图形化蓝宝石衬底工艺研究进展_黄成强

（ 1. Institute of Microelectronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029 ，China； 2. JiaXing Engineering Center for microelectronic apparatus and equipment，Chinese Academy of Sciences，Jiaxing 314000 ，China）
0
引言
［1 ］
［1 － 4 ］ 。 短程光学通信和生物传感器 由于蓝宝石的低成本、热稳定性、化学稳定性
氮化镓 （ GaN ） 基 LED 体积小、 重量轻、 寿 命长 ，广泛用 于 显 示、 指 示 灯、 背 光 灯、 固 态 照明、交通信号灯、 全彩打印机、 汽车前向照明、
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 60727003 ） mail： b_chen@ 139． com 通信作者： 陈波，EJuly 2012
Study Progress of the Manufacturing Process of Patterned Sapphire Substrates
Huang Chengqiang1 ，Xia Yang1 ，Chen Bo1 ，Li Chaobo1 ， Wan Jun2 ，Wang Minggang1 ，Rao Zhipeng1 ，Li Nan1 ，Zhang Xiang1
上进行纳米压印的工艺流程， ④ 为 Si3 N4 掩膜图形 （ 直径为400 nm、间距为1. 1 μm的纳米孔阵列 ） 的 AFM 图。首先，300 ℃ 下用 PECVD 在蓝宝石衬底 上淀 积 5 nm 厚 的 Si3 N4 ， 并 旋 涂 六 甲 基 二 硅 氮 烷 （ HMDS） 以增加黏附性， 如图 2 中 ①。 然后， 涂 覆225 nm 厚 的 阻 挡 层， 并 在 110 ℃ 下 软 烘 2 min。 110 ℃ 下进行纳米压印，如图 2 中 ②， 接触压力为 10 kN，所使 用 的 纳 米 压 印 仪 器 为 EVG 520HE 。
和良 好 的 光 学 特 性， 它 广 泛 用 作 薄 膜 生 长 的 衬 ［5 － 7 ］ 。在平 坦 蓝 宝 石 衬 底 上 生 长 GaN 外 延 层， 底 由于蓝宝石衬底和 GaN 外延层的晶格常数、 热膨 9 胀 系 数 相 差 较 大， 线 位 错 密 度 高 达 10 ～ 10 12 cm － 2［8］，界面 处 的 位 错 传 递 到 多 量 子 阱 有 源
［15 ］ 以对 柱 状 光 刻 胶 进 行 热 回 流 。 可 采 用 基 于 ［16 ］ ［19 ］ BCl3 或 CF4 的电感耦合等离子体 （ inductively coupled plasma，ICP ） 刻蚀去除没有纳米球覆盖的 SiO2 层。除了 ICP 刻蚀之外，也可用缓冲氧化刻蚀剂 ［1 － 2 ， 12 － 15 ， 17 － 18 ］图
［24 ］
Fig. 2 Flow chart of the nanoimprint Si3 N4 mask process ［24］
1. 3
自组装纳米层 先用 PECVD 法在蓝宝石衬底的 c 面 （ 0001 ） 上淀积 100 nm 的 SiO2 ， 然后向其表面浸渍涂布直 径为750 nm 的单层纳米球， 用到了 Ar / BCl3 的 ICP 刻蚀移除没有纳米球覆盖的 SiO2 层。 然后用声裂 ［25 ］ 法去除剩下的纳米球 。 用 Stber 工艺在富含乙醇相位中制备高度均匀 的 SiO2 纳米球。 在封闭的瓶子中加入纯水、 氨水 和乙醇，然后向瓶中充入氮气，搅拌使得加入的试 剂完全混合，然后向系统中添加原硅酸四乙酯 ，搅 拌2 h后，乳胶被分离以收集 SiO2 纳米球， 之后在 乙醇中清洗 3 次以确保无任何杂质。在去离子氨水 中乙醇中四乙基 － 正硅酸盐进行水解，通过调整氨 ［26 ］ 分子的质量分数来控制 SiO2 纳米球的尺寸 。 通 过浸渍涂布法将 SiO2 淀积到衬底上来制备自组装 的 SiO2 球。 图 3 为在100 mm 衬底上淀积的750 nm 单层纳米球阵列图。在丢失的纳米球下发现如图 3 ［16 ］ 所示的视图， 确认了其是单原子层 。 用一种基
［21 ］ 形转移到 SiN x 。 1. 2 纳米压印
1
掩膜的制作
1. 1 光刻 1. 1. 1 SiO2 作为掩膜 先用 等 离 子 体 增 强 化 学 气 相 沉 积 （ plasma enhanced chemical vapor deposition， PECVD ） 在 蓝 ［1 ， 12 － 17 ］ ， 然后结合光刻 宝石衬底上淀积 SiO2 薄膜 。在 和刻蚀 工 艺 将 SiO2 薄 膜 图 形 化 SiO2 表面 涂 布 单 层 纳 米 球 以 制 作 纳 米 级 掩 膜 图 ［16 ］ 形 。如果要在 SiO2 薄膜上制作锥状光刻胶， 可
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 DOI： 10． 3969 / j． issn． 1003 － 353x． 2012． 07． 001
趋势与展望 Trends and Outlook
图形化蓝宝石衬底工艺研究进展
1 1 1 1 2 1 黄成强 ，夏洋 ，陈波 ，李超波 ，万军 ，汪明刚 ， 1 1 1 饶志鹏 ，李楠 ，张祥
