CN104733569A - 纳米尺寸图形化衬底的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：在蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶，作为第一光刻胶层；在第一光刻胶层上生长硬掩膜；在硬掩膜上涂覆一层光刻胶，作为第二光刻胶层；利用纳米压印技术，将第二光刻胶层图形化；刻蚀硬掩膜，将硬掩膜图形化；刻蚀第一光刻胶层，将第一光刻胶层图形化；进行蓝宝石衬底的刻蚀，将蓝宝石衬底图形化。其有效降低了底部残留胶对蓝宝石衬底形貌的影响；且在进行蓝宝石衬底的刻蚀中，掩膜为金属/介质+光刻胶的双层复合结构，可获得较高尺寸的衬底图形；同时，相对于纯金属的掩膜，金属/介质+光刻胶的双层复合结构具有相对较低的选择比，可形成三角锥形的蓝宝石衬底图形。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别是涉及一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法。
背景技术
蓝宝石是目前广泛用作Ⅲ-Ⅴ族LED器件GaN外延材料的衬底，但是由于GaN与蓝宝石的晶格失配及膨胀系数的差别，使得在蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜位错密度较大，影响了LED器件的发光效率和寿命。PSS（Patterned SapphireSubstrates）即图形化衬底技术，是目前普遍采用的一种提高GaN基LED器件出光效率的方法，该方法可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小了有源区的非辐射复合，减小了反向漏电流，提高了LED的寿命。有源区发出的光，经由GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。综合这两方面的原因，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED提高了63%，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。
随着PSS技术的逐步发展，PSS越来越趋向于采用更小的尺寸，现在已达到了纳米尺寸图形化衬底，即NPSS。
NPSS的制备，大都采用纳米压印技术制备光刻胶图形，图1为其基本的流程图，100′为蓝宝石衬底，200′为光刻胶，500′为纳米压印版。纳米压印技术具有工艺简单、成本低等优点，但如图1所示，采用纳米压印技术，蓝宝石衬底表面不可避免的存在光刻胶残留的现象，导致在后续的刻蚀过程中需要将残留的光刻胶刻蚀后，再进行蓝宝石的刻蚀，不利于后续衬底的形貌控制。且通常的纳米压印的光刻胶较薄，不利于形成较高尺寸的衬底图形。
现有技术中，对于NPSS的制备，还存在以下方法：在蓝宝石衬底上生长一层高度约为8微米的GaN薄膜；在此GaN薄膜表面涂覆光刻胶（采用常规的负胶或反转胶）；利用光刻机和掩膜版，对光刻胶进行曝光，曝光的地方保留；对已曝光的光刻胶进行显影，在光刻胶上形成图形；利用电子束蒸发设备在光刻胶表面蒸镀至少一层ITO（Indium Tin Oxide氧化铟锡）透明导电薄膜；在ITO透明导电薄膜表面蒸镀一层Ni或Cr等金属材料；采用剥离工艺，将光刻胶及蒸镀在光刻胶表面的ITO透明导电膜和Ni或Cr金属材料层剥离，保留GaN层上的ITO透明导电膜和Ni或Cr等金属材料层作为刻蚀用硬掩膜；采用刻蚀工艺，将ITO透明导电膜和Ni或Cr等金属材料层的硬掩膜图形传递到GaN层中，作为蓝宝石衬底的掩膜。该工艺中硬掩膜对蓝宝石的选择比太高，无法形成三角锥形的图形化衬底。
发明内容
基于上述问题，本发明提出了一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法，可以获得较高尺寸的衬底图形，减少了底部残留胶对衬底形貌的影响，同时解决了由于掩膜的选择比过高而造成的无法形成三角锥形的衬底图形的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
在蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶，作为第一光刻胶层；
在所述第一光刻胶层上制备一层介质层或金属层，作为硬掩膜；
在所述硬掩膜上涂覆一层光刻胶，作为第二光刻胶层；
采用纳米压印技术，在所述第二光刻胶层上压印出图形，将所述第二光刻胶层图形化；
以图形化的第二光刻胶层为掩膜，刻蚀所述硬掩膜，将所述硬掩膜图形化；
