本發(fā)明涉及半導體制造領域，具體地，涉及一種襯底刻蝕方法。

背景技術：

圖形化藍寶石襯底(Patterned Sapphire Substrate，簡稱PSS)作為普遍采用的一種提高GaN基LED器件出光效率的方法，目前已廣泛的應用在LED制備領域中。適宜的圖形形貌和尺寸是減少外延晶體缺陷、提高內(nèi)量子效率的必要條件，目前理想的襯底圖形為錐形結構，高度一般為1～2μm，間隔為2～3μm，底寬為2～3μm，側(cè)壁斜角為31.6°。

ICP(Inductively Coupled Plasma，感應耦合等離子體)技術是一種制備藍寶石圖形襯底的方法，其以能夠控制等離子體密度和轟擊能量，適于輝光放電時自動匹配網(wǎng)絡等優(yōu)點而廣泛應用。該方法一般以BCl₃或CHF₃或二者的混合氣體作為反應氣體，并通過控制工作壓強、反應氣體流量、磁場強度和直流偏壓等的參數(shù)，控制工藝的刻蝕速率和均勻性，以使得襯底圖形的高度和底寬達到要求。

現(xiàn)有的一種調(diào)節(jié)方式是在工藝過程中采用較低的刻蝕速率的方式來增加襯底圖形的底寬。例如，在進行主刻蝕步驟的過程中降低下電極功率，這可以減少等離子體對圖形側(cè)壁的轟擊，從而可以增加錐形結構的底部展寬，進而達到增加底寬的目的。但是，降低刻蝕速率不僅會導致工藝時間變長，從而降低了生產(chǎn)效率，而且還會因為在工藝過程中，在圖形側(cè)壁上形成的拐角高度過高，導致該拐角在工藝結束之后無法消除，如圖1所示，為采用較低的刻蝕速率獲得的襯底圖形形貌的掃描電鏡圖。

現(xiàn)有的另一種調(diào)節(jié)方式是通過在工藝過程中采用較高的背吹氣壓，來降低襯底溫度，以減少副產(chǎn)物的揮發(fā)，使其附著于側(cè)壁， 從而可以增加襯底圖形的底寬，但是由于降低襯底溫度會增加光刻膠的刻蝕速率，導致襯底圖形的高度降低，如圖2所示，為在整個工藝過程中，采用較高的背吹氣壓獲得的襯底圖形形貌的掃描電鏡圖，由圖2可知，雖然圖形底寬為2.75μm，滿足要求，但是圖形高度僅為1.53μm，沒有達到要求范圍(如1.6～1.7μm)。反之，若提高襯底溫度，雖然可以提高襯底圖形的高度，但會導致襯底圖形的底寬減小。因此，如何獲得底寬和高度均滿足要求的襯底圖形，是目前亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一，提出了一種襯底刻蝕方法，其可以在對襯底圖形的高度影響較小的情況下，增大襯底圖形的底寬，從而可以獲得底寬和高度均滿足要求的襯底圖形。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的而提供一種襯底刻蝕方法，包括主刻蝕步驟和過刻蝕步驟，

所述主刻蝕步驟進一步包括步驟S1和步驟S2，當圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角時，結束所述步驟S1，同時開始所述步驟S2；

所述過刻蝕步驟進一步包括步驟S3和步驟S4，當所述拐角的高度達到固定值時，結束所述步驟S3，同時開始所述步驟S4；

其中，所述步驟S1和所述步驟S4所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓小于所述步驟S2和所述步驟S3所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓。

優(yōu)選的，所述步驟S1和所述步驟S4均采用第一背吹氣壓冷卻襯底；所述步驟S2和所述步驟S3均采用第二背吹氣壓冷卻襯底；所述第一背吹氣壓小于所述第二背吹氣壓。

優(yōu)選的，根據(jù)在進行所述主刻蝕步驟的過程中，掩膜的刻蝕速率判斷圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角的時刻。

