CN105655231B - 一种刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法，其包括采用光刻胶材料制作的第一掩膜层，以及采用可提高相对于衬底的刻蚀选择比的材料制作第二掩膜层，其中，第一掩膜层设置在衬底的表面上；第二掩膜层设置在第一掩膜层上；第一掩膜层和第二掩膜层各自的图形底部宽度被设置为：第一掩膜层和第二掩膜层之间的预设连线的倾斜角度与第一掩膜层的固定倾斜角度一致。本发明提供的刻蚀用掩膜组，其可以达到改善衬底的图形形貌的目的。

Description

一种刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法。

背景技术

PSS(Patterned Sapp Substrates，图形化蓝宝石衬底)技术是目前普遍采用的一种提高GaN(氮化镓)基LED器件的出光效率的方法。在进行PSS工艺的过程中，其通常在衬底上生长干法刻蚀用掩膜，并采用光刻工艺将掩膜刻出图形；然后采用ICP技术刻蚀衬底表面，以形成需要的图形，再去除掩膜，并采用外延工艺在刻蚀后的衬底表面上生长GaN薄膜。目前，由于采用ICP技术刻蚀衬底表面所获得的图形形貌可以影响LED器件的出光效果，尤其是侧壁平直的圆锥状图形形貌可以显著提高出光效率，因而该形貌受到了越来越多的厂家的欢迎，成为了目前较为流行的一种工艺指标。

目前，普遍采用的掩膜结构如图1A所示，掩膜仅由光刻胶一种材料制作，且用标准光刻工艺制作形成截面为倒梯形、正梯形或者矩形的圆台。以截面为矩形的光刻胶掩膜为例，采用ICP等离子体方法刻蚀衬底，且包括主刻蚀步骤和过刻蚀步骤。其中，在进行主刻蚀步骤的过程中，图形形貌的演变过程如图1B所示，首先，光刻胶掩膜逐渐被刻蚀，同时其侧壁顶部被刻蚀形成截面为正梯形的圆台，此时光刻胶掩膜的截面形状由底部的矩形和顶部的正梯形组成，如图1B中的图形形貌S1所示；随着刻蚀深度的增加，掩膜底部矩形的部分逐渐被消耗，直至基片表面的掩膜形成正梯形，如图1B中的图形形貌S2所示，此时掩膜侧壁的倾斜角度为A；随着刻蚀深度的继续增加，光刻胶掩膜开始横向收缩，衬底侧壁开始出现拐角，如图1B中的图形形貌S3所示，侧壁底部1的倾斜角度为B，而侧壁顶部2的倾斜角度为C，且C小于B，并且拐角的高度为H，掩膜侧壁的倾斜角度不变，仍然为A。然后开始进行过刻蚀步骤，用以修饰衬底的图形形貌。然而，由于光刻胶掩膜的耐刻蚀性较差，其横向收缩速度过快，导致侧壁顶部2的倾斜角度C很小，即，衬底侧壁上的拐角(侧壁底部1和侧壁顶部2的夹角)过大，从而造成过刻蚀步骤无法将侧壁修饰平直，最终获得的图形形貌表现为侧壁形成被修饰不足的圆弧形，如图2所示。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法，其可以达到改善衬底的图形形貌的目的。

为实现本发明的目的而提供一种刻蚀用掩膜组，其通过采用光刻工艺在衬底的表面上制作形成所需的图形，以控制衬底刻蚀后获得的图形的侧壁拐角，其包括采用光刻胶材料制作的第一掩膜层，以及采用可提高相对于衬底的刻蚀选择比的材料制作第二掩膜层，其中，所述第一掩膜层设置在所述衬底的表面上；所述第二掩膜层设置在所述第一掩膜层上；所述第一掩膜层和第二掩膜层各自的图形底部宽度被设置为：所述第一掩膜层和第二掩膜层之间的预设连线的倾斜角度与所述第一掩膜层的固定倾斜角度一致；所述预设连线为所述第一掩膜层的图形底角和与之相同一侧的所述第二掩膜层的图形底角之间的连线；所述固定倾斜角度为仅利用所述第一掩膜层刻蚀衬底时，所述第一掩膜层在出现正梯形截面时的侧壁倾斜角度。

