CN115148874B - 一种图形化衬底结构的制备方法 - Google Patents

一种图形化衬底结构的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体光电技术领域，提供了一种图形化衬底结构的制备方法，通过该制备方法制得的图形化衬底结构包括蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干椎体结构呈周期排列设置，且椎体结构的底部为圆形，椎体结构的侧壁与底边的夹角为45‑65°，椎体结构的侧壁还具有若干棱面，棱面沿椎体结构侧壁的周向排列设置。本发明制得的图形化衬底结构，图形的形貌可控、精准度高、均匀性好，结构表面的损伤较小，衬底质量好，利于下游外延生长，进而能够进一步改善GaN外延薄膜的晶体质量，此外，该图形化衬底结构，图形结构的占空比高，出光效率高，进而能够提高LED的光提取效率，使得PSS上生长的LED的出射光亮度进一步得到提高。

Description

一种图形化衬底结构的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体光电技术领域，尤其涉及一种图形化衬底结构的制备方法。
背景技术
在LED外延工艺中，由于蓝宝石衬底材料与外延材料从晶格常数、热胀系数到折射率都相差很大，这些物理性质的差异导致衬底上生长的外延材料质量不高，致使LED内量子效率（IQE）受到限制，从而影响外量子效率（EQE）以及光效的提高。为了提高LED的光效，图形化蓝宝石衬底（PatternedSapphire Substrate, PSS）技术被引入。
图形化蓝宝石衬底是一种以图案作为诱发外延薄膜侧向生长的平台，从而改善外延晶体的质量，同时用图案充当光纤反射层以提升光提取效率的技术。图形化蓝宝石衬底能够提高LED效率的原因在于，一方面其能够有效的减少位错密度，减少外延生长缺陷，提升外延片品质，减小有源区的非辐射复合，提高内量子效率；另一方面其增加了光子在GaN与蓝宝石界面处的反射次数，使光子逸出LED有源区的几率增加，从而提高了光的提取效率，使得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。
随着LED领域工艺技术的发展，以及整个LED行业的迅速壮大，对PSS衬底的研究也逐渐增多。湿法制备图形化蓝宝石衬底，成本低、效率高、对衬底的损伤小，但湿法的横向刻蚀易造成底切现象，使得图形无法精确转移至衬底，最终导致图案线宽失真，且湿法制备得到的PSS衬底的图形结构占空比低，导致出光效率低。因而目前，主流PSS的图形化方法是，通过感应耦合等离子体刻蚀技术，将衬底上掩膜层的图形转移到衬底的表面；等离子体刻蚀虽然速率快、产能高，但是图形侧壁结构不易控制，同时，等离子体能量较大，衬底表面受到等离子体的物理轰击会带来表面晶体结构的损伤，不利于下游外延生长。
发明内容
为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本发明人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本发明。
具体而言，本发明所要解决的技术问题是：提供一种图形化衬底结构的制备方法，以解决目前的PSS衬底及其制备工艺，图形侧壁结构不易控制，且衬底表面受到等离子体的物理轰击会带来表面晶体结构的损伤，不利于下游外延生长的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
一种图形化衬底结构的制备方法，包括如下步骤：
S1、提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底的表面设置一层耐酸腐蚀的薄膜，形成第一掩模层；
S2、对所述第一掩模层的表面进行增粘处理，提升所述第一掩模层表面的粘附性；
S3、在所述第一掩模层的表面设置一层正性光刻胶，形成第二掩模层；
S4、采用光刻技术，对所述第二掩模层进行曝光；
S5、对曝光后的所述第二掩模层进行显影，获得第一胚体；
S6、采用等离子体刻蚀技术，对所述第一胚体进行刻蚀加工，获得第二胚体；
S7、采用缓冲氧化物刻蚀液，将所述第二胚体表面剩余的所述第一掩模层去除，获得第三胚体；
