CN105355745A - 一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法。具体步骤包括：a)将一定质量比的聚苯乙烯和聚乙二醇溶解于甲苯中，得到聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液；b)将共混溶液旋涂于蓝宝石衬底上，在去离子水中浸泡并用氮气吹干；c)将上述样品放入反应离子刻蚀中进行刻蚀，去除聚苯乙烯残余层；d)利用电子束蒸发镀膜在上述样品上沉积金属镍，然后在氯苯中进行举离得到金属Ni的纳米阵列结构；e)以金属Ni为刻蚀掩模，在感应耦合等离子刻蚀设备中刻蚀蓝宝石衬底，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，最终得到纳米图案化蓝宝石衬底。本发明的方法方便快捷且成本低廉，能够进行晶圆尺度大面积、批量的制备纳米图案。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件制备与微纳米加工领域，具体涉及利用共混聚合物的相分离、电子束蒸发镀膜及干法刻蚀等方法制备纳米图案化蓝宝石衬底。
背景技术
LED(light-emittingdiode)具有电光转换效率高、使用寿命长、体积小、响应时间短、工作电压低、绿色环保以及耐机械冲击等许多优点，已广泛应用于显示器背光光源、交通信号灯、指示灯和显示器等各个方面。然而由于蓝宝石衬底与GaN外延层之间较大的晶格失配以及热失配，在蓝宝石衬底上生长的GaN外延层会产生较多的位错，从而影响LED的内量子效率，同时由于全反射现象，在量子阱中复合产生的光子很难提取到空气中，从而降低了LED的光引出效率。
研究表明，图案化蓝宝石衬底技术(PSS)可以显著提高LED的外量子效率。目前普遍采用的是微米图案化蓝宝石衬底，常用光刻技术和纳米压印技术制备。进一步的研究显示，当图案化衬底的尺度降低至纳米级时，LED器件的光输出功率(LOP)会得到提高，这是由于纳米图案化蓝宝石衬底会进一步降低外延生长GaN的位错密度，从而提高内量子效率。
由于蓝宝石衬底本身的翘曲、不平整等原因，在蓝宝石衬底上大面积制备纳米图案并非易事。在纳米图案的制备中，目前常用光刻技术、电子束曝光技术、聚焦离子束技术以及纳米压印技术。然而光刻技术设备昂贵，电子束曝光和聚焦离子束技术产率低成本高，不具备大规模制备纳米结构的能力，纳米压印技术则需要预先制备好的压印模板，一定程度上也增加了制备成本。因此，亟需发展一种低成本、高产率的制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用共混聚合物相分离现象制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，该方法成本低、产率高，可以实现大面积、大规模的生产。共混聚合物的相分离是指两种或两种以上的聚合物机械或物理混合后，由于聚合物之间的相容性差异而产生相与相分离的现象。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，具体步骤如下：
(a)将一定质量比的(PS)和聚乙二醇(PEG)溶解于甲苯中，得到质量分数为3％～6％的聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液A；
(b)将共混溶液A以一定转速旋涂于蓝宝石衬底上，在去离子水中浸泡5秒，然后用N2吹干得到样品B；
(c)将上述样品B放入反应离子刻蚀(RIE)中进行刻蚀，去除聚苯乙烯残余层，得到样品C；
(d)利用电子束蒸发镀膜在上述样品C上沉积50nm厚度的金属镍，然后在氯苯中进行举离(lift-off)，时间为1-10分钟，得到金属Ni的纳米阵列结构；
(e)以金属Ni的纳米阵列结构为刻蚀掩模，在感应耦合等离子刻蚀设备(ICP)中刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀深度为50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到纳米图案化蓝宝石衬底。
所述步骤(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的质量比为2:1～5。
所述步骤(b)中，转速为2000-8000转/分钟。
所述步骤(d)中，金属Ni的纳米阵列结构为无序结构，其直径分布于100nm至700nm之间。
所述步骤(e)中，得到的纳米图案化蓝宝石衬底的表面结构为圆锥状或圆台状。
本发明具有以下优点：
(1)由于蓝宝石本身的性质，在蓝宝石衬底上加工制备纳米图案是一件非常困难的事情。本发明巧妙的利用共混聚合物的相分离现象，发展出一种在蓝宝石衬底上制备纳米图案的方法，所采用的原料为聚苯乙烯和聚乙二醇，都是常用的高分子材料，成本低廉；同时只需通过旋涂就可以获得纳米结构，非常方便以及快捷；可以在2英寸、4英寸面积的蓝宝石衬底上进行批量的制备纳米图案化蓝宝石衬底。
(2)在蓝宝石衬底的刻蚀中，采用金属镍作为刻蚀掩模，它具有非常优秀的抗刻蚀性能，同时残余的镍掩模可以通过稀硝酸或者盐酸清洗掉。
(3)通过相分离技术制备的纳米图案化蓝宝石衬底，其直径可调。通过调整聚苯乙烯/聚乙二醇的比例、共混溶液的浓度以及转速，很方便的调整所获得的纳米结构的尺寸。
(4)这种相分离技术具有广泛的适用性，除了可以在蓝宝石衬底上制备纳米图案，还可以应用于其它衬底，如硅、氧化硅、碳化硅等衬底，在光电器件的制备、微纳米加工以及光学领域有着潜在的应用，具有很好的应用前景。
附图说明
图1本发明利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的流程示意图；1-蓝宝石衬底；2-聚苯乙烯；3-聚乙二醇；4-金属镍。
图2为不同尺寸的纳米图案化蓝宝石衬底扫描电镜图，(a)平均直径为～500nm的纳米图案化蓝宝石衬底；(b)平均直径为～370nm的纳米图案化蓝宝石衬底；(c)平均直径为～240nm的纳米图案化蓝宝石衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步的说明。
