GaN藍(lán)光LED半導(dǎo)體芯片制備與相關(guān)工藝的研究

1、湖南大學(xué)半導(dǎo)體與工藝加工課程論文HUNAN UNIVERSITY課 程 論 文論文題目GaN藍(lán)光LED半導(dǎo)體芯片制備與相關(guān)工藝的研究學(xué)生姓名 樊超學(xué)生學(xué)號(hào)201211010104專(zhuān)業(yè)班級(jí)應(yīng)用物理班學(xué)院名稱(chēng)應(yīng)用物理與微電子科學(xué)學(xué)院指導(dǎo)老師姚凌江2015年7月1日目錄摘要.3ABSTRACT.4第1章 緒論.51.1 LED概述.5 1.1.1LED芯片的研究意義.5 1.1.2氮化物藍(lán)光LED芯片.51.2 GaN藍(lán)光LED研究現(xiàn)狀.7 1.2.1提高GaN藍(lán)光LED電光轉(zhuǎn)換效率的方法.7 1.2.2表面粗化技術(shù).8 1.2.3透明電極技術(shù).9第2章 LED 芯片制備關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)設(shè)備.102.

2、1 光刻技術(shù).10 2.1.1光刻工藝基本流程.10 2.1.2光刻膠.11 2.1.3光刻機(jī).122.2 薄膜沉積.13 2.2.1 PECVD 沉積薄膜原理.13 2.2.2 PECVD 薄膜生長(zhǎng)速率及薄膜性質(zhì).14總結(jié)與展望.15參考文獻(xiàn).16摘要GaN材料為直接帶隙、寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的的光、電與熱傳導(dǎo)特性,因此適合作為短波長(zhǎng)光電元件的材料。自1993年第一只商業(yè)化GaN/InGaN藍(lán)光LED問(wèn)世以來(lái),GaN基發(fā)光器件的研究與應(yīng)用一直是全球研究的前沿和熱點(diǎn)。近年來(lái)通過(guò)涂覆熒光粉,GaN藍(lán)光LED實(shí)現(xiàn)了白光發(fā)射,被應(yīng)用于固態(tài)照明領(lǐng)域。照明用電占整個(gè)社會(huì)電力消耗的20%,為了實(shí)現(xiàn)綠

3、色照明,要求GaN藍(lán)光LED具有更高的電 光轉(zhuǎn)換效率。影響LED的電光轉(zhuǎn)換效率的因素包括LED的內(nèi)量子效率以及芯片光提取效率。隨著外延技術(shù)的發(fā)展,目前GaN/InGaN LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)超過(guò)80%。但是,由于GaN具有高的折射率(2.3),理論上當(dāng)周?chē)h(huán)境為空氣時(shí),由于GaN和空氣之間的全反射效應(yīng),GaN中僅有4%的光能夠出來(lái),這嚴(yán)重降低了 LED芯片的光提取效率。GaN發(fā)光材料的制備主要方法包括在GaN襯底的同質(zhì)外延,以及在藍(lán)寶石、SiC和Si基板上的異質(zhì)外延。由于體塊GaN難以生長(zhǎng),GaN襯底價(jià)格非常昂貴,僅在科研領(lǐng)域有使用。藍(lán)塵石憑借低廉的襯底價(jià)格、成熟的外延技術(shù)吸引了絕大部分的科

4、研工作者以及LED生產(chǎn)廠商。SiC襯底由于具有小的晶格失配度和高的熱導(dǎo)率,也在LED領(lǐng)域占有一席之地,但SiC襯底的價(jià)格相對(duì)較高,Cree公司憑借自己在SiC單晶生長(zhǎng)方面的優(yōu)勢(shì),是現(xiàn)在市場(chǎng)上唯一能夠大量提供SiC襯底GaN LED芯片的廠家,SiC襯底GaN LED的技術(shù)也大部分被Cree公司壟斷。ABSTRACT GaN material is direct band gap and wide band gap semiconductor material with excellent optical, electrical and thermal conduction properties

