LED芯片制造的工藝流程實(shí)用教案

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)(chny)靠設(shè)備靠設(shè)備第1頁(yè)/共65頁(yè)第一頁(yè)，共66頁(yè)。引言(ynyn) LED是二極管，是半導(dǎo)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(qt)半導(dǎo)體器件的制造工藝有很多相同之處。 除個(gè)別設(shè)備外，多數(shù)半導(dǎo)體設(shè)備經(jīng)過(guò)改進(jìn)可以用于LED的制造。第2頁(yè)/共65頁(yè)第二頁(yè)，共66頁(yè)。引言(ynyn)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(dǎo)電層。電極(dinj)對(duì)LED外延片做電極(dinj)（P極，N極） 。

2、芯片用激光機(jī)切割LED外延片。第3頁(yè)/共65頁(yè)第三頁(yè)，共66頁(yè)。內(nèi)容(nirng) 一、LED芯片制造設(shè)備 二、LED芯片襯底材料(cilio)的選用 三、LED外延片的制作 四、LED對(duì)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(yè)/共65頁(yè)第四頁(yè)，共66頁(yè)。1、LED芯片制造(zhzo)用設(shè)備 外延片的制備： MOCVDMOCVD：是制作LEDLED芯片的最重要技術(shù)(jsh)(jsh)。 MOCVDMOCVD外延爐：是制造LEDLED最重要的設(shè)備。一臺(tái)外延爐要100100多萬(wàn)美元，投資最大的環(huán)節(jié)。 電極制作設(shè)備：光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)等。 襯底

3、加工設(shè)備：減薄機(jī)、劃片機(jī)、檢測(cè)設(shè)備等。第5頁(yè)/共65頁(yè)第五頁(yè)，共66頁(yè)。2、MOCVD設(shè)備(shbi) MOCVD金屬(jnsh)有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition） 第6頁(yè)/共65頁(yè)第六頁(yè)，共66頁(yè)。3、光刻機(jī)第7頁(yè)/共65頁(yè)第七頁(yè)，共66頁(yè)。3、光刻機(jī)第8頁(yè)/共65頁(yè)第八頁(yè)，共66頁(yè)。4、刻蝕機(jī)第9頁(yè)/共65頁(yè)第九頁(yè)，共66頁(yè)。5、離子注入機(jī)第10頁(yè)/共65頁(yè)第十頁(yè)，共66頁(yè)。6、清洗機(jī)第11頁(yè)/共65頁(yè)第十一頁(yè)，共66頁(yè)。7、劃片機(jī)第12頁(yè)/共65頁(yè)第十二頁(yè)，共66頁(yè)。7、劃片機(jī)同一(tngy)功能有不同型號(hào)設(shè)備選擇第13頁(yè)

4、/共65頁(yè)第十三頁(yè)，共66頁(yè)。8、芯片(xn pin)分選機(jī)第14頁(yè)/共65頁(yè)第十四頁(yè)，共66頁(yè)。9、LED芯片(xn pin)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(jià)格昂貴。 LED芯片質(zhì)量(zhling)依賴(lài)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(guó)家的光電子的發(fā)展水平。第15頁(yè)/共65頁(yè)第十五頁(yè)，共66頁(yè)。二、LED芯片(xn pin)襯底材料的選用 LED芯片首要考慮的問(wèn)題：襯底材料的選用。 選擇襯底依據(jù)(yj)：根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇。 第16頁(yè)/共65頁(yè)第十六頁(yè)，共66頁(yè)。三種(s

5、n zhn)襯底材料目前市面上一般有三種材料可作為襯底 藍(lán)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(xi mian)分別介紹三種材料的特點(diǎn) 第17頁(yè)/共65頁(yè)第十七頁(yè)，共66頁(yè)。1、藍(lán)寶石襯底 藍(lán)寶石襯底的優(yōu)點(diǎn)： 生產(chǎn)(shngchn)技術(shù)成熟、器件質(zhì)量好；穩(wěn)定性很好，能夠運(yùn)用在高溫生長(zhǎng)過(guò)程；機(jī)械強(qiáng)度高，易于處理和清洗。 第18頁(yè)/共65頁(yè)第十八頁(yè)，共66頁(yè)。1、藍(lán)寶石襯底藍(lán)寶石襯底應(yīng)用GaN基材料(cilio)和器件的外延層。 對(duì)應(yīng)LED：藍(lán)光（材料(cilio)決定波長(zhǎng)）第19頁(yè)/共65頁(yè)第十九頁(yè)，共66頁(yè)。

