专利名称：在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法
技术领域：
本发明属于三维结构的加工及LED发光与应用技术领域，特别涉及一种基于紫外欠曝光和热流及感应耦合等离子体刻蚀工艺在GaP表面制备三维类球形结构，并用于实现AlGaInP基LED光提取效率增强的方法。
背景技术：
发光二极管(LED)因其光电转换效率高，寿命长，功耗低，无污染等特点，广泛应用于显示，照明，装饰等领域。LED的发光效率主要决定于内量子效率和外量子效率两个方面，其中外量子效率为内量子效率与光提取效率的乘积。AlGaInP基红光LED的内量子效率已达到了 95%以上，从内量子效率方面入手提高LED发光效率空间已经不是很大。因此，提高光提取率是提高AlGaInP基红光LED发光效率的主要途径。对于AlGaInP基红光LED，GaP的折射率高达3.4，GaP半导体材料与空气界面的临界角约为17°，因此AlGaInP基红光LED的光提取效率非常的低，这大大限制了 AlGaInP基红光LED的应用。表面粗化是提高LED光提取效率的一种有效方法，表面粗化技术是将LED表面粗化形成凹凸不平状，从而大大减少了由于表面全反射而导致无法辐射出LED表面的光比例，提高了 LED的光提取效率。目前的表面粗化结构主要利用湿法腐蚀的方法实现，该方法实现的粗化结构为无规则的锥形结构，其粗化结构的形状、尺寸及周期均不可控。同时由于湿法腐蚀的各向同性，很容易产生钻蚀和过蚀，导致粗化尺寸和深度受限。另一方面根据理论模拟计算，对LED光提取效率最有效的粗化结构应该是周期性的类球形结构，但由于加工上的困难，目前还没有直接制备这种结构的有效方法。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种简便且高效制备大面积，高占空比，高均匀性和重复性的GaP类球形结构的方法，是提高AlGaInP基LED光提取效率的有效途径。为达成所述目的，本发明提供一种在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，所述制备步骤包括:步骤S1:在需要制备图形结构的AlGaInP基LED基片上旋涂光刻胶，利用热板或烘箱对涂覆光刻胶后的样品进行烘烤，得到覆有光刻胶的样品；步骤S2:根据所要制备的图形尺寸及形状制备相应的掩膜版；步骤S3:利用紫外光刻设备，并用欠曝光的方法对覆有光刻胶的样品进行曝光，并将曝光后的样品进行显影、定影处理，得到含有光刻胶图形的样品；步骤S4:选择高于光刻胶玻璃化温度的温度对含有光刻胶图形的样品进行热流处理，形成三维的类球形形状的光刻胶结构样品；步骤S5:利用干法刻蚀方法，对三维的类球形形状的光刻胶结构样品进行刻蚀，将光刻胶形状转移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三维类球形结构的样品；步骤S6:用丙酮溶液或者去胶机去除GaP表面的残胶，即在AlGaInP基LED的GaP表面得到类球形结构。
本发明的优点在于:本发明成功运用紫外欠曝光技术及热流致光刻胶流动，首先得到三维类球形状光刻胶结构，然后通过感应耦合等离子体刻蚀技术，控制光刻胶和GaP的刻蚀比，将光刻胶图形直接转移到GaP表面。紫外曝光技术是一种简便有效且可大面积制备均匀性重复性较好图形结构的微加工技术，配合热流致光刻胶在自身表面张力作用下得到光滑表面的三维类球形结构。通过控制不同热流温度结合不同的刻蚀深度就可以在GaP表面得到不同的类球形结构。该方法是一种简单且高效制备大面积，高占空比，高均匀性和重复性的三维类球形结构的方法。且与现有LED工艺兼容，可以在LED工业化生产上得到应用，容易形成产业化。
图1.本发明实施例采用紫外欠曝光技术配合热流及干法刻蚀在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的示意图。图2a-图2h本发明制备的类球形结构的剖面示意图。图3.是依照本发明实施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的凹球结构扫描电子显微镜照片。图4.是依照本发明实施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的碗形体结构扫描电子显微镜照片。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。实施例1:如图1示出本发明实施例采用紫外欠曝光技术、热流技术及干法刻蚀工艺在铝镓铟磷(AlGaInP)基发光二极管(LED)的磷化镓(GaP)表面制备类球形结构的流程，包括以下步骤:步骤1:样品清洗:对要制备图形结构的AlGaInP基LED基片进行清洗，然后对清洗干净的LED基底进行烘烤处理以去除LED基底表面的水分。