專利名稱：圖形化襯底的刻蝕方法
技術領域：
本發明涉及半導體技術，特別涉及一種圖形化襯底的刻蝕方法。
背景技術：
隨著世界能源需求不斷高漲，自然資源日趨短缺，各工業發達的耗能大國政府極度關注節能技術的發展。GaN基發光二極管(Light Emitting Diode, LED)技術的不斷進步，特別是藍光激發熒光粉發出黃光混合成白光技術的成熟，使得日常照明可以實現低成本，高壽命。因此各國政府紛紛提出了固體照明革命計劃，極大促進了技術及其相關發光二極管技術飛速發展。GaN基LED以其壽命長、耐沖擊、抗震、高效節能等優異特性在圖像顯示、信號指示、照明以及基礎研究等方面有著極為廣闊的應用前景。目前，波長460nm的GaN基LED內量子效率已達到70 %以上，以GaN為襯底的 AKkiN紫外光(UV)LED的內量子效率已高達80%以上，但是生長在藍寶石襯底上的GaN基 LED的提取效率卻相對較低。因此，對于提高LED的外量子效率來說，應把重點放在進一步提高提取效率上。另外，由于GaN單晶制備比較困難，通常GaN基LED器件都是制備在藍寶石襯底上的，而GaN和藍寶石較大的晶格失配和熱膨脹系數的差別，使得在襯底上生長的GaN 薄膜位錯和缺陷密度較大，也影響了器件的發光效率和壽命。PSS(Patterned Sapphire Substrates,圖形化襯底)技術可以有效地減少外延材料的位錯和缺陷，但是由于藍寶石很高的硬度和化學穩定性，刻蝕難度較大。因此，PSS刻蝕工藝是GaN基LED芯片工藝中一個很關鍵的步驟。PSS技術是目前普遍采用的一種提高GaN基LED器件出光效率的方法，也就是在藍寶石襯底上生長干法刻蝕用掩膜，用標準的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用ICP(感應耦合等離子體)刻蝕技術刻蝕藍寶石，并去掉掩膜，再在其上生長GaN材料，這樣就可以使GaN 材料的縱向外延變為橫向外延。該方法可以有效減少GaN外延材料的位錯密度，從而減小了有源區的非輻射復合，不僅減小了反向漏電流，而且提高了 LED的壽命。有源區發出的光，經由GaN和藍寶石襯底界面多次散射之后，改變了全反射光的出射角，從而增加了倒裝 LED的光從藍寶石襯底出射的幾率，從而提高了光的提取效率。綜合這兩方面的原因，使 PSS上生長的LED的出射光亮度比傳統的LED提高了 63%，同時減小了反向漏電流，延長了 LED的壽命。目前普遍應用的一種PSS圖形為類圓錐形，如圖1所示。這種圖形高度約為1.5 微米左右，并且需要保持側壁刻蝕的光滑平整，以提高外延GaN薄膜的晶體質量。目前通常采用以下兩種方法形成上述類圓錐形的PSS圖形。現有方法1，在ICP刻蝕機中采用純BCl3氣體作為刻蝕氣體，進行單步刻蝕。具體地，將承載晶片的托盤放入到工藝腔室內，通入刻蝕氣體BCl3 (氯化硼)，其流量約為30 lOOsccm，調整工藝腔室內的工藝壓力約為3 15mT。調整刻蝕機頂部射頻功率約為300 800W，從而激發等離子體，接著調整底部射頻功率約為100 300W以控制等離子體的方向，使其向晶片更好地淀積。該方法1的工藝時間約為20 40min。通過現有方法1獲得的較典型的剖片掃描電鏡結果如圖2所示。由于現有方法1 采用單步工藝，因此難以靈活地調節工藝刻蝕速率和選擇比，并且刻蝕側壁易出現拐角，工藝窗口較小，對于前道光刻工藝以及光刻膠的尺寸等依賴性較強。另外，單步工藝增加了工藝漂移的可能性，對于大批量生產的穩定性有一定的影響。現有方法2，使用BCl3An2混合氣體作為刻蝕氣體，采用單步刻蝕。