一种pss图形化衬底刻蚀方法
【专利摘要】本发明公开一种PSS图形化衬底刻蚀方法，包括，提供衬底，并在衬底上制作具有所需图形的掩膜；按照主刻蚀过程对衬底进行刻蚀；按照过刻蚀过程对衬底进行刻蚀；结束刻蚀；其中，所述主刻蚀过程包括N个刻蚀子过程，对于相邻的两个刻蚀子过程，后一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率高于前一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率，N为大于或等于3的整数。通过本发明实施例提供的PSS刻蚀方法，抑制了现有技术中通过降低下电极功率的方法造成PSS图形底宽的大量增加以及造成生产效率下降的问题，且在有效抑制底宽的同时提高整个主刻蚀过程的选择比，改善了PSS刻蚀工艺，提高了GaN外延的生长质量。
【专利说明】一种PSS图形化衬底刻蚀方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离子体技术，特别涉及一种PSS图形化衬底刻蚀方法。
【背景技术】
[0002]随着GaN基发光二极管(Light Emitting Diode, LED)技术的不断进步,特别是蓝光激发荧光粉发出黄光混合成白光技术的成熟，使得日常照明可以通过低成本、高寿命的方式实现。各国政府纷纷提出了固体照明革命计划，极大促进了 LED技术飞速发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广阔的应用前景。
[0003]由于GaN单晶制备比较困难，通常GaN基LED器件都是制备在蓝宝石衬底上的。通过蓝宝石衬底来生长GaN外延存在两个问题:首先，蓝宝石具有很高的硬度和化学稳定性，刻蚀难度较大；其次，GaN和蓝宝石之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数的差别，使得在衬底上生长的GaN薄膜位错和缺陷密度较大，也影响了器件的发光效率和寿命。此外，目前波长460nm的GaN基LED内量子效率已达到70%以上，AlGaN紫外光(UV)的GaN基LED的内量子效率已高达80%以上，除了内量子效率，还需要进一步提高GaN基LED的外量子效率。目前，生长在蓝宝石衬底上的GaN基LED的提取效率相对较低，需要进一步提高GaN基LED的提取效率，来提高GaN基LED的外量子效率。
[0004]为了克服上述在蓝宝石衬底上生长GaN外延的问题，并进一步提高GaN基LED的提取效率，目前普遍采用的图形化衬底(Patterned SapphireSubstrates, PSS)技术来完成蓝宝石衬底上的GaN外延材料的制备。在PSS技术中，首先在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，然后用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，之后，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。PSS技术可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小了有源区的非辐射复合，减小了反向漏电流，提高了 LED的寿命。有源区发出的光，经由GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了 LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。综合上述两方面的原因，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED提高了 63%，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。
[0005]下面，对PSS工艺过程进行详细介绍。目前PSS工艺可包括如下步骤:首先，使用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，请参阅图1，其示出了光刻工艺后的PSS膜层结构示意图，其中，上层11为光刻之后呈现为圆柱形的掩膜，下层12为蓝宝石衬底，蓝宝石衬底的光阻厚度为1200nnT3000nm。掩膜的图形周期大约为2500nnT4000nm。接下来，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜。具体的，ICP刻蚀包括，步骤SI，测量原胶，计算刻蚀时间；步骤S2，按照主刻蚀(ME)过程进行刻蚀；步骤S3，按照过刻蚀(OE)过程进行刻蚀；步骤S4，结束刻蚀。其中，在主刻蚀过程中，采用较大流量的刻蚀气体，并使用较低的射频功率，从而控制PSS的刻蚀速率以及对刻蚀选择比进行调节；在过刻蚀过程中，相对于主刻蚀过程，采用较小流量的刻蚀气体以及较高的射频功率，对PSS图形的形貌(profile)进行修饰。其中，PSS图形的高度和底宽由主刻蚀步骤的刻蚀结果确定，过刻蚀步骤对PSS图形的高度和底宽影响不大。请参阅图2，示出了一种刻蚀后的PSS图形衬底片的形貌图。如图2所示，PSS图形为类圆锥形，图形高度约为1.5微米左右。
