6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和LED外延片与流程

本发明属于led技术领域，具体涉及图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片。

背景技术：

目前led(lightemittingdiode，发光二极管)是一种固体照明，体积小、耗电量低使用寿命长高亮度、环保、坚固耐用等优点受到广大消费者认可，国内生产led的规模也在逐步扩大；市场上对led亮度和光效的需求与日俱增，客户关注的是led更省电，亮度更高、光效更好，这就为led外延生长提出了更高的要求；如何生长更好的外延片日益受到重视，因为外延层晶体质量的提高，led器件的性能可以得到提升，led的发光效率、寿命、抗老化能力、抗静电能力、稳定性会随着外延层晶体质量的提升而提升。

蓝宝石衬底是半导体照明行业使用最广的衬底材料，而蓝宝石衬底图形化技术是目前主流的提高半导体照明器件出光效率、改善磊晶结晶质量的方法。随着行业制造技术的不断进步、规模制造成本不断降低的客观要求这两大动力的推动，蓝宝石衬底的尺寸规格由早期的2英寸逐步过渡到4、6英寸。目前，图形化衬底规模化生产的规格主流为4英寸，部分产能为6英寸。小尺寸转大尺寸制程的技术开发过程中，高质量的外延生长是需攻克的技术关键点。

目前实现过规模化生产的蓝宝石图形化衬底方案，其微结构示意图形均为单一图案，这些衬底图案化处理方案在2-4英寸led制程节点发挥了不错了的效果，但是随着衬底尺寸的增大，外延生长的工艺难度增大，对设备、对材料有更高的要求。因此，针对6英寸衬底的外延生长，设计一种新的衬底图案化方案十分必要。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片，有助于提高6英寸衬底在晶体生长及加工过程中的应力窗口，改善翘曲变化幅度，能够提高磊晶质量及制程良率。

第一方面，本发明提供了一种6英寸图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，包括：

提供蓝宝石衬底；

在蓝宝石衬底的表面涂覆一层光刻胶，所述光刻胶的厚度为1μm≤d0≤3μm；

对涂覆有所述光刻胶的蓝宝石衬底进行曝光、显影，形成图案化掩膜层，所述图案化掩膜层包括由分割道隔开的多个柱状光阻；

将带有图案化掩膜层的蓝宝石衬底送入刻蚀机台反应腔体，使用三氯化硼、三氟甲烷和氧气对所述图案化掩膜层进行干法刻蚀，在所述蓝宝石衬底表面形成图案化结构，形成图案化蓝宝石衬底，所述图案化结构包括多个u型凹槽和多个三角锥状凸起结构，所述u型凹槽将所述三角锥状凸起结构分割为多个独立的图块单元，各所述图块单元内中分别包括多个所述三角锥状凸起结构；其中，所述反应腔体中的上射频功率为1000w≤w1≤1700w，下射频功率为300w≤w2≤800w，反应腔体压力为1mt≤p≤4mt，气体流量为20％≤k≤90％。

可选地，其中：在将带有图案化掩膜层的蓝宝石衬底送入刻蚀机台反应腔体，使用三氯化硼、三氟甲烷和氧气对所述图案化掩膜层进行干法刻蚀之后，还包括：将所述图案化蓝宝石衬底进行清洗。

可选地，其中：所述柱状光阻的直径为1.8μm≤d1≤2.3μm；所述分割道的宽度为0.5μm≤d2≤3μm。

可选地，其中：所述u型凹槽的深度为1.5μm≤d3≤3μm，所述u型凹槽的宽度为2μm≤d4≤5μm。

可选地，其中：所述三角锥状凸起结构的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，所述三角锥状凸起结构的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。

第二方面，本发明还提供一种通过本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底的制备方法制备的6英寸图形化蓝宝石衬底，其特征在于，所述图形化蓝宝石衬底包括：

蓝宝石衬底；

位于所述蓝宝石衬底表面的图案化结构，所述图案化结构包括多个u型凹槽和多个三角锥状凸起结构，所述u型凹槽将所述三角锥状凸起结构分割为多个独立的图块单元，各所述图块单元内中分别包括多个所述三角锥状凸起结构；所述图形化结构是通过对位于所述蓝宝石衬底表面的图案化掩膜层进行干法刻蚀得到的，所述图案化掩膜层包括由分割道隔开的多个柱状光阻。

可选地，其中：所述u型凹槽的深度为1.5μm≤d3≤3μm，所述u型凹槽的宽度为2μm≤d4≤5μm。

可选地，其中：所述三角锥状凸起结构的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，所述三角锥状凸起结构的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。

第三方面，本申请还提供一种led外延片，包括6英寸图形化蓝宝石衬底，所述图形化蓝宝石衬底为本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底。

