三維微米凹球的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種三維微米凹球的制備方法，包括如下步驟：在襯底上旋涂正型光刻膠并烘干；通過(guò)掩膜板采用紫外線對(duì)所述正型光刻膠進(jìn)行曝光；對(duì)曝光后的正型光刻膠進(jìn)行顯影得到光刻膠圖形，利用干法刻蝕將所述光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到所述襯底上；其中所述掩膜板為明場(chǎng)掩膜，所述掩膜板上具有呈二維六角排布的多個(gè)圓斑。本發(fā)明的三維微米凹球的制備方法能夠大面積的在襯底上得到超高占空比的三維微米凹球。
【專利說(shuō)明】三維微米凹球的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體工藝，具體涉及一種三維微米凹球的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)光二極管(LED)是半導(dǎo)體二極管的一種，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、功耗低、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于熒光屏顯示、室內(nèi)室外照明、燈具裝飾等領(lǐng)域。由于LED發(fā)光效率主要受到外量子效率的制約，從而限制了 LED的應(yīng)用領(lǐng)域。以GaN基藍(lán)光LED為例，GaN的折射率為2.5, GaN半導(dǎo)體材料與空氣界面的臨界角約為23°，因此GaN基LED的光提取效率非常的低(約為4%)，這大大限制了 GaN基LED的應(yīng)用。在提高LED外量子效率的諸多方法中，表面粗化技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的方法，通過(guò)表面粗化方法使得GaN表面凹凸不平，從而大大減小了由于表面全反射而導(dǎo)致的發(fā)光效率低下，可以顯著提高LED發(fā)光效率。
[0003]目前對(duì)LED進(jìn)行表面粗化的方法較多，如光化學(xué)腐蝕方法可形成大面積的粗化表面，對(duì)LED發(fā)光增強(qiáng)效果明顯，但制備的粗化形貌不易控制，且對(duì)電學(xué)特性影響較大，增大了 LED的漏電流。納米球掩模干法刻蝕技術(shù)可以得到形貌控制較好的粗化結(jié)構(gòu)，且LED電學(xué)性質(zhì)幾乎不變，對(duì)發(fā)光增強(qiáng)效果明顯，但不易大面積制備，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。紫外曝光技術(shù)可以大面積高效率的制備，配合曝光后的光刻膠熱流可以制備凸球結(jié)構(gòu)用于LED表面粗化達(dá)到發(fā)光增強(qiáng)的效果，但是由于紫外曝光掩模版的原因，得到的凸球結(jié)構(gòu)的占空比較低，對(duì)LED發(fā)光增強(qiáng)效果有限。
[0004]因此，如何大面積、高效率的在襯底上得到超高占空比的粗化表面是目前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種三維微米凹球的制備方法，包括如下步驟:在襯底上旋涂正型光刻膠并烘干；通過(guò)掩膜板采用紫外線對(duì)所述正型光刻膠進(jìn)行曝光；對(duì)曝光后的正型光刻膠進(jìn)行顯影得到光刻膠圖形，利用干法刻蝕將所述光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到所述襯底上；其中所述掩膜板為明場(chǎng)掩膜，所述掩膜板上具有呈二維六角排布的多個(gè)圓斑，所述紫外線的曝光劑量為50mj/cm2-70mj/cm2。
[0006]優(yōu)選的，還包括除去所述襯底上殘留的正型光刻膠。
[0007]優(yōu)選的，所述圓斑直徑為2微米-3微米，相鄰的圓斑的間距為I微米-3微米。
[0008]優(yōu)選的，所述曝光為接觸式曝光。
[0009]優(yōu)選的，所述干法刻蝕包括反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)耦合等離子體刻蝕。
[0010]優(yōu)選的，所述干法刻蝕對(duì)所述正型光刻膠的刻蝕速率與所述干法刻蝕對(duì)所述襯底的刻蝕速率的比值為0.8-1.2。更優(yōu)選的，干法刻蝕對(duì)正型光刻膠的刻蝕速率和對(duì)襯底的刻蝕速率相等。
[0011]優(yōu)選的，所述正型光刻膠為S1813或AR-P5350。
[0012]本發(fā)明采用紫外線曝光，均勻性和重復(fù)性好，成本低，并且能大面積在光刻膠上得到高占空比的三維微米凹球的結(jié)構(gòu)，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，從而在襯底表面形成超高占空比的三維微米凹球的結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整掩膜板上圓斑的尺寸和間距還得到不同半徑的三維微米凹球的結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說(shuō)明，其中:
[0014]圖1至圖4是本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示意圖。
[0015]圖5是本發(fā)明較佳實(shí)施例的掩膜板的示意圖。
