一种图形化复合衬底、制备方法及LED外延片与流程

一种图形化复合衬底、制备方法及led外延片
技术领域
1.本发明实施例涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种图形化复合衬底、制备方法及led外延片。


背景技术：

2.复合图形化衬底(如sio2/al2o3)能够对gan基led器件晶体质量以及出光效率有进一步提升。第一方面，sio2/al2o3复合图形化衬底，由于sio2材料本身就不适合gan在其上生长，因而可以促进位错沿图形侧面弯曲以及在图形顶部的合拢，提高gan材料的晶体质量；第二方面，sio2/al2o3复合图形化衬底中的sio2材料与gan有更大的折射率差异，与gan材料形成的全反射角更大，能提升出光效率；第三方面，复合图形化衬底干法刻蚀主要为二氧化硅层，干法刻蚀速率比蓝宝石高，因而可大幅降低刻蚀时间，提高刻蚀设备的产能并降低生产成本。
3.然而，常规图形化复合衬底流程中，使用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)或磁控溅射制备的异质层(sio2)薄膜，其表面平坦度及粗糙度较差，表面缺陷较多，对后端制备光刻掩膜及刻蚀具有不利影响，容易造成色差和微观缺陷不良。并且，异质层(sio2)薄膜厚度较低，常规抛光工艺无法精确实现对表面的平坦化处理。此外，由于衬底和镀膜材料的应力问题，容易出现晶片碎裂的情况。


技术实现要素：

4.本发明提供一种图形化复合衬底、制备方法及led外延片，以改善图形化复合衬底中异质层的平坦度和粗糙度，提高图形化复合衬底的图形精确度。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种图形化复合衬底的制备方法，包括：
6.在衬底基板上形成第一异质层；
7.在所述第一异质层上形成第二异质层，所述第二异质层中掺杂有硼、磷或锗中的至少一种元素；
8.对所述第二异质层进行高温退火平坦化处理；
9.在所述第二异质层表面形成光刻胶层；
10.通过图形转移技术，使所述光刻胶层形成光刻胶胶柱掩膜；
11.根据所述光刻胶胶柱掩膜，对所述第二异质层、所述第一异质层和所述衬底基板进行图形化，形成图形化复合衬底。
12.可选地，所述第二异质层中硼、磷或锗元素的掺杂比例范围均为0wt％-5wt％。
13.可选地，所述第二异质层的厚度占所述第一异质层和所述第二异质层厚度之和的比例范围为10％-20％。
14.可选地，所述高温退火平坦化处理的温度条件范围为800-1200℃，时间范围为2-4h。
15.可选地，所述图形化复合衬底包括所述衬底基板和位于所述衬底基板上的多个异
质凸起微结构；
16.所述异质凸起微结构与所述第一异质层同种材质；或者，所述异质凸起微结构包括相互层叠的上层结构和下层结构，所述上层结构与所述第二异质层同种材质，所述下层结构与所述第一异质层同种材质。
17.可选地，所述图形化复合衬底包括所述衬底基板和位于所述衬底基板上的图形化异质层，所述图形化异质层的表面形成有多个微结构凹洞，所述微结构凹洞贯穿所述图形化异质层；
18.所述图形化异质层与所述第一异质层同种材质；或者，所述图形化异质层包括上层结构和下层结构，所述上层结构与所述第二异质层同种材质，所述下层结构与所述第一异质层同种材质。
19.可选地，所述第一异质层和所述第二异质层采用的异质材料包括氧化物、氮化物、碳化物中的至少一种。
20.可选地，所述第一异质层和所述第二异质层采用的异质材料包括氧化硅、氧化钛、氮化硅和碳化硅中的至少一种。
21.可选地，所述光刻胶层的厚度范围为0.3μm-5μm。
22.第二方面，本发明实施例还提供了一种图形化复合衬底，采用如第一方面任一项所述的制备方法制备而成。
23.第三方面，本发明实施例还提供了一种led外延片，包括如第二方面所述的图形化复合衬底。
