CN111453693A - 一种纳米环的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种纳米环的制备方法。该方法包括：在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜；在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶；基于具有预设图案的掩膜版对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化，所述图案化的光刻胶包括呈阵列排布在所述氧化膜上的多个纳米级环状凸起；基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化，所述图案化的氧化膜包括呈阵列排布在所述氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起。本发明实施例实现了简单、低成本的制备氮化镓基纳米环。

Description

一种纳米环的制备方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种纳米环的制备方法。

背景技术

随着现代微加工工艺的成熟，第三代半导体器件正在向微纳尺度的低维结构推进。在微纳尺度下，半导体器件的量子限制效应愈加明显，因此基于微纳结构的低维半导体器件在光学、电学等方面表现出与体材料截然不同的物理特性，在近十年来备受关注。

对于第三代半导体器件中的氮化镓基发光器件来说，在氮化镓基纳米环结构中，由于其环壁厚度只有几百纳米，使得氮化镓基材料中的应力被释放，有助于提高其光电转换效率，相较于平面薄膜结构，纳米环结构具有较高的光引出效率。此外在GaN基纳米环结构中还可以通过光泵浦或电泵浦的方式来实现激射，从而获得纳米级激光器，因此氮化镓基纳米环结构在光芯片中具有重要用途。

目前氮化镓基纳米环结构的制备常用到的方法包括：电子束曝光、纳米压印、铺设微球掩膜刻蚀等方式。其中，电子束曝光是利用电子束较小的德布罗意波长，对图有感光胶的晶片进行扫描和曝光，具有极高的工艺精度。但同时其曝光方式同时也决定了此工艺耗时长，成本高，很难在晶片上大范围制备纳米图形；纳米压印工艺是通过压印胶辅助，利用机械转移的手段，将模板上的微纳结构转移到晶片上，具有较高的分辨率，然而初始的压印模板需要利用电子书曝光或衍射光刻制备，成本较高，且纳米压印在大面积微纳结构制备上的良率依然有待提升；铺设微球掩膜刻蚀是将粒径均一的纳米微球，铺设到晶片表面，利用微球掩膜对晶片进行刻蚀，此工艺中微球是消耗品，因此成本较高；且将微球转移到晶片表面时，很难实现大范围的均匀性。

发明内容

本发明实施例提供一种纳米环的制备方法，以实现简单、低成本的制备氮化镓基纳米环。

为达此目的，本发明实施例提供了一种纳米环的制备方法，该方法包括：

在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜；

在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶；

基于具有预设图案的掩膜版对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化，所述图案化的光刻胶包括呈阵列排布在所述氧化膜上的多个纳米级环状凸起；

基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化，所述图案化的氧化膜包括呈阵列排布在所述氮化镓基外延衬底上的多个纳米级环状凸起。

进一步的，所述预设图案中任意两点之间的距离小于或等于2微米。

进一步的，所述基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化之后包括：

基于所述图案化的氧化膜对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化，所述图案化的氮化镓基外延衬底包括呈阵列排布的多个纳米级环状凸起。

进一步的，所述在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶包括：

在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶黏附层；

在所述光刻胶黏附层的表面旋涂光刻胶；

对所述光刻胶进行前烘。

进一步的，所述对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化包括：

获取所述光刻胶的旋涂条件；

根据所述旋涂条件确定曝光显影条件；

根据所述曝光显影条件对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化。

进一步的，所述对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化之后包括：

使用氧气等离子体对所述图案化的光刻胶进行刻蚀。

进一步的，所述氧化膜为二氧化硅膜层。

进一步的，所述基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化包括：

基于所述图案化的光刻胶使用三氟甲烷和氧气的混合等离子体对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化。

进一步的，所述氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片。

进一步的，所述基于所述图案化的氧化膜对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化包括：

基于所述图案化的氧化膜使用氯气和三氯化硼的混合等离子体对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化。

