磊晶用基板及其製作方法

2023-07-18 04:33:51

專利名稱：磊晶用基板及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基板及其製作方法，特別是涉及一種磊晶用基板及其製作方法。
背景技術：
一般用於磊晶(印itaxy)的磊晶用基板是將單晶棒經切片、拋光、化學清洗後得至IJ，而以這樣過程製得的磊晶用基板，其表面必然會有應力殘留或是缺陷存在，也因此，以這樣的磊晶用基板磊晶成長出磊晶層體時，會延續此等缺陷而使得磊晶出的磊晶層體的晶體質量較差，進而影響所製得的元件的工作效能。參閱圖1，為解決上述的問題，圖案化磊晶用基板1使其切割、拋光而得的頂面 11還包含有多個自該頂面11向下延伸的凹孔12是常用的作法，形成的凹孔12彼此相間隔且周期地排列，而使得磊晶成長元件的磊晶層體時，成核(nuclearation)成長(grain growth)並聚集(coalescence)發生的頂面11面積因凹孔12的存在而減少，進而減少缺陷延續發生的機會，以得到磊晶質量較佳的磊晶層體。但是上述的磊晶用基板1仍是自切片、拋光而成的頂面11上成核、成長並聚集，所以磊晶出的磊晶層體依舊會延續缺陷而無法進一步地提升磊晶層體的晶體質量，所以上述的磊晶用基板1仍需要加以改進。

發明內容
本發明的目的是在提供一種適於磊晶成長並減少因基板而形成缺陷的磊晶用基板。此外，本發明的另一目的是在提供一種製作適於磊晶成長並減少因基板而形成缺陷的磊晶用基板的製作方法。本發明的磊晶用基板包含一頂面，及多個自該頂面向下延伸的晶面。每η個晶面構成一角錐形的凹孔，η是不小於3的正整數，每一凹孔的其中一晶面與頂面的連接線至另一最相鄰凹孔的最相鄰晶面與頂面的連接線的間距不大於50nm，而使得用該磊晶用基板磊晶時自所述晶面成核後成長並聚集。優選地，前述磊晶用基板是六方晶體結構，且每三個晶面構成一個正三角錐形的凹孔，每一凹孔的深度是0. 3 μ m 3 μ m，且任一晶面與頂面的連接線的長度是1 μ m 5 μ m0優選地，前述磊晶用基板的頂面是(0001)面，所述晶面是112k 1面族群其中的一個，任一晶面與該頂面的巨觀夾角是119° 156°。優選地，前述磊晶用基板是六方晶體結構，每一凹孔是由三個晶面構成的，且每一晶面與該頂面具有兩實質等長且夾成120°的連接邊，每一凹孔的深度是0. 3 μ m 3 μ m， 且任一連接邊的長度是1 μ m 5 μ m。優選地，前述磊晶用基板的頂面是(0001)面，所述晶面是112k }面族群其中的
一個，任一晶面與頂面的巨觀夾角是119° 156°。
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再者，本發明磊晶用基板的製作方法包含以下四個步驟。(a)於一單晶結構的基板頂面上以蝕刻選擇比較該基板高的材料形成一層具有多個整齊排列的穿孔的遮覆層；(b)經該遮覆層自該基材頂面向下溼蝕刻，而在該基板對應於每一穿孔的位置處形成一個至少由三第一次蝕刻面構成的凹穴；(c)移除該遮覆層，使該基板頂面裸露；及(d)自該基板頂面與所述第一次蝕刻面進行溼蝕刻而沿該基板的結晶構造移除該基板的預定結構，使得該每一凹穴成為一由η個自該基材頂面斜向下延伸的晶面構成的角錐形凹孔，其中，η是不小於3的正整數，製得該磊晶用基板。優選地，前述磊晶用基板的製作方法的步驟(d)是進行溼蝕刻至所形成的每一凹孔的任一晶面與該頂面的連接處是直線，且兩最相鄰凹孔彼此最相鄰的晶面與該頂面連接處的間距不大於500nm為止。優選地，前述磊晶用基板的製作方法的基板是六方晶體結構且頂面是(0001)面， 同時，該步驟(a)形成的遮覆層的穿孔是正多邊形，開口是Iym 5μπι，且任兩相鄰的穿孔的間距是1 μ m 5 μ m。本發明的有益效果在於當使用本發明磊晶用基板進行磊晶時，是自所述晶面成核後成長並聚集，而可得到缺陷較少、晶體質量較佳的磊晶層體，進而提升以此磊晶用基板製作出的元件的工作效能。


