2011CB013100-G高性能LED制造与装备中的关键基础问题研究_修正版

1、修正版项目名称:高性能LED制造与装备中的关键基础问题研究首席科学家:刘岩深圳清华大学研究院起止年限:2011.11-2016.8依托部门:深圳市科技工贸和信息华委员会一、关键科学问题及研究内容本项目以高光效、高可靠性、大功率、低成本LED制造和装备所面临的五个 关键技术挑战为突破口，围绕以下三个重要科学问题展开研究， 突破LED产业链 上、中、下游关键制造环节中的瓶颈。科学问题一 大尺寸LED晶圆制造中影响光效、光衰的主要缺陷形成机理 及抑制。随着LED芯片制造向大尺寸衬底晶圆、低缺陷密度、高光效方向发展，对衬 底平坦化、外延生长、芯片制造技术及相关装备提出了一系列挑战。例如，大尺 寸晶圆衬

2、底表面必须高质量平坦化， 否则其缺陷将延伸到外延层，直接影响外延 层的质量。另外，由于晶圆尺寸增大，导致衬底制备和外延生长中晶圆翘曲，缺 陷更加严重，导致量子效率下降。这些缺陷会直接影响光效、光衰。如何抑制缺 陷、提高量子效率是大功率LED制造的关键问题。其中的技术难点包括：大尺寸 同质衬底生成过程中的缺陷控制，MOCVD外延中的缺陷抑制和量子效率调控， 超硬衬底材料表面原子级平坦化中的缺陷控制。需要解决的科学问题具体内涵包括：非均匀场和微扰动对衬底和外延层生长 动力学过程的影响规律及与缺陷产生的关系，和难加工衬底材料原子级平坦化中 的界面行为及缺陷控制原理。需要研究用于大尺寸GaN同质衬底制

3、备的HVPE反应 腔和用于大尺寸晶圆外延的MOCVD反应腔的设计方法，以实现反应腔内气体的 均匀扩散和混合，温度场的均匀控制，保持层流和均匀的化学反应速率， 晶体生 长过程中不同沉积速率与反应物质流量控制的精确匹配，以满足外延生长中的波长一致性（偏差w± 5nm）、厚度和组分均匀性（偏差W 5%）等要求；研究超 硬难加工衬底材料表面原子级平坦化（表面粗糙度 RavO.1 nm）和高效去除（去 除速率大于6卩m/h ）方法，解决衬底材料的平坦化难题。针对这些难点，设置三方面研究内容：1）大尺寸同质衬底生成及缺陷控制原理与装备实现建立适用于HVP快速生长非平衡态体系的热力学过程和动力学生

4、长模型， 考虑化学反应及反应副产物等动力学因素，并利用此模型对外延膜表面的形核、 长大及聚结进行深入分析；在反应腔尺寸放大条件下，进行流场温度场均匀性设 计，实现GaN厚膜厚度均匀性和晶体质量均匀性控制；研究自支撑 GaN厚膜HVPE 的生长动力学特性，探索晶格失配、热失配、形核与聚结等对厚膜应力生成和积 聚的影响规律，寻找降低或阻断应力和缺陷生成的方法，建立三维应力模型；为解决晶体生长过程中不同沉积速率与反应腔喷头、流量控制精度的匹配，减少多 工作点不匹配造成的缺陷增多问题，构建由高温工艺腔联接的多腔分步反应腔系 统，以高效率批量获得高质量GaN寸底。拟研究以下五部分内容：(1)(3)(4)

5、(5)HVP生长非平衡态体系的动力学生长模型及三维应力模型； 反应腔尺寸放大条件下的均匀流场温度场设计； GaN厚膜厚度均匀性和晶体质量均匀性控制理论； 应力和缺陷生成机理及其降低或阻断的方法； 多腔分步HVP原理、装置及工艺实现。2）超硬衬底低缺陷、高效去除平坦化新原理与装备实现目前，为了提高LED发光效率，降低成本，对蓝宝石、SiC及GaN等 LED寸底材 料表面平整度、粗糙度以及材料去除速率等提出了更高的要求，其中对表面粗糙基于接触催化原理的高效平坦化方法； 超硬难加工衬底材料的原子尺度去除机制； 平坦化中界面行为与损伤控制；基于催化原理的平坦化原理装置及工艺实现; 探索GaN寸底制备中

6、的表面平坦化原理。度的要求更是接近了物理极限值，对难加工衬底材料表面平坦化提出挑战。针对 LED寸底晶圆平坦化，引入极小纳米粒子与接触催化原理相结合的思路，通过探 索平坦化中晶圆表面材料的接触催化行为、 材料去除机制与平坦化原理，实现难 加工材料快速去除和高效平坦化； 同时，通过探索极小纳米粒子行为、粒子粒度 变化过程中材料去除机制的演变规律、 平坦化过程中原子级去除机制，降低微缺 陷，实现近极限光滑表面制造。拟研究以下五部分内容：（1）（2）（3）（4）（5）3）MOCVD新型反应腔设计、LED缺陷抑制和量子效率调控针对220 Im/W发光效率、6吋及以上外延晶圆的跨尺度（宏微纳亚纳 米）制

7、造技术和MOCVD核心装备，探索多场（流场、温度场、化学场、浓度场 等）耦合下反应腔的几何构造和气体输运方式与工艺参数的关系，以解决外延生长中膜厚和组分均匀性、波长一致性和生长可重复性难题，探索出大尺寸多片晶 圆MOCVC反应腔设计新原理。揭示大尺寸晶圆外延生长中缺陷形成与抑制机理， 建立外延生长缺陷与LED内量子效率的本构关系及芯片制造中的缺陷（如晶圆剥 离损伤、裂纹、翘曲、键合界面的空洞等）与LED出光效率的本构关系，并解决自 生长微纳结构透明电极制造与芯片阈值电压控制等难题，实现大尺寸LEE外延片大尺寸MOCVD反应腔设计仿真与实现；大尺寸晶圆外延生长中的缺陷演变机理及控制；LED发光复