与现有技术相比，本申请所述的6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片，达到了如下效果：

本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片中，在蓝宝石衬底的表面形成图案化结构，该图案化结构包括多个u型凹槽和多个三角锥状凸起结构，u型凹槽将三角锥状凸起结构分割为多个独立的图块单元。在后续的外延制程中，由于u型凹槽的存在，使得gan层的生长在独立的图块单元中完成，相邻图块单元的gan薄膜没有互联，如此有利于消除蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了外延膜材料应力控制的窗口，从而有利于提高gan外延材料的合格率；同时，本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底中，由于设置了u型凹槽和三角锥状凸起结构构成的图案化结构，使得后续gan磊晶过程中发挥了选区生长优势，因此还有利于降低gan外延片在整个生长过程中的弯曲变形幅度，从而有利于提高led薄膜波长均匀性，尤其对大尺寸蓝宝石衬底gan基led波长均匀性有明显的益处。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1所示为本申请实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底的制备方法的一种流程图；

图2所示为本申请实施例所提供的蓝宝石衬底的一种结构示意图；

图3所示为在蓝宝石衬底上涂覆光刻胶后的一种结构示意图；

图4所示为在蓝宝石衬底上形成图案化掩膜层的一种结构示意图；

图5所示为在蓝宝石衬底上形成图案化结构的一种结构示意图；

图6所示为本申请实施例所提供的图案化蓝宝石衬底的一种俯视图；

图7所示为本申请实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底的制备方法的另一种流程图；

图8所示为本申请实施例所提供的led外延片的一种结构示意图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。

蓝宝石衬底是半导体照明行业使用最广的衬底材料，而蓝宝石衬底图形化技术是目前主流的提高半导体照明器件出光效率、改善磊晶结晶质量的方法。随着行业制造技术的不断进步、规模制造成本不断降低的客观要求这两大动力的推动，蓝宝石衬底的尺寸规格由早期的2英寸逐步过渡到4、6英寸。目前，图形化衬底规模化生产的规格主流为4英寸，部分产能为6英寸。小尺寸转大尺寸制程的技术开发过程中，高质量的外延生长是需攻克的技术关键点。

有鉴于此，本发明提供了6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片，有助于提高6英寸衬底在晶体生长及加工过程中的应力窗口，改善翘曲变化幅度，能够提高磊晶质量及制程良率。

以下结合附图和具体实施例进行具体说明。

图1所示为本申请实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底的制备方法的一种流程图，请参见图1，本申请实施例提供一种6英寸图形化蓝宝石衬底10的制备方法，包括：

步骤101、提供蓝宝石衬底10，请参见图2，图2所示为本申请实施例所提供的蓝宝石衬底10的一种结构示意图；

步骤102、在蓝宝石衬底10的表面涂覆一层光刻胶20，光刻胶20的厚度为1μm≤d0≤3μm，请参见图3，图3所示为在蓝宝石衬底10上涂覆光刻胶20后的一种结构示意图；

步骤103、对涂覆有光刻胶20的蓝宝石衬底10进行曝光、显影，形成图案化掩膜层30，图案化掩膜层30包括由分割道32隔开的多个柱状光阻31，请参见图4，图4所示为在蓝宝石衬底10上形成图案化掩膜层30的一种结构示意图；

步骤104、将带有图案化掩膜层30的蓝宝石衬底10送入刻蚀机台反应腔体，使用三氯化硼、三氟甲烷和氧气对图案化掩膜层30进行干法刻蚀，在蓝宝石衬底10表面形成图案化结构40，形成图形化蓝宝石衬底100，图案化结构40包括多个u型凹槽42和多个三角锥状凸起结构41，u型凹槽42将三角锥状凸起结构41分割为多个独立的图块单元50，各所述图块单元50内中分别包括多个所述三角锥状凸起结构41，请参见图5和图6，图5所示为在蓝宝石衬底10上形成图案化结构40的一种结构示意图，图6所示为本申请实施例所提供的图形化蓝宝石衬底100的一种俯视图，图5为图6中图形化蓝宝石衬底的aa’截面图；其中，反应腔体中的上射频功率为1000w≤w1≤1700w，下射频功率为300w≤w2≤800w，反应腔体压力为1mt≤p≤4mt，气体流量为20％≤k≤90％。

