1.2 LED芯片制造的工艺流程芯片制造的工艺流程LED芯片制造的工艺流程芯片制造的工艺流程属属LED上游产业上游产业靠设备靠设备引言引言lLED是二极管，是半导体是二极管，是半导体l本节讨论的本节讨论的LED的制造的制造=LED的芯片制造的芯片制造lLED的制造工艺和其它半导体器件的制造工艺的制造工艺和其它半导体器件的制造工艺有很多一样之处有很多一样之处l除个别设备外，多数半导体设备经过改良可以除个别设备外，多数半导体设备经过改良可以用于用于LED的制造引言引言LED芯片制造工艺分三大部分芯片制造工艺分三大部分外延片外延片按按1.1节的节的LED芯片的构造：选衬底，芯片的构造：选衬底，MOCVD在衬底上制造外延层也叫镀膜，在衬底上制造外延层也叫镀膜，n区，区，发光区，发光区，p区，透明导电层区，透明导电层电极电极对对LED外延片做电极外延片做电极P极，极，N极极芯片芯片用激光机切割用激光机切割LED外延片成外延片成内容内容l一、一、LED芯片制造设备芯片制造设备l二、二、LED芯片衬底资料的选用芯片衬底资料的选用l三、三、LED外延片的制造外延片的制造l四、四、LED对外延片的技术要求对外延片的技术要求l五、五、LED芯片电极芯片电极P极和极和N极的制造极的制造l六、六、LED外延片的切割成芯片外延片的切割成芯片1、LED芯片制造用设备芯片制造用设备l外延片的制备：外延片的制备：lMOCVDMOCVD：是制造：是制造LEDLED芯片的最重要技术。
芯片的最重要技术lMOCVDMOCVD外延炉：是制造外延炉：是制造LEDLED最重要的设备一台外最重要的设备一台外延炉要延炉要100100多万美圆，投资最大的环节多万美圆，投资最大的环节l电极制造设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机等电极制造设备：光刻机、刻蚀机、离子注入机等l衬底加工设备：减薄机、划片机、检测设备等衬底加工设备：减薄机、划片机、检测设备等2、MOCVD设备设备lMOCVD金属有机物化学气相淀积金属有机物化学气相淀积Metal-Organic Chemical Vapor Deposition 3、光刻机、光刻机3、光刻机、光刻机4、刻蚀机、刻蚀机5、离子注入机、离子注入机6、清洗机、清洗机7、划片机、划片机7、划片机、划片机同一功能有不同型号设备选择8、芯片分选机、芯片分选机9、LED芯片的制造芯片的制造l从以上的的仪器设备可以看出，从以上的的仪器设备可以看出，LED芯片的制芯片的制造依托大量的设备，而且有些设备价钱昂贵造依托大量的设备，而且有些设备价钱昂贵lLED芯片质量依赖于这些设备和操作这些设备芯片质量依赖于这些设备和操作这些设备的人员l设备本身的制造也是设备本身的制造也是LED消费的上游产业，一消费的上游产业，一定程度上反映国家的光电子的开展程度。
定程度上反映国家的光电子的开展程度二、二、LED芯片衬底资料的选用芯片衬底资料的选用lLED芯片首要思索的问题：衬底资料的选用芯片首要思索的问题：衬底资料的选用l选择衬底根据：根据设备和选择衬底根据：根据设备和LED器件的要求进器件的要求进展选择三种衬底资料三种衬底资料目前市面上普通有三种资料可作为衬底目前市面上普通有三种资料可作为衬底 蓝宝石蓝宝石Al2O3硅硅(Si)碳化硅碳化硅SiC 除了以上三种常用的衬底资料之外，还有除了以上三种常用的衬底资料之外，还有GaAs、AlN、ZnO等资料下面分别引见三种资料的特点下面分别引见三种资料的特点 1、蓝宝石衬底、蓝宝石衬底 蓝宝石衬底的优点：蓝宝石衬底的优点：消费技术成熟、器件质量好；消费技术成熟、器件质量好；稳定性很好，可以运用在高温生长过程；稳定性很好，可以运用在高温生长过程；机械强度高，易于处置和清洗机械强度高，易于处置和清洗1、蓝宝石衬底、蓝宝石衬底蓝宝石衬底运用蓝宝石衬底运用GaN基资料和器件的外延层基资料和器件的外延层对应对应LED：蓝光资料决议波长：蓝光资料决议波长1、蓝宝石作为衬底的、蓝宝石作为衬底的LED芯片芯片 芯片也叫晶粒芯片也叫晶粒1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题l1晶格失配和热应力失配，这会在外延层晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺呵斥困难。