S8、采用高温酸腐蚀技术对所述第三胚体进行高温腐蚀，腐蚀液为硫酸与磷酸的混合液，混合液的混合质量比为硫酸：磷酸=3:1，腐蚀温度为240-260℃，腐蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的椎体结构，得到图形化衬底结构。
作为一种改进的技术方案，步骤S1中，对所述蓝宝石衬底进行清洗，清洗至表面洁净后，在所述蓝宝石衬底的表面沉积一层SiO2薄膜，形成所述第一掩模层，且所述第一掩模层的厚度为100-200nm。
作为一种改进的技术方案，步骤S2中，采用六甲基二硅氮烷对所述第一掩模层进行增粘处理，处理时间为90-120s。
作为一种改进的技术方案，步骤S3中，采用旋涂法在增粘处理后的所述第一掩模层的表面涂覆一层正性光刻胶，并在惰性气体环境下预烘，形成所述第二掩模层，且所述第二掩模层的厚度为500-2500nm。
作为一种改进的技术方案，步骤S4中，采用步进式光刻机，光线波长为436nm，利用图形化光刻版对所述第二掩模层进行曝光。
作为一种改进的技术方案，步骤S5中，采用显影液对曝光后的所述第二掩模层进行显影，制得所述第一胚体，且所述第一胚体的图形为圆柱状结构。
作为一种改进的技术方案，步骤S6中，采用感应耦合等离子体刻蚀技术对所述第一胚体进行刻蚀，刻蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的圆台状结构，所述圆台状结构的侧壁与底边的夹角为50-80°，周期为1000-3200nm，制得所述第二胚体。
作为一种改进的技术方案，步骤S7中，将所述第二胚体放入缓冲氧化物刻蚀液中，刻蚀液为氢氟酸水溶液与氟化铵水溶液的混合液，对所述第二胚体表面剩余的所述第一掩模层进行剥离去除，制得所述第三胚体。
作为一种改进的技术方案，步骤S8中，将所述第三胚体放入质量比为硫酸：磷酸=3:1的混合腐蚀液中，在240-260℃的腐蚀温度下，对所述第三胚体进行腐蚀，将所述蓝宝石衬底上的圆台状结构腐蚀为椎体结构，制得所述图形化衬底结构。
作为一种改进的技术方案，所述图形化衬底结构包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干所述椎体结构呈周期排列设置，且所述椎体结构的底部为圆形，所述椎体结构的侧壁与底边的夹角为45-65°，所述椎体结构的侧壁还具有若干棱面，所述棱面沿所述椎体结构侧壁的周向排列设置。
作为一种改进的技术方案，所述蓝宝石衬底的表面通过蚀刻、腐蚀工艺形成有横纵相连的沟槽，所述沟槽将所述蓝宝石衬底的表面分割为呈周期排列设置的若干所述椎体结构，且所述椎体结构的排列周期为1000-3200nm。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：
该图形化衬底结构的制备方法，能够实现图形化衬底结构的制备，预防衬底损伤，相较传统的图形化衬底结构的制备工艺，成本低，且得到的图形化衬底结构形貌可控、精准度高、均匀性好，能够大大提高图形化衬底结构的制备质量。
制得的该图形化衬底结构，结构表面的损伤较小，衬底质量好，利于下游外延生长，进而能够进一步改善GaN外延薄膜的晶体质量；此外，该图形化衬底结构，由于图形结构的底部为圆形，使得图形结构的占空比高，出光效率高，进而能够提高LED的光提取效率，使得PSS上生长的LED的出射光亮度进一步得到提高。
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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明蓝宝石衬底的结构示意图；
图2为本发明于蓝宝石衬底上生长第一掩模层后的结构示意图；
图3为本发明于第一掩模层上制备第二掩模层后的结构示意图；
图4为本发明第一胚体的结构示意图；
图5为本发明第二胚体的结构示意图；
图6为本发明第三胚体的结构示意图；
图7为本发明无衬底损伤的图形化衬底的结构示意图；
图8为本发明无衬底损伤的图形化衬底的立体结构示意图；
图9为本发明图形化衬底结构的制备方法流程图；
附图标记：1-蓝宝石衬底；101-椎体结构；1011-棱面；2-第一掩模层；3-第二掩模层。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
