专利名称：图形化衬底及用于制作所述衬底的掩膜版的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体技术领域，特别涉及一种图形化衬底及用于制作所述衬底的掩膜版。
背景技术：
以GaN、InGaN以及AlGaN为主的III-V氮化物是近年来备受关注的半导体材料，其I. 9eV-6. 2eV连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子迁移率等特性，使其成为激光器、发光二极管(LED)等光电子器件的最优选材料。通常氮化物光电子器件制备在蓝宝石衬底上，而蓝宝石与GaN材料晶格常数相差15%，热膨胀系数和化学性质也相差较大。大的晶格失配使在蓝宝石衬底上生长的氮化物 外延层缺陷密度较大，这些缺陷会向后向相邻窗ロ漫延，从而使GaN有源区的缺陷密度增大。当发光波长为410纳米吋，GaN材料和蓝宝石之间光的全反射角为44. 8°，这使得有源区产生近90%的光被限制在器件内，经多次反射而被吸收，这样即增加了 LED的发热量，也使其发光亮度减弱。为了缓解GaN外延层与衬底之间由于晶格失配造成的应力，降低GaN外延层中的位错密度，提高GaN材料的晶体质量，提高GaN基LED的发光亮度，LED行业引入了图形化衬底。所述图形化衬底是在衬底上通过湿法高温腐蚀或干法刻蚀形成类似半球形、圆台形、圆锥形、三角锥形、多棱锥形、柱形或ー些不规则图形等微结构。所述图形化衬底通过这些微结构对光波形成散射或漫反射，増加光子逃逸的几率，从而提高LED的发光亮度。然而，现有技术中图形化衬底的微结构，无论是半球形、圆台形、圆锥形还是三角锥形，或者是其它图形，其表面都是光滑的，没有任何沟槽、凸起或阶梯。为了更好地降低GaN外延层与衬底之间晶格失配造成的应力，降低GaN外延层中的位错密度，提高GaN材料的晶体质量，更好地改善LED的发光亮度，在图形化衬底的微结构上再做阶梯的工作势在必行。然而在已形成图形化的衬底上再做阶梯的エ艺比较复杂，エ艺精度要求高，从而成本较高，如何在不増加成本的前提下，形成具有阶梯的微结构的图形化衬底，成为目前LED行业的研究重点之一 O
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种图形化衬底及用于制作所述衬底的掩膜版，用所述掩膜版采用一次光刻、二次刻蚀エ艺形成具有阶梯型微结构的图形化衬底，エ艺简单，成本低。本实用新型提供ー种图形化衬底，包括衬底和衬底表面的周期性图形，所述周期性图形包括下列情况中的任意ー种(I)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个圆台、(2)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个椭圆台、(3)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个多棱台、(4)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个圆台和位于最上端圆台的I个圆锥、(5)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个椭圆台和位于最上端椭圆台的椭圆锥、￠)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个多棱台和位于最上端多棱台的多棱锥，其中m为自然数，所述m的取值范围为 I < m < 1000。作为优选所述圆台、椭圆台、多棱台、圆锥、椭圆锥或多棱锥的侧面还具有凹槽或凸起。作为优选所述凹槽或凸起形状为方形、锯齿形或不规则形状。作为优选第i+Ι个圆台或椭圆台或多棱台位于第i个圆台或椭圆台或多棱台的上方，且第i+Ι个圆台或椭圆台或多棱台的底面直径小于第i个圆台或椭圆台或多棱台的顶面直径，所述i的取值范围为I < i < m。