CN104377286A - 三维微米凹球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维微米凹球的制备方法,包括如下步骤:在衬底上旋涂正型光刻胶并烘干;通过掩膜板采用紫外线对所述正型光刻胶进行曝光;对曝光后的正型光刻胶进行显影得到光刻胶图形,利用干法刻蚀将所述光刻胶图形转移到所述衬底上;其中所述掩膜板为明场掩膜,所述掩膜板上具有呈二维六角排布的多个圆斑。本发明的三维微米凹球的制备方法能够大面积的在衬底上得到超高占空比的三维微米凹球。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺,具体涉及一种三维微米凹球的制备方法。
背景技术
发光二极管(LED)是半导体二极管的一种,具有光电转换效率高、寿命长、功耗低、无污染等优点,广泛应用于荧光屏显示、室内室外照明、灯具装饰等领域。由于LED发光效率主要受到外量子效率的制约,从而限制了LED的应用领域。以GaN基蓝光LED为例,GaN的折射率为2.5,GaN半导体材料与空气界面的临界角约为23°,因此GaN基LED的光提取效率非常的低(约为4%),这大大限制了GaN基LED的应用。在提高LED外量子效率的诸多方法中,表面粗化技术是一种简单有效的方法,通过表面粗化方法使得GaN表面凹凸不平,从而大大减小了由于表面全反射而导致的发光效率低下,可以显著提高LED发光效率。
目前对LED进行表面粗化的方法较多,如光化学腐蚀方法可形成大面积的粗化表面,对LED发光增强效果明显,但制备的粗化形貌不易控制,且对电学特性影响较大,增大了LED的漏电流。纳米球掩模干法刻蚀技术可以得到形貌控制较好的粗化结构,且LED电学性质几乎不变,对发光增强效果明显,但不易大面积制备,不利于工业化生产。紫外曝光技术可以大面积高效率的制备,配合曝光后的光刻胶热流可以制备凸球结构用于LED表面粗化达到发光增强的效果,但是由于紫外曝光掩模版的原因,得到的凸球结构的占空比较低,对LED发光增强效果有限。
因此,如何大面积、高效率的在衬底上得到超高占空比的粗化表面是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的一个实施例提供了一种三维微米凹球的制备方法,包括如下步骤:在衬底上旋涂正型光刻胶并烘干;通过掩膜板采用紫外线对所述正型光刻胶进行曝光;对曝光后的正型光刻胶进行显影得到光刻胶图形,利用干法刻蚀将所述光刻胶图形转移到所述衬底上;其中所述掩膜板为明场掩膜,所述掩膜板上具有呈二维六角排布的多个圆斑,所述紫外线的曝光剂量为50mJ/cm2-70mJ/cm2。
优选的,还包括除去所述衬底上残留的正型光刻胶。
优选的,所述圆斑直径为2微米-3微米,相邻的圆斑的间距为1微米-3微米。
优选的,所述曝光为接触式曝光。
优选的,所述干法刻蚀包括反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
优选的,所述干法刻蚀对所述正型光刻胶的刻蚀速率与所述干法刻蚀对所述衬底的刻蚀速率的比值为0.8-1.2。更优选的,干法刻蚀对正型光刻胶的刻蚀速率和对衬底的刻蚀速率相等。
优选的,所述正型光刻胶为S1813或AR-P5350。
本发明采用紫外线曝光,均匀性和重复性好,成本低,并且能大面积在光刻胶上得到高占空比的三维微米凹球的结构,将光刻胶图形转移到衬底上,从而在衬底表面形成超高占空比的三维微米凹球的结构。通过调整掩膜板上圆斑的尺寸和间距还得到不同半径的三维微米凹球的结构。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明,其中:
图1至图4是本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示意图。
图5是本发明较佳实施例的掩膜板的示意图。
图6是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例一在光刻胶上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图7是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例一在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图8是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例二在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图9是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例三在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图10是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例四在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图11是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例五在石英衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图12是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例六在n-GaN衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
图13是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例七在n-GaN基V-LED衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。