本实施例提供了一种图形化衬底结构的制备方法，如图9所示，包括如下步骤：
S1、提供一蓝宝石衬底1，如图1所示，在蓝宝石衬底1的表面设置一层耐酸腐蚀的薄膜，形成第一掩模层2，如图2所示；
该步骤中，选取一蓝宝石衬底1并对其进行清洗，清洗至表面洁净后，采用等离子体增强化学气相沉积的方法在蓝宝石衬底1的表面生长一层SiO2薄膜，形成第一掩模层2，且第一掩模层2的厚度为100-200nm。
具体的，对蓝宝石衬底1进行表面洁净后，采用等离子体增强化学气相沉淀设备（PECVD），以硅烷、笑气、氮气为反应气体，在常规工艺下进行SiO2薄膜层的制备，且制备的SiO2薄膜层的厚度在上述厚度范围内可调。
S2、对第一掩模层2的表面进行增粘处理，提升第一掩模层2表面的粘附性；
该步骤中，采用六甲基二硅氮烷对第一掩模层2进行增粘处理，以提升第一掩模层2表面与光刻胶的粘附性。
为了达到较好的表面增粘效果，通过调整处理时间，分析处理时间对第一掩模层增粘效果的影响，得到结果如下：
表1 处理时间对增粘效果的影响
处理时间（s） 30 60 90 120 150
增粘效果 差 较好 好 好 好
由表1可知，在处理时间低于90s的范围内，随着处理时间的延长，对第一掩模层2表面的增粘效果越来越好，但由于处理时间短，六甲基二硅氮烷没有足够的时间在第一掩模层2表面形成有效层，导致增粘效果不理想；当处理时间达到90s时，对第一掩模层2的增粘效果好；当处理时间大于120s时，虽然能够确保对第一掩模层2的增粘效果，但是会降低处理的效率。因而，该步骤中，对第一掩模层2表面的增粘处理时间为90-120s。
本实施例中，综合考虑对第一掩模层2的增粘效果及处理效率，处理时间选用90s。
S3、在第一掩模层2的表面设置一层正性光刻胶，形成第二掩模层3，如图3所示；
该步骤中，采用旋涂法在增粘处理后的第一掩模层2的表面涂覆一层正性光刻胶，并预烘，挥发去除正性光刻胶中的溶剂，形成第二掩模层3，且第二掩模层3的厚度为500-2500nm。
具体的，将步骤2所得晶片放在匀胶机的载片台上，载片台可以带动晶片一起旋转，在第一掩模层2表面的正中心滴涂正性光刻胶，正性光刻胶会随着晶片的旋转而在第一掩膜层2的表面铺开，且载片台的旋转速度不同，制得的正性光刻胶的厚度不同，正性光刻胶的厚度在上述厚度范围内可调。
基于干法刻蚀工艺中对蓝宝石、SiO2和光刻胶的刻蚀速率，考虑到目标图形尺寸和保留一定工艺窗口范围，故在步骤S1和步骤S3中，分别对第一掩模层2和第二掩模层3选择上述范围的制备厚度。
S4、采用光刻技术，对第二掩模层3进行曝光；
该步骤中，采用步进式光刻机，光线波长为436nm，利用图形化光刻版对第二掩模层3进行曝光，曝光时间为230-250ms。
S5、对曝光后的第二掩模层3进行显影，获得第一胚体，如图4所示；
该步骤中，采用显影液对曝光后的第二掩模层3进行显影，显影后的第二掩模层3形成若干周期排列的圆柱状图形结构，制得第一胚体。
本实施例中，第一胚体的圆柱状图形结构的直径为1900-2100nm，高度为1500-2000nm。
上述步骤S4和步骤S5中，为了达到较好的光刻效果，通过调整曝光时间，分析曝光时间对显影后图形侧壁形貌的影响，得到以下结果：
表2 曝光时间对侧壁的影响
曝光时间（ms） 190 210 230 250 270 290
侧壁形貌 差 较好 好 好 较好 差
由表2可知，在曝光时间低于230ms的范围内，随着曝光时间的延长，显影后图形侧壁形貌变好，但由于曝光时间短，曝光能量不足，导致显影后图形侧壁形貌差；当曝光时间达到230-250ms时，显影后图形结构的侧壁形貌好；当曝光时间高于250ms时，由于曝光时间过长，曝光能量过大，同样导致了显影后图形侧壁形貌变差。故在步骤S4中，确定曝光时间为230-250ms。
S6、采用等离子体刻蚀技术，对第一胚体进行刻蚀加工，获得第二胚体，如图5所示；
该步骤中，将第一胚体放入感应耦合等离子体刻蚀机中，采用感应耦合等离子体刻蚀技术对第一胚体进行刻蚀，在第二掩模层3和第一掩模层2的保护下，刻蚀至在蓝宝石衬底1上形成周期排列的圆台状结构，圆台状结构的侧壁与底边的夹角为50-80°，周期为1000-3200nm，在圆台状结构的顶部还剩余一定厚度的第一掩膜层2，制得第二胚体。
本实施例中，圆台状结构的底部直径为2700-2900nm，高度为1900-2000nm，周期为3000nm。
