1、 LED芯片制造的工藝流程芯片制造的工藝流程LED芯片制造的工藝流程芯片制造的工藝流程屬屬LED上游產業上游產業靠設備靠設備內容內容 一、一、LED芯片制造設備芯片制造設備 二、二、LED芯片襯底材料的選用芯片襯底材料的選用 三、三、LED外延片的制作外延片的制作 四、四、LED對外延片的技術要求對外延片的技術要求 五、五、LED芯片電極芯片電極P極和極和N極的制作極的制作 六、六、LED外延片的切割成芯片外延片的切割成芯片一、LED芯片制造用設備芯片制造用設備 外延片的制備：外延片的制備： MOCVDMOCVD：是制作：是制作LEDLED芯片的最重要技術。芯片的最重要技術。 MOCVDMOC

2、VD外延爐：是制造外延爐：是制造LEDLED最重要的設備。最重要的設備。一臺外延爐要一臺外延爐要100100多萬美元，投資最大多萬美元，投資最大的環節。的環節。 電極制作設備：光刻機、刻蝕機、離子電極制作設備：光刻機、刻蝕機、離子注入機等。注入機等。 襯底加工設備：減薄機、劃片機、檢測襯底加工設備：減薄機、劃片機、檢測設備等。設備等。1、MOCVD設備設備 MOCVD金屬有機物化學氣相淀積（金屬有機物化學氣相淀積（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition） 2、光刻機、光刻機3、刻蝕機、刻蝕機4、離子注入機、離子注入機5、清洗機、清洗機6、劃片機、劃片機同

3、一功能有不同型號設備選擇7、芯片分選機、芯片分選機LED芯片的制造芯片的制造 從以上的的儀器設備可以看出，從以上的的儀器設備可以看出，LED芯片的制芯片的制造依靠大量的設備，而且有些設備價格昂貴。造依靠大量的設備，而且有些設備價格昂貴。 LED芯片質量依賴于這些設備和操作這些設備芯片質量依賴于這些設備和操作這些設備的人員。的人員。 設備本身的制造也是設備本身的制造也是LED生產的上游產業，一生產的上游產業，一定程度上反映國家的光電子的發展水平。定程度上反映國家的光電子的發展水平。二、二、LED芯片襯底材料的選用芯片襯底材料的選用 LED芯片首要考慮的問題：襯底材料的選用。芯片首要考慮的問題：襯

4、底材料的選用。 選擇襯底依據：根據設備和選擇襯底依據：根據設備和LED器件的要求進器件的要求進行選擇。行選擇。 三種襯底材料三種襯底材料目前市面上一般有三種材料可作為襯底目前市面上一般有三種材料可作為襯底 藍寶石（藍寶石（Al2O3） 硅硅 (Si) 碳化硅（碳化硅（SiC） 除了以上三種常用的襯底材料之外，還有除了以上三種常用的襯底材料之外，還有GaAs、AlN、ZnO等材料。等材料。 下面分別介紹三種材料的特點下面分別介紹三種材料的特點 1、藍寶石襯底、藍寶石襯底 藍寶石襯底的優點：藍寶石襯底的優點： 生產技術成熟、器件質量好；生產技術成熟、器件質量好； 穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程

5、；穩定性很好，能夠運用在高溫生長過程； 機械強度高，易于處理和清洗。機械強度高，易于處理和清洗。 1、藍寶石襯底、藍寶石襯底藍寶石襯底應用藍寶石襯底應用 GaN基材料和器件的外延層。基材料和器件的外延層。 對應對應LED：藍光（材料決定波長）：藍光（材料決定波長）1、藍寶石作為襯底的、藍寶石作為襯底的LED芯片芯片 芯片也叫晶粒芯片也叫晶粒1、藍寶石作為襯底存的一些問題、藍寶石作為襯底存的一些問題 （1）晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中）晶格失配和熱應力失配，這會在外延層中產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造產生大量缺陷，同時給后續的器件加工工藝造成困難。成困難。 （2）無法制作垂直結

