湿式蚀刻工艺提高LED光萃取效率之产能与良率

1、湿式蚀刻工艺提高LED光萃取效率之产能与良率主题:技术 1、 前言近几年来来IIII族氮化化物(IIII-Nittridde)高高亮度发发光二极极体(HHighh Brrighhtneess Ligght Emiissiion Dioode; HBB-LEED)深深获广大大重视，目前广广泛应用用于交通通号誌、LCDD背光源源及各种种照明使使用上。基本上上，GaaN LLED是是以磊晶晶(Eppitaaxiaal)方方式生长长在蓝宝宝石基板板(Saapphhiree Suubsttratte)上上，由于于磊晶GGaN与与底部蓝蓝宝石基基板的晶晶格常数数(Laattiice Connstaant)

2、及热膨膨胀係数数(Cooeffficiientt off Thhermmo EExpaansiion; CTTE)相相差极大大，所以以会产生生高密度度线差排排(Thhreaad DDisllocaatioon)达达108810010 / ccm2，此种高高密度线线差排则则会限制制了GaaN LLED的的发光效效率。此外，在在HB-LEDD结构中中，除了了主动层层(Acctivve RRegiion)及其他他层会吸吸收光之之外，另另外必须须注意的的就是半半导体的的高折射射係数(Higgh RRefrracttivee Inndexx)，这这将使得得LEDD所产生生的光受受到侷限限(Trrappp

3、ed Ligght)。以图图1来进进行说明明，从主主动区所所发射的的光线在在到达半半导体与与周围空空气之界界面时，如果光光的入射射角大于于逃逸角角锥(EEscaape Conne)之之临界角角(Crritiicall Annglee;cc)时，则会产产生全内内反射(Tottal Intternnal Refflecctioon)；对于高高折射係係数之半半导体而而言，其其临界角角都非常常小，当当折射係係数为33.3时时，其全全内反射射角则只只有177o，所所以大部部份从主主动区所所发射的的光线，将被侷侷限(TTrapppedd)于半半导体内内部，这这种被侷侷限的光光有可能能会被较较厚的基基板所吸

4、吸收。此此外，由由于基板板之电子子与电洞洞对，会会因基板板品质不不良或效效率较低低，导致致有较大大机率产产生非辐辐射復回回(Reecommbinne NNon-Raddiattiveely)，进而而降低LLED效效率。所所以如何何从半导导体之主主动区萃萃取光源源，以进进而增加加光萃取取效率(Ligght Exttracctioon EEffiicieencyy)，乃乃成为各各LEDD制造商商最重要要的努力力目标。目前有两两种方法法可增加加LEDD光之萃萃取效率率：(11)第一一种方法法是在LLED磊磊晶前，进行蓝蓝宝石基基板的蚀蚀刻图形形化(PPattternn Saapphhiree Suu

5、bsttratte; PSSS)；(2)第第二种方方法是在在LEDD磊晶后后，进行行蓝宝石石基板的的侧边蚀蚀刻(SSappphirre SSideewalll EEtchhingg; SSSE)，以及及基板背背面粗糙糙化(SSappphirre BBackksidde RRougghinng; SBRR)。本本文将参参考相关关文献166，探探讨如何何利用高高温磷酸酸湿式化化学蚀刻刻技术，来达到到增加LLED光光萃取效效率之目目的。此此外，针针对LEED生产产线之高高产能与与高良率率需求时时，在工工艺系统统设计制制作上必必须考虑虑到哪些些因数，亦将进进行详细细探讨，以期达达到增加加LEDD光萃取

6、取效率之之目的。图1、从从主动区区所发射射的光线线在到达达半导体体与周围围空气之之界面时时，如果果光的入入射角大大于临界界角(c)时时，则会会产生全全内反射射。2、 磊磊晶前蓝蓝宝石基基板之蚀蚀刻图形形化(PPPS)工艺蓝宝石基基板蚀刻刻图形化化(PPPS)可可以有效效增加光光的萃取取效率，因为藉藉由基板板表面几几何图形形之变化化，可以以改变LLED的的散射机机制，或或将散射射光导引引至LEED内部部，进而而由逃逸逸角锥中中穿出。目前使使用单步步骤无光光罩乾式式蚀刻技技术(MMaskklesss DDry Etcchinng)来来加工蓝蓝宝石(Sappphiire)基板，虽然可可以改善善内部量

