Kolja Haberland, LayTec GmbH, Berlin

　在LED量產時高亮度高產值是常具有挑戰性的技術，而未來高效率及高量率的設備將會是市場的主流，顯示器及背光源的崛起是驅動MOCVD設備成長的原動力。
現今在GaN量產的MOCVD設備中主要還是以2”的藍寶石基板為主，但未來全世界發展的趨勢會以4”為主流，所以在系統硬體方面以可升級至11x4”的準備，但很不幸的由於材料上晶格不匹配造成的彎曲效應將在基板由2”變成4”時呈現劇烈性的增加。主要的原因是在磊晶的過程當中溫度不均勻有很大的關係，而溫度不均勻則會造成良率的損失。

　光學監控系統是在GaN磊晶過程中利用晶片的反射率及溫度提供即時的資訊給使用者，這種方法已被廣泛的使用。例如德國LayTec公司所因應MOCVD的需求所研發出的EpiTT系統，這個系統拿夠被使用在AIXTRON行星式反應器和TSSEL蓮蓬頭式反應器，還有其他廠牌或是工程師自行研發的MOCVD系統上。

　未來系統的發展以遠端遙控為主，所以這種監控系統一定要與MOCVD系統做整合，有了這種即時堅控可以提供使用者得到磊晶成長中的所有數據及分析資料，可避免一些人為的疏失，尤其是在未來多片式的量產系統中更需要這種即時監控系統提供磊晶成長中所有的資訊及分析數據給使用者。

　在這裡特別要提到TSSEL的19x2”或是30x2”的構造，他的放置晶片區不只是一圈而已而是兩圈或三圈，為了得到每一圈晶片的資料LayTec公司發展出EpitwTT的即時監控系統如圖二所示。

　然而在研發產品時大家總是希望在磊晶的過程中從即時監控系統得到最多的相關資訊。在這裡我們主要針對不同批次的實驗和同一批次不同晶片的比對資料，這時這種系統的轉體必須提供使用者一個簡捷又快速的方法讓他得到所有晶片上的數據，例如圖三是一個非常典型的例子，利用即時監控系統在不同批次磊晶中緩衝層的反射率而計算出來的結果。

　然而因應更多資訊的需求雙波長的監控系統是努力的目標，利用633nm和950nm雙波長的量測可計算出許多特性，例如磊晶成長速率、化合物組成、粗糙度以及晶片表面狀態。這些都是單一波長無法做到的，另外我們還有另一波長選擇，405nm的選用更可以正確的提供成長緩衝層前晶格重整與量子井層的更多資訊給使用者，如圖四所示，這是一個多層量子井結構的LED，從405nm波長量測到有5個量子井，即使我們把兩片晶片的資料放在一起做比對仍然可以很清楚的讀出這兩片晶片的差異性。

　在磊晶成長過程中有一非常重要的因素，那就是如何精確的控制磊晶成長的溫度，這個參數可以影響量子井中銦的含量，而因含量的多寡則會造成LED波長的偏移，在過去的反應腔體的設計多半用熱耦計或高溫計在背面量測溫度，大家其實不太注意到磊晶成長過程中溫度的變化性，例如圖五我們設定一個定溫成長的程式，但事實上在實驗中我們真正量測到晶片表面溫度有些許的差異性，那是因為上層石英板有不同厚的批覆以及衛星式載盤轉速不同所造成的，如果無法量測到真實的溫度那就無法做出有好結果的元件。

　還有另一個影響晶片翹曲的原因，因為GaN成長在藍寶石基板上晶格不匹配，所以會有應力產生，這種材料是一種伸張式應力隨著厚度及晶片尺寸的增加翹曲度越大，和緩衝層的厚度成正比，晶片一但翹曲之後會造成表面溫度不均勻，中心點和邊緣溫度差異在成長量子井時，因為溫差而造成良率下降，利用GaN在藍寶石基板上熱膨脹係數的差異性計算出不同的伸張或壓縮應力結構。針對這種應力工程結構所發展出EpicurveTT(圖六所示)，利用雷色光反射量測出在磊經成長過程中晶片的翹曲度，在真實的情況下即使是室溫下不同的藍寶石基板翹曲度也不盡相同，所以沒個批次的實驗數據都不一樣甚至在同一批次不同位置的晶片翹曲度也不同。晶片彎成像球面的形狀(我們稱為馬鞍型或洋芋片型)即使像AIXTRON這種行星式的反應腔體晶片，可獨立旋轉仍然可以即時量糧測提供數據。
在量產時即時監控晶片的翹曲度是非常重要的，即使同一個批次的基板在未成長前翹曲度就不相同，這會造成磊晶時每一片晶片有不同程度的翹曲，多層量子井在磊晶成長過程中要非常精確的控制，而他對溫度是非常敏感(圖七a為例)，In在InGaN量子井中有一些偏差利用溫度的補償讓晶片控制在相同的溫度下成長，圖七b所示.我們在一個單片式的MOCVD系統中比對不同批次的結果，他幾乎可以套用在量產型的多片系統，而只有少數的MOCVD系統可單獨調整轉盤的溫度，這裡再次強調基板選擇的重要性.
雖然2”晶片的翹曲程度以算溫和，但仍然一直困擾著大家更何況未來的發展以4”為主軸，一片2”晶片如果在長多層量子井結構的LED時翹曲率為20 km-1那會產生2nm波長的誤差但在4”上則會有8nm波長的誤差，這只是概略的估算，例如，2”晶片翹曲10 km-1會產生3%良率的損失(假設5nm波長誤差是容許範圍)那麼4”晶片就會有10%的良率的損失，如果在4”的磊晶成長過程中沒有使用這種工具即時監控晶片的翹曲度那將會無法得到很好的良率。

　為了避免無效的磊晶成長量測溫度，反射率和翹曲度是有必要性的，結合這三種方法提供完整的資訊給使用者只有EpiCurveTT這個即時監控系統能狗有如夠的技術可以提供。圖六所示已被使用在大型MOCVD機器上。CSOT

參考文獻
1. F. Brunner, A. Knauer, T. Schenk, M. Weyers, J.-T. Zettler, J. Cryst. Growth, accepted, 2008
2. Presentation of S. Srinivasan et al. during China SSL Forum 2007
3. A. Knauer et al., to be published, 2008

圖一：掃描範圍為6x2”載盤的反射率，顯示出不只晶片和晶片之間不均勻，連晶片本身都不均勻。(a)顯示長晶時基板的週期性；(b)在長完緩衝層之後可以看到有一點不均勻；(c)顯示真實的溫度曲線，這些差異是因為晶片被加熱以後產生不同的放射率。

圖二：LayTec 公司的EpitwinTT 雙偵測頭式的系統架設在TSSEL 19x2”的反應腔體上，監控外圈12片晶片和內圈6片晶片。