CN105513942A - 刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种刻蚀方法，包括以下步骤：S1、在待刻蚀的衬底上形成图形化的掩膜层；S2、向工艺腔室内通入包括氯基气体和氟基气体的第一刻蚀气体，利用所述氯基气体和所述氟基气体形成的等离子体对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀。本发明能够提高刻蚀速度和刻蚀选择比，且具有较大的调节窗口。
Description
技术领域
本发明涉及等离子刻蚀技术领域，具体涉及一种刻蚀方法。
背景技术
发光二极管(LightEmittingDiode，LED)是一种将电能转化为光能的半导体器件，具有效率高、功耗低、寿命长、无污染等优点，目前常用的半导体材料的氮化镓(GaN)。
目前，蓝宝石被广泛用于氮化镓薄膜的衬底材料。为了提高LED光取出效率，可以采用图形化蓝宝石衬底(PatternedSapphireSubstrate，PSS)。图形化蓝宝石衬底是指在蓝宝石平面衬底上制备出周期性的微米或者纳米级的图形化结构。图形化的界面不仅能减少GaN外延过程中的位错密度，提高内量子效率，而且还能改变光的输出路径，提高光取出效率，使得衬底上生长的LED的发光性能得到提高。
根据蓝宝石的图形尺寸可以分为：微米级蓝宝石图形化衬底(PSS)和纳米级蓝宝石图形化衬底(NPSS)。纳米级的图形比微米级形貌更小，能够更有效地减少出射光在芯片内部的全反射。此外，纳米级图形化衬底还具有光子晶体的禁带效应，通过调节相应的参数能够使得有源区发射出来的光子能够垂直出射到LED表面，提高LED的光取出效率。要想获得纳米尺寸的蓝宝石图形化衬底，这就要求相应的刻蚀工艺足够精细，并且可调试窗口较大，这样才能够满足生产的各种需求。
目前常用的NPSS工艺包括主刻蚀步骤和过刻蚀步骤：在主刻蚀步骤中，采用高压力、高流量的氯化硼在较低的功率下对光刻胶进行轰击修饰，此时光刻胶的形貌为梯形，接着用等离子继续轰击，得到了具有合适的拐角高度并且含少量光刻胶的图形。在过刻蚀步骤中，采用低流量、低压力的氯化硼，在高功率条件下对剩余的光刻胶进行轰击，然后对形貌进行修饰，根据实际需要可以分多步刻蚀。
但是这种刻蚀方法在刻蚀过程中的选择比较低，即使通过调节压力、流量等工艺参数，选择比的可控幅度也比较小，难以满足生产中各种尺寸的需求；此外，刻蚀速率也比较慢，工艺时间长，对形貌的修饰能力也比较有限。在实际过程中，通过增加刻蚀时间来实现对刻蚀形貌的修饰、工艺的调节窗口有限。如果刻蚀时间过短则侧壁不够直，形貌表现为修饰不足，电镜扫描结果如图1所示；若时间过长则刻蚀高度偏低，电镜扫描结果如图2所示。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种刻蚀方法，以提高图形化衬底的刻蚀速率。
为了实现上述目的，本发明提供一种刻蚀方法，包括以下步骤：
S1、在待刻蚀的衬底上形成图形化的掩膜层；
S2、向工艺腔室内通入包括氯基气体和氟基气体的第一刻蚀气体，利用所述第一刻蚀气体形成的等离子体对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀。
优选地，所述氯基气体包括氯化硼。
优选地，所述氟基气体包括二氟甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷中的任意一种或多种的混合。
优选地，在所述步骤S2中，通入所述第一刻蚀气体的同时，向所述工艺腔室内通入氩气。
优选地，在所述步骤S2中，所述氯基气体包括氯化硼，所述氯化硼的气体流量在[40sccm，160sccm]范围内，所述氟基气体包括三氟甲烷，所述三氟甲烷的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，所述氩气的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，工艺时间在(0min，20min]范围内。
优选地，所述掩膜层由光刻胶制成，所述刻蚀方法还包括在所述步骤S1和所述步骤S2之间进行的以下步骤：
S15、向所述工艺腔室内通入氩气，利用氩气形成的等离子体对所述掩膜层进行预处理。
优选地，在所述步骤S15中，所述氩气的气体流量在[40sccm，60sccm]范围内，工艺时间在(0min，3min]范围内。
优选地，在所述步骤S15中，用于激发产生等离子的激励功率在[300W，500W]范围内，工艺腔室内的气压在[10mT，100mT]范围内。
优选地，所述刻蚀方法还包括在所述步骤S2之后进行的以下步骤：
S3、向所述工艺腔室内通入包括氯基气体的第二刻蚀气体，利用所述第二刻蚀气体形成的等离子体对完成主刻蚀的衬底进行过刻蚀。
优选地，在所述步骤S3中，所述氯基气体包括氯化硼，所述氯化硼的气体流量在[40sccm，160sccm)范围内，工艺时间在(0min，20min]范围内；且
