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磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺
1、 序言
    近几年来III族氮化物(III-Nitride)高亮度发光二极体(High Brightness Light Emission Diode; HB-led)深获广大重视，现在广泛应用于交通号誌、LCD背光源及多种照明使用上。基础上，GaN LED是以磊晶(Epitaxial)方法生长在蓝宝石基板(Sapphire Substrate)上，因为磊晶GaN和底部蓝宝石基板晶格常数(Lattice Constant)及热膨胀係数(Coefficient of Thermo Expansion; CTE)相差极大，所以会产生高密度线差排(Thread Dislocation)达108~1010 / cm2，此种高密度线差排则会限制了GaN LED发光效率。
    另外，在HB-LED结构中，除了主动层(Active Region)及其它层会吸收光之外，另外必需注意就是半导体高折射係数(High Refractive Index)，这将使得LED所产生光受到侷限(Trapped Light)。以图1来进行说明，从主动区所发射光线在抵达半导体和周围空气之界面时，假如光入射角大于逃逸角锥(Escape Cone)之临界角(Critical Angle;αc)时，则会产生全内反射(Total Internal Reflection)；对于高折射係数之半导体而言，其临界角全部很小，当折射係数为3.3时，其全内反射角则只有17o，所以大部份从主动区所发射光线，将被侷限(Trapped)于半导体内部，这种被侷限光有可能会被较厚基板所吸收。另外，因为基板之电子和电洞对，会因基板品质不良或效率较低，造成有较大机率产生非辐射復回(Recombine Non-RadiativELy)，进而降低LED效率。所以怎样从半导体之主动区萃取光源，以进而增加光萃取效率(Light Extraction Efficiency)，乃成为各LED制造商最关键努力目标。
    现在有两种方法可增加LED光之萃取效率：(1)第一个方法是在LED磊晶前，进行蓝宝石基板蚀刻图形化(Pattern Sapphire Substrate; PSS)；(2)第二种方法是在LED磊晶后，进行蓝宝石基板侧边蚀刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，和基板后面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)。本文将参考相关文件[1~6]，探讨怎样利用高温磷酸湿式化学蚀刻技术，来达成增加LED光萃取效率之目标。另外，针对LED生产线之高产能和高良率需求时，在工艺系统设计制作上必需考虑到哪些因数，亦将进行具体探讨，以期达成增加LED光萃取效率之目标。

图1、从主动区所发射光线在抵达半导体和周围空气之界面时，假如光入射角大于临界角(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)能够有效增加光萃取效率，因为藉由基板表面几何图形之改变，能够改变LED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。现在使用单步骤无光罩乾式蚀刻技术(Maskless Dry Etching)来加工蓝宝石(Sapphire)基板，即使能够改善内部量子效率(Internal Quantum Efficiency)和光萃取率(Light Extraction Efficiency)，然而因为蓝宝石基板表面很坚硬，乾式蚀刻会损伤蓝宝石表面，使得线差排(Thread Dislocation)由基板逐步延伸到顶端GaN磊晶层，所以影响到LED之磊晶品质，所以通常全部倾向使用湿式化学蚀刻方法。相关蓝宝石基板之湿式化学蚀刻图形化，和LED之前段工艺步骤，说明以下：
A.首先利用黄光微影工艺在蓝宝石基板上制作出所需图案。
B.利用电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; 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阵列图案。
C.利用SiO2看成蚀刻遮罩层，在温度280℃高温磷酸和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，包含：GaN成核层、未掺杂GaN层、硅掺杂N-type GaN层、MQW层及P-type GaN层。
E.使用标准微影技术及乾式蚀刻来蚀刻部份P-type GaN层，以露出N-type GaN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℃氮气气氛下进行合金化，以制作P电极和N电极。图4为GaN LED之前段工艺步骤图；图5为经过化学湿式蚀刻图形化蓝宝石基板(PSS)，接着生长GaN磊晶层LED结构图。

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、GaN LED前段工艺步骤图[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LED结构[2]。
    图6所表示，经湿式化学蚀刻图形化之蓝宝石基板，基于表面晶格特征，所以会被蚀刻出呈57o倾斜{1-102}R面(R Plane)，此种倾斜R面能够大大地增加光萃取效率。Lee等人利用湿式蚀刻图形化蓝宝石基板制作GaN LED并评定其效能，图7为传统LED和PPS LED电流-输出光功率曲线之关係图，在20mA操作电压下，传统LED和PPS LED输出功率分别为7.8和9 mW，PPS LED输出功率为传统LED1.15~1.3倍。另外，在20mA操作电压下，传统LED和PPS LED外部量子效率(External Quantum Efficiency)分别为14.2%和16.4%，PPS LED外部量子效率也较传统LED高1.15倍。所以PPS技术不只利用蓝宝石基板特殊几何结构，将光导引至逃逸角锥(Escape Cone)进而发射出去，以增加LED外部量子效率外，湿式蚀刻PPS结构也可降低Sapphire基板之差排缺点密度，以进而提升GaN磊晶品质[3, 4, 5]。

