TW201344749A - 以塡膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明為一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法，包括有下列步驟：提供一藍寶石基板，形成氮化鎵基層，塗佈光阻層，進行壓印及曝光顯影，進行填膠以及進行燒結。本發明之製造方法係可以在大氣環境中製造，無須抽真空，快速簡便又成本低廉。以本發明之方法所製造之選擇性成長遮罩，可使奈米柱的成長更容易成為一柱狀體，且與藍寶石基板及氮化鎵基層相垂直，每一奈米柱彼此間更相互平行。

Description

以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法
本發明係關於一種製造選擇性成長遮罩之方法，特別是關於一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法。
在氮化鎵(GaN)奈米柱(Nanowire)的製程技術中，奈米柱的成長結果與接下來之磊晶製程的結果息息相關，若成長出的奈米柱為拱形或正弦形，在側向長晶步驟時不容易形成平整的表面供後續磊晶製程之薄膜生長，會導致後續成長之薄膜碎裂(crack)和晶格差排產生，該現象若發生會降低內部量子效率，換言之會降低電子、電洞複合的機率，即降低光輸出效率(Light Output Efficiency)。
若奈米柱能垂直氮化鎵基層成長，並彼此平行，在側向長晶步驟時則能減少造成表面不平整的機會，進而增進內部量子效率。習知之奈米柱成長製程大多以模板填充方式形成選擇性成長遮罩供奈米柱成長，選擇性成長遮罩能控制奈米柱生長的情況，在不同製程的下形成的選擇性成長遮罩能成長不同的奈米 柱，因此期待有能精準地控制奈米柱生長之選擇性成長遮罩的製造方法，使奈米柱能垂直氮化鎵基層成長，並彼此平行。
然而，習知的模板填充方法皆為真空鍍膜法，皆必須在真空環境內進行，其真空鍍膜則係採取諸如濺鍍(Sputtering)，化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)，熱蒸鍍(Thermal Evaporation)或原子層磊晶法(Atomic Layer Deposition,ALD)等，皆有設備費用昂貴、製程速度慢、製程成本高等等缺點或不利因素。
本發明為一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法，包括有下列步驟：提供一藍寶石基板，形成氮化鎵基層，塗佈光阻層，進行壓印及曝光顯影，進行填膠以及進行燒結。本發明之製造方法係可以在大氣環境中製造，無須抽真空，快速簡便又成本低廉。以本發明之方法所製造之選擇性成長遮罩，可使奈米柱的成長更容易成為一柱狀體，且與藍寶石基板及氮化鎵基層相垂直，每一奈米柱彼此間更相互平行。
本發明係提供一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法，包括下列步驟：提供一藍寶石基板，藍寶石基板係做為後續薄膜成長的基底；形成氮化鎵基層，其係於藍寶石基板上成長一氮化鎵基層；塗佈光阻層，其係於氮化鎵基層上塗佈一層光阻材料；進行壓印及曝光顯影，係對光阻層進行壓印及曝光顯影，使得複數個孔洞圖案轉印至光阻層表面，並形成一突狀檔牆；進行填膠，其係以一絕緣性材料填入該些孔洞圖案之外的空 隙；以及進行燒結，其係以加熱去除該些孔洞圖案上之光阻劑，並使空隙之絕緣性材料形成一選擇性成長遮罩。
藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：一、大氣環境製程，無需抽真空；二、填充用凝膠材料具有易乾且乾燥後硬度高不易變質等優點；及三、製程方法快速簡便，成本低廉。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
