第四章半導體單晶和薄膜制造技術4.1半導體單晶的制造單晶硅圓片按其直徑分為6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸（450毫米）等。直徑越大的圓片，所能刻制的集成電路越多，芯片的成本也就越低。但大尺寸晶片對材料和技術的要求也越高。單晶硅按晶體生長方法的不同，分為直拉法（CZ）、區熔法（FZ）和外延法。直拉法、區熔法生長單晶硅棒材，外延法生長單晶硅薄膜。直拉法生長的單晶硅主要用于半導體集成電路、二極管、外延片襯底、太陽能電池。目前晶體直徑可控制在Φ3~8英寸。區熔法單晶主要用于高壓大功率可控整流器件領域，廣泛用于大功率輸變電、電力機車、整流、變頻、機電一體化、節能燈、電視機等系列產品。目前晶體直徑可控制在Φ3~6英寸。外延片主要用于集成電路領域。

由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）單晶硅材料應用最廣。在IC工業中所用的材料主要是CZ拋光片和外延片。存儲器電路通常使用CZ拋光片，因成本較低。邏輯電路一般使用價格較高的外延片，因其在IC制造中有更好的適用性并具有消除Latch－up(閂鎖)的能力（閂鎖效應，又稱自鎖效應、閘流效應，它是由寄生晶體管引起的，屬于CMOS電路的缺點。通常在電路設計和工藝制作中加以防止和限制。該效應會在低電壓下導致大電流，這不僅能造成電路功能的混亂，而且還會使電源和地線間短路，引起芯片的永久性損）。

單晶硅也稱硅單晶，是電子信息材料中最基礎性材料，屬半導體材料類。單晶硅已滲透到國民經濟和國防科技中各個領域，當今全球超過2000億美元的電子通信半導體市場中95%以上的半導體器件及99%以上的集成電路用硅。

區熔法單晶生長如果需要生長及高純度的硅單晶，其技術選擇是懸浮區熔提煉，該項技術一般不用于GaAs。區熔生長技術的基本特點是樣品的熔化部分是完全由固體部分支撐的，不需要坩堝。柱狀的高純多晶材料固定于卡盤，一個金屬線圈沿多晶長度方向緩慢移動并通過柱狀多晶，在金屬線圈中通過高功率的射頻電流，射頻功率技法的電磁場將在多晶柱中引起渦流，產生焦耳熱，通過調整線圈功率，可以使得多晶柱緊鄰線圈的部分熔化，線圈移過后，熔料在結晶為單晶。另一種使晶柱局部熔化的方法是使用聚焦電子束。整個區熔生長裝置可置于真空系統中，或者有保護氣氛的封閉腔室內。為確保生長沿所要求的晶向進行，也需要使用籽晶，采用與直拉單晶類似的方法，將一個很細的籽晶快速插入熔融晶柱的頂部，先拉出一個直徑約3mm，長約10-20mm的細頸，然后放慢拉速，降低溫度放肩至較大直徑。頂部安置籽晶技術的困難在于，晶柱的熔融部分必須承受整體的重量，而直拉法則沒有這個問題，因為此時晶錠還沒有形成。這就使得該技術僅限于生產不超過幾公斤的晶錠。區熔法（FZ法）

優缺點：可以制備大分解壓化合物半導體單晶避免熔體揮發質量大為提高紅寶石因剛玉中含Cr而呈紅色；藍寶石因含Ti、Fe呈藍色紅寶石（ruby）因剛玉中含Cr而呈紅色；藍寶石(sapphire)因含Ti、Fe呈藍色4.2半導體外延制造技術半導體的外延根據向襯底輸送原子的方式可分為三種：液相外延、氣相外延和真空外延。MOCVD是一種典型的氣相外延，而MBE又是一種典型的真空外延。由于MOCVD既可以生長組份突變的異質結，又可以生長組份漸變的異質結，因此到目前為止，在半導體外延領域，MOCVD技術仍然是外延技術的主流。另外降低反應室壓力可以增加反應劑的流速，易于生長突變異質結。再有在低壓下，反應劑的濃度可以控制得很低，因此外延生長的速率也可以控制得很低。正因MOCVD在低壓下外延具有更多的優點，所以目前的MOCVD實際上都是低壓MOCVD，即LPMOCVD。

