蓝宝石衬底的刻蚀方法与流程

1.本技术属于半导体技术领域，具体涉及一种蓝宝石衬底的刻蚀方法。


背景技术：

2.图形化蓝宝石衬底(patterned sapphire substrate,pss)是led芯片领域应用较为广泛的衬底材料，相比于蓝宝石平片衬底，pss可将芯片亮度提升约30％。
3.当前pss制备方法是在蓝宝石平片上依次利用匀胶、曝光、显影设备制作均匀分布的圆柱形光刻胶掩膜(pr)，然后将晶圆置于干法刻蚀设备(icp)中制备均匀分布的圆锥图形。
4.如图1所示，无论光从pss衬底的侧壁表面反射后逃出芯片表面发光，还是进入pss衬底的内部经过两次折射后再逃逸出芯片发光，pss衬底的侧壁弧度对led光输出路径都有直接影响。而当前技术制作pss衬底时，实际所获得的图形的纵截面并非是理想的三角形，而是侧壁有一定鼓起的炮弹形，如图2所示，pss侧壁鼓起的高度称之为弧度，也即，pss鼓起的侧壁至pss理想侧壁之间的最大距离，当前制作工艺制作的pss侧壁弧度一般为130～200nm。
5.由于pss衬底的侧壁弧度的存在，侧壁对光的散射作用增强，一部分光无法逃逸出器件，导致芯片亮度降低。而pss图形越接近理想的圆锥形(纵截面为三角形，如图1所示)，镜面反射和折射作用越强，逃逸出器件的光越多，光提取效率越高，芯片亮度越高。因此，如何减小图形侧壁弧度成为pss衬底刻蚀技术研究的一个关键点。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的是提供一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，能够解决pss衬底侧壁弧度大导致芯片亮度降低的问题。
7.为了解决上述技术问题，本技术是这样实现的：
8.本技术实施例提供了一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，该刻蚀方法包括以下步骤：
9.掩膜形成步骤，在蓝宝石衬底的表面形成具有多个柱状凸起结构的光刻胶掩膜图形，所述柱状凸起结构的截面为圆形；
10.第一刻蚀步骤，通入第一刻蚀气体刻蚀所述蓝宝石衬底和所述光刻胶掩膜图形，使所述蓝宝石衬底上初步形成所需的图形轮廓，同时在所述光刻胶掩膜图形的侧壁形成拐角；
11.第二刻蚀步骤，通入第二刻蚀气体刻蚀所述光刻胶掩膜图形，用以去除所述拐角，修直所述光刻胶掩膜图形的侧壁；
12.循环所述第一刻蚀步骤和所述第二刻蚀步骤，直到所述光刻胶掩膜图形完全去除；
13.第三刻蚀步骤，通入第三刻蚀气体，并施加比所述第一刻蚀步骤高的下电极功率刻蚀所述蓝宝石衬底，通过物理轰击作用获得具有圆锥状凸起结构的蓝宝石衬底。
14.本技术实施例中，蓝宝石衬底的刻蚀方法包括形成光刻胶掩膜图形、通过第一刻蚀步骤在蓝宝石衬底上刻蚀出所需图形的轮廓，同时在光刻胶掩膜图形的侧壁形成拐角，通过第二刻蚀步骤将光刻胶掩膜图形的侧壁修直，重复第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤，直至光刻胶掩膜图形完全消失，通过第三刻蚀步骤刻蚀蓝宝石衬底，通过物理轰击作用获得具有圆锥状凸起结构的蓝宝石衬底。如此，本技术实施例中在蓝宝石衬底刻蚀过程中进行掩膜形貌的修饰，从而保持蓝宝石衬底的侧壁无突兀拐角，进而获得弧度为0nm或接近于0nm的理想图形。因此，可以有效提高led芯片光提取效率，提升led芯片亮度。
附图说明
15.图1为相关技术中pss衬底改变led芯片光输出路径的示意图；