6、構的器件，因為藍寶石是）無法制作垂直結構的器件，因為藍寶石是一種絕緣體，常溫下的電阻率大于一種絕緣體，常溫下的電阻率大于1011cm。 1、藍寶石作為襯底存的一些問題、藍寶石作為襯底存的一些問題 （3）成本增加：）成本增加： 通常只能在外延層上表面制作通常只能在外延層上表面制作n型和型和p型電極。在型電極。在上表面制作兩個電極，造成了有效發光面積減少，上表面制作兩個電極，造成了有效發光面積減少，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，同時增加了器件制造中的光刻和刻蝕工藝過程，結果使材料利用率降低。結果使材料利用率降低。 GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高，不基材料的化學性能穩定、機械強

7、度較高，不容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好容易對其進行刻蝕，因此在刻蝕過程中需要較好的設備。的設備。 藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次藍寶石的硬度非常高，在自然材料中其硬度僅次于金剛石，但是在于金剛石，但是在LED器件的制作過程中卻需要器件的制作過程中卻需要對它進行減薄和切割（從對它進行減薄和切割（從400nm減到減到100nm左左右）。右）。 1、藍寶石作為襯底存的一些問題、藍寶石作為襯底存的一些問題 （4）導熱性能不是很好）導熱性能不是很好（在（在100約為約為25W/（mK）。 為了克服以上困難，很多人試圖將為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件光電器件直接生長

8、在硅襯底上，從而改善導熱和導電性直接生長在硅襯底上，從而改善導熱和導電性能。能。 2、硅襯底、硅襯底 硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，硅是熱的良導體，所以器件的導熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。從而延長了器件的壽命。 電極制作：硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，電極制作：硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是分別是L接觸接觸（Laterial-contact ,水平接觸）和水平接觸）和V接觸接觸（Vertical-contact，垂直接觸），以下簡稱為，垂直接觸），以下簡稱為L型電型電極和極和V型電極。通過這兩種接觸方式，型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內

9、部芯片內部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發光面積，的發光面積，從而提高了從而提高了LED的出光效率。的出光效率。 2、硅襯底、硅襯底 應用：目前有部分應用：目前有部分LED芯片采用硅襯底芯片采用硅襯底 ，如上面提到，如上面提到的的GaN材料的藍光材料的藍光LED3、碳化硅襯底、碳化硅襯底 美國的美國的CREE公司專門采用公司專門采用SiC材料作為襯底材料作為襯底3、碳化硅襯底特點、碳化硅襯底特點 電極：電極：L型電極設計，電流是縱向流動的，兩個型電極設計，電流是縱向

10、流動的，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可電極分布在器件的表面和底部，所產生的熱量可以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流以通過電極直接導出；同時這種襯底不需要電流擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，擴散層，因此光不會被電流擴散層的材料吸收，這樣又提高了出光效率。這樣又提高了出光效率。 導熱：碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系導熱：碳化硅襯底的導熱性能（碳化硅的導熱系數為數為490W/(mK)）要比藍寶石襯底高出）要比藍寶石襯底高出10倍以倍以上。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能上。采用這種襯底制作的器件的導電和導熱性能都非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。都

11、非常好，有利于做成面積較大的大功率器件。 成本：但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本：但是相對于藍寶石襯底而言，碳化硅制造成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。成本較高，實現其商業化還需要降低相應的成本。4、藍寶石襯底與碳化硅襯底的、藍寶石襯底與碳化硅襯底的LED芯片芯片4、三種襯底的性能比較、三種襯底的性能比較 三、三、LED外延片的制作外延片的制作外延片制作技術分類外延片制作技術分類 1 1、液相外延：紅色、綠色、液相外延：紅色、綠色LEDLED外延片。外延片。 2 2、氣相外延：黃色、橙色、氣相外延：黃色、橙色LEDLED外延片。外延片。 3 3、分子束外延、分子束外延 4 4

