蓝宝石图形衬底以及制作蓝宝石图形衬底的掩膜版和方法与流程

本发明涉及半导体光刻领域，特别涉及一种蓝宝石图形衬底以及制作蓝宝石图形衬底的掩膜版和方法。

背景技术：

led芯片，也称为led发光芯片，是led灯的核心组件，也就是指的p-n结。其主要功能是：把电能转化为光能，led芯片的主要材料为单晶硅。led芯片由两部分组成，一部分是p型半导体，在它的结构中空穴占主导地位，另一端是n型半导体，内部占主导地位的是电子。这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个p-n结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向p区，在p区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是led发光的原理。

目前制作led芯片主要使用蓝宝石衬底，在平整的蓝宝石衬底上进行光刻，最后切割形成单个led芯片。由于led芯片发光效率的提高主要包含两个方面：内部量子效率和外部量子效率。内部量子效率可以通过各种技术减少发光二极管外延晶片的缺陷密度。至于外部量子效率，假设空气的折射率为1，鉴于蓝宝石的折射率(约1.67) 和gan材料折射率(约2.45)均大于空气折射率，使得衬底中有源区产生的光子发生多次全反射，严重影响器件对光的提取效率。同时蓝宝石衬底与gan材料之间存在较大的晶格失配(约16％)和热膨胀吸收失配(34％)，这会使gan在生长过程中产生大量缺陷，引起反向漏电等不良影响，降低led的内部量子效率和可靠性。而图形化蓝宝石衬底(patternsapphiresubstrate简称pss)，是利用光刻技术，采用干法或湿法刻蚀的手段在蓝宝石表面制作出具有一定周期性细微结构图形的蓝宝石衬底，目前较常见的周期性图形结构有类圆锥形、三角锥形、多棱锥形、半球形、圆台形或不规则图形等周期性细微结构；其中以周期为3.0um，圆锥形图形呈六方周期性排列的图形化衬底在目前图形化衬底商业应用中最为普及。这类周期性结构对光波具有漫反射作用，可增加光线的逃逸几率，从而提高led的发光亮度；且通过pss技术，gan材料在生长过程中发生侧向外延，抑制缺陷延伸，降低位错密度，释放适配应力，从而改善晶体质量并提高外延层外量子效率。

pss产品受制于工艺和外延成本的影响，图形周期为3.0μm、高度1.5μm～1.8μm，成六方排布的圆锥形图形化衬底成为现在商用的主流产品。研究表明：单位面积内图形尺寸的减小能够增加反射面，从而提高光线的逃逸几率；因此，在现有工艺技术和生产成本的前提下，如何设计出更多反射面积的图形化衬底，对led光效的提升起着决定性作用。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供蓝宝石图形衬底以及制作蓝宝石图形衬底的掩膜版和方法用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明提供一种蓝宝石图形衬底，所述衬底上形成有周期性排列的结构图形，在所述结构图形的外部围设有封闭性隔离墙，每相邻的两个结构图形之间共用一堵隔离墙。

作为优选，所述隔离墙的高度小于所述结构图形的高度。

作为优选，所述封闭性隔离墙为正六边形隔离墙。

作为优选，所述隔离墙为三棱柱。

作为优选，所述隔离墙在墙高的方向上形成向下凹陷的弧度。

作为优选，所述隔离墙的纵截面为等腰三角形。

作为优选，所述结构图形在所述衬底上呈正六边形周期性排列。

作为优选，所述结构图形为圆锥形、三角锥形、多棱锥形、半球形或圆台形。

本发明还提供一种制作如上所述的蓝宝石图形衬底的掩膜版，由透光区和非透光区组成，所述非透光区的图案包括周期性排列的所述结构图形的平面图，所述非透光区还包括围设在所述平面图外部的封闭性图形，每相邻的两个所述平面图之间共用所述封闭性图形的一条边，所述平面图与所述封闭性图形之间的区域为透光区。

