桥链型图形化蓝宝石衬底、制备方法及LED外延片

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种桥链型图形化蓝宝石衬底、制备方法及LED外延片。

背景技术

众所周知，图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，PSS)处于整个发光二极管(Light Emitting Diode，LED)显示行业的中上游，对整个LED显示行业起着重要作用。PSS技术是通过微加工方式对蓝宝石表面进行处理，以得到具有一定周期性图案结构。图案界面能改变到达GaN-蓝宝石界面处光线入射角，从而抑制LED内部全反射，增加光子溢出，提升GaN基LED器件光提取效率。此外，由于图形斜面存在，PSS衬底上外延的GaN薄膜生长方式发生变化，外延层位错密度得到降低，有源层(MQW)的内量子效率显著提升，还可以减少LED芯片反向漏电流，提高LED芯片使用寿命等众多优点。但随着LED显示行业迅猛发展，消费市场对产品品质及亮度的要求越来越高，目前传统微纳米图形化蓝宝石衬底的LED芯片很难满足需求。

发明内容

本发明提供一种桥链型图形化蓝宝石衬底、制备方法及LED外延片，以通过桥接的图形微结构有效增大衬底反射面积，提高光的反射效率，增加LED芯片的亮度。

第一方面，本发明实施例提供了一种桥链型图形化蓝宝石衬底，包括：

蓝宝石基底；

多个微结构，所述多个微结构位于所述蓝宝石基底上，相邻的两个所述微结构至少底部通过脊状的桥链结构连接。

可选地，由一个所述微结构到另一所述微结构的方向上，连接该两个所述微结构的所述桥链结构的宽度不变或者由大变小再变大。

可选地，所述桥链结构的宽度为50～1000nm。

可选地，由一个所述微结构到另一所述微结构的方向上，连接该两个所述微结构的所述桥链结构的高度不变或者由大变小再变大。

可选地，所述微结构的形状包括圆锥型、圆柱型、圆台型、多棱锥型、多棱柱型、多棱台型中的至少一种。

可选地，所述微结构的在所述蓝宝石基底上的投影图形的尺寸为0.5～5μm。

第二方面，本发明实施例还提供了一种LED外延片，包括如第一方面任一项所述的桥链型图形化蓝宝石衬底，还包括位于所述桥链型图形化蓝宝石衬底上的外延层。

第三方面，本发明实施例还提供了一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，包括：

提供一掩膜版和一蓝宝石基底；

在所述蓝宝石基底上形成光刻胶层；

以所述掩膜版对所述光刻胶层进行曝光显影，形成光刻胶掩膜；

通过所述光刻胶掩膜对所述蓝宝石基底进行刻蚀，以形成多个微结构；其中，相邻的两个所述微结构至少底部通过脊状的桥链结构连接。

可选地，所述掩膜版包括多个第一掩膜图形，相邻的两个所述第一掩膜图形之间通过第二掩膜图形连接，所述第二掩膜图形呈条形；

由一个所述第一掩膜图形到另一个所述第一掩模图形的方向上，所述第二掩膜图形的宽度不变或者由大变小再变大。

可选地，所述掩膜版包括多个第一掩膜图形，相邻的两个所述第一掩膜图形均连接有一个第三掩膜图形，且该两个所述第三掩膜图形均沿该两个所述第一掩膜图形的连线延伸，且该两个所述第一掩膜图形和两个所述第三掩模图形呈轴对称图形。

可选地，所述光刻胶掩膜包括多个第四掩膜图形，相邻的两个所述第四掩膜图形之间通过第五掩膜图形连接，所述第五掩膜图形呈条形；

由一个所述第四掩膜图形到另一个所述第四掩模图形的方向上，所述第五掩膜图形的宽度不变或者由大变小再变大。

可选地，所述光刻胶掩膜包括多个第四掩膜图形，相邻的两个所述第四掩膜图形均连接有一个第六掩膜图形，且该两个所述第六掩膜图形均沿该两个所述第四掩膜图形的连线延伸，且该两个所述第四掩膜图形和两个所述第六掩模图形呈轴对称图形。

