TWI395847B - 針對藍寶石基板之蝕刻方法及圖案化藍寶石基板 - Google Patents

Description

針對藍寶石基板之蝕刻方法及圖案化藍寶石基板

本發明係關於一種針對藍寶石(sapphire)基板之蝕刻方法及圖案化藍寶石基板。本發明利用化學濕式蝕刻方式將藍寶石基板蝕刻出特定圖形，並利用多次蝕刻來控制藍寶石基板已圖案化之後的晶面角度。

現今半導體發光元件(例如，發光二極體)的應用領域已甚為廣泛，例如手機螢幕背光模組及照明系統等，皆見到半導體發光元件被廣泛地應用。為了讓半導體發光元件儘可能地確保較高的功能可靠性以及較低的能源消耗，因此對於半導體發光元件皆須要求其本身的外部量子效率(external quantum efficiency)。

理論上，一半導體發光元件的外部量子效率與其本身的內部量子效率(internal quantum efficiency)有關。所謂的內部量子效率係由材料特性及品質所決定。若半導體發光元件的內部缺陷(例如，差排)密度變大，將會降低半導體發光元件的內部量子效率及光取出效率。

為提昇半導體發光元件的外部量子效率，具有圖案化表面之藍寶石基板已被揭露並用於製造半導體發光元件。圖案化表面可用以散射由半導體發光元件射出之光線以降低全反射，進一步提昇半導體發光元件的外部量子效率。

雖然半導體材料層(例如，氮化鎵)可藉由不錯的橫向磊晶方式形成於圖案化表面之藍寶石基板上，但是半導體材料層於圖案化表面之藍寶石基板上磊晶後仍會產生不少內部的 缺陷(例如，貫穿式差排)，並且直接影響到半導體發光元件的光電特性。因此，於圖案化表面之藍寶石基板上磊晶之半導體材料層，其品質仍有改善的空間。

因此，本發明之主要範疇在於提供一種圖案化藍寶石基板，以解決上述問題。

本發明之一範疇在於提供一種針對藍寶石基板之蝕刻方法。該藍寶石基板具有結晶方向為(0001)之一上表面。

根據本發明之一具體實施例，該方法首先選擇性地形成一蝕刻阻抗層(etching－resistant layer)於藍寶石基板之上表面上，致使藍寶石基板之上表面之部份區域外露。

接著，於第一蝕刻條件下，該方法藉由第一蝕刻液蝕刻該外露的部份區域，致使複數個平頂的三角錐(pyramid)結構形成於藍寶石基板之上表面上。其中，複數個平頂的三角錐結構中之每一個三角錐結構具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面。

之後，於第二蝕刻條件下，該方法藉由第二蝕刻液再度蝕刻該外露的部份區域，致使複數個平頂的三角錐結構中之每一個三角錐結構皆形成一個完整的三角錐結構。最後，該方法移除該蝕刻阻抗層以形成圖案化藍寶石基板。

本發明之另一範疇在於提供一種圖案化藍寶石基板。

根據本發明之另一具體實施例，藍寶石基板之上表面之結晶方向為(0001)，並且複數個完整的三角錐結構自藍寶石 基板之上表面突出。其中，該等完整的三角錐結構中之每一個三角錐結構具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖一A至圖一F。圖一A至圖一F係繪示以說明根據本發明之一具體實施例之針對藍寶石基板之蝕刻方法之截面視圖。

藍寶石為六方體(hexagonal)的結構，而且不同化學溶液對藍寶石各種特定晶面的蝕刻速率也不同。藉由此特性，本發明將利用化學濕式蝕刻方式將藍寶石基板10蝕刻出特定圖形，並利用多次蝕刻來控制藍寶石基板10已圖案化之後的晶面角度。

如圖一A所示，該方法首先製備一藍寶石基板10。藍寶石基板10具有結晶方向為(0001)之一上表面100。換言之，該方法首先製備一C－平面藍寶石基板10。

接著，如圖一B所示，該方法形成一蝕刻阻抗層12覆蓋於藍寶石基板10之上表面100上。於此實施例中，蝕刻阻抗層12可以由氧化矽(silicon oxide)形成。實務上，蝕刻阻抗層12可以藉由一化學氣相沉積(CVD)製程或一濺鍍(Sputtering)製程形成於藍寶石基板10之上表面100上。之後，該方法披覆(coating)一層光阻於蝕刻阻抗層12上。然後，該方法進行一黃光微影製程，以將光罩的圖形轉移至光阻上。