圖1是一種以往「磊晶用基板」的立體剖視示意圖；圖2是本發明磊晶用基板的優選實施例的一立體剖視示意圖；圖3是一掃描電子顯微鏡(SEM)圖，說明本發明磊晶用基板的該優選實施例的形式；圖4是一流程圖，說明本發明磊晶用基板的優選實施例的製作方法；圖5是一立體剖視示意圖，輔助說明圖4的製作方法；圖6是一立體剖視示意圖，輔助說明圖4的製作方法；圖7是一立體放大圖，輔助說明圖4的製作方法中，經第一次溼蝕刻成的凹穴；圖8是一立體剖視示意圖，輔助說明圖4的製作方法；圖9是一立體放大圖，輔助說明圖4的製作方法中，第一次溼蝕刻所成的凹穴經第二次溼蝕刻後所成的凹孔；圖10是一 X光繞射圖，說明本發明磊晶用基板的該優選實施例其磊晶薄膜以X光繞射技術進行質量檢測的數據；圖11是一燭光分布圖，說明以現有的磊晶用基板所製作出固態發光元件的燭光分布；圖12是一燭光分布圖，說明以本發明磊晶用基板的該優選實施例所製作出固態發光元件的燭光分布。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明參閱圖2、3，本發明磊晶用基板9的一優選實施例，是六方晶體結構的藍寶石基板，包含一頂面91及多個自該頂面91向下延伸的晶面92，其中，每三晶面92構成一呈正三角錐形且開口為正六角形的孔洞93，每一晶面92與該頂面91具有兩實質等長且夾成 120°的連接邊922。詳細地說，所述晶面92自該頂面91向下延伸，該頂面91是(0001)面，且所述晶面92是■[ 1121c丨面族群其中的一個，其中，k為不小於2且不大於5的正整數，任一晶面92 與該頂面91的巨觀夾角是119° 156°，每三個晶面92構成該呈正三角錐形的凹孔93， 所述凹孔93成周期排列，每一晶面92與該頂面91具有兩實質等長且夾成120°的連接邊 922，且任一連接邊922的長度是1 μ m 5 μ m，並且，每一凹孔93的深度是0. 3 μ m 3 μ m， 每一凹孔93的其中一晶面92與頂面91的連接邊922，至另一最相鄰凹孔93的最相鄰晶面 92與頂面91的連接邊922的間距不大於500nm。如此，當用該磊晶用基板9磊晶時，該頂面91可供成核的面積實質為零，成核後成長並聚集均是自所述凹孔93的三晶面92進行， 進而減少缺陷延續發生的機會，得到磊晶質量較佳的磊晶層體，進而提升以該磊晶用基板9 製作出的元件的工作效能。參閱圖4，上述的磊晶用基板9是依序進行以下四個步驟後製作出來的。參閱圖4、5，首先進行步驟21，於單晶棒經切片、拋光、化學清洗後得到的單晶結構的基板31上，以蝕刻選擇比較該基板31高的材料形成一層具有多個整齊排列的穿孔71 的遮覆層7。詳細地說，此步驟21是在完成標準清洗流程(standard cleaning procedure) 後移除表面汙染層的基板31上，形成一層二氧化矽(Sit)》構成的薄層後，以黃光微影 (photolithography)製程形成具有多個規則地整齊交錯排列的穿孔71而成該遮覆層7，其中，所述穿孔71的截面形狀是正多邊形，優選地，所述穿孔71是直徑為1 μ m 5 μ m的圓柱形，任兩相鄰的穿孔71的間距是1 μ m 5 μ m。參閱圖4、圖6，並配合參閱圖7，在形成該遮覆層7之後接著進行步驟22，以該遮覆層7當作屏蔽(mask)自該基板31向下溼蝕刻而在該基板31對應於每一穿孔71的位置處形成一個由一連接面941與三第一次蝕刻面942構成的凹穴94。