[发明专利]一种蓝宝石衬底上亚微米级的图形的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别是指一种利用紫外光刻技术在蓝宝石衬底上制备亚微米级图形的制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铟(InN)等三族氮化物宽禁带半导体材料体系及相关的三元、四元合金，由于其宽广的带隙（从0.6eV的红外区域一直覆盖到6.1eV的深紫外区域）和优异的光学、电学性质，在蓝、绿、紫外（UV）及深紫外波段的发光二极管（LED）和激光器（LD）等光电子器件领域有着广阔的应用。由于同质外延衬底的缺乏，氮化物基LED器件制备的衬底材料大多采用蓝宝石衬底、SiC衬底或者Si衬底，其中，蓝宝石衬底因其优良的光学性能、优良的化学稳定性以及成熟的生产技术、适中的价格而成为最常用的制备氮化物基LED器件的衬底材料。然而，蓝宝石衬底和氮化物外延层存在很大的晶格常数失配和热膨胀系数差异，导致其上外延的氮化物生长层的穿透位错密度高达10⁸-10¹⁰cm^-2，而如此高的穿透位错密度势必影响氮化物LED器件的性能。

采用蓝宝石图形化衬底(Patterned Sapphire Substrates)技术可以实现蓝宝石衬底与氮化物生长层间由于失配所引起的应力的有效弛豫，大大降低外延材料中的位错密度，提高外延层晶体质量，从而提高氮化物基LED器件性能。另外，由于氮化物半导体的折射率远大于空气和蓝宝石衬底,导致LED器件发光大部分被限制在器件内，而图形蓝宝石衬底的光散射作用可以使原本限制在器件内部不能出射的光寻找到出射角，形成出射光，从而提高器件的出光效率。

综上所述，为了更有效地实现高晶体质量、高出光效率的氮化物基LED器件的生长和制备，发展易于实现，工艺可控性高、重复性高，刻蚀成品率高的图形蓝宝石衬底技术势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过紫外光刻工艺实现工艺可控性高、重复性高，

刻蚀成品率高的蓝宝石衬底上亚微米级图形的制备方法。

本发明的技术方案包括以下步骤：

1）在蓝宝石衬底上淀积一层二氧化硅或氮化硅作为蓝宝石衬底上精细光刻的光刻胶粘附层；

2）采用紫外光刻方法在步骤1）制成的蓝宝石衬底上制备光刻胶几何图形掩膜层； 

3）利用真空蒸镀设备在步骤2）制成的蓝宝石衬底上蒸镀多层金属结构作为刻蚀蓝宝石衬底的掩膜层，所述多层金属结构为由金属以金属Ni和其它金属 相间组成的A/Ni/B/Ni/C/Ni……结构，其中其它金属A、B、C……分别为金属Ti或者Cr或者Al或者In或者Ag或者Au；

4）将步骤3）制成的蓝宝石衬底浸入沸腾的丙酮中，以超声处理3min~15min，进行光刻胶剥离工艺，而后用去离子水冲洗干净；

5）采用感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀方法刻蚀步骤4）制成的蓝宝石衬底，其中，将BCl₃、Cl₂和Ar混合形成的等离子气体进行等离子对衬底进行刻蚀，刻蚀后，衬底上均匀排布柱体；所述等离子气体中，BCl₃和Cl₂和Ar的混合的体积比为0～0.5︰0.5～1︰0～0.5；

6）将步骤5）制成的图形蓝宝石衬底放入盐酸水溶液中进行加热超声处理，去除金属掩膜层，而后用去离子水冲洗干净；

7）将步骤6制成的蓝宝石图形衬底放入稀释的氢氟酸中，或者加热的磷酸溶液中去除光刻胶粘附层；而后将衬底放入丙酮、酒精中进行超声处理，再用去离子水冲洗干净。

通过以上步骤，即可完成蓝宝石衬底上图形的制备。与采用电子束光刻等先进光刻工艺制备同等尺寸量级的图形衬底相比较，本发明较使用传统接触式光刻机大大降低了制作成本，并且该制作方法工艺简便，易操作，刻蚀成品率高。另外，本发明公开的图形蓝宝石衬底可用于低位错密度、高晶体质量氮化物的外延生长，可作为生产具有更高出光效率的氮化物半导体发光二极管(Light Emitting Diode ,LED)的衬底材料，因此本发明是一种具有极大经济价值和使用价值的亚微米级图形蓝宝石衬底的制备方法，市场前景广阔。

可进行本发明加工的蓝宝石衬底为(0001)或c面、(1-102)或r面、(10-10)或m面、(11-20)或a面或其他晶面的蓝宝石衬底中的任意一种。