專利名稱：使用相移掩模的光刻發(fā)光二極管制作的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開一般涉及發(fā)光二極管(LED)的制作，尤其涉及為增加LED光發(fā)射效率而使用相移掩模的光刻系統(tǒng)和LED制作方法。
背景技術(shù)：
LED被用于各種各樣的照明應(yīng)用(如，全色顯示、燈、交通燈、節(jié)日燈等等)，且隨著 LED技術(shù)的改進(jìn)和LED成本的下降，與日俱增地找到更多的應(yīng)用。由于LED制作和LED設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)，LED正在日益變得更有效。然而，對LED光發(fā)射效率的一般限制，是由于LED內(nèi)產(chǎn)生的光的全內(nèi)反射。例如，在氮化鎵(GaN)基的LED 中，η摻雜和ρ摻雜的GaN層被有表面的半導(dǎo)體基底(如藍(lán)寶石)支承。η摻雜和ρ摻雜的 GaN層中間夾著激活層，而GaN層之一有與空氣對接的表面。光在激活層中被產(chǎn)生，并沿所有方向均等地發(fā)射。然而，GaN有大約3的相對高的折射率。結(jié)果是，在GaN-空氣界面上存在最大入射角錐(“出射錐”)，光在該最大入射角錐內(nèi)射出該P(yáng)-GaN-空氣界面，但在該最大入射角錐以外，由于Snell定律，光被反射回GaN結(jié)構(gòu)。為改進(jìn)LED的光發(fā)射效率，某些LED已經(jīng)用被粗糙化基底表面制作。該被粗糙化基底表面散射內(nèi)部反射的光，使一些光落入該出射錐內(nèi)并射出LED，從而改進(jìn)LED的光發(fā)射效率。在制造環(huán)境中，希望有形成被粗糙化基底表面的可控和一致的方法，以便使LED 有相同結(jié)構(gòu)和相同性能。目前使用磨蝕使基底表面粗糙化的方法，不是一種可重復(fù)的過程， 因而不大適合大批量的LED制造。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的一個(gè)方面，是一種為改進(jìn)LED光發(fā)射效率而形成LED被粗糙化表面的光刻方法。該光刻方法包含提供有被光刻膠覆蓋的表面的半導(dǎo)體基底。該光刻方法還包含， 用光刻方式使相移掩模圖形成像在光刻膠上。該相移掩模圖形包含第一及第二相移區(qū)的周期性陣列及第一空間頻率。該光刻成像，在光刻膠中形成有第二空間頻率的光刻膠特征的周期性陣列，該第二空間頻率基本上是第一空間頻率的兩倍。該光刻方法還包含，通過處理被粗糙化基底表面中的光刻膠和光刻膠特征，在該基底表面中形成基底樁的對應(yīng)的周期性陣列，定義該被粗糙化基底表面。該光刻方法還包含，在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成LED的p-n結(jié)多層結(jié)構(gòu)，周期性基底樁(substrate post)起散射點(diǎn)(scatter site) 的作用，該散射點(diǎn)與沒有被粗糙化基底表面的LED比較，改進(jìn)LED的光發(fā)射效率。在該光刻方法中，基底最好由藍(lán)寶石制成。在該光刻方法中，該光刻成像最好在成像波長上進(jìn)行。而第一及第二相移區(qū)最好被構(gòu)造成在成像波長上提供各自的0°和180°相移。在該光刻方法中，成像波長最好是365nm。而光刻成像最好按單位放大倍數(shù)進(jìn)行。在該光刻方法中，該基底樁有直徑、間隔和高度。該光刻方法最好還包含，按對該直徑、間隔和高度提供最大焦深的數(shù)值孔徑，進(jìn)行光刻成像。在該光刻方法中，第一及第二相移區(qū)最好有圓形形狀、橢圓形狀和多邊形形狀中的至少之一。該光刻方法最好還包含，形成2微米或更小的寬度的基底樁。該光刻方法最好還包含，形成有在0. 5微米和3微米之間的邊緣到邊緣間隔的基底樁。該光刻方法最好還包含，形成有直到2微米高度的基底樁。在該光刻方法中，該基底樁的周期性陣列，最好有基本上1 1的節(jié)距(pitch)。在該光刻方法中，該基底樁最好有1微米或更小的尺寸。而該光刻方法最好包含按0. 5或更小的數(shù)值孔徑進(jìn)行光刻成像。本公開的另一方面，是一種形成LED的方法。該方法包含用光刻方式，使受半導(dǎo)體基底支承的光刻膠曝光，以在光刻膠中形成光刻膠樁的陣列，包含使照明光通過有包括第一及第二相移區(qū)的周期性圖形的相移掩模。該方法還包含處理該光刻膠，以形成定義被粗糙化基底表面的基底樁的陣列。該方法還包含，在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成 LED的p-n多層結(jié)構(gòu)，其中該被粗糙化基底表面的作用是散射由p-n多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光，以便與有未被粗糙化基底表面的LED比較，增加LED發(fā)射的光的量。在該方法中，該基底樁最好至少有0. 5微米的一種尺寸。而該光刻曝光最好有0. 5 或更小的數(shù)值孔徑和約365nm的成像波長。在該方法中，基底最好是藍(lán)寶石。在該方法中，相移掩模圖形最好有不透光的背景區(qū)，該不透光的背景區(qū)包圍被分隔開的第一及第二相移區(qū)。