8、合机制与量子效率调控； 晶圆片剥离/键合界面制造工艺与损伤控制； 表面微纳结构透明薄膜电极制造和运用表面粗化以提高出光效率。和高效大功率LED芯片制备。主要研究内容：（1）（2）（3）（4）（5）科学问题二超快响应执行系统多参数耦合机制及精确控制随着LED寸装向咼效、咼品质、咼良率方向发展，基于咼速轻柔接触的引线 键合和喷射粉胶光介质的点胶将成为220 Im/W及以上白光LED器件封装的主流趋 势之一。针对大功率LED器件对光效提升和封装成本控制的双重要求，LED芯片尺 寸将增加到2X2mrn以上，对应的封装尺寸增加到5X5mm2以上，荧光粉胶层厚 度小于70 um,透明电极厚度降低到300n

9、m以下，胶滴尺寸和一致性要求将进一 步提高，键合力窗口进一步缩小，这对现有的喷射点胶方法和引线键合技术提出 了一系列挑战。相应的技术难点是：喷射点胶喷针如何在瞬时短行程内克服超大 粘性阻力（1.5-6Pa.S和表面张力的影响，以大于80g的超高加速度运动，实现 纳升级（50纳升）微滴喷出，并且点胶速度达到8点/秒？如何设计与优化轻柔机 构的构型与结构并实现短行程高速运动下的柔性接触精准控制，使加速度达到15g以上，接触力10克 ?如何综合考虑机构变形、芯片厚度等不确定因素影响的 运动控制平滑切换？需要解决的科学问题具体内涵为：高粘性流体的微滴形成机理；喷针高加 速度运动下的胶体剪切稀化效应；高

10、加速度复合运动下的轻柔键合机理以及执行 系统的多参数耦合设计原理。针对上述问题，主要研究：封装装备执行系统的多参数耦合设计及高加速度复合运动生成喷针高加速度运动（80g）是实现高粘度（5Pa.S荧光粉硅胶喷射的关键, 受到驱动系统机电特性、功能材料非线性滞回特性、喷针与运动放大机构机械特 性，以及它们之间的延迟、误差串联放大影响，且各种影响因素之间存在静态与 动态的关联耦合；此外，在高速运动条件下对硬脆 LED旱盘及电极层进行引线键 合，对键合设计及其轻柔接触力控制提出了新挑战。为满足高粘度粉胶大面积高一致涂覆和高速轻柔键合的特殊要求，需要建立与分析复杂能场耦合作用下的喷 针运动动力学模型，探

11、索热、摩擦、变形、荧光粉硅胶阻尼等各种因素对喷针运 动及键合过程的非线性影响机理，设计基于功能材料的新型驱动系统及控制器； 研究机构几何、结构和控制参数的综合优化与精确控制方法，实现核心系统的高 加速度复合运动生成。主要研究内容如下：(1)(2)(3)(4)(5)粉胶两相光介质流变特性和纳升级微滴形成机制； 喷针超高加速度驱动新原理及新系统； 高速喷胶阀的多场耦合设计与高速喷胶工艺研究； 高速轻柔键合机构构型与综合优化设计理论； 高速键合过程力位切换与柔性接触精确控制。科学问题三 LED器件热流控制机制与可靠性制约因素耦合规律LED勺理想预期寿命超过10万小时，但目前其实际寿命与之相距甚远，主

12、要 在于制造过程中制约寿命的因素复杂，且存在使用环境中众多因素的复合影响， 而正常应力下的寿命试验耗时过长，很难对它的寿命和可靠性及时做出客观评 价；同时直接影响大功率LED器件光效和寿命的重要因素是控制结温和有效散热。 其中的技术难点是：高效的热流输运系统跨尺度集成设计与制造，建立复合过应力加速寿命试验方法。 需要解决的科学问题具体为：基于微纳结构的微流控热 流输运机制，多因素复合过应力耦合规律及其对LED失效的关联机制。针对上述 难点，设置以下研究内容：1）跨尺度热输运系统集成制造及LED精简热模型LED散热系统采用跨尺度集成制造，热量在热管中的传输特性、液体在具有 表面纳米结构环境中的流

13、动规律、气体凝结特性等会由于器件中的关键结构进入 微米甚至纳米尺度后显现出与常规热管不同，这对 LED器件的散热有重要影响。 研究中将结合表面能分析，建立微热管热量输运模型，依据气液两相流原理研究 微热管管壁表面能与工质循环流动特性的关系；研究微热管表面制造微纳结构前 后，工质与壁面的接触角和亲/疏水性的变化规律；研究热量在微流场特定的微 纳尺度效应和气液两相流影响下的输运规律。研究表面微纳结构对热管工质的毛细牵引力的影响规律，获得基于热力学 优化和拓扑优化的导热通道网络优化设计方法；融合微纳制造和表面改性等技 术，建立跨尺度热输运系统与基板的集成制造工艺，为大功率LED器件的制造提供理论与技

14、术支撑。针对大功率LED器件封装热阻小于6C/W,稳定后的结温温升小于20r等挑 战，研究LED封装的热阻计算体系，建立LE封装和应用的精简热模型(CTM), 获得系统热阻值的解析解和评价LED封装产品热性能的方法，提出基于蒸汽腔的 均热基板方法，解决局部温度场梯度过陡的问题。精简热模型(CTM的优点在于在选定节点(如结合面、外壳、顶部、底部和焊点)上精确预测封装的温度，比 详细模型的计算效率更高。研究内容如下：(1) 据；(2)(3)(4)建立从芯片至环境的传热/散热模型，形成封装结构热特性的评价依 温度梯度剧烈变化形成机制与抑制措施; 提高热量输运效率的微热管设计与制造; 跨尺度热输运系统