常用外延材料及其工藝MOCVD技術優點MOCVD設備將Ⅱ或Ⅲ族金屬有機化合物（如Ga(CH3)3，TMG）與Ⅳ或Ⅴ族元素的氫化物(如砷烷，AsH3,NH3)相混合后通入反應腔，混合氣體流經加熱的襯底表面時，在襯底表面發生熱分解反應，并外延生長成化合物單晶薄膜。與其他外延生長技術相比，MOCVD技術有著如下優點：（1）用于生長化合物半導體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態的方式通入反應室，因此，可以通過精確控制氣態源的流量和通斷時間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等?？梢杂糜谏L薄層和超薄層材料。（2）反應室中氣體流速較快。因此，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時，可以迅速進行改變，減小記憶效應發生的可能性。這有利于獲得陡峭的界面，適于進行異質結構和超晶格、量子阱材料的生長。（3）晶體生長是以熱解化學反應的方式進行的，是單溫區外延生長。只要控制好反應源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長，便于工業化大批量生產。（4）通常情況下，晶體生長速率與Ⅲ族源的流量成正比，因此，生長速率調節范圍較廣。較快的生長速率適用于批量生長。（5）使用較靈活。原則上只要能夠選擇合適的原材料就可以進行包含該元素的材料的MOCVD生長。而可供選擇作為反應源的金屬有機化合物種類較多，性質也有一定的差別。（6）由于對真空度的要求較低，反應室的結構較簡單。（7）隨著檢測技術的發展，可以對MOCVD的生長過程進行在位監測。MOCVD技術的缺點首先是所采用的金屬有機化合物和氫化物源價格較為昂貴，其次是由于部分源易燃易爆或者有毒，因此有一定的危險性，并且，反應后產物需要進行無害化處理，以避免造成環境污染。另外，由于所采用的源中包含其他元素（如C，H等），需要對反應過程進行仔細控制以避免引入非故意摻雜的雜質。MOCVD基本結構TMA：三甲基鋁；TEG：三乙基鎵；TMG:三甲基鎵；TMI：三甲基銦；DEZ：二乙基鋅；H2：載氣MOCVD生長過程簡介通常MOCVD生長的過程可以描述如下：被精確控制流量的反應源材料在載氣（通常為H2，也有的系統采用N2）的攜帶下被通入石英或者不銹鋼的反應室，在襯底上發生表面反應后生長外延層，襯底是放置在被加熱的基座上的。在反應后殘留的尾氣被掃出反應室，通過去除微粒和毒性的尾氣處理裝置后被排出系統。MOCVD的工作流程圖

一臺MOCVD生長設備可以簡要地分為以下的4個部分。（1）氣體操作系統：氣體操作系統包括控制Ⅲ族金屬有機源和V族氫化物源的氣流及其混合物所采用的所有的閥門、泵以及各種設備和管路。其中，最重要的是對通入反應室進行反應的原材料的量進行精確控制的部分。主要包括對流量進行控制的質量流量控制計（MFC），對壓力進行控制的壓力控制器（PC）和對金屬有機源實現溫度控制的水浴恒溫槽（ThormalBath）。（2）反應室：反應室是MOCVD生長系統的核心組成部分，反應室的設計對生長的效果有至關重要的影響。不同的MOCVD設備的生產廠家對反應室的設計也有所不同。但是，最終的目的是相同的，即避免在反應室中出現離壁射流和湍流的存在，保證只存在層流，從而實現在反應室內的氣流和溫度的均勻分布，有利于大面積均勻生長。（3）加熱系統：MOCVD系統中襯底的加熱方式主要有三種：射頻加熱，紅外輻射加熱和電阻加熱。在射頻加熱方式中，石墨的基座被射頻線圈通過誘導耦合加熱。這種加熱形式在大型的反應室中經常采用，但是通常系統過于復雜。為了避免系統的復雜性，在稍小的反應室中，通常采用紅外輻射加熱方式。鹵鎢燈產生的熱能被轉化為紅外輻射能，石墨的基座吸收這種輻射能并將其轉化回熱能。在電阻加熱方式中，熱能是由通過金屬基座中的電流流動來提供的。（4）尾氣處理系統：由于MOCVD系統中所采用的大多數源均易燃易爆，其中的氫化物源又有劇毒，因此，必須對反應過后的尾氣進行處理。通常采用的處理方式是將尾氣先通過微粒過濾器去除其中的微粒（如P等）后，再將其通入氣體洗滌器（Scrubber）采用解毒溶液進行解毒。另外一種解毒的方式是采用燃燒室。在燃燒室中包括一個高溫爐，可以在900～1000℃下，將尾氣中的物質進行熱解和氧化，從而實現無害化。反應生成的產物被淀積在石英管的內壁上，可以很容易去除。MOCVD主要功能和應用的范圍MOCVD應用的范圍有：

