一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件制備與微納米加工領(lǐng)域，具體涉及利用共混聚合物的相分離、電子束蒸發(fā)鍍膜及干法刻蝕等方法制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
【背景技術(shù)】
[0002]LED (light-emitting d1de)具有電光轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、體積小、響應(yīng)時(shí)間短、工作電壓低、綠色環(huán)保以及耐機(jī)械沖擊等許多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于顯示器背光光源、交通信號(hào)燈、指示燈和顯示器等各個(gè)方面。然而由于藍(lán)寶石襯底與GaN外延層之間較大的晶格失配以及熱失配，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN外延層會(huì)產(chǎn)生較多的位錯(cuò)，從而影響LED的內(nèi)量子效率，同時(shí)由于全反射現(xiàn)象，在量子講中復(fù)合產(chǎn)生的光子很難提取到空氣中，從而降低了 LED的光引出效率。
[0003]研究表明，圖案化藍(lán)寶石襯底技術(shù)(PSS)可以顯著提高LED的外量子效率。目前普遍采用的是微米圖案化藍(lán)寶石襯底，常用光刻技術(shù)和納米壓印技術(shù)制備。進(jìn)一步的研究顯示，當(dāng)圖案化襯底的尺度降低至納米級(jí)時(shí)，LED器件的光輸出功率(LOP)會(huì)得到提高，這是由于納米圖案化藍(lán)寶石襯底會(huì)進(jìn)一步降低外延生長(zhǎng)GaN的位錯(cuò)密度，從而提高內(nèi)量子效率。
[0004]由于藍(lán)寶石襯底本身的翹曲、不平整等原因，在藍(lán)寶石襯底上大面積制備納米圖案并非易事。在納米圖案的制備中，目前常用光刻技術(shù)、電子束曝光技術(shù)、聚焦離子束技術(shù)以及納米壓印技術(shù)。然而光刻技術(shù)設(shè)備昂貴，電子束曝光和聚焦離子束技術(shù)產(chǎn)率低成本高，不具備大規(guī)模制備納米結(jié)構(gòu)的能力，納米壓印技術(shù)則需要預(yù)先制備好的壓印模板，一定程度上也增加了制備成本。因此，亟需發(fā)展一種低成本、高產(chǎn)率的制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種利用共混聚合物相分離現(xiàn)象制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，該方法成本低、產(chǎn)率高，可以實(shí)現(xiàn)大面積、大規(guī)模的生產(chǎn)。共混聚合物的相分離是指兩種或兩種以上的聚合物機(jī)械或物理混合后，由于聚合物之間的相容性差異而產(chǎn)生相與相分離的現(xiàn)象。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，具體步驟如下:
[0008](a)將一定質(zhì)量比的(PS)和聚乙二醇(PEG)溶解于甲苯中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%?6%的聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液A ;
[0009](b)將共混溶液A以一定轉(zhuǎn)速旋涂于藍(lán)寶石襯底上，在去離子水中浸泡5秒，然后用N2吹干得到樣品B ;
[0010](C)將上述樣品B放入反應(yīng)離子刻蝕(RIE)中進(jìn)行刻蝕，去除聚苯乙烯殘余層，得到樣品C ；
[0011](d)利用電子束蒸發(fā)鍍膜在上述樣品C上沉積50nm厚度的金屬鎳，然后在氯苯中進(jìn)行舉離(lift-off)，時(shí)間為1-10分鐘，得到金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)；
[0012](e)以金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)為刻蝕掩模，在感應(yīng)耦合等離子刻蝕設(shè)備(ICP)中刻蝕藍(lán)寶石襯底，刻蝕深度為50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
[0013]所述步驟(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的質(zhì)量比為2:1?5。
[0014]所述步驟(b)中，轉(zhuǎn)速為2000-8000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0015]所述步驟(d)中，金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)為無(wú)序結(jié)構(gòu)，其直徑分布于10nm至700nm之間。
[0016]所述步驟(e)中，得到的納米圖案化藍(lán)寶石襯底的表面結(jié)構(gòu)為圓錐狀或圓臺(tái)狀。
[0017]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0018](I)由于藍(lán)寶石本身的性質(zhì)，在藍(lán)寶石襯底上加工制備納米圖案是一件非常困難的事情。本發(fā)明巧妙的利用共混聚合物的相分離現(xiàn)象，發(fā)展出一種在藍(lán)寶石襯底上制備納米圖案的方法，所采用的原料為聚苯乙烯和聚乙二醇，都是常用的高分子材料，成本低廉；同時(shí)只需通過(guò)旋涂就可以獲得納米結(jié)構(gòu)，非常方便以及快捷；可以在2英寸、4英寸面積的藍(lán)寶石襯底上進(jìn)行批量的制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