15、与基板的集成制造。2) LED复合过应力加速寿命试验方法及可靠性制约因素耦合规律 针对常规应力下的寿命试验及测试方法很难对器件的寿命和可靠性及时做 出客观评价的状况，通过建立基于多因素(电流、温度、湿度、振动、高低温冲 击等)复合过应力加速寿命试验方法，建立相应的试验测试系统，开展 LED器件加 速寿命试验研究，结合非线性建模仿真，建立LED器件可靠性快速准确评估方法； 揭示制造过程(工艺)多参数与LED器件可靠性的关联机制，建立动态环境(温 度、湿度等)下的应力应变、光学、热学、电学特性的数据库系统，为大功率LED 器件的高品质制造提供优化的加速寿命试验和测试方法、仪器装备及基础数据。 可靠

16、性实现6000小时室温下额定电流光衰W 3.5%。研究内容如下：(1) LED器件复合过应力加速寿命试验方法；(2) LED器件多参数复合过应力加速寿命试验及测试系统；(3) 多因素耦合作用制约可靠性机制；(4) 关键制造过程与LED器件可靠性的关联机制；(5) LED器件可靠性快速准确评估方法。二、预期目标1总体目标面向220 Im/W的高性能高可靠的LED制造，揭示LED发光效率、可靠性与制造 缺陷及制造因素的关联规律，建立新原理装备、新方法，突破关键技术瓶颈，造 就一批从事该领域前沿科学研究的高科技人才，奠定支撑新一代LED制造技术和产业发展的理论和技术基础，为我国在 LED制造装备领域

17、实现跨越式发展，成为 国际LED制造的主要生产和创新中心提供支撑。2、五年预期目标第一方面：理论研究通过研究，建立面向发光效率220 Im/W及以上的LED制造工艺与装备理论体 系，争取在以下方面取得突破性进展：(1) 融合Gah反应生长动力学、缺陷动力学和热力学基本规律， 建立反应腔 结构与能场的设计与控制理论；(2) 揭示大尺寸衬底晶圆中缺陷形成、演化、分布规律，提出衬底中缺陷 的精确控制方法；揭示大尺寸超硬衬底晶圆平坦化中微缺陷形成机制，提出原子 级光滑表面高效制造的精确控制方法；揭示大尺寸GaN衬底和外延生长中缺陷控 制机理及量子效率调控机制，提出制造大尺寸多片LED晶圆的HVPE M

18、OCVD反应 腔设计理论；提出多腔分步HVPE系统结构。(3) 揭示LED寸装中喷射点胶与引线键合的多场耦合作用规律、 粉胶两相光介 质微滴形成机制和高速复合运动切换下轻柔键合机理，提出超快( < 0.8ms)响 应执行系统精确控制方法。(4) 揭示LED散热系统中微热管表面微纳结构对工质毛细牵引力的影响规律和微流控热输运机理，提出跨尺度热输运系统与基板集成的设计与制造方法；建立LED寸装和应用的精简热模型(CTM),获得系统热阻值的解析解。(5) 建立复合过应力加速寿命试验方法及试验系统；揭示主要复合参数与 LED 器件失效的机理和耦合关系，以及与关键制造过程的关联机制；提出复合因素L

19、ED 器件可靠性评估方法。第二方面：技术成果通过本项目研究，在下列若干关键技术上取得有自主知识产权的创新成果， 建立我国高性能LED制造工艺与装备关键技术平台。(1) 研制出多片(11片)、适用于量产的高平均生长速率HVPE原理装置，实现 GaN同质衬底位错密度<5X l0/cm2;(2) 研制出大尺寸(吋)MOCVD原理装置;(3) 研发出超硬材料高效去除(去除速率大于 6m/h )、原子级光滑表面平坦化 技术及原理装置；（4）研制出高速喷射点胶原理装置，实现硅胶与硅胶类粉胶两相光介质最小微滴体积50纳升、喷射速度8 /秒；（5）研制出高速轻柔键合原型机，实现高加速度（15g）、微接触

20、力（10克） 的柔性键合；（6）研制出多因素（电流、温度、湿度、振动、高低温冲击等）加载的复合过 应力加速寿命试验系统原型机；（7）形成微热管和微流控热量输运系统跨尺度集成制造工艺，实现封装热阻小 于6 C /W，稳定后的结温温升小于20C；通过完成以上指标，为我国高性能LE肢心制造装备与技术，提供可以工业 应用的原型。为光效220 Im/W,可靠性达到6000小时光衰W 3.5%的大功率白光 LED器件制造提供支撑。本项目研究过程中，在学术权威刊物上发表高质量论文 150篇以上，专著1 部以上，申请专利或软件著作权登记100件以上。培养一批在LED制造领域学术 思想活跃、创新能力突出、高水平

21、研究人才队伍，包括博士后、博士和硕士100名以上。三、研究方案1学术思路本项目的整体学术思路分为四个层次：1）将高光效、高可靠的LED制造的核心问题归结为低缺陷制造， 必须从基础问题入手解决低缺陷制造难题，所面临的科学挑战是：LED晶圆制造中缺陷形成机理以及与内外量子效率和光衰的关系规律，LED失效机理、缺陷演化规律及 其与制造因素的关联性。针对LED制造和装备瓶颈，将面临5个方面的技术挑战： 超低缺陷密度晶圆制造；超硬、难加工材料的原子级光滑表面实现； 纳升 级高粘性流体高速运动精确控制；跨尺度微热管制造及低热阻封装；多因素 复合过应力作用下的LED加速寿命试验方法。2）在此基础上集中解决3

22、个关键科学问题：大尺寸LED晶圆制造中影响光 效、光衰的主要缺陷形成机理及抑制；超快响应执行系统多参数耦合机制及精 确控制；LED器件热流控制机制与可靠性制约因素耦合规律。3）基于多学科交叉，运用先进理论方法和实验技术探索LED制造与装备新原 理，丰富和完善LEDg备制造的理论体系。4） 研发具有自主知识产权的关键技术和原理装置，突破面向 220 Im/W的高 性能高可靠LED制造瓶颈。、【/.整个学术思路体现为科学问题与关键技术紧密结合，以提高品质、规避缺陷为目标，研究影响光效、光衰的主要缺陷形成、演化机理以及与器件性能、可靠 性和制造设备的关系，实现缺陷抑制，突出低成本可制造性。2技术路线

23、（1）目前MOCVD备只从反应气体流动和传热角度， 仅考虑Gar生长的热力学要 求，没有综合考虑GaN生长动力学和缺陷动力学的条件，难以维持稳定均匀的生 长，导致缺陷。缺陷主要是生长速率不均所致。实验发现，在上千度高温腔内， 各点温度相差5C，缺陷密度可相差10-100倍。而温度场、流场、压力场等与生 长速率耦合相关，这些场都是非线性时空系统。因此，要建立GaN生长速率与能量场之间的动态关联以及能量场与控制参数、运行参数之间的动态关联，建立考 虑反应生长动力学及缺陷动力学的能量场控制模型，优化反应腔结构参数，精确调控运行变量，实现均匀生长，降低缺陷。通过时空分离方法，进行多目标结构 设计和多变

24、量控制，产生稳定生长所需要的均匀场，实现缺陷密度小于5 X 106/cm2的目标。反应腔（MOCVDHVPE的优化设计和控制示意如下：生长速率1'温度场T时空分离方法（非线性时空系统）时空解耦模型数据补偿实验有限元仿真实时反馈辅助设计及修正多目标结构设计多变量控制HVPEfMOCVD勺工艺联接。多腔分步HVPE系统女口(2) 构建多腔分步HVPE系统。为提高综合效率，采用多腔分步 HVP系统的技 术路线，即将原本在同一腔中实现20-800m/h沉积速率的不同步骤分解到多个不 同沉积速率反应腔中，并以高温工艺腔相联接，解决晶体生长过程中不同沉积速 率与反应腔喷头、流量控制精度等匹配问题，

25、以高效率批量获得高质量GaN寸底。 其中高温工艺腔还可用于未来 下图所示：反应腔2反应腔1工作点(3) 以接触催化与极小纳米粒子相结合的方法实现超硬材料的原子级光滑表面 高效平坦化。将催化原理引入到超硬材料的化学机械平坦化中，利用接触区催化 剂对化学反应的促进作用，提高材料的去除速率；在平坦化中引入极小纳米粒子， 从而实现材料的原子级去除，同时减小平坦化过程中超硬材料界面的损伤和缺陷。针对多腔分步HVP系统方案，探索实现GaN膜表面平坦化的方法。(4) 通过异质界面纳米薄层插入、周期性掺杂等手段，抑制外延生长缺陷和实 现量子效率调控。利用多波长测温以实现温度的精确测量和智能控制，利用原位 的光

26、学光谱来测量反应剂气流分配状况，通过建立智能反馈系统以精确调节反应 剂气流分配，实现均匀生长。(5) 导致GaN基 LEE外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延层和空气的反射系数差异较大导致的全反射问题。GaN和空气的反射系数分别是 2.5和1，在InGaN-GaN活性区产生的光能够传播出去的临界角约为 23 ° 。这大 大限制了 GaN基发光二极管的外量子效率。若无其他出光结构，则从有源区发 射的光子只有不到1/6可由LED芯片上表面出射。拟定量分析表面微纳结构的形 状和尺寸对表面出光效率的影响，通过建模仿真和实际芯片制造相结合优化芯片 的几何形状，改善器件侧壁出光效率；研究

27、新型 LED电极(ZnO石墨稀)的生 长机制，获得形成表面特征微结构方法， 以降低缺陷、优化制造工序和降低大规 模制造成本；提高出光效率的微结构设计还适用于器件的二次光学设计的表面粗 化，以提高LED的光效。(6) 运用功能材料驱动，实现高粘度光介质纳升级微滴喷出；运用轻柔机构和 集成控制方法，实现高速轻柔键合。基于流体动力学和高速摄像方法，建立高粘 度微滴形成模型，优化流道和温度场等参数，运用功能材料及放大机构驱动喷针 超高加速运动，实现纳升级微滴喷出；研究轻柔并联机构的构型和综合优化方法， 建立高加速复合运动过程运动切换的动态模型，实现高速柔性微力控制。（7）建立LED精简热模型（CTM，

28、实现跨尺度热输运系统与基板的集成制造。 依据导热微分方程，结合LED封装界面特性，建立LED封装和应用的精简热模型（CTM，获得系统热阻值的解析解并形成热性能评价方法；基于蒸汽腔均热基板方法以抑制局部温度场梯度过陡；研究基于表面微纳结构的微热管高效传热机理 和微流控热量输运机制，形成面向热输运的微流控器件设计方法， 实现跨尺度热 输运系统与基板的集成制造技术。集成热板的工艺充分考虑可批量制造性。（8）基于多因素复合过应力加速寿命试验建立可靠性快速准确评估方法。分析 LED器件失效方式和影响工艺，探索其失效机制；建立基于多因素（电流、温度、 湿度、振动、高低温冲击等）复合过应力加速寿命试验方法的

