CN105514243A - 一种图形化衬底的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种图形化衬底的方法，包括：主刻蚀过程，对表面形成有掩膜的衬底进行主刻蚀，在掩膜的覆盖面积减小之前结束主刻蚀过程；过刻蚀过程，对经过主刻蚀的衬底进行过刻蚀，过刻蚀过程中掩膜的刻蚀速率小于主刻蚀过程中掩膜的刻蚀速率。本发明所提供的图形化衬底的方法通过在掩膜的覆盖面积减小之前结束主刻蚀，避免了在主刻蚀过程中PSS图形侧壁出现突兀的拐角，之后通过在过刻蚀过程中降低掩膜的刻蚀速率，以减小掩膜的内缩速率，使最终形成的PSS三角锥形侧壁的拐角角度增大，从而提高了三角锥形侧壁的光滑平整度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种图形化衬底的方法。
背景技术
随着LED(Light-EmittingDiode，发光二极管)领域工艺技术的发展，以及整个LED行业的迅速壮大，对GaN(氮化镓)基LED器件PSS(PatternedSapphireSubstrates，图形化蓝宝石衬底)的研究也逐渐增多，厂家纷纷采用PSS技术，以提高LED器件的光提取效率。
PSS技术是指在蓝宝石衬底上涂覆干法刻蚀用掩膜(一般为光刻胶)，之后采用光刻工艺将掩膜刻出图形，再利用ICP(InductiveCoupledPlasma，电感耦合等离子体)刻蚀技术刻蚀掩膜所暴露出来的蓝宝石衬底，在蓝宝石衬底的表面形成PSS图形，之后去除掩膜，在衬底上生长GaN。由于PSS图形的存在，GaN的生长由纵向外延变为横向外延，这一方面可以有效减少GaN外延层的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命，另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面的多次散射，改变了全反射光的出射角，从而增加了光从蓝宝石衬底出射的几率，提高了光的提取效率。
如图1所示，目前行业中普遍认可的一种PSS图形为三角锥形，三角锥形侧壁的光滑平整度是保证其表面所形成的GaN外延层具有良好的膜层质量的关键。
现有技术中通过PSS形成三角锥形的过程一般包括两步刻蚀：第一步为主刻蚀(MainEtch，ME)，主要用以形成PSS图形的初步形貌，第二步为过刻蚀(OverEtch，OE)，主要用以对PSS图形的外部轮廓进行修饰，使其表面光滑平整。前述两步刻蚀形成三角锥形可分为四个不同阶段：第一阶段，如图2a所示，主刻蚀步骤开始，刻蚀蓝宝石衬底1未被光刻胶2遮盖的区域；随着主刻蚀的进行，进入第二阶段，如图2b所示，此时因受刻蚀气体的轰击，光刻胶2外表层被刻蚀掉一部分，底部内缩，遮盖面积变小，原本被光刻胶2覆盖的区域的边缘被暴露出来，进而被刻蚀；随着刻蚀的继续，如图2c所示，进入第三阶段，此时蓝宝石衬底1上的PSS图形侧壁具有突出的拐角α，一般为150°，主刻蚀阶段结束；接着，进入第四阶段，如图2d所示，进行过刻蚀，修饰主刻蚀阶段的拐角α，尽量使刻蚀所得三角锥形11的侧壁变得光滑平整。
但是，由于在主刻蚀步骤中所形成的PSS图形的突出的拐角α较突兀，因此在过刻蚀步骤完毕后，所得到的三角锥形的底部容易残留一拐角β，造成三角锥形的侧壁不够光滑平整，进而会影响到其上生长的薄膜的质量。
发明内容
为克服上述现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题为：提供一种图形化衬底的方法，以增大图形化衬底所得到的三角锥形侧壁上的拐角角度，提高侧壁的光滑平整度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种图形化衬底的方法，包括：对表面形成有掩膜的衬底进行主刻蚀，在所述掩膜的覆盖面积减小之前结束所述主刻蚀过程；对经过所述主刻蚀的衬底进行过刻蚀，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率。
优选的，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率具体为：所述过刻蚀过程所采用的气体压力小于所述主刻蚀过程所采用的气体压力。