优选的，所述第二掩膜层的厚度被设置为：在刻蚀所述衬底的过程中，使所述第二掩膜层在所述第一掩膜层开始横向收缩时完全被消耗。

优选的，所述第一掩膜层的图形截面为正梯形或者矩形。

优选的，所述可提高相对于所述衬底的刻蚀选择比的材料包括铝、镍或者二氧化硅。

优选的，所述第二掩膜层的图形截面为正梯形或者矩形。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种衬底刻蚀方法，其包括以下步骤：

掩膜制作步骤，采用两次光刻工艺在衬底的表面上制作采用本发明提供的上述刻蚀用掩膜组；

主刻蚀步骤，用于刻蚀所述衬底直至达到目标刻蚀深度；

过刻蚀步骤，用于修饰所述衬底的图形形貌。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的刻蚀用掩膜组，其包括采用光刻胶材料制作的第一掩膜层，以及采用可提高相对于衬底的刻蚀选择比的材料制作第二掩膜层，其中，第一掩膜层设置在衬底的表面上；第二掩膜层设置在第一掩膜层上。由于第二掩膜层设置在第一掩膜层上，且采用可提高相对于衬底的刻蚀选择比的材料制作，因而第二掩膜层能够对第一掩膜层起到保护作用，使得第一掩膜层被第二掩膜层覆盖的部分在收缩时没有厚度损失，从而可以减慢第一掩膜层的横向收缩速度。又由于二者各自的图形底部宽度被设置为：第一掩膜层和第二掩膜层之间的预设连线的倾斜角度与第一掩膜层的固定倾斜角度一致，这可以保证在第一掩膜层开始横向收缩时，其截面形状为标准的正梯形，从而可以实现对第一掩膜层的倾斜角度进行控制，使得在衬底侧壁出现拐角之后，衬底侧壁顶部的倾斜角度增大，即，减小衬底侧壁的拐角，进而可以达到改善衬底的图形形貌的目的。

本发明提供的衬底刻蚀方法，其通过采用本发明提供的上述刻蚀用掩膜组，可以达到改善衬底的图形形貌的目的。

附图说明

图1A为现有的一种掩膜的截面示意图；

图1B为采用图1A中的掩膜刻蚀衬底获得的图形形貌的演变过程图；

图2为采用图1A中的掩膜刻蚀衬底最终获得的图形形貌示意图；

图3为本发明实施例提供的刻蚀用掩膜组的截面/俯视两视图；

图4为采用图3中的刻蚀用掩膜组刻蚀衬底获得的图形形貌的演变过程图；

图5为预设连线过大和过小两种情况下获得的第一掩膜层的截面图；以及

图6为本发明的一个变型实施例提供的刻蚀用掩膜组的截面/俯视两视图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的刻蚀用掩膜组及应用其的衬底刻蚀方法行详细描述。

首先需要说明的是，本发明提供的刻蚀用掩膜组是通过采用两次光刻工艺在衬底的表面上制作形成所需的图形，具体来说，首先需要在衬底的表面上制作刻蚀用掩膜组，然后采用光刻工艺将该刻蚀用掩膜组刻出所需的图形。

图3为本发明实施例提供的刻蚀用掩膜组的截面/俯视两视图。请参阅图3，该刻蚀用掩膜组包括第一掩膜层11和第二掩膜层12，二者自衬底10的表面由下而上依次设置，即，第一掩膜层11设置在衬底10的表面上；第二掩膜层12设置在第一掩膜层11上。其中，第一掩膜层11采用光刻胶材料制作，该光刻胶材料属于耐刻蚀性较差的软掩膜，其相对于衬底10的刻蚀选择比较低。第二掩膜层12采用可提高相对于衬底10的刻蚀选择比的材料制作，例如铝、镍或者二氧化硅，该材料属于耐刻蚀性较好的硬掩膜，其相对于衬底10的刻蚀选择比较高。

