内外圈曝光图形，在有效的保持压印尺寸稳定性的同时，可以解决外圈形貌问题。
步骤S24，在所述第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将所述第二图形化蓝宝石衬底外圈的所述光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底。
可以理解的，在第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层的工艺为黄光工艺，即通过涂胶、曝光、显影等工序，在第二图形化蓝宝石衬底上沉积光阻层，再将第二图形化蓝宝石衬底边缘1mm～10mm距离的光阻层去除，得到第三图形化蓝宝石衬底。
步骤S25，将所述第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底。
在本实施例当中，在制备得到第三图形化蓝宝石衬底后，通过ICP设备对第三图形化蓝宝石衬底进行二次蚀刻，由于光阻层具有一定保护作用，在第二次蚀刻过程中，主要是针对第三图形化蓝宝石衬底中未覆盖光阻层的部分进行蚀刻，即第三图形化蓝宝石衬底的外圈区域，将外圈区域蚀刻出渐层式的图案，其中，第三图形化蓝宝石衬底中内圈区域的图案高度高于外圈区域的图案高度，内圈区域的宽度大于外圈区域的图案宽度。
综上，本发明实施例当中的电流阻挡层、电流阻挡层的制备方法，在提供的蓝宝石衬底上沉积黄光涂料，并将事先准备好的掩膜版上的图形转移至黄光涂料上，形成第一图形化蓝宝石衬底，后对第一图形化蓝宝石衬底进行整体蚀刻，并清洁，得到具有一定形状的第二图形化蓝宝石衬底，但通过上述工艺制备的第二图形化蓝宝石衬底的外圈形状不均匀，为了解决该问题，在第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将第二图形化蓝宝石衬底外圈的光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底，通过将将第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底，由于第二图形化蓝宝石衬底外圈的光阻层被去除，所以图形化蓝宝石衬底的外圈经历了两次蚀刻，使得外圈形貌得到优化，进而制备出内外圈形貌均匀的图形化蓝宝石衬底，提升了外延外圈良率。
实施例三
本发明实施例三提供一种LED芯片，包括上述实施例一当中的图形化衬底，所述图形化衬底可由上述实施例二当中的图形化衬底的制备方法制作得到。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版；
将所述掩膜版上的图形转移到所述黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底；
对所述第一图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第二图形化蓝宝石衬底；
在所述第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将所述第二图形化蓝宝石衬底外圈的所述光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底；
将所述第三图形化蓝宝石衬底进行蚀刻，并清洁，得到第四图形化蓝宝石衬底。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述提供一蓝宝石衬底，并在所述蓝宝石衬底上沉积一层黄光涂胶，同时，制备掩膜版的步骤具体包括：
通过将原料投入搅拌机台中搅拌，制作出软模板固态胶体，搅拌时间为20min～60min，静置时间为4h～8h；
将所述软模板固态胶体放入软模板制作机台中，制备得到所述掩膜版，其中，制备温度为100℃～150℃，胶量为50g～100g，消气泡次数为10次～50次。
3.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述将所述掩膜版上的图形转移到所述黄光涂胶上，得到第一图形化蓝宝石衬底的步骤包括：
将所述掩膜版放入压印机台内，对所述黄光涂胶进行压印，制备得到所述第一图形化蓝宝石衬底，其中，条件设定为温度为40℃～80℃，一次压力为0.5Kpa～3Kpa，二次压力10Kpa～20Kpa，增压位置为30mm～40mm，曝光时间为20s～60s，变速位置为10mm～20mm，压印时间为30s～120s。
4.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述蚀刻工艺为干法蚀刻，其中，气压为3mtorr～10mtorr，上电极功率为1500W～2800W，下电极功率为400W～1000W，刻蚀时间为2000s～3000s。
5.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述清洁的工艺为湿法工艺，其中，利用硫酸与双氧水的混合溶剂对图形化蓝宝石衬底表面进行清洗。
6.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，制备所述光阻层的工艺为黄光工艺。
7.根据权利要求1所述的图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述在所述第二图形化蓝宝石衬底上制备光阻层，并将所述第二图形化蓝宝石衬底外圈的所述光阻层进行去除，得到第三图形化蓝宝石衬底的步骤包括：
将所述第二图形化蓝宝石衬底边缘1mm～10mm距离的所述光阻层去除。
8.一种图形化衬底，其特征在于，由权利要求1-7任一项所述的图形化衬底的制备方法制得，所述图形化衬底包括蓝宝石基板和所述蓝宝石基板向外延伸出的外延长晶层，所述外延长晶层包括掩膜部和位于所述掩膜部外侧的非掩膜部。
9.根据权利要求8所述的图形化衬底，其特征在于，所述掩膜部的高度高于所述非掩膜部的高度，所述掩膜部的宽度大于所述非掩膜部的宽度。
10.一种LED芯片，其特征在于，包括权利要求8-9任一项所述的图形化衬底。
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