S100‧‧‧製造選擇性成長遮罩之方法
S10‧‧‧提供一藍寶石基板
S20‧‧‧形成氮化鎵基層
S30‧‧‧塗佈光阻層
S40‧‧‧進行壓印及曝光顯影
S50‧‧‧進行填膠
S60‧‧‧進行燒結
10‧‧‧藍寶石基板
20‧‧‧氮化鎵基層
30‧‧‧光阻層
40‧‧‧空隙
50‧‧‧絕緣層
60‧‧‧奈米柱
第1圖係為本發明實施例之一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法之流程圖；第2A圖係為本發明實施例之一種成長氮化鎵基層後的結構剖面圖；第2B圖係為本發明實施例之一種成長氮化鎵基層後的結構上視圖；第3A圖係為本發明實施例之一種塗佈光阻層後的結構剖面圖；第3B圖係為本發明實施例之一種塗佈光阻層後的結構上視圖；第4A圖係為本發明實施例之一種進行壓印及曝光顯影步驟後的結構剖面圖； 第4B圖係為本發明實施例之一種進行壓印及曝光顯影步驟後的結構上視圖；第5A圖係為本發明實施例之一種進行填膠步驟後的結構剖面圖；第5B圖係為本發明實施例之一種進行填膠步驟後的結構上視圖；第6A圖係為本發明實施例之一種進行燒結步驟的結構剖面圖；第6B圖係為本發明實施例之一種進行燒結步驟的結構上視圖；第7A圖係為本發明實施例之一種奈米柱成長後的結構剖面圖；第7B圖係為本發明實施例之一種奈米柱成長後的結構上視圖；第8A圖係為本發明實施例之一種4fold奈米柱陣列上視圖；第8B圖係為本發明實施例之一種6fold奈米柱陣列上視圖；第8C圖係為本發明實施例之一種6fold奈米柱陣列巨觀上視圖；及第8D圖係為本發明實施例之一種12fold奈米柱陣列上視圖。
如第1圖所示，本發明之一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法(S100)，其包括下列製程步驟：提供一藍寶石基板(步驟S10)；形成氮化鎵基層(步驟S20)；塗佈光阻層(步驟S30)；進行壓印及曝光顯影(步驟S40)；進行填膠(步驟S50)；及進行燒結(步驟S60)。
提供一藍寶石基板(步驟S10)，藍寶石基板10可以做為後續薄膜成長的基底。在選擇性成長遮罩之製程中，所使用的基板材料可選擇矽(Si)、碳化矽(SiC)、藍寶石或本領域中具有通常知識者所能輕易聯想之材料，其中矽可為(111)矽晶圓或(110)矽 晶圓。在本實施例中係選用藍寶石材料來製造基板。
如第2A圖及第2B圖所示，形成氮化鎵基層及絕緣層及光阻層(步驟S20)係於藍寶石基板10上方成長一層氮化鎵基層20，做為後續奈米柱核殼生長的原料來源。例如，可利用有機金屬化學氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)將氮化鎵基層20成長於藍寶石基板10上方。一般可以選用半導體材料作為此基層之材料，其中半導體材料主要為三五族化合物半導體或二六族化合物半導體，例如：氮化鎵(GaN)、氮化鋁(AlN)、氮化銦(InN)、氮化銦鎵(InGaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)和氮化銦鎵鋁(AlInGaN)。於本實施例係選用氮化鎵(GaN)形成氮化鎵基層20。
如第3A圖及第3B圖所示，塗佈光阻層(步驟S30)係利用旋塗(Spin Coating)的方式於成長於藍寶石基板10上方之氮化鎵基層20上塗佈光阻劑形成一光阻層30(PR layer)，曝光顯影後作為後續矽凝膠(Silica Sol-Gel)填充之模板。光阻層30係用以控制矽凝膠的填充厚度。在應用時，光阻層30厚度可以為20~2,000nm，所填充之矽凝膠之厚度可以和光阻層30之厚度一致。