在該方法中，第一及第二相移區(qū)最好有圓形形狀、橢圓形狀和多邊形形狀中的至少之一。在該方法中，光刻曝光最好在成像波長上進(jìn)行。而第一及第二相移區(qū)最好被構(gòu)造成在成像波長上提供各自的0°和180°相移。在該方法中，光刻曝光最好按單位放大倍數(shù)進(jìn)行。在該方法中，基底樁最好有1微米或更小的尺寸。該方法最好還包含按0. 5或更小的數(shù)值孔徑，進(jìn)行光刻曝光。在該方法中，第一及第二相移區(qū)最好不被分隔開。本公開的另一方面，是一種由如下過程形成的發(fā)光二極管產(chǎn)品，該過程包含，用光刻方式使受半導(dǎo)體基底支承的光刻膠曝光，以在其中形成光刻膠樁的陣列，包含使照明光通過相移掩模，該相移掩模有第一及第二相移區(qū)的周期性圖形。該過程還包含，處理該光刻膠，以形成定義基底被粗糙化表面的基底樁的陣列。該過程還包含，在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成LED的p-n多層結(jié)構(gòu)，其中該被粗糙化基底表面的作用是散射由p-n多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光，以便與有未被粗糙化基底表面的LED比較，增加LED發(fā)射的光的量。本公開另外的特征和優(yōu)點(diǎn)在下面詳細(xì)描述中闡述，部分地對本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員從該描述或通過實(shí)踐本文描述的實(shí)施例得到的認(rèn)識，將是顯而易見的，本文的描述包含下面的詳細(xì)說明、權(quán)利要求書、以及附圖。應(yīng)當(dāng)理解，前面的一般描述和下面給出的詳細(xì)說明二者，旨在提供概況和框架，以便理解按權(quán)利要求所要求的本公開的本質(zhì)和特點(diǎn)。所包含的附圖用于提供本公開的進(jìn)一步理解，并被結(jié)合到本說明書中而構(gòu)成本說明書的一部分。附圖示出本公開的各種實(shí)施例，并與說明書一道起解釋本公開的原理和操作的作用。


圖1是示例性GaN基LED的示意斷面圖，該LED包含由樁的陣列定義的被粗糙化基底表面；圖2是對諸如圖1所示并有定義被粗糙化藍(lán)寶石基底表面的樁的均勻陣列的LED， 所測量到的LED(光)發(fā)射的增加(％ )與樁的尺寸(微米)關(guān)系的曲線圖；圖3是示例性的樁的均勻陣列一部分的透視圖；圖4是樁的陣列中四個(gè)相鄰樁的特寫透視圖，表明邊緣到邊緣的樁的間隔S、樁的直徑D和樁的高度H ；圖5是用于實(shí)行光刻成像并一般地實(shí)施本公開的方法的通用光刻系統(tǒng)的示意圖；圖6是圖5所示光刻系統(tǒng)例子的更詳細(xì)的示意圖；圖7是示例性基底的平面圖，該基底有曝光場以及全局的和精細(xì)的對準(zhǔn)標(biāo)記，且還包含表明曝光場的插圖A (Inset A)、表明曝光場內(nèi)的LED區(qū)的插圖B (Inset B)、以及表明LED區(qū)中形成的光刻膠樁的陣列的插圖Canset C)；圖8A是示例性相移掩模一部分的示意圖，圖上該掩模圖形包括區(qū)R，具有有0°相移的透射區(qū)Rtl和有180° (π)相移的透射區(qū)；圖8B是圖8A相移掩模的四個(gè)區(qū)R的特寫圖；圖9A是能夠用于形成亞微米樁的另一種示例性相移掩模的示意圖，其中的相移區(qū)被分隔開并有多邊形形狀；圖9B類似于圖9A，但其中的相移區(qū)是圓形；圖10是在有3微米厚度的光刻膠中，并用與圖9A類似的有L/2 = 0. 6和有區(qū)Rtl 和1的相移掩模所形成的示例性柱的陣列的掃描電子顯微鏡像；和圖IlA到IlD是按照本公開的在形成LED的過程中，使用有相移掩模的光刻成像以及光刻處理技術(shù)的經(jīng)處理后在基底表面中形成樁的陣列的基底示意斷面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在仔細(xì)參考本公開的各個(gè)實(shí)施例，這些實(shí)施例的例子示出在附圖中。只要可能， 相同的或類似的參考數(shù)字和符號，在全部圖中用于指相同的或類似的部分。示例性LED結(jié)構(gòu)圖1是示例性GaN基LED 10的示意斷面圖，示例性GaN基LEDlO在美國專利 No. 6，455，877,7, 259，399和7，436，001中描述，這些專利通過引用被合并到本文中。本公開不限于GaN基LED，而是針對任何類型的LED，它們使用光刻成像和處理技術(shù)形成，并且可以從本文所描述的樁的陣列所形成被粗糙化基底表面中增加光發(fā)射而獲益。LED 10包含有表面22的基底20?；?0的示例性材料包含藍(lán)寶石、SiC、GaN、 Si等等。布置在基底20頂部的是GaN多層結(jié)構(gòu)30，該GaN多層結(jié)構(gòu)30包含η摻雜GaN層 ("n-GaN 層”)40 和有表面 52 的 ρ 摻雜 GaN 層("p-GaN 層”)50。n-GaN 層 40 和 p-GaN 層50中間夾著激活層60，以n-GaN層40與基底20相鄰。在其它GaN基LED實(shí)施例中，GaN多層結(jié)構(gòu)30被顛倒，于是p-GaN層50與基底20相鄰。