作为优选，所述平面图按正六边形周期性排列。

作为优选，所述平面图为圆形。

作为优选，所述封闭性图形呈六边形。

作为优选，所述透光区为同轴设于所述结构图形的平面图之外的圆环。

作为优选，所述结构图形的底面半径为1.2μm～1.25μm，相应的所述平面图的半径为0.8μm，任意两相邻的圆形之间间距15μm。

作为优选，所述封闭性图形为六边形，所述六边形边长为8.66μm，每条边宽度为3.5μm。

作为优选，所述透光区为同轴设于所述结构图形的平面图之外的圆环，所述圆环的宽度为0.7μm。

本发明还提供一种制作蓝宝石图形衬底的方法，包括如下步骤：

步骤一：对蓝宝石衬底进行清洗和烘干；

步骤二：在清洗后的蓝宝石衬底上涂正性光刻胶并烘烤，胶厚为1.5μm-2.5μm；

步骤三：使用如上所述的制作蓝宝石衬底的掩膜版对步骤二形成的蓝宝石衬底进行曝光，曝光剂量为100mj/cm²；

步骤四：对曝光后的蓝宝石衬底进行显影；

步骤五：对步骤四形成的蓝宝石衬底进行等离子体刻蚀。

作为优选，步骤一具体为采用硫酸、双氧水混合溶液在70℃～90℃的温度下对所述蓝宝石衬底进行清洗，然后使用水清洗所述蓝宝石衬底10min，再将所述蓝宝石衬底烘干。

作为优选，所述硫酸、双氧水混合溶液包括硫酸、双氧水及水，其中硫酸：双氧水：水的比例为5:1:1。

作为优选，将蓝宝石衬底烘干的方法包括旋干或者放在120℃的 烤箱中烘干。

作为优选，步骤二中在蓝宝石衬底上涂正性光刻胶后，对正性光刻胶烘烤60sec，烘烤的温度为110℃～120℃。

作为优选，在步骤三对步骤二形成的蓝宝石衬底进行曝光后，将蓝宝石衬底放置在热板上烘烤，烘烤温度为100℃～120℃，烘烤时间为60sec。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的蓝宝石图形衬底以及制作蓝宝石图形衬底的掩膜版和制作方法，在衬底上周期性排列的结构图形的外部围设封闭性隔离墙使得蓝宝石图形衬底具有更多的反射面，用于提供外延生长的面积更大，有利于抑制缺陷延伸，降低位错密度，使得更好地释放由于前道制作工艺而在晶体内部产生的适配应力，进而改善晶体质量并提高led芯片的发光效率。

附图说明

图1为本发明提供的实施例一掩膜版图形示意图；

图2为本发明提供的实施例一形成的蓝宝石图形衬底结构示意图；

图3为本发明提供的实施例一形成的蓝宝石图形衬底局部立体图；

图4为本发明提供的实施例二掩膜版图形示意图；

图5为本发明提供的实施例二形成的蓝宝石图形衬底结构示意图；

图6为本发明提供的实施例二形成的蓝宝石图形衬底局部立体图。

本发明图示：1-非透光区域、11-圆形非透光区、12-非透光线条、2-透光区域、21-圆环透光区、3-六边形隔离墙、31-三棱柱、4-圆锥体、5-衬底平面。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参照图1，本发明提供一种制作蓝宝石衬底的掩膜版，由非透光区域1和透光区域2组成，图中非透光区域1由周期性排列的圆形非透光区11和周期性排列的正六边形组成，正六边形由非透光线条12首尾连接形成，相邻的正六边形共用一条边，圆形非透光区11位于正六边形内部，除去上述圆形非透光区11和非透光线条12，其余部分皆为透光区域2。

较佳地，圆形非透光区11的直径为1.6μm，相邻的所述圆形非透光区11的圆心之间的距离也即圆形非透光区11的周期为15μm，非透光线条12的宽度为3.5μm，由非透光线条12拼接形成的的正六边形的边长为8.66μm。

使用上述制作蓝宝石衬底的掩膜版制作蓝宝石图形衬底，具体步骤为：

步骤一：对蓝宝石衬底清洗处理：采用spm溶液(硫酸：双氧水：水＝5:1:1)在70℃～90℃条件下对蓝宝石衬底进行清洗，清洗后冲水10分钟，对其进行旋干或在120℃下的烤箱内烘干；

步骤二：在常温下对清洗干净后的蓝宝石衬底进行涂胶处理，所涂的光刻胶为正性光刻胶，胶厚为1.5μm-2.5μm，烘烤温度110℃～120℃，时间60sec；

步骤三：对涂胶后的蓝宝石衬底进行曝光，曝光剂量为100mj/cm²，对曝光后的蓝宝石衬底进行热板烘烤处理，烘烤温度为100℃～120℃，烘烤时间为60sec；

步骤四：对烘烤后的蓝宝石衬底采用浸没式显影，显影液为math，浓度为2.38％，显影时间为60sec；

步骤五：采用电感耦合等离子体刻蚀法对步骤四形成的蓝宝石衬底进行刻蚀，刻蚀气体包括bcl3、h2，冷却气体为he；bcl3的流量为30sccm～80sccm，h2的流量为1sccm～20sccm，he的流量为10sccm～20sccm，上电极功率为700w～1400w，下电极功率为300w～500w；刻蚀腔体压力为2.0mt，he的冷却温度为20℃，具体参数见下表一：