5、. It is suitable to fabricate short-wavelength optoelectronic devices. Since the first commercial GaN /InGaN blue LED came on the market in 1993, GaN-based light-emitting devices and their applications have been global research hotspot. In recent years, through the phosphor coating, GaN blue LEDs ha

6、ve achieved white light emission, and has been used in the field of solid-state lighting. Electricity for lighting accounts for 20% of the power consumption of the whole society. In order to achieve the green lighting requirements, high bright GaN LED with higher photoelectric conversion efficiency

7、is demanded. Internal quantum efficiency and chip light extraction efficiency are the main factors affecting the photoelectric conversion efficiency of LED. With the development of epitaxy technology, internal quantum efficiency of GaN/InGaN LED has exceeded 80%. However, GaN has a high refractive i

8、ndex about 2.3. Theoretically,when the ambient is air, due to total internal reflection between the GaN and the air,only 4% of the lights in LED could come out, which severely reduces the light extraction efficiency of the GaN/InGan LED chip. GaN devices are mostly prepared by epitaxy technology, su

9、ch as homoepitaxy on GaN substrate, or heteroepitaxy on sapphire, SiC, ZnO,and Si substrate. As the bulk GaN crystal is difficult to grow, GaN substrate is very expensive and only has been used in the field of scientific research. Sapphire substrate has been used by the vast majority of scientists a

10、nd LED manufacturers, due to its low price and mature GaN epitaxial technology on it. With the small lattice mismatch and high thermal conductivity, SiC substrate also takes part in LED manufacture, although the price of SiC substrate is relative high. By the virtue of SiC crystal growth technology&

11、#39;s advantages, Cree Company is the only supplier for providing large number GaN LED chips on SiC substrate in the market. The manufacture technology of GaN LED on the SiC substrate is also monopolized by Cree Company.第1章 緒論1.1 LED概述1.1.1LED芯片的研究意義 隨著 LED技術(shù)的快速發(fā)展以及LED光效的逐步提高，LED 的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。隨著全球性能源短缺

12、問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注 LED 在照明市場(chǎng)的發(fā)展前景，LED將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的潛力光源。LED照明市場(chǎng)發(fā)展空間廣闊。LED照明燈具應(yīng)用已經(jīng)從過(guò)去室外景觀照明 LED 發(fā)展向室內(nèi)照明應(yīng)用。據(jù)分析未來(lái)五年內(nèi) LED 室內(nèi)照明的發(fā)展將有指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)。2011年其產(chǎn)值高達(dá)數(shù)百億美元。尤其是 2009 年歐盟率先實(shí)施禁用白熾燈計(jì)劃，以及節(jié)能議題備受關(guān)注，造就了 LED 室內(nèi)照明巨大的市場(chǎng)機(jī)遇和樂(lè)觀的前景。但是 LED 照明優(yōu)勢(shì)雖多，但是一直以來(lái)推廣仍然面臨很大的壓力，始終無(wú)法攻破成本這道難關(guān)，高昂的價(jià)格讓普通家庭望而卻步。 可以說(shuō)，芯片技術(shù)提升和價(jià)格走低是促進(jìn) LED 照明應(yīng)用成

13、本下降的關(guān)鍵。隨著 LED芯片技術(shù)的提升，LED 發(fā)光效率提高后，單顆 LED 芯片所需的成本不斷下降。同時(shí)，上游投資帶動(dòng)的大規(guī)模產(chǎn)能釋放，引發(fā)較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也將帶動(dòng)芯片價(jià)格下降，這有效推動(dòng) LED 照明產(chǎn)品成本的下降。2011 年，芯片從之前的供不應(yīng)求快速轉(zhuǎn)換為供過(guò)于求，芯片價(jià)格快速下降。例如，小功率的 7.5mil×7.5mil 藍(lán)光芯片和大功率的 45mil×45mil 藍(lán)光芯片 2011 年一年內(nèi)價(jià)格分別下降了 55.9%和 55.0%。 無(wú)論是面向重點(diǎn)照明和整體照明的高功率 LED 芯片，還是用于裝飾照明和一些簡(jiǎn)單的輔助照明的低功率 LED 芯片，技術(shù)升級(jí)的關(guān)鍵都

