藍寶石晶片目前廣泛用作III-V族 一、簡介 PSS(Patterned Sapphire Substrate)，也就是在藍寶石襯底上生長干法刻蝕用掩膜，用標準的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用ICP刻蝕技術刻蝕藍寶石，并去掉掩膜，再在其上生長GaN材料，使GaN材料的縱向外延變為橫向外延。一方面可以有效減少GaN外延材料的位錯密度，從而減小有源區的非輻射復合，減小反向漏電流，提高LED的壽命;另一方面有源區發出的光，經GaN和藍寶石襯底界面多次散射，改變了全反射光的出射角，增加了倒裝LED的光從藍寶石襯底出射的幾率，從而提高了光的提取效率。綜合這兩方面的原因，使PSS上生長的LED的出射光亮度比傳統的LED大大提高，同時反向漏電流減小，LED的壽命也得到了延長。 隨著LED領域工藝技術的發展，以及整個LED行業的迅速壯大，對GaN基LED器件PSS襯底的研究也逐漸增多。如今各廠家紛紛采用PSS技術，以提高LED器件的光提取效率。PSS的圖形種類也較多，目前使用比較普遍的一種形貌類似圓錐形的圖形，圖形周期約為3μm，高度約為1.5μm。本文主要針對這種圖形做了一些刻蝕工藝研究，并根據刻蝕研究結果進行趨勢性分析，同時也得到了一些其他圖形的刻蝕結果。 二、刻蝕設備及機理 圖1是PSS刻蝕研究使用ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統示意圖，它可進行藍寶石襯底圖形化刻蝕、Si襯底刻蝕以及GaN基外延層刻蝕等LED領域所有刻蝕應用。有優秀的刻蝕均勻性控制，保證大批量生產時的片間均勻性和工藝重復性，一次可完成27片2英寸GaN基外延層刻蝕或22片2英寸藍寶石襯底刻蝕。系統集成了高密度等離子體源、高壽命機械卡盤、精密的腔室溫度控制系統、穩定的高精度壓力控制系統、IC標準的中央噴嘴進氣系統及IC級別的腔室表面處理等多項先進技術，用IC刻蝕工藝更為精密的設計要求來實現LED領域更高性能的刻蝕工藝，以更大程度地提高 該刻蝕機由工藝腔、傳輸腔、氣體控制盒、射頻系統、真空系統、溫控系統以及裝載模塊(選配)等部分組成。其中上下電極采用13.56MHz、1500W射頻功率，托盤尺寸為330mm，PSS刻蝕使用Al托盤，上面覆蓋石英蓋板，可裝載22片2英寸藍寶石襯底片。LED刻蝕深度較深，刻蝕速率較慢，刻蝕時間較長(10~30min)，考慮到PR的揮發、刻蝕均勻性以及刻蝕過程中等離子體轟擊產生的熱量去除，對下電極散熱能力要求較高，工藝中基座溫度一般設置為-10~-20℃。LED刻蝕副產物的沸點較高，很難被去除，所以LED刻蝕設備的腔室及內襯需要加熱，以減少刻蝕副產物的沉積。 圖1 ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統示意圖 由于藍寶石(Al2O3)的Al-O鍵鍵能較大，所以該化合物很難被刻蝕。因此物理轟擊起至關重要的作用，并直接影響刻蝕速率。另外由于Ga、Al氟化物的沸點較高，所以一般采用Cl進行LED刻蝕。PSS刻蝕中采用的主刻蝕氣體為BCl3，BCl3分解后產生的Cl可以和Al2O3發生化學反應，并且BClx對Al-O鍵的轟擊作用也比較強，其刻蝕機理如下式所述： BCl3 → BClx + Cl (x=0,1,2) Al2O3 + BCl3 → Al + BOCly + Cl (y=1,2,3) Al2O3 + BClx → Al + BOClz + Cl (z=1,2,3) Cl + Al → AlCl3 三、PSS刻蝕工藝 根據ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統的特點，PSS刻蝕工藝主要對以下幾個工藝參數進行調節，分別為上電極功率、下電極功率、氣體壓力、工藝氣體的選擇和比例等。根據刻蝕機理并通過對這幾個參數的調節試驗，逐步提高ELEDE™330刻蝕機的PSS刻蝕工藝指標，以滿足PSS圖形參數和產業化生產的需要。 