本发明实施例通过在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜；在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶；基于具有预设图案的掩膜版对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化，所述图案化的光刻胶包括呈阵列排布在所述氧化膜上的多个纳米级环状凸起；基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化，所述图案化的氧化膜包括呈阵列排布在所述氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起，解决了制备氮化镓基纳米环工艺复杂、成本较高的问题，实现了简单、低成本的制备氮化镓基纳米环的效果。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的一种纳米环的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的一种纳米环的制备方法的流程示意图；

图3是本发明实施例二提供的氮化镓基的LED晶片的结构示意图；

图4是本发明实施例二提供的氮化镓基的LED晶片和二氧化硅膜层的结构示意图；

图5是本发明实施例二提供的氮化镓基的LED晶片、二氧化硅膜层和光刻胶的结构示意图；

图6是本发明实施例二提供的对光刻胶进行曝光显影操作的示意图；

图7是本发明实施例二提供的曝光时间为1秒时纳米级环状凸起的水平截面视图；

图8是本发明实施例二提供的曝光时间为1.5秒时纳米级环状凸起的水平截面视图；

图9是本发明实施例二提供的曝光时间为2秒时纳米级环状凸起的水平截面视图；

图10是本发明实施例二提供的曝光时间为3秒时纳米级环状凸起的水平截面视图；

图11是本发明实施例二提供的利用氧气等离子体对光刻胶的进行刻蚀的示意图；

图12是本发明实施例二提供的利用三氟甲烷和氧气的混合等离子体对二氧化硅膜层进行刻蚀的示意图；

图13是本发明实施例二提供的利用氯气和三氯化硼的混合等离子体对氮化镓基的LED晶片进行刻蚀的示意图；

图14是本发明实施例二提供的氮化镓基纳米环的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

如图1所示，本发明实施例一提供了一种纳米环的制备方法，该方法包括：

S110、在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜。

S120、在氧化膜的表面旋涂光刻胶。

本实施例中，在制备氮化镓基纳米环时，首先需要在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜，其中氮化镓基外延衬底可以为氮化镓基的LED晶片，组成外延衬底的材料还可以包括氮化铝、氮化铟或其他三元、四元合金材料，可选的，利用等离子体增强化学气相外延(PECVD)方式在氮化镓基的LED晶片上沉积出氧化膜，其中氧化膜可以为二氧化硅膜层，在沉积出氧化膜后，还需要在氧化膜的表面旋涂光刻胶。

S130、基于具有预设图案的掩膜版对光刻胶进行曝光显影以将光刻胶图案化，图案化的光刻胶包括呈阵列排布在氧化膜上的多个纳米级环状凸起。

本实施例中，旋涂完光刻胶后，需要对光刻胶进行曝光显影以将光刻胶图案化，具体的，在光刻胶的表面设置一层具有预设图案的掩膜版，预设图案可以为多个呈阵列排布的圆形、正方形或六边形等其他任意图案，其大小为微米级，然后使用紫外线光线和显影液对设有掩膜版的光刻胶进行曝光显影，利用紫外线光线光的衍射，掩膜版上具有图案的部分会遮挡其正下方的光刻胶，形成不透光区域，导致该部分的光刻胶不会和紫外线光线发生反应，而光刻胶的其余未被掩膜版上的图案遮挡的部分会直接受到紫外线光线的照射，在显影时被溶解，从而生成图案化的光刻胶，需要说明的是，因存在泊松亮斑现象，掩膜版上的图案的中心正下方的光刻胶还会与紫外线光线发生衍射光斑反应，该部分也会在显影时被溶解，从而使在图案化的光刻胶中的多个凸起在中心位置形成纳米级的环状凹陷，因此图案化的光刻胶包括呈阵列排布在氧化膜的多个纳米级环状凸起。

S140、基于图案化的光刻胶对氧化膜进行刻蚀以将氧化膜图案化，图案化的氧化膜包括呈阵列排布在氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起。