12、、金屬有機化學氣相沉積外延、金屬有機化學氣相沉積外延MOCVDMOCVD1、MOCVD設備工作原理設備工作原理載流氣體載流氣體金屬有機反應源金屬有機反應源 反應腔反應腔 反應通氣裝置反應通氣裝置真空泵真空泵阻斷裝置阻斷裝置壓力控制壓力控制2、MOCVD設備工作原理說明設備工作原理說明MOCVD成長外延片過程成長外延片過程載流氣體通過金屬有機反應源的容器載流氣體通過金屬有機反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然后在被加中與其它反應氣體混合，然后在被加熱的基板上面發生化學反應促成薄膜熱的基板上面發生化學反應促成薄膜的成長。的成長。 因此

13、是一種鍍膜技術，是因此是一種鍍膜技術，是鍍膜過程。鍍膜過程。MOCVD方法方法 影響蒸鍍層的生長速率和性質的因素：影響蒸鍍層的生長速率和性質的因素： 溫度溫度 壓力壓力 反應物種類反應物種類 反應物濃度反應物濃度 反應時間反應時間 襯底種類襯底種類 襯底表面性質等襯底表面性質等 參數由參數由MOCVD軟件計算，自動控制完成，同時要實軟件計算，自動控制完成，同時要實驗修正摸索。驗修正摸索。MOCVD方法方法外延片生長中不可忽視的微觀動力學問題外延片生長中不可忽視的微觀動力學問題 反應物擴散到襯底表面反應物擴散到襯底表面 襯底表面的化學反應襯底表面的化學反應 固態生長物的沉積固態生長物的沉積 氣態

14、產物的擴散脫離氣態產物的擴散脫離MOCVD方法方法 反應氣體在襯底的吸附反應氣體在襯底的吸附 表面擴散表面擴散 化學反應化學反應 固態生成物的成核和生長固態生成物的成核和生長 氣態生成物的脫附過程等氣態生成物的脫附過程等 注意：反應速率最慢的過程是控制反應速率的步驟，注意：反應速率最慢的過程是控制反應速率的步驟，也是決定沉積膜組織形態與各種性質的關鍵。也是決定沉積膜組織形態與各種性質的關鍵。MOCVD反應系統結構反應系統結構 進料區進料區 反應室反應室 廢氣處理系統廢氣處理系統MOCVD反應系統的技術要求反應系統的技術要求 提供潔靜的環境。提供潔靜的環境。 反應物抵達襯底之前應充分混合，以確保

15、外延反應物抵達襯底之前應充分混合，以確保外延層的成分均勻。層的成分均勻。 反應物氣流需在襯底的上方保持穩定的流動，反應物氣流需在襯底的上方保持穩定的流動，以確保外延層厚度均勻。以確保外延層厚度均勻。 反應物提供系統應切換迅速，以長出上下層接反應物提供系統應切換迅速，以長出上下層接口分明的多層結構。口分明的多層結構。MOCVD參數實例參數實例南京大學省光電信息功能材料重點實驗室使用南京大學省光電信息功能材料重點實驗室使用MOCVD參數實例參數實例系統簡介系統簡介 本系統為英國本系統為英國Thomas Swan公司制造，具有世界公司制造，具有世界先進水平的商用金屬有機源氣相外延先進水平的商用金屬有

16、機源氣相外延(MOCVD)材料生材料生長系統，可用于制備以長系統，可用于制備以GaN為代表的第三代半導體材為代表的第三代半導體材料。在高亮度的藍光發光二極管料。在高亮度的藍光發光二極管(LED)、激光器、激光器(LD)、日盲紫外光電探測器、高效率太陽能電池、高頻大功日盲紫外光電探測器、高效率太陽能電池、高頻大功率 電 子 器 件 領 域 中 具 有 廣 泛 的 應 用 。率 電 子 器 件 領 域 中 具 有 廣 泛 的 應 用 。 MOCVD參數實例參數實例 該設備承擔并完成國家該設備承擔并完成國家“863”、國防、國防“973”計劃項目和江蘇省自然科學基金等多項研究任計劃項目和江蘇省自然科

