CN105514228B - 一种基于纳米压印技术制备图形化蓝宝石衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米压印技术制备图形化蓝宝石衬底的方法，在表面抛光的硅片基底上生长高纯度的金属铝膜；利用两次阳极氧化反应得到规则有序的多孔阳极氧化铝；以多孔阳极氧化铝当掩模对硅片基底进行干法刻蚀得到规则有序的多孔硅基底；在多孔硅基底上旋涂填充聚二甲基硅氧烷PDMS并进行固化、脱模，得到PDMS模板；利用PDMS模板通过紫外压印方法将图形转移到蓝宝石衬底上，采用刻蚀工艺得到图形化的蓝宝石衬底(PSS)。本发明的PDMS模板图形规则有序、均匀性好、易于脱模且可重复使用，配合紫外压印技术可实现6英寸及以上大尺寸PSS的制备。本发明的方法简单易行、可控性高、极大地提高PSS的生产效率，生产成本低。
Description
技术领域
本发明属于GaN基LED图形化衬底技术领域，涉及一种基于纳米压印技术制备大于6英寸图形化蓝宝石衬底的方法，具体涉及利用规则有序的多孔阳极氧化铝当掩模制备柔性PDMS压印模板并通过纳米压印技术制备6英寸以上图像化蓝宝石衬底的方法。
背景技术
GaN基LED作为新型半导体发光器件，与传统的光源相比具有体积小、寿命长、效率高、节能环保等优点，目前已广泛应用于显示、指示灯、背光灯、固态照明、交通信号灯、短程光学通信和生物传感器等各个领域。蓝宝石由于价格便宜，被广泛应用于GaN基LED器件制作中。然而，GaN外延层与蓝宝石之间存在着较大的晶格失配，使得GaN外延层在生长过程中产生大量的螺旋位错，晶体质量较差。同时，由于GaN外延层与空气之间存在很大的折射率差，使得LED内部产生的光大部分在界面处发生全反射而无法出射，仅有很小的一部分(约5％)光可以从逃逸角射出，这两个因素极大地限制了GaN基LED的出光效率。
为了解决以上两个问题，引入了图形化蓝宝石衬底(PSS)的概念。实验和理论已经证明了PSS能够有效减少GaN外延层的位错密度，提高外延晶体质量；同时LED器件内部被全反射回来的光经过PSS的反射或散射后有很大一部分将重新进入逃逸角，从而显著提高光的提取效率(M.T.Wang,K.Y.Liao,Y.L.Li,Growth mechanism and strain variation ofGaN material grown on patterned sapphire substrates with various patterndesigns,IEEE Photon.Tech.Lett.,23:926(2011)；C.L.Xu,T.J.Yu,et al.,Analyses oflight extraction efficiency in GaN-based LEDs grown on patterned sapphiresubstrates,Phys.Status Solidi C 9:757(2012)；Y.H.You,F.C.Chu,et al.,Enhancedperformance of InGaN-based lightemitting diodes grown on volcano-shapedpatterned sapphire substrates with embedded SiO2,RSC Adv.,5:67809(2015))。目前，商业化的LED普遍采用PSS来提高器件性能，与传统平面蓝宝石衬底相比，采用PSS的LED出光效率提高了30％～40％。不过，受到工业技术的限制，现在市场上普遍采用2英寸和4英寸的PSS。为了满足日益增大的LED需求，同时降低生产成本，提高企业效益，对更大尺寸的PSS，即6英寸及6英寸以上的PSS的研制具有十分重要的意义。
传统方法制备PSS，一般是通过光刻、刻蚀等工艺将光刻版上的图形转移到样品上。图形大小在微米尺寸量级。
发明内容
本发明提供了一种基于纳米压印技术制备大于6英寸图形化蓝宝石衬底的方法。所述方法通过使用规则有序的多孔阳极氧化铝当掩模来获得图形均匀、机械性能良好且可重复使用的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板，并利用所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板进行紫外纳米压印来制备6英寸以上的图形化的蓝宝石衬底(PSS)。当图形的尺寸达到纳米量级时，LED的发光效率可以得到进一步提高。一方面，通过纳米压印的方式可以在6英寸以上的蓝宝石衬底上制作纳米级别且均匀性良好的刻蚀掩模，而不会受到传统光刻工艺中光的衍射、散射等条件限制；另一方面，采用纳米压印的方式可以解决大尺寸衬底下带来的非平面翘曲难题。不仅如此，采用纳米压印的方式制作大尺寸的PSS，其操作简单易行、成本低，非常适合产业化生产。
