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一篇文章读懂PECVD及其LED芯片的应用
发布时间:2017-03-04

1.PECVD

等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术是借助于辉光放电等离子体使含有薄膜组成的气态物质发生化学反应,从而实现薄膜材料生长的一种新的制备技术。与常压化学气相沉积(APCVD)和低压化学气相沉积(LPCVD)利用热能来激活和维持化学反应相比,PECVD 技术是通过反应气体放电来制备薄膜的,有效地利用了非平衡等离子体的反应特征,从根本上改变了反应体系的能量供给方式。

等离子体在化学气相沉积中具有如下的作用:

(1)、将反应物中的气体分子激活成活性离子,从而降低反应需要的温度;

(2)、加速反应物在表面的扩散作用(表面迁移率),提高成膜的速度;

(3)、对于基体及膜层表面具有溅射清洗作用,溅射掉那些结合得不牢的粒子,从而加强了形成的膜层和基体的结合力;

(4)、由于反应物中的原子、分子、离子和电子之间的碰撞、散射作用,使形成的薄膜厚度能够均匀。

PECVD一般是在真空腔室中进行,一片或多片硅片(或蓝宝石、碳化硅等)被放置在下面的载台上,上电极施加RF功率,下电极接地或施加偏置电压。PECVD 技术制备薄膜材料时,薄膜的生长主要包含以下三个基本过程,图1.1PECVD系统及薄膜生长示意图。

1.1  PECVD系统及薄膜生长示意图

(一)在非平衡等离子体中,电子与反应气体发生初级反应,使得反应气体发生分解,形成离子和活性基团的混合物;

(二)各种活性基团向薄膜生长表面和管壁扩散输运,同时发生各反应物之间的次级反应;

(三)到达生长表面的各种初级反应和次级反应产物被吸附并与表面发生反应,同时伴随有气相分子物的再放出。

PECVD通常用于生长氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiOxNy)和非晶硅(a-Si)等膜层,反应方程式如下:

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

发光二极管英文全称为Light Emitting Diode,简称LED,是一种新型的固态光源,他可以将电能转化为光能,诞生于20世纪60年代。发光二极管是由III-V族化合物,如GaAs(砷化镓)GaN(氮化镓)AlGaInP等半导体制成的,其核心是PN结,中间有双异质结构构成的有源层,这个有源层就是发光区。因此他具有一般P-N结的I-V特性,即正向导通,反向截止、击穿特性。

a)封装结构 b)芯片结构

1.2  LED结构示意图

发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加上正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转换为光能。其发光过程包括三个部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。在LED的两端加上正向电压,电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出紫外到红外不同颜色的光线。调节电流,便可以调节光的强度。这样可以通过调整材料的能带结构和带隙,便可以多色发光。

1.3  LED发光原理示意图

LED发光颜色、波长与芯片材料的关系如下:

可见光

颜色

波长

结构材料

645nm~655nm

AlGaAs/GaAs

585nm~600nm

GaAsP/GaP

绿

555nm~560nm

AlGaInP/GaAs

高亮度蓝绿

490nm~540nm

GaInN/Sapphire

高亮度蓝

455nm~485nm

GaInN/Sapphire

不可见光

红外

850nm~940nm

GaAs/GaAs

AlGaAs/GaAs

紫外

300nm~400nm

AlGaN/GaN

LED芯片,主要有正装、倒装和垂直三种结构。

w 正装:光从正面发出,存在正面发光面积损失问题;

w 倒装:光从背面发出,优点是散热性能有所提高,光提取效率较高,发光面积大;

w 垂直:光从正面发出, 优点是散热性能好,但工艺复杂,成品率低。

1.4  LED芯片封装结构

3.PECVD设备在LED芯片中的应用

LED芯片制程中,PECVD主要沉积SiO2SiNx膜层,用于刻蚀掩膜层、电流阻挡层、钝化保护层和介质隔离层等工艺。

² 掩膜层

湿法PSS工艺SiO2作为蚀刻阻挡层( hard mask ),高温下利用硫酸与磷酸的混酸蚀刻,形成最终的PSS图案。

ISO刻蚀工艺:ISO刻蚀时,采用SiO2PR当刻蚀掩膜层,SiO2的选择比大于PR的,从而降低PR厚度。

² 电流阻挡层(CBL

LED芯片内部的电流走向可简化为AB,路径B使得电极下方发光层发的光被P电极挡住,影响了发光效率,CBL用于引导电流走路径A

² 正装芯片钝化层(Passvition

SiO2薄膜做钝化层,隔离PN电极防止短路;避免水汽、杂质原子对芯片表面的吸附,保护芯片(ITO膜),提高发光效率。

² 高压芯片,ISO槽内电极桥连的隔离层

ISO槽内,桥连金属线的下方,沉积SiO2绝缘层,阻止PN电极的短路

² 倒装芯片, P/N电极的介质隔离、钝化层

沉积绝缘的SiO2/SiNx介质层,隔离PN电极的bonding metal,防止短路;钝化保护内部结构

4.NAURA EPEE550介绍

北方华创微电子基于半导体领域多年的产品设计及制造能力,适时推出LED芯片制程设备之一的EPEE 550 PECVD系统,产品具有诸多优异特性。


1.5  NAURA EPEE550 系统

LED领域目前主要使用SiO2SiNx两种薄膜工艺,用于钝化层、电流阻挡层、掩膜层等应用。EPEE 550™产品结合独特的产品结构设计,实现良好的工艺均匀性控制,满足不同产品的制程工艺要求;EPEE 550™产品具备高产能优势,可实现主流4寸单盘19片放片能力,同时亦可兼容2~8英寸衬底不同规格的应用。

1.6 EPEE550 SiO2SiNx均匀性数据

CVD工艺由于是镀膜工艺,需要定期进行腔体的清洗处理,以消除潜在的颗粒污染风险。EPEE 550™基于优秀的腔体结构和等离子体设计,实现在线高效等离子体清洗技术,可实现更大功率快速稳定清洗腔室。 

1.7 EPEE550 干式清洗OES光谱曲线

北方华创微电子 第一刻蚀BU

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