СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF OBTAINING RELIEF ON SURFACE

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к нелитографическим лазерным микротехнологиям формирования на подложках тонкопленочных структур.
При изготовлении полупроводниковых светодиодов имеется проблема эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Эффективность невысока в связи со значительным отражением света от поверхности кристалла, обычно изготовленного из полупроводника с высоким значением показателя преломления. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения лучи, падающие на поверхность изнутри кристалла под углами больше критического угла полного отражения возвращаются в кристалл; через гладкую поверхность кристалла выходит менее 5% возникшего в кристалле излучения. Предложено несколько способов создания рельефа на выходной поверхности излучающего полупроводникового кристалла.
В работе [И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С.684-687], выбранной в качестве аналога представленного изобретения, развит метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.
Недостатком аналога является сложность технологии и необходимость значительного времени для проведения реактивного ионного процесса.
В качестве прототипа выбрана работа [В.А. Карачинов, Д.В. Карачинов, М.В. Казакова. Теплофизические и оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида кремния. ЖТФ, 2012, том 82, вып.8], в которой предложен электроэрозионный метод в варианте с жидким диэлектриком создания на поверхности тугоплавкого полупроводникового материала луночного рельефа. Поверхность подвергается воздействию электрических разрядов в жидкой диэлектрической среде, возникающие поверхностные эрозионные лунки распределены на поверхности беспорядочно. Метод создания рельефа является более производительным, технологическое оборудование дешевле.
Недостатком прототипа является невозможность управления соотношениями размеров в возникающей поверхностной лунке (отношением глубины лунки к диаметру), что может не позволить создавать высокоэффективные с точки зрения прохождения излучения рельефы.
Задачами, решаемыми в данном изобретении, являются:
- создание способа создания рельефной поверхности кристалла светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения,
- создание одностадийного способа создания рельефа, не требующего проведения некоторой последовательности технологических операций с переносами образцов из одной технологической установки в другую.
Задача решается тем, что в способе получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.
Предложено также, что лазерное облучение производят в импульсно-периодическом режиме.
В соответствии с изобретением, подложка облучается лазерным пучком локальными участками таким образом, что на поверхности возникают отдельные участки эрозии материала подложки вследствие оптико-термического воздействия излучения; облучение должно вестись импульсно, сфокусированным пучком, который может от импульса к импульсу перемещаться относительно подложки, или широким лазерным пучком, преобразованным в многолучевой при прохождении через специальную маску с несколькими отверстиями.
При фокусировании излучения на поверхность кремниевой подложки световая волна проникает в ее внутренние области; в начальный момент распределение интенсивности в подложке определяется формулой:
p
I(z,t=0)=Iexp(-αz),
p
где z - координата точки в подложке, отсчитываемая от поверхности; α - коэффициент поглощения излучения; I - интенсивность поглощенного поверхностью излучения. Интенсивность мощного излучения может быть достаточной для нагревания облучаемой области за импульс до температуры плавления и испарения вещества подложки. Выделившаяся теплота внутри подложки распространяется за счет теплопроводности подложки
<mrow><msub><mi>l</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>χ</mi><mi>t</mi></msup></mrow></msqrt></mrow>
,
T
где χ - теипературопроводность материала, l - длина тепловой волны в материале, расстояние, которое пройдет температурный фронт за время лазерного импульса t. Температура в центре фокального пятна при гауссовском распределении интенсивности излучения по пятну определялась формулой:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>t</mi><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msqrt><mn>2</mn></msqrt><msub><mi>k</mi><mi>T</mi></msub><mi>ρ</mi><mi>c</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow></mfrac></mrow>
T
0
2
где ρ - плотность подложки, k - теплопроводность, c - удельная теплоемкость, R - коэффициент отражения кремния, I, Вт/м - интенсивность падающего на поверхность излучения.
12
2
При воздействии мощного импульсного лазерного излучения на поверхности полупроводников вследствие лучевого нагревания происходят фазовые переходы состояния поверхности - плавление и парообразование, возникают механические усилия, обусловленные изменениями объемов микрообластей материала и градиентами температур. Вопросы определения закономерностей процессов, происходящих при мощном облучении поверхностей, широко обсуждаются в известной научной литературе, но общепризнанной модели, определяющей связь между параметрами облучения и параметрами возникающей на поверхности подложки структуры, по нашим сведениям, нет. По оценкам, при использовании наносекундного импульсного излучения с интенсивностью порядка 10 Вт/м за время импульса подложка может в области фокального пятна и в толще подложки под ним плавиться и испаряться, что приводит к термогидромеханическим эффектам самопроизвольного формирования объемных структур на поверхности подложки. Наши эксперименты показали, что лазерное импульсно-периодическое облучение кремния, карбида кремния и сапфира импульсами длительностью 6 нс позволяет получать на их поверхности в области фокального пятна неупорядоченные рельефы высотой несколько мкм при расстоянии между элементами рельефа от 0,1 до 5 мкм.
