TWI557065B - 外延結構的製備方法 - Google Patents

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Description

外延結構的製備方法
本發明涉及一種外延結構的製備方法，尤其，涉及一種採用掩模製備外延結構的方法。
外延結構，尤其半導體外延結構為製作半導體器件的主要材料之一。例如，近年來，製備發光二極體(LED)的氮化鎵外延片成為研究的熱點。
所述氮化鎵(GaN)外延片是指在一定條件下，將氮化鎵材料分子，有規則排列，定向生長在藍寶石基底上。然，高品質氮化鎵外延片的製備一直是研究的難點。由於氮化鎵和藍寶石基底的晶格常數及熱膨脹係數的不同，從而導致氮化鎵外延層存在較多位錯缺陷。而且，氮化鎵外延層和藍寶石基底之間存在較大應力，應力越大會導致氮化鎵外延層破裂。這種外延結構普遍存在晶格失配現象，且易形成位錯等缺陷。
先前技術提供一種改善上述不足的方法，其採用非平整的藍寶石基底外延生長氮化鎵。例如，先前技術先在藍寶石基底表面沈積一二氧化矽層，再採用光刻等微電子工藝蝕刻該二氧化矽層從而在藍寶石基底表面形成圖案化掩模。然，該方法不但工藝複雜，而且會對藍寶石基底外延生長面造成污染，從而影響外延結構的品質。
綜上所述，提供一種既工藝簡單又不會對藍寶石基底外延生長面造成污染的外延結構的製備方法實為必要。
一種外延結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；在該基底的外延生長面設置一奈米碳管膜，該奈米碳管膜與所述基底的外延生長面接觸，該奈米碳管膜具有複數間隙，使得部份所述外延生長面通過所述複數間隙暴露；在該基底的外延生長面沈積一掩模預製體層覆蓋所述奈米碳管膜，該掩模預製體層的厚度小於該奈米碳管膜的厚度，且所述掩模預製體層部份沈積於所述奈米碳管膜的表面，部份沈積在所述暴露的部份外延生長面；去除所述奈米碳管膜得到一圖案化掩模，該圖案化掩模具有複數開口從而使得該外延生長面通過該複數開口部份暴露；及在所述基底的外延生長面生長一外延層。
一種外延結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；在該基底的外延生長面設置一第一奈米碳管膜，該第一奈米碳管膜包括複數平行間隔設置的第一奈米碳管；在該第一奈米碳管膜的表面設置一第二奈米碳管膜，該第二奈米碳管膜包括複數平行間隔設置的第二奈米碳管，且該第二奈米碳管的延伸方向與該第一奈米碳管的延伸方向的夾角大於零度；在該基底的外延生長面沈積一掩模預製體層以將該第一奈米碳管膜和第二奈米碳管膜覆蓋，且該掩模預製體層的厚度小於該第一奈米碳管膜和該第二奈米碳管膜的厚度總和；至少去除所述第二奈米碳管膜得到一圖案化掩模，該圖案化掩模具有複數開口從而使得該外延生長面通過該複數開口部份暴露；及在所述基底的外 延生長面生長一外延層。
與先前技術的光刻等微電子工藝相比，本發明提供的外延結構的製備方法，無需光刻、工藝簡單、不易在基底的外延生長面引入污染。
10,20,30‧‧‧外延結構
100,103‧‧‧奈米碳管膜
101‧‧‧間隙
102‧‧‧奈米碳管線
104,105,106‧‧‧奈米碳管
108‧‧‧奈米碳管片段
110‧‧‧掩模預製體層
112‧‧‧圖案化掩模
114‧‧‧開口
120‧‧‧基底
122‧‧‧外延生長面
130‧‧‧外延層
132‧‧‧外延晶粒
134‧‧‧外延薄膜
200‧‧‧彈性支撐體
圖1為本發明第一實施例提供的外延結構的製備方法的工藝流程圖。
圖2為圖1步驟S11的俯視圖。
圖3為本發明第一實施例中採用的奈米碳管水平陣列的掃描電鏡照片。
圖4為本發明第一實施例中採用的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖5為圖4中的奈米碳管拉膜中的奈米碳管片段的結構示意圖。
圖6為本發明第一實施例的奈米碳管拉膜的結構示意圖。
圖7為圖6中的局部放大結構示意圖。
圖8為本發明第一實施例的兩層交叉設置的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖9為本發明第一實施例拉伸奈米碳管拉膜的方法示意圖。
圖10為本發明第一實施例中拉伸後的奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。
圖11本發明第一實施例中的外延層生長過程示意圖。
圖12為本發明第二實施例提供的外延結構的製備方法的工藝流程圖。
圖13為圖12沿線XIII-XIII的剖面示意圖。
圖14為圖12沿線XIV-XIV的剖面示意圖。
圖15為本發明第三實施例提供的外延結構的製備方法的工藝流程圖。
以下將結合附圖詳細說明本發明實施例提供的外延結構的製備方法。
