臺灣博碩士論文加值系統

氮化鎵系列半導體材料因其具有直接能隙寬達3.4~6.2 eV，可用於製作藍、綠光及紫外光等波長範圍之發光二極體與檢光器。在三五族元件的製程中，目前大多已使用乾式電漿蝕刻來取代濕式蝕刻。本研究係利用感應耦合式電漿(ICP)之技術對發光二極體之氮化鎵層進行蝕刻，透過改變不同的蝕刻參數如：電漿功率、偏壓功率、腔體壓力、調整三氯化硼、甲烷、氬氣流量之比例，以探討其對蝕刻速率、選擇比、蝕刻後側壁之角度、表面粗糙度之影響。
由實驗數據可發現，ICP功率與腔體壓力對蝕刻速率有較大影響：當調整 ICP功率從100 W增加至500 W之範圍中，於300 W時有最大蝕刻速率值為22 Å/sec；當調整腔體壓力從3 mTorr增加至20 mTorr之範圍中，於5 mTorr時有最大蝕刻速率值為30 Å/sec。腔體壓力、甲烷與氬氣之流量對粗糙度有較大影響：當調整腔體壓力至20 mTorr時，有最大均方根粗糙度值為12 nm；當調整甲烷氣之流量從0 sccm增加至20 sccm之範圍中，於20 sccm時，有最大均方根粗糙度值為28 nm；當調整氬氣之流量從0 sccm增加至30 sccm之範圍中，於20 sccm時，有最大均方根粗糙度值為20 nm。蝕刻過程中，增加物理性轟擊與針狀物之生成，都會使蝕刻後表面粗糙度值增加。對蝕刻後之側壁角度而言，當非等向性蝕刻機制越強時，其蝕刻側壁之斜率將越趨垂直。當調整偏壓下電極功率從50 W增加至250 W之範圍中，於250 W時，有最大角度值為78°；當調整甲烷氣流量為15 sccm時，有最大角度值為72°；當調整氬氣流量為20 sccm時，可有最大角度值為73°。經由不同參數之調整，當ICP之功率為300 W、偏壓功率為100 W、腔體壓力為3 mTorr，氯氣流量為25sccm，三氯化硼流量為15sccm時，可得蝕刻後較平滑表面與較垂直側面，以符合氮化鎵發光二極體製程所要求之條件。

GaN-related alloy semiconductors with wide band gap ranging from 3.4 to 6.2 eV at room temperature are the focus of current research for UV or blue emitters and detectors. During the conventional device processing, the wet chemical etching frequently suffers from undercut issue and is gradually replaced by plasma etching. In this thesis, we investigate the plasma-etching characteristics of GaN-based light emitting diodes using an inductively coupled plasma (ICP) etcher. The etch characteristics were investigated by varying the etching parameters, such as ICP power, bias power, chamber pressure, and gas mixture (BCl3, CH4, Ar). Details of the parameter effects on the etch rate, selectivity, etch profile, and surface roughness of GaN epilayers will be discussed.
It was found that the ICP power and chamber pressure have large effect on the etch rate. When the ICP power increased from 100 to 500 W, a maximum etch rate of 22 Å/sec can be obtained at 300 W. When the chamber pressure increased from 3 to 20mTorr, we can get a maximum etch rate value of 30 Å/sec at 5 mTorr. As concerning about the surface roughness, with increasing the chamber pressure (³20 mTorr), CH4 (³20 sccm) and Ar (³ 20 sccm) flows, the maximum root mean square roughness of 12, 12 and 20 nm was obtained, respectively. A maximum etch angle of 78, 72 and 73° (i.e. 90° means vertical etch profile) can be achieved under a bias power of 250 W, CH4 flow of 15 sccm, and Ar flow of 20 sccm, respectively. Under a compromised ICP etching parameters (ICP power: 300 W, bias power: 100 W, chamber pressure: 3 mTorr, Cl2 gas: 25sccm, BCl3 gas: 15sccm), a smoother surface and near vertical side wall for GaN can be obtained for subsequent light-emitting-diode fabrication process.

