CN105355538A - 一种刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种刻蚀方法，用于刻蚀蓝宝石衬底，所述方法包括以下步骤：在所述蓝宝石衬底上设置具有预定高度的掩膜层；对所述掩膜层进行图形化处理，得到具有所需图形的掩膜；对所述掩膜进行预处理，使得所述蓝宝石衬底与预处理后的掩膜之间的刻蚀选择比大于或等于预定值；对所述蓝宝石衬底进行主刻蚀；对主刻蚀后的蓝宝石衬底进行过刻蚀。本发明通过调整掩膜的高度，同时提高掩膜的耐刻性，能够较大程度地减少过刻蚀步骤所需的时间，从而降低了刻蚀图形化蓝宝石衬底的整体工艺时间，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备制造技术领域，尤其涉及一种刻蚀方法。
背景技术
图形化蓝宝石衬底(PSS，PatternedSapphireSubstrate)技术是目前普遍采用的一种提高氮化镓(GaN)基发光二极管器件出光效率的方法。该方法是在蓝宝石衬底上生长出干法刻蚀用掩膜，然后用标准光刻工艺将所述掩膜制作出图形，之后利用ICP(InductivelyCoupledPlasma)刻蚀技术刻蚀蓝宝石衬底，并去掉掩膜，再在其上生长氮化镓材料，使氮化镓材料的纵向外延变为横向外延。
该方法可以有效减少氮化镓外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小了反向漏电流，提高了发光二极管的寿命。有源区发出的光，经由氮化镓和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角(使小于全反射临界角)，从而提高了光的提取率。综合这两方面的原因，市场上很多生产厂家采用图形化蓝宝石衬底技术。
图形化蓝宝石衬底的形貌和高度会对出光效果产生影响，目前，三角形图案的图形化蓝宝石衬底以优越的出光效率被越来越多的厂家所采用。为了增强出光效果，图形化蓝宝石衬底在满足三角形形貌的同时，也需要满足一定的刻蚀高度，以及追求更高的生产产能。
目前普遍采用三氯化硼(BCl3)气体作为刻蚀气体，分两步进行刻蚀。第一步是主刻蚀步骤(ME)，主要用来控制刻蚀速率以及调节刻蚀选择比，第二步是过刻蚀步骤(OE)，用来修饰图形化蓝宝石衬底的形貌。
图1表示了现有刻蚀过程中的微观图像，刻蚀过程中的参数如表1所示：
表1
由于掩膜(PR)的耐刻性不足，通常需要提高掩膜的高度来满足蓝宝石衬底刻蚀后的高度，在图1中掩膜的初始高度h约为2.6μm。掩膜的高度越高，在曝光时越容易使掩膜侧视投影中的顶宽尺寸(图1中w1)与底宽尺寸(图1中w2)之间产生较大的差距。例如在图1中，掩膜的下底宽w2约为2.2左右，而曝光后掩膜的上底宽w1约为1.7μm左右，顶宽与底宽的差值在0.5μm左右。
在刻蚀过程中，由于掩膜存在顶宽尺寸小、底宽尺寸大的情况，会使蓝宝石衬底的形貌在刻蚀过程中出现拐点，如图1中字母a所示。拐点形成后，不得不增加过刻蚀步骤的时间来修饰蓝宝石衬底的形貌，使其成为满足要求的三角形。
图1中过刻蚀步骤的时间在15-22min，由于过刻蚀步骤的时间较长，导致目前刻蚀图形化蓝宝石衬底的整体工艺时间在40-50min，工艺时间较长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种刻蚀方法，以减少图形化蓝宝石衬底工艺中过刻蚀步骤的时间，提高生产效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种刻蚀方法，用于刻蚀蓝宝石衬底，所述方法包括以下步骤：
S1、在所述蓝宝石衬底上设置具有预定高度的掩膜层；
S2、对所述掩膜层进行图形化处理，得到具有所需图形的掩膜；
S3、对所述掩膜进行预处理，使得所述蓝宝石衬底与预处理后的掩膜之间的刻蚀选择比大于或等于预定值，且小于1。
优选地，所述预定高度为2.0-2.3μm。
优选地，所述预定值为0.8。
优选地，所述预处理包括对所述掩膜进行硬烘，其中，硬烘的温度为100-200℃，硬烘的时间为2-3min。
优选地，预处理后的掩膜的顶面为圆弧面。
优选地，预处理后的掩膜的侧视投影中顶宽与底宽的差值小于0.3μm。
优选地，所述刻蚀方法还包括：
S4、对所述蓝宝石衬底进行主刻蚀；
S5、对主刻蚀后的蓝宝石衬底进行过刻蚀。
优选地，所述主刻蚀过程中，工艺腔内的气压为2-3mTorr。
优选地，所述主刻蚀过程中，刻蚀气体的流量为60-100sccm。
优选地，所述主刻蚀过程中，上电极射频功率为1500-1600W。
优选地，所述主刻蚀的时间为1200-1500s。
优选地，所述过刻蚀的时间为400-500s。