請參閱圖1，本發明第一實施例提供一種外延結構10的製備方法，其具體包括以下步驟：S10：提供一基底120，該基底120具有一外延生長面122；S11：在該基底120的外延生長面122設置一奈米碳管膜100，該奈米碳管膜100具有複數間隙101，使得部份所述外延生長面122通過所述奈米碳管膜100的複數間隙101暴露；S12：在該基底120的外延生長面122沈積一掩模預製體層110覆蓋所述奈米碳管膜100，該掩模預製體層110的厚度小於該奈米碳管膜100的厚度，且所述掩模預製體層110部份沈積於所述奈米碳管膜100的表面，部份沈積在所述外延生長面122暴露的部份；S13：去除所述奈米碳管膜100得到一圖案化掩模112，該圖案化掩模112具有複數開口114從而使得該外延生長面122通過該複數開口114部份暴露；及 S14：在所述基底120的外延生長面122生長一外延層130。
所述步驟S10中，所述基底120提供了外延層130的外延生長面122。所述基底120的外延生長面122是分子平滑的表面，且去除了氧或碳等雜質。所述基底120可為單層或複數層結構。當所述基底120為單層結構時，該基底120可為一單晶結構體，且具有一晶面作為外延層130的外延生長面122。所述單層結構的基底120的材料可為GaAs、GaN、Si、SOI、AlN、SiC、MgO、ZnO、LiGaO2、LiAlO2或Al2O3等。當所述基底120為複數層結構時，其需要包括至少一層上述單晶結構體，且該單晶結構體具有一晶面作為外延層130的外延生長面122。所述基底120的材料可根據所要生長的外延層130來選擇，優選地，使所述基底120與外延層130具有相近的晶格常數及熱膨脹係數。所述基底120的厚度、大小和形狀不限，可根據實際需要選擇。所述基底120不限於上述列舉的材料，只要具有支持外延層130生長的外延生長面122的基底120均屬於本發明的保護範圍。
所述步驟S11中，所述奈米碳管膜100包括複數平行且間隔設置的奈米碳管104，從而使得該奈米碳管膜100具有複數間隙101。當所述奈米碳管膜100設置於所述基底120的外延生長面122時，所述奈米碳管膜100中奈米碳管104的延伸方向基本平行於所述基底120的外延生長面122。所述奈米碳管膜100中奈米碳管104的延伸方向可沿著基底120的一晶向延伸或與基底120的一晶向成一定角度延伸。所述基底120的外延生長面122部份被奈米碳管膜100遮擋，部份通過複數間隙101暴露。
所述奈米碳管膜100可將所述基底120的外延生長面122完全覆蓋 ，且延伸至所述外延生長面122之外。可理解，所述奈米碳管膜100延伸至外延生長面122之外有利於後續步驟機械剝離該奈米碳管膜100。優選地，如圖2所示，每個奈米碳管104的長度大於所述基底120在奈米碳管104長度方向的尺度從而使得每個奈米碳管104延伸至外延生長面122之外。
請進一步參閱圖3，所述奈米碳管膜100可為一奈米碳管水平陣列。具體地，該奈米碳管水平陣列包括複數平行於奈米碳管薄膜100表面且彼此基本平行的奈米碳管104。所述奈米碳管104的長度大於1厘米，且其長度基本一致。所述奈米碳管薄膜100中相鄰兩個奈米碳管104之間的距離為幾微米至幾十微米。本實施例中，奈米碳管104的長度優選為大於3厘米，相鄰兩個奈米碳管104之間的距離為5微米至20微米。所述奈米碳管104的直徑大於10奈米，優選，大於20奈米小於100奈米。可理解，所述奈米碳管膜100可包括複數層交叉設置的奈米碳管104。所述奈米碳管水平陣列及其製備方法請參見申請人於2008年2月29日申請的，於2012年7月21日公告的第I368666號台灣專利申請“奈米碳管薄膜結構及其製備方法”，申請人：鴻海精密工業股份有限公司。
請參閱圖4至圖7，所述奈米碳管膜100還可為一從奈米碳管陣列抽取的奈米碳管拉膜。所述奈米碳管膜100是由若干奈米碳管104，106組成的自支撐結構。即，該奈米碳管膜100為由若干奈米碳管104，106緊密結合組成的純結構。所述自支撐指該奈米碳管膜100不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管膜100置於(或固定於)間隔特定距離設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐 體之間的奈米碳管膜100能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐特性主要通過奈米碳管膜100中存在通過凡得瓦力首尾相連延伸排列的奈米碳管104及隨機分散的奈米碳管106而實現。上述“首尾相連”指的是奈米碳管104的軸向或者奈米碳管104的長度方向是首尾相連定向排列的。該若干奈米碳管104，106包括單壁奈米碳管、雙壁奈米碳管及多壁奈米碳管中的一種或複數種。所述單壁奈米碳管的直徑為0.5奈米至50奈米，所述雙壁奈米碳管的直徑為1.0奈米至50奈米，所述多壁奈米碳管的直徑為1.5奈米至50奈米。
