TWI736962B

TWI736962B - 複合式基板及其製造方法

Info

Publication number: TWI736962B
Application number: TW108131160A
Authority: TW
Inventors: 黃嘉彥
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2021-08-21
Also published as: TWI717048B; TW202030877A; TW202030777A

Abstract

一種複合式基板，包括一基板及一氮化鋁層。基板的上表面包括多個奈米圖案化凹陷，這些奈米圖案化凹陷彼此分離。氮化鋁層配置於基板的上表面上，其中氮化鋁層的膜厚小於3.5微米，且氮化鋁層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。一種複合式基板的製造方法亦被提出。

Description

複合式基板及其製造方法

本發明是有關於一種基板，且特別是有關於一種複合式基板。

在發光二極體的磊晶製程中，若欲在基板上成長N型及P型三五族半導體層以及量子井層等半導體層，則需要解決基板（例如藍寶石基板（sapphire substrate））與上述半導體層之晶格常數有差異的問題。晶格常數的差異會導致磊晶缺陷，進而影響了發光二極體的發光效率。為了解決上述晶格常數差異的問題，一般會在成長上述半導體層之前，先形成晶格常數差異較小的緩衝層。

另一方面，為了提升發光二極體的量子效率圖案化藍寶石基板（patterned sapphire substrate, PSS）被發層出來，以藉由基板上的凸出圖案的光散射來提升光取出率。此時，若採用氮化鋁層來作為緩衝層，則由於鋁原子的活性高及且表面遷移率（surface mobility）低，導致氮化鋁層的差排密度高、縫合厚度高、表面粗糙或龜裂等問題。

本發明的一實施例提出一種複合式基板，包括一基板及一氮化鋁層。基板的上表面包括多個奈米圖案化凹陷，這些奈米圖案化凹陷彼此分離。氮化鋁層配置於基板的上表面上，其中氮化鋁層的膜厚小於3.5微米，且氮化鋁層的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² 。

本發明的一實施例提出一種複合式基板的製造方法，包括：製備一基板，基板的上表面包括多個奈米圖案化凹陷，這些奈米圖案化凹陷彼此分離；在基板的上表面上形成一第一氮化鋁層；在第一氮化鋁層上形成一平坦化層；逐漸移除平坦化層的材料，其中當逐漸移除平坦化層的材料至平坦化層的底部時，亦會同時逐漸移除了部分的第一氮化鋁層，以使第一氮化鋁層平坦化；以及在已平坦化的第一氮化鋁層上形成一第二氮化鋁層，其中第二氮化鋁層之背對基板的上表面的方均根粗糙度小於3奈米。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1A及圖2至圖5為本發明的一實施例的複合式基板的製作流程的剖面示意圖，而圖1B為圖1A中的基板的上視示意圖。本實施例的複合式基板的製造方法包括下列步驟。首先，參照圖1A與圖1B，製備一基板110，基板110的上表面112包括多個奈米圖案化凹陷114，這些奈米圖案化凹陷114彼此分離。在本實施例中，基板110例如為藍寶石基板，這些奈米圖案化凹陷114的深度H是落在150奈米至1.5微米的範圍內，較佳是100奈米至1微米，更佳是200奈米至500奈米。且這些奈米圖案化凹陷的寬度W是落在200奈米至1.5微米的範圍內，較佳是300奈米至800奈米，更佳是400奈米至600奈米。在本實施例中，這些奈米圖案化凹陷114的形成方法例如是將尚未加工的藍寶石基板的上表面以溼蝕刻的方式製作出這些奈米圖案化凹陷114，因此蝕刻液會順著多個不同的晶面蝕刻藍寶石基板，並在相鄰兩晶面之間產生晶面的交界線113。在本實施例中，奈米圖案化凹陷114的多個晶面呈現倒角錐形（例如是三個晶面呈現倒三角錐形），而多條（例如至少三條，本實施例中是以三條為例）交界線113交會於倒三角錐形的最底部的頂點。在本實施例中，奈米圖案化凹陷114的側壁呈倒角錐形，且奈米圖案化凹陷114的底部呈尖端狀。然而，在其他實施例中，這些奈米圖案化凹陷114的形成方法亦可以是乾式蝕刻，則此方法所形成的奈米圖案化凹陷114就沒有上述的交界線113。

在本實施例中，這些奈米圖案化凹陷114在基板110的上表面112上呈週期性排列。然而，在其他實施例中，這些奈米圖案化凹陷114也可以呈不規則排列。

接著，參照圖2，在基板110的上表面112上形成一第一氮化鋁層120。第一氮化鋁層120的形成方法可以是金屬有機化學氣相沉積法（metal organic chemical vapor deposition, MOCVD）、濺鍍（sputtering）或氫化物氣相磊晶法（hydride vapor phase epitaxy, HVPE）。在本實施例中，第一氮化鋁層120的膜厚T1大於奈米圖案化凹陷114的深度H。

