一种图形化衬底结构及其制备方法技术

本发明专利技术属于半导体光电技术领域，提供了一种图形化衬底结构及其制备方法,图形化衬底结构包括蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干椎体结构呈周期排列设置，且椎体结构的底部为圆形，椎体结构的侧壁与底边的夹角为45

【技术实现步骤摘要】
一种图形化衬底结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体光电
，尤其涉及一种图形化衬底结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]在LED外延工艺中，由于蓝宝石衬底材料与外延材料从晶格常数、热胀系数到折射率都相差很大，这些物理性质的差异导致衬底上生长的外延材料质量不高，致使LED内量子效率（IQE）受到限制，从而影响外量子效率（EQE）以及光效的提高。为了提高LED的光效，图形化蓝宝石衬底（PatternedSapphire Substrate, PSS）技术被引入。
[0003]图形化蓝宝石衬底是一种以图案作为诱发外延薄膜侧向生长的平台，从而改善外延晶体的质量，同时用图案充当光纤反射层以提升光提取效率的技术。图形化蓝宝石衬底能够提高LED效率的原因在于，一方面其能够有效的减少位错密度，减少外延生长缺陷，提升外延片品质，减小有源区的非辐射复合，提高内量子效率；另一方面其增加了光子在GaN与蓝宝石界面处的反射次数，使光子逸出LED有源区的几率增加，从而提高了光的提取效率，使得PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。
[0004]随着LED领域工艺技术的发展，以及整个LED行业的迅速壮大，对PSS衬底的研究也逐渐增多。湿法制备图形化蓝宝石衬底，成本低、效率高、对衬底的损伤小，但湿法的横向刻蚀易造成底切现象，使得图形无法精确转移至衬底，最终导致图案线宽失真，且湿法制备得到的PSS衬底的图形结构占空比低，导致出光效率低。因而目前，主流PSS的图形化方法是，通过感应耦合等离子体刻蚀技术，将衬底上掩膜层的图形转移到衬底的表面；等离子体刻蚀虽然速率快、产能高，但是图形侧壁结构不易控制，同时，等离子体能量较大，衬底表面受到等离子体的物理轰击会带来表面晶体结构的损伤，不利于下游外延生长。