所述若干奈米碳管104，106為沿同一方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在奈米碳管膜100中大多數奈米碳管104的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管104的整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜100的表面。具體地，所述奈米碳管膜100中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管104中每一奈米碳管104與在延伸方向上相鄰的奈米碳管104通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管膜100中存在少數隨機排列的奈米碳管106，這些奈米碳管106不會對奈米碳管膜100中大多數奈米碳管104的整體取向排列構成明顯影響。具體而言，所述奈米碳管膜100中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管104，並非絕對的直線狀，可適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管膜100的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管104中並列的奈米碳管104之間可能存在部份接觸。
請參閱圖5，具體地，所述奈米碳管膜100包括複數連續且定向排 列的奈米碳管片段108。該複數奈米碳管片段108通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段108包括複數相互平行的奈米碳管104，該複數相互平行的奈米碳管104通過凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管片段108具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。所述奈米碳管膜的厚度為0.5奈米~100微米，如：10奈米、50奈米、200奈米、500奈米、1微米、10微米或50微米。
請參閱圖6和圖7，具體地，該奈米碳管膜100中的大多數奈米碳管104沿著同一方向延伸排列從而形成複數基本平行設置的奈米碳管線102，且該奈米碳管膜100中的少數奈米碳管106則隨機分散在該奈米碳管膜100表面，並與該複數奈米碳管線102搭接設置。本實施例中，所述大多數奈米碳管104的延伸方向定義為D1，在該奈米碳管膜100平面內與該D1方向垂直的方向定義為D2。每個奈米碳管線102中的在D1方向相鄰的奈米碳管104首尾相連且通過凡得瓦力連接，而在D2方向則平行排列且通過凡得瓦力連接形成一如圖5所示的奈米碳管片段108。
所述奈米碳管膜100可沿D2方向拉伸。由於少數隨機分散的奈米碳管106的存在，所述奈米碳管膜100在維持膜的結構的前提下可在D2方向上拉伸。在拉伸過程中，大多數平行的奈米碳管104之間的距離可變化，即其隨著奈米碳管膜100在D2方向上形變率的增加而變大。所述大多數平行的奈米碳管104之間的距離(即沿D2方向的距離)大於0微米且小於等於50微米。所述大多數平行的奈米碳管104和少數隨機分散的奈米碳管106的數量或品質比大於等於2：1且小於等於6：1。可理解，在一定含量範圍內，所述少數隨機分散的奈米碳管106的含量越多，所述奈米碳管膜100在D2 方向上的形變率越大。所述奈米碳管膜100在D2方向上的形變率可達300%。本實施例中，所述大多數平行的奈米碳管104和少數隨機分散的奈米碳管106的數量比為4：1。
當所述奈米碳管膜100為一奈米碳管拉膜，所述在該基底120的外延生長面122設置一奈米碳管膜100的步驟具體包括以下步驟：首先，提供一奈米碳管陣列形成於一生長基底。
該奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整生長基底，該生長基底可選用P型或N型矽生長基底，或選用形成有氧化層的矽生長基底，本發明實施例優選為採用4英寸的矽生長基底；(b)在生長基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的生長基底在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的生長基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，然後通入碳源氣體反應約5分鐘~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列。該奈米碳管陣列為複數彼此平行且垂直於生長基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。通過上述控制生長條件，該定向排列的奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。
其次，從所述奈米碳管陣列直接抽取獲得一懸空設置的奈米碳管膜100。
