一种蓝宝石衬底图形化制作的方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种蓝宝石衬底图形化制作的方法。

背景技术：

发光二极管具有体积小、效率高和寿命长等优点，在交通指示、户外全色显示等领域有着广泛的应用，尤其是利用大功率发光二极管可能实现半导体固态照明，引起人类照明史的革命，从而逐渐成为目前电子学领域的研究热点。为了获得高亮度的LED，关键要提高器件的内量子效率和外量子效率。目前，芯片光提取效率是限制器件外量子效率的主要因素，其主要原因是外延材料、衬底材料以及空气之间的折射率差别较大，导致有源区产生的光在不同折射率材料界面发生全反射而不能导出芯片。

PSS(Patterned Sapphire Substrate，图形化蓝宝石衬底)是在蓝宝石衬底上利用光刻、刻蚀等工艺，形成具有图形化表面的蓝宝石衬底。图形化衬底一方面能够有效降低外延结构层的位错密度，提高外延材料的晶体质量和均匀性，进而能提高发光二极管的内量子发光效率，另一方面，由于图形结构增加了光的散射，改变了发光二极管的光学线路，进而提升了出光几率。

相对普通蓝宝石衬底，在图形化衬底上生长氮化镓外延层可以减少外延缺陷，外延层晶体质量明显提高。另外，蓝宝石的折射率为1.8，氮化镓的折射率为2.4，由于折射率的差异，当光从外延层进入图形衬底时，会形成反射，从而改善氮化镓基发光二极管出光功率。通常图形化衬底的主要制作方法如下：在蓝宝石衬底上制作图形化的掩膜，通常采用氧化硅或金属掩膜；刻蚀蓝宝石；去掉掩膜，得到图形化的蓝宝石衬底。通过上述方法，可以获得质量较好的二维图形化蓝宝石衬底，在二维图形化蓝宝石衬底上生长的氮化镓外延晶体表面比较平整，导致二维图形化蓝宝石衬底的外延片出光面积有限，不能更有效的提高整个半导体的光功率。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，针对现有二维图形化蓝宝石衬底外延片出光面积的有限性，本发明提供了一种蓝宝石衬底图形化制作的方法，用于生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

本发明提供了一种蓝宝石衬底图形化制作的方法，包括如下步骤：

在蓝宝石衬底上制作二维图案；

在二维图案的蓝宝石衬底上制作三维图案。

所述在蓝宝石衬底上制作二维图案包括：

在蓝宝石衬底上形成第一掩膜图形，所述第一掩膜图形具有周期排列的第一掩膜图案；

在具有周期排列的第一掩膜图案间形成若干个周期性排列的相互间隔的二维图案；

去除所述第一掩膜图形，得到具有二维图案的蓝宝石衬底。

优选的，所述在蓝宝石衬底上形成第一掩膜图形包括：

采用光刻工艺或者压印工艺的一种或者两种方法在蓝宝石衬底上形成第一掩膜图形。

优选的，所述在具有周期排列的第一掩膜图案上形成若干个周期性排列的相互间隔的二维图案包括：

采用干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺的一种或两种在具有周期排列的第一掩膜图案上形成若干个周期性排列的相互间隔的二维图案。

优选的，所述在二维图案的蓝宝石衬底上制作三维图案包括：

在具有二维图案的蓝宝石衬底上制作第二掩膜图形，所述第二掩膜图形具有周期排列的第二掩膜图案；

在具有周期排列的第二掩膜图案间形成若干个周期性排列的相互间隔的三维图案；

去除所述第二掩膜图形，得到具有三维图案的蓝宝石衬底。

优选的，所述在二维图案的蓝宝石衬底上制作三维图案还包括：

在具有二维图案的蓝宝石衬底上生长晶体，再通过刻蚀或腐蚀的方法在生长晶体表面第二掩膜图形。

优选的，所述在蓝宝石衬底上形成第二掩膜图形包括：

采用光刻工艺或者压印工艺的一种或者两种方法在蓝宝石衬底上形成第二掩膜图形。

优选的，所述在具有周期排列的第二掩膜图案间形成若干个周期性排列的相互间隔的三维图案包括：采用干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺的一种或两种在具有周期排列的掩膜图案上形成若干个周期性排列的相互间隔的三维图案。

优选的，所述周期性排列的相互间隔在0.1微米至5微米之间。

优选的，所述二维图案的蓝宝石衬底上生长晶体的厚度不超过10微米。

与现有技术相比，本发明实施例针对蓝宝石衬底进行三维图形化制作，可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的蓝宝石衬底图形化制作的方法流程图；

图2是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图；

图3是本发明实施例中的去除光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图；

图4是本发明实施例中的为具有外延层结构的二维图形化蓝宝石衬底结构示意图；

图5是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的二维图形化蓝宝石衬底结构示意图；

图6是本发明实施例中的具有三维图形区域的三维图形化蓝宝石衬底结构示意图；

图7是本发明实施例中的具有三维图形化蓝宝石衬底结构示意图；

图8是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形蓝宝石衬底的第二实施例结构示意图；

图9是本发明实施例中的经过BOE溶液处理后的蓝宝石衬底结构示意图；

图10是本发明实施例中的二维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图；

图11是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的三维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图；

