一種大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法和裝置

1、說明書摘要本發(fā)明公開一種大尺寸晶圓尺度納米級圖形化藍寶石襯底的裝置和方法。該裝置包括:承載晶圓的工作臺,涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓或者襯底,滾輪型壓印模具,紫外光光源,壓印機構。基于該裝置采用滾對平面納米壓印工藝實現(xiàn)晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法:(1沉積硬掩模層和旋涂納米壓印用抗蝕劑;(2采用滾對平面納米壓印工藝和裝置圖形化抗蝕劑;(3抗蝕劑圖形轉移到硬掩模層和藍寶石襯底;(4去除抗蝕劑和硬掩模層,并清洗圖形化后的藍寶石襯底。本發(fā)明還可用于碳化硅、硅、砷化鎵、氮化鎵等其它材料襯底的圖形化制造,以及太陽能電池、燃料電池雙極板、微光學透鏡、微流控器件等微納結構的制造。具有結構簡單、成本低、生產(chǎn)率高

2、、壓印面積大、適合規(guī)模化制造的特點。摘要附圖3 101 102 2024 203 1201 2 5 703 702 701 704權利要求書1. 一種大尺寸晶圓級滾對平面納米壓印的裝置,其特征是,它包括:承載晶圓的工作臺,涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓或者襯底,滾輪型壓印模具,紫外光光源,壓印機構。滾輪型壓印模具固定于壓印機構的底部;涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓或者襯底置于晶圓工作臺真空吸盤之上;紫外光光源置于滾輪型壓印模具已經(jīng)完成壓印結構的一側,垂直于晶圓或者襯底的正上方。2. 如權利要求1所述的大尺寸晶圓級滾對平面納米壓印的裝置,其特征是,所述模具為圓柱滾輪型結構,特征圖形位于圓柱結構的外表面。材料為金

3、屬鎳、銅、Cr、PDMS、PET、鋼中的一種。滾壓印模具的制造方法為激光刻蝕、電化學、化學刻蝕、飛秒激光加工的一種或者幾種的組合。3. 如權利要求1所述的大尺寸晶圓級滾對平面納米壓印的裝置,其特征是,在壓印過程中,所述滾輪型壓印模具與承載晶圓的工作臺運動方向保持一致,并且承載晶圓工作臺的運動速度v與滾輪型壓印模具的轉速n保持如下關系:n=1000v/d;其中d為滾輪型壓印模具的直徑;n、v和d的單位分別為:r/min;m/min;mm。二者必須保持同步運動。4. 如權利要求1所述的大尺寸晶圓級滾對平面納米壓印的裝置,實現(xiàn)晶圓級滾對平面納米壓印方法,其特征是,(1預處理過程。工作臺運動到放置晶圓

4、的工位,將涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓置于工作臺的真空吸盤之上,通過真空吸盤固定在工作臺上;工作臺運動到納米壓印的初始工位,壓印機構帶動滾輪型壓印模具下降到納米壓印工位。采用超聲波霧化工藝,在滾輪型壓印模具表面涂覆一層脫模劑。(2壓印和固化過程。首先,開啟紫外光后固化光源(曝光系統(tǒng),隨后,滾輪型壓印模具以轉速n做旋轉運動,然后使晶圓工作臺以速度v做勻速直線運動,兩者方向保持一致,且二者保持以下關系:n=1000v/d。工作臺以工進的速度完成整片晶圓的圖形化。(3復位過程。整片晶圓完成圖形化后,工作臺以快速進給的方式移動到放置/卸下晶圓的工位,取下完成圖形化的晶圓(襯底,同時放置新的晶圓(襯底。此外,

