LED芯片制造的工藝流程PPT課件

1、LED芯片制造的工藝流程芯片制造的工藝流程屬屬LED上游產(chǎn)業(yè)上游產(chǎn)業(yè)靠設(shè)備靠設(shè)備第1頁/共65頁引言 LED是二極管，是半導體。 本節(jié)討論的LED的制造=LED的芯片制造。 LED的制造工藝和其它半導體器件的制造工藝有很多相同之處。 除個別設(shè)備外，多數(shù)半導體設(shè)備經(jīng)過改進可以用于LED的制造。第2頁/共65頁引言LED芯片制造工藝分三大部分 外延片按節(jié)的LED芯片的結(jié)構(gòu)：選襯底， MOCVD在襯底上制作外延層（也叫鍍膜），n區(qū)，發(fā)光區(qū)，p區(qū)，透明導電層。 電極對LED外延片做電極（P極，N極） 。 芯片用激光機切割LED外延片。第3頁/共65頁內(nèi)容 一、LED芯片制造設(shè)備 二、LED芯片襯底材料

2、的選用 三、LED外延片的制作 四、LED對外延片的技術(shù)要求 五、LED芯片電極P極和N極的制作 六、LED外延片的切割成芯片第4頁/共65頁1、LED芯片制造用設(shè)備 外延片的制備： MOCVDMOCVD：是制作LEDLED芯片的最重要技術(shù)。 MOCVDMOCVD外延爐：是制造LEDLED最重要的設(shè)備。一臺外延爐要100100多萬美元，投資最大的環(huán)節(jié)。 電極制作設(shè)備：光刻機、刻蝕機、離子注入機等。 襯底加工設(shè)備：減薄機、劃片機、檢測設(shè)備等。第5頁/共65頁2、MOCVD設(shè)備 MOCVD金屬有機物化學氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition） 第6

3、頁/共65頁3、光刻機第7頁/共65頁3、光刻機第8頁/共65頁4、刻蝕機第9頁/共65頁5、離子注入機第10頁/共65頁6、清洗機第11頁/共65頁7、劃片機第12頁/共65頁7、劃片機同一功能有不同型號設(shè)備選擇第13頁/共65頁8、芯片分選機第14頁/共65頁9、LED芯片的制造 從以上的的儀器設(shè)備可以看出，LED芯片的制造依靠大量的設(shè)備，而且有些設(shè)備價格昂貴。 LED芯片質(zhì)量依賴于這些設(shè)備和操作這些設(shè)備的人員。 設(shè)備本身的制造也是LED生產(chǎn)的上游產(chǎn)業(yè)，一定程度上反映國家的光電子的發(fā)展水平。第15頁/共65頁二、LED芯片襯底材料的選用 LED芯片首要考慮的問題：襯底材料的選用。 選擇襯底

4、依據(jù)：根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進行選擇。 第16頁/共65頁三種襯底材料目前市面上一般有三種材料可作為襯底 藍寶石（Al2O3） 硅 (Si) 碳化硅（SiC） 除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。 下面分別介紹三種材料的特點 第17頁/共65頁1、藍寶石襯底 藍寶石襯底的優(yōu)點： 生產(chǎn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量好； 穩(wěn)定性很好，能夠運用在高溫生長過程； 機械強度高，易于處理和清洗。 第18頁/共65頁1、藍寶石襯底藍寶石襯底應用 GaN基材料和器件的外延層。 對應LED：藍光（材料決定波長）第19頁/共65頁1、藍寶石作為襯底的LED芯片 芯片也叫晶粒第20頁/共65

5、頁1、藍寶石作為襯底存的一些問題 （1）晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。 （2）無法制作垂直結(jié)構(gòu)的器件，因為藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm。 第21頁/共65頁1、藍寶石作為襯底存的一些問題 （3）成本增加： 通常只能在外延層上表面制作n型和p型電極。在上表面制作兩個電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結(jié)果使材料利用率降低。 GaN基材料的化學性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(shè)備。 藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在LED器件

6、的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。 第22頁/共65頁1、藍寶石作為襯底存的一些問題 （4）導熱性能不是很好（在100約為25W/（mK）。 為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。 第23頁/共65頁2、硅襯底 硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。 電極制作：硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸（Laterial-contact ,水平接觸）和V接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的

7、電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。 第24頁/共65頁2、硅襯底 應用：目前有部分LED芯片采用硅襯底 ，如上面提到的GaN材料的藍光LED第25頁/共65頁3、碳化硅襯底 美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底第26頁/共65頁3、碳化硅襯底特點 電極：V型電極設(shè)計，電流是縱向流動的，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。 導熱：碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數(shù)為490W/(mK)）