6、1、藍(lán)寶石作為(zuwi)襯底的LED芯片 芯片(xn pin)也叫晶粒第20頁(yè)/共65頁(yè)第二十頁(yè)，共66頁(yè)。1、藍(lán)寶石作為(zuwi)襯底存的一些問(wèn)題 （1）晶格失配和熱應(yīng)力失配，這會(huì)在外延層中產(chǎn)生大量缺陷，同時(shí)給后續(xù)的器件加工工藝造成困難。 （2）無(wú)法(wf)制作垂直結(jié)構(gòu)的器件，因?yàn)樗{(lán)寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm。 第21頁(yè)/共65頁(yè)第二十一頁(yè)，共66頁(yè)。1、藍(lán)寶石作為(zuwi)襯底存的一些問(wèn)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(gè)電極，造成了有效發(fā)光面積減少，同時(shí)增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過(guò)程，結(jié)果使材料利用率降低。 G

7、aN基材料的化學(xué)性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度較高，不容易對(duì)其進(jìn)行(jnxng)刻蝕，因此在刻蝕過(guò)程中需要較好的設(shè)備。 藍(lán)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器件的制作過(guò)程中卻需要對(duì)它進(jìn)行(jnxng)減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。 第22頁(yè)/共65頁(yè)第二十二頁(yè)，共66頁(yè)。1、藍(lán)寶石作為(zuwi)襯底存的一些問(wèn)題 （4）導(dǎo)熱性能不是(b shi)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(zhǎng)在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。 第23頁(yè)/共65頁(yè)第二十三頁(yè)，共66頁(yè)。2、硅襯底 硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明

8、顯改善，從而延長(zhǎng)了器件的壽命。 電極制作(zhzu)：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(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)型電極和V型電極。通過(guò)這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動(dòng)的，也可以是縱向流動(dòng)的。由于電流可以縱向流動(dòng)，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(yè)/共65頁(yè)第二十四頁(yè)，共66頁(yè)。2、硅襯底 應(yīng)用：目前有部分LED芯片(xn pin)采用硅襯底 ，如上面提到的GaN材料的藍(lán)光LED第25頁(yè)/共65頁(yè)第二十五頁(yè)，共66頁(yè)。3、碳化硅襯底 美國(guó)的C

9、REE公司專(zhuān)門(mén)采用SiC材料(cilio)作為襯底第26頁(yè)/共65頁(yè)第二十六頁(yè)，共66頁(yè)。3、碳化硅襯底特點(diǎn)(tdin) 電極：V型電極設(shè)計(jì)，電流是縱向流動(dòng)的，兩個(gè)電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)電極直接導(dǎo)出；同時(shí)這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會(huì)被電流擴(kuò)散層的材料吸收(xshu)，這樣又提高了出光效率。 導(dǎo)熱：碳化硅襯底的導(dǎo)熱性能（碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(mK)）要比藍(lán)寶石襯底高出10倍以上。采用這種襯底制作的器件的導(dǎo)電和導(dǎo)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(duì)于藍(lán)寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實(shí)現(xiàn)其商業(yè)化還需要降低相應(yīng)的成本。第27頁(yè)/

