CN105511218A - 一种led光子晶体结构的单元图形及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光子晶体工艺层的光刻拼接方法，其特征在于，包括：步骤一、定义一光子晶体结构图形特征，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R；步骤二、根据所述光子晶体结构图形特征形成以光子晶体结构；步骤三、在光子晶体结构中提取六边形结构作为单元图形；步骤四、将含所述单元图形的掩模图像作为曝光场曝光视场区域。本发明还公开了一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，一种LED光子晶体工艺层的制作方法以及一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路装备制造领域,尤其涉及一种LED光子晶体结构的单元图形、含该图形的掩模版、LED光子晶体工艺层的光刻拼接方法。
背景技术
传统发光二极管LED的发光是没有方向性的，因此在应用上它的发光效率不高，随着LED制造技术的不断发展，光子晶体技术引入到了LED芯片的制作中，极大地提高了光提取率，目前LED光子晶体技术已成为最具前景的技术。
光子晶体是一个能与光产生交互作用的周期性结构，利用排列周期、空间结构和介质介电常数可以控制光的行为。当LED发射光的频率落在光子晶体的光子带隙时，它被全反射，不能穿过光子晶体，LED的光提取效率就能得到增强。光子晶体结构也是一种光栅，当传导光的波长与光子晶体周期相当时，传导光与光子晶体相互作用，从而使传导光落在出射光锥内。
一般光子晶体结构层制作于LED器件表面，可通过在有源层上进行光刻工艺流程（如图1中所示），实现该图形结构。图1中的LED器件包括光子晶体结构层101，P型GaN102，n型GaN103和衬底104。通常光子晶体结构单元图形Pitch尺寸<3um，甚至达到nm级，基于其分辨率的考量，需要使用较先进的步进及扫描投影光刻机实现。光子晶体结构的规律是层层向外扩展，非X或Y方向周期排列，而投影光刻机的曝光场是按X及Y方向步进曝光，因此要用投影光刻机实现光子晶体结构，就需要在基本光子晶体结构中提炼出单元图形作为曝光单元，之后按X及Y方向步进曝光，最后由这些曝光场拼接形成准光子晶体结构。
在光子晶体LED芯片中，如何提炼出光子晶体的单元图形从而拼接出准光子结构，是十分关键的，这将决定LED芯片的最终发光效率的提升。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，制造出高分辨率准光子晶体结构的各种尺寸LED芯片，本发明提供一种LED光子晶体工艺层的光刻拼接方法。
为了实现上述发明目的，本发明公开一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，所述光子晶体结构的单元图形包括光子晶体结构图形，所述光子晶体结构图形特征为四边形、六边形、八边形、十二边形或十六边形结构。
更进一步地，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R。
更进一步地，以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
更进一步地，在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为所述光子晶体结构图形特征向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s，把含所述单元图形的掩模图像作为曝光场曝光视场区域，所述b为X方向曝光步进距离，所述a为Y方向曝光步进或扫描距离。
更进一步地，所述曝光视场区域用于进行拼接曝光。
本发明还公开一种光子晶体工艺层的光刻拼接方法，其特征在于，包括：
步骤一、定义一光子晶体结构图形特征，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R；
步骤二、根据所述光子晶体结构图形特征形成以光子晶体结构
步骤三、在光子晶体结构中提取六边形结构作为单元图形；
步骤四、将含所述单元图形的掩模图像作为曝光场曝光视场区域。
更进一步地，所述步骤二具体包括：以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
更进一步地，所述步骤三具体包括：在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
更进一步地，所述步骤四具体包括：将含所述单元图形的掩模图像作为为曝光场曝光视场区域，以b为X方向曝光步进距离，以a为Y方向曝光步进或扫描距离。
本发明还公开一种LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，包括：
步骤一、制作LED芯片衬底；
步骤二、沉积光子晶体工艺层；
步骤三、使用一包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，根据六边形框架，沿X及Y向步进或扫描进行拼接曝光；
步骤四、刻蚀形成光子晶体图形工艺层。
更进一步地，所述步骤二进一步包括：定义一光子晶体结构图形特征，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率为R。
更进一步地，所述步骤二进一步包括：以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使所述单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
更进一步地，所述步骤二进一步包括：在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为所述单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
更进一步地，所述步骤三进一步包括：将含所述单元图形的掩模图像作为为曝光场曝光视场区域，以b为X方向曝光步进距离，以a为Y方向曝光步进或扫描距离。
本发明还公开一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版的制作方法，其特征在于，
步骤一、定义光子晶体图形结构；
步骤二、光子晶体工艺层图形设计采用六边形结构拼接设计；