本實施例，採用一拉伸工具從奈米碳管陣列中拉取奈米碳管獲得至少一奈米碳管膜，其具體包括以下步驟：(a)從所述奈米碳 管陣列中選定一個或具有一定寬度的複數奈米碳管，優選為採用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸奈米碳管陣列以選定一個或具有一定寬度的複數奈米碳管；(b)以一定速度拉伸該選定的奈米碳管，從而形成首尾相連的複數奈米碳管片段，進而形成一連續的奈米碳管膜。該拉取方向與該奈米碳管陣列的生長方向之間具有一大於零度的夾角。本實施例中，該拉取方向沿基本垂直於奈米碳管陣列的生長方向。
在上述拉伸過程中，該複數奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長基底的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的複數奈米碳管片段分別與其他奈米碳管片段首尾相連地連續地被拉出，從而形成一連續、均勻且具有一定寬度的奈米碳管膜100。該奈米碳管膜100的寬度與奈米碳管陣列的尺寸有關，該奈米碳管膜100的長度不限，可根據實際需求制得。當該奈米碳管陣列的面積為4英寸時，該奈米碳管膜100的寬度為0.5奈米~10厘米，該奈米碳管膜100的厚度為0.5奈米~10微米。
然後，將該懸空的奈米碳管膜100鋪設在所述基底的外延生長面。
進一步，本實施例還可將複數奈米碳管膜100共面設置或層疊設置，且相鄰兩個奈米碳管膜100中的奈米碳管104的延伸方向相同或不同。所述複數奈米碳管膜100之間通過凡得瓦力緊密結合。請參閱圖8，另一實施例中，採用兩個奈米碳管膜100層疊設置，且兩個奈米碳管膜100中的奈米碳管104的延伸方向相互垂直。
可理解，當所述在奈米碳管膜100為奈米碳管拉膜時，將該奈米碳管拉膜設置於該基底120的外延生長面122之前，還可沿D2方向 拉伸該奈米碳管膜100。通過拉伸可使奈米碳管膜100中平行的奈米碳管104或奈米碳管線102之間的距離增大，從而減小奈米碳管膜100的密度，使得外延生長面122被奈米碳管膜100覆蓋的面積減小。這樣，去除奈米碳管膜100後，得到的圖案化掩模112具有複數開口114的尺寸更小，提高生長外延層130的品質。請參閱圖9，所述拉伸該奈米碳管膜100的方法可包括以下步驟：將該奈米碳管膜100平行於D2方向的兩邊分別固定在兩個平行設置且沿D2方向延伸的彈性支撐體200上，並使該奈米碳管膜100位於兩個彈性支撐體200之間的部份懸空設置；及沿著D2方向拉伸該兩個彈性支撐體200。請參閱圖10，為本發明實施例中拉伸後的奈米碳管膜的掃描電鏡照片。所述彈性支撐體200可為彈性橡膠、彈簧或橡皮筋。優選地，所述彈性支撐體200的拉伸速度小於10厘米每秒。可理解，所述步驟S13中，可通過該彈性支撐體200將該奈米碳管膜100方便剝離。
可理解，當所述在奈米碳管膜100為奈米碳管拉膜時，將該奈米碳管拉膜設置於該基底120的外延生長面122之前，還可通過霧化的有機溶劑浸潤處理所述懸空設置的奈米碳管膜100。該步驟主要是使用霧化的有機溶劑浸潤處理懸空的奈米碳管膜100。其中，該霧化的有機溶劑可是事先準備，也可是即時製備的。當該霧化的有機溶劑是即時製備時，該步驟可包括：提供一揮發性有機溶劑；將所述有機溶劑霧化形成所述複數分散的有機溶劑霧滴，該複數有機溶劑霧滴噴灑在所述懸空設置的奈米碳管膜100的表面並逐漸滲透進該奈米碳管膜100中的奈米碳管上，使得該懸空的奈米碳管膜100被該複數有機溶劑霧滴浸潤至少一次。所述有機溶劑霧滴為懸浮於周圍介質中的細小的有機溶劑液滴。其中， 可採用超聲波霧化、高壓霧化等方式使所述有機溶劑霧化成有機溶劑霧滴，使得霧化後的有機溶劑的粒徑大於等於10微米，且小於等於100微米。
具體地，提供所述有機溶劑；將所述有機溶劑霧化成細小的有機溶劑霧滴，該有機溶劑霧滴的粒徑大於等於10微米，且小於等於100微米，如20微米，50微米；然後將該有機溶劑霧滴噴灑在所述奈米碳管膜100的表面，進入該奈米碳管膜100中，使得有機溶劑霧滴至少一次浸潤該奈米碳管膜100，進而使得該奈米碳管膜100收縮。其中，該有機溶劑霧滴的粒徑大於等於10微米，且小於等於100微米可保證該奈米碳管膜100與該有機溶劑霧滴之間具有合適的介面張力使該奈米碳管膜100收縮，且使得該奈米碳管膜100中的奈米碳管均勻分散。
由於有機溶劑具有較高的揮發性，易於揮發，所以，當所述有機溶劑霧滴噴灑在所述奈米碳管膜100上，並滲透進該奈米碳管膜100時，有機溶劑霧滴揮發，使奈米碳管膜100中原有的比較鬆散的奈米碳管束收緊，由於所述有機溶劑霧滴的粒徑大於等於10微米，且小於等於100微米，尺寸較小，每個有機溶劑霧滴浸潤的奈米碳管膜100中的奈米碳管束108的範圍有限，從而使得奈米碳管膜100中的奈米碳管束108收縮後的直徑小於等於10微米，同時肉眼幾乎觀察不到處理後的奈米碳管膜100中的奈米碳管束。因此，所述奈米碳管膜100由原來的呈黑色或灰黑色，經過有機溶劑液滴處理後，形成的處理後的奈米碳管膜100變得比較透明。所述有機溶劑具有較高的揮發性，易於揮發。該有機溶劑可為乙醇、甲醇、丙酮或乙酸等可揮發性溶劑。在噴灑有機溶劑的有機 溶劑霧滴的過程中，應確保有機溶劑霧滴噴出時的氣流的壓強比較小，不能吹破所述奈米碳管膜100。