5、壓印機構帶動滾輪型的壓印模具復位。開始下一個工作循環(huán)。5. 一種大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法,其特征是,它包括:(1在藍寶石襯底之上沉積一層硬的掩模層;(2在硬掩模層之上旋涂一層納米壓印用抗蝕劑;(3采用滾對平面納米壓印工藝和裝置,在整片襯底的抗蝕劑上制造出納米特征圖形;(4去除殘留層;(5采用刻蝕工藝將抗蝕劑的上的圖形轉移到硬掩模層;(6以硬掩模層為掩模,采用刻蝕工藝將硬掩模層上的圖納米特征形轉移到藍寶石襯底上;(7去除抗蝕劑和硬掩模層;(8清洗圖形化后的藍寶石。6. 如權利要求5所述的大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法,其特征是,所述在藍寶石襯底之上沉積的硬掩模層包括二氧化硅

6、、氮化硅或鎳。7. 如權利要求5所述的大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法,其特征是,所述圖形化藍寶石襯底所述圖形幾何形狀:棒形(Nanorod、半球形、柱狀(Pillar;圓孔(Hole、六邊形孔(hexagonal holes、U形、金字塔形、六邊形、V字型脊狀或者光子晶體結構。8. 如權利要求5所述的大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法,其特征是,所述納米圖形化藍寶石襯底制造方法中涉及的刻蝕工藝包括濕法刻蝕、反應離子刻蝕或者等離子刻蝕。說明書一種大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法和裝置技術領域本發(fā)明涉及一種圖形化藍寶石襯底方法,尤其涉及一種采用滾對平面納米壓印方法實現(xiàn)4英寸以上大

7、尺寸晶圓尺度納米級圖形化藍寶石襯底的裝置和方法,屬微納制造和光電子器件制造技術領域。背景技術藍寶石襯底是目前制造藍光、綠光和白光三族氮化物LED最主要的襯底,與其它襯底(如碳化硅、硅、GaN等相比,具有制造技術成熟、單片成本低、化學和溫度穩(wěn)定性好、機械性能好、不吸收可見光等優(yōu)點,是目前LED行業(yè)使用最為廣泛的襯底。但是,作為LED 行業(yè)的主流襯底,藍寶石襯底有一個重大缺陷:與GaN等外延材料存在較大的晶格失配和熱應力失配,這將導致外延片產(chǎn)生大量的缺陷(即由于晶格匹配度低,造成界面位錯密度高。這嚴重影響了LED 的內(nèi)量子效率、LED芯片的性能和質(zhì)量。例如,GaN和藍寶石襯底材料二者的晶格常數(shù)相差

8、達16%,這導致GaN外延層缺陷密度較大,并向有源層InGaN蔓延,缺陷密度達到1091011 cm-2數(shù)量級。這些線缺陷會吸收部分注入電流,降低了載流子的產(chǎn)生率,導致注入效率下降。同時,載流子在缺陷能級易發(fā)生非輻射性復合,且載流子輻射性復合生成的光能也容易被缺陷吸收,產(chǎn)生熱能。這是藍寶石襯底材料的固有缺陷,上述缺陷反映在實際應用中導致的一個重大技術問題就是“Droop效應”,即隨著電流密度的增加,內(nèi)量子轉換效率不斷下降?！癉roop效應”一方面降低了光輸出強度,另一方面增加了工作過程中產(chǎn)能的熱能,對散熱提出了更高的要求。是目前LED行業(yè)最大技術挑戰(zhàn)問題之一,迫切需要被解決。圖形化藍寶石襯底(

9、Pattern Sapphire Substrate, PSS是在藍寶石襯底上制作出微米級或納米級的具有微結構特定規(guī)則的圖案,使GaN等外延材料由縱向外延變?yōu)闄M向外延。一方面可以有效減少GaN 外延材料的位錯密度,提高晶體質(zhì)量,從而減小有源區(qū)的非輻射復合,減小反向漏電流,提高LED的壽命;另一方面,對于倒裝和薄膜倒裝結構的LED芯片,有源區(qū)發(fā)出的光,經(jīng)GaN和藍寶石襯底界面多次散射,改變了全反射光的出射角,從而增加了光從芯片內(nèi)部出射的概率,提高了取光效率。綜合這兩方面的原因,使在PSS上生長的LED的光提取效率、輸出功率比傳統(tǒng)的LED大大提高,LED的壽命也得到了延長。因此,PSS方法使得藍寶

