CN103597619A - 制造装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造具有凹凸结构的装置的方法，该方法包括以下步骤：在其中形成细微凹凸结构(AS)的n型半导体层(13)上形成有机抗蚀剂膜(20)；在有机抗蚀剂膜上形成含硅抗蚀剂膜；利用纳米压印技术使含硅抗蚀剂膜图案化；用含氧等离子体氧化含硅抗蚀剂膜以形成氧化硅膜(30c)；使用氧化硅膜(30c)作为蚀刻掩膜，对有机抗蚀剂膜(20)实施干法蚀刻；使用氧化硅膜(30c)和有机抗蚀剂膜(20a)作为蚀刻掩膜，对n型半导体层(13)实施干法蚀刻；以及去除氧化硅膜(30c)和有机抗蚀剂膜(20a)。

Description

制造装置的方法
技术领域
本发明涉及一种制造具有细微凹凸结构的装置的方法。
背景技术
目前存在用于在发光装置(例如发光二极管或激光二极管)中形成所谓“光子晶体”的方法，该光子晶体是纳米级细微凹凸结构，用以提高装置的光提取效率(例如，见专利文件1)。此方法包括以下步骤：将由氧化硅制成的蚀刻掩膜层压在第一氮化物半导体层上，以及利用光刻法经由蚀刻掩膜在第一氮化物半导体层中形成孔，由此在第一氮化物半导体层中形成细微凹凸结构。
现有技术文件
专利文件1：日本专利公开第2011-35078号
发明内容
本发明要解决的问题
在光子晶体结构中，例如当凹形部的内直径变小时，可将提高光提取效率的波长带制作成小的波长带。然而，当利用光刻法形成光子晶体结构时，由于曝光辐射波长的原因而使分辨率受到限制。因此，难以为了提高光提取效率的目的使凹形部的内直径和凸形部的直径最优化以及增大纵横比。因此，难以通过光刻法形成凹凸结构。
有鉴于此，也有人提出了采用纳米压印的方法。在采用纳米压印的方法中，利用主模将细微凹凸结构转印到抗蚀剂膜上，并且在使用抗蚀剂膜的情况下实施干法蚀刻。在此方法中，也可以形成具有例如数十纳米或不到数十纳米的尺寸的细微凹凸结构。此外，因为通过将主模挤压在抗蚀剂膜上的简单工艺而形成细微凹凸结构，所以与利用光刻法所形成细微凹凸结构相比可获得降低制造成本的效果。
在纳米压印工艺中，重要的是确保主模从转印凹凸结构的抗蚀剂膜的脱模。然而，用于获得具有高纵横比细微凹凸结构的主模中的凹形部深度的增加导致在主模脱模后抗蚀剂膜附着在主模上以及凹形部和凸形部有缺陷形状。因此，主模中的凹形部深度和凸形部高度受到限制。因此，仅采用纳米压印工艺难以形成具有高纵横比的细微凹凸结构。
因此，本发明的目的是提供一种制造包括具有高纵横比的细微凹凸结构的装置的方法。
解决问题的手段
本发明的第一方面是一种制造具有凹凸结构的装置的方法，该方法包括以下步骤：在其中形成凹凸结构的凹凸结构形成层上形成有机抗蚀剂膜；在有机抗蚀剂膜上形成含硅抗蚀剂膜；通过纳米压印使含硅抗蚀剂膜图案化；用含氧的等离子体氧化含硅抗蚀剂膜，以形成氧化硅膜；使用氧化硅膜作为蚀刻掩膜，对有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻；使用氧化硅膜和有机抗蚀剂膜作为蚀刻掩膜，对凹凸结构形成层实施干法蚀刻；以及去除氧化硅膜和有机抗蚀剂膜。
