2-1 實驗流程與參數設計
圖 18 實驗基本流程
圖 18 為氮化物光電元件實驗室的樣品產出流程。所有的樣品皆是在用 MOCVD 成長 2 ㎛氮化鎵薄膜的 c-plane sapphire 磊晶，因為這只是取得獨立式氮化鎵基板的一個 暫時基板，所以我們稱這個為 template。磊晶的主要機台為本實驗室自組式的氫化物 氣相磊晶(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)機台。完成 HVPE 磊晶後，我們稱這 種 GaN on sapphire 的架構為厚膜(thick film)，接著會做雷射剝離(Laser-lift off, LLO)將 bulk GaN 與 sapphire 分離。這樣的 bulk GaN 其實並不平整，無法在上 面成長元件架構或是晶體特性研究，所以會利用 CMP 將表面研磨至平整。若 bulk GaN 的翹曲(bowing)太大的話，則在研磨製程前會先利用 ICP 或是濕式處理將 bowing 降低 再開始研磨。完成後，我們這稱這個 epi-ready 的氮化鎵基板為獨立式氮化鎵基板 (free-standing GaN)。
實驗就是在這樣的流程下取得的獨立式氮化鎵基板做磷酸處理，全部的條件皆為 150℃的磷酸環境，根據不同的實驗需來更改浸泡時間。結果與討論的第一部分是在鎵 極性面在做表面分析的討論，接著第二部分是在不同品質下的氮極性獨立式氮化鎵基 板做蝕刻形貌與機制的討論，條件如表 4。
表 4 氮極性獨立式氮化鎵基板蝕刻實驗設計
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2-2 機台介紹
由 2-1 節可知，所有的實驗結果皆是在獨立式氮化鎵基板上。如何去產出這樣的 基板就十分重要，以下將對圖 18中的 HVPE 系統、LLO 系統和 CMP 系統做一些簡單的介 紹。
2-2-1 氫化物氣相磊晶
獲得 bulk GaN 的方法普遍來說有以下幾種方法：HVPE、high pressure nitrogen solution growth、波蘭的 Ammono 公司所提出的 ammonothermal 法和鈉流 法，在此不詳細 HVPE 以外的磊晶方法，以表 5簡單地說明各法的優劣。
表 5 各式氮化鎵基板磊晶優劣比較
HVPE 早先應用在砷化鎵材料的成長。而在氮化鎵單晶厚膜的應用上，由於 Ga 與 NH3無法直接形成 GaN，所以主要是利用氯化氫氣體(HCl)與液態鎵金屬(Ga) 反應生 成氯化鎵(GaCl)，GaCl 再與氨氣(NH3)反應生成氮化鎵沈積到基板上。其主要反應式為 (4)和(5)式，示意圖如圖 19所示。
2HCl(g) + 2Ga(melt) ↔ 2GaCl(g) + H2(g) (>850 ) (4) GaCl(g) + NH3(g) ↔ GaN(s) + HCl(g) + H2(g) (1000 ~1100 ) (5)
圖 19 水平式氫化物氣相磊晶系統腔體剖面圖
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反應的主要產物是 GaN，磊晶源(Source)是五族的 NH3，跟三族的 HCl 與 Ga 形 成的 GaCl。HVPE 跟 MOCVD 的成長方式類似，都是有相同的五族來源-NH3，而不同的是 三族的磊晶源。在 HVPE 是使用液態鎵與 HCl 合成 GaCl，而在 MOCVD 使用的則是三甲基 鎵(Trimethylgallium, TMGa)或者是三乙基鎵(triethylgallium, TEGa)這類有機金屬化 合物來做成長。因為五族磊晶源容易揮發，所以 HVPE 或 MOCVD 在成長的時候，五族與 是以碳化矽棒來加熱升溫爐管，外圍並覆蓋絕熱性佳的氧化鋁(aluminum oxide,
19 來調整氣體的成份。所有氣體流量皆以電子式質量流量控制器(electronic mass flow controller, MFC)控制和調整，共計有 9 個 MFC。
溫控系統控制高溫爐管六個區域的溫度，分別以六支白金探頭之 k 型熱電耦 (k-type thermal couple)偵測。區域 I 設定 HCl 和金屬鎵(gallium, Ga)反應的溫度
—850℃。區域 II 至 V 為實驗反應進行區，設定 GaN 磊晶溫度。以四個區域控制溫 度，能使反應區可大範圍地維持溫度均勻及穩定；區域 VI 並非反應區且靠近抽氣區，