16.图2为相关技术中pss衬底图形形貌的放大图；
17.图3为本技术实施例公开的蓝宝石衬底的刻蚀方法的原理图；
18.图4为本技术实施例公开的pss衬底刻蚀过程中形貌变化的示意图；
19.图5为本技术实施例公开的pss衬底适用的led芯片示意图。
20.附图标记
21.100-蓝宝石衬底；
22.200-光刻胶掩膜图形；
23.300-led芯片结构层；
24.400-led芯片外延层。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
27.下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本技术实施例进行详细地说明。
28.参考图3至图5，本技术实施例公开了一种蓝宝石衬底100的刻蚀方法，所公开的刻蚀方法包括：
29.s1、掩膜形成步骤，在蓝宝石衬底100的表面形成具有多个柱状凸起结构的光刻胶掩膜图形200，该柱状凸起结构的截面为圆形；
30.s2、第一刻蚀步骤，通入第一刻蚀气体刻蚀蓝宝石衬底100和光刻胶掩膜图形200，使蓝宝石衬底100上初步形成所需的图形轮廓，同时在光刻胶掩膜图形200的侧壁形成拐
角；
31.s3、第二刻蚀步骤，通入第二刻蚀气体刻蚀光刻胶掩膜图形200，用以去除拐角，修直光刻胶掩膜图形200的侧壁；
32.s4、循环第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤，直到光刻胶掩膜图形200完全去除；
33.s5、第三刻蚀步骤，通入第三刻蚀气体，并施加比第一刻蚀步骤高的下电极功率刻蚀蓝宝石衬底100，通过物理轰击作用获得具有圆锥状凸起结构的蓝宝石衬底100。
34.可选地，上述截面为圆形的柱状凸起结构可以为圆柱或圆台。
35.本技术实施例中，蓝宝石衬底100的刻蚀方法包括形成光刻胶掩膜图形200、通过第一刻蚀步骤在蓝宝石衬底100上刻蚀出所需图形的轮廓，同时在光刻胶掩膜图形200的侧壁形成拐角，通过第二刻蚀步骤将光刻胶掩膜图形200的侧壁修直，重复第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤，直至光刻胶掩膜图形200完全消失，通过第三刻蚀步骤刻蚀蓝宝石衬底100，通过物理轰击作用获得具有圆锥状凸起结构的蓝宝石衬底100。如此，本技术实施例中在蓝宝石衬底100刻蚀过程中进行掩膜形貌的修饰，从而保持蓝宝石衬底100的侧壁无突兀拐角，进而获得弧度为0nm或接近于0nm的理想图形。因此，可以有效提高led芯片光提取效率，提升led芯片亮度。
36.此处需要说明的是，上述弧度可以理解为蓝宝石衬底100的鼓起的侧壁至理想侧壁之间的最大距离。
37.为了刻蚀出圆锥状凸起结构，在形成具有多个柱状凸起结构的光刻胶掩膜图形200时，使各个柱状凸起结构的高度比刻蚀后形成的圆锥状凸起结构的高度至少大0.2μm。基于此，可以保证刻蚀出所需高度的圆锥状凸起结构，以满足实际要求。
38.可选地，柱状凸起结构的高度比圆锥状凸起结构的高度大0.2μm、0.3μm、0.5μm等等，本技术实施例中对此不作限制。
39.除上述高度之外，还需要对柱状凸起结构的底宽进行设定。一些实施例中，在制作具有多个柱状凸起结构的光刻胶掩膜图形200时，使各个柱状凸起结构的底宽比刻蚀后形成的圆锥状凸起结构的底宽至少大0.3μm。基于此，可以保证刻蚀出所需底宽的圆锥状凸起结构，以满足实际要求。