本发明提出了一种聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)选取一个8英寸或8英寸以上洁净的表面抛光的硅片基底，在其表面蒸发或溅射一层高纯度金属铝膜；
2)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行一次阳极氧化反应，并去除氧化层，得到规则有序的氧化铝浅坑；
3)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行二次阳极氧化反应，直至将金属铝膜全部氧化，得到规则有序的多孔阳极氧化铝；
4)以步骤3)所述的多孔阳极氧化铝为掩模对硅片基底进行干法刻蚀，将图形转移到硅片基底上，然后去除多孔阳极氧化铝掩模，得到规则有序的多孔硅基底；
5)对步骤4)所述的多孔硅基底进行氟化防粘处理，然后以其作为母板，在其表面填充透明且机械性能良好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料并加温固化、脱模，得到柔性的所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板。
本发明的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板的制备方法中，用ICP的方式将多孔结构转移到硅片上，用自组装的多孔氧化铝当掩模，通过刻蚀将图形转移到硅片基底上，从而得到结构规则的多孔硅母板，可以使得制备得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板具有良好的物理和化学稳定性，优异的机械性能，高透明度，耐热性好的特定，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板是一种柔性的聚合物模板，适合用于大尺寸非平面衬底的纳米压印。
本发明还提出了使用上述PDMS模板制备图形化的蓝宝石衬底(PSS)的方法，具体地，所述方法包括以下步骤：
1)选取一个8英寸或8英寸以上洁净的表面抛光的硅片基底，在其表面蒸发或溅射一层高纯度金属铝膜；
2)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行一次阳极氧化反应，并去除氧化层，得到规则有序的氧化铝浅坑；
3)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行二次阳极氧化反应，直至将金属铝膜全部氧化，得到规则有序的多孔阳极氧化铝；
4)以步骤3)所述的多孔阳极氧化铝为掩模对硅片基底进行干法刻蚀，将图形转移到硅片基底上，然后去除多孔阳极氧化铝掩模，得到规则有序的多孔硅基底；
5)对步骤4)所述的多孔硅基底进行氟化防粘处理，然后以其作为母板，在其表面填充透明且机械性能良好的PDMS材料并加温固化、脱模，得到用于纳米压印的柔性的所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板；
6)选取洁净的蓝宝石衬底，在其表面旋涂紫外纳米压印用的抗蚀剂，利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板在压印机中进行紫外压印，即在压印的同时进行紫外光曝光使抗蚀剂固化，压印结束后进行脱模，得到图形化的抗蚀剂掩模；
7)对步骤6)所述的图形化的抗蚀剂掩模进行反应离子刻蚀RIE，直至露出蓝宝石衬底，得到具有图形化抗蚀剂掩模的蓝宝石衬底；
8)对步骤7)所述的具有图形化抗蚀剂掩模的蓝宝石衬底进行刻蚀，然后去除残余的抗蚀剂掩模并清洗蓝宝石衬底，制备得到6英寸或6英寸以上的图形化蓝宝石衬底(PSS)。
上述方案中，所述步骤1)中，蒸发或溅射用的金属铝膜纯度需达99.99％以上；高纯度金属铝膜可以采用电子束蒸发、磁控溅射等方法来制备；
上述方案中，所述步骤2)中，采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的氧化铝浅坑，所述一次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为1～2h。