10、石襯底LED在內(nèi)量子效率和出光效率上都有所提升,LED的性能和質(zhì)量有了很大的改善,是針對以藍寶石為襯底GaN基LED缺陷的有效改進方法。圖形化藍寶石襯底正在成為半導體照明的主流襯底,是實現(xiàn)高亮度LED的一個重要支撐技術。但是,目前LED產(chǎn)業(yè)界所提供的圖形化藍寶石襯底大多為微米級圖形化藍寶石襯底(Micro-scale Patterned Sapphire Substrate, µPSS, 例如,目前使用比較普遍的是一種形貌類似圓錐形或者半球形的圖形,直徑為3-5m,圖形周期約為3-6m,高度約為1-3m。與通常的微米級圖形化襯底相比,已有的研究結果證實(Applied Physics

11、 Letters.2010, 96, 201106; Materials Science and Engineering B. 2009,164,7679; Journal of Crystal Growth. 2011, 322, 15-22; Phys. Status Solidi C 2010, 7, 78, 17841786,納米級圖形化藍寶石襯底(Nano-Patterned Sapphire Substrate, NPSS表現(xiàn)出更好的性能:(1更有效弛豫異質(zhì)結界面生長過程的應力,進一步降低外延層的位錯密度,提高晶體的質(zhì)量。已有的研究成果顯示:GaN分別在沒有圖形化的藍寶石襯底(平的

12、襯底、µPSS和NPSS上生長,其位錯密度分別為:1×109 1×1010cm2;1×108cm2;低于1×107cm2。(2更高的光提取效率(Better Light Extraction,對于µPSS,只有較大入射角的光束才能被反射耦合到逃逸光錐中,還有一些光無法輻射出去,經(jīng)過多次反射,最終被吸收。而對于NPSS,幾乎所入射有角度的光都會被散射,而且大多數(shù)會被耦合到逃逸光錐中,輻射出去(更小特征尺寸的圖形,增加了光散射的機率,或者說是再反射率。(3更好的凝聚效應(Better Coalescence,抑制縱向方向的線位錯密度。(4

13、更小反向漏電流,提高LED壽命。此外,如果納結構特征尺寸小于光波的波長,該層納米結構的折射率介于藍寶石和GaN之間;當納結構的深度大于/4n,光束在邊界面被反復反射和傳播。因此,輸出功率能夠被有效的提高。所以,納米級圖形化藍寶石襯底尤其是大尺寸NPSS 已經(jīng)成為目前提高LED亮度、性能和壽命最具有商業(yè)化應用前景的技術之一。對于傳統(tǒng)的PSS(µPSS,通常采用光刻和刻蝕的方法制造微米級的圖形,光刻一般采用接觸式光刻設備,刻蝕采用干法刻蝕或者濕法刻蝕。但是對于NPSS,采用現(xiàn)有的接觸式光刻設備無法實現(xiàn)納米圖形的制造,采用步進式光刻(STEEPER雖然可以實現(xiàn),但是STEEPER過于昂貴。

14、此外,采用電子束光刻也可以實現(xiàn)納米圖形的制造,但成本高、生產(chǎn)率低,難以實現(xiàn)大面積、規(guī)?；闹圃?。盡管其它諸如納米球珠光刻、陽極氧化鋁模板(AAO、激光干涉光刻等納米制造方法也已經(jīng)嘗試被應用于NPSS的制造,但是都在存在某方面的不足,如成本、生產(chǎn)率、一致性、良率和規(guī)?；圃斓确矫?無法滿足LED行業(yè)對于低成本、高生產(chǎn)率、高良率的苛刻要求(LED 對于成本、一致性和良率的要求非常嚴格。與采用以上納米制造技術實現(xiàn)NPSS相比,使用納米壓印光刻進行NPSS,是一種非常理想的LED納米圖形化方法。納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL是一種新的納米結構制造方法,它具有高分

