4-1 CMP 對於氮化鎵表面形貌與損害層之影響
由 HVPE 機台成長的氮化鎵厚膜因為表面不平整與高低差過大的影響，會不利 於後續利用 MOCVD 磊晶成長電子元件品質，所以可先藉由 MP 製程使氮化鎵表面 達到初步平整化，同時也造成了表面晶格的破壞，形成表面下的損害層，由別的 文獻[17][18]發現利用 TEM 可以觀察到損害層(如圖 4-1-1)，而損害層厚度大約 有
圖 4-1-1 TEM cross section image[17]
圖 4-1-2 PL spectra[17]
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幾百奈米以上，從 PL 光譜圖發現損害層的存在會造成整體 PL 強度下[17][19](如 圖 4-1-2)，而與我們實驗室的 PL 量測結果一樣(如圖 4-1-3)，經過 MP 製程樣品 的 PL 強度會下降的原因，我們推斷是因為機械研磨是利用鑽石顆粒與氧化矽去 對表面做研磨，造成晶格的破壞影響到發光強度，所以本實驗會藉由 PL 強度的 回復程度來判斷損害層去除的效果，除了利用 PL 量測方法來判斷之外，我們實 驗室發現利用 CL 可以直接觀察到損害層厚度[20]，如圖 4-1-4 為經 MP 製程過後
圖 4-1-3 MP 後的 PL 光譜
圖 4-1-4 MP 後的 CL 側視圖
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所拍的 CL 側視圖，觀察到的損害層厚度大約 760nm，接下來本實驗主要採取非 破壞性的 PL 量測及 CL 量測作為判斷有無去除損害層的方式。
4-1-1 時間參數
首先探討的部分是 CMP 研磨時間對 AFM 表面形貌的變化，這部分實驗是固定 轉速 60rpm 及壓力大小，下圖 4-1-1-1 為研磨時間 1 小時、3 小時和 5 小時的 AFM 10µm×10µm 3D 圖，研磨 1 小時的樣品表面會有比較多條淺刮痕及小孔洞，這些 孔洞深度約 4~6nm，由文獻[21]可知重量百分比 10% KOH 的鹼性化學溶液會蝕刻 出孔洞來，所以我們認為孔洞的形成主要是因為 CMP 研磨液的配方含有鹼性的化 學成分，隨著研磨時間拉長到 5 小時，孔洞有變大變深及密度變小的趨勢，深度 大約 10~13nm，而刮痕的變化與孔洞相似。由於孔洞及刮痕的影響導致研磨 5 小 時的樣品 RMS roughness 值 3.94nm 為最高，而以研磨 1 小時的樣品 RMS roughness 值 1.7nm 表現最低。
圖 4-1-1-1 CMP 研磨時間 VS AFM 10µm×10µm 3D 圖
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第二部分探討的是 CMP 研磨時間對 PL 強度的影響，由圖 4-1-1-2 可知經過 CMP 研磨的樣品 PL 強度都有明顯的回升，表示藉由 CMP 研磨能有效去除損害層，
隨著研磨時間越長，PL 強度也隨著越強，以研磨 5 小時的樣品 PL 強度最大，強 度最強的原因是認為去除損害層的厚度最厚，讓整體的 PL 強度有大幅提升。
圖 4-1-1-2 CMP 研磨時間 VS PL intensity
最後則是利用 CL 量測直接觀察損害層去除的效果，由圖 4-1-1-3 首先看到研 磨時間對 plane view 的強度變化非常明顯，只有 CMP 研磨 1 小時的樣品發光區 域較小，也就是 plane view 強度較弱，而 CMP 研磨 5 小時的樣品 plane view 強度最大。圖中有黑色線條不發光區域可以對應到 SEM 中的刮痕位置，隨著研磨 時間的增加黑色線條逐漸減少，結果與 AFM 的 3D 圖趨勢相同。再來由 CL cross section 可以清楚看到損害層的厚度變化，下圖 4-1-1-4 為研磨時間與 CL cross section image 變化圖，清楚看出 CMP 研磨時間越久去除損害層厚度越厚，以研 磨時間 5 小時的樣品去除效果最好，幾乎完全看不到損害層厚度的存在，CL 量 測結果再次驗證氮化鎵基板表面透過 CMP 研磨確實能有效去除損害層，且長時間
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圖 4-1-1-3 CMP 研磨時間 VS CL plane view
