磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化PPS工艺

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺1、前言

近几年来III族氮化物(III-Nitride)高亮度发光二极体(HighBrightnessLightEmissionDiode;HB-led)深获广大重视,当前广泛应用于交通号誌、LCD背光源及各种照明使用上。基本上,GaNLED是以磊晶(Epitaxial)方式生长在蓝宝石基板(SapphireSubstrate)上,由于磊晶GaN与底部蓝宝石基板的晶格常数(LatticeConstant)及热膨胀係数(CoefficientofThermoExpansion;CTE)相差极大,因此会产生高密度线差排(ThreadDislocation)达108~1010/cm2,此种高密度线差排则会限制了GaNLED的发光效率。

另外,在HB-LED结构中,除了主动层(ActiveRegion)及其它层会吸收光之外,另外必须注意的就是半导体的高折射係数(HighRefractiveIndex),这将使得LED所产生的光受到侷限(TrappedLight)。以图1来进行说明,从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时,如果光的入射角大于逃逸角锥(EscapeCone)之临界角(CriticalAngle;αc)时,则会产生全内反射(TotalInternalReflection);对于高折射係数之半导体而言,其临界角都非常小,当折射係数为3.3时,其全内反射角则只有17o,因此大部份从主动区所发射的光线,将被侷限(Trapped)于半导体内部,这种被侷限的光有可能会被较厚的基板所吸收。另外,由于基板之电子与电洞对,会因基板品质不良或效率较低,导致有较大机率产生非辐射復回(RecombineNon-RadiativELy),进而降低LED效率。因此如何从半导体之主动区萃取光源,以进而增加光萃取效率(LightExtractionEfficiency),乃成为各LED制造商最重要的努力目标。

当前有两种方法可增加LED光之萃取效率:(1)第一种方法是在LED磊晶前,进行蓝宝石基板的蚀刻图形化(PatternSapphireSubstrate;PSS);(2)第二种方法是在LED磊晶后,进行蓝宝石基板的侧边蚀刻(SapphireSidewallEtching;SSE),以及基板背面粗糙化(SapphireBacksideRoughing;SBR)。本文将参考相关文献[1~6],探讨如何利用高温磷酸湿式化学蚀刻技术,来达到增加LED光萃取效率之目的。另外,针对LED生产线之高产能与高良率需求时,在工艺系统设计制作上必须考虑到哪些因数,亦将进行详细探讨,以期达到增加LED光萃取效率之目的。图1、从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时,如果光的入射角大于临界角(αc)时,则会产生全内反射。2、磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺

蓝宝石基板蚀刻图形化(PPS)能够有效增加光的萃取效率,因为藉由基板表面几何图形之变化,能够改变LED的散射机制,或将散射光导引至LED内部,进而由逃逸角锥中穿出。当前使用单步骤无光罩乾式蚀刻技术(MasklessDryEtching)来加工蓝宝石(Sapphire)基板,虽然能够改进内部量子效率(InternalQuantumEfficiency)和光萃取率(LightExtractionEfficiency),然而由于蓝宝石基板表面非常坚硬,乾式蚀刻会损伤蓝宝石表面,使得线差排(ThreadDislocation)由基板逐渐延伸到顶端的GaN磊晶层,因而影响到LED之磊晶品质,因此一般都倾向使用湿式化学蚀刻方式。有关蓝宝石基板之湿式化学蚀刻图形化,以及LED之前段工艺流程,说明如下:A.首先利用黄光微影工艺在蓝宝石基板上制作出所需的图案。

B.利用电浆辅助化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition;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3μm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-typeGaN层、MQW层及P-typeGaN层。

E.使用标准微影技术及乾式蚀刻来蚀刻部份的P-typeGaN层,以露出N-typeGaN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图2、湿式化学蚀刻蓝宝石基板后(PSS)之横截面示意图。图3、湿式化学蚀刻蓝宝石基板后(PSS)之光学显微镜照片。图4、GaNLED前段工艺流程图[3,4,5]。图5、湿式蚀刻图形化蓝宝石基板后,接着生长GaN磊晶层的LED结构[2]。

如图6所示,经湿式化学蚀刻图形化之蓝宝石基板,基于表面晶格特性,因此会被蚀刻出呈57o倾斜的{1-102}R面(RPlane),此种倾斜R面能够大大地增加光的萃取效率。Lee等人利用湿式蚀刻图形化蓝宝石基板制作GaNLED并评估其效能,图7为传统LED和PPSLED的电流-输出光功率曲线之关係图,在20mA操作电压下,传统LED和PPSLED的输出功率分别为7.8和9mW,PPSLED的输出功率为传统LED的1.15~1.3倍。另外,在20mA操作电压下,传统LED和PPSLED的外部量子效率(ExternalQuantumEfficiency)分别为14.2%和16.4%,PPSLED的外部量子效率也较传统LED高1.15倍。因此PPS技术不只利用蓝宝石基板的特殊几何结构,将光导引至逃逸角锥(EscapeCone)进而发射出去,以增加LED的外部量子效率外,湿式蚀刻PPS结构也可降低Sapphire基板之差排缺陷密度,以进而提高GaN的磊晶品质[3,4,5]。图6、经湿式蚀刻图形化蓝宝石基板,其表面因晶格特性,会被蚀刻出成57o倾斜的的{1-102}面(RPlane),能够大大增加光的萃取效率[3]。图7、传统的LED和PPSLED的电流-输出光功率曲线之关係图[3,4]。3、磊晶后蓝宝石基板之蚀刻工艺