優(yōu)選的，根據(jù)在進行所述過刻蝕步驟的過程中，所述拐角的高度的降低速率判斷所述拐角的高度達到固定值的時刻。

優(yōu)選的，所述固定值的取值范圍在200～400nm。

優(yōu)選的，所述步驟S2和所述步驟S3的工藝時間之和為10～45min。

優(yōu)選的，所述步驟S1對應的工藝時刻為第0分鐘～第20分鐘。

優(yōu)選的，所述步驟S4對應的工藝時刻為第30分鐘～工藝結束。

優(yōu)選的，所述第一背吹氣壓的取值范圍在2～5Torr。

優(yōu)選的，所述第二背吹氣壓的取值范圍在4～8Torr。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法，其主刻蝕步驟包括步驟S1和步驟S2，且當襯底的圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角時，結束步驟S1，同時開始步驟S2；過刻蝕步驟包括步驟S3和步驟S4，且當拐角的高度達到固定值時，結束步驟S3，同時開始步驟S4。其中，步驟S1和步驟S4所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓小于步驟S2和步驟S3所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓。由于在整個工藝時間中，在以襯底的圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角的時刻作為開始點(此時步驟S2開始)，以拐角的高度達到固定值作為結束點(此時步驟S3完成)這一時間段圖形底寬的增加速率最高，因此，通過在這個時間段采用較高的背吹氣壓來降低襯底溫度，而其余工藝時間(步驟S1和步驟S4)均采用較低的背吹氣壓來提高襯底溫度，可以在更短時間內(nèi)達到增大圖形底寬的目的，同時由于縮短了掩膜刻蝕速率較高的時間，可以增加主刻蝕步驟后掩膜的剩余厚度，從而可以保證圖形高度達到要求范圍，最終獲得底寬和高度均滿足要求的圖形形貌。

附圖說明

圖1為采用較低的刻蝕速率獲得的襯底圖形形貌的掃描電鏡圖；

圖2為采用較高的背吹氣壓獲得的襯底圖形形貌的掃描電鏡圖；

圖3為襯底圖形形貌的演變過程圖；

圖4為襯底圖形的底寬隨刻蝕時間的變化曲線圖；

圖5為襯底圖形的底寬隨背吹壓力的變化曲線圖；以及

圖6為采用本發(fā)明實施例提供的襯底刻蝕方法獲得的襯底圖形 形貌的掃描電鏡圖。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖來對本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法進行詳細描述。

本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法采用現(xiàn)有的等離子體加工設備進行刻蝕工藝，優(yōu)選的，該等離子體加工設備可以為電感耦合等離子體設備，其主要包括反應腔室、電感線圈、上射頻系統(tǒng)和下射頻系統(tǒng)。其中，在反應腔室內(nèi)設置有用于承載襯底的承載裝置，例如基座、機械卡盤或者靜電卡盤等等。上射頻系統(tǒng)用于向電感線圈施加上電極功率，用以激發(fā)反應腔室內(nèi)的刻蝕氣體形成等離子體；下射頻系統(tǒng)用于向基片施加下電極功率，以使等離子體在基片上刻蝕圖形。

而且，在進行刻蝕工藝的過程中，向襯底下表面與承載裝置的承載面之間的縫隙輸送背吹氣體(例如氦氣)，用以通過與襯底進行熱交換而冷卻襯底，該背吹氣體朝向襯底下表面施加的壓力稱為背吹氣壓。容易理解，背吹氣壓越高，則襯底溫度越低；反之，背吹氣壓越低，則襯底溫度越高。因此，通過調(diào)節(jié)背吹氣壓，可以實現(xiàn)對襯底溫度的控制，從而可以快速有效地調(diào)節(jié)襯底圖形的高度和底寬。本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法，包括以下步驟：

主刻蝕步驟(Main Etch，ME)，用于修飾掩膜形貌，同時刻蝕形成圖形的基礎輪廓。

過刻蝕步驟(Over Etch，OE)，用于修飾圖形形貌(側(cè)壁和拐角)，以使其尺寸和形狀達到工藝要求。

其中，在進行主刻蝕步驟時，刻蝕離子朝近似45°的方向運動，這使得襯底圖形的側(cè)壁形貌在刻蝕過程中逐漸變化。具體來說，在刻蝕的初始階段，由于受到掩膜原始側(cè)壁的限制，襯底圖形的側(cè)壁的垂直度較高；然而，隨著刻蝕時間的增加，掩膜相對的兩個側(cè)壁會朝向彼此橫向收縮，導致掩膜的寬度逐漸變窄，這使得襯底圖形的側(cè)壁因掩膜的橫向收縮而出現(xiàn)拐角。在主刻蝕步驟中，反應腔室的腔室壓力的范圍在2～5mT；上電極功率的范圍在1000～2500W；下電極功率的 范圍在100～700W；刻蝕氣體的流量范圍在60～200sccm；工藝時間的范圍在15～40min。

