第四章 Free-standing GaN 基板製作
4.4 實驗量測與結果
由於成長尺寸與成長厚度兩者的影響甚鉅，小尺寸氮化鎵厚膜的 厚度可以順利成長至300µm 以上，而 1.5 英吋的厚度約接近 300µm 則開始有碎裂的現象；1.8 英吋的部分，厚度約 150µm 則因應力過大，
在降溫過程則已經在反應腔體內龜裂。本章節改變氣體、壓力及時間 以找出成長獨立式氮化鎵基板的最佳化參數，由雙晶 X-ray 繞射儀與 光激螢光系統討論其成長品質。在成長尺寸的部份，從1 英吋開始成 長，穩定成長後往1.5 英吋乃至 1.8 英吋邁進。
本實驗量測以四部份討論，以尺寸分類，分別為[A]1 英吋、[B]1.5 英吋、[C]1.8 英吋、[D]最佳化的 1.5 英吋。
[A]. 1 英吋
H41014B01(1”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 30min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 120min
圖 4-4-1 各點位置厚度分布圖
299um 227um
167um 149um172um 160um 149um 146um
185um
圖 4-4-1 為兩階段共成長 150min 後的厚度分布圖，由氣流的方 向可以看出最前端的厚度最厚，往平邊的方向漸漸遞減，但是最薄的 區域並不在平邊處而是位在晶片中心點後方，最厚端約有300µm，而 最薄端約為146µm，厚度差異高達 150µm 左右，此為水平式爐管設 計，且石英晶片載具無法旋轉的先天缺點。
氮化鎵厚膜由Nd: YAG 雷射使用雷射剝離法分離後圖 4-4-2 所 示，在氮化鎵厚膜的後半段約146µm 厚度區域，因為厚度過薄，且 雷射能量過大，使得剝離過程時厚膜碎裂。
在光性的量測中，使用325nm 的 He-Cd 雷射來做光譜的量測，
如圖4-4-3 所示，主峰位於 363nm 左右，此短波長的紫外光剛好符合 氮化鎵材料的能隙，而在主峰附近較寬的波峰則稱之為黃能帶(yellow band) ，一般認為產生的原因可能為雜質或是缺陷所引起。
另外在雙晶X-ray 繞射儀的量測下，得到的半高寬(FWHM)為 360 arcsec，顯示這片氮化鎵厚膜的晶格品質仍有進步的空間。
圖4-4-2 剝離後的氮化鎵厚膜 圖4-4-3 PL intensity
299um
172um
167um 149um 146um
227um
H41022A01(1”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.03/1 1/1.5 100torr 1050°C 30min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 180min
在本次實驗中將 HCl 的流量由 0.02SLM 改變至 0.03SLM，在第 二階段的成長時間也由兩個小時增加至三個小時，調變HCl 流量與 成長時間兩項參數目的在於使厚膜的厚度提升，更接近製作氮化鎵獨 立式基板的厚度需求。
圖 4-4-4各點位置厚度分布圖 圖4-4-5 剝離後的1”氮化鎵厚膜
由圖 4-4-4 發現在一吋圓的氮化鎵厚膜前端厚度明顯可以看出高 於其他區域，最厚端與最薄處差異到達 134µm。而在圖 4-4-5 中，利 用Nd: YAG 雷射配合光路的架設已經可以順利將一英吋的氮化鎵厚 膜剝離下來，至於圖4-4-5 缺角產生的原因為使用晶片夾時疏忽所造 成。圖 4-4-6 發現相較於前一個實驗，yellow band 的強度有下降的趨
366um 314um
305um 252um 293um 275um 309um 232um
259um
1cm
勢。由雙晶X-ray 繞射儀的量測下，半高寬(FWHM)為 206 arcsec，晶 格品質有明顯的提升。
圖 4-4-6 PL intensity
H5113A01(1”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 30min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 180min 本實驗中，將第一階段的氯化氫氣體降回 0.02SLM，希望能降低
成長速率，以利於提升晶格品質，而第二階段時間依舊維持三個小時 以達到獨立式基板厚度的需求。
圖4-4-7 剝離後的1”氮化鎵厚膜 圖 4-4-8 PL intensity
1cm
共成長三個半小時後的氮化鎵厚膜經由雷射剝離法將厚膜與藍 迅速降低至103.2 arcsec。將第一階段氯化氫氣體的流量降低，是一 個有效增加結晶品質的方法。
