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、 前言言近几年来IIII族族氮化物物(IIII-NNitrridee)高亮亮度发光光二极体体(Hiigh Briighttnesss LLighht EEmisssioon DDiodde; HB-LEDD)深获获广大重重视，目目前广泛泛应用于于交通号号誌、LLCD背背光源及及各种照照明使用用上。基基本上，GGaN LEDD是以磊磊晶(EEpittaxiial)方式生生长在蓝蓝宝石基基板(SSappphirre SSubsstraate)上，由由于磊晶晶GaNN与底部部蓝宝石石基板的的晶格常常数(LLattticee Coonstta

2、ntt)及热热膨胀係係数(CCoeffficciennt oof TTherrmo Exppanssionn; CCTE)相差极极大，所所以会产产生高密密度线差差排(TThreead Dissloccatiion)达1008110100 / cm22，此种种高密度度线差排排则会限限制了GGaN LEDD的发光光效率。此外，在HHB-LLED结结构中，除除了主动动层(AActiive Reggionn)及其其他层会会吸收光光之外，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(Trrapp

3、ped 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，如如果光的的入射角角大于逃逃逸角锥锥(Esscappe CConee)之临临界角(Criiticcal Anggle;c)时，则则会产生生全内反反射(TTotaal IInteernaal RRefllecttionn)；对对于高折折射係数数之半导导体而言言，其临临界角都都非常小小，当折折射係数数为3.3时，其其全内反反射角则则只有117o，所所以大部部份从主主动区所所发射的的光线，将将被侷限限(Trrappped)于半导导体内部部，这种种被侷限限的光有有可能会会被较厚厚的基板板

4、所吸收收。此外外，由于于基板之之电子与与电洞对对，会因因基板品品质不良良或效率率较低，导导致有较较大机率率产生非非辐射復復回(RRecoombiine Nonn-Raadiaativvelyy)，进进而降低低LEDD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。目前有两种种方法可可增加LLED光光之萃取取效率：(1)第一种种方法是是在LEED磊晶晶前，进进行蓝宝宝石基板板的蚀刻刻图形化化(Paatteern Sappphiire Subb

5、strratee; PPSS)；(22)第二二种方法法是在LLED磊磊晶后，进进行蓝宝宝石基板板的侧边边蚀刻(Sappphiire Siddewaall Etcchinng; SSEE)，以以及基板板背面粗粗糙化(Sappphiire Baccksiide Rouughiing; SBBR)。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，来来达到增增加LEED光萃萃取效率率之目的的。此外外，针对对LEDD生产线线之高产产能与高高良率需需求时，在在工艺系系统设计计制作上上必须考考虑到哪哪些因数数，亦将将进行详详细探讨讨，以期期达到增增加LEED光萃萃取效率率之

6、目的的。图1、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，如如果光的的入射角角大于临临界角(c)时，则则会产生生全内反反射。2、 磊晶晶前蓝宝宝石基板板之蚀刻刻图形化化(PPPS)工工艺蓝宝石基板板蚀刻图图形化(PPSS)可以以有效增增加光的的萃取效效率，因因为藉由由基板表表面几何何图形之之变化，可可以改变变LEDD的散射射机制，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。目目前使用用单步骤骤无光罩罩乾式蚀蚀刻技术术(Maaskllesss Drry EEtchhingg)来加加工蓝宝宝石(SSappphirre)基基板，虽虽然可以以改善内内部量子

7、子效率(Intternnal Quaantuum EEffiicieencyy)和光光萃取率率(Liightt Exxtraactiion Effficiienccy)，然然而由于于蓝宝石石基板表表面非常常坚硬，乾乾式蚀刻刻会损伤伤蓝宝石石表面，使使得线差差排(TThreead Dissloccatiion)由基板板逐渐延延伸到顶顶端的GGaN磊磊晶层，因因而影响响到LEED之磊磊晶品质质，所以以一般都都倾向使使用湿式式化学蚀蚀刻方式式。有关关蓝宝石石基板之之湿式化化学蚀刻刻图形化化，以及及LEDD之前段段工艺流流程，说说明如下下：A. 首先先利用黄黄光微影影工艺在在蓝宝石石基板上上制作出出所

8、需的的图案。B. 利用电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD)系统在蓝宝石基板上方沉积SiO2，进行光组去除后，即可形成间隔3m的阵列图案。C. 利用SiO2当作蚀刻遮罩层，在温度280的高温磷酸与硫酸混合液中蚀刻蓝宝石基板，以形成图案化结构。图2为使用湿式化学蚀刻蓝宝石基板(PSS)后之横截面示意图；图3为光学显微镜照片。 D. 使用MO-CVD生长GaN-LED于蚀刻图案化之蓝宝石基板C(0001)面上，GaN-LED结构由下而上，包括：GaN成核层、未掺杂的GaN层、硅掺杂的N-type GaN层、MQW层

