高溫熱磷酸製程 (PSS)

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。GaN LED是以磊晶(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)，此種高密度線差排則會限制了GaN LED的發光效率。

使用藍寶石基板之濕式化學蝕刻圖形化(Pattern Sapphire Substrate; PSS)技術，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，進而由逃逸角錐中穿出。

下圖為傳統LED和PSS LED的電流-輸出光功率曲線之關係圖，在20mA操作電流下，傳統LED和PSS LED的輸出功率分別為7.8和9 mW，PSS LED的輸出功率為傳統LED的1.15倍。此外，在20mA操作電流下，傳統LED和PSS LED的外部量子效率(External Quantum Efficiency)分別為14.2%和16.4%，PSS LED的外部量子效率也較傳統LED高1.15倍。

圖1、為傳統LED和PSS LED的電流-輸出光功率曲線之關係圖

藍寶石基板之濕式化學蝕刻圖形化(PSS)製程流程如下：

項目	PSS製程流程
1	首先利用黃光微影製程在藍寶石基板上製作出所需的圖案
2	利用電漿輔助化學氣相沉積(PE-CVD)系統在藍寶石基板上方沉積SiO2，進行光阻去除後，即可形成間隔3μm的陣列圖案
3	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，進行藍寶石基板之濕式化學蝕刻圖形化(PSS)
4	使用MO-CVD生長GaN-LED於濕式化學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、未掺雜的GaN層、N-type GaN層、發光層(MQW)及P-type GaN層
5	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，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

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)之OM照片
圖4、PSS後，接著生長GaN磊晶層的LED結構

弘塑科技所製作之全自動化高溫磷酸濕式蝕刻製程設備，由於是在280~300℃高溫下進行，所以系統在製作上有七大設計關鍵，分別詳述如下：

項目	設計關鍵
1. 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，維持空氣之高潔淨度
2. 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
3. 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
4. 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1.9±0.1μm，蝕刻速率為每秒27.5 ± 0.5 Angstrom
5. 昇降溫度之速率控制	具備晶圓蝕刻前之預先加熱，以及蝕刻後之冷卻設計，可避免晶圓因急速昇降溫度所產生的熱衝擊破片
6. 化學品供應系統	化學液之補充體積的精確度要高
7. 晶圓自動傳送系統	晶圓傳送可保證連續順利傳送，以確保製造上之良率

圖5、弘塑科技所設計製作之高溫磷酸濕式蝕刻自動化設備

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