TWI469184B - And a method for producing a substrate for preparing a semiconductor compound - Google Patents

And a method for producing a substrate for preparing a semiconductor compound Download PDF

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供磊製半導體化合物用的基板之製作方法
本發明是有關於一種磊晶基板(epitaxial substrate)，特別是指一種供磊製(epitaxial growth)半導體化合物(semiconductor compound)用的基板之製作方法。
參閱圖1，習知一種圖案化藍寶石基板(patterned sapphire substrate，PSS)1，是適用於磊製一固態發光元件(solid state light-emitting device)之III-V族光電半導體(optoelectronic semiconductor)化合物膜(圖未示)。該圖案化藍寶石基板1包含：一基部11，及複數間隔地自該基部11的一表面向上凸伸而出的錐狀體12。該等錐狀體12是呈週期性地(periodically)排列於該基部11的表面上，且該等錐狀體12及該基部11皆是由藍寶石所製成。
此技術領域者一般都了解，該等錐狀體12於該固態發光元件中的主要目的是在於，將產生自該圖案化藍寶石基板1上方之III-V族光電半導體化合物膜的光子(photons)反射回其上方，並藉此提昇該固態發光元件的光取出率(extractive efficiency)，即，所謂的外部量子效率(external quantum efficiency)。然而，該圖案化藍寶石基板1一般必須經由製程設備昂貴的微影(photolithography)設備，以在一藍寶石基板上預先上形成一呈週期性排列的遮罩陣列(mask array)之後，才有辦法進一步地經由蝕刻法以移除未被該遮罩陣列所覆蓋的藍寶石基板並形成該等週期性排列的錐狀 體12。因此，該圖案化藍寶石基板1的製作成本高。
經上述說明可知，降低供磊製半導體化合物用之基板的製程成本，以提升固態發光元件之光取出率，是此技術領域者所需解決的問題。
因此，本發明之目的，即在提供一種供磊製半導體化合物用的基板之製作方法。
於是，本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，包含以下步驟：(a)於一具有一表面之單晶基板上形成複數分散於該表面之奈米級(nano-scaled)點狀遮罩；及(b)於該步驟(a)後，對該單晶基板施予非等向性蝕刻(anisotropic etching)以沿著一實質面向該表面的第一方向，移除該單晶基板之未被該等奈米級點狀遮罩所覆蓋的一區域，並於該單晶基板上形成有複數間隔地自該單晶基板內部沿著一實質相反於該第一方向的第二方向延伸及漸縮之奈米級針狀體。
本發明之功效在於：降低供磊製半導體化合物用之基板的製程成本，以提升固態發光元件之光取出率。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之四個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖2及圖3，本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第一較佳實施例，包含以下步驟：(a)於一具有一表面21之單晶基板2上形成複數分散於該表面21之奈米級點狀遮罩3(如圖2所示)；及(b)於該步驟(a)後，對該單晶基板2施予非等向性蝕刻以沿著一實質面向該表面21的第一方向Y1 ，移除該單晶基板2之未被該等奈米級點狀遮罩3所覆蓋的一區域，並於該單晶基板2上形成有複數間隔地自該單晶基板2內部沿著一實質相反於該第一方向Y1 的第二方向Y2 延伸及漸縮之奈米級針狀體51(如圖3所示)。
