專利名稱：一種圖形化襯底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及制備一種用于生長(zhǎng)GaN外延片的圖形化襯底的方法。
背景技術(shù)：
以GaN以及InGaN，AlGaN為主的III / V氮化物是近年來備受關(guān)注的半導(dǎo)體材料， 其1. 9 6. 2eV連續(xù)可變的直接帶隙，優(yōu)異的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，高飽和電子遷移率等等特性，使其成為激光器，發(fā)光二極管等等光電子器件的最優(yōu)選材料。由于GaN單晶制備困難，又很難找到與GaN晶格匹配的材料，通常氮化物光電子器件都是制備在藍(lán)寶石襯底上。而藍(lán)寶石與GaN材料晶格常數(shù)相差約15 %，熱膨脹系數(shù)和化學(xué)性質(zhì)也相差較大。大的失配使在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的氮化物外延層缺陷密度較大， 這些缺陷會(huì)向后向相鄰窗口漫延，從而使InGaN有源區(qū)的缺陷密度增大，據(jù)報(bào)道在IO9 cnT 2 IO12 cnT2數(shù)量級(jí)。線缺陷的存在為Mg的擴(kuò)散提供路徑，同時(shí)增大了電子從多量子阱泄漏的幾率，從而影響器件的壽命和發(fā)光效率。當(dāng)發(fā)光波長(zhǎng)為410nm時(shí)，GaN材料和藍(lán)寶石之間光的全反射角arctan 0154/ 1179)為44. 8°，這使得有源區(qū)產(chǎn)生近90 %的光被限制在器件內(nèi)，經(jīng)多次反射而被吸收，這樣即增加了 LED的發(fā)熱量，也使其發(fā)光亮度減弱。因此，如何在基于藍(lán)寶石襯底的基礎(chǔ)上提高器件生長(zhǎng)質(zhì)量成為了制約LED器件發(fā)展的關(guān)鍵問題。為了減少缺陷密度，增大光提取效率，提高發(fā)光二極管的亮度及可靠性，延長(zhǎng)其壽命，研究人員采用了各種辦法。其中，側(cè)向外延技術(shù)是較為成功的一種，它被認(rèn)為是降低位錯(cuò)密度，提高生長(zhǎng)GaN晶體質(zhì)量的有效手段。圖1是側(cè)向外延所需形成的材料結(jié)構(gòu)，如圖1所示，側(cè)向外延需使用制備成如下結(jié)構(gòu)的襯底。藍(lán)寶石襯底，在藍(lán)寶石襯底上的2 10微米的GaN層，以及長(zhǎng)在GaN層上的 100 500nm厚，5 10微米寬的SW2薄膜條。在這樣的GaN\Si&間或的表面上再使用 MOCVD生長(zhǎng)厚膜GaN材料。使用側(cè)向外延技術(shù)，SiO2條之下的GaN層中的位錯(cuò)會(huì)被SW2條遮擋，從而不會(huì)達(dá)到樣品表面，只有SW2條之間的位錯(cuò)有機(jī)會(huì)透過SiA條穿透到樣品表面，如圖2所示，圖2 是側(cè)向外延位錯(cuò)減少的生長(zhǎng)示意圖與生長(zhǎng)厚SEM圖片。因此，其應(yīng)用減少了外延生長(zhǎng)GaN 材料的位錯(cuò)密度，有效提高了 GaN材料的晶體質(zhì)量和器件性能。但是側(cè)向外延技術(shù)主要是針對(duì)生長(zhǎng)厚膜GaN (超過20微米厚)時(shí)所使用的技術(shù)，在藍(lán)綠光LED外延應(yīng)用中，由于其需要2 10微米的GaN層，而LED外延片中GaN —共厚度只有3 5微米，因此，其并不適用于LED外延。近年來，圖形化襯底(Patterned Structure Substrates)技術(shù)逐漸流行起來。圖形化襯底主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，在藍(lán)寶石襯底表面上，利用光刻與干法刻蝕技術(shù)形成遍布一個(gè)個(gè)圓錐形藍(lán)寶石突起的圖形化藍(lán)寶石表面。圓錐形突起的底面半徑尺寸在 3. 0微米到5微米之間，高度在1. 0微米到1. 5微米之間。圓錐中軸線之間的距離在4 6