技术实现思路

[0005]为了克服上述所指出的现有技术的缺陷，本专利技术人对此进行了深入研究，在付出了大量创造性劳动后，从而完成了本专利技术。
[0006]具体而言，本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种图形化衬底结构及其制备方法，以解决目前的PSS衬底及其制备工艺，图形侧壁结构不易控制，且衬底表面受到等离子体的物理轰击会带来表面晶体结构的损伤，不利于下游外延生长的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：一种图形化衬底结构，包括蓝宝石衬底，所述蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干所述椎体结构呈周期排列设置，且所述椎体结构的底部为圆形，所述椎体结构的侧壁与底边的夹角为45
‑
65
°
，所述椎体结构的侧壁还具有若干棱面，所述棱面沿所述椎体结构侧壁的周向排列设置。
[0008]作为一种改进的技术方案，所述蓝宝石衬底的表面通过蚀刻、腐蚀工艺形成有横纵相连的沟槽，所述沟槽将所述蓝宝石衬底的表面分割为呈周期排列设置的若干所述椎体
结构，且所述椎体结构的排列周期为1000
‑
3200nm。
[0009]本专利技术同时公开了一种图形化衬底结构的制备方法，以预防衬底损伤，包括如下步骤：S1、提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底的表面设置一层耐酸腐蚀的薄膜，形成第一掩膜层；S2、对所述第一掩膜层的表面进行增粘处理，提升所述第一掩膜层表面的粘附性；S3、在所述第一掩膜层的表面设置一层正性光刻胶，形成第二掩膜层；S4、采用光刻技术，对所述第二掩膜层进行曝光；S5、对曝光后的所述第二掩膜层进行显影，获得第一胚体；S6、采用等离子体刻蚀技术，对所述第一胚体进行刻蚀加工，获得第二胚体；S7、采用缓冲氧化物刻蚀液，将所述第二胚体表面剩余的所述第一掩膜层去除，获得第三胚体；S8、采用高温酸腐蚀技术对所述第三胚体进行高温腐蚀，腐蚀液为硫酸与磷酸的混合液，混合液的混合质量比为硫酸：磷酸=3:1，腐蚀温度为240
‑
260℃，腐蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的椎体结构，得到所述图形化衬底结构。
[0010]作为一种改进的技术方案，步骤S1中，对所述蓝宝石衬底进行清洗，清洗至表面洁净后，在所述蓝宝石衬底的表面沉积一层SiO2薄膜，形成所述第一掩膜层，且所述第一掩膜层的厚度为100
‑
200nm。
[0011]作为一种改进的技术方案，步骤S2中，采用六甲基二硅氮烷对所述第一掩膜层进行增粘处理，处理时间为90
‑
120s。
[0012]作为一种改进的技术方案，步骤S3中，采用旋涂法在增粘处理后的所述第一掩膜层的表面涂覆一层正性光刻胶，并在惰性气体环境下预烘，形成所述第二掩膜层，且所述第二掩膜层的厚度为500
‑
2500nm。
[0013]作为一种改进的技术方案，步骤S4中，采用步进式光刻机，光线波长为436nm，利用图形化光刻版对所述第二掩膜层进行曝光。
[0014]作为一种改进的技术方案，步骤S5中，采用显影液对曝光后的所述第二掩膜层进行显影，制得所述第一胚体，且所述第一胚体的图形为圆柱状结构。
[0015]作为一种改进的技术方案，步骤S6中，采用感应耦合等离子体刻蚀技术对所述第一胚体进行刻蚀，刻蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的圆台状结构，所述圆台状结构的侧壁与底边的夹角为50
‑
80
°
，周期为1000
‑
3200nm，制得所述第二胚体。
[0016]作为一种改进的技术方案，步骤S7中，将所述第二胚体放入缓冲氧化物刻蚀液中，刻蚀液为氢氟酸水溶液与氟化铵水溶液的混合液，对所述第二胚体表面剩余的所述第一掩膜层进行剥离去除，制得所述第三胚体。
[0017]作为一种改进的技术方案，步骤S8中，将所述第三胚体放入质量比为硫酸：磷酸=3:1的混合腐蚀液中，在240
‑
260℃的腐蚀温度下，对所述第三胚体进行腐蚀，将所述蓝宝石衬底上的圆台状结构腐蚀为椎体结构，制得所述图形化衬底结构。
[0018]采用了上述技术方案后，本专利技术的有益效果是：该图形化衬底结构的制备方法，能够实现图形化衬底结构的制备，预防衬底损伤，相较传统的图形化衬底结构的制备工艺，成本低，且得到的图形化衬底结构形貌可控、精准
度高、均匀性好，能够大大提高图形化衬底结构的制备质量。
[0019]制得的该图形化衬底结构，结构表面的损伤较小，衬底质量好，利于下游外延生长，进而能够进一步改善GaN外延薄膜的晶体质量；此外，该图形化衬底结构，由于图形结构的底部为圆形，使得图形结构的占空比高，出光效率高，进而能够提高LED的光提取效率，使得PSS上生长的LED的出射光亮度进一步得到提高。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种图形化衬底结构，包括蓝宝石衬底，其特征在于：所述蓝宝石衬底的表面具有若干一体成型的椎体结构，若干所述椎体结构呈周期排列设置，且所述椎体结构的底部为圆形，所述椎体结构的侧壁与底边的夹角为45
‑
65
°
，所述椎体结构的侧壁还具有若干棱面，所述棱面沿所述椎体结构侧壁的周向排列设置。2.如权利要求1所述的图形化衬底结构，其特征在于：所述蓝宝石衬底的表面通过蚀刻、腐蚀工艺形成有横纵相连的沟槽，所述沟槽将所述蓝宝石衬底的表面分割为呈周期排列设置的若干所述椎体结构，且所述椎体结构的排列周期为1000
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3200nm。3.一种图形化衬底结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、提供一蓝宝石衬底，在所述蓝宝石衬底的表面设置一层耐酸腐蚀的薄膜，形成第一掩膜层；S2、对所述第一掩膜层的表面进行增粘处理，提升所述第一掩膜层表面的粘附性；S3、在所述第一掩膜层的表面设置一层正性光刻胶，形成第二掩膜层；S4、采用光刻技术，对所述第二掩膜层进行曝光；S5、对曝光后的所述第二掩膜层进行显影，获得第一胚体；S6、采用等离子体刻蚀技术，对所述第一胚体进行刻蚀加工，获得第二胚体；S7、采用缓冲氧化物刻蚀液，将所述第二胚体表面剩余的所述第一掩膜层去除，获得第三胚体；S8、采用高温酸腐蚀技术对所述第三胚体进行高温腐蚀，腐蚀液为硫酸与磷酸的混合液，混合液的混合质量比为硫酸：磷酸=3:1，腐蚀温度为240
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260℃，腐蚀至在所述蓝宝石衬底上形成周期排列的椎体结构，得到所述图形化衬底结构。4.如权利要求3所述的图形化衬底结构的制备方法，其特征在于：步骤S1中，对所述蓝宝石衬底进行清洗，清洗至表面洁净后，在所述蓝宝石衬底的表面沉积一层SiO2薄膜，形成所述第一掩膜层，且所述第一掩膜层的厚度为100

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，席光义，席庆男，许南发，于瑞冬，
申请(专利权)人：元旭半导体科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：