孫敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)在PSS制程中的應用

孫敏

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

介紹了圖形化藍寶石襯底的工藝制程，以及濕法刻蝕的工作原理，針對圖形化藍寶石襯底濕法刻蝕過程中的難點，最大程度上提高全自動濕法刻蝕系統(tǒng)的溫度控制以及安全防護功能，使得全自動濕法刻蝕系統(tǒng)在圖形化藍寶石襯底的制備過程中發(fā)揮最大優(yōu)勢。

濕法刻蝕；圖形化藍寶石襯底；全自動

LED（Light Emitting Diode）是一種能夠將電能轉化為光能的半導體器件，作為一種新型的綠色照明產(chǎn)品，業(yè)界認為其將取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈，成為通用照明市場的主流。LED一般是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaAs（砷化鎵）、GaP(l磷化鎵)、GaN（氮化鎵）等組成的P-N結面結構的裝置。其中GaN具有帶隙寬、熱導率飽和電子速率高、化學性能未定和機械性能好等諸多優(yōu)異性能。由于高質(zhì)量、成本合適的GaN同質(zhì)襯底很難制備,而藍寶石具有化學和物理性質(zhì)穩(wěn)定、透光性好、成本合適等優(yōu)點,因此被廣泛用做GaN基發(fā)光二極管外延襯底。但GaN外延薄膜與底部的藍寶石襯底的晶格常數(shù)失配(16%)和熱膨脹系數(shù)失配 (34%)很大,導致在GaN外延薄膜產(chǎn)生高達1×109～1×1010cm-2的線位錯密度。高的線位錯密度將影響外延薄膜的光學和電學特性，從而使器件的可靠性和內(nèi)量子效率降低。另一方面，GaN的折射率(n=2.5)大于空氣的折射率(n=1)和藍寶石襯底的折射率(n=1.78)，因此光逃逸角錐的臨界角(～23°)非常小，造成有源層產(chǎn)生的光子只有～4%從表面溢出,而大部分光子逐漸消失于內(nèi)部全反射,并轉化成熱能[1]。

基于以上原因，為了降低外延GaN材料的位錯密度和提高光提取效率，近年來提出了一種獲得高質(zhì)量GaN外延的新方法-圖形化藍寶石襯底，即PSS（Patterned Sapphire Substrate）。圖1為帶有PSS結構的LED示意圖。

圖1 PSS結構的LED示意圖

PSS是指在藍寶石襯底上制作出具有細微結構的周期性圖形。

這些周期性圖形，不僅改變了GaN外延的生長過程，使外延生長由縱向變成橫向，有效降低GaN外延材料的缺陷密度，提高LED器件的內(nèi)量子效率，而且粗糙化的GaN藍寶石界面能夠改變光線路徑，提高器件的出光率。

1 圖形化藍寶石襯底的制備工藝

現(xiàn)有的圖形化藍寶石襯底根據(jù)晶格常數(shù)的大小分為：微米量級和納米量級的圖形化襯底。其中納米量級的圖形化藍寶石襯底具有微米量級的所有特點，并且具有二維光子晶體所特有的光子帶效應，有利于更大幅度提高ED的光提取效率。但是由于技術水平限制，納米量級的圖形化襯底制備技術還處于實驗研究階段。微米量級的制備技術已趨于成熟，被廣泛的應用于GaN基LED的制備[2]。本文討論的內(nèi)容只在微米量級范圍。

已知的PSS制備方法包括干法刻蝕、濕法刻蝕和高溫固相反應生成。干法刻蝕具有安全、高效、易控制等特點，但其設備成本比較高,容易損傷襯底；高溫固相反應主要應用于納米量級圖形化襯底的制備，現(xiàn)應用于實驗制備；而濕法刻蝕制備圖形化藍寶石襯底技術由于成本低,工藝簡單,生產(chǎn)效率高,能有效的避免損傷問題,具有較高的實用性價值，成為近期研究的熱點。表1是干法PSS和濕法PSS制備工藝的對比表格。