4微米之間。然后再在這種圖形化的襯底表面進(jìn)行LED材料外延，圖形化的界面改變了 GaN材料的生長(zhǎng)過程。表面的圖形為GaN生長(zhǎng)提供了多種生長(zhǎng)晶向的選擇，而GaN沿圖形表面生長(zhǎng)速率不同，從而達(dá)到了使晶格失配位錯(cuò)在襯底生長(zhǎng)區(qū)發(fā)生彎曲并合攏，有效的抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件內(nèi)量子效率；PSS襯底技術(shù)以其簡(jiǎn)單的工藝，成為了各大LED 生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)開發(fā)高亮度大功率LED器件的首選襯底材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供制備一種異質(zhì)材料圖形化襯底的方法。本發(fā)明所涉及的異質(zhì)材料的圖形化襯底是指利用異質(zhì)材料(異于藍(lán)寶石和feiN的材料) 制備周期性圖形，代替?zhèn)鹘y(tǒng)圖形化襯底表面刻蝕形成的藍(lán)寶石圖形；或該異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層共同構(gòu)成藍(lán)寶石表面的周期性圖形；該材料具備抗高溫的特點(diǎn)，可以在 800度以上的高溫生長(zhǎng)時(shí)不分解，可以以單晶體材料的形式存在，其折射率與GaN相比有較大差別，該材料如SiO2、Si3N4, SiC、Si, ZnO, GaAs系列材料等材料。為達(dá)上述目的，本發(fā)明的一種圖形化襯底的制備方法，采用以下的技術(shù)方案
一種圖形化襯底的制備方法，制備一種異質(zhì)材料圖形化襯底的方法，利用異質(zhì)材料制備周期性圖形，所述方法包括如下步驟
①、提供一藍(lán)寶石襯底，清理后備用；
②、在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，單晶異質(zhì)材料厚度為100納米到3 微米；
③、采用甩膠技術(shù)，在生長(zhǎng)了一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2,Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料)的藍(lán)寶石襯底上均勻涂覆光刻膠(此光刻膠可為正性或負(fù)性，只要采取對(duì)應(yīng)的光刻版可以得到相同的圖形即可)，并利用甩膠技術(shù)將光刻膠甩均勻，光刻膠厚度根據(jù)所需刻蝕異質(zhì)材料的深度而定，優(yōu)選選1. 0微米到3. 0微米；
④、利用曝光技術(shù)將帶有周期性的圖形曝光形成在光刻膠上，利用顯影技術(shù)使光刻膠顯出周期性圖形；
⑤、利用干法刻蝕技術(shù)，如ICP、RIE等刻蝕顯影后的帶有光刻膠、一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si, ZnO, GaAs系列材料等材料)的藍(lán)寶石襯底，將光刻膠圖形通過刻蝕，顯示的一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料) 上。干法刻蝕進(jìn)行到刻蝕到藍(lán)寶石表面，或繼續(xù)刻蝕藍(lán)寶石一定深度，刻蝕深度與單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料)剩余厚度比例從0. 001:0. 999到 0. 95:0. 05 均可選；
⑥、利用丙酮等溶液去除剩余的光刻膠，或光刻膠已在干法刻蝕中被全部刻蝕沒有剩余。從而得到由異質(zhì)材料形成周期性圖形或該異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層共同構(gòu)成藍(lán)寶石表面的周期性圖形的圖形化襯底。進(jìn)一步，所述步驟②中采用PECVD、MOCVD, CVD或磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，所述單晶異質(zhì)材料是Si02、Si3N4、SiC、Si、ai0、GaAs系列材料， 單晶異質(zhì)材料厚度優(yōu)選500納米到1. 8微米。進(jìn)一步，所述步驟③中周期性圖形也可以是凹陷(如圖6a和圖6b所示)的，凹陷形周期性圖形是錐形坑、柱形坑、梯形圓臺(tái)坑、三角錐形坑、三角臺(tái)形坑、方錐形坑、方柱形坑、 梯形方臺(tái)型坑和五邊錐形坑、五邊柱形坑、梯形五邊臺(tái)形坑、六邊錐形坑、六邊柱形坑、梯形六邊臺(tái)形坑、12邊錐形坑、12邊柱形坑、梯形12邊臺(tái)形坑等多邊錐形坑、多邊柱形坑及梯形多邊臺(tái)形坑。進(jìn)一步，所述步驟③中周期性圖形可以是凸起的圓錐形、圓柱形、梯形圓臺(tái)形、三角錐形、方錐形、方柱形、三角方臺(tái)型、梯形方臺(tái)型和五邊錐形、五邊柱形、梯形五邊臺(tái)形、六邊錐形、六邊柱形、梯形六邊臺(tái)形、12邊錐形、12邊柱形、梯形12邊臺(tái)形等多邊錐形、多邊柱形及梯形多邊臺(tái)形。進(jìn)一步，所述步驟③中周期性圖形尺寸范圍如圖5所示，周期性圖形的周期(兩圖形中軸線之間的距離，用字母A表示)為0. 