圖 4-1-1-4 CMP 研磨時間 VS CL cross section
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的研磨能更有效去除損害層。
4-1-2 壓力參數
由上一節可知道長時間 CMP 研磨才能有效完整去除損害層，為了節省冗長研 磨時間，故我們考慮到希望提升單位時間內對損害層的移除，即是 CMP 研磨的 removal rate，從半導體製程技術導論書中[22]可知增加研磨壓力能提升材料表 面的移除速率，這節將討論不同壓力大小對於損害層去除的效果，我們將固定轉 速為 60rpm 及研磨時間為 90 分鐘，並且在三塊樣品上施壓不同重量，三塊樣品 壓力大小分別為 2.9 kg/cm2、3.7 kg/cm2、5.2 kg/cm2，首先來觀察壓力大小對 AFM 表面形貌的變化，下圖 4-1-2-1 為不同壓力大小的 AFM 10µm×10µm 3D 圖，
發現增加壓力大小與延長研磨時間的 AFM 表面形貌變化趨勢非常類似，隨著壓力 增大表面的孔洞直徑變大及刮痕變寬，且同時孔洞密度變小。壓力 2.9 kg/cm2 較小的 RMS roughness 值 2.32nm，而壓力 5.2 kg/cm2較大的 RMS roughness 值
圖 4-1-2-1 壓力 VS AFM 10µm×10µm 3D 圖
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3.85nm。三塊樣品中壓力越大者 RMS roughness 值越大，是由於孔洞的深度較深 及刮痕較寬的影響。
接著來看不同壓力大小對 PL 強度回升的程度，由圖 4-1-2-2 可知在固定研磨 時間及轉速條件下，增加壓力確實能提升 PL 強度，而壓力增大 PL 強度能提升的 原因在此認為是因為增加壓力能讓 CMP 研磨的 removal rate 變快，意味著相同 時間內去除損害層厚度較厚，導致整體 PL 發光強度變強的結果。另外這節實驗
圖 4-1-2-2 壓力 VS PL intensity
我們也利用 CL 量測觀察損害層去除的程度如何?首先看圖 4-1-2-3 為不同壓力大 小的 CL plane view 比較圖，看到壓力 2.9 kg/cm2較小的樣品表面有較多的黑 色線條不發光區，而壓力 5.2 kg/cm2較大的樣品表面則黑色線條減少了與幾個 黑點不發光區，三塊樣品中顯現出壓力越大者 plane view 強度越大，再來比對 CL cross section 圖去看損害層去除的厚度多寡，由圖 4-1-2-4 可看到壓力 2.9 kg/cm2、3.7 kg/cm2的這兩塊樣品仍然有部分損害層未完全去除，而最大壓力 5.2 kg/cm2的樣品的損害層厚度明顯最小，CL 量測結果再次說明增加壓力能讓 CMP
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圖 4-1-2-3 壓力 VS CL plane view
圖 4-1-2-4 壓力 VS CL cross section
28 表面非常平整，局部 RMS roughness 值可以達到 0.54nm，而整體的 10µm×10µm RMS roughness 值可到 1.48nm，再來去比較 CL 量測結果，先由圖 4-1-2-6(a)看到所 有黑色不發光線條完全不見了，只留下不發光的黑點，計算這些黑點的密度約為
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圖 4-1-2-6 長時間 CMP 研磨 VS (a)CL plane view and (b)CL cross section
4-2 熱退火對研磨後氮化鎵表面形貌與損害層之影響
研磨過的樣品做熱退火處理前，我們必頇先了解熱退火的機制，從實驗室先 前的成果，我們知道氫氣具有蝕刻的作用，而氨氣則是具有抑制氮化鎵分解的作 用，如果把這兩種氣體混合時會有怎樣的機制呢?由仲山學長的論文[23]結果發 現這樣的熱退火條件下不論是應力釋放、去除損害層還有降低缺陷密度都有一定 的效果，但表面的粗糙度卻很高不是我們最終想要的結果，所以在這部分熱退火 條件會以氮氣代替氫氣與氨氣混合作為載子氣體，希望能達到去除損害層的效果 又能保有良好的表面平整度，接下來的熱退火實驗的樣品都會先經過 MP 研磨，
MP 製程參數固定為 20~30 分鐘粗磨不壓重 15rpm 和 30 分鐘中磨不壓重 25rpm，
