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CN106504986B - 一种基片的刻蚀方法 - Google Patents

一种基片的刻蚀方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基片的刻蚀方法，涉及半导体技术领域，能够在保证刻蚀时具有足够的刻蚀选择比的前提下，解决刻蚀时产生难以清洗干净的聚合物，造成LED前级电压高的问题。所述基片的刻蚀方法所刻蚀的基片上预先形成有具有所需要的图形的光阻层，该刻蚀方法包括：粗刻蚀阶段，以光阻层为掩膜，采用第一刻蚀气体对基片进行刻蚀，第一刻蚀气体包含碳；精刻蚀阶段，以光阻层为掩膜，采用第二刻蚀气体对经过粗刻蚀阶段的基片进行刻蚀，第二刻蚀气体不包含碳。前述基片的刻蚀方法适用于GaN基LED中GaN衬底上SiO2薄膜的刻蚀。

Description

一种基片的刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种基片的刻蚀方法。
背景技术
GaN(氮化镓)基LED(Light-Emitt ing Diode，发光二极管)具有功耗低、寿命长、发光效率高等优点，被广泛应用于大功率照明灯、汽车仪表显示、大面积的户外显示屏、信号灯，以及普通照明等领域。
如何提高GaN基LED的出光效率是领域内的重要研究方向之一。为了提高GaN基LED的出光效率，目前常见的做法是：在GaN衬底表面镀一层约1.5μm厚的SiO2(二氧化硅)膜,然后在SiO2膜上形成具有所需要的图形的光阻层，以该光阻层为掩膜对SiO2膜进行干法刻蚀，形成需要的图形。所形成的图形例如可为分布在GaN衬底表面的多个小凸起，这样的图形能够增加光的反射和折射，进而提高GaN基LED的出光效率。
在对GaN衬底表面上的SiO2膜进行干法刻蚀时，可以采用CHF3(三氟甲烷)或CxFy(碳氟化合物)作为刻蚀气体，也可以采用SF6(六氟化硫)作为刻蚀气体。然而当采用CHF3或CxFy作为刻蚀气体时，由于刻蚀气体中含有C(碳)，C很容易与F(氟)结合形成含有C-F建的聚合物，这种聚合物沉积在GaN衬底表面上很难被湿法清洗干净，造成GaN基LED的前级电压(即LED正向导通时的结电压)较高，进而导致GaN基LED的功耗较大。而当采用SF6(六氟化硫)气体刻蚀SiO2膜，虽然SF6气体中的F能够与光阻层中的C形成容易被湿法清洗干净的CFx聚合物(如：CF2(二氟化碳)聚合物)，但是由于SF6气体中的F非常容易与光阻层中的C发生反应，因此光阻层的刻蚀速率变快，造成刻蚀选择比(SiO2膜的刻蚀速率与光阻层的刻蚀速率的比值)下降，无法满足正常刻蚀SiO2膜所需的刻蚀选择比。
发明内容
为克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基片的刻蚀方法，用于在保证刻蚀时具有足够的刻蚀选择比的前提下，解决刻蚀时产生难以清洗干净的聚合物所造成的LED前级电压高的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面提供了一种基片的刻蚀方法，所述基片上预先形成有具有所需要的图形的光阻层，该刻蚀方法包括：粗刻蚀阶段，以所述光阻层为掩膜，采用第一刻蚀气体对所述基片进行刻蚀，所述第一刻蚀气体包含碳；精刻蚀阶段，以所述光阻层为掩膜，采用第二刻蚀气体对经过所述粗刻蚀阶段的基片进行刻蚀，所述第二刻蚀气体不包含碳。