2 50微米，其中，優(yōu)選1 10微米；該周期性圖形的底面直徑(用字母W表示)為0. 1 50微米，其中，優(yōu)選0. 8 9微米；該周期性圖形的高度(用字母d表示)為0. 1 3微米，其中，優(yōu)選0.5 1.8微米。進(jìn)一步，所述步驟⑥中制備的圖形化襯底的周期性圖形完全由異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si, ZnO,GaAs系列材料)構(gòu)成，或由異質(zhì)材料和藍(lán)寶石按照一定比例分層構(gòu)成，圖形上部為異質(zhì)材料，而圖形的下部即為藍(lán)寶石；異質(zhì)材料與藍(lán)寶石的比例從異質(zhì)材料層厚 藍(lán)寶石圖形層厚=0. 05:0. 95到圖形完全是異質(zhì)材料。進(jìn)一步，所述凹陷性周期性圖形同樣可以是完全由異質(zhì)材料，如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料所構(gòu)成，如圖6c所示；也可以是由異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層構(gòu)成；異質(zhì)材料與藍(lán)寶石的比例從異質(zhì)材料層厚藍(lán)寶石圖形層厚=0. 05:0. 95到圖形完全是異質(zhì)材料，如圖6d所示。進(jìn)一步，所述凹陷形周期性圖形尺寸范圍如圖6a和圖6b所示，周期性圖形的周期 (兩圖形中軸線之間的距離，用字母A表示)為0. 2 50微米，其中，優(yōu)選1 10微米；該周期性圖形的底面直徑(用字母W表示)為0. 1 50微米，其中，優(yōu)選0. 8 9微米；該周期性圖形的高度(用字母d表示)為0.1 3微米，其中，優(yōu)選0. 5 1. 8微米。襯底的優(yōu)點(diǎn)
相對(duì)于普通藍(lán)寶石襯底，在PSS襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層有明顯的優(yōu)點(diǎn) ㈠、可以減少外延缺陷，降低位錯(cuò)密度，外延層晶體質(zhì)量明顯提高，從而提高器件內(nèi)量子效率。㈡、另外，藍(lán)寶石的折射率為1.8，氮化鎵的折射率為2. 4，由于折射率的差異，當(dāng)光從外延層進(jìn)入圖形襯底時(shí)，會(huì)形成反射，從而改善GaN基發(fā)光二極管出光率。㈢、利用PSS襯底生長(zhǎng)的GaN外延片可以明顯降低外延片由于晶格失配和熱失配而殘余的應(yīng)力。襯底的應(yīng)用
基于PSS襯底的外延材料制成的LED器件參數(shù)表明，其20mA下光功率水平相比普通藍(lán)寶石襯底制作的器件光功率增加約30%，因此采用PSS襯底是提高氮化鎵基發(fā)光二極管出光效率的一種有效方法。而PSS生長(zhǎng)中應(yīng)力的降低是進(jìn)行HVPE厚膜生長(zhǎng)所必需的條件。厚膜生長(zhǎng)時(shí)，面臨的首要問題就是當(dāng)GaN長(zhǎng)厚后時(shí)，由于殘余應(yīng)力積聚，從而導(dǎo)致晶體開裂。因此，PSS襯底在GaN襯底制作時(shí)同樣有廣泛的應(yīng)用。
綜上，PSS襯底目前的主要應(yīng)用包括， 第一高功率，高亮度LED外延片的生長(zhǎng)第二 GaN單晶襯底的生長(zhǎng)
第三GaN復(fù)合襯底的生長(zhǎng)
本發(fā)明打破了傳統(tǒng)的圖形化襯底僅利用藍(lán)寶石襯底形成周期性圖形的特點(diǎn)。而是使用了異于藍(lán)寶石或GaN的異質(zhì)材料在藍(lán)寶石表面上制備了周期性的圖形，已達(dá)到提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，提高器件出光效率的目的。因此，本發(fā)明與傳統(tǒng)的圖形化襯底技術(shù)有明顯的改進(jìn)。另外，本發(fā)明較傳統(tǒng)的藍(lán)寶石圖形化襯底有兩方面的明顯優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的圖形化藍(lán)寶石襯底之所以能夠提高器件效率，主要是兩方面的原因。一是提高外延襯底的晶體質(zhì)量。這我們?cè)诒尘凹夹g(shù)中有所闡述，圖形化的襯底會(huì)使得GaN在圖形之間的窗口處生長(zhǎng)的GaN材料內(nèi)位錯(cuò)沿著錐形或其他圖形的側(cè)面形成彎曲，在位錯(cuò)爬到圖形頂部時(shí)，不同窗口生長(zhǎng)上來的位錯(cuò)會(huì)形成合攏。因此，利用圖形襯底生長(zhǎng)的GaN材料位錯(cuò)密度會(huì)明顯降低，晶體質(zhì)量得到提高，從提提高GaN基LED器件的內(nèi)量子效率。