如第4A圖及第4B圖所示，進行壓印及曝光顯影(步驟S40)係於光阻層30上方先進行壓印，使得複數個孔洞圖案轉印至光阻層30表面。依照不同需求，進行壓印及曝光顯影(步驟S40)中的壓印可以為奈米等級壓印或是微米等級壓印。此時，藍寶石基板10上方各層材料結構依序為氮化鎵基層20、以及具有複數個孔洞圖案的光阻層30。接著，進行壓印及曝光顯影(步驟S40)進行曝光顯影，使用紫外光波段或更小波長(小於400奈米)的光線對光 阻層30進行曝光及顯影，光阻層30之孔洞圖案部份經紫外光曝光顯影後，會硬化形成具有一定厚度的突狀檔牆，可做為後續填膠的模板。至於光阻層30之突狀檔牆以外的複數個空隙40中，則可填充入其他任意材料，尤其是以絕緣材料為主，例如矽膠(Silica)。
而在對光阻層30曝光顯影時，根據使用的曝光光源之波長的不同，例如：KrF(248nm)、ArF(193nm)和EUV(13.5nm)，相對應的光阻劑成分也可以有一定的變化。如248nm之曝光光源，光阻劑常用聚對羥基苯乙烯及其衍生物為光阻層30主體材料。193nm之曝光光源，光阻劑為聚酯環族丙烯酸酯及其共聚物。EUV之曝光光源，光阻劑則常用聚酯衍生物和分子玻璃單組分材料等為主體材料。除上述之主體材料外，光阻劑一般還會添加光阻劑溶劑、光致產酸劑、交聯劑或其他添加劑等。
如第4A圖及第4B圖所示，光阻層30經進行壓印及曝光顯影(步驟S40)後之每一孔洞圖案，係可以依某一間隔均勻覆蓋於氮化鎵基層20上方，並且光阻層30之突狀檔牆以外的複數個空隙40會裸露出部分底層之氮化鎵基層20。
如第4A圖及第5A圖及第5B圖所示，進行填膠(步驟S50)係在光阻層30之突狀檔牆以外複數個裸露出底層之氮化鎵基層20的空隙40中，以旋塗(Spin Coating)的方式填入絕緣性材料形成一絕緣層50，以製造奈米柱選擇性成長的遮罩。絕緣層50係選用矽凝膠(Silica Sol-Gel)做為填入材料，矽凝膠為一種具有奈米孔洞結構的液態絕緣體材料，具有極佳的流動性與揮發性，可均勻地填入奈米等級的孔洞間隙內。如此，氮化鎵基層20上方除 了被複數個光阻層30孔洞圖案覆蓋以外的空隙40皆被矽凝膠填滿。矽凝膠可以為二氧化矽(SiO2)或氮化矽(SiNx)。
如第5A圖及第6A圖及第6B圖所示，進行燒結(步驟S60)係將覆蓋有複數個光阻層30孔洞圖案與絕緣層50的基板，通過高溫氧氣加熱爐(O2 Furnace)進行燒結(Sintering)之高溫加熱製程，一來可去除複數個光阻層30孔洞圖案上的光阻劑，二來可去除絕緣層50中剩餘的溶劑，增強絕緣層50對氮化鎵基層20表面的附著力，最後形成一個選擇性成長遮罩。
此時氮化鎵基層20上方表面由具有絕緣材料之絕緣層50所形成之成長遮罩所覆蓋，且絕緣層50之成長遮罩分佈可依據不同應用需求加以調整。氮化鎵基層20表面未被絕緣層50所形成之圖像所覆蓋的部份，因為孔洞圖案上的光阻劑被去除，即形成孔洞，由於孔洞處未被絕緣層50所覆蓋，故於孔洞處之氮化鎵基層20得以裸露在外。
如第7A圖及第7B圖所示，進行成長複數個奈米柱係為前述製造選擇性成長遮罩之目的，其係可以在氮化鎵基層20裸露的表面區域藉由選擇性成長(Selective Growth)與脈衝成長(Pulse Growth)的方式來成長奈米柱60。由於奈米柱60(Nanorod或Nanowire)無法成長於絕緣性物質所形成的絕緣層50上方，因此奈米柱60便可以選擇性地成長於氮化鎵基層20表面之孔洞處。而且由於絕緣層50所形成之圖像具有一定的厚度，可提供奈米柱60成長時側向的支撐力來源。
同樣如第7A圖及第7B圖所示，由於絕緣層50可隔絕氮化鎵基層20與藍寶石基板10之間因晶格(Lattice)常數差異 所造成的缺陷(Defect)，因此在奈米柱60持續向上成長時，下方的缺陷便會受到絕緣層50的阻隔而停止向上延伸。
當奈米柱60成長至某一特定高度或一設定高度後，可以進行橫向接合(Coalescence)，進而形成一低缺陷密度的半導體塊材。將此低缺陷密度的半導體塊材應用於發光元件的製造時，相鄰奈米柱60之間的間隙可提供出射光路徑中不同的折射率，因此可大幅減少入射光的全反射現象，同時並可增加入射光的散射角度，進而提高元件發光的光萃取效率。
