同心圆掩膜版、图形化衬底及制造方法

摘要

本发明提供一种同心圆掩膜版，包括：一光刻板，所述光刻板上具有同心圆阵列，每个所述同心圆由内向外依次具有内圆、中间环和外圆环，每个所述同心圆的内圆和外圆环对应的部分不透光。本发明还提供一种利用所述的同心圆掩膜版制造的图形化衬底，所述图形化衬底具有阵列分布的皇冠型结构，所述皇冠型结构的中心顶部为三角圆锥形。以及本发明还提供一种图形化衬底的制造方法。本发明利用同心圆掩膜版可以简化皇冠型结构的图形化衬底的制造流程，降低成本的同时，避免量产时由于光刻图形套刻无法准确控制所造成的刻蚀后皇冠形貌差异、甚至变形所带来的片间重复性问题。

说明书

技术领域

本发明属于半导体装置领域，尤其涉及一种同心圆掩膜版、图形化衬底及 制造方法。

背景技术

目前，GaN基(氮化镓基)LED(发光二极管)已经广泛应用于全色显示、 交通信号灯、液晶背光显示，并逐步进入照明领域。为了满足下一代投影仪、 汽车大灯和高端市场的要求，人们一直在努力提高光功率和外量子效率。通常 LED的亮度可以表示为内量子效率和外量子效率的乘积(假设电流注入效率为 100％)。一方面，由于晶格失配和热膨胀系数较大，蓝宝石衬底上通过GaN基 形成的外延层仍然具有很高的线位错密度(Threading Dislocation Densities， TDD)(10⁸～10¹⁰cm^-2)，这会导致内量子效率的衰竭。为了改善GaN基在蓝宝 石衬底上的外延质量，人们提出了各种生长技术，比如横向外延过生长(Epitaxy  of Lateral Over-growth，ELOG)、微米级SiNx(氮化硅)或SiOx(氧化硅)图 形化掩膜和图形化蓝宝石基板(Patterned Sapphire Substrate，PSS)。另一方面， GaN基的高折射率限制了发射光的逃逸角度只为23°，导致光提取效率(LEE) 低。为了改善光提取效率，人们也同样提出了各种方法，如PSS、粗化的P型 氮化镓层(P-GaN层)、激光剥离技术和嵌埋在LED结构中的空洞。

例如，现有技术中存在用两次曝光+SiO2(二氧化硅)来制作皇冠型图形化 蓝宝石基板(CPSS)，具体做法是：1)在蓝宝石衬底上淀积200nm厚度的SiO2， 用过曝光的方法将SiO2通过湿法刻蚀(BOE)图形化；2)再用同一光罩将光 刻胶图形化；3)最后用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀制备出皇冠型PSS蓝宝 石衬底。虽然这种CPSS对提升LED亮度有显著作用，但制造过程中需曝光2 次，且要淀积SiO2，因此工艺复杂，成本也高；而且量产时存在光刻图形套刻 无法准确控制，造成刻蚀后皇冠形貌差异，甚至变形，会带来片间重复性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同心圆掩膜版、图形化衬底及制造方法，以便 利用同心圆掩膜版简化皇冠型结构的图形化衬底的制造流程，降低成本的同时， 避免量产时由于光刻图形套刻无法准确控制所造成的刻蚀后皇冠形貌差异、甚 至变形所带来的片间重复性问题。

为了解决上述问题，本发明提供一种同心圆掩膜版，所述同心圆掩膜版包 括：一光刻板，所述光刻板上具有同心圆阵列，每个所述同心圆由内向外依次具 有内圆、中间环和外圆环，每个所述同心圆的内圆和外圆环对应的部分不透光。 进一步的，所述同心圆相邻的距离相等。

进一步的，所述同心圆中的内圆直径为0.8-1微米。

进一步的，所述同心圆中的中间环外直径为1.4-1.6微米。

进一步的，所述同心圆中的外圆环外直径为3-3.2微米。

为了达到本发明的另一方面，还提供一种利用所述的同心圆掩膜版制造的 图形化衬底，所述图形化衬底具有阵列分布的皇冠型结构，所述皇冠型结构的 中心顶部为三角圆锥形。

进一步的，所述皇冠型结构等距离排列分布。

进一步的，所述图形化衬底的尺寸为2英寸或4英寸。

为了达到本发明的又一方面，还提供一种图形化衬底的制造方法，所述制 造方法包括：

步骤1：在蓝宝石衬底上涂布光刻胶；

步骤2：利用所述的同心圆掩膜版对所述光刻胶进行曝光，并对所述光刻胶 显影和烘烤，以在所述光刻胶上形成光刻图形，所述光刻图形为圆柱体，所述 圆柱体中具有一环形凹槽，所述环形凹槽的深度小于所述圆柱体的高度；