29、LED器件加速寿命测试系统，结合非线性建模仿真，建立 LED器件可靠性快速准确评估方法。揭示 制造过程（工艺）多参数与LED器件可靠性的关联机制，揭示部件失效对整体失 效的关联关系。3重大突破的可行性本项目研究旨在突破制约LED照明取代传统照明的制造瓶颈，面向未来 LED 制造的技术路线，发展先进LED制造新原理与新方法，并建立LED制造装备的新理 论。实现重大突破在项目研究的技术路线上是可行的。在衬底制造方面，采用 可控多组分气流输运方法、多腔分步 HVPE系统和基于接触催化等原理，实现晶 圆表面的层流和同质外延衬底极低缺陷生长；在LEE外延和芯片制造方面，揭示外延生长中表面、异质界面质量输

30、运行为和应变、 应力及缺陷演变规律，并获得 自生长电极表面微结构，提高LED光效；在封装核心执行系统等方面，通过柔性 并联机构的设计与控制集成实现高速轻柔键合，通过新型功能材料实现高粘度两 相介质的微滴喷射；在热管理和可靠性方面，通过建立LE封装和应用精简热模型（CTM）获得系统热阻值的解析解并形成热性能评价工具，通过表面微纳结构 和微流控输运，基于热输运系统与基板的集成制造， 实现高热流密度散热；通过 建立多因素复合过应力加速试验方法和相应的加速可靠性测试系统，结合非线性建模仿真，建立LED器件可靠性快速准确评估方法。以上路线均有科学依据和实 践基础。为面向220 Im/W及以上大功率白光L

31、ED器件的制造提供支撑的目标是可 行的。目前国内水平为110 Im/W，本项目使用同质衬底及外延新工艺可提高光效 3540%,透明电极可提高光效1015%,封装及表面粗化可提高光效2530%,散 热等可提高光效1316%总预计可提升光效110%-143%实现重大突破在团队的能力上是可行的。 研究团队成员单位已在该领域具备 坚实的研究基础和相应的关键实验手段，并与LED产业界建立了密切的合作关系， 前期研究基础雄厚，积累丰富。如深圳清华大学研究院、清华大学已经实现了 2 吋蓝宝石衬底晶圆的平坦化实用技术，并有多项实验测试设备成果；北京大学已 实现三片HVPE羊机；华中科技大学已制造出具有知识产权

32、的 MOCVD羊机；上海 大学实现了 GZO与GaN基LED勺器件集成制造；中南大学已经设计、制造了电磁驱 动的喷胶阀，初步实现了 1Pa.S胶体6点/秒的高速喷射；大连理工大学在微纳结构 集成制造、微纳流控技术等方面取得了丰富的成果；广东工业大学自主研发了用 于LE封装的热超声引线键合机。这些进展为本项目的完成奠定了坚实的基础。以上分析表明，本项目通过制造和设备方面创新性研究，探索出大尺寸LED晶圆制造中缺陷形成机理并实现缺陷的有效抑制，突破超快响应执行系统多参数 耦合机制及精确控制，揭示LED可靠性制约因素耦合规律与器件热流控制机制， 并研制多腔分步HVP系统、大尺寸多片MOCVD反应腔以

33、及复合过应力加速寿命 试验和测试系统是完全可能的。4创新点1将HVP与MOCVD优势相结合，提出多腔分步生长工艺原理，提高同质衬 底的制造品质和效率；2、融合Gar反应生长动力学、缺陷动力学和热力学的基本规律，通过时空分 离方法，实现结构与能场的多目标优化设计与控制；3、建立接触催化的高效原子级平坦化新方法；4、构建功能材料驱动的快速响应机构，实现高粘度纳升级微滴喷射；5、建立复合过应力加速寿命试验方法。5课题设置课题1 :大尺寸同质衬底生成及缺陷控制原理与装备实现研究目标：研究非平衡快速生长动力学过程，建立大尺寸多片反应腔结构中的 多场耦合模型，实现11片系统低应力和低位错密度的 GaN自支

34、撑衬底的实用化 HVPE制备，并为更大尺寸反应腔设计提供理论基础；晶圆厚度偏差<± 5%位错密度<5X 106 /cm2；探索由高温工艺腔联接的多腔分步 HVPEM理及实现方法。研究内容：研究 抑制 研究(1) HVP吐长非平衡态体系的动力学生长模型及三维应力模型运用分子动力学分析方法，建立以温度场和流场为主的晶体生长模型， 压力及浓度对生长模型的影响，从动力学角度研究缺陷的产生和演化机理， 缺陷的产生与演化；建立三维应力模型，揭示缺陷与应力之间的相互关系。 HVP低成本制备复合衬底(GaN/蓝宝石)方法，探索广义同质外延。(2) 大尺寸反应腔流场与温度场均匀性设计研究反

35、应腔尺寸对温度场的影响，采用逐步优化的方法，实现温场的均匀性 控制；在此基础上进一步优化反应腔喷头设计，实现大尺寸流场的均匀性控制， 提出大尺寸反应腔的设计及优化方法。(3) GaN厚膜厚度均匀性和晶体质量均匀性控制研究特定温度和压力条件下，反应物浓度、流量和配比对生长区域化学反应 速率分布的影响；控制喷头附近反应物浓度的分布，抑制预反应及副反应的产生， 揭示生长工艺参数与晶体质量的内在关系， 实现GaN高速均匀生长及晶体质量的 均匀性控制。(4) 降低或阻断应力和缺陷生成的方法通过插入应力缺陷调节层，探索降低或阻断应力和缺陷生成的方法；研究插 入调节层后缺陷产生和演化机理，实现降低应力和减少

