[发明专利]一种用于制备图形衬底的一体化湿法腐蚀设备

说明书

技术领域

本发明涉及微电子机械设备技术及半导体发光材料的图形衬底制备技术领域。特别涉及一种BOE溶液湿法腐蚀蓝宝石得到图形衬底的一体化湿法腐蚀设备。

背景技术

近年来环境保护、减少污染等问题频频出现，已从相关机构发展成为全民关注问题再到全民参与、全民建设上。而环保、节能以及新能源的高科技产品已经成为近年来引领国际新行业发展、开拓经济增长点的主要领域。而伴随着半导体发光材料的不断发展，GaN（氮化镓）基发光二极管（LED）在今年来被发明。其10倍于白炽灯的节能特性、无汞污染、惰性气体污染以及小体积、灵活等优点，使其成为传统光源的有力替代。被认为是既白炽灯、荧光灯后的第三代照明产品而引发了全球化的固态照明革命，被广发应用在照明、显示、背光灯各个领域。从环保、安全性、健康性等多方面均有突出表现均展示了其突出表现。世界各国包括我国政府，已把发展照明工程列为实现构建资源节约型和环境友好型国家这一基本国策的重要战略举措。

而随着GaN基LED产品在照明领域的应用愈加深入，对其高亮度和功率化的需求也愈加明显。由于GaN材料的目前主要使用异质外延技术，蓝宝石衬底为主要衬底，然而GaN和蓝宝石衬底之间的晶格常数失配度超过14%，热失配度相差一倍多，这样大的晶格失配度以及热胀差别必然会引起在蓝宝石衬底上生长的GaN外延片的残存应力问题。因此，由残存应力、晶格失配和热失配引起的高密度位错，带来发光器件的效率和寿命下降，大量GaN相关材料、器件和工艺研究集中于克服由于非GaN衬底的异质外延带来的问题，因而GaN基发光材料的生长过程变得复杂而低效率；此外，由于GaN材料的高折射率，使得从LED有源区发出的绝大部分光受到全反射而限制在芯片中，发光器件的外量子效率一般在40%以下。

而随着GaN基LED器件应用领域越来越广泛，对其功率化、高亮度的需求越来越高，以简单的异质衬底——蓝宝石衬底生长的GaN基LED器件很难满足市场对LED器件的亮度需求。为了实现大功率GaN基LED的通用照明，克服传统的蓝宝石衬底上外延生长带来的高位错密度的问题，同时，运用新的技术手段，提高光导出效率是最迫切的需求和最关键的环节。故一种新的工艺方法应运而生，就是蓝宝石图形衬底亦称为PSS。在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案，藉以控制LED之输出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加光的取出率)，同时，利用图案化蓝宝石衬底生长GaN外延片时会使GaN层在生长过程中出现横向合并，而是位错在越过图形时出现弯折合并，从而减少生长的GaN之间的位错密度，改善晶体质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与生长于一般蓝宝石衬底的LED相比，亮度增加了30%以上。

蓝宝石材料的化学性质十分稳定，且硬度极高，一般的物理加工手段也难以实施。目前常用方法可以分为干法刻蚀和高温强酸湿法刻蚀两种方法。

其中，干法刻蚀PSS主要是通过在蓝宝石衬底上涂覆厚膜光刻胶，利用曝光技术在光刻胶上刻出图形，并以其为掩膜用ICP（等离子诱导刻蚀设备）等干法刻蚀设备进行干法刻蚀，得到最后的蓝宝石图形衬底。干法刻蚀制备图形化蓝宝石衬底是目前PSS衬底制备的主要生产工艺，其主要特点是生产较为稳定。然而，由于使用ICP（等离子诱导刻蚀设备）设备，极大的增加了制备成本，降低了产能。使用ICP设备制备PSS，目前一次制备最高数量为22片，需用时40分钟以上，且由于刻蚀需要光刻胶做掩膜，这也对于前段的光刻工艺提出了很高的要求，光刻胶掩膜厚度均匀性等工艺要求极高。同时，由于设备均匀性问题，其并不适合4英寸甚至6英寸图形化蓝宝石衬底的制备。同时，在用干法刻蚀制备图形衬底时容易对蓝宝石衬底表面，特别是台面边缘部位，造成一定的污染和损伤，不利于外延层晶体质量的进一步提高。在外延生长过程中，反应物在衬底的台面，槽中包括槽侧壁上都生长，并且侧壁生长物会和台面侧向外延层结合。而侧壁面是由干法刻蚀形成的被严重损伤的面，在这种面上生长的物质必然有非常高的位错密度，其中部分位错将延伸到上层侧向外延层中，必将降低外延层质量，不利于进一步提高器件性能。