17、學基金等多項研究任務。首次用務。首次用MOCVD方法在方法在LiAlO2襯底上實現襯底上實現非極化非極化GaN/InGaN量子阱生長和量子阱生長和LED器件制備，器件制備，成果達到同期國際水平；研制的新型半導體成果達到同期國際水平；研制的新型半導體InN材料其相關技術達到國際先進水平；制備高質材料其相關技術達到國際先進水平；制備高質量的用于紫外探測器結構材料性能指標達到國量的用于紫外探測器結構材料性能指標達到國際先水平。際先水平。MOCVD參數實例參數實例 設備參數和配置：設備參數和配置： 外延片外延片32 英寸英寸/爐爐 反應腔溫度控制：反應腔溫度控制：1200 壓力控制：壓力控制：0800

18、Torr（1 Torr133.32Pa ） 激光干涉在位生長監測系統激光干涉在位生長監測系統 反應氣體：氨氣，硅烷（純度：反應氣體：氨氣，硅烷（純度：6N=99.9999% ） 載氣：氫氣，氮氣；（純度：載氣：氫氣，氮氣；（純度：6N） MOCVD源：三甲基鎵源：三甲基鎵(TMGa)，三甲基銦，三甲基銦(TMIn), 三甲基鋁三甲基鋁(TMAl)，二茂基鎂，二茂基鎂(Cp2Mg)國產國產MOCVD設備設備 中國電子科技集團公司第四十八研究所中國電子科技集團公司第四十八研究所l上游產業上游產業2、國產、國產MOCVD設備指標設備指標 產品描述：產品描述：GaN-MOCVD設備是集精密機械、電子、

19、設備是集精密機械、電子、物理、光學、計算機多學科為一體，是一種自動化程物理、光學、計算機多學科為一體，是一種自動化程度高、價格昂貴、技術集成度高的尖端電子專用設備，度高、價格昂貴、技術集成度高的尖端電子專用設備，用于用于GaN系半導體材料的外延生長和藍色、綠色或紫系半導體材料的外延生長和藍色、綠色或紫色色LED芯片的制造，是國家半導體照明（白光芯片的制造，是國家半導體照明（白光LED）工程實施中最為關鍵的芯片制造設備，也是光電子行工程實施中最為關鍵的芯片制造設備，也是光電子行業最有發展前景的專用設備。業最有發展前景的專用設備。2、國產、國產MOCVD設備指標設備指標 生產能力：生產能力：2（1

20、英寸英寸=25.4mm）基）基片，片，6片片/批；批； 基片溫度及精度：基片溫度及精度：30012001； 升溫速度：升溫速度：10 /s； 載片臺轉速：載片臺轉速：10200rpm（轉數（轉數/分）；分）； 反應室壓控范圍：反應室壓控范圍：0.010.13Mpa； 界面友好，操作簡單。界面友好，操作簡單。2、MOCVD設備操作培訓與就業設備操作培訓與就業 2008年年7月月24日，中國（深圳）國際半導體照明展覽日，中國（深圳）國際半導體照明展覽會期間，會期間， “MOCVD技術國際短期培訓班技術國際短期培訓班”。最新的。最新的MOCVD技術。技術。 “GaN基發光二極管結構表征方法基發光二極

21、管結構表征方法” “基于基于MOCVD生產的高功率光電子器生產的高功率光電子器” “MOCVD硬件及維護硬件及維護” “用于產品監測的光學在位測量技術發展近況用于產品監測的光學在位測量技術發展近況”設備的操作與維護及其重要設備的操作與維護及其重要3、重要的、重要的MOCVD MOCVD已經成為工業界主要使用的鍍膜技術。已經成為工業界主要使用的鍍膜技術。 使用使用MOCVD這種鍍膜技術制作這種鍍膜技術制作LED的外延片，即在的外延片，即在襯底上鍍多層膜。襯底上鍍多層膜。 外延片是外延片是LED生產的上游產業，在光電產業中扮演重生產的上游產業，在光電產業中扮演重要的角色。要的角色。 有些專家經常用