隨著上電極功率的增大，藍寶石刻蝕速率增大。這是因為隨著上電極功率的增大，氣體的電離度增大，腔室內的離子濃度逐漸增大，所以刻蝕速率會增大。另外刻蝕工藝氣體一般都會加入一些輔助刻蝕氣體，如Cl2、Ar、HBr等。藍寶石刻蝕速率隨上電極功率的增加，不僅與離子轟擊種類如BClx+、Clx+、Ar+等的增加有關，還與反應自由基的種類如BCl、Cl、Br等有關，這些都可以從Al2O3中除去Al或O。光刻膠刻蝕速率的增加也有類似的影響。 下電極功率對刻蝕速率的影響也很大，刻蝕速率隨著下電極功率的增大而單調增加，這是由于隨著下電極功率的增大，離子轟擊基片表面的能量增大，Al-O共價鍵打斷的機率增大，所以刻蝕速率會增大。 下電極功率的增加提高了離子和自由基的通量，因此提高了藍寶石和光刻膠的刻蝕速率，加快了襯底材料和表面形成的濺射副產物的濺射去除。在高偏壓和高功率下即使刻蝕選擇比顯示出飽和狀態，藍寶石的刻蝕速率仍然會隨著下電極功率和上電極功率連續的線性增加。 工藝壓力對刻蝕速率也有明顯的影響，一般來說，刻蝕速率隨著壓強的增大會有一個增大繼而減小的過程。隨著壓強的增大，腔室中反應氣體相應增多，電離生成的離子濃度也就增大，參與物理轟擊和化學反應的離子增多，所以刻蝕速率增大。而當壓強繼續增大時，一方面腔室的氣體較多，增大了離子之間的碰撞復合幾率，參與刻蝕的離子減少;另一方面，腔室中的刻蝕生成物較多，與離子碰撞的機率也增大，從而減小了到達基片表面離子的轟擊能量，所以刻蝕速率會減小。圖2為ELEDE™330刻蝕機在工藝壓力為7mT到30mT的范圍內刻蝕速率和選擇比的變化。在7mT到30mT之間，藍寶石刻蝕速率逐漸降低，而刻蝕選擇比也隨之減小。 圖2 壓強對PSS刻蝕速率的影響 BCl3在藍寶石刻蝕中起著至關重要的作用，在ICP干法刻蝕Al2O3過程中，BCl3氣體是主要刻蝕物。一方面，等離子體中的BCl化學活性物可以去除樣品表面的O，通過化學反應機理進行Al2O3材料的刻蝕;另一方面，等離子體中的BCl+2、 BCl+3在打斷Al-O共價鍵(21.2 eV)中起主要作用，增強了刻蝕效率，綜合其物理化學機制，其對Al2O3材料的刻蝕效率的貢獻遠高于Cl2、Ar、HBr等。BCl3的比例減小會減弱參與物理轟擊的離子濃度，刻蝕速率就會減小。實際刻蝕工藝中可根據不同的圖形要求來選擇一些輔助氣體，以達到特定刻蝕速率和選擇比。以光刻膠圖形為例，一般來說，加入Cl2會減小刻蝕選擇比，而加入HBr會增大選擇比，并且有更大的刻蝕角度。HBr/BCl3刻蝕有更大的角度很可能與HBr的刻蝕特性相關，其刻蝕產物如AlBrx保護光刻膠側壁效果要好于AlClx。圖3分別為Cl2/BCl3和HBr/BCl3氣體組合刻蝕藍寶石的刻蝕形貌。 圖3 Cl2/BCl3和HBr/BCl3氣體刻蝕藍寶石的形貌(左圖為Cl2/BCl3刻蝕結果，右圖為HBr/BCl3刻蝕結果) 圖4為通過工藝調節得到的刻蝕趨勢，使用ELEDE™330刻蝕系統刻蝕出的不同PSS圖形。 圖4 ELEDE™330刻蝕機制備的的不同PSS刻蝕圖形 四、結論 本文通過在國產化設備ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕機上進行LED PSS刻蝕工藝的研究，得到了目前業界普遍研究的幾種圖形，并且從刻蝕機理上對PSS刻蝕工藝進行了一些趨勢性的分析。其中BCl3為PSS主刻蝕氣體，并可根據刻蝕速率和刻蝕選擇比的不同要求，添加幾種輔助氣體如Cl2、HBr、Ar等。隨著上電極和下電極功率的增加，刻蝕速率在一定范圍內都有增加的趨勢，而工作氣壓上升則會使刻蝕速率和選擇比下降。通過PSS刻蝕工藝調節，充分利用ELEDE™330刻蝕系統的硬件窗口，在刻蝕參數的選擇上有更大的可調空間，能夠滿足不同PSS圖形刻蝕的需要。
關注我們
公眾號：china_tp
微信名稱：亞威資訊
顯示行業頂級新媒體
掃一掃即可關注我們
