蓝宝石PSS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。

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。

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。

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。

Application ProcessFor PSS (Patterned Sapphire Substrate)AM Technology Co., LtdThe Leader of Abrasive Machining TechnologyChapter 1 : 什么是PSS?PSS（图形衬底）是一项基于光萃取原理而新开发的技术，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。

现在很多磊晶工厂已经采用这项技术于生产白光LED、BLU 蓝白光LED等高端LED产品。

这项技术需要更高的精度与更高质量的蓝宝石衬底，我们把这 种衬底称为PSS（图形衬底）。

1Chapter 1 : 什么是 PSS?不同图形状态下的光萃取率对比常规 萃取率η≈28% 1分离阵列 萃取率η ≈ 40% 1.43倍矩形 萃取率η ≈ 58% 2.1倍半球形 萃取率η ≈ 63% 2.25倍关键字：光萃取率2Chapter 1 : 什么是PSS?光萃取实验结果比较3Chapter 2 : PSS加工流程图晶棒检查 -EPD，气泡 Ingot inspection –EPD，Bubble 定向 Azimuth angle inspection -α, β 切片 Multi wire sawing-LTV, Bow清洗 Cleaning after wire sawing双面研磨 - LTV, TTV, Bow Double side lapping倒角 Edge grinding清洗 Cleaning退火 Annealing -Bow control上蜡 Wax mounting on ceramic block单面研磨 - LTV, TTV, Bow Diamond polishing (Dia. slurry)去蜡 Demounting清洗 Cleaning after Lapping退火 Annealing -Bow control无蜡垫吸附 Mounting in Template单面抛光- LTV, Bow, TTV Final polishing (CMP)清洗 Cleaning after polishing一次清洗 1st –step cleaning一次检查 - LTV, TTV, Bow 1st step inspection二次清洗 2nd step cleaning二次检查 2nd step inspection包装 Packing4Chapter 2 : PSS加工流程详细说明-AM可以提供的服务 Step 1：双面研磨-精密双面研磨机 Step 2：上蜡-液体蜡粘片机 Step 3：单面研磨-精密单面研磨机 Step 4：CMP抛光1-CMP抛光机 Step 5：CMP抛光2-CMP抛光机双面研磨量 120um 单面研磨量30um 抛光量10um 最终基板厚度陶瓷衬盘5Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step1:双面研磨（ Double side Lapping ）设备名称：精密双面研磨机项目 游心轮规格及数量 研磨盘 研磨料 装片数量 洁净室要求 ADL-800 12B×5L 铸铁研磨盘 GC/BC #240～#320 2英寸-12片×5=60片/盘 4英寸-4片×5=20片/盘 灰区 ADL-1200 16B×5L 铸铁研磨盘 GC/BC #240～#320 4英寸-12片×5=60片/盘 6英寸-4片×5=20片/盘 灰区6Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step1:双面研磨（ Double side Lapping ）ADL-800（12B）ADL-1200 （16B）7Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step1:双面研磨（ Double side Lapping ）上盘-上盘、下盘、内环和外环4-wa y独立驱动-驱动更加稳定，更 好的控制晶片TTV/Bow内环外环下盘-液晶触摸屏-操作更方便 -5段式压力控制8Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step2:上蜡（ Wax Bonding ）设备名称：液体蜡粘片机项目 类型 蜡类型 上蜡精度 洁净室要求 AWB-100 手动上蜡机 液体蜡 ≦2um 千级 AWB-1300 全自动液体上蜡机 液体蜡 ≦2um 千级9Step2:上蜡（Wax Bonding）10-高速甩蜡，蜡层厚度1～2um -转速分段控制，可以瞬间加速到6000rpm-气囊加压-保证无气泡Chapter 3 : PSS 加工流程详细说明Step2:上蜡（Wax Bonding ）11Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step3:单面研磨（Single side Lapping）项目ASL-910F（36英寸）ASL-1200F（48英寸）陶瓷盘规格Φ360mmΦ457.2mm陶瓷盘数量44研磨盘树脂铜盘树脂铜盘研磨液3um金刚石研磨液3um金刚石研磨液装片数量2英寸-17片×4=60片/盘4英寸-9片×4=36片/盘4英寸-6片×4=24片/盘6英寸-3片×4=12片/盘设备名称：精密单面研磨机12Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step3:单面研磨（Single side Lapping）-自动车刀修盘装置13Chapter 3 : PSS 加工流程详细说明Step3:单面研磨（Single side Lapping ）3um 金刚石液研磨后晶片检测图4英寸蓝宝石晶片粗糙度检测值表面观测图3D图14Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step4:CMP抛光（CMP Polishing）项目ASP-910（36英寸）ASP-1200（48英寸）陶瓷盘规格Φ360mmΦ457.2mm陶瓷盘数量44抛光盘不锈钢盘+抛光垫不锈钢盘+抛光垫抛光液SiO2抛光液SiO2抛光液装片数量2英寸-17片×4=60片/盘4英寸-9片×4=36片/盘4英寸-6片×4=24片/盘6英寸-3片×4=12片/盘设备名称：CMP抛光机15Chapter 3 : PSS加工流程详细说明Step4:CMP抛光（CMP Polishing）液晶触摸屏16Chapter 3 : PSS 加工流程详细说明Step4:CMP 抛光（CMP Polishing ）CMP 抛光后晶片检测图4英寸蓝宝石晶片粗糙度检测值表面观测图3D图17国外主要蓝宝石客户：ILJIN DISPLAY-韩国 WORLDEX-韩国 TPS-韩国BRIDGE STONE –日本 CRYSTALWISE –台湾MONOCRYSTAL –俄罗斯国内加工蓝宝石衬底客户青岛嘉星晶电 浙江露笑光电 国内SiC 衬底客户 中科院物理所苏州天科合达蓝光半导体有限公司 上海硅酸盐所 国内GaN 衬底客户苏州纳米所Chapter 4 : 主要客户清单（Customer List ）18目前AM在北京和苏州成立技术服务中心，有熟练技术人员数名，专门负责设备的安装调试和售后技术服务。