优选的，所述主刻蚀过程所采用的气体压力为2mT～4mT，所述过刻蚀过程所采用的气体压力为1.5mT～2.5mT。
优选的，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率具体为：所述过刻蚀过程所采用的气体流量小于所述主刻蚀过程所采用的气体流量。
优选的，所述主刻蚀过程所采用的气体流量为80sccm～150sccm，所述过刻蚀过程所采用的气体流量50sccm～80sccm。
优选的，所述主刻蚀过程的持续时间为10min～15min，所述过刻蚀过程的持续时间为10min～20min。
优选的，所述过刻蚀过程所采用的下电极射频功率不小于所述主刻蚀过程所采用的下电极射频功率。
优选的，所述主刻蚀过程所采用的下电极射频功率为300W～600W，所述过刻蚀过程所采用的下电极射频功率为500W～700W。
优选的，所述过刻蚀过程中所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比与所述主刻蚀过程中所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比相同。
优选的，所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比大于或等于0.8。
本发明所提供的图形化衬底的方法中，通过在掩膜的覆盖面积减小之前结束主刻蚀，避免了在主刻蚀过程中PSS图形侧壁出现突兀的拐角，之后通过在过刻蚀过程中降低掩膜的刻蚀速率，以减小掩膜的内缩速率，使最终形成的PSS三角锥形侧壁的拐角角度增大，从而提高了三角锥形侧壁的光滑平整度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为采用PSS技术得到的蓝宝石衬底的结构图；
图2a～图2d为现有技术中制备三角锥形的PSS图形的各步骤图；
图3a～图3b为本发明实施例中制备三角锥形的PSS图形的各步骤图；
图4为本发明实施例中降低掩膜刻蚀速率与未降低掩膜刻蚀速率时步骤S2的对比图；
图5为本发明实施例中降低气体压力与未降低气体压力时步骤S2的对比图；
图6为本发明实施例中降低气体压力、降低气体流量、增大下电极射频功率与未降低气体压力、未降低气体流量、未增大下电极射频功率时步骤S2的对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种图形化衬底的方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1：主刻蚀过程，对表面形成有掩膜2的衬底1进行主刻蚀，在掩膜2的覆盖面积减小之前结束主刻蚀过程，如图3a所示。
上述步骤中，主刻蚀过程形成了三角锥形11的初步形貌。
刻蚀过程中，在衬底被刻蚀的同时，掩膜也会被刻蚀，但是在刻蚀开始的一段时间内，由于掩膜被刻蚀掉的量极少，且主要集中在掩膜的中上部分，掩膜的底部几乎不会被刻蚀掉，因此不会对其遮盖衬底的面积造成减小的影响，可以认为在刻蚀开始的这段时间内掩膜的覆盖面积不变。随着刻蚀持续，掩膜的底部被刻蚀掉的量会逐渐积累，其底部遮盖面积的减小会变得明显。本步骤中主刻蚀阶段的结束时间在掩膜2的覆盖面积减小之前，从而有效地避免了由于掩膜底部覆盖面积减小造成衬底原本的被遮盖区域的边缘被刻蚀所引起的三角锥形11侧壁出现拐角的问题，为后续过刻蚀过程对所形成的图形的表面进行修饰提供了良好的基础。
基于既保证衬底1在主刻蚀阶段被充分刻蚀，形成更接近的三角锥形11的初步形貌，又保证掩膜2覆盖面积不会减小引起拐角出现的两方面的考虑，本实施例中主刻蚀的结束时间优选可在掩膜2的覆盖面积即将减小而未减小的临界点，更为具体的是，主刻蚀过程的持续时间可为10min～15min。
步骤S2：过刻蚀过程，对经过主刻蚀的衬底1进行过刻蚀，过刻蚀过程中掩膜的刻蚀速率小于主刻蚀过程中掩膜的刻蚀速率，如图3b所示。
本步骤中，对步骤S1中所形成的三角锥形的初步形貌的外部轮廓进行修饰，使三角锥形的表面光滑平坦，得到所需要的三角锥形11。
