專利名稱：制備陣列高壓led的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備納米尺寸、高深寬比有序圖形襯底的有效方法，應用于制備陣列高壓LED。
背景技術：
目前使用最廣泛的外延氮化鎵(GaN)材料的襯底是成本較低的藍寶石襯底，然而，藍寶石襯底和GaN材料存在巨大的晶格失配(16% )和熱膨脹系數失配(34% )，所以異質外延的GaN材料內部具有很高的位錯密度(IO9-1O11Cnr2)，這會引起載流子泄漏和非輻射復合中心增多等不良影響，降低器件的內量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率(η = 2. 4)高于藍寶石襯底(η =1. 7)以及外部封裝樹脂(η =1. 5)，使得有源區產生的光子在 GaN上下界面發生多次全反射，嚴重降低器件的光提取效率。圖形襯底技術通過在藍寶石襯底表面制作具有微小結構的圖形，然后再在這種圖形化的襯底表面進行材料外延。圖形化的界面改變了 GaN材料的生長過程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件內量子效率； 同時，粗糙化的GaN藍寶石界面能散射從有源區發射的光子，使得原本全反射的光子有機會出射到器件外部，能有效提高光提取效率I。
圖形襯底的表面形貌對襯底上的GaN的生長模式，體材料質量，以及最終的器件效率都將會有著深遠的影響。理論和實驗研究表明，當圖形襯底的結構單元尺寸減少至亞微米、甚至納米時，GaN材料的外延生長可通過橫向增生的方法最大限度地減少缺陷密度， 盡可能地提高LED的內量子效率2；同時，通過圖形襯底技術而在GaN藍寶石界面形成的三維納米結構由于尺寸和紫外至藍光波段的光波長近似，可最有效地散射從有源區發射的光子，大幅提高LED的光提取效率2；而且，這些納米結構還可通過有序的二維和三維排列，制成光子晶體結構，通過Pusell效應進一步控制有源區的發光模式，提高LED的發光效率和改善其發光角度分布3；此外，制造含有納米結構的氮化物器件，可以克服材料中的晶格位錯問題，增加產率，降低成本。
然而，圖形襯底技術在規模化生產中的應用迄今為止還停留在微米以上的結構尺寸，其根本原因是具有微米 以上有序單元結構的圖形襯底可通過工藝上十分成熟的光刻技術大規模制造，成本較低，而納米有序結構的圖形襯底需利用特殊技術，如電子束曝光，激光直寫，相干光衍射，自組裝等昂貴、低效率和費時的方式制造，阻礙了其規模化生產的可能性。Nanoimprint Lithography作為一種高效、低成本制備納米結構的技術,雖然已在圖形襯底制備的研究中得以嘗試，但由于Nanoimprint Lithography所用的掩膜膠厚度限制 ((200納米)，目前只能在藍寶石表面形成納米尺度淺孔的有序排列4，無法在GaN藍寶石界面實現高深寬比的納米錐球狀結構的有序排列；由于在錐球狀結構的藍寶石圖形襯底上氮化鎵增長方式和橫向外延非常類似，能夠最大限度地釋放由于晶格適配造成的壓應變，且具備最優化的光提取效率，上述限制阻礙了納米有序結構的圖形襯底在LED制造領域的高效、規模化應用。
參考文獻
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4. Sreenivasan SV，Willson CG，Schumaker NE，Resnick DJ. Low-CostNanostructure Patterning Using Step and Flash Imprint Lithography. NlST-SPIEConference on Nanotechnology. 2002.發明內容
本發明提供一種制備納米尺寸、高深寬比LED有序圖形襯底的有效方法，通過發明一種新型的工藝過程，結合現有的納米印刷技術(NanoimprintLithography)可以提高產率和規模，并且能夠低成本地在藍寶石表面制造具有納 米尺寸的錐、球狀結構的有序陣列，從而實現納米圖形襯底在LED領域的實際應用。
