本发明涉及半导体制造，尤其是涉及一种图形化蓝宝石衬底的制备方法。
背景技术：
蓝宝石衬底因具有机械性能和化学稳定性好、不吸收可见光、制造技术相对成熟等优点，是led最为理想的衬底材料。图形化蓝宝石衬底(patternedsapphiresubstrate，简称pss)，是以腐蚀或刻蚀的方式，在蓝宝石基板表面制作出具有特定规则的微结构图案，以有效增加led的光输出功率及发光效率。
目前主流的pss衬底图形为底边直径约2um，间隔约1um，高度约为1.5-1.8um的圆锥体。为保证微米结构图形的分辨率与工艺良率，pss制造工艺中普遍采用复杂的步进投影式曝光方法，需要预设曝光区域、镜头焦面及投影比例，进行分区投影曝光。该工艺对光刻胶的耐刻蚀性等性能要求很高，大多数光刻胶达不到要求，无法兼顾分辨率和耐刻蚀性能。
现有技术中，有在蓝宝石衬底上逐步沉积二氧化硅膜和ito等，通过高温退火或化学反应，在表面形成颗粒，然后通过刻蚀形成pss衬底，但这种方法难以保证生产过程中的分布均匀性，并且周期性重复性差，基本无法实现工业化生产。也有采用多次刻蚀的方法对pss衬底性能及刻蚀工艺进行改善，但至少要进行3次以上的刻蚀工艺步骤，大大增加了工艺复杂度和生产成本。
另外，现有技术中，也有尝试纳米压印法和全息曝光法来实现蓝宝石衬底的图形化，纳米压印是接触式，对纳米模板与衬底平行度有极苛刻的要求，其脱模、排气及母版的污染均会使得量产的良率很难以控制；而全息曝光法，其高斯型光斑均匀性以及环境振荡对图形品质的严重影响，使其难以保证产品的良率及批次稳定性。
有鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，以解决现有技术中在制备图形化蓝宝石衬底时的工艺复杂、生产成本高的问题。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石衬底表面涂覆形成耐刻蚀涂层；
(b)在耐刻蚀涂层表面涂覆含硅光刻胶形成含硅光刻胶层，光刻形成掩膜图形；
(c)在含硅光刻胶层的保护下刻蚀耐刻蚀涂层，将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层；
(d)去除含硅光刻胶；
(e)刻蚀耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底，得到所述图形化蓝宝石衬底。
优选的，所述含硅光刻胶的硅含量为30％-45％。更优选的，所述含硅光刻胶的硅含量为40％-42％。
含硅光刻胶具有良好的耐刻蚀性能，以及明显区别于有机耐刻蚀涂层的刻蚀比，因此厚度控制在百纳米级别即可满足耐刻蚀性能的要求，而超薄的膜厚可以采用接触式曝光方式形成掩膜图形，避免了普通厚膜光刻胶在接触式曝光时存在的分辨率低、有驻波效应、对比度差、图形一致性差等致使良率低的问题。
优选的，所述光刻胶层的厚度为50-500nm。更优选的，所述光刻胶层的厚度为80-150nm。
优选的，所述耐刻蚀涂层为有机耐刻蚀材料。可选用常规有机耐刻蚀材料，耐刻蚀涂层无需具备感光性能，其使用一方面可以减少曝光时光源透过光刻胶薄层后在蓝宝石衬底上的反射作用；另一方面，避免了含硅光刻胶层与蓝宝石衬底的直接接触存在刻蚀选择比差的问题，提高了刻蚀效率。更优选的，所述有机耐刻蚀材料包括热固性树脂。进一步优选的，所述有机耐刻蚀材料还包括固化剂。
在热固性树脂中加入对应的固化剂，能够提高耐刻蚀材料的固化速度，保证固化产物结构的致密性，提高耐刻蚀涂层的耐刻蚀性能。
优选的，所述耐刻蚀涂层的厚度为1-3μm。更优选的，所述耐刻蚀涂层的厚度为1.5-2.5μm。
优选的，所述步骤(b)中，通过黄光工艺在光刻胶层上形成掩膜图形，具体的，所述含硅光刻胶通过黄光工艺进行烘烤、曝光、显影等步骤，形成所需的光刻图形。优选的，曝光方式可以采用一次完整成型的接触式曝光，避免了现有投影式曝光时需要进行分区多步扫描曝光、工艺复杂而耗时且存在着视场之间有拼接误差易造成图案形变的问题。
优选的，所述步骤(c)中通过等离子体刻蚀耐刻蚀涂层，将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层。更优选的，所述等离子体刻蚀气体中含有氧元素。由于耐刻蚀涂层主要成分均为碳氢氧有机化合物，而光刻胶图形层主要成分为硅和氧，因此采用常规的含氧刻蚀气体即可轻易的刻蚀掉未在光刻胶图形层保护下的耐刻蚀涂层。