因此溫度通常固定設為 950℃。
真空系統由一台機械幫浦(mechanical pump)進行抽氣。爐管的氣壓值由位於 爐管末端的氣壓計(pressure gauge)偵測，配合幫浦節流閥(throttle valve)開合的 程度來達到控制及穩定氣壓。由於實驗操作在高溫並會產生微粒，因此在爐管與幫浦 中間須連接一冷卻過濾器(chiller)和微粒吸附器(particle trap)，前者用於降低來 自高溫氣體的溫度，後者則過濾實驗微粒。
冷卻水循環系統分佈於爐管前末端、chiller 和 trap，目的使高溫氣體降 溫，避免機台的零組件因高溫而損壞。
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時，會將樣品升溫至 1070℃，並以螺旋的方式從外側向樣品中心打，以防止樣品破 裂，機台架構如圖 22。
圖 22 雷射剝離系統
2-2-3 化學機械研磨
化學機械研磨，最早是在 1980 年代中期由 IBM 公司提出的概念，是使用與待 磨物會產生化學反應的研磨粒子和液體進行研磨拋光，圖 23為化學機械研磨示意圖。
過程中這些反應，將研磨粒子以摻和加工液，進行拋光加工，當試片與研磨粒子的接 觸點，局部因摩擦能量發生高溫、高壓，在接觸時間內，隨著兩者之間的相互影響產 生反應。然後，這個反應部位由於摩擦力，而漸漸以微小單位量被去除，而進行作 用。
圖 23 化學機械研磨示意圖
基本上，使用較高硬度研磨粒子的場合，可以發現是較有效率的拋光加工。
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在對力學作用依存的拋光加工情況下，硬度小的研磨粒子加工時，其有效率地加工較 低。故可以整理移除厚度(removed thickness, ∆t)為(9)式， 是移除系數， 為樣品 所受壓力，∆ν為轉速變化。
∆t ∆ν (9)
然而考慮晶圓和酸鹼溶液之間化學反應，研磨粒子的選擇，對研磨粒子的硬 度就沒有依存性存在，可以得到特別高的效率。因此，在反應拋光作用中，是可以使 用比受拋物材料軟的研磨粒子。由於在接觸點研磨粒子側會變形，因此由於粒子的壓 入、拉伸作用，所以不會造成刮痕或機械損傷層。另外，化學機械拋光法的主要特 徵，是研磨粒子介於受拋物表面與拋光盤之間，施與表面過大的能量使研磨粒子變形 破壞，而吸收能量，所以，不一定需要使用軟質的拋光盤。其中影響 CMP 製程的變數 包括有：研磨置具所施的壓力與晶圓的平坦度、晶圓與研磨墊的旋轉速度、研磨漿與 研磨顆粒的化學成份、溫度、以及研磨墊的材質與磨損性等等。
實驗室使用的研磨機台為正越公司之 M-15 機型，配有鑽石液噴灑系統、拋光 液控制系統，搭配四種磨盤及真空治具和空壓機，如圖 24所示。
圖 24 化學機械研磨系統
2-3 量測機台介紹
在本論文中，會使用到原子力顯微鏡、x 光繞射分析儀、，下面逐一介紹各機台的 原理與量測分析
2-3-1 原子力顯微鏡
在 1982 年早期，由 IBM 公司蘇黎士（Zurich）研究實驗室的兩位科學家 Gerd Binning 和 Heinrich Rohrer 利用原子之間的穿隧效應(tunneling effect)發明掃描穿
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隧顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope，STM）。雖然 STM 的發明解決了物理學中 的很多問題，不過 STM 能分析的材料只局限於導體或半導體。在 1986 年由 IBM 公司的 Binnig 與史丹佛大學的 Quate 所開發原子力顯微鏡發明後，利用探針針尖和欲測試樣 本間凡得瓦爾力的強弱，得知樣本表面的起伏高低和幾何形狀，且樣本可為導體或非 導體，AFM 成功解決 STM 在材料上的限制。圖 25為原子力顯微鏡的簡單示意圖。
圖 25 原子力顯微鏡示意圖 (資料來源：科榮股份有限公司訓練資料)
AFM 除了擁有其他表面分析儀器無法達到的原子級解析度能力外，其量測的環 境可不必在真空的環境中直接可在大氣中或者在液相中，因為這兩項的特點其應用性 就更加的廣泛了。AFM 之探針一般由成份為 Si 或 Si3N4懸臂樑及針尖所組成，針尖尖端 直徑介於 20 至 100 nm 之間。主要原理是藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑 產生微細位移，可以測得表面結構形狀，如圖 26。AFM 操作模式主要可區分為接觸式
