專利名稱：用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圖形化藍(lán)寶石襯底的制造方法，尤其涉及一種基于改性氟碳樹脂基硬聚合物模具的用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置及方法，實現(xiàn)量產(chǎn)大尺寸晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底，屬微納制造和光電子器件制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
藍(lán)寶石襯底是目前制造藍(lán)光、綠光和白光等GaN基LED最主要的襯底，與其它襯底 (如碳化硅、硅、GaN、ZnO等)相比，具有制造技術(shù)成熟、單片成本低、化學(xué)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(lán)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(yīng)力失配，這將導(dǎo)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(yán)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(lán)寶石襯底材料二者的晶格常數(shù)相差達(dá)16%，這導(dǎo)致GaN外延層缺陷密度較大，并向有源層InGaN蔓延，缺陷密度達(dá)到IO9 IO11 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(dǎo)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(fù)合，且載流子輻射性復(fù)合生成的光能也容易被缺陷吸收，產(chǎn)生熱能。這是藍(lán)寶石襯底材料的固有缺陷，上述缺陷反映在實際應(yīng)用中導(dǎo)致的一個重大技術(shù)問題就是“Droop效應(yīng)”，即隨著電流密度的增加，內(nèi)量子轉(zhuǎn)換效率不斷下降。“Droop效應(yīng)”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(shù)挑戰(zhàn)問題之一，迫切需要被解決。圖形化藍(lán)寶石襯底(Patterned Sapphire Substrate, PSS)是在藍(lán)寶石襯底上制作出微米級或納米級的具有微結(jié)構(gòu)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，提聞晶體質(zhì)量，從而減小有源區(qū)的非輻射復(fù)合，減小反向漏電流，提高LED的壽命；另一方面，有源區(qū)發(fā)出的光，經(jīng)GaN和圖形化藍(lán)寶石襯底界面多次散射，改變了全反射光的出射角(逃逸光錐)，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(lán)寶石襯底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(lán)寶石為襯底GaN基LED缺陷的有效改進(jìn)方法。圖形化藍(lán)寶石襯底正在成為半導(dǎo)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(shù)。但是，目前LED產(chǎn)業(yè)界所提供的圖形化藍(lán)寶石襯底大多為微米級圖形化藍(lán)寶石襯底(Micro-scale Patterned Sapphire Substrate, PSS),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3-5 μ m,圖形周期約為3-6 μ m,高度約為1-3μηι。與通常的微米級圖形化襯底相比，已有的研究結(jié)果證實(Applied Physics
