CN108091559B - 一种蓝宝石衬底的刻蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，包括先后进行的主刻蚀步骤和过刻蚀步骤，主刻蚀步骤包括工艺开始时的快速升温阶段，在快速升温阶段，将蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力调整到设定压力范围内；同时将用于使蓝宝石衬底产生偏压的下电极功率调整到设定功率范围内；以使蓝宝石衬底的温度能在设定时间范围内从初始温度上升到设定温度范围内；从而使蓝宝石衬底的刻蚀选择比能达到0.85以上。该蓝宝石衬底的刻蚀方法，发现蓝宝石衬底背吹冷却气体压力和下电极功率在设定范围内能够使蓝宝石衬底的温度在较短时间内上升到使其刻蚀选择比达到0.85以上的设定温度范围内，从而提高了刻蚀选择比，进而提高了蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌。
Description
技术领域
本发明涉及磁控溅射技术领域，具体地，涉及一种蓝宝石衬底的刻蚀方法。
背景技术
氮化镓(GaN)是一种新型的半导体材料，具有高效率、低功耗、长寿命等优点，被广泛应用于LED领域。高纯度的氮化镓晶体价格昂贵并且难以制备，通常采用蓝宝石作为生长GaN薄膜的衬底材料。蓝宝石与GaN之间存在晶格失配(失配率约为16％)和热应力失配，在蓝宝石上直接生长氮化镓会造成晶格缺陷，进而降低LED的发光性能。一种提高LED出光效率的方法就是图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate，简称PSS)。图形化蓝宝石衬底是指在蓝宝石平面衬底上制备出周期性的微米或者纳米级的图形化结构。图形化的蓝宝石衬底不仅能减少氮化镓(GaN)外延生长过程中的位错密度，提高内量子效率，而且还能改变光的输出路径，提高了光取出效率。据文献报道，图形化蓝宝石衬底能够提高30％的发光效率。
目前PSS刻蚀的最常用方法的是干法刻蚀(Dry Etch)。干法刻蚀是指利用外加电场将刻蚀气体(BCl3)电离成等离子体，然后对蓝宝石及光刻胶(PR)进行物理或者化学反应。反映刻蚀的主要因素有刻蚀速率、刻蚀选择比(Selectivity,简称Sel)。刻蚀速率是指单位时间内刻蚀蓝宝石的高度，刻蚀选择比是指蓝宝石的刻蚀速率与光刻胶刻蚀速率的比值。刻蚀选择比的大小能够在一定程度上决定PSS刻蚀高度及刻蚀形貌，通常刻蚀选择比越高，刻蚀高度越高且形貌越好。
目前调节刻蚀选择比的方法有增加激发形成等离子体的上电极功率、降低在蓝宝石衬底上产生偏压的下电极功率、增加工艺气体(BCl3)的流量、增加吸附蓝宝石衬底的静电卡盘温度等。但通过这些方法都只能将刻蚀选择比调整到0.78左右，刻蚀选择比总体来说还是比较低。到目前为止，还未发现能够进一步提高刻蚀选择比的更好的方法。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，提供一种蓝宝石衬底的刻蚀方法。该蓝宝石衬底的刻蚀方法通过对蓝宝石衬底刻蚀过程中的背吹冷却气体压力及下电极功率的工艺参数进行开发设计，发现蓝宝石衬底背吹冷却气体压力和下电极功率在设定范围内能够使蓝宝石衬底的温度在较短时间内上升到使其刻蚀选择比达到0.85以上的设定温度范围内，从而提高了刻蚀选择比，进而提高了蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌，最终使采用该蓝宝石衬底的LED器件的发光效率大幅提高。
本发明提供一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，包括先后进行的主刻蚀步骤和过刻蚀步骤，其特征在于，所述主刻蚀步骤包括工艺开始时的快速升温阶段，在所述快速升温阶段，将所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力调整到设定压力范围内；同时将用于使所述蓝宝石衬底产生偏压的下电极功率调整到设定功率范围内；以使所述蓝宝石衬底的温度能在设定时间范围内从初始温度上升到设定温度范围内；从而使所述蓝宝石衬底的刻蚀选择比能达到0.85以上。
优选地，所述设定压力范围为：2～3T。
优选地，所述设定功率范围为：500～700W。
优选地，所述设定温度范围为：91～102℃。
优选地，所述设定时间范围为：30s～2min。
优选地，所述初始温度的范围为：20～30℃。