（contact）、非接觸式（non-contact）及間歇接觸式或稱為輕敲式（intermittent contact or tapping）三大類操作。特性分述如下：
圖 26 原子距離與斥力、引力關係圖
(資料來源：http://web1.knvs.tp.edu.tw/AFM/ch2.htm) 1.接觸模式(Contact Mode) ：
探針與樣品交互作用力為排斥力，利用定力模式(Constant Force Mode)維持 探針與樣品間的交互作用力為定值。系統回饋電路讓偵測訊號維持在原先的設定 值。當偵測訊號大於或小於設定值時，回饋電路會以誤差值訊號轉成驅動掃描器 的電壓訊號，掃描器以延展或收縮的動作，使探針與樣品間的作用力維持在設定 值。在掃描成像過程中，探針容易刮傷樣品。
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2.非接觸模式(Non-Contact Mode) ：
探針與樣品交互作用力為吸引力，其操作模式是將探針的懸臂以一振幅振 動，當探針與樣品間產生交互作用力時懸臂的振幅會衰減，此振幅衰減的大小與 交互作的梯度有關，即可得到樣品表面形貌。頻率與相位也可做為回饋訊號。在 掃描成像過程中，探針不接觸樣品減少對樣品的傷害，在大氣中解析度易受水膜 影響。
3.輕敲模式(tapping mode)：
探針和樣品問的距離介於接觸式和非接觸式，即 0.5 至數十奈米之間，探針 scanning，亦稱為 x 射線搖擺曲線(Rocking Curve, XRC)量測，其量測方式為固定 2θ 角，藉由微動 ω 軸來看磊晶品質。當晶體為一個完美單晶時，只會在一個 θ 值有繞 射，其它地方應皆無訊號，為一個 delta function，所以若 XRC 為一個高斯分佈，則 可以利用半高寬來評估晶體品質。繞射的發生除了必須滿足布拉格條件外，也會受晶 體對稱性影響。當晶胞內所含原子數目不只一個時，由於這些原子彼此的對稱關係，
而限制了某些繞射的發生，稱為消光條件。所以當 X 光照射晶體時，只有在某些特定
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的入射角才會出現繞射波，這主要是決定於晶胞的形狀、大小及對稱性。
2-3-3 x 射線光電子能譜儀
X 射線光電子能譜一般又稱作電子能譜化學分析儀(electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA)，利用 X 光光束照射固態表面，若 X 光能量大於內層 Z 軌域電子束縛能(EB)，則該 Z 軌域的電子可被游離成為自由電子，此即是光電子，如 light,4< hν <50 eV)，則稱之為深紫外光光電子能譜量測。
X 光光電子能譜術之訊號主要來自於光電子，以光電子能譜圖的能量值進行元 素分析，以強度分析元素濃度，以化學位移分析狀態。
2-3-4 霍爾量測
在 1879 年，霍爾(Edwin H.Hall)利用於導體中導入電流，將導體置於外加磁 場中量測霍爾電壓(Hall Voltage)來判斷傳導載子的極性與濃度，稱為霍爾效應(Hall effect)。此方式廣泛的被利用於半導體中參雜載子性質的量測上。
25 能量變化以波數（wave number）表示，拉曼位移與能量差的關係為：
E(雷射光能量) – E＇(散射光能量) = ΔE/hc = Raman shift (11) 拉曼光譜最主要是用來量測倒晶格中心(zone center)的聲子震動模態，對於 烏采結構的氮化鎵材料，其單位晶胞屬於空間群(space group)的對稱結構。由於動量 守恆定律，一階拉曼散射是指波向量(wavevector)為零，也就是在Γ點。由群論
E(雷射光能量) – E＇(散射光能量) = ΔE/hc = Raman shift (11) 拉曼光譜最主要是用來量測倒晶格中心(zone center)的聲子震動模態，對於 烏采結構的氮化鎵材料，其單位晶胞屬於空間群(space group)的對稱結構。由於動量 守恆定律，一階拉曼散射是指波向量(wavevector)為零，也就是在Γ點。由群論