臺灣博碩士論文加值系統

本論文嘗試使用不同硫酸和磷酸的混合溶液在高溫下蝕刻藍寶石基板，最後得到最適合用來蝕刻藍寶石基板的硫酸和磷酸混合溶液比例為3：1。
對於條紋圖案的蝕刻，我們得到由<-1010>方向蝕刻後對稱的晶格面，以及由<-2110>方向蝕刻後不對稱的晶格面，因為我們使用的晶片很小，所以在曝光時光罩並沒有參考方向可供對準，但是在蝕刻後卻只能得到<-1010>或<-2110>方向的條狀蝕刻溝槽產生。而圓形圖案、六角形圖案及矩形圖案經由黃光製程並且在高溫及長時間蝕刻後，其圖案的表面型態維持原貌，但可以得到圖案內皆為三個R-plane相互接在一起呈現角錐狀的圖形。並且最後可以得到條紋、圓形及六角形圖案最適合及最穩定的蝕刻溫度約為250°C，因為只要適當調整蝕刻時間，皆可以得到穩定精確的蝕刻深度。

In this research, we tried to use H2SO4 and H3PO4 mixed solution with different ratios to etch sapphire substrate at high temperature. With our experiment results, we found that the H2SO4 and H3PO4 solution with the ratio of 3:1 is the best solution for etching sapphire wafer.
While etching with the stripe pattern, we got trenches along the <-1010> direction with symmetric sidewalls, and trenches along the <-2110> direction with asymmetric sidewalls on sapphire surface. Since the wafer we used for etching were very small (about 1/16 of 2” sapphire wafer), there was no reference direction for alignment while we were doing exposure. But with such random alignment, it is interesting to find there are only two specific type of trenches will be produced. While etching with circle, hexagonal and rectangle patterns, the surface kept same shape as the mask. But inside the concave there were always three R-plane joint together and forming pyramidal awl. Finally, we found that 250℃ is the best temperature for stripe, circle and hexagon patterns wet etching since both etching rate and depth could be precisely controlled under this condition.

指導教授推薦書……………………………………………………………………
口試委員會審定書…………………………………………………………………
國家圖書館授權書.……………………………………………………………...iii
長庚大學授權書…………………………………………………………………….iv
誌謝………………………………………………………………………………….v
中文摘要…………………………………………………………………………..viii
英文摘要…………………………………………………………….…..……….ix
目錄……………………………………………………………………………..x
圖目錄…………………………………………………………………………..…..xii
表目錄……………………………………………………………………….….....xv
第一章　導論……………………………..………………………………………….1
1.1 前言……………………………………………………………...………….1
1.2 研究動機與目的.………………………………………………….…….....2
第二章　理論與文獻回顧…………………………………………………….….…5
2.1 藍寶石基板性質概述…………………………..………………………….5
2.2 三族氮化物系列簡介……………………………………………...…...….6
2.3 LED發展歷史簡介…………………………………...………………..…..6
2.4 乾式蝕刻原理及技術…………………………………...…………...…......8
2.5 濕式蝕刻原理及技術………………………………………..……...……...9
第三章　濕式蝕刻圖案化藍寶石基板裝置與原理………..………….….………19
3.1 以電漿輔助化學氣相沈積法(PECVD)成長高緻密度SiO2薄膜…….....19
3.2 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板製作流程………………..…………...........20
3.3 量測儀器…………………………………………………………………..24
3.3.1 光學顯微鏡(OM)……………………………………………...…24
3.3.2　掃描式電子顯微鏡(SEM)…………………………………….…24
第四章　濕式蝕刻圖案化藍寶石基板實驗結果與討論…………………...….... 31
4.1 前言……………………………………………………………….…….…31
4.2 不同的硫酸和磷酸溶液比例對蝕刻藍寶石基板的輪廓變化…….........31
4.2.1 使用純硫酸蝕刻藍寶石基板………………………………...….31
4.2.2　使用純磷酸蝕刻藍寶石基板………………………………..…..33
4.2.3　使用1:3的硫酸和磷酸的混合溶液蝕刻藍寶石基板……….….34
4.2.4　使用1:1的硫酸和磷酸的混合溶液來蝕刻藍寶石基板………..34
4.2.5　使用3:1的硫酸和磷酸的混合溶液蝕刻藍寶石基板…………..35
4.3　不同溫度對不同圖案化藍寶石的濕式蝕刻速率及輪廓分析……….…36
4.3.1　濕式蝕刻條紋圖案藍寶石基板…………………………………36
4.3.2　濕式蝕刻圓形圖案藍寶石基…………………………………....39
4.3.3　濕式蝕刻六角形圖案藍寶石基板…………………………..…..42
4.3.4　濕式蝕刻矩形圖案藍寶石基板……………………………...….44
第五章　結論與未來展望…………………………………………………......…..81
5.1 結論…………………………………………………………………..……81
5.2 未來展望……………………………………………………………..……82
參考文獻…………………………………………………………………….…..…..84