根据第一方面，通过将含硅抗蚀剂膜层压于有机抗蚀剂膜上而形成凹凸结构，利用纳米压印使含硅抗蚀剂膜图案化，以及通过对有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻而形成双层抗蚀层。当利用纳米压印工艺形成单层抗蚀剂时，为了确保脱模的目的而限制膜厚度。然而，通过利用干法蚀刻形成双层抗蚀层，能够增加抗蚀剂的膜厚度。因此，通过使用双层抗蚀层，可在凹凸结构形成层中形成具有高纵横比的凹形部。此外，将由氧化硅所制成抗蚀剂膜形成为双层抗蚀层的上层。因此，可提高凹凸结构形成层对抗蚀剂膜的选择性。
在第二方面，制造根据第一方面的装置的方法还包括以下步骤：在对有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻的步骤之前，用含氧和氟的等离子体去除保留在通过纳米压印所形成的凹形部中的剩余层。
根据第二方面，在对有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻之前，去除含硅抗蚀剂膜的剩余层。因此，利用有机抗蚀剂膜来防止凹凸结构形成层暴露于等离子体中。具体地，当通过纳米压印形成单层抗蚀剂时，在去除剩余层的步骤中使凹凸结构形成层暴露于等离子体中。然而，通过形成双层抗蚀层，可减小凹凸结构形成层暴露于等离子体中的机会。因此，可阻止由于使凹凸结构形成层暴露于等离子体中所造成的性质变化。
在第三方面，在制造根据第一或第二方面的装置的方法中，凹凸结构形成层是由第Ⅲ族氮化物半导体制成，并且用含氯的等离子体对该凹凸结构形成层进行蚀刻。
根据第三方面，因为用含氯的等离子体对由第Ⅲ族氮化物半导体所制成的凹凸结构形成层进行蚀刻，所以可提高对氧化硅膜的选择性。
根据第四方面，在根据第一或第二方面的制造装置的方法中，凹凸结构形成层是由蓝宝石制成，并且用含氯的等离子体对该凹凸结构形成层进行蚀刻。
根据第四方面，因为用含氯的等离子体对由蓝宝石所制成的凹凸结构形成层进行蚀刻，所以可提高对氧化硅膜的选择性。
在第五方面，在根据第一或第二方面的制造装置的方法中，凹凸结构形成层是由多层所组成，并且用含氯的等离子体对该凹凸结构形成层进行蚀刻。
根据第五方面，可在多层上形成具有高纵横比的细微凹凸结构。
附图说明
图1是图解说明层压体的剖视图，该层压体是用于形成是根据本发明一个实施例的装置的发光装置。
图2是图解说明作为制造发光装置的方法的、制造根据本发明第一实施例的装置的方法的示意图，其中图2A图解说明了形成有机抗蚀剂膜的步骤；图2B图解说明了形成含硅抗蚀剂膜的步骤；图2C图解说明了纳米压印工艺。
图3A图解说明了去除剩余层的步骤；图3B图解说明了氧化含硅抗蚀剂膜的步骤；图3C图解说明了使有机抗蚀剂膜图案化的步骤；图3D图解说明了对是凹凸结构形成层的GaN层实施干法蚀刻的步骤；图3E图解说明了抗蚀剂去除工艺。
图4是图解说明具有层压体的发光装置的一个实例的示意图。
图5是图解说明作为制造发光装置的方法的、制造根据本发明第二实施例的装置的方法的示意图，其中图5A图解说明了形成有机抗蚀剂膜的步骤；图5B图解说明了形成含硅抗蚀剂膜的步骤；图5C图解说明了纳米压印工艺。
图6是图解说明根据第二实施例的发光装置的一个实例的示意图。
图7是图解说明利用根据本发明制造工艺所形成装置的另一个实例的示意图。
具体实施方式
(第一实施例)
现在将参照图1至图4，对适用于制造发光装置的方法的、制造根据本发明一个实施例的装置的方法进行描述。在本实施例中，发光装置具体为发光二极管(LED)。
如图1中所示，用于构成LED的层压体10包括：衬底11、缓冲层12、n型半导体层13、具有多量子阱结构(MQW)的MQW层14、和p型半导体层15。