不同于现有技术中采用相同的刻蚀气体完成整个刻蚀过程的方式，本发明所提供的基片的刻蚀方法将整个刻蚀过程分为粗刻蚀阶段和精刻蚀阶段：在粗刻蚀阶段采用的刻蚀气体为第一刻蚀气体，第一刻蚀气体中含有碳，因此不容易与同样含碳的光阻层反应，即不易形成对光阻层的刻蚀，有利于提高刻蚀选择比(基片的刻蚀速率与光阻层的刻蚀速率的比值)，在基片表面初步形成所需要的图形；在精刻蚀阶段采用的刻蚀气体为第二刻蚀气体，第二刻蚀气体中不含碳，能够与粗刻蚀阶段中生成的聚合物及光阻层中碳反应生成容易被清洗干净的聚合物，从而减少了刻蚀后基片表面所残留的难以清洗的聚合物，在保证刻蚀时具有足够的刻蚀选择比的前提下，解决了基片表面难以清洗的聚合物残留所引起的前级电压高的问题，降低了采用基片所制作的半导体器件的功耗。
基于上述基片的刻蚀方法，其中所述第一刻蚀气体优选的可包括三氟甲烷气体或碳氟化合物气体。
可选的，在进行所述粗刻蚀阶段时，所述第一刻蚀气体所包括的三氟甲烷气体或碳氟化合物气体的气体流量为150sccm～200sccm。
可选的，所述第一刻蚀气体还包括氩气。
可选的，在进行所述粗刻蚀阶段时，所述第一刻蚀气体所包括的氩气的气体流量为40sccm～60sccm。
基于上述基片的刻蚀方法，其中所述第二刻蚀气体优选的可包括六氟化硫气体。
可选的，在进行所述精刻蚀阶段时，所述第二刻蚀气体所包括的六氟化硫气体的气体流量为150sccm～200sccm。
基于上述基片的刻蚀方法，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的气体压力优选的可为3mT～5mT。
基于上述基片的刻蚀方法，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的上电极射频功率优选的可为800W～1200W。
基于上述基片的刻蚀方法，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的下电极射频功率优选的可为50W～100W。
对于以上各项所述的基片的刻蚀方法，所述粗刻蚀阶段的持续时间优选的可为15min～20min。
对于以上各项所述的基片的刻蚀方法，所述精刻蚀阶段的持续时间优选的可为2min～5min。
以上各项所述的基片的刻蚀方法尤其适用于以下情形：所述基片包括氮化镓衬底及形成于所述氮化镓衬底上的二氧化硅薄膜，所述光阻层形成于所述二氧化硅薄膜上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所提供的基片的刻蚀方法的流程图；
图2a～图2e为本发明实施例所提供的基片的刻蚀方法各步骤的截面图。
附图标记说明：
1-GaN衬底； 2-SiO2薄膜； 3-光阻层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种基片的刻蚀方法，该基片上预先形成有具有所需要的图形的光阻层，所述刻蚀方法包括：粗刻蚀阶段，以光阻层为掩膜，采用第一刻蚀气体对基片进行刻蚀，该第一刻蚀气体包含C(碳)；精刻蚀阶段，以光阻层为掩膜，采用第二刻蚀气体对经过粗刻蚀阶段的基片的进行刻蚀，该第二刻蚀气体不包含碳。
需要说明的是，本实施例中所述的粗刻蚀阶段是指：在基片表面初步形成所需要的图形形貌的刻蚀阶段，粗刻蚀阶段的刻蚀深度较大，大于在基片表面形成所需要的图形的全部刻蚀深度的一半；本实施例中所述的精刻蚀阶段是指：对粗刻蚀阶段所形成的图形进行进一步刻蚀，并对图形表面进行修饰，以提高图形垂直度与表面平整度的刻蚀阶段，精刻蚀阶段的刻蚀深度较小，小于在基片表面形成所需要的图形的全部刻蚀深度的一半。