所述步驟S12中，在所述基底120的外延生長面122沈積掩模預製體層110的方法不限，可為物理氣相沈積法(PVD)、化學氣相沈積法(CVD)、磁控濺射、或原子層沈積法(ALD)等。所述掩模預製體層110的材料為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、矽氧化物、矽氮化物、及矽碳化物中的一種或複數種。所述掩模預製體層110的厚度為10奈米至100奈米，優選為20奈米至50奈米。所述掩模預製體層110部份沈積於通過複數間隙101暴露的外延生長面122，部份沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面。由於該掩模預製體層110的厚度小於奈米碳管膜100的厚度，因此該沈積於外延生長面122的掩模預製體層110與沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110間隔設置而難以形成連續的層狀結構，或者該沈積於外延生長面122的掩模預製體層110與沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110之間的結合力很弱，從而使得後續去除所述奈米碳管膜100的步驟中，沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110隨奈米碳管膜100一起去除，而該沈積於外延生長面122的掩模預製體層110則保留在外延生長面122上形成圖案化掩模112。由於奈米碳管104的直徑很小，通常為幾十奈米，因此，該方法形成的圖案化掩模112的複數開口114的寬度也為幾十奈米。
本實施例採用原子層沈積法在所述基底120的外延生長面122沈積一氧化鋁奈米材料層，其中，生長源為三甲基鋁和水，載氣為氮氣。可理解，本領域技術人員可可根據所述掩模預製體層110的 材料選擇該生長源的材料。具體地，本實施中，先將所述基底120和奈米碳管膜100放入原子層沈積系統的真空腔室中；再通超載氣向原子層沈積系統的真空腔室中多次交替通入三甲基鋁和水，在所述基底120的外延生長面122生長氧化鋁奈米材料層。所述載氣為氮氣。所述載氣的流量為5sccm。所述原子層沈積系統的本底真空為0.23Torr。在該步驟中，所述三甲基鋁和水交替通入真空腔室，交替通入一次三甲基鋁和水的過程成為一次迴圈。通入三甲基鋁後，真空腔室的真空升為0.26Torr，需要抽真空至本底真空0.23Torr後再通入水；通入水後，真空腔室的真空升為0.26Torr，需要抽真空至本底真空0.23Torr後再通入三甲基鋁。對於三甲基鋁和水，將真空腔室的真空由0.26Torr抽回本底真空0.23Torr的時間分別是25秒和50秒，因此，一個迴圈的時間為75秒。在上述條件下，氧化鋁的沈積速度0.14nm/cycle。因此，可通過控制循環的次數，來控制氧化鋁奈米材料層的厚度。所述氧化鋁奈米材料層包裹所述奈米碳管膜100中的單個奈米碳管或奈米碳管束。
所述步驟S13中，所述奈米碳管膜100可直接機械剝離去除、通過膠帶黏結去除、或氧化去除。所述機械剝離去除奈米碳管膜100的過程中，沈積於奈米碳管膜100表面的部份掩模預製體層110隨奈米碳管膜100一起被剝離，而該沈積於外延生長面122的掩模預製體層110則保留在外延生長面122上形成圖案化掩模112。所述通過膠帶黏結去除的過程中，由於奈米碳管膜100與基底120的結合力明顯弱於沈積於外延生長面122的掩模預製體層110與基底120的結合，而且沈積於外延生長面122的掩模預製體層110與沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110之間 的結合力很弱，因此通過選擇適當黏度的膠帶可將該奈米碳管膜100和沈積於該奈米碳管膜100表面的部份掩模預製體層110一起被剝離。所述氧化去除奈米碳管膜100的過程中，可先將奈米碳管膜100與基底120放置在電爐中退火處理，以去除奈米碳管膜100，使得沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110塌陷落在外延生長面122，再通過超聲振盪清洗去除該由於塌陷落在外延生長面122的掩模預製體層110。可理解，也可在退火過程中，使該奈米碳管膜100位於該基底120的下面，當奈米碳管膜100被氧化去除時，沈積於奈米碳管膜100的奈米碳管104表面的掩模預製體層110在重力作用下脫離該基底120。所述退火溫度在500攝氏度至1000攝氏度範圍內，且在有氧的環境下進行。
所述圖案化掩模112具有複數開口114。所述複數開口114的圖案與所述奈米碳管膜100的圖案相同。本實施例中，所述複數開口114為基本平行且間隔設置的條形凹槽。所述凹槽從外延生長面122的一邊延伸至相對的另一邊。所述複數開口114的寬度為10奈米至100奈米，優選，大於20奈米小於50奈米。所述圖案化掩模112用於遮擋所述基底120的部份外延生長面122，且暴露部份外延生長面122，從而使得外延層130僅從所述外延生長面122暴露的部份生長。可理解，相對於光刻等微電子工藝，本發明製備圖案化掩模112的方法工藝簡單、不會在基底120的外延生長面122引入污染，而且製備的圖案化掩模112的開口114的寬度與奈米碳管的直徑相當，約為幾十奈米。因此，可提高外延層130的品質。