7、量子效率率(Innterrnall Quuanttum Effficiienccy)和和光萃取取率(LLighht EExtrracttionn Effficcienncy)，然而而由于蓝蓝宝石基基板表面面非常坚坚硬，乾乾式蚀刻刻会损伤伤蓝宝石石表面，使得线线差排(Thrreadd Diisloocattionn)由基基板逐渐渐延伸到到顶端的的GaNN磊晶层层，因而而影响到到LEDD之磊晶晶品质，所以一一般都倾倾向使用用湿式化化学蚀刻刻方式。有关蓝蓝宝石基基板之湿湿式化学学蚀刻图图形化，以及LLED之之前段工工艺流程程，说明明如下：A. 首首先利用用黄光微微影工艺艺在蓝宝宝石基板板上制作作出所

8、需需的图案案。B. 利用用电浆辅辅助化学学气相沉沉积(PPlassma Enhhancced Cheemiccal Vappor Depposiitioon; PE-CVDD)系统统在蓝宝宝石基板板上方沉沉积SiiO2，进行光光组去除除后，即即可形成成间隔33m的的阵列图图案。CC. 利利用SiiO2当当作蚀刻刻遮罩层层，在温温度2880的高温温磷酸与与硫酸混混合液中中蚀刻蓝蓝宝石基基板，以以形成图图案化结结构。图图2为使使用湿式式化学蚀蚀刻蓝宝宝石基板板(PSSS)后后之横截截面示意意图；图图3为光光学显微微镜照片片。 DD. 使使用MOO-CVVD生长长GaNN-LEED于蚀蚀刻图案案化之

9、蓝蓝宝石基基板C(00001)面面上，GGaN-LEDD结构由由下而上上，包括括：GaaN成核核层、未未掺杂的的GaNN层、硅硅掺杂的的N-ttypee GaaN层、MQWW层及PP-tyype GaNN层。EE. 使使用标准准微影技技术及乾乾式蚀刻刻来蚀刻刻部份的的P-ttypee GaaN层，以露出出N-ttypee GaaN层，进而定定义发光光区域及及电极。F. 沉积IITO透透明导电电层，接接着沉积积Cr/Au金金属层，在2000氮气气气氛下进进行合金金化，以以制作PP电极与与N电极极。图44为GaaN LLED之之前段工工艺流程程图；图图5为经经过化学学湿式蚀蚀刻图形形化蓝宝宝石基板

10、板(PSSS)，接着生生长GaaN磊晶晶层的LLED结结构图。图2、湿湿式化学学蚀刻蓝蓝宝石基基板后(PSSS)之横横截面示示意图。图3、湿湿式化学学蚀刻蓝蓝宝石基基板后(PSSS)之光光学显微微镜照片片。图4、GGaN LEDD前段工工艺流程程图33, 44, 55。图5、湿湿式蚀刻刻图形化化蓝宝石石基板后后，接着着生长GGaN磊磊晶层的的LEDD结构2。如图6所所示，经经湿式化化学蚀刻刻图形化化之蓝宝宝石基板板，基于于表面晶晶格特性性，所以以会被蚀蚀刻出呈呈57oo倾斜的的1-1022R面面(R Plaane)，此种种倾斜RR面可以以大大地地增加光光的萃取取效率。Leee等人利利用湿式式蚀

11、刻图图形化蓝蓝宝石基基板制作作GaNN LEED并评评估其效效能，图图7为传传统LEED和PPPS LEDD的电流流-输出出光功率率曲线之之关係图图，在220mAA操作电电压下，传统LLED和和PPSS LEED的输输出功率率分别为为7.88和9 mW，PPSS LEED的输输出功率率为传统统LEDD的1.151.33倍。此此外，在在20mmA操作作电压下下，传统统LEDD和PPPS LLED的的外部量量子效率率(Exxterrnall Quuanttum Effficiienccy)分分别为114.22%和116.44%，PPPS LEDD的外部部量子效效率也较较传统LLED高高1.115倍

12、。因此PPPS技技术不只只利用蓝蓝宝石基基板的特特殊几何何结构，将光导导引至逃逃逸角锥锥(Esscappe CConee)进而而发射出出去，以以增加LLED的的外部量量子效率率外，湿湿式蚀刻刻PPSS结构也也可降低低Sappphiire基基板之差差排缺陷陷密度，以进而而提高GGaN的的磊晶品品质33, 44, 55。图6、经经湿式蚀蚀刻图形形化蓝宝宝石基板板，其表表面因晶晶格特性性，会被被蚀刻出出成577o倾斜斜的的1-1102面(RR Pllanee)，可可以大大大增加光光的萃取取效率3。图7、传传统的LLED和和PPSS LEED的电电流-输输出光功功率曲线线之关係係图33, 44。3、