[0016]圖6是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例一在光刻膠上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0017]圖7是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例一在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0018]圖8是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例二在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0019]圖9是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例三在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0020]圖10是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例四在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0021]圖11是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例五在石英襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0022]圖12是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例六在n-GaN襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。
[0023]圖13是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例七在n-GaN基V-LED襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]圖1至圖4是本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示意圖。如圖1所示，選取表面潔凈的襯底1，在襯底I上旋涂正型光刻膠2，采用熱板或烘箱烘干正型光刻膠2。如圖2所示，選取掩膜板，采用紫外線對(duì)正型光刻膠2進(jìn)行曝光，其中掩膜板為明場(chǎng)掩膜，掩膜板上具有呈二維六角排布的多個(gè)圓斑6 (參見(jiàn)圖5所示)，圓斑6直徑為2-3微米，相鄰的圓斑6的間距為1-3微米，紫外線的曝光劑量為50mj/cm2-70mj/cm2。圖2中虛線框中的光刻膠3即為紫外線曝光后的區(qū)域。如圖3所示，對(duì)曝光后的光刻膠2進(jìn)行顯影得到光刻膠圖形，其中顯影后的光刻膠2上面具有緊密排列的多個(gè)三維微米凹球4。如圖4所示，利用干法刻蝕將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到襯底I上。圖形轉(zhuǎn)移后的襯底I的表面具有多個(gè)三維微米凹球5。根據(jù)需要，除去襯底I上殘留的光刻膠。
[0026]以下將對(duì)本發(fā)明的三維微米凹球的制備方法進(jìn)行舉例說(shuō)明。
[0027]示例一
[0028]選取一塊硅片作為襯底，依次在丙酮、酒精和去離子水中各清洗5分鐘，之后在150°C的熱板上烘烤30分鐘。在清洗干凈的硅片上旋涂正型光刻膠S1813 (主要成分為propylene glycol monomethyl ether acetate),光刻膠 S1813 的厚度為 1.4 微米,將涂膠后的硅片在115°C的熱板上烘烤I分鐘。在其他的實(shí)施例中，也可以直接在表面干凈的硅片上旋涂光刻膠。通過(guò)已經(jīng)制備好的掩膜板(參見(jiàn)圖5所示)對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，采用MA6型紫外光刻機(jī)進(jìn)行硬接觸式曝光，其中紫外光的波長(zhǎng)為365納米，曝光劑量為55mJ/cm2。
[0029]圖5是示例一所用的掩膜板的示意圖，圖5所示的填充區(qū)域?yàn)檠谀ぐ?上不透光的圓斑6，其余部分為透光區(qū)域7。多個(gè)圓斑6呈二維六角排布，在不考慮邊界處，每個(gè)圓斑6的周圍都圍繞有6個(gè)相同的圓斑6，即與六角密排晶胞中每一層的排列類似，其中，每個(gè)圓斑6的直徑相同且為2微米，任意相鄰的兩個(gè)圓斑6之間的間距為I微米，即任意相鄰的兩個(gè)圓斑6的圓心之間的距離為3微米。
[0030]將紫外曝光后的光刻膠在MF319 (光刻膠S1813的顯影液，主要成分為Tetramethylammonium hydroxide)中顯影液中顯影40秒，去離子水定影10秒后用干燥氮?dú)獯蹈伞?br> [0031]圖6是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例一在光刻膠上制備的三維微米凹球的SEM圖像。從圖6中可以看出，在光刻膠上形成的三維微米凹球是緊密接觸排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍具有6個(gè)三維微米凹球，每個(gè)三維微米凹球大小相同，每個(gè)三維微米凹球都近視為半球型且三維微米凹球的直徑為3微米。
[0032]將顯影后的硅襯底采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，其中刻蝕工藝參數(shù)如下:02流量為3sccm (標(biāo)況暈升每分)，CF4流量為20sccm,刻蝕壓強(qiáng)為50mTorr (暈托)，功率150瓦,刻蝕時(shí)間為20分鐘。在示例一中，優(yōu)選對(duì)光刻膠和硅的刻蝕速率比為1:1的刻蝕工藝參數(shù)，從而將光刻膠的圖形1:1轉(zhuǎn)移到硅襯底上，并使得硅襯底上得到的三維微米凹球的形狀、尺寸、排列與光刻膠一致，因此本發(fā)明并不限于上述工藝參數(shù)，還可以采用其他工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光刻膠和硅的刻蝕速率比為1:1。最后將刻蝕后的硅襯底在丙酮中超聲5分鐘，從而除去表面的殘留物和殘膠。