所述步驟S14中，所述外延層130指通過外延法生長在基底120的外延生長面122的單晶結構體。根據外延層130與基底120材料是否相同，所述外延層130包括同質外延層和異質外延層。所述外延層130的生長的厚度可根據需要製備。具體地，所述外延層130的生長的厚度可為0.5奈米~1毫米。例如，所述外延層130的生長的厚度可為100奈米~500微米，或200奈米~200微米，或500奈米~100微米。所述外延層130可為一半導體外延層，且該半導體外延層的材料為GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAs、SiGe、InP、Si、AlN、GaN、GaInN、AlInN、GaAlN或AlGaInN。所述外延層130可為一金屬外延層，且該金屬外延層的材料為鋁、鉑、銅或銀。所述外延層130可為一合金外延層，且該合金外延層的材料為MnGa、CoMnGa或Co2MnGa。
請參閱圖11，具體地，所述外延層130的生長過程具體包括以下步驟：S141：沿著基本垂直於所述基底120的外延生長面122方向成核並外延生長形成複數外延晶粒132；S142：所述複數外延晶粒132沿著基本平行於所述基底120的外延生長面122方向外延生長形成一連續的外延薄膜134；S143：所述外延薄膜134沿著基本垂直於所述基底120的外延生長面122方向外延生長形成一外延層130。
所述步驟S141中，所述複數外延晶粒132在所述基底120的外延生長面122通過該圖案化掩模112的開口116暴露的部份開始生長，且其生長方向基本垂直於所述基底120的外延生長面122，即該步 驟中複數外延晶粒132進行縱向外延生長。
步驟S142中，通過控制生長條件使所述複數外延晶粒132沿著基本平行於所述基底120的外延生長面122的方向同質外延生長並連成一體將所述圖案化掩模112覆蓋。即，該步驟中所述複數外延晶粒132進行側向外延生長直接合攏，並最終在圖案化掩模112周圍形成複數孔洞將圖案化掩模112包圍。
步驟S143中，由於所述圖案化掩模112的存在，使得外延晶粒132與基底120之間的晶格位錯在形成連續的外延薄膜134的過程中停止生長。因此，該步驟的外延層130相當於在沒有缺陷的外延薄膜134表面進行同質外延生長。所述外延層130具有較少的缺陷。
所述外延層130的生長方法可通過分子束外延法(MBE)、化學束外延法(CBE)、減壓外延法、低溫外延法、選擇外延法、液相沈積外延法(LPE)、金屬有機氣相外延法(MOVPE)、超真空化學氣相沈積法(UHVCVD)、氫化物氣相外延法(HVPE)、及金屬有機化學氣相沈積法(MOCVD)等中的一種或複數種實現。
具體地，本實施例中，所述基底120為一藍寶石(Al2O3)基片，所述圖案化掩模112為一雙層交叉氧化鋁奈米管結構。本實施採用MOCVD工藝進行外延生長。其中，採用高純氨氣(NH3)作為氮的源氣，採用氫氣(H2)作載氣，採用三甲基鎵(TMGa)或三乙基鎵(TEGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)作為Ga源、In源和Al源。具體包括以下步驟。首先，將藍寶石基底120置入反應室，加熱到1100℃~1200℃，並通入H2、N2或其混合氣體作為載氣，高溫烘烤200秒~1000秒。其次，繼續同入載氣，並降溫到500℃~650℃，通入三甲基鎵或三乙基鎵及氨氣，生長GaN低溫緩衝層 ，其厚度10奈米~50奈米。然後，停止通入三甲基鎵或三乙基鎵，繼續通入氨氣和載氣，同時將溫度升高到1100℃~1200℃，並恒溫保持30秒~300秒，進行退火。最後，將基底120的溫度保持在1000℃~1100℃，繼續通入氨氣和載氣，同時重新通入三甲基鎵或三乙基鎵，在高溫下完成GaN的側向外延生長過程，並生長出高品質的GaN外延層。
請參閱圖12，本發明第二實施例提供一種外延結構20的製備方法，其具體包括以下步驟：S20：提供一基底120，且該基底120具有一外延生長面122；S21：在該基底120的外延生長面122設置一第一奈米碳管膜100，該第一奈米碳管膜100包括複數平行間隔設置的第一奈米碳管104；S22：在該第一奈米碳管膜100的表面設置一第二奈米碳管膜103，該第二奈米碳管膜103包括複數平行間隔設置的第二奈米碳管105，且第二奈米碳管105的延伸方向與第一奈米碳管104的延伸方向的夾角大於零度；S23：在該基底120的外延生長面122沈積一掩模預製體層110，且該掩模預製體層110的厚度大於第一奈米碳管膜100的厚度且小於第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103的厚度總和；S24：去除所述第二奈米碳管膜103得到一圖案化掩模112，該圖案化掩模112具有複數開口114從而使得該外延生長面122通過該複數開口114部份暴露；及S25：在所述基底120的外延生長面122生長一外延層130。