激活層60包括，例如多量子阱(MQW) 結(jié)構(gòu)，諸如未摻雜的fe^nN/GaN超晶格GaN多層結(jié)構(gòu)30，由此定義p-η結(jié)，本文更一般地稱之為P-η結(jié)多層結(jié)構(gòu)。在一些例子中，表面52能夠被粗糙化，以通過它增加LED光發(fā)射?；?0的表面22包含樁72的陣列70，該樁72的陣列70定義基底20的表面22 的粗糙性。在下面更詳細(xì)描述的一個(gè)例子中，樁72的陣列70被蝕刻進(jìn)基底20的表面22中， 因此樁72由基底材料制成。要增LED光發(fā)射效率，樁72最好有大于發(fā)射的LED波長λ LED2 倍到10倍的尺寸(如直徑或?qū)挾菵)。重要的是要指出，雖然發(fā)射的LED波長可以例如是在400和700nm之間，但在GaN層40和50中的LED波長大致變小2. 5倍，因?yàn)镚aN的折射率η使GaN層40和50中的波長成為約150250nm(即，λ LED/n)。在一個(gè)例子中，為了在n-GaN層40內(nèi)有效地散射光，樁72要有約0. 5微米到約3微米的尺寸D。另外在一個(gè)例子中，樁72之間邊緣到邊緣的間隔S，能夠從0. 5微米到3微米變化，而樁高度H能夠是直到約3微米(見圖3和圖4)。LED 10作為有形成在GaN多層結(jié)構(gòu)30中的傾斜部分80被出示在圖1中。傾斜部分80形成n-GaN層40的暴露的表面部分42，該暴露的表面部分42的作用，是用作支承兩個(gè)電觸點(diǎn)90之一，即η觸點(diǎn)90η的凸臺。示例性的η觸點(diǎn)材料，包含Ti/Au、Ni/Au, Ti/Al 或它們的組合。另一個(gè)電觸點(diǎn)90是ρ觸點(diǎn)90p，它被安排在p-GaN層50的表面52上。示例性的P觸點(diǎn)材料，包含Ni/Au和Cr/Au。示例性的距離dl約為4微米，而示例性的距離 d2約為1. 4微米。示例性的LED 10通常是ImmX Imm見方。增加LED光發(fā)射效率圖2是對諸如圖1所示并有定義藍(lán)寶石基底20中的被粗糙化表面22的樁72的均勻陣列70的LED 10，所測量到的LED (光)發(fā)射的增加(％ )與樁的尺寸(微米)關(guān)系的曲線圖。圖3是示例性的樁72的均勻陣列70—部分的透視圖。圖4是陣列70中四個(gè)樁72的特寫透視圖，表明邊緣到邊緣的樁的間隔S、樁的直徑D和樁的高度H。圖2曲線圖中樁的尺寸，是沿水平軸按(D、S、H)格式給出的。有未被粗糙化藍(lán)寶石表面22的LED 10 的LED光發(fā)射作為參考被示出，而LED光發(fā)射的增加，是相對于該參考值(0% )測量的。從圖2的曲線圖觀察到，LED光發(fā)射對更高和更窄的樁72 —般是增加的。對均勻的陣列70，表層要求是不嚴(yán)格的，而偶爾的缺陷尤其不成問題。然而，樁72的大小，如同用于形成樁72的大批量過程的可重復(fù)性和一致性一樣重要。應(yīng)當(dāng)注意，樁72能夠有任何合理斷面形狀，而作為圖例被畫成有圓斷面的圓柱形樁。樁72能夠?yàn)榉菆A柱形(即有傾斜的或非直的側(cè)壁)、能夠有矩形或正方形斷面形狀、四季豆類型形狀，等等。一般說來，按照或接近用于形成樁72的光刻成像過程的分辨率極限所形成的示例性樁72 (如在下面的討論)， 有圓滑的斷面形狀而沒有尖銳邊緣。因此，樁直徑或?qū)挾菵，在本文中意指樁72的斷面大小的代表或有效尺寸，而不限于任何具體形狀。例如，樁直徑D可以指有橢圓斷面形狀的樁的主軸直徑。如在上面的討論，樁72能夠有亞微米直徑D，如D = 0. 5微米。使用當(dāng)今的光刻技術(shù)形成這種樁72，通常要求能使0. 5微米特征成像的光刻系統(tǒng)。然而，這樣的光刻系統(tǒng)，通常是為傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路制造而設(shè)計(jì)的，用于形成關(guān)鍵層(critical IayerM即有最小尺寸的層)，且一般被認(rèn)為用于LED制造過于昂貴。
本公開的各方面，包含用于在基底20的表面22上，形成樁72的陣列70的光刻系統(tǒng)和方法，以制作與有光滑基底表面的相同LED相比，有增加的LED光發(fā)射效率的LED 10。 然而，本文描述的光刻系統(tǒng)和方法，適合于使用非關(guān)鍵層光刻系統(tǒng)與選定的相移掩模類型的組合被實(shí)施。相移掩模被與光刻系統(tǒng)的數(shù)值孔徑和照明(即“西格馬”)匹配，以形成有需要尺寸的樁72。這樣允許光刻系統(tǒng)在合適的焦深(DOF)上，印出比使用傳統(tǒng)的玻璃上鍍鉻(chrome-on-glass)的非相移掩模能夠印出的小得多的樁72。光刻成像眾所周知，光柵型結(jié)構(gòu)能夠使用兩束相交的相干光束在光刻膠中產(chǎn)生。在正常條件下，兩束有入射角θ和波長λ的相干光束，能夠干涉而在光刻膠中產(chǎn)生周期性光柵型結(jié)構(gòu)，其周期P由P= λ/(2女sine)給出。χ-y平面中的兩維格柵型(棋盤格)圖形，能夠用疊加的四束相干光束，即，兩束沿χ方向和兩束沿y方向，產(chǎn)生。圖5是通用光刻系統(tǒng)100的示意圖，而圖6是示例性光刻系統(tǒng)100更詳細(xì)的示意圖。笛卡爾X-Y-Z坐標(biāo)被畫出以供參考。