步骤3：用三氯化硼气体对所述光刻图形和蓝宝石衬底进行多次干法主刻 蚀，以使对应所述光刻图形的蓝宝石衬底形成圆柱体，并当所述光刻图形暴露 出所述蓝宝石衬底形成的圆柱体，停止刻蚀；

步骤4：利用三氯化硼气体和氩气体进行干法过刻蚀，以使所述蓝宝石衬底 形成图形化衬底，所述图形化衬底具有阵列分布的皇冠型结构，所述皇冠型结 构的中心顶部为三角圆锥形；

步骤5：去掉残余的光刻胶，并将所述图形化衬底清洗干净。

进一步的，所述蓝宝石衬底的尺寸为2英寸或4英寸。

进一步的，所述光刻胶是厚度为1.6～3.0微米的正性光刻胶。

进一步的，所述曝光时间为150～300毫秒。

进一步的，所述烘烤温度为120-150℃，烘烤时间为5-10分钟。

进一步的，所述干法主刻蚀进行的刻蚀次数随所述光刻胶厚度的增加而增 多。

进一步的，所述干法主刻蚀的刻蚀参数为：每次刻蚀时间为360～1080秒， 间隔时间为20秒，腔体气压为2.7毫托～4.7毫托，上电极功率为1200瓦～3600 瓦，内外圈电流比为5～15。

进一步的，所述干法过刻蚀分两步进行，第一步刻蚀的参数为：三氯化硼 气体和氩气体的流量比为100∶10，刻蚀时间为360～1080秒，下电极功率为40 瓦～120瓦，第二步刻蚀的参数为：三氯化硼气体和氩气体的流量比为10∶100， 刻蚀时间为0～360秒，下电极功率为140～420瓦。

进一步的，所述皇冠型结构等距离排列分布。

与现有技术相比，本发明公开的一种同心圆掩膜版，由于所述同心圆掩膜 版由在同一光刻板上阵列分布的同心圆构成，每个所述同心圆由内向外依次具 有内圆、中间环和外圆环，每个所述同心圆的内圆和外圆环对应的部分不透光， 所以简化了制作CPSS的工艺，从原来的SiO2淀积和2次曝光简化为所述同心 圆掩膜版一次曝光，操作简单，降低了成本，对曝光后的蓝宝石衬底进行干法 刻蚀，便完成了具有CPSS的图形化衬底的制造，避免了原来的光刻图形套刻无 法准确控制的问题，解决了生产的可重复性，非常适用于大生产。而通过本发 明的制造方法获得的图形化衬底可提高GaN基LED发光效率。

附图说明

图1为本发明一实施例的同心圆掩膜版的结构示意图；

图2为图1中一同心圆的结构示意图；

图3为本发明一实施例的图形化衬底的制造方法的流程示意图；

图4a至图4f为本发明一实施例的图形化衬底的制造方法过程中的器件结构 示意图；

图4g为本发明一实施例的图形化衬底的制造方法形成的器件的效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对 本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明 能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背 本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

本发明提供一种同心圆掩膜版，如图1所示，所述同心圆掩膜版包括一光 刻板，所述光刻板上具有同心圆阵列，每个所述同心圆1由内向外依次具有内 圆2、中间环3和外圆环4，每个所述同心圆1的内圆2和外圆环4对应的部分 不透光。所述内圆2和外圆环4对应的部分不透光是因为所述光刻板位于一石 英基板上，所述石英基板透光，而在所述石英基板上对应所述同心圆1的内圆2 和外圆环4的地方镀上一层不透光的材料如铬等。

具体的，如图2所示，以下进行具体说明：

所述同心圆1中的内圆直径D1为0.8微米，所述同心圆1中的中间环外直 径D2为1.6微米，所述同心圆1中的外圆环外直径D3为3.2微米，故所述同 心圆1中的内圆和外圆环内直径的间隙为0.4微米；或者

所述同心圆1中的内圆直径D1为1微米，所述同心圆1中的中间环外直径 D2为1.6微米，所述同心圆1中的外圆环外径为3.2微米，故所述同心圆1中 的内圆和外圆环内直径的间隙为0.3微米；或者

所述同心圆1中的内圆直径D1为0.8微米，所述同心圆1中的中间环外直 径D2为1.4微米，所述同心圆1中的外圆环外直径D3为3微米，故所述同心 圆1中的内圆和外圆内直径的间隙为0.3微米；或者

所述同心圆1中的内圆直径D1为1微米，所述同心圆1中的中间环外直径 D2为1.4微米，所述同心圆1中的外圆环外直径D3为3微米，故所述同心圆1 中的内圆和外圆内直径的间隙为0.2微米。

因此，所述同心圆1中的内圆直径D1为0.8-1微米，而所述同心圆1中的 中间环外直径D2为1.4-1.6微米，且所述同心圆1中的外圆环外直径D3为3-3.2 微米。并且所述同心圆1相邻的距离S1相等。在本实施例中，上述各直径的具 体数值用于更好的说明和理解本发明，但不限定于本发明。

