[发明专利]一种图形化的蓝宝石衬底的制造方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造领域，尤其涉及一种图形化的蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)的制造方法。

背景技术

蓝宝石由于其自身的优势，如化学稳定性好、机械强度高、易于清洗和处理、生产技术相对成熟等，已成为氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)的主流衬底。然而，使用蓝宝石作为GaN基LED的衬底也存在很多的缺陷，例如晶格失配和热应力失配不但会在外延材料中产生大量缺陷，而且还会给后续器件的加工增加额外的困难；再例如蓝宝石是一种绝缘体，其导电性能和导热性能均不好，所以，基本上只能制作横向结构的LED，不可避免地会产生电流拥挤效应，影响器件的发光效率及寿命，也不适于大电流的注入、制作出功率型芯片。

为了缓解甚至解决晶格失配和热应力失配带来的问题，为了迎接近年来LED对发光亮度的挑战，异质外延GaN材料生长领域形成了一系列较为成熟的技术方案，其中采用PSS技术不但可以缓解蓝宝石衬底于GaN外延生长过程中造成的应力，降低GaN外延中的缺陷密度，提高外延材料的晶体质量，而且此技术在蓝宝石衬底表面形成的粗糙的图形化结构对光波具有散射或漫反射作用，能够增加光子的逃逸几率，进而提高LED的发光效率。

制作PSS的方法主要有干法刻蚀、湿法腐蚀及两者相结合而产生的第三种方法。其中干法刻蚀具有刻蚀速率可控、图形转化精度高、各向异性、均匀性好、稳定性好、重复性高等优点，但干法刻蚀也具有一些缺点，如刻蚀速率低、容易造成损伤等；湿法腐蚀具有通量大、腐蚀速率快、生产效率高、生产成本低等优点，但其也存在腐蚀速率不易控制、图形控制精度低等缺点；可以说是干法刻蚀与湿法腐蚀各有优缺点、优势互补，所以又产生了湿法腐蚀与干法刻蚀相结合的混合技术制备图形化蓝宝石衬底的方法。

中国专利文献CN1294649C公开了《一种湿法腐蚀蓝宝石图形衬底的方法》，该方法通过蓝宝石衬底表面上的二氧化硅为掩膜层，利用硫酸或硫酸与磷酸的混合液高温腐蚀蓝宝石衬底，最后用氢氟酸溶液去除二氧化硅掩膜层，获得可用于氮化物外延生长的具有周期性的台状与槽状条纹图形的图形化蓝宝石衬底。由于该方法以二氧化硅为掩膜层，在高温腐蚀蓝宝石衬底时，二氧化硅掩膜层难以反应(而在低温下虽然可以与二氧化硅发生反应，但蓝宝石衬底却难以反应)，去除二氧化硅掩膜层后，在蓝宝石图形的顶端存在掩膜图形截面大小的平面。

中国专利文献CN102064088A公开了《一种干法与湿法混合制备蓝宝石图形化衬底的方法》，该方法在蓝宝石衬底表面上采用干法刻蚀制作二氧化硅或氮化硅掩膜图形，通过所述具有掩膜图形的二氧化硅或氮化硅为掩膜层，利用硫酸和磷酸的混合溶液高温湿法腐蚀蓝宝石衬底，最后用常规工艺去除掩膜层，获得可用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底。该方法只是在蓝宝石衬底上用干法刻蚀技术制作掩膜图形，解决掩膜图形不规则的问题，却不是真正意义上的干法刻蚀和湿法腐蚀混合技术制备图形化蓝宝石衬底的方法，且在去除掩膜层后，在蓝宝石图形的顶端也存在掩膜图形截面大小的平面。

中国专利文献CN102184842A公开了《一种湿法腐蚀与干法刻蚀相结合图形化蓝宝石的方法》，该方法提出了真正意义上的干法刻蚀和湿法腐蚀混合技术制备图形化蓝宝石衬底的方法，采用该专利提供的方法既保证了刻蚀速率，又能降低刻蚀成本，同时还能获得较好的图形精度，达到良好的刻蚀效果。但是，由于该方法也是以二氧化硅为掩膜层，去除二氧化硅掩膜层后，在蓝宝石图形的顶端同样存在掩膜图形截面大小的平面。

上述三篇专利文献存在一个共同的缺点就是在蓝宝石图形的顶端都存在掩膜图形截面大小的平面，这不利于LED芯片发光效率的提高。

中国专利文献CN102005518B公开了《锥状图形衬底的两次腐蚀制备方法》，该方法通过有二氧化硅或氮化硅掩膜和无掩膜的两步腐蚀制作无台面结构的锥尖蓝宝石图形衬底，该方法虽然可行，但仍有许多缺陷。首先，受目前光刻精度的限制及刻蚀工艺的影响，掩膜图形的大小不可能完全一致，其对台面图形尺寸略有影响，所以初始台面图形的尺寸不可能做到完全一致；其次，二次腐蚀的时间受初始台面图形结构、尺寸、大小、溶液浓度、温度等多方面的影响，难于稳定，不好把握；最后，导致一些制品范围内有些区域正好被削尖、有些区域未被完全削尖、有些区域被过度削尖等，即制品存在一致性差、重复性差等弊端。