任何衬底均可用作衬底11，只要缓冲层12、n型半导体层13等可在该衬底上外延地生长。例如，衬底11可以是蓝宝石衬底。此外，碳化硅、硅等也可用作衬底11的材料。
n型半导体层13、MQW层14、和p型半导体层15是由包含至少一种第Ⅲ族元素的第Ⅲ族氮化物半导体制成，例如AlN、GaN、InN、AlGaN、AlInN、GaInN或者AlGaInN。在本实施例中，n型半导体层13是由用Si或Ge掺杂的n型GaN制成。
在n型半导体层13的表面上形成细微凹凸结构AS。在本实施例中，n型半导体层13相当于凹凸结构形成层。细微凹凸结构AS具有周期性结构，该周期性结构大致具有提高发光装置提取效率的波长除以n型半导体层13的材料折射率得到的长度。具体地，当把细微凹凸结构AS优化成光子晶体的周期性结构时，凹形部或凸形部的半径R与结构周期a具有“0.3<R/a<0.4”的关系并且纵横比超过1。细微凹凸结构AS阻止在n型半导体层13主表面方向上的光传播，从而在垂直于n型半导体层13主表面的方向上发射光，由此提高光提取效率。
接着，将根据图2来描述制造半导体发光装置的方法。如图2A中所示，首先利用旋涂机等将有机抗蚀材料例如热塑性酚醛树酯(novolak resin)涂覆于n型半导体层13上，以形成有机抗蚀剂膜20。
在形成有机抗蚀剂膜20之后，如图2B中所示，利用旋涂机等装置将含硅抗蚀材料涂敷于有机抗蚀剂膜20上，以形成含硅抗蚀剂膜30。基于例如含硅抗蚀材料的粘度，将含硅抗蚀剂膜30调整为具有可完全确保主模脱模的厚度。含硅抗蚀剂膜30的膜厚度小于有机抗蚀剂膜20的膜厚度。
然后，如图2C中所示，利用纳米压印将细微凹凸结构AS的图案转印到含硅抗蚀剂膜30上。主模N是由石英等的基板所形成，并且包括具有利用电子束等形成细微结构的表面。当把主模N垂直地挤压在含硅抗蚀剂膜30上时，主模N的图案被转印到含硅抗蚀剂膜30上从而形成图案转印膜30a。这里，将主模N中的凹形部深度和凸形部高度设定成抑制图案转印膜30a中凹形部30H和凸形部的形状缺陷。由此，提高图案转印膜30a中凹形部30H的垂直度。在此状态下，剩余层30d存在于图案转印膜30a的各凹形部30H的底部。
然后，将图案转印膜30a形成的前体物放进干法蚀刻装置中。可以适当地将已知装置(例如具有电感耦合等离子体源的装置、和具有电容耦合等离子体源的装置)用作干法蚀刻装置。干法蚀刻装置包括提供含氧气体和含氟气体的供气系统。当把该前体物放置于干法蚀刻装置中并基于预定条件驱动等离子体源时，产生用于去除剩余层30d的含氧气体和含氟气体的等离子体。亦即，如图3A中所示，对图案转印膜30a的凸形部表面进行蚀刻，剩余层30d也被蚀刻，由此使有机抗蚀剂膜20暴露在各凸形部之间。
这里，如果抗蚀剂具有单层结构，则当去除剩余层30d时使布置在剩余层30d下面的n型半导体层13暴露于含氧和氟的等离子体中。相反，在本实施例中，将含硅抗蚀剂膜30层压到有机抗蚀剂膜20上。因此，当去除剩余层30d时，n型半导体层13不暴露于等离子体中。由此抑制n型半导体层13的性质变化。
接着，将去除剩余层30d的前体物放置于包括提供含氧气体的供气系统的干法蚀刻装置中。然后，如图3B中所示，使去除剩余层30d的图案转印膜30a暴露于含氧等离子体中，以形成氧化硅膜30c。