4Letters. 2010, 96, 201106; Materials Science and Engineering B. 2009, 164, 76 -79; Journal of Crystal Growth. 2011, 322, 15-22; Phys. Status Solidi C 2010, 7, 7 - 8, 1784 - 1786),納米級圖形化藍(lán)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(jié)界面生長過程的應(yīng)力，進(jìn)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(lán)寶石襯底(平的襯底)、？ PSS和NPSS上生長，其位錯密度分別為=IXlO9 I X IO10Cm 2 ; I X IO8Cm 2 ;低于 I X 107cm 2。(2)更高的光提取效率(Better Light Extraction),對于？ PSS，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(yīng)(Better Coalescence),抑制縱向方向的線位錯密度。
(4)更小反向漏電流，提高LED壽命。此外，如果納結(jié)構(gòu)特征尺寸小于光波的波長，該層納米結(jié)構(gòu)的折射率介于藍(lán)寶石和GaN之間；當(dāng)納結(jié)構(gòu)的深度大于λ/4n，光束在邊界面被反復(fù)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(lán)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(yīng)用前景的技術(shù)之一。對于傳統(tǒng)的PSS ( PSS)，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或者接近式光刻設(shè)備，刻蝕采用干法刻蝕或者濕法刻蝕。但是對于NPSS，采用現(xiàn)有的接觸式或者接近式光刻設(shè)備無法滿足納米圖形制造的要求，采用步進(jìn)式投影光刻 (Stepper)雖然可以實現(xiàn)NPSS制造,但是半導(dǎo)體行業(yè)使用的Stepper在LED行業(yè)顯得過于昂貴，增加了 LED的制造成本，而LED對于成本非常敏感。此外，采用電子束光刻也可以滿足納米圖形制造的要求，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(ΑΑ0)、激光干涉光刻等納米制造方法也已經(jīng)嘗試被應(yīng)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)?；圃斓龋?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(yán)格)。與采用以上納米制造技術(shù)實現(xiàn)NPSS相比，使用納米壓印光刻制造NPSS， 是一種非常理想的解決方案。納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)是一種新的納米結(jié)構(gòu)和圖形的制造方法，它具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機構(gòu)評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)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(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造的能力(尤其對于軟UV-NIL)，尤其是單步整片晶圓納米壓印工藝，具有實現(xiàn)大尺寸晶圓級微納圖形和結(jié)構(gòu)的制造能力。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。目前，納米壓印已經(jīng)成為納米圖形化藍(lán)寶石襯底、光子晶體LED制造最理想的技術(shù)方法之一。與步進(jìn)重復(fù)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)性技術(shù)難題: (O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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fù)制的圖形；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(jié)構(gòu)的破壞，即造成壓印模具的“污染” ；(2)模具有限的使用壽命，無論涂覆脫模層的硬模具還是軟模具，其使用壽命有限，難以滿足工業(yè)化應(yīng)用的要求；(3)難以實現(xiàn)高分辨率圖形的制造。