第六章LED芯片主要制造設備

第六章LED芯片主要制造設備五邑大學MainContents6.1蒸鍍機系統(tǒng)6.2PECVD6.3ICP蝕刻機6.4涂布機6.5曝光機6.1蒸鍍機系統(tǒng)6.1.1工作原理

利用高壓電使鎢絲圈產(chǎn)生電子束,利用加速電極將電子引出,再通過偏向磁場,將電子束彎曲270度,引導打到坩堝內(nèi)的金屬源上,將高能電子束的動能轉(zhuǎn)化為融化待鍍材料的熱能使其局部融化。因在高真空下(4×10-6torr)金屬源之熔點與沸點接近,容易使其蒸發(fā),而產(chǎn)生金屬的蒸汽流,遇到晶片時即沉積在上面。蒸鍍機的操作步驟

坩堝四周仍需要有良好的冷卻系統(tǒng),將電子束產(chǎn)生的熱量帶走,避免坩堝過熱融化,形成污染源。6.1.2機臺及附屬設備圖6-1（b）機械泵浦和魯式泵浦油封式機械泵浦：

借泵浦腔體內(nèi)的轉(zhuǎn)子(rotor)和靜子(stator)連續(xù)接觸進行進氣、壓縮、和排氣的行程，因為轉(zhuǎn)子和靜子在運動過程中為連續(xù)接觸，因此必須采取潤滑的措施，以減少磨損及排除摩擦熱。油封式機械幫浦操作的壓力范圍寬(1atm~10-3torr)，且可以得到不錯的壓縮比，設計較為簡單，其終極真空度可達到10-4torr。魯式泵浦：

其特性是在中度真空時有很好的抽氣速率，相對的在接近大氣壓的低真空領域則抽氣速率不佳，因此魯式真空幫浦常用在串連油封式機械幫浦或其它干式真空幫浦，以加大真空系統(tǒng)在中度真空的抽氣速率。因此魯式幫浦又被稱為機械式助力幫浦。圖6-1（c）冷凍幫浦基本原理：

冷凍幫浦抽氣是利用超低溫方式將氣體冷凍成固體，使得真空腔體內(nèi)各類氣體分子凍結(jié)，以達到極高的真空度。它是使用沸點最低的液態(tài)氦(4.2K)作為冷媒，在這個工作溫度下，除氦氣分子以外所有的氣體都凝結(jié)為固態(tài)，且蒸氣壓大部分都低于10-8Pa以下，不過對于氦、氬、氖三種氣體而言仍有相當?shù)恼魵鈮?。構造?/p>