本发明通过调整掩膜的高度，同时提高掩膜的耐刻性，能够较大程度地减少过刻蚀步骤所需的时间，从而降低了刻蚀图形化蓝宝石衬底的整体工艺时间，提高了生产效率。
附图说明
附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
图1是现有刻蚀过程中的微观图像；
图2是本发明方法的流程图；
图3是本发明实施例中预处理后掩膜的侧视图；
图4是本发明实施例所提供的刻蚀过程中的微观图像。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供了一种刻蚀方法，用于刻蚀蓝宝石衬底，图2是所述刻蚀方法的流程图，该方法包括以下步骤：
S1、在所述蓝宝石衬底上设置具有预定高度的掩膜层；
S2、对所述掩膜层进行图形化处理，得到具有所需图形的掩膜；
S3、对所述掩膜进行预处理，使得所述蓝宝石衬底与预处理后的掩膜之间的刻蚀选择比大于或等于预定值，且小于1。
通常，所述掩膜层指光刻胶层，所述图形化处理包括涂布、光刻、显影等工艺，之后得到具有所需图形的掩膜。
如上文所述，现有技术中为了满足图形化蓝宝石衬底的刻蚀高度，会相应提高掩膜的高度，现有技术中掩膜的高度约2.6μm左右，使得掩膜曝光显影后顶宽与底宽尺寸相差较大，导致刻蚀过程中蓝宝石衬底的形貌产生拐点。
本发明中，所述预定高度小于目前现有技术中普遍使用的掩膜层的高度。掩膜高度的降低，可能会带来耐刻性不足的问题，因此需要对所述掩膜进行预处理，以增加所述掩膜的耐刻性，使得所述掩膜在降低高度的同时也能保持一定的耐刻性。
对于不同的掩膜，可以通过计算刻蚀选择比来确定其是否耐刻，刻蚀选择比越高，则掩膜的耐刻性越好。目前，蓝宝石衬底与掩膜的刻蚀选择比通常要求大于或等于0.8，即所述预定值为0.8。而蓝宝石衬底刻蚀后的高度通常要求不低于1.6μm，再加上一些预期外的高度损耗，将掩膜的高度控制在2.0-2.3μm的范围比较合适。即步骤S1中所述的预定高度为2.0-2.3μm。
本发明中适当降低了掩膜的高度，能够使所述掩膜经过图形化处理后，其侧视投影中的顶宽与底宽尺寸接近，防止在后续刻蚀过程中掩膜收缩过快导致蓝宝石衬底的形貌产生拐点，从而缩短了过刻蚀步骤对蓝宝石衬底形貌进行修饰的时间，提高了生产效率。此外，由于降低了掩膜的高度，在大批量生产时，还可以节约成本。
具体地，为了提高所述掩膜的耐刻性，所述预处理包括对所述掩膜进行硬烘，其中，硬烘的温度为100-200℃，硬烘的时间为2-3min。
不同的硬烘温度和硬烘时间对于掩膜的形貌也有一定的影响，随着硬烘温度和硬烘时间的增加，掩膜的耐刻性也相应增加。耐刻性较好的掩膜，其顶面形成类似圆弧面的形貌，如图3中所示。能够避免刻蚀过程中掩膜收缩过快引起蓝宝石衬底形貌产生突兀的拐点。
例如在图4中，掩膜的高度h为2.2μm，使所述掩膜在150℃的条件下硬烘约2min后，顶宽w1为1.87μm，底宽w2为2.14μm。也就是说，预处理后掩膜的侧视投影中顶宽与底宽的差值小于0.3μm，与现有技术中差值在0.5μm左右相比，差值有明显减小。如果进一步提升硬烘温度和硬烘时间，能够使顶宽w1和底宽w2的尺寸更加接近，那么在后续刻蚀过程中更容易避免拐点的形成。
进一步地，所述刻蚀方法还包括：
S4、对所述蓝宝石衬底进行主刻蚀(ME)；
S5、对主刻蚀后的蓝宝石衬底进行过刻蚀(OE)。
本发明中，对刻蚀气体的选用并没有特殊的要求，只要能够获得所需的图形即可。例如，可以选用三氯化硼(BCl3)、三氟甲烷(CHF3)等作为刻蚀气体。然而，由于三氟甲烷等含C的刻蚀气体利用增加C的含量来满足刻蚀形貌，导致刻蚀气体中颗粒物增多，容易产生刻蚀缺陷。所以，本发明中优选使用纯三氯化硼气体作为刻蚀气体，以提高图形化蓝宝石衬底的良率。
另一方面，通过适当优化刻蚀过程中的工艺参数也能够在一定程度上防止掩膜收缩过快，防止上述拐点的形成，从而缩短过刻蚀步骤修饰形貌的时间。例如，可以通过以下几个方面对刻蚀工艺中的参数进行优化：
1、在主刻蚀过程中，适当降低工艺腔内的气压。当工艺腔内气压过大时，会增加工艺腔中等离子体的密度，从而增加掩膜的刻蚀速率，使得拐点更加突兀。因此，适当降低工艺腔内的气压能够使图形化蓝宝石衬底的刻蚀形貌更加平缓，避免出现突兀的拐点。优选的工艺腔气压为2-3mTorr。
2、在主刻蚀过程中，适当降低刻蚀气体的流量，以防止掩膜收缩过快。但是，刻蚀气体的流量不能太低，否则容易造成刻蚀速率过低，导致刻蚀角度(即形貌斜率)较大，也会过多消耗刻蚀时间。在满足图形化蓝宝石衬底的刻蚀高度的条件下，刻蚀气体(主要指三氯化硼)的流量优选为60-100sccm。
