LED+用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺.docx

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LED+用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

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LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

加工显、测量与设备

Processing，MeasurementandEquipment

,,用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

，杨新鹏,，彭艳亮,，曾建飞,，潘安练,，金良荣,刘建哲,，

（,（湖南大学物理与微电子科学学院，长沙,,,,,,;

）,（浙江东晶博蓝特光电有限公司，浙江金华,,,,,,

）作为,摘要:

近年来，图形化蓝宝石衬底（,,,,基,,,外延衬底材料被广泛应用。

采用感,

应耦合等离子体（,,）技术对涂覆有光刻胶阵列图案的蓝宝石衬底进行刻蚀。

通过研究及优化，

不同，,,刻蚀工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响，分别成功制备出蒙古包形和圆锥形图形化

蓝宝石衬底片，并在其表面完成，,,,,,,,多量子阱外延及芯片工艺。

借助光致发光和电致发

光等手段测试其,,,器件的光电学性能。

实验结果发现圆锥形的图形化蓝宝石衬底拥有更强的光功率和更窄的半峰宽，说明这种形貌的衬底在,,,外延时有效减少了晶格失配造成的缺陷，提高了晶体质量，从而更有效地增加,,,出光效率。

;干法刻蚀;刻蚀速率;刻蚀选择比;发光二极管（;关键词:

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图形化蓝宝石衬底（,,）,,）,,

;电致发光（,,外延层;光致发光（,,）,）,,

;,）,中图分类号:

,,,,（,,,,,,（,,,,,,,,,（,,,,,,,,,,,,,,文献标识码:

文章编号:

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收稿日期:

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）基金项目:

浙江省重大科技专项资助项目（,,,,,,,,,,,

:

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,用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺刘建哲等:

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衬底在生产中的工艺重复性具有较好的参考价值。

引言

近年来，,,,基高亮度发光二极管（,,,

,,）由于体积小、重量轻和寿命长等特点被广泛用于固态照明、交通信号灯、汽车前向照明、短程

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,,,

等领域。

由于大尺寸、光学通信和生物传感器,

实验

本文使用,,,，,,,,,感应耦合等离子体刻蚀机对覆盖有,,,,,,,,,光刻胶图形阵列掩膜的蓝宝石衬底进行刻蚀，通过,,，场发射扫描电）对蓝宝石衬底子显微镜（,,,,,,,,,,,,,,刻蚀后的表面图形尺寸、形貌进行测量分析，并分别使用，,,,,,,光致发光设备及,,，,,,,，,,,,,探针点测设备测试,,,外延、芯片的光电学数据。

高质量的,,,同质衬底难以制备，通常采用蓝宝

石、,,和,,,等作为衬底材料，用于外延生长,,薄膜。

蓝宝石（,,,,,,）因具有化学和物理性

,,,

被广泛质稳定、透光性好以及成本合适等优点,

用作,,,基发光二极管的外延衬底;但由于,,,外延薄膜与蓝宝石衬底的晶格常数失配（,,）和,

热膨胀系数失配（,,）较大，线位错密度高达,

,,,,

;,,,,,,，严重影响了外延薄膜的光学和,,,

电学特性，使器件的内量子效率（,,）降低。

同，

结果与讨论

干法刻蚀的主要原理是利用偏置电场下的等离子体垂直轰击衬——————————————————————————————————————

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底，并与其反应而达到刻蚀的效

,,

。

本文中刻蚀采用的气体主要为,果,,,,，刻蚀

时,,,与空气间存在的全反射现象又大大削弱了，使外延层质量不能达,,的外量子效率（,,）,,

,

，图形化蓝宝石衬底到理想效果。

研究表明,

）作为一种无掩膜、无生长打断的侧向合并（,,,

生长技术，在衬底表面形成的规则排布图形可改变折射有源层发出光的传播方向，从而破坏,,,（

）与空气（率,,,,,,）之间因折射率过大而（,造成的内部全反射，使光可以脱离,,,出射到器件外部，提高了光的出射概率，从而提升外量子效率。

采用图形化蓝宝石作为,,,基发光二极管外

延衬底，不仅能有效降低,,,外延薄膜的线位错

,,,,,

。

同时，密度，还能提高,,,的光提取效率,

时,,,,，,）和,,,,,分解形成的等离子体,,（，其中,—,反应自由基,,,,,,轰击蓝宝石中的,键，使之发生断裂;,,与,,发生化学反应生成,,,,,，在反应腔中以气态的形式被分子泵从反应室中抽走，实验过程中主要反应化学式为

）,,,，,,,,,,（,,?

,，,

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（）,（）,

,，,,,,,?

