圖案化藍寶石基板製程技術發展與奈米壓印之應用

刊登日期:2014/6/10
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藍寶石基板基本特性
在LED的發光效率改善上,磊晶製程基板的選用扮演相當關鍵的角色,其與磊晶材料的晶格常數匹配率會影響元件的內部量子效率與元件可靠度;而折射率、透光性及其與磊晶層的介面形貌,則會左右元件的光取出效率。目前適用於GaN磊晶製程的基板材料主要有藍寶石(Al2O3,Sapphire)、碳化矽(SiC)、矽基板與氮化鎵基板,其特性比較如表一,其中氮化鎵基板具有最低的晶格失配度、介面特性佳、化學穩定性高、導熱性能好、熱失配度低等優良特性,但相對成本也最高;而矽基板雖然便宜,卻有化學穩定性較差且製作之元件效率偏低的問題,相較之下,藍寶石基板具有較高的性價比,是目前普遍被用於GaN材料系統LED量產的基板。

圖案化藍寶石基板技術
圖案化藍寶石基板(Patterned Sapphire Substrate; PSS)最早的研究文獻,為2001年Kazuyuki Tadatomo等人利用有機金屬化學氣相沉積技術在圖案化藍寶石基板上製作出高輸出功率的紫外光LED,其元件結構如圖一,而具有平行溝槽圖案化藍寶石基板的元件與無圖案化基板之元件特性比較如表二,具圖案化基板之元件效率約為標準元件的5倍,雖然部分差異來自於兩者元件封裝方式的不同,但從晶格失配率的比較上,PSS基板製作的元件明顯獲得改善。

而後續的許多文獻報導亦指出,圖案化藍寶石基板的技術除了可藉由改變磊晶缺陷生長的形貌,避免差排缺陷縱向往表面延伸(圖二),達到降低氮化鎵磊晶層的差排缺陷比例,提高元件的內部量子效率與產品壽命可靠度;此外,在平面的藍寶石基板元件上,發光層產生的光子a0、b0、c0經由基板反射後,射向出光面,最終會因入射角度大於全反射角,而產生全內反射a1、b1、c1,當基板經圖案化處理,a0、b0、c0會入射至圖案化結構的側面,反射路徑a2、b2、c2隨之改變,在射向GaN/空氣界面時,入射角小於全反射角,可透出GaN表面,大幅提升LED的發光效率(圖三)。


圖二、(a)PSS 結構SEM圖;(b)PSS結構上的GaN磊晶TEM剖面圖;(c)平面基板上GaN磊晶TEM剖面圖

由於圖案化藍寶石基板在提升LED發光效率上表現突出,同時製程量產性高,因此圖案化藍寶石基板技術不僅成為近年來學術界廣泛研究的課題,亦是產業界熱絡投入開發的生產技術。


圖四、AGOG (Aluminum deposition, Growth of Oxide, and Grain growth )製作圖案化藍寶石基板的流程

奈米壓印在圖案化藍寶石基板製程的應用
圖案化藍寶石基板的結構尺寸通常在數微米到次微米之間,有些研究報告亦顯示圖案化結構越小及深寬比越高,元件的光取出的效率也越高。傳統的接觸式或接近式(Near-contact)曝光製程的解析度極限在1微米以上,若要製作次微米結構,則需使用步進式曝光機台,在生產應用上,廠商將面臨設備投資提高,產能下降的難題。
1. 壓印微影法
壓印微影法是指將做為蝕刻遮罩材料的壓印膠塗佈於藍寶石基板上,然後利用壓印製程將壓印膠圖案化,接著先去除壓印殘餘層,再進行藍寶石基板的乾蝕刻,最後移除殘留的遮罩層,完成藍寶石基板的圖案化(圖六)。其中壓印膠材料,依據其壓印固化成型的方式,可分為紫外光壓印型(UV Imprint)、熱壓印型(Thermal Imprint)及熱與紫外光壓印結合型(CombinedThermal and UV Imprint)三種。
2. 轉印法
由於光阻與壓印遮罩材料對於藍寶石基板的蝕刻選擇比偏低,相較之下,金屬在相同的藍寶石蝕刻條件下,則有很高的蝕刻選擇比,如鎳和鉻蝕刻選擇比分別為4、5,配合接觸轉印微影技術,在細微結構、高深寬比的圖案化藍寶石基板製作上,具有相當大的應用潛力,成功大學李永春教授的研究團隊發表金屬接觸轉印微影製作PSS技術,其製程流程如圖七……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。

作者:吳耀庭 /工研院材化所
本文節錄自「工業材料雜誌330期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11897


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