优选地，在所述主刻蚀步骤的所述快速升温阶段，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W。
优选地，所述主刻蚀步骤还包括所述快速升温阶段结束后的稳定工艺阶段，在所述稳定工艺阶段，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为2～3T；所述下电极功率范围为200W～500W；所述稳定工艺阶段的时长范围为10～20min。
优选地，在所述过刻蚀步骤中，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～100sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为4～6T；所述下电极功率范围为600W～700W；所述过刻蚀步骤的时长范围为15～30min。
本发明的有益效果：本发明所提供的蓝宝石衬底的刻蚀方法，通过对蓝宝石衬底刻蚀过程中的背吹冷却气体压力及下电极功率的工艺参数进行开发设计，发现蓝宝石衬底背吹冷却气体压力和下电极功率在设定范围内能够使蓝宝石衬底的温度在较短时间内上升到使其刻蚀选择比达到0.85以上的设定温度范围内，从而利用主刻蚀步骤中工艺开始时的快速升温阶段提高了刻蚀选择比，进而提高了蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌，最终使采用该蓝宝石衬底的LED器件的发光效率大幅提高。
附图说明
图1为不同背吹氦气压力与蓝宝石衬底表面温度的关系表；
图2为蓝宝石衬底温度与刻蚀选择比的关系图；
图3为背吹氦气压力为2T时的蓝宝石衬底表面温度与反应时间的关系图；
图4为下电极功率为500W，背吹氦气压力为3T时蓝宝石衬底温度与反应时间的关系图；
图5为本发明实施例1中的工艺配方下刻蚀形成的蓝宝石衬底的扫描电镜图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种蓝宝石衬底的刻蚀方法作进一步详细描述。
实施例1：
本实施例提供一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，包括先后进行的主刻蚀步骤和过刻蚀步骤，主刻蚀步骤包括工艺开始时的快速升温阶段，在快速升温阶段，将蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力调整到设定压力范围内；同时将用于使蓝宝石衬底产生偏压的下电极功率调整到设定功率范围内；以使蓝宝石衬底的温度能在设定时间范围内从初始温度上升到设定温度范围内；从而使蓝宝石衬底的刻蚀选择比能达到0.85以上。
其中，刻蚀选择比是指蓝宝石衬底的刻蚀速率与光刻胶的刻蚀速率的比值。蓝宝石衬底的刻蚀速率是指单位时间内刻蚀蓝宝石衬底的高度。光刻胶的刻蚀速率是指单位时间内刻蚀光刻胶的高度。刻蚀选择比的大小能够在一定程度上决定蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌，通常刻蚀选择比越高，刻蚀高度越高且刻蚀形貌越好。
本实施例中，优选地，蓝宝石衬底背吹冷却气体的设定压力范围为：2～3T。进一步优选地，蓝宝石衬底背吹冷却气体的设定压力范围为：2.5～3T。优选的设定温度范围为：91～102℃。
在蓝宝石衬底的刻蚀过程中，蓝宝石衬底在三氯化硼(BCl3)等离子体的物理轰击及化学反应双重作用下会放出大量的热，表面温度剧烈升高。为了降低蓝宝石衬底的表面温度，通常在蓝宝石衬底背部通入氦气(He)。不断通入的氦气会在蓝宝石衬底与静电卡盘之间发生热交换，达到降低蓝宝石衬底温度的作用。如图1所示为不同背吹氦气压力与蓝宝石衬底表面温度的关系表。从表中可以看出，蓝宝石衬底表面温度与背吹氦气的压力大小有关，背吹氦气的压力越大，冷却效果越好，蓝宝石衬底表面温度越低。
蓝宝石衬底表面温度对的刻蚀选择比有较大的影响。通过控制蓝宝石衬底表面温度，可以达到控制实现不同刻蚀选择比的目的。如图2为在相同的工艺配方下不同的蓝宝石衬底温度与刻蚀选择比的关系图。图2中相应的工艺配方如下：刻蚀压力为2.6mT；上电极功率为1400W；下电极功率为350W；工艺气体(BCl3)流量为60sccm；蓝宝石衬底背吹冷却气体(He)压力为2～6T；工艺时长20min；蓝宝石衬底的初始温度为20℃。
