CN103311386A - 一种图形化蓝宝石衬底的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下几个步骤：步骤A:在蓝宝石基片的一个面上磁控溅射金属铝膜；步骤B:在金属铝膜上施涂光刻胶膜，烘干;步骤C:进行激光干涉曝光、显影，获得光刻胶图形；步骤D:以金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜和去胶，在蓝宝石基片上获得金属铝膜凸台的图形化金属铝膜；步骤E:进行低温热处理，使图形化金属铝膜充分氧化成为图形化多晶Al₂O₃膜;步骤F:将得到的图形化多晶Al₂O₃膜进行高温热处理，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，即得到图形化蓝宝石衬底。本发明的图形化蓝宝石衬底的制备方法，工艺简单易行，成本低，面积大。

Description

一种图形化蓝宝石衬底的制备方法

技术领域

本发明涉及一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，尤其是涉及一种低成本、大面积的用于氮化物处延生长的图形化蓝宝石衬底的制备方法。

背景技术

近年来高亮大功率氮化物发光二极管（LED）深受重视，其广泛应用于交通信号灯、LCD背光源、固态照明、全彩显示屏等。这些商业产品要求LED在亮度和发光效率方面具有优良的性能。蓝宝石具有化学和物理性质稳定、透光性好、成本合适等优点，因此广泛被用于氮化物外延衬底。但由于氮化物外延薄膜与底部的蓝宝石衬底存在巨大差异的晶格常数失配和热膨胀系数失配，所以利用氢化物气相外延（HVPE）、金属有机物化学气相淀积（MOCVD）、分之束外延（MBE）等外延生长的氮化物外延薄膜，会在氮化物外延薄膜产生高的线位错密度，这种高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，导致器件的可靠性和内量子效率降低。采用蓝宝石图形衬底技术可以缓解由于氮化物外延薄膜与底部的蓝宝石衬底存在巨大差异的晶格常数失配和热膨胀系数失配而引起的应力，使应力得到有效的弛豫，可以有效的降低氮化物外延薄膜中的的线位错密度。图形化蓝宝石衬底，区别于普通的平片蓝宝石衬底。它是在外延级平整的蓝宝石基片上制作周期性的起伏图形。图形化蓝宝石衬底主要应用于半导体蓝、绿、白光LED的外延芯片上，可以大幅度提高LED芯片亮度，大幅度提高芯片的功率和散热效率，正成为半导体照明产业的主流衬底。对蓝宝石衬底进行合理的图形化预处理，实现其侧向外延生长，进而减小其扩展到多量子阱生长层中的缺陷，从而提高LED器件的发光效率，同时改善出光方式，是高亮度LED领域发展和研究的必然趋势，有着重要的理论和实际价值。

目前，一般采用刻蚀蓝宝石基片的方法制备蓝宝石图形衬底，刻蚀可分为湿法刻蚀和干法刻蚀。

湿法刻蚀是先在蓝宝石基片上制备一层掩膜层，根据需要刻蚀掉部分掩膜层，再利用合适的化学试剂先将未被掩膜层覆盖的晶片部分分解，然后形成可溶性的化合物以达到去除的目的。这种刻蚀技术主要是借助刻蚀液和晶片材料的化学反应，因此可以借助化学试剂的选取、配比以及温度的控制来达到合适的刻蚀速率和良好的刻蚀选择比。湿法刻蚀的优点是程序单一，设备简单，而且成本低，生产效率高，并且具有良好的刻蚀选择比。但是，湿法刻蚀一般是各向同性的，在把光刻图形转移到晶片上的同时，刻蚀不仅纵向进行，也会向着横向进行。这样会使图形失真，甚至使线宽失真。

国际上对于蓝宝石图形衬底的刻蚀多采用的是干法刻蚀技术，但由于蓝宝石基片的高硬度及耐强酸特性导致其在器件制作时常面临着切割、抛光和器件隔离等困难，因此逐步采用离子束刻蚀（IBE）、激光辅助化学腐蚀（LAE）、离子注入化学腐蚀和感应耦合等离子体（ICP）等技术来取代机械加工技术，其中ICP干法刻蚀技术以其具有能够分别控制等离子体密度和离子轰击能量，适于辉光放电时自动匹配网络等优点而大量采用。但是，干法刻蚀容易对蓝宝石基片表面，特别是台面边缘部位，造成一定的污染和损伤，不利于外延层晶体质量的进一步提高。