22、一個國家或地區擁有有些專家經常用一個國家或地區擁有MOCVD外延爐外延爐的數量來衡量這個國家或地區的光電行業的發展規模。的數量來衡量這個國家或地區的光電行業的發展規模。四、四、LED對外延片的技術要求對外延片的技術要求 1、外延材料具有適合的禁帶寬度、外延材料具有適合的禁帶寬度 2、外延材料的發光復合幾率大、外延材料的發光復合幾率大 3、 p型型n型兩種外延材料的電導率要高型兩種外延材料的電導率要高 4、外延層的完整性、外延層的完整性1、外延材料具有適合的禁帶寬度、外延材料具有適合的禁帶寬度 禁帶寬度決定發射波長：禁帶寬度決定發射波長： =1240/Eg LED的峰值發射波長（的峰值發射波長（

23、nm） Eg外延材料的禁帶寬度（外延材料的禁帶寬度（eV） Eg由材料性質決定，可以通過調節外延材料的由材料性質決定，可以通過調節外延材料的組分調整組分調整Eg。2、外延材料的發光復合幾率大、外延材料的發光復合幾率大 LED的發光原理：的發光原理：pn結處的空穴和電子的復合結處的空穴和電子的復合發光，同時伴有熱產生，復合幾率大，則發光發光，同時伴有熱產生，復合幾率大，則發光效率高。效率高。 InGaAlP材料，調整材料，調整Ga-Al組分，改變組分，改變Eg，得，得到黃綠到深紅的到黃綠到深紅的LED波長。但改變組分的同時波長。但改變組分的同時使得直接躍遷半導體材料變為間接躍遷，影響使得直接躍遷

24、半導體材料變為間接躍遷，影響發光效率。發光效率。3、 p型型n型兩種外延材料的電導率要高型兩種外延材料的電導率要高 影響電導率的因素：摻雜濃度、溫度、均勻性。影響電導率的因素：摻雜濃度、溫度、均勻性。 摻雜濃度：不應小于摻雜濃度：不應小于11017/cm3 參雜溫度：參雜溫度：MOCVD反應腔溫度及材料特性反應腔溫度及材料特性 參雜均勻型：參雜均勻型： MOCVD氣流平穩、氣壓氣流平穩、氣壓4、外延層的完整性、外延層的完整性 外延層的完整性：晶體的錯位和空位缺陷，氧外延層的完整性：晶體的錯位和空位缺陷，氧氣等雜質。氣等雜質。 影響完整性的因素：不同的外延技術、同一外影響完整性的因素：不同的外延

25、技術、同一外延技術不同的設備，同一設備不同的操作人員。延技術不同的設備，同一設備不同的操作人員。5、外延片檢測、外延片檢測 表面平整度表面平整度 厚度的均勻性厚度的均勻性 徑向電阻分布徑向電阻分布5、外延片檢測、外延片檢測外延片（晶圓）外延片（晶圓） 抽取九個點做參數測試抽取九個點做參數測試 5、SSP3112-W LED外延片光色電參數測試儀外延片光色電參數測試儀 杭州星譜光電科技有限公司杭州星譜光電科技有限公司 5、SSP3112-W LED外延片光色電參數測試儀外延片光色電參數測試儀五、五、LED芯片電極芯片電極P極和極和N極制作極制作 1.1引腳封裝結構中，看到引腳封裝結構中，看到LED結構有內部電極結構有內部電極和外部電極。和外部電極。 更一般的情況，任何半導體器件最終都要通過更一般的情況，任何半導體器件最終都要通過電極引線與外部電路相連接。電極引線與外部電路相連接。1、歐姆接觸電阻、歐姆接觸電阻 定義：電極金屬與半導體接觸部分定義：電極金屬與半導體接觸部分電極，電極，電流電流-電壓（電壓（I-V）呈現線性關系，線性關系比）呈現線性關系，線性關