CN102129971B

CN102129971B - 图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法和系统

Info

Publication number: CN102129971B
Application number: CN2010106043869A
Authority: CN
Inventors: 谢雪峰; 李明远; 郭爱华
Original assignee: CHANGZHI HONGYUAN TECHNOLOGICAL CRYSTAL Co Ltd
Current assignee: CHANGZHI HONGYUAN TECHNOLOGICAL CRYSTAL Co Ltd
Priority date: 2010-12-24
Filing date: 2010-12-24
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: CN102129971A

Abstract

本发明涉及一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其中包括步骤：S1、对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；S2、设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的载片基台上；S3、通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过冷却循环机对载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对衬底进行冷却；S4、刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出。本发明还涉及一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀系统，本发明无需用蒸镀硬掩模，直接用光刻胶做掩模，能做出精细的刻蚀图形，采用低温刻蚀解决了刻蚀过程中出现的光刻胶碳化、图形高温变形等问题。

Description

图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法和系统

技术领域

本发明涉及蓝宝石衬底制作领域，更具体地说，涉及一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法和系统。

背景技术

在整个图形化蓝宝石衬底制作过程中需要解决的主要技术难点为ICP等离子刻蚀技术。等离子刻蚀技术主要是将曝光后的图形均匀复制在蓝宝石衬底上。由于衬底图形尺寸为亚微米级别，在刻蚀的过程中，需要调整适当的腔体压力、射频功率、气体比例、冷却阴极温度以及冷却用氦气流量等参数，使得光刻胶图形等比例均匀复制在衬底上。目前国内多数企业在制作图形化衬底过程中采用的是在光刻前蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，然后在硬掩模上涂覆光刻胶进行光刻，在光刻后将光刻胶去除再进行刻蚀处理，由于使用二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，所以做的图形也就是圆柱形，矩形，甚至是没有固定规则的图形，刻蚀精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的图形化蓝宝石衬底的刻蚀精度不高的缺陷，提供一种采用光刻胶作为掩模、在低温下进行刻蚀的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其中包括步骤：S1、对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；S2、设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；S3、通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过所述冷却循环机对所述载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对所述衬底进行冷却；S4、刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S1为将所述显影后的衬底在100-130度之间烘烤60-180秒。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S2中所述刻蚀腔的温度为30-50度，所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-2帕，所述屏蔽罩的温度为100-200度。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S2中所述冷却循环机的控制温度设置为零下15-零下5度。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S3包括：S31、使所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-4帕；S32、通入刻蚀气体至所述刻蚀腔压力为3-10帕；S33、10-15秒内将所述阳极射频源功率设置为500-1000瓦；S34、10-15秒内将所述偏压射频源功率设置为200-500瓦；S35、保持所述刻蚀腔压力为0.3-1帕，刻蚀600-1300秒。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述刻蚀气体为三氯化硼，通入流量为30～100sccm，通入时温度为30-60度。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述片槽通入的氦气压力为600-1200帕。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S4之后还包括步骤：S5、使用硫酸和双氧水的混合物去除所述刻蚀后的衬底表面的光刻胶残留物。

在本发明所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法中，所述步骤S5之后还包括步骤：S6、依次使用丙酮、乙醇以及去离子水对所述刻蚀后的衬底进行清洗。

本发明还涉及一种采用上述任一图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法进行图形化蓝宝石衬底刻蚀的图形化蓝宝石衬底的刻蚀系统。

实施本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法和系统，具有以下有益效果：无需用蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，直接用光刻胶做掩模，能做出精细的光刻图形，同时采用低温刻蚀解决了刻蚀过程中出现的光刻胶碳化、图形高温变形等问题。