[0033]圖7是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例一在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。從圖中可以看到在硅襯底上也同樣制備得到了與圖6基本相同的三維微米凹球，每個(gè)三維微米凹球的尺寸一樣，每個(gè)三維微米凹球周圍都圍繞有6個(gè)相同的三維微米凹球，與六角密排晶胞中每一層的排列類似，并且占空比達(dá)到了 100%。
[0034]示例二
[0035]選取硅襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，所使用的掩膜板上圓斑的直徑為3微米，相鄰的圓斑的間距為I微米，曝光劑量為65mJ/cm2。圖8是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例二在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸為4微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都圍繞有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。三維微米凹球的占空比為100%。
[0036]示例三
[0037]選取硅襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，所使用的掩膜板上圓斑的直徑為3微米，相鄰的圓斑的間距為3微米，曝光劑量為50mJ/cm2。圖9是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例三在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸為6微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都圍繞有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。三維微米凹球的占空比為100%。
[0038]示例四
[0039]選取硅襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，所使用的掩膜板上圓斑的直徑為2微米，相鄰的圓斑的間距為3微米，曝光劑量為56mJ/cm2。圖10是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例四在硅襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸為5微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都圍繞有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。三維微米凹球的占空比為100%。
[0040]示例五
[0041]選取石英襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，在石英襯底上旋涂厚度為1.3微米的正型光刻膠S1813，曝光劑量為50mJ/cm2，采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)，其中刻蝕工藝參數(shù)如下:Ar流量為25SCCm，CHF3流量為25sCCm，刻蝕壓強(qiáng)為30mTorr，功率150瓦，刻蝕時(shí)間為30分鐘，利用示例一的方法去除殘留物及殘膠，最后在石英襯底上蒸鍍4nm厚的金膜，將石英襯底在掃描電鏡下觀測(cè)，得到了與示例一基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖11是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例五在石英襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸為3微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都圍繞有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。整個(gè)石英襯底上三維微米凹球的占空比為100%。
[0042]示例六
[0043]選取η型氮化鎵(n-GaN)襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，在η型氮化鎵襯底上旋涂厚度為1.0微米的正型光刻膠AR-P5350 (主要成分為Diazonaphthoquinone),將涂膠后的η-GaN在115°C下烘烤3分鐘。所使用的掩膜板上圓斑的直徑為3微米，相鄰的圓斑的間距為2微米，曝光劑量為70mJ/cm2，將具有光刻膠圖形的η型氮化鎵襯底在感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)，其中刻蝕工藝參數(shù)為:C12流量為50.0sccm, BCl3流量為10.0sccm,起輝壓強(qiáng)為12mTorr, RF (射頻)功率為100W，ICP功率為300W，刻蝕溫度25°C，刻蝕時(shí)間為7min。最后將η型氮化鎵襯底在掃描電鏡下觀測(cè)，得到了與示例一基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖12是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例六在n-GaN襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸為5微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都圍繞有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。整個(gè)η型氮化鎵襯底上三維微米凹球的占空比接近于100%。
