專(zhuān)利名稱(chēng)：基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)材料生長(zhǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法。
背景技術(shù)：
in-v族化合物半導(dǎo)體材料在發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、探測(cè)器，及電子
器件方面有著廣泛的應(yīng)用。固體照明是現(xiàn)在最熱門(mén)的課題，氮化鎵(GaN)是固體照明的一種重要材料，而提高光萃取效率就是固體照明的核心課題。其中使用圖形襯底可有效的減少外延層與異質(zhì)襯底之間由于晶格失配和熱失配帶來(lái)的應(yīng)力積聚，提高了發(fā)光器件的發(fā)光效率。圖形襯底發(fā)展初期，由于工藝技術(shù)的限制， 一般采用微米量級(jí)的圖形。近年來(lái)陽(yáng)極氧化鋁(anodic aluminum oxide，AAO)技術(shù)不斷發(fā)展，可制作孔徑為500納米以下的周期性孔洞結(jié)構(gòu)，并通過(guò)掩模光刻技術(shù)將其應(yīng)用于圖形襯底的制作中，使發(fā)光器件的性能得到有效提高。
傳統(tǒng)的陽(yáng)極氧化鋁主要是通過(guò)兩步陽(yáng)極氧化而實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵诘谝徊窖趸臅r(shí)候，孔洞是在氧化鋁表面隨機(jī)地產(chǎn)生的。這導(dǎo)致僅僅經(jīng)過(guò)一步氧化而得到的氧化鋁的孔洞分布規(guī)律性較差。采用兩步陽(yáng)極氧化可以改善這種情況。第一步氧化是要在鋁表面形成較有規(guī)律的孔洞。第二步氧化前先將鋁表面的氧化層去掉，那在鋁表面就會(huì)出現(xiàn)很多有規(guī)律的小坑，接著進(jìn)行第二步氧化。這一步就會(huì)在整個(gè)氧化層中形成有規(guī)律的孔洞。
兩步氧化制作陽(yáng)極氧化鋁的方法存在一些缺點(diǎn) 一個(gè)就是孔洞的尺寸比較大約幾個(gè)微米，而且孔徑難以控制；第二就是需要的時(shí)間比較長(zhǎng)。新的技術(shù)用在鋁表面上進(jìn)行預(yù)處理的方法替代了第一次氧化來(lái)改善這些缺點(diǎn)。其中一個(gè)方法是用電子束光刻在碳化硅單晶圓片上刻出六邊形小凸點(diǎn)的陣列，在以這種陣列作為模具在鋁表面印壓出六邊形的小坑。經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化之后，這些小坑的位置就會(huì)成為孔洞。這一種方法所得到的孔洞的形狀和尺寸大小可由模具決定。另外一種控制孔洞形成的預(yù)處理的方法就是，先用聚焦離子束(FIB)在Al表面刻出小坑，在以此為基礎(chǔ)形成陽(yáng)極氧化鋁。上述的一些預(yù)成型的方法，工藝成本較貴，不適合大批量的工業(yè)化生長(zhǎng)。如何采用廉價(jià)的材料和工藝制備亞微米量級(jí)的圖形結(jié)構(gòu)，是-一個(gè)有重要應(yīng)用意義的課題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)單、快速、成本較低、孔徑可控的基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法，其包括以下步驟(1)在襯底上先鍍上一鋁層；(2)在鋁層表面均勻涂敷一微球結(jié)構(gòu)層，并在微球表面蒸鍍耐蝕性金屬，蒸鍍的耐蝕性金屬將通過(guò)微球結(jié)構(gòu)層間隙沉積在鋁層表面，再將微球結(jié)構(gòu)層去除；(3)用稀酸迸行腐蝕，在鋁層上所蒸鍍的金屬之間形成凹坑，完成預(yù)成型的過(guò)程；(4)利用濃酸將鋁層上的耐蝕性金屬去除；(5)對(duì)鋁層進(jìn)行陽(yáng)極氧化，形成具有預(yù)設(shè)孔洞結(jié)構(gòu)圖形的氧化鋁層；(6)利用氧化鋁層作為掩模，通過(guò)刻蝕將氧化鋁層上的孔洞結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；(7)去除氧化鋁層，得到亞微米圖形的襯底。