1、鈣鈦礦氧化物如PZT、SBT、CeMnO2等；

2、鐵電薄膜；

3、ZnO透明導電薄膜、用于藍光LED的n-ZnO和p-ZnO、用于TFT的ZnO、ZnO納米線；

4、表面聲波器件SAW(如LiNbO3等）；

5、三五族化合物如GaN、GaAs基發光二極體（LED）、雷射器（LD）和探測器；

6、MEMS薄膜；

7、太陽能電池薄膜；

8、銻化物薄膜；

9、YBCO高溫超導帶；

10、用于探測器的SiC、Si3N4等寬頻隙光電器件MOCVD對鍍膜成分、晶相等品質容易控制，可在形狀復雜的基材、襯底、上形成均勻鍍膜，結構密緻，附著力良好之優點，因此MOCVD已經成為工業界主要的鍍膜技術。MOCVD制程依用途不同，制程設備也有相異的構造和型態。MOCVD近來也有觸媒制備及改質和其他方面的應用，如制造超細晶體和控制觸媒得有效深度等。在可預見的未來里，MOCVD工藝的應用與前景是十分光明的。MOCVD設備主要生產廠家

目前世界上MOCVD設備制造商主要有兩家：德國AIXTRON公司(英國THOMASSWAN公司已被AIXTRON公司收購)和美國VEECO公司（并購美國EMCORE公司）。其中AIXTRON公司（含THOMASSWAN公司）大約占60-70%的國際市場份額，而VEECO公司占30-40%。其他廠家主要包括日本的NIPPONSanso和NissinElectric等，其市場基本限于日本國內。如，日本日亞公司(Nichia)和豐田合成(Toyota)等公司生產的GaN-MOCVD設備不在市場上銷售，僅供自用；而日本SANSO公司生產的GaN-MOCVD設備性能優良，但僅限日本市場銷售。從設備性能上來講，日亞公司設備生產的材料質量和器件性能，要遠優于AIXTRON和EMCORE的設備。按生產能力計算，GaN-MOCVD設備在全球市場的主要分布為：中國臺灣地區48%，美國15%，日本15%，韓國11%，中國大陸7%，歐盟4%。目前，中國尚無此類公司。國內有外延和芯片生產企業20多家，這些企業已累計引進30多臺MOCVD，總投資在4000萬美元左右，主要購買德國AIXTRON和美國EMCORE兩家供應商的MOCVD設備，以6片和9片機居多，每臺設備的價格在70萬美元到100萬美元。近期有企業引進19片和21片機，并已有企業開始裝備VEECO公司生產的比較先進的24片MOCVD設備。為了滿足大規模生產的要求，MOCVD設備將向更大型化方向發展，一次生產24片2英寸外延片的設備已經有商品出售，今后將會生產更大規模的設備。此外，面向特色應用的專用MOCVD高檔設備產品的市場需求，也將有所增長。不過這些設備一般不出售，無法從市場上買到。分子束外延是一種新的晶體生長技術，簡記為MBE。其方法是將半導體襯底放置在超高真空腔體中，和將需要生長的單晶物質按元素的不同分別放在噴射爐中（也在腔體內）。由分別加熱到相應溫度的各元素噴射出的分子流能在上述襯底上生長出極薄的（可薄至單原子層水平）單晶體和幾種物質交替的超晶格結構。分子束外延主要研究的是不同結構或不同材料的晶體和超晶格的生長。該法生長溫度低，能嚴格控制外延層的層厚組分和摻雜濃度，但系統復雜，生長速度慢，生長面積也受到一定限制。分子束外延是50年代用真空蒸發技術制備半導體薄膜材料發展而來的。隨著超高真空技術的發展而日趨完善，由于分子束外延技術的發展開拓了一系列嶄新的超晶格器件，擴展了半導體科學的新領域，進一步說明了半導體材料的發展對半導體物理和半導體器件的影響。分子束外延的優點就是能夠制備超薄層的半導體材料；外延材料表面形貌好，而且面積較大均勻性較好；可以制成不同摻雜劑或不同成份的多層結構；外延生長的溫度較低，有利于提高外延層的純度和完整性；利用各種元素的粘附系數的差別，可制成化學配比較好的化合物半導體薄膜。分子束外延與其他外延方法相比具有如下的特點：1）源和襯底分別進行加熱和控制，生長溫度低，如GaAs可在500攝氏度左右生長，可減少生長過程中產生的熱缺陷及襯底與外延層中的雜質的擴散，可得到雜質分布陡峭的外延層；2）生長速度低，可以利用快門精密的控制摻雜、組合和厚度，是一種原子級的生長技術，有利于生長多層異質結構；3）MBE生長不是在熱平衡條件下進行的，是一個動力學過程，因此可以生長一般熱平衡生長難以得到的晶體；4）生長過程中，表面處于真空中，利用附設的設備可以進行原位（即時）觀測，分析、研究生長過程、組分、表面狀態等。MBE作為一種高級真空蒸發形式，因其在材料化學組分和生長速率控制等方面的優越性，非常適合于各種化合物半導體及其合金材料的同質結和異質結外延生長，并在金屬半導體場效應晶體管（MESFET）、高電子遷移率晶體管（HEMT）、異質結構場效應晶體管(HFET)、異質結雙極晶體管（HBT）等微波、毫米波器件及電路和光電器件制備中發揮了重要作用。近幾年來，隨著器件性能要求的不斷提高，器件設計正向尺寸微型化、結構新穎化、空間低維化、能量量子化方向發展。MBE作為不可缺少的工藝和手段，正在超晶格（Superlattice）二維電子氣（2DEG）、多量子阱（QW）和量子線、量子點等到新型結構研究中建立奇功。目前世界上有許多國家和地區都在研究MBE技術，包括美國、日本、英國、法國、德國和我國臺灣。具體的研究機構有日本的東京工學院電學與電子工程系，日本東京大學，日本理化研究所半導體實驗室，日本日立公司，日本NTT光電實驗室，美國佛羅里達大學材料科學與工程系，美國休斯頓大學真空外延中心，英國利沃浦大學材料科學與工程系，英國牛津大學物理和理化實驗室，牛津大學無機化學實驗室，德國薄膜和離子技術研究所，德國UniversityofUlm的半導體物理實驗室，德國西門子公司，南朝鮮的電子和通信研究所，法國的ThomsonCSF公司，臺灣大學電子工程系等。國內有：中科院技術物理研究所（紅外物理國家重點實驗室，中科院紅外成像材料及器件重點實驗室），清華大學電子工程系系，中科院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室等。