表1 干法PSS和濕法PSS制備工藝的對比

1.1 圖形化藍寶石襯底的濕法刻蝕

藍寶石（AL2O3）是由AL原子和O原子以六方最密堆積而成的單晶基板，其基本物理特性如表2所示。藍寶石由于晶體結構同為六方晶并且熱穩(wěn)定性高，所以被廣泛應用于GaN襯底。然而藍寶石也同時具有熔點高，硬度強的物理特性，使得在上面做出圖形化輪廓是非常困難的。

PSS濕法刻蝕可以通過不同的方法實現(xiàn)藍寶石的圖形化刻蝕，以到達不同形狀的圖形。但是基本思路都是通過SiO2作為刻蝕阻擋層，刻蝕藍寶石襯底圖形，再把SiO2腐蝕去除[3]。圖2是一種濕法刻蝕圖形化藍寶石襯底的方法示意圖。

表2 藍寶石AL2O3物理特性

在這種圖形化藍寶石襯底制備過程中，首先在藍寶石基本上沉積一層SiO2（圖2b）；接著在黃光區(qū)涂膠光刻使得光刻膠保留圖形（圖2c和d）；再通過BOE溶液對SiO2層刻蝕，得到SiO2掩膜圖形（圖2e）；再使用有機溶劑或者酸去除光刻膠（圖2f）；接著使用H3PO4（85%）：H2SO4（98%）=1:3的溶液對露出的藍寶石進行刻蝕（圖2g），對溫度和時間的控制不同，得到的圖形也不同；最后再使用酸去除SiO2掩膜層，得到最終的圖形化藍寶石襯底（圖2h）。

圖2 一種濕法刻蝕制備藍寶石圖形化襯底的方法

其中在圖2g這一步驟中，是濕法刻蝕的主要步驟，主要利用了高溫下H3PO4:H2SO4=1:3的混酸體系對藍寶石進行刻蝕。首先AL2O3發(fā)生分解，AL-O-AL鍵發(fā)生斷裂，AL3+進入到混酸里。此時混酸里主要有H+，HSO4-，SO42-，H2PO4-，HPO42-，PO43-等[4]。在混酸里主要發(fā)生如下反應：

1.2 PSS濕法刻蝕難點

（1）溫度、溶液比例以及刻蝕時間都會同時對刻蝕效果產(chǎn)生影響。

將已有圖形SiO2掩膜的藍寶石片放在1:3的 H3PO4和H2SO4的溶液里，在130～300℃下刻蝕6～30 min，刻蝕深度隨刻蝕時間的增加而增大，刻蝕速率為0.18～1μm/min，沿不同的晶向濕法腐蝕速率不同，利用此特點，沿<1120>方向產(chǎn)生三角金字塔形狀的PSS，得到圓孔的直徑為3μm，晶格常數(shù)為7μm，孔深0.5μm，孔中心是三角形，中心點在c面，被三個<1102>面包圍。刻蝕出來的圖形由掩膜圖形決定，用凸狀和凹狀的掩膜圖形分別得到凹狀和凸狀的PSS，如圖3所示。而不同溫度下刻蝕出來凸狀PSS的效果圖如圖4所示。

圖3 濕法刻蝕凸狀和凹狀PSS

圖4 濕法刻蝕不同溫度下刻蝕效果

所以對于溶液比例配比、溫度以及工藝時間的控制精度，都有很高的要求。

（2）由于濕法刻蝕的溶液是有強酸高濃度混合而成，而且需要加熱到300℃左右，溶液具有很強的腐蝕性。所以濕法刻蝕PSS技術需要高的安全保障與防護，以降低事故發(fā)生的可能性以及事故發(fā)生之后損失的嚴重性。

2 全自動濕法刻蝕系統(tǒng)

