一种蓝宝石复合衬底及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及半导体技术领域，具体涉及一种蓝宝石复合衬底及其制备方法和应用，蓝宝石复合衬底包括由蓝宝石衬底材料形成的具有平面结构的基底和设置在所述基底上的至少两个圆锥体，各个所述圆锥体相同，且所述圆锥体由二氧化硅材料形成，所述圆锥体的锥底与所述基底直接接触，所述圆锥体的高度与底径的比值为1：1.1

【技术实现步骤摘要】
一种蓝宝石复合衬底及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种蓝宝石复合衬底及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，在氮化镓(GaN)基光电子器件的制备过程中，广泛采用图形化蓝宝石衬底技术(Patterned Sapphire Substrate，PSS)提高光提取效率。PSS技术是先在蓝宝石衬底上镀制二氧化硅(SiO2)膜层并制作掩膜(一般采用光刻胶或压印胶)，再用光刻工艺将掩膜刻出图形，然后用等离子体对掩膜和SiO2膜层进行刻蚀，并去除掩膜。
[0003]GaN基光电子器件是在蓝宝石衬底上制备，而在图形化蓝宝石复合衬底上外延生长GaN材料存在位错密度。若衬底全区没有任何基面裸露，GaN原子在外延时无处沉积，便会产生位错密度。因此，蓝宝石原子裸露做外延生长基面是GaN外延生长的必要条件。
[0004]蓝宝石基面裸露的关键是对掩膜和SiO2膜层进行刻蚀。鉴于蓝宝石复合衬底全区刻蚀的不均匀性，为了保证对二氧化硅的刻蚀效果，等离子体常常会过刻蚀到蓝宝石衬底。由于刻蚀的不均匀性，导致在SiO2底部形成厚度不一的蓝宝石圆凸台(一般为200
‑
300nm)，即刻蚀速率大的地方过刻多。
[0005]在复合衬底图形化圆锥形时，过刻的蓝宝石圆凸台高度越高，SiO2圆锥高度越低，入射光在过刻蓝宝石界面发生折射的概率越大，反射光减少，亮度降低。因此，蓝宝石过刻层会影响SiO2的光提取效率，且蓝宝石过刻的不均匀性会增加GaN外延生长层的晶格缺陷密度，进一步降低LED芯片良率。
[0006]CN111341894A提供了一种图形化蓝宝石复合衬底及其制备方法，衬底包括平片蓝宝石衬底和SiO2异质薄膜，该蓝宝石衬底的掩模层图形化采用ICP设备进行等离子体刻蚀形成有规则的圆锥图形。该复合衬底纠正了蓝宝石衬底与GaN外延生长层的位错密度，提高了光提取效率，但是在SiO2圆锥底部形成蓝宝石圆凸台，且必须采用三氯化硼、氯气等气体进行过刻蚀。
[0007]CN111599674A提供了一种复合衬底的刻蚀方法，该方法先对SiO2层及其上的掩膜层进行刻蚀，然后对SiO2基础图形及其上的残留掩膜图形进行刻蚀，最后采用氧化硅对蓝宝石的选择比大于预设阈值的刻蚀气体继续刻蚀，获得SiO2目标图形。该方法避免了因蓝宝石层过刻引发的衬底外延缺陷，但是无法保证SiO2圆锥体积最大化以及衬底全区蓝宝石基面充分裸露。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是为了克服现有技术在图形化蓝宝石复合衬底制作中存在的复合衬底中SiO2体积无法最大化、无法保证衬底全区蓝宝石基面充分裸露以及衬底制备过程中必须使用三氯化硼或氯气的问题。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术的第一方面提供一种蓝宝石复合衬底，该复合衬底包
括由蓝宝石衬底材料形成的具有平面结构的基底和设置在所述基底上的至少两个圆锥体，各个所述圆锥体相同，且所述圆锥体由二氧化硅材料形成，所述圆锥体的锥底与所述基底直接接触，所述圆锥体的高度与底径的比值为1：1.1
‑
1.9。
[0010]优选地，所述圆锥体的高度为1.6
‑
2.2μm，所述圆锥体的底径为2.5
‑
2.95μm。
[0011]进一步优选地，在所述复合衬底中，相邻两个圆锥体的锥底外缘之间的距离为0.05
‑
0.25μm。
[0012]本专利技术的第二方面提供一种制备本专利技术第一方面中所述的蓝宝石复合衬底的方法，该方法包括：在刻蚀气体存在下，对基体I进行刻蚀处理，得到所述蓝宝石复合衬底；
[0013]其中，所述基体I包括由蓝宝石衬底材料形成的具有平面结构的基底，镀制在所述基底一侧表面上的二氧化硅膜层，以及设置在所述二氧化硅膜层上的掩膜，且所述掩膜为具有至少两个圆锥体结构的锥状掩膜，任意相邻两个具有圆锥体结构的锥状掩膜的锥底外缘之间存在间隙以使得所述刻蚀气体能够对所述二氧化硅膜层进行所述刻蚀处理；