[0006]目前市面上最常见的PSS图形片为2:1周期图形片，即光刻胶底宽:光刻胶间距为2:1。为提高外延GaN薄膜的晶体质量，一方面需要保持侧壁刻蚀的光滑平整；另一方面，刻蚀后图形的间距不能过小，一般来说，高度越高，图形间距越大，越利于外延生长，这就需要对选择比和刻蚀底宽同时进行控制。
[0007]在主刻蚀步骤中，通常会采用较高的刻蚀选择比，从而得到高度更高的PSS图形。为了提高刻蚀选择比，在目前的技术中通常通过降低下电极功率的方法，但是降低下电极功率造成了底宽的大量增加；并且，降低下电极功率会带来刻蚀速率的下降，在大批量生产中会造成生产效率的下降。
【发明内容】
[0008]本发明提供一种PSS图形化衬底刻蚀方法旨在至少解决上述技术问题之一，即用于解决现有技术的PSS刻蚀中通过降低下电极功率来提高刻蚀比的方法所造成的PSS图形底宽的大量增加以及由此造成生产效率下降的问题。
[0009]为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了 一种PSS图形化衬底刻蚀方法，包括:
[0010]提供衬底，并在衬底上制作具有所需图形的掩膜；
[0011 ] 按照主刻蚀过程对衬底进行刻蚀；
[0012]按照过刻蚀过程对衬底进行刻蚀；
[0013]结束刻蚀；
[0014]其中，所述主刻蚀过程包括N个刻蚀子过程，对于相邻的两个刻蚀子过程，后一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率高于前一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率，N为大于或等于3的整数。
[0015]优选地，所述N小于或等于100。
[0016]优选地，所述N小于或等于10。
[0017]优选地，各个刻蚀子过程所占用的工艺时间是根据各个刻蚀子过程所使用的下电极射频功率确定的。
[0018]优选地，N为3，所述N个刻蚀子过程分别为第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程。
[0019]优选地，所述第一刻蚀子过程的工艺时间占整个主刻蚀工艺时间的20?40%，所述第二刻蚀子过程的工艺时间占整个主刻蚀工艺时间的40?70%，所述第三刻蚀子过程占整个主刻蚀工艺时间的10?20%。
[0020]优选地，所述第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程所占用的工艺时间的比例为3:4:1。
[0021 ] 优选地，在每一单个刻蚀子过程中，其采用的下电极射频功率是恒定的。
[0022]优选地，在每一单个刻蚀子过程中，其采用的下电极射频功率逐渐增加。
[0023]优选地，所述下电极射频功率在逐渐增加时的变化率为O?100W/min。[0024]优选地，所述下电极射频功率在逐渐增加时的变化率为O?20W/min。
[0025]优选地，所述下电极射频功率的范围是80?700W。
[0026]优选地，所述下电极射频功率的范围是80?400W。
[0027]优选地，在所述N个刻蚀子过程中，所采用的气压范围是2?30mT，
[0028]所采用的上电极射频功率范围是1000?3000W，所采用的刻蚀气体流量范围是50 ?150sccm。
[0029]优选地，所述气压范围是2-10mT，所述上电极射频功率范围是1600?2500W，所述刻蚀气体流量范围是50?120sccm。
[0030]本发明具有以下有益效果:
[0031]在本发明实施例提供的PSS刻蚀方法中，主刻蚀过程至少包括三个不同的刻蚀子过程，各个刻蚀子过程中采用的下电极射频功率逐渐增大，其中，在主刻蚀过程的初始阶段，由于刻蚀对PSS图形的展宽影响不大，因此可以较大程度的降低下电极射频功率，获得较高的选择比，从而获得较高的PSS图形高度；在主刻蚀过程的中间阶段，采用比初始阶段稍高的下电极射频功率，获得高的选择比；在主刻蚀过程的最后阶段，PSS图形展宽较为明显，需要对PSS图形展宽进行控制，此时采用较高的下电极射频功率，起到控制底宽的作用。在主刻蚀过程的初始阶段和最后阶段分别采用较现有技术更低和更高的下电极射频功率，其中最后阶段采用的较高功率可以有效抑制底宽，同时，初始阶段采用的较低功率可以有效弥补最后阶段的高功率对提高选择比的不利影响，从而提高整个主刻蚀过程的选择t匕。因此，通过本发明实施例提供的PSS刻蚀方法，在有效抑制底宽的同时提高整个主刻蚀过程的选择比，改善了 PSS刻蚀工艺，提高了 GaN外延的生长质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为现有技术中光刻工艺后的PSS膜层结构示意图；