上述方案中，所述步骤3)中，采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的多孔阳极氧化铝，所述二次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为2～4h。
一次阳极氧化反应、二次阳极氧化反应是两次反应的时间不同，其作用也不同，第一次是为了形成规则有序的浅坑，第二次则是在浅坑基础上进一步腐蚀形成孔洞。
上述方案中，所述步骤2)中，所述一次阳极氧化反应后，使用铬酸和磷酸的混合溶液来去除氧化层；其中，所述铬酸和磷酸的浓度分别为5wt％、1.5wt％。
上述方案中，所述步骤4)中，所述干法刻蚀包括感应耦合等离子(ICP)刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)等。
上述方案中，所述步骤4)中，所述去除多孔阳极氧化铝掩模的方法是使用热的碱性溶液来腐蚀去除，即，是将硅片基底置于10％氢氧化钠溶液中并加热至60℃，待多孔阳极氧化铝完全溶解后取出多孔硅基底并清洗干净。
上述方案中，所述步骤5)中，所述对多孔硅片基底进行氟化防粘处理的方法是在多孔硅基底表面喷涂或沉积一层低表面张力的含氟聚合物fluropolymer，或使用perfluorosilane表面活性剂以降低多孔硅基底的表面能，达到防粘效果，这对后续脱模工艺至关重要；；
上述方案中，所述步骤5)中，在多孔硅基底表面填充的PDMS材料后，加温固化过程是在真空环境中进行的，在多孔硅基底一侧进行加温，直至聚合物材料受热完全固化；这样可以消除填充过程中气泡的产生，使多孔硅基底上的图形完好地转移到PDMS上；
上述方案中，所述步骤6)中，所述紫外纳米压印用的抗蚀剂必须具备良好的抗刻蚀能力，从而保证在蓝宝石衬底上得到明显的刻蚀图形，旋涂纳米压印用的紫外抗蚀剂时必须控制好旋涂转数来获得合适的厚度，压印过程中紫外灯从聚合物模板一侧进行垂直照射，抗蚀剂经紫外曝光后固化定型。
上述方案中，所述步骤7)中，刻蚀时间由残余抗蚀剂的厚度决定，需要严格控制，防止刻蚀时间过长导致抗蚀剂被过度减薄而无法起到掩模的作用。
上述方案中，所述步骤8)中，刻蚀蓝宝石衬底的工艺包括湿法刻蚀、ICP刻蚀和RIE刻蚀等。
本发明提出了一种按上述方法制备得到的聚二甲基硅氧烷模板，具有良好的物理和化学稳定性，机械性能优异，透明度高，耐热性好，是一种柔性的聚合物模板，适合用于大尺寸非平面衬底的纳米压印。
本发明还提出了一种按上述方法制备得到的图形化蓝宝石衬底，衬底尺寸可以达到6英寸及6英寸以上，制作的图形尺寸可以达到纳米量级，且图形均匀性良好、尺寸可控、成品率高，在简化了制作工艺的同时也降低了生产成本。
本发明提供的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板的制备方法和基于纳米印压技术的制备图形化的蓝宝石衬底(PSS)的方法，利用金属铝膜阳极氧化反应得到的多孔阳极氧化铝来当掩模，对硅片基底进行ICP刻蚀，从而获得图案均匀的多孔硅基底；然后以多孔硅基底为母板制作透明且机械性能良好的PDMS柔性聚合物模板，并利用PDMS模板通过紫外纳米压印的方式制备6英寸及以上的图形化的蓝宝石衬底(PSS)。本发明基于多孔阳极氧化铝结构来制备图形化的蓝宝石衬底(PSS)，其优点在于：多孔阳极氧化铝结构在小孔生长过程中有部分小孔的垂直性在反应过程中可能遭到破坏，如果直接利用多孔阳极氧化铝结构来制备纳米压印模板很容易造成纳米图形被破坏且脱模十分困难；因此，本发明在制作聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板过程中以多孔阳极氧化铝为模板，通过ICP刻蚀技术将多孔阳极氧化铝图形垂直地转移到硅片基底上，很好地解决了转移图形易破坏及脱模困难的问题，这也是本发明最重要的创新之处。这里主要利用了ICP刻蚀的高可控性和高垂直性，使得图形在转移过程中不易遭到破坏。因此采用本发明的方法可以得到性能良好、图案均匀的纳米压印模板。同时，本发明采用的柔性PDMS模板非常适用于大尺寸非平面衬底的压印，能够满足6英寸以上的蓝宝石衬底(存在翘曲)的图形化工艺。而且本发明制作得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板可以重复使用，能够大大降低成本并提高生产效率，非常适合于大规模生产。
附图说明