以图形化的第二光刻胶层和图形化的硬掩膜作为第一复合掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层，将所述第一光刻胶层图形化；
以图形化的硬掩膜和图形化的第一光刻胶层作为第二复合掩膜，进行所述蓝宝石衬底的刻蚀，将所述蓝宝石衬底图形化。
优选地，所述介质层为SiO2层或Si3N4层。
较优地，所述SiO2层或Si3N4层通过化学气相沉积工艺制备。
优选地，所述金属层为Al、Ni或Cr。
较优地，所述金属层的制备方法为离子束蒸镀法。
优选地，所述第一光刻胶层的厚度为100～300nm，所述第二光刻胶层的厚度为200～700nm。
较优地，所述硬掩膜的厚度为50～300nm。
作为一种可实施方式，所述蓝宝石衬底采用感应耦合等离子体工艺进行刻蚀，且所述感应耦合等离子体工艺包括主刻蚀工序和过刻蚀工序。
较优地，所述主刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为2～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为150～500W，刻蚀时间为5～10min；
所述过刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为1.5～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为500～700W，刻蚀时间为2～5min。
本发明提供的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，采用光刻胶+金属/介质+光刻胶逐层递进作为掩膜，进行了多次图形的转移，有效降低了底部残留胶对蓝宝石衬底形貌的影响；且在进行蓝宝石衬底的刻蚀中，掩膜为金属/介质+光刻胶的双层复合结构，可获得较高尺寸的衬底图形；同时，相对于纯金属的掩膜，金属/介质+光刻胶的双层复合结构具有相对较低的选择比，可形成三角锥形的蓝宝石衬底图形。
附图说明
图1为采用纳米压印技术制作光刻胶图形的流程图；
图2为本发明纳米尺寸图形化衬底的制备方法的一实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参见图2，本发明提供了一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法，包括以下步骤：
首先在蓝宝石衬底100上涂覆一层光刻胶，作为第一光刻胶层200。一般地，第一光刻胶层200为正胶，且多采用旋涂法涂覆在蓝宝石衬底上，涂胶的关键是控制胶的厚度与均匀性，胶的厚度取决于胶的粘度和旋转速度，为了获得较高尺寸的衬底图形，第一光刻胶200的厚度优选为100～300nm。
然后在第一光刻胶层200上制备一层介质层或金属层，作为硬掩膜300。硬掩膜300将第一光刻胶层200与第二光刻胶层400隔开，使得后续进行图形化时，图形能够进行多次转移。硬掩膜300具有较高的选择比，一般为3～7。在其中一个实施例中，硬掩膜300的厚度为50～300nm。优选地，作为硬掩膜300的介质层可以为SiO2层或Si3N4层。SiO2或Si3N4的后续刻蚀可直接酸洗，降低了成本，提高了效率。较佳地，SiO2层或Si3N4层可以通过化学气相沉积工艺制备。此外，作为硬掩膜300的金属层可以为Al、Ni或Cr薄膜层。Al、Ni或Cr具有较高的选择比，可获得较高尺寸的衬底图形，且不会对衬底造成污染。作为一种可实施方式，Al、Ni或Cr薄膜层可采用蒸镀法沉积，较优地，为了防止第一光刻胶层200受热碳化，不容易剥离，金属薄膜采用电子束蒸镀法进行沉积。
随后在由介质层或金属层构成的硬掩膜300上再涂覆一层光刻胶，作为第二光刻胶层400。较佳地，第二光刻胶层400的厚度为200～700nm，此厚度的光刻胶均匀度较好，且便于后续的图形化。
采用纳米压印技术，通过纳米压印版500在第二光刻胶层400上压印出所需图形，将第二光刻胶层400图形化。纳米压印技术可压印出纳米量级的图形，且操作简单快捷。
再以经过图形化的第二光刻胶层400为掩膜，刻蚀硬掩膜300，将硬掩膜300图形化，此时，第二光刻胶层400的图形复制到硬掩膜300上。在硬掩膜300图形化的过程中，部分第二光刻胶层400被刻蚀。本步骤中的刻蚀可以是湿法刻蚀，也可以是干法刻蚀，如感应耦合等离子体刻蚀。
再以图形化的第二光刻胶层400和图形化的硬掩膜300作为第一复合掩膜，刻蚀第一光刻胶层200，将第一光刻胶层200图形化。在第一光刻胶层200图形化的过程中，第二光刻胶层400随着第一光刻胶层200的刻蚀而逐步消耗，直至完全消失。在其中一个实施例中，当第二光刻胶层400消耗完毕时，硬掩膜300也有部分消耗。