利用所述的同心圆掩膜版，本发明还提供一种图形化衬底的制造方法，参 见图3，并结合图4a至图4f，所述制造方法包括：

步骤1：在蓝宝石衬底5上涂布光刻胶6，如图4a所示，所述蓝宝石衬底5 的尺寸为2英寸或4英寸，而所述光刻胶6是厚度为1.6～3.0微米的正性光刻胶。

步骤2：利用所述的同心圆掩膜版对所述光刻胶6进行一次曝光，所述曝光 时间为150～300毫秒(ms)，利用所述同心圆1的内圆2和外圆环4对应的部分 不透光的特性，使对应于所述同心圆掩膜版中的所述同心圆1的内圆2和外圆 环4的所述光刻胶仍存在，所述同心圆1未对应的光刻胶全部去除，暴露出所 述蓝宝石衬底5，而所述同心圆1的中间环对应的所述光刻胶部分去除，这是由 于所述同心圆1中的内圆和外圆内直径的间隙小，导致去除所述中间环对应的 光刻胶的速度比去除所述同心圆1未对应的光刻胶的速度慢。

之后，对仍存在的所述光刻胶显影和烘烤，所述烘烤温度为120-150℃，烘 烤时间为5-10分钟，以在所述光刻胶上形成光刻图形7，所述光刻图形7之间 的间隔与所述同心圆1的间隔相同，所述光刻图形7为圆柱体，所述圆柱体中 具有一环形凹槽，所述环形凹槽的深度H1小于所述圆柱体的高度H2，如图4b 和4c所示，图4b是利用所述的同心圆掩膜版对所述光刻胶6进行一次曝光后 对应的器件结构示意图，图4c为图4b对应的剖视图。

步骤3：利用三氯化硼气体(BCl3)先对所述光刻图形7和蓝宝石衬底5 进行多次干法主刻蚀，以使对应所述光刻图形7的蓝宝石衬底被刻蚀成一圆柱 体，当所述光刻图形7一暴露出由所述蓝宝石衬底5形成的圆柱体时，停止刻 蚀，如图4d所示，每次刻蚀时间为360～1080s(优选为720s)，间隔为20s，腔 体气压为2.7毫托～4.7毫托(优选为3.7毫托)，上电极功率为1200瓦～3600瓦 (优选为2400瓦)，内外圈电流比为5～15(优选为10)。

对应步骤1中的光刻胶厚度的不同，利用BCl3气体进行干法主刻蚀的次数 可以调整，如光刻胶厚度为1.6微米时，步骤3的干法主刻蚀为3次，如光刻胶 厚度为3.0微米时，步骤3的干法主刻蚀为5次，其他参数不变。

步骤4：利用流量比为100∶10的BCl3气体和氩气体(Ar)进行干法过刻蚀， 刻蚀时间为360～1080秒(s)(优选为720s)，下电极功率为40瓦～120瓦(优选 为80瓦)，再利用流量比为10∶100的BCl3气体和氩气体(Ar)进行干法过刻 蚀，刻蚀时间为0～360s(优选为180s)，下电极功率为140～420瓦(优选为280 瓦)，以使所述蓝宝石衬底5形成图形化衬底8，所述图形化衬底8具有阵列分 布的皇冠型结构9，所述皇冠型结构9的中心顶部为近似三角圆锥形10，在所 述三角圆锥形10的顶部还残留所述光刻胶6，如图4e所示。

步骤5：继续用浓硫酸和过氧化氢(H₂O₂)的混合溶液去掉残余的光刻胶6， 并将所述图形化衬底8清洗干净，如图4f和图4g。

在完成步骤1至5之后，形成了本发明所公开的一种所述图形化衬底8，所 述图形化衬底8用于提高GaN基LED芯片的发光效率，如图4f所示，所述图 形化衬底8具有阵列分布的皇冠型结构9，所述皇冠型结构9的中心顶部为三角 圆锥形10。

具体的，所述图形化衬底8的尺寸为2英寸或4英寸。由于所述同心圆1 相邻的距离为S1，故所述图形化衬底8形成的所述皇冠型结构9按照间隔S1 等距离排列分布，且所述皇冠型结构9的底部圆心、所述三角形10的底部圆心 与所述同心圆1中的内圆2圆心在俯视方向上重合。

因此运用所述的同心圆掩膜版，可以简化制作CPSS的工艺，从原来的SiO2 淀积和2次曝光简化为所述同心圆掩膜版一次曝光，操作简单，降低了成本， 对曝光后的蓝宝石衬底进行干法刻蚀，便完成了具有CPSS的图形化衬底的制 造，避免了原来的光刻图形套刻无法准确控制的问题，解决了生产的可重复性， 非常适用于大生产。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修 改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。