作为优选所述圆锥或椭圆锥或多棱锥的侧面与底面的夹角为40度-60度。作为优选所述圆台或椭圆台或多棱台的侧面与底面的夹角为40度-60度。作为优选所述周期性图形的底部关键尺寸为2 μ m-5 μ m，高度为1·5μπι-5μπι，相邻两个图形的底部间距为3 μ m- ο μ m。本实用新型还提供一种掩膜版，所述掩膜版包括圆形阵列、椭圆形阵列或多边形阵列。作为优选所述圆形阵列、椭圆形阵列或多变形阵列中的每ー圆形、椭圆形或多边形的区域内部分别包含m+1个同心圆环、同心椭圆环或同心多边形环。作为优选所述m+1个同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环的边缘还具有方形、锯齿形或不规则形状的图案。作为优选第i+Ι个圆环或椭圆环或多边形环位于第i个圆环或椭圆环或多边形环的内側，且所述第一个圆环或椭圆环或多边形环至第m+1个圆环或椭圆环或多边形环的透光率呈公差非零的等差数列，所述i的取值范围为I < i < m。作为优选所述圆形或椭圆形或多边形的关键尺寸为2 μ m-5 μ m,圆形阵列或椭圆形阵列或多边形阵列的间距为3 μ m-10 μ m。与现有技术相比，本实用新型的图形化衬底，由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个圆台或椭圆台或多棱台组成，或由从下至上阶梯型依次堆叠的m个圆台或椭圆台或多棱台和I个圆锥或椭圆锥或多棱锥组成，通过周期性图形微结构可降低由GaN等外延层与衬底之间晶格失配而造成的应カ以及GaN等外延层中的位错密度，提闻GaN等外延层的晶体质量，更好地改善LED的发光亮度；本实用新型提供的由圆形阵列或椭圆形或多边形阵列组成掩模版，其圆形或椭圆形或多边形区域内部包含m+1个透光率不同的同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环，利用该掩模版制作所述图形化衬底，易于实现且成本低。
图Ia-Ic是本实用新型具体实施例的掩膜版图形的示意图。图2a_2c是本实用新型具体实施例的衬底光刻后的示意图。图3a_3c是本实用新型具体实施例的图形化衬底的结构示意图。图4a_4g是本实用新型具体实施例的图形化衬底形成过程中各个エ艺步骤的剖面图。
具体实施方式
[0023]本实用新型下面将结合附图作进ー步详述在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施的限制。其次，本实用新型利用示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例吋，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。请參阅图3a_3c所示，本实施例提供ー种图形化衬底，包括衬底I和衬底表面的周期性图形2，所述周期性图形2包括下列情况中的任意ー种(I)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个圆台21、(2)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个椭圆台21、(3)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个多棱台21、(4)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个圆台21和位于最 上端圆台21的I个圆锥22、(5)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个椭圆台21和位于最上端椭圆台21的I个椭圆锥22、(6)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个多棱台21和位于最上端多棱台21的I个多棱锥22，其中m为自然数，所述m的取值范围为I <m< 1000。