14、關(guān)乎如何開(kāi)發(fā)出更高效、更穩(wěn)定的 LED 芯片。在短短數(shù)年內(nèi)，借助于包括新型芯片結(jié)構(gòu)和多量子阱結(jié)構(gòu)的新型外延機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在內(nèi)的一系列技術(shù)改進(jìn)，LED 的發(fā)光效率實(shí)現(xiàn)了巨大突破，這些技術(shù)突破都將為L(zhǎng)ED 半導(dǎo)體照明的普及鋪平道路。1.1.2氮化物藍(lán)光LED芯片 III-V族氮化物半導(dǎo)體中,最早出現(xiàn)的是GaN。早在二十世紀(jì)三十年代,Juza和Hahn就利用氨氣與液態(tài)鎵反應(yīng)制備了GaN粉末3 III-V族氮化物的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)如表1-1所示。GaN、A1N、InN三種基礎(chǔ)的氮化物半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)合金可以實(shí)現(xiàn)0.77 eV-6.28 eV的禁帶寬度變化范圍,發(fā)光波段覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域。但是實(shí)際應(yīng)用時(shí),GaN基LE

15、D的有源區(qū)一般為InGaN/GaN超晶格,主要用于藍(lán)綠波段的發(fā)光。圖1-1為AlGaInN材料晶格常數(shù)與禁帶寬度以及發(fā)光波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1-1 AlGaInN材料晶格常數(shù)與禁帶寬度以及發(fā)光波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 GaN基LED的研究始于20世紀(jì)60年代。作為最早生產(chǎn)彩色電視機(jī)的公司之一,美國(guó)廣播公司(Radio Corporation oa America)的年輕工程師Paul Maruska使用HVPE方法在藍(lán)i石襯底上第一次得到GaN車(chē)晶薄膜在隨后的兩年里,GaN單晶薄膜的光致發(fā)光、電致發(fā)光都被報(bào)道。1972年第一顆GaN LED制備的工作被發(fā)表,這顆GaN LED是Metal-insulato

16、r-semiconductor (MIS) diode,它的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)n-GaN層,一個(gè)Zn摻雜的半絕緣層,一個(gè)表面銦電極。但是,由于無(wú)法獲得p-GaN材料,在隨后的十幾年中,GaN LED的研究陷入停頓狀態(tài),以至于1982年一整年只發(fā)表了一篇與GaN器件相關(guān)的文章。 直到1986年GaN LED的研究重新獲得突破,Amano引入低溫A1N緩沖層提高GaN晶體質(zhì)量,在藍(lán)蟲(chóng)石襯底上獲得了表面光滑的高質(zhì)量GaN薄膜1989年,Akasak傭低能電子福照(LEEBI)獲得 Mg的P型GaN。五年之后,藍(lán)光之父Nakamura禾!J用熱退火實(shí)現(xiàn)了GaN材料p型摻雜的Mg2+激活17,使得GaN材料可

17、以廣泛地用于生產(chǎn)藍(lán)光以及藍(lán)綠光LED。 同年,Akasald即制備出了第一只在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片丨8,電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到1%,遠(yuǎn)超過(guò)SiCLED。這只芯片讓研究人員認(rèn)識(shí)到在GaN體系中,發(fā)光效率與位錯(cuò)密度的關(guān)系并不像在砷化物體系中那么密切32。因?yàn)榇蟪叽鏕aN單晶難以獲得,目前對(duì)GaN的外延生長(zhǎng)都是在異質(zhì)襯底上進(jìn)行的,包括藍(lán)寶石、SiC以及Si襯底。其中藍(lán)寶石是被廣泛應(yīng)用的商用GaN LED襯底材料。 SiC襯底GaN LED的技術(shù)大部分掌握在美國(guó)Cree公司手中。Si襯底GaNLED因大尺寸、低成本的優(yōu)勢(shì)是目前研究的熱點(diǎn)。圖1-2是常規(guī)藍(lán)寶石襯底GaNLED芯片