上述基片的刻蚀方法将整个刻蚀过程分为粗刻蚀阶段和精刻蚀阶段：在粗刻蚀阶段采用含有碳的第一刻蚀气体进行刻蚀，由于第一刻蚀气体中含碳，因此不容易与同样含碳的光阻层反应，即不易形成对光阻层的刻蚀，光阻层的刻蚀速率较慢，从而有利于提高刻蚀选择比(基片的刻蚀速率与光阻层的刻蚀速率的比值)，保证了正常刻蚀所需要的刻蚀选择比；在精刻蚀阶段采用不含碳的第二刻蚀气体进行刻蚀，由于第二刻蚀气体中不含碳，因此能够与粗刻蚀阶段中生成的聚合物及光阻层中碳反应生成容易被清洗干净的聚合物，这也就减少了刻蚀后基片表面难以清洗的聚合物的残留，实现了在保证刻蚀时具有足够的刻蚀选择比的前提下，解决了基片表面难以清洗的聚合物残留所引起的前级电压高的问题，从而降低了采用基片所制作的半导体器件的功耗，减少了前级电压高所引起的半导体器件的不良，避免了前级电压过高，引起功耗过大，超出半导体器件所能容忍的阈值，而造成的半导体器件报废的问题。
基于上述的技术方案，本实施例中第一刻蚀气体具体可包括CHF3(三氟甲烷)气体或CxFy(碳氟化合物)气体，这些气体中含有C，因此对同样含C的光阻层的刻蚀速率较慢，而对基片的刻蚀速率较快，从而基片对光阻层的刻蚀选择比较大，使得在粗刻蚀阶段能够初步形基片表面的图形。
在进行粗刻蚀阶段时，第一刻蚀气体所包括的CHF3气体或CxFy气体的气体流量可根据实际情况(如：各项工艺参数)选择，优选的可为150sccm～200sccm。CxFy气体具体可为CF4气体、C4F8气体等。
需要说明的是，虽然在粗刻蚀阶段中第一刻蚀气体所包含CHF3气体或CxFy气体中的C和F可能会结合形成含有C-F建的聚合物，这种聚合物难以被清洗干净，但是所生成的含有C-F建的聚合物大部分会被分子泵抽走，剩余的含有C-F建的聚合物会有一部分沉积在刻蚀腔室壁上，只有很少的一层沉积在基片表面上。
第一刻蚀气体中还可包括Ar(氩)气，以增强第一刻蚀气体所形成的等离子对基片的物理轰击作用，进一步提高基片的刻蚀速率。Ar气的气体流量可根据实际情况(如：各项工艺参数)选择，优选的可为40sccm～60sccm。
本实施例中第二刻蚀气体优选的可包括SF6(六氟化硫)气体，SF6气体中不含C，比较容易与光阻层中的C结合形成CFx(如：CF2)聚合物，CFx聚合物容易被清洗干净，从而刻蚀完成后基片上不会有难以清洗掉的聚合物残留，有利于降低利用基片制作的半导体器件的前级电压。并且，SF6气体中的F还会与粗刻蚀阶段中沉积在基片表面上的含有C-F建的聚合物反应生成容易被清洗的CFx聚合物，从而进一步减少了基片上难以清洗掉的聚合物，降低了前级电压。
在进行精刻蚀阶段时，第二刻蚀气体所包括的SF6气体的气体流量可根据实际情况选择，优选的可为150sccm～200sccm。
需要说明的是，在粗刻蚀阶段初步形成了基片表面图形的基础上，精刻蚀阶段主要实现了对基片表面图形的修饰，提高了基片表面的平整度，有利于降低前级电压。
本实施例中，在进行粗刻蚀阶段和精刻蚀阶段时，如果刻蚀腔室内的气体压力过低，则会降低刻蚀速率，如果刻蚀腔室内的气体压力过高，则会出现工艺窗口不稳定，分子自由程过小，分子数量增多，离子轰击较弱，导致刻蚀的反应副产物不容易被抽走，残留在基片表面不容易清洗的聚合物增多。据此可对刻蚀腔室内的气体压力进行合理的设计，气体压力优选的可为3mT～5mT，从而既保证较高的刻蚀速率，又避免过多不容易清洗的聚合物在基片表面残留。需要注意的是，粗刻蚀阶段时刻蚀腔室的气体压力与精刻蚀阶段时刻蚀腔室的气体压力可以相同也可以不同，本实施例并不对此限定。
在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，若刻蚀腔室的SRF(上电极射频功率)过低，则容易引起分子离化率低，造成刻蚀速率变慢，若刻蚀腔室的SRF太高，又会造成基片表面图形的侧壁粗糙，不利于利用基片制作的LED器件的出光效率。据此可对刻蚀腔室内的SRF进行合理的设计，SRF优选的可为800W～1200W，从而既保证较高的刻蚀速率，又能够对基片表面图形的侧壁进行较精细的刻蚀，提高图形侧壁的垂直度和平滑度。需要注意的是，粗刻蚀阶段时刻蚀腔室的SRF与精刻蚀阶段时刻蚀腔室的SRF可以相同也可以不同，本实施例并不对此限定。