然後，再參照圖3，在第一氮化鋁層120上形成一平坦化層130，平坦化層130在覆蓋第一氮化鋁層120後，平坦化層130的上表面會較第一氮化鋁層120的上表面平坦。在本實施例中，平坦化層130的材料例如是旋塗式玻璃。然而，在其他實施例中，平坦化層130的材料亦可以是聚合物。

之後，參照圖4，逐漸移除平坦化層130的材料，其中當逐漸移除平坦化層130的材料至平坦化層130的底部時，亦會同時逐漸移除了部分的第一氮化鋁層120，以使第一氮化鋁層120平坦化，而形成上表面較為平坦的第一氮化鋁層121。在本實施例中，逐漸移除平坦化層130的材料的方法為乾蝕刻，例如是感應耦合電漿（inductively coupled plasma, ICP）蝕刻法，而蝕刻條件可以經選擇，而使對平坦化層130的蝕刻速率實質上相同於對第一氮化鋁層121的蝕刻速率，如此當將所有的平坦化層130的材料蝕刻完畢後，此時部分的第一氮化鋁層120便會被蝕刻到，以使平坦化層130的上表面形貌轉移至第一氮化鋁層121的上表面，而形成較為平坦的第一氮化鋁層121。然而，在其他實施例中，逐漸移除平坦化層130的材料的方法也可以是機械研磨（mechanical polishing）。

此外，在逐漸移除平坦化層130的材料之後，可對已平坦化的第一氮化鋁層121作退火（annealing）處理，例如是進行1500°C以上的高溫退火處理。高溫退火處理可引發第一氮化鋁層121的再結晶，大幅降低第一氮化鋁層121膜內的差排密度。

此後，請參照圖5，在已平坦化的第一氮化鋁層121上形成一第二氮化鋁層140，例如是利用金屬有機氣相沉積法來形成第二氮化鋁層140。由於第二氮化鋁層140是在已平坦化的第一氮化鋁層121上形成，因此第二氮化鋁層140之背對基板110的上表面142的方均根粗糙度（root mean square roughness）小於3奈米。由於第二氮化鋁層140是在上表面較為平坦的第一氮化鋁層121上形成，因此第二氮化鋁層140的縫合厚度可以較小。在本實施例中，第一氮化鋁層121加上第二氮化鋁層140所形成的氮化鋁層150的膜厚T2小於3.5微米。此外，由於第二氮化鋁層140是在上表面較為平坦的第一氮化鋁層121上形成，所以氮化鋁層150中可以不具有孔洞或較小的孔洞，且氮化鋁層150的缺陷密度小於或等於5×10⁹ /cm² ，而具有良好的結晶品質。氮化鋁層150中具有較小的孔洞是指氮化鋁層150內部具有多個孔洞，而每一孔洞在平行於基板110的橫向與垂直於基板110的縱向的至少一方向上的尺寸小於50奈米。

在本實施例中，於圖5之步驟後所形成的氮化鋁層150配置於基板110的上表面112上，氮化鋁層150之背對基板110的上表面（也就是第二氮化鋁層140的上表面142）的方均根粗糙度小於3奈米。如此一來，即形成包含基板110與氮化鋁層150的複合式基板100。複合式基板100可供發光二極體的N型半導體層、量子井層及P型半導體層形成於其上，且有助於提升N型半導體層、量子井層及P型半導體層的結晶品質。

在本實施例中，在第一氮化鋁層121上形成第二氮化鋁層140時，可在第二氮化鋁層140中摻雜矽，以調控殘餘應力。在本實施例中，第二氮化鋁層140中的矽的摻雜濃度大於2×10¹⁷ cm^-3 並且小於5×10¹⁹ cm^-3 。

在本實施例的複合式基板100及其製造方法中，由於在基板110的上表面112採用了彼此分離的多個奈米圖案化凹陷114，也就是採用了具有下凹式奈米圖案的奈米圖案化基板來取代傳統具有上凸式奈米圖案的圖案化基板，因此可大幅降低氮化鋁磊晶的先天晶粒縫合難度。此外，在本實施例中，形成奈米圖案化凹陷114的方法可以是溼蝕刻法，如此有助於提升氮化鋁直接於其上的磊晶品質。再者，藉由形成平坦化層130後再逐漸移除平坦化層130的材料的方法以使第一氮化鋁層121的表面平坦化，以及藉由對已平坦化的第一氮化鋁層121作退火處理，可進一步提升氮化鋁層150的晶體品質、降低縫合難度，並擴展複合式基板100的設計空間。