過刻蝕步驟采用較低的腔室壓力和較高的偏壓功率，用以提高物理轟擊能量，以使襯底側(cè)壁的拐角逐漸減小直至消失，從而使襯底圖形形貌達到工藝要求。在過刻蝕步驟中，反應腔室的腔室壓力的范圍在1.5～3mT；上電極功率的范圍在1000～2500W；下電極功率的范圍在500～800W；刻蝕氣體的流量范圍在60～100sccm；工藝時間的范圍在10～20min。

進一步的，上述主刻蝕步驟包括步驟S1和步驟S2，當圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角時，結束步驟S1，同時開始步驟S2。過刻蝕步驟包括步驟S3和步驟S4，當拐角的高度達到固定值時，結束步驟S3，同時開始步驟S4。其中，步驟S1和步驟S4所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓小于步驟S2和步驟S3所采用的用于冷卻襯底的背吹氣壓。并且，步驟S1和步驟S4均采用第一背吹氣壓冷卻襯底；步驟S2和步驟S3均采用第二背吹氣壓冷卻襯底。也就是說，步驟S1和步驟S4的背吹氣壓相同，驟S2和步驟S3的背吹氣壓相同，且步驟S1和步驟S4采用的背吹氣壓(第一背吹氣壓)小于驟S2和步驟S3采用的背吹氣壓(第二背吹氣壓)。

由于在整個工藝時間中，在以襯底的圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角的時刻作為開始點(此時步驟S2開始)，以拐角的高度達到固定值作為結束點(此時步驟S3完成)這一時間段圖形底寬的增加速率最高，因此，通過在這個時間段內(nèi)采用較高的背吹氣壓來降低襯底溫度，而其余工藝時間(步驟S1和步驟S4)均采用較低的背吹氣壓來提高襯底溫度，可以在更短時間內(nèi)達到增大圖形底寬的目的。進一步說，雖然采用較高的背吹氣壓勢必會降低襯底圖形的高度，但是，由于采用較高的背吹氣壓這一時間段較短，這使得圖形高度的降低程度較小，從而仍然可以達到工藝要求范圍。同時，由于在該時間段內(nèi)圖形底寬的增加速率最快，即使時間較短也仍然可以使圖形底寬增大至工藝要求的范圍內(nèi)，最終獲得底寬和高度均滿足要求的圖形形貌。

需要說明的是，在本實施例中，步驟S1和步驟S4的背吹氣壓 相同，步驟S2和步驟S3的背吹氣壓相同。但是本發(fā)明并不局限于此，在實際應用中，步驟S1和步驟S4的背吹氣壓也可以根據(jù)具體情況設計為不同。同樣的，步驟S2和步驟S3的背吹氣壓也可以根據(jù)具體情況設計為不同。

優(yōu)選的，上述步驟S2和步驟S3的工藝時間之和為10～45min。步驟S1對應的工藝時刻為第0分鐘～第20分鐘。步驟S4對應的工藝時刻為第30分鐘～工藝結束。第一背吹氣壓的取值范圍在2～5Torr。第二背吹氣壓的取值范圍在4～8Torr。

由上可知，本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法是利用較高的襯底溫度條件下會促進圖形高度增加、圖形底寬減?。惠^低的襯底溫度會條件下會促進圖形底寬增大、圖形高度降低的特點，通過有針對性地在圖形底寬的增加速率最高這一時間段采用較高的背吹壓力，以降低襯底溫度，可以在更短時間內(nèi)達到增大圖形底寬的目的，同時由于縮短了掩膜刻蝕速率較高的時間，可以增加主刻蝕步驟后掩膜的剩余厚度，從而可以保證圖形高度達到要求范圍，最終獲得底寬和高度均滿足要求的圖形形貌。

如圖3所示，為襯底圖形形貌的演變過程圖。主刻蝕步驟的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為3mT；上電極功率為1600W；下電極功率為500W；刻蝕氣體的流量為120sccm；工藝時間為20min。過刻蝕步驟的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為2.5mT；上電極功率為1600W；下電極功率為700W；刻蝕氣體的流量為70sccm；工藝時間為25min。