18、結(jié)構(gòu)示意圖,由于藍(lán)定石襯底為絕緣材料,LED的P、n電極位于芯片同一側(cè),又稱(chēng)為同面電極芯片。圖1-2常規(guī)同面電極GaN LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖1.2 GaN藍(lán)光LED研究現(xiàn)狀.1.2.1提高GaN藍(lán)光LED電光轉(zhuǎn)換效率的方法大部分GaN LED是在異質(zhì)襯底上外延生長(zhǎng)的,例如藍(lán)寶石、碳化娃和娃,由于GaN和襯底材料之間具有較大的晶格失配,GaN外延層中的位錯(cuò)密度在108-10i%i_2水平33_35。然而,與傳統(tǒng)III-V族材料不同的是,在高的位錯(cuò)密度下,GaN LED仍表現(xiàn)出非常高的內(nèi)量子效率,目前GaN LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)超過(guò)80O/o23】。因?yàn)镚aN是一種高折射率材料(n=2.3),G

19、aN外延層有源區(qū)內(nèi)發(fā)出的光,大部分在GaN/空氣的界面會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象,被束縛在LED內(nèi)部,經(jīng)過(guò)多次全反射以后,被吸收損耗掉。導(dǎo)致光被吸收的因素包括外延層、量子講、芯片電極,以及襯底吸收等。在芯片制程上,提高LED發(fā)光效率的途徑有兩種,一是減少光在芯片內(nèi)部的反射次數(shù),縮短光在LED內(nèi)部的傳播路徑。二是減少芯片電極等對(duì)光的吸收。另外,在GaN LED中存在嚴(yán)重的droop效應(yīng)。Droop效應(yīng)是指隨著LED注入電流的增加,其發(fā)光效率降低的現(xiàn)象。關(guān)于droop效應(yīng)主要有兩點(diǎn)解釋,觀點(diǎn)1是俄歇復(fù)合機(jī)制36,37。觀點(diǎn)2是極化效應(yīng)引起的載流子泄漏機(jī)制3841。為了減少droop效應(yīng)對(duì)LED的影響,從芯片

20、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,要使注入到LED中的電流均勻分布。主流的提高LED電光轉(zhuǎn)換效率的芯片技術(shù)如表1-2所列舉。表1-2提高LED電光轉(zhuǎn)換效率的芯片技術(shù)1.2.2表面粗化技術(shù) 1993年Schnitzerf42等人提出了對(duì)半導(dǎo)體材料表面進(jìn)行粗化從而提高LED光提取效率的方法。Schnitzer等人在thin film GaAs LED表面涂布200 nm直徑的聚苯乙稀球(polystyrene sphere)作為自然掩模,通過(guò)離子束刻燭170 run深度,實(shí)現(xiàn)了 LED的表面粗化,獲得了 30%的外量子效率。在這之后,由于該方法具有加工成本低、光提取效果好等優(yōu)勢(shì)得到廣泛關(guān)注。目前,表面粗化技術(shù)已成為高亮

21、度LED芯片的常用工藝。 通過(guò)表面粗化提高LED芯片光提取效率的機(jī)理如圖1-6所示。對(duì)于平面結(jié)構(gòu),光子的逃逸立體角很小,多次反射并不會(huì)增加光的逸出幾率,光子被損耗在LED芯片內(nèi)部。當(dāng)表面粗化之后,在芯片表面光子發(fā)生了散射,其運(yùn)行軌跡發(fā)生改變,得到多重的逸出幾率。圖1-6典型的薄膜結(jié)構(gòu)LED芯片光子運(yùn)行軌跡:(a).平面結(jié)構(gòu),(b).表面粗化結(jié)構(gòu)。1.2.3透明電極技術(shù)p-GaN材料的慘雜兀素是Mg,由于在Mg受王的激活能很筒(?170 meV55)并且容易被H元素鈍化,形成Mg-H鍵(Mg-H complex),p-GaN材料很難實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜(大于lOiScm.3)。另外在GaN中空穴的遷移