由于投影光学系统固有的光学特性，如何利用现有工艺和设备进行分辨率和焦深这两个矛盾参数的选择，成为光学光刻技术面临的一个主要问题，而且引起新光源、光刻胶、掩模、工艺、透镜材料与设计等诸多问题需要解决。过去十几年，在缩短曝光波长、增大光学系统数值孔径方面的努力，再加上相移掩模离轴照明、邻近效应校正等增强光刻分辨率技术，无论是在提高分辨率和增大焦深两方面都取得了很好的成果。但是由于分辨力和焦深之间的矛盾，使得光刻技术存在极限。基于粒子聚焦的光刻，无论是离子束光刻还是电子束光刻，尽管具有足够高的分辨率，并且通过移动工件台，可以取得相对较大的曝光视场，但缓慢的曝光速度限制了在低成本、大批量生产制造过程中的应用。

发明内容

为了解决以上技术问题，本发明提供一种可避免图形失真和不损伤蓝宝石基片的低成本、大面积图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下几个步骤：

步骤A:在蓝宝石基片的一个面上磁控溅射金属铝膜；

步骤B:在金属铝膜上施涂光刻胶膜，烘干;

步骤C:进行激光干涉曝光、显影，获得光刻胶图形；

步骤D:以金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜和去胶，在蓝宝石基片上获得金属铝膜凸台的图形化金属铝膜；

步骤E:进行低温热处理，使图形化金属铝膜充分氧化成为图形化多晶Al₂O₃膜;

步骤F:将得到的图形化多晶Al₂O₃膜进行高温热处理，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，即得到图形化蓝宝石衬底。

本发明采用以上技术方案，其优点在于，采用激光干涉光刻，激光干涉光刻技术是利用光的干涉特性，采用不同的光束组合方式，来调节干涉场内的光强度分布，并采用光刻胶将光强度分布记录下来，从而制备出图形化光刻胶。激光干涉光刻技术不需要采用昂贵的投影光学系统，系统的通光孔径决定曝光场区域面积，因此激光干涉光刻技术特别适合应用在大面积范围内制备图形。激光干涉光刻技术属于一种新兴、廉价的光刻技术，并且分辨率有潜力高达λ/2-λ/4，所以激光干涉光刻技术是对现有光学光刻技术的补充，具有广阔的应用前景。

由于投影光学系统固有的光学特性，如何利用现有工艺和设备进行分辨率和焦深这两个矛盾参数的选择，成为光学光刻技术面临的一个主要问题，而且引起新光源、光刻胶、掩模、工艺、透镜材料与设计等诸多问题需要解决。过去十几年，在缩短曝光波长、增大光学系统数值孔径方面的努力，再加上相移掩模离轴照明、邻近效应校正等增强光刻分辨率技术，无论是在提高分辨率和增大焦深两方面都取得了很好的成果。但是由于分辨力和焦深之间的矛盾，使得光刻技术存在极限。基于粒子聚焦的光刻，无论是离子束光刻还是电子束光刻，尽管具有足够高的分辨率，并且通过移动工件台，可以取得相对较大的曝光视场，但缓慢的曝光速度限制了在低成本、大批量生产制造过程中的应用。

激光干涉光刻技术具有以下优势：激光干涉光刻系统简单廉价，不需要复杂的曲面光学元件，一次曝光大视场容易实现。激光干涉光刻技术可以采用现有的曝光光源和成熟的光刻胶工艺，而不需要采用价格昂贵的光刻成像透镜，获得高分辨、无限焦深、大面积光刻成为现实。激光干涉光刻尤其适用于制备周期性结构图形的微电子器件和光电子器件。

优选的,所述金属铝膜的厚度为150nm～200nm。

优选的,所述步骤B中的光刻技术选用激光干涉光刻。

优选的,所述步骤B中光刻胶采用AZ1500光刻胶。

优选的,所述步骤B中光刻胶膜的厚度为150nm～250nm。

优选的,所述步骤E中低温热处理的温度为400℃～600℃。

优选的,所述步骤F中高温热处理的温度为950℃～1250℃。

本发明方法与湿法刻蚀蓝宝石图形衬底相比，克服了各向同性刻蚀引起的图形失真甚至使线宽失真的问题；与干法刻蚀蓝宝石图形衬底相比，克服了对蓝宝石衬底表面，特别是台面边缘部位造成的污染和损伤；与离子束光刻或电子束光刻相比，光刻系统简单廉价，不需要复杂的曲面光学元件，一次曝光大视场容易实现。采用现有的曝光光源和成熟的光刻胶工艺，不需要采用价格昂贵的光刻成像透镜，获得高分辨、无限焦深、大面积光刻成为现实。

