本发明属于半导体制备
技术领域：
，具体地说是一种图形化蓝宝石衬底的制备方法。
背景技术：
：III-V族氮化镓（GaN）基LED器件在半导体照明、户外大屏幕显示、背光源、汽车头灯等应用领域得到广泛使用。然而，备受LED业界关注的焦点一直是器件发光效率和成本。在LED产业链环节中，上游衬底材料直接影响着中下游外延、芯片、封装技术的发展方向。由技术成熟度和综合性价比决定，图形化蓝宝石衬底（PatternedSapphireSubstrates，简称PSS）已经成为GaN基LED外延生长用的主流衬底材料。PSS衬底主要是采用光刻工艺结合等离子体（ICP）干法刻蚀技术在蓝宝石衬底上制备实现。PSS制备工艺流程主要包括如下步骤：首先，对蓝宝石平片衬底进行清洗、匀胶、NikonStepper步进式曝光和显影工艺，在平面蓝宝石衬底表面形成圆柱状掩膜图形阵列；然后，采用ICP设备干法刻蚀蓝宝石，并去除掩膜，在蓝宝石表面形成微结构图形阵列，从而实现PSS制备。PSS批量生产中存在二个严峻的技术挑战。第一个技术挑战是，PSS制程的黄光工艺采用二手NikonStepper旧设备，该设备的稳定性受光刻胶掩膜厚度的影响大，掩膜越厚，设备作业稳定性越差。第二个技术挑战是，由于蓝宝石材料硬度极高，其硬度仅次于金刚石硬度，蓝宝石在ICP干法刻蚀过程中存在刻蚀速率慢、蓝宝石对掩膜的刻蚀选择比低的问题。传统的蓝宝石刻蚀技术一般采用纯三氯化硼（BCl3）作为刻蚀气体，如图2所示，ICP下电极功率的工作范围是100W—800W，相应的刻蚀速率范围为25nm/min—90nm/min，而刻蚀选择比从0.85下降至0.3，蓝宝石材料的刻蚀速率与刻蚀选择比是相互制约的矛盾体。提高刻蚀速率，将会降低刻蚀选择比，导致PSS规格不符产品要求，而降低刻蚀速率，则影响ICP设备产能，增加PSS生产成本。目前，传统PSS制备技术大概是从二个方向去进行PSS工艺优化与生产制程稳定。一方面是从黄光工艺入手，通过提高光刻胶掩膜厚度来提高PSS微结构图形尺寸，以达到PSS产品的规格要求，但光刻胶掩膜厚度增加势必会使Stepper设备稳定性变差，曝光工艺窗口变窄，造成生产良率下降，导致制造成本增加；另一方面，从ICP刻蚀工艺入手，通过降低ICP的下电极功率来增加蓝宝石对掩膜的刻蚀选择比，但下电极功率降低同时降低了蓝宝石的刻蚀速率，导致ICP设备产能进一步下降。另外，增加PSS图形高度是产业界公认的提升LED出光效率最有效的途径。但是，提升PSS图形高度，势必会进一步降低PSS的生产制程良率、增加生产成本，不利于LED产业综合成本的降低。如何解决PSS制备过程中刻蚀速率与刻蚀选择比相互制约的技术瓶颈，一直是产业界公认的国际性技术难题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，解决了ICP设备产能低的问题，降低了图形化蓝宝石衬底的制备成本，提升了图形化蓝宝石衬底的制程良率。为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤一，对蓝宝石衬底进行清洗；步骤二，在蓝宝石衬底表面形成一层光刻胶掩膜图形；步骤三，将带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP干法刻蚀设备内进行刻蚀操作，往ICP干法刻蚀设备分别通入BCl3气体和CHF3气体，形成混合气体，该混合气体中CHF3气体流量与BCl3气体流量的比例值范围在0-40%。同时，在托盘底部通入He气，以在刻蚀过程中对蓝宝石衬底进行冷却，刻蚀操作由主刻蚀阶段和过刻蚀阶段构成，主刻蚀时间大于过刻蚀时间，制备得到图形化蓝宝石衬底。所述步骤三中ICP干法刻蚀设备内通入的BCl3气体流量范围为50sccm-120sccm,CHF3气体流量范围为0sccm-40sccm,CHF3/BCl3气体流量比范围为0-40%，其中大于0。所述步骤三中ICP干法刻蚀设备内上电极功率为1000-1500W，下电极功率为200-800W，其中主刻蚀阶段的下电极功率为200-700W，主刻蚀时间占总刻蚀时间的60%-80%，过刻蚀阶段的下电极功率范围为700-800W，过刻蚀时间占总刻蚀时间的20%-40%。