由于第二掩膜层12设置在第一掩膜层11上，因而第二掩膜层12能够对第一掩膜层11起到保护作用，同时可以提高第一掩膜层11在开始横向收缩之后的刻蚀选择比，使第一掩膜层11被第二掩膜层12覆盖的部分在收缩时没有厚度损失，这可以减慢第一掩膜层11的横向收缩速度，从而可以在衬底10侧壁出现拐角之后，增大侧壁顶部的倾斜角度(即，图1B中示出的侧壁顶部2的倾斜角度C)，即，减小衬底10侧壁的拐角，进而可以达到改善衬底的图形形貌的目的。这里，侧壁顶部的倾斜角度是指第一掩膜层11的侧壁与衬底10的表面之间最小夹角。

同时，第一掩膜层11的图形底部宽度F1以及第二掩膜层12的图形底部宽度F2被设置为：使第一掩膜层11和第二掩膜层12之间预设连线L的倾斜角度与第一掩膜层11的固定倾斜角度一致。其中，上述预设连线L为第一掩膜层11的图形底角E1和与之相同一侧的第二掩膜层12的图形底角E2之间的连线；第一掩膜层11的固定倾斜角度为仅利用第一掩膜层11刻蚀衬底时，第一掩膜层11在出现正梯形截面时的侧壁倾斜角度。第一掩膜层11出现正梯形截面的图形形貌如图1B中示出的图形形貌S2，且固定倾斜角度如图1B中示出的光刻胶掩膜的倾斜角度A。

通过使第一掩膜层11和第二掩膜层12之间预设连线L的倾斜角度与第一掩膜层11的固定倾斜角度一致，可以保证在第一掩膜层11开始横向收缩时，第一掩膜层11的截面形状为标准的正梯形，从而可以实现对第一掩膜层11的倾斜角度进行控制，使得在衬底侧壁出现拐角之后，衬底侧壁顶部的倾斜角度增大，即，减小衬底侧壁的拐角，进而可以达到改善衬底的图形形貌的目的。

图4为采用图3中的刻蚀用掩膜组刻蚀衬底获得的图形形貌的演变过程图。请一并参阅图3和图4，在开始刻蚀之前，第二掩膜层12的图形底部宽度F2小于第一掩膜层11的图形底部宽度F1，即，第二掩膜层12仅覆盖第一掩膜层11的中间部分，而未覆盖位于其两侧的第一掩膜层11的边缘部分，这使得在第一掩膜层11开始收缩之前，第一掩膜层11被第二掩膜层12覆盖的中间部分的厚度不变，而未被第二掩膜层12覆盖的两侧边缘部分被消耗；同时，第二掩膜层12的厚度也被消耗。也就是说，第二掩膜层12对第一掩膜层11的中间部分起到了保护作用，从而可以在第一掩膜层11横向收缩之前，保证第一掩膜层11中间部分的厚度不变，进而可以提高在第一掩膜层11开始横向收缩之后的刻蚀选择比。

同时，由于上述预设连线L的倾斜角度与上述固定倾斜角度一致，这使得当第一掩膜层11开始横向收缩时，第一掩膜层11的截面形状为标准的正梯形，并且在第一掩膜层11形成的侧壁倾斜角度D与仅利用第一掩膜层11刻蚀衬底时，第一掩膜层11在出现正梯形截面时的侧壁倾斜角度一致，从而可以控制第一掩膜层11在其开始横向收缩时的倾斜角度。

图5为预设连线过大和过小两种情况下获得的第一掩膜层图形形貌的截面图。如图5所示，若预设连线的倾斜角度大于第一掩膜层11的固定倾斜角度，则会形成如图5中图(1)所示的第一掩膜层11的截面形状；若预设连线L的倾斜角度小于第一掩膜层11的固定倾斜角度，则会形成如图5中图(2)所示的第一掩膜层11的截面形状。上述预设连线的两种倾斜角度均不能获得具有标准的正梯形截面的第一掩膜层11，因此，只有使第一掩膜层11和第二掩膜层12之间预设连线L的倾斜角度与第一掩膜层11的固定倾斜角度一致，才能最终达到增大衬底侧壁顶部的倾斜角度的目的。

