第六章LED芯片主要制造设备

第六章LED芯片主要制造设备五邑大学MainContents6.1蒸镀机系统6.2PECVD6.3ICP蚀刻机6.4涂布机6.5曝光机6.1蒸镀机系统6.1.1工作原理

利用高压电使钨丝圈产生电子束,利用加速电极将电子引出,再通过偏向磁场,将电子束弯曲270度,引导打到坩埚内的金属源上,将高能电子束的动能转化为融化待镀材料的热能使其局部融化。因在高真空下(4×10-6torr)金属源之熔点与沸点接近,容易使其蒸发,而产生金属的蒸汽流,遇到晶片时即沉积在上面。蒸镀机的操作步骤

坩埚四周仍需要有良好的冷却系统,将电子束产生的热量带走,避免坩埚过热融化,形成污染源。6.1.2机台及附属设备图6-1（b）机械泵浦和鲁式泵浦油封式机械泵浦：

借泵浦腔体内的转子(rotor)和静子(stator)连续接触进行进气、压缩、和排气的行程，因为转子和静子在运动过程中为连续接触，因此必须采取润滑的措施，以减少磨损及排除摩擦热。油封式机械帮浦操作的压力范围宽(1atm~10-3torr)，且可以得到不错的压缩比，设计较为简单，其终极真空度可达到10-4torr。鲁式泵浦：

其特性是在中度真空时有很好的抽气速率，相对的在接近大气压的低真空领域则抽气速率不佳，因此鲁式真空帮浦常用在串连油封式机械帮浦或其它干式真空帮浦，以加大真空系统在中度真空的抽气速率。因此鲁式帮浦又被称为机械式助力帮浦。图6-1（c）冷冻帮浦基本原理：

冷冻帮浦抽气是利用超低温方式将气体冷冻成固体，使得真空腔体内各类气体分子冻结，以达到极高的真空度。它是使用沸点最低的液态氦(4.2K)作为冷媒，在这个工作温度下，除氦气分子以外所有的气体都凝结为固态，且蒸气压大部分都低于10-8Pa以下，不过对于氦、氩、氖三种气体而言仍有相当的蒸气压。构造：

