LED芯片制造设备及其工艺介绍

LED芯片制造设备及其工艺介绍
2010-11-10 14:25:44 《半导体照明》杂志中国半导体照明网文/张玮北方微电子行业:外延芯片浏览

　　LED是技术引导型产业，特别是技术与资本密集型的芯片制造业，需要高端的工艺设备提供支撑。但与半导体投资热潮下的“瓶颈”类似，设备研发与产业膨胀仍然存在着速度匹配的问题，尤其是在高端设备领域，大部分设备仍然需要依赖进口。进口设备的价格昂贵，采购周期过长，使中国的LED芯片制造行业急需本土设备的成长和崛起。

　　一、上游外延片生长设备国产化现状

　　LED产业链通常定义为上游外延片生长、中游芯片制造和下游芯片封装测试及应用三个环节。从上游到下游行业，进入门槛逐步降低，其中LED产业链上游外延生长技术含量最高，资本投入密度最大，是国际竞争最激烈、经营风险最大的领域。在LED产业链中，外延生长与芯片制造约占行业利润的70%，LED封装约占10%～20%，而LED应用大约也占10%~20%。

　　产业链各环节使用的生产设备从技术到投资同样遵循上述原则，在我国上游外延片生长和中游芯片制造的60余家企业中，核心设备基本上为国外进口，技术发展受制于人，且技术水平尚无法与国际主流厂商相比。这就意味着我国高端LED外延片、芯片的供应能力远远不能满足需要，需大量进口，从而大大制约了国内LED产业的发展和盈利能力。

　　表1 LED产业链概况及关键设备介绍

	产业链	产品	关键设备
上游	原材料—单晶棒—单晶片—PSS—外延片	单晶片、图形化衬底PSS、外延片	MOCVD, ICP刻蚀机, 光刻机, PECVD
中游	金属蒸镀—光刻—电极制作(热处理、刻蚀)芯片切割—测试分选	LED芯片	ICP刻蚀机,光刻机,蒸发台,溅射台，激光划片机
下游	固晶（芯片粘贴）—打线（焊接）—树脂封装剪角—应用产品	灯泡、显示屏、背光源等	固晶机、焊线机等

　　上游外延生长，由于外延膜层决定了最终LED光源的性能与质量，是LED生产流程的核心，用于外延片生长的MOCVD也因其技术难度高、工艺复杂成为近年来最受瞩目，全球市场垄断最严重的设备。因此，该设备的国产化受到了国内产业界的热捧，一些企业和研究机构也启动了MOCVD的研发，但何时能实现产业应用还是个未知数。

　　此外，伴随LED外延技术的不断创新，特别是蓝宝石衬底(PPS)加工技术的广泛应用，蓝宝石衬底刻蚀设备也逐渐成为LED外延片制造技术核心关键工艺设备之一，其工艺水平直接影响到成膜性能，越来越受到产业界的关注。作为国内半导体装备业的新星，北方微电子借助多年从事半导体、太阳能高端设备制造的技术优势，为LED生产领域的刻蚀应用专门开发了ELEDETM330ICP刻蚀设备，并已成功实现了PSS衬底刻蚀在大生产线上的应用，这可以称得上是LED生产设备国产化领域的突破，势必对LED设备国产化起到推动和带头作用。

　　二、中游芯片制造主要设备现状

　　中游芯片制造用于根据LED的性能需求进行器件结构和工艺设计。主要设备主要包括刻蚀机、光刻机、蒸发台、溅射台、激光划片机等。

　　1．刻蚀工艺及设备

　　刻蚀工艺在中游芯片制造领域有着广泛的应用（见表2），而随着图形化衬底工艺被越来越多的LED企业认可，对图形化衬底的刻蚀需求也使ICP刻蚀机在整个LED产业链中的比重大幅度提升。更大产能、更高性能的ICP刻蚀机成为LED主流企业的需求目标，在产能方面要求刻蚀机的单批处理能力达到每盘20片以上，机台具有更高的利用率和全自动Cassette to Cassette的生产流程；由于单批处理数量增大，片间和批次间的均匀性控制更加严格；此外，更长的维护周期和便捷的人机交互操作界面也是面向大生产线设备必备的条件。而北方微电子所开发的ELEDETM330刻蚀机，集成了多项先进技术，用半导体刻蚀工艺更为精准的设计要求来实现LED领域更高性能的刻蚀工艺，完全满足大生产线对干法刻蚀工艺的上述要求。

　　2.光刻工艺及设备

　　光刻工艺是指在晶片上涂布光阻溶液，经曝光后在晶片上形成一定图案的工艺。LED芯片生产中通过光刻来实现在PSS工艺中形成刻蚀所需特定图案掩模以及在芯片制造中制备电极。LED光刻工艺主要采用投影式光刻、接触式光刻和纳米压印三种技术。接触式光刻由于价格低，是目前应用主流，但随着PSS衬底普及，图形尺寸精细化，投影式光刻逐渐成为主流。纳米压印由于不需光阻，工艺简单，综合成本较低，但由于重复性较差，还处于研发阶段。