表一：等离子体刻蚀的工艺条件

使用上述掩膜版以及制作方法制成蓝宝石图形衬底，其结构如图2和图3所示，蓝宝石图形衬底表面主要由周期性排列的圆锥体4和周期性排列的六边形隔离墙3组成，每个圆锥体4位于每个六边形隔离墙3内部，圆锥体4与六边形隔离墙3之间露出有衬底平面5。在衬底平面5上建立xyz坐标系，其中，位于衬底平面5上的两个相互垂直的线条作为x轴、y轴，以垂直于衬底平面5的方向作为z轴。

较佳地，形成的每个圆锥体4的底面为直径2.4μm～2.5μm的圆形，圆锥体4的高度为1.7μm～1.9μm。

相邻的六边形隔离墙3共用一条边，由于图1中的非透光线条12紧邻透光区域2，因此在曝光时透过透光区域2的光线会有部分照射到非透光线条12正下方的光刻胶上，在经过蚀刻后形成的每个六边形隔离墙3与圆锥体4底面之间形成斜坡，使得正六边形隔离墙3的边为三棱柱31，且由于非透光线条12两侧皆为透光区域2，且两侧的透光区域2的形状相同面积相同，因此非透光线条12正下方形成的三棱柱31的截面为等腰三角形，也就是说每个斜坡的坡度与坡长相等。较佳地，每个三棱柱31的坡面与圆锥体4锥面形成的角度 为55°～60°。

上述三棱柱31具有三个侧边，分别为高度最高的顶边，以及两个高度相等的底边，两个底边皆位于xy平面上。由于该三棱柱31的横截面为等腰三角形，该等腰三角形的两腰即为顶边到达两个底边的距离且距离相等。

较佳地，使用图1的掩膜版制作形成的蓝宝石图形衬底上，三棱柱31的底边与圆锥体4的底面的圆相切，或者该底边与圆锥体4的底面的最短距离为0.1μm。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，使用的掩膜版如图4所示，该掩膜版同样由透光区域2和非透光区域1组成，其中透光区域2皆为周期性排列的圆环透光区21，圆形非透光区11位于圆环透光区21内部。

较佳地，上述掩膜版上的圆形非透光区11的半径为0.8μm，圆环透光区21的宽度为0.7μm，使用这种掩膜版制备蓝宝石图形衬底，得到如图4所示结构。

请参照图5和图6，蓝宝石图形衬底上形成了圆锥体4，而围绕每个圆锥体4形成了六边形隔离墙3，每个六边形隔离墙3的底部与圆锥体4的底面皆位于xy平面上，与实施例一不同的是，在圆锥体4周围露出了一圈圆环形的衬底平面5，该衬底平面5的宽度为0.1μm。

六边形隔离墙3并不是由三棱柱31组成，但六边形隔离墙3的横截面也为等腰三角形，六边形隔离墙3与每个圆锥体4的底面之间 也形成了斜坡。较佳地，上述斜坡与圆锥体4的锥面形成的角度为55°～60°。

六边形隔离墙3的每两个顶点之间的隔离墙在高度方向上向下凹陷形成弧度，也就是说六边形隔离墙3上在不同点截取所得到的横截面的形状与面积并不相同。

采用光学分析软件tracepro自带建模功能分别对未图形化的蓝宝石衬底、普通蓝宝石图形衬底、实施例一形成的蓝宝石图形衬底、实施例二形成的蓝宝石图形衬底四种衬底进行光学模拟，以对比其整体出光效率。在建模时，将普通蓝宝石图形衬底、实施例一形成的蓝宝石图形衬底、实施例二形成的蓝宝石图形衬底这三种衬底的圆锥体4按照同一规格尺寸建模，利用软件附带的扫光系统，对上述构建的led芯片模型进行光线追踪，分别获取顶部、底部和侧面的光通量数据。测试结果如下表所示：

从上述分析结果可以看出：本发明提供的蓝宝石图形衬底，即实 施例一和实施例二提供的蓝宝石图形衬底的光通过率相对于普通蓝宝石图形衬底的光通过率分别提高了6.4％和42.7％，在未图形化的蓝宝石衬底的基础上可将光通过率提高137.5％。

这是由于使用本发明提供的掩膜版和制作方法制作的蓝宝石图形衬底相对于普通的六方周期性排布的圆锥体具有更多的反射面，因此反射的光线越多，同时在蓝宝石图形衬底形成后，用于提供外延生长的面积更大，因此使得蓝宝石衬底具有更多的侧向外延的成分，从而更好地抑制缺陷延伸，降低衬底晶体中的位错密度，更好地释放由于前道制作工艺而在晶体内部产生的适配应力，从而提高了衬底晶体的质量，在提高了光通过率之后提高了led芯片的发光效率。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例，显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。