40.可选地，柱状凸起结构的底宽比圆锥状凸起结构的底宽大0.3μm、0.4μm、0.5μm等等，本技术实施例中对此不作限制。
41.本技术实施例中，可以向icp腔室中通入第一刻蚀气体，以通过第一刻蚀气体对蓝宝石衬底100和光刻胶掩膜图形200分别进行刻蚀，从而使蓝宝石衬底100上初步形成所需的图形轮廓，并在光刻胶掩膜图形200的侧壁形成拐角。
42.为满足第一刻蚀步骤中对于第一刻蚀气体种类的要求，一些实施例中，第一刻蚀气体可以包括主刻蚀气体和辅助刻蚀气体。其中，主刻蚀气体用于对蓝宝石衬底100和光刻胶掩膜图形200进行刻蚀，辅助刻蚀气体用以降低主刻蚀气体对光刻胶掩膜图形200的刻蚀速率，以使蓝宝石衬底100与光刻胶掩膜图形200的选择比满足预设要求，选择比指的是在同一刻蚀条件下一种材料与另一种材料相比刻蚀速率快多少，它定义为被刻蚀材料的刻蚀速率与另一种材料的刻蚀速率的比。
43.基于上述设置，在第一刻蚀步骤中，向icp腔室中分别通入主刻蚀气体和辅助刻蚀气体，通过两种刻蚀气体的配合，以满足第一刻蚀步骤的刻蚀要求。
44.可选地，主刻蚀气体可以包括cl2和ar的混合气体或者bcl3中的至少一种。具体包括：通入cl2和ar的混合气体，或者单独通入bcl3，或者通入cl2和ar的混合气体以及bcl3。
45.辅助刻蚀气体包括h2、chf3和ch2cl2中的至少一种。具体包括：单独通入h2，或单独通入chf3，或单独通入ch2cl2，或通入h2和chf3的混合气体，或通入chf3和ch2cl2的混合气体，或通入h2和ch2cl2的混合气体，或通入h2、chf3和ch2cl2的混合气体。
46.基于上述设置，可以选取相适配主刻蚀气体和辅助刻蚀气体，以通过主刻蚀气体与辅助刻蚀气体的配合实现对蓝宝石衬底100及光刻胶掩膜图形200的刻蚀。
47.除上述刻蚀气体的种类之外，主刻蚀气体与辅助刻蚀气体的流量比例同样会对刻蚀工艺产生影响。基于此，将主刻蚀气体的流量控制为100～150sccm，将辅助刻蚀气体的流量控制为5～20sccm，并使主刻蚀气体的流量与辅助刻蚀气体的流量之比为1:60～1:10。基于此，可以满足实际刻蚀工艺需求，当然，还可以根据实际情况选用其他比例，或选用其他种类的刻蚀气体。
48.一种较为具体的实施例中，可以向icp腔室中通入bcl3气体作为主刻蚀气体，通入少量的chf3气体作为辅助气体，并使chf3与bcl3的比例取为1:30，以进行第一刻蚀步骤。
49.本技术实施例中，可以向icp腔室中通入第二刻蚀气体，通过第二刻蚀气体对光刻胶掩膜图形200进行刻蚀，以去除光刻胶掩膜图形200的拐角，修直光刻胶掩膜图形200的侧壁。
50.需要说明的是第二刻蚀气体仅与光刻胶掩膜图形进行化学反应，并不会对蓝宝石衬底进行刻蚀。
51.为满足第二刻蚀步骤中对于第二刻蚀气体种类的要求，一些实施例中，第二刻蚀气体可以为cl2或o2。
52.除刻蚀气体的种类之外，第二刻蚀气体的流量同样会对刻蚀工艺产生影响。基于此，可以将第二刻蚀气体的流量控制为100～200sccm，以满足实际刻蚀工艺需求。
53.当然，在其他实施例中，第二刻蚀气体还可以选用其他种类，或以其他流量方式通入，本技术实施例中不受限制。
54.本技术实施例中，还可以向icp腔室中通入第三刻蚀气体，通过第三刻蚀气体对蓝宝石衬底100进行刻蚀，以使蓝宝石衬底100上形成圆锥状凸起结构。此处需要说明的是，第三刻蚀气体可以与第一刻蚀气体相同，另外第三刻蚀步骤开始前光刻胶掩膜图形200已完全去除，故第三刻蚀步骤无需降低光刻胶掩膜图形200的刻蚀速率，所以较为优选的实施例中，第三刻蚀气体可以为第一刻蚀气体中的主刻蚀气体。
