CN103545173A - 一种带有大面积纳米图形的蓝宝石模板制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有纳米图形的蓝宝石模板制作方法，包括：选择蓝宝石衬底模板；在所述蓝宝石衬底模板上旋涂光刻胶，并在所述光刻胶上铺单层密排自组装纳米球；对单层密排自组装纳米球进行曝光，然后去除单层密排自组装纳米球并显影，最终获得带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板；在带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板上覆盖掩蔽层；然后剥离所述光刻胶上的掩蔽层并清洗掉光刻胶，获得带有掩蔽柱图形的蓝宝石模板；将所述掩蔽柱图形转移至所述蓝宝石衬底，最终获得带有纳米图形的蓝宝石模板。本发明公开的上述制作方法工艺简单、成本低廉，且利用自然光刻技术制作了尺寸可控的纳米图形蓝宝石(sapphire)模板。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，特别是指一种新的利用自然光刻技术制作尺寸可控的大面积纳米图形蓝宝石模板的方法。
背景技术
近年来，GaN基LED因为其高亮度、低消耗以及无污染等优良特性而得到人们的广泛关注。随着LED性能的不断提高，取代传统照明光源的趋势日渐明显。传统GaN基LED的GaN基材料外延基底有蓝宝石(sapphire)、碳化硅(SiC)、硅(Si)。其中，sapphire因为其自身结构和GaN基材料相近以及造价相对较低的原因，成为人们在制作GaN基LED中使用最多的衬底。起初人们在平面sapphire上外延LED结构取得成功，但是该结构光提取效率很低(～10％)。为了解决该问题，人们开发了很多改善光提取效率的方法，比如LED表面粗化、sapphire图形衬底(PSS)以及光子晶体LED。其中，图形衬底因为其工艺方便简洁而且效果显著而得到最广泛的使用，目前商用的sapphire衬底的LED几乎都是PSS的LED。另外，人们开发的倒装结构的LED背面sapphire也是一个平面，波导效应严重，为改善其出光效率而在sapphire上进行粗化或者制作周期结构，也是一个重要的课题。另一方面，传统的PSS都是指微米级的图形，为了进一步提高LED的出光效率并改善LED材料外延质量，人们开始关注纳米图形sapphire衬底(NPSS)。一些初期的实验表明，部分NPSS确实可以获得更好的外延材料质量和更高的光提取效率。NPSS可以外延出应力释放较多的GaN材料，这可以减少材料的位错密度，提高LED的内量子效率；另一方面，规整的NPSS相当于光子晶体结构，而对蓝光而言，一些光子晶体的实验表明，光子晶体尺寸和蓝光波长相当的时候，可能更容易获得更高的光逃逸概率。但是，以上NPSS的优势并非是确凿可信的，并不是所有的实验都获得了同样的结论。因此，制备NPSS既有学术研究价值，也很可能具有商业应用价值。因为sapphire的抗刻蚀能力很强，低沉本、高质量制作大面积NPSS，尤其是规则的NPSS光子晶体结构，具有一定的挑战性。
自然光刻是上世纪90年代初出现的一种利用自然形成的周期的或者非周期的掩蔽层来实现周期或者非周期的微纳级图形转移的技术。相比传统的图形转移技术，自然光刻技术工艺简单、成本低廉。随着近些年化学领域自组装技术的快速发展和进步，利用自组装纳米球做光刻转移(NSL)的文章和专利纷纷出现，不仅在图形转移质量上有很大的改善，而且在图形转移的创新应用上取得很多可喜的成果。利用NSL技术可以实现亚微米甚至纳米级图形转移，也可是实现三维图形的制作和转移。
发明内容
有鉴于此。本发明提供了一种利用自然光刻技术制作尺寸可控的大面积纳米图形蓝宝石模板的方法，其包括：
步骤1：选择蓝宝石衬底模板；
步骤2：在所述蓝宝石衬底模板上旋涂光刻胶，并在所述光刻胶上铺单层密排自组装纳米球；
步骤3：对单层密排自组装纳米球进行曝光，然后去除单层密排自组装纳米球并显影，最终获得带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板；
步骤4：在带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板上覆盖掩蔽层；然后剥离所述光刻胶上的掩蔽层并清洗掉光刻胶，获得带有掩蔽柱图形的蓝宝石模板；
