衬底刻蚀方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种衬底刻蚀方法。

背景技术：

图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)作为普遍采用的一种提高GaN基LED器件出光效率的方法，目前已广泛的应用在LED制备领域中。适宜的图形形貌和尺寸是减少外延晶体缺陷、提高内量子效率的必要条件，目前理想的衬底图形为锥形结构，高度一般为1～2μm，间隔为2～3μm，底宽为2～3μm，侧壁斜角为31.6°。

ICP(Inductively Coupled Plasma，感应耦合等离子体)技术是一种制备蓝宝石图形衬底的方法，其以能够控制等离子体密度和轰击能量，适于辉光放电时自动匹配网络等优点而广泛应用。该方法一般以BCl₃或CHF₃或二者的混合气体作为反应气体，并通过控制工作压强、反应气体流量、磁场强度和直流偏压等的参数，控制工艺的刻蚀速率和均匀性，以使得衬底图形的高度和底宽达到要求。

现有的一种调节方式是在工艺过程中采用较低的刻蚀速率的方式来增加衬底图形的底宽。例如，在进行主刻蚀步骤的过程中降低下电极功率，这可以减少等离子体对图形侧壁的轰击，从而可以增加锥形结构的底部展宽，进而达到增加底宽的目的。但是，降低刻蚀速率不仅会导致工艺时间变长，从而降低了生产效率，而且还会因为在工艺过程中，在图形侧壁上形成的拐角高度过高，导致该拐角在工艺结束之后无法消除，如图1所示，为采用较低的刻蚀速率获得的衬底图形形貌的扫描电镜图。

现有的另一种调节方式是通过在工艺过程中采用较高的背吹气压，来降低衬底温度，以减少副产物的挥发，使其附着于侧壁， 从而可以增加衬底图形的底宽，但是由于降低衬底温度会增加光刻胶的刻蚀速率，导致衬底图形的高度降低，如图2所示，为在整个工艺过程中，采用较高的背吹气压获得的衬底图形形貌的扫描电镜图，由图2可知，虽然图形底宽为2.75μm，满足要求，但是图形高度仅为1.53μm，没有达到要求范围(如1.6～1.7μm)。反之，若提高衬底温度，虽然可以提高衬底图形的高度，但会导致衬底图形的底宽减小。因此，如何获得底宽和高度均满足要求的衬底图形，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种衬底刻蚀方法，其可以在对衬底图形的高度影响较小的情况下，增大衬底图形的底宽，从而可以获得底宽和高度均满足要求的衬底图形。