另一方面，利用藍(lán)寶石襯底生長(zhǎng)的GaN基LED外延片其發(fā)光表面主要在GaN材料表面，而從GaN LED有源層發(fā)出的射向藍(lán)寶石襯底的光線，基本會(huì)被封裝是的金屬基地等其他材料吸收，對(duì)整體的發(fā)光效率沒有多少貢獻(xiàn)。因此，如果能將射向藍(lán)寶石襯底的光反射回GaN頂部進(jìn)而發(fā)射出去，會(huì)大大提高LED器件的出光效率。而圖形化藍(lán)寶石襯底的表面圖形，恰巧形成了一個(gè)反射光柵，可以有效的反射射向藍(lán)寶石的光線，從而提高LED器件的效率。本發(fā)明所涉及的異質(zhì)材料的圖形化襯底在這兩方面較傳統(tǒng)的圖形化藍(lán)寶石襯底都有明顯的提高。首先，在圖形化襯底的生長(zhǎng)中，為了使圖形窗口生長(zhǎng)的GaN材料中的位錯(cuò)能夠沿圖形側(cè)面彎曲，進(jìn)而在圖形頂部合攏，其關(guān)鍵的問題就是盡量避免GaN材料在圖形襯底的周期性圖形的側(cè)面生長(zhǎng)。而藍(lán)寶石材料形成的周期性圖形，很難使圖形不在側(cè)面生長(zhǎng)。而在這方面，異質(zhì)材料的圖形化襯底有著明顯的優(yōu)勢(shì)，由于所選材料本身就不適宜GaN在其上生長(zhǎng)，因此，很容易做到生長(zhǎng)時(shí)GaN材料不在圖形側(cè)面生長(zhǎng)，從而促進(jìn)位錯(cuò)沿圖形側(cè)面彎曲進(jìn)而在圖形頂部的合攏，從而進(jìn)一步提高GaN材料的晶體質(zhì)量，提高器件效率。其次，在圖形化襯底的周期性圖形形成反射光柵提高LED器件的出光效率方面， GaN材料與藍(lán)寶石材料的折射率有較大差別是除去圖形尺寸會(huì)對(duì)反射形成影響外的另一個(gè)非常重要的因素。GaN材料的折射率為2. 5，而藍(lán)寶石的折射率為1.8，其兩者之差形成了較大的全反射角，從而提高了 LED的出光效率。而在這方面，異質(zhì)材料的周期性圖形化襯底會(huì)有更大優(yōu)勢(shì)。我們選取的異質(zhì)材料可以與GaN有更大的折射率差異，從而形成更高的反射率。比如SiO2材料，其反射率為1.4，與藍(lán)寶石差異更大。通過理論模擬傳統(tǒng)圖形襯底與 SiO2M料圖形襯底對(duì)器件出光效率的結(jié)果，如圖7所示，我們可以看出，異質(zhì)材料的圖形化襯底更能夠提高LED器件的出光效率。圖8為我們利用傳統(tǒng)圖形化襯底制備的LED器件和 SiO2圖形化襯底制備的LED器件的光功率曲線，我們可以看出，在0 50mA的工作電流范圍內(nèi)，SW2圖形化襯底制備的LED器件光功率比傳統(tǒng)圖形化襯底制備的LED器件有明顯的提尚。本發(fā)明與側(cè)向外延技術(shù)相比有明顯的改進(jìn)與不同。一、側(cè)向外延技術(shù)是首先在2 10微米厚的GaN層上形成SW2層，而本發(fā)明則是直接在藍(lán)寶石襯底上形成異質(zhì)材料的周期圖形。二、側(cè)向外延技術(shù)使用的SiA薄膜為SiA薄膜條形結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)尺寸在5 10微米左右，厚度不超過500nm。本發(fā)明所使用的異質(zhì)材料周期性結(jié)構(gòu)所使用的是周期性的錐形或柱形、臺(tái)形。且其尺寸范圍與側(cè)向外延技術(shù)有明顯不同。圖形高度優(yōu)選0.5 1.8微米。


圖1所示為側(cè)向外延所需形成的材料結(jié)構(gòu)；
圖2所示為側(cè)向外延位錯(cuò)減少的生長(zhǎng)示意圖與生長(zhǎng)厚SEM圖片； 圖3所示為傳統(tǒng)圖形化襯底的結(jié)構(gòu)示意圖以及SEM照片和應(yīng)用生長(zhǎng)GaN后的界面SEM; 圖如所示為完全異質(zhì)材料形成周期性圖形的圖形襯底結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4b所示為異質(zhì)材料與藍(lán)寶石分層構(gòu)成周期性結(jié)構(gòu)的圖形襯底結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5所示為異質(zhì)材料圖形化襯底的關(guān)鍵尺寸定義示意圖6a和圖6b所示為異質(zhì)材料凹形圖形化襯底結(jié)構(gòu)示意圖和幾個(gè)關(guān)鍵尺寸定義示意