烘烤可以选择在1200C _150°C的热板上烘烤10分钟-30分钟；步骤2:光刻胶的涂覆:将步骤I清洗好的LED基片放入涂胶机里，采用旋涂的方式进行光刻胶的涂覆，根据曝光类型的不同选取不同的光刻胶，光刻胶旋涂结束后，利用热板或烘箱对涂覆光刻胶后的样品进行烘烤，得到覆有光刻胶的样品；烘烤的温度由光刻胶的类型决定。选取的光刻胶可以是正型胶也可以是负型胶，旋涂速度为lOOOrpm-eOOOrpm。步骤3:光刻掩模版的制备:根据所要制备的图形尺寸及形状制备相应的掩膜版；步骤4:光刻胶图形的制备:利用紫外光刻机，用欠曝光的方法对步骤2的涂覆光刻胶后的样品进行曝光，然后将曝光后的样品后进行显影、定影，最后用干燥氮气将曝光后的样品吹干即可得到光刻胶图形的样品。步骤5:对步骤4得到的光刻胶图形的样品进行热流处理:选择高于光刻胶玻璃化温度的温度对样品进行热流处理，光刻胶在重力和表面张力的作用下流动从而呈现出三维的类球形形状的光刻胶结构样品；步骤6:采用感应耦合等离子体刻蚀方法对GaP进行刻蚀，调节刻蚀参数，将光刻胶形状转移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三维类球形结构的样品；步骤7:将步骤6得到的样品用丙酮或去胶机去除GaP表面的残胶即可在AlGaInP基LED的GaP表面上得到大面积，高占空比，高均匀性的类球形结构；所述光刻胶是紫外光刻胶，在紫外光照下敏感，能实现图案曝光。对掩模版的类型、掩模版尺寸、掩模版图形的尺寸、掩模版形状及阵列排布没有限制。所述欠曝光方法的曝光剂量是小于使光刻胶完全曝透的剂量，从而得到边壁不陡直的光刻胶图形。在上述的技术方案中，步骤I中所述的清洗是采用丙酮、酒精、超纯水三步超声清洗，每步各清洗3分钟 5分钟。在上述的技术方案中，步骤3所使用的掩模版可以是明场掩膜也可以是暗场掩膜，掩模图形尺寸从毫米到4英寸，图形阵列可以选择四方阵列或者六方阵列等。在上述的技术方案中，步骤4所用的欠曝光方法的曝光剂量低于正常曝光剂量，约为正常曝光剂量的二分之一到三分之一之间。在上述的技术方案中，步骤5热流温度为略高于光刻胶玻璃化温度即可。例如S1813胶的玻璃化温度为110°C，热流温度可以选择115°C _140°C，热流时间可以选择0.5分钟-10分钟。在上述的技术方案中，步骤6选择的刻蚀参数应以光刻胶和GaP的刻蚀比在1:1左右为最佳，刻蚀深度根据需要进行选择，一般情况下随着刻蚀深度的增加，转移图形的占空比会变大，最大可以达到100%。在上述的技术方案中，步骤7是为了去除残胶，以不影响后续测试为标准，在丙酮中浸泡或者用去胶机去除残胶即可。在上述的技术方案中，所述三维类球形结构是凸球结构、凹球结构、碗形体结构、锥状体结构中的一种。图2a_图2h给出了三维类球形结构的剖面示意图，其中图2a示出为凸球结构，图2b示出为凹球结构，图2c示出为碗型体结构I,图2d示出为碗型体结构II,图2e示出为锥状体结构I,图2f示出为锥状体结构II,图2g示出为锥状体结构III,图2h示出为锥状体结构IV。实施例2:采用明场掩膜，利用紫外欠曝光技术及热流制备三维凹球形的光刻胶结构，并利用感应耦合等离子体刻蚀将三维凹球形结构转移到了 AlGaInP基LED的GaP表面，具体实施方法如下:步骤1:将要制作结构的AlGaInP基LED基片进行清洗，采用丙酮、酒精、二次去离子水三步超声清洗，每步各清洗5分钟，然后在120°C的热板上烘烤30分钟。步骤2:在清洗后的AlGaInP基LED基片上旋涂紫外光刻胶S1813，旋涂厚度为1.5iim，旋涂后样品在115°C的热板上烘烤2分钟。步骤3:利用MA6型紫外光刻机,采用直径为3iim、周期4iim的六方圆斑阵列的明场掩模版，采用硬接触模式，曝光剂量为55毫焦/平方厘米(mj/cm2)，曝光后，用MF319显影液显影40秒，去离子水定影10秒后用氮气枪吹干。步骤4:将曝光、显影后的样品在120°C的热板上热流2分钟，利于S1813胶流动形成凹球结构步骤5:将步骤4的样品用感应耦合离子体刻蚀设备进行刻蚀，刻蚀气体及流量为氯气(Cl2):6sccm,気气(Ar):51sccm,刻蚀压强:7.0毫托(mTorr),功率:射频(RF):300瓦(W)，感应耦合等离子体(ICP):700W，刻蚀时间为5分钟。步骤6:将刻蚀后的样品放入丙酮溶液中去除残留的光刻胶，在AlGaInP基LED的GaP表面得到凹球形结构，如图3所示为依照本发明实施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的凹球结构扫描电子显微镜照片。