22、率僅為30cm2/Vs,僅是電子的遷移率的三十分之一56,p-GaN材料的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于n-GaN,在pn結(jié)的GaN LED中,p-GaN無(wú)法像n-GaN那樣可以作為一種電流擴(kuò)展層,為了均勻的向GaN LED中注入電流,需要在p-GaN表面制作大面積電極,而p-GaN表面一般是出光面,為了避免電極材料對(duì)光的吸收,P-GaN上的電極為透明材料。P-GaN的透明電極要求具有電導(dǎo)率高、透過(guò)率高、與P-GaN良好的歐姆接觸等特點(diǎn)。與P-GaN的形成歐姆接觸非常困難.主要原因有兩點(diǎn),一是P-GaN很難實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜(大于10i8cm_3),二是P-GaN的功函數(shù)為7.5eV,而一般金屬的功函數(shù)不超過(guò)6eV

23、,與P-GaN接觸存在高的勢(shì)全。報(bào)道的P-GaN透明電極主要分為兩種類(lèi)型,一種是薄層金屬透明電極,如Ni/Auf57,pU_,Pt611 以及 Rh/Ni621 等,另一種是金屬氧化物透明電極,如氧化銦錫(ITO) 63_66,氧化鋅(ZnO) 67等。其中Ni/Au和ITO是研究最為廣泛并且得到商業(yè)應(yīng)用的兩種材料。兩者相比,由于ITO的電阻率低(icrricm2),并且在藍(lán)光波段的透過(guò)率大于90%68,遠(yuǎn)高于Ni/Au 報(bào)道的ITO電極芯片的外量子效率是Ni/Au電極芯片的2.56倍,主要原因是ITO具有更高的透過(guò)率,如圖1-13所示。圖 1-13 C. S. Chang 等人報(bào)道的 ITO

24、 (260 nm)和 Ni (5 nin)/Au (10 nm)電極的透過(guò)率第二章 LED 芯片制備關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)設(shè)備2.1 光刻技術(shù)2.1.1光刻工藝基本流程 光刻工藝實(shí)際上就是圖形轉(zhuǎn)移的過(guò)程，包含圖形從掩膜版轉(zhuǎn)移到光刻膠層和圖形從光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶圓表面。圖 2-1 至圖 2-4 以負(fù)膠為例示意了光刻的基本過(guò)程。 曝光是將掩膜版和圖形在晶圓上的精確對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程，曝光后的光刻膠性質(zhì)發(fā)生變化，視正膠和負(fù)膠的不同，發(fā)生不同的變化。顯影時(shí)去除改變性質(zhì)的光刻膠，顯影后圖形便從掩模板轉(zhuǎn)移到了光刻膠層。 將晶圓頂層以干法刻蝕或濕法刻蝕的方式通過(guò)光刻膠的開(kāi)口去除，實(shí)現(xiàn)圖形從光刻膠層轉(zhuǎn)移到晶圓表面，之后去除晶圓

25、上光刻膠層，這樣就完成了一步光刻。雖然各種光刻工藝流程不盡相同，但大部分都是基于 9 步光刻法的變異或者選項(xiàng)。圖 2-5 所示為 9 步光刻法的具體流程。晶圓光刻前表面準(zhǔn)備工作主要包括清洗和脫水干燥，主要目的是移除污染物，移除微粒，減少針孔和其他缺陷，去除晶圓表面水分。一般步驟是化學(xué)清洗、超凈水清洗、甩干和 100以上溫度脫水烘烤。一些增加光刻膠附著力的增粘劑涂覆，如 HMDS 涂覆，也是在此步驟中進(jìn)行。 光刻膠涂覆是將晶圓放在一個(gè)帶有真空吸盤(pán)的轉(zhuǎn)軸上，高速旋轉(zhuǎn)，光刻膠在晶圓正中央上方滴下，這樣光刻膠便可借離心力均勻涂覆在晶圓表面。光刻膠滴入量和晶圓高速旋轉(zhuǎn)速度影響著光刻膠涂覆的厚度。 前烘，