本发明制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法如图1所示：首先通过将聚苯乙烯2/聚乙二醇3溶解于甲苯中得到共混溶液，在蓝宝石衬底1上进行旋涂，得到聚合物共混薄膜，然后将此聚合物共混薄膜在去离子水中浸泡5秒，去除聚乙二醇3，得到聚苯乙烯的多孔薄膜。其中，通过调整聚苯乙烯/聚乙二醇的质量比、转速以及共混溶液的浓度可以方便的控制得到的纳米孔结构的平均直径。其次将聚苯乙烯的多孔薄膜在反应离子刻蚀中除去聚苯乙烯残余层。再次，将上述刻蚀残余层的衬底在电子束蒸发镀膜中沉积50nm厚的金属镍4，进行举离工艺，得到无序排列的金属镍纳米阵列结构(平均直径可调，在100-700nm之间)。再次，将具有金属镍的衬底在ICP中刻蚀，根据刻蚀时间的不同，得到不同深度的蓝宝石纳米阵列(深度为50nm-400nm)。最后，将刻蚀剩余的金属镍在稀硝酸中除去，得到纳米图案化蓝宝石衬底。
实施例1：平均直径～500nm的纳米图案化蓝宝石衬底的制备
a)在蓝宝石衬底上旋涂质量分数为5％的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(质量比为2:5)，旋涂速度为4000转/分钟，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
b)在去离子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
c)在反应离子刻蚀中用O2刻蚀除去聚苯乙烯残余层，得到平均孔径为～500nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
d)在电子束蒸发镀膜中沉积50nm厚的金属镍，在氯苯中超声举离5min，得到金属镍点阵结构；
e)以金属镍点阵结构为掩模，刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀时间为12min，在稀硝酸中洗去多余的金属镍掩模层，得到平均直径～500nm，高度～280nm的圆锥形纳米图案化蓝宝石衬底。
实施例2：平均直径～370nm的纳米图案化蓝宝石衬底的制备
a)在蓝宝石衬底上旋涂质量分数为5％的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(质量比为2:4)，旋涂速度为4000转/分钟，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
b)在去离子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
c)在反应离子刻蚀中用O2刻蚀除去聚苯乙烯残余层，得到平均孔径为～370nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
d)在电子束蒸发镀膜中沉积50nm厚的金属镍，在氯苯中超声举离5min，得到金属镍点阵结构；
e)以金属镍点阵结构为掩模，刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀时间为12min，在稀硝酸中洗去多余的金属镍掩模层，得到平均直径～370nm，高度～280nm的圆锥形纳米图案化蓝宝石衬底。
实施例3：平均直径～240nm的纳米图案化蓝宝石衬底的制备
a)在蓝宝石衬底上旋涂质量分数为5％的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(质量比为2:3)，旋涂速度为4000转/分钟，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
b)在去离子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
c)在反应离子刻蚀中用O2刻蚀除去聚苯乙烯残余层，得到平均孔径为～240nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
d)在电子束蒸发镀膜中沉积50nm厚的金属镍，在氯苯中超声举离5min，得到金属镍点阵结构；
e)以金属镍点阵结构为掩模，刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀时间为12min，在稀硝酸中洗去多余的金属镍掩模层，得到平均直径～240nm，高度～280nm的圆锥形纳米图案化蓝宝石衬底。
Claims (5)
1.一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(a)将一定质量比的聚苯乙烯和聚乙二醇溶解于甲苯中，得到质量分数为3％～6％的聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液A；
(b)将共混溶液A以一定转速旋涂于蓝宝石衬底上，在去离子水中浸泡5秒，然后用N2吹干得到样品B；
(c)将上述样品B放入反应离子刻蚀中进行刻蚀，去除聚苯乙烯残余层，得到样品C；
(d)利用电子束蒸发镀膜在上述样品C上沉积50nm厚度的金属镍，然后在氯苯中进行举离，时间为1-10分钟，得到金属Ni的纳米阵列结构；
(e)以金属Ni的纳米阵列结构为刻蚀掩模，在感应耦合等离子刻蚀设备中刻蚀蓝宝石衬底，刻蚀深度为50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到纳米图案化蓝宝石衬底。
2.如权利要求1所述的一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，所述步骤(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的质量比为2:1～5。
3.如权利要求1所述的一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，所述步骤(b)中，转速为2000-8000转/分钟。
4.如权利要求1所述的一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，所述步骤(d)中，金属Ni的纳米阵列结构为无序结构，其直径分布于100nm至700nm之间。
5.如权利要求1所述的一种利用相分离技术制备纳米图案化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，所述步骤(e)中，得到的纳米图案化蓝宝石衬底的表面结构为圆锥状或圆台状。
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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 | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160224 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |