一种基于干法刻蚀的微器件的制作方法

本实用新型属于微纳加工技术领域，具体是涉及一种基于干法刻蚀的微器件。

背景技术：

得益于微纳加工技术的发展，现在器件集成度越来越高，器件尺寸越来越小，如微米级发光二极管(micro-LED)，微型薄膜晶体管(TFT)，光子探测器，微腔激光器等。对于某些应用，这些微纳光电子器件需要从其外延层生长的衬底转移到另外一种衬底，从而实现微器件的高密度异质集成。例如，高分辨率micro-LED显示器，通常是通过把三色micro-LED芯片大批量转移和组装到TFT或CMOS背板的方案来实现(如申请号为JP6131374-B1的日本专利)。因此，微器件结构的批量转移至关重要。寻求一种高效可靠的微器件转移方法，对于微器件集成制备而言，可以提高产品制备效率和良率，实现规模化生产。

微器件结构的转移主要包括两个步骤：一是器件从原衬底上剥离；二是器件转移至新衬底。目前，已存在多种器件转移方法。比如，使用湿法刻蚀牺牲层或者湿法背面刻蚀衬底将器件从原衬底剥离(参考文献Sang-IL Park, et al. Printed Assemblies of Inorganic Light-Emitting Diodes for Deformable and Semitransparent Displays, Science 2009, 325, 977 )。如果是蓝宝石衬底，可以利用激光剥离将蓝宝石衬底剥离(参考文献Tae-il Kim et al. High-Efficiency, Microscale GaN Light-Emitting Diodes and Their Thermal Properties on Unusual Substrates, small 2012, 8, No.11, 1643-1649 )。这些剥离方法均可有效地将微器件从衬底剥离，但同时存在一定问题：激光剥离的方法，难以精准控制激光聚焦位置和能量，容易对器件产生损伤，且产生的气压会导致样品崩裂，剥离产品良率低；湿法去除牺牲层或者湿法背面刻蚀剥离衬底将器件从原衬底剥离，需要在外延片生长时多一层腐蚀停层或者腐蚀牺牲层，成本较高。而且湿法腐蚀控制精准度差，腐蚀速率不稳定，需要对器件表面和侧壁包裹钝化层(光刻胶或二氧化硅)进行保护，工艺复杂且不稳定。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构稳定性好、使用寿命长、制备容易、制备成本低的基于干法刻蚀的微器件。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述基于干法刻蚀的微器件，其特点是：包括衬底、导电粘附层和微器件结构体，其中所述微器件结构体由生长衬底上经干法刻蚀分立形成的悬挂式外延结构体，先通过粘性物质层从生长衬底上粘附拾取到临时衬底上，再通过导电粘附层从临时衬底上粘附转移到衬底上而形成。

其中，所述生长衬底位于悬挂式外延结构体底面的部分经干法刻蚀形成为沙漏状结构，从而更有利于悬挂式外延结构体与生长衬底分离，以方便地实现粘性物质层将悬挂式外延结构体粘附拾取到临时衬底上。而且，所述悬挂式外延结构体通过机械拉应力、横向剪切力、超声波震动或机械自动化控制手臂来实现与生长衬底分离。

进一步地，所述导电粘附层为光敏导电粘结剂层。所述粘性物质层为PDMS层、PMMA层、SU8层、polyimide层或水溶性polymer层。所述临时衬底为柔性衬底或玻璃衬底。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

a.本实用新型由于采用了干法刻蚀剥离的方式来实现微器件结构的制备，与激光剥离相比，避免了背面激光照射剥离，从而避免出现因激光剥离造成的样品损毁，提高产品良率；

b.本实用新型由于采用了干法刻蚀剥离的方式来实现微器件结构的制备，与湿法剥离衬底相比，避免了外延层中腐蚀停层或者牺牲层的引入，减少成本以及降低工艺复杂度。而且，干法刻蚀的控制精度比湿法刻蚀的精确，刻蚀速率较为稳定。另外，湿法腐蚀剥离衬底，会对外延层有一定的破坏，需要对器件外延层表面和侧面进行钝化保护，增加工艺难度和制备成本，而干法刻蚀对器件外延层不会有明显的破坏，则省去了钝化保护的工艺；

c.本实用新型由于利用了粘性物质对微器件进行粘附拾取和转移，无需采用金属键合工艺，工艺简便且对仪器要求较低，不需专门的金属键合仪器，从而降低了制备成本和提高了制备效率；

综上所述，本实用新型由于采用了干法刻蚀和粘附拾取的方式制备形成的微器件结构，不但提高了微器件的结构稳定性，延长了微器件的使用寿命，而且避免了激光剥离带来的样品烧毁现象，提高了产品良率，并且省去了生长腐蚀停层或牺牲层和钝化保护器件的工艺，也省去了金属键合焊接工艺，因而制备简便，节省了制备成本和提高了制备效率。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的工艺流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述基于干法刻蚀的微器件，包括衬底11、导电粘附层10和微器件结构体9。其中，所述微器件结构体9由生长衬底1上经干法刻蚀分立形成的悬挂式外延结构体4，先通过粘性物质层6从生长衬底1上粘附拾取到临时衬底7上，再通过导电粘附层10从临时衬底7上粘附转移到衬底11上而形成。而且，粘性物质层6对悬挂式外延结构体4进行粘附拾取时，是通过机械拉应力、横向剪切力、超声波震动或机械自动化控制手臂来实现悬挂式外延结构体4与生长衬底1的分离。

如图2所示，本实用新型的具体制备方法如下：

1）在生长衬底1上外延生长微器件所需的外延层2以及沉积刻蚀掩膜层3；其中，生长衬底1包括所有易于干法刻蚀的常见半导体器件衬底；外延层2的结构根据微器件种类的不同来对应设置，如激光器、LED、探测器、HEMT等的外延结构；

2）通过光刻与随后的各向异性干法刻蚀，去除部分区域的刻蚀掩膜层、外延层和部分衬底，完成微器件的分立；其中，干法刻蚀的工艺根据不同种类的外延层而有所不同；

3）利用各向同性干法刻蚀将露出的衬底表面继续深刻蚀，干法刻蚀的工艺包括了不同种类衬底的干法刻蚀工艺，由于各向同性刻蚀会在各分立的微器件下出现横向刻蚀现象，因此当生长衬底垂直刻蚀至深度为A/3～2A时（A为单个微器件的横向尺寸），生长衬底1在微器件的底面形成有沙漏状结构5，通过沙漏状结构5而使微器件在生长衬底上形成为悬挂式结构；优选的，当生长衬底垂直刻蚀深度略小于A/2时，生长衬底1的侧向刻蚀深度将略小于A，此时生长衬底1在微器件的底面仅留有一小部分的沙漏状结构，从而更利于后续工艺将生长衬底去除；

4）完全去除刻蚀掩膜层，此时微器件在生长衬底1上为悬挂式外延结构体4；

5）通过旋涂在临时衬底7上的粘性物质层6对悬挂式外延结构体4进行粘附拾取，由于悬挂式外延结构体4下方仅悬挂少部分衬底，当悬挂式外延结构体4和粘性物质间的黏附力大于悬挂部分衬底材料与体衬底的结合力，悬挂式外延结构体4容易被粘性物质剥离，从而使悬挂式外延结构体4转移至临时衬底7上；其中，粘附拾取的应力施加方式为机械拉应力、横向剪切力、超声波震动或机械自动化控制手臂；粘性物质层6为PDMS层、PMMA层、SU8层、polyimide层或水溶性polymer层或其它粘性物质层；临时衬底7根据不同需求可以是不同的衬底，如柔性衬底、玻璃衬底等等；

6）利用衬底腐蚀液，将悬挂式外延结构体4转移后残留的衬底凸起8去除；其中，衬底腐蚀液根据生长衬底1的种类不同而不同，可以是NH₄(OH)、KOH、H₂O₂、H₃PO₄、HCl等等；