显影之后对衬底的硬烘烤完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以提高光刻胶在刻蚀中保护下表面的能力并进一步增强光刻胶与衬底表面之间的黏附性。屏蔽罩的设置温度高于刻蚀腔的温度防止刻蚀生成物沉积。冷却循环机的温度控制很好的防止因为高温引起的光刻胶碳化、衬底图形高温变形的问题。阳极射频源和偏压射频源的配合能够很好的控制刻蚀出来的图形。提前将液态的三氯化硼变为活跃的气态使得刻蚀效果更好。片槽通入氦气进行冷却处理，防止因为高温引起的光刻胶碳化、衬底图形高温变形的问题。硫酸和双氧水的混合物可很好的去除光刻胶残留物。丙酮、乙醇以及去离子水的清洗可很好的去除硫酸和双氧水的残留。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第一优选实施例的流程图；

图2是本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第二优选实施例的流程图；

图3是本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第三优选实施例的流程图；

图4是本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第四优选实施例的流程图；

图5为本发明的图形化蓝宝石衬底刻蚀前的表面形态图；

图6为本发明的图形化蓝宝石衬底刻蚀后的表面形态图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在图1所示本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第一优选实施例的流程图中，所述图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法开始于步骤100，随后到下一步骤101，对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；随后到下一步骤102，设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；随后到下一步骤103，通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过所述冷却循环机对所述载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对所述衬底进行冷却；随后到下一步骤104，刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出。最终方法结束于步骤105。原来的光刻、刻蚀工艺为在光刻前在待光刻衬底上蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，然后在硬掩模上涂覆光刻胶进行光刻处理，光刻完毕后进行去胶处理去除光刻胶以露出硬掩模，随后在进行刻蚀处理。而本方法无需用蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，光刻完毕后不进行去胶处理，直接用光刻胶做掩模，能做出精细的刻蚀图形，同时采用低温刻蚀解决了刻蚀过程中出现的光刻胶碳化、图形高温变形等问题。

作为本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的优选实施例，所述步骤S1为将所述显影后的衬底在100-130度之间烘烤60-180秒。所述步骤S2中所述刻蚀腔的温度为30-50度，所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-2帕，所述屏蔽罩的温度为100-200度。所述步骤S2中所述冷却循环机的控制温度设置为零下15-零下5度。显影之后对衬底的硬烘烤完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂，以提高光刻胶在刻蚀中保护下表面的能力并进一步增强光刻胶与衬底表面之间的黏附性。屏蔽罩的设置温度高于刻蚀腔的温度防止刻蚀生成物沉积。冷却循环机的温度控制很好的防止因为高温引起的光刻胶碳化、衬底图形高温变形的问题。

在图2所示本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第二优选实施例的流程图中，所述图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法开始于步骤200，随后到下一步骤201，对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；随后到下一步骤202，设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；随后到下一步骤203，使所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-4帕；随后到下一步骤204，通入刻蚀气体至所述刻蚀腔压力为3-10帕；随后到下一步骤205，10-15秒内将所述阳极射频源功率设置为500-1000瓦；随后到下一步骤206，10-15秒内将所述偏压射频源功率设置为200-500瓦；随后到下一步骤207，保持所述刻蚀腔压力为0.3-1帕，刻蚀600-1300秒；随后到下一步骤208，刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出。最终该方法结束于步骤209。该方法采用阳极射频源和偏压射频源控制刻蚀气体的数量和刻蚀速度以达到控制刻蚀图形的效果。

作为本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的优选实施例，所述刻蚀气体为三氯化硼，通入流量为30～100sccm，通入时温度为30-60度。所述片槽通入的氦气压力为600-1200帕。提前将液态的三氯化硼变为活跃的气态使得刻蚀效果更好。片槽通入氦气进行冷却处理，防止因为高温引起的光刻胶碳化、衬底图形高温变形的问题。

在图3所示本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第三优选实施例的流程图中，所述图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法开始于步骤300，随后到下一步骤301，对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；随后到下一步骤302，设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；随后到下一步骤303，通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过所述冷却循环机对所述载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对所述衬底进行冷却；随后到下一步骤304，刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出；随后到下一步骤305，使用硫酸和双氧水的混合物去除所述刻蚀后的衬底表面的光刻胶残留物；最终方法结束于步骤306。硫酸和双氧水的混合物可很好的去除光刻胶残留物。