圖目錄
圖1-1　氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化銦(InN)之能隙及晶格常數對應關係
圖………..........................................................................................................4
圖2-1 藍寶石單晶結構示意圖…………….………………………..………..…..11
圖2-2 六方晶體的烏采結構圖…………..………………………………...……..13
圖2-3 MIS (Metal-Insulator-Semiconductor)結構LED………………….………14
圖2-4 發光二極體發展史…..….............................................................................15
圖2-5 (a)為蝕刻前、(b)為濕式蝕刻、(c)為乾式蝕刻……………………….….16
圖2-6 物理性蝕刻及化學性蝕刻…………………………………….….….…17
圖2-7 濕式蝕刻示意圖……………………………………………………..…….18
圖3-1 PECVD反應機制流程圖……………………………………….…………26
圖3-2 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板製作流程圖…………………………..........27
圖3-3 濕式蝕刻圖案化藍寶石基板實驗裝置架構圖……………………….….28
圖3-4 光學顯微鏡及觀測螢幕示意圖……………………………………....…..29
圖3-5 掃描式電子顯微鏡示意圖(HITACHI型號S-3000N) ………………..…30
圖4-1 硫酸298°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板(a)10分鐘(b)20分鐘(c)30分鐘...47
圖4-2 藍寶石基板在硫酸溫度400°C，蝕刻30分鐘後的DCXRD量測圖……48
圖4-3 藍寶石基板在硫酸溫度410°C，蝕刻時間為30分鐘的SEM圖………49
圖4-4 純磷酸在300°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板(a)10分鐘(b)20分鐘(c) 10分
鐘剖面(d)20分鐘剖面…………………………………………...………..50
圖4-5 1:3的硫酸和磷酸的混合溶液在300°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板10分
鐘………………………………………………………………………...…51
圖4-6 1:1的硫酸和磷酸的混合溶液，在298°C下蝕刻條紋圖案藍寶石基板
(a)10分鐘(b)20分鐘(c)30分鐘…………………………………………...52
圖4-7 3:1的硫酸和磷酸的混合溶液在298°C下蝕刻條紋圖案藍寶石基板30
分鐘……………………………………………………………………..…53
圖4-8 253°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板10分鐘的(a)正面(b)剖面圖………….54
圖4-9 藍寶石晶格面及角度示意圖………………………..……………….…...55
圖4-10 253°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板20分鐘(a)正面(b)剖面圖，30分鐘
　　　　(c)正面(d)剖面圖……………………………………………….…….….56
圖4-11 266°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板10分鐘的(a)正面(b)剖面圖……….57
圖4-12 藍寶石晶格面示意圖……………………………….....………….……..58
圖4-13 275°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板30分鐘剖面圖… ……………….....60
圖4-14 300°C蝕刻條紋圖案藍寶石基板30分鐘剖面圖……………………..61
圖4-15 條紋圖案藍寶石基板在不同溫度及時間下的蝕刻深度關係圖……....62
圖4-16 250°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板10分鐘正視圖…………………...…63
圖4-17 250°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板10分鐘單一圖案放大圖及藍寶石晶格
面示意圖………………………………………………………………….64
圖4-18 250°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板20分鐘正視圖………………………65
圖4-19 250°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板30分鐘(a)正視圖(b)剖面圖………...66
圖4-20 260°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板10分鐘(a)正視圖(b)剖面圖…….…67
圖4-21 260°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板(a)20分鐘(b)30分鐘………………..68
圖4-22 275°C蝕刻圓形圖案藍寶石基板10分鐘……………………………...70
圖4-23 圓形圖案藍寶石基板在不同溫度及時間下的蝕刻深度關係圖………71
圖4-24 250°C蝕刻六角形圖案藍寶石基板10分鐘(a)正視圖 (b)單一圖案放大
圖…………………………………………………………………….……72
圖4-25 250°C蝕刻六角形圖案藍寶石基板(a)20分鐘 (b)30分鐘………..…..73
圖4-26 300°C蝕刻六角形圖案藍寶石基板30分鐘(a)正視圖 (b)剖面圖….....75
圖4-27　六角形圖案藍寶石基板在不同溫度及時間下的蝕刻深度關係圖……76
圖4-28　300°C蝕刻矩形圖案藍寶石基板30分鐘(a)正視圖 (b)剖面圖……...77
圖4-29　(a)295°C蝕刻圓形圖案30分鐘(b) 300°C蝕刻六角形圖案30分鐘
(c) 300°C蝕刻矩形圖案30分鐘………………………………….…….78
圖4-30　293°C蝕刻十字形圖案藍寶石基板30分鐘(a)正視圖(b)單顆十字放大
圖…………………………………………………………………...……..79
圖4-31　293°C蝕刻十字形圖案藍寶石基板30分鐘(a)3萬倍放大圖(b)10萬倍
放大圖…………………………………………………………………….80

表目錄
表2-1 藍寶石基本物理性質表………………………………………………...…12
表4-1 不同溫度及時間下，條紋圖案藍寶石基板對稱於否及蝕刻深度的變
化…………………………………………………………………………...59
表4-2　不同溫度及時間下，圓形圖案藍寶石基板蝕刻深度的變化……….….69
表4-3　不同溫度及時間下，六角形圖案藍寶石基板蝕刻深度的變化…….….74