7）将去除了衬底凸起8的外延结构体通过导电粘附层10粘附到衬底11（即所需衬底）上；其中，导电粘附层10可以是光敏导电粘结剂层；

8）采用高温氧化方法或有机溶剂溶解法，将临时衬底7上的粘性物质层6热分解或溶解，去除临时衬底7，完成将微器件结构体9转移到所需衬底的流程；其中，当采用高温氧化方法时，可以将粘性物质层6高温分解，形成二氧化碳和水蒸气等产物，达到有效去除粘性物质的目的；当采用有机溶剂溶解法时，采用的有机溶剂根据粘性物质层6的不同而不同，其包括丙酮、THF、DMF、氯苯等等，而且衬底11上的导电粘附层10不溶于该有机溶剂。

下面通过具体的制备实施例对本实用新型作进一步的说明。

实施例一：

本实用新型的具体制备步骤如下：

1）在生长衬底上外延生长微器件所需的外延层：生长衬底包括Si、Ge、SiC、GaAs等常见半导体衬底；外延层分布则如微器件结构的外延层结构；

2）在外延层上沉积一层刻蚀掩膜层，该刻蚀掩膜层可以为光刻胶、金属、铁电氧化物如SiO₂等耐刻蚀物质或这些物质的组合物；

3）通过光刻与干法刻蚀，去除部分区域的刻蚀掩膜层、外延层和部分衬底，完成微器件的分立，具体器件个数视微器件尺寸需求和晶元大小而定；

4）通过干法刻蚀，继续刻蚀裸露部分的衬底表面，利用各向同性刻蚀特性，在微器件下形成钻刻，随着刻蚀时间进行，钻刻现象越来越严重（即横向刻蚀深度越来越宽），生长衬底在微器件的下方形成有沙漏状结构，直至刻蚀到沙漏状结构瓶颈处直径足够小（200nm左右），使微器件形成悬挂式结构，便可以轻易机械剥离；上述步骤3）和该步骤的衬底干法刻蚀工艺，根据衬底种类不同而不同，比如GaAs和GaN衬底用BCl₃和Cl₂工艺气体，Si衬底用SF₆作为工艺气体；

5）完全去除刻蚀掩膜层，去除掩膜的溶液根据掩膜层材料的不同而不同，如氧化硅用HF或BOE溶液，金属Cr用硝酸铈铵溶液等等；

6）在临时衬底上旋涂一层粘性物质层，比如在PET衬底上旋涂一层光刻胶或PMMA，并烘烤挥发大部分溶剂，不宜用过高温度烘烤过长时间，使其保持一定的柔软度，然后将带有粘性物质层的一面压印在微器件上，再进行烘烤固定，对生长衬底施加拉应力或侧向剪切力或者浸泡在水溶液里超声，将其上的沙漏状结构掰断，微器件则转移到粘性物质上；

7）由于连接微器件的沙漏状结构被机械掰断，留下部分衬底凸起，因此利用衬底腐蚀溶液，将衬底凸起腐蚀，使微器件的表面恢复平整；

8）将平整的微器件黏附至涂敷有导电粘附层的衬底上，导电粘附层为光敏导电粘结剂层；

9）将样品浸入有机溶液中浸泡去除粘性物质层，但保留导电粘附层，去除粘性物质层后，完成微器件的制备。

实施例二：

该实施例与实施例一的不同之处在于：

上述步骤9）中，不采用湿法去除粘性物质。而是将样品放入快速退火炉或者高温管式炉中，真空状态下，通入氧气1～2 SLM，加热至300 ～600℃(根据粘性有机物种类不同而有所差别)，粘性物质会被高温炭化分解，主要分解产物为水和二氧化碳，然后被真空泵抽取。去除粘性物质后，微器件通过导电粘附层粘附在衬底的表面，完成微器件的制备。这种方法可以有效避免微器件位置发生移动，但是对温度条件比较苛刻，需要避免对器件造成破坏。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。