由于过刻蚀过程的掩膜的刻蚀速率小于主刻蚀过程的掩膜的刻蚀速率，因此掩膜2的底部内缩减缓，从而在对三角锥形11的侧壁进行修饰时，侧壁能够被逐渐的刻蚀，侧壁表面平滑过渡，不会出现较突兀的拐角，即拐角角度变大，缓解了现有技术中由于掩膜2快速内缩，侧壁被不均匀刻蚀(侧壁中上部分的表层被刻蚀掉的量增多)，侧壁表面无法较平滑的过渡，出现突兀的拐角的问题。
通过实验也可以证明降低掩膜的刻蚀速率能够增大侧壁拐角的角度，得到表面更加光滑的三角锥形。如图4所示，(1)与(2)衬底对掩膜2刻蚀的选择比均为0.8，但是(1)中掩膜2的刻蚀速率为66nm/min，(2)中掩膜的刻蚀速率为77nm/min，得到(1)中掩膜底径m1为902nm，三角锥形11侧壁拐角β1为165度，(2)中掩膜底径m2为387nm，三角锥形11侧壁拐角β2为155度。可见，采用较小的掩膜刻蚀速率所得到的图形侧壁拐角更大，表面更圆滑。
需要说明的是，降低掩膜2的刻蚀速率的方式有多种，例如：降低下电极射频功率、降低气体压力、降低气体流量等，但是通过降低下电极射频功率来降低掩膜2的刻蚀速率，无疑会降低刻蚀粒子的轰击能量，导致侧壁拐角修饰的速率变慢，引起工艺时间的延长。
本实施例中优选的可通过降低气体压力，即使过刻蚀过程所采用的气体压力小于主刻蚀过程所采用的气体压力，来降低掩膜2的刻蚀速率，实现图形侧壁的拐角角度的增大；进一步的可保持主刻蚀与过刻蚀中衬底对掩膜刻蚀相同的、较高的选择比，通过降低气体压力的方式减小掩膜的刻蚀速率，从而既保证了刻蚀时间不延长，又降低了掩膜的刻蚀速率，达到增大图形侧壁的拐角角度的目的。
发明人通过实验验证了在过刻蚀时降低气体压力(即过刻蚀过程所采用的气体压力小于主刻蚀过程所采用的气体压力)有效减缓掩膜内缩，增大图形侧壁的拐角。如图5所示，(1)和(2)中上电极射频功率、下电极射频功率、气体流量和刻蚀选择比均相同，(1)中的气体压力比(2)中的气体压力低1mT，(1)中的掩膜的底径m1为1190nm，(2)中的掩膜的底径m2为1093nm，(1)中的掩膜内缩较(2)中的缓慢，最终(1)中的三角锥形11侧壁拐角β1为165度，大于(2)中的三角锥形11侧壁拐角β2＝156度。
具体的，本实施例中主刻蚀过程所采用的气体压力可为2mT～4mT，过刻蚀过程所采用的气体压力可为1.5mT～2.5mT，从主刻蚀到过刻蚀气体压力降低的幅度可根据实际情况确定。
本实施例优选的还可在过刻蚀时通过降低气体流量，即使过刻蚀过程所采用的气体流量小于主刻蚀过程所采用的气体流量，来降低掩膜2的刻蚀速率，减缓掩膜2底部内缩，实现增大图形侧壁上的拐角的角度，提高图形侧壁的光滑平整度。具体的，主刻蚀过程所采用的气体流量可为80sccm～150sccm，过刻蚀过程所采用的气体流量50sccm～80sccm，从主刻蚀到过刻蚀气体流量降低的幅度可根据实际情况确定。
在实际生产时，更为优选的方案是结合降低过刻蚀过程的气体压力和降低过刻蚀过程的气体流量两种方式，来降低掩膜2的刻蚀速率，以达到更好的增大图形侧壁上的拐角的角度的效果。
本实施例中，可使过刻蚀过程所采用的下电极射频功率与主刻蚀过程所采用的下电极射频功率相同，以使过刻蚀的持续时间不至于延长，也可使过刻蚀过程所采用的下电极射频功率大于主刻蚀过程所采用的下电极射频功率，即从主刻蚀进入过刻蚀后增大下电极射频功率，实验证明过刻蚀中增大下电极射频功率能够明显降低图形侧壁上拐角的拐点高度。
如图6所示，(1)和(2)中上电极射频功率和刻蚀选择比均相同，(1)中的气体压力和气体流量比(2)中的低，(1)中的下电极射频功率比(2)中的高200W，则(1)中的掩膜2的底径m1为1109nm，三角锥形11侧壁拐角β1为165.49度，拐角的拐点高度h1为357nm，(2)中的掩膜2的底径m2为1190nm，三角锥形11侧壁拐角β2为165度，拐角的拐点高度h2为595nm，可见，虽然(1)中的拐角角度相对于(2)增加不明显，但是已经比现有技术中所能达到的150度角有了显著增大，并且(1)中的拐角的拐点高度明显降低，这有利于对三角锥形11侧壁的修饰，进一步提高侧壁的平滑度。
