LED芯片制造的工藝流程

1.2LED芯片制造的工(Gong)藝流程第一頁，共六十五頁。LED芯片制造的工(Gong)藝流程

屬LED上游產(chǎn)業(yè)

靠設(shè)備第二頁，共六十五頁。引(Yin)言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的制造工藝和其它半導(dǎo)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(dǎo)體設(shè)備經(jīng)過改進(jìn)可以用于LED的制造。第三頁，共六十五頁。引(Yin)言LED芯片制造工藝分三大部分外延片——按1.1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——對LED外延片做電極（P極，N極）。芯片——用激光機切割LED外延片。第四頁，共六十五頁。內(nèi)(Nei)容一、LED芯片制造設(shè)備二、LED芯片襯底材料的選用三、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五頁，共六十五頁。1、LED芯片制(Zhi)造用設(shè)備外延片的制備：MOCVD：是制作LED芯片的最重要技術(shù)。MOCVD外延爐：是制造LED最重要的設(shè)備。一臺外延爐要100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。一、LED芯片制造設(shè)備第六頁，共六十五頁。2、MOCVD設(shè)(She)備MOCVD——金屬有機物化學(xué)氣相淀積（Metal-OrganicChemicalVaporDeposition）一、LED芯片制造設(shè)備第七頁，共六十五頁。3、光刻(Ke)機一、LED芯片制造設(shè)備第八頁，共六十五頁。3、光刻(Ke)機一、LED芯片制造設(shè)備第九頁，共六十五頁。4、刻蝕(Shi)機一、LED芯片制造設(shè)備第十頁，共六十五頁。5、離(Li)子注入機一、LED芯片制造設(shè)備第十一頁，共六十五頁。6、清洗(Xi)機一、LED芯片制造設(shè)備第十二頁，共六十五頁。7、劃片(Pian)機一、LED芯片制造設(shè)備第十三頁，共六十五頁。7、劃(Hua)片機一、LED芯片制造設(shè)備同一功能有不同型號設(shè)備選擇第十四頁，共六十五頁。8、芯片分選(Xuan)機一、LED芯片制造設(shè)備第十五頁，共六十五頁。9、LED芯片的(De)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。一、LED芯片制造設(shè)備第十六頁，共六十五頁。二(Er)、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。選擇襯底依據(jù)：根據(jù)設(shè)備和LED器件的要求進(jìn)行選擇。二、LED芯片襯底材料的選用第十七頁，共六十五頁。三(San)種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。下面分別介紹三種材料的特點二、LED芯片襯底材料的選用第十八頁，共六十五頁。1、藍(lán)(Lan)寶石襯底藍(lán)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。

二、LED芯片襯底材料的選用第十九頁，共六十五頁。1、藍(lán)寶石襯(Chen)底藍(lán)寶石襯底應(yīng)用GaN基材料和器件的外延層。對應(yīng)LED：藍(lán)光（材料決定波長）二、LED芯片襯底材料的選用第二十頁，共六十五頁。1、藍(lán)寶石作為襯底(Di)的LED芯片芯片也叫晶粒二、LED芯片襯底材料的選用第二十一頁，共六十五頁。1、藍(lán)寶石作為襯底存的一些問(Wen)題（1）晶格失配和熱應(yīng)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(lán)寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011Ω·cm。二、LED芯片襯底材料的選用第二十二頁，共六十五頁。1、藍(lán)寶石作為襯底存(Cun)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(xué)性能穩(wěn)定、機械強度較高，不容易對其進(jìn)行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設(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器件的制作過程中卻需要對它進(jìn)行減薄和切割（從400nm減到100nm左右）。