[0033]图2为现有技术中刻蚀后的PSS图形衬底片的形貌图；
[0034]图3A为主刻蚀过程中选择比的变化曲线图；
[0035]图3B为主刻蚀过程中PSS图形底宽的变化曲线图；
[0036]图4为本发明实施例提供的PSS图形化衬底刻蚀方法的流程示意图；
[0037]图5A为现有技术中主刻蚀过程中的下电极射频功率的变化曲线；
[0038]图5B为本发明实施例提供的一种下电极射频功率的变化曲线；
[0039]图6为本发明实施例提供的另一种下电极射频功率的变化曲线。
【具体实施方式】
[0040]为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例提供的PSS图形化衬底刻蚀方法进行详细描述。
[0041]为了抑制PSS工艺中PSS图形底宽的展宽，本发明实施例中提供了一组选择比和底宽在刻蚀过程中的变化实验数据，并以该实验为基础，本发明实施例提出了一种PSS图形化衬底刻蚀方法。请参阅图3A，其示出了在主刻蚀过程中选择比的变化曲线图，在图3A中，选择比变化呈现先升高后降低，类似抛物线的规律，其中，选择比从增加到减小的转折点发生在主刻蚀过程的第10min-15min之间。请参阅图3B，其示出了主刻蚀过程中PSS图形底宽的变化曲线图，在图3B中，在主刻蚀过程的前10min，PSS图形底宽的增加幅度较小，在第10min-25min之间，图形底宽的增加幅度较大，即PSS图形底宽的增加主要发生在主刻蚀过程的后半阶段。
[0042]基于上述实验过程，本发明的核心构思在于在主刻蚀的不同阶段采用不同的下电极射频功率，其中在主刻蚀的初始阶段采用较低的下电极射频功率，最大程度上提高选择t匕，尽可能多的保留光刻胶，在主刻蚀的中间阶段采用比初始阶段稍高的下电极射频功率，获得高的选择比，而在主刻蚀的最后阶段较短的时间选择较高的下电极射频功率，从而控制底宽，通过这种方法，抑制PSS图形底宽的大量增加，并改善由于抑制底宽增加造成的刻蚀速率下降的问题，从而改善了 PSS图形的工艺效果，为后续GaN外延生长工艺提供良好的窗P。
[0043]请参阅图4，为本发明实施例提供的PSS图形化衬底刻蚀方法的流程示意图，该方法包括如下步骤:
[0044]步骤S101，提供衬底，并在衬底上制作具有所需图形的掩膜；
[0045]步骤S102，按照主刻蚀过程对衬底进行刻蚀；其中，所述主刻蚀过程包括N个刻蚀子过程，对于相邻的两个刻蚀子过程，后一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率高于前一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率，N为大于或等于3的整数；
[0046]步骤S103，按照过刻蚀过程对衬底进行刻蚀；
[0047]步骤S104，结束刻蚀。
[0048]在步骤S102中，N为小于或等于100的整数，优选的，N为小于或等于10的整数。各个刻蚀子过程所占用的工艺时间是根据各个刻蚀子过程所使用的下电极射频功率确定的。
[0049]下面以N=3为例进行说明。当N=3时，主刻蚀过程包括3个刻蚀子过程，分别是第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程。请参阅图5A和图5B，分别示出了现有技术和本示例中主刻蚀过程中的下电极射频功率的变化曲线,如图5A所示，现有技术中主刻蚀过程采用的下电极射频功率为200W，如图5B所示，在本示例的主刻蚀过程中，3个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率分别为100W、200W和400W。在第一刻蚀子过程中，采用比常用的下电极射频功率更小的功率，可以最大程度上提高选择比，尽可能多的保留光刻胶，在主刻蚀的中间阶段即第二刻蚀子过程中，采用常用的较低的下电极射频功率，可以获得高的选择比，而在主刻蚀的最后阶段较短的时间即第三刻蚀子过程中，选择较高的下电极射频功率，可以有效控制底宽。