GaN thick film on sapphire Free-Standing GaN
圖 4-4-9 氮化鎵厚膜在剝離前後DCXRD 半高寬比較圖
[B]. 1.5 英吋
H5220A01(1.5”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 30min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 180min
在成長 1.5 英吋氮化鎵厚膜的部份，維持與成長 1 英吋氮化鎵厚 膜的生長條件，第一階段的氯化氫氣體流量設定為0.02SLM。如圖 4-4-10 所示，1.5 英吋的氮化鎵厚膜順利的被 Nd: YAG 雷射剝離下 來。而厚膜的前端(4-3 節提到)因厚度過大，在降溫的過程中，氮化 鎵會自行碎裂。在圖4-4-10 發現厚膜的後半區域有著白色如氣泡的 點，密度甚高，推論應為石英晶片載具在使用一段時間後，被多晶或 非晶的氮化鎵附著其上，時間一久石英隨著剝落造成粉塵，在生長時 粉塵隨著氣流附著於晶片上，附著處造成氮化鎵無法成長，導致如圖 所示的白色小點。解決的方法僅有更換新的石英晶片載具，及每次成 長前固定用氮氣槍作去除粉塵的動作，以確保晶片的潔淨度。
圖 4-4-10 1.5 英吋獨立式氮化鎵厚膜 Gas flow
1cm
經由雙晶 X-ray 繞射儀的量測發現，成長在藍寶石基板上的氮化 鎵厚膜由於應力的影響，使得晶格品質不佳，半高寬為490 arcsec；
經過雷射剝離後的獨立式氮化鎵厚膜則因應力的釋放使半高寬迅速
Free-Standing GaN GaN thick film on sapphire
圖 4-4-11 氮化鎵厚膜在剝離前後DCXRD 半高寬比較圖
H5227A01(1.5”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
180° 0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 105min
本實驗成長溫度、壓力與氣體流量均沿用前項實驗，改變的參數
-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 0
Free-Standing CaN GaN thick film on sapphire
圖4-4-14剝離前後DCXRD 比較圖 圖 4-4-15 PL intensity
304um 263um
229um 240um 253um 236um 226um 258um
294um
1cm
由圖 4-4-14 可以看出與前面實驗有著相同趨勢，在藍寶石基板 上由於應力無法釋放，導致半高寬居高不下達519 arcsec；經由雷射 剝離法分離後，部分應力消除後使得半高寬降低至305 arcsec，由這 個值可判斷出應力並未完全消除。光性量測下使用He-Cd 雷射做光 譜量測，結果主峰位於363.1 處，但依然存在 yellow band。
[C]. 1.8 英吋
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 20min Step2-1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 60min Step2-2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
rotate
180° 0.04/2.5 1.5/1.5 700torr 1050°C 60min
本實驗成長1.8 英吋厚膜，生長的壓力、溫度與氣體流量皆沿用 前面實驗的參數，而成長時間則考慮大面積成長，若生長厚度太厚容 易使應力過高導致晶片碎裂，所以將Step 2-1 與 Step 2-2 時間皆降低 為60 分鐘，預估厚度可達 170µm 左右。成長完畢從爐管取出時已經 發現晶片因應力過大已開始碎裂，所以立即作雷射剝離，將厚膜分離 後如圖4-4-16 所示，已非完整 1.8 英吋氮化鎵。而厚度太薄雖沒有碎 裂的問題但卻有雷射剝離時才碎裂的危險；而厚度過厚雖可以順利剝 離，但卻有在降溫時隨溫度降低而碎裂的問題，要找出大尺寸氮化鎵 可剝離又不會碎裂的厚度是一重要的課題。
圖 4-4-16 1.8”剝離後的氮化鎵厚膜
氮化鎵厚膜/藍寶石基板剝離後經由 X-ray 的量測所得半高寬依 序為416 arcsec 與 270 arcsec，從半高寬的變化可以得知應力釋放的 程度。
[D]. 最佳化的 1.5 英吋.
