蓝宝石PSS工艺流程
蓝宝石二氧化硅涂层工艺流程
蓝宝石二氧化硅涂层工艺流程一、蓝宝石和二氧化硅涂层的小知识。
蓝宝石可是个很厉害的材料呢，它硬度高、透明度好，在很多高端的电子设备屏幕或者光学仪器里都有它的身影。
二氧化硅涂层就像是给蓝宝石穿上的一件特殊的“衣服”，这件“衣服”能让蓝宝石有更多很棒的性能，比如提高它的耐磨性啦，增强它的化学稳定性之类的。
二、前期准备工作。
在开始涂层之前，得先把蓝宝石准备好呀。
要把蓝宝石的表面清洗得干干净净的，就像我们洗脸一样，不能有一点脏东西。
要是有脏东西在上面，涂层就不能很好地附着在蓝宝石表面啦。
清洗的时候可能会用到一些专门的清洗剂，然后用超纯净的水把残留的清洗剂冲掉，确保蓝宝石表面是一尘不染的状态。
还有啊，要准备好涂层的材料，也就是二氧化硅相关的原料。
这就像是厨师做菜前要准备好食材一样重要呢。
这些原料的纯度要求很高，因为一点点杂质都可能影响涂层的质量。
三、涂层的沉积方法。
1. 化学气相沉积（CVD）这是一种很常用的方法哦。
简单说呢，就是让含有硅元素的气体和氧气在高温和一定的压力环境下，在蓝宝石表面发生化学反应，然后一层二氧化硅就慢慢沉积在蓝宝石上啦。
这个过程就像是在给蓝宝石织一件“毛衣”，一针一线地把二氧化硅织上去。
在这个过程中，温度、气体流量、反应时间这些因素都得控制得很好才行。
如果温度太高或者太低，就像烤蛋糕的时候火候不对一样，做出来的涂层可能就不完美啦。
气体流量也很关键，就像水流的大小一样，太大或者太小都不行。
反应时间也得恰到好处，时间太短，涂层可能太薄；时间太长，可能又会有其他问题。
2. 物理气相沉积（PVD）这也是一种能给蓝宝石穿上二氧化硅“衣服”的方法呢。
PVD主要是通过物理的方法，比如把固态的二氧化硅源加热蒸发，然后让蒸发出来的二氧化硅原子或者分子沉积到蓝宝石表面。
这个过程有点像我们把盐撒在菜上，只不过这里是把二氧化硅撒在蓝宝石上。
不过呢，这个撒的过程可是很有技术含量的，要保证每个地方都能均匀地撒到，就需要一些特殊的设备和技术手段啦。
蓝宝石LED衬底工艺流程
下图为半极性和无极性面的简单示意图
图10:半极性和无极性面的简单示意图
无极性面是指极性面法线方向上的面，而半极性面则是介于 极性面和无极性面之间的面
4 蓝宝石基板应用种类 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:
1:C-Plane蓝宝石基板 这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为
蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在 C面进行磊晶的技术成熟稳定.
2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板 主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常
5 蓝宝石基板的主要技术参数
外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也 不同,比如厚度,晶向等.
下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数 (以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多的则是外延 片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求 来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板. 即客户定制化.
出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同 时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并 提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。
1:C-Plane蓝宝石基板
C-Plane蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板.1993年 的赤崎勇教授与 当时在日亚化学的中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板晶 格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年底 日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后的几年里日亚化学以蓝宝石为 基板,使用InGaN材料,通过MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板与 磊晶技术,提高蓝光的发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999年 蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。从而奠定了日亚 化学在LED领域的先头地位.