55.为满足第三刻蚀步骤中对第三刻蚀气体种类的要求，一些实施例中，第三刻蚀气体可以包括cl2和ar的混合气体或者bcl3的至少一种。
56.考虑到chf3与al2o3的生成物alf3的沸点较高，为1290℃，其不容易被真空设备抽走，而bcl3与al2o3的生成物alcl3的沸点较低，为180℃，其容易被去除。基于此，在第三刻蚀步骤中只通入单一气体bcl3，以满足实际刻蚀工艺需求。
57.除刻蚀气体的种类之外，第三刻蚀气体的流量同样会对刻蚀工艺产生影响。一些实施例中，可以将第三刻蚀气体的流量控制为60～100sccm，以满足实际刻蚀工艺需求。
58.另外，本技术实施例中还对各刻蚀步骤中的电极功率进行设定。其中，第一刻蚀步骤中，上电极功率为1200～2000w，下电极功率为300～600w。基于此，通过施加上电极功率
将第一刻蚀气体电离，以产生等离子体，通过施加下电极功率可以使等离子体向下轰击蓝宝石衬底100表面和光刻胶掩膜图形200，从而使蓝宝石衬底100上初步形成所需的图形轮廓，使光刻胶掩膜图形200的侧壁形成拐角。
59.第二刻蚀步骤中，上电极功率为1200～2000w，下电极功率为100～300w。基于此，可以通过施加上电极功率将第二刻蚀气体电离，以产生等离子体，通过施加下电极功率使等离子体仅与光刻胶掩膜图形200反应，从而可以去除光刻胶掩膜图形200侧壁的拐角，并修直光刻胶图形的侧壁。
60.第三刻蚀步骤中，上电极功率为1200～2000w，下电极功率为700～1000w。基于此，可以通过施加上电极功率将第三刻蚀气体电离，以产生等离子体，通过施加下电极功率使等离子体向下轰击蓝宝石衬底100，以获得在蓝宝石衬底100上形成圆锥状凸起结构。
61.此处需要说明的是，第三刻蚀步骤相比于第一刻蚀步骤，可以施加较高的下电极功率，从而具有更强的物理轰击能力，可以对蓝宝石衬底100进行最后的修饰。
62.下面将以主刻蚀气体为bcl3，辅助刻蚀气体为chf3为例，对第一刻蚀步骤进行阐述，具体为：
63.在第一刻蚀步骤中，向icp腔室中通入bcl3气体作为主刻蚀气体，通入少量的chf3气体作为辅助气体，主刻蚀气体的流量可以控制在100sccm～150sccm，辅助刻蚀气体的流量可以控制在5sccm～20sccm，并使chf3与bcl3的比例取为1:60～1:10；施加上电极功率为1200～2000w，下电极功率为300～600w，工艺压力为2～3mt。
64.为了使温度在可控范围内，还可以向蓝宝石衬底100的背(即，下方)吹冷却气体，并使冷却气体的压力范围为3～7t，如此，可以对蓝宝石衬底100进行降温，以使蓝宝石衬底100的温度控制在90℃～120℃，从而可以防止刻蚀过程中温度过高而对工艺过程产生影响。
65.刻蚀时间可以为3～5min，由于刻蚀时间相对较短，使得光刻胶掩膜图形200的侧壁只有微弱的拐角，从而可以有效防止蓝宝石衬底100的侧壁产生突兀的拐角。
66.基于上述设置，本技术实施例中的第一刻蚀步骤的反应式如下：
67.bcl3↑→
bcl
x
↓
cl-↑
(x＝0，1，2)(上电极将bcl3气体电离)
68.al2o3↓
bcl3↑→
al
3
↑
bocl
y
↑
cl-↑
(y＝1，2，3)(bcl3重粒子对衬底物理轰击)
69.al2o3↓
bcl
x
↑→
al
3
↑
bocl
z
↑
cl-↑
(z＝1，2，3)(带电重离子与衬底化学反应)
70.cl-↑
al
3
↑→
alcl3↓