图1为在8英寸抛光的硅片基底上溅射好高纯金属铝膜后的示意图；
图2为金属铝膜一次阳极氧化反应后的示意图；
图3为金属铝膜一次阳极氧化反应并除去氧化层后的示意图；
图4为金属铝膜二次阳极氧化反应后的示意图；
图5为ICP刻蚀硅片基底并去除多孔阳极氧化铝掩模后的示意图；
图6为在多孔硅基底上填充PDMS聚合物并固化的示意图；
图7为利用PDMS模板进行紫外纳米压印的示意图；
图8为RIE刻蚀去除残余抗蚀剂后的示意图；
图9为ICP刻蚀蓝宝石衬底并去除抗蚀剂后得到的PSS示意图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
1)如图1所示，在8英寸抛光的硅片基底11上采用电子束蒸发的方法生长一层高纯金属铝膜12，金属铝膜的纯度大于99.99％，厚度为2～5μm；
2)对图1所示结构进行一次阳极氧化反应：以硅片基底11为阳极，以石墨为阴极，选用0.3mol/L的草酸溶液作为电解液，反应电压控制在30～40V，温度控制在3～5℃，反应时间为1～2h。一次阳极氧化反应后在金属铝膜12表面会形成一层薄的氧化铝21，并形成规则有序的浅坑，如图2所示；
3)去除一次阳极氧化反应后样品表面的氧化铝21:在室温下将样品置于铬酸:磷酸＝4g:14g的溶液中约30min，使表面的氧化铝21完全溶解，在金属铝膜12表面得到规则有序的浅坑，如图3所示；
4)对图3所示结构进行二次阳极氧化反应：以硅片基底11为阳极，以石墨为阴极，选用0.3mol/L的草酸溶液作为电解液，反应电压控制在30～40V，温度控制在3～5℃，反应时间为2～4h。二次阳极氧化反应使金属铝膜12完全氧化，形成规则有序的多孔阳极氧化铝41，其中孔径大小可以通过调节反应参数来决定；
5)以多孔阳极氧化铝41为掩模，在CF3Cl、Cl2等气体环境中对硅片基底11进行ICP刻蚀从而将图形转移到硅片基底上，然后用10％的氢氧化钠溶液在60℃条件下腐蚀去除残余的多孔阳极氧化铝41，得到规则有序的多孔硅基底51；
6)对多孔硅基底51进行氟化防粘处理：在其表面沉积一层低表面张力的含氟聚合物fluropolymer或使用perfluorosilane表面活性剂以降低其表面能，以利于接下来的脱模处理；
7)以多孔硅基底51为母板，在其表面填充PDMS聚合物并在真空环境下加温固化，接着进行脱模处理，得到用于纳米压印的柔性PDMS模板61；
8)取洁净的6英寸蓝宝石衬底71，在其表面旋涂旋涂紫外纳米压印用的抗蚀剂72，利用PDMS模板61在压印机中进行紫外压印，压印过程中使用紫外光73从PDMS模板一侧进行曝光使紫外纳米压印用的抗蚀剂72固化定型，然后再进行脱模处理；
9)对图形化的抗蚀剂72进行O2反应离子刻蚀直至露出蓝宝石衬底表面，如图8所示；
10)以图形化的抗蚀剂81为掩模，在BCl3、Cl2等气体环境中对蓝宝石衬底71进行ICP刻蚀，然后去除抗蚀剂并清洗，完成6英寸PSS 91的制作。
用上述方法制备得到的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模板具有良好的物理和化学稳定性，机械性能优异，透明度高，耐热性好，是一种柔性的聚合物模板，适合用于大尺寸非平面衬底的纳米压印。用上述方法制备得到的图形化蓝宝石衬底(PSS)，衬底尺寸可以达到6英寸及以上，制作的图形尺寸可以达到纳米量级，且图形均匀性良好、尺寸可控、成品率高，在简化了制作工艺的同时也降低了生产成本。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (9)
1.一种聚二甲基硅氧烷模板的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)选取洁净的表面抛光的硅片基底，在其表面蒸发或溅射一层高纯度金属铝膜；
2)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行一次阳极氧化反应，并去除氧化层，得到规则有序的氧化铝浅坑；采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的氧化铝浅坑，所述一次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为1～2h；所述一次阳极氧化反应后，使用铬酸和磷酸的混合溶液来去除所述氧化层；其中，所述铬酸和磷酸的浓度分别为5wt％、1.5wt％；