最后以图形化的硬掩膜300和图形化的第一光刻胶200作为第二复合掩膜，进行蓝宝石衬底100的刻蚀，将蓝宝石衬底100图形化。
较佳地，蓝宝石衬底100的刻蚀采用感应耦合等离子体刻蚀工艺，该工艺又包括主刻蚀工序和过刻蚀工序。主刻蚀为蓝宝石衬底的初步刻蚀，决定了刻蚀的最终图形形貌和整个衬底上刻蚀线条的均匀性；过刻蚀主要是去除刻蚀表面残余的Al2O3，同时优化刻蚀形貌。在其中一个实施例中，主刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为2～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为150～500W，刻蚀时间为5～10min；过刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为1.5～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为500～700W，刻蚀时间为2～5min。在蓝宝石衬底的刻蚀过程中，使用BCl3气体可增强刻蚀速率，此外，还可以根据不同图形的需要来增加辅助气体，如HBr、Cl2等，以达到特定的刻蚀速率和选择比。刻蚀的时间和上、下电极功率及图形等因素有关，依据具体情况相应调整。
本发明提供的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，采用光刻胶+金属/介质+光刻胶逐层递进作为掩膜，进行了多次图形的转移，有效降低了底部残留胶对蓝宝石衬底形貌的影响；且在进行蓝宝石衬底的刻蚀中，掩膜为金属/介质+光刻胶的双层复合结构，可获得较高尺寸的衬底图形；同时，相对于纯金属的掩膜，金属/介质+光刻胶的双层复合结构具有相对较低的选择比，可形成三角锥形的蓝宝石衬底图形。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在蓝宝石衬底上涂覆一层光刻胶，作为第一光刻胶层；
在所述第一光刻胶层上制备一层介质层或金属层，作为硬掩膜；
在所述硬掩膜上涂覆一层光刻胶，作为第二光刻胶层；
采用纳米压印技术，在所述第二光刻胶层上压印出图形，将所述第二光刻胶层图形化；
以图形化的第二光刻胶层为掩膜，刻蚀所述硬掩膜，将所述硬掩膜图形化；
以图形化的第二光刻胶层和图形化的硬掩膜作为第一复合掩膜，刻蚀所述第一光刻胶层，将所述第一光刻胶层图形化；
以图形化的硬掩膜和图形化的第一光刻胶层作为第二复合掩膜，进行所述蓝宝石衬底的刻蚀，将所述蓝宝石衬底图形化。
2.根据权利要求1所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述介质层为SiO2层或Si3N4层。
3.根据权利要求2所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述SiO2层或Si3N4层通过化学气相沉积工艺制备。
4.根据权利要求1所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述金属层为Al、Ni或Cr。
5.根据权利要求4所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述金属层的制备方法为离子束蒸镀法。
6.根据权利要求1所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶层的厚度为100～300nm，所述第二光刻胶层的厚度为200～700nm。
7.根据权利要求1所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述硬掩膜的厚度为50～300nm。
8.根据权利要求1所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底采用感应耦合等离子体工艺进行刻蚀，且所述感应耦合等离子体工艺包括主刻蚀工序和过刻蚀工序。
9.根据权利要求8所述的纳米尺寸图形化衬底的制备方法，其特征在于，
所述主刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为2～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为150～500W，刻蚀时间为5～10min；
所述过刻蚀的工艺条件为：工艺气体为BCl3，气体流量为50～150sccm，气体压力为1.5～15mT，上电极功率为1400～2400W，下电极功率为500～700W，刻蚀时间为2～5min。
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