全自动湿法刻蚀系统在PSS制程中的应用

孙敏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

全自动湿法刻蚀系统在PSS制程中的应用

孙敏

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)

介绍了图形化蓝宝石衬底的工艺制程，以及湿法刻蚀的工作原理，针对图形化蓝宝石衬底湿法刻蚀过程中的难点，最大程度上提高全自动湿法刻蚀系统的温度控制以及安全防护功能，使得全自动湿法刻蚀系统在图形化蓝宝石衬底的制备过程中发挥最大优势。

湿法刻蚀；图形化蓝宝石衬底；全自动

LED（Light Emitting Diode）是一种能够将电能转化为光能的半导体器件，作为一种新型的绿色照明产品，业界认为其将取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯，成为通用照明市场的主流。LED一般是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，例如GaAs（砷化镓）、GaP(l磷化镓)、GaN（氮化镓）等组成的P-N结面结构的装置。其中GaN具有带隙宽、热导率饱和电子速率高、化学性能未定和机械性能好等诸多优异性能。由于高质量、成本合适的GaN同质衬底很难制备,而蓝宝石具有化学和物理性质稳定、透光性好、成本合适等优点,因此被广泛用做GaN基发光二极管外延衬底。但GaN外延薄膜与底部的蓝宝石衬底的晶格常数失配(16%)和热膨胀系数失配 (34%)很大,导致在GaN外延薄膜产生高达1×109～1×1010cm-2的线位错密度。高的线位错密度将影响外延薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。另一方面，GaN的折射率(n=2.5)大于空气的折射率(n=1)和蓝宝石衬底的折射率(n=1.78)，因此光逃逸角锥的临界角(～23°)非常小，造成有源层产生的光子只有～4%从表面溢出,而大部分光子逐渐消失于内部全反射,并转化成热能[1]。

基于以上原因，为了降低外延GaN材料的位错密度和提高光提取效率，近年来提出了一种获得高质量GaN外延的新方法-图形化蓝宝石衬底，即PSS（Patterned Sapphire Substrate）。图1为带有PSS结构的LED示意图。

图1 PSS结构的LED示意图

PSS是指在蓝宝石衬底上制作出具有细微结构的周期性图形。

这些周期性图形，不仅改变了GaN外延的生长过程，使外延生长由纵向变成横向，有效降低GaN外延材料的缺陷密度，提高LED器件的内量子效率，而且粗糙化的GaN蓝宝石界面能够改变光线路径，提高器件的出光率。

1 图形化蓝宝石衬底的制备工艺

现有的图形化蓝宝石衬底根据晶格常数的大小分为：微米量级和纳米量级的图形化衬底。其中纳米量级的图形化蓝宝石衬底具有微米量级的所有特点，并且具有二维光子晶体所特有的光子带效应，有利于更大幅度提高ED的光提取效率。但是由于技术水平限制，纳米量级的图形化衬底制备技术还处于实验研究阶段。微米量级的制备技术已趋于成熟，被广泛的应用于GaN基LED的制备[2]。本文讨论的内容只在微米量级范围。

已知的PSS制备方法包括干法刻蚀、湿法刻蚀和高温固相反应生成。干法刻蚀具有安全、高效、易控制等特点，但其设备成本比较高,容易损伤衬底；高温固相反应主要应用于纳米量级图形化衬底的制备，现应用于实验制备；而湿法刻蚀制备图形化蓝宝石衬底技术由于成本低,工艺简单,生产效率高,能有效的避免损伤问题,具有较高的实用性价值，成为近期研究的热点。表1是干法PSS和湿法PSS制备工艺的对比表格。

表1 干法PSS和湿法PSS制备工艺的对比

1.1 图形化蓝宝石衬底的湿法刻蚀

蓝宝石（AL2O3）是由AL原子和O原子以六方最密堆积而成的单晶基板，其基本物理特性如表2所示。蓝宝石由于晶体结构同为六方晶并且热稳定性高，所以被广泛应用于GaN衬底。然而蓝宝石也同时具有熔点高，硬度强的物理特性，使得在上面做出图形化轮廓是非常困难的。