[0014]所述刻蚀气体中含有体积比为1：0.1
‑
2：0.2
‑
1的C4F8、CF4、O2；
[0015]所述具有圆锥体结构的锥状掩膜的高度与底径的比值为1：1.1
‑
1.9。
[0016]优选地，所述刻蚀气体中含有体积比为1：0.5
‑
1：0.25
‑
0.38的C4F8、CF4、O2。
[0017]进一步优选地，所述刻蚀气体的流量为70
‑
120sccm。
[0018]优选地，所述具有圆锥体结构的锥状掩膜的高度为1.6
‑
2.2μm，所述具有圆锥体结构的锥状掩膜的底径为2.5
‑
2.95μm。
[0019]优选地，所述具有圆锥体结构的锥状掩膜的锥角为45
‑
75
°
。
[0020]优选情况下，所述任意相邻两个具有圆锥体结构的锥状掩膜的锥底外缘之间的距离为0.05
‑
0.25μm。
[0021]更优选地，形成所述掩膜的材料选自紫外压印胶、热塑固化胶中的至少一种。
[0022]优选地，所述二氧化硅膜层的厚度为1.8
‑
2.2μm。
[0023]进一步优选地，所述刻蚀处理采用等离子体刻蚀技术进行；所述刻蚀处理的条件包括：上电极射频功率为1000
‑
2200W，下电极射频功率为100
‑
400W。
[0024]优选地，所述刻蚀处理的条件还包括：刻蚀时间为1200
‑
2100秒。
[0025]优选情况下，控制所述刻蚀处理的条件使得，单位刻蚀时间内，所述刻蚀气体去除所述掩膜的厚度和去除所述二氧化硅膜层的厚度比值为1：0.3
‑
1.05。
[0026]优选地，控制所述刻蚀处理的条件使得，单位刻蚀时间内，所述刻蚀气体去除所述由蓝宝石衬底材料形成的基底的厚度和去除所述二氧化硅膜层的厚度比值小于0.02。
[0027]本专利技术的第三方面提供本专利技术第一方面中所述的蓝宝石复合衬底在半导体氮化镓材料外延基材中的应用。
[0028]本专利技术提供的蓝宝石复合衬底至少还具有以下的有益效果：
[0029]第一：本专利技术提供的蓝宝石复合衬底的制备方法中避免了三氯化硼或氯气的使用。
[0030]第二：本专利技术提供的蓝宝石复合衬底的蓝宝石基面能够充分裸露，且能够避免由SiO2材料形成的圆锥体底部形成蓝宝石圆凸台，解决蓝宝石衬底的过刻蚀导致的SiO2圆锥体积难以最大化的问题。
附图说明
[0031]图1是现有技术中蓝宝石复合衬底经过刻蚀处理前后的主视示意图；
[0032]图2是本专利技术实施例3中蓝宝石复合衬底经过刻蚀处理前后的主视示意图；
[0033]图3是本专利技术实施例3中刻蚀出的具有圆锥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种蓝宝石复合衬底，其特征在于，该复合衬底包括由蓝宝石衬底材料形成的具有平面结构的基底和设置在所述基底上的至少两个圆锥体，各个所述圆锥体相同，且所述圆锥体由二氧化硅材料形成，所述圆锥体的锥底与所述基底直接接触，所述圆锥体的高度与底径的比值为1：1.1
‑
1.9。2.根据权利要求1中所述的蓝宝石复合衬底，其特征在于，所述圆锥体的高度为1.6
‑
2.2μm，所述圆锥体的底径为2.5
‑
2.95μm；和/或，在所述复合衬底中，相邻两个圆锥体的锥底外缘之间的距离为0.05
‑
0.25μm。3.一种制备权利要求1或2中所述的蓝宝石复合衬底的方法，其特征在于，该方法包括：在刻蚀气体存在下，对基体I进行刻蚀处理，得到所述蓝宝石复合衬底；其中，所述基体I包括由蓝宝石衬底材料形成的具有平面结构的基底，镀制在所述基底一侧表面上的二氧化硅膜层，以及设置在所述二氧化硅膜层上的掩膜，且所述掩膜为具有至少两个圆锥体结构的锥状掩膜，任意相邻两个具有圆锥体结构的锥状掩膜的锥底外缘之间存在间隙以使得所述刻蚀气体能够对所述二氧化硅膜层进行所述刻蚀处理；所述刻蚀气体中含有体积比为1：0.1
‑
2：0.2
‑
1的C4F8、CF4、O2；所述具有圆锥体结构的锥状掩膜的高度与底径的比值为1：1.1
‑
1.9。4.根据权利要求3中所述的方法，其特征在于，所述刻蚀气体中含有体积比为1：0.5
‑
1：0.25
‑
0.38的C4F8、CF4、O2；和/或，所述刻蚀气体的流量为70
‑
120sccm。5.根据权利要求3或4中所述的方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：林宏达，翟虎，李孟轩，
申请(专利权)人：东旭科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：