所述步骤S3中氯化硼的气体流量小于所述步骤S2中氯化硼的气体流量。
优选地，在所述步骤S3中，工艺腔室内的气压在[1.5mT，5mT)范围内，在所述步骤S2中，工艺腔室内的气压在(1.5mT，5mT]范围内；且
步骤S3中工艺腔室的气压小于步骤S2中的工艺腔室的气压。
优选地，在所述步骤S3中，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在[500W，700W]范围内；所述步骤S2中，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在(0W，500W)范围内。
在本发明中，对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀时，采用的第一刻蚀气体包括氟基气体和氯基气体，所述氟基气体包括氯化硼，氯化硼对衬底的刻蚀速率大于氯基气体对衬底的刻蚀速率，因此，氟基气体的通入可以提高刻蚀速度；并且通入第一刻蚀气体的同时通入氩气，氩气等离子体可以使得氯化硼等离子体中的C-H键发生断裂氧化，产生更多的三氟甲基自由基，从而形成更多的链状有机聚合物，保护掩膜层，进而提高刻蚀选择比，同时，两种气体的共同作用可以使得工艺具有较大的调试窗口以满足不同的生产需要。另外，在主刻蚀之前，通入氩气对掩膜层进行预处理，使得光刻胶中的C-H、C-C键发生断裂氧化，进一步提高了刻蚀速率。
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。在附图中：
图1是现有技术中的刻蚀方法的结果示意图；
图2是现有技术中的刻蚀方法的另一结果示意图；
图3是本发明所提供的刻蚀方法流程示意图；
图4是本发明的第一种实施方式所提供的刻蚀方法的电镜扫描结果示意图；
图5是本发明的第二种实施方式所提供的刻蚀方法的电镜扫描结果示意图。
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。
本发明提供一种刻蚀方法，如图3所示，包括以下步骤：
S1、在待刻蚀的衬底上形成图形化的掩膜层；
S2、向工艺腔室内通入包括氯基气体和氟基气体的第一刻蚀气体，利用所述第一刻蚀气体形成的等离子体对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀。
本发明中的衬底可以为蓝宝石衬底，所述掩膜层可以为光刻胶层，光刻胶层可以沉积在所述蓝宝石衬底上，通过掩膜板对光刻胶进行曝光和显影，从而在所述光刻胶层上形成所需图形。
与现有技术相比，本发明在对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀时，通入包括氯基气体和氟基气体的第一刻蚀气体，由于氟基气体产生的等离子体对衬底和掩膜层的刻蚀速率大于氯基气体对衬底和掩膜层的刻蚀速率，而氯基气体控制图形形貌能力较好，因此通入氟基气体可以提高对衬底的刻蚀速率，通过工艺参数(如工艺腔室的压力、激励功率和偏置功率)的调节，以改变氯基气体和氟基气体形成的等离子体的刻蚀速率和刻蚀方向，从而在控制刻蚀图形的形貌，因而，氯基气体和氟基气体的共同作用可以在保证刻蚀图形形貌的同时提高刻蚀速率。
作为本发明的一种具体实施方式，所述氯基气体包括氯化硼(BCl3)，所述氟基气体包括二氟甲烷(CH2F2)、三氟甲烷(CHF3)、四氟甲烷(CF4)中的任意一种或多种的混合。所述氟基气体形成的等离子体中的氟离子可以和衬底(蓝宝石衬底的主要成分为Al2O3)反应，以提高对衬底的刻蚀速率。
进一步地，在步骤S2中，向工艺腔室内通入氟基气体和氯基气体的同时，还可以向所述工艺腔室内通入氩气。氩气形成的等离子体可以和所述掩膜层(光刻胶层)的C-H、C-C键发生断裂，产生新的自由基，从而提高对掩膜层的刻蚀速率。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤S2中，向工艺腔室内通入的氯气气体包括氯化硼，所述氟基气体包括三氟甲烷(CHF3)。具体地，所述氯化硼的气体流量为在(40sccm，160sccm]范围内，所述三氟甲烷的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，所述氩气的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，所述第一刻蚀气体和所述氩气的通工艺时间小于或等于20min，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在(0W，500W)范围内，工艺腔室内的气压(1.5mT，5mT]范围内。