（ 1. 中国科学院 微电子研究所，北京 100029 ； 2. 中国科学院 嘉兴微电子仪器与设备工程中心 ，浙江 嘉兴 314000 ） 摘要： 图形化蓝宝石衬底 （ PSS） 技术是一种提高 LED 亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺 制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究 ，以 及图形化蓝宝石衬底提高 LED 亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用 ， LED 的发光功率提高了 30% 左右。 图形化蓝宝石衬底 与基于平坦蓝宝石衬底的 LED 相比，PSS技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形 ，从湿法刻蚀到干法 刻蚀，从微米级到纳米级图形的演变。 由于能够显著提高 LED 亮度， 纳米级图形化蓝宝石必将 得到广泛的运用。 关键词： 图形化蓝宝石衬底； 发光二极管； 光刻； 纳米压印； 刻蚀 中图分类号： TN364. 2 文献标识码： A 文章编号： 1003 － 353X （ 2012） 07 － 0497 － 07
图 1 光刻和刻蚀工艺 Photolithography and etching processes［20］
［20 ］
将图形间距减小到亚微米级
［21 ］
。
Fig. 1
1. 1. 3
Ni 掩膜
用电子束蒸镀在蓝宝石衬底的表面淀积一层厚 度为几百纳米的 Ni 层作为刻蚀掩膜， 再通过光刻 在 Ni 上 做 图 形， 图 形 的 形 状 和 尺 寸 由 掩 膜 决 ［9 ， 22 ］ 。 定 1. 1. 4 SiN x 掩膜 用 PECVD 在 50 mm 蓝宝石衬底上淀积 SiN x 薄 膜作为刻蚀掩膜， 用聚甲基丙烯酸甲酯 （ PMMA ） 通过具有深紫外灯的定位器制作图形 ，通过回流技 术减小了图形间距，通过反应离子刻蚀将半球状图
Semiconductor Technology Vol． 37 No． 7
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黄成强
等： 图形化蓝宝石衬底工艺研究进展
櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 区，在外延材料禁带中引入缺陷能级 ，引起载流子 ［6 ］ 的非辐射复合， 降低内量子效率 。 因此， 需要 ［8 － 9 ］ 。 减小位错 密 度 以 改 善 氮 化 物 基 LED 的 性 能 ， LED ， 此外 为了降低 的成本和提高亮度 有必要 ［10 ］ 进一步改善外量子效率 。 在图形化蓝宝石衬底 （ patterned sapphire substrate， PSS ） 上进行的生长 ［11 ］ 是无掩膜、 无生长打断的侧向合并生长 。 通过 控制蓝宝石衬底的图形化和外延材料的生长条件 ， ［1 － 2 ］ 。 可以控制外延材料多量子阱的位置和密度 图形化蓝宝石衬底上的图形结构作为外延侧向 过生长的起点和出射光的散射中心 ，有效地改善了 ［10 ］ 外延晶体质量并提高了光萃取效率 ， 所以在图 形化蓝宝石衬底上可制作高亮度 GaN 基 LED。 本 文将系统地介绍图形化蓝宝石衬底的制作工艺 。 光刻和刻蚀是制作图形化蓝宝石衬底的两个工 艺流程。光刻的目的是在平坦蓝宝石衬底上制作一 定厚度的掩膜图形，刻蚀的目的是将没有掩膜覆盖 的那部分蓝宝石去除，被掩膜覆盖的那部分蓝宝石 由于有掩膜作为保护层而得以保留 ，通过刻蚀工艺 把掩膜图形转移到蓝宝石衬底上 ，得到图形化蓝宝 石衬底。
Abstract： Patterned sapphire substrate （ PSS ） can significantly enhance the brightness of the LED． The PSS is made through the combination of photolithography and etching． The study on PSS mainly focuses on photolithography，etching and the mechanism of brightness enhancement by PSS． At present，microscale PSSLED showed 30% higher luminous power than a flat substrate LED and the microscale PSS was applied in common． The development of PSS technology has experienced from striated pattern to hemispherical and coneshaped pattern，from wet etching to dry etching，from microscale to nanoscale． For the excellent effect on the brightness，nanoscale PSS will be widely applied． Key words： patterned sapphire substrate （ PSS ） ； light emitting diode （ LED ） ； lithography； nanoimprint lithography （ NIL） ； etching EEACC： 4260D