TWI400160B - 應用於微奈米壓印製程之模具 - Google Patents

Description

應用於微奈米壓印製程之模具

本發明係為一種應用於微奈米壓印製程之模具，以及將該模具應用於微奈米壓印製程中，以製造高深寬比抗蝕刻結構之方法，特別地，其係為一種應用於發光二極體中以改善在上述發光二極體製程中，基板平整度誤差過大以及壓力分佈不均勻等狀況之模具與方法。

現今之發光二極體晶片之製造均需經一磊晶製程以成長為一半導體晶片，該磊晶製程包含MOCVD製程，由於當材料之成長為橫向堆疊時，其之晶格缺陷率較低且具有一較高之發光效率，為了在結構中加強橫向堆疊之品質，便需於基板上形成一高深寬比之凸出結構，以利材料堆疊於該凸出結構之頂表面上。

在傳統半導體製程中，一般係以微影蝕刻製程為主流，其係利用光罩對塗佈於基材上之光阻進行曝光製程，以在該基板之表面形成一具有預定形狀之光阻層，以覆蓋該基板。接著，將基板置於一對基板具侵蝕性的氣體或液體當中，此時，未被光阻覆蓋之部份則會被侵蝕並進而形成一凹陷結構，當凹陷結構到達一定程度時，便可將其取出並利用溶劑洗去基板上之光阻層，並藉以形成凸出結構。

然而，習知之微影蝕刻製程包含以下數個缺點：一、具較高解析度之光阻價格高昂，其每公升售價可達數十至上百萬元新台幣，以致習知微影蝕刻製程有著成本高昂的特點。此外，由於材料選擇性少，難以搭配多樣化的蝕刻製程需求，譬如在 進行藍寶石基板濕蝕刻時，PMMA系列光阻之抗蝕刻能力極差。二、現有微影蝕刻製程在微影部分，係以使用aligner曝光機進行整片基板曝光，或者是以使用步進式曝光機進行小區域曝光為主。使用aligner曝光機來進行整片基板曝光，其產出速度較快，但微影蝕刻製程之解析度有限(線寬需大於2μm)。而使用步進式曝光機進行小區域曝光，則可製作較小線寬之結構，但須使用抗蝕刻能力較差之光阻，且光阻塗佈厚度需極薄，因而難以製作深寬比較大之蝕刻結構。三、光阻之抗蝕刻能力相對有限，尤其是能用在較高解析度微影製程的光阻，其之抗蝕刻能力更差，以致於在使用微影蝕刻製程來製作較細線寬之微奈米結構時的良率不佳。而在製作高深寬比細線寬之微奈米結構時，良率則會更差。

為此，微奈米轉印製程便因應而生，其係藉著對基板直接進行壓印作用，以於基板上直接的壓印出指定的圖案，然而，由於在基板的平整度之誤差大於該模具之可接受誤差時，習知微奈米轉印製程無法對該基板進行平整且均勻的壓印，以致於該圖案無法精確的被壓印至該基板，因而導致良率的降低。

再者，於習知微奈米轉印製程中，當壓印製程進行時，黏彈性材料會因受壓不均而產生結構高度差異。請參閱圖一，在圖一中繪示習知微奈米轉印製程之受壓不均狀況的示意圖。由圖一可見，由於該模具於向下施行壓印作用時，該模具中央部份對材料層施加之壓力，會比其週邊部份對該黏彈性材料所施加之壓力來得大，故該材料層會向外被壓迫，而形成在模具中央之材料層較模具外部之材料層高之狀況，並影響其製程之品質，更甚者會致使該基板於後續製程中損毀。

有鑑於此，開發出一種可改善上基板平整度誤差過大，以及壓力分佈不均勻狀況之微奈米轉印製程，乃為當務之急。

有鑑於此，本發明之一範疇在於提供一種應用於微奈米壓印製程之模具，其可以相對低廉的成本於基板上製作一均勻且達微奈米等級之凸出結構，以供發光二極體之橫向磊晶製程使用。

根據一具體實施例，本發明之一範疇在於一種應用於微奈米壓印製程之模具，該模具係用以透過一材料層於一基板上壓印一圖案，其包含一上表面、一下表面、一預定結構以及一溢流控制結構。