其中第i+Ι个圆台或椭圆台或多棱台位于第i个圆台或椭圆台或多棱台的上方，且第i+Ι个圆台或椭圆台或多棱台的底面直径小于第i个圆台或多棱台的顶面直径，所述i的取值范围为I < i < m。优选的，所述圆台或椭圆台或多棱台或圆锥或椭圆锥或多棱锥的侧面可以同时具有相同的或不同的方形或锯齿形等规则形状的凹槽或凸起，所述凹槽或凸起还可以是不规则的形状；所述圆台或椭圆台或多棱台或圆锥或椭圆锥或多棱锥的侧面上还可以有些上面具有规则形状或不规则形状的凹槽或凸起，有些上面没有所述规则形状或不规则形状的凹槽或凸起。优选的，所述圆锥或椭圆锥或多棱锥22的侧面与底面的夹角为40度-60度。优选的，所述圆台或椭圆台或多棱台21的侧面与底面的夹角为40度-60度。优选的，所述周期性图形2的底部直径为2 μ m-5 μ m,高度为I. 5 μ m-5 μ m,周期性图形的底部间距为3 μ m- ο μ m。当所述周期性图形2为阶梯型的圆台时，其底部直径为第I个圆台的底部直径，但所述周期性图形2为阶梯型椭圆台时，其底部直径为第一椭圆台的长轴，当所述周期性图形为阶梯型的三棱锥时，其底部直径为第I个三棱锥的底面三角形外接圆的直径，当所述周期性图形为阶梯型的多棱锥(棱数大于3条)时，其底部直径为第I个多棱锥底面多边形的对角线。所述衬底I可以是蓝宝石、碳化硅或硅。所述多棱台21的横截面呈多边形，可以为规则图形，也可以是不规则图形，所述多棱台21的横截面可以是三角形、正方形、长方形、平行四边形、梯形或其它类型的多边形或上述图形和其边缘的规则或不规则的方形或锯齿形的图案组合而成的图形等。本实用新型还提供一种用于制作图形化衬底的掩膜版，如图Ia-Ic所示，所述掩膜版包括由圆形阵列或椭圆形阵列或多边形阵列组成，所述圆形或椭圆形或多边形3区域内部包含m+1个透光率不同的同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环31。其中第i+Ι个圆环或椭圆环或多边形环位于第i个圆环或椭圆环或多边形环的内侧，所述i的取值范围为1彡i < m,最里面的圆或椭圆或多变形被定义为第m+1个圆环或椭圆环或多边形环,最外面的圆环或椭圆环或多边形环被定义为第一个圆环或椭圆环或多边形环，所述从第一个同心圆环或椭圆环或多边形环到第m+1个同心圆环或椭圆环或多边形环的透光率呈公差非零的等差数列。所述m+1个同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环的边缘可以同时具有相同的或不同的方形、锯齿形等规则图案，还可以是不规则的图案；所述m+1个同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环的边缘还可以有些上有图案有些上没有图案，有图案的同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环上可以是相同的或不同的图案。所述圆形或或椭圆形或多边形的特征尺寸为2 μ m-5 μ m,圆形阵列或椭圆形阵列或多边形阵列的间距为3 μ m-10 μ m，当所述圆形的特征尺寸为所述圆的直径，当所述椭圆形的特征尺寸为椭圆的长轴，当所述多边形为三角形时，其特征尺寸为三角形外接圆的直径，当所述多边形边数大于3时，其特征尺寸为其对角线。所述多边形可以为规则图形，也可以是不规则图形，所述多边形可以是三角形、正 方形、长方形、平行四边形、梯形或其它类型的多边形或上述图形和其边缘的规则或不规则的方形或锯齿形的图案组合而成的图形等。在本实施例中，以如图Ia所示的掩膜版为掩膜形成如图3a所示的图形化衬底为例，需要说明的是，图4a-4g中以衬底表面形成呈阶梯状由2个圆台一个圆锥组成的周期性图为例来说明，但不影响对本专利所提供的制备方法的理解。