所述襯底為藍(lán)寶石、硅、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅或砷化鎵。所述微球結(jié)構(gòu)層由聚苯乙烯、氧化硅或環(huán)氧丙脂微球構(gòu)成?？锥创笮∮晌⑶虻某叽鐩Q定，通過(guò)化學(xué)方法腐蝕或等離子刻蝕方法控制微
球的直徑及間隔的大小。
通過(guò)氧氣ICP刻蝕微球結(jié)構(gòu)層，改變微球的直徑，來(lái)調(diào)節(jié)微球的尺寸。步驟(5)中，將襯底及鋁層置于多元酸中通入一定電壓進(jìn)行氧化，多元酸
為5%磷酸、10%硫酸或5%草酸，其對(duì)應(yīng)電壓為100V 130V、 25 27V或30
50V。
步驟(2)中，先在鋁層表面涂一層光刻膠，再將微球結(jié)構(gòu)層混合水旋涂上去，之后對(duì)其加熱烤干，以使微球結(jié)構(gòu)層黏附在光刻膠上，去除微球結(jié)構(gòu)層時(shí)將光刻膠同時(shí)去除。
歩驟(2)中，所述耐蝕性金屬為金、鎳、鉻或錫。
步驟(5)中，周期性孔洞結(jié)構(gòu)的孔徑通過(guò)調(diào)節(jié)聚苯乙烯微球的直徑、陽(yáng)極氧化的時(shí)間、酸液濃度的方法來(lái)改變，孔洞結(jié)構(gòu)深度通過(guò)陽(yáng)極氧化的時(shí)間來(lái)調(diào)
步驟(6)中，陽(yáng)極氧化后氧化鋁層的圖形為周期性孔洞結(jié)構(gòu)，其通過(guò)化學(xué)濕法或等離子干法刻蝕將圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)
本發(fā)明可制作周期性或非周期性的圖形。相對(duì)于其他利用陽(yáng)極氧化鋁技術(shù)制作圖形結(jié)構(gòu)的方法，這種方法是經(jīng)過(guò)一次預(yù)成形及一次陽(yáng)極鋁氧化把亞微米圖形轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體外延材料上，具有操作簡(jiǎn)單，快速，成本較低，孔徑可控等優(yōu)點(diǎn)。


圖1 7是實(shí)施例1中制作藍(lán)寶石圖形襯底的整個(gè)工藝流程側(cè)面示意圖關(guān)于附圖，圖中l(wèi)代表襯底，2代表鋁層，3代表微球結(jié)構(gòu)層，4代表耐蝕
性金屬層，5代表經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化后氧化鋁。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
實(shí)施例1
參見(jiàn)圖7，為最終成型的可用丁-外延生長(zhǎng)的圖形襯底側(cè)面示意圖。其中包含藍(lán)寶石襯底l。其中藍(lán)寶石襯底可以換成其他襯底，如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁(A1N)、氧化鋅(Zn0)、砷化鎵(GaAs)襯底，或其他用于氮化物材料生長(zhǎng)的襯底材料。
以藍(lán)寶石襯底為例，圖l所示的圖形襯底的制備方法包括以下步驟a、先將藍(lán)寶石襯底用化學(xué)溶液和純水，超聲清洗干凈。在襯底1上鍍2 5 y m的鋁層2。接著對(duì)其用5%的磷酸在5"下拋光5分鐘，電壓為100V，如圖l所不。
b、 將微球與乙醇混合配制成混合溶液，并將混合溶液旋涂在鋁層表面。聚
苯乙烯微球就會(huì)聚集成單分子微球結(jié)構(gòu)層，如圖2所示。所述微球結(jié)構(gòu)層由聚苯乙烯、氧化硅或環(huán)氧丙脂微球構(gòu)成。本實(shí)施例采用聚苯乙烯微球。
c、 在微球結(jié)構(gòu)層上沉積耐蝕性金屬，所述耐蝕性金屬為金、鎳、鉻或錫，
本實(shí)施例采用鎳金屬，且其厚度為10nm。因?yàn)槲⑶蛑g存在著間隙，間隙所對(duì)應(yīng)的襯底就會(huì)沉積上一層鎳，如圖3所示。接著將襯底、鋁層及微球結(jié)構(gòu)層浸泡在DI水中，通過(guò)超聲振動(dòng)的方法將微球結(jié)構(gòu)層與鋁層分離。并用有機(jī)溶劑和純水超聲清洗干凈，如圖4所示。
d、 將襯底及帶有金屬的鋁層浸泡在10%稀硫酸里面2分鐘，由于鎳對(duì)稀硫酸具有耐蝕性而鋁易與稀硫酸反應(yīng)，所以沒(méi)有鎳保護(hù)的那一部分鋁會(huì)被快速腐蝕下去，形成凹坑。這樣就會(huì)形成預(yù)設(shè)的孔洞結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)為周期性或非周期性的孔洞結(jié)構(gòu)，如圖5所示。