其中，於實際應用時，該溢流控制結構係被設置於該模具外緣並往外水平延伸而成，再者，其高度係等同或略小於該模具之該預定結構的高度。

另外，於實際應用時，該模具進一步包含至少一控壓結構，該控壓結構係被設置於該模具之該上表面，以增加該模具外緣之水平高度，其中該至少一控壓結構係為一中空圓環。再者，該複數控壓結構中央之厚度係較其週邊之厚度小。另外，該模具係為一可撓式模具。

再者，於實際應用時，其中該模具可進一步包含一凹陷結構，該凹陷結構係設置於該模具之該下表面上。

此外，本發明之另一範疇在於提供一種利用微奈米壓印製程以製造高深寬比抗蝕刻結構之方法，根據一具體實施例，其包含有以下步驟：(S1)塗佈一材料層於一基板上；(S2)利用一 具有一預定結構之模具來對該基板施以一下壓力，以形成一抗蝕刻結構，其中該模具為一可撓式模具；(S3)對該基板進行一蝕刻製程以於該基板上形成一凸出結構。

於實際應用時，預定結構、抗蝕刻結構以及凸出結構之深寬比係大於或等於三。此外，材料層可為具有良好蝕刻阻擋能力之材料，如為氧化矽凝膠或添加微奈米碳管或氧化矽微奈米顆粒之高分子複合材料。再者，該基板係一藍寶石基板。

據此，相較於習知技術，由於本發明未利用微影製程，故其並非一定要利用光阻為，故其亦能使用蝕刻阻擋能力優於光阻之材料，進而改善在目前藍寶石蝕刻製程中，光阻蝕刻阻擋能力不足之缺點(目前使用的蝕刻藍寶石氣體或液體對光阻之蝕刻速率大於對藍寶石之蝕刻速率)，且能省卻大量成本。再者，由於本發明係利用機械式加工之故，其之解析度不受光線波長之影響，且可因應特別設計需求，而在一基板上製作兼具大結構及小結構的結構，譬如同時於基板上製作在橫向磊晶中所需之微米結構，以及於抗反射中所需之微奈米結構。此外，本發明亦提供了一新穎的微奈米轉印模具結構設計，以配合微奈米轉印製程特性並控制成型壓力之分佈狀況。再者，本發明可改善在發光二極體製程中，常見因藍寶石基板區域或全域平面度差值過大時(習知一般二吋藍寶石晶圓全域平面度規格為十微米以下)，以微影方式製作線寬一微米以下之圖案或結構良率不佳問題，同時亦可改善壓力分佈不均勻狀況，進而提高該製程效率及良率。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

請參閱圖二，圖二揭露了本發明之一應用於微奈米壓印製程的模具3之示意圖。本發明提供一種應用於微奈米壓印製程之模具3，其係用以透過一材料層2而於一基板1上壓印一圖案。本發明模具3包含一上表面32、一下表面34、一預定結構36以及一溢流控制結構38。上表面32及下表面34係相互對應。預定結構36設置於模具3之下表面34。溢流控制結構38係用以維持材料層2於模具3與基板1間之壓力。其中，模具3之上表面32係面向一壓板4，而壓板4係與一動力源連接，以對模具3輸出動能並驅動模具3之作動。

於本具體實施例中，基板1係由藍寶石所製成，以用於發光二極體之製作，然而其並不一定要為藍寶石，視其製程之需要，基板1亦可為一半導體材料、金屬、玻璃或高分子材料。材料層2於本較佳實施例中係為一氧化矽凝膠，然其並不一定要為氧化矽凝膠，視其製程之需要亦可選用例如添加微奈米碳管或氧化矽微奈米顆粒之高分子複合材料、金屬或玻璃等對個別抗蝕性較佳之材料。再者，上述之高份子材料於本具體實施例中，並不一定要具有光阻之特質，然而視可取得材料之需要，其亦可以自由選擇使用具光阻性質之材料以作為該材料層的原料。

