專家精講：制備高亮度LED的等離子刻蝕技術(shù)

1、簡介

每個HBled制造商的目標(biāo)都是花更少的錢獲得更多的光輸出。面對強(qiáng)大的競爭和眾多技術(shù)障礙，至關(guān)重要的是所有的生產(chǎn)步驟的推進(jìn)都要產(chǎn)生最佳的效果。優(yōu)化的等離子刻蝕提供了幾種方法以改善器件的輸出并降低制造成本，從而實(shí)現(xiàn)雙重贏利。

2、圖形化藍(lán)寶石襯底

現(xiàn)在藍(lán)寶石仍是生長HBLED結(jié)構(gòu)的襯底選擇。不過，采用藍(lán)寶石生長也存在兩個問題：藍(lán)寶石沒有完美的晶格匹配，光提取會因?yàn)橛袃蓚€平行的反射面而減少。未來解決這兩個問題，從2005年起一些公司就在生長之前就在藍(lán)寶石上刻蝕了圖形。這可以使一個成品器件的光提取性能改善98%以上。

藍(lán)寶石是一種非常穩(wěn)定的物質(zhì)，熔點(diǎn)在2054度，因此難以進(jìn)行等離子刻蝕。不過，在降低到通常的150度之前，用來實(shí)現(xiàn)非常具體的圖案形成的光阻仍有一個溫度上限。PR是這個過程選擇的掩膜，最終的“圓頂狀依賴于所有掩膜去除的完成，其形狀與藍(lán)寶石和掩膜的相對刻蝕速率密切相關(guān)。由于簡化了生產(chǎn)流程，降低每流明的整體成本，PR也成為了首選。

為了對材料進(jìn)行刻蝕，Cl2、BCl3、Ar的組合常用于以較高等離子源實(shí)現(xiàn)的較高刻蝕速率。不過，這增加了試樣的熱負(fù)荷，因此，使用PR作為掩膜可以保持較高的刻蝕速率，為此有必要對晶圓試樣進(jìn)行有效的冷卻。

硅產(chǎn)業(yè)習(xí)慣于將單晶圓緊固在溫度控制工作臺上，并在工作臺和晶圓之間引入了傳熱介質(zhì)，通常是氦。“氦背面冷卻已經(jīng)成為單晶圓溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)方法。HBLED制造目前市區(qū)批次較小的襯底，傳送到輸送板上的刻蝕工具。對于圖形化藍(lán)寶石襯底刻蝕，HBLED器件仍然主要制造2英寸或者4英寸晶圓，因此可以顯著降低成本，它對以一次運(yùn)行處理盡可能多的晶圓是可行的方法。大量光阻延膜晶圓的刻蝕要求控制好每個晶圓的溫度，這需要了解怎樣將來自等離子的熱量從試樣到冷卻電極轉(zhuǎn)移出來。氦氣背面冷卻是關(guān)鍵，同時要了解怎樣使每片晶圓德奧有效冷卻，以確保成功。這種技術(shù)的批量規(guī)模從20*2英寸到高達(dá)43*2英寸，刻蝕速率在50nm/分和100nm/分之間，速率取決于PR掩膜和PSS形狀要求。

3、GaN刻蝕

GaN的化學(xué)穩(wěn)定性和高鍵合強(qiáng)度、其熔點(diǎn)2500度和鍵能也是它具有很高的耐酸或堿刻蝕劑濕刻蝕能力。到目前為止，由于缺乏合適的濕刻蝕工藝，使人們對開發(fā)合適HBLED生產(chǎn)的干刻蝕工藝產(chǎn)生了極大的興趣。這必須是單批次進(jìn)行大量晶圓刻蝕。20世紀(jì)90年代后期，等離子刻蝕批次規(guī)模從4*2英寸晶圓增加至今天的55*2英寸或3*8英寸，現(xiàn)在的問題是在其吸引力消失之前它可以處理多大批次。隨著晶圓尺寸從2英寸到4英然后是6英寸的向上遷移，這個問題也得到了解決。GaN刻蝕的主要應(yīng)用領(lǐng)域是淺接點(diǎn)刻蝕和高深寬比結(jié)構(gòu)刻蝕。

4、淺接點(diǎn)刻蝕

當(dāng)刻蝕進(jìn)入到接點(diǎn)層時，至關(guān)重要的是對半導(dǎo)體造成的等離子損傷最小，否則可能會增加接點(diǎn)電阻?？涛g工藝需要仔細(xì)優(yōu)化，以最大限度地提高吞吐量，同時保持器件的性能。光滑的表面通常表面高品質(zhì)的刻蝕，如圖2所示。

未經(jīng)優(yōu)化的刻蝕處理可能導(dǎo)致GaN刻蝕的位錯，進(jìn)而導(dǎo)致麻點(diǎn)表面和接點(diǎn)電阻的增加。同樣，PR是這一步掩膜的選擇，因?yàn)樗亲詈唵蔚奶幚矸椒?。?jù)報(bào)道由于典型批刻蝕速率高達(dá)140nm/分的溫度限制，PR的使用可降低所使用的功率。

5、深隔離刻蝕

當(dāng)需要高達(dá)7微米深度時，刻蝕速率是這一工藝的關(guān)鍵。這一步的作用是刻蝕到有源器件之間的底層藍(lán)寶石襯底。由于藍(lán)寶石是不導(dǎo)電的，在物理分離之前就隔離了器件。如果使用PR掩膜，這一刻蝕步驟的主要挑戰(zhàn)是散熱，因?yàn)楦呖涛g速率是用高等離子密度實(shí)現(xiàn)的。這意味著單晶圓的緊固問題，通常的方法是使用靜電吸盤。可以使用介質(zhì)硬掩膜，這將可能實(shí)現(xiàn)高刻蝕速率批處理，此時整個批次的一致性決定了產(chǎn)量。

6、光子晶體圖形化

利用稱為光子晶體的準(zhǔn)晶體陣列圖形化HBLED的發(fā)光表面可以提高光提取能力。其極端的表現(xiàn)如圖3所示，此時600nm蝕象已被刻蝕了4微米深，實(shí)現(xiàn)了大于6:1的高深寬比結(jié)構(gòu)。這里的挑戰(zhàn)是保持蝕象的垂直剖面，以確保光子晶體的光學(xué)性能。

7、設(shè)備

為了達(dá)到高刻蝕速率和低損傷的要求，行業(yè)開發(fā)了幾種高密度等離子源：電感耦合等離子（ICP）、變壓器耦合等離子（TCP）、高密度等離子（HDP）。所有技術(shù)都提供了一個固定試樣驅(qū)動臺，獨(dú)立等離子源可實(shí)現(xiàn)高等離子密度，而不會增加試樣的DC偏差。DC偏差已被證明可增加敏感表面的等離子損傷，所以這是一個至關(guān)重要的系統(tǒng)特性。