为实现本发明的目的而提供一种衬底刻蚀方法，包括主刻蚀步骤和过刻蚀步骤，

所述主刻蚀步骤进一步包括步骤S1和步骤S2，当图形侧壁出现拐角时，结束所述步骤S1，同时开始所述步骤S2；

所述过刻蚀步骤进一步包括步骤S3和步骤S4，当所述拐角的高度达到固定值时，结束所述步骤S3，同时开始所述步骤S4；

其中，所述步骤S1和所述步骤S4所采用的用于冷却衬底的背吹气压小于所述步骤S2和所述步骤S3所采用的用于冷却衬底的背吹气压。

优选的，所述步骤S1和所述步骤S4均采用第一背吹气压冷却衬底；所述步骤S2和所述步骤S3均采用第二背吹气压冷却衬底；所述第一背吹气压小于所述第二背吹气压。

优选的，根据在进行所述主刻蚀步骤的过程中，掩膜的刻蚀速率判断图形侧壁出现拐角的时刻。

优选的，根据在进行所述过刻蚀步骤的过程中，所述拐角的高度的降低速率判断所述拐角的高度达到固定值的时刻。

优选的，所述固定值的取值范围在200～400nm。

优选的，所述步骤S2和所述步骤S3的工艺时间之和为10～45min。

优选的，所述步骤S1对应的工艺时刻为第0分钟～第20分钟。

优选的，所述步骤S4对应的工艺时刻为第30分钟～工艺结束。

优选的，所述第一背吹气压的取值范围在2～5Torr。

优选的，所述第二背吹气压的取值范围在4～8Torr。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的衬底刻蚀方法，其主刻蚀步骤包括步骤S1和步骤S2，且当衬底的图形侧壁出现拐角时，结束步骤S1，同时开始步骤S2；过刻蚀步骤包括步骤S3和步骤S4，且当拐角的高度达到固定值时，结束步骤S3，同时开始步骤S4。其中，步骤S1和步骤S4所采用的用于冷却衬底的背吹气压小于步骤S2和步骤S3所采用的用于冷却衬底的背吹气压。由于在整个工艺时间中，在以衬底的图形侧壁出现拐角的时刻作为开始点(此时步骤S2开始)，以拐角的高度达到固定值作为结束点(此时步骤S3完成)这一时间段图形底宽的增加速率最高，因此，通过在这个时间段采用较高的背吹气压来降低衬底温度，而其余工艺时间(步骤S1和步骤S4)均采用较低的背吹气压来提高衬底温度，可以在更短时间内达到增大图形底宽的目的，同时由于缩短了掩膜刻蚀速率较高的时间，可以增加主刻蚀步骤后掩膜的剩余厚度，从而可以保证图形高度达到要求范围，最终获得底宽和高度均满足要求的图形形貌。

附图说明

图1为采用较低的刻蚀速率获得的衬底图形形貌的扫描电镜图；

图2为采用较高的背吹气压获得的衬底图形形貌的扫描电镜图；

图3为衬底图形形貌的演变过程图；

图4为衬底图形的底宽随刻蚀时间的变化曲线图；

图5为衬底图形的底宽随背吹压力的变化曲线图；以及

图6为采用本发明实施例提供的衬底刻蚀方法获得的衬底图形 形貌的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的衬底刻蚀方法进行详细描述。

本发明提供的衬底刻蚀方法采用现有的等离子体加工设备进行刻蚀工艺，优选的，该等离子体加工设备可以为电感耦合等离子体设备，其主要包括反应腔室、电感线圈、上射频系统和下射频系统。其中，在反应腔室内设置有用于承载衬底的承载装置，例如基座、机械卡盘或者静电卡盘等等。上射频系统用于向电感线圈施加上电极功率，用以激发反应腔室内的刻蚀气体形成等离子体；下射频系统用于向基片施加下电极功率，以使等离子体在基片上刻蚀图形。

而且，在进行刻蚀工艺的过程中，向衬底下表面与承载装置的承载面之间的缝隙输送背吹气体(例如氦气)，用以通过与衬底进行热交换而冷却衬底，该背吹气体朝向衬底下表面施加的压力称为背吹气压。容易理解，背吹气压越高，则衬底温度越低；反之，背吹气压越低，则衬底温度越高。因此，通过调节背吹气压，可以实现对衬底温度的控制，从而可以快速有效地调节衬底图形的高度和底宽。本发明提供的衬底刻蚀方法，包括以下步骤：

主刻蚀步骤(Main Etch，ME)，用于修饰掩膜形貌，同时刻蚀形成图形的基础轮廓。

过刻蚀步骤(Over Etch，OE)，用于修饰图形形貌(侧壁和拐角)，以使其尺寸和形状达到工艺要求。

其中，在进行主刻蚀步骤时，刻蚀离子朝近似45°的方向运动，这使得衬底图形的侧壁形貌在刻蚀过程中逐渐变化。具体来说，在刻蚀的初始阶段，由于受到掩膜原始侧壁的限制，衬底图形的侧壁的垂直度较高；然而，随着刻蚀时间的增加，掩膜相对的两个侧壁会朝向彼此横向收缩，导致掩膜的宽度逐渐变窄，这使得衬底图形的侧壁因掩膜的横向收缩而出现拐角。在主刻蚀步骤中，反应腔室的腔室压力的范围在2～5mT；上电极功率的范围在1000～2500W；下电极功率的 范围在100～700W；刻蚀气体的流量范围在60～200sccm；工艺时间的范围在15～40min。