三氟甲烷可以提高刻蚀速率，氩气形成的等离子体可以使三氟甲烷中C-H键发生断裂氧化，产生更多三氟甲基(CF3)自由基，从而形成更多的链状有机聚合物，保护掩膜层，从而提高刻蚀的选择比，两种气体的共同作用可以使得刻蚀工艺具有较大的调试窗口，具有更大的调节范围。利用氯化硼、氩气和三氟甲烷对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀时，和氯化硼气体相比，氩气和三氟甲烷气体的通入量较少，这样既可以提高刻蚀速率，又可以防止三氟甲烷和氩气的刻蚀速率过大时对图形形貌产生影响。
如上文中所述，所述掩膜层可以为光刻胶层，为了进一步提高刻蚀速率，所述刻蚀方法还包括在在所述步骤S1和所述步骤S2之间进行的以下步骤：
S15、向所述工艺腔室内通入氩气，利用氩气形成的等离子体对所述掩膜层进行预处理。氩气的等离子体不仅可以改善工艺腔室内的气体氛围，而且还可以使得光刻胶中的C-H键、C-C键发生断裂氧化，产生新的自由基，从而使得在步骤S2中第一刻蚀气体对光刻胶的刻蚀速率提高。
具体地，在步骤S15中，向所述工艺腔室内通入氩气时，氩气的气体流量在[40sccm，60sccm]范围内，用于激发产生等离子体的激励功率在[300W，500W]范围内，用于提供偏置电压的偏置功率为0W，工艺腔室内的气压在[10mT，100mT]范围内，工艺时间在(0min，3min]范围内。
进一步地，所述刻蚀方法还可以步骤S2之后进行的：
S3、向所述工艺腔室内通入包括氯基气体的第二刻蚀气体，利用所述第二刻蚀气体形成的等离子体对完成主刻蚀的衬底进行过刻蚀。主刻蚀结束后，衬底上形成具有合适拐角、高度且含有少量掩膜层的图形，过刻蚀的目的在于对主刻蚀形成的图形的形貌进行修饰，使图形的侧壁尽可能地直。
在步骤S3对过刻蚀过程中，通入的氯基气体包括氯化硼，并通过调节工艺参数，提高对图形的修饰能力。具体地，氯化硼的气体流量在[40sccm，160sccm)范围内，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在[500W，700W]范围内，工艺腔室内的气压在[1.5mT，5mT)范围内，工艺时间在(0min，20min]范围内。和步骤S2相比，步骤S3中氯化硼的气体流量较低，工艺腔室的气压较低，且偏置功率较大，从而提高刻蚀速率，增强对衬底图形的形貌修饰能力。
本发明所提供的刻蚀方法中，刻蚀温度为-10-40℃。
在本发明中，工艺参数的调试窗口较大，调节相应的工艺参数，可以得到不同尺寸的图形，以满足不同的生产需要。下面结合具体的工艺参数对所述刻蚀方法进行说明。
步骤一，在待刻蚀的衬底上形成图形化的掩膜层；
步骤二，向工艺腔室内通入氩气，利用氩气形成的等离子体对所述掩膜层进行预处理；
步骤三，向工艺腔室内同时通入氯化硼、氩气和三氟甲烷，利用这三种气体形成的等离子体对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀；
步骤四，向工艺腔室内通入氯化硼，利用氯化硼形成的等离子体对所述衬底进行过刻蚀。
第一种工艺参数的设置如下：
步骤二中，氩气的气体流量为50sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为300W，用于产生偏置电压的偏置功率为0W，工艺腔室内的气压为20mT，工艺时间为1min；
步骤三中，氯化硼的气体流量为55sccm，三氟甲烷的气体流量为5sccm，氩气的气体流量为10sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为2400W，用于产生偏置电压的偏置功率为150W，工艺腔室内的气压为2mT，工艺时间为12.5min；
步骤四中，氯化硼的气体流量为45sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为1400W，用于产生偏置电压的偏置功率为700W，工艺腔室内的气压为1.5mT，工艺时间为4min；
刻蚀过程中的温度为40℃；这种设置方式下的刻蚀结果如图4所示，图形的高度为500nm，底宽为701nm，图形间的间距为291nm。
第二种工艺参数的设置如下：
步骤二中，氩气的气体流量为50sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为300W，用于产生偏置电压的偏置功率为0W，工艺腔室内的气压为20mT，工艺时间为1min；
步骤三中，氯化硼的气体流量为55sccm，三氟甲烷的气体流量为10sccm，氩气的气体流量为5sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为2400W，用于产生偏置电压的偏置功率为150W，工艺腔室内的气压为2mT，工艺时间为13min；
步骤四中，氯化硼的气体流量为45sccm，用于激发产生等离子体的激励功率为1400W，用于产生偏置电压的偏置功率为700W，工艺腔室内的气压为1.5mT，工艺时间为2min；