所述步骤三中ICP干法刻蚀设备的内部压强调控范围为1.5mT-5mT。所述步骤三中刻蚀完成后还进行冷却，冷却温度的调控范围为-20℃-40℃，ICP干法刻蚀设备内的He气压强调控范围为3T-8T，。所述步骤一具体包括：将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。所述步骤一中的蓝宝石衬底的尺寸规格为2英寸、4英寸或6英寸。所述步骤二具体包括：在蓝宝石衬底表面涂覆光刻胶掩膜层，采用旋涂或喷涂方式进行涂覆，光刻胶掩膜层的厚度为1.0μm-10μm；然后对带有光刻胶掩膜层的蓝宝石衬底进行步进式曝光，经显影后，获得带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底。所述步骤二中显影后的光刻胶掩膜图形的周期为1.0μm-10μm，光刻胶掩膜图形底径为0.75μm-9μm，图形高度为0.95μm-9.9μm。所述步骤二中显影后的光刻胶掩膜图形形貌为圆柱状、圆台状或倒圆台状。本发明具有以下有益效果：（1）有效的解决了ICP设备产能低的问题。通过优化CHF3/BCl3气体比例，显著提升蓝宝石对光刻胶掩膜的刻蚀选择比，从而整个ICP刻蚀过程可以在高的下电极功率（＞600W）下进行，蓝宝石刻蚀速率保持在80nm/min以上，整个PSS的刻蚀过程缩短至35分钟以内，显著提高了ICP设备的产出，新技术下的ICP设备产能相对传统刻蚀技术下的产能提升30%以上，起到大大降低PSS制备成本的效果；（2）进一步降低光刻胶掩膜的厚度，从而增大Stepper步进式曝光的工艺窗口，提高设备稳定性，提升PSS制程良率，从而有利于进一步控制PSS的制备成本；（3）在较低掩膜厚度和较短ICP刻蚀时间前提下，PSS产品的均匀性获得显著提升，最大程度地提升PSS产品品质，使得PSS产品具有更大市场竞争力。附图说明附图1为本发明制备工艺流程示意图；附图2为传统的蓝宝石刻蚀技术条件下，蓝宝石刻蚀速率和蓝宝石对光刻胶掩膜刻蚀选择比随下电极功率变化的关系曲线图；附图3为本发明的CHF3/BCl3二次掩膜刻蚀技术条件下，刻蚀副产物重新沉积在蓝宝石表面的SEM图像；附图4为本发明的CHF3/BCl3二次掩膜刻蚀技术条件下，当下电极功率为700W时，蓝宝石刻蚀速率和蓝宝石对光刻胶掩膜刻蚀选择比随CHF3/BCl3混合气体流量比变化的关系曲线图；附图5为本发明制备得到的光刻胶掩膜图形为圆柱形时的示意图；附图6为本发明制备得到的PSS产品示意图。具体实施方式为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。如附图1所示，一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括以下步骤：步骤一，对蓝宝石衬底1进行清洗。蓝宝石衬底的尺寸规格为2英寸、4英寸或6英寸。将蓝宝石衬底放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1-3:1，混合溶液温度控制在100℃-150℃，清洗时间为10分钟-30分钟。步骤二，在蓝宝石衬底1表面形成一层光刻胶掩膜图形2。具体为：在蓝宝石衬底表面涂覆光刻胶掩膜层，采用旋涂或喷涂方式进行涂覆，光刻胶掩膜层的厚度为1.0μm-10μm；然后对带有光刻胶掩膜层的蓝宝石衬底进行步进式曝光，经显影后，获得带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底。显影后的光刻胶掩膜图形的周期为1.0μm-10μm，光刻胶掩膜图形底径为0.75μm-9μm，图形高度为0.95μm-9.9μm。以及光刻胶掩膜图形形貌为圆柱状、圆台状或倒圆台状。步骤三，将带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石衬底放入ICP干法刻蚀设备内进行刻蚀操作，往ICP干法刻蚀设备分别通入由BCl3气体和CHF3气体，形成混合气体，并通入He气，以对刻蚀过程中的衬底片进行冷却。需要调整好适合的刻蚀参数对蓝宝石衬底进行刻蚀操作。