本發明的技術核心是通過一種創新的、與nanoimprint lithography兼容的金屬層剝離工藝，在GaN基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜，再通過感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術將掩膜圖形復制到GaN襯底表面，具體包括下列工藝步驟(I)在雙面拋光的藍寶石襯底表面通過旋轉涂膜法形成100-1000納米厚度的正性光刻膠層；(2)在正性光刻膠層表面通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)形成10-500納米二氧化娃薄膜；(3)利用nanoimprint lithography技術在二氧化娃薄膜表面形成10-500納米高度的壓印聚合物柱狀結構陣列，如圖1所示；(其中使用的納米壓印聚合物是Molecular Imprint Inc公司的Silmat,作是一種包含娃成分的分子印記材料， 為nanoimprint lithography技術專用)；(4)以壓印聚合物柱狀結構陣列為掩膜，通過反應離子刻蝕工藝對藍寶石表面的正性光刻膠層和二氧化硅薄膜進行刻蝕，深度至襯底， 同時對正性光刻膠層進行橫向蝕刻，形成側切，如圖2所示；(5)通過電子束蒸鍍在樣品表面沉積金屬膜層；(6)利用正性光刻膠層的側切，選擇性剝離在蒸鍍正性光刻膠層和二氧化硅薄膜表面的金屬層，從而在基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜；(7)利用序排列的納米金屬錐-柱掩膜，使用上下電極雙射頻源的電感耦合 (ICP)等離子體刻蝕設備，刻蝕藍寶石襯底至設定深度，如圖3所示；(8)利用濕法化學刻蝕去除金屬掩膜，在藍寶石表面形成有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構，最終實現具備有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構的藍寶石圖形襯底，如圖4所示。全部工藝步驟的流程圖如圖5所不。
在本工藝步驟里，nanoimprint lithography技術可被用來控制金屬掩膜結構中納米錐-柱的間距、密度和陣列模式；刻蝕正性光刻膠層所形成的側切尺寸可以控制金屬掩膜結構中納米錐-柱的底面積；此外，刻蝕二氧化硅所形成的側墻的坡度可以通過改變反應離子刻蝕的參數，包括反應氣體種類、氣體流速、氣壓和電壓，而得到控制；而二氧化硅的側墻坡度又可以改變金屬掩膜結構中納米錐-柱的傾角；進而控制藍寶石襯底圖形中納米錐球狀結構的排列模式、密度、高深寬比、以及錐球體三維幾何參數。
本發明應用于制備高亮度陣列式高壓LED時，將通過控制藍寶石襯底圖形中納米錐球狀結構的排列模式和間距將襯底圖形限制在陣列式高壓LED中的每一個器件微單元的下面，而微單元之間的絕緣溝道區域不存在三維襯底圖形，以保證橋聯金屬薄膜在穿越絕緣溝道區域時不受襯底圖形的影響，保持金屬導線的連續性和良好的導電能力，見圖6.
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明
圖1 :利用nanoimprint lithography技術在二氧化娃薄膜表面形成100-200納米高度的Silmat柱狀結構陣列；
圖2 :以Silmat柱狀結構陣列為掩膜，通過反應離子刻蝕工藝對藍寶石表面的 PMG1-SF6光刻膠層和二氧化硅薄膜進行刻蝕，深度至襯底，同時對PMG1-SF6光刻膠層進行橫向蝕刻，形成側切；
圖3 :利用序排列的納米金屬錐-柱掩膜，使用上下電極雙射頻源的電感耦合 (ICP)等離子體刻蝕設備，刻蝕藍寶石襯底所形成的圖案；
圖4 :利用濕法化學刻蝕去除金屬掩膜后，在藍寶石表面形成的有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構。
圖5 :本專利技術全部工藝步驟的流程圖。
圖6 :具備納米結構有序圖形襯底的陣列式高壓LED芯片的橫截面示意圖。
具體實施方式
實施舉例在本例里，將通過上述專利技術,利用nanoimprint lithography和金屬層剝離工藝，在GaN基底表面形成具有高深寬比、并有序排列的納米圖形，作為實例， 步驟如下首先，在一個雙面拋光的藍寶石襯底表面通過旋轉涂膜法形成200納米厚度的 PMG1-SF6 (Microlithography Chemical Inc公司)正性光刻膠層,其中藍寶石襯底的直徑可以是1-8英寸中的任意數值；然后，在PMG1-SF6光刻膠層表面通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)形成150納米二氧化娃薄膜；然后，利用nanoimprint lithography技術在二氧化硅薄膜表面形成200納米高度的Silmat柱狀結構陣列，然后，以Silmat柱狀結構陣列為掩膜，通過反應離子刻蝕工藝對藍寶石表面的PMG1-SF6光刻膠層和二氧化硅薄膜進行刻蝕，深度至襯底，同時對PMG1-SF6光刻膠層進行橫向蝕刻，形成側切；然后，通過電子束蒸鍍在樣品表面沉積Ni金屬膜層，厚度為100納米；然后，利用PMG1-SF6光刻膠層的側切，選擇性剝離在PMG1-SF6光刻膠層和二氧化硅薄膜表面的金屬層，從而在基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜；然后，利用序排列的納米金屬錐-柱掩膜，使用上下電極雙射頻源的電感耦合(ICP)等離子體刻蝕設備，采用基于Cl2/ Ar/BCl3氣體的感應耦合等離子體(ICP)刻蝕藍寶石襯底至600nm ;最后，利用濕法化學刻蝕去除金屬掩膜，在藍寶石表面形成有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構，最終實現具備有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構的藍寶石圖形襯底。