为了达到较好的刻蚀均匀性，调整刻蚀功率，分析刻蚀功率对刻蚀均匀性的影响，得出如下结果：
表3 刻蚀功率对刻蚀均匀性的影响
刻蚀功率（W） 350 400 450 500 650
刻蚀均匀性 均匀 均匀 均匀 较均匀 不均匀
由表3可知，当刻蚀功率在500W以下时，刻蚀均匀性好；当刻蚀功率高于500W时，等离子体对衬底表面的轰击过于剧烈，导致刻蚀均匀性变差；刻蚀功率小于450w时，虽然能够确保刻蚀均匀性，但刻蚀时间长，会影响刻蚀效率。
本实施例中，综合考虑刻蚀均匀性及刻蚀效率，刻蚀功率选用450w。
S7、采用缓冲氧化物刻蚀液，将第二胚体表面剩余的第一掩模层2去除，获得第三胚体，如图6所示；
该步骤中，将第二胚体放入缓冲氧化物刻蚀液中，对第二胚体表面剩余的第一掩模层2进行剥离去除，制得第三胚体；该步骤中，刻蚀液为氢氟酸水溶液与氟化铵水溶液的混合液。
S8、采用高温酸腐蚀技术对第三胚体进行高温腐蚀，腐蚀液为硫酸与磷酸的混合液，腐蚀至在蓝宝石衬底1上形成周期排列的椎体结构，得到图形化衬底结构，如图7和图8共同所示。
该步骤中，将第三胚体放入硫酸与磷酸的混合腐蚀液中，对第三胚体进行腐蚀，将蓝宝石衬底1上的圆台状结构腐蚀为椎体结构101，椎体结构101的底部为圆形，椎体结构101的侧壁与底边的夹角为45-65°，椎体结构101的侧壁还具有若干棱面1011，棱面1011沿椎体结构侧壁的周向排列设置，椎体结构101的排列周期为1000-3200nm。清洗后，得到所需的图形化衬底结构。
本实施例中，制得的图形化衬底结构，其椎体结构101的底部直径为2800-2850nm，椎体结构101的高度为1800-1850nm，椎体结构101的排列周期为3000nm。
由于磷酸与硫酸对蓝宝石的腐蚀方向不同，磷酸对蓝宝石横向腐蚀速率快，硫酸对蓝宝石纵向腐蚀速率快，考虑到目标图形尺寸及工艺窗口范围，确定混合液的混合质量比为硫酸：磷酸=3:1。
为了达到较好的腐蚀效果，通过调整腐蚀温度来分析腐蚀温度对腐蚀效果的影响，得出如下结果：
表4 腐蚀温度对腐蚀稳定性的影响
腐蚀温度（℃） 230 240 250 260 270
腐蚀稳定性 稳定 稳定 稳定 较稳定 不稳定
由表4可知，当腐蚀温度在250℃时，腐蚀稳定性较好；当温度达到260℃时，腐蚀的稳定性减弱，当温度高于260℃时，由于反应过于剧烈，腐蚀速率过快，腐蚀过程不易控制，导致稳定性变差；当腐蚀温度低于240℃时，虽然能确保腐蚀稳定性，但是由于温度偏低，腐蚀速率慢，影响腐蚀效率；故该步骤中，腐蚀温度为240-260℃。
本实施例中，综合考虑腐蚀稳定性及腐蚀效率，腐蚀温度选用250℃。
通过该图形化衬底结构的制备方法，能够实现图形化衬底结构的制备，预防衬底损伤，相较传统的图形化衬底结构的制备工艺，成本低，且得到的图形化衬底结构形貌可控、精准度高、均匀性好，能够大大提高图形化衬底结构的制备质量。
如图7和图8共同所示，通过该制备方法制得的图形化衬底结构，包括蓝宝石衬底1，蓝宝石衬底1的表面具有若干一体成型的椎体结构101，若干椎体结构101呈周期排列设置，且椎体结构101的底部为圆形，椎体结构101的侧壁与底边的夹角为45-65°，椎体结构101的侧壁还具有若干棱面1011，棱面1011沿椎体结构侧壁的周向排列设置。
蓝宝石衬底的表面通过蚀刻、腐蚀工艺形成有横纵相连的沟槽，沟槽将蓝宝石衬底的表面分割为呈周期排列设置的若干椎体结构101，且椎体结构101的排列周期为1000-3200nm。
本实施例中，椎体结构101的底部直径为2800-2850nm，椎体结构101的高度为1800-1850nm，椎体结构101的排列周期为3000nm。
基于上述结构的该图形化衬底结构，图形的形貌可控、精准度高、均匀性好，结构表面的损伤较小，衬底质量好，利于下游外延生长，进而能够进一步改善GaN外延薄膜的晶体质量，此外，该图形化衬底结构，由于图形结构的底部为圆形，使得图形结构的占空比高，出光效率高，进而能够提高LED的光提取效率，使得PSS上生长的LED的出射光亮度进一步得到提高。
应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种图形化衬底结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底的表面设置一层耐酸腐蚀的薄膜，形成第一掩模层；