呵斥困难l2无法制造垂直构造的器件，由于蓝宝石无法制造垂直构造的器件，由于蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011cm1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题l3本钱添加：本钱添加：l通常只能在外延层上外表制造通常只能在外延层上外表制造n型和型和p型电极在上外表制造两型电极在上外表制造两个电极，呵斥了有效发光面积减少，同时添加了器件制造中的个电极，呵斥了有效发光面积减少，同时添加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使资料利用率降低光刻和刻蚀工艺过程，结果使资料利用率降低l GaN基资料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进展基资料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进展刻蚀，因此在刻蚀过程中需求较好的设备刻蚀，因此在刻蚀过程中需求较好的设备l蓝宝石的硬度非常高，在自然资料中其硬度仅次于金刚石，但蓝宝石的硬度非常高，在自然资料中其硬度仅次于金刚石，但是在是在LED器件的制造过程中却需求对它进展减薄和切割从器件的制造过程中却需求对它进展减薄和切割从400nm减到减到100nm左右1、蓝宝石作为衬底存的一些问题、蓝宝石作为衬底存的一些问题l4导热性能不是很好在导热性能不是很好在100约为约为25W/mK。
l 为了抑制以上困难，很多人试图将为了抑制以上困难，很多人试图将GaN光电光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能2、硅衬底、硅衬底l硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延伸了器件的寿命显改善，从而延伸了器件的寿命l电极制造：硅衬底的芯片电极可采用两种接触电极制造：硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式，分别是方式，分别是L接触接触Laterial-contact,程度程度接触和接触和V接触接触Vertical-contact，垂直接，垂直接触，以下简称为触，以下简称为L型电极和型电极和V型电极经过型电极经过这两种接触方式，这两种接触方式，LED芯片内部的电流可以是芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的由于电流横向流动的，也可以是纵向流动的由于电流可以纵向流动，因此增大了可以纵向流动，因此增大了LED的发光面积，的发光面积，从而提高了从而提高了LED的出光效率的出光效率2、硅衬底、硅衬底 l运用：目前有部分运用：目前有部分LED芯片采用硅衬底芯片采用硅衬底，如，如上面提到的上面提到的GaN资料的蓝光资料的蓝光LED3、碳化硅衬底、碳化硅衬底l美国的美国的CREE公司专门采用公司专门采用SiC资料作为衬底资料作为衬底3、碳化硅衬底特点、碳化硅衬底特点l电极：电极：L型电极设计，电流是纵向流动的，两个电极型电极设计，电流是纵向流动的，两个电极分布在器件的外表和底部，所产生的热量可以经过电分布在器件的外表和底部，所产生的热量可以经过电极直接导出；同时这种衬底不需求电流分散层，因此极直接导出；同时这种衬底不需求电流分散层，因此光不会被电流分散层的资料吸收，这样又提高了出光光不会被电流分散层的资料吸收，这样又提高了出光效率。