[0050]根据预定的PSS图形高度和掩膜高度、以及各个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率，可以获得各个刻蚀子过程的工艺时间。以第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程所采用的下电极射频功率分别为100W、200W和400W为例，在PR(光刻胶)刻蚀前高度为2500nm、PSS刻蚀的目标高度为1500nm的情况下，且在三个刻蚀子过程中由于采用不同的下电极射频功率，所对应的光刻胶刻蚀速率(PR ER),PSS图形刻蚀速率(PSS ER)、以及选择比(Sel)也不相同，具体如
[0051]表I所示:
[0052]表I下电极射频功率与刻蚀速率、及选择比的对照表
[0053]
【权利要求】
1.一种PSS图形化衬底刻蚀方法，该方法包括:其特征在于， 提供衬底，并在衬底上制作具有所需图形的掩膜； 按照主刻蚀过程对衬底进行刻蚀； 按照过刻蚀过程对衬底进行刻蚀； 结束刻蚀； 其中，所述主刻蚀过程包括N个刻蚀子过程，对于相邻的两个刻蚀子过程，后一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率高于前一个刻蚀子过程所采用的下电极射频功率，N为大于或等于3的整数。
2.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，N为3，所述N个刻蚀子过程分别为第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程。
3.如权利要求2所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀子过程的工艺时间占整个主刻蚀工艺时间的20?40%，所述第二刻蚀子过程的工艺时间占整个主刻蚀工艺时间的40?70%，所述第三刻蚀子过程占整个主刻蚀工艺时间的10?20%。
4.如权利要求2所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀子过程、第二刻蚀子过程、以及第三刻蚀子过程所占用的工艺时间的比例为3:4:1。
5.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述N小于或等于100。
6.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述N小于或等于10。
7.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，各个刻蚀子过程所占用的工艺时间是根据各个刻蚀子过程所使用的下电极射频功率确定的。
8.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，在每一单个刻蚀子过程中，其采用的下电极射频功率是恒定的。
9.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，在每一单个刻蚀子过程中，其采用的下电极射频功率逐渐增加。
10.如权利要求9所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述下电极射频功率在逐渐增加时的变化率为O?100W/min。
11.如权利要求9所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述下电极射频功率在逐渐增加时的变化率为O?20W/min。
12.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述下电极射频功率的范围是80 ?700W。
13.如权利要求12所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述下电极射频功率的范围是80 ?400W。
14.如权利要求1所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，在所述N个刻蚀子过程中，所采用的气压范围是2?30mT，所采用的上电极射频功率范围是1000?3000W，所采用的刻蚀气体流量范围是50?150sccm。
15.如权利要求14所述的PSS刻蚀方法，其特征在于，所述气压范围是2-10mT，所述上电极射频功率范围是1600?2500W，所述刻蚀气体流量范围是50?120sccm。
【文档编号】H01L33/00GK103887375SQ201210562272
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年12月21日 优先权日:2012年12月21日
【发明者】刘海鹰 申请人:北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责任公司