CN102306623A - 一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法 - Google Patents

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郑高林
黄少华
吴志强
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Abstract

本发明公开了一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其工艺包括：首先利用退火热处理在材料层表面上形成纳米级金属颗粒，接着在金属颗粒的表面上蒸镀一层SiO2薄膜，采用化学蚀刻和超声共同作用，利用金属颗粒与SiO2粘附性的差异，蚀刻金属颗粒的同时使得包裹金属颗粒的SiO2层脱落，在所述材料层的表面上形成纳米级二氧化硅多孔状图形掩膜。本发明一方面利用金属层的厚度和退火工艺可以很好的控制金属颗粒的尺寸从而可获得不同尺寸的SiO2孔状掩膜，另一方面有效地避免了采用干法蚀刻可能造成的金属污染，同时剥离后的图形跟金属颗粒的形状几乎一致，图形掩膜的制作工艺相对比较稳定。

Description

一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法
技术领域
本发明涉及一种纳米级二氧化硅图形掩膜的制备方法。
背景技术
二氧化硅材料（SiO2）由于其具有良好的绝缘性、稳定性和易制备性被广泛地应用于半导体光电子领域。SiO2纳米或微米小球可以用来做干法蚀刻的掩膜；微米（或纳米）级别的二氧化硅图形掩膜可以用来外延生长高质量的GaN基LED器件，可以有效降低GaN基LED器件中的位错密度；SiO2可用光刻的方法在蓝宝石衬底上制备出微米级别的掩膜图形，从而可将蓝宝石做成PSS（图形化蓝宝石衬底）衬底。
目前，SiO2纳米小球的制备需用较复杂的化学工艺，而且纳米小球的涂覆工艺要求形成均匀排列的单层纳米球，较难控制。普通光刻设备能够制备微米级别的SiO2掩膜图形，要想获得纳米级别的掩膜图形一般需用电子束曝光设备，而该设备比较昂贵。中国专利 ZL200710120612.4 提出了一种用于氮化物外延生长的纳米级图形衬底的制作方法，具体方法如下：在用于氮化物外延生长的衬底上淀积一层二氧化硅薄膜，在SiO2薄膜上沉积金属薄层（如Ni），经快速退火后形成金属纳米颗粒，再经干法蚀刻做成纳米级别的SiO2掩膜。此方法虽然可获得纳米级别的SiO2图形掩膜，不过此法获得的图形是以一个个随机排列的SiO2小岛（或小柱）所组成的；而且干法蚀刻时由于金属颗粒的抗蚀刻性不强，容易造成金属污染，且不易控制蚀刻后的SiO2图形。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种纳米级二氧化硅图形掩膜的制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种纳米级二氧化硅图形掩膜的制备方法，其包括如下步骤：1）提供一待在其上形成二氧化硅图形掩膜的材料层；2）在所述材料层的表面上蒸镀一层金属薄膜；3）退火热处理，在材料层表面上形成随机分布的纳米级金属颗粒；4）在镀有纳米金属颗粒的材料层的表面上沉积一层SiO2薄膜；5）采用化学蚀刻和超声共同作用,蚀刻金属颗粒的同时使得包裹金属颗粒的SiO2层脱落，在所述材料层的表面上形成纳米级二氧化硅图形掩膜。
首先，本发明利用金属纳米颗粒为掩膜，利用金属层的厚度和退火工艺可以很好的控制金属颗粒的尺寸从而可获得不同尺寸的SiO2孔状掩膜。在获得纳米级金属掩膜后，利用金属薄膜与材料层表面粘附性较差，而SiO2与基板有着较佳的粘附性, 同时金属颗粒与SiO2之间的粘附性也较差，采用化学蚀刻和超声共同作用，蚀刻去除纳米级金属颗粒的同时使得包裹金属颗粒的SiO2层脱落，形成纳米级别的SiO2孔状掩膜。本发明有效地避免了采用干法蚀刻可能造成的金属污染，同时剥离后的图形跟金属颗粒的形状几乎一致，图形掩膜的制作工艺相对比较稳定。而且本发明方法简单实用，易于产业化。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。此外，附图数据是描述概要，不是按比例绘制。
图1 ～ 图4是本发明优选实施例的一种纳米级二氧化硅图形掩膜的制备过程示意图。
图5为本发明优选实施例中在外延生长衬底表面形成了随机分散的Ag纳米颗粒的正面SEM实物图。
图中各标号为：
10：待形成掩膜的材料层；
11：金属薄膜；
11’：金属颗粒；
12：SiO2层；
12’：SiO2掩膜层。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 