过刻蚀步骤采用较低的腔室压力和较高的偏压功率，用以提高物理轰击能量，以使衬底侧壁的拐角逐渐减小直至消失，从而使衬底图形形貌达到工艺要求。在过刻蚀步骤中，反应腔室的腔室压力的范围在1.5～3mT；上电极功率的范围在1000～2500W；下电极功率的范围在500～800W；刻蚀气体的流量范围在60～100sccm；工艺时间的范围在10～20min。

进一步的，上述主刻蚀步骤包括步骤S1和步骤S2，当图形侧壁出现拐角时，结束步骤S1，同时开始步骤S2。过刻蚀步骤包括步骤S3和步骤S4，当拐角的高度达到固定值时，结束步骤S3，同时开始步骤S4。其中，步骤S1和步骤S4所采用的用于冷却衬底的背吹气压小于步骤S2和步骤S3所采用的用于冷却衬底的背吹气压。并且，步骤S1和步骤S4均采用第一背吹气压冷却衬底；步骤S2和步骤S3均采用第二背吹气压冷却衬底。也就是说，步骤S1和步骤S4的背吹气压相同，骤S2和步骤S3的背吹气压相同，且步骤S1和步骤S4采用的背吹气压(第一背吹气压)小于骤S2和步骤S3采用的背吹气压(第二背吹气压)。

由于在整个工艺时间中，在以衬底的图形侧壁出现拐角的时刻作为开始点(此时步骤S2开始)，以拐角的高度达到固定值作为结束点(此时步骤S3完成)这一时间段图形底宽的增加速率最高，因此，通过在这个时间段内采用较高的背吹气压来降低衬底温度，而其余工艺时间(步骤S1和步骤S4)均采用较低的背吹气压来提高衬底温度，可以在更短时间内达到增大图形底宽的目的。进一步说，虽然采用较高的背吹气压势必会降低衬底图形的高度，但是，由于采用较高的背吹气压这一时间段较短，这使得图形高度的降低程度较小，从而仍然可以达到工艺要求范围。同时，由于在该时间段内图形底宽的增加速率最快，即使时间较短也仍然可以使图形底宽增大至工艺要求的范围内，最终获得底宽和高度均满足要求的图形形貌。

需要说明的是，在本实施例中，步骤S1和步骤S4的背吹气压 相同，步骤S2和步骤S3的背吹气压相同。但是本发明并不局限于此，在实际应用中，步骤S1和步骤S4的背吹气压也可以根据具体情况设计为不同。同样的，步骤S2和步骤S3的背吹气压也可以根据具体情况设计为不同。

优选的，上述步骤S2和步骤S3的工艺时间之和为10～45min。步骤S1对应的工艺时刻为第0分钟～第20分钟。步骤S4对应的工艺时刻为第30分钟～工艺结束。第一背吹气压的取值范围在2～5Torr。第二背吹气压的取值范围在4～8Torr。

由上可知，本发明提供的衬底刻蚀方法是利用较高的衬底温度条件下会促进图形高度增加、图形底宽减小；较低的衬底温度会条件下会促进图形底宽增大、图形高度降低的特点，通过有针对性地在图形底宽的增加速率最高这一时间段采用较高的背吹压力，以降低衬底温度，可以在更短时间内达到增大图形底宽的目的，同时由于缩短了掩膜刻蚀速率较高的时间，可以增加主刻蚀步骤后掩膜的剩余厚度，从而可以保证图形高度达到要求范围，最终获得底宽和高度均满足要求的图形形貌。

如图3所示，为衬底图形形貌的演变过程图。主刻蚀步骤的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为3mT；上电极功率为1600W；下电极功率为500W；刻蚀气体的流量为120sccm；工艺时间为20min。过刻蚀步骤的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为2.5mT；上电极功率为1600W；下电极功率为700W；刻蚀气体的流量为70sccm；工艺时间为25min。