26、后烘和硬烘焙都可以采取烤板或烤箱的方式，具體溫度和烘烤時(shí)間視不同光刻膠不同。 前烘的主要作用是使光刻膠中的大部分溶劑汽化蒸發(fā)。光刻膠中的溶劑使光刻膠在高速旋轉(zhuǎn)下容易形成薄膜，但是也會(huì)吸收曝光時(shí)的輻射并影響光刻膠的附著力，因此，烘烤不足會(huì)影響光刻膠的附著力，但是，過(guò)度烘烤會(huì)使光刻膠過(guò)早發(fā)生聚合作用。 曝光后烘烤的主要作用是提供熱能使光刻膠分子產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)，將過(guò)度曝光和曝光不足的光刻膠分子重新排列，平均曝光時(shí)產(chǎn)生的駐波效應(yīng)，從而平滑光刻膠的側(cè)壁，達(dá)到增加光刻膠解析度的目的。 硬烘焙主要作用是進(jìn)一步增加光刻膠的附著力。烘烤不足會(huì)出現(xiàn)光刻膠熱聚合作用不足，導(dǎo)致下一步刻蝕中，光刻膠刻蝕速率高，甚至出現(xiàn)掉膠

27、的現(xiàn)象。相反，過(guò)度烘烤會(huì)造成光刻膠流動(dòng)而對(duì)曝光解析度帶來(lái)影響。 2.1.2光刻膠光刻膠是光刻工藝的核心，光刻膠的選擇也是整個(gè)光刻工藝中非常重要的環(huán)節(jié)。光刻膠主要由聚合物，溶劑，感光劑，添加劑四種成分組成。 聚合物是分子量巨大的化合物，包括碳、氫和氧元素，是由結(jié)構(gòu)單位或單體通過(guò)共價(jià)鍵連接在一起。塑料就是一種典型的聚合物。對(duì)于負(fù)膠，聚合物曝光后會(huì)由非聚合狀態(tài)變?yōu)榫酆蠣顟B(tài)。在大多數(shù)負(fù)性膠里面，聚合物是聚異戊二烯類(lèi)型，它是一種相互粘結(jié)的物質(zhì)抗刻蝕的物質(zhì)，如圖 2-6 所示。正膠的基本聚合物是苯酚甲醛聚合物，也稱(chēng)為苯酚甲醛樹(shù)脂，正膠中的聚合物是相對(duì)不可溶的，用適當(dāng)能量的光照后發(fā)生光溶解反應(yīng)，變成可溶狀態(tài)

28、，在顯影時(shí)，被光照的部分被顯影液去除。 溶劑是光刻膠中含量最大的成分。添加溶劑的目的是使光刻膠處于液態(tài)，稀化光刻膠，這樣光刻膠能夠通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的方法形成薄膜涂覆在晶圓表面。感光劑是用來(lái)產(chǎn)生或者控制聚合物的特定反應(yīng)。如果聚合物中不添加感光劑，那么它對(duì)光的敏感性差，而且光譜范圍較寬，添加特定的感光劑后，可以增加感光靈敏度，并且限制反應(yīng)光的光譜范圍，甚至將反應(yīng)光限制在某一波長(zhǎng)。光刻膠中的添加劑主要在光刻膠薄膜中用來(lái)吸收和控制光線，可以阻止光刻膠沒(méi)有被曝光的部分在顯影過(guò)程中被溶解。同時(shí)各種添加的化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)工藝效果，例如染色。 2.1.3光刻機(jī) 光刻機(jī)的發(fā)展主要從二十世紀(jì) 70 年代到現(xiàn)在，從早期的線