芯片制造工艺流程简介
• 用光刻胶形成电极图 形
有光刻胶
无光刻胶
Idea Velocity Completion
Chip Production Management Team / 3E Semiconductor
灰化（Ashing） 酸洗
• 等离子去胶：利用氧气、氮 气等气体清洁芯片表面，使 得光刻胶表面更平整，且可 去除电极处的负胶提高电极 粘附性
Idea Velocity Completion
Chip Production Management Team / 3E Semiconductor
LED芯片的应用：
Idea Velocity Completion
Chip Production Management Team / 3E Semiconductor
LED芯片制造流程示意图：
蓝宝石衬底 （Al2O3)
（衬底厂商提供）
PSS工艺 Patterned Sapphire Substrate
图形化蓝宝石衬底
减小反向漏电，提高LED寿命，增强 发光亮度
Idea Velocity Completion
Chip Production Management Team / 3E Semiconductor
Chip Production Management Team / 3E Semiconductor
LED的简单介绍： LED是Light Emitting Diode的英文缩写，中 文称为发光二极管。 发光二极管(LED)是由数层很薄的搀杂半导 体材料制成，一层带过量的电子，另一层因 缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电 流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能 量，从而辐射出光芒。
蓝宝石PSS制程技术
PSS制程技术合能阳光目录ØPSS概述ØPSS在LED中的应用ØPSS在LED中的实现方式ØPSS制程难点及其解决方法Ø总结PSS概述PSS是Patterned Sapphire Substrate的简称,即图形化蓝宝石基板,此技术可以有效的减少差排密度,还可提升光取出效率.PSS在LED中的应用1.有效的减少差排密度,减少外延生长缺陷,提升外延片品质.2.改变LED光学路线,提升LED外部量子效应.PSS在LED中的实现方式这项技术主要有wet etching和Dry etching 两种实现方式.一．Wet etching 实现PSS原理由于SiO2在浓硫酸和浓磷酸中被高温腐蚀时是各向同性的，Al2O3因为其结构的原因（如图2.17）被腐蚀时是各项异性的，所以当发现图形边缘由圆变直时，表明已经开始腐蚀蓝宝石衬底了，可以调节腐蚀时间控制图形的大小.图蓝宝石结构示意图，●：O2-；○：Al3+二．Wet etching flow利用硫酸( H2SO4，重重百分浓度96% ) 与磷酸( H3PO4，重量百分浓度86% ) 两种酸性混合液体依各重混合比例调制所需之蚀刻溶液，并使用厚度5000Å的二氧化矽( SiO2 ) 做为蚀刻阻挡层( hard mask )，以保护所定义图形.三．溶液配比及蚀刻温度对图形的影响不同硫酸磷酸体积比于不同蚀刻温度下之蚀刻轮廓.四．不同图形对LED 光电特性的影响图b 图c 图d 图2.23 不同图形（平面衬底a,三棱台b ，三棱锥c ，球冠d ）的衬底上生长GaN外延层的XRD 曲线图2.24 不同图形（三棱锥a ，球冠b ，三棱台c ，平面衬底d ）的衬底上生长GaN 基LED 器件的出光功率随注入电流变化图Dry etching flowDry etching 蚀刻参数不同气体比例对蚀刻图形的影响(a)100%BCl3 (b)20%Cl2/80%BCl3(c)20%HCl/80%BCl3(d)10%HBr/90%BCl3不同气体比例对蚀刻速率及选择比的影响CL 离子浓度对蚀刻速率及选择比的影响Sapphire Etch Rate:50nm/min Selectivity to PR: 0.4:1ICP sapphire etching圖1為800nm 之蝕刻後之圖形,深度為550nm 圖1為600nm 之蝕刻後之圖形,深度為450nmPSS 制程难点解决方法总结实现PSS 的两种制程方式优缺点并存,详细见下表;结构上都具有提升LED 亮度之功效,但蚀刻图形状况须配合磊晶方能达到最佳效果.1.成本较高2.设备须具有较高的冷却系统.1.蚀刻速率较为不稳定,产品一直性欠佳2.蚀刻环境及安全考量因素较大.缺点1.蚀刻速率选择比较稳定,产品一直性较好.1.成本较低2.具有实现三棱锥图形优点Dry etchingWet etching。
(工艺技术)磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺
磊晶前蓝宝石基板之蚀刻图形化(PPS)工艺1、前言近几年来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，目前广泛应用于交通号誌、LCD背光源及各种照明使用上。
基本上，GaN LED是以磊晶(Epitaxial)方式生长在蓝宝石基板(Sapphire Substrate)上，由于磊晶GaN与底部蓝宝石基板的晶格常数(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的发光效率。
此外，在HB-LED结构中，除了主动层(Active Region)及其他层会吸收光之外，另外必须注意的就是半导体的高折射係数(High Refractive Index)，这将使得LED所产生的光受到侷限(Trapped Light)。
以图1来进行说明，从主动区所发射的光线在到达半导体与周围空气之界面时，如果光的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，其临界角都非常小，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的光线，将被侷限(Trapped)于半导体内部，这种被侷限的光有可能会被较厚的基板所吸收。
此外，由于基板之电子与电洞对，会因基板品质不良或效率较低，导致有较大机率产生非辐射復回(Recombine Non-RadiativELy)，进而降低LED效率。
所以如何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制造商最重要的努力目标。
干法PSS与湿法PSS
目前号称占据国内50%的市场份额 关，而这一点又是从半导体工艺中来的。PSS制程所用 ），现在多在用i（365nm）线曝光，因而如果不设置黄
工艺步骤 1、蓝宝石清洗 2、SiO2沉积 3、黄光图形 4、BOE腐蚀 5、去除光刻胶 6、湿法腐蚀蓝宝石 7、去除SiO2
干法PSS与湿法PSS 湿法刻蚀
工艺难点
黄光制程的线宽与精度挑战 保持图形一致性的挑战
刻蚀速率与蚀刻剂温度稳定性的挑战
干法与湿法制作PSS不仅仅在工艺制程上有差别，二者制作的图形形貌亦有差别， 不同晶向腐蚀速度不一致，导致腐蚀之后的图形形貌往往是金字塔状，图形有棱 快，设备简单，最大的缺点在于大量废酸的存在，对环境是一大挑战， 不考虑这一点，其他的缺点就如同3楼所列的了，其实湿法腐蚀多一步 SiNO）与光刻胶去除，如果考察整个工序流程，湿法的成本优势并不很明显；干 慢，选择比（对光刻胶）低，设备复杂昂贵，但其工序流程较少，且图形圆滑（ 锥状或半球状）。