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、完全充填模具微納米腔體結(jié)構(gòu)，與步進(jìn)重復(fù)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(dǎo)致模具產(chǎn)生變形，對于軟模具其變形尤為嚴(yán)重，這將導(dǎo)致復(fù)型精度的降低、存在缺陷， 甚至圖形復(fù)制失?。?4)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(dǎo)致復(fù)制的圖形存在缺陷，嚴(yán)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；(5)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(dǎo)致模具與襯底無法充分完全接觸，影響復(fù)型精度和質(zhì)量，甚至導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)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(dǎo)致其碎裂。藍(lán)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(gòu)性能的要求也越來越高；(6)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移起到?jīng)Q定性的作用。尤其是對于大尺寸整片晶圓納米壓印工藝，良好的脫模能力決定了壓印圖形的質(zhì)量和模具的使用壽命，現(xiàn)有納米壓印使用的硬模具，如硅、石英等必須進(jìn)行表面處理，涂覆一層脫模劑，但是較薄的脫模劑在使用過程中易于脫落，導(dǎo)致模具使用壽命有限。軟模具， 如PDMS，雖然具有較低的表面能，脫模性能較好，但是使用過程中，易產(chǎn)生變形，而且其使用壽命有限。需要經(jīng)常更換，影響生產(chǎn)效率，難以滿足工業(yè)應(yīng)用大規(guī)?；圃斓纳a(chǎn)要求。選用物理及化學(xué)綜合性能較好的高分子聚合物，并通過適當(dāng)?shù)奈锢砘蚧瘜W(xué)改性， 使其具有以下特性較高彈性模量、非常低的表面能、耐溶劑性較強、機械和物理性能好等， 滿足納米壓印對于模具的各種功能要求，該類模具稱為硬聚合物模具。不同于傳統(tǒng)的硬模具(硅、石英等)或者軟模具(PDMS等)，硬聚合物模具的彈性模量在幾百兆帕到幾個吉帕之間，有較強的抵抗外部壓力而保持自身形狀的能力，具有硬模具的顯著優(yōu)點，有利于實現(xiàn)高精度圖形的制造。此外，它又具有軟模板的較好的與基底的共形接觸能力，適合具有翹曲、 彎曲特性基底的圖形的納米壓印；尤其重要的一個特性是，對于改性后的氟碳樹脂基硬聚合物模具，它即具有極低的表面能(17. 98 mjm—2)、很好的耐化學(xué)溶劑性和耐紫外線性，又具有較高的彈性模量、較好的韌性，特別適合作為大面積、非平整襯底納米壓印用的模具。為非平襯底、大面積整片晶圓的納米壓印工藝提供一種理想的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用氟碳樹脂基硬聚合物模具優(yōu)良的脫模特性、以及優(yōu)良機械和物理性能，并結(jié)合藍(lán)寶石襯底良好透光性(從紫外到中紅外均有良好的透過率)的特點， 提供一種基于改性氟碳樹脂基硬聚合物模具的用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置及方法，實現(xiàn)4英寸以上大尺寸納米級圖形化藍(lán)寶石低成本、高生產(chǎn)率和規(guī)?；圃?。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案以改性氟碳樹脂為硬聚合物模具的基體材料，采用模鑄法工藝制造納米壓印的模板(模具)；曝光用紫外光光源置于藍(lán)寶石襯底正下方，利用藍(lán)寶石良好的透紫外光特性，從藍(lán)寶石襯底一側(cè)進(jìn)行曝光，對復(fù)形后的抗蝕劑進(jìn)行固化。具體而言，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)為