圖6c所示為完全異質(zhì)材料周期性凹形圖形襯底結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6d所示為異質(zhì)材料與藍(lán)寶石分層凹形圖形襯底結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7所示為利用模擬的傳統(tǒng)圓錐形圖形化襯底與S^2圓錐形圖形化襯底在圖形高度從0. 8微米到1. 8微米的制備LED器件的總出光功率譜線；
圖8所示為使用傳統(tǒng)圓錐形圖形化襯底與S^2圓錐形圖形化襯底制備LED器件的光功率曲線；
圖9所示為本發(fā)明實(shí)施例一的工藝流程圖10所示為本發(fā)明實(shí)施例一所得完全S^2制備周期圖形的圖形化襯底示意圖； 圖11所示為本發(fā)明實(shí)施例二 S^2周期圖形的完全S^2圖形化襯底示意圖； 圖12所示為本發(fā)明實(shí)施例三的工藝流程圖13所示為本發(fā)明實(shí)施例三Si3N4周期圖形的完全Si3N4圖形化襯底示意圖； 圖中相關(guān)結(jié)構(gòu)主要包括以下部件光刻膠1、S^2薄膜2、藍(lán)寶石襯底3、Si3N4薄膜4。
具體實(shí)施例方式為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的特征、技術(shù)手段以及所達(dá)到的具體目的、功能，解析本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神，藉由以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的詳述得到進(jìn)一步的了解。本發(fā)明所涉及的制備方法如下
首先，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的PECVD、MOCVD、CVD或磁控濺射等技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料。其厚度可以從100納米到3微米，其中，優(yōu)選500納米到1. 8微米。其次，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的甩膠技術(shù)，在生長(zhǎng)了一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si, ZnO, GaAs系列材料等材料)的藍(lán)寶石襯底上均勻涂覆光刻膠(此光刻膠可為正性或負(fù)性，只要采取對(duì)應(yīng)的光刻版可以得到相同的圖形即可)，并利用甩膠技術(shù)將光刻膠甩均勻，光刻膠厚度根據(jù)所需刻蝕異質(zhì)材料的深度而定，優(yōu)選選1. 0微米到3. 0 微米。
8
第三步，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的曝光技術(shù)將帶有周期性的圖形曝光形成在光刻膠上，并利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的顯影技術(shù)使光刻膠顯出周期性圖形。第四步，利用干法刻蝕技術(shù)，如ICP、RIE等刻蝕顯影后的帶有光刻膠、一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料)的藍(lán)寶石襯底，將光刻膠圖形通過刻蝕，顯示的一定厚度的單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料)上。干法刻蝕進(jìn)行到刻蝕到藍(lán)寶石表面，或繼續(xù)刻蝕藍(lán)寶石一定深度，刻蝕深度與單晶異質(zhì)材料(如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料)剩余厚度比例從 0. 001:0. 999 到 0. 95:0. 05 均可選。第五步，利用丙酮等溶液去除剩余的光刻膠，或光刻膠已在干法刻蝕中被全部刻蝕沒有剩余。從而得到由異質(zhì)材料形成周期性圖形或該異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層共同構(gòu)成藍(lán)寶石表面的周期性圖形的圖形化襯底。本發(fā)明中所述的方法最終制備的圖形化襯底其特點(diǎn)是其周期性圖形可以完全由異質(zhì)材料，如SiO2, Si3N4，SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料構(gòu)成，如圖4a所示，也可以由異質(zhì)材料和藍(lán)寶石按照一定比例分層構(gòu)成，如圖4b所示，圖形上部為異質(zhì)材料，而圖形的下部即為藍(lán)寶石。異質(zhì)材料與藍(lán)寶石的比例從異質(zhì)材料層厚藍(lán)寶石圖形層厚=0.05:0. 95 到圖形完全是異質(zhì)材料。