(反应生成物)
71.chf3↑→
chf
x
↑
f-↑
(x＝0，1，2)(上电极将chf3气体电离)
72.al
3
↑
f-↑→
alf3↓
(带电离子与衬底化学反应)。
73.基于上述第一刻蚀步骤，可以实现对蓝宝石衬底100的初步刻蚀，以在蓝宝石衬底100上初步形成所需的图形轮廓，并在光刻胶掩膜图形200的侧壁形成拐角。
74.以o2作为第二刻蚀气体为例，对第二刻蚀步骤进行阐述，具体为：
75.在第二刻蚀步骤中，向icp腔室中通入o2，作为第二刻蚀气体，o2的通入流量可以控制为100～200sccm。此时，o2与光刻胶掩膜图形200的主要成分(如，主要成分为cho聚合物的光刻胶等)发生反应，而不会刻蚀成分为al2o3的蓝宝石衬底100，从而可以实现对光刻胶掩膜图形200的表面轮廓进行修饰，以去除拐角，修直光刻胶掩膜图形200的侧壁。另外，施加上电极功率为1200～2000w，下电极功率为100～300w，工艺压力为10～20mt。
76.为了使温度在可控范围内，还可以向蓝宝石衬底100的背(即，下方)吹冷却气体，并使冷却气体的压力范围为3～7t。如此，可以对蓝宝石衬底100及光刻胶掩膜图形200进行降温，以使蓝宝石衬底100和光刻胶掩膜图形200的温度不至于过高，以防止高温对第二刻蚀工艺过程产生影响。
77.刻蚀时间为10～30s，从而可以在短时间内消除光刻胶掩膜图形200侧壁微弱拐角，使光刻胶掩膜图形200侧壁恢复平直。
78.基于上述设置，本技术实施例中的第二刻蚀步骤的反应式如下：
79.o2↑→o2
↑
(上电极将氧气电离)
80.(cho)n↓
o
2
↑→
co
↑
co2↑
h2o
↑
(3种反应生成物)。
81.基于上述第二刻蚀步骤，可以实现对光刻胶掩膜图形200的侧壁的修直处理。
82.本技术实施例中，循环第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤4～12次，直至光刻胶掩膜图形200全部被刻蚀而完全消失。可选地，循环次数为5～10次。另外，在循环第一刻蚀步骤和第二刻蚀步骤的过程中，可以根据需要调整每一步的功率、时间、刻蚀气体流量等参数。
83.以第一刻蚀步骤中的主刻蚀气体bcl3作为第三刻蚀气体为例，对第三刻蚀步骤进行阐述，具体为：
84.在第三刻蚀步骤中，向工艺腔室中通入bcl3，作为第三刻蚀气体，bcl3的通入流量为60～100sccm；施加上电极功率为1200～2000w，下电极功率为700～1000w，工艺压力为2～3mt。
85.为了使温度在可控范围内，还可以向蓝宝石衬底100的背(即，下方)吹冷却气体，并使冷却气体的压力范围为3～7t，如此，可以对蓝宝石衬底100进行降温，以使蓝宝石衬底100的温度不至于过高，以防止高温对最终刻蚀过程产生影响。上述最终刻蚀过程的刻蚀时间为3～5min，从而可以实现对蓝宝石衬底100侧壁的修饰。
86.基于上述设置，本技术实施例中的第三刻蚀步骤的反应式如下：
87.bcl3↑→
bcl
x
↓
cl-↑
(x＝0，1，2)(上电极将bcl3气体电离)
88.al2o3↓
bcl3↑→
al
3
↑
bocl
y
↑
cl-↑
(y＝1，2，3)(bcl3重粒子对衬底物理轰击)
89.al2o3↓
bcl
x
↑→
al
3
↑
bocl
z
↑
cl-↑
(z＝1，2，3)(带电重离子与衬底化学反应)
90.cl-↑
al
3
↑→
alcl3↓
(反应生成物)。