3、在主刻蚀过程中，适当降低上电极射频功率(SRF)。在满足图形化蓝宝石衬底的刻蚀速率(通常不小于50nm/min)、刻蚀选择比(通常不小于0.8)、以及刻蚀高度(通常不小于1.6μm)的情况下，适当降低上电极射频功率能够降低等离子体的密度和能量，也可以在一定程度上防止掩膜收缩过快导致的拐点。优选的上电极射频功率为1500-1600W。
在本发明中，主刻蚀步骤需要的时间大约为1200-1500s，过刻蚀步骤需要的时间大约为400-500s，即可得到满意的三角形蓝宝石衬底形貌。
优选地，在主刻蚀步骤完成后，最好控制剩余掩膜的高度在400-600nm之间，那么过刻蚀步骤就可以同时起到修饰形貌和增长刻蚀高度的作用，更有利于使图形化蓝宝石衬底形成具有满意高度的三角形形貌。
下面以一个具体的实施例对本发明提供的刻蚀方法进行阐述。图4是本发明实施例所提供的刻蚀过程中的微观图像。如上所述，图4中掩膜层的高度h为2.2μm，经过曝光、显影等图形化处理后，将所述掩膜在150℃的条件下硬烘约2min后，得到的掩膜在侧视图中的顶宽w1为1.87μm，底宽w2为2.14μm。
完成硬烘步骤后，对所述蓝宝石衬底进行刻蚀，刻蚀过程中的参数如表2所示：
表2
图4中位于中间的图片是主刻蚀步骤完成时的电子显微镜扫描图片，主刻蚀约持续25min，在整个主刻蚀过程中，蓝宝石衬底的形貌都未出现明显的拐点，其侧视图中的两侧边呈圆弧形，很容易修饰成三角形形貌。
图4中位于右边的图片是过刻蚀步骤完成时的电子显微镜扫描图片，在得到同样的蓝宝石衬底刻蚀高度(约1.6μm)的情况下，本发明中过刻蚀的时间明显缩短，约为8min，即得到了满意的三角形形貌蓝宝石衬底。
从图4中可以看出，本发明通过调整掩膜的高度和耐刻性，以及选择合适的刻蚀工艺参数，使得在刻蚀过程中蓝宝石衬底的形貌不会出现突兀的拐点，因此只需要较短的过刻蚀时间就可以修饰出满意的三角形形貌。与现有技术相比，本发明实施例中过刻蚀步骤修饰形貌的时间只花费约8min，缩短了50％以上，同时，整体刻蚀工艺时间缩短20％以上，能够明显提高生产效率，增加产能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (12)
1.一种刻蚀方法，用于刻蚀蓝宝石衬底，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、在所述蓝宝石衬底上设置具有预定高度的掩膜层；
S2、对所述掩膜层进行图形化处理，得到具有所需图形的掩膜；
S3、对所述掩膜进行预处理，使得所述蓝宝石衬底与预处理后的掩膜之间的刻蚀选择比大于或等于预定值，且小于1。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述预定高度为2.0-2.3μm。
3.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述预定值为0.8。
4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述预处理包括对所述掩膜进行硬烘，其中，硬烘的温度为100-200℃，硬烘的时间为2-3min。
5.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，预处理后的掩膜的顶面为圆弧面。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的刻蚀方法，其特征在于，预处理后的掩膜的侧视投影中顶宽与底宽的差值小于0.3μm。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法还包括：
S4、对所述蓝宝石衬底进行主刻蚀；
S5、对主刻蚀后的蓝宝石衬底进行过刻蚀。
8.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀过程中，工艺腔内的气压为2-3mTorr。
9.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀过程中，刻蚀气体的流量为60-100sccm。
10.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀过程中，上电极射频功率为1500-1600W。
11.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀的时间为1200-1500s。
12.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，所述过刻蚀的时间为400-500s。
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