詳細地說，本步驟22是將混合100毫升的98vol %的硫酸與50毫升的85vol %的磷酸的蝕刻劑，保持260°C經該遮覆層7蝕刻該基板31，蝕刻時間是10 20分鐘；此蝕刻開始時是自每一裸露出穿孔71的頂面區域向下形成不規則延伸的連接面941，繼續，自連接面941朝遠離穿孔71中心軸方向蝕刻擴大連接面941的範圍，同時朝向底面方向蝕刻形成自連接面941斜向下沿晶體結構的晶面方向延伸的區域而成三平行於晶體結構的晶面方向的第一次蝕刻面942，而形成如圖7所繪示概似三角錐形且深度為0. 3 μ m 3 μ m的凹穴94。參閱圖4、圖8，於該磊晶用基板9頂面91形成所述凹穴94後實施步驟23，以氫氟酸(HF)移除該遮覆層7而使該基板31頂面32裸露。參閱圖4、圖9，最後實施步驟24，自該基板31的頂面32與所述第一次蝕刻面942 進行溼蝕刻而沿該基板31的結晶構造移除該基板31預定結構，使得該每一凹穴94成為由三個自該磊晶用基板9的頂面91斜向下延伸的晶面92構成的正三角錐形的凹孔93，製得該磊晶用基板9。詳細地說，是將混合100毫升的98vol %的硫酸與50毫升的85vol %的磷酸而製作出的蝕刻劑，並保持蝕刻劑溫度在260°C，蝕刻劑自該磊晶用基板9的頂面91、每一凹穴 94的連接面941與三第一次蝕刻面942朝向底面方向再次溼蝕刻10 20分鐘，蝕刻劑沿連接面941與三第一次蝕刻面942的晶體結構斷面處蝕刻，而使連接面941被蝕刻成沿晶體結構的晶面方向延伸，之後平行晶體結構的晶面方向蝕刻使連接面941與三第一次蝕刻面942成連續平面，進而成三完全平行該三第一次蝕刻面942方向延伸的晶面92，且該三晶面92構成型態精確的正三角錐形且開口為正三角形的凹孔93，如圖9所示，之後，再繼續蝕刻以控制該孔洞93的開口擴大成為正六角形，即製得如圖2所示的磊晶用基板9。參閱圖10，以相同的磊晶條件，於圖2所示的現有的磊晶用基板1和本發明磊晶用基板9磊晶成長氮化鎵磊晶層體後，以X光繞射檢視(XRD)可知，以本發明磊晶用基板9所磊晶出的磊晶層體不對稱面半高寬為274arcsec，遠小於用現有的磊晶用基板1所磊晶出的磊晶層體不對稱面半高寬為436arcsec，證明用本發明磊晶用基板9磊晶成長的氮化鎵磊晶層體的缺陷較少、晶體質量較佳。參閱圖11、12，由Trace-Pro模擬於上述用現有的磊晶用基板1和本發明磊晶用基板9磊晶成長氮化鎵磊晶層體製得的固態發光元件的燭光分布結果可知，以本發明磊晶用基板9製得的固態發光元件的最大燭光是每立體角4. 75毫瓦(即4. 75mff/sr)，明顯大於以現有的磊晶用基板1製得的固態發光元件的最大燭光每立體角3. 75毫瓦，表示以本發明磊晶用基板9所製作出的固態發光元件的工作效能確實優於以現有的磊晶用基板1所製作出的固態發光元件。另外要說明的是，本發明並非只能應用於磊晶製作固態發光元件，實際上，只要是製作應用磊晶製程且必須獲得高質量的磊晶層體的元件結構，例如製作太陽能電池、高速電晶體(HEMTs)等都可以應用本發明，對於熟悉此領域人士而言，可輕易地組合實施，所以不在此一一舉例詳述；此外，上述本發明雖以六方晶體結構的藍寶石基板作為實現說明，但是對於其他晶體結構的磊晶用基板，類似地可藉由計算、控制遮覆層7的多個穿孔71的排列位置與形式，以及進行第一、二次溼蝕刻的過程，而可以使得以切片、拋光而成的基板的頂面面積實質減少至無法成核成長並聚集，進而減少缺陷延續發生的機會，進而獲得最佳磊晶質量的磊晶層體，由於晶體結構種類眾多，且對於熟悉本技術領域人士而言，可自本發明而輕易轉用實現，所以不在此一一舉例詳述。綜上所述，本發明磊晶用基板9與現有的磊晶用基板1相比，該頂面91實質可供成核的面積為零，當以本發明磊晶用基板9進行磊晶時，是在所述晶面92上成核成長，所以磊晶出的磊晶層體不會延續該頂面91的缺陷而使磊晶層體的缺陷較少、晶體質量提升，並且經由燭光分布圖驗證，以本發明磊晶用基板9所製作出的固態發光元件的工作效能確實較佳；另外，藉由兩段式溼蝕刻製程，先以該遮覆層7的多個穿孔71精確地控制第一次溼蝕刻出的凹穴94形成位置，並控制進行第二次溼蝕刻的時間將凹穴94精確蝕刻成由晶面92 構成的凹孔93，進而成型出本發明磊晶用基板9。