本發(fā)明中所述周期性圖形可以是凸起的圓錐形、圓柱形、梯形圓臺(tái)形、三角錐形、 方錐形、方柱形、三角方臺(tái)型、梯形方臺(tái)型和五邊錐形、五邊柱形、梯形五邊臺(tái)形、六邊錐形、 六邊柱形、梯形六邊臺(tái)形、12邊錐形、12邊柱形、梯形12邊臺(tái)形等多邊錐形，多邊柱形及梯形多邊臺(tái)形。該周期性圖形尺寸范圍如圖5所示，周期性圖形的周期(兩圖形中軸線之間的距離，用字母A表示)為0. 2 50微米，其中，優(yōu)選1 10微米。該周期性圖形的底面直徑 (用字母W表示)為0. 1 50微米，其中，優(yōu)選0. 8 9微米。該周期性圖形的高度(用字母 d表示)為0. 1 3微米，其中，優(yōu)選0. 5 1. 8微米。本發(fā)明所述的周期性圖形也可以是凹陷(如圖6a和圖6b所示)的錐形坑、柱形坑、 梯形圓臺(tái)坑、三角錐形坑、三角臺(tái)形坑、方錐形坑、方柱形坑、梯形方臺(tái)型坑和五邊錐形坑、 五邊柱形坑、梯形五邊臺(tái)形坑、六邊錐形坑、六邊柱形坑、梯形六邊臺(tái)形坑、12邊錐形坑、12 邊柱形坑、梯形12邊臺(tái)形坑等多邊錐形坑，多邊柱形坑及梯形多邊臺(tái)形坑。本發(fā)明中所述的凹陷性周期性圖形同樣可以是完全由異質(zhì)材料，如SiO2, Si3N4， SiC, Si，ZnO, GaAs系列材料等材料所構(gòu)成，如圖6c所示；也可以是由異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層構(gòu)成。異質(zhì)材料與藍(lán)寶石的比例從異質(zhì)材料層厚藍(lán)寶石圖形層厚 =0. 05 0. 95到圖形完全是異質(zhì)材料，如圖6d所示。該凹陷形周期性圖形尺寸范圍如圖6a和圖6b所示，周期性圖形的周期(兩圖形中軸線之間的距離，用字母A表示)為0. 2 50微米，其中，優(yōu)選1 10微米。該周期性圖形的底面直徑(用字母W表示)為0. 1 50微米，其中，優(yōu)選0. 8 9微米。該周期性圖形的高度(用字母d表示)為0. 1 3微米，其中，優(yōu)選0.5 1.8微米。實(shí)施例一
完全SW2制備周期圖形的圖形化襯底，參見附圖9:
步驟1.選取厚度為430微米的2英寸藍(lán)寶石襯底3 ；附圖9第一步為430微米厚2英寸藍(lán)寶石襯底；
步驟2.利用PECVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底3上生長(zhǎng)厚度為1. 5微米的SW2薄膜2，附圖9 第二步為生長(zhǎng)了 1. 5微米厚S^2薄膜2的430微米厚2英寸藍(lán)寶石襯底3 ； 1 1. 5微米厚SW2薄膜2，2 430微米厚藍(lán)寶石襯底；
步驟3.利用甩膠機(jī)在步驟2制備完畢后的襯底S^2表面均勻涂覆1. 5微米厚的光刻膠1 ；附圖9第三步為涂覆了 1. 5微米光刻膠1后的SiO2/藍(lán)寶石襯底；
1 1. 5微米光刻膠1，2 1. 5微米厚SW2薄膜2，3 430微米厚藍(lán)寶石3 ； 步驟4.將涂覆1. 5微米的光刻膠1的SiO2/藍(lán)寶石襯底經(jīng)分步曝光機(jī)曝光，并經(jīng)顯影形成表面周期為3微米，圓柱直徑為2微米的圓柱圖形，如附圖9第四步所示； 附圖9第四步為顯影后帶有光刻膠圖形的SiO2/藍(lán)寶石襯底； 周期為3微米，圓柱直徑為2微米的周期性圓柱形光刻膠圖形； 1. 5微米厚SiO2,430微米厚藍(lán)寶石1 ；
步驟5.將帶有周期性圖形光刻膠1的樣品放入ICP (反應(yīng)耦合離子刻蝕設(shè)備)，選用純?nèi)然饸怏w進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間22分鐘。并取出后使用稀HCL、丙酮、酒精、去離子水一次清洗，得到周期為3. 15微米，高度為1. 5微米，圖形底徑為2. 7微米的S^2周期圖形的完全SW2圖形化襯底。如圖10所示。實(shí)施例二
SiO2與藍(lán)寶石分層構(gòu)成周期性圖形的圖形化襯底步驟1.選取厚度為430微米的2英寸藍(lán)寶石襯底3 ；
步驟2.利用PECVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底3上生長(zhǎng)厚度為1. 5微米的SW2薄膜2 ； 1 1. 5微米厚SW2薄膜2，2 430微米厚藍(lán)寶石襯底3 ；
步驟3.利用甩膠機(jī)在步驟2制備完畢后的襯底S^2表面均勻涂覆1. 5微米厚的光刻膠1，成為涂覆了 1. 5微米光刻膠后的SiO2/藍(lán)寶石襯底；
1 1. 5微米光刻膠1，2 1. 5微米厚SiO2, 3 430微米厚藍(lán)寶石襯底3 ； 步驟4.將涂覆1. 5微米的光刻膠1的SiO2/藍(lán)寶石襯底經(jīng)分步曝光機(jī)曝光，并經(jīng)顯影形成表面周期為3微米，圓柱直徑為2微米的圓柱圖形，周期為3微米，圓柱直徑為2微米的周期性圓柱形光刻膠圖形，