步骤5：将所述掩蔽柱图形转移至所述蓝宝石衬底，最终获得带有纳米图形的蓝宝石模板。
本发明利用NSL技术制作了高质量、大面积尺寸可控的纳米图形蓝宝石，为NPSS制备以及图案化蓝宝石模板提供了一种可靠的方法。而通过本发明提出的上述方法制作出的带有大面积纳米图形的蓝宝石模板应用广泛。比如可以用作氮化镓基发光二级管外延材料生长的衬底，该衬底外延出来的氮化镓基材料应力有释放，缺陷有一定程度的减少。更为重要的是，该带有纳米图形的蓝宝石衬底对发光二级管光提取效率的改善是显著的，比使用普通平面衬底的蓝宝石模板制作的发光二级管的出光效率提高一倍左右。除了作为外延衬底使用以外，所述带有纳米图形的蓝宝石模板的制作方法，还可以用在倒装发光二级管蓝宝石背面粗化以提高倒装芯片光提取效率上面。
附图说明
图1是本发明中在平面蓝宝石模板上旋涂光刻胶并铺单层密排自组装纳米球后的示意图；
图2是本发明中利用单层秘排自组装纳米球对紫外光的汇聚作用，在光刻胶上制作纳米孔洞图形后的示意图；
图3是本发明中在带有孔洞图形的光刻胶蓝宝石模板上面覆盖掩蔽层的示意图；
图4是本发明中剥离光刻胶上掩蔽层并清洗掉光刻胶后，制作成带有掩蔽柱的模板的示意图；
图5是本发明中将掩蔽柱的图形转移至蓝宝石模板后最终获得的纳米图形蓝宝石模板；
图6是本发明中制作的纳米图形蓝宝石模板的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1至图5分别示出了本发明提出的利用自然光刻技术制作尺寸可控的大面积纳米图形蓝宝石模板时，在不同阶段该纳米图形蓝宝石模板的结构图。本发明提供了一种利用自然光刻技术制作尺寸可控的大面积纳米图形蓝宝石模板的方法，该方法包括：
步骤1：选择一蓝宝石(sapphire)模板10；
步骤2：在平面sapphire模板10上旋涂光刻胶20并在光刻胶20上铺单层密排自组装纳米球21；完成这步制作后的结构如图1所示；
步骤3：利用单层密排自组装纳米球21的光汇聚作用，进行曝光，然后去除单层密排自组装纳米球21并显影获得带有孔洞图形光刻胶20的sapphire模板；完成这步制作后的结构如图2所示；
步骤4：在带有孔洞图形光刻胶20的sapphire模板上覆盖一定厚度的掩蔽层30，掩蔽层30分为孔洞内掩蔽柱31和光刻胶上掩蔽层32，如图3所示；然后剥离光刻胶上的掩蔽层32，并清洗掉带有孔洞图形光刻胶20，获得带有掩蔽柱32的sapphire模板，如图4所示；
步骤5：通过图形转移方法，将掩蔽柱32的图形转移至sapphire模板，然后去除残余的掩蔽物，制作成纳米图形sapphire模板40，如图5所示。
其中，所述蓝宝石(sapphire)模板10可以为单面抛光或双面抛光的平面蓝宝石模板。
步骤2中旋涂的所述光刻胶20，其厚度依据铺的单层密排自组装纳米球21的尺寸来确定；一般在制作亚微米级图形孔洞时，光刻胶厚度要在1微米以内，以保证小尺寸图形的精确转移。所述单层自组密排装纳米球21，可以是聚苯乙烯(PS)纳米球，也可以是二氧化硅(SiO2)纳米球，或者是其他材质的自组装纳米球，要求纳米球材质要有一定的透光性。
步骤3中所述曝光光源的波长要小于单层密排自组装纳米球21的直径，避免强烈的衍射效应的发生；去除单层密排自组装纳米球21的方法可以有多种，其宗旨是不要损伤光刻胶20；显影液的种类要和光刻胶20相配套，显影的条件要通过实际试验来确定；上述曝光显影过程，一定要保证光刻胶孔洞是穿透光刻胶到达sapphire模板的，否则后续覆盖在光刻胶孔洞里面的掩蔽层难以和sapphire粘附在一起。
所述覆盖掩蔽层30的种类可以是各种具有一定抗刻蚀能力的掩蔽层，比如金属、氧化物、氮化物等，选择掩蔽物的原则是要保证该掩蔽物跟sapphire模板有高的刻蚀比(蓝宝石刻蚀速率/掩蔽物的刻蚀速率)，即蓝宝石模板的刻蚀速率大于掩蔽物的刻蚀速率，而且该掩蔽物要和刻蚀工艺相兼容，不会损伤刻蚀设备；覆盖掩蔽层30厚度最好在光刻胶上孔洞深度的一半以内，以方便掩蔽物剥离和去胶；覆盖掩蔽层30的覆盖方法有多种，比如电子束(EB)蒸发、等离子增强的气相淀积(PECVD)以及磁控溅射(Mag netron sputtering)技术。