具体的，主刻蚀过程所采用的下电极射频功率可为300W～600W，过刻蚀过程所采用的下电极射频功率可为500W～700W，从主刻蚀到过刻蚀下电极射频功率降低的幅度可根据实际情况确定。
另一方面，过刻蚀时增大下电极射频功率，能够增强刻蚀粒子的轰击能量，这有利于提高侧壁拐角修饰的速率，缩短工艺时间，过刻蚀过程的持续时间优选的可为10min～20min。
需要说明的是，本实施例中优选的可使过刻蚀过程中衬底对掩膜刻蚀的选择比与主刻蚀过程中衬底对掩膜刻蚀的选择比相同，在两个刻蚀过程中优选的采用较高的刻蚀选择比，例如可大于或等于0.8，以保证过刻蚀和主刻蚀过程中衬底均能得到较好的刻蚀。
另外，主刻蚀与过刻蚀过程中可设置相同的上电极射频功率，优选为1400W～1900W，保证刻蚀粒子具有较高的轰击能量。
本实施例中所提到的衬底优选的可为蓝宝石衬底，掩膜优选的可为光刻胶掩膜，但是在本发明所提供的技术方案的基本思想不变的前提下，本发明中的图形化衬底的方法也可适用于采用其它掩膜对其它衬底进行图形化的过程。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种图形化衬底的方法，其特征在于，包括：
主刻蚀过程，对表面形成有掩膜的衬底进行主刻蚀，在所述掩膜的覆盖面积减小之前结束所述主刻蚀过程；
过刻蚀过程，对经过所述主刻蚀的衬底进行过刻蚀，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率。
2.根据权利要求1所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率具体为：所述过刻蚀过程所采用的气体压力小于所述主刻蚀过程所采用的气体压力。
3.根据权利要求2所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述主刻蚀过程所采用的气体压力为2mT～4mT，所述过刻蚀过程所采用的气体压力为1.5mT～2.5mT。
4.根据权利要求1所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述过刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率小于所述主刻蚀过程中所述掩膜的刻蚀速率具体为：所述过刻蚀过程所采用的气体流量小于所述主刻蚀过程所采用的气体流量。
5.根据权利要求4所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述主刻蚀过程所采用的气体流量为80sccm～150sccm，所述过刻蚀过程所采用的气体流量50sccm～80sccm。
6.根据权利要求1～5任一项所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述主刻蚀过程的持续时间为10min～15min，所述过刻蚀过程的持续时间为10min～20min。
7.根据权利要求1～5任一项所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述过刻蚀过程所采用的下电极射频功率不小于所述主刻蚀过程所采用的下电极射频功率。
8.根据权利要求7所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述主刻蚀过程所采用的下电极射频功率为300W～600W，所述过刻蚀过程所采用的下电极射频功率为500W～700W。
9.根据权利要求1～5任一项所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述过刻蚀过程中所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比与所述主刻蚀过程中所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比相同。
10.根据权利要求9所述的图形化衬底的方法，其特征在于，所述衬底对所述掩膜刻蚀的选择比大于或等于0.8。
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