可选地，所述掩膜版包括多个相互独立的第七掩膜图形；

通过所述光刻胶掩膜对所述蓝宝石基底进行刻蚀，以形成多个微结构，包括：

调节刻蚀工艺参数，通过多个相互独立的所述第七掩膜图形对所述蓝宝石基底进行刻蚀，在所述蓝宝石基底上形成多个原始微结构，所述原始微结构的底部相互连接；

改变刻蚀工艺参数，通过所述光刻胶掩膜对所述多个原始微结构进行修饰，以形成所述微结构，且所述原始微结构相连接的位置形成脊状的所述桥链结构。

本发明实施例中，通过在蓝宝石基底上设置微结构，并设置相邻的两个所述微结构至少底部通过脊状的桥链结构连接，不仅可以通过微结构减少蓝宝石基底上的平面面积，在外延生长时，减少外延层晶体的应力，使外延层位错减少，晶格缺陷减少，从而保证外延层的质量；同时，利用微结构与外延层形成倾斜的交界面，增加衬底与外延层的反射界面，增大交界面的反射面积，提高光线的反射效率。在此基础上，还可通过微结构之间设置脊状的桥链结构，占据微结构之间的平面，同时使该位置具有凸起结构，与外延层形成交界界面，进一步地避免蓝宝石衬底上外延生长时的位错缺陷，改善外延质量；同时一定程度上还能增加衬底与外延层的反射界面，增大反射界面面积，进一步改善光线的反射效率，使外量子提取率和LED芯片的亮度获得提高，实现高亮度的图形化蓝宝石衬底。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法流程图；

图3是图2所示桥链型图形化蓝宝石衬底制备方法的结构流程图；

图4是本发明实施例提供的多种桥链型图形化蓝宝石衬底的局部结构示意图；

图5是图1所示桥链型图形化蓝宝石衬底的局部俯视图；

图6是本发明实施例提供的另一种桥链型图形化蓝宝石衬底的局部俯视图；

图7和图8是本发明实施例提供的两种掩膜版的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的又一种掩膜版的结构示意图；

图10和图11是本发明实施例提供两种光刻胶掩膜的结构示意图；

图12是本发明实施例提供又一种光刻胶掩膜的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的另一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法流程图；

图14是本发明实施例提供的又一种掩膜版的结构示意图；

图15是本发明实施例提供的一种光刻胶掩膜在不同放大倍率下的剖面SEM测试图；

图16是本发明实施例提供一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的剖面SEM测试图；

图17是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的俯视SEM测试图；

图18是本发明实施例提供的又一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的俯视SEM测试图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底的结构示意图，该桥链型图形化蓝宝石衬底包括：蓝宝石基底10；多个微结构20，多个微结构20位于蓝宝石基底10上，相邻的两个微结构20至少底部通过脊状的桥链结构30连接。

其中，微结构20由蓝宝石基底10表面经过图形化形成，同时，脊状的桥链结构30也是由蓝宝石基底10的表面经过图形化形成。微结构20和脊状的桥链结构30与蓝宝石基底10实质上为一体结构，其材质相同。脊状的桥链结构30分别连接两个相邻的微结构20，其实质上是占据了两个相邻微结构20之间的间隙，使间隙处的蓝宝石基底平面变为图形化的脊状凸起结构。

本领域技术人员可以理解，微结构20的作用一方面可以减少蓝宝石基底上的平面面积，在外延生长时，微结构20可以减少外延层晶体的应力，使外延层位错减少，晶格缺陷减少，从而保证外延层的质量。同时，微结构20的侧壁可以与外延层形成倾斜的交界面，增加了衬底与外延层的反射界面，增大了交界面的反射面积，提高光线的反射效率。在此基础上，在微结构20之间设置脊状的桥链结构30，可以占据微结构20之间的平面，同时使该位置具有凸起结构，与外延层形成交界界面。因此，设置脊状的桥链结构30，可以进一步地避免蓝宝石衬底上外延生长时的位错缺陷，改善外延质量；同时一定程度上还能增加衬底与外延层的反射界面，增大反射界面面积，进一步改善光线的反射效率，使外量子提取率和LED芯片的亮度获得提高，实现高亮度的图形化蓝宝石衬底。

