[发明专利]一种图形化蓝宝石衬底的制备方法

说明书

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤一，对蓝宝石衬底进行清洗；步骤二，在蓝宝石衬底表面形成一层光刻胶掩膜图形；步骤三，将带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP干法刻蚀设备内进行刻蚀操作，往ICP干法刻蚀设备分别通入由BCl₃气体和CHF₃气体形成混合气体，该混合气体中CHF₃气体的输入流量与BCl₃气体的输入流量的比例值小于40%大于0，刻蚀操作由主刻蚀阶段和过刻蚀阶段构成，主刻蚀时间大于过刻蚀时间，制备得到图形化蓝宝石衬底。本发明有效的解决了ICP设备产能低的问题，降低了图形化蓝宝石衬底的制备成本，提升了图形化蓝宝石衬底的制程良率。

技术领域

本发明属于半导体制备技术领域，具体地说是一种图形化蓝宝石衬底的制备方法。

背景技术

III-V族氮化镓（GaN）基LED器件在半导体照明、户外大屏幕显示、背光源、汽车头灯等应用领域得到广泛使用。然而，备受LED业界关注的焦点一直是器件发光效率和成本。在LED产业链环节中，上游衬底材料直接影响着中下游外延、芯片、封装技术的发展方向。由技术成熟度和综合性价比决定，图形化蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrates，简称PSS）已经成为GaN基LED外延生长用的主流衬底材料。

PSS衬底主要是采用光刻工艺结合等离子体（ICP）干法刻蚀技术在蓝宝石衬底上制备实现。PSS制备工艺流程主要包括如下步骤：首先，对蓝宝石平片衬底进行清洗、匀胶、Nikon Stepper步进式曝光和显影工艺，在平面蓝宝石衬底表面形成圆柱状掩膜图形阵列；然后，采用ICP设备干法刻蚀蓝宝石，并去除掩膜，在蓝宝石表面形成微结构图形阵列，从而实现PSS制备。PSS批量生产中存在二个严峻的技术挑战。第一个技术挑战是，PSS制程的黄光工艺采用二手Nikon Stepper旧设备，该设备的稳定性受光刻胶掩膜厚度的影响大，掩膜越厚，设备作业稳定性越差。第二个技术挑战是，由于蓝宝石材料硬度极高，其硬度仅次于金刚石硬度，蓝宝石在ICP干法刻蚀过程中存在刻蚀速率慢、蓝宝石对掩膜的刻蚀选择比低的问题。传统的蓝宝石刻蚀技术一般采用纯三氯化硼（BCl₃）作为刻蚀气体，如图2所示，ICP下电极功率的工作范围是100 W—800 W，相应的刻蚀速率范围为25 nm/min—90 nm/min，而刻蚀选择比从0.85下降至0.3，蓝宝石材料的刻蚀速率与刻蚀选择比是相互制约的矛盾体。提高刻蚀速率，将会降低刻蚀选择比，导致PSS规格不符产品要求，而降低刻蚀速率，则影响ICP设备产能，增加PSS生产成本。

目前，传统PSS制备技术大概是从二个方向去进行PSS工艺优化与生产制程稳定。一方面是从黄光工艺入手，通过提高光刻胶掩膜厚度来提高PSS微结构图形尺寸，以达到PSS产品的规格要求，但光刻胶掩膜厚度增加势必会使Stepper设备稳定性变差，曝光工艺窗口变窄，造成生产良率下降，导致制造成本增加；另一方面，从ICP刻蚀工艺入手，通过降低ICP的下电极功率来增加蓝宝石对掩膜的刻蚀选择比，但下电极功率降低同时降低了蓝宝石的刻蚀速率，导致ICP设备产能进一步下降。另外，增加PSS图形高度是产业界公认的提升LED出光效率最有效的途径。但是，提升PSS图形高度，势必会进一步降低PSS的生产制程良率、增加生产成本，不利于LED产业综合成本的降低。如何解决PSS制备过程中刻蚀速率与刻蚀选择比相互制约的技术瓶颈，一直是产业界公认的国际性技术难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，解决了ICP设备产能低的问题，降低了图形化蓝宝石衬底的制备成本，提升了图形化蓝宝石衬底的制程良率。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，对蓝宝石衬底进行清洗；

步骤二，在蓝宝石衬底表面形成一层光刻胶掩膜图形；