下面简单介绍下图形化衬底的制作方法如图4a所示，提供ー衬底I，在本实施例中，所述衬底为蓝宝石，在所述衬底I上涂覆光刻胶4，当所述光刻胶4为正胶时，所述掩膜版的圆形或多边形阵列之间的区域是完全透光的，所述公差d < O ;如果光刻胶4是负性光刻胶，所述掩膜版的圆形或多边形阵列之间的区域是完全不透光的，所述公差d > 0，所述光刻胶2的厚度为1-5微米；如图4b所示，用所述掩膜版做掩膜，光刻形成从下至上呈阶梯型堆叠的3个圆柱的周期性图形41，在本实施例中m为2，其中所述光刻エ艺中，曝光时间为1-30秒，显影时间为1-30分钟，坚膜时间为10分钟-60分钟，坚膜温度为80度-200度；接下来，第一步刻蚀所述衬底形成从下至上呈阶梯型堆叠的3个圆柱的周期性图形，如表I所示，所述第一歩刻蚀采用干法刻蚀，刻蚀设备所用的上电极的功率为800-1200W,下电极的功率为500-800W，第一步刻蚀时间为900_1800s。在第一步刻蚀エ艺中，下电极功率较大，上电极产生的等离子体基本上被下电极向下牵引，所以其等离子体方向基本上垂直于衬底表面，即同步刻蚀光刻胶和衬底，如图4c所示，周期性图形的光刻胶顶部和窗口内的衬底同时被刻蚀；如图4d所示，接着同步刻蚀，第三层的光刻胶完全刻蚀棹，其形貌及尺寸被完全转移第二层光刻胶上，原第二层光刻胶的形貌及尺寸被完全转移到第一层光刻胶上，原第一层光刻胶的形貌及尺寸被完全转移到衬底I上，衬底表面形成第一阶圆柱；如图4e所示，继续同步刻蚀，第二层的光刻胶完全刻蚀掉，其形貌及尺寸被完全转移第一层光刻胶上，原第一层光刻胶的形貌及尺寸被完全转移到衬底上，衬底表面在第一阶圆柱的基础上形成第二阶圆柱，如图4f所示，继续同步刻蚀，第一层的光刻胶完全刻蚀掉，其形貌及尺寸被完全转移衬底上，衬底表面在第二阶圆柱的基础上形成第三阶圆柱，从而所述衬底上形成呈阶梯型的3个圆柱的周期性图形。然后继续第二步刻蚀，刻蚀如图4f所示的衬底形成从下至上呈阶梯型堆叠的2个圆台和位于圆台上的I个圆锥的周期性图形。所述第二步刻蚀采用干法刻蚀，刻蚀设备所用的上电极的功率为800-1200W，下电极的功率为100-300W，所述第二步刻蚀时间为100-300s，第二步刻蚀中，下电极的功率较小，所以每个等离子体上所分的向下的力比较小，即等离子体方向不在垂直向下而呈向外扩散，如图4g所示，第一歩干法刻蚀后在衬底上形成的呈阶梯状的圆柱在第二步干法刻蚀中各阶圆柱的边缘被刻蚀掉，而图形的高度基本不受影响，从而所述衬底上形成呈阶梯型的2个圆台和位于圆台上的I个圆锥的周期性图形，通过稍微減少第二步刻蚀的エ艺时间，圆台上面的圆锥也可以是ー个圆台，即在所述衬底上形成呈阶梯型堆叠的3个圆台。本实用新型还可以用如图Ib所示的掩膜版形成如图3b所示的图形化衬底，采用上述制备方法，利用不同的掩膜版，通过调整第二步刻蚀的エ艺时间，还可以在所述衬底I表面形成由从下至上呈阶梯型堆叠的m+1个圆台或椭圆台或多棱台，也可以在所述衬底I表面上形成由从下至上呈阶梯型堆叠的m个圆台或椭圆台或多棱台和圆台或椭圆台或多棱台上的I个圆锥或椭圆锥或多棱锥组成的周期性图形，所述周期性图形的侧面还可以设有规则或不规则的、方形或锯齿形的凹槽或凸起，本实用新型还 可以采用不同的エ艺美琢条件运用上述制备方法在其它材料(如碳化硅或硅等)的衬底表面形成由从下至上呈阶梯型堆叠的m+1个圆台或椭圆台或多棱台，或由从下至上呈阶梯型堆叠的m个圆台或椭圆台或多棱台和圆台或椭圆台或多棱台上的I个圆锥或椭圆锥或多棱锥组成的周期性图形。表I
