波浪紋型藍寶石襯底及其製備方法
2023-12-02 15:52:16
波浪紋型藍寶石襯底及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種波浪紋型藍寶石襯底，波浪紋型藍寶石襯底的平坦表面上等距離規則排列若干凸起的周期圖形，每個周期圖形由至少5個三角圓錐體構成，三角圓錐體的角度範圍為20-60°，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.1-2μm、2-3μm。根據本發明的波浪紋型藍寶石襯底首先會在平坦部分生長重結晶的GaN，隨著GaN向上生長超過波紋型PSS的頂部會在頂部橫向生長，在波紋型PSS頂部生長的GaN融合併在波浪紋齒冠形狀的頂部之間形成空氣空隙，這些嵌入環形空氣空隙增強了光的散射，可顯著提高光的提取效率，從而增加LED的亮度，與現有技術中的半球型PSS相比，光的提取效率提高9.8%，從而使得製備出的LED晶片單位流明的價格降低，因此非常具有應用前景。
【專利說明】波浪紋型藍寶石襯底及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於半導體材料製備領域，特別涉及一種波浪紋型藍寶石襯底及製備方法。
【背景技術】
[0002]PSS (Patterned Sapphire Substrate),也就是在藍寶石襯底上生長幹法刻蝕用掩膜，用標準的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用ICP刻蝕技術刻蝕藍寶石，並去掉掩膜，再在其上生長GaN材料，使GaN材料的縱向外延變為橫向外延。一方面可以有效減少GaN外延材料的位錯密度，從而減小有源區的非輻射複合，減小反向漏電流，提高LED的壽命；另一方面有源區發出的光，經GaN和藍寶石襯底界面多次散射，改變了全反射光的出射角，增加了倒裝LED的光從藍寶石襯底出射的機率，從而提高了光的提取效率。綜合這兩方面的原因，使PSS上生長的LED的出射光亮度比傳統的LED大大提高，同時反向漏電流減小，LED的壽命也得到了延長。PSS的種類有很多，包括不同圖形的襯底，比如圓錐形、圓臺形、三角錐形、三稜台形等藍寶石襯底，但是，這些藍寶石圖形襯底在實際測試結果中並未得到最優的光提取效率。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於在現有PSS圖形的基礎上，提供一種波浪紋型藍寶石襯底及製備方法，以獲得更優的光提取效率，從而進一步降低成本。
[0004]為了達到上述目的，本發明提供的一種波浪紋型藍寶石襯底，所述的波浪紋型藍寶石襯底的平坦表面上等距離規則排列若干凸起的周期圖形，每個周期圖形由至少5個三角圓錐體構成，所述的三角圓錐體的角度範圍為20-60°，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.l-2Mffl、2-3Mffl。根據本發明的波浪紋型藍寶石襯底首先會在平坦部分生長重結晶的GaN,隨著GaN向上生長超過波紋型PSS的頂部，也會在頂部橫向生長，在波紋型PSS頂部生長的GaN融合，並在波浪紋齒冠形狀的頂部之間形成空氣空隙，這些嵌入環形空氣空隙增強了光的散射，可顯著提高光的提取效率，從而增加LED的亮度。
[0005]作為進一步的改進，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.5-0.7Mm、2.5-2.8Mm。
[0006]作為進一步的改進，所述的三角圓錐體的角度範圍為28-32°。
[0007]作為進一步的改進，所述的三角圓錐體的最優化的角度為30°。
[0008]作為進一步的改進，所述的藍寶石襯底的尺寸為2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
[0009]根據本發明的另一方面，提供了一種用於如上所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，包括如下步驟:
步驟1:在藍寶石襯底上塗布光刻膠；
步驟2:用同心圓光刻板對光刻膠進行曝光、顯影、烘烤，在光刻膠上形成光刻圖形； 步驟3:使用電感藕合等離子刻蝕機進行幹法刻蝕，使得藍寶石襯底具有陣列分布的波浪紋型結構，所述波浪紋型結構的中心頂部為三角圓錐體；
步驟4:去掉殘餘的光刻膠，將藍寶石襯底清洗乾淨。
[0010]作為進一步的改進，所述的光刻膠是厚度為1.6-3.0Mm的圓柱形正型或者負型光刻膠。
[0011]作為進一步的改進，所述的光刻膠是厚度為2.0-2.2Mffl的圓柱形正型或者負型光刻膠。
[0012]作為進一步的改進，所述的同心圓光刻板，由至少3個等距離的同心圓環構成，內圓環直徑為0.6-0.8Mm,同心圓的間距為0.2-0.8Mm。
[0013]作為進一步的改進，所述的步驟2中，曝光時間為150-300ms，烘烤溫度為120-150°C，烘烤時間為 5-10min。
[0014]作為進一步的改進，所述的步驟3分兩步進行，第一步刻蝕的參數BCl3和Ar的流量比為100:10，刻蝕時間為360-1080S，下電極功率為40-120W ;第二步刻蝕的參數BCl3和Ar的流量比為10:100，刻蝕時間為0-360s，下電極功率為140-420W。