下面对该桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法进行介绍。图2是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法流程图，图3是图2所示桥链型图形化蓝宝石衬底制备方法的结构流程图，参考图2和图3，该制备方法包括：

S110、提供一掩膜版和一蓝宝石基底；

参考图3的a)图，该蓝宝石基底10实质为表面平整且单面抛光的蓝宝石平片，通过预先清洗，可以保证表面去除杂质。此处掩膜版为曝光用掩膜版，其上存在透光区域和遮光区域，该掩膜版的具体结构，此处暂不做详述。

S120、在蓝宝石基底上形成光刻胶层；

参考图3的b)图，光刻胶层是采用正性光刻胶或负性光刻胶涂覆在蓝宝石基底上，光刻胶层可采用涂覆、旋涂等工艺形成。

S130、以掩膜版对光刻胶层进行曝光显影，形成光刻胶掩膜；

参考图3的c)图，该步骤是利用掩膜版和曝光工艺，将光刻胶层的部分区域进行改性的过程。以正性光刻胶为例，可以理解，在曝光过程中掩膜版的透光区域透光，使得该区域的正性光刻胶变性，此区域的光刻胶易溶于特定的显影液。在显影时，未被光照的区域因未发生变性不易溶解，故而保留在该蓝宝石基底上构成光刻胶掩膜。

S140、通过光刻胶掩膜对蓝宝石基底进行刻蚀，以形成多个微结构；其中，相邻的两个微结构至少底部通过脊状的桥链结构连接。

参考图3的d)图，该步骤是对蓝宝石基底进行图形化的过程，以干法刻蚀为例，等离子体冲击蓝宝石基底，使得蓝宝石裸露的表面腐蚀。而由于蓝宝石基底上存在光刻胶掩膜，其掩膜图形可转移至蓝宝石基底上，使蓝宝石基底表面形成相应的图形结构。可以理解，曝光显影工艺和刻蚀工艺中的工艺参数，不仅会形成掩膜以及图形，还一定程度上影响了掩膜和图形的具体形状。本实施例中，蓝宝石基底表面形成的微结构和相互连接的桥链结构及其形状、尺寸等，可以通过调节和改变曝光工艺、刻蚀工艺中的工艺参数等，来获得微结构以及至少在微结构的底部形成脊状的桥链结构。

图4是本发明实施例提供的多种桥链型图形化蓝宝石衬底的局部结构示意图，参考图4，可选地，本发明实施例中，微结构20的形状可包括圆锥型、圆柱型、圆台型、多棱锥型、多棱柱型、多棱台型中的至少一种。此外，微结构20在蓝宝石基底10上的投影图形的尺寸可设置为0.5～5μm。以圆锥型的微结构为例，其底部直径可设置在0.5～5μm的范围内。

图5是图1所示桥链型图形化蓝宝石衬底的局部俯视图，参考图1和图5，具体地，该实施例中，可设置由一个微结构20到另一微结构20的方向上，连接该两个微结构20的桥链结构30的宽度L不变。此外，考虑到实际的刻蚀工艺制程中存在刻蚀误差，对于宽度不变的完全规整的桥链结构30而言，其制备难度较高，本发明实施例中，也可设置该桥链结构具备其他不同的形状。

图6是本发明实施例提供的另一种桥链型图形化蓝宝石衬底的局部俯视图，参考图6，在本发明的另一实施例中，也可设置由一个微结构20到另一微结构20的方向上，连接该两个微结构20的桥链结构30的宽度L由大变小再变大。该实施例中，受刻蚀精度的影响，桥链结构30实际上为中间窄且两端宽的连接结构，其底部图形的相对的两条边实质为双曲线。

如图5和图6所示，本发明实施例中，桥链结构的宽度需小于微结构的底部图形的尺寸。示例性地，以微结构为圆锥型、桥链结构为中间窄而两端宽的连接结构为例，圆锥型的底部图形为圆形，桥链结构的底部图形的最大宽度应保证小于该圆形的直径。具体地，本发明实施例中可设置桥链结构的宽度L为50～1000nm。