图12是本发明实施例中的三维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图；

图13是本发明实施例中的具有压印掩膜图形的蓝宝石衬底结构示意图；

图14是本发明实施例中的去除压印掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图；

图15是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的二维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图；

图16是本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图；

图17是本发明实施例中的具有三维图形区域的三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图；

图18是本发明实施例中的具有三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，本发明实施例所提供的蓝宝石衬底图形化制作的方法，其在普通蓝宝石衬底上制作二维图案，在二维衬底表面做周期性图案处理，然后在在二维图案的蓝宝石衬底上制作三维图案。通过两次图案制作，在可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

图1示出了本发明实施例中的蓝宝石衬底图形化制作的方法流程图，包括如下步骤：

S11、在蓝宝石衬底上形成第一掩膜图形，所述第一掩膜图形具有周期排列的第一掩膜图案；

具体实施过程中，可以采用光刻工艺或者压印工艺的一种或者两种方法在蓝宝石衬底上形成第一掩膜图形。

S12、在具有周期排列的第一掩膜图案间形成若干个周期性排列的相互间隔的二维图案；

具体实施过程中，可以采用干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺的一种或两种在具有周期排列的第一掩膜图案上形成若干个周期性排列的相互间隔的二维图案。

S13、去除所述第一掩膜图形，得到具有二维图案的蓝宝石衬底；

具体实施过程中，可以采用去胶液、ICP刻蚀、BOE溶液等方式中的一种或者多种去掉第一掩膜图形。

S14、在具有二维图案的蓝宝石衬底上制作第二掩膜图形，所述第二掩膜图形具有周期排列的第二掩膜图案；

具体实施过程中，采用光刻工艺或者压印工艺的一种或者两种方法在蓝宝石衬底上形成第二掩膜图形。

S15、在具有周期排列的第二掩膜图案间形成若干个周期性排列的相互间隔的三维图案；

具体实施过程中，采用干法刻蚀工艺、湿法腐蚀工艺的一种或两种在具有周期排列的掩膜图案上形成若干个周期性排列的相互间隔的三维图案。

S16、去除所述第二掩膜图形，得到具有三维图案的蓝宝石衬底。

具体实施过程中，可以采用去胶液、ICP刻蚀、BOE溶液、硫酸溶液等方式中的一种或者多种去掉第一掩膜图形。

除此之外，该方法还包括：在具有二维图案的蓝宝石上生长晶体，再通过刻蚀或腐蚀的方法在生长晶体表面第二掩膜图形，该晶体的厚度不超过10微米。本实施例中的周期性排列的相互间隔在0.1微米至5微米之间，二维图案的间隔大于三维图案的间隔。通过步骤S11至S16步骤，其采用两次在蓝宝石衬底表面制作周期性图案，第二次周期性图案是基于第一次周期性图案表面完成之后再进行处理的，可以可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

以下，结合图1中所示的流程图针对不同实施例子进行详细阐述和说明。

实施例1

结合图2至图7说明三维图形化蓝宝石衬底制作方法工艺流程示意图。

如图2，其为具有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图，首先在蓝宝石衬底101表面制作光刻胶掩膜图形102，光刻胶掩膜图形102的厚度是5.5微米。该光刻胶掩膜图形102包括了若干个在蓝宝石衬底101表面所形成周期性排列的掩膜图案，其交替间隔分布在蓝宝石衬底101表面。该交替间隔的距离在0.1微米至5微米之间，这里可以取值为0.1微米、1微米、2微米、5微米等等。

如图3，其为去除光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图，针对图2中的结构，经过30分钟，氯气和和三氯化硼的气体流量比(Cl2：BCl3＝20ppm：120ppm)，ICP的射频功率(RF＝1500mW)的ICP刻蚀，通过去除剩余的光刻胶掩膜图形102，得到二维图形化蓝宝石衬底111，该蓝宝石衬底表面结构具有周期性分布的二维图形。感应耦合等离子体(Induct ively Coupled Plasma，ICP)刻蚀技术作为微机电系统(MEMS)体微机械加工工艺中的一种重要加工方法，由于其控制精度高、大面积刻蚀均匀性好、刻蚀垂直度好、污染少和刻蚀表面平整光滑等优点常用于刻蚀高深宽比结构。

如图4，其为具有外延层结构的二维图形化蓝宝石衬底结构示意图，采用氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy，HVPE)法在二维图形化蓝宝石衬底111上生长GaN外延层103，该GaN外延层103厚度为0.5微米。

如图5所示，其为具有光刻胶掩膜图形的二维图形化蓝宝石衬底结构示意图，在GaN外延层103表面制作光刻胶掩膜图形104，光刻胶掩膜图形104的厚度是2.5微米。该光刻胶掩膜图形104包括了若干个在二维图形化蓝宝石衬底111表面所形成周期性排列的掩膜图案，其交替间隔分布在二维图形化蓝宝石衬底111表面。该交替间隔的距离在0.1微米至5微米之间，这里可以取值为0.1微米、1微米、2微米、5微米等等，该交替间隔小于图2和图3所示的间隔。