本發明第二實施例提供的外延結構20的製備方法與本發明第一實施例提供的外延結構10的製備方法基本相同，其區別在於，所述在該基底120的外延生長面122沈積掩模預製體層110的步驟之前，層疊交叉設置一第一奈米碳管膜100和一第二奈米碳管膜103；所述在該基底120的外延生長面122沈積掩模預製體層110的步驟中，該掩模預製體層110的厚度大於第一奈米碳管膜100的厚度且小於第一奈米碳管膜103和第二奈米碳管膜103的厚度總和；且所述步驟S24中，僅去除所述第二奈米碳管膜103。
所述步驟S22中，所述第二奈米碳管104的延伸方向與第一奈米碳管104的延伸方向的夾角優選大於30度。本實施例中，所述第二奈米碳管104的延伸方向與第一奈米碳管104的延伸方向的夾角為90度。
所述步驟S23中，如圖13-14所示，由於該掩模預製體層110的厚度大於第一奈米碳管膜100的厚度且小於第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103的厚度總和，因此，部份掩模預製體層110沈積於外延生長面122和第一奈米碳管膜100表面，且將所述第一奈米碳管膜100覆蓋，而部份掩模預製體層110則沈積於所述第二奈米碳管膜103表面。所述沈積於第二奈米碳管膜103的奈米碳管105表面的掩模預製體層110可隨著第二奈米碳管膜103一起去除，而該沈積於外延生長面122和第一奈米碳管膜100表面的掩模預製體層110則保留在外延生長面122上形成圖案化掩模112。所述複數開口114為平行間隔設置的溝槽，且該複數開口114的延伸方向垂直於所述第一奈米碳管104的延伸方向。所述第一奈米碳管104部份通過所述複數開口114部份暴露。
所述步驟S24中，所述第二奈米碳管膜103可直接機械剝離或通過膠帶黏結去除。由於第一奈米碳管膜100被掩模預製體層110覆蓋，因此機械剝離或通過膠帶黏結不會去除第一奈米碳管膜100。可理解，如果採用氧化法可將第一奈米碳管膜100與第二奈米碳管膜103一起去除。或者，先機械剝離或通過膠帶黏結去除第二奈米碳管膜103，再採用氧化法將第一奈米碳管膜100去除。
請參閱圖15，本發明第三實施例提供一種外延結構30的製備方法，其具體包括以下步驟：S30：提供一基底120，且該基底120具有一外延生長面122；S31：在該基底120的外延生長面122設置一第一奈米碳管膜100，該第一奈米碳管膜100包括複數平行間隔設置的第一奈米碳管104；S32：在該第一奈米碳管膜100的表面設置一第二奈米碳管膜103，該第二奈米碳管膜103包括複數平行間隔設置的第二奈米碳管105，且第二奈米碳管105的延伸方向與第一奈米碳管104的延伸方向的夾角大於零度；S33：在該基底120的外延生長面122沈積一掩模預製體層110，且該掩模預製體層110的厚度小於該第一奈米碳管膜100的厚度；S34：去除所述第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103得到一圖案化掩模112，該圖案化掩模112具有複數開口114從而使得該外延生長面122通過該複數開口114部份暴露；及S35：在所述基底120的外延生長面122生長一外延層130。
本發明第三實施例提供的外延結構30的製備方法與本發明第二實施例提供的外延結構20的製備方法基本相同，其區別在於，所述步驟S33中，該掩模預製體層110的厚度小於該第一奈米碳管膜100的厚度，且步驟S34中，將所述第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103一起去除。
所述步驟S33中，部份掩模預製體層110沈積在所述第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103的表面，部份掩模預製體層110沈積在所述基底120的外延生長面122。
所述步驟S34中，該部份沈積在所述第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103的表面的掩模預製體層110與所述第一奈米碳管膜100和第二奈米碳管膜103一起去除，且得到的圖案化掩模112的複數開口114為複數交叉延伸的條形凹槽。即，該圖案化掩模112為設置於基底120的外延生長面122的複數呈二維陣列排列的凸起。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
10‧‧‧外延結構
100‧‧‧奈米碳管膜
101‧‧‧間隙
104‧‧‧奈米碳管
110‧‧‧掩模預製體層
112‧‧‧圖案化掩模
114‧‧‧開口
120‧‧‧基底
122‧‧‧外延生長面
130‧‧‧外延層

Claims (18)

