LED芯片制造設(shè)備及其工藝

1、LED是技術(shù)引導(dǎo)型產(chǎn)業(yè)，特別是技術(shù)與資本密集型的芯片制造業(yè)，需要高端的工藝設(shè)備提供支撐。 但與半導(dǎo)體投資熱潮下的“瓶頸”類似， 設(shè)備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)膨脹仍然存在著速度匹配的問題， 尤其是在高端設(shè)備領(lǐng)域， 大部分設(shè)備仍然需要依賴進(jìn)口。進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格昂貴， 采購周期過長， 使中國的 LED芯片制造行業(yè)急需本土設(shè)備的成長和崛起。一、上游外延片生長設(shè)備國產(chǎn)化現(xiàn)狀LED產(chǎn)業(yè)鏈通常定義為上游外延片生長、 中游芯片制造和下游芯片封裝測(cè)試及應(yīng)用三個(gè)環(huán)節(jié)。 從上游到下游行業(yè)， 進(jìn)入門檻逐步降低， 其中 LED產(chǎn)業(yè)鏈上游外延生長技術(shù)含量最高， 資本投入密度最大， 是國際競爭最激烈、 經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)最大的領(lǐng)域。在 LED產(chǎn)業(yè)鏈

2、中，外延生長與芯片制造約占行業(yè)利潤的 70%， LED封裝約占 10% 20%，而 LED應(yīng)用大約也占 10%20%。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)使用的生產(chǎn)設(shè)備從技術(shù)到投資同樣遵循上述原則， 在我國上游外延片生長和中游芯片制造的 60 余家企業(yè)中，核心設(shè)備基本上為國外進(jìn)口，技術(shù)發(fā)展受制于人， 且技術(shù)水平尚無法與國際主流廠商相比。 這就意味著我國高端LED外延片、芯片的供應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要，需大量進(jìn)口，從而大大制約了國內(nèi) LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和盈利能力。表 1 LED 產(chǎn)業(yè)鏈概況及關(guān)鍵設(shè)備介紹產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品關(guān)鍵設(shè)備上 原材料單晶棒單單晶片、圖 MOCVD, ICP刻蝕游 晶片 PSS外延片形化襯底機(jī), 光刻機(jī) ,P

3、SS、外延片 PECVD中 金屬蒸鍍光刻電LED芯片ICP 刻蝕機(jī) , 光刻游 極制作 ( 熱處理、刻機(jī), 蒸發(fā)臺(tái) , 濺射蝕) 芯片切割測(cè)試臺(tái)，激光劃片機(jī)分選下 固晶（芯片粘貼）燈泡、顯示 固晶機(jī)、焊線機(jī)游 打線（焊接）樹脂屏、背光源 等封裝剪角應(yīng)用產(chǎn)品等上游外延生長，由于外延膜層決定了最終 LED光源的性能與質(zhì)量，是 LED 生產(chǎn)流程的核心， 用于外延片生長的 MOCVD也因其技術(shù)難度高、 工藝復(fù)雜成為近年來最受矚目， 全球市場(chǎng)壟斷最嚴(yán)重的設(shè)備。 因此，該設(shè)備的國產(chǎn)化受到了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的熱捧， 一些企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也啟動(dòng)了 MOCVD的研發(fā)，但何時(shí)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還是個(gè)未知數(shù)。此外，伴隨 LED

4、外延技術(shù)的不斷創(chuàng)新，特別是藍(lán)寶石襯底 (PPS)加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，藍(lán)寶石襯底刻蝕設(shè)備也逐漸成為 LED外延片制造技術(shù)核心關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，其工藝水平直接影響到成膜性能， 越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。 作為國內(nèi)半導(dǎo)體裝備業(yè)的新星， 北方微電子借助多年從事半導(dǎo)體、 太陽能高端設(shè)備制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為 LED生產(chǎn)領(lǐng)域的刻蝕應(yīng)用專門開發(fā)了 ELEDETM330ICP刻蝕設(shè)備，并已成功實(shí)現(xiàn)了 PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線上的應(yīng)用， 這可以稱得上是 LED生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化領(lǐng)域的突破，勢(shì)必對(duì) LED設(shè)備國產(chǎn)化起到推動(dòng)和帶頭作用。二、中游芯片制造主要設(shè)備現(xiàn)狀中游芯片制造用于根據(jù) LED的性能需求進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)。