權利要求
1.一種制備陣列高壓LED的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法，其特征在于通過一種創新的、與nanoimprint lithography兼容的金屬層剝離工藝,在GaN基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜，再通過感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術將掩膜圖形復制到GaN襯底表面。該方法包括下列工藝步驟(I)在雙面拋光的藍寶石襯底表面通過旋轉涂膜法形成100-1000納米厚度的正性光刻膠層；(2)在正性光刻膠層表面通過等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)形成10-500納米二氧化硅薄膜；(3)利用nanoimprintlithography技術在二氧化娃薄膜表面形成10-500納米高度的壓印聚合物柱狀結構陣列；(4)以壓印聚合物柱狀結構陣列為掩膜，通過反應離子刻蝕工藝對藍寶石表面的正性光刻膠層和二氧化硅薄膜進行刻蝕，深度至襯底，同時對正性光刻膠層進行橫向蝕刻，形成側切；(5)通過電子束蒸鍍在樣品表面沉積金屬膜層；(6)利用正性光刻膠層的側切，選擇性剝離在蒸鍍正性光刻膠層和二氧化硅薄膜表面的金屬層，從而在基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜；(7)利用序排列的納米金屬錐-柱掩膜，使用上下電極雙射頻源的電感耦合(ICP)等離子體刻蝕設備，刻蝕藍寶石襯底至設定深度；(8)利用濕法化學刻蝕去除金屬掩膜，在藍寶石表面形成有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構，最終實現具備有序排列的高深寬比的納米錐球狀結構的藍寶石圖形襯底。
2.根據權利要求1所述的一種制備陣列高壓LED的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法，其特征在于刻蝕正性光刻膠層所形成的側切尺寸可以控制金屬掩膜結構中納米錐-柱的底面積。
3.根據權利要求1所述的一種制備陣列高壓LED的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法，其特征在于刻蝕二氧化硅所形成的側墻的坡度可以通過改變反應離子刻蝕的參數，包括反應氣體種類、氣體流速、氣壓和電壓，而得到控制；而二氧化硅的側墻坡度又可以改變金屬掩膜結構中納米錐-柱的傾角；進而控制藍寶石襯底圖形中納米錐球狀結構的排列模式、密度、高深寬比、以及錐球體三維幾何參數。
4.根據權利要求1所述的一種制備陣列高壓LED的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法，其特征在于通過控制藍寶石襯底圖形中納米錐球狀結構的排列模式和間距，將襯底圖形限制在陣列式高壓LED中的每一個器件微單元的下面，而微單元之間的絕緣溝道區域不存在三維襯底圖形，以保證橋聯金屬薄膜在穿越絕緣溝道區域時不受襯底圖形的影響，保持金屬導線的連續性和良好的導電能力。
全文摘要
本發明提供一種制備陣列高壓LED的納米尺寸高深寬比有序圖形襯底的方法，通過一種與nanoimprint lithography兼容的金屬層剝離工藝，在GaN基底表面形成一種具有高深寬比、并有序排列的納米金屬錐-柱掩膜，再通過感應耦合等離子體(ICP)刻蝕技術將掩膜圖形復制到GaN襯底表面，進而控制藍寶石襯底圖形中納米三維結構的幾何形狀，排列模式、密度，以及高深寬比；并通過限制納米三維結構在器件微單元底面的分布，應用于制備陣列式高壓LED。
文檔編號H01L33/00GK103000769SQ20111027392
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者張慶 申請人:張慶