《晶晟精密蚀刻制程提高亮度》由会员分享，可在线阅读，更多相关《晶晟精密蚀刻制程提高亮度（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、晶 晟 精 密 科 技 股 份 有 限 公 司G.C Micro 專業 LED 耗材供應商 Home 公司簡介 產品介紹 聯絡我們 Search: Search. Submit濕 式 蝕 刻 製 程 提 高 LED 光 萃 取 效 率 之 產 能 與 良 率Posted by admin | Filed under 技術專欄1、 前言近幾年來 III 族氮化物 (III-Nitride)高亮度發光二極體(High Brightness Light Emission Diode; HB-LED)深獲廣大重視，目前廣泛應用於交通號誌、LCD 背光源及各種照明使用上。基本上，GaN LED 是以磊晶
2、(Epitaxial)方式生長在藍寶石基板(Sapphire Substrate)上，由於磊晶 GaN與底部藍寶石基板的晶格常數(Lattice Constant)及熱膨脹係數(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差極大，所以會產生高密度線差排(Thread Dislocation)達 1081010 / cm2，此種高密度線差排則會限制了 GaN LED 的發光效率。此外，在 HB-LED 結構中，除了主動層(Active Region)及其他層會吸收光之外，另外必須注意的就是半導體的高折射係數(High Refractive Index)，這將使得
3、LED 所產生的光受到侷限(Trapped Light)。以圖 1 來進行說明，從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大於逃逸角錐(Escape Cone)之臨界角(Critical Angle;c)時，則會產生全內反射(Total Internal Reflection)；對於高折射係數之半導體而言，其臨界角都非常小，當折射係數為3.3 時，其全內反射角則只有 17o，所以大部份從主動區所發射的 光線，將被侷限(Trapped) 於半導體內部，這種被侷限的光有可能會被較厚的基板所吸收。此外，由於基板之電子與電洞對，會因基板品質不良或效率較 低，導致有較大機率產生非
4、輻射復回(Recombine Non-Radiatively)，進而降低 LED 效率。所以如何從半導體之主動區萃取光源，以進而增加光萃取效率(Light Extraction Efficiency)，乃成為各 LED 製造商最重要的努力目標。目前有兩種方法可增加 LED 光之萃取效率：(1)第一種方法是在 LED 磊晶前，進行藍寶石基板的蝕刻圖形化(Pattern Sapphire Substrate; PSS)；(2)第二種方法是在 LED 磊晶後，進行藍寶石基板的側邊蝕刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以及基板背面粗糙化(Sapphire Backsid
5、e Roughing; SBR)。本文將參考相關文獻 16，探討如何利用高溫磷酸濕式化學蝕刻技術，來達到增加 LED 光萃取效率之目的。此外，針對 LED 生產線之高產能與 高良率需求時，在製程系統設計製作上必須考慮到哪些因數，亦將進行詳細探討，以期達到增加 LED 光萃取效率之目的。圖 1、從主動區所發射的光線在到達半導體與周圍空氣之界面時，如果光的入射角大於臨界角(c)時，則會產生全內反射。2、 磊晶前藍寶石基板之蝕刻圖形化(PPS)製程藍寶石基板蝕刻圖形化(PPS)可以有效增加光的萃取效率，因為藉由基板表面幾何圖形之變化，可以改變 LED 的散射機制，或將散射光導引至 LED 內 部，進