效率l导热：碳化硅衬底的导热性能碳化硅的导热系数为导热：碳化硅衬底的导热性能碳化硅的导热系数为490W/(mK)要比蓝宝石衬底高出要比蓝宝石衬底高出10倍以上采用倍以上采用这种衬底制造的器件的导电和导热性能都非常好，有这种衬底制造的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件利于做成面积较大的大功率器件l本钱：但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造本钱本钱：但是相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造本钱较高，实现其商业化还需求降低相应的本钱较高，实现其商业化还需求降低相应的本钱4、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片芯片4、三种衬底的性能比较、三种衬底的性能比较 三、三、LED外延片的制造外延片的制造外延片制造技术分类外延片制造技术分类1 1、液相外延：红色、绿色、液相外延：红色、绿色LEDLED外延片2 2、气相外延：黄色、橙色、气相外延：黄色、橙色LEDLED外延片3 3、分子束外延、分子束外延4 4、金属有机化学气相堆积外延、金属有机化学气相堆积外延MOCVDMOCVD2、MOCVD设备任务原理设备任务原理载流气体载流气体金属有机反响源金属有机反响源 反响腔反响腔 反响通气安装反响通气安装真空泵真空泵阻断安装阻断安装压力控制压力控制2、MOCVD设备任务原理阐明设备任务原理阐明MOCVD生长外延片过程生长外延片过程载流气体经过金属有机反响源的容器时，载流气体经过金属有机反响源的容器时，将反响源的饱和蒸气带至反响腔中与其将反响源的饱和蒸气带至反响腔中与其它反响气体混合，然后在被加热的基板它反响气体混合，然后在被加热的基板上面发生化学反响促成薄膜的生长。
上面发生化学反响促成薄膜的生长因因此是一种镀膜技术，是镀膜过程此是一种镀膜技术，是镀膜过程MOCVD方法方法l影响蒸镀层的生长速率和性质的要素：影响蒸镀层的生长速率和性质的要素：l温度温度l压力压力l反响物种类反响物种类l反响物浓度反响物浓度l反响时间反响时间l衬底种类衬底种类l衬底外表性质等衬底外表性质等l参数由参数由MOCVD软件计算，自动控制完成，同软件计算，自动控制完成，同时要实验修正探求时要实验修正探求MOCVD方法方法外延片生长中不可忽视的微观动力学问题外延片生长中不可忽视的微观动力学问题反响物分散到衬底外表反响物分散到衬底外表衬底外表的化学反响衬底外表的化学反响固态生长物的堆积固态生长物的堆积气态产物的分散脱离气态产物的分散脱离MOCVD方法方法l反响气体在衬底的吸附反响气体在衬底的吸附l外表分散外表分散l化学反响化学反响l固态生成物的成核和生长固态生成物的成核和生长l气态生成物的脱附过程等气态生成物的脱附过程等l 留意：反响速率最慢的过程是控制反响速率留意：反响速率最慢的过程是控制反响速率的步骤，也是决议堆积膜组织形状与各种性质的步骤，也是决议堆积膜组织形状与各种性质的关键。
的关键MOCVD反响系统构造反响系统构造l进料区进料区l反响室反响室l废气处置系统废气处置系统MOCVD反响系统的技术要求反响系统的技术要求l提供洁静的环境提供洁静的环境l反响物抵达衬底之前应充分混合，以确保外延反响物抵达衬底之前应充分混合，以确保外延层的成分均匀层的成分均匀l反响物气流需在衬底的上方坚持稳定的流动，反响物气流需在衬底的上方坚持稳定的流动，以确保外延层厚度均匀以确保外延层厚度均匀l反响物提供系统应切换迅速，以长出上下层接反响物提供系统应切换迅速，以长出上下层接口清楚的多层构造口清楚的多层构造MOCVD参数实例参数实例南京大学省光电信息功能资料重点实验室运用南京大学省光电信息功能资料重点实验室运用MOCVD参数实例参数实例系统简介系统简介 本系统为英国本系统为英国Thomas Swan公司制造，具公司制造，具有世界先进程度的商用金属有机源气相外延有世界先进程度的商用金属有机源气相外延(MOCVD)资料生长系统，可用于制备以资料生长系统，可用于制备以GaN为代表的第三代半导体资料在高亮度的蓝光为代表的第三代半导体资料在高亮度的蓝光发光二极管发光二极管(LED)、激光器、激光器(LD)、日盲紫外光、日盲紫外光电探测器、高效率太阳能电池、高频大功率电电探测器、高效率太阳能电池、高频大功率电子器件领域中具有广泛的运用。