[0019](2)在藍(lán)寶石襯底的刻蝕中，采用金屬鎳作為刻蝕掩模，它具有非常優(yōu)秀的抗刻蝕性能，同時(shí)殘余的鎳掩模可以通過(guò)稀硝酸或者鹽酸清洗掉。
[0020](3)通過(guò)相分離技術(shù)制備的納米圖案化藍(lán)寶石襯底，其直徑可調(diào)。通過(guò)調(diào)整聚苯乙烯/聚乙二醇的比例、共混溶液的濃度以及轉(zhuǎn)速，很方便的調(diào)整所獲得的納米結(jié)構(gòu)的尺寸。
[0021](4)這種相分離技術(shù)具有廣泛的適用性，除了可以在藍(lán)寶石襯底上制備納米圖案，還可以應(yīng)用于其它襯底，如硅、氧化硅、碳化硅等襯底，在光電器件的制備、微納米加工以及光學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1本發(fā)明利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的流程示意圖；1_藍(lán)寶石襯底；2_聚苯乙烯；3_聚乙二醇；4_金屬鎳。
[0023]圖2為不同尺寸的納米圖案化藍(lán)寶石襯底掃描電鏡圖，(a)平均直徑為?500nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底；(b)平均直徑為?370nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底；(c)平均直徑為?240nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]本發(fā)明制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法如圖1所示:首先通過(guò)將聚苯乙烯2/聚乙二醇3溶解于甲苯中得到共混溶液，在藍(lán)寶石襯底I上進(jìn)行旋涂，得到聚合物共混薄膜，然后將此聚合物共混薄膜在去離子水中浸泡5秒，去除聚乙二醇3，得到聚苯乙烯的多孔薄膜。其中，通過(guò)調(diào)整聚苯乙烯/聚乙二醇的質(zhì)量比、轉(zhuǎn)速以及共混溶液的濃度可以方便的控制得到的納米孔結(jié)構(gòu)的平均直徑。其次將聚苯乙烯的多孔薄膜在反應(yīng)離子刻蝕中除去聚苯乙烯殘余層。再次，將上述刻蝕殘余層的襯底在電子束蒸發(fā)鍍膜中沉積50nm厚的金屬鎳4，進(jìn)行舉離工藝，得到無(wú)序排列的金屬鎳納米陣列結(jié)構(gòu)(平均直徑可調(diào)，在100-700nm之間)。再次，將具有金屬鎳的襯底在ICP中刻蝕，根據(jù)刻蝕時(shí)間的不同，得到不同深度的藍(lán)寶石納米陣列(深度為50nm-400nm)。最后，將刻蝕剩余的金屬鎳在稀硝酸中除去，得到納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
[0026]實(shí)施例1:平均直徑?500nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底的制備
[0027]a)在藍(lán)寶石襯底上旋涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質(zhì)量比為2:5)，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
[0028]b)在去離子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
[0029]c)在反應(yīng)離子刻蝕中用O2刻蝕除去聚苯乙烯殘余層，得到平均孔徑為?500nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
[0030]d)在電子束蒸發(fā)鍍膜中沉積50nm厚的金屬鎳，在氯苯中超聲舉離5min，得到金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；
[0031]e)以金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為掩模，刻蝕藍(lán)寶石襯底，刻蝕時(shí)間為12min，在稀硝酸中洗去多余的金屬鎳掩模層，得到平均直徑?500nm，高度?280nm的圓錐形納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
[0032]實(shí)施例2:平均直徑?370nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底的制備
[0033]a)在藍(lán)寶石襯底上旋涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質(zhì)量比為2:4)，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
[0034]b)在去離子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
[0035]c)在反應(yīng)離子刻蝕中用O2刻蝕除去聚苯乙烯殘余層，得到平均孔徑為?370nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
[0036]d)在電子束蒸發(fā)鍍膜中沉積50nm厚的金屬鎳，在氯苯中超聲舉離5min，得到金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；
