CN102610578A - 一种矩阵式蓝宝石衬底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种矩阵式蓝宝石衬底，包括衬底本体（1），其特征在于所述衬底本体（1）的表面设有纵横交错布置的刻槽（2），所述矩阵式蓝宝石衬底的制备方法工艺步骤为：抛光蓝宝石衬底、上光阻、软烤、曝光、预烤、显影、ICP蚀刻蓝宝石衬底、清洗光阻、CMP、清洗蓝宝石衬底。该矩阵式蓝宝石衬底容易从芯片上激光剥离，可以重复利用，节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石衬底，特别涉及一种矩阵式蓝宝石衬底及其制备方法，属于蓝宝石领域。
背景技术
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前市面上一般有三种材料可作为衬底：蓝宝石衬底、硅衬底、碳化硅衬底。
单晶的蓝宝石衬底材料可用来制作蓝光/白光/紫外光发光二极管和激光二极管，还有高频的微波以及高压大功率器件。事实上，单晶蓝宝石衬底材料的作用是：作为模板来制作单晶的氮化镓薄膜（氮化镓材料的能隙为3.4伏）。
单晶的蓝宝石晶体材料具有较高熔点及硬度较高的特点。并且，它的化学性质不活泼，能抵抗各种化学物的腐蚀。正因为如此，生产单晶的蓝宝石晶体材料需要消耗很大的电能。而且，晶体生长周期长达数十天，成品率亦偏低。这样，生产单晶的蓝宝石晶棒材料的成本很高。另外，从蓝宝石晶棒加工成晶片的工艺也比较复杂。因此，生产单晶的蓝宝石衬底材料的成本相当高。
单晶的蓝宝石衬底材料经过外延生长（MOCVD）以及芯片工艺加工后，可以使用激光剥离（LLO）工艺。但是，带有衬底的芯片，必须切割成小块（通常尺寸小于1mm x 1mm），然后进行激光剥离。到目前为止，在国际上只有JPSA公司拥有最新的激光剥离技术，可以从蓝宝石衬底材料上将氮化镓薄膜有效分离。利用这种技术产生的激光如果要保证均匀的能量密度分布，可以达到的最大面积为5 × 5毫米，还是无法进行大面积的激光剥离。剥离下来的小块的蓝宝石材料，即使再大一点的尺寸， 如2mm x 2mm，3mm x 3mm，甚至更大的尺寸，都无法回收使用。这样，产品的制作成本就相应提高了，还造成资源的严重浪费。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种容易从芯片上激光剥离，可以重复利用的矩阵式蓝宝石衬底及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种矩阵式蓝宝石衬底，包括衬底本体，所述衬底本体的表面设有纵横交错布置的刻槽。
所述衬底本体的厚度为200um~1200um，所述刻槽的深度为1nm~500um，所述刻槽的宽度为0.1nm~5.0mm，所述纵横交错布置的刻槽之间的距离为1mm~50mm。
所述矩阵式蓝宝石衬底制备方法的工艺步骤如下：
步骤一、抛光蓝宝石衬底
对研磨过的蓝宝石衬底进行抛光；
步骤二、上光阻
将蓝宝石衬底置于自动匀胶机上进行上光阻；
步骤三、软烤
将蓝宝石衬底置于加热板上进行软烤；
步骤四、曝光
对蓝宝石衬底进行曝光；
步骤五、预烤
将蓝宝石衬底进行预烤；
步骤六、显影
将蓝宝石衬底放在自动显影机中进行显影；
步骤七、ICP蚀刻蓝宝石衬底
将蓝宝石衬底放入ICP刻蚀机台，完成蓝宝石衬底表面的刻蚀；
步骤八、清洗光阻
步骤九、CMP
对蓝宝石衬底进行CMP；
步骤十、清洗蓝宝石衬底
将蓝宝石衬底进行清洗。
步骤一、抛光时的抛光液为二氧化硅抛光液，抛光压力为1.8 ~2.2kg/cm2, 转速为45~55rpm，温度为28~30℃，抛光至表面粗糙度为9~10埃；
步骤二、 上光阻时，自动匀胶机先以300~500rpm的转速旋转5s-10s后，再以2000~3000rpm的转速旋转30s~35s，涂胶厚度为0.5~1.5um；
步骤三、软烤的软烤温度为80~110℃，软烤时间为30 ~120s；
步骤四、曝光的波长为350~480nm，曝光光强为300-400mw/cm2，曝光时间为150-600msec；
步骤五、预烤的预烤温度为110-120℃，预烤时间40~90s；
步骤六、显影的显影时间为10~30s；
步骤七、ICP的蚀刻时间为1~50min；