,

（）,

本实验在反应腔体压力,（,,,（,,,,

）保持不变的条件下，通过改变，,,功,（,,,,,率、偏压功率、,,,和,,,,气体流量等工艺参数在蓝宝石衬底表面制备出不同形貌图形衬底，通过光学、显微方法测量光刻胶和刻蚀衬底的高度，计算出刻蚀速率和选择比。

并对实验结果进行优化分析，研究不同刻蚀工艺参数对衬底质量的影响，得出结论在生产中加以应用。

为了计算刻蚀速率与蓝宝石对光刻胶的选择比，通过调节刻蚀时间使光刻胶掩膜剩余一部分。

这样就可以使用,,,观察蓝宝石衬底截面，以测）,,,,，,,,,,（,,,,，,，,,,,，,,?

,，,

图形化蓝宝石衬底上生长氮化物外延薄膜属于单步生长工艺，不发生任何生长中断，具有产量高的特点，在商业上已被广泛应用。

目前，图形化蓝宝石衬底已经成功用于制备大功率,,,基发光器件，

,,

。

成为国内外研究机构的主要研究课题,

本文采用，,,干法刻蚀技术对覆盖有光刻胶掩膜的蓝宝石衬底进行刻蚀，探讨了，,,功率、偏压功率、反应腔托盘表面温度（,,）和,,,,,

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气体流量等工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响，并对其原因进行分析，其结果对控制图形化蓝宝石

卷第,,,,年,月

微纳电子技术第,,,期,,,

,用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺刘建哲等:

量被刻蚀的光刻胶及蓝宝石衬底的高度。

刻蚀选择比,为

,,,,,,,,,,,,,,

刻蚀速率。

（,，,,功率对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响,

图,为不同，,）时刻蚀速率（,,,功率（,）及刻蚀选择比的变化曲线（其中，偏压功率为

,,,,，,,,为,,?

，,,,,;,,,，,,流量为,

。

从图中可以看出，刻蚀选择比与并均恒定不变）

而增加。

原因是偏压功率增加使等离子体物理轰击强度变大，从而增大其刻蚀速率，但由于光刻胶更容易被刻蚀，从而偏压的增加不利于提高刻蚀选择比。

并且图形边缘容易出现凹陷，导致外延速率不一致，表面粗糙。

在工艺过程中，通常选择比为（,,,（,，所以认为偏压功率为,,,,,,,,较为,

合适。

7570?

vE/（nmmin-1）

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蓝宝石

光刻胶

刻蚀选择比

（）,

式中,,,,,,,,,为蓝宝石的刻蚀速率;,为光刻胶的,,

0.900.850.800.750.70

450

蓝宝石的刻蚀速率均随着，,,的功率增加而不断提高，但光刻胶的刻蚀速率在，,,功率约为,,,,,时出现拐点。

产生此结果的原因是由于高频电磁振荡促进气体分子分解，使其被分解等离子体后体积增大，而腔体体积、气体流量和腔体压力固定不变。

因此随着，,,功率的不断增加，等离子体的空间占比随之增加，当达到某一临界值后，随着刻蚀气体的排出，单位时间所排出等离子体的量也会增大，从而导致刻蚀速率缓慢下降。

虽然,,,,等离子体对蓝宝石的物理轰击速率有所减弱，但对蓝宝石的化学刻蚀仍在进行，所以导致蓝宝石的刻蚀速率并未出现显著的下降趋势。

8070?

vE/（nmmin-1）

656055504540

200

250

300350PB/W

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400

图,不同偏压功率时刻蚀速率及

刻蚀选择比的变化曲线

（,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,,,,;,,,,,,

,,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

（,,,,对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响

）条件下，刻蚀选择比及图,为不同,,,,（刻蚀速率的变化曲线（其中，,,功率为,,,,，,

偏压功率为,,,,,，,,,,;,,,均恒,流量为,

蓝宝石

光刻胶

刻蚀选择比

0.800.760.720.680.640.60

S

6050403020750

900

10501200

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P/W

。

从图中可以看出，刻蚀选择比随着腔体定不变）

温度的增加而不断提高，而光刻胶的刻蚀速率随着温度的增加均呈减小趋势。

原因是随着温度升高，

908580?

vE/（nmmin-1）

蓝宝石

光刻胶

刻蚀选择比

0.85

0.56

13501500

0.80

75706560555045

0.700.75

图,不同，,,功率时刻蚀速率及刻蚀

选择比的变化曲线

,（,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,

,

,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,，,,,,,,,

,

——————————————————————————————————————

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（,偏压功率对刻蚀速率和刻蚀选择比的影响图,为不同偏压功率（,,）时刻蚀速率及刻蚀选择比的变化曲线（其中，,,功率为,,,,，,

,,,,为,,?

