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    藍(lán)寶石晶片目前廣泛用作III-V族< color=#0000ff>LED器件氮化物外延薄膜的襯底，然而由于氮化物和藍(lán)寶石大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)的差別，使得在襯底上生長的氮化物材料位錯和缺陷密度較大，影響了器件的發(fā)光效率和壽命。圖形化襯底(PSS)技術(shù)可以有效地減少外延材料的位錯和缺陷，在氮化物器件制備中得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于藍(lán)寶石具有穩(wěn)定的化學(xué)和物理性質(zhì)，使得很難進行刻蝕和圖形化制作。本文采用由北方微電子公司開發(fā)的< color=#0000ff>ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕機對PSS刻蝕工藝進行了研究，通過對刻蝕速率、選擇比以及不同圖形的刻蝕分析，取得了比較滿意的工藝結(jié)果。

　　一、簡介

　　PSS(Patterned Sapphire Substrate)，也就是在藍(lán)寶石襯底上生長干法刻蝕用掩膜，用標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝將掩膜刻出圖形，利用ICP刻蝕技術(shù)刻蝕藍(lán)寶石，并去掉掩膜，再在其上生長GaN材料，使GaN材料的縱向外延變?yōu)闄M向外延。一方面可以有效減少GaN外延材料的位錯密度，從而減小有源區(qū)的非輻射復(fù)合，減小反向漏電流，提高LED的壽命;另一方面有源區(qū)發(fā)出的光，經(jīng)GaN和藍(lán)寶石襯底界面多次散射，改變了全反射光的出射角，增加了倒裝LED的光從藍(lán)寶石襯底出射的幾率，從而提高了光的提取效率。綜合這兩方面的原因，使PSS上生長的LED的出射光亮度比傳統(tǒng)的LED大大提高，同時反向漏電流減小，LED的壽命也得到了延長。

　　隨著LED領(lǐng)域工藝技術(shù)的發(fā)展，以及整個LED行業(yè)的迅速壯大，對GaN基LED器件PSS襯底的研究也逐漸增多。如今各廠家紛紛采用PSS技術(shù)，以提高LED器件的光提取效率。PSS的圖形種類也較多，目前使用比較普遍的一種形貌類似圓錐形的圖形，圖形周期約為3μm，高度約為1.5μm。本文主要針對這種圖形做了一些刻蝕工藝研究，并根據(jù)刻蝕研究結(jié)果進行趨勢性分析，同時也得到了一些其他圖形的刻蝕結(jié)果。

　　二、刻蝕設(shè)備及機理

　　圖1是PSS刻蝕研究使用ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統(tǒng)示意圖，它可進行藍(lán)寶石襯底圖形化刻蝕、Si襯底刻蝕以及GaN基外延層刻蝕等LED領(lǐng)域所有刻蝕應(yīng)用。有優(yōu)秀的刻蝕均勻性控制，保證大批量生產(chǎn)時的片間均勻性和工藝重復(fù)性，一次可完成27片2英寸GaN基外延層刻蝕或22片2英寸藍(lán)寶石襯底刻蝕。系統(tǒng)集成了高密度等離子體源、高壽命機械卡盤、精密的腔室溫度控制系統(tǒng)、穩(wěn)定的高精度壓力控制系統(tǒng)、IC標(biāo)準(zhǔn)的中央噴嘴進氣系統(tǒng)及IC級別的腔室表面處理等多項先進技術(shù)，用IC刻蝕工藝更為精密的設(shè)計要求來實現(xiàn)LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝，以更大程度地提高< color=#0000ff>LED芯片的發(fā)光效率。

　　該刻蝕機由工藝腔、傳輸腔、氣體控制盒、射頻系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)以及裝載模塊(選配)等部分組成。其中上下電極采用13.56MHz、1500W射頻功率，托盤尺寸為330mm，PSS刻蝕使用Al托盤，上面覆蓋石英蓋板，可裝載22片2英寸藍(lán)寶石襯底片。LED刻蝕深度較深，刻蝕速率較慢，刻蝕時間較長(10~30min)，考慮到PR的揮發(fā)、刻蝕均勻性以及刻蝕過程中等離子體轟擊產(chǎn)生的熱量去除，對下電極散熱能力要求較高，工藝中基座溫度一般設(shè)置為-10~-20℃。LED刻蝕副產(chǎn)物的沸點較高，很難被去除，所以LED刻蝕設(shè)備的腔室及內(nèi)襯需要加熱，以減少刻蝕副產(chǎn)物的沉積。

　　圖1 ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統(tǒng)示意圖

　　由于藍(lán)寶石(Al2O3)的Al-O鍵鍵能較大，所以該化合物很難被刻蝕。因此物理轟擊起至關(guān)重要的作用，并直接影響刻蝕速率。另外由于Ga、Al氟化物的沸點較高，所以一般采用Cl進行LED刻蝕。PSS刻蝕中采用的主刻蝕氣體為BCl3，BCl3分解后產(chǎn)生的Cl可以和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且BClx對Al-O鍵的轟擊作用也比較強，其刻蝕機理如下式所述：

　　BCl3 → BClx + Cl (x=0,1,2)

　　Al2O3 + BCl3 → Al + BOCly + Cl (y=1,2,3)

　　Al2O3 + BClx → Al + BOClz + Cl (z=1,2,3)

　　Cl + Al → AlCl3

　　三、PSS刻蝕工藝

　　根據(jù)ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕系統(tǒng)的特點，PSS刻蝕工藝主要對以下幾個工藝參數(shù)進行調(diào)節(jié)，分別為上電極功率、下電極功率、氣體壓力、工藝氣體的選擇和比例等。根據(jù)刻蝕機理并通過對這幾個參數(shù)的調(diào)節(jié)試驗，逐步提高ELEDE™330刻蝕機的PSS刻蝕工藝指標(biāo)，以滿足PSS圖形參數(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要。