之後研磨過的樣品再進 HVPE 機台做熱退火 30 分鐘，去探討不同熱退火溫度和壓 力對磨後氮化鎵表面形貌與損害層之影響。
4-2-1 溫度調變
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在溫度調變的熱退火實驗中，我們要固定的參數為:壓力為 100 torr、氨氣 流量 3 slm、氮氣流量 3.2 slm、熱退火時間 30 分鐘，而調變的溫度分別為 900
℃、1000℃、1100℃。首先來看經過熱退火後的表面形貌，圖 4-2-1-1 為不同熱 退火溫度的 AFM 10µm×10µm 3D 圖，明顯看出表面有經過熱退火的現象且溫度
圖 4-2-1-1 熱退火溫度 VS AFM 10µm×10µm 3D 圖
對表面形貌的影響很大，溫度越高表面粗糙度越大，表示氮化鎵表面熱分解程度 較嚴重，熱退火溫度 1100℃的樣品 RMS roughness 值 518nm 最大，而熱退火溫 度 900℃的樣品 RMS roughness 值 7.59nm 最小，溫度變小會使表面粗糙度變小 很多。接著來看不同熱退火溫度對 PL 強度回升情形如何?從圖 4-2-1-2 可知經過 熱退火表面處理過的樣品 PL 強度都有變強，發現熱退火溫度越高 PL 強度越強，
這意味著高溫度熱退火會具有較好的損害層去除效果，但 PL 的半高寬卻隨著溫 度變大而變寬，推測原因是在高溫氮化鎵表面熱分解時比較容易產生點缺陷和雜 質的併入，接著來對照在不同溫度下的熱退火 CL cross section 圖 4-2-1-3，
也清楚看到在熱退火溫度為 1000℃的樣品損害層最薄，而熱退火溫度為 900℃和 1000℃的樣品損害層厚度相對較厚，CL 量測結果也與 PL 量測結果相呼應，也就
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是高溫熱退火對於去除損害層的效果較好。
接著下一節是要探討的是在不同壓力下做熱退火對磨後氮化鎵表面形貌與損
圖 4-2-1-2 熱退火溫度 VS PL intensity
圖 4-2-1-3 熱退火溫度 VS CL cross seciotn
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害層之影響，這裡選擇固定熱退火溫度為 1000℃為理想參數，雖然溫度為 1100
℃去除損害層效果最好，但由於熱退火過後的表面 RMS roughness 值過高且 PL 半高寬最大(晶格品質較差)，對後續要成長光電元件會有一定程度的影響，所以 在此選擇溫度 1000℃作為接下來壓力調變實驗的熱退火固定參數。
4-2-2 壓力調變
在壓力調變的熱退火實驗中，我們要固定的參數為:熱退火溫度為 1000℃、
氨氣流量 3 slm、氮氣流量 3.2 slm、熱退火時間 30 分鐘，而調變的壓力分別為 100 torr、400 torr、700 torr。首先看熱退火過後的表面形貌，圖 4-2-2-1 為在不同壓力下做熱退火的 AFM 10µm×10µm 3D 圖，發現在壓力為 100 torr 的表
圖 4-2-2-1 在不同壓力下做熱退火的 AFM 10µm×10µm 3D 圖
面 RMS roughness 值(57.2 nm)是最糟糕的，而將壓力調高到 400 torr、700 torr 這兩塊樣品表面 RMS roughness 值明顯改善很多，由於在壓力較高時氮化鎵表面 分解氮氣比較不容易跑出，故分解程度較緩和造成表面粗糙度較好。接著來看不
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同壓力下熱退火對 PL 強度改善情形?圖 4-2-2-2 為在不同壓力下熱退火的 PL spectra，可看到壓力的改變對 PL 強度的回升程度並沒有太大的影響，這也顯示 出壓力的改變似乎對於去除損害層效果作用不大，但卻發現提高壓力能使半高寬 有明顯變小的趨勢，原因來自在高壓環境中氮化鎵表面熱分解較弱，會比較不容 易產生點缺陷和雜質的併入。再來看不同壓力下做熱退火的 CL cross section
圖 4-2-2-2 在不同壓力下做熱退火的 PL 光譜
圖 4-2-2-3，比較損害層厚度變化是否如 PL 量測結果結論相同?而從圖 4-2-2-3
圖 4-2-2-3，比較損害層厚度變化是否如 PL 量測結果結論相同?而從圖 4-2-2-3