模具3具有一上表面32及一下表面34，上表面32及下表面34係相互對應，其中下表面34係指模具3面向於基板1方向之表面，而上表面32則為模具3相對應於下表面34之相反方向之表面。

其中，預定結構36係設置於模具3之下表面34並自下表 面34往外垂直延伸，預定結構36中界定有至少一溝槽322，溝槽322係用以容置材料層2，以於壓印製程中形成一對應於預定結構36之圖案的一抗蝕刻結構22。預定結構36所定義之溝槽322的寬度可介於微米至微奈米等級。於本具體實施例中，預定結構36係為一高深寬比結構，其深寬比係大於或等於三，意即預定結構36之高度為寬度之三倍或以上。再者，視基板1材料之選擇及其製程之需要，模具3可直接將預定結構36壓印於基板1之表面。而於上述之情況中，材料層2係指基板1與模具3接觸之表面。

請再參閱圖二，本發明所提供的應用於微奈米壓印製程之模具3進一步包含一溢流控制結構38。於本具體實施例中，溢流控制結構38係自模具3之外緣往外水平延伸而形成，上述之外緣係指模具3相對於模具3中央部份之反方向邊週部份。其中透過溢流控制結構38可用以維持模具3內之壓力，以提高材料層2往外流動時所需之能量，而防止材料層2於受熱成為黏彈性體並受壓印之壓力時向外流動的情況，並進而抑制壓印時材料層2受壓向外流動，或是減緩壓印材料層2向外流動之速度，以避免了習知技術中因材料層2之外流而造成的抗蝕刻結構22高度不均勻之狀況。為此，溢流控制結構38之高度係相同或略小於該模具之該預定結構36之高度。於本具體實施例中，溢流控制結構38之高度係等同於模具3之預定結構36之高度

在習知技藝中，模具3之中央部份對材料層2施加之壓力，會較其週邊部份對該黏彈性材料所施加之壓力大，故材料層2會被向外被壓迫，而形成模具3中央之材料層2較模具3外部之材料2層高之狀況，而此現象將影響其製程之品質，更 甚者會使基板1於後續製程中損毀。其中，於製造高深寬比結構時，該問題亦會更為明顯。

此外，為解決模具3中央壓力較外緣壓力大以致壓力分佈不勻之問題，於本發明之本具體實施例中，模具3可進一步包含至少一控壓結構39，該控壓結構39係設置於模具3之上表面32，以增加模具3外緣之水平高度，並致使模具3在被壓板4施壓時，可以對模具3之外緣施加較大之壓力。

請參閱圖三A，圖三A繪示了本發明的一具體實施例之一應用於微奈米確印製程中的模具之控壓結構的示意圖。於本具體實施例中，控壓結構39之形狀係對應於模具3。再者，控壓結構39中央之厚度係較其週邊之厚度小。於本具體實施例中，控壓結構39為相對應模具3形狀之片狀結構，控壓結構39之外緣係較其之中央厚，以增加模具3外緣之水平高度並使模具3外緣之水平高度較模具之中間高度高，進而使模具3對基板1之外緣提供較大之壓力，以達上述之防止材料層2外流，而造成之抗蝕刻結構22高度不均勻之狀況。

然而其並不侷限於上述之具體實施例，請參閱圖三B，圖三B繪示了本發明之另一具體實施例之將一應用於微奈米確印製程中的模具之控壓結構，整合於模具之示意圖。於本具體實施例中，控壓結構39係整合於模具3之上表面32而形成一包含高度梯度之表面。請一併參閱圖三C及圖三D，圖三C及圖三D分別繪示了本發明之另一具體實施例之一應用於微奈米確印製程之模具的單個環型控壓結構39，以及複數個環型控制結構39之示意圖。由圖三C及圖三D可見控壓結構39亦可以為一設置於模具3上表面32之複數片中空圓環結構。 另外，透過壓板4之設計，其亦可對模具3表面之各部份，個別地利用施加一不同大小之壓力或控制壓力的施加順序，來達成控制各部份壓力之效。再者，於模具3及基板1接觸之外緣，模具3可設有一個壓力臨界值反應元件，當模具3內材料層2之壓力過大時，其可適度的釋放壓力以防止模具3內之預定結構36損壞。