接著，如圖一C所示，該方法進行一蝕刻製程，使用具緩衝效果的氧化物蝕刻液(buffer oxide etching solution,BOE)以移除裸露的蝕刻阻抗層12，致使藍寶石基板10之上表面100之部份區域外露。然後，在超音波震盪器中，該方法將藍寶石基板10浸泡於丙酮溶液以去除光阻。

之後，如圖一D所示，於一第一蝕刻條件下，該方法藉由第一蝕刻液蝕刻該外露的部份區域，致使複數個平頂的三角錐(pyramid)結構102形成於藍寶石基板10之上表面100上。

於一具體實施例中，第一蝕刻液為硫酸及磷酸之一混合液。需注意的是，混合液中之硫酸及磷酸之一比例可以介於1~5之間。於此實施例中，硫酸及磷酸之比例大致上為3以配製成混合液。此外，第一蝕刻條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之第一蝕刻溫度。於此實施例中，第一蝕刻液係於300℃之第一蝕刻溫度下進行蝕刻。

在第一蝕刻液的蝕刻之下，有蝕刻阻抗層12的地方並不會受到第一蝕刻液的腐蝕而留下原本的C－平面藍寶石基板10。由於該蝕刻液對藍寶石基板10之R－平面的蝕刻速度比較慢，故沒有蝕刻阻抗層12所保護的藍寶石基板(即上表面100之外露的部份區域)在蝕刻之後，會在有蝕刻阻抗層12所覆蓋區域的周圍留下三個不同方向之傾斜的R－平面。

因此，在第一蝕刻液蝕刻之後，複數個平頂的三角錐結構102會形成於藍寶石基板10之上表面100上。其中，該等三角錐結構102中之每一個三角錐結構102具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面。此三個結晶面即上述的三個傾斜的R－平面。

之後，如圖一E所示，於第二蝕刻條件下，該方法藉由第二蝕刻液再度蝕刻該外露的部份區域，致使複數個平頂的三角錐結構102中之每一個三角錐結構皆形成一個完整的三角錐結構104。

於一具體實施例中，第二蝕刻液為磷酸與硫酸之一混合液，並且磷酸與硫酸之比例大於1。於此實施例中，磷酸與硫酸之比例大致上為3以配製成混合液。此外，第二蝕刻條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之第二蝕刻溫度。於此實施例中，第二蝕刻液係在300℃之第二蝕刻溫度下進行蝕刻。

利用第二蝕刻液對藍寶石基板10之C－平面的蝕刻速度較慢，故經過第二蝕刻液蝕刻之後，上述平頂的三角錐結構102會成型為完整的三角錐結構104。需注意的是，此處所謂「完整的」三角錐結構係相對於「平頂的」三角錐結構而定義，縱使實務上經過第二蝕刻液蝕刻之後形成的三角錐結構有些小瑕疵，仍屬於本發明所定義之完整的三角錐結構104。

最後，如圖一F所示，在複數個完整的三角錐結構104形成之後，該方法移除蝕刻阻抗層12以完成具有三角錐結構之圖案化藍寶石基板10。

請參閱圖二A及圖二B。圖二A及圖二B係針對根據本發明之圖案化藍寶石基板所拍攝之實驗圖片。圖二A中藍寶石基板之三角錐結構係藉由第二蝕刻液蝕刻而形成，其斜面與水平面的夾角約為31°。圖二B中藍寶石基板之三角錐結構係藉由延長第二蝕刻液的蝕刻時間而形成。由於第二蝕刻液之側向蝕刻的速度較縱向蝕刻快，所以經過不同時間的蝕刻之後，三角錐之斜面的角度可獲得控制。圖二B中所示之 三角錐之斜面與水平面的夾角由原來的31°變為11°。

根據本發明之圖案化藍寶石基板可用於製造半導體光電元件，例如發光二極體(light－emitting diode,LED)。圖案化藍寶石基板可以有效地降低發光二極體於磊晶時之內部缺陷(例如，差排)密度，以提高發光二極體的內部量子效率及光取出效率。

請參閱圖三。圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例之圖案化藍寶石基板2之截面視圖。

圖案化藍寶石基板2之特徵在於藍寶石基板2之上表面20之結晶方向為(0001)，並且複數個完整的三角錐結構200自藍寶石基板2之上表面20突出。其中，該等完整的三角錐結構200中之每一個三角錐結構具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面。

其中，該等完整的三角錐結構200之形成係於一第一製程條件下，藉由一第一蝕刻液蝕刻藍寶石基板2之上表面20上之部份區域以於藍寶石基板2之上表面20形成數個平頂的三角錐結構，接著再於一第二製程條件下，藉由一第二蝕刻液再度蝕刻該部份區域，致使該複數個平頂的三角錐結構形成該複數個完整的三角錐結構200。

