LED芯片制造设备及其工艺

1、肆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,大局部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芯片制造行业急需外乡设备的成长和崛起.帮 一、上游外延片生长设备国产化现状腿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,是国际竞争最剧烈、经营风险最大的领域.在LED产业链中,外延生长

2、与芯片制造约占行 业利润的70% LEM1影占10%-20% 而LED应用大约也占10%20%蚕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那么,在我国上游外延片生长和中游芯片制造的60余家企业中,核心设备根本上为国外进口,技术开展受制于人,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、芯片的供给水平远远不能满足需要, 需 大量进口,从而大大制约了国内 LED产业的开展和盈利水平.蒙 表1LED产业链概况及关键设备介绍建产业链袁产品袅关键设备其上 游治原材料一单晶棒一 单晶片一PSS-外延 片羁单晶片、图 形化衬底PSS外延片交 MOCVDJCPU 蚀机,光刻机

3、,PECVD童中 游民金属蒸镀一光刻一 电极制作热处理、刻 蚀芯片切割一测试 分选羁LED芯片蜗ICP刻蚀机,光 刻机,蒸发台,溅 射台,激光划片 机莅下 游蚂周晶芯片粘贴一 打线焊接一树脂 封装剪角一应用产品屋灯泡、显示 屏、背光源 等肇固晶机、焊线机 等亵上游外延生长,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.蓬 此外,伴随LED外延技术的不断

4、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,具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LECft产领域的刻蚀应用专门开发了 ELEDETM330ICP蚀设备, 并已成功实现了 PSS寸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LEW备国产化起到推动和带头作用.膀 二、中游芯片制造主要设备现状唐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

5、刻机、蒸发台、溅射台、激光划片机等.薄 1.刻蚀工艺及设备蔻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 开.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 批处理水平到达每盘20片以上,机台具有更高的利用率和全自动 CassettetoCassette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限制更加严格；止匕外,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ELEDE

6、TM330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 .光刻工艺及设备菱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PSST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寸底普及,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,综合本钱较低,但由于重复性较差,还处于研发阶段.表2LED上中游

7、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 外延层由于品格失配引起的 应力,大大降低氮化物材料 中的位错密度,提升器件的 内量子效率.中游同侧电极 刻蚀对于米用绝缘衬底的LEDK 片,两个电极需要做在器件, 的同一侧.因此,这就要来 用蚀刻方法暴露出N型层以 制作N型电极.外表微结 构在芯片外表刻蚀大量尺寸为 光波长量级的小结构,以此 扩展出光回积,改变光在心 片外表处的折射方向,从而 使透光效率明显提升.I j jir'一外表粗糙 化将那些满足全反射定律的光 改义力何,继而在另一外表 或反射回原外表时不被全反 射而透过界面,并能起防反 射的

8、功能.器件隔离刻蚀 GaN AlGaN AlGalnP, 刻蚀到衬底局部.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根底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外表镀上一层或多层 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

9、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EbeamEvaporator.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®备难度较低这一情况,国内具有半导体 PVD®备开发经验的设备商,将有水平实现 LED蒸镀 台国产化.4 . PECVDC艺及设备PEC

10、VD等离子增强化学气相沉积工艺是在完成外延工艺后,在晶片外表镀上一层SiO2或SiNx,作为电极刻蚀需要的硬掩模,以增大掩模与Ga明卜延层的刻蚀选择比,获得更好的刻蚀剖面 形貌.目前LED主流使用PECVA股为采用13.56MHz的平板式PECVD& 250300c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PECVD1前仍以进口为主.LED采用PECVD 与传统PECVDT相同的技术难点,关键技术仍在于温度限制、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 PECVDS备,该设备与LED用PECVDS备有很大的相 通性,经过局部硬件改

11、良设计,比拟容易实现 LED用PECVD!产化.三、下游封装制造主要设备现状,V,、产 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 LE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.止匕外,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.1 ILED产业的蓬勃开展为LED装备带来了广阔的开展空间,为我国LED装备的跨越式开展提供了 前所未有的历史机遇,