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,以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图1至图4是本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示意图。如图1所示,选取表面洁净的衬底1,在衬底1上旋涂正型光刻胶2,采用热板或烘箱烘干正型光刻胶2。如图2所示,选取掩膜板,采用紫外线对正型光刻胶2进行曝光,其中掩膜板为明场掩膜,掩膜板上具有呈二维六角排布的多个圆斑6(参见图5所示),圆斑6直径为2-3微米,相邻的圆斑6的间距为1-3微米,紫外线的曝光剂量为50mJ/cm2-70mJ/cm2。图2中虚线框中的光刻胶3即为紫外线曝光后的区域。如图3所示,对曝光后的光刻胶2进行显影得到光刻胶图形,其中显影后的光刻胶2上面具有紧密排列的多个三维微米凹球4。如图4所示,利用干法刻蚀将光刻胶图形转移到衬底1上。图形转移后的衬底1的表面具有多个三维微米凹球5。根据需要,除去衬底1上残留的光刻胶。
以下将对本发明的三维微米凹球的制备方法进行举例说明。
示例一
选取一块硅片作为衬底,依次在丙酮、酒精和去离子水中各清洗5分钟,之后在150℃的热板上烘烤30分钟。在清洗干净的硅片上旋涂正型光刻胶S1813(主要成分为propylene glycol monomethylether acetate),光刻胶S1813的厚度为1.4微米,将涂胶后的硅片在115℃的热板上烘烤1分钟。在其他的实施例中,也可以直接在表面干净的硅片上旋涂光刻胶。通过已经制备好的掩膜板(参见图5所示)对光刻胶进行曝光,采用MA6型紫外光刻机进行硬接触式曝光,其中紫外光的波长为365纳米,曝光剂量为55mJ/cm2。
图5是示例一所用的掩膜板的示意图,图5所示的填充区域为掩膜板8上不透光的圆斑6,其余部分为透光区域7。多个圆斑6呈二维六角排布,在不考虑边界处,每个圆斑6的周围都围绕有6个相同的圆斑6,即与六角密排晶胞中每一层的排列类似,其中,每个圆斑6的直径相同且为2微米,任意相邻的两个圆斑6之间的间距为1微米,即任意相邻的两个圆斑6的圆心之间的距离为3微米。
将紫外曝光后的光刻胶在MF319(光刻胶S1813的显影液,主要成分为Tetramethylammonium hydroxide)中显影液中显影40秒,去离子水定影10秒后用干燥氮气吹干。
图6是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例一在光刻胶上制备的三维微米凹球的SEM图像。从图6中可以看出,在光刻胶上形成的三维微米凹球是紧密接触排列,每个三维微米凹球的周围具有6个三维微米凹球,每个三维微米凹球大小相同,每个三维微米凹球都近视为半球型且三维微米凹球的直径为3微米。
将显影后的硅衬底采用反应离子刻蚀(RIE),其中刻蚀工艺参数如下:O2流量为3sccm(标况毫升每分),CF4流量为20sccm,刻蚀压强为50mTorr(毫托),功率150瓦,刻蚀时间为20分钟。在示例一中,优选对光刻胶和硅的刻蚀速率比为1:1的刻蚀工艺参数,从而将光刻胶的图形1:1转移到硅衬底上,并使得硅衬底上得到的三维微米凹球的形状、尺寸、排列与光刻胶一致,因此本发明并不限于上述工艺参数,还可以采用其他工艺参数实现对光刻胶和硅的刻蚀速率比为1:1。最后将刻蚀后的硅衬底在丙酮中超声5分钟,从而除去表面的残留物和残胶。
图7是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例一在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。从图中可以看到在硅衬底上也同样制备得到了与图6基本相同的三维微米凹球,每个三维微米凹球的尺寸一样,每个三维微米凹球周围都围绕有6个相同的三维微米凹球,与六角密排晶胞中每一层的排列类似,并且占空比达到了100%。
示例二
选取硅衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,所使用的掩膜板上圆斑的直径为3微米,相邻的圆斑的间距为1微米,曝光剂量为65mJ/cm2。图8是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例二在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸为4微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都围绕有6个相同尺寸的三维微米凹球。三维微米凹球的占空比为100%。
示例三
选取硅衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,所使用的掩膜板上圆斑的直径为3微米,相邻的圆斑的间距为3微米,曝光剂量为50mJ/cm2。图9是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例三在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸为6微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都围绕有6个相同尺寸的三维微米凹球。三维微米凹球的占空比为100%。
示例四
选取硅衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,所使用的掩膜板上圆斑的直径为2微米,相邻的圆斑的间距为3微米,曝光剂量为56mJ/cm2。图10是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例四在硅衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸为5微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都围绕有6个相同尺寸的三维微米凹球。三维微米凹球的占空比为100%。
示例五
选取石英衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,在石英衬底上旋涂厚度为1.3微米的正型光刻胶S1813,曝光剂量为50mJ/cm2,采用反应离子刻蚀(RIE),其中刻蚀工艺参数如下:Ar流量为25sccm,CHF3流量为25sccm,刻蚀压强为30mTorr,功率150瓦,刻蚀时间为30分钟,利用示例一的方法去除残留物及残胶,最后在石英衬底上蒸镀4nm厚的金膜,将石英衬底在扫描电镜下观测,得到了与示例一基本一致的实验结果。图11是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例五在石英衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸为3微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都围绕有6个相同尺寸的三维微米凹球。整个石英衬底上三维微米凹球的占空比为100%。