具體地，將承載晶片的托盤放入到工藝腔室內，通入刻蝕氣體BCl3 (氯化硼)和Cl2 (氯氣)，其流量分別約為50 IOOsccm和5 50sccm，調整工藝腔室內的工藝壓力約為7 15mT。調整刻蝕機頂部射頻功率約為300 800W，從而激發等離子體，接著調整底部射頻功率約為100 300W 以控制等離子體的方向，使其向晶片更好地淀積。該方法2的工藝時間約為20 40min。通過現有方法2獲得的較典型的剖面掃描電鏡結果如圖3所示，從圖3中可以看出，在側壁會存在一個過渡拐角，因此PSS圖形的形貌(profile)還需要優化。另外，和現有方法1相比，由于此現有方法2的刻蝕選擇比較低，因此導致PSS圖形高度較低，這就需要前道光刻工藝的光刻膠高度要相應增加，從而增加了工藝難度。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決現有PSS圖形較差、 工藝難度較高的缺陷。為達到上述目的，本發明一方面提出了一種圖形化襯底的刻蝕方法，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底之上形成光刻圖形；以第一刻蝕氣體，在第一工藝壓力和第一底部射頻功率下對所述襯底進行第一次刻蝕；和以第二刻蝕氣體，在第二工藝壓力和第二底部射頻功率下對所述襯底進行第二次刻蝕，其中，所述第二刻蝕氣體的流量值小于所述第一刻蝕氣體的流量值，所述第二工藝壓力的壓力值小于所述第一工藝壓力的壓力值，所述第二底部射頻功率的射頻功率值大于所述第一底部射頻功率的射頻功率值。在本發明的一個實施例中，所述第一刻蝕氣體和所述第二刻蝕氣體為BC13。或者， 所述第一刻蝕氣體和所述第二刻蝕氣體為BCl3與摻雜氣體的混合氣體，所述摻雜氣體為 Cl2、HBr及吐中的一種氣體或者任意至少兩種氣體的混合氣體。在本發明的一個實施例中，所述第一刻蝕氣體的流量值為50-200sCCm，所述第一工藝壓力的壓力值為5-20mT，所述第一底部射頻功率的射頻功率值為50-200W。在本發明的一個實施例中，所述第二刻蝕氣體的流量值為20-100sCCm，所述第二工藝壓力的壓力值為3-5mT，所述第二底部射頻功率的射頻功率值為150-300W。在本發明的一個實施例中，所述第一次刻蝕的工藝時間大于所述第二次刻蝕的工藝時間。例如，所述第一次刻蝕的工藝時間為15-25min，所述第二次刻蝕的工藝時間為 5_15min。在本發明的一個實施例中，所述襯底為藍寶石襯底。本發明通過兩次刻蝕，能夠獲得側壁光滑，過渡平緩無拐角的PSS圖形，并且容易調節圖形的尺寸，為后續的薄膜外延工藝提供良好晶體質量的襯底。另外，本發明的兩次刻蝕步驟能夠增加刻蝕工藝調節的靈活性，并能夠提高刻蝕工藝窗口和刻蝕結果的穩定性， 從而提高工藝生產的穩定性。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖1為現有技術中類圓錐形的PSS圖形；圖2為通過現有方法1獲得的較典型的剖片掃描電鏡結果；圖3為通過現有方法2獲得的較典型的剖片掃描電鏡結果；圖4為本發明實施例的圖形化襯底的刻蝕方法流程圖；和圖fe和恥分別為通過上述兩次刻蝕獲得的剖片掃描電鏡結果。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。如圖4所示，為本發明實施例的圖形化襯底的刻蝕方法流程圖。該方法包括以下步驟步驟S401，提供襯底。在本發明的一個實施例中，該襯底可為藍寶石襯底。當然在本發明的其他實施例中，還可以采用其他襯底。步驟S402，在襯底之上形成光刻圖形。步驟S403，以第一刻蝕氣體、在第一工藝壓力和第一底部射頻功率下對襯底進行第一次刻蝕。