目前产业界基本认同了干法刻蚀制作PSS的方法了，湿法腐蚀的方法正被逐渐淘汰 dry etcher的类型或者是等离子体源基本都是ICP源（无论国内国外的产业化设备
商是日韩，大陆目前只有NMC一家，其工艺参数指标与日韩相比稍稍有一点点差 一点，似乎down机比较频繁，但价格相对低一点，目前号称占据国内
一点，似乎down机比较频繁，但价格相对低一点，目前号称占据国内 5楼所说的黄光区问题与PSS所用的掩蔽材料光刻胶有关，而这一点又是从半导体 的光刻胶所敏感的光线波长一般在400nm以上（G线），现在多在用
LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍
蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图பைடு நூலகம்
晶体结构侧视图
Al2O3分之结构图
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看
蓝宝石(Al2O3)特性表 蓝宝石(Al2O3)特性表 (Al2O3)
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热 热导率 折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
4 蓝宝石基板应用种类 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:
1:C-Plane蓝宝石基板 这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为 蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在 C面进行磊晶的技术成熟稳定. 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板 主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常 在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性 轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率 会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效 率提高。 3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS) 以成长(Growth)或蚀刻(Etching)的方式,在蓝宝石基板上设计制作 出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同 时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并 提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或 Plane蓝宝石基板 3:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的， 薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强 大的内建电场，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)大 大地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面) 和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极 性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至 完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若 把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于 磊晶层，以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的 LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统的C面蓝宝石 磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光 强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍. 由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多 国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于Rplane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加. 下图为半极性和无极性面的简单示意图
图形化衬底(PSS)
图形化衬底(PSS)刻蚀设备工艺研究进展时间：2012-02-28【字体：大中小】蓝宝石晶片目前广泛用作III-V族LED器件氮化物外延薄膜的衬底，然而由于氮化物和蓝宝石大的晶格失配和热膨胀系数的差别，使得在衬底上生长的氮化物材料位错和缺陷密度较大，影响了器件的发光效率和寿命。
图形化衬底(PSS)技术可以有效地减少外延材料的位错和缺陷，在氮化物器件制备中得到了广泛的应用。
但是由于蓝宝石具有稳定的化学和物理性质，使得很难进行刻蚀和图形化制作。
本文采用由北方微电子公司开发的EL EDE™330高密度等离子体ICP刻蚀机对PSS刻蚀工艺进行了研究，通过对刻蚀速率、选择比以及不同图形的刻蚀分析，取得了比较满意的工艺结果。
一、简介PSS(Patterned Sapphire Substrate)，也就是在蓝宝石衬底上生长干法刻蚀用掩膜，用标准的光刻工艺将掩膜刻出图形，利用ICP刻蚀技术刻蚀蓝宝石，并去掉掩膜，再在其上生长GaN材料，使GaN材料的纵向外延变为横向外延。
一方面可以有效减少GaN外延材料的位错密度，从而减小有源区的非辐射复合，减小反向漏电流，提高LED的寿命;另一方面有源区发出的光，经GaN和蓝宝石衬底界面多次散射，改变了全反射光的出射角，增加了倒装LED的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。
综合这两方面的原因，使PSS上生长的LED的出射光亮度比传统的LED大大提高，同时反向漏电流减小，LED的寿命也得到了延长。
随着LED领域工艺技术的发展，以及整个LED行业的迅速壮大，对GaN基LED器件PSS衬底的研究也逐渐增多。
如今各厂家纷纷采用PSS技术，以提高LED器件的光提取效率。
PSS的图形种类也较多，目前使用比较普遍的一种形貌类似圆锥形的图形，图形周期约为3μm，高度约为1.5μm。
本文主要针对这种图形做了一些刻蚀工艺研究，并根据刻蚀研究结果进行趋势性分析，同时也得到了一些其他图形的刻蚀结果。