PSS湿法刻蚀可以通过不同的方法实现蓝宝石的图形化刻蚀，以到达不同形状的图形。但是基本思路都是通过SiO2作为刻蚀阻挡层，刻蚀蓝宝石衬底图形，再把SiO2腐蚀去除[3]。图2是一种湿法刻蚀图形化蓝宝石衬底的方法示意图。

表2 蓝宝石AL2O3物理特性

在这种图形化蓝宝石衬底制备过程中，首先在蓝宝石基本上沉积一层SiO2（图2b）；接着在黄光区涂胶光刻使得光刻胶保留图形（图2c和d）；再通过BOE溶液对SiO2层刻蚀，得到SiO2掩膜图形（图2e）；再使用有机溶剂或者酸去除光刻胶（图2f）；接着使用H3PO4（85%）：H2SO4（98%）=1:3的溶液对露出的蓝宝石进行刻蚀（图2g），对温度和时间的控制不同，得到的图形也不同；最后再使用酸去除SiO2掩膜层，得到最终的图形化蓝宝石衬底（图2h）。

图2 一种湿法刻蚀制备蓝宝石图形化衬底的方法

其中在图2g这一步骤中，是湿法刻蚀的主要步骤，主要利用了高温下H3PO4:H2SO4=1:3的混酸体系对蓝宝石进行刻蚀。首先AL2O3发生分解，AL-O-AL键发生断裂，AL3+进入到混酸里。此时混酸里主要有H+，HSO4-，SO42-，H2PO4-，HPO42-，PO43-等[4]。在混酸里主要发生如下反应：

1.2 PSS湿法刻蚀难点

（1）温度、溶液比例以及刻蚀时间都会同时对刻蚀效果产生影响。

将已有图形SiO2掩膜的蓝宝石片放在1:3的 H3PO4和H2SO4的溶液里，在130～300℃下刻蚀6～30 min，刻蚀深度随刻蚀时间的增加而增大，刻蚀速率为0.18～1μm/min，沿不同的晶向湿法腐蚀速率不同，利用此特点，沿<1120>方向产生三角金字塔形状的PSS，得到圆孔的直径为3μm，晶格常数为7μm，孔深0.5μm，孔中心是三角形，中心点在c面，被三个<1102>面包围。刻蚀出来的图形由掩膜图形决定，用凸状和凹状的掩膜图形分别得到凹状和凸状的PSS，如图3所示。而不同温度下刻蚀出来凸状PSS的效果图如图4所示。

图3 湿法刻蚀凸状和凹状PSS

图4 湿法刻蚀不同温度下刻蚀效果

所以对于溶液比例配比、温度以及工艺时间的控制精度，都有很高的要求。

（2）由于湿法刻蚀的溶液是有强酸高浓度混合而成，而且需要加热到300℃左右，溶液具有很强的腐蚀性。所以湿法刻蚀PSS技术需要高的安全保障与防护，以降低事故发生的可能性以及事故发生之后损失的严重性。

2 全自动湿法刻蚀系统

全自动湿法刻蚀系统相对于手动湿法刻蚀系统，具有自动化程度高，操作安全方便，工艺一致性高，系统可靠性、稳定性和安全性好等优点。

本文介绍的全自动湿法刻蚀系统使用多槽系统，相对于单槽刻蚀系统，多槽系统产能高、晶圆间不会产生互相污染。其工作原理是通过机械手完成人手完成的工作，机械手将装有多片蓝宝石片的片盒拿起，逐次放入刻蚀槽体、清洗槽体和烘干槽体，进行刻蚀和清洗及烘干，最后得到刻蚀好的图形化蓝宝石衬底片。其工作原理示意图如图5所示。