步骤八、清洗光阻分为以下几个步骤：
8.1、使用加热到105~110°C的NMP清洗5~6min；
8.2、使用常温的NMP清洗5~6min；
8.3、使用常温的丙酮清洗2.5~3 min；
8.4、使用常温的IPA清洗2.5 ~3min；
8.5、使用常温的去离子水清洗2.5 ~3min；
步骤九、CMP使用混合液对蓝宝石进行CMP，压力为0.45~0.5kg/cm2, 转速为45~50rpm，温度为18~20℃，抛光至表面粗糙度为小于3埃，所述混合液为pH值10.4~10.5的二氧化硅抛光液；
步骤十、清洗蓝宝石衬底使用混合酸进行清洗，所述混合酸由体积分数为3~4份的硫酸及体积份数为1~2份的磷酸混合而成，所述混合酸的温度为110~120°C，清洗时间10~12min。
本发明的有益效果是：
1、矩阵式蓝宝石衬底带有刻槽，可显著减少氮化镓晶体生长过程中因晶格不匹配而产生的应力，由于氮化镓与蓝宝石这两种材料的晶格常数不匹配，导致磊晶工艺所获得的氮化镓材料的应力大。当衬底本体上有刻槽，这样有更多的空间使得部分的应力得到释放，氮化镓材料的翘曲度可以降低，使成品率得到提高。
2、该矩阵式蓝宝石衬底带有刻槽，能够有效地将剥离时激光产生的热量散去，确保激光剥离的顺利完成，所得到的氮化镓薄膜具有较高的厚度均匀性，背面损伤小，显著提高最终产品的成品率（yield）。激光剥离后可以不用减薄，可省去传统器件制造工艺中的背面减薄过程，从而节省成本。
3、剥离后的芯片背面没有蓝宝石，可选择散热好的材料，如硅片，氮化铝等附在芯片背面，芯片散热可以得到改善。
4、可明显减少在器件制作过程中蓝宝石材料的成本。如果蓝宝石衬底可以反复使用100次，衬底的成本可大致计算为原来的1/100。
附图说明
图1为本发明一种矩阵式蓝宝石衬底结构示意图。
其中：
衬底本体1
刻槽2。
具体实施方式
参见图1，本发明涉及的一种矩阵式蓝宝石衬底，包括衬底本体1，所述衬底本体1的材料为蓝宝石的切割片、研磨片或者抛光片，所述衬底本体1的厚度为200um~1200um，所述衬底本体1的表面设有纵横交错布置的刻槽2，所述刻槽2的深度为1nm~500um，所述刻槽2的宽度d为0.1 nm~5.0mm，所述纵横交错布置的刻槽2将衬底本体1表面划分成矩阵式样，纵向刻槽2之间的距离a为1mm~50mm，横向刻槽2之间的距离b为1mm~50mm，所述衬底本体1可以是任何形状，作为一种优选，所述衬底本体1的形状为圆形，所述圆形衬底本体1的直径为25~300 mm，作为一种优选，所述衬底本体1的形状为方形，所述方形衬底本体1的边长为25~300 mm。
该蓝宝石衬底的制备方法的工艺步骤如下：
步骤一、抛光蓝宝石衬底
对研磨过的蓝宝石衬底进行抛光，抛光液为二氧化硅抛光液，抛光压力为1.8 ~2.2kg/cm2, 转速为45~55rpm，温度为28~30℃，抛光至表面粗糙度为9~10埃。
步骤二、上光阻
将蓝宝石衬底置于自动匀胶机上进行上光阻，自动匀胶机先以300~500rpm的转速旋转5s-10s后，再以2000~3000rpm的转速旋转30s~35s，涂胶厚度为0.5~1.5um。
步骤三、软烤
将蓝宝石衬底置于加热板上进行软烤，软烤的软烤温度为80~110℃，软烤时间为30 ~120s，软烤可以去除光刻胶中所含溶剂及水分，增强光刻胶的粘附性，也能释放光刻胶膜内的应力。
步骤四、曝光
对蓝宝石衬底进行曝光，曝光的波长为350~480nm，曝光光强为300-400mw/cm2，曝光时间为150-600msec。
步骤五、预烤
将曝光后的衬底放在热板或烘箱中进行预烤，预烤温度为110~120℃，预烤时间40~90s，预烤可以减少驻波效应。
步骤六、显影
将烘烤后的衬底放在自动显影机中对光刻胶显影，喷嘴喷洒显影液MF319在衬底表面，显影时间10~30s，同时将衬底以100-500rpm低速旋转，显影充分后，用去离子水冲洗衬底并旋转甩干，此时在光刻胶上形成均匀的光刻图形。
步骤七、ICP（inductively coupled plasma）蚀刻蓝宝石衬底
将经上述处理过的蓝宝石衬底放入ICP刻蚀机台，选择BCL3/CL2等离子体气体对衬底进行刻蚀，蚀刻时间为1~50min, 完成对蓝宝石衬底表面的刻蚀工艺处理。
步骤八、清洗光阻