較佳地，該步驟(a)之奈米級點狀遮罩3是經由在該單晶基板2之表面21上形成一遮罩層(圖未示)後並對該遮罩層施予退火(annealing)處理所構成。更佳地，該遮罩層是由一金屬(metal)材料所製成；且該遮罩層的厚度是介於50nm~800nm之間。此處值得說明的是，該經實施退火處理後的遮罩層因其本身存在有內聚力(compressive stress)的特性，而使得該經實施退火處理後的遮罩層轉變成不規則地分散於該單晶基板2之表面21的奈米級點狀遮罩3。適用於本發明之遮罩層可以是由鎳(Ni)、鉑(Pt)、金(Au)、鉻(Cr)、銀(Ag)或鋁(Al)所製成；且適用於本發明之單晶基板2是單晶藍寶石。在本發明該第一較佳實施例中，該遮罩層是由厚度約50nm之Ni所製成。
較佳地，每一奈米級點狀遮罩3的直徑d1 是介於50nm~800nm之間，且每兩相鄰之奈米級點狀遮罩3的間距d2 是介於50nm~800nm之間。
較佳地，該步驟(b)的非等向性蝕刻是於一蝕刻反應室(圖未示)內引入一混合有一蝕刻氣體與一輸送氣體的反應氣體，並經由實施感應耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)蝕刻技術所完成；該蝕刻氣體是選自BCl3 、Cl2 、SiCl4 、HBr、CH4 、SF6 、CF4 、CHF3 ，或前述蝕刻氣體的混合；該輸送氣體是選自Ar、N2 或H2 ；該反應氣體對該等奈米級點狀遮罩3與該單晶基板2之蝕刻速率分別為R1 及R2 ，且R1 /R2 是介於0.5至1.2之間。更佳地，於該步驟(b)後所構成之該等奈米級針狀體51的高度h是介於50nm~800nm之間。
經前述說明可知，由本發明該第一較佳實施例之製作方法的所製得之供磊製半導體化合物用的基板如圖3所示，是自該單晶基板2的內部沿著該第二方向Y2 延伸及漸縮有該等奈米級針狀體51，且於局部奈米級針狀體51的一頂端是留下有與其對應之金屬的奈米級點狀遮罩3。
此處值得說明的是，本發明該第一較佳實施例僅需使用製作成本低且製作程序簡易的退火處理，同時配合實施非等向性蝕刻法即可製得該等奈米級針狀體51。對於後續所完成之一固態發光元件而言，一方面可利用該等奈米級針狀體51來改變光子的行進方向；另一方面，位於該等奈米級針狀體51上方之金屬的奈米級點狀遮罩，更有利使光 子向上反射。
參閱圖4，本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第二較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，本發明該第二較佳實施例之製作方法於該步驟(b)之後，更包含繼續對該單晶基板2施予非等向性蝕刻以移除該等奈米級點狀遮罩3(圖未示)。本發明該第二較佳實施例之供磊製半導體化合物用的基板如圖4所示，是自該單晶基板2的內部沿著該第二方向Y2 延伸及漸縮有複數奈米級針狀體52。
參閱圖5及圖6，本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第三較佳實施例，大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同處是在於，本發明該第三較佳實施例之製作方法於該步驟(a)之前，更包含對該單晶基板2施予圖案化(patterned)處理，以於該單晶基板2上形成一凸柱陣列(array)及一凹槽陣列其中一者。此處需說明的是，前述之陣列於本發明中，是被定義為呈週期性排列者。
在本發明該第三較佳實施例中，該圖案化處理是利用微影與蝕刻製程，以於該單晶基板2上形成一自該單晶基板2內部沿著該第二方向Y2 延伸的凸柱陣列22。因此，本發明該第三較佳實施例於該步驟(b)之後所製得之供磊製半導體化合物用的基板如圖6所示，是自該單晶基板2的內部沿著該第二方向Y2 延伸及漸縮有複數奈米級針狀體53，且於該凸柱陣列22處亦形成有該等奈米級針狀體53。
此處值得說明的是，雖然本發明該第三較佳實施例使 用到製程設備較為昂貴的微影設備。然而，本發明該第三較佳實施例配合使用製作成本低且程序簡易的退火處理，不但可製得該等奈米級針狀體53。此外，該等奈米級針狀體53是分區且週期性地自該單晶基板2內部向該第二方向Y2 延伸；換句話說，本發明該第三較佳實施例的奈米級針狀體53因該等凸柱陣列22而顯示出其週期性的設置關係；因此，對於後續所完成之固態發光元件而言，該等奈米級針狀體53一方面可改變光子的行進方向；另一方面，該等奈米級針狀體53呈週期性的設置關係，更有利於使光子產生建設性干涉(constructive interference)及散射(scattering)，進而使得由此等經散射後的光子所構成之光場得以被均勻化。