[0015]根據本發明的另一方面，所述的波浪紋型藍寶石襯底用於製作發光二極體晶片。
[0016]由於採用了以上技術方案，本發明與現有技術中的半球型PSS相比，光的提取效率提高9.8%，從而使得製備出的LED晶片單位流明的價格降低，因此非常具有應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為根據本發明的波浪紋型PSS的結構示意圖並具體描述了其提高光提取效率的工作原理；
圖2為根據本發明的波浪紋型PSS的SEM圖，顯示了其在顯微鏡下的微觀構造；
圖3為隨著波浪紋型結構的三角錐的角度增加光提取效率的趨勢圖。
【具體實施方式】
[0018]參見附圖1與附圖2所示，所提供的波浪紋型藍寶石襯底的平坦表面上等距離規則排列若干凸起的周期圖形，每個周期圖形由至少5個三角圓錐體構成，三角圓錐體的角度範圍為20-60°，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.l-2Mm、2-3Mm。根據本發明的波浪紋型藍寶石襯底首先會在平坦部分生長重結晶的GaN，隨著GaN向上生長超過波紋型PSS的頂部，也會在頂部橫向生長，在波紋型PSS頂部生長的GaN融合，並在波浪紋齒冠形狀的頂部之間形成空氣空隙，這些嵌入環形空氣空隙增強了光的散射，可顯著提高光的提取效率，從而增加LED的亮度。
[0019]作為進一步的改進，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.5-0.7Mm、2.5-2.8Mm ；藍寶石襯底的尺寸為2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
[0020]另外，此處提供一種用於如上波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，包括如下步驟: 步驟1:在藍寶石襯底上塗布光刻膠；
步驟2:用同心圓光刻板對光刻膠進行曝光、顯影、烘烤，在光刻膠上形成光刻圖形；步驟3:使用電感藕合等離子刻蝕機進行幹法刻蝕，使得藍寶石襯底具有陣列分布的波浪紋型結構，所述波浪紋型結構的中心頂部為三角圓錐體；
步驟4:去掉殘餘的光刻膠，將藍寶石襯底清洗乾淨。[0021]作為進一步的改進，光刻膠是厚度為1.6-3.0Mm的圓柱形正型或者負型光刻膠，更優地選用厚度為2.0-2.2Mm的光刻膠。
[0022]作為進一步的改進，同心圓光刻板，由至少3個等距離的同心圓環構成，內圓環直徑為0.6-0.8Mm,同心圓的間距為0.2-0.8Mm。
[0023]作為進一步的改進，步驟2中，曝光時間為150-300ms，烘烤溫度為120_150°C，烘烤時間為5-10min。
[0024]作為進一步的改進，步驟3分兩步進行，第一步刻蝕的參數BCl3和Ar的流量比為100:10，刻蝕時間為360-1080S，下電極功率為40-120W ;第二步刻蝕的參數BCljP Ar的流量比為10:100，刻蝕時間為0-360s，下電極功率為140-420W。
[0025]下面結合附圖對本發明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發明的優點和特徵能更易於被本領域技術人員理解，從而對本發明的保護範圍做出更為清楚明確的界定。
[0026]實施案例I
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為10，刻蝕時間為360s，下電極功率為50W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為100，刻蝕時間為120s，下電極功率為240W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為20。，光提取效率為42%。
[0027]實施案例2
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為20，刻蝕時間為370s，下電極功率為60W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為100，刻蝕時間為120s，下電極功率為240W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為25°，光提取效率為42.6%。
[0028]實施案例3
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為100，刻蝕時間為120s，下電極功率為240W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為30°，光提取效率為44%。
[0029]實施案例4
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為110，刻蝕時間為130s，下電極功率為250W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為35。，光提取效率為43.8%。
[0030]實施案例5