外延技術對比l液相外延優點：便宜；平衡生長；層質量好；毒性低缺點：難以制造多層；厚度控制差；原料和制品有限；要考慮均勻性；難以按比例增高l汽相外延（氯化物和氫化物傳輸）優點：高純度；低毒性缺點：復雜，凌亂；有記憶效應；厚度控制差；要考慮均勻性l有機金屬化學蒸氣沉積優點：控制良好；反應快；通用性；原料多；可以選擇性生長缺點：產生有毒氣體；要考慮均勻性l分子束外延優點：束技術；在現場控制；單層控制缺點：速度慢；昂貴；需要UHV的維護砷化鎵材料的制備

與硅相仿，砷化鎵材料也可分為體單晶和外延材料兩類。體單晶可以用作外延的襯底材料，也可以采用離子注入摻雜工藝直接制造集成電路（采用高質量、大截面、半絕緣砷化鎵單晶）。重點是液封直拉法（即液封喬赫拉斯基法，簡稱LEC法）,但水平舟生長法（即水平布里其曼法）因制出的單晶質量和均勻性較好，仍然受到一定的重視。液封直拉法的一個新發展是在高壓單晶爐內用熱解氮化硼(PBN)坩堝和干燥的氧化硼液封劑直接合成和拉制不摻雜、半絕緣砷化鎵單晶。另外，常壓下用石英坩堝和含水氧化硼為液封劑的方法也已試驗成功。不論水平舟生長法或是液封直拉法，晶體的直徑均可達到100～150毫米而與硅單晶相仿。砷化鎵的外延生長按工藝可分為氣相和液相外延，所得外延層在純度和晶體完整性方面均優于體單晶材料。通用的汽相外延工藝為Ga/AsCl3/H2法,這種方法的變通工藝有Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。為了改進Ga/AsCl3/H2體系氣相外延層的質量，還研究出低溫和低溫低壓下的外延生長工藝。液相外延工藝是用Ga/GaAs熔池覆蓋襯底表面,然后通過降溫以生長外延層,也可采用溫度梯度生長法或施加直流電的電外延法。在器件(特別是微波器件)的制造方面,汽相外延的應用比液相外延廣泛。液相外延可用來制造異質結(如GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化鎵雙異質結激光器和太陽電池等的重要手段。

砷化鎵外延技術還有分子束外延和金屬有機化合物汽相沉積外延。分子束外延是在超高真空條件下，使一個或多個熱分子束與晶體表面相作用而生長出外延層的方法。對入射分子或原子束流施加嚴格的控制，可以生長出超晶格結構，例如由交替的GaAs和AlxGaAs薄層（厚度僅10埃）所組成的結構。金屬有機化合物汽相沉積外延是用三甲基鎵或三乙基鎵與砷烷相作用而生長外延層。用這種方法也能適當地控制外延層的濃度、厚度和結構。與分子束外延相比，金屬有機化合物汽相沉積外延設備和工藝均較簡單，但分子束外延層的質量較高。