e、 樣品經(jīng)過(guò)清洗后在5%、 IO(TC磷酸以100V的電壓下進(jìn)行氧化2 10個(gè)小時(shí)。經(jīng)氧化后會(huì)得到幾十到幾百納米的氧化鋁層，如圖6所示。這一步可以根據(jù)需要延長(zhǎng)或減少時(shí)間，而得到不同的孔洞直徑和深度。
f、 利用這層成型的陽(yáng)極氧化鋁作為掩模，在ICP上用Ar氣等離子體刻蝕，將陽(yáng)極氧化鋁上的周期性圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，這樣就在襯底上得到周期性孔洞結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
g、 腐蝕掉陽(yáng)極氧化鋁掩膜層。
h、 樣品用超聲清洗干凈。
到這一步，就可以得到具有周期性孔洞結(jié)構(gòu)的襯底，如圖7。可以在上面生長(zhǎng)外延層。實(shí)施例2
與實(shí)施例l相似，因?yàn)樵谧鯝1預(yù)成型的時(shí)候引入鎳作為掩模，為了消除鎳在后續(xù)步驟中可能引入的影響，可以在步驟d、 e之間加入去除鎳的步驟。高純鋁在濃度80%以上的硫酸會(huì)出現(xiàn)鈍化，具有耐蝕性，而鎳則不具有耐蝕性。利用以上所說(shuō)的特性，可以將鎳去掉，而對(duì)鋁的影響較小。
具體實(shí)施方法是在實(shí)施例l中的步驟d、 e步之間加入以下步驟-將樣品在常溫下浸泡在98%的濃硫酸中10 30分鐘。具體時(shí)間根據(jù)鎳層的
厚度決定。
實(shí)施例3
直接將聚苯乙烯微球和乙醇的混合溶液旋涂在A1的表面，有可能會(huì)出現(xiàn)微球和A1之間的黏附力不夠，而導(dǎo)致微球位置出現(xiàn)移動(dòng)的問(wèn)題。為了解決這種問(wèn)題，可以先在A1表面涂一層光刻膠，再將微球混合水旋涂上去。這一步不能使用有機(jī)溶液，有機(jī)溶液會(huì)對(duì)光刻膠有影響。之后對(duì)其加熱烤干，微球就會(huì)黏附在光刻膠上。最后用丙酮或者去膠劑將光刻膠和微球一同去掉。
具體實(shí)施方法是在步驟a之后進(jìn)行以下步驟
A、 將樣品清洗后在上面涂覆600nm的光刻膠，光刻膠的厚度不需要很高，主要是要求整個(gè)樣品表面涂覆的均勻。將樣品放在熱板上以10CTC加熱30秒，目的是僅僅使光刻膠表面固化。
B、 將聚苯乙烯微球與水混合配制成混合溶液，并將混合溶液旋涂在光刻膠表面。聚苯乙烯微球就會(huì)聚集成單分子層結(jié)構(gòu)。在將樣品放在熱板上以iocrc加熱2分鐘。這樣微球就會(huì)有一部分嵌進(jìn)光刻膠里面，這就達(dá)到固定微球的目的。
C、 在將樣品在ICP上用氧氣刻蝕。那么沒(méi)有微球阻擋的那一部分光刻膠會(huì)被刻蝕到。氧氣刻蝕是要求將沒(méi)有被阻擋部分的光刻膠全部去掉， 一直到A1層為止。
D、 在上面蒸鍍上10nm的鎳，那在沒(méi)有光刻膠的位置就會(huì)沉積上鎳。
E、 用丙酮或者去膠劑將光刻膠去掉。微球也會(huì)隨著光刻膠一起去掉。最后用有機(jī)溶劑和純水超聲清洗干凈。到這一步為止就可以得到實(shí)施例1中步驟c得到的樣品。
F、 下面的步驟就可以按照實(shí)施例1中步驟d g進(jìn)行。實(shí)施例4
因?yàn)槲⑶虻某叽缡怯袠?biāo)準(zhǔn)、固定的，所以坑洞的孔徑就不能任意的調(diào)節(jié)?？梢栽谕扛簿郾揭蚁┪⑶蛞院?，即在實(shí)施例1的步驟b后，用氧氣ICP刻蝕，使微球的直徑變小，來(lái)調(diào)節(jié)微球的尺寸。以實(shí)現(xiàn)對(duì)孔洞和間隔的調(diào)節(jié)。接著再進(jìn)行步驟C。
權(quán)利要求
1、一種基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法，其特征在于包括以下步驟(1)在襯底上先鍍上一鋁層；(2)在鋁層表面均勻涂敷一微球結(jié)構(gòu)層，并在微球表面蒸鍍耐蝕性金屬，蒸鍍的耐蝕性金屬將通過(guò)微球結(jié)構(gòu)層間隙沉積在鋁層表面，再將微球結(jié)構(gòu)層去除；(3)用稀酸進(jìn)行腐蝕，在鋁層上所蒸鍍的金屬之間形成凹坑，完成預(yù)成型的過(guò)程；(4)利用濃酸將鋁層上的耐蝕性金屬去除；(5)對(duì)鋁層進(jìn)行陽(yáng)極氧化，形成具有預(yù)設(shè)孔洞結(jié)構(gòu)圖形的氧化鋁層；(6)利用氧化鋁層作為掩模，通過(guò)刻蝕將氧化鋁層上的孔洞結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；(7)去除氧化鋁層，得到亞微米圖形的襯底。