24.本发明实施例提供的图形化复合衬底、制备方法及led外延片，通过在衬底基板上形成第一异质层，然后在第一异质层上形成第二异质层，其中第二异质层中掺杂有硼、磷或锗中的至少一种元素；对第二异质层进行高温退火平坦化处理，再在第二异质层表面形成光刻胶层，继而通过图形化转移技术，使光刻胶层形成光刻胶胶柱掩膜，最终根据该光刻胶胶柱掩膜，对第二异质层、第一异质层和衬底进行图形化，形成图形化复合衬底。本发明实施例解决了现有的异质层表面平坦度低和粗糙度差的问题，能够利用第二异质层制备形成尺寸误差较小的光刻胶层以及光刻胶胶柱掩膜，制备形成符合标准的图形化复合衬底，有利于图形化复合衬底改善外延层生长质量，同时保证图形化复合衬底对光线路径的改善，提高led芯片的光出射效率。该制备方法流程简单易得，通过一步镀膜工艺以及一步热处理工艺，即可保证图形化复合衬底中图形尺寸满足要求，降低由于工艺引起的图形误差。
附图说明
25.图1是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图；
26.图2是图1所示图形化复合衬底的制备方法的结构流程图；
27.图3是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图；
28.图4和图5是本发明实施例提供的又两种图形化复合衬底的结构示意图；
29.图6是本发明实施例提供的一种led外延片的结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描
述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
31.图1是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的制备方法的流程图，图2是图1所示图形化复合衬底的制备方法的结构流程图，参考图1和图2，该图形化复合衬底的制备方法包括：
32.s110、在衬底基板上形成第一异质层；
33.参考图2的a)图，其中，衬底基板10是经过平滑打磨，具有平整表面的基板，也即该衬底基板具有质量完好的c面，可以有助于外延晶体形成晶核并生长为外延层。该基板具体可以是蓝宝石衬底等，此处不做限制。第一异质层21为采用异质材料制成的膜层，该异质材料实质是相对于衬底基板10以及外延层材料例如氮化镓而言，即异于衬底基板10和外延材料的材料。由于外延材料在该异质材料上生长困难，即异质材料具备抑制外延材料生长的作用。
34.第一异质层21可选为一层异质层，即采用一种材料形成在该衬底基板10上的膜层，也可以是多种材料依次形成在衬底基板上的多个膜层。可以理解的是，为了在后续制备的图形化复合衬底中，实现折射率的依次渐变或突变时，可在该第一异质层21中设置多层不同折射率异质材料的膜层，此处不做限制。
35.s120、在第一异质层上形成第二异质层，第二异质层中掺杂有硼、磷或锗中的至少一种元素；
36.参考图2的b)图，第二异质层22则同样是采用异质材料制成。与第一异质层21不同的是，第二异质层22中掺杂有其他元素。其中，掺杂了硼、磷或锗元素的异质层材料在高温下具有可流动性，在第二异质层22中掺杂入适量的该三种元素中的至少一种元素，可以保证衬底基板10上形成的异质层(包括第一异质层21和第二异质层22)有更好的填孔能力，能够具有更平坦的表面。同时，掺杂有上述三种元素的第二异质层22相较于未掺杂的异质层，其薄膜应力更小，能够减少镀膜工艺引起的裂片问题，能够避免异质层表面的裂痕缺陷。
37.具体地，上述的第一异质层21和第二异质层22中采用的异质材料具体可包括氧化物、氮化物、碳化物中的至少一种，示例性地，可以是氧化硅、氧化钛、氮化硅和碳化硅。以第一异质层21和第二异质层22中的异质材料均为二氧化硅而言，在上述的s110和s120的步骤中，第一异质层21和第二异质层22则可采用化学气相沉积、磁控溅射等工艺制备。
38.s130、对第二异质层进行高温退火平坦化处理；