权利要求1.ー种图形化衬底，包括衬底和衬底表面的周期性图形，其特征在于所述周期性图形包括下列情况中的任意ー种(I)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个圆台、(2)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个椭圆台、(3)由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个多棱台、(4)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个圆台和位于最上端圆台的I个圆锥、(5)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个椭圆台和位于最上端椭圆台的椭圆锥、￠)由从下至上阶梯型依次堆叠的m个多棱台和位于最上端多棱台的多棱锥,其中m为自然数,所述m的取值范围为I < m< 1000。
2.根据权利要求I所述的图形化衬底，其特征在干所述圆台、椭圆台、多棱台、圆锥、椭圆锥或多棱锥的侧面还具有凹槽或凸起。
3.根据权利要求2所述的图形化衬底，其特征在于所述凹槽或凸起形状为方形、锯齿形或不规则形状。
4.根据权利要求I所述的图形化衬底，其特征在于第i+Ι个圆台、椭圆台或多棱台位于第i个圆台、椭圆台或多棱台的上方，且第i+Ι个圆台、椭圆台或多棱台的底面直径小于第i个圆台、椭圆台或多棱台的顶面直径，所述i的取值范围为I < i < m。
5.根据权利要求I所述的图形化衬底，其特征在于所述圆锥、椭圆锥或多棱锥的侧面与底面的夹角为40度-60度。
6.根据权利要求I所述的图形化衬底，其特征在于所述圆台、椭圆台或多棱台的侧面与底面的夹角为40度-60度。
7.根据权利要求I所述的图形化衬底，其特征在于所述周期性图形的底部直径为.2 μ m-5 μ m,高度为I. 5 μ m_5 μ m,相邻两个图形的底部间距为3 μ m_10 μ m。
8.一种用于制作图形化衬底的掩膜版，其特征在于所述掩膜版包括圆形阵列、椭圆形阵列或多边形阵列。
9.根据权利要求8所述的掩膜版，其特征在于所述圆形阵列、椭圆形阵列或多变形阵列中的每ー圆形、椭圆形或多边形的区域内部分别包含m+1个同心圆环、同心椭圆环或同心多边形环。
10.根据权利要求9所述的掩膜版，其特征在于所述m+1个同心圆环、同心椭圆环或同心多边形环的边缘的图案为方形、锯齿形或不规则形状。
11.根据权利要求8所述的掩膜版，其特征在于第i+Ι个圆环、椭圆形环或多边形环位于第i个圆环、椭圆环或多边形环的内側，且所述第一个圆环、椭圆环或多边形环至第m+1个圆环或椭圆环或多边形环的透光率呈公差非零的等差数列，所述i的取值范围为I < i < m。
12.根据权利要求8所述的掩膜版，其特征在于所述圆形、椭圆形、多边形的关键尺寸为2 μ m-5 μ m,圆形阵列、椭圆形阵列或多边形阵列的间距为3 μ m-10 μ m。
13.根据权利要求8至12任ー权利要求所述的掩膜版，其特征在于所述掩膜版制作权利要求I至7所述任ー权利要求所述的图形化衬底。
专利摘要本实用新型提供一种图形化衬底，包括衬底及位于衬底上方的周期性图形，所述周期性图形由从下至上阶梯型依次堆叠的m+1个圆台或椭圆台或多棱台组成，或由从下至上阶梯型依次堆叠的m个圆台或椭圆台或多棱台和1个圆锥或椭圆锥或多棱锥组成，通过周期性图形微结构可降低由GaN等外延层与衬底之间晶格失配而造成的应力以及GaN等外延层中的位错密度，提高GaN等外延层的晶体质量，更好地改善LED的发光亮度；本实用新型还提供一种由圆形阵列或椭圆形阵列或多边形阵列组成掩模版，阵列中的每一圆形或椭圆形或多边形区域内部都包含m+1个透光率不同的同心圆环或同心椭圆环或同心多边形环；利用所述掩模版制作所述图形化衬底，易于实现且成本低。
文档编号G03F1/00GK202633368SQ20122031563
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月2日 优先权日2012年7月2日
发明者丁海生, 李东昇, 马新刚, 江忠永, 张昊翔, 王洋, 李超, 逯永建, 黄捷 申请人:杭州士兰明芯科技有限公司