采用從溶液中再結晶原理的外延生長方法稱液相外延;采用從氣相中生長單晶原理的稱氣相外延。液相外延就是將所需的外延層材料(作為溶質，例如GaAs)，溶于某一溶劑（例如液態鎵）成飽和溶液，然后將襯底浸入此溶液，逐漸降低其溫度，溶質從過飽和溶液中不斷析出，在襯底表面結晶出單晶薄層。汽相外延生長可以用包含所需材料為組分的某些化合物氣體或蒸汽通過分解或還原等化學反應淀積于襯底上，也可以用所需材料為源材料，然后通過真空蒸發、濺射等物理過程使源材料變為氣態，再在襯底上凝聚。分子束外延是一種經過改進的真空蒸發工藝。利用這種方法可以精確控制射向襯底的蒸氣速率，能獲得厚度只有幾個原子厚的超薄單晶，并可得到不同材料不同厚度的互相交疊的多層外延材料。非晶態半導體雖然沒有單晶制備的問題，但制備工藝與上述方法相似，一般常用的方法是從汽相中生長薄膜非晶材料。白光LED半導體制程白色發光二極管(LED)發光原理GaN-LED芯片的基本結構白光LED制造過程氮化鎵(GaN)半導體材料氮化鎵(GaN)單晶制備技術氮化鎵(GaN)

外延襯底材料藍寶石晶棒制造工藝流程藍寶石拋光晶片制造工藝流程藍寶石切割面與基板應用種類金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)藍寶石GaN外延片制作過程氮化鎵(GaN)

MOCVD反應爐氮化鎵(GaN)

LED晶片制造氮化鎵(GaN)白光LED封裝內容白光發光二極管是由日本日亞化學公司第一個將其商品化，系二波長白光(藍色光+黃色光)，主要技術原理是以氮化鎵(GaN)系藍光二極管芯片加上YAG黃色熒光粉，利用藍光激發黃色熒光粉產生黃色光，同時配合自身產生的藍光，即形成藍黃混合二波長白光。二波長白光LED的光譜如圖所示。另一種是正在研制的三波長（藍色光+綠色光+紅色光）白光發光二極管，三波長白光的技術原理，是用紫外光的氮化鎵系發光二極管芯片激發塗在其表面的混合熒光粉（內含紅綠藍三色），使之產生三波長白光。此種白光光色均勻，演色性好，不會像二波長白光有偏色現象（偏黃或偏藍）。隨著白光LED光效提升與技術進步，白光LED應用開始跨入照明領域，目前照明LED的光效已達150lm/W以上(日光燈光效是70lm/W)，正在向200lm/W邁進。白光LED與一般照明比較，除了省電外（用電量是一般燈泡的八分之一，日光燈的二分之一），還有壽命長（可達5萬小時以上），安全環保（無污染）。因此，白光LED被譽為「綠色照明光源」。一.白色發光二極管(LED)發光原理二.GaN-LED芯片的基本結構藍寶石Al2O3

（orSiC）襯底n型GaN層InGaN多量子阱層p型GaN層透明導電層SapphiresubstrateGaNbufferlayerGaN緩沖層n-GaN

layerInGaNMQWactivelayerp-GaNlayerTransparentcontactlayerp-electrodep型電極n-Padn型電極三.白光LED制造過程制造襯底材料加工制成晶片GaN外延生長制成外延晶片LED晶片制造制成LED晶粒LED晶粒封裝制成LED成品白光LED的制作過程與制作硅晶圓IC很相似，首先經過單晶生長技術，制成藍寶石或碳化硅單晶棒，經過切割、研磨、拋光制成拋光晶片；再將其作為襯底(substrate)，使用外延技術將氮化鎵(GaN)半導體生長在襯底表面，制成外延晶片；外延片經過半導體蝕刻工藝制成n型和p型電極，通過切割加工成LED晶粒；最后經過固晶、邦線、封膠等工序制成白光LED成品。氮化鎵(GaN)屬于寬禁帶半導體材料，由于受到缺乏合適的單晶襯底材料、位錯密度大等問題的困擾，發展一直較為緩慢。1991年，日本日亞化工公司(Nichia)研制成功以藍寶石為襯底的GaN藍光發光二級管(LED)之后，實現GaN基藍光LED的商品化。該公司利用GaN基藍光LED和磷光技術，開發出白光LED產品，此外，還首先研制成功GaN基藍光半導體激光器。日亞公司在發光器件領域取得的重大突破，使GaN半導體材料應用獲得成功。氮化鎵(GaN)半導體材料特點:氮化鎵(GaN)作為一種化合物半導體材料，具有許多單晶硅(Si)半導體材料所不具備的優異性能，包括能夠滿足大功率、高溫、高頻和高速半導體器件的工作要求。其中GaN半導體材料最重要的物理特點是具有更寬的禁帶(3.4eV)，可以發射波長比紅光更短的藍光。以高亮藍光發光二極管(LED)和藍光激光器(LD)的研制成功為標志，GaN被譽為是繼第一代鍺(Ge)、硅(Si)半導體材料、第二代砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)化合物半導體材料之后的第三代半導體材料。