在进行粗刻蚀阶段和精刻蚀阶段时，若刻蚀腔室的BRF(下电极射频功率)过低，则容易造成刻蚀速率变慢，若刻蚀腔室的BRF太高，又会对基片表面造成损伤，引起利用基片制作的半导体器件的前级电压升高。据此可对刻蚀腔室内的BRF进行合理的设计，BRF优选的可为50W～100W，从而既保证较高的刻蚀速率，又不会对基片表面形成损伤。需要注意的是，粗刻蚀阶段时刻蚀腔室的BRF与精刻蚀阶段时刻蚀腔室的BRF可以相同也可以不同，本实施例并不对此限定。
本实施例中，粗刻蚀阶段的持续时间优选的可为15min～20min，以保证经过粗刻蚀阶段后基片表面初步形成所需要的图形。精刻蚀阶段的持续时间优选的可为2min～5min，以进一步刻蚀，并对粗刻蚀阶段所形成的图形侧壁进行修饰。
本实施例所提供的刻蚀方法所刻蚀的基片可包括GaN衬底及形成于GaN衬底上的SiO2(二氧化硅)薄膜，光阻层形成于SiO2薄膜上，此时对基片的刻蚀主要是指对GaN衬底上SiO2薄膜的刻蚀。基于此，下面对本实施例所提供的基片的刻蚀方法进行具体介绍，请参见图1及图2a～图2c，刻蚀方法包括以下步骤：
步骤S1：提供GaN衬底1，在GaN衬底1上形成SiO2薄膜2，GaN衬底1与SiO2薄膜2构成待刻蚀的基片。SiO2薄膜2的厚度优选的可为1.5μm。
步骤S2：在SiO2薄膜2上涂敷光阻层3，对光阻层3进行曝光和显影，使光阻层3具有所需要的图形。
步骤S3：进行刻蚀过程的粗刻蚀阶段。具体为：将涂敷有光阻层3的待刻蚀的基片放置于刻蚀腔室的冷却器上，以光阻层3为掩膜，采用第一刻蚀气体对待刻蚀的基片的SiO2薄膜2进行刻蚀；其中第一刻蚀气体包含C，优选的可为CHF3气体或CxFy气体，以提高刻蚀选择比(SiO2薄膜2的刻蚀速率与光阻层3的刻蚀速率的比值)，CHF3气体或CxFy气体的气体流量可为150sccm～200sccm；第一刻蚀气体还可包括Ar气，以增强物理轰击作用，Ar气的气体流量可为40sccm～60sccm；刻蚀腔室内的气体压力可为3mT～5mT，以既保证较高的刻蚀速率，又保证反应副产物(如：含C-F键的聚合物)被及时抽走；刻蚀腔室内的SRF可为800W～1200W，以保证较高的刻蚀速率；刻蚀腔室内的BRF可为50W～100W，以既保证较高的刻蚀速率，又不会对GaN衬底形成损伤，降低LED的前级电压；刻蚀腔室内冷却器的温度可为20℃；粗刻蚀阶段的持续时间可为15min～20min，刻蚀深度为1.3μm左右，以保证经过粗刻蚀阶段后使SiO2薄膜2中初步形成所需要的图形。
步骤S4：进行刻蚀过程的精刻蚀阶段。具体为：以光阻层3为掩膜，采用第二刻蚀气体对SiO2薄膜2进行刻蚀；其中第二刻蚀气体不包含C，优选的可为SF6气体，以与粗刻蚀阶段中生成的含C-F键的聚合物及光阻层中C反应生成容易被清洗干净的CFx聚合物(如：CF2聚合物)，减少刻蚀后基片表面难以清洗的聚合物的残留，防止LED前级电压因聚合物残留而升高，SF6气体的气体流量可为150sccm～200sccm；刻蚀腔室内的气体压力可为3mT～5mT，以保证较高的刻蚀速率；刻蚀腔室内的SRF可为800W～1200W，以既保证较高的刻蚀速率，又能够实现对SiO2薄膜2中图形的侧壁进行较精细的刻蚀，提高图形侧壁的垂直度和平滑度，增强LED的出光效率；刻蚀腔室内的BRF可为50W～100W，以既保证较高的刻蚀速率，又不会对GaN衬底形成损伤，降低LED的前级电压；刻蚀腔室内冷却器的温度可为20℃；精刻蚀阶段的持续时间可为2min～5min，刻蚀深度为0.2μm左右，以进一步刻蚀SiO2薄膜2，并对粗刻蚀阶段所形成的图形侧壁进行修饰，得到侧壁光滑的图形。