其中，第一刻蝕氣體可為BCl3，或者第一刻蝕氣體也可為BCl3與摻雜氣體的混合氣體，其中，摻雜氣體可為Cl2、HBr及吐中一種或者至少兩種的任意組合，例如BCl3與 H2的混合氣體，或者BC13、(12及吐的混合氣體等等，這些均可以適用于本發明實施例。雖然以下實施例以BCl3為例進行描述，但是上述的以BCl3為主其他混合刻蝕氣體也可應用至被發明中。如果采用混合刻蝕氣體進行刻蝕的話，則根據BCl3與其他摻雜氣體的比例以及 BCl3的流量選擇其他摻雜氣體(例如Cl2等)的流量即可。在本發明的一個實施例中，刻蝕設備可為ICP等離子體刻蝕機，該ICP等離子體刻蝕機包括頂部和底部兩個射頻電源，其中，頂部射頻功率用于激發等離子體，底部射頻功率用于控制等離子體的方向，使其向晶片更好地淀積。當然本領域技術人員還可選擇其他刻蝕機實現本發明，這些均應包含在本發明的保護范圍之內。以下就將以采用ICP等離子體刻蝕機，以BCl3為刻蝕氣體進行詳細介紹。第一次刻蝕(可稱之為主刻蝕)主要用來控制PSS的刻蝕速率和調節選擇比，因此在該步驟中可以采用較大流量值的BCl3和較大的工藝壓力，并使用較低的底部射頻功率，在該實施例中第一次刻蝕和第二次刻蝕的頂部射頻功率基本接近，可以相同也可以第一次刻蝕的頂部射頻功率略大，或者第二次刻蝕的頂部射頻功率略大，由于頂部射頻功率與現有的方法的射頻功率值接近，因此在后續的描述中，將以底部射頻功率為主進行描述。通入第一刻蝕氣體為BCl3,其流量值約為50 200sCCm，調整工藝腔室內的第一工藝壓力的壓力值約為5 20mT。調整刻蝕機的第一頂部射頻功率的射頻功率值約為300 1000W，接著調整第一底部射頻功率的射頻功率值約為50 200W以控制等離子體的方向，其中，工藝時間約為15 25min。步驟S404，以第二刻蝕氣體、在第二工藝壓力和第二底部射頻功率下對襯底進行第二次刻蝕(也可稱為過刻蝕)。其中，第二刻蝕氣體與第一刻蝕氣體相同，也可為BCl3，或者第一刻蝕氣體也可為BCl3與摻雜氣體的混合氣體，其中，摻雜氣體可為Cl2、HBr及H2中一種或者至少兩種的任意組合，例如BCl3與H2的混合氣體，或者BC13、C12&H2的混合氣體等等。如果采用混合刻蝕氣體進行刻蝕的話，則根據BCl3與其他摻雜氣體的比例以及BCl3 的流量選擇其他摻雜氣體(例如Cl2等)的流量即可。此次刻蝕是以對PSS圖形的形貌進行修飾為主，因此可采用較小流量值的BCl3和較低的壓力值的工藝壓力，并使用較高的底部射頻功率值。通過較高的底部射頻功率值可以改善對襯底圖形的轟擊能力，并且采用較低的壓力可以使得反應的生成物更易揮發，從而達到對PSS圖形的形貌進行修飾的目的。 具體地，通入第二刻蝕氣體為BCl3,其流量值約為20 lOOsccm，調整工藝腔室內的第二工藝壓力的壓力值約為3 5mT。調整刻蝕機的第二頂部射頻功率的射頻功率值約為300 1000W，接著調整第二底部射頻功率的射頻功率值約為150 300W以控制等離子體的方向， 其中，工藝時間約為5 15min。以下可通過具體的實驗證明本發明的有益效果。首先，將承載晶片的托盤放入到工藝腔室內，進行第一次刻蝕。具體地，通入刻蝕氣體BCl3，其流量約為lOOsccm，調整工藝腔室內的工藝壓力約為7mT。調整刻蝕機頂部射頻功率約為500W，從而激發等離子體，接著調整底部射頻功率約為100W以控制等離子體的方向，使其向晶片更好地淀積，第一次刻蝕的工藝時間約為20min。接著，進行第二次刻蝕。具體地，通入刻蝕氣體BCl3,其流量約為30sCCm，調整工藝腔室內的工藝壓力約為3mT。調整刻蝕機頂部射頻功率約為500W，從而激發等離子體，接著調整底部射頻功率約為200W以控制等離子體的方向，使其向晶片更好地淀積，第二次刻蝕的工藝時間約為lOmin。