一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光電子器件制備與微納米加工領域，具體涉及利用共混聚合物的相分離、電子束蒸發鍍膜及干法刻蝕等方法制備納米圖案化藍寶石襯底。
【背景技術】
[0002]LED (light-emitting d1de)具有電光轉換效率高、使用壽命長、體積小、響應時間短、工作電壓低、綠色環保以及耐機械沖擊等許多優點，已廣泛應用于顯示器背光光源、交通信號燈、指示燈和顯示器等各個方面。然而由于藍寶石襯底與GaN外延層之間較大的晶格失配以及熱失配，在藍寶石襯底上生長的GaN外延層會產生較多的位錯，從而影響LED的內量子效率，同時由于全反射現象，在量子講中復合產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，圖案化藍寶石襯底技術(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寶石襯底，常用光刻技術和納米壓印技術制備。進一步的研究顯示，當圖案化襯底的尺度降低至納米級時，LED器件的光輸出功率(LOP)會得到提高，這是由于納米圖案化藍寶石襯底會進一步降低外延生長GaN的位錯密度，從而提高內量子效率。
[0004]由于藍寶石襯底本身的翹曲、不平整等原因，在藍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、電子束曝光技術、聚焦離子束技術以及納米壓印技術。然而光刻技術設備昂貴，電子束曝光和聚焦離子束技術產率低成本高，不具備大規模制備納米結構的能力，納米壓印技術則需要預先制備好的壓印模板，一定程度上也增加了制備成本。因此，亟需發展一種低成本、高產率的制備納米圖案化藍寶石襯底的方法。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種利用共混聚合物相分離現象制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，該方法成本低、產率高，可以實現大面積、大規模的生產。共混聚合物的相分離是指兩種或兩種以上的聚合物機械或物理混合后，由于聚合物之間的相容性差異而產生相與相分離的現象。
[0006]本發明采用的技術方案如下:
[0007]—種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，具體步驟如下:
[0008](a)將一定質量比的(PS)和聚乙二醇(PEG)溶解于甲苯中，得到質量分數為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以一定轉速旋涂于藍寶石襯底上，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放入反應離子刻蝕(RIE)中進行刻蝕，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，然后在氯苯中進行舉離(lift-off)，時間為1-10分鐘，得到金屬Ni的納米陣列結構；
[0012](e)以金屬Ni的納米陣列結構為刻蝕掩模，在感應耦合等離子刻蝕設備(ICP)中刻蝕藍寶石襯底，刻蝕深度為50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到納米圖案化藍寶石襯底。
[0013]所述步驟(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的質量比為2:1?5。
[0014]所述步驟(b)中，轉速為2000-8000轉/分鐘。
[0015]所述步驟(d)中，金屬Ni的納米陣列結構為無序結構，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寶石襯底的表面結構為圓錐狀或圓臺狀。
[0017]本發明具有以下優點:
[0018](I)由于藍寶石本身的性質，在藍寶石襯底上加工制備納米圖案是一件非常困難的事情。本發明巧妙的利用共混聚合物的相分離現象，發展出一種在藍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；同時只需通過旋涂就可以獲得納米結構，非常方便以及快捷；可以在2英寸、4英寸面積的藍寶石襯底上進行批量的制備納米圖案化藍寶石襯底。
[0019](2)在藍寶石襯底的刻蝕中，采用金屬鎳作為刻蝕掩模，它具有非常優秀的抗刻蝕性能，同時殘余的鎳掩模可以通過稀硝酸或者鹽酸清洗掉。
[0020](3)通過相分離技術制備的納米圖案化藍寶石襯底，其直徑可調。通過調整聚苯乙烯/聚乙二醇的比例、共混溶液的濃度以及轉速，很方便的調整所獲得的納米結構的尺寸。
[0021](4)這種相分離技術具有廣泛的適用性，除了可以在藍寶石襯底上制備納米圖案，還可以應用于其它襯底，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領域有著潛在的應用，具有很好的應用前景。
【附圖說明】
[0022]圖1本發明利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的流程示意圖；1_藍寶石襯底；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寶石襯底掃描電鏡圖，(a)平均直徑為?500nm的納米圖案化藍寶石襯底；(b)平均直徑為?370nm的納米圖案化藍寶石襯底；(c)平均直徑為?240nm的納米圖案化藍寶石襯底。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施案例對本發明作進一步的說明。