8、要比藍寶石襯底高出10倍以上。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。 成本：但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應的成本。第27頁/共65頁4、藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片第28頁/共65頁4、三種襯底的性能比較 第29頁/共65頁三、LED外延片的制作外延片制作技術(shù)分類 1 1、液相外延：紅色、綠色LEDLED外延片。 2 2、氣相外延：黃色、橙色LEDLED外延片。 3 3、分子束外延 4 4、金屬有機化學氣相沉積外延MOCVDMOCVD第30頁/共65頁2、MOCVD設(shè)備工作原理載流氣體金屬有機反應源 反應

9、腔 反應通氣裝置真空泵阻斷裝置壓力控制第31頁/共65頁2、MOCVD設(shè)備工作原理說明MOCVD成長外延片過程載流氣體通過金屬有機反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然后在被加熱的基板上面發(fā)生化學反應促成薄膜的成長。 因此是一種鍍膜技術(shù)，是鍍膜過程。第32頁/共65頁MOCVD方法 影響蒸鍍層的生長速率和性質(zhì)的因素： 溫度 壓力 反應物種類 反應物濃度 反應時間 襯底種類 襯底表面性質(zhì)等 參數(shù)由MOCVD軟件計算，自動控制完成，同時要實驗修正摸索。第33頁/共65頁MOCVD方法外延片生長中不可忽視的微觀動力學問題 反應物擴散到襯底表面 襯底表面的化學反應 固態(tài)生

10、長物的沉積 氣態(tài)產(chǎn)物的擴散脫離第34頁/共65頁MOCVD方法 反應氣體在襯底的吸附 表面擴散 化學反應 固態(tài)生成物的成核和生長 氣態(tài)生成物的脫附過程等 注意：反應速率最慢的過程是控制反應速率的步驟，也是決定沉積膜組織形態(tài)與各種性質(zhì)的關(guān)鍵。第35頁/共65頁MOCVD反應系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進料區(qū) 反應室 廢氣處理系統(tǒng)第36頁/共65頁MOCVD反應系統(tǒng)的技術(shù)要求 提供潔靜的環(huán)境。 反應物抵達襯底之前應充分混合，以確保外延層的成分均勻。 反應物氣流需在襯底的上方保持穩(wěn)定的流動，以確保外延層厚度均勻。 反應物提供系統(tǒng)應切換迅速，以長出上下層接口分明的多層結(jié)構(gòu)。第37頁/共65頁MOCVD參數(shù)實例南京大學省

11、光電信息功能材料重點實驗室使用第38頁/共65頁MOCVD參數(shù)實例系統(tǒng)簡介 本系統(tǒng)為英國Thomas Swan公司制造，具有世界先進水平的商用金屬有機源氣相外延(MOCVD)材料生長系統(tǒng)，可用于制備以GaN為代表的第三代半導體材料。在高亮度的藍光發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光電探測器、高效率太陽能電池、高頻大功率電子器件領(lǐng)域中具有廣泛的應用。 第39頁/共65頁MOCVD參數(shù)實例 該設(shè)備承擔并完成國家“863”、國防“973”計劃項目和江蘇省自然科學基金等多項研究任務。首次用MOCVD方法在LiAlO2襯底上實現(xiàn)非極化GaN/InGaN量子阱生長和LED器件制備，成果達到同期

12、國際水平；研制的新型半導體InN材料其相關(guān)技術(shù)達到國際先進水平；制備高質(zhì)量的用于紫外探測器結(jié)構(gòu)材料性能指標達到國際先水平。第40頁/共65頁MOCVD參數(shù)實例 設(shè)備參數(shù)和配置： 外延片32 英寸/爐 反應腔溫度控制：1200 壓力控制：0800Torr（ ） 激光干涉在位生長監(jiān)測系統(tǒng) 反應氣體：氨氣，硅烷（純度：6N=99.9999% ） 載氣：氫氣，氮氣；（純度：6N） MOCVD源：三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦(TMIn), 三甲基鋁(TMAl)，二茂基鎂(Cp2Mg)第41頁/共65頁國產(chǎn)MOCVD設(shè)備 中國電子科技集團公司第四十八研究所l上游產(chǎn)業(yè)第42頁/共65頁2、國產(chǎn)MOCVD設(shè)

13、備指標 產(chǎn)品描述：GaN-MOCVD設(shè)備是集精密機械、電子、物理、光學、計算機多學科為一體，是一種自動化程度高、價格昂貴、技術(shù)集成度高的尖端電子專用設(shè)備，用于GaN系半導體材料的外延生長和藍色、綠色或紫色LED芯片的制造，是國家半導體照明（白光LED）工程實施中最為關(guān)鍵的芯片制造設(shè)備，也是光電子行業(yè)最有發(fā)展前景的專用設(shè)備。第43頁/共65頁2、國產(chǎn)MOCVD設(shè)備指標 生產(chǎn)能力：2（1英寸）基片，6片/批； 基片溫度及精度：30012001； 升溫速度：10 /s； 載片臺轉(zhuǎn)速：10200rpm（轉(zhuǎn)數(shù)/分）； 反應室壓控范圍：； 界面友好，操作簡單。第44頁/共65頁2、MOCVD設(shè)備操作培訓與