29、寬 5 微米以上到現(xiàn)在的亞微米尺寸，按曝光方式光刻機(jī)可分為以下幾種：接近式光刻機(jī)，接觸式光刻機(jī)，掃描投影光刻機(jī)，分步重復(fù)光刻機(jī)，步進(jìn)重復(fù)光刻機(jī)。 光刻機(jī)的光源也分為很多種，最廣泛使用的曝光光源是高壓汞燈，它所產(chǎn)生的光為紫外光（UV），為獲得更高的清晰度，光刻膠被設(shè)計(jì)成只與汞燈光譜中很窄一段波長(zhǎng)的光（稱(chēng)為深紫外區(qū)或 DUV）反應(yīng)。紫外(UV)光用于光刻膠的曝光是因?yàn)楣饪棠z材料與這個(gè)特定波長(zhǎng)的光反應(yīng)。波長(zhǎng)也很重要，因?yàn)檩^短的波長(zhǎng)可以獲得光刻膠上較小尺寸的分辨率?，F(xiàn)今最常用于光學(xué)光刻的兩種紫外光源是汞燈和準(zhǔn)分子激光光源。除這些通常使用的光源外，其他用于先進(jìn)的或特殊應(yīng)用的光刻膠曝光的源有 x 射線、電

30、子束、和離子束。 實(shí)驗(yàn)采用的光刻機(jī)為 SUSS 公司生產(chǎn)的 MA100e 型號(hào)光刻機(jī)，如圖 2-7。設(shè)備包含高照度光路和預(yù)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，具有最大 100mm（4 英寸）載片能力。設(shè)備提供接觸式曝光、真空接觸式曝光和接近式曝光三種模式，其中接近式曝光可以達(dá)到 2.5um 的分辨率，而真空接觸式可達(dá)到 1um 的分辨率。2.2 薄膜沉積.2.2.1 PECVD 沉積薄膜原理等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)薄膜材料生長(zhǎng)的制備技術(shù)。一般情況下，采用PECVD 技術(shù)制備薄膜材料時(shí)，主要包含三個(gè)薄膜的生長(zhǎng)基本環(huán)節(jié)：首先，當(dāng)反應(yīng)腔內(nèi)

31、的等離子體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，反應(yīng)腔內(nèi)電子將與反應(yīng)氣體發(fā)生初級(jí)反應(yīng)，使得反應(yīng)氣體分解形成各種離子和活性基團(tuán)；其次，初級(jí)反應(yīng)生成的各種活性基團(tuán)向薄膜生長(zhǎng)表面和反應(yīng)腔的側(cè)壁擴(kuò)散，各反應(yīng)物之間發(fā)生次級(jí)反應(yīng)；最后，伴隨氣相分子的再放出，生長(zhǎng)表面吸附到達(dá)生長(zhǎng)表面的各種反應(yīng)生成物，包括初級(jí)反應(yīng)生成物和次級(jí)反應(yīng)生成物，并與各種反應(yīng)物再次發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)腔內(nèi)通入各種原料氣體，當(dāng)反應(yīng)腔內(nèi)達(dá)到一定壓強(qiáng)時(shí)，輸入直流、高頻或微波功率，讓原料氣體發(fā)生氣體放電，形成等離子體。由于低速電子會(huì)與氣體原子不斷發(fā)生碰撞，因此等離子體中除了含有正、負(fù)離子之外，還包含大量的活性基，如激發(fā)原子、分子等。這樣，反應(yīng)氣體的活性大大增強(qiáng)，在相對(duì)