在主刻蚀步骤中，在第0分钟～第15分钟这段时间内，由于拐角还未出现，图形的侧壁与底边之间的夹角(以下简称侧壁夹角)基本不变，因此，图形的底宽基本恒定。在第15分钟即将出现拐角。在第15分钟～第20分钟这段时间内，拐角出现，并逐渐向下移动，使得侧壁夹角逐渐变小，从而图形的展宽逐渐增加。

自第20分钟开始进入过刻蚀步骤，在该步骤中，由于下电极功率提高，这使得等离子体的轰击作用增强，图形底边边缘内缩加快，从而使得侧壁夹角增大，底宽的增加速率变慢。自第30分钟开始， 侧壁夹角接近90°，此时底宽的增加速率基本不变。由上述衬底图形形貌的演变过程可以看出，图形底宽的增加速率是随着侧壁夹角的改变而变化，即，侧壁夹角越大，则图形底宽的增加速率越慢；反之，侧壁夹角越小，则图形底宽的增加速率越快。

图4为衬底图形的底宽随刻蚀时间的变化曲线图。图5为衬底图形的底宽随背吹压力的变化曲线图。由图4和图5可知，第15分钟～第30分钟这一时间段的图形底宽增大速率最快，即：主刻蚀步骤中拐角出现的时刻是底宽快速增大的开始点，过刻蚀步骤中拐角高度降低至300nm左右的时刻是底宽快速增大的结束点，通过有针对性地在该时间段内采用较高的背吹气压来降低衬底温度，可以有效增大图形底宽。

优选的，在主刻蚀步骤中，由于在拐角出现的时刻，剩余的掩膜(例如光刻胶)厚度基本恒定，在1.3um左右。因此，可以根据在进行主刻蚀步骤的过程中，掩膜的刻蚀速率判断图形侧壁出现拐角的时刻，以此确定底宽快速增大的开始点。

另外，优选的，在过刻蚀步骤中，由于底宽快速增大的结束点基本恒定在拐角高度降低至一固定值这一时刻，该固定值的取值范围在200～400nm，例如300nm，因此，可以根据拐角高度的降低速率判断该拐角的高度达到固定值的时刻，以此确定底宽快速增大的结束点。

下面为本发明提供的衬底刻蚀方法的一个具体实施例，该衬底刻蚀方法具体包括以下步骤：

主刻蚀步骤，其进一步包括步骤ME1和步骤ME2，其中，

步骤ME1的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为2.5mT；上电极功率为1400W；下电极功率为350W；刻蚀气体的流量为80sccm；工艺时间为18min；背吹气压为4Torr。

步骤ME2的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为2.5mT；上电极功率为1400W；下电极功率为350W；刻蚀气体为80sccm；工艺时间为7min；背吹气压为6Torr。

过刻蚀步骤，其进一步包括步骤OE1和步骤OE2，其中，

步骤OE1的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为2.2mT；上电 极功率为1400W；下电极功率为500W；刻蚀气体的流量为60sccm；工艺时间为5min；背吹气压为6Torr。

步骤OE2的工艺参数为：反应腔室的腔室压力为2.2mT；上电极功率为1400W；下电极功率为500W；刻蚀气体为60sccm；工艺时间为8min；背吹气压为4Torr。

在上述步骤ME1的工艺参数下，掩膜的刻蚀速率大约为70nm/min，对于2.6um的光刻胶(用作掩膜)来说，根据该刻蚀速率，可以推算出当工艺时间进行至第18分钟时，光刻胶的剩胶厚度可达到1.3um，此时即为采用较高的背吹压力的开始点。在上述步骤OE2的工艺参数下，拐角高度的降低速率大约为40nm/min，根据该速率可以推算出出当工艺时间进行至第30分钟时，拐角高度的降低至300nm左右(例如325nm)，此时即为采用较高的背吹压力的结束点。

图6为采用本发明实施例提供的衬底刻蚀方法获得的衬底图形形貌的扫描电镜图。由图6可知，采用本发明实施例提供的衬底刻蚀方法获得的衬底图形，其高度为1.67um；底宽为2.69um，均达到工艺要求的范围。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。