GaN基LED最誘人的發展前景是用作普通白光照明；藍光激光器(LD)代表性應用是藍光DVD；GaN制作微波功率器件優于現有的一切半導體材料。

四.氮化鎵(GaN)半導體材料高亮度LED、藍光激光器LD和功率晶體管是當前器件制造商和投資商最為感興趣和關注的三個GaN器件市場!氮化鎵(GaN)半導體材料性能優越，而自然界沒有天然的此類材料，需要人工合成。氮化鎵(GaN)單晶制備非常困難，主要是由于熔點很高，裂解壓強極大。氮化鎵(GaN)單晶制備有三種方法：外延法、升華法、高壓溶液生長法。隨著GaN單晶生長研究的日趨成熟，外延法成為GaN單晶生長的主要技術。五.氮化鎵(GaN)單晶制備技術外延法原用于制造單晶硅(Si)外延片。單晶硅外延片是以單晶硅拋光晶片為襯底（基片），在拋光片表面長成硅單晶薄膜（也稱為磊晶）。晶片表面上的外延單晶硅膜具有襯底單晶硅所不具備的一些電學特性，并消除了許多在晶體生長和加工中所引入的表面/近表面缺陷，因此，Si外延片性能高于Si拋光片且價格較高，一般用于生產邏輯電路，而Si拋光片具有成本優勢，通常用于生產存儲器電路。外延是指用外延工藝在襯底表面生長所需的單晶薄膜。外延生長可分為多種：按照襯底和外延層的化學成分不同，可分為同質外延和異質外延；按照反應機理可分為利用化學反應的外延生長和利用物理反應的外延生長；按生長過程中的相變方式可分為氣相外延、液相外延和固相外延等。氮化鎵外延依制程的不同，可分為：LPE（液相外延）：技術較低，主要用于一般的發光二極體；MBE（分子束外延）：技術層次較高，容易成長極薄的磊晶，且純度高，平整性好，但量產能力低，磊晶成長速度慢。MOCVD（有機金屬氣相外延）：純度高，平整性好，量產能力及磊晶成長速度較MBE快，所以現在大都以MOCVD來生產。氮化鎵(GaN)單晶制備技術(續)GaN單晶外延生長需要有合適的襯底材料作基片（晶圓）；最理想的襯底材料是GaN單晶材料，在同質襯底上生成同質外延層，然而，制備氮化鎵體單晶材料非常困難，目前只有日本幾家公司能夠提供氮化鎵襯底，價格奇貴，一片2英寸襯底價格約1萬美元；日本三菱化學正在開發可降低氮化鎵襯底價格的新制作方法“液相沉積法”，預計2012年起開始供給以此方法制造的氮化鎵襯底樣品，2015年起開始量產。目前GaN基氮化物薄膜一般都在異質襯底上生長的。用于氮化鎵研究的異質襯底材料比較多，如氮化鎵(GaN)、藍寶石(Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)等材料，但是能用于生產的襯底目前只有二種，即藍寶石(Al2O3)和碳化硅(SiC)襯底。六.氮化鎵(GaN)外延襯底材料缺點：不足方面雖然很多，但均被克服，如很大的晶格失配被過渡層生長技術所克服，導電性能差通過同側P、N電極所克服，機械性能差不易切割通過激光劃片所克服，。但是，差的導熱性在器件小電流工作下沒有暴露出明顯不足，卻在功率型器件大電流工作下問題十分突出。外延襯底材料-藍寶石(Al2O3)

藍寶石單晶(Al2O3)是目前用于氮化鎵生長的最普遍的襯底材。優點：化學穩定性好、不吸收可見光、價格適中、制造技術相對成熟；碳化硅(SiC)是用于氮化鎵生長的第二種襯底材料，它在市場上的占有率位居第二。優點：化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好、不吸收可見光等；缺點：價格太高、晶體質量難以達到Al2O3和Si那么好、機械加工性能比較差。外延襯底材料-碳化硅單晶(SiC)

由于SiC襯底優異的導電性能和導熱性能，不需要像Al2O3襯底上功率型氮化鎵LED器件采用倒裝焊技術解決散熱問題，而是采用上下電極結構，可以比較好的解決功率型氮化鎵LED器件的散熱問題。目前國際上能提供商用的高質量的SiC襯底的廠家只有美國CREE公司。