在完成步骤S1～步骤S4后，还可包括去除光阻层3的步骤，去除光阻层3后，能够得到具有所需要图形的基片，该基片包括GaN衬底1和具有图形的SiO2薄膜，SiO2薄膜所具有的图形可包括多个的小凸起，这些小凸起能够增强光的反射和折射所用，提高利用该基片制作的LED的出光效率。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种基片的刻蚀方法，所述基片上预先形成有具有所需要的图形的光阻层，其特征在于，所述刻蚀方法包括：
粗刻蚀阶段，以所述光阻层为掩膜，采用第一刻蚀气体对所述基片进行刻蚀，所述第一刻蚀气体包含碳，以提高所述基片的刻蚀速率与所述光阻层的刻蚀速率的比值；
精刻蚀阶段，以所述光阻层为掩膜，采用第二刻蚀气体对经过所述粗刻蚀阶段的基片进行进一步刻蚀，修饰经过所述粗刻蚀阶段形成的图形的表面，所述第二刻蚀气体不包含碳，以使得所述第二刻蚀气体与所述粗刻蚀阶段中生成的聚合物及光阻层中碳反应。
2.根据权利要求1所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体包括三氟甲烷气体或碳氟化合物气体。
3.根据权利要求2所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述粗刻蚀阶段时，所述第一刻蚀气体所包括的三氟甲烷气体或碳氟化合物气体的气体流量为150sccm～200sccm。
4.根据权利要求2所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述第一刻蚀气体还包括氩气。
5.根据权利要求4所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述粗刻蚀阶段时，所述第一刻蚀气体所包括的氩气的气体流量为40sccm～60sccm。
6.根据权利要求1所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体包括六氟化硫气体。
7.根据权利要求6所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述精刻蚀阶段时，所述第二刻蚀气体所包括的六氟化硫气体的气体流量为150sccm～200sccm。
8.根据权利要求1所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的气体压力为3mT～5mT。
9.根据权利要求1所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的上电极射频功率为800W～1200W。
10.根据权利要求1所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，在进行所述粗刻蚀阶段和所述精刻蚀阶段时，刻蚀腔室内的下电极射频功率为50W～100W。
11.根据权利要求1～10任一项所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述粗刻蚀阶段的持续时间为15min～20min。
12.根据权利要求1～10任一项所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述精刻蚀阶段的持续时间为2min～5min。
13.根据权利要求1～10任一项所述的基片的刻蚀方法，其特征在于，所述基片包括氮化镓衬底及形成于所述氮化镓衬底上的二氧化硅薄膜，所述光阻层形成于所述二氧化硅薄膜上。
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