优选的，所述步骤(d)中通过等离子体刻蚀除去含硅光刻胶层。更优选的，所述等离子体刻蚀气体含有氟元素。含硅光刻胶层的含硅量约为40％，成分已接近于二氧化硅，采用常规含氟刻蚀气体氛围即可刻蚀掉光刻胶层。
优选的，所述步骤(e)中通过感应耦合等离子体刻蚀耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底。更优选的，所述刻蚀气体为cl2和bcl3。感应耦合等离子体刻蚀效率高，刻蚀损伤小，均匀性好，成本低。通过上述条件，能够提高icp方式刻蚀蓝宝石衬底的刻蚀速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的图形化蓝宝石衬底的制备方法，采用含硅光刻胶结合耐刻蚀涂层的使用，增加了耐刻蚀性能，而薄的光刻胶厚度使接触式曝光方式同样能够满足工艺对分辨率和良率的高要求；
(2)本发明的制备方法工艺简单，周期重复性好，生产成本低；
(3)本发明的制备方法，可根据实际需要，变换掩膜图形，得到不同的目标图形化蓝宝石衬底样式，适应性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例制备图形化蓝宝石衬底的流程结构示意图；
其中，
(1)为涂覆形成耐刻蚀涂层和光刻胶层的剖面结构示意图；
(2)为将光刻胶层形成掩膜图形的剖面结构示意图；
(3)为将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层的剖面结构示意图；
(4)为去除光刻胶的剖面结构示意图；
(5)为刻蚀蓝宝石衬底后形成的图形化蓝宝石衬底形貌剖面结构示意图。
附图标记：
1-蓝宝石衬底；2-耐刻蚀涂层；3-光刻胶层。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一种图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石衬底表面涂覆形成耐刻蚀涂层；
(b)在耐刻蚀涂层表面涂覆含硅光刻胶形成含硅光刻胶层，光刻形成掩膜图形；
(c)在含硅光刻胶层的保护下刻蚀耐刻蚀涂层，将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层；
(d)去除含硅光刻胶；
(e)刻蚀耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底，得到所述图形化蓝宝石衬底。
在本发明一优选实施方式中，所述含硅光刻胶的硅含量为30％-45％。更优选的，所述含硅光刻胶的硅含量为40％-42％。
含硅光刻胶具有良好的耐刻蚀性能，以及明显区别于有机耐刻蚀涂层的刻蚀比，因此厚度控制在百纳米级别即可满足耐刻蚀性能的要求，而超薄的膜厚可以采用接触式曝光方式形成掩膜图形，避免了普通厚膜光刻胶在接触式曝光时存在的分辨率低、有驻波效应、对比度差、图形一致性差等致使良率低的问题。
在本发明一优选实施方式中，所述光刻胶层的厚度为50-500nm。更优选的，所述光刻胶层的厚度为80-150nm。
在本发明一优选实施方式中，所述耐刻蚀涂层为有机耐刻蚀材料。可选用常规有机耐刻蚀材料，耐刻蚀涂层无需具备感光性能，其使用一方面可以减少曝光时光源透过光刻胶薄层后在蓝宝石衬底上的反射作用；另一方面，避免了含硅光刻胶层与蓝宝石衬底的直接接触存在刻蚀选择比差的问题，提高了刻蚀效率。更优选的，所述有机耐刻蚀材料包括热固性树脂。进一步优选的，所述有机耐刻蚀材料还包括固化剂。
在热固性树脂中加入对应的固化剂，能够提高耐刻蚀材料的固化速度，保证固化产物结构的致密性，提高耐刻蚀涂层的耐刻蚀性能。
在本发明一优选实施方式中，所述耐刻蚀涂层的厚度为1-3μm。更优选的，所述耐刻蚀涂层的厚度为1.5-2.5μm。
在本发明一优选实施方式中，所述步骤(b)中，通过黄光工艺在光刻胶层上形成掩膜图形，具体的，所述含硅光刻胶通过黄光工艺进行烘烤、曝光、显影等步骤，形成所需的光刻图形。优选的，曝光方式可以采用一次完整成型的接触式曝光，避免了现有投影式曝光时需要进行分区多步扫描曝光、工艺复杂而耗时且存在着视场之间有拼接误差易造成图案形变的问题。
在本发明一优选实施方式中，所述步骤(c)中通过等离子体刻蚀耐刻蚀涂层，将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层。更优选的，所述等离子体刻蚀气体中含有氧元素。由于耐刻蚀涂层主要成分均为碳氢氧有机化合物，而光刻胶图形层主要成分为硅和氧，因此采用常规的含氧刻蚀气体即可轻易的刻蚀掉未在光刻胶图形层保护下的耐刻蚀涂层。