碳化硅(SiC)七.藍寶石晶棒制造工藝流程利用長晶爐生長尺寸大且高品質的單晶藍寶石晶體確保藍寶石晶體在取棒設備上的正確位置,便于取棒加工以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒用磨床進行晶棒的外圓磨削,達到精確的外圓尺寸精度確保晶棒品質以及晶棒尺寸與方位是否合客戶規格晶錠晶棒八.藍寶石拋光晶片制造工藝流程在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度將晶片邊緣修整成圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度改善晶片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度以高精密檢測儀器檢驗晶片品質以合乎客戶要求清除晶片表面的污物(如:微塵顆粒,金屬,有機污物等)藍寶石平邊定位，及端面傾協角度的測量與確認，以符合客戶要求藍寶石拋光晶片制造工藝-定向Orientation平邊：晶圓片圓周上的一個小平面，是晶向定位的依據。將完成軸向定位與粘貼的晶棒，送入線切割機進行切片；此步驟關系到客戶厚度規格及角度規格，是關鍵步驟。藍寶石拋光晶片制造工藝-切片Slicing除去前制程切片、磨削、的缺陷如鋸痕、表面損傷層改善晶片平坦度(TTV)、平行度、翹曲度，為晶片進行拋光制程做前期處理；藍寶石拋光晶片制造工藝-研磨Lapping剛切下來的晶片外邊緣很鋒利，邊緣的棱角非常易碎，為避免邊角崩裂影響晶片強度、破壞表面光潔和對后工序帶來污染顆粒，必須修整晶片邊緣形狀和外徑尺寸。將晶片邊緣修整成圓弧狀,可改消除因應力集中造成的晶片多項缺陷，改善晶片的機械、彈性強度。藍寶石拋光晶片制造工藝-導角EdgeProfiling藍寶石拋光晶片制造工藝-拋光Polishing拋光制程使用拋光漿與拋光墊，搭配適當溫度、壓力與旋轉速度，可消除前制程留下的機械/化學傷害層，改善晶圓表面的粗糙度，并且得到表面平面度極佳的晶圓，避免客戶外延制程中遭遇的聚焦問題晶圓經過拋光后變得幾乎完美無瑕。清洗的目的在于清除晶圓表面的污染物；例如：表面微塵顆粒、有機物、金屬等等，以確保晶圓表面潔凈度。藍寶石拋光晶片制造工藝-清洗Cleaning檢驗：在出貨前為客戶做的最后把關動作，使用高精密設備管控晶片品質，測量Resistance、Thickness、TTV、STIR、Bow、Warp等晶圓特性。藍寶石拋光晶片制造工藝-檢驗Inspection藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成,其晶體結構為六方晶格結構。它常被應用的切面有A-Plane,M-Plane及R-Plane。九.藍寶石切割面與基板應用種類藍寶石切面圖圖藍寶石切割面示意圖藍寶石晶體結構圖

藍寶石基板切割方向示意半極性面M-Plane(a-Plane)極性面C-Plane無極性面R-Plane供外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種:1:C-Plane藍寶石基板這是廣大廠家普遍使用的供氮化鎵(GaN)生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩定,在C面進行磊晶的技術成熟穩定.2:R-Plane或M-Plane藍寶石基板主要用來生長非極性/半極性面氮化鎵(GaN)外延薄膜,以提高發光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的，而c軸是GaN的極性軸，導致GaN基器件有源層量子阱中出現很強的內建電場，發光效率會因此降低，而發展非極性面GaN外延，克服這一物理現象，使發光效率提高。藍寶石切割面與基板應用種類（續）3:圖案化藍寶石基板(PatternSapphireSubstrate簡稱PSS)藍寶石切割面與基板應用種類（續）以生長或蝕刻的方式,在藍寶石基板上制作出微米級或納米級的具有微結構特定規則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍寶石基板上的凹凸圖案會產生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時GaN薄膜成長于圖案化藍寶石基板上會產生橫向磊晶的效果,減少生長在藍寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質量，并提升LED內部量子效率、增加光萃取效率。與成長于一般藍寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上。金屬有機物化學氣相沉積(Metal-OrganicChemicalVaporDeposition，簡稱MOCVD)是在1968年由美國洛克威爾(Rockwell)公司提出來的一項制備化合物半導體單晶薄膜的新技術。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是利用金屬有機化合物作為源物質(MO源)的一種化學氣相沉積(CVD)工藝。MOCVD外延生長的基本原理：

將襯底基板(拋光晶圓片)放入外延爐反應室進行加熱，同時將Ⅱ、Ⅲ族金屬元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）與非金屬(Ⅴ或Ⅵ族元素)的氫化物(或烷基物)氣體混合后送入反應室，混合氣體流經加熱的襯底表面時，在高溫下，發生熱份解反應，生成III-V或II-VI族化合物晶體沉積在襯底上，經過不斷的磊晶過程，生長出厚度僅幾微米的化合物半導體單晶薄膜(即外延層)。這種長有外延層的晶圓片稱為外延片。