39.参考图2的c)图，该步骤实质是通过高温退火的工艺，对第二异质层22进行平坦化处理的过程。在高温退火过程中，掺杂有硼、磷或锗元素的第二异质层22流动性更强，填空能力更好，从而使得表面更为平整致密，粗糙度降低。
40.具体地，该步骤中进行高温退火平坦化处理的温度条件范围可选设置为800-1200℃，时间范围为2-4h。
41.s140、在第二异质层表面形成光刻胶层；
42.参考图2的d)图，由于第二异质层22通过平坦化处理，其平整的表面上形成的光刻胶层30也会更平整，厚度也会更加均匀。具体地，在制备光刻胶层30时，光刻胶可选为正性光刻胶或者负性光刻胶。光刻胶层30可采用旋涂或者喷涂的工艺制备，其厚度范围可设置在0.3μm-5μm。
43.s150、通过图形转移技术，使光刻胶层形成光刻胶胶柱掩膜；
44.参考图2的e)图，其中，光刻胶胶柱掩膜31是对第二异质层和第一异质层以及衬底基板进行图形化处理的图形掩膜，光刻胶胶柱掩膜31的图案对应最终在图形化复合衬底上的图案。制备该光刻胶胶柱掩膜31时，可通过光刻或者纳米压印等图形转移技术来实现。以光刻工艺为例，通过光刻掩膜在光刻胶层30上进行曝光，继而利用显影步骤可将光刻胶层30进行图形化，即将光刻掩膜的图形转移至该光刻胶层30上，形成光刻胶胶柱掩膜31。
45.s160、根据光刻胶胶柱掩膜，对第二异质层、第一异质层和衬底基板进行图形化，形成图形化复合衬底。
46.参考图2的f)图，该步骤是根据光刻胶胶柱掩膜进行图形转移的过程，具体地可采用干法或湿法刻蚀工艺，对第二异质层、第一异质层和衬底基板进行刻蚀完成图形化。示例性地，图2的f)图是本发明实施例提供的一种图形化复合衬底的结构示意图，该图形化复合衬底可包括衬底基板10和位于衬底基板10上的多个异质凸起微结构50；异质凸起微结构50与第一异质层21同种材质。换言之，最终形成的图形化复合衬底中，异质凸起微结构50主要由第一异质层21通过图形化形成，在该图形化的过程中，第二异质层22被去除。其中，异质凸起微结构50的形状可以是椎体结构、柱状结构或台状结构，具体可以是多边形椎体、圆锥体、椭圆椎体、多边形柱体、圆柱、椭圆柱、多边形台状结构、圆台、椭圆型台状结构等，此处不做限制。
47.可以理解的是，由于第二异质层22的设置，其上形成的光刻胶层30的表面更为平坦、厚度更为均匀，从而在步骤s150中制备形成的光刻胶胶柱掩膜的图形也更加准确，其中的胶柱尺寸更符合标准。继而，最终利用光刻胶胶柱掩膜形成的图形化复合衬底也更为标准，尺寸误差更小，最终形成的图形化复合衬底也更能优化外延材料的生长情况，改善光线出射路径，提高出光效率。
48.本发明实施例提供的图形化复合衬底的制备方法以及图形化复合衬底，通过在衬底基板上形成第一异质层，然后在第一异质层上形成第二异质层，其中第二异质层中掺杂有硼、磷或锗中的至少一种元素；对第二异质层进行高温退火平坦化处理，再在第二异质层表面形成光刻胶层，继而通过图形化转移技术，使光刻胶层形成光刻胶胶柱掩膜，最终根据该光刻胶胶柱掩膜，对第二异质层、第一异质层和衬底进行图形化，形成图形化复合衬底。本发明实施例解决了现有的异质层表面平坦度低和粗糙度差的问题，能够利用第二异质层制备形成尺寸误差较小的光刻胶层以及光刻胶胶柱掩膜，制备形成符合标准的图形化复合衬底，有利于图形化复合衬底改善外延层生长质量，同时保证图形化复合衬底对光线路径的改善，提高led芯片的光出射效率。该制备方法流程简单易得，通过一步镀膜工艺以及一步热处理工艺，即可保证图形化复合衬底中图形尺寸满足要求，降低由于工艺引起的图形误差。
49.需要说明的是，在上述图形化复合衬底制备方法中，掺杂有硼、磷或锗元素的第二异质层22，其中具体可以掺杂一种元素或者两种以上元素的组合。掺杂上述元素的目的，仅在于使衬底基板10上形成的异质层表面平坦化，降低膜层的应力，避免裂片。故而，在设置第二异质层22时，其优选设置为较薄的厚度，而第一异质层21的厚度较厚，在后续形成的图形化复合衬底中，第一异质层21主要用于形成图形化复合衬底中异质的结构，而第二异质层22则可在图形化的过程中去除。本发明实施例针对实际的工艺过程，提供了第一异质层