一種大尺寸晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底壓印裝置，它包括自上而下依次為納米壓印模具，紫外納米壓印用抗蝕劑，藍(lán)寶石襯底，曝光用的紫外光光源。其中，抗蝕劑涂鋪于藍(lán)寶石襯底之上，曝光用紫外光光源置于藍(lán)寶石襯底正下方，納米壓印模具上設(shè)有特征型腔，從而構(gòu)成模具上的特征圖形。所述納米壓印模塊采用改性氟碳樹脂基硬聚合物材料，它由FEVE (氯乙烯-乙烯基醚)型氟碳樹脂、固化劑、聚丙烯酸改性有機硅樹脂按照質(zhì)量比I :0. 27 :0. 07混合而成； 其制作方法采用模鑄法制造工藝。所述紫外光光源采用紫外LED燈模組，置于藍(lán)寶石襯底的一側(cè)，垂直于藍(lán)寶石襯底的正下方。所述壓印過程在低壓真空環(huán)境下進(jìn)行。一方面消除整片晶圓納米壓印引起的氣泡問題，另外，實現(xiàn)抗蝕劑對壓印模具特征型腔的快速填充，它的步驟為
(I)涂鋪抗蝕劑；
在藍(lán)寶石襯底之上旋涂紫外納米壓印用的抗蝕劑(阻蝕膠，一種液態(tài)有機聚合物)。(2)壓印過程；
納米壓印模具(改性氟碳樹脂基硬聚合物模具)與藍(lán)寶石襯底對正后下壓，抗蝕劑完全充填納米壓印模具的特征型腔，并將殘留層減薄至設(shè)定的留膜厚度。(3)固化過程；
開啟紫外光光源，紫外光透過藍(lán)寶石，曝光，對復(fù)形后的抗蝕劑進(jìn)行固化。(4)脫模過程；
納米壓印模具與復(fù)形后的抗蝕劑分離，實現(xiàn)納米壓印模具上特征圖形到抗蝕劑圖形的轉(zhuǎn)移。所述圖形化藍(lán)寶石襯底的制備方法為
(1)在藍(lán)寶石襯底所涂鋪的抗蝕劑上制造出納米特征圖形；
(2)去除殘留層;
(3)采用刻蝕工藝將抗蝕劑的上的納米特征圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底上；
(4)去除抗蝕劑；
(5)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底。所述圖形化藍(lán)寶石襯底的圖形幾何形狀為棒形、半球形、柱狀、圓孔形、六邊形孔形、U形、金字塔形、六邊形、V字型脊?fàn)罨蛘吖庾泳w結(jié)構(gòu)。所述抗蝕劑為紫外固化型抗蝕劑，對于氟類及氯類氣體的耐蝕刻性好,對LED使用的藍(lán)寶石襯底的蝕刻選擇比高于O. 5。所述納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造方法中涉及的刻蝕工藝為濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者等離子體刻蝕。本發(fā)明的有益效果是
I)結(jié)合改性氟碳樹脂基硬聚合物納米壓印模具和藍(lán)寶石襯底兩者的優(yōu)點，即改性氟碳樹脂基硬聚合物納米壓印模具具有非常低的表面能(適合大面積脫模)，兼具軟、硬模具的優(yōu)勢(復(fù)形精度高、模具使用壽命長、適合非平襯底壓印)；藍(lán)寶石襯底對于紫外光良好的透光性能。將性能優(yōu)良的氟碳樹脂基硬聚合物模具應(yīng)用于紫外納米壓印，為4英寸以上大尺寸納米級圖形化藍(lán)寶石低成本、高生產(chǎn)率和規(guī)?；圃?，提供一種工業(yè)級的應(yīng)用解決方案。2)易于脫模。納米壓印模具使用的材料為改性氟碳樹脂基硬聚合物，具有非常低的表面能(17. 98 mjm_2)，易于大面積整片晶圓壓印的脫模，解決了大面積納米壓印最大的技術(shù)難題。3)納米壓印模具使用壽命長。傳統(tǒng)紫外納米壓印使用的硬模具如石英模具，為了易于脫模，需要進(jìn)行表面處理，涂覆一層脫模劑，但是較薄的脫模劑在使用過程中易于脫落，導(dǎo)致納米壓印模具使用壽命有限；軟^4幾使用的PDMS模具，雖然具有較低的表面能， 脫模性能較好，但是使用壽命有限，而且易產(chǎn)生變形，需要經(jīng)常更換，難以滿足工業(yè)應(yīng)用大規(guī)模化制造的生產(chǎn)要求。本發(fā)明使用的改性氟碳樹脂基硬聚合物硬納米壓印模具它即具有極低的表面能(17. 98 mjm—2)、很好的耐化學(xué)溶劑性和耐紫外線性，又具有較高的彈性模量、 較好的韌性，與現(xiàn)有的涂覆脫模劑的硬模具和PDMS軟模具相比，具有長的使用壽命，滿足工業(yè)級應(yīng)用的需求。4)復(fù)形精度高。硬聚合物納米壓印模具的彈性模量在幾百兆帕到幾個吉帕之間， 有較強的抵抗外部壓力而保持自身形狀的能力，此外，脫模容易，有利于實現(xiàn)壓印工藝過程中的高分辨納米結(jié)構(gòu)或者圖形的制造，滿足NPSS對于圖形制造精度的要求。