如圖如和恥所示，分別為通過上述兩次刻蝕獲得的剖片掃描電鏡結果。從圖中可以看出相對于圖2和圖3的刻蝕結果，本發明通過兩次刻蝕，能夠獲得側壁光滑，過渡平緩無拐角的PSS圖形，并且容易調節圖形的尺寸，為后續的薄膜外延工藝提供良好晶體質量的襯底。另外，本發明的兩次刻蝕步驟能夠增加刻蝕工藝調節的靈活性，并能夠提高刻蝕工藝窗口和刻蝕結果的穩定性，從而提高工藝生產的穩定性。盡管已經示出和描述了本發明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底之上形成光刻圖形；以第一刻蝕氣體，在第一工藝壓力和第一底部射頻功率下對所述襯底進行第一次刻蝕；和以第二刻蝕氣體，在第二工藝壓力和第二底部射頻功率下對所述襯底進行第二次刻蝕，其中，所述第二刻蝕氣體的流量值小于所述第一刻蝕氣體的流量值，所述第二工藝壓力的壓力值小于所述第一工藝壓力的壓力值，所述第二底部射頻功率的射頻功率值大于所述第一底部射頻功率的射頻功率值。
2.如權利要求1所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第一刻蝕氣體和所述第二刻蝕氣體為BC13。
3.如權利要求1所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第一刻蝕氣體和所述第二刻蝕氣體為BCl3與摻雜氣體的混合氣體，所述摻雜氣體為Cl2、HBr及吐中的一種氣體或者任意至少兩種氣體的混合氣體。
4.如權利要求2或3所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第一刻蝕氣體的流量值為50-200sCCm，所述第一工藝壓力的壓力值為5-20mT，所述第一底部射頻功率的射頻功率值為50-200W。
5.如權利要求4所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第二刻蝕氣體的流量值為20-100sCCm，所述第二工藝壓力的壓力值為3-5mT，所述第二底部射頻功率的射頻功率值為150-300W。
6.如權利要求5所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第一次刻蝕的工藝時間大于所述第二次刻蝕的工藝時間。
7.如權利要求6所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述第一次刻蝕的工藝時間為15-25min，所述第二次刻蝕的工藝時間為5-15min。
8.如權利要求1所述的圖形化襯底的刻蝕方法，其特征在于，所述襯底為藍寶石襯底。
全文摘要
本發明提出一種圖形化襯底的刻蝕方法，包括以下步驟提供襯底；在襯底之上形成光刻圖形；以第一刻蝕氣體，在第一工藝壓力和第一底部射頻功率下對襯底進行第一次刻蝕；和以第二刻蝕氣體，在第二工藝壓力和第二底部射頻功率下對襯底進行第二次刻蝕，其中，第二刻蝕氣體的流量值小于第一刻蝕氣體的流量值，第二工藝壓力的壓力值小于第一工藝壓力的壓力值，第二底部射頻功率的射頻功率值大于第一底部射頻功率的射頻功率值。本發明通過兩次刻蝕，能夠獲得側壁光滑，過渡平緩無拐角的PSS圖形，并且容易調節圖形的尺寸，為后續的薄膜外延工藝提供良好晶體質量的襯底。
文檔編號H01L33/20GK102456545SQ20101052110
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月21日 優先權日2010年10月21日
發明者高福寶 申請人:北京北方微電子基地設備工藝研究中心有限責任公司