光刻系統(tǒng)100被構(gòu)造成進(jìn)行光刻成像，它在本文中亦稱“光刻曝光”，因?yàn)槌上褚鸸饷舨牧霞垂饪棠z曝光。光刻成像或光刻曝光，一般地指俘獲通過掩模的光并使俘獲的光在DOF內(nèi)的像平面上成像，其中的光敏材料一般地被安排在該DOF之內(nèi)以記錄該像。參考圖5和圖6兩圖，光刻系統(tǒng)100包含，沿系統(tǒng)軸Al 照明器106、掩模臺110、投影透鏡120、以及可移動基底臺130。掩模臺110支承相移掩模112，該相移掩模112有在其上形成相移掩模圖形115的表面114。基底臺130支承基底20。基底20可以是晶片的形式。在一個(gè)例子中，光刻系統(tǒng)100是1 1系統(tǒng)(即，單位放大倍數(shù)系統(tǒng))，它有約0.3的數(shù)值孔徑并操作在中紫外波長，如所謂i譜線(標(biāo)稱值365nm)上。在另一個(gè)例子中，一種縮小的光刻系統(tǒng)能夠被使用。在一個(gè)例子中，光刻系統(tǒng)100適合在半導(dǎo)體處理過程中供處理非關(guān)鍵層使用。適合實(shí)現(xiàn)本文公開的光刻系統(tǒng)和方法的示例性光刻系統(tǒng)100，是Sapphire 100光刻系統(tǒng)，可從加州San Jose的Ultratech. Inc.購得。示例性投影透鏡120包含可變孔徑光闌AS，該光闌AS定義有直徑DP的光瞳P，又定義光瞳平面PP。照明器106被構(gòu)造成通過提供充滿光瞳P —部分的光源像SI以照射相移掩模112。在一個(gè)例子中，光源像SI是有直徑DSI的均勻圓盤。光刻系統(tǒng)100的部分相干性因子被定義為σ =DSI/DP，這里光瞳P被假定是圓的。對不是簡單均勻圓盤的不同光源像Si，部分相干性ο的定義變得更復(fù)雜。在一個(gè)例子中，相移掩模112的照明，是Kohler 照明或其變型。光刻系統(tǒng)100還包含光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)150，諸如所示的通過透鏡對準(zhǔn)系統(tǒng)，它可以利用機(jī)器視覺對準(zhǔn)系統(tǒng)。示例性光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)被公開在美國專利No. 5，402，205,5, 621，813 和6，898，306，以及美國專利申請序列No. 12/592，735中，這些專利和專利申請通過引用被合并進(jìn)本文中。圖7是示例性基底20的平面圖，該基底20有如由光刻系統(tǒng)100形成的曝光場EF， 并還包含用于全局對準(zhǔn)的全局對準(zhǔn)標(biāo)記136G，以及用于精細(xì)對準(zhǔn)的精細(xì)對準(zhǔn)標(biāo)記136F(見插圖A)。注意，在所示例子中，兩種類型的對準(zhǔn)標(biāo)記136駐留在曝光場EF之間的或與曝光場EF相鄰的曝光場劃線區(qū)域137中。曝光場EF在下面結(jié)合它們的形成更詳細(xì)討論，它們的形成是在形成LED 10的光刻過程中，使用相移掩模112完成的。
再參考圖6，示例性光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)150包含沿軸A2排列并發(fā)射波長λ Α的對準(zhǔn)光 153的光源152。分束器巧4被排列在軸Α2和垂直軸A3之間的交點(diǎn)上。透鏡156和折疊反射鏡158被沿軸A3排列。折疊反射鏡158把軸A3折疊以形成平行于系統(tǒng)軸Al的軸Α4。 軸Α4行進(jìn)通過掩模112，通過投影透鏡120并到達(dá)基底20。光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)150還包含像傳感器160，沿軸A3被排列在透鏡156和折疊反射鏡158的相反側(cè)，與分束器IM相鄰。像傳感器160被電學(xué)地連接到像處理單元164，該像處理單元164被構(gòu)造成處理由像傳感器 160俘獲的數(shù)字像。像處理單元164被電學(xué)地連接到顯示單元170并還連接到可移動基底臺 130。在光刻系統(tǒng)100的一般操作中，來自照明器106的光108照射相移掩模112和其上的相移掩模圖形115，而該相移掩模圖形115，借助從投影透鏡120來的曝光的光121，被成像在選定曝光場EF(圖7)上的基底20的表面22上。對準(zhǔn)圖形115W形成基底對準(zhǔn)標(biāo)記 136?；?0的表面22通常被光敏材料如光刻膠層135涂覆(圖5)，因此相移掩模圖形 115能夠被記錄并轉(zhuǎn)移到基底20。光刻系統(tǒng)100被用于使用光刻成像(光刻曝光)與光刻處理技術(shù)結(jié)合，形成相對大量(如數(shù)千)的LED 10。組成LED 10的各層，例如按分步重復(fù)或分步掃描方式被形成， 然后一道被處理。因此，在使相移掩模圖形115成像到光刻膠層135上以形成曝光場EF的陣列70之前，相移掩模圖形115必須被恰當(dāng)?shù)貙?zhǔn)先前已形成的層，尤其是對準(zhǔn)先前已形成的曝光場EF。