本实施例中，在形成图案化的光刻胶后，还需要进一步基于该图案化的光刻胶对氧化膜进行刻蚀，将光刻胶中的呈阵列排布的多个纳米级环状凸起转移至氧化膜，以将氧化膜图案化，与图案化的光刻胶相同，图案化的氧化膜包括相同的呈阵列排布在氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起。

本发明实施例通过在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜；在氧化膜的表面旋涂光刻胶；对光刻胶进行曝光显影以将光刻胶图案化，图案化的光刻胶包括呈阵列排布在氧化膜的多个纳米级环状凸起；基于图案化的光刻胶对氧化膜进行刻蚀以将氧化膜图案化，图案化的氧化膜包括呈阵列排布在氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起，解决了制备氮化镓基纳米环工艺复杂、成本较高的问题，实现了简单、低成本的制备氮化镓基纳米环的效果。

实施例二

如图2所示，本发明实施例二提供了一种纳米环的制备方法，本发明实施例二是在本发明实施例一的基础上进一步的说明解释，该方法包括：

S210、在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜。

S220、在氧化膜的表面旋涂光刻胶黏附层。

S230、在光刻胶黏附层的表面旋涂光刻胶。

S240、对光刻胶进行前烘。

本实施例中，在氧化膜的表面旋涂光刻胶之前，需要先在氧化膜的表面旋涂光刻胶黏附层，增加光刻胶与氧化膜表面的黏附性，然后再在光刻胶黏附层的表面旋涂光刻胶，在旋涂完光刻胶之后还需要对光刻胶进行前烘，以去除光刻胶中的溶剂，对后续操作不造成影响。

S250、获取光刻胶的旋涂条件。

S260、根据旋涂条件确定曝光显影条件。

S270、根据曝光显影条件基于具有预设图案的掩膜版对光刻胶进行曝光显影以将光刻胶图案化，图案化的光刻胶包括呈阵列排布在氧化膜上的多个纳米级环状凸起。

本实施例中，在对光刻胶进行曝光显影前，需要获取光刻胶的旋涂条件，然后根据旋涂条件来确定曝光显影条件，从而决定纳米级环状凸起的具体形状。

S280、使用氧气等离子体对图案化的光刻胶进行刻蚀。

本实施例中，在得到图案化的光刻胶后，还需要使用氧气等离子体对图案化的光刻胶进行刻蚀，去除多个纳米级环状凸起的中心凹陷里残余的光刻胶。

S290、基于图案化的光刻胶使用三氟甲烷和氧气的混合等离子体对氧化膜进行刻蚀以将氧化膜图案化，氧化膜为二氧化硅膜层，图案化的氧化膜包括呈阵列排布在氮化镓基外延衬底的多个纳米级环状凸起。

本实施例中，氧化膜为二氧化硅膜层，因此可以使用三氟甲烷和氧气的混合等离子体，基于图案化的光刻胶对氧化膜进行刻蚀以将氧化膜图案化。

S300、基于图案化的氧化膜使用氯气和三氯化硼的混合等离子体对氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将氮化镓基外延衬底图案化，氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片，图案化的氮化镓基外延衬底包括呈阵列排布的多个纳米级环状凸起。

本实施例中，氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片，因此可以使用氯气和三氯化硼的混合等离子体，基于图案化的氧化膜对氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将氮化镓基外延衬底图案化。