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為120，刻蝕時間為140s，下電極功率為260W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為40°，光提取效率為43.6%。
[0031]實施案例6
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為130，刻蝕時間為150s，下電極功率為270W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為45°，光提取效率為43.5%。
[0032]實施案例7
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為140，刻蝕時間為160s，下電極功率為280W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為50°，光提取效率為43.4%。
[0033]實施案例8
在藍寶石襯底上塗布厚度為2Mm的正性光刻膠；用內圓環外直徑為0.8Mm，中間圓環外直徑為1.4Mm,外圓環外直徑為2.0Mm的同心圓光刻板對光刻膠進行180ms的曝光，然後進行顯影，120°C烘烤5min，在光刻膠上形成光刻圖形。隨後，使用電感藕合等離子刻蝕機(ICP)進行幹法刻蝕，第一步刻蝕參數BC13和Ar的流量比為30，刻蝕時間為380s，下電極功率為70W，第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為150，刻蝕時間為170s，下電極功率為290W。最後使用去膠液去掉殘餘的光刻膠,然後使用濃硫酸和雙氧水將藍寶石襯底清洗乾淨。得到的波浪紋型藍寶石襯底，三角錐形的角度Θ為55°，光提取效率為43.1%。
[0034]從附圖3中可以看出，其總結了光提取效率和三角錐形角度的變化趨勢，當本結構的三角圓錐體的角度範圍為28-32°時，光提取效率開始顯著提高；尤其是當三角錐形的角度為30°時候，光提取效率達到最高值，其和半球形PSS相比，光提取效率提高了9.8%。
[0035]以上實施方式只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人了解本發明的內容並加以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍，凡根據本發明精神實質所做的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍內。
【權利要求】
1.一種波浪紋型藍寶石襯底，其特徵在於:所述的波浪紋型藍寶石襯底的平坦表面上等距離規則排列若干凸起的周期圖形，每個周期圖形由至少5個三角圓錐體構成，所述的三角圓錐體的角度範圍為20-60°，每個周期圖形的高度和底寬分別為0.l-2Mm、2-3Mm。
2.根據權利要求1所述的波浪紋型藍寶石襯底，其特徵在於:每個周期圖形的高度和底寬分別為 0.5-0.7Mm、2.5-2.8Mm0
3.根據權利要求1所述的波浪紋型藍寶石襯底，其特徵在於:所述的三角圓錐體的角度範圍為28-32°。
4.根據權利要求3所述的波浪紋型藍寶石襯底，其特徵在於:所述的三角圓錐體的角度為30°。
5.根據權利要求1所述的波浪紋型藍寶石襯底，其特徵在於:所述的藍寶石襯底的尺寸為2英寸或4英寸或6英寸或12英寸。
6.一種用於如上任一權利要求所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟1:在藍寶石襯底上塗布光刻膠； 步驟2:用同心圓光刻板對光刻膠進行曝光、顯影、烘烤，在光刻膠上形成光刻圖形； 步驟3:使用電感藕合等離子刻蝕機進行幹法刻蝕，使得藍寶石襯底具有陣列分布的波浪紋型結構，所述波浪紋型結構的中心頂部為三角圓錐體； 步驟4:去掉殘餘的光刻膠，將藍寶石襯底清洗乾淨。
7.根據權利要求6所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，其特徵在於:所述的光刻膠是厚度為1.6-3.0Mm的圓柱形正型或者負型光刻膠。
8.根據權利要求6所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，其特徵在於:所述的同心圓光刻板，由至少3個等距離的同心圓環構成，內圓環直徑為0.6-0.8Mm,同心圓的間距為0.2-0.8Mm0
9.根據權利要求6所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，其特徵在於:所述的步驟2中，曝光時間為150-300ms，烘烤溫度為120_150°C，烘烤時間為5_10min。
10.根據權利要求6所述的波浪紋型藍寶石襯底的製備方法，其特徵在於:所述的步驟3分兩步進行，第一步刻蝕的參數BCl3和Ar的流量比為100:10，刻蝕時間為360_1080s，下電極功率為40-120W ;第二步刻蝕的參數BC13和Ar的流量比為10: 100，刻蝕時間為0-360s，下電極功率為140-420W。
【文檔編號】H01L33/00GK103855266SQ201410099882
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】陳起偉, 施榮華, 孫智江, 羅建華, 張松紅 申請人:海迪科（南通）光電科技有限公司