這是通過使用一個(gè)或多個(gè)前述基底對準(zhǔn)標(biāo)記136和對準(zhǔn)參考，使基底20相對于相移掩模112對準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)的，該對準(zhǔn)參考在光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)150中是一個(gè)或多個(gè)掩模對準(zhǔn)標(biāo)記116。因此，在光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)150的操作中，來自光源152的對準(zhǔn)光153沿軸A2傳播并被分束器巧4沿軸A3向透鏡156反射。對準(zhǔn)光153通過透鏡156并被折疊反射鏡158反射，通過相移掩模112及投影透鏡120，照射基底20的表面22的包含基底對準(zhǔn)標(biāo)記136的部分。對準(zhǔn)光153的一部分153R被基底20的表面22和基底對準(zhǔn)標(biāo)記136反射，向后傳播通過投影透鏡120并通過相移掩模112，并且尤其是通過掩模對準(zhǔn)標(biāo)記116。在基底對準(zhǔn)標(biāo)記136是衍射式的情形中，則來自基底對準(zhǔn)標(biāo)記136的衍射光被收集。投影透鏡120與透鏡156的組合，從反射光部分135R形成像傳感器160上的基底對準(zhǔn)標(biāo)記136和掩模對準(zhǔn)標(biāo)記116的疊加像。對此，掩模對準(zhǔn)標(biāo)記116作為對準(zhǔn)參考起作用。在其他類型的光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)，如離軸系統(tǒng)中，對準(zhǔn)參考是光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸，如根據(jù)光刻系統(tǒng)基準(zhǔn)被校準(zhǔn)的。像傳感器160產(chǎn)生代表被俘獲數(shù)字像的電信號Si，并把它發(fā)送至像處理單元164。 像處理單元164適合(如，借助配備在計(jì)算機(jī)可讀媒體，諸如儲存器單元165中的像處理軟件)進(jìn)行接收的數(shù)字像的像處理。尤其是，像處理單元164適合進(jìn)行被疊加的基底對準(zhǔn)標(biāo)記和掩模對準(zhǔn)標(biāo)記的像的模式識別，以測量它們的相對位移，并產(chǎn)生對應(yīng)的臺控制信號S2， 該控制信號S2被發(fā)送至可移動基底臺130。像處理單元164還向顯示單元170發(fā)送像信號 S3，以顯示該疊加的基底對準(zhǔn)標(biāo)記和掩模對準(zhǔn)標(biāo)記的像。響應(yīng)于臺控制信號S2，可移動基底臺130在X、Y平面中移動(如有必要，為聚焦目的，還在Z平面中移動)，直到掩模對準(zhǔn)標(biāo)記116和基底對準(zhǔn)標(biāo)記136的像被對準(zhǔn)(S卩，正好重疊)，表明相移掩模112與基底20恰當(dāng)對準(zhǔn)。
再參考圖5，相移掩模圖形115的成像，能夠被看作衍射過程，據(jù)此，入射在相移掩模112上的光108被相移掩模圖形115衍射，以形成(被衍射的)曝光光121，其中的一些該(被衍射的)曝光光121(即，最低的衍射級，如零級及正和負(fù)的第一級)被投影透鏡120 俘獲并被成像在光刻膠層135上。被投影透鏡120形成的像的質(zhì)量，直接與它收集的衍射級的數(shù)量以及投影透鏡120的像差有關(guān)。應(yīng)當(dāng)注意，零級衍射光束簡單地就是直通分量，它向像貢獻(xiàn)的是強(qiáng)度的“DC”背景強(qiáng)度，既然這樣，它一般地是不需要的。因此，當(dāng)光刻成像過程被看作衍射過程時(shí)，光刻系統(tǒng)100能夠被構(gòu)造成使該衍射過程優(yōu)化，以形成需要的像。尤其是，利用相移掩模112及其中的相移區(qū)R的恰當(dāng)設(shè)計(jì)，零級衍射光束能夠被消除。此外，利用投影透鏡120的數(shù)值孔徑AS的恰當(dāng)選擇，人們能夠收集選定將對光刻成像過程有貢獻(xiàn)的衍射級。特別是，數(shù)值孔徑AS能夠被調(diào)整，以致只有兩束第一級衍射光束被投影透鏡120俘獲。此外，通過在相移掩模112上建立兩維周期性相移掩模圖形115，以便沿χ方向和y方向兩個(gè)方向產(chǎn)生第一級光束，從而能夠在基底上20形成前述格柵型或棋盤格圖形。然而，必須小心的是，為確保零級光束基本上被消除，并為了做到這一點(diǎn)，透射的 (transmitted)零級光束的電場必須在振幅上基本上是零。這在一個(gè)實(shí)施例中，是借助構(gòu)造相移掩模112使不同的相移區(qū)R有相同的面積而實(shí)現(xiàn)的。示例性相移掩模圖8A是示例性相移掩模112 —部分的示意圖，圖上的相移掩模圖形115包括透射相移區(qū)R，具有有0°相移的透射相移區(qū)Rtl和有180° (π)相移的透射相移區(qū)Rn。圖8B是圖8A的相移掩模112的四個(gè)相移區(qū)R的特寫圖。相移區(qū)Rtl和Rn是尺寸(邊長)為L的正方形，相移區(qū)R有相等面積并按棋盤格圖形構(gòu)造。