本发明的有益效果是：本发明的图形化蓝宝石衬底的制备方法，不同于目前国内外通常所采用的对蓝宝石衬底直接进行干法刻蚀或湿法刻蚀，而是先采用激光干涉光刻和反应离子刻蚀，在蓝宝石基片上形成图形化铝膜，然后通过两步热处理的方式使铝膜进行固相反应，最终生成氧化铝单晶薄膜，从而可以获得最优的用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底，工艺简单易行，成本低，面积大。

附图说明

图1是本发明制备图形化蓝宝石衬底的工艺过程示意图。

图2是本发明中图形化光刻胶/金属铝膜的SEM图。

图3是图2的图形化金属铝膜经450℃24小时热处理得到的多晶Al₂O₃膜的SEM图。

图4是图3的多晶Al₂O₃膜再经1000℃24小时固相反应得到的图形化蓝宝石衬底的SEM图。

图5是图3的多晶Al₂O₃膜再经1200℃24小时固相反应得到的图形化蓝宝石衬底的SEM图。

图6是图形化蓝宝石衬底（11-23）的XRD-Φ扫描结果。

图7是图形化蓝宝石衬底(0006)的XRD-ω/2θ扫描结果。

图8是未图形化的蓝宝石基片（0006）的XRD-ω/2θ扫描结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的图形化蓝宝石衬底的制备工艺过程，具体包括下列步骤：

步骤S1：采用磁控溅射技术在蓝宝石基片的一个面上磁控溅射厚度为150nm～200nm的金属铝膜。

步骤S2：在金属铝膜上施涂厚度为200nm光刻胶膜，烘干，然后进行激光干涉曝光、显影，获得光刻胶图形，光刻胶可选用AZ1500光刻胶。

步骤S3：以金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜和去胶，在蓝宝石基片上获得金属铝膜凸台的图形化金属铝膜；

步骤S4：在400℃～600℃下进行低温热处理，使图形化金属铝膜充分氧化成为图形化多晶Al₂O₃膜。

步骤S5：接着置于950℃～1250℃下进行高温热处理实现固相反应同质外延，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，得到适用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底。

其中，sapphire为蓝宝石的意思，

实施例1

按照以下顺序进行的方法制备用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底：

⑴、溅射金属铝膜：采用直流磁控溅射技术在蓝宝石基片一个面上磁控溅射约200nm金属铝膜。

⑵、激光干涉光刻：在步骤⑴溅射了金属铝膜的蓝宝石衬底铝膜上旋涂AZ1500光刻胶，厚度约为200nm，甩胶转速2000r/min，110℃烘干2min；然后进行双激光干涉两次曝光，激光波长λ为325nm，曝光图形设计为周期圆形，曝光图形周期为1μm，两束激光以相对于z轴对称的角入射±θ为9.35°，对光刻胶进行第一次曝光，曝光时间为8min，接着将衬底旋转90°，以第一次相同的曝光参数，对光刻胶进行第二次曝光。在AZ351B(diluted1:4)中显影20s，N₂吹干，获得激光干涉光刻胶图形。

⑷、反应离子刻蚀金属铝膜和去胶：以步骤⑶的溅射金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜，RF功率为600W，直流偏压-200V，腔压力为7mT，BCl3的流量为100sccm，Cl2的流量为25sccm，刻蚀时间为90s。采用反应离子刻蚀去胶，RF功率为50W，腔压力为100mT，O₂的流量为200sccm，刻蚀时间为120s，使光刻胶完全去除，获得图形化金属铝膜，铝膜图形形状为柱形，图形尺寸600nm，周期为1μm，高度约为200nm。如图2所示，为获得的图形化光刻胶/金属铝膜的SEM图。

⑸、低温热处理：将步骤⑷的具有图形化金属铝膜的试样放入氧化铝坩埚，在退火炉中进行450℃24小时处理使金属铝膜充分氧化成为多晶Al₂O₃膜。如图3所示，是经450℃24小时热处理的图形化多晶Al₂O₃膜的SEM图。

⑹、高温热处理：在完成步骤⑸的基础上进行1000℃24小时热处理，实现固相反应同质外延，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，完成用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底的制备。如图4所示，是激光干涉图形化金属名铝膜经450℃24小时及1000℃24小时固相反应制备的图形化蓝宝石衬底的SEM图，从图中可以看出图形清晰完整无变形。