權利要求
1.一種磊晶用基板，包含一個頂面；其特徵在於所述磊晶用基板還包含多個自所述頂面向下延伸的晶面，其中，每η個晶面構成一角錐形的凹孔，η是不小於3的正整數，每一凹孔的其中一晶面與頂面的連接線至另一最相鄰凹孔的最相鄰晶面與頂面的連接線的間距不大於500nm，而使得用所述磊晶用基板磊晶時自所述晶面成核後成長並聚集。
2.根據權利要求1所述的磊晶用基板，其特徵在於所述磊晶用基板是六方晶體結構， 且每三個晶面構成一個正三角錐形的凹孔，每一凹孔的深度是0. 3 μ m 3 μ m，且任一晶面與頂面的連接線的長度是1 μ m 5 μ m。
3.根據權利要求2所述的磊晶用基板，其特徵在於所述頂面是(0001)面，所述晶面是面族群其中的一個，任一晶面與所述頂面的巨觀夾角是119° 156°。
4.根據權利要求1所述的磊晶用基板，其特徵在於所述磊晶用基板是六方晶體結構， 每一凹孔是由三個晶面構成的，且每一晶面與所述頂面具有兩實質等長且夾成120°的連接邊，每一凹孔的深度是0. 3 μ m 3 μ m，且任一連接邊的長度是1 μ m 5 μ m。
5.根據權利要求4所述的磊晶用基板，其特徵在於所述頂面是(0001)面，所述晶面是{Ι ^ }面族群其中的一個，任一晶面與頂面的巨觀夾角是119° 156°。
6.一種磊晶用基板的製作方法，其特徵在於所述磊晶用基板的製作方法包含(a)於一單晶結構的基板頂面上以蝕刻選擇比較所述基板高的材料形成一層具有多個整齊排列的穿孔的遮覆層；(b)經所述遮覆層自所述基材頂面向下溼蝕刻，而在所述基板對應於每一穿孔的位置處形成一個至少由三第一次蝕刻面構成的凹穴；(c)移除所述遮覆層，使所述基板頂面裸露；及(d)自所述基板頂面與所述第一次蝕刻面進行溼蝕刻而沿所述基板的結晶構造移除所述基板的預定結構，使得所述每一凹穴成為一由η個自所述基材頂面斜向下延伸的晶面構成的角錐形凹孔，其中，η是不小於3的正整數，製得所述磊晶用基板。
7.根據權利要求6所述的磊晶用基板的製作方法，其特徵在於所述步驟(d)是進行溼蝕刻至所形成的每一凹孔的任一晶面與所述頂面的連接處是直線，且兩最相鄰凹孔彼此最相鄰的晶面與所述頂面連接處的間距不大於500nm為止。
8.根據權利要求7所述的磊晶用基板的製作方法，其特徵在於所述基板是六方晶體結構且頂面是(0001)面，同時，所述步驟(a)形成的遮覆層的穿孔是正多邊形，開口是 1 μ m 5 μ m，且任兩相鄰的穿孔的間距是1 μ m 5 μ m。
全文摘要
一種磊晶用基板，包含一個頂面，及多個自該頂面向下延伸的晶面，其中，每n個晶面構成一角錐形的凹孔，n是不小於3的正整數，每一凹孔的其中一晶面與頂面的連接線至另一最相鄰凹孔的最相鄰晶面與頂面的連接線的間距不大於500nm，當使用本發明進行磊晶時，是自所述晶面成核後成長並聚集，而非於有應力殘留或缺陷存在的頂面開始成核、成長，而可得到缺陷較少、晶體質量較佳的磊晶層體，進而提升以此磊晶用基板製作出的元件的工作效能。
文檔編號H01L33/00GK102479901SQ20111037882
公開日2012年5月30日 申請日期2011年11月21日 優先權日2010年11月22日
發明者林威廷, 武東星, 洪瑞華 申請人:李德財