步骤三、将提取的单元图形作为掩模图形，绘制于掩模版上。
更进一步地，所述步骤一中所述光子晶体结构的单元图形包括光子晶体结构图形，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R。
更进一步地，所述步骤二中以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
更进一步地，所述步骤二在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为所述光子晶体结构图形特征向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
更进一步地，所述步骤二对所述掩模板上的单元图形拼接边缘进行处理，在a*b矩形外部的图形去除，保留矩形内部图形作为曝光的图形，即边界上的基本图形一分为二，分别划分到了相邻的曝光场。
如果取四边形框架拼接设计，本发明所提供的单元图形小于六边形框架拼接设计，对于拼接曝光而言，曝光场增多，影响产率，四边形设计视场面积=（2+）2ns2<六边形设计视场面积=2*（2+）2n*s2，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s；同时，四边形框架拼接设计所构成的准光子晶体结构与原始光子晶体结构的相似度低于六边形设计。将两种拼接分别与光子晶体结构相叠加，可以看到四边形设计图形错开区域要大于六边形设计。另外，由于传统接近式、接触式光刻机分辨率较低，不满足光子晶体结构制作需求，并且随着LED向4、6寸大尺寸趋势发展，不使用拼接方案是无法实现光子晶体LED制作的。
本发明所提供的技术方案优化了LED光子晶体光刻工序，通过将光子晶体结构的单元图形（六边形结构）提炼出，以光刻拼接的方式得到准光子结构图形布局，这样就能在高端投影光刻机上进行作业，实现高分辨率光子晶体结构的LED芯片制造，同时还能满足大尺寸LED芯片的制作。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。
图1是光子晶体结构层制作于LED器件表面的剖视图；
图2是光子晶体结构图形特征；
图3是在光子晶体结构中选取单元图形的示意图；
图4是在交叉格点上放置光子晶体结构基本图形的示意图；
图5是一个曝光视场区域的准光子晶体图形结构的示意图；
图6是四个曝光视场区域的准光子晶体图形结构的示意图；
图7是六边形和四边形框架拼接设计与光子晶体结构相似度对比；
图8是光刻工艺设计的流程图；
图9是光子晶体结构中提取六边形结构作为单元图形的示意图；
图10是对单元图形拼接边缘进行处理的示意图；
图11是光刻工艺实施的流程图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。
现有技术中的LED光子晶体工艺层工艺步序共分为四步，包括制作LED芯片衬底，沉积光子晶体工艺层，光刻形成光子晶体结构以及刻蚀形成光子晶体图形工艺层。本发明的技术方案主要应用于光子晶体结构层的光刻工序。
光子晶体结构层的光刻工序具体包括：首先，在带光子晶体工艺层的LED衬底片上进行涂胶；然后，选择步进或扫描式光刻机进行曝光，曝光中使用包含光子晶体结构单元图形的掩模版作业，以此图形按照X及Y向步进或扫描进行拼接曝光；曝光后，通过PEB\显影得到最终的光刻光子晶体结构层。
其中，光刻拼接技术方案设计如下：
第一步、定义投影光刻机最小分辨率为R，其最小分辨率的焦深能满足正常生产要求。
第二步、定义光子晶体结构图形特征。
在二维平面内，构画如图2的图形结构20，每个交叉点为所要放置基本图形的中心点，相邻图形中心间距均为s，内圈为正六边形201，外圈为正十二边形202，s>2R。
将图2的图形结构作为单元图形，继续向外扩展，使相邻单元图形中心间距均为（2+）*s，并定义其扩展层数为第1层，得到图3图形结构，其结构同样为内圈为正六边形，外圈为正十二边形；再以图2图形为新的单位图形继续扩展，以此类推，每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数，最终将得到层层向外扩展规律的光子晶体结构。
第三步、准光子结构拼接设计，定义为六边形框架拼接。在光子晶体结构中选取单元图形：以图3为例，在内部正六边形结构内，选取边长为a、b的矩形作为单元图形，矩形中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
在交叉格点上放置光子晶体结构基本图形，以方孔为例，如图4；
把单元图形作为曝光场曝光视场区域，以b为X方向曝光步进距离，以a为Y方向曝光步进或扫描距离，进行拼接曝光，实现全片的准光子晶体图形结构，如图5。图6是四个视场下的准光子晶体图形结构，601-604为四个视场。
该六边形拼接方法适用于任一圆形、正多边形光子晶体结构基本图形。
图7是六边形和四边形框架拼接设计与光子晶体结构相似度对比。如图7所示，四边形框架拼接设计所构成的准光子晶体结构与原始光子晶体结构的相似度低于六边形设计。将两种拼接分别与光子晶体结构相叠加，可以看到四边形设计图形错开区域（黑线部分）要大于六边形设计。
光子晶体工艺层工艺实施流程分两步，第一步是光刻工艺设计。图8是光刻工艺设计的流程图。
光刻工艺设计包括：
1）定义光子晶体图形结构：以方孔为例，在二维平面内，相邻方孔图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形，层层向外扩展，每层扩展后，单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数；
2）光子晶体工艺层图形设计采用六边形结构拼接设计，在光子晶体结构中提取六边形结构作为单元图形，如图9。具体算法如下：选取边长为a、b的矩形作为单元图形，矩形中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s；同时，对单元图形拼接边缘进行处理，在a*b矩形外部的图形去除，保留矩形内部图形作为曝光的图形，即边界上的基本图形一分为二，分别划分到了相邻的曝光场，如图10所示。
3）将提取的单元图形作为掩模图形，绘制于掩模版上。
光子晶体工艺层工艺实施流程的第二步是光刻工艺实施，如图11所述，具体包括：实施
1）在带光子晶体工艺层的LED衬底片上进行涂胶；
2）选择步进或扫描式光刻机进行曝光，曝光中使用包含光子晶体结构单元图形的掩模版作业，以此图形按照X及Y向步进或扫描进行拼接曝光，从而完成整片光子晶体工艺层图形成像；