在以这种方式在前体物上形成氧化硅膜30c之后，将前体物放置于包括提供氧气和稀释气体(例如氩气)的供气系统的干法蚀刻装置中。在干法蚀刻装置中，驱动等离子体源产生含氧等离子体，并且经由图案转印膜30a对有机抗蚀剂膜20实施干法蚀刻。因此，如图3C中所示，按照氧化硅膜30c使有机抗蚀剂膜20图案化，以形成图案形成膜20a。氧化硅膜30c和图案形成膜20a构成双层抗蚀层40。由于氧化硅膜30c的凹形部具有高垂直度，因而形成于有机抗蚀剂膜20中的凹形部也具有高垂直度。
在前体物上形成双层抗蚀层40之后，将前体物放置于包括提供含氯气体的供气系统的干法蚀刻装置中。驱动等离子体源产生含氯的等离子体，如图3D中所示，对n型半导体层13实施干法蚀刻以形成凹形部H1。含氯气体包括Cl2、BCl3等。
双层抗蚀层40的厚度与仅由氧化硅所构成的抗蚀剂膜相当。通过干法蚀刻所形成凹形部的深度基于对抗蚀剂膜的选择性以及抗蚀剂膜的厚度而变化。因此可形成具有高纵横比的凹形部，即使当n型半导体层13是由具有对抗蚀剂膜为低选择性的材料所构成时。此外，由于双层抗蚀层40的凹形部具有高垂直度，因而可提高形成于n型半导体层13中的凹形部的垂直度。
此外，当使用含氯气体作为蚀刻气体时，可提高GaN对掩膜的选择性。因此，通过使用提供高选择性的蚀刻气体，同时使用具有大膜厚度的双层抗蚀层40，可增大凹形部H1的纵横比。
在使n型半导体层13图案化之后，如图3E中所示，将前体物放置于包括供气系统的干法蚀刻装置中，该供气系统提供去除图案形成膜20a和氧化硅膜30c的含氧气体和含氟气体。因此，在n型半导体层13中形成细微凹凸结构AS，其包括具有大致相同节距的凹形部H1和凸形部。
在n型半导体层13中形成细微凹凸结构AS之后，使MQW层14和p型半导体层15在n型半导体层13上外延地生长(例如通过金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)法)，由此形成层压体10。
现在将对包括层压体的发光装置的一个实例进行描述。如图4中所示，发光装置50包括：上述层压体10、透明电极层16、p型极板电极17、n型极板电极18、层压在发光侧上的绝缘层19。这些层例如是通过MOCVD法而形成。
通过去除MQW层14、p型半导体层15、和透明电极层16，而在暴露的n型半导体层13的上表面上形成n型极板电极18。在透明电极层16的上表面上形成p型极板电极17。绝缘层19是由氧化硅等制成，并且形成于一部分的透明电极层16和一部分的n型半导体层13上。
第一实施例具有下述优点。
(1)在第一实施例中，通过将含硅抗蚀剂膜30层压在有机抗蚀剂膜20上，利用纳米压印工艺使含硅抗蚀剂膜30图案化，通过对有机抗蚀剂膜20实施干法蚀刻而形成双层抗蚀层40而在n型半导体层13中形成细微凹凸结构AS。当利用纳米压印工艺形成单层抗蚀层时，为确保主模的脱模会限制抗蚀剂的膜厚。但是，通过采用干法蚀刻形成双层抗蚀层40可增加抗蚀剂的膜厚度。因此，可利用双层抗蚀层40可在n型半导体层13中形成具有高纵横比的凹形部H1。此外，形成由氧化硅制成的抗蚀剂膜(30c)作为双层抗蚀层40的上层。由此提高n型半导体层13对抗蚀剂膜的选择性。
(2)在第一实施例中，在对有机抗蚀剂膜20实施干法蚀刻之前，用含氧和氟的等离子体去除利用纳米压印工艺所形成的剩余层30d。当压在n型半导体层13上的是单层抗蚀剂层时，在去除剩余层30d之后会使n型半导体层13暴露于等离子体中。然而，在上述方法中，因为有机抗蚀剂膜20保护n型半导体层13，所以n型半导体层13并不暴露于等离子体中。因此，抑制由于n型半导体层13暴露于等离子体中所造成的性质变化。
(3)在第一实施例中，用含氯的等离子体对由第Ⅲ族氮化物半导体层所构成的n型半导体层13进行蚀刻。由此进一步提高对双层抗蚀层40的选择性。
(第二实施例)
现在将参照图5和图6，对根据本发明第二实施例的制造发光装置的方法进行描述。在第二实施例中，其中形成细微凹凸结构AS的元件及制造方法不同于第一实施例。这里省略了对相同元件的详细解释。
在第二实施例中，在由蓝宝石所制成的衬底11中形成细微凹凸结构AS。具体地，衬底11相当于第二实施例中的凹凸结构形成层。首先，如图5A中所示，在衬底11的表面上形成双层抗蚀层40。形成双层抗蚀层40的步骤类似于第一实施例，包括以下步骤：在衬底11上形成有机抗蚀剂膜20、形成含硅抗蚀剂膜30、执行纳米压印工艺、去除剩余层、氧化含硅抗蚀剂膜30、对有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻。
在衬底11上形成双层抗蚀层40之后，将衬底11放置于包括提供含氯气体的供气系统的干法蚀刻装置中，并且如图5B中所示通过对衬底11实施干法蚀刻而形成凹形部H2。因此，即使当使用蓝宝石(具有比第Ⅲ族-V半导体化合物更小的对抗蚀剂膜的选择性)时，通过使用具有大的膜厚度的双层抗蚀层40而增大凹形部H2的纵横比。
在使衬底11图案化之后，如图5C中所示，将前体物放置于包括提供含氧气体和含氟气体的供气系统的蚀刻装置中，以去除图案形成膜20a和氧化硅膜30c。因此，在衬底11中形成包括凹形部H2和具有大致相同间距的凸形部的细微凹凸结构AS。
在衬底11中形成细微凹凸结构AS之后，例如通过MOCVD法，在衬底11上形成缓冲层12、n型半导体层13、MQW层14、和p型半导体层15，由此形成层压体10。
现在将对包括层压体的发光装置的一个实例进行描述。虽然发光装置50的结构类似于第一实施例的结构，但在由蓝宝石所制成衬底11上形成细微凹凸结构AS，如图6中所示。因此，抑制在衬底11的主表面上的光传播，使得光发射方向垂直于衬底11的主表面。由此提高光提取效率。
除了第一实施例的优点外，第二实施例还具有下述优点：
(4)在第二实施例中，用含氯的等离子体经由双层抗蚀层40对由蓝宝石制成的衬底11进行蚀刻。因此，即使当使用比第Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体选择性更小的蓝宝石时，可形成具有高纵横比的凹形部H2。此外，通过使用含氯气体，可提高对抗蚀剂膜的选择性。
可通过以下方式修改上述实施例。
在上述各实施例中，在n型半导体层13或衬底11中形成细微凹凸结构AS。然而，也可在透明电极层16中形成细微凹凸结构AS，如图7中所示。在这种情况下，以与第一实施例同样的方式，在透明电极层16中形成双层抗蚀层40，并且经由双层抗蚀层40对透明电极层16实施干法蚀刻。在图7中所示的实施例中，透明电极层16相当于凹凸结构形成层。
在上述实施例中，在n型半导体层13或衬底11中形成细微凹凸结构AS。然而，也可在另一层中形成细微凹凸结构AS。例如，可在MQW层14中形成细微凹凸结构AS。在这种情况下，首先利用膜形成装置形成MQW层14，然后将MQW层14从膜形成装置中取出，其后通过上述方法在MQW层14中形成细微凹凸结构AS。可替代地，可在p型半导体层15中形成细微凹凸结构AS。在这种情况下，首先利用膜形成装置形成p型半导体层15，然后将p型半导体层12从膜形成装置这取出，其后利用上述方法在p型半导体层15中形成细微凹凸结构AS。此外，细微凹凸结构AS不仅可形成于单层中而且也可形成于多层中。例如，可在从p型半导体层15经过MQW层14到n型半导体层13的深度中形成细微凹凸结构AS。在这种情况下，首先利用膜形成装置形成n型半导体层13、MQW层14、和p型半导体层15，然后通过上述方法在n型半导体层13、MQW层14、和p型半导体层15中深入地形成细微凹凸结构AS的凹形部。在此结构中，凹凸结构形成层是由多层(13、14和15)所组成。
在上述实施例中，尽管利用本发明制造方法形成了具有高纵横比的凹形部H1和H2，但也可利用本发明制造方法形成具有相对较小纵横比的凹形部H1和H2。具体地，在将含硅抗蚀剂膜30的厚度减小至可提供转印图案的良好凹凸形状的程度，增高有机抗蚀剂膜20以确保双层抗蚀层40的厚度。即使在这种情况下，细微凹凸结构AS的凹形部的垂直度得以提高，并且形成具有高纵横比的凹凸结构。
在上述各实施例中，是根据本发明装置的一例的发光装置具体化为穿透式发光装置。然而，本发明装置也可具体化为反射式发光装置。例如，也可采用如下结构：将由银等所制成的反射层以及绝缘层设置在衬底11的背面(是形成缓冲层12的表面的相反侧)上，由此从MQW层中发出的光被反射层反射到是光提取表面的绝缘层侧。
在上述实施例中，根据本发明的制造装置的方法具体化为制造发光装置的方法。然而，根据本发明的制造装置的方法并不局限于此，本发明可适用于制造半导体装置的方法，例如具有硅通电极(TSV)的硅装置，特别是可适用于形成所述硅通电极的步骤。

Claims (5)

1.一种制造具有凹凸结构的装置的方法，所述方法包括以下步骤：
在其中要形成凹凸结构的凹凸结构形成层上形成有机抗蚀剂膜；
在所述有机抗蚀剂膜上形成含硅抗蚀剂膜；
利用纳米压印在所述含硅抗蚀剂膜上形成图案；
用含氧等离子体氧化所述含硅抗蚀剂膜，以形成氧化硅膜；
使用所述氧化硅膜作为蚀刻掩膜，对所述有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻；
使用所述氧化硅膜和所述有机抗蚀剂膜作为蚀刻掩膜，对所述凹凸结构形成层实施干法蚀刻；以及
去除所述氧化硅膜和所述有机抗蚀剂膜。
2.根据权利要求1所述的制造装置的方法，还包括：
在对所述有机抗蚀剂膜实施干法蚀刻的步骤之前，用含氧和氟的等离子体去除保留在通过纳米压印形成的凹形部中的剩余层的步骤。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造装置的方法，其中所述凹凸结构形成层是由第Ⅲ族氮化物半导体制成，并且
所述凹凸结构形成层是用含氯的等离子体进行蚀刻的。
4.根据权利要求1或2所述的用于制造装置的方法，其中所述凹凸结构形成层由蓝宝石制成，并且
所述凹凸结构形成层是用含氯的等离子体进行蚀刻的。
5.根据权利要求1或2所述的制造装置的方法，其中所述凹凸结构形成层是由多层形成，并且
所述凹凸结构形成层是用含氯的等离子体进行蚀刻的。
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