示例六
选取n型氮化镓(n-GaN)衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,在n型氮化镓衬底上旋涂厚度为1.0微米的正型光刻胶AR-P5350(主要成分为Diazonaphthoquinone),将涂胶后的n-GaN在115℃下烘烤3分钟。所使用的掩膜板上圆斑的直径为3微米,相邻的圆斑的间距为2微米,曝光剂量为70mJ/cm2,将具有光刻胶图形的n型氮化镓衬底在感应耦合等离子体刻蚀(ICP),其中刻蚀工艺参数为:Cl2流量为50.0sccm,BCl3流量为10.0sccm,起辉压强为12mTorr,RF(射频)功率为100W,ICP功率为300W,刻蚀温度25℃,刻蚀时间为7min。最后将n型氮化镓衬底在扫描电镜下观测,得到了与示例一基本一致的实验结果。图12是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例六在n-GaN衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸为5微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都围绕有6个相同尺寸的三维微米凹球。整个n型氮化镓衬底上三维微米凹球的占空比接近于100%。
示例七
选取n-GaN基V-LED芯片作为衬底,按照与示例一基本相同的步骤制备三维微米凹球,区别在于,在n-GaN基V-LED芯片上旋涂厚度为1.5微米的光刻胶S1813,所使用的掩膜板上圆斑的直径为3微米,相邻的圆斑的间距为1微米,曝光剂量为60mJ/cm2,将具有光刻胶图形的n-GaN基V-LED芯片采用感应耦合等离子体刻蚀,其中刻蚀工艺参数为:Cl2流量为50.0sccm,BCl3流量为10.0sccm,起辉压强为12mTorr,RF功率为100W,ICP功率300W,刻蚀温度25℃,刻蚀时间为6min。最后将n-GaN基V-LED芯片在扫描电镜下观测,得到了与示例一基本一致的实验结果。图13是根据本发明较佳实施例的三维微米凹球的制备方法的示例七在n-GaN基V-LED衬底上制备的三维微米凹球的SEM图像。所制备得到的三维微米凹球的尺寸大约为4微米,并且一个挨着一个紧密排列,每个三维微米凹球的周围都具有6个相同尺寸的三维微米凹球。整个n-GaN基V-LED芯片上三维微米凹球的占空比接近于100%。
本发明的实施例采用掩膜板为明场掩膜,掩膜板上具有呈二维六角排布的多个圆斑,圆斑直径为2-3微米,相邻的圆斑的间距为1-3微米,在紫外线曝光情况下,由于多个圆斑形成的阵列对紫外线的衍射,使得在掩膜板上圆斑下方的正型光刻胶曝光,通过控制紫外线的曝光剂量为50mJ/cm2-70mJ/cm2之间,使得正型光刻胶欠曝光,即在正型光刻胶中形成了三维微米球形状的曝光区域,经过显影后即可在光刻胶上得到三维微米凹球结构,再经过刻蚀工艺将光刻胶图形转移到衬底上,从而在衬底上得到了三维微米凹球。在其他的实施例中,紫外线的波长并不限定为365纳米,本领域的技术人员还可以采用其他波长的紫外线进行曝光。
本发明的实施例并不限于上述四种衬底材料,在任意其他衬底材料中也能得到大面积、高占空比的三维微米凹球结构,并且均匀性和重复性好,成本低。刻蚀工艺参数优选对光刻胶的刻蚀速率与对衬底的刻蚀速率的比值为0.8-1.2之间,更优选的,使得对光刻胶的刻蚀速率与对衬底的刻蚀速率相等,这样可以将光刻胶图形接近或以1:1的转移到衬底上,从而使得衬底表面的图形与光刻胶图形相同。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述,然而本发明并非局限于这里所描述的实施例,在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (8)
1.一种三维微米凹球的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)在衬底上旋涂正型光刻胶并烘干;
2)通过掩膜板采用紫外线对所述正型光刻胶进行曝光;
3)对曝光后的正型光刻胶进行显影得到光刻胶图形,利用干法刻蚀将所述光刻胶图形转移到所述衬底上;
其中所述掩膜板为明场掩膜,所述掩膜板上具有呈二维六角排布的多个圆斑,所述紫外线的曝光剂量为50mJ/cm2-70mJ/cm2。
2.根据权利要求1所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,还包括:
4)除去所述衬底上残留的正型光刻胶。
3.根据权利要求1所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述圆斑直径为2微米-3微米,相邻的圆斑的间距为1微米-3微米。
4.根据权利要求3所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述曝光为接触式曝光。
5.根据权利要求1至4任一项所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述干法刻蚀包括反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
6.根据权利要求1至4任一项所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述干法刻蚀对所述正型光刻胶的刻蚀速率与所述干法刻蚀对所述衬底的刻蚀速率的比值为0.8-1.2。
7.根据权利要求1至4任一项所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述正型光刻胶的厚度为1微米-1.5微米。
8.根据权利要求1至4任一项所述的三维微米凹球的制备方法,其特征在于,所述正型光刻胶为S1813或AR-P5350。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20150225 |