二、LED芯片襯底材料的選用第二十三頁，共六十五頁。1、藍(lán)寶石作為襯底(Di)存的一些問題（4）導(dǎo)熱性能不是很好（在100℃約為25W/（m·K））。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(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。二、LED芯片襯底材料的選用第二十四頁，共六十五頁。2、硅(Gui)襯底硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)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。二、LED芯片襯底材料的選用第二十五頁，共六十五頁。2、硅(Gui)襯底應(yīng)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(lán)光LED二、LED芯片襯底材料的選用第二十六頁，共六十五頁。3、碳(Tan)化硅襯底美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底二、LED芯片襯底材料的選用第二十七頁，共六十五頁。3、碳化硅襯底特(Te)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(dǎo)出；同時這種襯底不需要電流擴(kuò)散層，因此光不會被電流擴(kuò)散層的材料吸收，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/(m·K)）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：但是相對于藍(lán)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(yīng)的成本。二、LED芯片襯底材料的選用第二十八頁，共六十五頁。4、藍(lán)寶石襯底與碳(Tan)化硅襯底的LED芯片二、LED芯片襯底材料的選用第二十九頁，共六十五頁。4、三種襯底的性能比(Bi)較二、LED芯片襯底材料的選用第三十頁，共六十五頁。三、LED外延(Yan)片的制作外延片制作技術(shù)分類1、液相外延：紅色、綠色LED外延片。2、氣相外延：黃色、橙色LED外延片。3、分子束外延4、金屬有機化學(xué)氣相沉積外延MOCVD三、LED外延片的制作第三十一頁，共六十五頁。2、MOCVD設(shè)備(Bei)工作原理載流氣體金屬有機反應(yīng)源

反應(yīng)腔一、LED芯片制造設(shè)備

反應(yīng)通氣裝置真空泵阻斷裝置壓力控制第三十二頁，共六十五頁。2、MOCVD設(shè)備工(Gong)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(yīng)源的容器時，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。因此是一種鍍膜技術(shù)，是鍍膜過程。一、LED芯片制造設(shè)備第三十三頁，共六十五頁。MOCVD方(Fang)法影響蒸鍍層的生長速率和性質(zhì)的因素：溫度壓力反應(yīng)物種類反應(yīng)物濃度反應(yīng)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。三、LED外延片的制作第三十四頁，共六十五頁。MOCVD方(Fang)法外延片生長中不可忽視的微觀動力學(xué)問題反應(yīng)物擴(kuò)散到襯底表面襯底表面的化學(xué)反應(yīng)固態(tài)生長物的沉積氣態(tài)產(chǎn)物的擴(kuò)散脫離三、LED外延片的制作第三十五頁，共六十五頁。MOCVD方(Fang)法反應(yīng)氣體在襯底的吸附表面擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)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(yīng)速率最慢的過程是控制反應(yīng)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。三、LED外延片的制作第三十六頁，共六十五頁。MOCVD反應(yīng)系(Xi)統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)料區(qū)反應(yīng)室廢氣處理系統(tǒng)三、LED外延片的制作第三十七頁，共六十五頁。MOCVD反應(yīng)(Ying)系統(tǒng)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，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，以長出上下層接口分明的多層結(jié)構(gòu)。三、LED外延片的制作第三十八頁，共六十五頁。MOCVD參數(shù)實(Shi)例南京大學(xué)省光電信息功能材料重點實驗室使用三、LED外延片的制作第三十九頁，共六十五頁。MOCVD參數(shù)實(Shi)例系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)為英國ThomasSwan公司制造，具有世界先進(jìn)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(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(yīng)用。

三、LED外延片的制作第四十頁，共六十五頁。MOCVD參數(shù)(Shu)實例

該設(shè)備承擔(dān)并完成國家“863”、國防“973”計劃項目和江蘇省自然科學(xué)基金等多項研究任務(wù)。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(dá)到同期國際水平；研制的新型半導(dǎo)體InN材料其相關(guān)技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)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(biāo)達(dá)到國際先水平。三、LED外延片的制作第四十一頁，共六十五頁。MOCVD參(Can)數(shù)實例設(shè)備參數(shù)和配置：外延片3×2英寸/爐反應(yīng)腔溫度控制：1200℃壓力控制：0～800Torr（1Torr≈133.32Pa