中文摘要………………………………………………………………………i
Abstract…………………………………………………………………ii
誌謝辭………………………………………………………………………iii
目次………………………………………………………………………iv
圖目次…………………………………………………………………vii
表目次………………………………………………………………………x
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………………1
1.2 研究動機………………………………………………………1
1.3 研究目的………………………………………………………2
第二章 電漿蝕刻原理…………………………………………………4
2.1 蝕刻簡介………………………………………………………4
2.1.1 濕式蝕刻………………………………………………4
2.1.2 乾式蝕刻………………………………………………5
2.1.3 選擇性…………………………………………………6
2.2 電漿蝕刻的原理………………………………………………7
2.3 電漿的形成………………………………………………………9
2.4 碰撞原理………………………………………………………10
2.5 電漿的偏壓方式………………………………………………11
2.5.1 直流電漿………………………………………………12
2.5.2 交流電漿 ………………………………………………13
2.6 電漿蝕刻材料的過程…………………………………………15
2.6.1 電漿蝕刻機制…………………………………………16
2.6.2 電漿蝕刻系統…………………………………………21
2.7 電漿蝕刻之參數……………………………………………24
2.8 即時監測系統………………………………………………26
2.8.1 光學發射光譜…………………………………………26
2.8.2 終點偵測………………………………………………26
2.9 表面均方根粗糙度……………………………………………28
第三章 實驗儀器設備………………………………………………………29
3.1 感應耦合式電漿蝕刻系統……………………………………29
3.2 掃瞄式電子顯微鏡……………………………………………30
3.3 共軛聚焦顯微鏡………………………………………………33
3.4 薄膜測厚儀……………………………………………………36
3.5 電性與光性量測儀器…………………………………………36
第四章 實驗內容與設計……………………………………………………38
4.1 實驗流程………………………………………………………38
4.1.1 黃光製程………………………………………………39
4.1.2 電漿蝕刻………………………………………………40
4.1.3 結果量測………………………………………………41
第五章 實驗結果與討論……………………………………………………44
5.1 蝕刻參數對蝕刻速率、選擇比之影響…………………………44
5.1.1 改變 ICP功率之影響…………………………………44
5.1.2 改變偏壓功率之影響…………………………………46
5.1.3 改變反應腔體壓力之影響……………………………47
5.1.4 改變 BCl3佔(Cl2+BCl3)氣體流量比例之影響…………49
5.1.5 改變 CH4佔(CH4+Cl2)流量比例之影響………………51
5.1.6 改變Ar佔(Ar+Cl2)流量比例之影響…………………52
5.2 蝕刻參數對蝕刻後粗糙度、發光亮度之影響………………54
5.2.1 改變 ICP功率之影響…………………………………54
5.2.2 改變偏壓功率之影響…………………………………57
5.2.3 改變反應腔體壓力之影響……………………………60
5.2.4 改變 BCl3佔(Cl2+BCl3)氣體流量比例之影響…………63
5.2.5 改變 CH4佔(CH4+Cl2)流量比例之影響………………66
5.2.6 改變Ar佔(Ar+Cl2)流量比例之影響…………………69
5.2.7有無表面粗化發光二極體之光取出情形機制…………73
5.3 蝕刻參數對蝕刻後側面角度之影響…………………………75
5.3.1 改變 ICP功率之影響…………………………………82
5.3.2 改變偏壓功率之影響…………………………………83
5.3.3 改變反應腔體壓力之影響……………………………84
5.3.4 改變 BCl3佔(Cl2+BCl3)氣體流量比例之影響…………85
5.3.5 改變 CH4佔(CH4+Cl2)流量比例之影響………………86
5.3.6 改變Ar佔(Ar+Cl2)流量比例之影響…………………87
第六章 結論…………………………………………………………………91
參考文獻……………………………………………………………………93