於本具體實施例中，模具3係為一可撓性模具以於受壓時變形，以使模具3在進行抗蝕刻結構22之製程時，可於壓印時緊密地的與基板1接合，以克服基板1之平整度過低所導致的問題。而可撓性模具3亦可透過抗蝕刻結構，而利用不同之材料或改變模組3之厚度，來改變模具3之變形需施加之力度。此舉可解決傳統曝光顯影製程常因藍寶石晶圓或其他LED基板平面度不佳或厚度差大(LED晶圓其平面度或厚度差常大於10微米)，造成曝光顯影高解析度或微小結構良率不佳之問題，其原因為在曝光顯影微小結構時，可成功進行曝顯之深度將很淺，如晶圓區域平面度不佳，則將導致製程良率明顯下降。而本發明所提出模具3及微奈米壓印成型之方式，使得基板之平整度得接受較大之公差，模具3可依基板1平面形狀之設計，而達到高解析度或微小抗蝕刻結構之製作。

請參閱圖二，由於具高深寬比之抗蝕刻結構22於製造時，若材料層2及模具3間存有下壓時未被排出之空氣，或是因材料層2受熱產生之氣體未被處理，則該等氣體會直接的留存在於材料層2中。再者，材料層2於受壓時會呈流動之狀態，材料層2會受力向外流動，以致使良率之降低。於本具體實施例中，本發明之模具3可進一步包含一凹陷結構35，其係設置於模具3之下表面34上，用以容置模具3於壓合時材料層 2及模具3之相對應表面間未被排出之空氣，或是壓合時材料層2所釋放之氣體。再者，凹陷結構35亦可用以提高該利用微奈米壓印製程來製造高深寬比抗蝕刻結構的方法之良率。

請參閱圖四。圖四繪示根據本發明之一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構的方法之流程圖。如圖四所示，本發明利用微奈米壓印製程來製造高深寬比抗蝕刻結構之方法，包含步驟(S1)將一材料層2塗佈於一基板1上；步驟(S2)利用一模具3對該基板1施以一下壓力，以形成一抗蝕刻結構22，其中該模具3係為一可撓式模具，其中該抗蝕刻結構具22係具有一高深寬比；以及步驟(S3)對該基板1進行蝕刻製程以形成一凸出結構12。

於本具體實施例中，步驟(S1)係將一材料層2塗佈於一基板1上，該材料層2於本較佳實施例中係為一氧化矽凝膠，然而其並不一定要為氧化矽凝膠，視其製程之需要亦可選用如添加微奈米碳管或氧化矽微奈米顆粒之高分子複合材料、金屬或玻璃等對個別抗蝕性較佳之材料。再者，上述之高份子材料於本具體實施例中，並不一定要具有光阻之特質，而視可取得材料之需要，亦可以自由選擇使用具光阻性質之材料為該材料層之原料。於本具體實施例中，該基板1係由藍寶石所製成，以用於發光二極體之製作，然其並不一定要為藍寶石，視其製程之需要，該基板亦可為一半導體材料、金屬、玻璃或高分子材料。

請一併參閱圖五及圖六，圖五繪示根據本發明之一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構之方法之步驟(S2)之壓印前之示意圖。圖六繪示根據本發明之 一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構之方法的步驟(S2)之壓印後之示意圖。步驟(S2)為利用一具有一預定結構36之模具3，對基板1施以一下壓力以形成一抗蝕刻結構22，其中該模具3係為一可撓式模具。

於施以下壓力前，需要先校正並固定基板1與模具3之相對水平及垂直位置，接著將基板1、材料層2以及模具3加溫至材料層2之轉變溫度(Tg)以上，以使材料層2軟化進而使得材料層2具有黏彈性體之特性，以讓基板1或其表面之材料層2在承受模具3所施加之垂直壓力時，可以被軟化並灌注於模具3上的由該預定結構36所界定之空間中，以讓預定結構36透過材料層2於基板1之表面上轉印成型。材料層2之加溫之方式變化甚多，其可利用超音波、光線或經由對基板1進行加溫，進而將該熱量傳導至該置放於該基板1上的材料層2上。於本具體實施例中，模具3及模具3上之溢流控制結構39以及其他發明的說明，係與上述之該應用於微奈米壓印製程之模具相類似，故不於此多加贅述。