91.基于上述第三刻蚀步骤，最终将蓝宝石衬底100的侧壁修饰呈截面为三角形的理想形貌，从而在蓝宝石衬底100上形成圆锥状凸起结构。
92.本技术实施例中，掩膜形成步骤包括：在蓝宝石衬底100表面涂覆光刻胶层，经曝光、显影后形成圆柱形光刻胶掩膜图形200。具体过程如下：
93.先利用匀胶设备在蓝宝石衬底100上均匀涂覆一层预设厚度的正性光刻胶，再利用曝光设备将光刻胶曝光出预设周期、均匀分布的、预设直径的圆柱形胶柱，最后利用显影设备去除圆柱形胶柱周围的光刻胶，即可在蓝宝石衬底100表面制备完成预设直径、预设高度、预设周期、均匀分布的光刻胶掩膜图形200。
94.可选地，光刻胶可以选用主要成分为cho高分子聚合物的光刻胶。此处需要说明的是，当向icp腔室中通入的第二刻蚀气体为氧气时，氧气只能与主要成分为cho聚合物的光刻胶发生反应，而不能刻蚀成分为al2o3的蓝宝石衬底100反应，如此，第二刻蚀气体旨在用于刻蚀光刻胶掩膜图形200的表面轮廓，以对光刻胶掩膜图形200的表面轮廓进行修饰处
理。
95.可选地，上述光刻胶掩膜图形200的厚度为2.0μm～3.0μm。具体包括2.0μm、2.2μm、2.5μm、2.7μm、3.0μm等等，本技术实施例中对于光刻胶掩膜图形200的厚度不作限制。
96.进一步地，形成的光刻胶掩膜图形200的直径为2.0μm～2.3μm，高度为2.0μm～3.0μm，周期为3.0μm
×
3.0μm；上述刻蚀方法获得的圆锥状凸起结构的高度为1.6～1.9μm，底部宽度为2.6μm～2.9μm。
97.此处需要说明的是，相比于其他蓝宝石衬底100的刻蚀方法，上述刻蚀方法能够实现相同尺寸的柱状光刻胶掩膜图形200可以刻蚀出尺寸较大的圆锥状凸起结构，也即，若想刻蚀出相同的圆锥状凸起结构，柱状光刻胶掩膜图形200相比于其他形状的光刻胶掩膜图形200具有更小的尺寸。
98.基于上述蓝宝石衬底100的刻蚀方法，本技术实施例还公开了一种图形化蓝宝石衬底100，该图形化蓝宝石衬底100是由上述蓝宝石衬底100刻蚀方法得到的。
99.可选地，图形化蓝宝石衬底100可以包括蓝宝石衬底100和形成在蓝宝石衬底100上的多个微图形，即为圆锥状凸起结构，这些微图形的纵截面形状呈三角形。基于此，使得蓝宝石衬底100的侧壁几乎不存在弧度，从而可以使更多的光逃逸出器件，提高了光提取效率，进而提高了芯片的亮度。
100.可选地，微图形的高度可以为1.6μm～1.9μm，微图形的底部宽度为2.6μm～2.9μm，微图形的侧壁弧度为0nm。此处需要说明的是，微图形的理想形状为纵截面为三角形，此时侧壁弧度为0nm，当然，实际情况下，微图形的侧壁的弧度还可以接近于0nm，此时同样可以保证芯片具有足够的亮度。
101.本技术实施例中，图形化蓝宝石衬底100的侧壁弧度为0nm或接近于0nm，适用于蓝光led、绿光led、miniled、microled等led芯片的mocvd外延生长衬底。如图4所示，led芯片的结构包括pss衬底100、led芯片结构层300和led芯片外延层400。基于此，可以提高led芯片的光提取效率，提升led芯片亮度。
102.综上所述，本技术实施例中，在蓝宝石衬底100的刻蚀过程中进行掩膜形貌的修饰，从而保持蓝宝石衬底100的侧壁无突兀拐角，进而获得弧度为0nm或接近于0nm的理想图形。因此，可以有效提高led芯片光提取效率，提升led芯片亮度。
103.上面结合附图对本技术的实施例进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本技术的保护之内。