[0025]本發明制備納米圖案化藍寶石襯底的方法如圖1所示:首先通過將聚苯乙烯2/聚乙二醇3溶解于甲苯中得到共混溶液，在藍寶石襯底I上進行旋涂，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，通過調整聚苯乙烯/聚乙二醇的質量比、轉速以及共混溶液的濃度可以方便的控制得到的納米孔結構的平均直徑。其次將聚苯乙烯的多孔薄膜在反應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鍍膜中沉積50nm厚的金屬鎳4，進行舉離工藝，得到無序排列的金屬鎳納米陣列結構(平均直徑可調，在100-700nm之間)。再次，將具有金屬鎳的襯底在ICP中刻蝕，根據刻蝕時間的不同，得到不同深度的藍寶石納米陣列(深度為50nm-400nm)。最后，將刻蝕剩余的金屬鎳在稀硝酸中除去，得到納米圖案化藍寶石襯底。
[0026]實施例1:平均直徑?500nm的納米圖案化藍寶石襯底的制備
[0027]a)在藍寶石襯底上旋涂質量分數為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質量比為2:5)，旋涂速度為4000轉/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，得到金屬鎳點陣結構；
[0031]e)以金屬鎳點陣結構為掩模，刻蝕藍寶石襯底，刻蝕時間為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寶石襯底。
[0032]實施例2:平均直徑?370nm的納米圖案化藍寶石襯底的制備
[0033]a)在藍寶石襯底上旋涂質量分數為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質量比為2:4)，旋涂速度為4000轉/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，得到金屬鎳點陣結構；
[0037]e)以金屬鎳點陣結構為掩模，刻蝕藍寶石襯底，刻蝕時間為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寶石襯底。
[0038]實施例3:平均直徑?240nm的納米圖案化藍寶石襯底的制備
[0039]a)在藍寶石襯底上旋涂質量分數為5%的聚苯乙烯/聚乙二醇共混溶液(質量比為2:3)，旋涂速度為4000轉/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，得到金屬鎳點陣結構；
[0043]e)以金屬鎳點陣結構為掩模，刻蝕藍寶石襯底，刻蝕時間為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寶石襯底。
【主權項】
1.一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，具體步驟如下: (a)將一定質量比的聚苯乙烯和聚乙二醇溶解于甲苯中，得到質量分數為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以一定轉速旋涂于藍寶石襯底上，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放入反應離子刻蝕中進行刻蝕，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，然后在氯苯中進行舉離，時間為1-10分鐘，得到金屬Ni的納米陣列結構；(e)以金屬Ni的納米陣列結構為刻蝕掩模，在感應耦合等離子刻蝕設備中刻蝕藍寶石襯底，刻蝕深度為50nm-400nm，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，得到納米圖案化藍寶石襯底。2.如權利要求1所述的一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(a)中，聚苯乙烯和聚乙二醇的質量比為2:1?5。3.如權利要求1所述的一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(b)中，轉速為2000-8000轉/分鐘。4.如權利要求1所述的一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(d)中，金屬Ni的納米陣列結構為無序結構，其直徑分布于lOOnm至700nm之間。5.如權利要求1所述的一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法，其特征在于，所述步驟(e)中，得到的納米圖案化藍寶石襯底的表面結構為圓錐狀或圓臺狀。
【專利摘要】本發明公開了一種利用相分離技術制備納米圖案化藍寶石襯底的方法。具體步驟包括：a)將一定質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寶石襯底上，在去離子水中浸泡并用氮氣吹干；c)將上述樣品放入反應離子刻蝕中進行刻蝕，去除聚苯乙烯殘余層；d)利用電子束蒸發鍍膜在上述樣品上沉積金屬鎳，然后在氯苯中進行舉離得到金屬Ni的納米陣列結構；e)以金屬Ni為刻蝕掩模，在感應耦合等離子刻蝕設備中刻蝕藍寶石襯底，多余的Ni掩模以稀硝酸洗去，最終得到納米圖案化藍寶石襯底。本發明的方法方便快捷且成本低廉，能夠進行晶圓尺度大面積、批量的制備納米圖案。
【IPC分類】H01L21/02, B82Y40/00, H01L33/22
【公開號】CN105355745
【申請號】CN201510932217
【發明人】葛海雄, 郭旭, 袁長勝, 崔玉雙, 陳延峰
【申請人】南京大學
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年12月15日