36、缺陷的目标。(5) 多腔分步HVPBS理装置及工艺实现利用由高温工艺腔联接的多个不同沉积速率反应腔系统设计，使晶体生长过 程中不同沉积速率与反应腔喷头、 流量控制精度相匹配，以实现低缺陷密度控制并批量获得高质量GaN寸底。结合反应腔的设计，研究适用于大尺寸高速生长的 新型反应源及配套大容量长周期使用的尾气处理控制技术，突破反应源容量和尾气管路封堵对单次生长厚度的限制，实现大尺寸厚膜的生长工艺。18%北京大学、深圳清华大学研究院 童玉珍段慧玲、敬刚、刘鹏、王德保经费比例： 承担单位： 课题负责人： 学术骨干： 课题2 :超硬衬底低缺陷、高效去除平坦化新原理与装备实现研究目标：根据LED芯片制造对

37、衬底晶圆高效率平坦化和近极限光滑表面质量 的极高要求，以及晶圆材料（蓝宝石、碳化硅、氮化镓等）高化学稳定性、高硬 度、难加工的特性，在已有化学机械抛光研究的基础上， 提出基于接触催化原理 和极小纳米抛光粒子相结合以实现LED寸底晶圆高效、原子级光滑表面的平坦化 原理与技术，通过研制和运用具有催化作用抛光垫和抛光粒子以及极小纳米抛光 粒子，研究超硬、难加工衬底晶圆材料高效、原子级去除机理与方法，探索下一 代LED芯片制造中衬底材料高效去除、原子级光滑表面平坦化的有效方法和途径。研究内容：（1）基于接触催化原理的高效平坦化方法研制基于接触催化原理的抛光垫、抛光粒子，对其物理、化学性质进行表征； 研

38、究基于接触催化的平坦化体系中难加工材料的催化反应效应，探索催化活性抛光垫、复合抛光粒子对衬底材料的催化作用规律；研究平坦化中机械摩擦、化学 反应、温度变化与衬底材料接触催化作用的关系规律， 揭示衬底材料快速去除机 理和高效平坦化方法。（2）超硬、难加工衬底材料的原子尺度去除机制在平坦化中引入尺度为几纳米甚至1纳米的极小纳米粒子作为磨粒，其作用于 材料表面的深度为原子量级；研究平坦化中极小纳米粒子的行为规律与作用机 制，揭示表面间的摩擦化学和机械的耦合作用对原子尺度材料去除的影响，实现晶圆表面原子级尺度去除。（3）平坦化中界面行为与损伤控制研究平坦化中加工表面间纳米固体颗粒的运动规律和纳米二相流

39、的流动规律， 研究环境温度、下压力、表面相互运动速度等因素对表面去除速率和表面质量的 影响，探讨平坦化过程中的缺陷产生机理及其控制方法。（4）基于催化原理的平坦化原理装置及工艺实现进行基于接触催化机制的平坦化原理装置的设计、制造；研究平坦化参量（压 力、转速、温度等）与材料去除速率、表面质量等的关系规律，并结合抛光垫、 抛光液优化，获得化学与机械作用均衡的平坦化工艺。（5）探索GaN寸底制备中表面平坦化原理14%深圳清华大学研究院、清华大学 潘国顺温诗铸、路新春、李屹探索GaN寸底材料去除机制；研究平坦化中磨料性质、压力、温度等工艺参 量与材料去除速率、表面性质之间的关系规律，实现 GaN表面

40、平坦化。经费比例：承担单位：课题负责人：学术骨干：课题3 : MOCVD型反应腔设计、LED缺陷抑制和量子效率调控研究目标：面向220 Im/W及以上的高光效高可靠LED制造技术，在反应腔设计 方法（原理）上取得重大突破，通过精确建模仿真，建立多场（流场、温度场、 化学场、浓度场等）耦合下MOCVE反应腔的几何构造、气体输运方式与三性问 题（均匀性、一致性、重复性）的本构关系，并应用于大尺寸、多片、高性价比 的反应腔原理装置制造之中，通过原理装置的生长试验，获取大尺寸晶圆外延生 长工艺参数以优化反应腔设计；揭示大尺寸晶圆外延生长中的缺陷控制机理及 LE量子效率衰减的物理机制，探索晶圆剥离/键合

41、制造工艺和新型透明电极制造 方法以改善LED出光效率和控制LEM值电压，为实现MOCVE反应腔和高性能LED 外延芯片制造提供理论依据与技术参考。研究内容：（1）大尺寸多晶圆MOCVC反应腔设计仿真与实现通过精确建模仿真，研究多场耦合环境下反应腔的几何构造、气体输运方式与 工艺参数的关系，解决外延生长中厚度均匀性、波长一致性和生长可重复性等问 题，获取反应腔设计的理论依据，通过原理装置生长试验，改进反应腔设计，并 提出腔体尺寸可扩展的设计方法（原理），建立温度和反应剂气流分配智能控制 和调节机构，同时建立与大尺寸多晶圆反应腔相匹配的装卸片快速导入机构及相 应工艺。（2）大尺寸晶圆外延生长中的缺

42、陷演变机理及控制通过分子动力学等模拟分析方法，建立包括流场、压力场、温度场和浓度场等 物理场耦合的外延生长模型，系统研究不同尺度下外延生长的热力学和动力学过 程，揭示外延生长中尺寸效应、变形、应力和缺陷与表面、界面的相互作用及其 规律，剖析生长界面原子排列，研究大尺寸外延生长中的缺陷抑制机理， 揭示生 长缺陷与LED内量子效率衰减的内在联系，实现低缺陷密度、大尺寸、优质 LED 晶圆制造。（3）LED发光复合机制与量子效率调控研究LED!子阱的发光特性与载流子的复合动力学， 揭示缺陷、组分、掺杂、 阱宽、量子限制效应、应力诱导内电场与内量子效率的相关性； 深入研究大电流 下的量子效率衰减的物理