8.1、使用温度为105~110°C的NMP(N-甲基吡咯烷酮)清洗5~6min；
8.2、使用常温（20~25℃）的NMP清洗5~6min；
8.3、使用常温（20~25℃）的丙酮清洗2.5~3 min；
8.4、使用常温（20~25℃）的IPA（异丙醇）清洗2.5 ~3min；
8.5、使用常温（20~25℃）的去离子水清洗2.5 ~3min。
步骤九、CMP（化学机械抛光）
使用混合液对蓝宝石进行CMP，压力为0.45~0.5kg/cm2, 转速为45~50rpm，温度为18~20℃，抛光至表面粗糙度为小于3埃，所述混合液为pH值10.4~10.5的二氧化硅抛光液；
步骤十、清洗蓝宝石衬底
使用混合酸进行清洗，所述混合酸由体积分数为3~4份的硫酸及体积份数为1~2份的磷酸混合而成，所述混合酸的温度为110~120℃，清洗时间为10~12min，然后甩干。
同样，在经过激光剥离处理后的衬底本体，也必须进行研磨，抛光及清洗，然后返回到外延生长工艺（MOCVD）使用。并且，可以反复使用多次，降低成本。
在制作氮化镓相关的器件过程中，可使用其它许多材料，例如：碳化硅、氧化锌、氧化镁、砷化镓、硅等，本发明矩阵式蓝宝石衬底同样可适用于以上这些材料。
Claims (4)
1.一种矩阵式蓝宝石衬底，包括衬底本体（1），其特征在于所述衬底本体（1）的表面设有纵横交错布置的刻槽（2）。
2.根据权利要求1所述的一种矩阵式蓝宝石衬底，其特征在于所述衬底本体（1）的厚度为200um~1200um，所述刻槽（2）的深度为1nm~500um，所述刻槽（2）的宽度为0.1nm~5.0mm，所述纵横交错布置的刻槽（2）之间的距离为1mm~50mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种矩阵式蓝宝石衬底，其特征在于其制备方法的工艺步骤如下：
步骤一、抛光蓝宝石衬底
对研磨过的蓝宝石衬底进行抛光；
步骤二、上光阻
将蓝宝石衬底置于自动匀胶机上进行上光阻；
步骤三、软烤
将蓝宝石衬底置于加热板上进行软烤；
步骤四、曝光
对蓝宝石衬底进行曝光；
步骤五、预烤
将蓝宝石衬底进行预烤；
步骤六、显影
将蓝宝石衬底放在自动显影机中进行显影；
步骤七、ICP蚀刻蓝宝石衬底
将蓝宝石衬底放入ICP刻蚀机台，完成蓝宝石衬底表面的刻蚀；
步骤八、清洗光阻
步骤九、CMP
对蓝宝石衬底进行CMP；
步骤十、清洗蓝宝石衬底
将蓝宝石衬底进行清洗。
4.根据权利要求3所述的一种矩阵式蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于：
步骤一、抛光时的抛光液为二氧化硅抛光液，抛光压力为1.8 ~2.2kg/cm2, 转速为45~55rpm，温度为28~30℃，抛光至表面粗糙度为9~10埃；
步骤二、 上光阻时，自动匀胶机先以300~500rpm的转速旋转5s-10s后，再以2000~3000rpm的转速旋转30s~35s，涂胶厚度为0.5~1.5um；
步骤三、软烤的软烤温度为80~110℃，软烤时间为30 ~120s；
步骤四、曝光的波长为350~480nm，曝光光强为300-400mw/cm2，曝光时间为150-600msec；
步骤五、预烤的预烤温度为110-120℃，预烤时间40~90s；
步骤六、显影的显影时间为10~30s；
步骤七、ICP的蚀刻时间为1~50min；
步骤八、清洗光阻分为以下几个步骤：
8.1、使用加热到105~110°C的NMP清洗5~6min；
8.2、使用常温的NMP清洗5~6min；
8.3、使用常温的丙酮清洗2.5~3 min；
8.4、使用常温的IPA清洗2.5 ~3min；
8.5、使用常温的去离子水清洗2.5 ~3min；
步骤九、CMP使用混合液对蓝宝石进行CMP，压力为0.45~0.5kg/cm2, 转速为45~50rpm，温度为18~20℃，抛光至表面粗糙度为小于3埃，所述混合液为pH值10.4~10.5的二氧化硅抛光液；
步骤十、清洗蓝宝石衬底使用混合酸进行清洗，所述混合酸由体积分数为3~4份的硫酸及体积份数为1~2份的磷酸混合而成，所述混合酸的温度为110~120℃，清洗时间10~12min。
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