10、共65頁(yè)第二十七頁(yè)，共66頁(yè)。4、藍(lán)寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片(xn pin)第28頁(yè)/共65頁(yè)第二十八頁(yè)，共66頁(yè)。4、三種(sn zhn)襯底的性能比較 第29頁(yè)/共65頁(yè)第二十九頁(yè)，共66頁(yè)。三、LED外延(wiyn)片的制作外延片制作技術(shù)分類(lèi)1 1、液相外延：紅色、綠色LEDLED外延片。2 2、氣相外延：黃色(hungs)(hungs)、橙色LEDLED外延片。3 3、分子束外延4 4、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積外延MOCVDMOCVD第30頁(yè)/共65頁(yè)第三十頁(yè)，共66頁(yè)。2、MOCVD設(shè)備工作(gngzu)原理載流氣體(qt)金屬(jnsh)有機(jī)反應(yīng)源 反應(yīng)腔 反應(yīng)通氣裝置真空泵阻

11、斷裝置壓力控制第31頁(yè)/共65頁(yè)第三十一頁(yè)，共66頁(yè)。2、MOCVD設(shè)備(shbi)工作原理說(shuō)明MOCVD成長(zhǎng)外延片過(guò)程載流氣體通過(guò)金屬(jnsh)有機(jī)反應(yīng)源的容器時(shí)，將反應(yīng)源的飽和蒸氣帶至反應(yīng)腔中與其它反應(yīng)氣體混合，然后在被加熱的基板上面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)促成薄膜的成長(zhǎng)。 因此是一種鍍膜技術(shù)，是鍍膜過(guò)程。第32頁(yè)/共65頁(yè)第三十二頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD方法(fngf) 影響蒸鍍層的生長(zhǎng)速率和性質(zhì)的因素： 溫度 壓力 反應(yīng)物種類(lèi) 反應(yīng)物濃度 反應(yīng)時(shí)間 襯底種類(lèi) 襯底表面性質(zhì)等 參數(shù)由MOCVD軟件計(jì)算，自動(dòng)控制完成(wn chng)，同時(shí)要實(shí)驗(yàn)修正摸索。第33頁(yè)/共65頁(yè)第三十三頁(yè)，共66頁(yè)。MO

12、CVD方法(fngf)外延片生長(zhǎng)中不可忽視的微觀動(dòng)力學(xué)問(wèn)題(wnt)反應(yīng)物擴(kuò)散到襯底表面襯底表面的化學(xué)反應(yīng)固態(tài)生長(zhǎng)物的沉積氣態(tài)產(chǎn)物的擴(kuò)散脫離第34頁(yè)/共65頁(yè)第三十四頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD方法(fngf) 反應(yīng)(fnyng)氣體在襯底的吸附 表面擴(kuò)散 化學(xué)反應(yīng)(fnyng) 固態(tài)生成物的成核和生長(zhǎng) 氣態(tài)生成物的脫附過(guò)程等 注意：反應(yīng)(fnyng)速率最慢的過(guò)程是控制反應(yīng)(fnyng)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(yè)/共65頁(yè)第三十五頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD反應(yīng)(fnyng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 進(jìn)料區(qū) 反應(yīng)室 廢氣處理(chl)系統(tǒng)第36頁(yè)/共65頁(yè)第三十六頁(yè)，共66頁(yè)。MO

13、CVD反應(yīng)系統(tǒng)(xtng)的技術(shù)要求 提供潔靜的環(huán)境。 反應(yīng)物抵達(dá)襯底之前應(yīng)充分混合，以確保外延層的成分均勻。 反應(yīng)物氣流需在襯底的上方保持穩(wěn)定的流動(dòng)，以確保外延層厚度均勻。 反應(yīng)物提供系統(tǒng)應(yīng)切換迅速，以長(zhǎng)出上下層接口(ji ku)分明的多層結(jié)構(gòu)。第37頁(yè)/共65頁(yè)第三十七頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD參數(shù)(cnsh)實(shí)例南京大學(xué)省光電信息功能材料重點(diǎn)(zhngdin)實(shí)驗(yàn)室使用第38頁(yè)/共65頁(yè)第三十八頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD參數(shù)(cnsh)實(shí)例系統(tǒng)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)為英國(guó)Thomas Swan公司制造，具有世界先進(jìn)水平的商用金屬有機(jī)源氣相外延(MOCVD)材料生長(zhǎng)系統(tǒng)，可用于制備以GaN為代表(dib