图5 全自动湿法刻蚀工作原理示意图

2.1 全自动湿法刻蚀系统组成

全自动湿法刻蚀系统主要由水气路系统、槽体系统、配液供液系统、温度控制系统、运动传输系统、安全防护系统构成。

2.1.1 水气路系统

全自动湿法刻蚀系统的水气路系统主要用途：为各个气动阀体和检测传感器提供动力源；为清洗槽体提供去离子水；为刻蚀槽体溶液以及清洗槽体废水提供排放管路；为氮气烘干槽体提供氮气。

2.1.2 槽体系统

槽体系统包括三种槽体：高温刻蚀槽体、QDR清洗槽体、氮气烘干槽体。高温刻蚀槽体需要耐腐蚀、耐高温、防爆、防漏电、防漏液这些特性。QDR清洗槽体则一般需要注入去离子水、鼓氮气、喷淋去离子水、快速排放等功能。氮气烘干槽体具有吹热氮气，以及横向往复运动或者旋转方式来达到均匀烘干的目的。

2.1.3 配液供液系统

配有配液供液系统有两个目的：（1）短距离传输高浓度酸液相比厂房集中供液系统供液，有效降低强酸在长传输路途中危险性的可能；（2）自动配液供液，提高了配比精度和稳定性，降低了配液过程中的危险性[5]。

配液供液系统主要由配液柜、传输管路以及传感器构成。为了提高配比精度，一般使用体积和质量测量方法。

2.1.4 温度控制系统

刻蚀槽体和烘干槽体都需要加热和温度控制。温度控制系统由加热器件、温度控制器以及制冷设备构成。刻蚀液体的加热在槽体内进行，烘干槽的加热是氮气的在线加热，一般控制温度在60℃左右。

2.1.5 运动传输系统

全自动湿法刻蚀设备只需要在上料台将物料成批放置好后，所有过程都会自动完成，最后只需要在下料台将清洗处理好的物料取下。其中的物料传输过程都是通过机械手来自动完成，这就是所谓的运动传输系统。运动传输系统由运动控制器、电机、位置传感器以及手爪气动控制组成。

2.1.5 安全防护系统

安全防护系统由各种检测传感器、报警系统、紧急处理系统构成。检测传感器包括：气压检测、水压检测、漏液检测、槽体液位检测、漏电检测、排风压力检测、整机温度检测、火焰检测、火光检测等等。报警系统基本配置有：屏幕弹出框报警、声光报警、远程维护报警等。紧急处理系统包括：整机阀体关闭、灭火系统、稀释酸排放系统等。

2.2 全自动湿法刻蚀控制原理

全自动湿法刻蚀系统主要由控制部分、执行部分以及传感测量部分构成。控制部分发出命令使得执行部分工作，再通过传感测量部分获得数据反馈，调整控制输出数据及命令，达到对控制目的最优控制，形成闭环控制系统。全自动湿法刻蚀系统由这个多个闭环控制系统构成，已达到对各个功能的准确及动态控制。其主要构成如图6所示。

以运动传输系统的控制为例，具体的控制原理如图7所示。

图6 全自动湿法刻蚀系统控制原理图

图7 全自动湿法刻蚀系统机械手控制原理图

全自动清洗系统的运动运输系统分别可以进行手动和自动运行两种控制方式，通过触摸屏或者手自动转换按钮，选择系统运行方式，PLC进行数据处理，发送指令到达X向和Y向伺服电机驱动器，控制X向和Y向伺服电机运行到指定位置，再通过位置传感器来判断是否到达指定位置，达到闭环控制。手爪的开合也是通过PLC的I/O输出来控制气缸的气动阀，进行手抓开合角度的控制。

3 全自动湿法刻蚀系统难点解决方案

对于前面分析的图形化蓝宝石衬底湿法刻蚀的难点，对应作出系统的难点解决方案。

3.1 温度控制

针对本系统槽式的高温度、不流动性、强酸腐蚀环境，使用槽壁的贴膜加热方式，其具有加热均匀、避免腐蚀以及可靠性高的优点。在槽壁和槽底均贴有加热膜，可以使得溶液受热均匀；加热膜可在槽体加工时一体成型，达到耐腐蚀的目的；加热膜自带温度保护开关，一旦温度超过可承受极限，加热环路自动断路，起到安全保护作用。