Как следует из общефизических соображений, характерные размеры элементов структурирования поверхности, возникающего в результате мощного облучения, должны уменьшаться по мере укорочения длительности импульсов облучения в связи с уменьшением области в облучаемой среде, в которой успевает распространяться выделившаяся тепловая энергия. Важным является также учет глубины поглощения излучения в материале.
В таблице приведены значения температуропроводности и глубины поглощения излучения на нескольких длинах волн для монокристаллических кремния, двуокиси алюминия (лейкосапфира) и карбида кремния.
Таблица
Температуропроводность и коэффициент поглощения излучения беспримесными монокристаллами при комнатной температуре
Материал
χ, см<sup>2</sup>/с
α, см<sup>-1</sup>, длина волны λ=355 нм
Кремний
0,0747
4·10<sup>3</sup> λ=530 нм
Карбид кремния
2,3
<10 (легированный 2000)
Лейкосапфир
0,02
2,5
3
-1
T
Оценки показывают, что для формирования поверхностных структур в приповерхностной области толщиной 10 мкм подложки при помощи лазерного облучения коэффициент поглощения должен быть равен α=10 см, длина тепловой волны в карбиде кремния при длительности лазерного импульса 10 нс равна l=1,5 мкм; полученные значения удовлетворяют условию н.п.1 формулы изобретения при использовании кремния или карбида кремния. Для получения лазерным излучением рельефа на сапфире необходимо использовать лазерное излучение, поглощаемое в нем, например, в УФ-диапазоне спектра.
На фигуре 1 показана схема способа лазерного получения зоны эрозии на поверхности подложки. Здесь 1 - подложка светоизлучающего кристалла светодиода, 2 - образующийся рельефный слой, 3 - лазерный пучок, Λ, h, H - характерное значение расстояний между случайно раположенными элементами неупорядоченного рельефа, высота поверхностного рельефа, толщина преобразованного излучением слоя подложки, соответственно, L - ширина облученной зоны подложки.
-1
2
кип
При падении импульсного излучения 3 на поверхность подложки 1 в области с поперечником L возникает вследствие оптотермического выделения энергии зона эрозии поверхности глубиной H. Глубина зоны поглощения лазерного излучения равна H≈α и регулируется путем подбора длины волны излучения, от которой зависит поглощение излучения в данном материале. Величина перепада высот рельефа 2 меньше глубины H преобразованного слоя. Энергию E импульса падающего лазерного излучения находим из условия, что поглощенная подложкой доля энергии лазерного импульса расходуется на нагревание объема подложки V≈LH до температуры кипения Т, и в связи с малой длительностью импульса прилежащие к этому объему области подложки не успевают заметно нагреваться:
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>/</mo><msup><mi>L</mi><mn>2</mn></msup><mo>≈</mo><mfrac><mrow><mi>ρ</mi><mi>c</mi><mi>H</mi><msub><mi>T</mi><mrow><mi>к</mi><mi>и</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mi>A</mi></mfrac></mrow>
0
, где ρ, c - плотность и теплоемкость подложки, A - коэффициент поглощения излучения поверхностным слоем подложки, E - поверхностная плотность энергии падающего излучения. Формула носит оценочный характер, при выводе не учитывалась теплота плавления, опто-теплофизические константы считались не зависящими от температуры.
кип
0
5
2
9
2
В случае облучения сапфировой подложки при значениях H=10 мкм, Т=3500°C, A=0,05 имеем E=1,4·10 Дж/м. Интенсивность излучения при длительности импульса 10 не равна 1,4·10 Вт/см. Полученные значения параметров лазерного облучения достигаются в промышленных лазерных установках. Таким образом, условия облучения н.п.1 формулы изобретения могут быть реализованы.
При многократном повторении лазерных импульсов, что реализуется импульсно-периодическим режимом работы лазерного излучателя (п.2 формулы), эффекты эрозии в облучаемой зоне суммируются, что упрощает требования к мощности лазерного излучения и позволяет также управлять параметрами рельефа на эрозионной поверхности. Например, при увеличении числа импульсов и уменьшении импульсной лазерной мощности высота рельефа может быть уменьшена, а число элементов рельефа на участке облучения может быть увеличено.
Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.
Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов, возможно использование при создании оптических устройств с антибликовыми покрытиями.
Техническим результатом изобретения является способ повышения эффективности излучения светодиодов.