15、辯率、超低成本(國際權威機構評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學投影光刻至少低一個數(shù)量級和高生產(chǎn)率等特點,而且它最顯著的優(yōu)勢在于大面積和復雜三維微納結構制造的能力(尤其對于軟UV-NIL,尤其是滾壓印工藝具有連續(xù)、大面積制造微納圖形和結構的能力。此外,NIL是通過抗蝕劑的受力變形實現(xiàn)其圖形化,不涉及各種高能束的使用,對于襯底的損傷小。而且還具有整片晶圓壓印和連續(xù)壓印的能力。目前,納米壓印已經(jīng)成為納米圖形化藍寶石襯底、光子晶體LED制造最理想的技術方法之一。與步進重復納米壓印工藝相比,采用整片晶圓納米壓印制造NPSS具有成本低、生產(chǎn)率高的顯著優(yōu)勢,但是,現(xiàn)有的大尺寸整片晶圓納米壓印工藝面臨以下挑戰(zhàn)

16、性技術難題:(1大面積施加均勻一致的壓印力。壓印力分布不均勻,一方面導致模具與襯底無法充分完全接觸,影響復型精度和質(zhì)量,甚至導致圖形轉移失敗,另一方面對于脆性材料的模板或者襯底,壓印力的不均勻極易導致其碎裂。藍寶石襯底已經(jīng)從早期的2inch和4inch,目前正向6inch和8inch發(fā)展,隨著襯底尺寸的增加,意味著每單位面積的制作成本降低、總體產(chǎn)能的提升。但是隨著襯底(晶圓尺寸的不斷增大,對于整片襯底圖形化過程中,如何在大面積的襯底上獲得均勻一致的壓印力變的愈發(fā)困難。對于壓印工作臺和壓印機構性能的要求也越來越高;(2減小壓印力。為了實現(xiàn)模具與整片晶圓均勻性的完全接觸,液態(tài)抗蝕劑快速、完全充填模

17、具微納米腔體結構,與步進重復納米壓印工藝和小面積壓印工藝相比,大尺寸整片晶圓壓印需要更到的壓印力,大的壓印力將導致模具產(chǎn)生變形,對于軟模具其變形尤為嚴重,這將導致復型精度的降低、存在缺陷,甚至圖形復制失敗;(3氣泡消除。消除氣泡一直是納米壓印工藝所面臨的極為棘手的問題,氣泡的存在將導致復制的圖形存在缺陷,嚴重影響制作圖形的質(zhì)量。大尺寸整片晶圓納米壓印過程中印極易產(chǎn)生氣泡,然而消除氣泡卻非常難以解決;(4脫模困難。隨著模具和襯底的接觸面積的增大,一方面包含模具微納結構特征大大增加,另一方面模具與抗蝕劑粘附問題變得日益突出,導致需要很大的脫模力才能實現(xiàn)模具與晶圓的分離,大的脫模力容易損壞模具和復制

18、的圖形;另外,若脫模力過大,則可能將已固化抗蝕劑的顆粒粘附在模具表面,并且可能造成模具表面納結構的破壞,即造成壓印模具的“污染”;(5整個壓印區(qū)域獲得均勻一致和薄的殘留層?？刮g劑上的圖形需要轉移到晶圓(襯底上,在整片晶圓的壓印區(qū)域獲得均勻一致和薄的殘留層,對于實現(xiàn)高質(zhì)量的圖形轉移起到?jīng)Q定性的作用。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于,提供一種大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的裝置和方法,實現(xiàn)4英寸以上大尺寸納米級圖形化藍寶石低成本、高生產(chǎn)率和規(guī)模化制造。為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采取如下的技術解決方案:采用一種滾對平面(Roll-to-Plate,Roll-to-Flat納米壓印工藝和裝置實現(xiàn)4英寸以上大尺

