蓝宝石晶片目前广泛用作III-V族< color=#0000ff>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< color=#0000ff>ELEDE™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。

　　二、刻蚀设备及机理

　　图1是PSS刻蚀研究使用ELEDE™330高密度等离子体ICP刻蚀系统示意图，它可进行蓝宝石衬底图形化刻蚀、Si衬底刻蚀以及GaN基外延层刻蚀等LED领域所有刻蚀应用。有优秀的刻蚀均匀性控制，保证大批量生产时的片间均匀性和工艺重复性，一次可完成27片2英寸GaN基外延层刻蚀或22片2英寸蓝宝石衬底刻蚀。系统集成了高密度等离子体源、高寿命机械卡盘、精密的腔室温度控制系统、稳定的高精度压力控制系统、IC标准的中央喷嘴进气系统及IC级别的腔室表面处理等多项先进技术，用IC刻蚀工艺更为精密的设计要求来实现LED领域更高性能的刻蚀工艺，以更大程度地提高< color=#0000ff>LED芯片的发光效率。

　　该刻蚀机由工艺腔、传输腔、气体控制盒、射频系统、真空系统、温控系统以及装载模块(选配)等部分组成。其中上下电极采用13.56MHz、1500W射频功率，托盘尺寸为330mm，PSS刻蚀使用Al托盘，上面覆盖石英盖板，可装载22片2英寸蓝宝石衬底片。LED刻蚀深度较深，刻蚀速率较慢，刻蚀时间较长(10~30min)，考虑到PR的挥发、刻蚀均匀性以及刻蚀过程中等离子体轰击产生的热量去除，对下电极散热能力要求较高，工艺中基座温度一般设置为-10~-20℃。LED刻蚀副产物的沸点较高，很难被去除，所以LED刻蚀设备的腔室及内衬需要加热，以减少刻蚀副产物的沉积。

　　图1 ELEDE™330高密度等离子体ICP刻蚀系统示意图

　　由于蓝宝石(Al2O3)的Al-O键键能较大，所以该化合物很难被刻蚀。因此物理轰击起至关重要的作用，并直接影响刻蚀速率。另外由于Ga、Al氟化物的沸点较高，所以一般采用Cl进行LED刻蚀。PSS刻蚀中采用的主刻蚀气体为BCl3，BCl3分解后产生的Cl可以和Al2O3发生化学反应，并且BClx对Al-O键的轰击作用也比较强，其刻蚀机理如下式所述：

　　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刻蚀工艺

　　根据ELEDE™330高密度等离子体ICP刻蚀系统的特点，PSS刻蚀工艺主要对以下几个工艺参数进行调节，分别为上电极功率、下电极功率、气体压力、工艺气体的选择和比例等。根据刻蚀机理并通过对这几个参数的调节试验，逐步提高ELEDE™330刻蚀机的PSS刻蚀工艺指标，以满足PSS图形参数和产业化生产的需要。

　　随着上电极功率的增大，蓝宝石刻蚀速率增大。这是因为随着上电极功率的增大，气体的电离度增大，腔室内的离子浓度逐渐增大，所以刻蚀速率会增大。另外刻蚀工艺气体一般都会加入一些辅助刻蚀气体，如Cl2、Ar、HBr等。蓝宝石刻蚀速率随上电极功率的增加，不仅与离子轰击种类如BClx+、Clx+、Ar+等的增加有关，还与反应自由基的种类如BCl、Cl、Br等有关，这些都可以从Al2O3中除去Al或O。光刻胶刻蚀速率的增加也有类似的影响。

　　下电极功率对刻蚀速率的影响也很大，刻蚀速率随着下电极功率的增大而单调增加，这是由于随着下电极功率的增大，离子轰击基片表面的能量增大，Al-O共价键打断的机率增大，所以刻蚀速率会增大。

　　下电极功率的增加提高了离子和自由基的通量，因此提高了蓝宝石和光刻胶的刻蚀速率，加快了衬底材料和表面形成的溅射副产物的溅射去除。在高偏压和高功率下即使刻蚀选择比显示出饱和状态，蓝宝石的刻蚀速率仍然会随着下电极功率和上电极功率连续的线性增加。

　　工艺压力对刻蚀速率也有明显的影响，一般来说，刻蚀速率随着压强的增大会有一个增大继而减小的过程。随着压强的增大，腔室中反应气体相应增多，电离生成的离子浓度也就增大，参与物理轰击和化学反应的离子增多，所以刻蚀速率增大。而当压强继续增大时，一方面腔室的气体较多，增大了离子之间的碰撞复合几率，参与刻蚀的离子减少;另一方面，腔室中的刻蚀生成物较多，与离子碰撞的机率也增大，从而减小了到达基片表面离子的轰击能量，所以刻蚀速率会减小。图2为ELEDE™330刻蚀机在工艺压力为7mT到30mT的范围内刻蚀速率和选择比的变化。在7mT到30mT之间，蓝宝石刻蚀速率逐渐降低，而刻蚀选择比也随之减小。

　　图2 压强对PSS刻蚀速率的影响

　　BCl3在蓝宝石刻蚀中起着至关重要的作用，在ICP干法刻蚀Al2O3过程中，BCl3气体是主要刻蚀物。一方面，等离子体中的BCl化学活性物可以去除样品表面的O，通过化学反应机理进行Al2O3材料的刻蚀;另一方面，等离子体中的BCl+2、 BCl+3在打断Al-O共价键(21.2 eV)中起主要作用，增强了刻蚀效率，综合其物理化学机制，其对Al2O3材料的刻蚀效率的贡献远高于Cl2、Ar、HBr等。BCl3的比例减小会减弱参与物理轰击的离子浓度，刻蚀速率就会减小。实际刻蚀工艺中可根据不同的图形要求来选择一些辅助气体，以达到特定刻蚀速率和选择比。以光刻胶图形为例，一般来说，加入Cl2会减小刻蚀选择比，而加入HBr会增大选择比，并且有更大的刻蚀角度。HBr/BCl3刻蚀有更大的角度很可能与HBr的刻蚀特性相关，其刻蚀产物如AlBrx保护光刻胶侧壁效果要好于AlClx。图3分别为Cl2/BCl3和HBr/BCl3气体组合刻蚀蓝宝石的刻蚀形貌。

　　图3 Cl2/BCl3和HBr/BCl3气体刻蚀蓝宝石的形貌(左图为Cl2/BCl3刻蚀结果，右图为HBr/BCl3刻蚀结果)

　　图4为通过工艺调节得到的刻蚀趋势，使用ELEDE™330刻蚀系统刻蚀出的不同PSS图形。

　　图4 ELEDE™330刻蚀机制备的的不同PSS刻蚀图形

　　四、结论

　　本文通过在国产化设备ELEDE™330高密度等离子体ICP刻蚀机上进行LED PSS刻蚀工艺的研究，得到了目前业界普遍研究的几种图形，并且从刻蚀机理上对PSS刻蚀工艺进行了一些趋势性的分析。其中BCl3为PSS主刻蚀气体，并可根据刻蚀速率和刻蚀选择比的不同要求，添加几种辅助气体如Cl2、HBr、Ar等。随着上电极和下电极功率的增加，刻蚀速率在一定范围内都有增加的趋势，而工作气压上升则会使刻蚀速率和选择比下降。通过PSS刻蚀工艺调节，充分利用ELEDE™330刻蚀系统的硬件窗口，在刻蚀参数的选择上有更大的可调空间，能够满足不同PSS图形刻蚀的需要。