5、 主要設(shè)備主要包括刻蝕機(jī)、光刻機(jī)、蒸發(fā)臺(tái)、濺射臺(tái)、激光劃片機(jī)等。1刻蝕工藝及設(shè)備刻蝕工藝在中游芯片制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用（見表 2），而隨著圖形化襯底工藝被越來越多的 LED企業(yè)認(rèn)可，對(duì)圖形化襯底的刻蝕需求也使 ICP 刻蝕機(jī)在整個(gè) LED產(chǎn)業(yè)鏈中的比重大幅度提升。更大產(chǎn)能、更高性能的 ICP 刻蝕機(jī)成為LED主流企業(yè)的需求目標(biāo)，在產(chǎn)能方面要求刻蝕機(jī)的單批處理能力達(dá)到每盤 20 片以上，機(jī)臺(tái)具有更高的利用率和全自動(dòng) Cassette to Cassette 的生產(chǎn)流程；由于單批處理數(shù)量增大， 片間和批次間的均勻性控制更加嚴(yán)格； 此外，更長的維護(hù)周期和便捷的人機(jī)交互操作界面也是面向大生產(chǎn)線設(shè)備必

6、備的條件。 而北方微電子所開發(fā)的 ELEDETM330刻蝕機(jī)，集成了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，用半導(dǎo)體刻蝕工藝更為精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求來實(shí)現(xiàn) LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝， 完全滿足大生產(chǎn)線對(duì)干法刻蝕工藝的上述要求。2. 光刻工藝及設(shè)備光刻工藝是指在晶片上涂布光阻溶液， 經(jīng)曝光后在晶片上形成一定圖案的工藝。LED芯片生產(chǎn)中通過光刻來實(shí)現(xiàn)在 PSS工藝中形成刻蝕所需特定圖案掩模以及在芯片制造中制備電極。 LED光刻工藝主要采用投影式光刻、接觸式光刻和納米壓印三種技術(shù)。 接觸式光刻由于價(jià)格低， 是目前應(yīng)用主流， 但隨著 PSS襯底普及，圖形尺寸精細(xì)化，投影式光刻逐漸成為主流。納米壓印由于不需光阻，工藝簡單，綜合成本

7、較低，但由于重復(fù)性較差，還處于研發(fā)階段。表 2 LED 上中游刻蝕設(shè)備的應(yīng)用刻蝕工藝刻蝕工藝分類說明應(yīng)用上游中游圖形化襯 緩解異質(zhì)外延生長中氮化物底外延層由于晶格失配引起的應(yīng)力，大大降低氮化物材料中的位錯(cuò)密度，提高器件的內(nèi)量子效率。同側(cè)電極 對(duì)于采用絕緣襯底的LED芯刻蝕片，兩個(gè)電極需要做在器件的同一側(cè)。因此，這就要采用蝕刻方法暴露出N 型層以制作 N 型電極。表面微結(jié) 在芯片表面刻蝕大量尺寸為構(gòu)光波長量級(jí)的小結(jié)構(gòu)，以此擴(kuò)展出光面積，改變光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。表面粗糙 將那些滿足全反射定律的光化改變方向，繼而在另一表面或反射回原表面時(shí)不被全反射而透過界面，并能起防反

8、射的功能。器件隔離 刻蝕 GaN，AlGaN，AlGaInP，刻蝕到襯底部分。將整張芯片劃分成 LED芯粒。國內(nèi) LED生產(chǎn)用接觸式光刻機(jī)主要依賴進(jìn)口，投影式光刻機(jī)多為二手半導(dǎo)體光刻機(jī)翻新。而鑒于國內(nèi)光刻設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和在翻新業(yè)務(wù)中取得的經(jīng)驗(yàn)積累，相信假以時(shí)日開發(fā)出國產(chǎn)的LED光刻設(shè)備的前景一片光明。 納米壓印是通過模版熱壓的技術(shù)制備納米級(jí)圖形，在美國、臺(tái)灣等均有較深入的研究，工業(yè)化應(yīng)用還不成熟，但仍存在較大的應(yīng)用潛力。3蒸鍍工藝及設(shè)備蒸鍍工藝是指在晶片表面鍍上一層或多層ITO 透明電極和 Cr、 Ni 、Pt 、Au等金屬，一般將晶片置于高溫真空下，將熔化的金屬蒸著在晶片上。 LED