於一具體實施例中，第一蝕刻液為硫酸及磷酸之一混合液，並且第二蝕刻液為磷酸的比例較高之酸液。需注意的是，第一蝕刻液中之硫酸及磷酸之一比例可以介於1~5之間，並且第二蝕刻液中磷酸與硫酸之比例大於1。此外，第一蝕刻條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之第一蝕刻溫度，第二製程條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之一第二 蝕刻溫度。

綜上所述，本發明利用化學濕式蝕刻方式將藍寶石基板蝕刻出特定圖形以形成圖案化藍寶石基板，並利用多次蝕刻來控制藍寶石基板已圖案化之後的晶面角度。藉此，根據本發明之圖案化藍寶石基板在應用於製造半導體光電元件時能夠提昇半導體光電元件之磊晶品質，以提昇半導體光電元件的光電特性。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

10‧‧‧藍寶石基板

12‧‧‧蝕刻阻抗層

100‧‧‧上表面

102‧‧‧平頂的三角錐結構

104‧‧‧完整的三角錐結構

2‧‧‧圖案化藍寶石基板

20‧‧‧上表面

200‧‧‧完整的三角錐結構

圖一A至圖一F係繪示以說明根據本發明之一具體實施例之針對藍寶石基板之蝕刻方法之截面視圖。

圖二A及圖二B係針對根據本發明之圖案化藍寶石基板所拍攝之實驗圖片。

圖三係繪示根據本發明之另一具體實施例之圖案化藍寶石基板之截面視圖。

2‧‧‧圖案化藍寶石基板

20‧‧‧上表面

200‧‧‧完整的三角錐結構

Claims (15)

1. 一種針對一藍寶石基板之蝕刻方法，該藍寶石基板具有結晶方向為(0001)之一上表面，該方法包含下列步驟：選擇性地形成一蝕刻阻抗層於該藍寶石基板之該上表面上，致使該上表面之部份區域外露；於一第一蝕刻條件下，藉由一第一蝕刻液蝕刻該外露的部份區域，致使複數個平頂的三角錐結構形成於該藍寶石基板之該上表面上，其中該複數個平頂的三角錐結構中之每一個三角錐結構具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面；於一第二蝕刻條件下，藉由一第二蝕刻液再度蝕刻該外露的部份區域，致使該複數個平頂的三角錐結構中之每一個三角錐結構皆形成一個完整的三角錐結構；以及移除該蝕刻阻抗層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一蝕刻液為硫酸及磷酸之一混合液。
3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該混合液中之硫酸及磷酸之一比例介於1~5之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該第一蝕刻條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之一第一蝕刻溫度。
5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第二蝕刻液為磷酸與硫酸之一混合液，並且磷酸與硫酸之一比例大於1。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第二蝕刻條件包 含溫度範圍從150℃至350℃內之一第二蝕刻溫度。
7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該蝕刻阻抗層係由氧化矽所形成。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該蝕刻阻抗層係藉由一化學氣相沉積製程或一濺鍍製程形成於該藍寶石基板之該上表面上。
9. 一種圖案化藍寶石基板，其特徵在於該藍寶石基板之一上表面之結晶方向為(0001)，複數個完整的三角錐結構自該藍寶石基板之該上表面突出，其中該等完整的三角錐結構中之每一個三角錐結構具有一方向為(102)之第一結晶面、一方向為(012)之第二結晶面以及一方向為(102)之第三結晶面。
10. 如申請專利範圍第9項所述之圖案化藍寶石基板，其中該等三角錐結構之形成係於一第一製程條件下，藉由一第一蝕刻液蝕刻該藍寶石基板之該上表面上之部份區域以於該藍寶石基板之該上表面形成數個平頂的三角錐結構，接著再於一第二製程條件下，藉由一第二蝕刻液再度蝕刻該部份區域，致使該複數個平頂的三角錐結構形成該複數個完整的三角錐結構。
11. 如申請專利範圍第10項所述之圖案化藍寶石基板，其中該第一蝕刻液為硫酸及磷酸之一混合液。
12. 如申請專利範圍第11項所述之圖案化藍寶石基板，其中該混合液中之硫酸及磷酸之一比例介於1~5之間。
13. 如申請專利範圍第11項所述之圖案化藍寶石基板，其中該第一製程條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之一第一蝕刻溫度。
14. 如申請專利範圍第10項所述之圖案化藍寶石基板，其中該第二蝕刻液為磷酸與硫酸之一混合液，並且磷酸與硫酸之一比例大於1。
15. 如申請專利範圍第14項所述之圖案化藍寶石基板，其中該第二製程條件包含溫度範圍從150℃至350℃內之一第二蝕刻溫度。