图6、经湿式蚀刻图形化蓝宝石基板，其表面因晶格特征，会被蚀刻出成57o倾斜{1-102}面(R Plane)，能够大大增加光萃取效率[3]。

图7、传统LED和PPS LED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侧边(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，并使基板后面粗糙化(Sapphire Backside Roughing; SBR)，以此双重方法来达成增加光萃取效果，其具体工艺步骤图8所表示。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200 μm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)看成蚀刻保护层，使用黄光微影工艺来定义蓝宝石基板被蚀刻开口位置。接着将已设计图案化之蓝宝石基板浸入高温300℃磷酸和硫酸混合液中，进行蓝宝石基板之侧边蚀刻，接者去除二氧化硅保护层。后续进行透明导电膜(ITO)和金属电极(Electrode)制作，并用覆晶(Flip Chip)设备将芯片黏着于硅基板上，制作完成之元件剖面，图9所表示[4, 6]。
    蓝宝石蚀刻速率和磷酸和硫酸百分比，和蚀刻液温度相关，因为蚀刻结果取决于其晶格结构，蚀刻会沿者蓝宝石晶格面进行，至于蓝宝石基板后面，因为其原本是一个粗糙面，所以无法在其表面镀上一层均匀二氧化硅保护层，在进行蚀刻时，覆盖二氧化硅较薄区域蓝宝石基板则会先被蚀刻，进而形成粗糙化表面。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流明度增加了62%；在功率表现上，于20mA注入电流下，有形状化LED输出光功率为14.2 mW，比传统覆晶结构LED9.3 mW，增加了52%，图10所表示[4, 6]。

图8、元件形状化之覆晶LED工艺步骤图[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、有没有形状化之覆晶LED(a)电流发光强度和(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处理此问题，因为使用雷射切割LED芯片后，会将基材烧出一道痕跡，所以在芯片边缘会流下焦黑切割痕跡，这种切割残留物会影响LED亮度达5~10%，图11所表示为雷射切割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侧边蚀刻(Sapphire Sidewall Etching; SSE)，以去除雷射切割后焦黑残留物，进而促进HB-LED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，必需考虑设计项目
    图12为弘塑科技(Grand Plastic Technology Corporation; GPTC)所制作之全自动化高温磷酸湿式蚀刻工艺设备，因为磷酸湿式蚀刻工艺设备是在280~300℃高温下进行，所以必需考虑加热方法，昇降温度之速率控制，因应石英槽体之热应力分析所设计槽体机械结构，化学蚀刻液补充系统补充正确度及设备自动化必需能够兼顾人员安全和环境保护设计等。系统在制作上有七大设计关键，分别详述以下：
I.安全性设计：符合SEMI-S2, 200认证，人员和上下货区域作分离，可确保操作人员之工作安全，和将反应废气充足抽离，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，产能为通常设备2.75倍。
III.多槽体设计：含有多组磷酸槽，当1组磷酸槽作工艺蚀刻时，另外1组磷酸槽可同时进行化学品更换和加热，如此可预防因等候化学品更换或加热所造成时间浪费。
IV.加热和温度控制：在石英槽体外围镀上一层薄膜加热层，此种加热方法能够使得温度均匀分佈于整个槽体，预防因温度梯度所造成芯片局部热应力，和蚀刻速率之变异，现在高温磷酸湿式化学蚀刻蓝宝石基板厚度可正确控制在1.9±0.1μm，蚀刻速率为每秒27.5 ± 0.5 A。
V.昇降温度之速率控制：含有外延片蚀刻前之预先加热，和蚀刻候之冷却设计，可避免外延片因急速昇降温度所产生热冲击破片。
VI.化学品供给系统：化学液之补充体积正确度要高。
VII.外延片自动传送系统：外延片传送可确保连续顺利传送达400 Runs，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，和其工艺设备在设计制作上必需考虑哪些原因，进行具体探讨。因为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改变，来改变LED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，所以成为增加LED光萃取效率有效技术。现在LED业界尤其考虑到怎样降低成本和促进产能，而且又要合乎环境保护和工业安全等需求，能够预见地含有操作自动化和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 (David Hsu)： 弘塑科技企业(Grand Plastic Technology Corporation; 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  TEL:[phone]
Company Website:
詹印丰(Jesse Chan)： 弘塑科技企业总经理，从臺湾工业技术学院电子系取得学士学位，并在美国密苏里州立大学哥伦比亚校区取得MSEE。
顏锡鸿(Clyde Yen )：弘塑科技企业副总经理，半导体设备和材料之市场行销计划多年经验。
顏荣伟(Steven Yen)：弘塑科技企业产品经理。
余智林(Frank Yu)：弘塑科技企业专案经理。
7、参考文件：
1.E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes, Cambridge, U. K. : Cambridge University Press, .
2.A. Zukauskas, M. S. Shur, and R. Gaska, Introduction to Solid-State Light. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, .
3.Lee et all, High Brightness GaN-Based Light Emitting Diodes, Journal of display technology, vol 3, No. 2, June .
4.郭浩中、赖芳仪、郭守义，LED原理和应用，Page 177~180, 五南出版企业。
5.E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York, Cambridge University Press, ISBN-13 978-0-521-86538-8, page 121-221, .
6.Shao-Hua Huang, Ray Hua Horng, Kuo Sheng Wen, Yi Feng Lin, Kuo Wei Yen, and Dong Sing Wuu, “Improved light extraction of nitride-based flip-chip light-emitting diodes via sapphire shaping and texturing,” IEEE Photonics Technol. Lett., 18, 2623 ().