9、芯片生產(chǎn)中采用蒸鍍工藝在晶片上焊接電極并通過蒸鍍金屬加大晶片的電流導(dǎo)電面積。蒸鍍臺(tái)按能量來源主要分為熱蒸鍍臺(tái)和電子束蒸鍍臺(tái)， 鑒于作為電極的金屬熔點(diǎn)高，金屬附著力要求較高， LED行業(yè)普遍使用電子束蒸鍍機(jī)（ Ebeam Evaporator ）。目前國內(nèi) LED生產(chǎn)用蒸鍍臺(tái)目前仍以進(jìn)口為主。 國內(nèi)雖然已掌握蒸鍍臺(tái)原理，并能自行制造實(shí)驗(yàn)室用蒸鍍臺(tái)，但由于自動(dòng)化程度、工藝重復(fù)性、均勻性等問題， 沒有進(jìn)入大生產(chǎn)線使用。 鑒于 LED電極沉積用蒸鍍臺(tái)相比半導(dǎo)體PVD設(shè)備難度較低這一情況，國內(nèi)具有半導(dǎo)體 PVD設(shè)備開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)備商，將有能力實(shí)現(xiàn) LED蒸鍍臺(tái)國產(chǎn)化。4PECVD工藝及設(shè)備PECVD（等離

10、子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積）工藝是在完成外延工藝后，在晶片表面鍍上一層 SiO2 或 SiNx，作為電極刻蝕需要的硬掩模，以增大掩模與 GaN外延層的刻蝕選擇比，獲得更好的刻蝕剖面形貌。目前 LED主流使用 PECVD一般為采用 13.56MHz的平板式 PECVD，在 250300 左右溫度進(jìn)行成膜，一次成膜可達(dá) 40 多片（ 2 寸襯底），國內(nèi) LED生產(chǎn)用 PECVD 目前仍以進(jìn)口為主。 LED采用 PECVD與傳統(tǒng) PECVD有相同的技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)仍在于溫度控制、等離子體技術(shù)、真空系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功晶硅太陽能電池用平板 PECVD設(shè)備，該設(shè)備與 LED用 PECVD設(shè)備有很

11、大的相通性，經(jīng)過局部硬件改進(jìn)設(shè)計(jì)，比較容易實(shí)現(xiàn) LED用 PECVD國產(chǎn)化。三、下游封裝制造主要設(shè)備現(xiàn)狀產(chǎn)業(yè)鏈下游為封裝測(cè)試以及應(yīng)用， 是指將外引線連接到中游生產(chǎn)的 LED芯片電極上，形成 LED器件，再將這些器件應(yīng)用于制造 LED大型顯示屏、 LED背光源等最終產(chǎn)品的過程。 在這一環(huán)節(jié)中使用的生產(chǎn)設(shè)備相對(duì)簡單， 并具備一定電子行業(yè)通用性，如固晶機(jī)、焊線機(jī)等。此外，在各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，還要使用到多種膜層性能、參數(shù)的檢測(cè)設(shè)備，如 X 射線衍射、光致發(fā)光譜儀、霍爾效應(yīng)檢測(cè)儀、橢偏儀、透射電鏡、掃描電鏡、電阻測(cè)試儀等，但這些檢測(cè)設(shè)備大多數(shù)為電子行業(yè)通用設(shè)備， 國內(nèi)外生產(chǎn)應(yīng)用已非常成熟。LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為 LED裝備帶來了廣闊的發(fā)展空間， 為我國 LED裝備的跨越式發(fā)展提供了前所未有的歷史機(jī)遇， 隨著高亮