13、磊磊晶后蓝蓝宝石基基板之蚀蚀刻工艺艺元件形状状化之覆覆晶LEED是使使用高温温磷酸来来蚀刻蓝蓝宝石基基板的侧侧边(SSappphirre SSideewalll EEtchhingg; SSSE)，并使使基板背背面粗糙糙化(SSappphirre BBackksidde RRougghinng; SBRR)，以以此双重重方式来来达到增增加光萃萃取效果果，其详详细工艺艺流程如如图8所所示。首首先在蓝蓝宝石基基板上磊磊晶制作作GaNN之LEED结构构，再将将蓝宝石石基板磨磨薄至2200 m厚厚度，以以利于后后续芯片片切割之之进行，接着分分别在元元件上下下面镀上上二氧化化硅(SSiO22)当作作蚀刻

14、保保护层，使用黄黄光微影影工艺来来定义蓝蓝宝石基基板被蚀蚀刻的开开口位置置。接着着将已设设计图案案化之蓝蓝宝石基基板浸入入高温3300的磷酸酸与硫酸酸的混合合液中，进行蓝蓝宝石基基板之侧侧边蚀刻刻，接者者去除二二氧化硅硅保护层层。后续续进行透透明导电电膜(IITO)与金属属电极(Eleectrrodee)制作作，并用用覆晶(Fliip CChipp)设备备将芯片片黏着于于硅基板板上，制制作完成成之元件件剖面，如图99所示4, 6。蓝宝石的的蚀刻速速率与磷磷酸和硫硫酸的比比例，以以及蚀刻刻液温度度有关，由于蚀蚀刻结果果取决于于其晶格格结构，蚀刻会会沿者蓝蓝宝石的的晶格面面进行，至于蓝蓝宝石基基板

15、的背背面，因因为其原原本是一一个粗糙糙面，所所以无法法在其表表面镀上上一层均均匀的二二氧化硅硅保护层层，在进进行蚀刻刻时，覆覆盖二氧氧化硅较较薄区域域的蓝宝宝石基板板则会先先被蚀刻刻，进而而形成粗粗糙化的的表面。在发光光性能表表现上，有制作作元件形形状化之之覆晶LLED比比传统覆覆晶发光光二极体体的流明明度增加加了622%；在在功率的的表现上上，于220mAA的注入入电流下下，有形形状化的的LEDD输出光光功率为为14.2 mmW，比比传统覆覆晶结构构LEDD的9.3 mmW，增增加了552%，如图110所示示4, 6。图8、元元件形状状化之覆覆晶LEED工艺艺流程图图6。图9、具具形状化化之

16、覆晶晶LEDD结构示示意图6。(a) 电流发发光强度度图(b) 电流输输出功率率图图10、有无形形状化之之覆晶LLED的的(a)电流发发光强度度与(bb)电流流输出功功率比较较图66。此外，针针对芯片片后段工工艺，在在雷射切切割芯片片后之残残留物问问题，也也可应用用高温磷磷酸蚀刻刻技术来来解决此此问题，因为使使用雷射射切割LLED芯芯片后，会将基基材烧出出一道痕痕跡，因因此在芯芯片边缘缘会流下下焦黑的的切割痕痕跡，这这种切割割残留物物会影响响LEDD亮度达达5110%，如图111所示示为雷射射切割LLED芯芯片后之之SEMM照片。对于现现今HBB-LEED对于于亮度錙錙銖必较较之情形形，亦有有

17、业界于于雷射切切割后，接着使使用高温温磷酸来来进行蓝蓝宝石基基板的侧侧边蚀刻刻(Saapphhiree Siidewwalll Ettchiing; SSSE)，以去除除雷射切切割后的的焦黑残残留物，进而增增进HBB-LEED的发发光效率率。图111、雷射射切割LLED芯芯片后之之SEMM照片。4、 高高温磷酸酸湿式蚀蚀刻工艺艺设备在在制作上上，必须须考虑的的设计项项目图12为为弘塑科科技(GGrannd PPlassticc Teechnnoloogy Corrporratiion; GPPTC)所制作作之全自自动化高高温磷酸酸湿式蚀蚀刻工艺艺设备，由于磷磷酸湿式式蚀刻工工艺设备备是在228