1. 5微米厚SiO2,430微米厚藍(lán)寶石；
步驟5.將帶有周期性圖形光刻膠的樣品放入ICP (反應(yīng)耦合離子刻蝕設(shè)備)，選用純?nèi)然饸怏w進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間30分鐘。并取出后使用稀HCL、丙酮、酒精、去離子水一次清洗，得到周期為3. 2微米，高度為1. 2微米(SiO2層厚度0. 6微米，藍(lán)寶石厚度0. 6微米)， 圖形底徑為2. 8微米的S^2周期圖形的完全S^2圖形化襯底。如圖11所示。實(shí)施例三
完全Si3N4制備周期圖形的圖形化襯底
步驟1.選取厚度為430微米的2英寸藍(lán)寶石襯底3，附圖12第一步為430微米厚2 英寸藍(lán)寶石襯底3 ；
步驟2.利用PECVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底3上生長(zhǎng)厚度為1. 8微米的Si3N4薄膜4，附圖 12第二步為生長(zhǎng)了 1. 8微米厚Si3N4薄膜4的430微米厚2英寸藍(lán)寶石襯底3 ； 1 1. 8微米厚Si3N4薄膜4，2 430微米厚藍(lán)寶石襯底3 ；
10步驟3.利用甩膠機(jī)在步驟2制備完畢后的襯底Si3N4薄膜4表面均勻涂覆1. 5微米厚的光刻膠1 ；附圖12第三步為涂覆了 1. 5微米光刻膠1后的Si3N4/藍(lán)寶石襯底； 1 1. 5微米光刻膠1，2 1. 8微米厚Si3N4薄膜4，3 430微米厚藍(lán)寶石3 ； 步驟4.將涂覆1. 5微米的光刻膠1的Si3N4/藍(lán)寶石襯底經(jīng)分步曝光機(jī)曝光，并經(jīng)顯影形成表面周期為3微米，圓柱直徑為2微米的圓柱圖形，如圖12第四步所示； 附圖12第四步為顯影后帶有光刻膠圖形的Si3N4/藍(lán)寶石襯底； 周期為3微米，圓柱直徑為2微米的周期性圓柱形光刻膠圖形； 1. 8微米厚Si3N4，430微米厚藍(lán)寶石；
步驟5.將帶有周期性圖形光刻膠1的樣品放入ICP (反應(yīng)耦合離子刻蝕設(shè)備)，選用純?nèi)然饸怏w進(jìn)行刻蝕，刻蝕時(shí)間22分鐘。并取出后使用稀HCL、丙酮、酒精、去離子水一次清洗，得到周期為3. 15微米，高度為1. 8微米，圖形底徑為2. 9微米的Si3N4周期圖形的完全Si3N4圖形化襯底；如圖13所示。實(shí)施例四
Si3N4與藍(lán)寶石分層構(gòu)成周期性圖形的圖形化襯底
具體實(shí)施方法同實(shí)施例二，只是在第二步利用PECVD技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)Si3N4層即可。實(shí)施例五
完全ZnO制備周期圖形的圖形化襯底
具體實(shí)施方法同實(shí)施例一，只是第二步利用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)1. 5微米厚的ZnO層即可。實(shí)施例六
ZnO與藍(lán)寶石分層構(gòu)成周期性圖形的圖形化襯底
具體實(shí)施方法同實(shí)施例二，只是第二步利用MOCVD方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)1. 5微米厚的ZnO層即可。實(shí)施例七
完全方錐形S^2制備周期圖形的圖形化襯底
具體實(shí)施方法同實(shí)施例一，只是在第4步將光刻膠曝光形成變長(zhǎng)為2微米的方形柱即可。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的部分實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種圖形化襯底的制備方法，制備一種異質(zhì)材料圖形化襯底，利用異質(zhì)材料制備周期性圖形，其特征在于，所述方法包括如下步驟①、提供一藍(lán)寶石襯底，清理后備用；②、在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，單晶異質(zhì)材料厚度為100納米到3 微米；③、采用甩膠技術(shù)，在生長(zhǎng)了一定厚度的單晶異質(zhì)材料的藍(lán)寶石襯底上均勻涂覆光刻膠，利用甩膠技術(shù)將光刻膠甩均勻；④、利用曝光技術(shù)將帶有周期性的圖形曝光形成在光刻膠上，利用顯影技術(shù)使光刻膠顯出周期性圖形；⑤、利用干法刻蝕技術(shù)，刻蝕顯影后的帶有光刻膠、一定厚度的單晶異質(zhì)材料的藍(lán)寶石襯底，將光刻膠圖形通過刻蝕，顯示的一定厚度的單晶異質(zhì)材料上，干法刻蝕進(jìn)行到刻蝕到藍(lán)寶石表面，或繼續(xù)刻蝕藍(lán)寶石一定深度；⑥、利用丙酮等溶液去除剩余的光刻膠，或光刻膠已在干法刻蝕中被全部刻蝕沒有剩余，從而得到由異質(zhì)材料形成周期性圖形或該異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層共同構(gòu)成藍(lán)寶石表面的周期性圖形的圖形化襯底。