对于温度高精度控制，现已有多种控制方式和算法。例如模糊控制算法、PID遗传算法、神经网络算法等等。现有的算法都已成熟稳定，可以做到快速稳定目标温度，以及将温度震荡降低到最小程度。图8、图9是已有应用基于遗传算法的PID控制算法得到的实际温度响应曲线和传统PID控制响应曲线对比[6]。

图8 传统PID温度控制响应曲线

图9 基于遗传算法PID温度控制响应曲线

温度传感器的安装不能在槽体中心的刻蚀工作区域，只能安装在槽体四周。而通过槽壁加热方式，溶液又处于不流动的状态，温度传输只能通过溶液的热传递方式达到平衡。这样很容易造成槽体中心和槽体四周的温度有温度差，测量温度和实际工作区域温度有偏差，造成实际温度控制的震荡。为了提高槽体内部均匀性，可以在刻蚀槽体内部加入搅拌抖动功能，搅拌抖动机构通过步进电机以及传动机构，带动搅拌抖动架上下运动，而承片盒则放在搅拌抖动架上一起运动。这样不仅能够提高槽体内部温度均匀性，还能够起到溶液和蓝宝石片充分接触的作用。具体抖动速度可以通过触摸屏控制。

温度控制中加入制冷器，对槽体溶液温度进行双向控制，提高温度控制效率，并且可以起到一定安全保护功能。

3.2 安全保护性能

高达300℃强酸的腐蚀性是整个系统的安全保护重点，一旦发生泄漏、爆炸以及起火对整个生产环境以及操作人员都是巨大的灾难。除了厂房自带的防腐防爆保障，全自动湿法刻蚀系统也具备了各种安全保护措施。

（1）槽体是刻蚀溶液的主要容器，双层槽体、多层槽底或者水浴加热，都是防止二次泄露的常用方法，一旦发生泄露，保护层和槽体之间的漏液传感器发出信号，PLC发出声光报警指令的同时，关闭所有注液阀门，打开保护槽体的排液阀门，将腐蚀造成的损失降到最小。

（2）整机设备底部是QDR清洗槽的废水排放渠道，QDR清洗槽将废水快速排放至设备底部，再通过设备底部的排放管道排出设备。废水的酸性很弱，腐蚀性小，正常运行是可以在设备底部保存一定废水，一旦槽体高温强酸泄漏到设备底部，可以起到一定的降温和稀释作用，一定程度上减弱了腐蚀性。槽底放置pH值检测传感器，一旦pH值超过设定范围，PLC将发出声光报警指令，可提前对小渗漏进行排查，避免大的泄露事故发生。

（3）带有多探头的灭火系统，其中探头可探测温度、火光以及烟雾。一旦发生爆炸或者起火，灭火系统启动，整机断电。

4 结 论

全自动湿法刻蚀系统是图形化蓝宝石衬底制备过程中的主要设备，其具有成本低、自动化程度高、生产效率高、一致性好、安全可靠等特点。针对图形化蓝宝石衬底湿法刻蚀过程中的众多难点，最大程度上提高全自动湿法刻蚀系统的温度控制以及安全防护功能，使得全自动湿法刻蚀系统在图形化蓝宝石衬底的制备过程中发挥最大优势。

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[3] 艾常涛，易贤，靳彩霞，等.蓝宝石图形化衬底的GaN基LED大功率芯片的研究和产业化[C].第三届国际新光源&新能源论坛，2009(4)：151-155.

[4] 桂全宏，周福强.高效大功率LED用蓝宝石图形衬底制备的研究进展[J].功能材料，2012，21(43)：2886-2891.

[5] 祝福生.LED湿法清洗设备CDS设计[J].电子工业专用设备，2013(1)：43-48.

[6] 孙敏，张金凤，郑佳晶.遗传算法在湿法刻蚀设备温度PID控制中的应用[J].电子工业专用设备，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

孙敏（1981-），工程师，硕士研究生，毕业于电子科技大学机械电子专业，现从事半导体湿法设备的研制。