，,,,,;,,,均恒定不,流量为,

。

从图中可以看出，随着偏压功率的增加，刻变）

2025

30

t/?

3540

0.65

图,不同,,,时刻蚀速率及刻蚀

选择比的变化曲线

,（,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,

,

,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

蚀选择比不断减小，而刻蚀速率均随着偏压的增大

,,,;,,,,,,,,,;,,,,,;,;,,,,,,,（,,,,（,

,,,,,,,,,,,

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,,

S

S

,用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺刘建哲等:

光刻胶的水分变少，硬度变大，使其刻蚀速率降低，而蓝宝石的刻蚀速率基本保持不变，从而增加刻蚀选择比。

（,,,,,,气体流量对刻蚀速率和选择比的影响

图,为不同,,,？

气体流量（,）时的刻蚀选择比及刻蚀速率变化曲线（其中，,,功率为,,,，偏压功率为,,,,，,,,为,,?

均,,

。

从图中可以看出，刻蚀选择比与刻恒定不变）

蚀速率均随着,,,,流量的增加呈小幅上升趋势。

这是因为随着,,,,气体流量的增加在一定程度上会增大等离子体对晶面的轰击密度，从而增大了光刻胶及蓝宝石的刻蚀速率。

所以在工艺过程中，单独增加气体的流量，并不会明显提高刻蚀选择比。

7570?

vE/（nmmin-1）

图。

从图中可以看出，衬底显微图形表面光滑平坦、排列规律和尺寸均匀，这将有利于后续,,,外延层的生长，改善外延薄膜与蓝宝石衬底的晶格

,,

。

常数和热膨胀系数失配等问题,

1滋m

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（a）蒙古包形

0.800.750.70

蓝宝石

光刻胶

刻蚀选择比

65605550454040

50

60

S

0.650.60

（b）圆锥形

图,尺寸为,（,μ,×,（,μ,的图形化蓝宝石衬底,,

图

,,（,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

,,,,,

,,

,,（,μ,×,（,μ,

708090

3-1

qV/（cm?

min）

100110

图,不同气体流量时刻蚀速率及刻蚀——————————————————————————————————————

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选择比的变化曲线

（,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,;,,

,

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,,

,

（,不同显微形貌的衬底外延芯片后实验结果

）在两种不本文使用,,,,,（,,,;,,,,,,,同表面形貌的图形化蓝宝石衬底上进行，,,,,,,,多量子阱外延和,,,芯片制备。

采用激光波长,,,,,、出射光斑直径,,,μ,、功率,,,,的激光器进行光致发光谱测试;并采用正向电压、光谱采样时间,（,,、驱动时间,,（,,,以,,

及反向电压,,,,进行电致发光测,、驱动时间,试，得到了发光强度、峰值波长、半峰宽、光强和正（反）向电压等光电学参数。

表,,,数据为两种不同形貌的衬底外延后在相同条件下的实验测试结果，从表,,,中可以看出，圆锥形衬底外延后在光致发光测试和芯片电致发光测试中，峰值强度和亮度均优于蒙古包形衬底。

这个原因主要有两点:

?

圆锥形衬底更有利于增加发光层向蓝宝石衬底出光部分的反射率;?

圆锥形衬底外延,,,后，其主波长的半峰宽小于蒙古包形的，

（,参数优化后的不同形貌图形化衬底

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通过不断调整各工艺参数，采用，,,功率,,,，偏压功率,,,,，,,,为,,?

，再通,,

,过逐渐减小,,,,,,,,;,,,）来不断,,流量（改变选择比，完成边缘较圆润的蒙古包形蓝宝石衬底。

对圆锥形衬底的刻蚀，采用两步:

第一步，,,功率为,,,,，偏压功率为,,,,，,,,为,

,,,?

，,,,,;,,,;第二步将偏,气体流量为,

压功率增加至,,,,，此时的光刻胶已经完全消失，通过很高的偏压功率，对蓝宝石衬底快速刻蚀，使圆锥形的边缘更直。

图,（,）为尺寸

（,μ,×,（,μ,蒙古包形衬底的,,,图。

图,,

（）为尺寸,,（

μ,×,（,μ,圆锥形衬底的,,,

卷第,,,,年,月

微纳电子技术第,,,期,,,

,用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺刘建哲等:

说明圆锥形衬底更适合,,,的外延生长，有更好的晶体质量。

表,蒙古包形图形化蓝宝石衬底外延片

光致发光测试结果

,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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,

,,,,,,,,,,,,,,,,,

,

峰值波长,,,,,,（,

峰值强度,,,,,（,

主波长,,,

强度

半峰宽,,,,,（,

厚度,,μ,（,

反射率,,,,（,

的全反射概率;