  1. 一種外延結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；在該基底的外延生長面設置一奈米碳管膜，該奈米碳管膜與所述基底的外延生長面接觸，該奈米碳管膜具有複數間隙，使得部份所述外延生長面通過所述複數間隙暴露；在該基底的外延生長面沈積一掩模預製體層覆蓋所述奈米碳管膜，該掩模預製體層的厚度小於該奈米碳管膜的厚度，且所述掩模預製體層部份沈積於所述奈米碳管膜的表面，部份沈積在所述暴露的部份外延生長面；去除所述奈米碳管膜得到一圖案化掩模，該圖案化掩模具有複數開口從而使得該外延生長面通過該複數開口部份暴露；及在所述基底的外延生長面生長一外延層。
  2. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述在該基底的外延生長面設置一奈米碳管膜的步驟具體包括：提供一奈米碳管陣列；從所述奈米碳管陣列直接抽取獲得一懸空設置的奈米碳管膜；及將該懸空的奈米碳管膜鋪設在所述基底的外延生長面。
  3. 如請求項第2項所述的外延結構的製備方法，其中，所述奈米碳管膜包括複數沿同一方向延伸的奈米碳管，該複數奈米碳管的延伸方向基本平行於所述基底的外延生長面，且至少部份所述奈米碳管間隔設置構成所述複數間隙。
  4. 如請求項第3項所述的外延結構的製備方法，其中，所述將該懸空的奈米碳管膜鋪設在所述基底的外延生長面之前，進一步包括一沿著垂直於所 述奈米碳管的延伸方向拉伸該奈米碳管膜的步驟。
  5. 如請求項第3項所述的外延結構的製備方法，其中，所述將該懸空的奈米碳管膜鋪設在所述基底的外延生長面之前，進一步包括一通過霧化的有機溶劑處理所述懸空設置的奈米碳管膜的步驟。
  6. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述奈米碳管膜將所述基底的外延生長面完全覆蓋，且延伸至所述外延生長面之外。
  7. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述掩模預製體層的材料為金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物、矽氧化物、矽氮化物、及矽碳化物中的一種或複數種。
  8. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述掩模預製體層的厚度為10奈米至100奈米。
  9. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述去除所述奈米碳管膜的方法為機械剝離去除、膠帶黏結去除、或氧化去除。
  10. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，沈積在所述奈米碳管膜的表面的所述部份掩模預製體層與沈積在所述暴露的部份外延生長面的所述部份掩模預製體層不連續。
  11. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，去除所述奈米碳管膜時，沈積在在所述奈米碳管膜的表面的所述部份掩模預製體層被一起去除。
  12. 如請求項第1項所述的外延結構的製備方法，其中，所述複數開口為平行且間隔設置的條形凹槽，且所述複數開口的寬度為10奈米至100奈米。
  13. 一種外延結構的製備方法，其包括以下步驟：提供一基底，該基底具有一外延生長面；在該基底的外延生長面設置一第一奈米碳管膜，該第一奈米碳管膜包括複數平行間隔設置的第一奈米碳管； 在該第一奈米碳管膜的表面設置一第二奈米碳管膜，該第二奈米碳管膜包括複數平行間隔設置的第二奈米碳管，且該第二奈米碳管的延伸方向與該第一奈米碳管的延伸方向的夾角大於零度；在該基底的外延生長面沈積一掩模預製體層以將該第一奈米碳管膜和第二奈米碳管膜覆蓋，且該掩模預製體層的厚度小於該第一奈米碳管膜和該第二奈米碳管膜的厚度總和；至少去除所述第二奈米碳管膜得到一圖案化掩模，該圖案化掩模具有複數開口從而使得該外延生長面通過該複數開口部份暴露；及在所述基底的外延生長面生長一外延層。
  14. 如請求項第13項所述的外延結構的製備方法，其中，所述第二奈米碳管的延伸方向與所述第一奈米碳管的延伸方向的夾角大於30度。
  15. 如請求項第13項所述的外延結構的製備方法，其中，所述在該基底的外延生長面沈積一掩模預製體層的步驟中，所述掩模預製體層部份沈積於外該延生長面和該第一奈米碳管膜表面，且將該第一奈米碳管膜覆蓋，而部份掩模預製體層則沈積於所述第二奈米碳管表面。
  16. 如請求項第13項所述的外延結構的製備方法，其中，進一步包括一氧化去除該第一奈米碳管膜的步驟。
  17. 如請求項第13項所述的外延結構的製備方法，其中，所述掩模預製體層的厚度大於該第一奈米碳管膜的厚度，所述至少去除所述第二奈米碳管膜的步驟為僅去除所述第二奈米碳管膜，且得到的圖案化掩模具有複數平行且間隔設置的條形凹槽。
  18. 如請求項第13項所述的外延結構的製備方法，其中，所述掩模預製體層的厚度小於該第一奈米碳管膜的厚度，所述至少去除所述第二奈米碳管膜的步驟為將所述第一奈米碳管膜和所述第二奈米碳管膜一起去除，且得到的圖案化掩模的複數開口為複數交叉延伸的條形凹槽。
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