S2、对所述第一掩模层的表面进行增粘处理，提升所述第一掩模层表面的粘附性；
S3、在所述第一掩模层的表面设置一层正性光刻胶，形成第二掩模层；
S4、采用光刻技术，对所述第二掩模层进行曝光；
S5、对曝光后的所述第二掩模层进行显影，获得第一胚体；
S6、采用等离子体刻蚀技术，对所述第一胚体进行刻蚀加工，获得第二胚体；
S7、采用缓冲氧化物刻蚀液，将所述第二胚体表面剩余的所述第一掩模层去除，获得第三胚体；
S8、采用高温酸腐蚀技术对所述第三胚体进行高温腐蚀，腐蚀液为硫酸与磷酸的混合液，混合液的混合质量比为硫酸：磷酸=3:1，腐蚀温度为240-260℃，腐蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的椎体结构，得到图形化衬底结构。
2.如权利要求1所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S1中，对所述蓝宝石衬底进行清洗，清洗至表面洁净后，在所述蓝宝石衬底的表面沉积一层SiO2薄膜，形成所述第一掩模层，且所述第一掩模层的厚度为100-200nm。
3.如权利要求2所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S2中，采用六甲基二硅氮烷对所述第一掩模层进行增粘处理，处理时间为90-120s。
4.如权利要求3所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S3中，采用旋涂法在增粘处理后的所述第一掩模层的表面涂覆一层正性光刻胶，并预烘，形成所述第二掩模层，且所述第二掩模层的厚度为500-2500nm。
5.如权利要求4所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S4中，采用步进式光刻机，光线波长为436nm，利用图形化光刻版对所述第二掩模层进行曝光；
步骤S5中，采用显影液对曝光后的所述第二掩模层进行显影，制得所述第一胚体，且所述第一胚体的图形为圆柱状结构。
6.如权利要求5所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S6中，采用感应耦合等离子体刻蚀技术对所述第一胚体进行刻蚀，刻蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的圆台状结构，所述圆台状结构的侧壁与底边的夹角为50-80°，周期为1000-3200nm，制得所述第二胚体。
7.如权利要求6所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S7中，将所述第二胚体放入缓冲氧化物刻蚀液中，刻蚀液为氢氟酸水溶液与氟化铵水溶液的混合液，对所述第二胚体表面剩余的所述第一掩模层进行剥离去除，制得所述第三胚体。
8.如权利要求7所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S8中，将所述第三胚体放入质量比为硫酸：磷酸=3:1的混合腐蚀液中，在240-260℃的腐蚀温度下，对所述第三胚体进行腐蚀，将所述蓝宝石衬底上的圆台状结构腐蚀为椎体结构，制得所述图形化衬底结构。
9.如权利要求8所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：所述图形化衬底结构包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干所述椎体结构呈周期排列设置，且所述椎体结构的底部为圆形，所述椎体结构的侧壁与底边的夹角为45-65°，所述椎体结构的侧壁还具有若干棱面，所述棱面沿所述椎体结构侧壁的周向排列设置。
10.如权利要求9所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：所述蓝宝石衬底的表面通过蚀刻、腐蚀工艺形成有横纵相连的沟槽，所述沟槽将所述蓝宝石衬底的表面分割为呈周期排列设置的若干所述椎体结构，且所述椎体结构的排列周期为1000-3200nm。
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