14、io)的第三代半導(dǎo)體材料。在高亮度的藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光電探測(cè)器、高效率太陽(yáng)能電池、高頻大功率電子器件領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。 第39頁(yè)/共65頁(yè)第三十九頁(yè)，共66頁(yè)。MOCVD參數(shù)(cnsh)實(shí)例 該設(shè)備承擔(dān)并完成國(guó)家“863”、國(guó)防“973”計(jì)劃(jhu)項(xiàng)目和江蘇省自然科學(xué)基金等多項(xiàng)研究任務(wù)。首次用MOCVD方法在LiAlO2襯底上實(shí)現(xiàn)非極化GaN/InGaN量子阱生長(zhǎng)和LED器件制備，成果達(dá)到同期國(guó)際水平；研制的新型半導(dǎo)體InN材料其相關(guān)技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；制備高質(zhì)量的用于紫外探測(cè)器結(jié)構(gòu)材料性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先水平。第40頁(yè)/共65頁(yè)第四十頁(yè)，共66頁(yè)。M

15、OCVD參數(shù)(cnsh)實(shí)例 設(shè)備(shbi)參數(shù)和配置： 外延片32 英寸/爐 反應(yīng)腔溫度控制：1200 壓力控制：0800Torr（ ） 激光干涉在位生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 反應(yīng)氣體：氨氣，硅烷（純度：6N=99.9999% ） 載氣：氫氣，氮?dú)猓唬兌龋?N） 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(yè)/共65頁(yè)第四十一頁(yè)，共66頁(yè)。國(guó)產(chǎn)(guchn)MOCVD設(shè)備 中國(guó)(zhn u)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所l上游(shngyu)產(chǎn)業(yè)第42頁(yè)/共65頁(yè)第四十二頁(yè)，共66頁(yè)。2、國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備(shbi)指標(biāo) 產(chǎn)品描述：

16、GaN-MOCVD設(shè)備是集精密機(jī)械、電子、物理、光學(xué)、計(jì)算機(jī)多學(xué)科為一體，是一種自動(dòng)化程度高、價(jià)格昂貴、技術(shù)集成度高的尖端電子專(zhuān)用設(shè)備，用于GaN系半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng)和藍(lán)色、綠色或紫色LED芯片的制造(zhzo)，是國(guó)家半導(dǎo)體照明（白光LED）工程實(shí)施中最為關(guān)鍵的芯片制造(zhzo)設(shè)備，也是光電子行業(yè)最有發(fā)展前景的專(zhuān)用設(shè)備。第43頁(yè)/共65頁(yè)第四十三頁(yè)，共66頁(yè)。2、國(guó)產(chǎn)(guchn)MOCVD設(shè)備指標(biāo) 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(tái)轉(zhuǎn)速：10200rpm（轉(zhuǎn)數(shù)/分）； 反應(yīng)室壓控范圍(fnwi)：； 界面友好，操

17、作簡(jiǎn)單。第44頁(yè)/共65頁(yè)第四十四頁(yè)，共66頁(yè)。2、MOCVD設(shè)備操作培訓(xùn)(pixn)與就業(yè) 2008年7月24日，中國(guó)（深圳）國(guó)際半導(dǎo)體照明展覽會(huì)期間， “MOCVD技術(shù)國(guó)際短期(dun q)培訓(xùn)班”。最新的MOCVD技術(shù)?！癎aN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(hù)” “用于產(chǎn)品監(jiān)測(cè)的光學(xué)在位測(cè)量技術(shù)發(fā)展近況”設(shè)備的操作與維護(hù)及其重要第45頁(yè)/共65頁(yè)第四十五頁(yè)，共66頁(yè)。3、重要(zhngyo)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