32、較低的溫度下，便可發(fā)生反應(yīng). 等離子體中含有的大量高能量的電子保證化學(xué)氣相沉積過(guò)程中所需的激活能的持續(xù)供給，這是 PECVD 與其它化學(xué)氣相沉積方法的主要區(qū)別。同時(shí)，PECVD 技術(shù)使得化學(xué)氣相沉積過(guò)程在低溫環(huán)境下就能夠?qū)崿F(xiàn)，主要是由于電子與氣相分子的碰撞能夠有效地促進(jìn)氣體分子的分解、化合、激發(fā)和電離過(guò)程，產(chǎn)生各種高活性的化學(xué)基團(tuán)，能夠保證化學(xué)氣相沉積薄膜在較低的溫度下進(jìn)行。 PECVD 相較于其他在高溫條件下利用原料氣體熱分解等反應(yīng)的熱氣相沉積技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，反應(yīng)溫度較低，以Si3N4薄膜為例，若采用NPCVD或者 LPCVD，需要在 1000的高溫，若采用 PECVD，則在

33、300左右就可以完成。其次，能夠提高沉積速率，有些物質(zhì)采用熱過(guò)程分解反應(yīng)速率極慢，同時(shí)對(duì)于熱分解溫度不同的物質(zhì)，也可以按不同的組成比合成。 2.2.2 PECVD 薄膜生長(zhǎng)速率及薄膜性質(zhì) 影響薄膜生長(zhǎng)速率和薄膜性質(zhì)的因素主要有射頻功率、反應(yīng)室壓強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)基板溫度、反應(yīng)氣體流量比。 薄膜的生長(zhǎng)速率隨射頻功率的增大先增大后減小，此外，射頻功率的增加對(duì)膜層質(zhì)量也有影響，射頻功率增加時(shí)，薄膜的均勻性會(huì)變差，表現(xiàn)為折射率不斷減小。薄膜生長(zhǎng)速率的隨射頻功率變化的主要是因?yàn)殡S著射頻功率的增加，提供反應(yīng)活性粒子的能量越高，增大了相互反應(yīng)的幾率，沉積速率增加；而隨著功率增加到一定值，由于參與反應(yīng)的活性粒子的數(shù)目

34、趨于飽和，沉積速率也逐漸趨于飽和直至最后穩(wěn)定，這時(shí)射頻功率若再進(jìn)一步加大，就會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似 ICP 刻蝕中的物理刻蝕的現(xiàn)象，薄膜的生長(zhǎng)速率會(huì)有緩慢的下降，同時(shí)，由于等離子體對(duì)基材表面的物理刻蝕作用，薄膜甚至?xí)儽?。薄膜沉積速率隨著壓強(qiáng)的增加而增加，當(dāng)壓強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，增速會(huì)減緩。主要是反應(yīng)前期，反應(yīng)氣體的濃度會(huì)隨著壓強(qiáng)的增加而增加，相應(yīng)的，反應(yīng)產(chǎn)物 SiO2 的濃度也會(huì)增加，此時(shí)表現(xiàn)為壓強(qiáng)越大，沉積速率越快；當(dāng)壓強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，反應(yīng)氣體濃度持續(xù)增加，參與反應(yīng)氣體分子也不斷增加，在沒(méi)有獲得足夠的電離所需能量的情況下，等離子體密度將受制于頻繁的碰撞，造成反應(yīng)速率下降。因此在特定功率條件下時(shí)，氣壓增加到一定值時(shí)，沉積速率將不再發(fā)生變化。 總結(jié)與展望本論文回顧了半導(dǎo)體照明的發(fā)展背景分析了LED半導(dǎo)體照明的普及難點(diǎn)，認(rèn)為L(zhǎng)ED芯片光提取效率的提高是 LED 照明普及中亟待解決的重要問(wèn)題。本文在 LED 光提取效率的理論基礎(chǔ)之上，利用 LED 芯片制備的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了具有反射型電流阻擋層的高亮度 LED 芯片，同時(shí)研究了高壓 LED 芯片的制備方法，并對(duì)其進(jìn)行了提高光效率的優(yōu)化，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面對(duì)本文所做工作進(jìn)行總結(jié). 1. 介紹了半導(dǎo)體照明的發(fā)展背景和趨勢(shì)，分析了 LED 應(yīng)用于照明的各種優(yōu)點(diǎn)及普及難點(diǎn)?；诖蠊β?LED