[0044]示例七
[0045]選取n-GaN基V-LED芯片作為襯底，按照與示例一基本相同的步驟制備三維微米凹球，區(qū)別在于，在n-GaN基V-LED芯片上旋涂厚度為1.5微米的光刻膠S1813，所使用的掩膜板上圓斑的直徑為3微米，相鄰的圓斑的間距為I微米，曝光劑量為60mJ/cm2，將具有光刻膠圖形的n-GaN基V-LED芯片采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕，其中刻蝕工藝參數(shù)為=Cl2流量為50.0sccm, BCl3流量為10.0sccm,起輝壓強(qiáng)為12mTorr, RF功率為100W，ICP功率300W，刻蝕溫度25°C，刻蝕時(shí)間為6min。最后將n_GaN基V-LED芯片在掃描電鏡下觀測(cè)，得到了與示例一基本一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖13是根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的三維微米凹球的制備方法的示例七在n-GaN基V-LED襯底上制備的三維微米凹球的SEM圖像。所制備得到的三維微米凹球的尺寸大約為4微米，并且一個(gè)挨著一個(gè)緊密排列，每個(gè)三維微米凹球的周圍都具有6個(gè)相同尺寸的三維微米凹球。整個(gè)n-GaN基V-LED芯片上三維微米凹球的占空比接近于100%。
[0046]本發(fā)明的實(shí)施例采用掩膜板為明場(chǎng)掩膜，掩膜板上具有呈二維六角排布的多個(gè)圓斑，圓斑直徑為2-3微米，相鄰的圓斑的間距為1-3微米，在紫外線曝光情況下，由于多個(gè)圓斑形成的陣列對(duì)紫外線的衍射，使得在掩膜板上圓斑下方的正型光刻膠曝光，通過(guò)控制紫外線的曝光劑量為50mj/cm2-70mj/cm2之間，使得正型光刻膠欠曝光，即在正型光刻膠中形成了三維微米球形狀的曝光區(qū)域，經(jīng)過(guò)顯影后即可在光刻膠上得到三維微米凹球結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過(guò)刻蝕工藝將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到襯底上，從而在襯底上得到了三維微米凹球。在其他的實(shí)施例中，紫外線的波長(zhǎng)并不限定為365納米，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以采用其他波長(zhǎng)的紫外線進(jìn)行曝光。
[0047]本發(fā)明的實(shí)施例并不限于上述四種襯底材料，在任意其他襯底材料中也能得到大面積、高占空比的三維微米凹球結(jié)構(gòu)，并且均勻性和重復(fù)性好，成本低?？涛g工藝參數(shù)優(yōu)選對(duì)光刻膠的刻蝕速率與對(duì)襯底的刻蝕速率的比值為0.8-1.2之間，更優(yōu)選的，使得對(duì)光刻膠的刻蝕速率與對(duì)襯底的刻蝕速率相等，這樣可以將光刻膠圖形接近或以1:1的轉(zhuǎn)移到襯底上，從而使得襯底表面的圖形與光刻膠圖形相同。
[0048]雖然本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。
【權(quán)利要求】
1.一種三維微米凹球的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在襯底上旋涂正型光刻膠并烘干； 2)通過(guò)掩膜板采用紫外線對(duì)所述正型光刻膠進(jìn)行曝光； 3)對(duì)曝光后的正型光刻膠進(jìn)行顯影得到光刻膠圖形，利用干法刻蝕將所述光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到所述襯底上； 其中所述掩膜板為明場(chǎng)掩膜，所述掩膜板上具有呈二維六角排布的多個(gè)圓斑，所述紫外線的曝光劑量為50mj/cm2-70mj/cm2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，還包括: 4)除去所述襯底上殘留的正型光刻膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述圓斑直徑為2微米-3微米，相鄰的圓斑的間距為I微米-3微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述曝光為接觸式曝光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述干法刻蝕包括反應(yīng)離子刻蝕或感應(yīng)稱合等離子體刻蝕。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述干法刻蝕對(duì)所述正型光刻膠的刻蝕速率與所述干法刻蝕對(duì)所述襯底的刻蝕速率的比值為0.8_1.2 ο
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述正型光刻膠的厚度為I微米-1.5微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的三維微米凹球的制備方法，其特征在于，所述正型光刻膠為S1813或AR-P5350。
【文檔編號(hào)】H01L33/00GK104377286SQ201310356009
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】顧長(zhǎng)志, 尹紅星, 楊海方, 劉哲 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所