在图4所示本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的第四优选实施例的流程图中，所述图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法开始于步骤400，随后到下一步骤401，对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；随后到下一步骤402，设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；随后到下一步骤403，通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过所述冷却循环机对所述载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对所述衬底进行冷却；随后到下一步骤404，刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出；随后到下一步骤405，使用硫酸和双氧水的混合物去除所述刻蚀后的衬底表面的光刻胶残留物；随后到下一步骤406，依次使用丙酮、乙醇以及去离子水对所述刻蚀后的衬底进行清洗。最终方法结束于步骤407。丙酮、乙醇以及去离子水的清洗可很好的去除硫酸和双氧水的残留。

本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法无需用蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，光刻完毕后不进行去胶处理，直接用光刻胶做掩模，能做出图形直径为0.5～8μm的半球状均匀排布而构成的图形，半球高度为0.25～4μm。由于用光刻胶做掩模，所以需要解决的问题就是刻蚀过程中出现的光刻胶碳化、散热问题以及图形高温变形等问题。有氦气冷却片槽和单独的冷却循环机对载片基台的冷却，专门针对光刻胶掩模刻蚀过程中的高温冷却，直接采取了光刻胶做为掩模进行刻蚀，以其简单稳定的工艺步骤以及低廉的成本，稳定的在蓝宝石衬底上加工出周期排列的亚微米图形。

下面通过具体实施例说明本发明的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法的实施过程：

1、显影后的衬底在热板或者烘箱中进行烘烤，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模。进一步蒸发光刻胶里面的溶剂，以提高光刻胶在刻蚀中保护下表面的能力并进一步增强光刻胶与衬底表面之间的黏附性，同时也是主要让其形成一个类似半球状的图形，为下面的刻蚀做准备。

2、将烘烤后的衬底放在等离子刻蚀机中进行干法图形化刻蚀，使光刻胶上的图形复制到蓝宝石表面。干法刻蚀采用电感耦合等离子体刻蚀设备，它几乎能制造垂直的表面轮廓。这种方法还能将刻蚀速率提高到每分钟几百纳米，这意味着在整块晶片上形成图形化结构只需要大约几分钟。较短的刻蚀时间使该工艺适合大规模制造的要求。

3、将烘烤处理后的衬底放入传递箱中的托盘，通过传递箱中的机械手将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的载片基台上，将刻蚀腔抽到5×10^-2帕以下的真空，刻蚀腔的温度设置为30-50度，屏蔽罩的温度设置为100-200度，冷却循环机的控制温度设置为零下15-零下5度，达到上述设定值后，开始刻蚀工艺。

4、当刻蚀腔的真空达到5×10^-4帕以下，开始通入作为刻蚀气体的三氯化硼，流量为30-100sccm，使刻蚀腔的压力在3～10帕的范围内。在通入三氯化硼之前，先通过加热带将三氯化硼加热至30-60度，提前把压缩为液态的三氯化硼变成活动活跃的气态。

5、当刻蚀腔的压力稳定在3～10帕的范围时，阳极射频源开始在工艺气体上方施加射频功率，10-15秒之间达到500-1000瓦，在衬底的上方产生高密度的等离子体。与此同时偏压射频源也开始输出功率，10-15sec之间达到200-500瓦，摄取氯离子等中性集团形成直流偏压。自动压力调节阀开始工作，使腔体压力控制在0.3～1帕的范围内。加大/减小阳极射频源的功率可以增加/减少等离子体的密度；加大/减小偏压射频源的功率可以增加/减小垂直方向的直流偏压，从而加大/减小对蓝宝石表面的轰击力度即刻蚀速率。虽然加大直流偏压会增加刻蚀速率，但也会导致刻蚀的选择性变差。阳极射频源和偏压射频源两者结合起来，同时设定刻蚀腔压力为0.3～1帕，能够对衬底刻蚀出什么形状的图形起到决定性的作用。