从图2中我们可以看出，刻蚀选择比随着蓝宝石衬底温度的升高先增加后降低。当蓝宝石衬底温度为63℃时，刻蚀选择比为0.765，这是由于温度较低时，吸附在蓝宝石衬底表面的BCl3分子的平均自由程较小，分子间碰撞较剧烈，BCl3等离子体对蓝宝石衬底和光刻胶的刻蚀速率较快，整体上刻蚀选择比较低；当蓝宝石衬底的温度为102℃时，刻蚀选择比最高为0.84，这是由于温度较高时，光刻胶因为高温烘烤***而更耐刻蚀，光刻胶的刻蚀速率显著降低，整体上刻蚀选择比增加；而当蓝宝石衬底的温度为107℃时，刻蚀选择比降低至0.77，主要原因为蓝宝石衬底表面温度太高，超过了光刻胶能承受的温度范围，导致光刻胶变糊而不耐刻蚀。从图2中可以看出，蓝宝石衬底的温度在91～102℃范围内时，刻蚀选择比较高。因此，优选背吹氦气的设定压力范围为2.5～3T，能够使蓝宝石衬底的温度保持在91～102℃范围内，从而提高刻蚀选择比，进而提高蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌。
要想获得较高的刻蚀选择比，必须使蓝宝石衬底的表面温度一直保持在91～102℃的范围之内。然而实际刻蚀过程中，蓝宝石衬底的表面温度随着反应时间增加而逐渐升温，如图3所示为背吹氦气压力为2T时的蓝宝石衬底表面温度与反应时间的关系图。从图3中可以看出，蓝宝石衬底的初始温度为20℃，反应20min时蓝宝石衬底温度为102℃，蓝宝石衬底表面温度随着反应时间先增加后保持不变。当反应时间为1min时，蓝宝石衬底表面温度为63℃；反应时间为5min时，蓝宝石衬底表面温度为91℃；反应时间为10min时，蓝宝石衬底表面温度才升到102℃。从图2中的曲线我们可以知道，当蓝宝石衬底表面温度较低时，刻蚀选择比较低，即前面0～10min刻蚀选择比相对较低，它会影响整体刻蚀过程中的刻蚀选择比。因此，提高刻蚀选择比的关键是加快蓝宝石衬底的升温速率，使得蓝宝石衬底表面温度在短时间内升高到能使刻蚀选择比较高的温度范围内。
下电极功率的大小对蓝宝石衬底表面升温速率有较大的影响。下电极功率增加，升温速率加快，主要原因为高下电极功率下BCl3等离子体对蓝宝石衬底表面的轰击更剧烈。如图4所示为下电极功率为500W，背吹氦气压力为3T时蓝宝石衬底温度的升温曲线图，相应的工艺配方为：刻蚀压力为2.6mT；上电极功率为1400W；下电极功率为500W；工艺气体(BCl3)流量为60sccm；工艺时长20min；蓝宝石衬底的初始温度为20℃。可以看出反应时间仅为2min，蓝宝石衬底表面温度已经达到102℃，升温效果非常明显。因此，增加下电极功率能够快速有效的提高蓝宝石衬底升温速率。
本实施例中，优选地，下电极功率的设定功率范围为：500～700W。进一步优选地，下电极功率的设定功率范围为：500～600W。优选的设定时间范围为：30s～2min。进一步优选的设定时间范围为：30s～1min。蓝宝石衬底的初始温度的范围为：20～30℃。该工艺参数的设置范围，能使蓝宝石衬底表面温度在短时间内升高到能使刻蚀选择比较高的温度范围内，从而提高刻蚀选择比，进而提高蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌。
本实施例中，在主刻蚀步骤的快速升温阶段，相应的其他工艺配方为：刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使刻蚀腔室内的刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W。
本实施例中，主刻蚀步骤还包括快速升温阶段结束后的稳定工艺阶段，在稳定工艺阶段，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使刻蚀腔室内的刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为2～3T；下电极功率范围为200W～500W；稳定工艺阶段的时长范围为10～20min。
需要说明的是，对蓝宝石衬底的主刻蚀步骤包括两个或多个刻蚀工艺阶段，本实施例中的主刻蚀步骤包括两个工艺阶段。本实施例中对蓝宝石衬底刻蚀工艺参数的调整主要是在主刻蚀步骤的快速升温阶段进行，因为快速升温阶段对刻蚀选择比的影响较大，经过快速升温阶段和稳定工艺阶段后，蓝宝石衬底的高度和形貌就基本确定。
