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NAURA創新
一篇文章讀懂PECVD及其LED芯片的應用
發布時間:2017-03-04

1.PECVD

等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)技術是借助于輝光放電等離子體使含有薄膜組成的氣態物質發生化學反應,從而實現薄膜材料生長的一種新的制備技術。與常壓化學氣相沉積(APCVD)和低壓化學氣相沉積(LPCVD)利用熱能來激活和維持化學反應相比,PECVD 技術是通過反應氣體放電來制備薄膜的,有效地利用了非平衡等離子體的反應特征,從根本上改變了反應體系的能量供給方式。

等離子體在化學氣相沉積中具有如下的作用:

(1)、將反應物中的氣體分子激活成活性離子,從而降低反應需要的溫度;

(2)、加速反應物在表面的擴散作用(表面遷移率),提高成膜的速度;

(3)、對于基體及膜層表面具有濺射清洗作用,濺射掉那些結合得不牢的粒子,從而加強了形成的膜層和基體的結合力;

(4)、由于反應物中的原子、分子、離子和電子之間的碰撞、散射作用,使形成的薄膜厚度能夠均勻。

PECVD一般是在真空腔室中進行,一片或多片硅片(或藍寶石、碳化硅等)被放置在下面的載臺上,上電極施加RF功率,下電極接地或施加偏置電壓。PECVD 技術制備薄膜材料時,薄膜的生長主要包含以下三個基本過程,圖1.1PECVD系統及薄膜生長示意圖。

1.1 ?PECVD系統及薄膜生長示意圖

(一)在非平衡等離子體中,電子與反應氣體發生初級反應,使得反應氣體發生分解,形成離子和活性基團的混合物;

(二)各種活性基團向薄膜生長表面和管壁擴散輸運,同時發生各反應物之間的次級反應;

(三)到達生長表面的各種初級反應和次級反應產物被吸附并與表面發生反應,同時伴隨有氣相分子物的再放出。

PECVD通常用于生長氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiOxNy)和非晶硅(a-Si)等膜層,反應方程式如下:

SiO2SiH4 +2N2O à[350]à SiO2+2N2+2H2

SiO2Si(OC2H5)4TEOS+O2 à [250~450] à SiO2+ byproducts

SiNxSiH4+ NH3 à [350] àSiNx (SiNxHy) + byproducts

a-SiSiH4 à [350] à a-Si(H)+2H2

SiOxNySiH4NH3 +N2O SiOxNy Byproducts

2.LED

發光二極管英文全稱為Light Emitting Diode,簡稱LED,是一種新型的固態光源,他可以將電能轉化為光能,誕生于20世紀60年代。發光二極管是由III-V族化合物,如GaAs(砷化鎵)GaN(氮化鎵)AlGaInP等半導體制成的,其核心是PN結,中間有雙異質結構構成的有源層,這個有源層就是發光區。因此他具有一般P-N結的I-V特性,即正向導通,反向截止、擊穿特性。

a)封裝結構 b)芯片結構

1.2 ?LED結構示意圖

發光二極管的結構主要由PN結芯片、電極和光學系統組成。當在電極上加上正向偏壓之后,使電子和空穴分別注入P區和N區,當非平衡少數載流子與多數載流子復合時,就會以輻射光子的形式將多余的能量轉換為光能。其發光過程包括三個部分:正向偏壓下的載流子注入、復合輻射和光能傳輸。在LED的兩端加上正向電壓,電流從LED陽極流向陰極時,半導體晶體就發出紫外到紅外不同顏色的光線。調節電流,便可以調節光的強度。這樣可以通過調整材料的能帶結構和帶隙,便可以多色發光。

1.3 ?LED發光原理示意圖

LED發光顏色、波長與芯片材料的關系如下:

可見光

顏色

波長

結構材料

645nm~655nm

AlGaAs/GaAs

585nm~600nm

GaAsP/GaP

555nm~560nm

AlGaInP/GaAs

高亮度藍綠

490nm~540nm

GaInN/Sapphire

高亮度藍

455nm~485nm

GaInN/Sapphire

不可見光

紅外

850nm~940nm

GaAs/GaAs

AlGaAs/GaAs

紫外

300nm~400nm

AlGaN/GaN

LED芯片,主要有正裝、倒裝和垂直三種結構。

w 正裝:光從正面發出,存在正面發光面積損失問題;

w 倒裝:光從背面發出,優點是散熱性能有所提高,光提取效率較高,發光面積大;

w 垂直:光從正面發出, 優點是散熱性能好,但工藝復雜,成品率低。

1.4 ?LED芯片封裝結構

3.PECVD設備在LED芯片中的應用

LED芯片制程中,PECVD主要沉積SiO2SiNx膜層,用于刻蝕掩膜層、電流阻擋層、鈍化保護層和介質隔離層等工藝。

2 掩膜層

濕法PSS工藝SiO2作為蝕刻阻擋層( hard mask ),高溫下利用硫酸與磷酸的混酸蝕刻,形成最終的PSS圖案。

ISO刻蝕工藝:ISO刻蝕時,采用SiO2PR當刻蝕掩膜層,SiO2的選擇比大于PR的,從而降低PR厚度。

2 電流阻擋層(CBL

LED芯片內部的電流走向可簡化為AB,路徑B使得電極下方發光層發的光被P電極擋住,影響了發光效率,CBL用于引導電流走路徑A

2 正裝芯片鈍化層(Passvition

SiO2薄膜做鈍化層,隔離PN電極防止短路;避免水汽、雜質原子對芯片表面的吸附,保護芯片(ITO膜),提高發光效率。

2 高壓芯片,ISO槽內電極橋連的隔離層

ISO槽內,橋連金屬線的下方,沉積SiO2絕緣層,阻止PN電極的短路

2 倒裝芯片, P/N電極的介質隔離、鈍化層

沉積絕緣的SiO2/SiNx介質層,隔離PN電極的bonding metal,防止短路;鈍化保護內部結構

4.NAURA EPEE550介紹

北方華創微電子基于半導體領域多年的產品設計及制造能力,適時推出LED芯片制程設備之一的EPEE 550? PECVD系統,產品具有諸多優異特性。


1.5 ?NAURA EPEE550 系統

LED領域目前主要使用SiO2SiNx兩種薄膜工藝,用于鈍化層、電流阻擋層、掩膜層等應用。EPEE 550?產品結合獨特的產品結構設計,實現良好的工藝均勻性控制,滿足不同產品的制程工藝要求;EPEE 550?產品具備高產能優勢,可實現主流4寸單盤19片放片能力,同時亦可兼容2~8英寸襯底不同規格的應用。

1.6 EPEE550 SiO2SiNx均勻性數據

CVD工藝由于是鍍膜工藝,需要定期進行腔體的清洗處理,以消除潛在的顆粒污染風險。EPEE 550?基于優秀的腔體結構和等離子體設計,實現在線高效等離子體清洗技術,可實現更大功率快速穩定清洗腔室。?

1.7 EPEE550 干式清洗OES光譜曲線

北方華創微電子 第一刻蝕BU

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