具体地，请参见图1-图6，本申请实施例所提供的6寸化蓝宝石衬底10的制备方法中，步骤101-步骤103，在洁净、平整的蓝宝石衬底10表面涂布一层厚度为1μm≤d1≤3μm的光刻胶20，然后使用曝光机对其进行曝光，使用显影机进行显影，完成黄光制程，得到图案化掩膜层30，请参见图3，该图案化掩膜层30包括由分割道32隔开的多个柱状光阻31。特别是，上述步骤104中，使用干法刻蚀工艺对位于蓝宝石衬底10上的图案化掩膜层30进行刻蚀，在蓝宝石衬底10上形成图案化结构40，该图案化结构40包括多个u型凹槽42和多个三角锥状凸起结构41，即采用一次光刻，在衬底表面制作u型凹槽42，该u型凹槽42将衬底分割成多个独立的图块单元50，每个图块单元50内的表面长有系列三角锥凸起的图案化方案。在后续的外延制程中，由于u型凹槽42的存在，使得gan层的生长在独立的图块单元50中完成，相邻图块单元50的gan薄膜没有互联，如此有利于消除蓝宝石衬底10对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了外延膜材料应力控制的窗口，从而有利于提高gan外延材料的合格率；同时，本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底10中，由于设置了u型凹槽42和三角锥状凸起结构41构成的图案化结构40，使得后续gan磊晶过程中发挥了选区生长优势，因此还有利于降低gan外延片在整个生长过程中的弯曲变形幅度，从而有利于提高led薄膜波长均匀性，尤其对大尺寸蓝宝石衬底10gan基led波长均匀性有明显的益处。

此外，上述步骤104中，在干法刻蚀的过程中，将反应条件设置为：反应腔体中的上射频功率为1000w≤w1≤1700w，下射频功率为300w≤w2≤800w，反应腔体压力为1mt≤p≤4mt，气体流量为20％≤k≤90％，如此能够形成更加明显的u型凹槽42和三角锥状凸起结构41，更有利于形成独立的图块单元50，从而更有利于消除外延制程中蓝宝石衬底10对gan薄膜的应力累积效应。

可选地，请参见图7，图7所示为本申请实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底10的制备方法的另一种流程图，在将带有图案化掩膜层30的蓝宝石衬底10送入刻蚀机台反应腔体，使用三氯化硼、三氟甲烷和氧气对所述图案化掩膜层30进行干法刻蚀之后，还包括步骤105，即：将所述图形化蓝宝石衬底100进行清洗。

具体地，上述步骤105中，将图形化蓝宝石衬底100进行清洗，具体为，将图形化蓝宝石衬底100依次使用spm(硫酸溶液)、apm(氨水溶液)混合液对其进行表面处理，去除残留物以及微小颗粒，使衬底表面洁净。

可选地，请参见图4，通过上述步骤103所形成的图案化掩膜层30中，柱状光阻31的直径为1.8μm≤d1≤2.3μm；分割道32的宽度为0.5μm≤d2≤3μm。具体地，本申请实施例将柱状光阻31和分割道32的尺寸设计为上述尺寸时，有利于在蚀刻过程进行工艺控制，进而实现后续图案化结构的尺寸控制。

需要说明的是，图4所示实施例中的分割道32为宽度为0.5μm-3μm的平行四边形边框，除此种方式外，本申请实施例中的分割道32还可体现为其他的结构，本申请对此不进行具体限定。

可选地，请参见图5，通过上述步骤104所形成的图案化结构40中，u型凹槽42的深度为1.5μm≤d3≤3μm，u型凹槽42的宽度为2μm≤d4≤5μm。具体地，由于u型凹槽42需要有一定宽度才能发挥作用，因此，其宽度d4≥2μm时能够发挥隔离作用；但是u型凹槽42的宽度越宽，发光效率越差，因此本申请将其宽度设计为d4≤5μm，使其不对发光效率造成影响。同理，由于u型凹槽42需要有一定深度才能发挥作用，因此，其宽度d3≥1.5μm时能够发挥隔离作用；但是u型凹槽42的深度越大，发光效率越差，因此本申请将其深度设计为d4≤3μm，使其不对发光效率造成影响。

可选地，请参见图5，通过上述步骤104所形成的图案化结构40中，三角锥状凸起结构41的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，三角锥状凸起结构41的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。具体地，本申请实施中三角锥状结构41的高度越高，出光效率越高，但高度增大到一定程度时出光效率不会继续提升，因此将其高度设计为1.5μm≤d6≤1.9μm，有利于提升led的出光效率。本申请实施中三角锥状结构41的宽度越大，出光效率越高，但其截面宽度增大到一定程度时，截面间隙越小，外延生长难度增大，品质下降，因此将其截面最大宽度设计为2.5μm≤d5≤2.9μm时，既有利于提升led的出光效率，又不会影响led的品质。将三角锥状结构41的截面宽度适当做大，高度适当减小，使三角锥状结构41的斜坡坡度变缓，也可提升出光效率，降低电压，但高度过小不利于出光效率提升，因此本申请中三角锥状凸起结构41的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，三角锥状凸起结构41的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。