如图6所示，其为具有三维图形区域的三维图形化蓝宝石衬底结构示意图，经过10分钟，Cl₂：BCl₃＝50ppm：50ppm，RF＝500mW的ICP刻蚀，ICP刻蚀的有效深度为0.55微米，形成三维图形化区域105。

如图7所示，其为具有三维图形化蓝宝石衬底结构示意图，在85℃去胶液中去掉光刻胶掩膜图形104后，在1400℃高温下经过2小时烘烤，去掉GaN外延层103，完成三维图形化蓝宝石衬底121的制作。在完成三维图形化制作之后，在可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

实施例2

结合图8至图12说明三维图形化蓝宝石衬底制作方法工艺流程示意图。

图8为本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形蓝宝石衬底的第二实施例结构示意图，在蓝宝衬底201表面采用等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)PECVD设备，在800mtorr压力下沉积厚度为200纳米的SiO₂薄膜202，在SiO₂薄膜202表面制作2微米厚的光刻胶掩膜图形203。该光刻胶掩膜图形203包括了若干个在SiO₂薄膜202表面所形成周期性排列的掩膜图案，其交替间隔分布在SiO₂薄膜202表面。该交替间隔的距离在0.1微米至5微米之间，这里可以取值为0.1微米、1微米、2微米、5微米等等。

图9为，针对图8中结构采用缓冲氧化物刻蚀液(Buffered Oxide Etch，BOE)溶液经过长达120秒处理，腐蚀掉部分SiO2薄膜202。

图10为二维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图，在280℃下，通过H₂SO₄：H₃PO₄＝3:1比例溶液对图9所示的蓝宝石衬底结构进行6小时腐蚀，再采用BOE溶液经过长达200秒处理，得到二维图形化蓝宝石衬底211。该二维图形化蓝宝石衬底211表面具有周期性二维图案。

图11为具有光刻胶掩膜图形的三维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图，在二维图形化蓝宝石衬底211表面做光刻胶掩膜图形204。

图12为三维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图，经过110KeV，9.5×10¹⁶cm^-2注入量的条件下，将Ar+离子注入到二维图形化蓝宝石衬底211表面形成三维图形化区域205，在浓硫酸溶液中去除光刻胶掩膜图形204，完成三维图形化蓝宝石衬底221的制作。在完成三维图形化制作之后，在可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

实施例3

结合图13至图18说明三维图形化蓝宝石衬底制作方法工艺流程示意图。

图13为本发明实施例中的具有压印掩膜图形的蓝宝石衬底结构示意图，首先在蓝宝石衬底301表面制作压印掩膜图形302，压印掩膜图形302的厚度是2.5微米。该压印掩膜图形302包括了若干个在蓝宝石衬底301表面所形成周期性排列的掩膜图案，其交替间隔分布在蓝宝石衬底301表面。该交替间隔的距离在0.1微米至5微米之间，本发明实施例取值2.5微米。

图14为本发明实施例中的去除压印掩膜图形的蓝宝石衬底表面结构示意图，经过30分钟，Cl₂：BCl₃＝20ppm：120ppm，RF＝1500mW的ICP刻蚀，在去除剩余的压印掩膜图形302，得到二维图形化蓝宝石衬底311。

图15为本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的二维图形化蓝宝石衬底第二实施例结构示意图，采用有机金属化学气相沉积法，(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)在二维图形化蓝宝石衬底311上生长AlGaN外延层303，其厚度为0.2微米。

图16为本发明实施例中的具有光刻胶掩膜图形的三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图，在AlGaN外延层303表面制作光刻胶掩膜图形304，光刻胶掩膜图形304的厚度是2微米。该光刻胶掩膜图形304包括了若干个在二维图形化蓝宝石衬底311表面所形成周期性排列的掩膜图案，其交替间隔分布在二维图形化蓝宝石衬底311表面。该交替间隔的距离在0.1微米至5微米之间，这里可以取值为0.1微米、1微米、2微米、5微米等等，该交替间隔小于图14和图15所示的间隔。

图17为本发明实施例中的具有三维图形区域的三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图，针对图16所示结构，经过6分钟，Cl₂：BCl₃＝30ppm：50ppm，RF＝500mW的ICP刻蚀(ICP刻蚀的有效深度为0.2微米)后，再经过110KeV，9.5×10¹⁶cm^-2注入量的条件下，将Ar+离子注入到二维图形化蓝宝石衬底311表面形成三维图形化区域305。

图18是本发明实施例中的具有三维图形化蓝宝石衬底第三实施例结构示意图，在浓硫酸溶液中去掉光刻胶掩膜图形304后，经过1600℃-1.5小时烘烤，去掉AlGaN外延层303，完成三维图形化蓝宝石衬底321的制作。在完成三维图形化制作之后，在可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

综上，本发明实施例针对蓝宝石衬底进行三维图形化制作，可以实现蓝宝石衬底的生长表面呈现周期性起伏分布的外延片，增加外延层的出光面积，可进一步提高氮化镓基发光二极管的光功率。

以上对本发明实施例所提供的蓝宝石衬底图形化制作的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。