綜上所述，本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法及其供磊製半導體化合物用的基板，一方面可降低製程成本以提升固態發光元件之光取出率；另一方面，再配合微影製程以構成週期性排列的設置關係，可進一步地提昇固態發光元件的光取出率，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
2‧‧‧基板
21‧‧‧表面
3‧‧‧奈米級點狀遮罩
51‧‧‧奈米級針狀體
52‧‧‧奈米級針狀體
53‧‧‧奈米級針狀體
Y1 ‧‧‧第一方向
Y2 ‧‧‧第二方向
d1 ‧‧‧直徑
d2 ‧‧‧間距
h‧‧‧高度
圖1是一立體圖，說明習知一種圖案化藍寶石基板； 圖2是一正視示意圖，說明本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第一較佳實施例之一奈米級點狀遮罩的形成步驟；圖3是一正視示意圖，說明本發明該第一較佳實施例之一非等向性蝕刻的實施步驟，及由其製作方法所製得之供磊製半導體化合物用的基板；圖4是一正視示意圖，說明由本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第二較佳實施例，及由其製作方法所製得之供磊製半導體化合物用的基板；圖5是一正視示意圖，說明本發明供磊製半導體化合物用的基板之製作方法的一第三較佳實施例之一圖案化處理的實施步驟；及圖6是一正視示意圖，說明由本發明該第三較佳實施例之製作方法所製得之供磊製半導體化合物用的基板。
2‧‧‧基板
21‧‧‧表面
3‧‧‧奈米級點狀遮罩
51‧‧‧奈米級針狀體
Y1 ‧‧‧第一方向
Y2 ‧‧‧第二方向
h‧‧‧高度

Claims (7)

  1. 一種供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，包含以下步驟：(a)於一具有一表面之單晶基板上形成複數分散於該表面之奈米級點狀遮罩；及(b)於該步驟(a)後，對該單晶基板施予非等向性蝕刻以沿著一實質面向該表面的第一方向，移除該單晶基板之未被該等奈米級點狀遮罩所覆蓋的一區域，並於該單晶基板上形成有複數間隔地自該單晶基板內部沿著一實質相反於該第一方向的第二方向延伸及漸縮之奈米級針狀體；及其中，於該步驟(a)之前更包含對該單晶基板施予圖案化處理，以於該單晶基板上形成一凸柱陣列及一凹槽陣列其中一者。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，其中，該步驟(a)之奈米級點狀遮罩是經由在該單晶基板之表面上形成一遮罩層後並對該遮罩層施予退火處理所構成。
  3. 依據申請專利範圍第2項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，其中，該遮罩層是由一金屬材料所製成；該遮罩層的厚度是介於50nm~800nm之間。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，其中，每一奈米級點狀遮罩的直徑是介於50nm~800nm之間，且每兩相鄰之奈米級點狀 遮罩的間距是介於50nm~800nm之間。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，其中，該步驟(b)的非等向性蝕刻是於一蝕刻反應室內引入一混合有一蝕刻氣體與一輸送氣體的反應氣體，並經由實施感應耦合電漿蝕刻技術所完成；該蝕刻氣體是選自BCl3 、Cl2 、SiCl4 、HBr、CH4 、SF6 、CF4 、CHF3 ，或前述蝕刻氣體的混合；該輸送氣體是選自Ar、N2 或H2 ；該反應氣體對該等奈米級點狀遮罩與該單晶基板的蝕刻速率分別為R1 及R2 ，且R1 /R2 是介於0.5至1.2之間。
  6. 依據申請專利範圍第5項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，其中，於該步驟(b)後所構成之該等奈米級針狀體的高度是介於50nm~800nm之間。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述之供磊製半導體化合物用的基板之製作方法，於該步驟(b)之後更包含繼續對該單晶基板施予非等向性蝕刻以移除該等奈米級點狀遮罩。
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