18、03000高温下下进行，所以必必须考虑虑加热方方式，昇昇降温度度之速率率控制，因应石石英槽体体之热应应力分析析所设计计的槽体体机械结结构，化化学蚀刻刻液补充充系统的的补充精精确度及及设备自自动化必必须能够够兼顾人人员安全全与环保保设计等等。系统统在制作作上有七七大设计计关键，分别详详述如下下：I. 安安全性设设计：符符合SEEMI-S2, 2000认证证，人员员与上下下货区域域作分离离，可确确保操作作人员之之工作安安全，以以及将反反应废气气充分抽抽离，维维持空气气之高洁洁净度。II. 高产产能设计计：一次次可上货货达2000片外外延片，产能为为一般设设备的22.755倍。IIII. 多槽槽体设

19、计计：具备备多组磷磷酸槽，当1组组磷酸槽槽作工艺艺蚀刻时时，另外外1组磷磷酸槽可可同步进进行化学学品更换换与加热热，如此此可防止止因等待待化学品品更换或或加热所所造成的的时间浪浪费。IIV. 加热与与温度控控制：在在石英槽槽体外围围镀上一一层薄膜膜加热层层，此种种加热方方式可以以使得温温度均匀匀分佈于于整个槽槽体，防防止因温温度梯度度所造成成芯片的的局部热热应力，以及蚀蚀刻速率率之变异异，目前前高温磷磷酸湿式式化学蚀蚀刻蓝宝宝石基板板的厚度度可精确确控制在在1.990.1mm，蚀刻刻速率为为每秒227.55 0.55 A。V. 昇降温温度之速速率控制制：具备备外延片片蚀刻前前之预先先加热，以及

20、蚀蚀刻候之之冷却设设计，可可避免外外延片因因急速昇昇降温度度所产生生的热冲冲击破片片。VII. 化化学品供供应系统统：化学学液之补补充体积积的精确确度要高高。VIII. 外延片片自动传传送系统统：外延延片传送送可保证证连续顺顺利传送送达4000 RRunss，以确确保制造造上之良良率。图12、弘塑科科技设计计制作之之高温磷磷酸湿式式蚀刻自自动化量量产设备备。5、 结论论本文已已针对蓝蓝宝石基基板之高高温磷酸酸湿式蚀蚀刻工艺艺，以及及其工艺艺设备在在设计制制作上必必须考虑虑哪些因因素，进进行详细细探讨。由于LLED之之蓝宝石石基板化化学湿式式蚀刻工工艺，可可藉由基基板表面面几何图图形之变变化，来

21、来改变LLED的的散射机机制，或或将散射射光导引引至LEED内部部，进而而由逃逸逸角锥中中穿出，所以成成为增加加LEDD光萃取取效率的的有效技技术。目目前LEED业界界特别考考虑到如如何降低低成本与与增进产产能，并并且又要要合乎环环保与工工业安全全等需求求，可以以预见地地具备操操作自动动化与工工艺标准准化之系系统设备备，将成成为未来来LEDD生产线线量产之之竞争主主力。6、 作者：许明哲 (Daavidd Hssu)： 弘塑塑科技公公司(GGrannd PPlassticc Teechnnoloogy Corrporratiion; GPPTC )计划划主持人人，毕业业于成功功大学材材料所。E

22、-mmaill: ddaviid_hhsugpttc.ccom.tw。连络地地址：新新竹县新新竹工业业区大同同路133号 TELL:+8886-3-5597-23553 CComppanyy Weebsiite: HYPERLINK .tw o .tw htttp:/wwww.gpttc.ccom.tw詹詹印丰(Jessse Chaan)： 弘塑塑科技公公司总经经理，从从臺湾工工业技术术学院电电子系获获得学士士学位，并在美美国密苏苏里州立立大学哥哥伦比亚亚校区获获得MSSEE。顏锡鸿鸿(Cllydee Yeen )：弘塑塑科技公公司副总总经理，半导体体设备与与材料之之市场行行销规划划多年经经验

23、。顏顏荣伟(Steevenn Yeen)：弘塑科科技公司司产品经经理。余余智林(Fraank Yu)：弘塑塑科技公公司专案案经理。7、 参考文文献：1. EE. FF. SSchuuberrt, Ligght-Emiittiing Dioodess, CCambbriddge, U. K. : Cammbriidgee Uniiverrsitty PPresss, 20003.22. AA. ZZukaauskkas, M. S. Shhur, annd RR. GGaskka, Inttrodducttionn too Soolidd-Sttatee Liightt. HHobookenn, NJJ: WW