　　隨著上電極功率的增大，藍(lán)寶石刻蝕速率增大。這是因為隨著上電極功率的增大，氣體的電離度增大，腔室內(nèi)的離子濃度逐漸增大，所以刻蝕速率會增大。另外刻蝕工藝氣體一般都會加入一些輔助刻蝕氣體，如Cl2、Ar、HBr等。藍(lán)寶石刻蝕速率隨上電極功率的增加，不僅與離子轟擊種類如BClx+、Clx+、Ar+等的增加有關(guān)，還與反應(yīng)自由基的種類如BCl、Cl、Br等有關(guān)，這些都可以從Al2O3中除去Al或O。光刻膠刻蝕速率的增加也有類似的影響。

　　下電極功率對刻蝕速率的影響也很大，刻蝕速率隨著下電極功率的增大而單調(diào)增加，這是由于隨著下電極功率的增大，離子轟擊基片表面的能量增大，Al-O共價鍵打斷的機率增大，所以刻蝕速率會增大。

　　下電極功率的增加提高了離子和自由基的通量，因此提高了藍(lán)寶石和光刻膠的刻蝕速率，加快了襯底材料和表面形成的濺射副產(chǎn)物的濺射去除。在高偏壓和高功率下即使刻蝕選擇比顯示出飽和狀態(tài)，藍(lán)寶石的刻蝕速率仍然會隨著下電極功率和上電極功率連續(xù)的線性增加。

　　工藝壓力對刻蝕速率也有明顯的影響，一般來說，刻蝕速率隨著壓強的增大會有一個增大繼而減小的過程。隨著壓強的增大，腔室中反應(yīng)氣體相應(yīng)增多，電離生成的離子濃度也就增大，參與物理轟擊和化學(xué)反應(yīng)的離子增多，所以刻蝕速率增大。而當(dāng)壓強繼續(xù)增大時，一方面腔室的氣體較多，增大了離子之間的碰撞復(fù)合幾率，參與刻蝕的離子減少;另一方面，腔室中的刻蝕生成物較多，與離子碰撞的機率也增大，從而減小了到達(dá)基片表面離子的轟擊能量，所以刻蝕速率會減小。圖2為ELEDE™330刻蝕機在工藝壓力為7mT到30mT的范圍內(nèi)刻蝕速率和選擇比的變化。在7mT到30mT之間，藍(lán)寶石刻蝕速率逐漸降低，而刻蝕選擇比也隨之減小。

　　圖2 壓強對PSS刻蝕速率的影響

　　BCl3在藍(lán)寶石刻蝕中起著至關(guān)重要的作用，在ICP干法刻蝕Al2O3過程中，BCl3氣體是主要刻蝕物。一方面，等離子體中的BCl化學(xué)活性物可以去除樣品表面的O，通過化學(xué)反應(yīng)機理進行Al2O3材料的刻蝕;另一方面，等離子體中的BCl+2、 BCl+3在打斷Al-O共價鍵(21.2 eV)中起主要作用，增強了刻蝕效率，綜合其物理化學(xué)機制，其對Al2O3材料的刻蝕效率的貢獻遠(yuǎn)高于Cl2、Ar、HBr等。BCl3的比例減小會減弱參與物理轟擊的離子濃度，刻蝕速率就會減小。實際刻蝕工藝中可根據(jù)不同的圖形要求來選擇一些輔助氣體，以達(dá)到特定刻蝕速率和選擇比。以光刻膠圖形為例，一般來說，加入Cl2會減小刻蝕選擇比，而加入HBr會增大選擇比，并且有更大的刻蝕角度。HBr/BCl3刻蝕有更大的角度很可能與HBr的刻蝕特性相關(guān)，其刻蝕產(chǎn)物如AlBrx保護光刻膠側(cè)壁效果要好于AlClx。圖3分別為Cl2/BCl3和HBr/BCl3氣體組合刻蝕藍(lán)寶石的刻蝕形貌。

　　圖3 Cl2/BCl3和HBr/BCl3氣體刻蝕藍(lán)寶石的形貌(左圖為Cl2/BCl3刻蝕結(jié)果，右圖為HBr/BCl3刻蝕結(jié)果)

　　圖4為通過工藝調(diào)節(jié)得到的刻蝕趨勢，使用ELEDE™330刻蝕系統(tǒng)刻蝕出的不同PSS圖形。

　　圖4 ELEDE™330刻蝕機制備的的不同PSS刻蝕圖形

　　四、結(jié)論

　　本文通過在國產(chǎn)化設(shè)備ELEDE™330高密度等離子體ICP刻蝕機上進行LED PSS刻蝕工藝的研究，得到了目前業(yè)界普遍研究的幾種圖形，并且從刻蝕機理上對PSS刻蝕工藝進行了一些趨勢性的分析。其中BCl3為PSS主刻蝕氣體，并可根據(jù)刻蝕速率和刻蝕選擇比的不同要求，添加幾種輔助氣體如Cl2、HBr、Ar等。隨著上電極和下電極功率的增加，刻蝕速率在一定范圍內(nèi)都有增加的趨勢，而工作氣壓上升則會使刻蝕速率和選擇比下降。通過PSS刻蝕工藝調(diào)節(jié)，充分利用ELEDE™330刻蝕系統(tǒng)的硬件窗口，在刻蝕參數(shù)的選擇上有更大的可調(diào)空間，能夠滿足不同PSS圖形刻蝕的需要。