下面结合图1～图5对本发明的实施方式进行说明。SiO2掩膜层可用于发光二极管中PSS制作或表面粗化工艺等。用于PSS制作时, SiO2掩膜层主要形成于外延生长衬底的表面上；用于表面粗化工艺，SiO2掩膜层主要形成于半导体外延层的表层或ITO层上。可以根据SiO2掩膜层的具体用途选择不同的材料层。下面实施例为方便说明，选择SiO2掩膜层用于发光二极管中PSS制作进行说明。
一种纳米级二氧化硅图形掩膜的制备方法的方法，通过如下步骤实现：
首先提供一待形成SiO2掩膜层的基板10。目前使用较为普遍的基板有蓝宝石衬底、硅衬底和半导体外延层等。
下一步，在所述基板或半导体外延层的表面上蒸镀一层金属薄膜11。金属薄膜材料11的选择以在高温退火后可以凝结成纳米级颗粒为准，如Ni、Au、Ti、Cr、Ag等。金属薄膜的厚度一般在10～70纳米之间，选择不同的金属薄膜的厚度，将获得不同尺寸的金属颗粒。在本实施例中，优选Ag作为金属薄膜的材料，厚度约为30纳米，结构剖面图如图1所示。
下一步，退火热处理，在基板10表面上形成随机分布的纳米级金属颗粒11’。在本实施例中，将上一步骤已镀有Ag膜11的基板放入快速退火炉里，在400-600℃下退火1～3分钟，此时在基板表面形成了随机分散的Ag纳米颗粒11’。其结构剖面图如图 2所示，图 5为其正面SEM实物图，Ag纳米颗粒11’的大小为200nm～500nm，高度为100nm～300nm，颗粒间距为300nm～1um。改变退火条件可以获得不同尺寸、分布均匀的Ag纳米颗粒阵列。
下一步，在镀有纳米金属颗粒的基板或半导体外延层的表面上沉积一层SiO2薄膜12。在本实施例中，在上述图2所示的镀有纳米金属颗粒11’的衬底表面用等离子增强CVD法沉积30nm～100nm的SiO2薄膜12，其结构剖面图如图 3所示。
下一步，采用化学蚀刻和超声共同作用,蚀刻金属颗粒11’的同时使得包裹金属颗粒的SiO2层脱落，在所述基板或半导体外延层的表面上形成纳米级二氧化硅图形掩膜。在本实施例中，上述Ag纳米颗粒11’和SiO2薄膜12组成的复合薄膜浸入到氨水和双氧水的混合溶液中超声半小时到1小时，超声仪的功率要比较大，使得在上述蚀刻溶液渗透过SiO2薄层而对Ag颗粒进行蚀刻的同时能够使包裹Ag颗粒的SiO2层脱落。如图4所示，可基板表面获得一层纳米级别的SiO2多孔阵列掩膜12’，其孔径大小为200nm～1um，间距为200nm～1um。
最后利用制得的SiO2多孔状掩膜，采用化学蚀刻的方法制备凹坑形状的PSS衬底。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。

Claims (8)

1.一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其包括如下步骤：
1）提供一待在其上形成二氧化硅图形掩膜的材料层；
2）在所述材料层的表面上蒸镀一层金属薄膜；
3）退火热处理，在材料层表面上形成随机均匀分布的纳米级金属颗粒；
4）在镀有纳米金属颗粒的材料层的表面上沉积一层SiO2薄膜；
5）采用化学蚀刻和超声共同作用,蚀刻金属颗粒的同时使得包裹金属颗粒的SiO2层脱落，在所述材料层的表面上形成纳米级二氧化硅多孔状图形掩膜。
2.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述材料层为外延生长衬底、半导体外延层的支撑基板、半导体材料层、透明导电层中任意一种。
3.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述金属薄膜的厚度为10～70纳米。
4.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述金属颗粒的大小为200nm～1um。
5.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述金属薄膜的材料为Ag、Ni、Au、Ti、Cr中任意的一种。
6.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所沉积的SiO2层厚度为30nm ～100nm。
7.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述步骤3）中的退火温度为400～600℃。
8.根据权利1所述的一种制备纳米级二氧化硅图形掩膜的方法，其特征在于：所述步骤5）中采用氨水和双氧水的混合溶液作为化学蚀刻的蚀刻液。
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