示例性的，一并参照图3，氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片100。一并参照图4，在氮化镓基的LED晶片100上利用等离子体增强化学气相外延(PECVD)方式沉积出二氧化硅膜层200。一并参照图5，然后在二氧化硅膜层200的表面旋涂光刻胶黏附层，增加光刻胶300与二氧化硅膜层200表面的黏附性，然后再在光刻胶黏附层的表面旋涂光刻胶300，在旋涂完光刻胶300之后还需要对光刻胶300进行前烘，以去除光刻胶300中的溶剂。然后进行曝光显影操作，一并参照图6，在光刻胶300的表面设置一层具有预设图案的掩膜版400，为了更好地实现泊松亮斑现象，预设图案中任意两点之间的距离小于或等于2微米，多个纳米级环状凸起呈阵列的排布周期为4微米，设置预设图案为多个呈阵列排布的圆形，该圆形的直径为2微米，排布周期为4微米，然后使用紫外线光线500和显影液对设有掩膜版400的光刻胶300进行曝光显影，此时需要获取光刻胶300的旋涂条件，确定光刻胶300的厚度，由此决定曝光显影条件，即紫外线光线500的曝光时间，曝光时间越久，则在显影时被溶解的光刻胶300也越多，此外，一并参照图7-图10，分别是曝光时间为1秒、1.5秒、2秒和3秒时纳米级环状凸起的水平截面视图，可以发现，随着曝光时间的增长，在多个纳米级环状凸起的中心的凹陷也会越深，可以根据工作人员的需求自由调整曝光时间，改变曝光显影条件得到中心不同凹陷程度的纳米级环状凸起。需要说明的是，由于曝光时间的不充分，被掩膜版400遮挡的光刻胶300部分的下层和紫外线光线500反应的时间是逐渐小于上层的，因此形成的纳米级环状凸起从水平截面看为类似梯形的形状。由此利用紫外线光线500的光的衍射和显影液的使用，一并参照图11，得到图案化的光刻胶310。在得到图案化的光刻胶310后，还需要使用氧气等离子体600对图案化的光刻胶310进行刻蚀，去除多个纳米级环状凸起的中心凹陷里残余的光刻胶。进一步的，一并参照图12，因氧化膜为二氧化硅膜层200，因此可以使用三氟甲烷和氧气的混合等离子体700，基于图案化的光刻胶310对二氧化硅膜层200进行刻蚀以将二氧化硅膜层200图案化，一并参照图13，得到图案化的二氧化硅膜层210，因氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片100，因此可以使用氯气和三氯化硼的混合等离子体800，基于图案化的二氧化硅膜层210对氮化镓基的LED晶片100进行刻蚀以将氮化镓基的LED晶片100图案化，最后得到如图14所示的氮化镓基纳米环，其中环壁厚度为350纳米，使得应用该氮化镓基纳米环的发光器件具有较高的光电转换效率、光引出效率，并可以实现激射。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种纳米环的制备方法，其特征在于，包括：

在氮化镓基外延衬底上沉积出氧化膜；

在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶；

基于具有预设图案的掩膜版对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化，所述图案化的光刻胶包括呈阵列排布在所述氧化膜上的多个纳米级环状凸起；

基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化，所述图案化的氧化膜包括呈阵列排布在所述氮化镓基外延衬底上的多个纳米级环状凸起。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设图案中任意两点之间的距离小于或等于2微米。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化之后包括：

基于所述图案化的氧化膜对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化，所述图案化的氮化镓基外延衬底包括呈阵列排布的多个纳米级环状凸起。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶包括：

在所述氧化膜的表面旋涂光刻胶黏附层；

在所述光刻胶黏附层的表面旋涂光刻胶；

对所述光刻胶进行前烘。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化包括：

获取所述光刻胶的旋涂条件；

根据所述旋涂条件确定曝光显影条件；

根据所述曝光显影条件对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述光刻胶进行曝光显影以将所述光刻胶图案化之后包括：

使用氧气等离子体对所述图案化的光刻胶进行刻蚀。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化膜为二氧化硅膜层。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述基于所述图案化的光刻胶对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化包括：

基于所述图案化的光刻胶使用三氟甲烷和氧气的混合等离子体对所述氧化膜进行刻蚀以将所述氧化膜图案化。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氮化镓基外延衬底为氮化镓基的LED晶片。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基于所述图案化的氧化膜对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化包括：

基于所述图案化的氧化膜使用氯气和三氯化硼的混合等离子体对所述氮化镓基外延衬底进行刻蚀以将所述氮化镓基外延衬底图案化。

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