其中，模具3之上表面32係面向一壓板4，該壓板4與動力源連接，以對模具3輸出動能而驅動模具3之作動。當材料層22被軟化且其溫度係高於材料層22之轉變溫度時，則壓板4會驅動該具有預定結構36之模具3向基板1移動，當模具3與基板1上之材料層2接觸後即開始進行施壓，使模具3上之預定結構36之特徵得以轉印於材料層2上，進而形成一對應於預定結構36之圖案；其後在維持該壓力以讓材料層2定型並降至適當溫度後，使模具3與基板1及置於基板1上之材料層2分離而進行脫膜作用，即完成該步驟(S2)。

請一併參閱圖七及圖八，圖七繪示根據本發明之一具體實施例之抗蝕刻結構於步驟(S3)前之示意圖。圖八繪示根據本發明之一具體實施例之抗蝕刻結構於步驟(S3)後之示意圖。

步驟(S3)為對基板1進行一蝕刻製程以於基板1形成一凸出結構12，其中凸出結構12具一高深寬比。於本具體實施例中，凸出結構12之深寬比係大於三，意即凸出結構12之高度為寬度之三倍或以上。於本具體實施例中，蝕刻製程係為一乾式蝕刻製程。上述之乾蝕製程通常是藉由電漿透過離子的物理性轟擊，或是活性自由基與板表面之原子進行化學反應，以對該基板1進行蝕刻，於此，蝕刻媒介為電漿。然蝕刻製程並不一定要為乾式蝕刻，該蝕刻製程亦可為一濕式蝕刻製程，其係藉由將基板1浸沒於適當的化學溶液中，或是將化學溶液噴灑至該基板1上，以經由溶液與被基板1間的化學反應來移除基板1表面的原子，而達到蝕刻的目的，於此，蝕刻媒介為化學溶液。

於進行上述之各種蝕刻製程時，基板1會連同基板1上之抗蝕刻結構22並置於一腔體中進行蝕刻，其中該蝕刻媒介會對基板1及其表面之抗蝕刻結構22進行侵蝕以移除該二者，而基板1上覆有抗蝕刻結構22之區域則會受保護而免於該蝕刻媒介之蝕刻。視蝕刻種類之不同，該蝕刻媒介對抗蝕刻結構22厚度需求亦有所不同，從圖七及圖八中可見基板1於蝕刻製程前及製程後，抗蝕刻結構22之高度係明顯的減損。由圖七及圖八可見當其進行選擇性較低之蝕刻製程時，抗蝕刻結構22需要具一高深寬比之結構，方能對基板1提供充足的保護，否則，抗蝕刻結構22被蝕刻媒介侵蝕完畢後，基板1原本覆有抗蝕刻結構22之區域亦會與蝕刻媒介接觸，而於該蝕刻製 程中被侵蝕損傷。於蝕刻製程後，基板1之凸出結構12上餘剩之抗蝕刻結構22將會被清除，並完成製程。

於本具體實施例中，為使基板1覆有抗蝕刻結構22之區域得被保護，抗蝕刻結構22之深寬比係大於或等於三，意即抗蝕刻結構22之高度為抗蝕刻結構22寬度之三倍或以上。而基板1之區域或全域平坦度值，為所欲製作之圖案或結構最小線寬三倍以上。

據此，相較於習知技術，由於本發明未利用微影製程，故其並非一定要利用光阻，故其能使用蝕刻阻擋能力優於光阻之材料，以改善目前藍寶石蝕刻製程中光阻蝕刻阻擋能力不足之缺點(目前使用的蝕刻藍寶石氣體或液體對光阻之蝕刻速率大於對藍寶石之蝕刻速率)，且能省卻大量成本。再者，由於本發明係利用機械式加工之故，其解析度不受光線波長之影響，且可因應特別設計需求，來製作在一基板上兼具大結構及小結構的結構，譬如於基板上同時製作橫向磊晶所需微米結構以及抗反射所需微奈米結構。此外，本發明亦提供了一種可配合微奈米轉印製程特性，並可控制成型壓力分佈之新穎微奈米轉印模具結構設計。再者，本發明可改善在發光二極體製程中，常見因藍寶石基板區域或全域平面度差值過大時(習知一般二吋藍寶石晶圓全域平面度規格為十微米以下)，以微影方式製作線寬一微米以下之圖案或結構良率不佳問題，同時亦可改善壓力分佈不均勻狀況，以提高該製程效率及良率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各 種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