子器件领域中具有广泛的运用MOCVD参数实例参数实例 该设备承当并完成国家该设备承当并完成国家“863、国防、国防“973方案工程和江苏省自然科学基金等多方案工程和江苏省自然科学基金等多项研讨义务初次用项研讨义务初次用MOCVD方法在方法在LiAlO2衬衬底上实现非极化底上实现非极化GaN/InGaN量子阱生长和量子阱生长和LED器件制备，成果到达同期国际程度；研制器件制备，成果到达同期国际程度；研制的新型半导体的新型半导体InN资料其相关技术到达国际先资料其相关技术到达国际先进程度；制备高质量的用于紫外探测器构造资进程度；制备高质量的用于紫外探测器构造资料性能目的到达国际先程度料性能目的到达国际先程度MOCVD参数实例参数实例l设备参数和配置：设备参数和配置：外延片外延片32 英寸英寸/炉炉 l反响腔温度控制：反响腔温度控制：1200l压力控制：压力控制：0800Torr1 Torr133.32Pa l激光干涉在位生长监测系统激光干涉在位生长监测系统 l反响气体：氨气，硅烷纯度：反响气体：氨气，硅烷纯度：6N=99.9999%l载气：氢气，氮气；纯度：载气：氢气，氮气；纯度：6N lMOCVD源：三甲基镓源：三甲基镓(TMGa)，三甲基铟，三甲基铟(TMIn),三甲基铝三甲基铝(TMAl)，二茂基镁，二茂基镁(Cp2Mg)国产国产MOCVD设备设备l中国电子科技集团公司第四十八研讨所中国电子科技集团公司第四十八研讨所l上游产业上游产业2、国产、国产MOCVD设备目的设备目的l产品描画：产品描画：GaN-MOCVD设备是集精细机械、设备是集精细机械、电子、物理、光学、计算机多学科为一体，是电子、物理、光学、计算机多学科为一体，是一种自动化程度高、价钱昂贵、技术集成度高一种自动化程度高、价钱昂贵、技术集成度高的尖端电子公用设备，用于的尖端电子公用设备，用于GaN系半导体资料系半导体资料的外延生长和蓝色、绿色或紫色的外延生长和蓝色、绿色或紫色LED芯片的制芯片的制造，是国家半导体照明白光造，是国家半导体照明白光LED工程实施工程实施中最为关键的芯片制造设备，也是光电子行业中最为关键的芯片制造设备，也是光电子行业最有开展前景的公用设备。
最有开展前景的公用设备2、国产、国产MOCVD设备目的设备目的l消费才干：消费才干：21英寸英寸=25.4mm基片，基片，6片片/批；批；l基片温度及精度：基片温度及精度：30012001；l升温速度：升温速度：10/s；l载片台转速：载片台转速：10200rpm转数转数/分；分；l反响室压控范围：反响室压控范围：0.010.13Mpa；l界面友好，操作简单界面友好，操作简单2、MOCVD设备操作培训与就业设备操作培训与就业 2021年7月24日，中国深圳国际半导体照明展览会期间，“MOCVD技术国际短期培训班最新的MOCVD技术GaN基发光二极管构造表征方法“基于MOCVD消费的高功率光电子器“MOCVD硬件及维护“用于产品监测的光学在位丈量技术开展近况设备的操作与维护及其重要设备的操作与维护及其重要3、重要的、重要的MOCVDlMOCVD曾经成为工业界主要运用的镀膜技术曾经成为工业界主要运用的镀膜技术l运用运用MOCVD这种镀膜技术制造这种镀膜技术制造LED的外延片，的外延片，即在衬底上镀多层膜即在衬底上镀多层膜l外延片是外延片是LED消费的上游产业，在光电产业中消费的上游产业，在光电产业中扮演重要的角色。
扮演重要的角色l有些专家经常用一个国家或地域拥有有些专家经常用一个国家或地域拥有MOCVD外延炉的数量来衡量这个国家或地域的光电行外延炉的数量来衡量这个国家或地域的光电行业的开展规模业的开展规模四、四、LED对外延片的技术要求对外延片的技术要求l1、外延资料具有适宜的禁带宽度、外延资料具有适宜的禁带宽度l2、外延资料的发光复合几率大、外延资料的发光复合几率大l3、p型型n型两种外延资料的电导率要高型两种外延资料的电导率要高l4、外延层的完好性、外延层的完好性1、外延资料具有适宜的禁带宽度、外延资料具有适宜的禁带宽度l禁带宽度决议发射波长：禁带宽度决议发射波长：l =1240/Egl LED的峰值发射波长的峰值发射波长nml Eg外延资料的禁带宽度外延资料的禁带宽度eVlEg由资料性质决议，可以经过调理外延资料由资料性质决议，可以经过调理外延资料的组分调整的组分调整Eg2、外延资料的发光复合几率大、外延资料的发光复合几率大lLED的发光原理：的发光原理：pn结处的空穴和电子的复结处的空穴和电子的复合发光，同时伴有热产生，复合几率大，那么合发光，同时伴有热产生，复合几率大，那么发光效率高发光效率高。