5)適合非平(翹曲、彎曲等)襯底的壓印。與傳統(tǒng)的硬模具相比，本發(fā)明使用的改性氟碳樹脂基硬聚合物納米壓印模板，它具有較好的韌性，具有良好的與基底的共形接觸能力，適合翹曲、彎曲等非平整基底的壓印，滿足大面積藍(lán)寶石襯底圖形化的工藝要求。6)本發(fā)明可以實現(xiàn)非平(翹曲、彎曲等)襯底Sub-50nm特征圖形的低成本、高生產(chǎn)率和規(guī)?；圃?。7)本發(fā)明從藍(lán)寶石襯底一側(cè)對于抗蝕劑進(jìn)行曝光，使抗蝕劑與藍(lán)寶石襯底充分固化二者界面具有良好的結(jié)合特性，避免大面積脫模固化后抗蝕劑與襯底分離的缺陷，另外，避免抗蝕劑與模具固化結(jié)合過于緊密，脫模產(chǎn)生粘附的缺陷。另外，簡化了壓印機構(gòu)的設(shè)計。


圖I是本發(fā)明晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底壓印裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造工藝步驟圖。圖3A-圖3G是本發(fā)明晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造工藝示意圖。圖4A-圖4H是本發(fā)明使用硬掩模層時晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造工藝示意圖。圖中，I.納米壓印模板，101.模具上的特征圖形，102.特征型腔，2.抗蝕劑，201. 抗蝕劑上的特征圖形，202.抗蝕劑上的殘留層，3.藍(lán)寶石襯底，301.藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移的特征圖形，4.紫外光光源，501.硬掩模層。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和發(fā)明人依本發(fā)明的技術(shù)方案給出的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。圖I、圖2、圖3A-圖3G和圖4A-圖4H中，以4英吋(約100毫米)納米圖形化藍(lán)寶石襯底3為實施例，詳細(xì)說明采用基于改性氟碳樹脂基硬聚合物模具的紫外納米壓印工藝，實現(xiàn)晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底的壓印裝置及其制造方法。圖I中，一種晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底壓印裝置，它包括自上而下依次為 改性納米壓印模具1，紫外納米壓印用抗蝕劑2，藍(lán)寶石襯底3，曝光用的紫外光光源4。其中，抗蝕劑2涂鋪于藍(lán)寶石襯底3之上，曝光用紫外光光源4置于藍(lán)寶石襯底3正下方，在納米壓印模具I上設(shè)有特征型腔102，從而構(gòu)成模具上的特征圖形101。所述納米壓印模具I采用改性氟碳樹脂基硬聚合物材料，它由FEVE (氯乙烯-乙烯基醚)型氟碳樹脂、固化劑、聚丙烯酸改性有機硅樹脂按照質(zhì)量比I :0. 27 :0. 07混合而成。FEVE型氟碳樹脂是納米壓印模具I的基體(主體)材料，通過添加固化劑和聚丙烯酸改性有機硅樹脂改進(jìn)其固化性能、進(jìn)一步降低表面能、提高機械性能和物理特性，滿足大面積紫外納米壓印工藝的要求。FEVE型氟碳樹脂側(cè)鏈上的羥基(-0H)可與異氰酸酯類的固化劑中的NCO基團(tuán)反應(yīng)而固化成膜，在氟碳樹脂中加入含有羥基官能團(tuán)的低表面能的其它類樹脂，該樹脂一方面能夠同異氰酸酯類的固化劑中的NCO基團(tuán)反應(yīng)而固化，另一方面又能降低整個系統(tǒng)的表面能。改進(jìn)型的氟碳樹脂不僅自身具有很低的表面能，又有較高的強度、較好的韌性，還有很好的耐化學(xué)溶劑性和耐紫外線性。兼具硬膜具和軟模具材料的優(yōu)點。納米壓印模具I的制作方法如下首先，采用電子束光刻系統(tǒng)曝光形成于硅片上的電子束正膠ZEP520A圖形作為母板；然后，將以質(zhì)量比為I :0. 27 :0. 07混合后的氟碳樹脂GK-570 (日本大金公司的FEVE型氟碳樹脂)、固化劑Z4470 (拜耳公司)和聚丙烯酸改性有機硅樹脂Protect 5001 (Tego公司)澆鑄于母板上，然后抽真空至10Pa，在80° C下固化24小時使模板成形；最后，剝離硅片，得到納米壓印模具I。圖2中，采用本發(fā)明晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底壓印裝置進(jìn)行壓印方法，它的步驟為