实施例3:采用暗场掩膜，利用紫外欠曝光技术及热流制备三维碗形的光刻胶结构，并利用感应耦合等离子体刻蚀将碗形结构转移到了 AlGaInP基LED的GaP表面，具体实施方法如下:步骤1:将要制作结构的AlGaInP基LED基片进行清洗，采用丙酮、酒精、二次去离子水三步超声清洗，每步各清洗5分钟，然后在150°C的热板上烘烤20分钟。步骤2:在清洗后的AlGaInP基LED基片上旋涂紫外光刻胶S1813，旋涂厚度为I U m，旋涂后样品在115°C的热板上烘烤2分钟。步骤3:利用MA6型紫外光刻机,采用直径为3 U m、周期4 ii m的六方圆斑阵列的暗场掩模版，采用硬接触模式，曝光剂量为60mJ/cm2，曝光后，用MF319显影液显影40秒，去离子水定影10秒后用氮气枪吹干。步骤4:将曝光、显影后的样品在120°C的热板上热流I分钟，利于S1813胶流动形成碗形结构步骤5:将步骤4的样品用感应耦合离子刻蚀设备进行刻蚀，刻蚀气体及流量为Cl2:8sccm, Ar:45sccm,刻蚀压强:7.0mTorr,功率:RF:300ff, ICP:500ff,刻蚀时间为 8 分钟。步骤6:将刻蚀后的样品放入丙酮溶液中去除残留的光刻胶，在AlGaInP基LED的GaP表面得到碗形体结构，如图4所示为依照本发明实施例在AlGaInP基LED的GaP表面得到的碗形体结构扫描电子显微镜照片。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应指出的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，所述制备步骤包括: 步骤S1:在需要制备图形结构的AlGaInP基LED基片上旋涂光刻胶，利用热板或烘箱对涂覆光刻胶后的样品进行烘烤，得到覆有光刻胶的样品； 步骤S2:根据所要制备的图形尺寸及形状制备相应的掩膜版； 步骤S3:利用紫外光刻设备，并用欠曝光的方法对覆有光刻胶的样品进行曝光，并将曝光后的样品进行显影、定影处理，得到含有光刻胶图形的样品； 步骤S4:选择高于光刻胶玻璃化温度的温度对含有光刻胶图形的样品进行热流处理，形成三维的类球形形状的光刻胶结构样品； 步骤S5:利用干法刻蚀方法，对三维的类球形形状的光刻胶结构样品进行刻蚀，将光刻胶形状转移到GaP表面，得到在GaP表面上具有三维类球形结构的样品； 步骤S6:用丙酮溶液或者去胶机去除GaP表面的残胶，即在AlGaInP基LED的GaP表面得到类球形结构。
2.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，所述光刻胶是紫外光刻胶，在紫外光照下敏感，能实现图案曝光。
3.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，对掩模版的类型、掩模版尺寸、掩模版图形的尺寸、掩模版形状及阵列排布没有限制。
4.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，所述欠曝光方法的曝光剂量是小于使光刻胶完全曝透的剂量，从而得到边壁不陡直的光刻胶图形。
5.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，热流温度为高于光刻胶玻璃化温度，热流时间以形成平滑的圆弧形结构为宜。
6.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，所述干法刻蚀是采用感应耦合等离子体刻蚀。
7.根据权利要求1所述在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其特征在于，所述三维类球形结构是凸球结构、凹球结构、碗型体结构、锥形体结构中的一种。
全文摘要
本发明是一种在AlGaInP基LED的GaP表面制备类球形结构的方法，其步骤包括在AlGaInP基LED的GaP表面旋涂光刻胶，利用热板或烘箱对其进行烘烤；根据所要制备的图形尺寸及形状制备掩膜版；利用紫外光刻设备，采用欠曝光对样品进行曝光并显影；选择合适的温度对曝光后的样品进行热流处理，形成类球形形状的光刻胶结构样品；将光刻胶结构样品用感应耦合等离子体刻蚀设备进行刻蚀，从而将光刻胶形状转移到GaP表面；用丙酮溶液或者去胶机去除样品表面的残胶即得到增强AlGaInP基LED光提取效率的GaP类球形结构。
文档编号H01L33/00GK103107252SQ20131006148
公开日2013年5月15日 申请日期2013年2月27日 优先权日2013年2月27日
发明者杨海方, 尹红星, 顾长志, 刘哲, 夏晓翔 申请人:中国科学院物理研究所