在本发明一优选实施方式中，所述步骤(d)中通过等离子体刻蚀除去含硅光刻胶层。更优选的，所述等离子体刻蚀气体含有氟元素。含硅光刻胶层的含硅量约为40％，成分已接近于二氧化硅，采用常规含氟刻蚀气体氛围即可刻蚀掉光刻胶层。
在本发明一优选实施方式中，所述步骤(e)中通过感应耦合等离子体刻蚀耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底。更优选的，所述刻蚀气体为cl2和bcl3。感应耦合等离子体刻蚀效率高，刻蚀损伤小，均匀性好，成本低。通过上述条件，能够提高icp方式刻蚀蓝宝石衬底的刻蚀速率。
实施例1
下面通过具体实施例说明本发明所述图形化蓝宝石衬底的制备方法的实施过程：请参阅图1，其是本实施例制备图形化蓝宝石衬底的流程结构示意图，其中，(1)为涂覆形成耐刻蚀涂层和光刻胶层的剖面结构示意图；(2)为将光刻胶层形成掩膜图形的剖面结构示意图；(3)为将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层的剖面结构示意图；(4)为去除光刻胶的剖面结构示意图；(5)为刻蚀蓝宝石衬底后形成的图形化蓝宝石衬底形貌剖面结构示意图。
本实施例所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，包括如下步骤：
(a)在蓝宝石衬底1表面涂覆形成耐刻蚀涂层2；具体的，
(a1)将所述蓝宝石衬底1表面进行净化预处理：
将蓝宝石衬底1置于三氯乙烷中，超声清洗10min，然后置于丙酮中，超声清洗2min；用去离子清洗，然后用体积比为1﹕1的硫酸和硝酸浸泡10min后，用去离子水清洗干净，干燥得到净化处理的蓝宝石衬底1；
(a2)在上述经净化处理的蓝宝石衬底1表面通过旋涂法涂覆双马来酰亚胺树脂bmi-1500(生产厂商：designermolecules公司)，涂覆结束后，于210℃烘烤2min固化，使其去除溶剂形成厚度为2μm的均匀致密的耐刻蚀涂层2；
(b)在耐刻蚀涂层2表面涂覆含硅光刻胶，形成光刻胶层3，并光刻形成掩膜图形；具体的，
在上述形成的耐刻蚀涂层2表面通过旋涂法涂覆含硅光刻胶sun-ihm(生产厂商：潍坊星泰克微电子材料有限公司)，在60℃下进行1min的前烘，去除溶剂，形成厚度为100nm的光刻胶层3；采用接触式曝光机在365nm下，以60mj的曝光量对光刻胶层进行曝光，然后在130℃下进行1min的中烘，在质量分数为2.38％的tmah水溶液中显影，形成了如图1(2)所示的结构；
(c)在光刻胶的保护下，对耐刻蚀涂层进行刻蚀；具体的：
采用氧气作为干法刻蚀气体，刻蚀掉无光刻胶保护部分的有机耐刻蚀涂层，形成了如图1(3)所示的结构，从而将掩膜图形转移至耐刻蚀涂层；
(d)去除光刻胶层；具体的：
切换刻蚀气体成分，采用cf4作为主要刻蚀气体，对含硅光刻胶层进行刻蚀，除去光刻胶，形成了如图1(4)所示的结构；
(e)刻蚀耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底，得到所述图形化蓝宝石衬底；具体的：
再次切换刻蚀气体成分，采用质量流量比为1﹕4的cl2和bcl3，对耐刻蚀涂层和蓝宝石衬底进行刻蚀，最终耐刻蚀涂层全部被刻蚀，并形成了如图1(5)所示的结构。
所述图形化蓝宝石衬底的结构不局限于此，可根据实际需求，对掩膜图形进行调整，进而得到不同形状的图形化蓝宝石衬底。
实施例2
本实施例参考实施例1的制备方法，其区别仅在于，所述含硅光刻胶的硅含量为42％。
实施例3
本实施例参考实施例1的制备方法，其区别仅在于，所述含硅光刻胶的硅含量为40％。
实施例4
本实施例参考实施例1的制备方法，其区别仅在于，所述光刻胶层的厚度为80nm。
实施例5
本实施例参考实施例1的制备方法，其区别仅在于，所述光刻胶层的厚度为150nm。
通过本发明所述的图形化蓝宝石衬底的制备方法，采用含硅光刻胶结合耐刻蚀涂层，增加了耐刻蚀性能，超薄厚度的光刻胶层使采用接触式曝光方式即能够满足工艺对分辨率和良率的高要求，有效的控制了设备成本。并且，本发明的制备方法，可根据实际需要，变换掩膜图形，得到不同的目标图形化蓝宝石衬底样式，适应性强。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。