(I)涂鋪抗蝕劑2 ；
在藍(lán)寶石襯底3之上旋涂紫外納米壓印用的抗蝕劑(阻蝕膠)2。如圖3 A。(2)壓印過程；
納米壓印模具I與藍(lán)寶石襯底3對正后下壓，抗蝕劑2完全充填納米壓印模具I的特征型腔102，并進(jìn)一步下壓，將抗蝕劑上的殘留層202減薄至設(shè)定的留膜厚度。如圖3 B。(3)固化過程；
開啟紫外光光源4，紫外光透過藍(lán)寶石襯底3，曝光，對復(fù)型后的抗蝕劑2進(jìn)行固化。如圖3 C。(4)脫模過程；
納米壓印模具I與復(fù)形后的抗蝕劑2分離，實現(xiàn)模具上的特征圖形101到抗蝕劑上的特征圖形201的轉(zhuǎn)移。如圖3 D0所述圖形化藍(lán)寶石襯底3的制備方法為
(1)在整片藍(lán)寶石襯底3的抗蝕劑2上制造出抗蝕劑上的特征圖形201；
(2)去除抗蝕劑上的殘留層202，如圖3E ；
(3)采用刻蝕工藝將抗蝕劑上的特征圖形201轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底3上，在藍(lán)寶石襯底3上復(fù)制出藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移的特征圖形301，如圖3 F ；
(4)去除抗蝕劑2，如圖3G；
(5)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底3。所述圖形化藍(lán)寶石襯底3的圖形幾何形狀為棒形、半球形、柱狀、圓孔形、六邊形孔形、U形、金字塔形、六邊形、V字型脊?fàn)罨蛘吖庾泳w結(jié)構(gòu)。所述納米圖形化藍(lán)寶石襯底3制造方法中涉及的刻蝕工藝為濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者等離子刻蝕。本發(fā)明一個實際制作的實施例中藍(lán)寶石襯底的參數(shù)設(shè)置如下4英吋藍(lán)寶石，在其上制造納米圖形孔圖形陣列，圖形孔的幾何參數(shù)是圓孔的直徑200nm，周期400nm，孔的深度是lOOnm。采用本發(fā)明基于改性氟碳樹脂基硬聚合物模具的紫外納米壓印的裝置和工藝，以及晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底的方法，本實施例的具體制造工藝步驟
I)采用本發(fā)明壓印工藝和裝置，在抗蝕劑2上制造出抗蝕劑上的特征圖形201 ；
對抗蝕劑進(jìn)行圖形化的具體工藝步驟
Ca)旋涂紫外納米壓印用抗蝕劑2
在藍(lán)寶石襯底3之上旋涂250nm紫外納米壓印用抗蝕劑2。如圖3 A。(b)壓印過程
納米壓印模具I與藍(lán)寶石襯底3對正后下壓，抗蝕劑2完全充填納米壓印模具I的特征型腔102，并進(jìn)一步下壓，將抗蝕劑上的殘留層202減薄至設(shè)定的留膜厚度，留膜厚度為 80nm。如圖 3 B。(C)固化過程；
開啟紫外光光源4，紫外光透過藍(lán)寶石襯底3，曝光，對復(fù)型后的抗蝕劑2進(jìn)行固化，固化時間15s。如圖3 C。(d)脫模過程；
納米壓印模具I與復(fù)形后的抗蝕劑2分離，實現(xiàn)模具上的特征圖形101到抗蝕劑上的特征圖形201的轉(zhuǎn)移。如圖3 D02)去除殘留層202
采用反應(yīng)離子刻蝕刻蝕工藝去抗蝕劑上的殘留層202。如圖3 E。3)圖形轉(zhuǎn)移
以抗蝕劑上的特征圖形201為掩模，使用bci3/ci2為刻蝕氣體，采用等離子體刻蝕 (ICP)工藝將抗蝕劑上的特征圖形201轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底3上，在藍(lán)寶石襯底上復(fù)制出藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移的特征圖形301 ;如圖3 F。4)去除抗蝕劑2 去除抗蝕劑2，如圖3 G05)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底3