）激光干涉在位生長監(jiān)測系統(tǒng)反應(yīng)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)三、LED外延片的制作第四十二頁，共六十五頁。國產(chǎn)MOCVD設(shè)(She)備中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所上游產(chǎn)業(yè)一、LED芯片制造設(shè)備第四十三頁，共六十五頁。2、國產(chǎn)MOCVD設(shè)(She)備指標(biāo)產(chǎn)品描述：GaN-MOCVD設(shè)備是集精密機械、電子、物理、光學(xué)、計算機多學(xué)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(dǎo)體材料的外延生長和藍(lán)色、綠色或紫色LED芯片的制造，是國家半導(dǎo)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。一、LED芯片制造設(shè)備第四十四頁，共六十五頁。2、國產(chǎn)(Chan)MOCVD設(shè)備指標(biāo)生產(chǎn)能力：2’’（1英寸=25.4mm）基片，6片/批；基片溫度及精度：300~1200±1℃；升溫速度：10℃/s；載片臺轉(zhuǎn)速：10~200rpm（轉(zhuǎn)數(shù)/分）；反應(yīng)室壓控范圍：0.01~0.13Mpa；界面友好，操作簡單。一、LED芯片制造設(shè)備第四十五頁，共六十五頁。2、MOCVD設(shè)備操作培(Pei)訓(xùn)與就業(yè)

2008年7月24日，中國（深圳）國際半導(dǎo)體照明展覽會期間，“MOCVD技術(shù)國際短期培訓(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)測的光學(xué)在位測量技術(shù)發(fā)展近況”一、LED芯片制造設(shè)備設(shè)備的操作與維護(hù)及其重要第四十六頁，共六十五頁。3、重(Zhong)要的MOCVDMOCVD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)模。三、LED外延片的制作第四十七頁，共六十五頁。四、LED對外延片(Pian)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(fù)合幾率大3、p型n型兩種外延材料的電導(dǎo)率要高4、外延層的完整性四、LED對外延片的技術(shù)要求第四十八頁，共六十五頁。1、外延(Yan)材料具有適合的禁帶寬度禁帶寬度決定發(fā)射波長：

λ=1240/Eg

λ——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。四、LED對外延片的技術(shù)要求第四十九頁，共六十五頁。2、外延材料的發(fā)光(Guang)復(fù)合幾率大LED的發(fā)光原理：pn結(jié)處的空穴和電子的復(fù)合發(fā)光，同時伴有熱產(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。但改變組分的同時使得直接躍遷半導(dǎo)體材料變?yōu)殚g接躍遷，影響發(fā)光效率。四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十頁，共六十五頁。3、p型n型兩種外延(Yan)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1×1017/cm3參雜溫度：MOCVD反應(yīng)腔溫度及材料特性參雜均勻型：MOCVD氣流平穩(wěn)、氣壓四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十一頁，共六十五頁。4、外(Wai)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。四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十二頁，共六十五頁。5、外延片(Pian)檢測表面平整度厚度的均勻性徑向電阻分布四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十三頁，共六十五頁。5、外延片檢(Jian)測外延片（晶圓）抽取九個點做參數(shù)測試四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十四頁，共六十五頁。5、SSP3112-WLED外(Wai)延片光色電參數(shù)測試儀杭州星譜光電科技有限公司

四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十五頁，共六十五頁。5、SSP3112-WLED外延片光色電參數(shù)(Shu)測試儀四、LED對外延片的技術(shù)要求第五十六頁，共六十五頁。五、LED芯片電極(Ji)P極和N極制作1.1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(dǎo)體器件最終都要通過電極引線與外部電路相連接。五、LED芯片電極P極和N極的制作第五十七頁，共六十五頁。1、歐姆接觸(Chu)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R=U/I，因此相當(dāng)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p