圖6A是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(002) X射線回擺曲線圖（X-ray rocking curve），而圖6B是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線圖。請參照圖4、圖5、圖6A與圖6B，此處採用了樣品A、樣品B及樣品C來驗證本實施例的結晶品質。樣品A是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121沒有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為300奈米的樣品。樣品B是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，且第一氮化鋁層121有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為300奈米的樣品。樣品C是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，且第一氮化鋁層121有經過退火處理，且第一氮化鋁層121的膜厚T3為600奈米的樣品。當樣品A、樣品B及樣品C上尚未形成第二氮化鋁層140時，其(002) X射線回擺曲線的半高寬分別是50角秒（arcsec）、30角秒及70角秒，而其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是大於2000角秒、392角秒及371角秒。於樣品A、樣品B及樣品C上形成第二氮化鋁層140後的(002) X射線回擺曲線及(102) X射線回擺曲線則分別如圖6A與圖6B所繪示。樣品A、樣品B及樣品C形成第二氮化鋁層140後，其(002) X射線回擺曲線的半高寬分別是420角秒（arcsec）、216角秒及144角秒，而其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是560角秒、400角秒及280角秒。在本實施例中，氮化鋁層150的(002) X射線回擺曲線的半高寬小於150角秒，且氮化鋁層150的(102) X射線回擺曲線的半高寬小於350角秒。由以上實驗數據可驗證，退火處理可在成長第二氮化鋁層140之前，有效提升第一氮化鋁層121的晶體品質，足夠的第一氮化鋁層121的厚度有助於進一步提升第二氮化鋁層140的晶體品質。在本實施例中，最終複合式基板100的氮化鋁層150的(102) X射線回擺曲線的半高寬可達260角秒，換算差排密度約4×10⁸ cm^-2 。

圖7是三種不同樣品在第二氮化鋁層140成長後的拉曼光譜圖。請參照圖4、圖5與圖7，圖7中的樣品X是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121沒有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長沒有摻雜矽的第二氮化鋁層140，樣品Y是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長沒有摻雜矽的第二氮化鋁層140，樣品Z是指在基板110上形成第一氮化鋁層121，但第一氮化鋁層121有經過退火處理，於第一氮化鋁層121上成長有摻雜矽的第二氮化鋁層140。圖7中的樣品X、Y及Z的氮化鋁層150的厚度分別為2.11微米、2.12微米及2.13微米，圖7中的樣品X、Y及Z的翹曲度（warpage）分別是20.3微米、60.8微米及46.4微米，而圖7中的樣品X、Y及Z的拉曼光譜的E2高模態（E2 high mode）的頻移分別為658.9 cm^-1 、661.7 cm^-1 及659.6 cm^-1 。由拉曼光譜的頻移，可根據文獻對應得知圖7中的樣品X、Y及Z的應力分別為-1 GPa、-1.96 GPa及-1.24 GPa，而根據翹曲度可藉由史東納方程式（Stoney equation）分別計算出圖7中的樣品X、Y及Z的應力分別為-0.54 GPa、-1.61 GPa及-1.22 GPa。

圖8是關於圖7的複合式基板的三種不同樣品X、Y及Z在第二氮化鋁層140成長後的(102) X射線回擺曲線半高寬對翹曲度圖。圖8中的樣品X、Y及Z的翹曲度（warpage）分別是20.3微米、60.8微米及46.4微米。樣品X、樣品Y及樣品Z形成第二氮化鋁層140後，其(102) X射線回擺曲線的半高寬分別是521角秒、259角秒及254角秒。由上述實驗數據可知，高溫退火處理有效的提升結晶品質，但殘餘的熱壓縮應變造成在第二氮化鋁層140成長後的大的晶圓翹曲，而採用在第二氮化鋁層140摻雜矽的方法可以平衝此應變，同時保持良好的結晶品質。

圖9是本發明的另一實施例的複合式基板的剖面示意圖。請參照圖9，本實施例的複合式基板100a與圖5的複合式基板100類似，但兩者的主要差異如下所述。本實施例的複合式基板100a的基板110a的上表面112a為一平坦表面，而不具有如圖5之奈米圖案化凹陷114。此外，本實施例的複合式基板100a的製造方法是直接在基板110a的上表面112a上形成氮化鋁層150，且氮化鋁層150中摻雜有矽，以有效調控殘餘應力。本實施例的基板110a的材質相同於圖5之基板110的材質，而本實施例的氮化鋁層150的形成方法可以是金屬有機化學氣相沉積法。