43、机制，探索LEDt子效率调控的新途径。（4）表面微纳结构透明薄膜电极制造和运用表面粗化以提高出光效率研究大尺寸GaN基 LED表面的新型透明薄膜电极（ZnO、石墨稀）生长机理； 通过表面化学处理、界面纳米调控等手段实现高性能LEDS片电极制备，明确新型电极材料与p-GaN的欧姆接触机制；探索LED薄膜电极表面上纳米结构自生长 方法，以提高LEDb光效率，研究表面纳米结构特征对表面出光效率的影响。（5）晶圆剥离/键合界面制造工艺与损伤控制研究芯片制造中衬底剥离过程中的应力、应变行为，揭示剥离过程中缺陷、损 伤控制机制，研究温度场（能量）在剥离界面上的二维分布特性，获得最佳剥离 工艺参数（能量、作

44、用时间、作用深度等），探索不同衬底材料的剥离方法，改 善剥离成品率。研究温度、压力、能量等工艺参数对界面性能和可靠性的影响， 揭示多物理场复合作用下键合界面形成机理。经费比例：18%承担单位： 华中科技大学、上海大学课题负责人：甘志银学术骨干：张建华、张鸿海、方海生、李喜峰课题4 :封装装备执行系统的多参数耦合设计及高加速度复合运动生成研究目标：揭示粉胶（荧光粉/硅胶）两相流体在复杂多能场环境下的微滴形成机 理，研究喷针/喷嘴等流道参数对微滴喷出过程的影响规律，通过新型功能材料 实现喷针超高加速运动，提出高粘度粉胶纳升微滴喷出新方法； 建立力位切换过 程的复合控制模型，提出柔性并联机构综合优化

45、设计新方法和高速柔性键合的集 成控制方法。研究内容：（1）粉胶两相光介质流变特性和纳升级微滴形成机制研究温度、剪切速率、荧光粉浓度等对粉胶两相流体流变特性的影响，及约束空间几何参数、喷针加速度、供胶压力、荧光粉沉淀等因素对粉胶流动特性的影 响，研究粉胶在喷嘴外的自由流动、 胶滴形成及分离规律，揭示纳升级粉胶微滴 形成机制。（2）喷针超高加速度驱动新原理及新系统研究基于智能材料驱动的喷针超高加速度驱动新原理；研究高刚度、高强度、 轻质、高寿命的运动放大机构；研究驱动系统、运动放大机构对喷针运动的影响 规律；设计喷针驱动新系统，实现喷针的超高加速度运动。（3）高速喷胶阀的多场耦合设计与高速喷胶工艺

46、研究建立高速喷射点胶阀的全过程、多参数耦合模型，研究关键参数及其误差对胶 滴喷出、胶量及其一致性的影响规律；研制基于新驱动原理的高速喷射点胶阀与 点胶原理装置；基于高速摄像系统开展纳升级微量粉胶喷射点胶过程的实验研 究，优化粉胶喷射点胶系统与工艺，实现粉胶光介质微量喷射点胶。（4）高速轻柔键合机构构型与综合优化设计理论针对键合过程中的力/位控制过程，研究柔性并联机构型理论方法、拓扑优化 方法，分析机构的位形空间与运动特性，建立基于黎曼度量的拓扑结构性能评价 指标；建立高速轻柔键合机构的构型和控制的综合优化设计框架。（5）高速键合过程力位切换与柔性接触精确控制研究柔性并联机构在高速力位切换过程的

47、动态行为和宽频振动特性；研究高速高加速运动中机构弹性变形、热变形、芯片厚度不均等不确定因素对键合的影响 规律；探索键合运动切换过程机构的快速响应机制与变搜索区间微接触力的加载 规律，实现高速复合运动机构的柔性精确控制。经费比例：20%承担单位：中南大学、广东工业大学课题负责人：李涵雄学术骨干： 陈新、邓圭玲、高健、王福亮、赵翼翔、郑煜 课题5 : LED精简热模型（CTM及跨尺度热输运系统集成研究目标：面向大功率LED器件，针对其工作状况下热流密度大，结温稳定控 制难等问题，研究从芯片至环境的传热/散热，建立LED封装和应用的精简热模型 （CTM）,并形成封装结构热特性的评价方法。分析温度梯度

48、剧烈变化的形成机制 并提出基于蒸汽腔均热基板的抑制措施。研究基于微热管和微流控技术的热量输 运机制，实现LED器件的高效、稳定的热流输运。融合微纳制造和表面改性等技 术，实现跨尺度热输运系统与基板的集成制造，为未来大功率、高性能LED器件的热管理和可靠性控制提供理论与技术支撑。研究内容：（1）建立从芯片至环境的传热/散热模型，形成封装结构热特性的评价依据 大功率LED封装热管理涉及界面的接触热阻和扩散热阻。封装方式、界面的接触形式、各层材料的特性和相对分布情况都影响着上述热阻和LED寸装热管理。依据导热基本微分方程，结合LED寸装界面特性，推导双面冷却扩散热阻公式， 建立LED寸装和应用的精简

49、热模型（CTM）,获得系统热阻值的解析解。（2）温度梯度剧烈变化形成机制与抑制措施剧烈的温度梯度变化是产生热应力的原因之一，而温度梯度的变化和界面处的 接触热阻、扩散热阻有着密切的关系，在前述模型基础上，基于蒸汽腔工作原理， 利用铜粉烧结、扩散键合和直接铜键合陶瓷技术，开发具有均热性质的LED基板。（3）提高热量输运效率的微热管设计与制造分析结构尺寸、表面特性等对热交换能力的影响，研究表面微纳结构对热管工质 毛细牵引力的影响规律，建立微热管壁表面能与工质循环流动以及热量输运特性 模型，提高在微流场特定尺度效应下的热量输运能力。采用拓扑优化的方法，借助数值分析和仿真，使用Conventer Wa

