LED芯片制造设备及其工艺

1、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

2、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 原材料单晶棒单单晶片、图 MOCVD, ICP刻蚀游 晶片 PSS外延片形化衬底机, 光刻机 ,P

3、SS、外延片 PECVD中 金属蒸镀光刻电LED芯片ICP 刻蚀机 , 光刻游 极制作 ( 热处理、刻机, 蒸发台 , 溅射蚀) 芯片切割测试台，激光划片机分选下 固晶（芯片粘贴）灯泡、显示 固晶机、焊线机游 打线（焊接）树脂屏、背光源 等封装剪角应用产品等上游外延生长，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

4、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。

5、 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

6、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

7、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刻蚀工艺分类说明应用上游中游图形化衬 缓解异质外延生长中氮化物底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。同侧电极 对于采用绝缘衬底的LED芯刻蚀片，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 在芯片表面刻蚀大量尺寸为构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 将那些满足全反射定律的光化改变方向，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

8、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

9、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。4PECVD工艺及设备PECVD（等离

10、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 250300 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

11、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