6、在刻蚀的同时，冷却循环机通过对刻蚀机下电极及载片基台的冷却将载片基台的温度控制在零下15-零下5度之间，片槽通入氦气的压力为600-1200帕，同时氦气在刻蚀腔内的漏率(即从片槽漏至刻蚀腔内)为3-8sccm，通过压力流量控制器控制，同时自动压力调节阀保证刻蚀腔的压力控制在0.3～1帕范围内，在冷却循环机和氦气冷却的双重冷却的作用下，保证了及时带走衬底下的热量，其中冷却循环机的设置温度和氦气的漏率控制很重要，一旦偏离了设定值，就会导致散热效果不好，光刻胶碳化，图形畸变，甚至整个工艺都无法进行下去。

7、刻蚀时间600-1300秒，刻蚀时间的长短也影响刻蚀的深浅、影响刻蚀图形的大小以及刻蚀图形的形状。

8、刻蚀完毕后，将刻蚀后的衬底取出。

9、对于刻蚀后的衬底使用硫酸和双氧水的混合物去除衬底表面的光刻胶残留物，然后依次使用丙酮、乙醇以及去离子水对所述刻蚀后的衬底进行清洗。

10、对清洗后的衬底进行甩干处理，完成整个刻蚀工艺。

采用本刻蚀方法时，能控制好一定的刻蚀速率选择比，即光刻胶和蓝宝石的刻蚀速率选择比在3∶1左右。由于光刻胶经过了一定温度的烘烤，图形表面有一定的弧度(如图5所示)，在刻蚀过程中由于对光刻胶上下表面以及蓝宝石衬底刻蚀速率不同，最终在蓝宝石表面形成包状、圆锥状图形(如图6所示)。该图形化蓝宝石衬底经外延、芯片工艺后，芯片亮度比之前有大幅度提高，亮度提高在30％～80％。所做的包状图案图形越小，间隙越窄，芯片亮度提升越高。

本发明还涉及一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀系统，采用上述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法进行图形化蓝宝石衬底的刻蚀。该图形化蓝宝石衬底的刻蚀系统无需用蒸镀一层像二氧化硅或铬、镍之类的硬掩模，直接用光刻胶做掩模，能做出精细的光刻图形，同时采用低温刻蚀解决了刻蚀过程中出现的光刻胶碳化、图形高温变形等问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，包括步骤：

S1、对显影后的衬底进行烘烤处理，将衬底表面的光刻胶作为刻蚀的掩模；

S2、设定刻蚀腔的温度和真空度、屏蔽罩的温度以及冷却循环机的控制温度后，将烘烤处理后的衬底放入刻蚀腔中的具有多个片槽的载片基台上；其中，

所述刻蚀腔的温度为30-50度，所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-2帕，所述屏蔽罩的温度为100-200度；所述冷却循环机的控制温度设置为零下15-零下5度；

S3、通入刻蚀气体，通过阳极射频源功率和偏压射频源功率控制刻蚀速度和质量；同时通过所述冷却循环机对所述载片基台进行冷却，每个片槽通入氦气对所述衬底进行冷却；其中，所述步骤S3包括：

S31、使所述刻蚀腔的真空度低于5×10^-4帕；

S32、通入刻蚀气体至所述刻蚀腔压力为3-10帕；

S33、10-15秒内将所述阳极射频源功率设置为500-1000瓦；

S34、10-15秒内将所述偏压射频源功率设置为200-500瓦；

S35、保持所述刻蚀腔压力为0.3-1帕，刻蚀600-1300秒；

S4、刻蚀完毕后将刻蚀后的衬底取出。

2.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S1为将所述显影后的衬底在100-130度之间烘烤60-180秒。

3.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀气体为三氯化硼，通入流量为30～100sccm，通入时温度为30-60度。

4.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述片槽通入的氦气压力为600-1200帕。

5.根据权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括步骤：

S5、使用硫酸和双氧水的混合物去除所述刻蚀后的衬底表面的光刻胶残留物。

6.根据权利要求5所述的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述步骤S5之后还包括步骤：

S6、依次使用丙酮、乙醇以及去离子水对所述刻蚀后的衬底进行清洗。

7.一种图形化蓝宝石衬底的刻蚀系统，其特征在于，采用权利要求1-6中任一的图形化蓝宝石衬底的刻蚀方法进行图形化蓝宝石衬底的刻蚀。