Формирование микрорельефа методами электронно-лучевой литографии и контактной фотолитографии

УДК 621.382.032.21

Ю.Ю. Гребнева, Т.И. Данилина, А.В. Мошкина, И.А. Чистоедова

Формирование микрорельефа методами электронно-лучевой литографии и контактной фотолитографии

Работа посвящена исследованию возможности формирования микрорельефных поверхностей в оптическом покрытии 8Ю2, нанесенном на полупроводниковую подложку. Для формирования микрорельефа регулярной структуры использовались два метода создания рисунка в слое 8Ю2 - электронно-лучевая литография и фотолитография. С помощью электронно-лучевой литографии получен микрорельеф в слое 8Ю2 в виде углублений диаметром 460 нм и расстоянием между ними 130 нм с плотностью 2,8-108 шт./см2. С помощью контактной фотолитографии получен микрорельеф в виде наноострий с расстоянием между ними 415 нм и диаметром основания 630-660 нм, что соответствует плотности наноострий 3,3-107 шт./см2.

Ключевые слова: оптические покрытия, квантовая эффективность, микрорельеф, электронно-лучевая литография, контактная фотолитография.

В настоящее время разработка высокоэффективных мощных светодиодных кристаллов, излучающих в синем диапазоне длин волн, является одной из основных задач в исследовании полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия и его твердых растворов.

Возросшая яркость и эффективность светодиодов на основе ОаК, а также перекрытие ими практически всего видимого спектрального диапазона привели в настоящее время к их использованию в качестве эффективных источников света не только в системах индикации, подсветки или сигнальной аппаратуре, но и для общего освещения. В настоящее время созданы твердотельные источники света на основе светодиода с люминофорным покрытием со светоотдачей более 160 лм/Вт, что более чем в 10 раз превышает светоотдачу традиционных ламп накаливания и вдвое - ртутных люминесцентных ламп [1-2].

Несмотря на большое количество работ, направленных на повышение внешнего квантового выхода излучения, его значение в лучших образцах светодиодов не превышает 40-50%. Наиболее эффективными способами преодоления этой проблемы представляются создание рассеивающих свет поверхностей и использование просветляющих оптических покрытий, микрорезонаторов внутри активной области, создание фотонного кристалла, а также применение флип-чип-конструкции светодиодного кристалла [3].

Микрорельефные поверхности формируют как во внешнем слое (1ТО), так и непосредственно в ОаЫ". С целью создания микрорельефных поверхностей используются различные методы травления сапфира, и-ОаК, ^-ОаЫ", 1ТО, позволяющие увеличить внешнюю квантовую эффективность светодиодного кристалла [4-9]. Недостатком этих методов является трудность травления самого ОаЫ", ухудшение параметров гетероструктуры при формировании глубокого микрорельефа малых размеров на всей площади кристалла из-за ограниченности толщины слоев и-ОаК (3-4 мкм) и ^-ОаК (0,15-0,2 мкм). Поэтому исследование возможности создания микрорельефа в дополнительном слое на ОаК представляет интерес. В связи с этим исследование путей повышения внешнего квантового выхода светодиодов является актуальным.

Цель данной работы является формирование микрорельефной поверхности в оптическом покрытии БЮг с использованием электронно-лучевой литографии и контактной фотолитографии.

Для создания микрорельефа методом электронно-лучевой литографии на полупроводниковую пластину из ОаЛ8 наносилась пленка 8Ю2 с помощью плазмохимического осаждения (ПХО) толщиной 80 нм. На подготовленную пластину наносился резистивный слой на основе полиметилме-такрилата 950 РММЛ методом центрифугирования. В полученном резистивном слое формировался рисунок с помощью электронного луча. Экспонирование и совмещение осуществлялись на электронном литографе ЯайЬ 1501™ с ускоряющим напряжением 30 кВ и дозой экспонирования В = 450 мкКл/см2. Экспонированные области резиста проявлялись в смеси органических растворителей метилизобутилкетона и изопропилового спирта. Время проявления определялось экспериментально по качеству вскрытых окон в резисте. Через полученную резистивную маску производилось

травление слоя БЮ2. Контроль полученного изображения в БЮ2 осуществлялся с помощью электронного микроскопа ЯайЬ 1501" Вид микрорельефа определялся временем травления. На рис. 1, 2 представлено изображение микрорельефа, полученного в слое БЮ2 методом электронно-лучевой литографии.

1 II »  139 нм 457 нм 139 нм

н—н

128 нм 128 нм

460 нм

ЯАПнЦ^м I ^ рп-»н №•’№:

I—^^ ИЛ>- «Там им» 1|>ч-01151 'я 104101

>ц^я«п 1 1______________________________

Рис. 1. Изображение микрорельефа, полученного в слое 8Ю2 методом электронно-лучевой литографии

П * 15 5"* лит ИНТ1 ишн

овпаяи I I ЛО-1Гг¥т, 1м Ыгт+ -£Т*5Т 'вт* 15Ж4?

1 1_____________________________________________________________

Рис. 2. Изображение микрорельефа, полученного в слое 8Ю2 методом электронно-лучевой литографии

Из рис. 1 видно, что после травления в течение 40 с имеется регулярная структура в виде углублений глубиной 70 нм, диаметром 460 нм и расстоянием между ними 130 нм. Плотность отверстий составляет 2,8-108 шт./см2. При увеличении времени травления до 85 с (см. рис. 2) наблюдается пе-ретрав слоя БЮ2 с изменением размеров микрорельефа.