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，相移區(qū)R能夠有任何合理的形狀，尤其是能夠有圓形形狀、橢圓形狀和多邊形形狀中的至少之一。光刻系統(tǒng)100，當(dāng)被配置了具有周期性相移掩模圖形115的相移掩模112時(shí)，能夠進(jìn)行光刻成像，以在光刻膠層135中形成尺寸約L/2的對應(yīng)的周期性(如棋盤格)特征，就是說，該約L/2的尺寸基本上是相移掩模112的相移區(qū)R的尺寸L的一半。特別是，空間周期在成像過程中加倍，由此，相移掩模圖形115的空間周期在基底20的表面22上基本上被加倍，于是，在基底20上兩倍原來數(shù)量的暗區(qū)和亮區(qū)被建立。這是因?yàn)榱慵壯苌涔馐驯幌?，允許零級光束與再現(xiàn)相移掩模112的原先空間周期的每一第一級光束組合。通過消除零級光束，只有兩束第一級光束被成像。當(dāng)這兩束第一級光束被組合時(shí)，它們以原先相移掩模圖形115的兩倍空間周期產(chǎn)生正弦圖形。如此，當(dāng)L = 1微米時(shí)，尺寸為L/2 = 0. 5微米的光刻膠特征能夠被形成。光刻成像中的經(jīng)驗(yàn)是，能夠用具有成像波長λ^ΠΝΑ的光刻系統(tǒng)印出(S卩，以清晰特征成像進(jìn)光刻膠層135中)的最小特征大小FS是FS = Ic1 λ ^NA,這里Ic1通常是被假定為在0. 5到1之間的常數(shù)，與具體的光刻過程有關(guān)。DOF由1 λ X/NA2給出，這里1 是另一個(gè)基于過程的常數(shù)，依賴于具體的光刻過程，并常常是近似于1. 0。因此，存在特征大小FS 和DOF之間的折中。用于LED制造的基底20傳統(tǒng)地不是幾乎如半導(dǎo)體芯片制造中使用的那樣平坦。事實(shí)上，大多數(shù)LED基底20有超過數(shù)十微米(峰到谷)的翹曲(起因于MOCVD處理)橫跨基底20的表面22，而在每一曝光場EF上約5微米(峰到谷)。這種程度的非平面性，對使用光刻成像過程形成LED 10，一般已經(jīng)被認(rèn)為是大問題，因?yàn)楦綆У氖芟拗频腄OF與基底非
平坦度的量有關(guān)。在使用常用光刻技術(shù)的光刻膠的傳統(tǒng)光刻過程中，能夠在該光刻膠中建立的最小特征大小(線寬)，由0.7 * λ ^NAW卩，Ic1等于0.7)給出。對需要印出1微米大小的特征的情況，當(dāng)使用λ ！ = 365nm的成像波長時(shí)，要求的NA是0. 255。對該NA，無像差成像系統(tǒng)的DOF是5. 6微米，該值在典型LED基底20的場內(nèi)基底非平坦度的量級上。這意味著要令整個(gè)曝光場EF駐留在DOF內(nèi)是困難的。所以，形成在DOF之外的樁72將不滿足必要的大小和形狀要求。然而，當(dāng)使用相移掩模112和常用光刻技術(shù)的光刻膠時(shí)，能夠被印出的最小特征大小由0.3* λ ^NAW卩，Ic1等于0.3)給出。這一點(diǎn)與使用常用掩模相比，有降低必需的 NA約一半而增加DOF約4倍的實(shí)際效果。因此，對給定的樁直徑D，NA = ^ λ工/D，而DOF變成DOF = k2A j/NA2 = ^A1/ Ck1 λ 工/D]2 = ^DVk12 λ 工作為例子，要用光刻方式使用成像波長λ x = 365nm使光刻膠曝光，以獲得直徑D =1微米的樁72，要求的NA現(xiàn)在只是0. 11，而DOF現(xiàn)在超過30微米，以致非平坦LED基底 20的每一曝光場EF將很好地落在該DOF內(nèi)。在一個(gè)例子中，用于實(shí)現(xiàn)本文描述的方法的光刻系統(tǒng)100，與當(dāng)今關(guān)鍵階段 (critical-level)的投影透鏡NA (如0. 5或更大)相比，有相對低的投影透鏡NA (如0. 5 或更低)，并且與當(dāng)今關(guān)鍵階段成像波長(如，極端的193nm)相比，有相對地大的成像波長 (如，約X 1 = 356nm，或任一其他汞譜線)。因此，較低NA，較長波長的光刻系統(tǒng)100是可取的，因?yàn)樗鼈円话闩c更高NA、更短波長的先進(jìn)的光刻系統(tǒng)相比，購買、操作和維護(hù)都要便宜得多，這些先進(jìn)的光刻系統(tǒng)用于集成電路的半導(dǎo)體制造中的關(guān)鍵階段。圖9A是能夠用于形成具有亞微米尺寸的樁72的陣列70的另一種示例性相移掩模112的示意圖。圖9A的相移掩模112，除有不透光背景部分117和有尺寸L/2并相互分隔開的相移區(qū)Rq和R11之外，與圖8A和圖8B的類似。相移區(qū)Rtl和R11被畫成八邊形，作為多邊形相移區(qū)的示例性類型的圖例。圖9B類似于圖9A，但畫出其中相移區(qū)R是圓形的示例性相移掩模112。不透光背景部分117能夠用吸收體層，諸如鉻或鋁涂覆。相移區(qū)Rtl和Rn以基本上相同尺寸L/2被印在光刻膠層135中，該尺寸超出1微米設(shè)計(jì)光刻系統(tǒng)100的傳統(tǒng)分辨率極限。圖9A和圖9B的相移掩模112的配置的優(yōu)點(diǎn)，在于它更容易控制形成樁72的陣列 70的最后光刻像的幾何形狀和間隔。圖10是在具有3微米厚度的光刻膠層135中，并用與圖9A的類似的有L/2 = 0. 6 的相移區(qū)Rci和Rn的相移掩模112所形成的光刻膠樁72'的示例性陣列70'的掃描電子顯微鏡(SEM)像。