6、而由逃逸角錐中穿出。目前使用單步驟無光罩乾式蝕刻技術(Maskless Dry Etching)來加工藍寶石 (Sapphire)基板，雖然可以改善內部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而由於藍寶石基板表面非常堅硬，乾式蝕刻會損傷藍寶石表面，使得線差排(Thread Dislocation)由基板逐漸延伸到頂端的 GaN 磊晶層，因而影響到 LED 之磊晶品質，所以一般都傾向使用濕式化學蝕刻方式。有關藍寶石基板之濕式 化學蝕刻圖形化，以及 LED 之前段製程流程，說明如下：A. 首先利用黃光
7、微影製程在藍寶石基板上製作出所需的圖案。B. 利用電漿輔助化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PE-CVD)系統在藍寶石基板上方沉積 SiO2，進行光組去除後，即可形成間隔 3m 的陣列圖案。C. 利用 SiO2 當作蝕刻遮罩層，在溫度 280的高溫磷酸與硫酸混合液中蝕刻藍寶石基板，以形成圖案化結構。圖 2 為使用濕式化學蝕刻藍寶石基板(PSS)後之橫截面示意圖；圖 3 為光學顯微鏡照片。D. 使用 MO-CVD 生長 GaN-LED 於蝕刻圖案化之藍寶石基板 C(0001)面上，GaN-LED 結構由下而上，包括：GaN 成核層
8、、未掺雜的 GaN 層、矽掺雜的 N-type GaN 層、MQW 層及 P-type GaN 層。E. 使用標準微影技術及乾式蝕刻來蝕刻部份的 P-type GaN 層，以露出 N-type GaN 層，進而定義發光區域及電極。F. 沉積 ITO 透明導電層，接著沉積 Cr/Au 金屬層，在 200氮氣氣氛下進行合金化，以製作 P電極與 N 電極。圖 4 為 GaN LED 之前段製程流程圖；圖 5 為經過化學濕式蝕刻圖形化藍寶石基板(PSS)，接著生長 GaN 磊晶層的 LED 結構圖。圖 2、濕式化學蝕刻藍寶石基板後(PSS) 之橫截面示意圖。圖 3、濕式化學蝕刻藍寶石基板後(PSS)
9、之光學顯微鏡照片。圖 4、GaN LED 前段製程流程圖3, 4, 5。圖 5、濕式蝕刻圖形化藍寶石基板後，接著生長 GaN 磊晶層的 LED 結構2。如圖 6 所示，經濕式化學蝕刻圖形化之藍寶石基板，基於表面晶格特性，所以會被蝕刻出呈 57o 倾斜的1-102R 面(R Plane)，此種倾斜 R 面可以大大地增加光的萃取效率。 Lee 等人利用濕式蝕刻圖形化藍寶石基板製作 GaN LED 並評估其效能，圖 7 為傳統 LED 和 PPS LED 的電流-輸出光功率曲線之關係圖，在 20mA 操作電壓下，傳統 LED 和 PPS LED 的輸出功率分別為 7.8 和 9 mW，PPS LED
10、 的輸出功率為傳統 LED 的 1.151.3 倍。此外，在 20mA 操作電壓下，傳統LED 和 PPS LED 的外部量子效率(External Quantum Efficiency)分別為 14.2%和16.4%，PPS LED 的外部量子效率也較傳統 LED 高 1.15 倍。因此 PPS 技術不只利用藍寶石基板的特殊幾何結構，將光導引至逃逸角錐(Escape Cone)進而發射出去，以增加 LED 的外部量子效率外，濕式蝕刻 PPS 結構也可降低 Sapphire 基板之差排缺陷密度，以進而提高 GaN 的磊晶品質 3, 4, 5。圖 6、經濕式蝕刻圖形化藍寶石基板，其表面因晶格特性
11、，會被蝕刻出成 57o 倾斜的的1-102 面(R Plane)，可以大大增加光的萃取效率 3。圖 7、傳統的 LED 和 PPS LED 的電流-輸出光功率曲線之關係圖3, 4。3、 磊晶後藍寶石基板之蝕刻製程元件形狀化之覆晶 LED 是使用高溫磷酸來蝕刻藍寶石基板的側邊(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，並使基板背面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)，以此雙重方式來達到增加光萃取效果，其詳細製程流程如圖 8 所示。首先在藍寶石基板上磊晶製作 GaN 之 LED 結構，再將藍寶石基板磨薄至 200 m 厚度，以利於後續晶粒切