綜上所述，在本發明的實施例的複合式基板及其製造方法中，由於在基板的上表面採用了彼此分離的多個奈米圖案化凹陷，也就是採用了具有下凹式奈米圖案的奈米圖案化基板來取代傳統具有上凸式奈米圖案的圖案化基板，因此可大幅降低氮化鋁磊晶的先天晶粒縫合難度。此外，在本發明的實施例中，形成奈米圖案化凹陷的方法可以是溼蝕刻法，如此有助於提升氮化鋁直接於其上的磊晶品質。再者，在本發明的實施例中，藉由形成平坦化層後再逐漸移除平坦化層的材料的方法以使第一氮化鋁層的表面平坦化，以及藉由對已平坦化的第一氮化鋁層作退火處理，可進一步提升氮化鋁層的晶體品質、降低縫合難度，並擴展複合式基板的設計空間。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、100a:複合式基板 110、110a:基板 112、112a、142:上表面 113:交界線 114:奈米圖案化凹陷 120、121:第一氮化鋁層 130:平坦化層 140:第二氮化鋁層 150:氮化鋁層 H:深度 T1、T2、T3:膜厚 W:寬度

圖1A及圖2至圖5為本發明的一實施例的複合式基板的製作流程的剖面示意圖。圖1B為圖1A中的基板的上視示意圖。圖6A是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(002) X射線回擺曲線圖。圖6B是關於圖5的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線圖。圖7是關於複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的拉曼光譜圖。圖8是關於圖7的複合式基板的三種不同樣品在第二氮化鋁層成長後的(102) X射線回擺曲線半高寬對翹曲度圖。圖9是本發明的另一實施例的複合式基板的剖面示意圖。

100:複合式基板

110:基板

112、142:上表面

114:奈米圖案化凹陷

121:第一氮化鋁層

140:第二氮化鋁層

150:氮化鋁層

T2:膜厚

Claims

一種複合式基板，包括：一基板，其上表面包括多個奈米圖案化凹陷，該些奈米圖案化凹陷彼此分離；以及一氮化鋁層，配置於該基板的該上表面上，其中該氮化鋁層的膜厚小於3.5微米，且該氮化鋁層的缺陷密度小於或等於5×10⁹/cm²，該氮化鋁層中具有多個孔洞，每一孔洞在平行於該基板的橫向與垂直於該基板的縱向的至少一方向上的尺寸小於50奈米。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該氮化鋁層之背對該基板的上表面的方均根粗糙度小於3奈米。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該氮化鋁層的(002)X射線回擺曲線的半高寬小於150角秒。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中且該氮化鋁層的(102)X射線回擺曲線的半高寬小於350角秒。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該些奈米圖案化凹陷的深度是落在150奈米至1.5微米的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該些奈米圖案化凹陷的寬度是落在200奈米至1.5微米的範圍內。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該些奈米圖案化凹陷在該基板的該上表面上呈週期性排列。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該氮化鋁層包括一第一氮化鋁層以及位於該第一氮化鋁層上的一第二氮化鋁層，且該第二氮化鋁層中摻雜有矽。
如申請專利範圍第8項所述的複合式基板，其中該第二氮化鋁層中的矽的摻雜濃度大於2×10¹⁷cm^-3並且小於5×10¹⁹cm^-3。
如申請專利範圍第1項所述的複合式基板，其中該些奈米圖案化凹陷的側壁呈倒角錐形。
如申請專利範圍第10項所述的複合式基板，其中至少三條交界線交會於該倒角錐形的最底部的頂點。
一種複合式基板的製造方法，包括：製備一基板，該基板的上表面包括多個奈米圖案化凹陷，該些奈米圖案化凹陷彼此分離；在該基板的該上表面上形成一第一氮化鋁層；在該第一氮化鋁層上形成一平坦化層；逐漸移除該平坦化層的材料，其中當逐漸移除該平坦化層的材料至該平坦化層的底部時，亦會同時逐漸移除了部分的該第一氮化鋁層，以使該第一氮化鋁層平坦化；以及在已平坦化的該第一氮化鋁層上形成一第二氮化鋁層，其中該第二氮化鋁層之背對該基板的上表面的方均根粗糙度小於3奈米。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，更包括：在逐漸移除該平坦化層的材料之後，對已平坦化的該第一氮鋁層作退火處理。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中該平坦化層的材料包括聚合物或旋塗式玻璃。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中逐漸移除該平坦化層的材料的方法為乾蝕刻或機械研磨。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中該第二氮化鋁層中摻雜有矽，且該第二氮化鋁層中的矽的摻雜濃度大於2×10¹⁷cm^-3並且小於5×10¹⁹cm^-3。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中該些奈米圖案化凹陷是藉由溼蝕刻所形成。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中該第一氮化鋁層加上該第二氮化鋁層整體的膜厚小於3.5微米。
如申請專利範圍第12項所述的複合式基板的製造方法，其中該些奈米圖案化凹陷的深度是落在150奈米至1.5微米的範圍內，且該些奈米圖案化凹陷的寬度是落在200奈米至1.5微米的範圍內。