lInGaAlP资料，调整资料，调整Ga-Al组分，改动组分，改动Eg，得，得到黄绿到深红的到黄绿到深红的LED波长但改动组分的同时波长但改动组分的同时使得直接跃迁半导体资料变为间接跃迁，影响使得直接跃迁半导体资料变为间接跃迁，影响发光效率发光效率3、p型型n型两种外延资料的电导率要高型两种外延资料的电导率要高l影响电导率的要素：掺杂浓度、温度、均匀性影响电导率的要素：掺杂浓度、温度、均匀性l掺杂浓度：不应小于掺杂浓度：不应小于11017/cm3l参杂温度：参杂温度：MOCVD反响腔温度及资料特性反响腔温度及资料特性l参杂均匀型：参杂均匀型：MOCVD气流平稳、气压气流平稳、气压4、外延层的完好性、外延层的完好性l外延层的完好性：晶体的错位和空位缺陷，氧外延层的完好性：晶体的错位和空位缺陷，氧气等杂质气等杂质l影响完好性的要素：不同的外延技术、同一外影响完好性的要素：不同的外延技术、同一外延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员延技术不同的设备，同一设备不同的操作人员5、外延片检测、外延片检测l外表平整度外表平整度l厚度的均匀性厚度的均匀性l径向电阻分布径向电阻分布5、外延片检测、外延片检测外延片晶圆外延片晶圆 抽取九个点做参数测试抽取九个点做参数测试 5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测试仪外延片光色电参数测试仪l杭州星谱光电科技杭州星谱光电科技 5、SSP3112-W LED外延片光色电参数测试仪外延片光色电参数测试仪五、五、LED芯片电极芯片电极P极和极和N极制造极制造l1.1引脚封装构造中，看到引脚封装构造中，看到LED构造有内部电构造有内部电极和外部电极。
极和外部电极l更普通的情况，任何半导体器件最终都要经过更普通的情况，任何半导体器件最终都要经过电极引线与外部电路相衔接电极引线与外部电路相衔接1、欧姆接触电阻、欧姆接触电阻l定义：电极金属与半导体接触部分定义：电极金属与半导体接触部分电极，电电极，电流流-电压电压I-V呈现线性关系，线性关系比值呈现线性关系，线性关系比值R=U/I，因此相当于一个阻值很小的电阻，称为，因此相当于一个阻值很小的电阻，称为欧姆接触电阻欧姆接触电阻l欧姆电阻对欧姆电阻对LED器件的影响：欧姆电阻与内部器件的影响：欧姆电阻与内部pn结串联结串联假设欧姆电阻大，那么假设欧姆电阻大，那么LED正向任务电正向任务电压大，注入效率低压大，注入效率低器件发热、亮度下降，寿命器件发热、亮度下降，寿命缩短l结论：结论：LED芯片的芯片的pn结电极直接影响结电极直接影响LED器件的器件的质量2、pn结电极的制造工艺结电极的制造工艺l光刻光刻l真空电子束蒸发真空电子束蒸发l湿法腐蚀湿法腐蚀l剥离剥离3、pn结电极资料结电极资料lp型电极：镍型电极：镍/铜铜Ni/Au良好的透光性良好的透光性和电学特性和电学特性ln型电极：进展合金化型电极：进展合金化目的减小电极之间目的减小电极之间的影响。
的影响l 但进展进展合金化的过程也会对但进展进展合金化的过程也会对p型电极产型电极产生影响，坚持生影响，坚持p型电极在对型电极在对n型电极进展合金型电极进展合金化的过程中坚持不变非常重要化的过程中坚持不变非常重要4、pn结电极结电极lV型电极：芯片上要两个电极型电极：芯片上要两个电极lL型电极：相对型电极：相对V型电极，芯片上只需一个电型电极，芯片上只需一个电极，导热性能好，光输出功率高，大电流极，导热性能好，光输出功率高，大电流LED任务的任务的I-P特性好特性好5、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的、蓝宝石衬底与碳化硅衬底的LED芯片不同的电极芯片不同的电极激光切割外延片成芯片激光切割外延片成芯片六、六、LED外延片的切割成芯片外延片的切割成芯片芯片分选机芯片分选机小小 结结lMOCVDMOCVD外延片的制造：包括衬底的选择、外延片的制造：包括衬底的选择、MOCVDMOCVD镀膜技术简介、废品外延片的检测镀膜技术简介、废品外延片的检测lLEDLED芯片电极的制造芯片电极的制造lLEDLED芯片的切割、分选芯片的切割、分选。