紫外納米壓印用抗蝕劑可以選用日本丸善石化公司的納米壓印樹脂，該納米壓印樹脂對氟類及氯類氣體的耐蝕刻性高，對LED使用的藍(lán)寶石襯底的刻蝕選擇比達(dá)到O. 7 O. 8。 刻蝕選擇比數(shù)值越高，就越能夠減薄襯底微細(xì)加工用的樹脂層。樹脂層越薄，越容易將納米壓印模具I從抗蝕劑2上剝離下來，并可顯著提高生產(chǎn)效率。
此外，也可以使用透明的硬掩模層501 (如二氧化硅Si02、Cr、IT0等)，降低對于抗蝕劑2的工藝性能的要求(對氟類及氯類氣體的耐蝕刻性高)，以及實現(xiàn)制造更高深寬比圖形的能力。首先，在藍(lán)寶石襯底上沉積一層透明的硬掩模層501，在硬掩模層501之上再涂鋪一層抗蝕劑2 ;其次，采用本發(fā)明的裝置和方法對抗蝕劑進(jìn)行圖形化；然后，采用刻蝕工藝將抗蝕劑上的特征圖形201轉(zhuǎn)移到硬掩模層501，進(jìn)一步采用刻蝕工藝將硬掩模層501上的圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底3上；最后，去除抗蝕劑2和硬掩模層501，清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底3。圖4A-圖4H是本發(fā)明采用硬掩模層晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造工藝示意圖。具體制造工藝步驟
O沉積硬掩模層501
在藍(lán)寶石上濺射(磁控濺射、或者等離子增強化學(xué)氣相沉積PECVD)沉積120nm的二氧化硅(二氧化硅不但透紫外光，而且還對于藍(lán)寶石襯底還具有增透作用)，作為硬掩模層 501。如圖 4 A02)采用本發(fā)明壓印工藝和裝置，在抗蝕劑2上制造出納米圖形對抗蝕劑2進(jìn)行圖形化的具體工藝步驟
Ca)旋涂紫外納米壓印用抗蝕劑2
在藍(lán)寶石襯底3之上的硬掩模層501上面旋涂250nm紫外納米壓印用抗蝕劑2。如圖
4A0(b)壓印過程
納米壓印模具I與藍(lán)寶石襯底3對正后下壓，抗蝕劑2完全充填納米壓印模具I的特征型腔102，并進(jìn)一步下壓，將抗蝕劑上的殘留層202減薄至設(shè)定的留膜厚度，留膜厚度為 80nm。如圖 4 B。(C)固化過程；
開啟紫外光光源4，紫外光透過藍(lán)寶石襯底3和透光硬掩模層501，曝光，對復(fù)型后的抗蝕劑2進(jìn)行固化，固化時間18s。如圖4 C。(d)脫模過程；
納米壓印模具I與復(fù)形后的抗蝕劑2分離，實現(xiàn)模具上的特征圖形101到抗蝕劑2上特征圖形201的轉(zhuǎn)移。如圖4 D03)去除抗蝕劑上的殘留層202
采用反應(yīng)離子刻蝕刻蝕工藝去除抗蝕劑上的殘留層202。如圖4 E。4)抗蝕劑上的特征圖形201轉(zhuǎn)移到硬掩模層501
以紫外納米壓印抗蝕劑2為掩模，采用等離子體刻蝕工藝將抗蝕劑上的特征圖形201 轉(zhuǎn)移到硬掩模層(二氧化硅)501上。如圖4 F。5)硬掩模層501上的圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底3
以硬掩模層(二氧化硅)501為掩模，使用bci3/ci2為刻蝕氣體，采用等離子體刻蝕 (ICP)工藝將硬掩模層501上的特征圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底3上，在藍(lán)寶石襯底3上復(fù)制出藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移的特征圖形301 ;如圖4 G06 )去除抗蝕劑2和硬掩模層501
利用稀氫氟酸(HF)將硬掩模層501腐蝕掉。去除抗蝕劑2和硬掩模層501，如圖4 H。
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7)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底3
如果使用硬掩模層501，可以使用通常紫外納米壓印所用的紫外納米壓印抗蝕劑。降低對于抗蝕劑的對氟類及氯類氣體的耐蝕刻性高的要求。本發(fā)明也可以用于其它透明襯底(如ZnO襯底)的圖形化。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化。當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置，其特征是，它包括自上而下依次為 納米壓印模具，紫外納米壓印用抗蝕劑，藍(lán)寶石襯底，曝光用的紫外光光源，其中，抗蝕劑涂鋪于藍(lán)寶石襯底之上，在納米壓印模具上設(shè)有特征型腔，從而構(gòu)成模具上的特征圖形。