十.金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)MOCVD兩步法外延GaN高溫處理緩沖層生長外延層生長TMGaNH3溫度1150oC550oC1050oC化學方程式：Ga(CH3)3+NH3

GaN+CH4三甲基鎵GaN和襯底材料的晶格失配度大，日亞公司Nakamura采用兩步生長工藝，先生長出GaN緩沖層，再在緩沖層生長出高質量的GaN外延層。藍光和白光LED使用藍寶石GaN基外延片；藍寶石GaN外延片由藍寶石Al2O3襯底與GaN基半導體外延薄膜組成；GaN半導體外延薄膜主要由P型GaN層，

InGaN多量子阱層，N型GaN層三個部分構成。十一.藍寶石GaN基外延片制作過程LED藍寶石GaN基外延片結構藍寶石Al2O3

襯底GaN緩沖層n型GaN層InGaN量子阱發光層p型GaN層外延片外延層襯底層外延片LED藍寶石GaN基外延片工作流程藍寶石GaN基外延片制作過程(續)尾氣加熱線圈晶片反應室NH3藍氨SiH4硅烷TMGaTMInCp2MgH2H2H2MOCVD的工作流程示意圖升華升華升華外延生長所需材料：鎵(Ga)源：三甲基鎵【TMGa=Ga(CH3)3

】銦(In)源：三甲基銦【TMIn=In(CH3)3

】氮(N)源：藍氨(

NH3)p型摻雜源：二茂基鎂【Cp2Mg=Mg(C5H5)2

】n型摻雜源：硅烷(SiH4)載氣：高純度的氫氣(H2)被精確控制流量的反應源材料經加熱升華，在氫氣(H2)的攜帶下，被通入石英或不銹鋼的反應室，在藍寶石襯底上發生表面反應后生長外延層，襯底是放置在被加熱的基座上的。在反應后殘留的尾氣被掃出反應室，通過去除微粒和毒性的尾氣處理裝置后被排出系統。MOCVD工作原理如圖所示。GaN

基外延薄膜生長過程：第一步：藍寶石(Al2O3)拋光晶片在氫氣(H2)的氣氛下加熱；第二步：用藍氨(

NH3)氮化生長緩沖層，再用NH3和三甲基鎵(TMGa)生長GaN緩沖層；第三步：加入硅烷(SiH4)，生長Si摻雜的n-GaN單晶層；第四步：加入三甲基銦(TMIn)，生長5個周期的InGaN

多量子阱發光層；第五步：加入二茂基鎂(Cp2Mg)生長Mg摻雜的p-GaN單晶層；第六步：

用NH3退火；第七步：外延片質量檢驗。藍寶石GaN基外延片制作過程(續)藍寶石Al2O3

襯底GaN緩沖層Si：n型GaN層InGaN量子阱發光層Mg：p型GaN層用來生產GaN基LED的MOVCD外延爐種類：1.雙向流系統(Two-FlowMOCVD)其水平進料氣體為N2、NH3、TMGa等氣體，垂直方向進料氣體為H2和N2。其優點為讓外延所成長出的膜均勻且厚度均一，其主要原理是利用垂直方向的H2和N2氣體將其水平方向的進料氣體N2、NH3、TMGa等氣體往下壓，使其反應均勻減少反應不均勻而導致影響LED特性。2.高速垂直流向系統(HighSpeedVerticalRotatingType)此類反應器為Cold-wall，其反應之原理為將進料氣體Ⅲ族及Ⅴ族氣體由上而下進入反應器內高溫下高速轉動的基板襯底上進行反應，而外延片在Load

Lock部份先進抽真空步驟，可使外延效果均勻及均一，另外的優點為設備在高轉速1500rpm下可使邊界層之Coating變薄，反應器空間較大可以一次生產六片以上的外延片，可做為量產型的設備。3.封閉式旋轉盤外延系統(Closed

spacerotatingdisctype)此類反應器為密閉空間之反應器，其反應之原理為將進料氣體Ⅲ族由上而下進入反應器，Ⅴ族氣體由水平方向進入反應器內。氣體在高溫下、高速轉動的基板襯底上進行反應，而外延片與反應器之頂端距離約1cm，這代表可供氣體反應的空間只有這么小；可使磊晶效果更加的均勻及均一。其原因為因外延片與反應氣體進口之距離不大，其氣體的反應空間不大，遠比別種反應器小了許多，外延的效果比其它的MOCVD爐好。

十二.氮化鎵(GaN)

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