每一光刻膠樁72'的直徑(寬度)D是約0.6微米。實(shí)際的邊緣到邊緣的間隔S也是約0. 6微米，但光刻膠樁72'在它們的底部有一些擴(kuò)展，造成光刻膠樁72' 在圖10的自頂向下視圖中看似不正常。兩個(gè)虛線圓73代表光刻膠樁72'頂部實(shí)際大小和形狀的估算。用于形成被粗糙化基底表面的示例性方法因此，本公開的一個(gè)方面，包含一種用光刻成像和光刻處理技術(shù)，在形成LED 10的過程中，形成有樁72的陣列70的粗糙或被粗糙化的基底表面22的方法。形成樁72的陣列70的示例性方法，現(xiàn)在參考圖6以及圖IlA到IlD描述。首先參考圖11A，該方法包含，提供有光刻膠層135在基底20的表面22頂部的基底20。然后，該方法包含把被涂覆的基底20安放在光刻系統(tǒng)100的可移動基底臺130上 (圖6)。如上所述的相移掩模112被安放在光刻系統(tǒng)100的掩模臺110上。然后，該方法包含操作光刻系統(tǒng)100以進(jìn)行光刻成像，據(jù)此，用照明光108使相移掩模112曝光，而來自相移掩模圖形115的合成(衍射的)曝光光121被投影透鏡120俘獲，并被成像以便把光刻膠層135暴露在曝光場EF上，以在基本上整個(gè)曝光場EF上形成光刻膠樁72'的陣列70'。 以上過程在圖IlB中示出。應(yīng)當(dāng)注意，許多LED區(qū)10'被形成在每一曝光場EF的光刻膠層135中。這樣，在相移掩模圖形115有15mmX 30mm面積，而每一 LED 10是Imm見方的例子中，則有450個(gè) LED區(qū)10'與每一曝光場EF關(guān)聯(lián)，當(dāng)光刻系統(tǒng)100按單位放大倍數(shù)操作時(shí)，每一曝光場EF 也是 15mmX30mm。再次參考圖7，其中畫出的插圖B表明與LED 10的形成關(guān)聯(lián)的LED區(qū)10'的LED 區(qū)陣列IOA'。LED區(qū)10'被劃線區(qū)域11分開。光刻膠樁72'的陣列70'在曝光場EF上到處被形成(見圖7，插圖C)，包含在插圖A中示出的曝光場劃線區(qū)域137中。場到場的接合可以在曝光場邊界上被要求，但這一要求能夠通過使相移掩模圖形115的大小是LED區(qū)陣列IOA'的整數(shù)倍得到處理，于是任何接合錯(cuò)誤都落在曝光場劃線區(qū)域137中。另外，曝光場EF的邊緣上形成的光刻膠樁72'，將與中心的那些略有不同，因?yàn)橄嘁蒲谀D形115 的邊緣留下一些相移區(qū)R只部分地被其他相移區(qū)包圍。因此，在一個(gè)例子中，曝光場EF邊緣上的光刻膠樁72'被形成在曝光場劃線區(qū)域137中，于是，對應(yīng)的基底樁72不至于被并入LED 10中?，F(xiàn)在參考圖11C，圖IlB的曝光的光刻膠135被處理，以除去未曝光的抗蝕劑(負(fù)光刻膠)或除去已曝光的抗蝕劑(正光刻膠)，以便留下光刻膠樁72'的陣列70'或它的互補(bǔ)特征，孔。該光刻膠陣列70'然后用標(biāo)準(zhǔn)的光刻蝕刻技術(shù)被蝕刻，如箭頭200所示，以便把光刻膠圖形轉(zhuǎn)移進(jìn)基底20中，從而在基底20的表面22中形成樁72的陣列70，如圖 IlD所示?，F(xiàn)在，基底20被構(gòu)造成具有適當(dāng)?shù)乇粯洞植诨?post-roughened)的基底表面22 的多個(gè)LED區(qū)10'，LED 10則用標(biāo)準(zhǔn)的基于光刻技術(shù)的LED制作技術(shù)制成。這包含，例如， 在基底20的被粗糙化的表面22頂部，形成GaN多層結(jié)構(gòu)30，然后，分別把ρ觸點(diǎn)90ρ和η 觸點(diǎn)90η添加到層50和40，如圖1所示。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員理應(yīng)清楚，能夠?qū)Ρ竟_作各種修改和變化而不偏離本公開的精神和范圍。因此，理所當(dāng)然，本公開覆蓋對本公開的修改和變化，只要它們是在所附權(quán)利要求書及其等價(jià)敘述范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種為改進(jìn)LED的光發(fā)射效率而形成發(fā)光二極管(LED)的被粗糙化表面的光刻方法，包括提供有被光刻膠覆蓋的表面的半導(dǎo)體基底；用光刻方式使相移掩模圖形成像在光刻膠上，該相移掩模圖形包括第一及第二相移區(qū)的周期性陣列并有第一空間頻率，所述光刻成像，在光刻膠中形成有第二空間頻率的光刻膠特征的周期性陣列，該第二空間頻率基本上是第一空間頻率的兩倍；通過處理被粗糙化基底表面中的光刻膠和光刻膠特征，在基底表面中形成基底樁的對應(yīng)的周期性陣列，定義該被粗糙化基底表面；和在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成LED的p-n結(jié)多層結(jié)構(gòu)，周期性基底樁起散射點(diǎn)的作用，該散射點(diǎn)與沒有被粗糙化基底表面的LED比較，改進(jìn)LED的光發(fā)射效率。
2.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該基底由藍(lán)寶石制成。