由前面一系列的實驗，不斷修改參數後已找出最佳化的成長參數 如下：
H5411A01(1.5”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 25min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 80min Step3 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time rotate
180° 0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 70min
圖4-4-17 剝離前的1.5”氮化鎵厚膜
這次實驗成長完 Step 2-1 後，降溫至室溫將晶片旋轉 180 度後再 進行Step 2-2 步驟，所以由圖 4-4-17 與圖 4-1-18 對照來看，厚度差 異不大。
圖4-1-18 各點位置厚度分布圖 圖4-1-19 PL intensity
由圖 4-4-19 的 PL 光譜量測可得主峰位於 363.1nm 處，雖有 yellow band 存在，但相對於主峰來的小。而在藍寶石基板上的氮化鎵厚膜 DCXRD 半高寬則為 467 arcsec，由於實驗室的 Nd: YAG 雷射系統目 前故障中，所以無法將此厚膜剝離下，由前面的實驗顯示，將厚膜剝
259um 205um
177um 187um 192um 197um 180um 184um
209um
1cm
離後晶格品質會更好，半高寬應會低於200 arcsec 以下。
H5414A01(1.5”)
Step1 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 25min Step2 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time
0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 80min Step3 HCl/H2(SLM) NH3/H2(SLM) Pressure Temp. time rotate
180° 0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 80min
H5416A01(1.5”)
Step1 HCl/H2 NH3/H2 Pressure Temp. time 0.02/1 1/1.5 100torr 1050°C 25min Step2 HCl/H2 NH3/H2 Pressure Temp. time
0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 80min Step3 HCl/H2 NH3/H2 Pressure Temp. time rotate
180° 0.04/2.5 1/1.5 700torr 1050°C 90min
H5414A01 與 H5416A01 實驗的所有參數皆同於 H5411A01，唯 一差別在於Step 2-2 的成長時間分別為 70 分鐘、80 分鐘與 90 分鐘，
目的在於尋找此參數成長下，厚膜厚度的極限。
圖4-4-20 H5414A01 各點厚度 圖4-4-21 H5414A01 剝離前的氮化鎵
圖4-4-22 H5416A01 各點厚度 圖4-4-23 H5416A01 剝離前的氮化鎵
圖 4-4-24 H5414A01 PL intensity 圖 4-4-25 H5416A01PL intensity
273um 251um
218um 236um 236um 228um 218um 239um
256um 260um 236um
201um 208um 217um 213um 200um 216um
240um
此兩片晶片因為 Nd: YAG 雷射的故障而無法進行雷射剝離法分 離厚膜，從圖4-4-20 與圖 4-4-22 來看，最厚端與最薄處都是相差 50µm 左右，相較於更早之前實驗只分兩階段成長的部份，厚度的差異程度 似乎沒有那麼嚴重，厚度均勻性獲得改善。在H5416A01 這個實驗 裡，Step 2-2 的 90 分鐘差不多已經到最大厚膜厚度的極限。在 PL 光 譜量測的部份，兩個樣品的主峰皆位於363.6nm 處，相較於主峰的部 分，在附近依然有yellow band 的存在，但是其強度則低了許多。另 外，雙晶X-ray 繞射儀的量測下，兩片厚膜的半高分別為 430arcsec 與480 arcsec，與 H5411A01 的厚膜相比則是差距不大，若順利將厚 膜分離後，半高寬應可以降低至200 arcsec 以下。
由 1.5 英吋最佳化的三片樣品來看，此為最佳的成長條件，而實 驗的再現性極高，已可穩定成長1.5 英吋的氮化鎵厚膜，目前較大的 困難在於1.8 英吋的厚膜由於應力過大，時常在自然降溫過程會自行 崩裂，或者是降至室溫後，在夾取晶片的過程自然碎裂，這都是尚需 克服的問題。