继续参考图1，可选地，可设置本发明实施例中，由一个微结构20到另一微结构20的方向上，连接该两个微结构20的桥链结构30的高度H不变。同样地，考虑到实际刻蚀工艺的精度问题，本发明实施例中的桥链结构也可以为其他不同的形状。继续参考图4，在本发明的其他实施例中，可设置由一个微结构20到另一微结构20的方向上，连接该两个微结构20的桥链结构30的高度H由大变小再变大。

基于上述的各种具体的桥链型图形化蓝宝石衬底，本发明实施例也提供了具体的实现方式。如图2和图3所示的制备方法中，为实现如图1的桥链型图形化蓝宝石衬底，可在步骤S110和步骤S120中设置和形成不同的掩膜。图7和图8是本发明实施例提供的两种掩膜版的结构示意图，参考图7，可选地，可设置掩膜版包括多个第一掩膜图形41，相邻的两个第一掩膜图形41之间通过第二掩膜图形42连接，第二掩膜图形42呈条形；由一个第一掩膜图形41到另一个第一掩模图形41的方向上，第二掩膜图形42的宽度不变。或者，参考图8，可选地，可设置掩膜版包括多个第一掩膜图形41，相邻的两个第一掩膜图形41之间通过第二掩膜图形42连接，第二掩膜图形42呈条形；由一个第一掩膜图形41到另一个第一掩模图形41的方向上，第二掩膜图形42的宽度由大变小再变大。

可以理解，通过上述的两种掩膜版，可以在步骤S120中形成对应图案的光刻胶掩膜，进而以该光刻胶掩膜在蓝宝石基底上刻蚀，形成对应于第一掩膜图形的微结构，以及形成对应于第二掩膜图形的桥链结构。

本发明实施例还提供了另外一种掩膜版，图9是本发明实施例提供的又一种掩膜版的结构示意图，参考图9，可选地，该掩膜版包括多个第一掩膜图形41，相邻的两个第一掩膜图形41均连接有一个第三掩膜图形43，且该两个第三掩膜图形43均沿该两个第一掩膜图形41的连线延伸，且该两个第一掩膜图形41和两个第三掩模图形43呈轴对称图形。

需要说明的是，第三掩膜图形43实质上是连接第一掩膜图形41的触角图形，其实质上是两个相邻的第一掩膜图形41连线上设置的图形，该两个第三掩膜图形43并未实现连接。然而，可以理解，在步骤S120中，通过适当改变曝光量，可以使该两个第三掩膜图形43在光刻胶层上形成对应的掩膜，而且，由于曝光量的原因，该两个掩膜会实现连接。换言之，通过曝光量参数的调节，可以利用上述的第一掩膜图形和第三掩膜图形，在光刻胶掩膜中形成对应的且相连接的两个掩膜图形。以该掩膜图形，可以实现对蓝宝石基底的蚀刻获得对应的微结构和连接相邻两个微结构的桥链结构。

由上可知，由于曝光参数的变化，对显影形成的光刻胶掩膜的影响较大，因此，针对步骤S120，本发明实施例同样提供了具体地实施方式。图10和图11是本发明实施例提供两种光刻胶掩膜的结构示意图，参考图10，可选地，可设置光刻胶掩膜包括多个第四掩膜图形44，相邻的两个第四掩膜图形44之间通过第五掩膜图形45连接，第五掩膜图形45呈条形；由一个第四掩膜图形44到另一个第四掩模图形44的方向上，第五掩膜图形45的宽度不变。或者，参考图11，也可设置光刻胶掩膜包括多个第四掩膜图形44，相邻的两个第四掩膜图形44之间通过第五掩膜图形45连接，第五掩膜图形45呈条形；由一个第四掩膜图形44到另一个第四掩模图形44的方向上，第五掩膜图形45的宽度由大变小再变大。