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)相對于手動濕法刻蝕系統(tǒng)，具有自動化程度高，操作安全方便，工藝一致性高，系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性和安全性好等優(yōu)點。

本文介紹的全自動濕法刻蝕系統(tǒng)使用多槽系統(tǒng)，相對于單槽刻蝕系統(tǒng)，多槽系統(tǒng)產(chǎn)能高、晶圓間不會產(chǎn)生互相污染。其工作原理是通過機械手完成人手完成的工作，機械手將裝有多片藍寶石片的片盒拿起，逐次放入刻蝕槽體、清洗槽體和烘干槽體，進行刻蝕和清洗及烘干，最后得到刻蝕好的圖形化藍寶石襯底片。其工作原理示意圖如圖5所示。

圖5 全自動濕法刻蝕工作原理示意圖

2.1 全自動濕法刻蝕系統(tǒng)組成

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)主要由水氣路系統(tǒng)、槽體系統(tǒng)、配液供液系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、運動傳輸系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)構成。

2.1.1 水氣路系統(tǒng)

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)的水氣路系統(tǒng)主要用途：為各個氣動閥體和檢測傳感器提供動力源；為清洗槽體提供去離子水；為刻蝕槽體溶液以及清洗槽體廢水提供排放管路；為氮氣烘干槽體提供氮氣。

2.1.2 槽體系統(tǒng)

槽體系統(tǒng)包括三種槽體：高溫刻蝕槽體、QDR清洗槽體、氮氣烘干槽體。高溫刻蝕槽體需要耐腐蝕、耐高溫、防爆、防漏電、防漏液這些特性。QDR清洗槽體則一般需要注入去離子水、鼓氮氣、噴淋去離子水、快速排放等功能。氮氣烘干槽體具有吹熱氮氣，以及橫向往復運動或者旋轉方式來達到均勻烘干的目的。

2.1.3 配液供液系統(tǒng)

配有配液供液系統(tǒng)有兩個目的：（1）短距離傳輸高濃度酸液相比廠房集中供液系統(tǒng)供液，有效降低強酸在長傳輸路途中危險性的可能；（2）自動配液供液，提高了配比精度和穩(wěn)定性，降低了配液過程中的危險性[5]。

配液供液系統(tǒng)主要由配液柜、傳輸管路以及傳感器構成。為了提高配比精度，一般使用體積和質(zhì)量測量方法。

2.1.4 溫度控制系統(tǒng)

刻蝕槽體和烘干槽體都需要加熱和溫度控制。溫度控制系統(tǒng)由加熱器件、溫度控制器以及制冷設備構成。刻蝕液體的加熱在槽體內(nèi)進行，烘干槽的加熱是氮氣的在線加熱，一般控制溫度在60℃左右。

2.1.5 運動傳輸系統(tǒng)

全自動濕法刻蝕設備只需要在上料臺將物料成批放置好后，所有過程都會自動完成，最后只需要在下料臺將清洗處理好的物料取下。其中的物料傳輸過程都是通過機械手來自動完成，這就是所謂的運動傳輸系統(tǒng)。運動傳輸系統(tǒng)由運動控制器、電機、位置傳感器以及手爪氣動控制組成。

2.1.5 安全防護系統(tǒng)

安全防護系統(tǒng)由各種檢測傳感器、報警系統(tǒng)、緊急處理系統(tǒng)構成。檢測傳感器包括：氣壓檢測、水壓檢測、漏液檢測、槽體液位檢測、漏電檢測、排風壓力檢測、整機溫度檢測、火焰檢測、火光檢測等等。報警系統(tǒng)基本配置有：屏幕彈出框報警、聲光報警、遠程維護報警等。緊急處理系統(tǒng)包括：整機閥體關閉、滅火系統(tǒng)、稀釋酸排放系統(tǒng)等。