18、產(chǎn)的上游產(chǎn)業(yè)，在光電產(chǎn)業(yè)中扮演重要(zhngyo)的角色。 有些專(zhuān)家經(jīng)常用一個(gè)國(guó)家或地區(qū)擁有MOCVD外延爐的數(shù)量來(lái)衡量這個(gè)國(guó)家或地區(qū)的光電行業(yè)的發(fā)展規(guī)模。第46頁(yè)/共65頁(yè)第四十六頁(yè)，共66頁(yè)。四、LED對(duì)外延片的技術(shù)(jsh)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(fù)合(fh)幾率大 3、 p型n型兩種外延材料的電導(dǎo)率要高 4、外延層的完整性第47頁(yè)/共65頁(yè)第四十七頁(yè)，共66頁(yè)。1、外延材料具有適合(shh)的禁帶寬度 禁帶寬度決定發(fā)射波長(zhǎng)： =1240/Eg LED的峰值(fn zh)發(fā)射波長(zhǎng)（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(guò)調(diào)節(jié)外延

19、材料的組分調(diào)整Eg。第48頁(yè)/共65頁(yè)第四十八頁(yè)，共66頁(yè)。2、外延材料(cilio)的發(fā)光復(fù)合幾率大 LED的發(fā)光原理：pn結(jié)處的空穴(kn xu)和電子的復(fù)合發(fā)光，同時(shí)伴有熱產(chǎn)生，復(fù)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(zhǎng)。但改變組分的同時(shí)使得直接躍遷半導(dǎo)體材料變?yōu)殚g接躍遷，影響發(fā)光效率。第49頁(yè)/共65頁(yè)第四十九頁(yè)，共66頁(yè)。3、 p型n型兩種外延(wiyn)材料的電導(dǎo)率要高 影響電導(dǎo)率的因素：摻雜濃度、溫度、均勻性。 摻雜濃度：不應(yīng)小于11017/cm3 參雜溫度：MOCVD反應(yīng)(fnyng)腔溫度及材料特性 參雜均勻型：

20、MOCVD氣流平穩(wěn)、氣壓第50頁(yè)/共65頁(yè)第五十頁(yè)，共66頁(yè)。4、外延(wiyn)層的完整性 外延層的完整性：晶體的錯(cuò)位和空位(kn wi)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(yè)/共65頁(yè)第五十一頁(yè)，共66頁(yè)。5、外延(wiyn)片檢測(cè) 表面平整度 厚度(hud)的均勻性 徑向電阻分布第52頁(yè)/共65頁(yè)第五十二頁(yè)，共66頁(yè)。5、外延(wiyn)片檢測(cè)外延(wiyn)片（晶圓） 抽取九個(gè)點(diǎn)做參數(shù)測(cè)試 第53頁(yè)/共65頁(yè)第五十三頁(yè)，共66頁(yè)。5、SSP3112-W LED外延片光色(un s)電參數(shù)測(cè)試儀 杭州星譜光電科技(k

21、j)有限公司 第54頁(yè)/共65頁(yè)第五十四頁(yè)，共66頁(yè)。5、SSP3112-W LED外延片光色(un s)電參數(shù)測(cè)試儀第55頁(yè)/共65頁(yè)第五十五頁(yè)，共66頁(yè)。五、LED芯片(xn pin)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(nib)電極和外部電極。 更一般的情況，任何半導(dǎo)體器件最終都要通過(guò)電極引線與外部電路相連接。第56頁(yè)/共65頁(yè)第五十六頁(yè)，共66頁(yè)。1、歐姆接觸(jich)電阻 定義：電極金屬與半導(dǎo)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(bzh)R=U/I，因此相當(dāng)于一個(gè)阻值很小的電阻，稱(chēng)為歐姆接觸電阻。 歐姆電阻對(duì)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(yè)/共65頁(yè)第五十七頁(yè)，共66頁(yè)。2、pn結(jié)電極(dinj)的制作工藝光刻真空電子束蒸發(fā)濕法腐蝕(fsh)剝離第58頁(yè)/共65頁(yè)第五十八頁(yè)，共66頁(yè)。3、pn結(jié)電極(dinj)材料 p型電極：鎳/銅（Ni/Au）良好的透光性和電學(xué)特性。 n型電極：進(jìn)行合金化目的減小電極之間的影響(yngxin