　　表2 LED上中游刻蚀设备的应用

刻蚀工艺应用	刻蚀工艺分类	说明
上游	图形化衬底	缓解异质外延生长中氮化物外延层由于晶格失配引起的应力，大大降低氮化物材料中的位错密度，提高器件的内量子效率。
中游	同侧电极刻蚀	对于采用绝缘衬底的LED芯片，两个电极需要做在器件的同一侧。因此，这就要采用蚀刻方法暴露出N型层以制作N型电极。
	表面微结构	在芯片表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构，以此扩展出光面积，改变光在芯片表面处的折射方向，从而使透光效率明显提高。
	表面粗糙化	将那些满足全反射定律的光改变方向，继而在另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面，并能起防反射的功能。
	器件隔离	刻蚀GaN，AlGaN，AlGaInP，刻蚀到衬底部分。将整张芯片划分成LED芯粒。

　　国内LED生产用接触式光刻机主要依赖进口，投影式光刻机多为二手半导体光刻机翻新。而鉴于国内光刻设备生产企业的技术基础和在翻新业务中取得的经验积累，相信假以时日开发出国产的LED光刻设备的前景一片光明。纳米压印是通过模版热压的技术制备纳米级图形，在美国、台湾等均有较深入的研究，工业化应用还不成熟，但仍存在较大的应用潜力。

　　3．蒸镀工艺及设备

　　蒸镀工艺是指在晶片表面镀上一层或多层ITO透明电极和Cr、Ni、Pt、Au等金属，一般将晶片置于高温真空下，将熔化的金属蒸着在晶片上。LED芯片生产中采用蒸镀工艺在晶片上焊接电极并通过蒸镀金属加大晶片的电流导电面积。

　　蒸镀台按能量来源主要分为热蒸镀台和电子束蒸镀台，鉴于作为电极的金属熔点高，金属附着力要求较高，LED行业普遍使用电子束蒸镀机（Ebeam Evaporator）。目前国内LED生产用蒸镀台目前仍以进口为主。国内虽然已掌握蒸镀台原理，并能自行制造实验室用蒸镀台，但由于自动化程度、工艺重复性、均匀性等问题，没有进入大生产线使用。鉴于LED电极沉积用蒸镀台相比半导体PVD设备难度较低这一情况，国内具有半导体PVD设备开发经验的设备商，将有能力实现LED蒸镀台国产化。

　　4．PECVD工艺及设备

　　PECVD（等离子增强化学气相沉积）工艺是在完成外延工艺后，在晶片表面镀上一层SiO2或SiNx，作为电极刻蚀需要的硬掩模，以增大掩模与GaN外延层的刻蚀选择比，获得更好的刻蚀剖面形貌。

　　目前LED主流使用PECVD一般为采用13.56MHz的平板式PECVD，在250~300℃左右温度进行成膜，一次成膜可达40多片（2寸衬底），国内LED生产用PECVD目前仍以进口为主。LED采用PECVD与传统PECVD有相同的技术难点，关键技术仍在于温度控制、等离子体技术、真空系统、软件系统等。国内已经开发成功晶硅太阳能电池用平板PECVD设备，该设备与LED用PECVD设备有很大的相通性，经过局部硬件改进设计，比较容易实现LED用PECVD国产化。

　　三、下游封装制造主要设备现状

　　产业链下游为封装测试以及应用，是指将外引线连接到中游生产的LED芯片电极上，形成LED器件，再将这些器件应用于制造LED大型显示屏、LED背光源等最终产品的过程。在这一环节中使用的生产设备相对简单，并具备一定电子行业通用性，如固晶机、焊线机等。

　　此外，在各个产业链中，还要使用到多种膜层性能、参数的检测设备，如X射线衍射、光致发光谱仪、霍尔效应检测仪、椭偏仪、透射电镜、扫描电镜、电阻测试仪等，但这些检测设备大多数为电子行业通用设备，国内外生产应用已非常成熟。

　　LED产业的蓬勃发展为LED装备带来了广阔的发展空间，为我国LED装备的跨越式发展提供了前所未有的历史机遇，随着高亮度LED芯片市场需求的不断攀升，作为其技术支撑的设备行业将会获得越来越多的发展空间。鉴于国内LED设备企业已经取得的成绩和具备的技术基础，我们有理由相信，国产设备供应商通过不断提升自身的技术实力和服务意识，一定能够早日实现与国外设备厂商的同台竞技，并利用自身的价格、地域及服务优势，在LED以及更广阔的微电子设备行业，牢牢的站稳脚跟。（全文请查看《半导体照明》杂志2010年总第8期编辑：maysoong）

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