3)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行二次阳极氧化反应，直至将所述金属铝膜全部氧化，得到规则有序的多孔阳极氧化铝；采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的多孔阳极氧化铝，所述二次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为2～4h；
4)以步骤3)所述的多孔阳极氧化铝为掩模对硅片基底进行干法刻蚀，将图形转移到硅片基底上，然后去除所述的多孔阳极氧化铝掩模，得到规则有序的多孔硅基底；
5)对步骤4)所述的多孔硅基底进行氟化防粘处理，然后以其作为母板，在其表面填充聚二甲基硅氧烷材料并加温固化、脱模，得到所述聚二甲基硅氧烷模板。
2.一种基于纳米压印技术制备图形化蓝宝石衬底的方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)选取洁净的表面抛光的硅片基底，在其表面制备一层高纯度金属铝膜；
2)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行一次阳极氧化反应，并去除氧化层，得到规则有序的氧化铝浅坑；采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的氧化铝浅坑，所述一次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为1～2h；所述一次阳极氧化反应后，使用铬酸和磷酸的混合溶液来去除所述氧化层；其中，所述铬酸和磷酸的浓度分别为5wt％、1.5wt％；
3)以所述硅片基底为阳极，石墨为阴极对金属铝膜进行二次阳极氧化反应，直至将所述金属铝膜全部氧化，得到规则有序的多孔阳极氧化铝；采用电化学腐蚀的方式形成规则有序的多孔阳极氧化铝，所述二次阳极氧化反应所用的电解液为草酸、磷酸、硌酸或其任意两种的混合液；所述电化学腐蚀的时间为2～4h；
4)以步骤3)所述的多孔阳极氧化铝为掩模对硅片基底进行干法刻蚀，将图形转移到硅片基底上，然后去除所述的多孔阳极氧化铝掩模，得到规则有序的多孔硅基底；
5)对步骤4)所述的多孔硅基底进行氟化防粘处理，然后以其作为母板，在其表面填充聚二甲基硅氧烷材料并加温固化、脱模，得到聚二甲基硅氧烷模板；
6)选取洁净的蓝宝石衬底，在其表面旋涂紫外纳米压印用的抗蚀剂，利用聚二甲基硅氧烷进行紫外压印、脱模，得到图形化的抗蚀剂掩模；
7)对步骤6)所述的图形化的抗蚀剂掩模进行RIE刻蚀，直至露出蓝宝石衬底，得到具有图形化抗蚀剂掩模的蓝宝石衬底；
8)对步骤7)所述的具有图形化抗蚀剂掩模的蓝宝石衬底进行刻蚀，然后去除残余的抗蚀剂掩模，并清洗蓝宝石衬底，制备得到图形化的蓝宝石衬底。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，高纯度金属铝膜可以采用电子束蒸发、磁控溅射等方法来制备；蒸发或溅射用的金属铝膜纯度需达99.99％以上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中，干法刻蚀包括感应耦合等离子刻蚀、反应离子刻蚀；所述去除多孔阳极氧化铝掩膜的方法是使用热的碱性溶液来腐蚀去除。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤5)中，所述对多孔硅基底进行氟化防粘处理的方法是在多孔硅基底表面喷涂或沉积一层含氟聚合物或表面活性剂来降低其表面能；在多孔硅基底表面填充的聚二甲基硅氧烷材料后，加温固化过程是在真空环境中进行的，在多孔硅基底一侧进行加温，直至聚合物材料受热完全固化。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤6)中，压印过程中紫外灯从聚合物模板一侧进行垂直照射，抗蚀剂经紫外曝光后固化定型。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤8)中，刻蚀蓝宝石衬底的工艺包括湿法刻蚀、感应耦合等离子刻蚀、反应离子刻蚀等。
8.一种按权利要求1所述的方法制备得到的聚二甲基硅氧烷模板。
9.一种按权利要求2所述的方法制备得到的图形化蓝宝石衬底，其特征在于，衬底尺寸为6英寸及6英寸以上，图形尺寸为纳米量级。
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