在主刻蝕步驟中，在第0分鐘～第15分鐘這段時間內(nèi)，由于拐角還未出現(xiàn)，圖形的側(cè)壁與底邊之間的夾角(以下簡稱側(cè)壁夾角)基本不變，因此，圖形的底寬基本恒定。在第15分鐘即將出現(xiàn)拐角。在第15分鐘～第20分鐘這段時間內(nèi)，拐角出現(xiàn)，并逐漸向下移動，使得側(cè)壁夾角逐漸變小，從而圖形的展寬逐漸增加。

自第20分鐘開始進入過刻蝕步驟，在該步驟中，由于下電極功率提高，這使得等離子體的轟擊作用增強，圖形底邊邊緣內(nèi)縮加快，從而使得側(cè)壁夾角增大，底寬的增加速率變慢。自第30分鐘開始， 側(cè)壁夾角接近90°，此時底寬的增加速率基本不變。由上述襯底圖形形貌的演變過程可以看出，圖形底寬的增加速率是隨著側(cè)壁夾角的改變而變化，即，側(cè)壁夾角越大，則圖形底寬的增加速率越慢；反之，側(cè)壁夾角越小，則圖形底寬的增加速率越快。

圖4為襯底圖形的底寬隨刻蝕時間的變化曲線圖。圖5為襯底圖形的底寬隨背吹壓力的變化曲線圖。由圖4和圖5可知，第15分鐘～第30分鐘這一時間段的圖形底寬增大速率最快，即：主刻蝕步驟中拐角出現(xiàn)的時刻是底寬快速增大的開始點，過刻蝕步驟中拐角高度降低至300nm左右的時刻是底寬快速增大的結束點，通過有針對性地在該時間段內(nèi)采用較高的背吹氣壓來降低襯底溫度，可以有效增大圖形底寬。

優(yōu)選的，在主刻蝕步驟中，由于在拐角出現(xiàn)的時刻，剩余的掩膜(例如光刻膠)厚度基本恒定，在1.3um左右。因此，可以根據(jù)在進行主刻蝕步驟的過程中，掩膜的刻蝕速率判斷圖形側(cè)壁出現(xiàn)拐角的時刻，以此確定底寬快速增大的開始點。

另外，優(yōu)選的，在過刻蝕步驟中，由于底寬快速增大的結束點基本恒定在拐角高度降低至一固定值這一時刻，該固定值的取值范圍在200～400nm，例如300nm，因此，可以根據(jù)拐角高度的降低速率判斷該拐角的高度達到固定值的時刻，以此確定底寬快速增大的結束點。

下面為本發(fā)明提供的襯底刻蝕方法的一個具體實施例，該襯底刻蝕方法具體包括以下步驟：

主刻蝕步驟，其進一步包括步驟ME1和步驟ME2，其中，

步驟ME1的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為2.5mT；上電極功率為1400W；下電極功率為350W；刻蝕氣體的流量為80sccm；工藝時間為18min；背吹氣壓為4Torr。

步驟ME2的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為2.5mT；上電極功率為1400W；下電極功率為350W；刻蝕氣體為80sccm；工藝時間為7min；背吹氣壓為6Torr。

過刻蝕步驟，其進一步包括步驟OE1和步驟OE2，其中，

步驟OE1的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為2.2mT；上電 極功率為1400W；下電極功率為500W；刻蝕氣體的流量為60sccm；工藝時間為5min；背吹氣壓為6Torr。

步驟OE2的工藝參數(shù)為：反應腔室的腔室壓力為2.2mT；上電極功率為1400W；下電極功率為500W；刻蝕氣體為60sccm；工藝時間為8min；背吹氣壓為4Torr。

在上述步驟ME1的工藝參數(shù)下，掩膜的刻蝕速率大約為70nm/min，對于2.6um的光刻膠(用作掩膜)來說，根據(jù)該刻蝕速率，可以推算出當工藝時間進行至第18分鐘時，光刻膠的剩膠厚度可達到1.3um，此時即為采用較高的背吹壓力的開始點。在上述步驟OE2的工藝參數(shù)下，拐角高度的降低速率大約為40nm/min，根據(jù)該速率可以推算出出當工藝時間進行至第30分鐘時，拐角高度的降低至300nm左右(例如325nm)，此時即為采用較高的背吹壓力的結束點。

圖6為采用本發(fā)明實施例提供的襯底刻蝕方法獲得的襯底圖形形貌的掃描電鏡圖。由圖6可知，采用本發(fā)明實施例提供的襯底刻蝕方法獲得的襯底圖形，其高度為1.67um；底寬為2.69um，均達到工藝要求的范圍。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領域內(nèi)的普通技術人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。