壓縮機式冷凍幫浦，包括有壓縮機和膨脹室兩部分。它是利用高純度的氦氣（99.999％）作為冷媒，由壓縮機壓縮，經(jīng)冷凍管路送到膨脹室，利用氣體膨脹吸熱方式降低溫度，壓縮產(chǎn)生的熱能則由冷卻水帶走。基本參數(shù)：啟動壓力：低于10-1Pa；終極壓力：10-8Pa6.2PECVDPECVD（PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition）是等離子增強化學氣相沉積的英文縮寫。工作原理：借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體電離，在局部形成等離子體，而等離子體化學活性很強，很容易發(fā)生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。為了使化學反應能在較低的溫度下進行，利用了等離子體的活性來促進反應，因而這種CVD稱為等離子體增強化學氣相沉積(PECVD).實驗機理：是借助微波或射頻等使含有薄膜組成原子的氣體，在局部形成等離子體，而等離子體化學活性很強，很容易發(fā)生反應，在基片上沉積出所期望的薄膜。優(yōu)缺點優(yōu)點：基本溫度低；沉積速率快；成膜質(zhì)量好，針孔較少，不易龜裂。缺點：（1）設備投資大、成本高，對氣體的純度要求高；（2）涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音、強光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害；（3）對小孔孔徑內(nèi)表面難以涂層等。在LED芯片制程中，主要是用來制備SiO2薄膜。主要工藝步驟是將硅烷（SiH4）氣體與笑氣(N2O)在電漿的作用下電離，然后反應生成SiO2，其副產(chǎn)物為H2,N2。SiO2沉積在晶片的表面，副產(chǎn)物被抽走。反應方程式PECVDSiO2:SiH4+N2O→SiO2(+H2+N2)圖6-2（a）OXFORDPECVD機臺的主體部分圖6-2（b）OXFORDPECVD機臺內(nèi)部結(jié)構圖6.3ICP蝕刻機ICP系統(tǒng)主要由四部分組成：溫度控制系統(tǒng)、氣路部分、能量產(chǎn)生系統(tǒng)和真空系統(tǒng)?？涛g氣體由腔室上方引入到等離子體腔室，其流量由質(zhì)量流量計(MFC)控制；有兩套自動匹配網(wǎng)絡控制的射頻源，第一套(ICP功率)控制等離子體的產(chǎn)生，可以調(diào)節(jié)等離子體密度，第二套(RF功率)用來控制等離子體轟擊刻蝕表面的能量；刻蝕生成物從基片兩邊由高效率的渦輪分子泵抽走；基片溫控系統(tǒng)可以對基片的溫度進行控制，滿足不同基片溫度下刻蝕的需要?；驹恚焊晌g刻（dryetch）利用輝光放電(GlowDischarge)將特定氣體解離成正、負粒子的plasma，再利用偏壓將離子加速，濺擊（sputter）在被蝕刻物的表面，而將被蝕刻物質(zhì)原子擊出，同時利用電漿產(chǎn)生化學活性極強的原(分)子團，此原(分)子團擴散至待蝕刻物質(zhì)的表面，并與待蝕刻物質(zhì)反應產(chǎn)生揮發(fā)性之反應生成物。圖6.3ICP蝕刻機圖6.3ICP蝕刻機電漿(干式)蝕刻幾個過程：1)化學反應，屬等向性；2)離子輔助蝕刻，具方向性；3)保護層的形成，可避免側(cè)壁遭受蝕刻；4)生成物殘留的排除。在干式蝕刻中，隨著制程參數(shù)及電漿狀態(tài)的改變，可以區(qū)分為兩種極端的性質(zhì)的蝕刻方式，即純物理性蝕刻與純化學反應性蝕刻。物理化學刻蝕純物理性蝕刻可視為一種物理濺鍍(Sputter)方式，利用輝光放電，將惰性氣體如Ar，解離成帶正電的離子，再加速而具有足夠的動能來扯斷薄膜的化學鍵。純化學反應性蝕刻，則是利用電漿產(chǎn)生化學活性極強的原(分)子團，此原(分)子團擴散至待蝕刻物質(zhì)的表面，并與待蝕刻物質(zhì)反應產(chǎn)生揮發(fā)性之反應生成物。ICP所使用的氣體6種氣體：氯Cl2、氧O2、三氯化硼B(yǎng)Cl3、氬Ar、氦He、三氟甲烷CHF3?其中Cl2以及BCl3是蝕刻GaN的蝕刻主要氣體；?He是晶背冷卻用的氣體,晶圓背部氦氣循環(huán)流動可控制蝕刻時晶圓的溫度與溫度的均勻性，以避免光阻燒焦或蝕刻輪廓變形；?CHF3主要是清潔腔體表面以及側(cè)壁的氣體；?Ar及O2是清潔腔體輔助氣體。6.4涂布機圖6.4（a）芯源KS-S100C型涂布機圖6.4（b）涂布機工作臺圖6.4（c）工作原理圖旋轉(zhuǎn)涂膠：采用旋轉(zhuǎn)涂膠的方法涂上液相光刻膠材料。晶圓被固定在一個真空載片臺上，一定數(shù)量的液體光刻膠滴在晶圓上，然后晶圓旋轉(zhuǎn)得到一層均勻的光刻膠涂層。不同的光刻膠要求不同的旋轉(zhuǎn)涂膠條件，例如最初慢速旋轉(zhuǎn)（例如500rpm），接下來躍變到最大轉(zhuǎn)速3000rpm或者更高。6.5曝光機6.5.1黃光室曝光機需要在無塵黃光室環(huán)境中工作，即光刻。所有照明用光源均為黃色光波波長，這個工作室稱為黃光室。在無塵室內(nèi)感光干膜對黃光不敏感，因此感光劑不會曝光。IC晶方內(nèi)之圖案均有賴光阻劑（Photoresist）覆蓋在芯片上，再經(jīng)曝光，顯影而定型；而此光阻劑遇光線照射，尤其是紫外線（UV）即有曝光之效果，因此在顯影完畢以前之生產(chǎn)，均宜遠離此類光源。黃光之光波較長，使光阻劑曝光之效果很低，因此乃作為顯影前之照明光源。黃光室是進行IC晶片微影（Lithography）成像術的區(qū)域，將光阻（Photoresist）材料利用旋鍍法被覆在晶園上，而后再放置于曝光機下進行曝光，以使紫外線光源透過光罩（Mask）照射于光阻而得到感光圖像，最后再以藥劑進行顯影而得到實際圖像。早期光刻間用紅燈泡(無紫外線),70年代將制版的紅膜包在"管燈"上給光刻間照明,80年代光刻間用上特制的黃色瑩光燈。黃色led燈是可以用,但AC-50Hz不能直接用,需做電源專門配制無頻閃,使工作人員眼健康。原則上用紫外光照計檢測無紫外光(或很低量級)的光照都可用,而現(xiàn)實要考慮人員健康,安裝成本,更換便利。曝光波長早期曝光機的光源為全光譜光源，后演進到G-LINE（436nm）光源，目前最為廣泛使用的為I-LINE（365nm）光源，對于0.3μm線寬以下的IC制程，則需采用深紫外（deepUV）248nm光源，甚至X光或電子束，目前光源較采用高壓水銀（汞）弧燈，由于其特性頻譜，所以須經(jīng)過濾光片以獲得所需的I－LINE(365nm)光線。曝光材料酚醛樹脂-重氮萘醌正型光刻膠由于其優(yōu)異的光刻性能,在G-line(436nm)、I-line(365nm)光刻中被廣泛使用.G-line光刻膠膠、I-line光刻膠,兩者雖然都是用線型酚醛樹脂做成膜樹脂,重氮萘醌型酯化物作感光劑,但當曝光波長從G-line發(fā)展到I-line時,為適應對應的曝光波長以及對高分辨率的追求,酚醛樹脂及感光劑的微觀結(jié)構均有變化.在I-line光刻膠中,酚醛樹脂的鄰-鄰′相連程度高,感光劑酯化度高,重氮萘醌基團間的間距遠.溶解促進劑是I-line光刻膠的一個重要組分。曝光為了避免光阻在曝光前、曝光后受到曝光機以外的光線照射而曝光，所以整個作業(yè)必須在黃光室下進行，換言之，所有照明用的光源須加以過濾，照明燈底罩及各式隔間門及窗皆應具有過濾波長380nm紫外光的能力。注意：有些黃色透明板雖然具有黃光，但對于紫外光卻未完全隔絕，嚴格來說，這是不合格的產(chǎn)品。因為常被用于黃光室的5mm黃色壓克力板，在I－LINE（365nm）附近確有不少的穿透率。圖6.5（a）自動