刻蚀参数包括CHF3/BCl3混合气体的流量比、腔体压强、上/下电极功率、氦气（He）压强、冷却温度和刻蚀时间。混合气体中CHF3气体流量与BCl3气体流量的比例值范围为0-40%，CHF3/BCl3混合气体总流量范围为50-120sccm，刻蚀操作由主刻蚀阶段和过刻蚀阶段构成，主刻蚀时间大于过刻蚀时间，制备得到图形化蓝宝石衬底。所述步骤三中ICP干法刻蚀设备内上电极功率为1000-1500W，下电极功率为200-800W，其中主刻蚀阶段的下电极功率为200-700W，主刻蚀时间占总刻蚀时间的60%-80%，过刻蚀阶段的下电极功率范围为700-800W，过刻蚀时间占总刻蚀时间的20%-40%。ICP干法刻蚀设备内的He气压强调控范围为3T-8T，ICP干法刻蚀设备的内部压强调控范围为1.5mT-5mT。冷却温度的调控范围为-20℃-40℃。如图3所示，在BCl3气体中混入一定比例的CHF3气体，CHF3气体使干法刻蚀过程中的副产物重新沉积到掩膜的顶部、掩膜图形之间的间距区和蓝宝石图形的侧壁表面。掩膜顶部的副产物发挥二次掩膜的作用，等效于降低了光刻胶刻蚀速率；间隔区副产物的CH-成分与蓝宝石O-成分反应，一定程度上有利于提升蓝宝石的刻蚀速率，而蓝宝石图形侧壁上的副产物则会对PSS最终的图形形貌起调控作用。如图4所示，在700W下电极功率条件下，蓝宝石刻蚀速率与刻蚀选择比随CHF3/BCl3气体流量比的变化曲线，不难发现，当CHF3/BCl3气体流量比为1:5时，蓝宝石对光刻胶掩膜的刻蚀选择比超过1.2，且在蓝宝石的选择比＞1的前提下，蓝宝石刻蚀速率仍能达到80nm/min以上。实施例1步骤1：对4寸蓝宝石平片衬底进行清洗。具体为：将4寸蓝宝石平片衬底放入浓硫酸与双氧水混合溶液中浸泡清洗，浓硫酸与双氧水的体积比为5:1，混合溶液温度控制在135℃，清洗时间为30分钟。步骤2：采用标准的半导体黄光工艺，在4寸蓝宝石平片衬底表面旋涂一层AZ601型号的光刻胶掩膜层，掩膜层的厚度为2.25μm±0.05μm。然后采用NikonStepper步进式曝光设备对蓝宝石衬底进行曝光，曝光用的光刻版图形周期为3.0μm±0.02μm,掩膜直径与间距规格为2μm×1μm。对曝光后的蓝宝石平片衬底进行显影后，在蓝宝石平片衬底表面获得光刻胶掩膜图形阵列，如图5所示，光刻胶掩膜图形形貌为圆柱形，掩膜图形的上底径、下底径和高度分别为2.00μm±0.05μm、2.05μm±0.05μm和2.20μm±0.05μm。步骤3：将带有光刻胶掩膜图形的蓝宝石平片衬底装载到ICP刻蚀专用的托盘装置上，然后将托盘装置放入ICP设备腔体中并进行抽真空处理。设置ICP刻蚀参数，参数的具体设定如下表1所示。主刻蚀和过刻蚀过程结束后，从ICP腔体中取出蓝宝石衬底片，并对其进行清洗处理后，实现了周期为3微米规格为1.75μm×2.70μm的PSS产品，如图6所示。表1、4寸PSS制备的刻蚀菜单设置参数上电极功率/W下电极功率/WBCl3流量/sccmCHF3流量/sccm腔体压强/mTHe气压强/T冷却温度/℃刻蚀时间/min主刻蚀1400700100202.461020过刻蚀14007508002.261010针对1.75μm×2.70μm规格的PSS产品，我们对比了传统刻蚀技术与本发明刻蚀技术的二套关键工艺参数，如下表2所示。不难发现，本发明基于CHF3/BCl3二次掩膜等离子体干法刻蚀的PSS衬底制备技术既能提高蓝宝石材料的刻蚀速率，同时也能提高蓝宝石对光刻胶刻蚀选择比，解决PSS制备过程中刻蚀速率与刻蚀选择比相互制约的技术瓶颈问题。表2、传统刻蚀技术与本发明刻蚀技术二套关键工艺参数对比表参数下电极功率/WBCl3流量/sccmCHF3流量/sccmHe气压强/T冷却温度/℃刻蚀时间/min蓝宝石刻蚀速率蓝宝石对光刻胶选择比传统技术350120043032min520.83本发明技术7001002061020min821.2需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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