优选的，第二掩膜层12的厚度K被设置为：在刻蚀衬底10的过程中，使第二掩膜层12在第一掩膜层11开始横向收缩时完全被消耗。如图4所示，在第一掩膜层11开始横向收缩时，正好第二掩膜层12完全消失，至此在仅具有第一掩膜层11的条件下刻蚀衬底10，从而可以避免在完成主刻蚀步骤之后获得的图形形貌的顶部是平的。另外，上述第二掩膜层的厚度具体可以根据第一掩膜层11材料的耐刻蚀性和使用的刻蚀机系统性能通过实验确定。

需要说明的是，在本实施例中，第一掩膜层11的图形截面为矩形，但是本发明并不局限于此，在实际应用中，第一掩膜层的图形截面还可以为其他形状，例如，图6为本发明的一个变型实施例提供的刻蚀用掩膜组的截面/俯视两视图，如图6所示，第一掩膜层11’的图形截面为正梯形。

还需要说明的是，在实际应用中，第二掩膜层的图形截面也可以根据具体需要设计为正梯形或者矩形等等。

综上所述，本发明实施例提供的刻蚀用掩膜组，其可以达到改善衬底的图形形貌的目的，从而最终可以获得截面形状为圆锥形，且侧壁较为平直的衬底图形形貌。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种衬底刻蚀方法，包括以下步骤：

掩膜制作步骤，采用两次光刻工艺在衬底的表面上制作刻蚀用掩膜组；

主刻蚀步骤，用于刻蚀衬底的表面未被刻蚀用掩膜组覆盖的区域，直至达到目标刻蚀深度；

过刻蚀步骤，用于修饰该衬底的图形形貌。

在掩膜制作步骤中，刻蚀用掩膜组采用了本发明上述实施例提供的上述刻蚀用掩膜组，可以达到改善衬底的图形形貌的目的，从而最终可以获得截面形状为圆锥形，且侧壁较为平直的衬底图形形貌。

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 (6)

1.一种刻蚀用掩膜组，其通过采用光刻工艺在衬底的表面上制作形成所需的图形，以控制衬底刻蚀后获得的图形的侧壁拐角，其特征在于，包括采用光刻胶材料制作的第一掩膜层，以及采用可提高相对于衬底的刻蚀选择比的材料制作的第二掩膜层，其中，所述第一掩膜层设置在所述衬底的表面上；所述第二掩膜层设置在所述第一掩膜层上；

所述第一掩膜层和第二掩膜层各自的图形底部宽度被设置为：所述第一掩膜层和第二掩膜层之间的预设连线的倾斜角度与所述第一掩膜层的固定倾斜角度一致；

所述预设连线为所述第一掩膜层的图形底角和与之相同一侧的所述第二掩膜层的图形底角之间的连线；

所述固定倾斜角度的确定方法为：当仅利用所述第一掩膜层刻蚀衬底时，所述第一掩膜层在形貌变化过程中出现正梯形截面时的侧壁倾斜角度。

2.如权利要求1所述的刻蚀用掩膜组，其特征在于，所述第二掩膜层的厚度被设置为：

在刻蚀所述衬底的过程中，使所述第二掩膜层在所述第一掩膜层开始横向收缩时完全被消耗。

3.如权利要求1所述的刻蚀用掩膜组，其特征在于，所述第一掩膜层的图形截面为正梯形或者矩形。

4.如权利要求1所述的刻蚀用掩膜组，其特征在于，所述可提高相对于所述衬底的刻蚀选择比的材料包括铝、镍或者二氧化硅。

5.如权利要求1所述的刻蚀用掩膜组，其特征在于，所述第二掩膜层的图形截面为正梯形或者矩形。

6.一种衬底刻蚀方法，其特征在于，包括以下步骤：

掩膜制作步骤，采用两次光刻工艺在衬底的表面上制作采用权利要求1-5任意一项所述的刻蚀用掩膜组；

主刻蚀步骤，用于刻蚀所述衬底直至达到目标刻蚀深度；

过刻蚀步骤，用于修饰所述衬底的图形形貌。