14、就業(yè) 2008年7月24日，中國（深圳）國際半導體照明展覽會期間， “MOCVD技術(shù)國際短期培訓班”。最新的MOCVD技術(shù)。 “GaN基發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)表征方法” “基于MOCVD生產(chǎn)的高功率光電子器” “MOCVD硬件及維護” “用于產(chǎn)品監(jiān)測的光學在位測量技術(shù)發(fā)展近況”設(shè)備的操作與維護及其重要第45頁/共65頁3、重要的MOCVD MOCVD已經(jīng)成為工業(yè)界主要使用的鍍膜技術(shù)。 使用MOCVD這種鍍膜技術(shù)制作LED的外延片，即在襯底上鍍多層膜。 外延片是LED生產(chǎn)的上游產(chǎn)業(yè)，在光電產(chǎn)業(yè)中扮演重要的角色。 有些專家經(jīng)常用一個國家或地區(qū)擁有MOCVD外延爐的數(shù)量來衡量這個國家或地區(qū)的光電行業(yè)的發(fā)展規(guī)

15、模。第46頁/共65頁四、LED對外延片的技術(shù)要求 1、外延材料具有適合的禁帶寬度 2、外延材料的發(fā)光復合幾率大 3、 p型n型兩種外延材料的電導率要高 4、外延層的完整性第47頁/共65頁1、外延材料具有適合的禁帶寬度 禁帶寬度決定發(fā)射波長： =1240/Eg LED的峰值發(fā)射波長（nm） Eg外延材料的禁帶寬度（eV） Eg由材料性質(zhì)決定，可以通過調(diào)節(jié)外延材料的組分調(diào)整Eg。第48頁/共65頁2、外延材料的發(fā)光復合幾率大 LED的發(fā)光原理：pn結(jié)處的空穴和電子的復合發(fā)光，同時伴有熱產(chǎn)生，復合幾率大，則發(fā)光效率高。 InGaAlP材料，調(diào)整Ga-Al組分，改變Eg，得到黃綠到深紅的LED波長

16、。但改變組分的同時使得直接躍遷半導體材料變?yōu)殚g接躍遷，影響發(fā)光效率。第49頁/共65頁3、 p型n型兩種外延材料的電導率要高 影響電導率的因素：摻雜濃度、溫度、均勻性。 摻雜濃度：不應小于11017/cm3 參雜溫度：MOCVD反應腔溫度及材料特性 參雜均勻型： MOCVD氣流平穩(wěn)、氣壓第50頁/共65頁4、外延層的完整性 外延層的完整性：晶體的錯位和空位缺陷，氧氣等雜質(zhì)。 影響完整性的因素：不同的外延技術(shù)、同一外延技術(shù)不同的設(shè)備，同一設(shè)備不同的操作人員。第51頁/共65頁5、外延片檢測 表面平整度 厚度的均勻性 徑向電阻分布第52頁/共65頁5、外延片檢測外延片（晶圓） 抽取九個點做參數(shù)測試

17、 第53頁/共65頁5、SSP3112-W LED外延片光色電參數(shù)測試儀 杭州星譜光電科技有限公司 第54頁/共65頁5、SSP3112-W LED外延片光色電參數(shù)測試儀第55頁/共65頁五、LED芯片電極P極和N極制作 引腳封裝結(jié)構(gòu)中，看到LED結(jié)構(gòu)有內(nèi)部電極和外部電極。 更一般的情況，任何半導體器件最終都要通過電極引線與外部電路相連接。第56頁/共65頁1、歐姆接觸電阻 定義：電極金屬與半導體接觸部分電極，電流-電壓（I-V）呈現(xiàn)線性關(guān)系，線性關(guān)系比值R=U/I，因此相當于一個阻值很小的電阻，稱為歐姆接觸電阻。 歐姆電阻對LED器件的影響：歐姆電阻與內(nèi)部pn結(jié)串聯(lián)如果歐姆電阻大，則LED正向工作電壓大，注入效率低器件發(fā)熱、亮度下降，壽命縮短。 結(jié)論：LED芯片的pn結(jié)電極直接影響LED器件的質(zhì)量。第57頁/共65頁2、pn結(jié)電極的制作工藝光刻真空電子束蒸發(fā)濕法腐蝕剝離第58頁/共65頁3、pn結(jié)電極材料 p型電極：鎳/銅（Ni/Au）良好的透光性和電學特性。 n型電極：進行合金化目的減小電極之間的影響。 但進行進行合金化的過程也會對p型電極產(chǎn)生影響，保持p型電極在對n型電極進行合金化的過程中保持不變非常重要。第5