图12是本发明实施例提供又一种光刻胶掩膜的结构示意图，参考图12，可选地，可设置光刻胶掩膜包括多个第四掩膜图形44，相邻的两个第四掩膜图形44均连接有一个第六掩膜图形46，且该两个第六掩膜图形46均沿该两个第四掩膜图形44的连线延伸，且该两个第四掩膜图形44和两个第六掩模图形46呈轴对称图形。

需要说明的是，如图11和图12所示的光刻胶掩膜中，连接相邻的两个第四掩膜图形44的第五掩膜图形45的宽度由大变小再变大，或者相邻的两个第四掩膜图形44分别连接的两个第六掩膜图形46，可以是采用相同图案的掩膜版直接曝光显影形成，也可以理解为采用如图7所示的掩膜版经过曝光过程离焦而形成。可以理解，尽管如图7所示的掩膜版中，连接相邻的两个第一掩膜图形41的第二掩膜图形42的宽度不变，然而在离焦曝光时，第二掩膜图形42中间区域对应的光刻胶层位置处，也会存在少量曝光，从而导致该位置处的光刻胶易溶于显影液，从而形成如图11所示中间宽度较窄的第五掩膜图形45，甚至形成如图12所示两个第六掩膜图形46。

此外，本发明实施例还提供一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法流程图，该制备方法中，掩膜版包括多个相互独立的第七掩膜图形。图13是本发明实施例提供的另一种桥链型图形化蓝宝石衬底的制备方法流程图，参考图13，该制备方法包括：

S210、提供一掩膜版和一蓝宝石基底，掩膜版包括多个相互独立的第七掩膜图形；

图14是本发明实施例提供的又一种掩膜版的结构示意图，参考图14，该掩膜版为常规掩膜版，其中包括多个相互独立的第七掩膜图形47。

S220、在蓝宝石基底上形成光刻胶层；

S230、以掩膜版对光刻胶层进行曝光显影，形成光刻胶掩膜；

S241、调节刻蚀工艺参数，通过多个相互独立的第七掩膜图形对蓝宝石基底进行刻蚀，在蓝宝石基底上形成多个原始微结构，原始微结构的底部相互连接；

S242、改变刻蚀工艺参数，通过光刻胶掩膜对多个原始微结构进行修饰，以形成微结构，且原始微结构相连接的位置形成脊状的桥链结构。

基于本发明提供的多种实施方式，下面以一具体示例，对本发明的桥链型图形化蓝宝石衬底及制备方法进行介绍。图15是本发明实施例提供的一种光刻胶掩膜在不同放大倍率下的剖面SEM测试图，图16是本发明实施例提供一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的剖面SEM测试图，图17是本发明实施例提供的一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的俯视SEM测试图，图18是本发明实施例提供的又一种桥链型图形化蓝宝石衬底在不同放大倍率下的俯视SEM测试图。该制备方法包括：

S311、制备一款特制的周期性圆形掩膜版，掩膜版规格为13×13mm～2200×820nm，相邻周期性圆形掩膜图形之间采用矩形的掩膜图形连接，连接掩膜规格为200×820nm，参考图5。

S312、提供一表面平整且抛光的蓝宝石平片，先经过140℃的浓H

S320、在蓝宝石平面涂覆一层正性光刻胶涂层，涂层厚度为0.5～3.0μm。并使用上述掩膜版在晶片表面涂层上曝光，曝光时长为50～500毫秒，后经显影制备出周期性圆柱形掩膜图形，且相邻的圆柱形掩膜图形之间存在一定的触角相连，如图15所示。

S330、将处理后的蓝宝石平片送入刻蚀机中进行等离子体干法刻蚀，刻蚀机上电极功率为200～2000W，下电极功率为100～1200W，BCL

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种LED外延片，该LED外延片包括上述实施例提供的任意一种桥链型图形化蓝宝石衬底，还包括位于桥链型图形化蓝宝石衬底上的外延层。

由于对于不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，对于本发明实施例提供的桥链型图形化蓝宝石衬底，对应的LED外延片上的外延层可以是GaN、AlGaN外延层等。并且，由于该LED外延片采用上述实施例的桥链型图形化蓝宝石衬底，因此，具备该蓝宝石衬底相同或相应的技术效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。