如第8A圖至第8D圖所示之實施例，奈米柱60彼此間係相互平行。奈米柱60成長的形狀可以為柱狀或錐形，且奈米柱60之橫切面的形狀(cross sectional shape)可以為方形、多邊形、橢圓形或是圓形。奈米柱60之尺寸大小可以為：長度=20~2,000nm，寬度=20~2,000nm。奈米柱60之寬度越小，就越容易形成圓柱狀的奈米柱60。
又如第8A圖至第8D圖所示之實施例，奈米柱60之間距(pitch)則定義為相鄰二奈米柱60之中心點到中心點(center to center)間的距離，奈米柱60之間距可以為20~2,000nm。而奈米柱60產生之陣列的形狀可以是六角形排列或是類結晶形的排列(例如4、6、或12 fold)，其中fold之涵義以6 fold類結晶形排列為例，係指以6個為一組，組合成一幾何圖形。
又，就奈米柱60之結構形狀來說，奈米柱60的橫切面之一邊長或直徑可以遠小於1000nm，而與橫切面相正交的一邊之邊長，即奈米柱60之柱高，可以為1000nm或大於1000nm，例如：X-軸方向之邊長=1000nm，Y-軸方向之邊長<<1000nm。亦 即，奈米柱60的柱高(X-軸方向之邊長)遠大於柱寬(Y-軸方向之邊長)。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
S100‧‧‧製造選擇性成長遮罩之方法
S10‧‧‧提供一藍寶石基板
S20‧‧‧形成氮化鎵基層
S30‧‧‧塗佈光阻層
S40‧‧‧進行壓印及曝光顯影
S50‧‧‧進行填膠
S60‧‧‧進行燒結

Claims (8)

  1. 一種以填膠燒結方式製造選擇性成長遮罩之方法，包括下列步驟：提供一藍寶石基板，該藍寶石基板係做為後續薄膜成長的基底；形成氮化鎵基層，其係於該藍寶石基板上成長一氮化鎵基層；塗佈光阻層，其係於該氮化鎵基層上塗佈一層光阻材料；進行壓印及曝光顯影，係對該光阻層進行壓印及曝光顯影，使得複數個孔洞圖案轉印至該光阻層表面，並形成一突狀檔牆；進行填膠，其係以一絕緣性材料填入該些孔洞圖案之外的空隙；以及進行燒結，其係以加熱去除該些孔洞圖案上之光阻劑，並使該空隙之絕緣性材料形成一選擇性成長遮罩。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其中該氮化鎵基層係以有機金屬化學氣相沉積法(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)成長。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其中該光阻層之厚度係20~2,000nm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其中該進行壓印及曝光顯影步驟之壓印係進行奈米等級或微米等級之壓印。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其中該曝光顯影之曝光光源係為248nm之KrF光源、193nm之ArF光源或13.5nm之EUV光源。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其 中該絕緣性材料係為二氧化矽(SiO2)或氮化矽(SiNx)。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其中該燒結步驟係以一高溫氧氣加熱爐(O2 Furnace)進行燒結。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之製造選擇性成長遮罩之方法，其製造出之選擇性成長遮罩係用於成長複數個奈米柱。
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