2.如權(quán)利要求I所述的用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置，其特征是，所述納米壓印模具采用改性氟碳樹脂基硬聚合物材料，它由FEVE氯乙烯-乙烯基醚型氟碳樹脂、 固化劑、聚丙烯酸改性有機硅樹脂按照質(zhì)量比I :0. 27 :0. 07混合而成；其制作方法采用模鑄法制造工藝。
3.如權(quán)利要求I所述的用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置，其特征是，所述紫外光光源置于藍(lán)寶石襯底的一側(cè)，垂直于藍(lán)寶石襯底的正下方。
4.一種采用權(quán)利要求I所述的用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置的壓印方法， 其特征是，所述壓印過程在低壓真空環(huán)境下進(jìn)行，它的步驟為(1)涂鋪抗蝕劑；在藍(lán)寶石襯底之上旋涂紫外納米壓印用的抗蝕劑；(2)壓印過程;納米壓印模具與藍(lán)寶石襯底對正后下壓，抗蝕劑完全充填模具的特征型腔，并將殘留層減薄至設(shè)定的留膜厚度；(3)固化過程;開啟紫外光光源，紫外光透過藍(lán)寶石，曝光，對復(fù)型后的抗蝕劑進(jìn)行固化；(4)脫模過程；壓印的模具與復(fù)形后的抗蝕劑分離，實現(xiàn)模具上特征圖形到抗蝕劑圖形的轉(zhuǎn)移。
5.如權(quán)利要求5所述的壓印方法，其特征是，所述圖形化藍(lán)寶石襯底的制造方法為(1)在整片藍(lán)寶石襯底的抗蝕劑上制造出納米特征圖形；(2)去除殘留層;(3)采用刻蝕工藝將抗蝕劑的上的納米特征圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底上；(4)去除抗蝕劑；(5)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底。
6.如權(quán)利要求6所述的壓印方法，其特征是，所述抗蝕劑為紫外固化型抗蝕劑，對于氟類及氯類氣體的耐蝕刻性好，對LED使用的藍(lán)寶石襯底的蝕刻選擇比高于O. 5。
7.如權(quán)利要求6所述的壓印方法，其特征是，所述圖形化藍(lán)寶石襯底的圖形幾何形狀為棒形、半球形、柱狀、圓孔形、六邊形孔形、U形、金字塔形、六邊形、V字型脊?fàn)罨蛘吖庾泳w結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求6所述的壓印方法，其特征是，所述納米圖形化藍(lán)寶石襯底制造方法中涉及的刻蝕工藝為濕法刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或者等離子體刻蝕。
9.如權(quán)利要求5所述的壓印方法，其特征是，如果使用透明硬掩模層，所述圖形化藍(lán)寶石襯底的制備方法為(1)在藍(lán)寶石襯底之上沉積一層透明硬掩模層；(2)在透明硬掩模層之上的抗蝕劑上制造出納米特征圖形；(3)去除殘留層;(4)采用刻蝕工藝將抗蝕劑的上的圖形轉(zhuǎn)移到硬掩模層；(5)采用刻蝕工藝將硬掩模層上的納米特征圖形轉(zhuǎn)移到藍(lán)寶石襯底上；(6)去除抗蝕劑和硬掩模層；(7)清洗圖形化后的藍(lán)寶石襯底。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于藍(lán)寶石襯底圖形化的納米壓印裝置及方法。該裝置包括納米壓印模具，紫外納米壓印用抗蝕劑，藍(lán)寶石襯底，曝光用的紫外光光源。其中，抗蝕劑涂鋪于藍(lán)寶石襯底之上，曝光用紫外光光源置于藍(lán)寶石襯底正下方，在納米壓印模具上設(shè)有特征型腔，從而構(gòu)成模具上的特征圖形。本發(fā)明利用改性氟碳樹脂基硬聚合物模具具有非常低的表面能、兼具軟、硬模具的優(yōu)勢，以及良好的機械和物理性能，并結(jié)合藍(lán)寶石襯底對于紫外光良好的透光性能，實現(xiàn)4英寸以上大尺寸晶圓級納米圖形化藍(lán)寶石低成本、高生產(chǎn)率和規(guī)?；圃?。本發(fā)明也可用于其它透明襯底(如ZnO襯底)的圖形化。
文檔編號G03F7/00GK102591142SQ201210049910
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月29日
發(fā)明者丁玉成, 蘭紅波 申請人:青島理工大學(xué)