Представленная технология формирования микрорельефа с помощью электронно-лучевой литографии требует больших временных затрат, сложного и дорогостоящего оборудования в связи с чем не может быть рекомендовано для использования в массовом производстве. Поэтому в качестве альтернативы была предложена технология создания микрорельефа в слое БЮ2 с помощью метода контактной фотолитографии.

На подложке из ОаЛ8 методом плазмохимического осаждения (ПХО) была сформирована пленка БЮ2 толщиной 240 нм. Для получения рисунка использовался специально разработанный позитивный фотошаблон. Экспонирование резиста с длиной волны излучения 250 нм осуществлялось методом контактной фотолитографии. При постоянной интенсивности излучения равной 14 мВт/см2, время экспонирования составляло 300 с. Экспонированные области резиста проявлялись в смеси органических растворителей метилизобутилкетона и изопропилового спирта. Время проявления определялось экспериментально. Далее осуществлялась операция изотропного травления БЮ2 через окна диаметром 0,5 мкм и расстоянием между окнами 0,5 мкм. Контроль полученного изображения в слое БЮ2 осуществлялся с помощью электронного микроскопа ЯайЬ 150^0. На рис. 3-4 представлено изображение микрорельефа, полученного в слое БЮ2 методом контактной фотолитографии.

За счет растрава в слое БЮ2 образовались наноострия в виде пирамидок, представляющие собой регулярную структуру с размерами основания 640-660 нм, высотой пирамидок 220 нм и расстоянием между ними 415 нм. Плотность наноострий составляет 3,3-107 шт/см2.

Таким образом, в работе предложены два метода формирования микрорельефа в оптическом покрытии БЮ2 - электронно-лучевой литографии и контактной фотолитографии. Микрорельеф имеет строго упорядоченную структуру с плотностью нанострий 107—108 шт./см2.

Технология создания микрорельефа с помощью контактной фотолитографии по сравнению с электронно-лучевой литографией является более простой в реализации, менее трудозатратной, экономически выгодной. В связи с этим, данная технология рекомендуется для создания микрорельефа в световыводящей поверхности светодиодов на основе ОаК для массового производства.

Рис. 3. Изображение микрорельефа, полученного в слое 8Ю2 методом контактной фотолитографии при увеличении 10000х

ЯАГГНЩ*

яяътттч

Мщ> ЭНИХ

Рис. 4. Изображение микрорельефа, полученного в слое 8Ю2 методом контактной фотолитографии при увеличении 3000х

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в соответствии с договором 73/10 от 15.07.2010 в порядке реализации Постановления №218 Правительства РФ.

Литература

1. Синие флип-чип-светодиоды на основе AlGaInN с удаленной сапфировой подложкой / И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм и др. // ФТП. - 2006. - Т. 40, № 11. - С. 1397-1401.

2. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC / И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Е.М. Аракчеева и др. // ФТП. - 2010. - Т. 44, № 5. - С. 684-687.

3. Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening / T. Fujii, Y. Gao, R. Sharmaet al. // Appl. Phys. Lett. - 2004. - Vol. 84, № 6. - P. 855-857.

4. Enhanced Output Power of GaN-Based LEDs With Nano-Patterned Sapphire Substrates / Huang Hung-Wen, C.C. Kao, J.T. Chu et al. // 1ЕЕЕ Photonics Technology Letters. - 2008. - Vol. 20, № 13. -P. 1193-1195.

5. High-brightness InGaN-GaN flip-chip light-emitting diodes with triple-light scattering layers / Lee Chia-En, Lee Yea-Chen, Kuo Hao-Chung et al. // IEEE Photonics Technology Letters. - 2008. - Vol. 20, № 5-8. - P. 659-661.

Гребнева Юлия Юрьевна

Магистрант 2-го курса, каф. физической электроники (ФЭ) ТУСУР

Тел.: +7-952-177-23-04

Эл. почта: ultrafiolet90@mail.ru

Данилина Тамара Ивановна

Канд. техн. наук, профессор каф. ФЭ

Тел.: +7-960-971-27-43

Эл. почта: danti@ms.tusur.ru

Мошкина Александра Валерьевна

Магистрант 1-го курса, каф. ФЭ

Тел.: +7-923-414-01-70

Эл. почта: aleksandra_moshkina@mail.ru

Чистоедова Инна Анатольевна

Канд. техн. наук, доцент каф. ФЭ Тел.: +7-9i3-8i0-44-25 Эл. почта: innachist@mail.ru

Grebneva Yu.Yu, Danilina T.I., Moshkina A.V., Chistoedova I.A.

Fabrication of microrelief by electron beam lithography and contact photolithography

In the paper we observed the possibility of fabrication of microrelief surfaces in the optical SiO2 coating which was applied on a solid state base coat. We used two methods of delineation in the SiO2 layer for fabrication of microrelief with regular structure - electron beam lithography and contact photolithography. The microrelief in the SiO2 layer (with the cavity diameter of 46G nm and stepping distance of i3G nm with density of 2,8T0S pcs./cm2) was received by electron beam lithography. The microrelief of nanotips (with a diameter of 630-660 nm and stepping distance of 4i5 nm which correspond to density of 3,3T07 pcs./cm2) was received by contact photolithography.

Keywords: optical coating, quantum efficiency, microrelief, electon beam lithography, photolithography.