[0037]e)以金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為掩模，刻蝕藍(lán)寶石襯底，刻蝕時(shí)間為12min，在稀硝酸中洗去多余的金屬鎳掩模層，得到平均直徑?370nm，高度?280nm的圓錐形納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
[0038]實(shí)施例3:平均直徑?240nm的納米圖案化藍(lán)寶石襯底的制備
[0039]a)在藍(lán)寶石襯底上旋涂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質(zhì)量比為2:3)，旋涂速度為4000轉(zhuǎn)/分鐘，得到聚苯乙烯/聚乙二醇的共混薄膜；
[0040]b)在去離子水中浸泡5秒，除去聚乙二醇；
[0041]c)在反應(yīng)離子刻蝕中用O2刻蝕除去聚苯乙烯殘余層，得到平均孔徑為?240nm的聚苯乙烯多孔薄膜；
[0042]d)在電子束蒸發(fā)鍍膜中沉積50nm厚的金屬鎳，在氯苯中超聲舉離5min，得到金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)；
[0043]e)以金屬鎳點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為掩模，刻蝕藍(lán)寶石襯底，刻蝕時(shí)間為12min，在稀硝酸中洗去多余的金屬鎳掩模層，得到平均直徑?240nm，高度?280nm的圓錐形納米圖案化藍(lán)寶石襯底。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，其特征在于，具體步驟如下: (a)將一定質(zhì)量比的聚苯乙烯和聚乙二醇溶解于甲苯中，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%?6%的聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液A ; (b)將共混溶液A以一定轉(zhuǎn)速旋涂于藍(lán)寶石襯底上，在去離子水中浸泡5秒，然后用N2吹干得到樣品B ; (c)將上述樣品B放入反應(yīng)離子刻蝕中進(jìn)行刻蝕，去除聚苯乙烯殘余層，得到樣品C; (d)利用電子束蒸發(fā)鍍膜在上述樣品C上沉積50nm厚度的金屬鎳，然后在氯苯中進(jìn)行舉離，時(shí)間為1-10分鐘，得到金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)；(e)以金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)為刻蝕掩模，在感應(yīng)耦合等離子刻蝕設(shè)備中刻蝕藍(lán)寶石襯底，刻蝕深度為50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到納米圖案化藍(lán)寶石襯底。2.如權(quán)利要求1所述的一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的質(zhì)量比為2:1?5。3.如權(quán)利要求1所述的一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(b)中，轉(zhuǎn)速為2000-8000轉(zhuǎn)/分鐘。4.如權(quán)利要求1所述的一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(d)中，金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)為無(wú)序結(jié)構(gòu)，其直徑分布于lOOnm至700nm之間。5.如權(quán)利要求1所述的一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(e)中，得到的納米圖案化藍(lán)寶石襯底的表面結(jié)構(gòu)為圓錐狀或圓臺(tái)狀。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種利用相分離技術(shù)制備納米圖案化藍(lán)寶石襯底的方法。具體步驟包括：a)將一定質(zhì)量比的聚苯乙烯和聚乙二醇溶解于甲苯中，得到聚苯乙烯/聚乙二醇/甲苯的共混溶液；b)將共混溶液旋涂于藍(lán)寶石襯底上，在去離子水中浸泡并用氮?dú)獯蹈?；c)將上述樣品放入反應(yīng)離子刻蝕中進(jìn)行刻蝕，去除聚苯乙烯殘余層；d)利用電子束蒸發(fā)鍍膜在上述樣品上沉積金屬鎳，然后在氯苯中進(jìn)行舉離得到金屬Ni的納米陣列結(jié)構(gòu)；e)以金屬Ni為刻蝕掩模，在感應(yīng)耦合等離子刻蝕設(shè)備中刻蝕藍(lán)寶石襯底，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，最終得到納米圖案化藍(lán)寶石襯底。本發(fā)明的方法方便快捷且成本低廉，能夠進(jìn)行晶圓尺度大面積、批量的制備納米圖案。
【IPC分類(lèi)】H01L21/02, B82Y40/00, H01L33/22
【公開(kāi)號(hào)】CN105355745
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510932217
【發(fā)明人】葛海雄, 郭旭, 袁長(zhǎng)勝, 崔玉雙, 陳延峰
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年12月15日