步骤5中所述将掩蔽柱图形转移到sapphire模板可以通过感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术实现，也可以通过其他刻蚀方法实现。
通过上述方法制作出来的带有大面积纳米图形的蓝宝石模板可以用作氮化镓基发光二级管外延材料生长的衬底，还可以用于倒装结构的发光二极管背面蓝宝石的粗化上面以提高LED的光提取效率，等等。
本发明另一实施例中提供了一种利用自然光刻技术制作尺寸可控的大面积纳米图形蓝宝石模板方法的优选实施例，包括如下步骤：
步骤1：选择一单面抛光sapphire模板，厚430微米；
步骤2：在所述单元抛光sapphire模板上旋涂光刻胶RP-3120，厚500纳米，并在光刻胶上铺单层密排自组装PS球，直径为900纳米；
步骤3：利用PS球的光汇聚作用，进行曝光，曝光波长325纳米，曝光时间2-5秒，然后用蓝膜沾掉PS球并显影(显影液AR-36，显影时间2-8秒)获得带有孔洞图形的光刻胶sapphire模板，孔洞直径400纳米左右；
步骤4：在带有孔洞图形的光刻胶sapphire模板上用电子束蒸发蒸镀200纳米厚Ni金属，然后剥离光刻胶上Ni金属层，清洗掉光刻胶，获得带有Ni金属柱的sapphire模板；
步骤5：通过ICP刻蚀方法，将Ni金属柱图形转移至sapphire，然后用三氯化铁溶液去除残余Ni金属并用去离子水清洗，制作成纳米图形sapphire模板。
图6示出了通过该另一实施例给出的上述方法所制造出的带有大面积纳米图形sapphire模板的扫描电子显微镜照片。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种带有纳米图形的蓝宝石模板制作方法，包括：
步骤1：选择蓝宝石衬底模板；
步骤2：在所述蓝宝石衬底模板上旋涂光刻胶，并在所述光刻胶上铺单层密排自组装纳米球；
步骤3：对单层密排自组装纳米球进行曝光，然后去除单层密排自组装纳米球并显影，最终获得带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板；
步骤4：在带有孔洞图形光刻胶的蓝宝石模板上覆盖掩蔽层；然后剥离所述光刻胶上的掩蔽层并清洗掉光刻胶，获得带有掩蔽柱图形的蓝宝石模板；
步骤5：将所述掩蔽柱图形转移至所述蓝宝石衬底，最终获得带有纳米图形的蓝宝石模板。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤1中所选择的蓝宝石模板包括单面抛光或双面抛光的平面蓝宝石模板。
3.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述带有纳米图形的蓝宝石模板用作氮化镓基发光二级管外延材料生长的衬底。
4.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述带有纳米图形的蓝宝石模板用于倒装结构的发光二极管背面蓝宝石的粗化上。
5.如权利要求1所述的制作方法，步骤2中所旋涂的光刻胶，其厚度依据所述单层密排自组装纳米球的尺寸确定；所述单层自组密排装纳米球为聚苯乙烯(纳米球、二氧化硅纳米球或者其他材质的自组装纳米球。
6.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤3中用于曝光的光源波长小于单层密排自组装纳米球的直径；所述孔洞图形穿透所述光刻胶到达所述蓝宝石模板。
7.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤4中所述覆盖掩蔽层的覆盖方法包括电子束蒸发、等离子增强的气相淀积或磁控溅射方式。
8.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述蓝宝石模板的刻蚀速率大于所述覆盖掩蔽层的刻蚀速率。
9.如权利要求1所述的制作方法，所述覆盖掩蔽层包括金属、氧化物或氮化物。
10.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，步骤5中通过感应耦合等离子体刻蚀方式将所述将掩蔽柱图形转移到蓝宝石模板。
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