3.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該光刻成像是在成像波長上進(jìn)行的，且其中該第一及第二相移區(qū)被構(gòu)造成在成像波長上提供各自的0°和180°相移。
4.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該成像波長是365nm，而光刻成像是按單位放大倍數(shù)進(jìn)行的。
5.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該基底樁有直徑、間隔和高度，該光刻方法還包括，按對該直徑、間隔和高度提供最大焦深的數(shù)值孔徑，進(jìn)行光刻成像。
6.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該第一及第二相移區(qū)有圓形形狀、橢圓形狀和多邊形形狀中的至少之一。
7.權(quán)利要求1的光刻方法，還包括形成有2微米或更小的寬度的基底樁。
8.權(quán)利要求7的光刻方法，還包括形成有在0.5微米和3微米之間的邊緣到邊緣間隔的基底樁。
9.權(quán)利要求8的光刻方法，還包括形成有直到2微米高度的基底樁。
10.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該基底樁的周期性陣列，有基本上1 1的節(jié)距。
11.權(quán)利要求1的光刻方法，其中該基底樁有1微米或更小的尺寸，且還包括按0.5或更小的數(shù)值孔徑進(jìn)行光刻成像。
12.—種形成發(fā)光二極管(LED)的方法，包括用光刻方式使受半導(dǎo)體基底支承的光刻膠曝光，以在其中形成光刻膠樁的陣列，包含使照明光通過具有包括第一及第二相移區(qū)的圖形的相移掩模；處理該光刻膠，以形成定義被粗糙化基底表面的基底樁的陣列；和在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成LED的p-n多層結(jié)構(gòu)，其中該被粗糙化基底表面的作用是散射由P-n多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光，以便與有未被粗糙化基底表面的LED比較，增加LED發(fā)射的光的量。
13.權(quán)利要求12的方法，其中該基底樁至少有0. 5微米的一種尺寸；和該光刻曝光有0. 5或更小的數(shù)值孔徑，而成像波長約365nm。
14.權(quán)利要求12的方法，其中該基底是藍(lán)寶石基底。
15.權(quán)利要求12的方法，其中該相移掩模圖形有不透光的背景區(qū)，該不透光的背景區(qū)包圍被分隔開的第一及第二相移區(qū)。
16.權(quán)利要求12的方法，其中該第一及第二相移區(qū)有圓形形狀、橢圓形狀和多邊形形狀中的至少之一。
17.權(quán)利要求12的方法，其中該光刻曝光是在成像波長上進(jìn)行的，且其中該第一及第二相移區(qū)被構(gòu)造成在成像波長上提供各自的0°和180°相移。
18.權(quán)利要求12到17任一項(xiàng)的方法，其中該光刻曝光是按單位放大倍數(shù)進(jìn)行的。
19.權(quán)利要求12的方法，其中該基底樁有1微米或更小的尺寸，且還包括按0.5或更小的數(shù)值孔徑，進(jìn)行所述光刻曝光。
20.權(quán)利要求12的方法，其中該第一及第二相移區(qū)不被分隔開。
21.一種由如下過程形成的發(fā)光二極管(LED)產(chǎn)品，該過程包括用光刻方式使受半導(dǎo)體基底支承的光刻膠曝光，以在其中形成光刻膠樁的陣列，包含使照明光通過相移掩模，該相移掩模有第一及第二相移區(qū)的周期性圖形；處理該光刻膠，以形成定義基底被粗糙化表面的基底樁的陣列；和在該被粗糙化基底表面頂部形成用于形成LED的p-n多層結(jié)構(gòu)，其中該被粗糙化基底表面的作用是散射由p-n多層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的光，以便與有未被粗糙化基底表面的LED比較，增加LED發(fā)射的光的量。
全文摘要
本發(fā)明涉及使用相移掩模的光刻發(fā)光二極管制作。為改進(jìn)LED光發(fā)射效率而形成發(fā)光二極管(LED)的被粗糙化表面的光刻方法被公開。該光刻方法包含，用光刻方式使相移掩模圖形成像在基底的光刻膠層上，以在其中形成光刻膠特征的周期性陣列。該被粗糙化基底表面的建立，是通過處理已曝光的光刻膠層，以在該基底表面中形成基底樁的周期性陣列。然后，用于形成LED的p-n結(jié)多層結(jié)構(gòu)，被形成在該被粗糙化基底表面頂部。該基底樁的周期性陣列起散射點(diǎn)的作用，該散射點(diǎn)與沒有被粗糙化基底表面的LED比較，改進(jìn)LED的光發(fā)射效率。相移掩模的使用，使在適合非平坦LED基底的焦深上的光刻成像能得以使用，同時(shí)還提供形成基底樁所必需的分辨率。
文檔編號G03F1/26GK102540759SQ20111043199
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者A·M·霍利魯克, R·L·辛赫, W·W·弗萊克 申請人:超科技公司