压缩机式冷冻帮浦，包括有压缩机和膨胀室两部分。它是利用高纯度的氦气（99.999％）作为冷媒，由压缩机压缩，经冷冻管路送到膨胀室，利用气体膨胀吸热方式降低温度，压缩产生的热能则由冷却水带走。基本参数：启动压力：低于10-1Pa；终极压力：10-8Pa6.2PECVDPECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）是等离子增强化学气相沉积的英文缩写。工作原理：借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体电离，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。为了使化学反应能在较低的温度下进行，利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD).实验机理：是借助微波或射频等使含有薄膜组成原子的气体，在局部形成等离子体，而等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基片上沉积出所期望的薄膜。优缺点优点：基本温度低；沉积速率快；成膜质量好，针孔较少，不易龟裂。缺点：（1）设备投资大、成本高，对气体的纯度要求高；（2）涂层过程中产生的剧烈噪音、强光辐射、有害气体、金属蒸汽粉尘等对人体有害；（3）对小孔孔径内表面难以涂层等。在LED芯片制程中，主要是用来制备SiO2薄膜。主要工艺步骤是将硅烷（SiH4）气体与笑气(N2O)在电浆的作用下电离，然后反应生成SiO2，其副产物为H2,N2。SiO2沉积在晶片的表面，副产物被抽走。反应方程式PECVDSiO2:SiH4+N2O→SiO2(+H2+N2)图6-2（a）OXFORDPECVD机台的主体部分图6-2（b）OXFORDPECVD机台内部结构图6.3ICP蚀刻机ICP系统主要由四部分组成：温度控制系统、气路部分、能量产生系统和真空系统。刻蚀气体由腔室上方引入到等离子体腔室，其流量由质量流量计(MFC)控制；有两套自动匹配网络控制的射频源，第一套(ICP功率)控制等离子体的产生，可以调节等离子体密度，第二套(RF功率)用来控制等离子体轰击刻蚀表面的能量；刻蚀生成物从基片两边由高效率的涡轮分子泵抽走；基片温控系统可以对基片的温度进行控制，满足不同基片温度下刻蚀的需要。基本原理：干蚀刻（dryetch）利用辉光放电(GlowDischarge)将特定气体解离成正、负粒子的plasma，再利用偏压将离子加速，溅击（sputter）在被蚀刻物的表面，而将被蚀刻物质原子击出，同时利用电浆产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待蚀刻物质的表面，并与待蚀刻物质反应产生挥发性之反应生成物。图6.3ICP蚀刻机图6.3ICP蚀刻机电浆(干式)蚀刻几个过程：1)化学反应，属等向性；2)离子辅助蚀刻，具方向性；3)保护层的形成，可避免侧壁遭受蚀刻；4)生成物残留的排除。在干式蚀刻中，随着制程参数及电浆状态的改变，可以区分为两种极端的性质的蚀刻方式，即纯物理性蚀刻与纯化学反应性蚀刻。物理化学刻蚀纯物理性蚀刻可视为一种物理溅镀(Sputter)方式，利用辉光放电，将惰性气体如Ar，解离成带正电的离子，再加速而具有足够的动能来扯断薄膜的化学键。纯化学反应性蚀刻，则是利用电浆产生化学活性极强的原(分)子团，此原(分)子团扩散至待蚀刻物质的表面，并与待蚀刻物质反应产生挥发性之反应生成物。ICP所使用的气体6种气体：氯Cl2、氧O2、三氯化硼BCl3、氩Ar、氦He、三氟甲烷CHF3•其中Cl2以及BCl3是蝕刻GaN的蚀刻主要气体；•He是晶背冷却用的气体,晶圆背部氦气循环流动可控制蚀刻时晶圆的温度与温度的均匀性，以避免光阻烧焦或蚀刻轮廓变形；•CHF3主要是清洁腔体表面以及側壁的气体；•Ar及O2是清洁腔体辅助气体。6.4涂布机图6.4（a）芯源KS-S100C型涂布机图6.4（b）涂布机工作台图6.4（c）工作原理图旋转涂胶：采用旋转涂胶的方法涂上液相光刻胶材料。晶圆被固定在一个真空载片台上，一定数量的液体光刻胶滴在晶圆上，然后晶圆旋转得到一层均匀的光刻胶涂层。不同的光刻胶要求不同的旋转涂胶条件，例如最初慢速旋转（例如500rpm），接下来跃变到最大转速3000rpm或者更高。6.5曝光机6.5.1黄光室曝光机需要在无尘黄光室环境中工作，即光刻。所有照明用光源均为黄色光波波长，这个工作室称为黄光室。在无尘室内感光干膜对黄光不敏感，因此感光剂不会曝光。IC晶方内之图案均有赖光阻剂（Photoresist）覆盖在芯片上，再经曝光，显影而定型；而此光阻剂遇光线照射，尤其是紫外线（UV）即有曝光之效果，因此在显影完毕以前之生产，均宜远离此类光源。黄光之光波较长，使光阻剂曝光之效果很低，因此乃作为显影前之照明光源。黄光室是进行IC晶片微影（Lithography）成像术的区域，将光阻（Photoresist）材料利用旋镀法被覆在晶园上，而后再放置于曝光机下进行曝光，以使紫外线光源透过光罩（Mask）照射于光阻而得到感光图像，最后再以药剂进行显影而得到实际图像。早期光刻间用红灯泡(无紫外线),70年代将制版的红膜包在"管灯"上给光刻间照明,80年代光刻间用上特制的黄色莹光灯。黄色led灯是可以用,但AC-50Hz不能直接用,需做电源专门配制无频闪,使工作人员眼健康。原则上用紫外光照计检测无紫外光(或很低量级)的光照都可用,而现实要考虑人员健康,安装成本,更换便利。曝光波长早期曝光机的光源为全光谱光源，后演进到G-LINE（436nm）光源，目前最为广泛使用的为I-LINE（365nm）光源，对于0.3μm线宽以下的IC制程，则需采用深紫外（deepUV）248nm光源，甚至X光或电子束，目前光源较采用高压水银（汞）弧灯，由于其特性频谱，所以须经过滤光片以获得所需的I－LINE(365nm)光线。曝光材料酚醛树脂-重氮萘醌正型光刻胶由于其优异的光刻性能,在G-line(436nm)、I-line(365nm)光刻中被广泛使用.G-line光刻胶胶、I-line光刻胶,两者虽然都是用线型酚醛树脂做成膜树脂,重氮萘醌型酯化物作感光剂,但当曝光波长从G-line发展到I-line时,为适应对应的曝光波长以及对高分辨率的追求,酚醛树脂及感光剂的微观结构均有变化.在I-line光刻胶中,酚醛树脂的邻-邻′相连程度高,感光剂酯化度高,重氮萘醌基团间的间距远.溶解促进剂是I-line光刻胶的一个重要组分。曝光为了避免光阻在曝光前、曝光后受到曝光机以外的光线照射而曝光，所以整个作业必须在黄光室下进行，换言之，所有照明用的光源须加以过滤，照明灯底罩及各式隔间门及窗皆应具有过滤波长380nm紫外光的能力。注意：有些黄色透明板虽然具有黄光，但对于紫外光却未完全隔绝，严格来说，这是不合格的产品。因为常被用于黄光室的5mm黄色压克力板，在I－LINE（365nm）附近确有不少的穿透率。图6.5（a）自动