2.2 全自動濕法刻蝕控制原理

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)主要由控制部分、執(zhí)行部分以及傳感測量部分構成?？刂撇糠职l(fā)出命令使得執(zhí)行部分工作，再通過傳感測量部分獲得數(shù)據(jù)反饋，調(diào)整控制輸出數(shù)據(jù)及命令，達到對控制目的最優(yōu)控制，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。全自動濕法刻蝕系統(tǒng)由這個多個閉環(huán)控制系統(tǒng)構成，已達到對各個功能的準確及動態(tài)控制。其主要構成如圖6所示。

以運動傳輸系統(tǒng)的控制為例，具體的控制原理如圖7所示。

圖6 全自動濕法刻蝕系統(tǒng)控制原理圖

圖7 全自動濕法刻蝕系統(tǒng)機械手控制原理圖

全自動清洗系統(tǒng)的運動運輸系統(tǒng)分別可以進行手動和自動運行兩種控制方式，通過觸摸屏或者手自動轉換按鈕，選擇系統(tǒng)運行方式，PLC進行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送指令到達X向和Y向伺服電機驅動器，控制X向和Y向伺服電機運行到指定位置，再通過位置傳感器來判斷是否到達指定位置，達到閉環(huán)控制。手爪的開合也是通過PLC的I/O輸出來控制氣缸的氣動閥，進行手抓開合角度的控制。

3 全自動濕法刻蝕系統(tǒng)難點解決方案

對于前面分析的圖形化藍寶石襯底濕法刻蝕的難點，對應作出系統(tǒng)的難點解決方案。

3.1 溫度控制

針對本系統(tǒng)槽式的高溫度、不流動性、強酸腐蝕環(huán)境，使用槽壁的貼膜加熱方式，其具有加熱均勻、避免腐蝕以及可靠性高的優(yōu)點。在槽壁和槽底均貼有加熱膜，可以使得溶液受熱均勻；加熱膜可在槽體加工時一體成型，達到耐腐蝕的目的；加熱膜自帶溫度保護開關，一旦溫度超過可承受極限，加熱環(huán)路自動斷路，起到安全保護作用。

對于溫度高精度控制，現(xiàn)已有多種控制方式和算法。例如模糊控制算法、PID遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡算法等等?，F(xiàn)有的算法都已成熟穩(wěn)定，可以做到快速穩(wěn)定目標溫度，以及將溫度震蕩降低到最小程度。圖8、圖9是已有應用基于遺傳算法的PID控制算法得到的實際溫度響應曲線和傳統(tǒng)PID控制響應曲線對比[6]。

圖8 傳統(tǒng)PID溫度控制響應曲線

圖9 基于遺傳算法PID溫度控制響應曲線

溫度傳感器的安裝不能在槽體中心的刻蝕工作區(qū)域，只能安裝在槽體四周。而通過槽壁加熱方式，溶液又處于不流動的狀態(tài)，溫度傳輸只能通過溶液的熱傳遞方式達到平衡。這樣很容易造成槽體中心和槽體四周的溫度有溫度差，測量溫度和實際工作區(qū)域溫度有偏差，造成實際溫度控制的震蕩。為了提高槽體內(nèi)部均勻性，可以在刻蝕槽體內(nèi)部加入攪拌抖動功能，攪拌抖動機構通過步進電機以及傳動機構，帶動攪拌抖動架上下運動，而承片盒則放在攪拌抖動架上一起運動。這樣不僅能夠提高槽體內(nèi)部溫度均勻性，還能夠起到溶液和藍寶石片充分接觸的作用。具體抖動速度可以通過觸摸屏控制。

溫度控制中加入制冷器，對槽體溶液溫度進行雙向控制，提高溫度控制效率，并且可以起到一定安全保護功能。

3.2 安全保護性能

高達300℃強酸的腐蝕性是整個系統(tǒng)的安全保護重點，一旦發(fā)生泄漏、爆炸以及起火對整個生產(chǎn)環(huán)境以及操作人員都是巨大的災難。除了廠房自帶的防腐防爆保障，全自動濕法刻蝕系統(tǒng)也具備了各種安全保護措施。