元件形状化之覆晶LED是使用高温磷酸来蚀刻蓝宝石基板的侧边(SapphireSidewallEtching;SSE),并使基板背面粗糙化(SapphireBacksideRoughing;SBR),以此双重方式来达到增加光萃取效果,其详细工艺流程如图8所示。首先在蓝宝石基板上磊晶制作GaN之LED结构,再将蓝宝石基板磨薄至200μm厚度,以利于后续芯片切割之进行,接着分别在元件上下面镀上二氧化硅(SiO2)当作蚀刻保护层,使用黄光微影工艺来定义蓝宝石基板被蚀刻的开口位置。接着将已设计图案化之蓝宝石基板浸入高温300℃

蓝宝石的蚀刻速率与磷酸和硫酸的比例,以及蚀刻液温度有关,由于蚀刻结果取决于其晶格结构,蚀刻会沿者蓝宝石的晶格面进行,至于蓝宝石基板的背面,因为其原本是一个粗糙面,因此无法在其表面镀上一层均匀的二氧化硅保护层,在进行蚀刻时,覆盖二氧化硅较薄区域的蓝宝石基板则会先被蚀刻,进而形成粗糙化的表面。在发光性能表现上,有制作元件形状化之覆晶LED比传统覆晶发光二极体的流明度增加了62%;在功率的表现上,于20mA的注入电流下,有形状化的LED输出光功率为14.2mW,比传统覆晶结构LED的9.3mW,增加了52%,如图10所示[4,6]。图8、元件形状化之覆晶LED工艺流程图[6]。图9、具形状化之覆晶LED结构示意图[6]。(a)电流发光强度图(b)电流输出功率图图10、有无形状化之覆晶LED的(a)电流发光强度与(b)电流输出功率比较图[6]。

另外,针对芯片后段工艺,在雷射切割芯片后之残留物问题,也可应用高温磷酸蚀刻技术来解决此问题,因为使用雷射切割LED芯片后,会将基材烧出一道痕跡,因此在芯片边缘会流下焦黑的切割痕跡,这种切割残留物会影响LED亮度达5~10%,如图11所示为雷射切割LED芯片后之SEM照片。对于现今HB-LED对于亮度錙銖必较之情形,亦有业界于雷射切割后,接着使用高温磷酸来进行蓝宝石基板的侧边蚀刻(SapphireSidewallEtching;SSE),以去除雷射切割后的焦黑残留物,进而增进HB-LED的发光效率。

图11、雷射切割LED芯片后之SEM照片。4、高温磷酸湿式蚀刻工艺设备在制作上,必须考虑的设计项目

图12为弘塑科技(GrandPlasticTechnologyCorporation;GPTC)所制作之全自动化高温磷酸湿式蚀刻工艺设备,由于磷酸湿式蚀刻工艺设备是在280~300℃I.安全性设计:符合SEMI-S2,200认证,人员与上下货区域作分离,可确保操作人员之工作安全,以及将反应废气充分抽离,维持空气之高洁净度。

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,此种加热方式能够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,当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1.9±0.1μm,蚀刻速率为每秒27.5±0.5A。

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400Runs,以确保制造上之良率。图12、弘塑科技设计制作之高温磷酸湿式蚀刻自动化量产设备。5、结论

本文已针对蓝宝石基板之高温磷酸湿式蚀刻工艺,以及其工艺设备在设计制作上必须考虑哪些因素,进行详细探讨。由于LED之蓝宝石基板化学湿式蚀刻工艺,可藉由基板表面几何图形之变化,来改变LED的散射机制,或将散射光导引至LED内部,进而由逃逸角锥中穿出,因此成为增加LED光萃取效率的有效技术。当前LED业界特别考虑到如何降低成本与增进产能,而且又要合乎环保与工业安全等需求,能够预见地具备操作自动化与工艺标准化之系统设备,将成为未来LED生产线量产之竞争主力。6、作者:许明哲(DavidHsu):弘塑科技公司(GrandPlasticTechnologyCorporation;GPTC)计划主持人,毕业于成功大学材料所。E-mail:。

连络地址:新竹县新竹工业区大同路13号

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詹印丰(JesseChan):弘塑科技公司总经理,从臺湾工业技术学院电子系获得学士学位,并在美国密苏里州立大学哥伦比亚校区获得MSEE。

顏锡鸿(ClydeYen):弘塑科技公司副总经理