12、割之進行，接著分別在元件上下面鍍上二氧化矽(SiO2)當作蝕刻保護層，使用黃光微影製程來定義藍寶石基板被蝕刻的開口位 置。接著將已設計圖案化之藍寶石基板浸入高溫 300的磷酸與硫酸的混合液中，進行藍寶石基板之側邊蝕刻，接者去除二氧化矽保護層。後續進行透明導電膜 (ITO)與金屬電極(Electrode)製作，並用覆晶(Flip Chip)設備將晶粒黏著於矽基板上，製作完成之元件剖面，如圖 9 所示4, 6。藍寶石的蝕刻速率與磷酸和硫酸的比例，以及蝕刻液溫度有關，由於蝕刻結果取決於其晶格結構，蝕刻會沿者藍寶石的晶格面進行，至於藍寶石基板的背面， 因為其原本是一個粗糙面，所以無法在其表面鍍上一層均
13、勻的二氧化矽保護層，在進行蝕刻時，覆蓋二氧化矽較薄區域的藍寶石基板則會先被蝕刻，進而形成粗糙化 的表面。在發光性能表現上，有製作元件形狀化之覆晶 LED 比傳統覆晶發光二極體的流明度增加了 62%；在功率的表現上，於 20mA 的注入電流下，有形狀化 的LED 輸出光功率為 14.2 mW，比傳統覆晶結構 LED 的 9.3 mW，增加了 52%，如圖 10 所示4, 6。圖 8、元件形狀化之覆晶 LED 製程流程圖6 。圖 9、具形狀化之覆晶 LED 結構示意圖6 。(a) 電流發光強度圖(b) 電流輸出功率圖圖 10、有無形狀化之覆晶 LED 的(a)電流發光強度與(b)電流輸出功率比較圖
14、6。此外，針對晶粒後段製程，在雷射切割晶片後之殘留物問題，也可應用高溫磷酸蝕刻技術來解決此問題，因為使用雷射切割 LED 晶片後，會將基材燒出一道 痕跡，因此在晶片邊緣會流下焦黑的切割痕跡，這種切割殘留物會影響 LED 亮度達 510%，如圖 11 所示為雷射切割 LED 晶片後之SEM 照片。對於現今 HB-LED 對於亮度錙銖必較之情形，亦有業界於雷射切割後，接著使用高溫磷酸來進行藍寶石基板的側邊蝕刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以去除雷射切割後的焦黑殘留物，進而增進 HB-LED 的發光效率。圖 11、雷射切割 LED 晶片後之 SEM 照片。4、 高
15、溫磷酸濕式蝕刻製程設備在製作上，必須考慮的設計項目圖 12 為弘塑科技(Grand Plastic Technology Corporation; GPTC)所製作之全自動化高溫磷酸濕式蝕刻製程設備，由於磷酸濕式蝕刻製程設備是在 280300高溫下進行，所以必須考慮加熱方式，昇降溫度之速率 控制，因應石英槽體之熱應力分析所設計的槽體機械結構，化學蝕刻液補充系統的補充精確度及設備自動化必須能夠兼顧人員安全與環保設計等。系統在製作上有七 大設計關鍵，分別詳述如下：I. 安全性設計：符合 SEMI-S2, 200 認證，人員與上下貨區域作分離，可確保操作人員之工作安全，以及將反應廢氣充分抽離，維持空
16、氣之高潔淨度。II. 高產能設計：一次可上貨達 200 片晶圓，產能為一般設備的 2.75 倍。III. 多槽體設計：具備多組磷酸槽，當 1 組磷酸槽作製程蝕刻時，另外 1 組磷酸槽可同步進行化學品更換與加熱，如此可防止因等待化學品更換或加熱所造成的時間浪費。IV. 加熱與溫度控制：在石英槽體外圍鍍上一層薄膜加熱層，此種加熱方式可以使得溫度均勻分佈於整個槽體，防止因溫度梯度所造成晶片的局部熱應力，以及蝕刻速率 之變異，目前高溫磷酸濕式化學蝕刻藍寶石基板的厚度可精確控制在 1.90.1m，蝕刻速率為每秒 27.5 0.5 A。V. 昇降溫度之速率控制：具備晶圓蝕刻前之預先加熱，以及蝕刻候之冷卻設計，可避免晶圓因急速昇降溫度所產生的熱衝擊破片。VI. 化學品供應系統：化學液之補充體積的精確度要高。VII. 晶圓