刻蚀过程中的温度为40℃；这种设置方式下的刻蚀结果如图5所示，图形的高度为586nm，底宽为915nm，图形间的间距为91nm。
可以看出，本发明在对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀时，采用的第一刻蚀气体包括氯基气体和氟基气体，同时通入氩气，所述氟基气体包括三氟甲烷，与现有技术相比，通入三氟甲烷可以提高刻蚀速度，氩气等离子体可以使得三氟甲烷等离子体中的C-H键发生断裂氧化，产生更多的三氟甲基自由基，从而形成更多的链状有机聚合物，保护掩膜层，进而提高刻蚀选择比，并且，氯基气体和氟基气体的共同作用可以使得工艺具有较大的调试窗口以满足不同的生产需要。另外，在主刻蚀之前，通入氩气对掩膜层进行预处理，使得光刻胶中的C-H、C-C键发生断裂氧化，进一步提高了刻蚀速率。
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，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在待刻蚀的衬底上形成图形化的掩膜层；
S2、向工艺腔室内通入包括氯基气体和氟基气体的第一刻蚀气体，利用所述第一刻蚀气体形成的等离子体对形成有所述掩膜层的衬底进行主刻蚀。
2.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述氯基气体包括氯化硼。
3.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，所述氟基气体包括二氟甲烷、三氟甲烷、四氟甲烷中的任意一种或多种的混合。
4.根据权利要求1所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S2中，通入所述第一刻蚀气体的同时，向所述工艺腔室内通入氩气。
5.根据权利要求4所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述氯基气体包括氯化硼，所述氯化硼的气体流量在[40sccm，160sccm]范围内，所述氟基气体包括三氟甲烷，所述三氟甲烷的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，所述氩气的气体流量在(0sccm，20sccm]范围内，工艺时间在(0min，20min]范围内。
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，所述掩膜层由光刻胶制成，所述刻蚀方法还包括在所述步骤S1和所述步骤S2之间进行的以下步骤：
S15、向所述工艺腔室内通入氩气，利用氩气形成的等离子体对所述掩膜层进行预处理。
7.根据权利要求6所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S15中，所述氩气的气体流量在[40sccm，60sccm]范围内，工艺时间在(0min，3min]范围内。
8.根据权利要求7所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S15中，用于激发产生等离子的激励功率在[300W，500W]范围内，工艺腔室内的气压在[10mT，100mT]范围内。
9.根据权利要求5所述的刻蚀方法，其特征在于，所述刻蚀方法还包括在所述步骤S2之后进行的以下步骤：
S3、向所述工艺腔室内通入包括氯基气体的第二刻蚀气体，利用所述第二刻蚀气体形成的等离子体对完成主刻蚀的衬底进行过刻蚀。
10.根据权利要求9所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述氯基气体包括氯化硼，所述氯化硼的气体流量在[40sccm，160sccm)范围内，工艺时间在(0min，20min]范围内；且
所述步骤S3中氯化硼的气体流量小于所述步骤S2中氯化硼的气体流量。
11.根据权利要求9所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S3中，工艺腔室内的气压在[1.5mT，5mT)范围内，在所述步骤S2中，工艺腔室内的气压在(1.5mT，5mT]范围内；且
步骤S3中工艺腔室的气压小于步骤S2中的工艺腔室的气压。
12.根据权利要求9所述的刻蚀方法，其特征在于，在所述步骤S3中，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在[500W，700W]范围内；所述步骤S2中，用于激发产生等离子体的激励功率在[1400W，2400W]范围内，用于产生偏置电压的偏置功率在(0W，500W)范围内。
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Application publication date: 20160420 |