9、及P-type GaN层。E. 使用标准微影技术及乾式蚀刻来蚀刻部份的P-type GaN层，以露出N-type GaN层，进而定义发光区域及电极。F. 沉积ITO透明导电层，接着沉积Cr/Au金属层，在200氮气气氛下进行合金化，以制作P电极与N电极。图4为GaN LED之前段工艺流程图；图5为经过化学湿式蚀刻图形化蓝宝石基板(PSS)，接着生长GaN磊晶层的LED结构图。图2、湿式式化学蚀蚀刻蓝宝宝石基板板后(PPSS)之横截截面示意意图。图3、湿式式化学蚀蚀刻蓝宝宝石基板板后(PPSS)之光学学显微镜镜照片。图4、GaaN LLED前前段工艺艺流程图图3, 4, 5。图5、湿式式蚀刻图图

10、形化蓝蓝宝石基基板后，接接着生长长GaNN磊晶层层的LEED结构构2。如图6所示示，经湿湿式化学学蚀刻图图形化之之蓝宝石石基板，基基于表面面晶格特特性，所所以会被被蚀刻出出呈577o倾斜斜的11-1002RR面(RR Pllanee)，此此种倾斜斜R面可可以大大大地增加加光的萃萃取效率率。Leee等人人利用湿湿式蚀刻刻图形化化蓝宝石石基板制制作GaaN LLED并并评估其其效能，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，传传统LEED和PPPS LEDD的输出出功率分分别为77.8和和9 mmW，PPPS LEDD的输出出功

11、率为为传统LLED的的1.11511.3倍倍。此外外，在220mAA操作电电压下，传传统LEED和PPPS LEDD的外部部量子效效率(EExteernaal QQuanntumm Effficcienncy)分别为为14.2%和和16.4%，PPPS LEDD的外部部量子效效率也较较传统LLED高高1.115倍。因因此PPPS技术术不只利利用蓝宝宝石基板板的特殊殊几何结结构，将将光导引引至逃逸逸角锥(Esccapee Coone)进而发发射出去去，以增增加LEED的外外部量子子效率外外，湿式式蚀刻PPPS结结构也可可降低SSappphirre基板板之差排排缺陷密密度，以以进而提提高GaaN的

12、磊磊晶品质质3, 4, 5。图6、经湿湿式蚀刻刻图形化化蓝宝石石基板，其其表面因因晶格特特性，会会被蚀刻刻出成557o倾倾斜的的的1-1022面(R PPlanne)，可可以大大大增加光光的萃取取效率3。图7、传统统的LEED和PPPS LEDD的电流流-输出出光功率率曲线之之关係图图3, 4。3、 磊晶晶后蓝宝宝石基板板之蚀刻刻工艺元件形状化化之覆晶晶LEDD是使用用高温磷磷酸来蚀蚀刻蓝宝宝石基板板的侧边边(Saapphhiree Siidewwalll Ettchiing; SSSE)，并并使基板板背面粗粗糙化(Sappphiire Baccksiide Rouughiing; SBBR)

13、，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，接接着分别别在元件件上下面面镀上二二氧化硅硅(SiiO2)当作蚀蚀刻保护护层，使使用黄光光微影工工艺来定定义蓝宝宝石基板板被蚀刻刻的开口口位置。接接着将已已设计图图案化之之蓝宝石石基板浸浸入高温温3000的磷酸酸与硫酸酸的混合合液中，进进行蓝宝宝石基板板之侧边边蚀刻，接接者去除除二氧化化硅保护护层。后后续进行行透明导导电膜(ITOO)与金金属电极极(Ellecttrodde

14、)制制作，并并用覆晶晶(Fllip Chiip)设设备将芯芯片黏着着于硅基基板上，制制作完成成之元件件剖面，如如图9所所示44, 66。蓝宝石的蚀蚀刻速率率与磷酸酸和硫酸酸的比例例，以及及蚀刻液液温度有有关，由由于蚀刻刻结果取取决于其其晶格结结构，蚀蚀刻会沿沿者蓝宝宝石的晶晶格面进进行，至至于蓝宝宝石基板板的背面面，因为为其原本本是一个个粗糙面面，所以以无法在在其表面面镀上一一层均匀匀的二氧氧化硅保保护层，在在进行蚀蚀刻时，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。在在发光性性能表现现上，有有制作元元件形状状化之覆覆晶LEED比传传统覆晶晶发光二

15、二极体的的流明度度增加了了62%；在功功率的表表现上，于于20mmA的注注入电流流下，有有形状化化的LEED输出出光功率率为144.2 mW，比比传统覆覆晶结构构LEDD的9.3 mmW，增增加了552%，如如图100所示4, 6。图8、元件件形状化化之覆晶晶LEDD工艺流流程图6。图9、具形形状化之之覆晶LLED结结构示意意图66。(a) 电电流发光光强度图图(b) 电电流输出出功率图图图10、有有无形状状化之覆覆晶LEED的(a)电电流发光光强度与与(b)电流输输出功率率比较图图6。此外，针对对芯片后后段工艺艺，在雷雷射切割割芯片后后之残留留物问题题，也可可应用高高温磷酸酸蚀刻技技术来解解