19、寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的規(guī)?；圃?。一種大尺寸晶圓級滾對平面納米壓印的裝置,包括:承載晶圓的工作臺,涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓或者襯底,滾輪型壓印模具,紫外光光源,壓印機構。滾輪型壓印模具固定于壓印機構的底部;涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓或者襯底置于晶圓工作臺真空吸盤之上;紫外光光源置于滾輪型壓印模具已經(jīng)完成壓印結構的一側,垂直于晶圓或者襯底的正上方。本發(fā)明使用的模具為圓柱滾輪型結構,特征圖形位于圓柱結構的外表面。材料為金屬鎳、銅、Cr、PDMS、PET、鋼。滾壓印模具的制造方法為激光刻蝕、電化學、化學刻蝕、飛秒激光加工等。本發(fā)明承載晶圓的工作臺包括固定晶圓或者襯底的真空吸盤和實現(xiàn)沿x-y方向運動

20、的精密工作臺。在壓印過程中,所述滾輪型壓印模具與承載晶圓的工作臺運動方向保持一致,并且承載晶圓工作臺的運動速度v與滾輪型壓印模具的轉速n保持如下關系:n=1000v/d;其中d為滾輪型的壓印模具的直徑;n、v和d的單位分別為:r/min;m/min;mm。二者必須保持同步運動。所述壓印機構與滾輪型壓印模具的連接采用彈性浮動連接結構。本發(fā)明還可以應用于熱滾對平面納米壓印?；谠撗b置,一種晶圓級滾對平面納米壓印方法,包括如下步驟:1預處理過程工作臺運動到放置晶圓的工位,將涂鋪有抗蝕劑的整片晶圓置于工作臺的真空吸盤之上,通過真空吸盤固定在工作臺上;工作臺快速運動到納米壓印的初始工位,壓印機構帶動滾輪

21、型壓印模具下降到納米壓印工位。采用超聲波霧化工藝,在滾輪型壓印模具表面涂覆一層脫模劑。2壓印和固化過程首先,開啟紫外光后固化光源(曝光系統(tǒng),隨后,滾輪型壓印模具以轉速n做旋轉運動,然后使晶圓工作臺以速度v做勻速直線運動,兩者方向保持一致,且二者保持以下關系:n=1000v/d。工作臺以工進的速度完成整片晶圓的圖形化。3復位過程整片晶圓完成圖形化后,工作臺以快速進給的方式移動到放置/卸下晶圓的工位,取下完成圖形化的晶圓(襯底,同時放置新的晶圓(襯底。此外,壓印機構帶動滾輪型的壓印模具復位。開始下一個工作循環(huán)。本發(fā)明晶圓級滾對平面納米壓印裝置和方法的顯著特征是:1 壓印過程模具與抗蝕同時接觸的面積

22、小,壓印力分布均勻。在壓印過程中,壓印模具與抗蝕劑始終為線接觸,且壓印力均勻分布。同時避免大面積上施加較大的壓印力。2 避免整片晶圓壓印“氣泡”缺陷。壓印過程所產(chǎn)生的“氣泡”能夠被及時排除。3 易于脫模。壓印過程中,模具與抗蝕劑同時接觸面積非常小,避免了傳統(tǒng)整片晶圓納米壓印需要模具和抗蝕劑同時大面積才能完成復形,大面積的同時接觸需要很大的壓印力,大面積大的壓印力導致模具和抗蝕劑粘附嚴重,造成脫模困難,并有可能對模具和制造的納米結構造成損壞。4 生產(chǎn)率高。壓印過程中為連續(xù)滾壓印過程,晶圓尺寸愈大,與其它工藝相比,效率越高。5 本發(fā)明不依賴精密機械施加的平衡、均勻,與表面垂直的壓印力,簡化了設備結

23、構,成本低。6 本發(fā)明可以實現(xiàn)Sub-100nm特征圖形的制造。7本發(fā)明制造大面積納米級圖形的適應性好,增大襯底的面積,滾輪型的壓印模具和壓印設備的變動性小,理論上對于壓印面積沒有限制,設備和工藝的應用范圍廣。利用本發(fā)明提供的滾對平面納米壓印裝置和方法,實現(xiàn)4英寸以上大尺寸晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的方法,具體工藝步驟如下:(1在藍寶石襯底之上沉積一層硬的掩模層;(2在硬掩模層之上旋涂一層納米壓印用抗蝕劑;(3采用滾對平面納米壓印工藝和裝置,在整片襯底的抗蝕劑上制造出納米特征圖形;(4去除殘留層;(5采用刻蝕工藝將抗蝕劑的上的圖形轉移到硬掩模層;(6以硬掩模層為掩模,采用刻蝕工藝將硬掩模層上的