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟②中采用PECVD、MOCVD、CVD或磁控濺射技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，所述單晶異質(zhì)材料是SiO2、Si3N4, SiC、Si, ZnO, GaAs系列材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟④中周期性圖形是凹陷的，凹陷形周期性圖形是錐形坑、柱形坑、梯形圓臺(tái)坑、三角錐形坑、三角臺(tái)形坑、方錐形坑、方柱形坑、梯形方臺(tái)型坑和五邊錐形坑、五邊柱形坑、梯形五邊臺(tái)形坑、六邊錐形坑、六邊柱形坑、梯形六邊臺(tái)形坑、12邊錐形坑、12邊柱形坑、梯形12邊臺(tái)形坑的多邊錐形坑、多邊柱形坑或梯形多邊臺(tái)形坑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟④中周期性圖形可以是凸起的圓錐形、圓柱形、梯形圓臺(tái)形、三角錐形、方錐形、方柱形、三角方臺(tái)型、梯形方臺(tái)型和五邊錐形、五邊柱形、梯形五邊臺(tái)形、六邊錐形、六邊柱形、梯形六邊臺(tái)形、 12邊錐形、12邊柱形、梯形12邊臺(tái)形的多邊錐形、多邊柱形或梯形多邊臺(tái)形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟④中周期性圖形的周期為0. 2 50微米，周期性圖形的底面直徑為0. 1 50微米，周期性圖形的高度為0. 1 3微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述步驟⑥中制備的圖形化襯底的周期性圖形由異質(zhì)材料構(gòu)成，或由異質(zhì)材料和藍(lán)寶石按照一定比例分層構(gòu)成，即圖形上部為異質(zhì)材料，而圖形的下部即為藍(lán)寶石。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述凹陷性周期性圖形是由異質(zhì)材料所構(gòu)成；或者所述凹陷性周期性圖形是由異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層構(gòu)成，異質(zhì)材料與藍(lán)寶石的比例從異質(zhì)材料層厚藍(lán)寶石圖形層厚=0. 05:0. 95，到圖形完全是異質(zhì)材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種圖形化襯底的制備方法，其特征在于所述凹陷形周期性圖形的周期為0. 2 50微米，周期性圖形的底面直徑為0. 1 50微米，周期性圖形的高度為0. 1 3微米。
全文摘要
本發(fā)明提供一種異質(zhì)材料圖形化襯底的制備方法，利用異質(zhì)材料制備周期性圖形，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一定厚度的單晶異質(zhì)材料，采用甩膠技術(shù)，在生長(zhǎng)了一定厚度的單晶異質(zhì)材料的藍(lán)寶石襯底上均勻涂覆光刻膠，利用曝光技術(shù)將帶有周期性的圖形曝光形成在光刻膠上，利用顯影技術(shù)使光刻膠顯出周期性圖形，從而得到由異質(zhì)材料形成周期性圖形，或該異質(zhì)材料與藍(lán)寶石按一定比例分層共同構(gòu)成藍(lán)寶石表面的周期性圖形的圖形化襯底。本發(fā)明打破了傳統(tǒng)的圖形化襯底僅利用藍(lán)寶石襯底形成周期性圖形的特點(diǎn)，達(dá)到提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量，提高器件出光效率的目的。
文檔編號(hào)H01L33/00GK102184846SQ20111010219
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者于彤軍, 孫永健, 廉宗隅, 張國(guó)義, 徐承龍, 童玉珍, 賈傳宇 申請(qǐng)人:東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司