16、决此问问题，因因为使用用雷射切切割LEED芯片片后，会会将基材材烧出一一道痕跡跡，因此此在芯片片边缘会会流下焦焦黑的切切割痕跡跡，这种种切割残残留物会会影响LLED亮亮度达55100%，如如图111所示为为雷射切切割LEED芯片片后之SSEM照照片。对对于现今今HB-LEDD对于亮亮度錙銖銖必较之之情形，亦亦有业界界于雷射射切割后后，接着着使用高高温磷酸酸来进行行蓝宝石石基板的的侧边蚀蚀刻(SSappphirre SSideewalll EEtchhingg; SSSE)，以去去除雷射射切割后后的焦黑黑残留物物，进而而增进HHB-LLED的的发光效效率。图11、雷雷射切割割LEDD芯片后后之S

17、EEM照片片。4、 高温温磷酸湿湿式蚀刻刻工艺设设备在制制作上，必必须考虑虑的设计计项目图12为弘弘塑科技技(Grrandd Pllasttic Tecchnoologgy CCorpporaatioon; GPTTC)所所制作之之全自动动化高温温磷酸湿湿式蚀刻刻工艺设设备，由由于磷酸酸湿式蚀蚀刻工艺艺设备是是在28803300高温下下进行，所所以必须须考虑加加热方式式，昇降降温度之之速率控控制，因因应石英英槽体之之热应力力分析所所设计的的槽体机机械结构构，化学学蚀刻液液补充系系统的补补充精确确度及设设备自动动化必须须能够兼兼顾人员员安全与与环保设设计等。系系统在制制作上有有七大设设计关键键，

18、分别别详述如如下：I. 安全全性设计计：符合合SEMMI-SS2, 2000认证，人人员与上上下货区区域作分分离，可可确保操操作人员员之工作作安全，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. 高产能设计：一次可上货达200片外延片，产能为一般设备的2.75倍。III. 多槽体设计：具备多组磷酸槽，当1组磷酸槽作工艺蚀刻时，另外1组磷酸槽可同步进行化学品更换与加热，如此可防止因等待化学品更换或加热所造成的时间浪费。IV. 加热与温度控制：在石英槽体外围镀上一层薄膜加热层，此种加热方式可以使得温度均匀分佈于整个槽体，防止因温度梯度所造成芯片的局部热应力，以及蚀刻速率之变异，目

19、前高温磷酸湿式化学蚀刻蓝宝石基板的厚度可精确控制在1.90.1m，蚀刻速率为每秒27.5 0.5 A。V. 昇降温度之速率控制：具备外延片蚀刻前之预先加热，以及蚀刻候之冷却设计，可避免外延片因急速昇降温度所产生的热冲击破片。VI. 化学品供应系统：化学液之补充体积的精确度要高。VII. 外延片自动传送系统：外延片传送可保证连续顺利传送达400 Runs，以确保制造上之良率。图12、弘弘塑科技技设计制制作之高高温磷酸酸湿式蚀蚀刻自动动化量产产设备。5、 结论本本文已针针对蓝宝宝石基板板之高温温磷酸湿湿式蚀刻刻工艺，以以及其工工艺设备备在设计计制作上上必须考考虑哪些些因素，进进行详细细探讨。由由于

20、LEED之蓝蓝宝石基基板化学学湿式蚀蚀刻工艺艺，可藉藉由基板板表面几几何图形形之变化化，来改改变LEED的散散射机制制，或将将散射光光导引至至LEDD内部，进进而由逃逃逸角锥锥中穿出出，所以以成为增增加LEED光萃萃取效率率的有效效技术。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、 作作者：许明哲 (Davvid Hsuu)： 弘塑科科技公司司(Grrandd Pllasttic Tecchnoologgy CC

21、orpporaatioon; GPTTC )计划主主持人，毕毕业于成成功大学学材料所所。E-maiil: davvid_hsuum.tww。连络络地址：新竹县县新竹工工业区大大同路113号 TEEL:+8866-3-5977-23353 Commpanny WWebssitee: HYPERLINK .tw o .tw hhttpp:/m.tww詹印丰丰(Jeessee Chhan)： 弘弘塑科技技公司总总经理，从从臺湾工工业技术术学院电电子系获获得学士士学位，并并在美国国密苏里里州立大大学哥伦伦比亚校校区获得得MSEEE。顏顏锡鸿(Clyyde Yenn )：弘塑科科技公司司副总经经理，半半

22、导体设设备与材材料之市市场行销销规划多多年经验验。顏荣荣伟(SStevven Yenn)：弘弘塑科技技公司产产品经理理。余智智林(FFrannk YYu)：弘塑科科技公司司专案经经理。7、 参参考文献献：1. E. F. Scchubbertt, LLighht-EEmitttinng DDioddes, Caambrridgge, U. K. : CCambbriddge Uniiverrsitty PPresss, 20003.22. AA. ZZukaauskkas, M. S. Shhur, annd RR. GGaskka, Inttrodducttionn too Soolidd-Sttatee Liightt. HHobookenn, NJJ: WWileey-IInteerscciennce, 20002.