S1~S3‧‧‧步驟

1‧‧‧基板

12‧‧‧凸出結構

2‧‧‧材料層

22‧‧‧抗蝕刻結構

3‧‧‧模具

32‧‧‧上表面

322‧‧‧溝槽

34‧‧‧下表面

35‧‧‧凹陷結構

36‧‧‧預定結構

38‧‧‧溢流控制結構

39‧‧‧控壓結構

4‧‧‧壓板

圖一繪示習知微奈米轉印製程之受壓不均狀況之示意圖。

圖二揭露了本發明之一應用於微奈米壓印製程之模具之示意圖

圖三A繪示了本發明之一具體實施例之一應用於微奈米確印製程之模具之控壓結構之示意圖。

圖三B繪示了本發明之另一具體實施例之一應用於微奈米確印製程之模具之控壓結構整合於模具之示意圖。

圖三C繪示了本發明之另一具體實施例之一應用於微奈米確印製程之模具之單個環型控壓結構。

圖三D繪示了本發明之另一具體實施例之一應用於微奈米確印製程之模具之複數個環型控制結構之示意圖。

圖四繪示根據本發明之一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構方法之流程圖。

圖五繪示根據本發明之一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構之方法之步驟(S2)之壓印前之示意圖。

圖六繪示根據本發明之一具體實施例之一種利用微奈米壓印製程，來製造高深寬比抗蝕刻結構之方法之步驟(S2)之壓印後之示意圖。

圖七繪示根據本發明之一具體實施例之抗蝕刻結構於步驟(S3)前之示意圖。

圖八繪示根據本發明之一具體實施例之抗蝕刻結構於步驟(S3)後之示意圖。

1‧‧‧基板

2‧‧‧材料層

22‧‧‧抗蝕刻結構

3‧‧‧模具

32‧‧‧上表面

322‧‧‧溝槽

34‧‧‧下表面

35‧‧‧凹陷結構

36‧‧‧預定結構

38‧‧‧溢流控制結構

39‧‧‧控壓結構

4‧‧‧壓板

Claims (6)

1. 一種應用於微奈米壓印製程之模具，該模具係用以透過一材料層於一基板上壓印一圖案，其包含：一上表面及一下表面，該上表面及該下表面係相互對應；一預定結構，該預定結構設置於該模具之下表面；以及一控壓結構，設置於該上表面相對於該模具的外緣處，用以增加該模具之外緣的厚度以使該模具之外緣的厚度大於該模具之中央部份的厚度；其中，在應用時，該模具受有一壓力致使該預定結構對該材料層施加壓力以於該基板之表面形成有該圖案，該圖案係與該預定結構相互對應，該模具於該模具的外緣處所受之力係大於該模具相對於該預定結構處所受之力。
2. 如申請專利範圍第1項之應用於微奈米壓印製程之模具，其中該控壓結構係設置於模具之該上表面以形成有一高梯度表面。
3. 如申請專利範圍第1項之應用於微奈米壓印製程之模具，其中該控壓結構之中央處的厚度係小於該控壓結構之週邊處之厚度。
4. 如申請專利範圍第1項之應用於微奈米壓印製程之模具，其中該控壓結構係包含有複數個中空圓環。
5. 如申請專利範圍第1項之應用於微奈米壓印製程之模具，其中該模具為一可撓式模具。
6. 如申請專利範圍第1項之應用於微奈米壓印製程之模具，其中該模具進一步包含一凹陷結構，該凹陷結構係設置於該模具之該下表面，用以容置該模具於壓合時該材料層及該模具之相對 應表面間未被排出之空氣。