实施例2

按照以下顺序进行的方法制备用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底：

⑴、溅射金属铝膜：采用直流磁控溅射技术在蓝宝石基片一个面上磁控溅射约200nm金属铝膜。

⑵、激光干涉光刻：在步骤⑴溅射了金属铝膜的蓝宝石衬底铝膜上旋涂AZ1500光刻胶，厚度约为200nm，甩胶转速2000r/min，110℃烘干2min；然后进行双激光干涉两次曝光，激光波长λ为325nm，曝光图形设计为周期圆形，曝光图形周期为1μm，两束激光以相对于z轴对称的角入射±θ为9.35°，对光刻胶进行第一次曝光，曝光时间为8min，接着将衬底旋转90°，以第一次相同的曝光参数，对光刻胶进行第二次曝光。在AZ351B(diluted1:4)中显影20s，N₂吹干，获得激光干涉光刻胶图形。

⑷、反应离子刻蚀金属铝膜和去胶：以步骤⑶的溅射金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜，RF功率为600W，直流偏压-200V，腔压力为7mT，BCl₃的流量为100sccm，Cl₂的流量为25sccm，刻蚀时间为90s。采用反应离子刻蚀去胶，RF功率为50W，腔压力为100mT，O₂的流量为200sccm，刻蚀时间为120s，使光刻胶完全去除，获得图形化金属铝膜，铝膜图形形状为柱形，图形尺寸600nm，周期为1μm，高度约为200nm。如图2所示，为获得的图形化光刻胶/金属铝膜的SEM图。

⑸、低温热处理：将步骤⑷的具有图形化金属铝膜的试样放入氧化铝坩埚，在退火炉中进行500℃24小时处理使金属铝膜充分氧化成为多晶Al₂O₃膜。

⑹、高温热处理：在完成步骤⑸的基础上进行1200℃24小时热处理，实现固相反应同质外延，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，完成用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底的制备。如图5所示，是激光干涉图形化金属名铝膜经500℃24小时及1200℃24小时固相反应制备的图形化蓝宝石衬底的SEM图，从图中可以看出图形清晰完整无变形。

实施例3

晶体结构测试

使用高分辨X射线衍射仪对制备的图形化蓝宝石衬底进行晶体结构测试。图6是图形化蓝宝石衬底（11-23）的扫描结果（11-23为晶面标记），图7为图形化蓝宝石衬底(0006)的XRD-ω/2θ扫描结果（0006为晶面标记），结果表明图形化蓝宝石衬底（0006）的衍射峰半高宽FWHM=0.0101°。图8为未图形化的蓝宝石基片（0006）的XRD-ω/2θ扫描结果，结果表明未图形化蓝宝石基片（0006）的衍射峰半高宽FWHM=0.0133°。图6的图形化蓝宝石衬底（11-23）的XRD-Φ扫描结果，（11-23）与（0006）的晶面夹角使样品绕表面法线n作0～360°扫描。在图6中出现了6个等间隔的衍射峰，相邻的衍射峰之间相差60°，表明图形化蓝宝石衬底是六方晶系，并且与基片取向一致，而且图形化蓝宝石衬底较未图形化蓝宝石基片结晶质量提高，从而实现了制备用于氮化物外延生长的图形化蓝宝石衬底。

实施例4

本发明激光干涉光刻制备图形化蓝宝石衬底：制备直径2寸样品，用时8分钟，激光干涉光刻价格是800元/片。而原有的电子束光刻制备图形化蓝宝石衬底，制备100μm×100μm的面积，用时30分钟，电子束光刻价格是1600元/小时。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

步骤A: 在蓝宝石基片的一个面上磁控溅射金属铝膜；

步骤B: 在金属铝膜上施涂光刻胶膜，烘干;

步骤C: 进行激光干涉曝光、显影，获得光刻胶图形；

步骤D: 以金属铝膜上图形化光刻胶为掩膜，采用反应离子刻蚀金属铝膜和去胶，在蓝宝石基片上获得金属铝膜凸台的图形化金属铝膜；

步骤E:进行低温热处理，使图形化金属铝膜充分氧化成为图形化多晶Al₂O₃膜;

步骤F:将得到的图形化多晶Al₂O₃膜进行高温热处理，使图形化多晶Al₂O₃膜完全转化为图形化单晶Al₂O₃膜，即得到图形化蓝宝石衬底。

2.如权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述金属铝膜的厚度为150nm～200nm。

3.如权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述步骤B中的光刻技术选用激光干涉光刻。

4.如权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述步骤B中光刻胶采用AZ1500光刻胶。

5.如权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述步骤B中光刻胶膜的厚度为150nm～250nm。

6.如权利要求1所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述步骤E中低温热处理的温度为400℃～600℃。

7.如权利要求1至4任一项所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，其特征在于,所述步骤F中高温热处理的温度为950℃～1250℃。

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