24、圖納米特征形轉移到藍寶石襯底上;(7去除抗蝕劑和硬掩模層;(8清洗圖形化后的藍寶石。所述在藍寶石襯底之上沉積的硬掩模層包括二氧化硅、氮化硅或鎳。圖形化藍寶石襯底所述圖形幾何形狀:棒形(Nanorod、半球形、柱狀(Pillar;圓孔(Hole、六邊形孔(hexagonal holes、U形、金字塔形、六邊形、V字型脊狀或者光子晶體結構。所述納米圖形化藍寶石襯底制造方法中涉及的刻蝕工藝包括濕法刻蝕、反應離子刻蝕或者等離子刻蝕。本發(fā)明的實現(xiàn)了4英寸以上大尺寸晶圓尺度納米級圖形化藍寶石襯底的低成本、高生產(chǎn)率、高精度和規(guī)模化的制造。本發(fā)明還適合于碳化硅、硅、GaAs、GaN等其它材料襯底的圖形化制造。

25、本發(fā)明滾對平面納米壓印的工藝和裝置還可應用于太陽能電池、燃料電池雙基板、微光學透鏡、微流控器件等的制造。此外,本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)大面積整片晶圓納米壓印的新工藝。附圖說明圖1是本發(fā)明晶圓級滾對平面納米壓印的裝置結構示意圖。圖2是本發(fā)明晶圓級納米圖形化藍寶石襯底制造工藝步驟圖。具體實施方式以下結合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術方案給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。以4英吋(約100毫米納米圖形化藍寶石襯底為實施例,詳細說明采用滾對平面納米壓印工藝實現(xiàn)晶圓級納米圖形化藍寶石襯底的制造方法。本發(fā)明晶圓級滾對平面納米壓印裝置結構示意圖參見圖1。圖中1為承載晶圓的工作臺;2為涂鋪有抗蝕劑的整片藍寶石襯

26、底;3紫外光光源;4為滾輪型壓印模具;5壓印機構。本發(fā)明具有沿x-y方向移動承載晶圓的工作臺1包括x-y工作臺101和固定晶圓或者襯底2的真空吸盤102,其中x-y工作臺101實現(xiàn)在x和y方向的工進和快速進給功能。滾輪型壓印模具4的旋轉運動的方向704和工作臺在x方向的工進(方向702共同作用,完成整片晶圓或者襯底的連續(xù)壓印,實現(xiàn)整片襯底的納米級圖形化。本發(fā)明涂鋪有抗蝕劑的藍寶石襯底2包括藍寶石襯底201、硬掩模層二氧化硅202、紫外納米壓印抗蝕劑203。本發(fā)明滾輪型壓印模具4與壓印機構5相連接,二者之間采用彈性浮動連接。壓印機構具有沿著z向703垂直運動的功能,實現(xiàn)滾輪型壓印模具4與藍寶石襯底上的紫外納米壓印抗蝕劑203之間的定位、壓印深度的功能調(diào)整。本實施例中藍寶石襯底的參數(shù)設置如下:4英吋藍寶石,在其上制造納米孔圖形陣列,圖形的幾何參數(shù)是:圓孔的直徑200nm,周期400nm,孔的深度是15nm。滾輪型壓印模具4的直徑100mm?；诒景l(fā)明的裝置和方法,本實施例的具體制造工藝步驟:1沉積硬掩模層藍寶石襯底清洗后,在其上沉積100nm的二氧化硅,作為硬的掩模層。2旋涂納米壓印用抗蝕劑在硬掩模層之上旋涂200nm的紫外納米壓印用抗蝕劑。3采用本滾對平面納米壓印工藝和裝置,進行抗蝕劑的圖形化對抗蝕劑進行圖形化的具體工藝步驟:(a預處理過程x-