[1] Takashi Matsuoka, Hiroshi Okamoto, Masashi Nakao, Hiroshi Harima, Eiji Kurimoto, Appl. Phys. Lett., vol. 81, pp. 1246-1248 (2002).
[2] Ben G. Streetman, and Sanjay Banerjee, “Solid State Electronic
Devices”, 5th Ed., Prentice Hall, Inc (2000).
[3] M. Yamada, T. Mitani, Y. Nakukawa, S. Shioji, I. Niki, S. Sonobe, K. Deguchi, M.Sano and T. Mukai, “InGaN-based near-ultraviolet and blue-light-emitting diodes with high external quantum efficiency using a patterned sapphire substrate and a mesh electrode,” Jpn. J. Appl. Phys. 41, L1431 (2002)
[4] K. Tadatomo, H. Okagawa, Y. Ohuchi, T. Tsunekawa, Y. Imada, M.Kato1 and T. Taguchi, Jpn. J. Appl. Phys. 40, L583 (2001)
[5] M. Kappelt and D. Bimberg, J. Electrochem. Soc., 143, 3271 (1996)
[6] Y. J. Lee, J. M. Hwang, T. C. Hsu, M. H. Hsieh, M. J. Jou, B. J. Lee, T.C. Lu, H. C. Kuo, and S. C.Wang, “GaN-based LEDs with Al-deposited V-shape sapphire facet mirror,” IEEE Photon. Technol. Lett, vol. 18, no.5, pp. 724–726, Mar. 1, (2006)
[7] Y. J. Lee, J. M. Hwang, T. C. Hsu, M. H. Hsieh, M. J. Jou, B. J. Lee, T. C. Lu, H. C. Kuo, Member, IEEE, and S. C. Wang, “Enhancing the Output Power of GaN-Based LEDs Grown on Wet-Etched Patterned Sapphire Substrates,” IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 18, NO. 10, MAY 15, (2006)
[8] 陳國興，〈選擇性活化之高亮度藍光二極體製程方法〉，長庚大學，碩士論文，民國95年。
[9] N. Holonyak Jr. and S. F. Bevacqua, "Coherent (Visible) Light Emission from Ga(As1-xPx) Junctions," Appl. Phys. Lett., vol.1, Issue 4, pp. 82-83 (1962)
[10] Nakamura, “The blue laser diode,” Springer (1997)
[11] 吳志凌，〈圖案化藍寶石基板之濕式蝕刻〉，台灣大學，碩士論文，民國96年。
[12] 紀國鐘、蘇炎坤，《光電半導體技術手冊》，經濟部，民國91年。
[13] F. M. Steranka, J. Bhat, D Collins and L. Cook et al.,” High Power LED -Technology Status and Market Applications,” Phys. Stat. Sol. (a), vol. 194, Issue.2, pp. 380-388 (2002)
[14] 張顯峰，〈在照明革命中搶占制高點〉http://www.stdaily.com/big5/zoujin863/2007-06/13/content_682123.htm。
[15] 翁啓文，〈氮化鎵磊晶薄膜的反應性離子蝕刻研究〉，長庚大學，　　　　　　 碩士論文，民國95年。
[16] F.Dwikusuma, D.Saulys, and T.F. Kuech, “Study on sapphire surface preparation for III-nitride heteroepitaxial growth by chemical treatments,” J. Electrochem. Soc., 149, G603 (2002)
[17] M. Konuma, Films Deposition by Plasma Technique, Published by
Springer-Verlag, (1992)
[18] 陳力俊，《微電子材料與製程》，復旦大學出版社，民國94年。
[19] D. S. Wuu,W. K. Wang, K. S. Wen,S. C. Huang, S. H. Lin,R. H. Horng, Y. S. Yu, and M. H. Pan, ” Fabrication of Pyramidal Patterned Sapphire Substrates for High-Efficiency InGaN-Based Light Emitting Diodes,” Journal of The Electrochemical Society, 153 (8) G765-G770 (2006)
[20] Jing Wang,z L. W. Guo, H. Q. Jia, Y. Wang, Z. G. Xing, W. Li,
H. Chen, and J. M. Zhou, ” Fabrication of Patterned Sapphire Substrate by Wet Chemical Etching for Maskless Lateral Overgrowth of GaN,” Journal of The Electrochemical Society, 153 (3) C182-C185 (2006)
[21] Seong-Jin KIM,” Vertical Electrode GaN-Based Light-Emitting Diode Fabricated by Selective Wet Etching Technique”, Japanese Journal of Applied Physics Vol. 44, No. 5A, 2005, pp. 2921–2924
[22] Hadis morkoc, “Nitride Semiconductors and Devices,” Springer (1999)
[23] Ya-Ju Lee, Tien-Chang Lu, Hao-Chung Kuo, Senior Member, IEEE, and Shing-Chung Wang, “High Brightness GaN-Based Light-Emitting Diodes,” JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, VOL. 3, NO. 2, JUNE, (2007)