和第二异质层具体的厚度比例。可选地，第二异质层22的厚度可设置占第一异质层21和第二异质层厚度之和的比例范围为10％-20％。
50.此外，考虑到第二异质层22的折射率会因掺杂有硼、磷或锗元素而发生改变，一般地，第二异质层22的折射率会有所增大。为了避免第二异质层22与第一异质层21共同形成图形化复合衬底中的图形化结构时，由于折射率的差异影响光线的路径、降低出光效率，可将设置第二异质层22中掺杂的硼、磷或锗元素均控制在0wt％-5wt％的范围内。此时第二异质层22元素的掺杂含量较低，对折射率的影响较小，同时，该掺杂含量也能满足第二异质层22平坦化的要求，形成表面粗糙度较低的第二异质层22。
51.基于此，本发明实施例还提供了一种图形化复合衬底。图3是本发明实施例提供的另一种图形化复合衬底的结构示意图，参考图3，可选地，该图形化复合衬底中，异质凸起微结构50包括相互层叠的上层结构51和下层结构52，上层结构51与第二异质层同种材质，下层结构52与第一异质层同种材质。换言之，在s160、根据光刻胶胶柱掩膜，对第二异质层、第一异质层和衬底基板进行图形化，形成图形化复合衬底的步骤中，通过图形化形成的复合衬底中，第一异质层和第二异质层同时进行了图形化，其共同形成了异质凸起微结构。显然，该异质凸起微结构的上层结构中实质上掺杂了硼、磷或锗元素。
52.需要说明的是，上述图2的f)图和图3所示的图形化复合衬底中，示例性地示出了图形化复合衬底由衬底基板以及位于衬底基板上的异质凸起微结构组成，而本发明实施例所提供的制备方法还可应用于其他的图形化复合衬底产品中。图4和图5是本发明实施例提供的又两种图形化复合衬底的结构示意图，参考图4和图5，该图形化复合衬底具体包括衬底基板10和位于衬底基板10上的图形化异质层60，图形化异质层60的表面形成有多个微结构凹洞601，微结构凹洞601贯穿图形化异质层60。本领域技术人员可以理解的是，具有微结构凹洞601的图形化异质层60与异质凸起微结构50的作用一致，其均可以改善外延材料的生长质量，同时与外延层形成折射率差，改善光线路径，提高出光效率。
53.具体可选地，参考图4，该图形化异质层60可设置与第一异质层同种材质。或者，参考图5，可选地，图形化异质层60包括上层结构61和下层结构62，上层结构61与第二异质层同种材质，下层结构61与第一异质层同种材质。
54.同理可知，考虑到第二异质层由于掺杂有硼、磷或锗元素，故而折射率会发生改变。因此，在该步骤s160中，可保留第一异质层，使最终形成的图形化异质层60由第一异质层和第二异质层共同组成；或者，为避免第二异质层的折射率影响，也可适当调整图形化的工艺步骤，将第二异质层通过图形化工艺去除，而最终形成的图形化异质层60则仅由第一异质层通过图形化形成。
55.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种led外延片。图6是本发明实施例提供的一种led外延片的结构示意图，参考图6，该led外延片包括如上实施例提供的图形化复合衬底1，还包括形成于该图形化复合衬底1上的外延层2。
56.对于在不同材质的异质微结构上形成外延层，需要不同的led外延片生长技术，而对于本发明实施例提供的图形化复合基底，led外延片上的外延层2可以是gan、algan外延层等。该led外延片因采用上述实施例提供的图形化复合衬底1，因而具备图形化复合衬底1同样的有益效果。
57.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，
本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。