下面举例说明蓝宝石衬底的主刻蚀步骤的两个工艺阶段的工艺参数配置。例如：在快速升温阶段，相应的工艺配方设置为：刻蚀压力为2.6mT；上电极功率为1400W；下电极功率为500W；工艺气体(BCl3)流量为60sccm；蓝宝石衬底背吹冷却气体(He)压力为3T；工艺时长2min；蓝宝石衬底的初始温度为20℃。在稳定工艺阶段，相应的工艺配方设置为：刻蚀压力为2.6mT；上电极功率为1400W；下电极功率为300W；工艺气体(BCl3)流量为60sccm；蓝宝石衬底背吹冷却气体(He)压力为3T；工艺时长17min；蓝宝石衬底的初始温度为20℃。在该工艺配方下刻蚀形成的蓝宝石衬底的扫描电镜图如图5所示，刻蚀选择比为0.96，远高于目前常用的工艺配方所获得的刻蚀选择比(0.78左右)。此外，该工艺配方下蓝宝石衬底刻蚀后的形貌无拐角，侧壁角度为176.87°，从而避免了过刻蚀步骤中对拐角的修饰，刻蚀后高度更高、形貌更好。
通过调节下电极功率、背吹氦气压力和工艺时间的方式控制蓝宝石衬底表面温度，可以利用粘贴在蓝宝石衬底表面的测温试纸来读取蓝宝石衬底表面的温度数据，当然也可以通过红外测温的方式来实时检测蓝宝石衬底的表面温度。
另外，本实施例中，在主刻蚀步骤之后进行的过刻蚀步骤中，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～100sccm；用于使刻蚀腔室内的刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为4～6T；下电极功率范围为600W～700W；过刻蚀步骤的时长范围为15～30min。过刻蚀步骤能去除蓝宝石衬底上剩余的光刻胶，并对蓝宝石衬底的形貌进行修饰，从而完成蓝宝石衬底的图形化。
本实施例中的蓝宝石衬底的刻蚀方法，通过在主刻蚀步骤中工艺开始时的快速升温阶段对蓝宝石衬底刻蚀过程中的背吹冷却气体压力及下电极功率的工艺参数进行开发设计，发现蓝宝石衬底背吹冷却气体压力和下电极功率在设定范围内能够使蓝宝石衬底的温度在较短时间内上升到使其刻蚀选择比达到0.85以上的设定温度范围内，从而提高了刻蚀选择比，进而提高了蓝宝石衬底的刻蚀高度及刻蚀形貌，最终使采用该蓝宝石衬底的LED器件的发光效率大幅提高。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种蓝宝石衬底的刻蚀方法，包括先后进行的主刻蚀步骤和过刻蚀步骤，其特征在于，所述主刻蚀步骤包括工艺开始时的快速升温阶段，在所述快速升温阶段，将所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力调整到设定压力范围内；同时将用于使所述蓝宝石衬底产生偏压的下电极功率调整到设定功率范围内；以使所述蓝宝石衬底的温度能在设定时间范围内从初始温度上升到设定温度范围内；从而使所述蓝宝石衬底的刻蚀选择比能达到0.85以上；其中，
所述设定压力范围为：2～3T；
所述设定功率范围为：500～700W；
所述设定温度范围为：91～102℃；
所述设定时间范围为：30s～2min。
2.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述初始温度的范围为：20～30℃。
3.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，在所述主刻蚀步骤的所述快速升温阶段，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W。
4.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，所述主刻蚀步骤还包括所述快速升温阶段结束后的稳定工艺阶段，在所述稳定工艺阶段，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～120sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为2～3T；所述下电极功率范围为200W～500W；所述稳定工艺阶段的时长范围为10～20min。
5.根据权利要求1所述的蓝宝石衬底的刻蚀方法，其特征在于，在所述过刻蚀步骤中，刻蚀腔室内的工艺压力范围为：2～3mT；刻蚀工艺气体的流量范围为：60～100sccm；用于使所述刻蚀腔室内的所述刻蚀工艺气体激发形成等离子体的上电极功率范围为：1200～1600W；所述蓝宝石衬底的背吹冷却气体压力范围为4～6T；所述下电极功率范围为600W～700W；所述过刻蚀步骤的时长范围为15～30min。
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2016
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