50、reTM模拟微通道网络中的微流体特性，充 分考虑重力、粘附力等的影响对其进行热力学优化， 设计微通道的散热架构，形 成面向热量输运的微流控系统设计方法。（4）跨尺度热输运系统与基板的集成制造15%大连理工大学、华中科技大学 王晓东罗小兵、罗 怡、王大志、范爱武对各个单元相互之间的连接及在LED器件上的集成封装进行优化设计，融合微 纳制造和表面改性等相关技术，研究微热管和微流控热量输运系统制造中的关键 工艺。采用跨尺度制造，融合消减和生长方式实现具有不同亲、疏水特性表面微 纳结构的高精度制造。在关键制造工艺的基础上，最终形成热输运系统与散热基 板的集成制造工艺。经费比例：承担单位：课题负责人：学

51、术骨干：课题6 : LEE复合过应力加速寿命试验方法及可靠性制约因素耦合规律研究目标：建立基于多因素（电流、温度、湿度、振动、高低温冲击等）复合的LED器件加速寿命试验方法和系统，并通过多场（光、热、电、应力、湿气等）耦合的可靠 性试验，结合非线性建模仿真，建立LED器件可靠性快速准确评估方法，揭示制 造过程（工艺）多参数与LED器件可靠性的关联机制，为大功率LED器件的高品质 制造提供优化的可靠性加速试验与测试方法、仪器及基础数据。研究内容：（1）LE器件复合过应力加速寿命试验方法构建基于高温（热过应力）、大电流（电过应力）、湿度、振动冲击、温度交 变冲击等交替变化参量的加速寿命试验方法，为

52、多参数集成 LED器件加速可靠性 试验及测试系统提供理论依据。（2）LE器件多参数复合过应力加速寿命试验及测试系统基于加速老化多参量耦合原理的测试试验方法，动态测量光通量、发光光谱、 色温、显色指数（照明）、色纯度、主波长、峰值波长、光强、配光曲线、电流、 电压、功耗、结温、热阻等性能参数，建立具有准确性、重复性、一致性特性的LED器件多参数集成交变可靠性加速试验和测试系统，从而为研究多因素引发失 效机制及关联关系提供基础数据。（3）多因素耦合作用制约可靠性机制在可靠性试验研究和综合分析的基础上，研究多参数耦合同时作用导致LED器件失效的机制，建立多参量发生作用的耦合关系，探索多因素耦合作用制

53、约可 靠性的机制。（4）关键制造过程与LED器件可靠性的关联机制基于复合过应力加速试验，开展典型 LED器件的可靠性与失效机理研究，建 立模块化、系统化失效分析数据库，着重研究关键制造过程（工艺）对器件可靠 性的影响；研究LED器件的可靠性与关键制造工艺的相互关系，并通过失效机理 研究，揭示制造工艺对LED器件失效的作用规律。（5）LE器件可靠性快速准确评估方法通过理论建模，分析各因素的加速因子和耦合加载后的加速因子，开展LED器件15%深圳清华大学研究院、深圳市计量质量检测研究院 刘岩张超、刘淮源、孙学明可靠性快速准确评估方法研究，推算LED品在相应服役环境中的寿命。 经费比例： 承担单位：

54、 课题负责人： 学术骨干：6课题间关系根据三个关键科学问题和研究内容设置六个课题。 课题设置思路及相互关系 如下图所示。科学问题C课题一：大尺寸同'技术挑战质衬底缺陷控制原理与装备:大尺寸LED加工衬底低缺陷、晶圆制造中缺陷形成机理及抑制扁题二：超快响应执、行系统多参数耦合机制及精确控制问题三：LED器件热流 控制机制与可靠性制 约因素耦合规律高效平坦化抑制超硬难加工材 F料原子级光滑 表面广课题三：MOCVD、新型反应腔与缺陷1课题二：超硬、难r广超低缺陷密度 晶圆制造高性能LED制造 I理论基础>令题四：封装执行系统多参数耦合设 计X/f-s课题五：跨尺度热输运系统集成制造纳

55、升级高粘性流体高速运动控制制造及低热阻课题六：复合过应力加速寿命试验及可靠性制约因素耦 合规律总体目标为高性能LED制造提供理论和技术支-封装跨尺度微热管"h复合过应力加r速寿命试验关键技术平台针对第一个科学问题，即大尺寸LED晶圆制造中缺陷形成机理及抑制，提出 新的制造原理和方法，并通过装备设计和制造，使新的制造原理和方法得以实现。 主要从物理层面入手，将解决重大科学问题与突破关键技术瓶颈相结合，为解决LED制造前端三大关键问题，即大尺寸同质衬底制备、超硬难加工衬底材料晶圆 高效平坦化及外延层缺陷问题提供新的解决方法和技术。因此，设置三个研究课题。针对科学问题之二，即超快响应执行系统多参数耦合机制及精确控制，设 置课题四，主要解决超快点胶和高速度键合的装备实现问题。针对科学问题三，即LED器件热流控制机制与可靠性制约因素耦合规律，设置课题五和课题六。主要针对LED制造的普遍共性基础问题，即热管理和可靠性 问题开展研究，获得最终产品评价方法和设备，并形成对前二个科学问题研究的 反馈。课题之间的关系是：课题一、课题二和课题三针对LED制造链的上游，揭示 衬底及外延制造过程缺陷对发光效率的影响机制和规律，提出LED制造中缺陷控制的新原理和方法，并建立原理装置，以实现关键技术的突破；课题四针对LED制造链的中游，主要解决LED封装