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于所述襯底為藍(lán)寶石、硅、 碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鋅或砷化鎵。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于所述微球結(jié)構(gòu)層由聚苯 乙烯、氧化硅或環(huán)氧丙脂微球構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于孔洞大小由微球的尺寸決定，通過(guò)化學(xué)方法腐蝕或等離子刻蝕方法控制微球的直徑及間隔的大小。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于通過(guò)氧氣ICP刻蝕微球結(jié)構(gòu)層，改變微球的直徑，來(lái)調(diào)節(jié)微球的尺寸。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于步驟(5)中，將襯底 及鋁層置于多元酸中通入一定電壓進(jìn)行氧化，多元酸為5%磷酸、10%硫酸或5 %草酸，其對(duì)應(yīng)電壓為100V 130V、 25 27V或30 50V。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的制作方法，其特征在于步驟(2)中，先在鋁層表面涂一層光刻膠，再將微球結(jié)構(gòu)層混合水旋涂上去，之后對(duì)其 加熱烤干，以使微球結(jié)構(gòu)層黏附在光刻膠上，去除微球結(jié)構(gòu)層時(shí)將光刻膠同時(shí) 去除。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于步驟(2)中，所述耐 蝕性金屬為金、鎳、鉻或錫。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于步驟(5)中，周期性 孔洞結(jié)構(gòu)的孔徑通過(guò)調(diào)節(jié)聚苯乙烯微球的直徑、陽(yáng)極氧化的時(shí)間、酸液濃度的 方法來(lái)改變，孔洞結(jié)構(gòu)深度通過(guò)陽(yáng)極氧化的時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制作方法，其特征在于步驟(6)中，陽(yáng)極氧 化后氧化鋁層的圖形為周期性孔洞結(jié)構(gòu)，其通過(guò)化學(xué)濕法或等離子干法刻蝕將 圖形轉(zhuǎn)移到襯底上。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種基于預(yù)成型陽(yáng)極氧化鋁的亞微米圖形襯底制作方法，其包括以下步驟在襯底上先鍍上一鋁層；在鋁層表面均勻涂敷一微球結(jié)構(gòu)層，并在微球表面蒸鍍耐蝕性金屬，蒸鍍的耐蝕性金屬將通過(guò)微球結(jié)構(gòu)層間隙沉積在鋁層表面，再將微球結(jié)構(gòu)層去除；用稀酸進(jìn)行腐蝕，在鋁層上所蒸鍍的金屬之間形成凹坑，完成預(yù)成型的過(guò)程；利用濃酸將鋁層上的耐蝕性金屬去除；對(duì)鋁層進(jìn)行陽(yáng)極氧化，形成具有預(yù)設(shè)孔洞結(jié)構(gòu)圖形的氧化鋁層；利用氧化鋁層作為掩模，通過(guò)刻蝕將氧化鋁層上的孔洞結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移到襯底上；去除氧化鋁層，得到亞微米圖形的襯底。本發(fā)明具有操作簡(jiǎn)單、快速、成本較低、孔徑可控的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C25D11/16GK101660187SQ20091019233
公開(kāi)日2010年3月3日 申請(qǐng)日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者張佰君, 鋼 王, 黃智聰 申請(qǐng)人:中山大學(xué)