圖目次

圖 2-1 濕式蝕刻示意圖……………………………………………………5
圖 2-2 選擇性示意圖………………………………………………………6
圖 2-3 直流電漿與交流電漿之示意圖……………………………………11
圖 2-4 直流輝光放射之示意圖……………………………………………12
圖 2-5 對稱電極射頻輝光放射的示意圖…………………………………14
圖 2-6 電漿蝕刻材料的過程………………………………………………16
圖 2-7 四種蝕刻機制的示意圖……………………………………………17
圖 2-8 電漿蝕刻示意圖……………………………………………………20
圖 2-9 傳統式電漿蝕刻系統………………………………………………22
圖 2-10 高密度電漿蝕刻系統……………………………………………23
圖 2-11 終點偵測結果示意圖……………………………………………27
圖 2-12 終點偵測器圖示…………………………………………………27
圖 3-1 感應耦合式電漿蝕刻系統示意圖…………………………………30
圖 3-2 掃瞄式電子顯微鏡基本構造示意圖………………………………31
圖 3-3 共軛聚焦顯微鏡原理示意圖………………………………………34
圖 3-4 共軛聚焦顯微鏡之外觀圖…………………………………………35
圖 3-5 共軛聚焦顯微鏡量測介面…………………………………………35
圖 3-6 薄膜測厚儀之圖示…………………………………………………36
圖 4-1 實驗流程圖…………………………………………………………38
圖 4-2 實驗晶片材料之結構圖……………………………………………39
圖 5-1 ICP功率與蝕刻速率、選擇比之關係圖………………………44
圖 5-2 偏壓功率與蝕刻速率、選擇比之關係圖…………………………47
圖 5-3 反應腔體壓力與蝕刻速率、選擇比之關係圖……………………48
圖 5-4 改變 BCl3比例與蝕刻速率、選擇比之關係圖…………………50
圖 5-5 改變 CH4比例與蝕刻速率、選擇比之關係圖……………………51
圖 5-6 改變Ar比例與蝕刻速率、選擇比之關係圖………………………53
圖 5-7 ICP功率與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖…………………54
圖 5-8 改變ICP 功率之掃瞄式電子顯微鏡俯視…………………………55
圖 5-9 改變ICP 功率之光學顯微鏡圖…………………………………56
圖 5-10 偏壓功率與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖…………………57
圖 5-11 改變偏壓功率之掃瞄式電子顯微鏡俯視圖……………………58
圖 5-12 改變偏壓功率之光學顯微鏡圖…………………………………59
圖 5-13 反應腔體壓力與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖……………60
圖 5-14 改變腔體壓力之掃瞄式電子顯微鏡俯視圖……………………61
圖 5-15 改變腔體壓力之光學顯微鏡圖…………………………………62
圖 5-16 改變 BCl3比例與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖…………63
圖 5-17 改變BCl3氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡俯視圖………………64
圖 5-18 改變BCl3氣體流量之光學顯微鏡圖……………………………65
圖 5-19 改變 CH4比例與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖…………66
圖 5-20 改變CH4氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡俯視圖………………67
圖 5-21 改變CH4氣體流量之光學顯微鏡圖……………………………68
圖 5-22 改變 Ar比例與蝕刻後粗糙度、發光亮度之關係圖…………69
圖 5-23 改變Ar氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡俯視圖………………71
圖 5-24 改變Ar氣體流量之光學顯微鏡圖……………………………72
圖 5-25 無表面粗化發光二極體光取出情形之機制圖…………………73
圖 5-26 具表面粗化發光二極體光取出情形之機制圖…………………74
圖5-27 蝕刻側壁角度示意圖……………………………………………75
圖 5-28 改變ICP 功率之掃瞄式電子顯微鏡側面圖…………………76
圖 5-29 改變偏壓功率之掃瞄式電子顯微鏡側面圖……………………77
圖 5-30 改變腔體壓力之掃瞄式電子顯微鏡側面圖……………………78
圖 5-31 改變BCl3氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡側面圖…………………79
圖 5-32 改變CH4氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡側面圖…………………80
圖 5-33 改變Ar氣體流量之掃瞄式電子顯微鏡側面圖…………………81
圖 5-34 ICP功率與蝕刻面角度之關係圖………………………………82
圖 5-35 偏壓功率與蝕刻面角度之關係圖………………………………83
圖 5-36 反應腔體壓力與蝕刻面角度之關係圖…………………………84
圖 5-37 改變 BCl3比例與蝕面角度之關係圖……………………………85
圖 5-38 改變 CH4比例與蝕刻面角度之關係圖…………………………86
圖 5-39 改變 Ar比例與蝕刻面角度之關係圖…………………………88



















表目次

表 4-1 改變ICP功率時之實驗參數……………………………………… 42
表 4-2 改變Bias功率時之實驗參數………………………………………42
表 4-3 改變Pressure時之實驗參數………………………………………42
表 4-4 改變BCl3比例時之實驗參數………………………………………43
表4-5 改變CH4比例時之實驗參數………………………………………43
表 4-6 改變Ar比例時之實驗參數…………………………………………43
表 5-1 改變ICP功率時之GaN元件蝕刻之結果…………………………89
表5-2 改變Bias功率時GaN元件蝕刻之結果………………………89
表 5-3 改變Pressure時GaN元件蝕刻之結果……………………………89
表 5-4 改變BCl3比例時GaN元件蝕刻之結果……………………………90
表 5-5 改變CH4比例時GaN元件蝕刻之結果……………………………90
表 5-6 改變Ar比例時GaN元件蝕刻之結果……………………………90

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