基于同一发明构思，本申请还提供一种通过上述实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底10的制备方法制备的6英寸图形化蓝宝石衬底10，请参见图5，该图形化蓝宝石衬底10包括：

蓝宝石衬底10；

位于蓝宝石衬底10表面的图案化结构40，图案化结构40包括多个u型凹槽42和多个三角锥状凸起结构41，u型凹槽42将三角锥状凸起结构41分割为多个独立的图块单元50，各图块单元50内中分别包括多个所述三角锥状凸起结构41；图形化结构是通过对位于蓝宝石衬底10表面的图案化掩膜层30进行干法刻蚀得到的，图案化掩膜层30包括由分割道32隔开的多个柱状光阻31。

具体地，请参见图5，本申请实施例所提供的6英寸蓝宝石衬底10中，在蓝宝石衬底10表面设置有图案化结构40，该图案化结构40包括多个u型凹槽42和多个三角锥状凸起结构41，u型凹槽42将三角锥状凸起结构41分割为多个独立的图块单元50。在后续的外延制程中，由于u型凹槽42的存在，使得gan层的生长在独立的图块单元50中完成，相邻图块单元50的gan薄膜没有互联，如此有利于消除蓝宝石衬底10对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了外延膜材料应力控制的窗口，从而有利于提高gan外延材料的合格率；同时，本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底10中，由于设置了u型凹槽42和三角锥状凸起结构41构成的图案化结构40，使得后续gan磊晶过程中发挥了选区生长优势，因此还有利于降低gan外延片在整个生长过程中的弯曲变形幅度，从而有利于提高led薄膜波长均匀性，尤其对大尺寸蓝宝石衬底10gan基led波长均匀性有明显的益处。

可选地，u型凹槽42的深度为1.5μm≤d3≤3μm，u型凹槽42的宽度为2μm≤d4≤5μm。具体地，由于u型凹槽42需要有一定宽度才能发挥作用，因此，其宽度d4≥2μm时能够发挥隔离作用；但是u型凹槽42的宽度越宽，发光效率越差，因此本申请将其宽度设计为d4≤5μm，使其不对发光效率造成影响。同理，由于u型凹槽42需要有一定深度才能发挥作用，因此，其宽度d3≥1.5μm时能够发挥隔离作用；但是u型凹槽42的深度越大，发光效率越差，因此本申请将其深度设计为d4≤3μm，使其不对发光效率造成影响。

可选地，三角锥状凸起结构41的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，三角锥状凸起结构的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。具体地，具体地，本申请实施中三角锥状结构41的高度越高，出光效率越高，但高度增大到一定程度时出光效率不会继续提升，因此将其高度设计为1.5μm≤d6≤1.9μm，有利于提升led的出光效率。本申请实施中三角锥状结构41的宽度越大，出光效率越高，但其截面宽度增大到一定程度时，截面间隙越小，外延生长难度增大，品质下降，因此将其截面最大宽度设计为2.5μm≤d5≤2.9μm时，既有利于提升led的出光效率，又不会影响led的品质。将三角锥状结构41的截面宽度适当做大，高度适当减小，使三角锥状结构41的斜坡坡度变缓，也可提升出光效率，降低电压，但高度过小不利于出光效率提升，因此本申请中三角锥状凸起结构41的截面最大宽度为2.5μm≤d5≤2.9μm，三角锥状凸起结构41的高度为1.5μm≤d6≤1.9μm。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种led外延片，图8所示为本申请实施例所提供的led外延片的一种结构示意图，该led外延片包括6英寸图形化蓝宝石衬底10，图形化蓝宝石衬底10为权利要求6至9之任一的图形化蓝宝石衬底10。需要说明的是，本申请实施例所提供的led外延片的实施例可参照本申请实施例所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底10的实施例，重复之处不再赘述。

通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：

本申请所提供的图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片中，本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底及制备方法和led外延片中，在蓝宝石衬底的表面形成图案化结构，该图案化结构包括多个u型凹槽和多个三角锥状凸起结构，u型凹槽将三角锥状凸起结构分割为多个独立的图块单元。在后续的外延制程中，由于u型凹槽的存在，使得gan层的生长在独立的图块单元中完成，相邻图块单元的gan薄膜没有互联，如此有利于消除蓝宝石衬底对gan薄膜的应力累积效应，显著增大了外延膜材料应力控制的窗口，从而有利于提高gan外延材料的合格率；同时，本申请所提供的6英寸图形化蓝宝石衬底中，由于设置了u型凹槽和三角锥状凸起结构构成的图案化结构，使得后续gan磊晶过程中发挥了选区生长优势，因此还有利于降低gan外延片在整个生长过程中的弯曲变形幅度，从而有利于提高led薄膜波长均匀性，尤其对大尺寸蓝宝石衬底gan基led波长均匀性有明显的益处。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。