（1）槽體是刻蝕溶液的主要容器，雙層槽體、多層槽底或者水浴加熱，都是防止二次泄露的常用方法，一旦發(fā)生泄露，保護層和槽體之間的漏液傳感器發(fā)出信號，PLC發(fā)出聲光報警指令的同時，關閉所有注液閥門，打開保護槽體的排液閥門，將腐蝕造成的損失降到最小。

（2）整機設備底部是QDR清洗槽的廢水排放渠道，QDR清洗槽將廢水快速排放至設備底部，再通過設備底部的排放管道排出設備。廢水的酸性很弱，腐蝕性小，正常運行是可以在設備底部保存一定廢水，一旦槽體高溫強酸泄漏到設備底部，可以起到一定的降溫和稀釋作用，一定程度上減弱了腐蝕性。槽底放置pH值檢測傳感器，一旦pH值超過設定范圍，PLC將發(fā)出聲光報警指令，可提前對小滲漏進行排查，避免大的泄露事故發(fā)生。

（3）帶有多探頭的滅火系統(tǒng)，其中探頭可探測溫度、火光以及煙霧。一旦發(fā)生爆炸或者起火，滅火系統(tǒng)啟動，整機斷電。

4 結 論

全自動濕法刻蝕系統(tǒng)是圖形化藍寶石襯底制備過程中的主要設備，其具有成本低、自動化程度高、生產(chǎn)效率高、一致性好、安全可靠等特點。針對圖形化藍寶石襯底濕法刻蝕過程中的眾多難點，最大程度上提高全自動濕法刻蝕系統(tǒng)的溫度控制以及安全防護功能，使得全自動濕法刻蝕系統(tǒng)在圖形化藍寶石襯底的制備過程中發(fā)揮最大優(yōu)勢。

[1] Zhao L B，Yu T J，Wu J J，et al.Anisotropic defect reduction in non-polar a-plane GaN grown by hydride vapor phase epitaxy on maskless patternedtemplates[J].Applied Surface Science，2010，256(7)：2236-2240.

[2] Lee Y J，Kuo HC，Lu TC，et al.Fabrication andcharacterizationof GaN-based LEDs grownonchemical wet-etched patterned sapphire substrates[J].Journal of the Electrochemical Society，2006，153(12)：G11061-G11064.

[3] 艾常濤，易賢，靳彩霞，等.藍寶石圖形化襯底的GaN基LED大功率芯片的研究和產(chǎn)業(yè)化[C].第三屆國際新光源&新能源論壇，2009(4)：151-155.

[4] 桂全宏，周福強.高效大功率LED用藍寶石圖形襯底制備的研究進展[J].功能材料，2012，21(43)：2886-2891.

[5] 祝福生.LED濕法清洗設備CDS設計[J].電子工業(yè)專用設備，2013(1)：43-48.

[6] 孫敏，張金鳳，鄭佳晶.遺傳算法在濕法刻蝕設備溫度PID控制中的應用[J].電子工業(yè)專用設備，2014(1)：31-34.

The Application of Full-Automatic Wet Etching System in the Patterned Sapphire Substrate Product Process

SUN Min

(The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China)

In this paper it directed at the difficult points of the patterned sapphire substrate product process,full-automatic wet etching system increase the accuracy at the temperature control and the safe protection function.It brings the full-automatic wet etching system's most superiority into full production of the patterned sapphire substrate.

Wet etching；PSS(Patterned sapphire substrate)；Full-automatic

TN305.7

：B

：1004-4507(2015)08-0024-06

2015-06-29

孫敏（1981-），工程師，碩士研究生，畢業(yè)于電子科技大學機械電子專業(yè)，現(xiàn)從事半導體濕法設備的研制。