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基于图形化蓝宝石衬底(Patterned Sapphire Substrate,PSS)技术可以降低氮化镓(Gallium Nitride,GaN)外延层缺陷密度,提高发光管二极管(Light Emitting Diodes,LED)内量子效率(Internal Quantum Efficiency,IQE)和光析出率(Light Extraction Efficiency,LEE)。PSS技术开发的关键是干法刻蚀(dryetch)设备,本论文设计开发了一台用于PSS与GaN刻蚀的干法刻蚀设备KE-320,并进行了相应的PSS与GaN刻蚀工艺研究工作。
本论文完成的工作主要如下:
▲KE-320硬件平台设计。针对产业化要求将KE-320硬件平台分成了上电极系统、传输腔、工艺腔、真空系统、进气与气路系统、下电极系统、温度控制系统、自动控制系统与辅助系统九部分进行设计。
1)上电极系统设计。KE-320上电极系统采用了平面感应耦合等离子体源(Planar Inductively Coupled Plasma,P-ICP),耦合线圈采用了多根并联平面式螺旋线圈结构以减小大尺寸线圈的电感与自身电阻,使阻抗易于匹配和提高耦合效率,等离子体激发功率源采用了13.56MHz射频源。
2)传输腔设计。KE-320采用了下电极自身升降完成取送片的传送机制,而不是顶针升降的传输机制,下电极升降的传输机制结构相对简单且下电极高度调整灵活。
3)工艺腔设计。KE-320工艺腔采用对称的圆柱状结构,以减小硬件结构对工艺均匀性的影响。
4)真空系统设计。KE-320真空系统采用了高低真空两套泵组,负责抽传输腔与工艺腔真空。
5)进气与气路系统设计。KE-320气路系统由五类共七路气体组成,满足PSS和GaN刻蚀工艺需求,进气结构采用了中心项部进气,进气团位于石英窗下面约1cm处。
6)下电极系统设计。KE-320下电极采用的是非静电卡盘结构,在机械结构上采用多层嵌套以实现冷却液循环、冷却氦气进、偏置功率接入以及接地屏蔽功能,偏置功率源为13.56MHz射频源。
7)温度控制系统设计。KE-320温度控制系统包括一个加热控制器、一个冷却水循环回路与一台Chiller,分别实现对工艺气体管道加热、机台部件散热以及基片温度控制。
8)控制系统设计。KE-320控制系统由硬件与软件两部分组成,硬件平台以工控机为核心搭建而成,软件平台采用组态软件开发。
9)辅助系统设计。KE-320辅助主要包括气动装置、电力系统、急停装置以及警报指示器。
▲KE-320硬件平台测试与改进。在已设计完成的KE-320机台上进行了工艺调试前的硬件参数测试与结构优化工作,主要测试系统或结构有上电极系统、真空系统、下电极氦漏测试与进气口结构优化。
1)上电极系统测试优化。对上电极系统中的阻抗匹配网络进行了优化改进,以实现对已设计线圈的阻抗匹配。对改进后的双级L型匹配网络电学性质进行了分析,并研究了工艺参数变化对负载等效阻抗的影响。试验发现,工艺参数变化对负载阻抗影响不大。
2)真空系统测试。KE-320工艺腔极限本底真空可以达到4E-4Pa,工艺腔漏速小于0.03Pa/min(@本底真空到1.2×10-3Pa,静置30min),传输腔漏率小于0.8Pa/min(本底真空4Pa,静置30min)。通过气体流量与压力之间关系的测试发现KE-320真空能力相对不足,考虑到真空系统优化的复杂度,而没有对机台的真空系统进行优化。
3)下电极氦漏测试。对不同压盘结构以及托片盘结构进行了测试,发现压盘结构对氦漏影响不大,而托片盘的氦槽结构对氦漏影响较大。因为冷却氦气的氦漏主要取决于托片盘与载片台之间接触面的贴合度,贴合度越好氦漏越小。下对电极及托片盘结构优化后,氦漏小于3sccm(@5Torr)。
4)进气口结构优化。对三种不同上下开口面积的进气结构进行了去胶均匀性试验,试验发现在进气口上下开口面积为二比一时,均匀性最好。
▲PSS与GaN刻蚀工艺研究。
1)PSS刻蚀工艺窗口研究。研究了蓝宝石衬底刻蚀速率(EtchRate,ER)和选择比(Selectively,SE)与等离子体源(ICP)功率、偏压源(RIE)功率、工艺气体流量、工艺压力、冷却温度以及基片表面与石英窗之间距离(Gap Distance,GD)的变化关系。试验结果表明,在三氯化硼(BC13)气氛下,光刻胶(Photo Resist,PR)刻蚀机制为溅射刻蚀,而蓝宝石刻蚀机制为离子增强刻蚀。PR刻蚀速率对轰击离子能量的增加(RIE功率增加)更为敏感而等离子体密度增加(ICP功率增加)对PR刻蚀速率影响不大。但等离子体密度与离子轰击能量上升均会导致蓝宝石刻蚀速率上升。试验结果发现,KE-320的真空系统对蓝宝石刻蚀速率与选择比提高有限制。
2)双极L型匹配网络中并联电容C3与线圈串联电容Cadj变化对蓝宝石ER与SE影响研究。试验结果表明Cadj变化对ER与SE影响趋势一致,说明Caaj变化对蓝宝石刻蚀速率有影响而对PR刻蚀速率影响很小;而C3对ER与SE的影响正好相反,C3变化对蓝宝石ER几乎没有影响而对SE有较大影响即对光刻蚀胶刻蚀速率有较大影响。
3)研究了BC13刻蚀气氛下,PSS刻蚀图形展宽机制。试验表明PSS刻蚀图形展宽速率随时问增加而下降,进一步试验表明PSS刻蚀图形展宽机制之一是PR受热回流展宽,另一个机制可能是离子碰撞散射。
4)究了GaN刻蚀表面的颗粒(particles)污染、柱状(column)缺陷、草地形貌(glass)缺陷、PR表面褶皱、GaN侧壁转角与褶皱(striations)形成机制。刻蚀后GaN表面颗粒污染主要由腔室侧壁沉积物脱落到基片表面所致;柱状缺陷可能来自于Al或其他难刻蚀材料的自掩蔽刻蚀;草地状缺陷可能是由蓝光量子阱中In组分自掩蔽刻蚀引起;PR表面褶皱由高能离子轰击所致;而GaN侧壁转角与褶皱是由于光刻胶图形侧壁褶皱引起。
5)研究了线圈结构对GaN刻蚀均匀性的影响。对两种不同结构线圈进行了试验,结果表明,线圈几何结构不对称会引起GaN刻蚀径向以及角向不均匀。此外,GaN最外圈刻蚀速率还会因等离子体吸收而下降,这主要和托片盘压环结构以及下电极结构有关。