3）曝光后，通过PEB\显影得到最终的光刻光子晶体结构层。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
Claims (19)
1.一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，所述光子晶体结构的单元图形包括光子晶体结构图形，所述光子晶体结构图形特征为四边形、六边形、八边形、十二边形或十六边形结构。
2.如权利要求1所述包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R。
3.如权利要求2所述包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
4.如权利要求3所述包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为所述光子晶体结构图形特征向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s，把含所述单元图形的掩模图像作为曝光场曝光视场区域，所述b为X方向曝光步进距离，所述a为Y方向曝光步进或扫描距离。
5.如权利要求4所述包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，其特征在于，所述曝光视场区域用于进行拼接曝光。
6.一种光子晶体工艺层的光刻拼接方法，其特征在于，包括：
步骤一、定义一光子晶体结构图形特征，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R；
步骤二、根据所述光子晶体结构图形特征形成以光子晶体结构；
步骤三、在光子晶体结构中提取六边形结构作为单元图形；
步骤四、将含所述单元图形的掩模图像作为曝光场曝光视场区域。
7.如权利要求6所述的光刻拼接方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
8.如权利要求6所述的光刻拼接方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
9.如权利要求6所述的光刻拼接方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：将含所述单元图形的掩模图像作为为曝光场曝光视场区域，以b为X方向曝光步进距离，以a为Y方向曝光步进或扫描距离。
10.一种LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，包括：
步骤一、制作LED芯片衬底；
步骤二、沉积光子晶体工艺层；
步骤三、使用一包含光子晶体结构的单元图形的掩模版，根据六边形框架，沿X及Y向步进或扫描进行拼接曝光；
步骤四、刻蚀形成光子晶体图形工艺层。
11.如权利要求10所述的LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：定义一光子晶体结构图形特征，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率为R。
12.如权利要求11所述的LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使所述单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
13.如权利要求12所述的LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，所述步骤二进一步包括：在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为所述单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为光子晶体结构向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
14.如权利要求13所述的LED光子晶体工艺层的制作方法，其特征在于，所述步骤三进一步包括：将含所述单元图形的掩模图像作为为曝光场曝光视场区域，以b为X方向曝光步进距离，以a为Y方向曝光步进或扫描距离。
15.一种包含光子晶体结构的单元图形的掩模版的制作方法，其特征在于，
步骤一、定义光子晶体图形结构；
步骤二、光子晶体工艺层图形设计采用六边形结构拼接设计；
步骤三、将提取的单元图形作为掩模图形，绘制于掩模版上。
16.如权利要求15所述的掩模版的制作方法，其特征在于，所述步骤一中所述光子晶体结构的单元图形包括光子晶体结构图形，所述光子晶体结构图形特征为一距图形中心间距均为s，内圈为正六边形，外圈为正十二边形的图形结构，其中s大于两倍投影光刻机最小分辨率R。
17.如权利要求16所述的掩模版的制作方法，其特征在于，所述步骤二中以所述光子晶体结构图形特征为第一层的扩展图形，其中每层扩展均使单元图形的间距为（2+）ns，n为向外扩展的层数。
18.如权利要求17所述的掩模版的制作方法，其特征在于，所述步骤二在所述扩展图形中选取边长为a、b的矩形作为单元图形，所述矩形单元中心与光子晶体结构中心重合，其中a=*（2+）ns，b=2*（2+）ns，n为所述光子晶体结构图形特征向外扩展的层数，相邻图形中心间距为s。
19.权利要求18所述的掩模版的制作方法，其特征在于，所述步骤二对所述掩模板上的单元图形拼接边缘进行处理，在a*b矩形外部的图形去除，保留矩形内部图形作为曝光的图形。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Zhang Road No. 1525 Applicant after: Shanghai microelectronics equipment (Group) Limited by Share Ltd Address before: 201203 Shanghai Zhangjiang High Tech Park of Pudong New Area Zhang Road No. 1525 Applicant before: Shanghai Micro Electronics Equipment Co., Ltd. |
|
| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |