LED倒裝芯片的制備【畢業(yè)答辯】課件

LED倒裝芯片的制備目錄研究背景研究?jī)?nèi)容結(jié)論致謝研究背景

隨著工業(yè)化程度的提高，世界能源消耗迅速增加，能源緊張問題日益突出。發(fā)光二極管(LED)是一種新型固態(tài)照明光源，具有體積小、安全性高、穩(wěn)定性好、高光效、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有可能取代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈而成為第四代照明光源。目前，國(guó)內(nèi)大部分都在使用熒光燈等傳統(tǒng)光源，若用LED取代后可以減少22%的照明用電。

目前市場(chǎng)上的白光LED大部分采用正裝藍(lán)光LED和黃光熒光粉組合，而正裝藍(lán)光GaNLED芯片存在以下問題：1.藍(lán)寶石的熱導(dǎo)率比較低，影響器件的散熱性能

2.光出射時(shí)存在p電極的阻擋，降低了光提取效率3.驅(qū)動(dòng)電流小正裝LED的結(jié)構(gòu)與燈針對(duì)上述正裝LED芯片遇到的瓶頸問題，本文提出采用倒裝LED芯片結(jié)構(gòu)以改善其光電性能，主要內(nèi)容如下：（1）介紹LED的各種參數(shù)、LED芯片的基本制備工藝流程以及相關(guān)設(shè)備的工作原理；（2）制備倒裝LED芯片，與正裝芯片作對(duì)比，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。研究?jī)?nèi)容LED的基本理論

發(fā)光二極管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs、GaＮ、GaAsP等半導(dǎo)體制成的PN結(jié)光電子器件。發(fā)光是因?yàn)殡娮榆S遷復(fù)合產(chǎn)生光子，在LED的結(jié)構(gòu)中，載流子會(huì)被限制在有源層內(nèi)，這大大提高了少數(shù)載流子濃度，從而電子與空穴進(jìn)行輻射復(fù)合的可能性更大，提高了LED的發(fā)光效率。GaN基LED的基本結(jié)構(gòu)復(fù)合發(fā)光原理LED的光電參數(shù)正向工作電流正向工作電壓允許功耗最大正向直流電流最大反向電壓反向擊穿電壓反向漏電流發(fā)光效率內(nèi)量子效率外量子效率光提取效率光學(xué)特征參數(shù)光通量發(fā)光強(qiáng)度照度亮度色溫顯色指數(shù)主波長(zhǎng)電學(xué)特征參數(shù)綜合性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程

本研究的目標(biāo)是15*30mil倒裝藍(lán)光LED芯片，其制備工藝流程主要有：外延片清洗蒸鍍ITOITO光刻ITO合金沉積SiO2深刻光刻ICP深溝刻槽沉積SiO2蒸鍍N區(qū)引導(dǎo)層剝離去膠蒸鍍反射電極剝離去膠沉積SiO2光刻PAD蒸鍍PAD電極剝離去膠研磨130um測(cè)試分選

蒸鍍機(jī)合金爐Samco的RIE-212ICP刻蝕機(jī)PVA-Tepla-AG等離子去膠機(jī)MA-100e自動(dòng)曝光機(jī)OxfordPlasmalab80PlusPECVD所用設(shè)備(1)外延片的清洗

制備工藝流程

主要化學(xué)藥品：ACE（丙酮）、IPA（異丙醇）、HCL、H2SO4、H2O2等。在55℃的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min、在HCL(HCL：H2O為1：1）中浸泡5min、70℃的511（H2SO4、H2O2、H2O為5：1：1）中浸泡3minQDR清洗，即用去離子水噴淋后，當(dāng)水阻大于15MΩ之后，結(jié)束淋洗，最后甩干。外延片目的：清洗晶片表面的顆粒、有機(jī)物殘留、無機(jī)物殘留、需要去除的氧化層等。(2)ITO的蒸鍍、光刻與刻蝕光刻版Ⅰ

先在ITO蒸鍍機(jī)上蒸鍍一層ITO，厚度在1200?左右MESA光刻，先進(jìn)行涂正膠，接著前烘、曝光、顯影去膠：將晶片浸入NMP（二甲基吡咯烷酮）中，在超聲波加熱器中5min，溫度為75℃；接著進(jìn)行浸入IPA中兩次，每次1min；接著進(jìn)行QDR清洗合金：在合金爐中進(jìn)行合金，設(shè)定溫度550℃，時(shí)間為90sITO的刻蝕：先在ITO刻蝕液中刻蝕，溫度為60℃左右，然后再進(jìn)行ICP刻蝕適當(dāng)時(shí)間(3)ICP深刻溝槽沉積SiO2:厚度大約為10000?光刻：先涂增粘劑，然后涂正膠、前烘，曝光，顯影、堅(jiān)膜、等離子去膠；ICP刻蝕：時(shí)間約15min

去膠、QDR清洗SiO2腐蝕：所用溶液為BOE，其成分為HF、NH4F，刻蝕約2min光刻版Ⅱ（4）蒸鍍N區(qū)引導(dǎo)層清洗:在55℃的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗光刻：先涂增粘劑，然后涂負(fù)膠、前烘，曝光，顯影、堅(jiān)膜、等離子去膠；蒸鍍N區(qū)引導(dǎo)層：蒸鍍Cr/Al/Cr，厚度分別為20?、1500?、2000?，設(shè)定蒸鍍速度為1?/s、20?/s、1?/s撕金、去膠、QDR清洗SiO2腐蝕：所用溶液為BOE，其成分為HF、NH4F，刻蝕約1min沉積SiO2:厚度大約為3000?光刻版Ⅲ（5）蒸鍍反射電極清洗:在55℃的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗光刻：先涂增粘劑，然后涂負(fù)膠、前烘，曝光，顯影、堅(jiān)膜、等離子去膠；蒸鍍反射電極：蒸鍍Ni/Ag/Cr，厚度分別為5?、2000?、1000?，蒸鍍速度為1?/s、5?/s、1?/s撕金、去膠、QDR清洗SiO2腐蝕：所用溶液為BOE，其成分為HF、NH4F，刻蝕約2min光刻版Ⅱ（6）光刻PAD電極清洗:在55℃的ACE中浸泡5min、IPA中浸泡1min，QDR清洗光刻：先涂增粘劑，然后涂負(fù)膠、前烘，曝光，顯影、堅(jiān)膜、等離子去膠；

去膠、QDR清洗SiO2腐蝕：結(jié)合濕法刻蝕與干法刻蝕，即BOE與ICP刻蝕沉積SiO2:厚度大約為15000?光刻版Ⅳ（7）蒸鍍PAD電極蒸鍍PAD電極：蒸鍍Al/Ni/Au，厚度分別為8000?、1000?、1500?撕金、去膠、QDR清洗光刻：先涂增粘劑，然后涂負(fù)膠、前烘，曝光，顯影、堅(jiān)膜、等離子去膠光刻版Ⅴ后續(xù)工藝的處理倒裝芯片使用研磨機(jī)將藍(lán)寶石襯底磨掉130μm拋光處理用激光劃片機(jī)進(jìn)行劃片用裂片機(jī)將晶片分裂為獨(dú)立的LED芯片

正裝LED（8*15mil）的制備

正裝藍(lán)光芯片外延片清洗MESA光刻GaN刻蝕ITO光刻ITO刻蝕ITO合金沉積SiO2BP光刻SiO2刻蝕蒸鍍Au撕金合金研磨切割測(cè)試分選

正裝LED（8*15mil）的制備

正裝藍(lán)光芯片倒裝工藝需要六次光刻，而正裝工藝只需三次光刻在封裝時(shí)，倒裝只需將芯片與基板進(jìn)行貼裝，就不需要焊線工序，比正裝更簡(jiǎn)單，但其精度要求較高總的來說，倒裝芯片的工藝盡管省去了焊線過程，但工藝較之正裝還是比較復(fù)雜的，仍需要研究者們對(duì)工藝進(jìn)行研究，從而簡(jiǎn)化工藝流程。

與正裝LED制備對(duì)比

對(duì)制備的芯片進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果如表所示：

從數(shù)據(jù)對(duì)比中，可以看出：在主波長(zhǎng)與正向電壓方面，二者的差別不大倒裝芯片的驅(qū)動(dòng)電流較之正裝有顯著的提升，解決了正裝LED的驅(qū)動(dòng)電流小的問題，而大電流驅(qū)動(dòng)下，光效則更高，在大功率照明應(yīng)用中具有顯著的優(yōu)勢(shì)及廣闊的前景。結(jié)構(gòu)尺寸（mil）厚度（μm）主波長(zhǎng)（nm）正向電壓（V）最大正向電流（mA）亮度（mW）正裝8*1590±10447-4652.8-3.23028倒裝15*30140445-4602.9-3.3350150在結(jié)構(gòu)上，倒裝具有以下優(yōu)點(diǎn)：①倒裝結(jié)構(gòu)無需通過藍(lán)寶石散熱，從與基板的結(jié)合處散熱，由于基板的熱傳導(dǎo)比藍(lán)寶石更好，使得散熱性能好；②倒裝結(jié)構(gòu)芯片由于電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，表現(xiàn)出良好的電流擴(kuò)展性能和歐姆接觸性能，在大電流驅(qū)動(dòng)下，光效更高，可以作為大功率照明光源；③采用免金線封裝，避免了因金線損傷而產(chǎn)生的問題，提高了其安全性與可靠性；④對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)，光的輸出要經(jīng)過藍(lán)寶石、熒光粉和硅膠，它們的折射率依次為1.8、1.7、1.45。故其全反射臨界角大約為60°，而正裝結(jié)構(gòu)的臨界角在40°左右。因此倒裝結(jié)構(gòu)全反射臨界角更大，降低了因光線全反射造成的損失，提高了光提取效率；⑤倒裝芯片的尺寸可以做得更小，光電參數(shù)更容易匹配，且成本低，封裝性好。正裝與倒裝LED的結(jié)構(gòu)如圖a、b

倒裝芯片以其優(yōu)異的性能，可靠性高，散熱好，光效高，驅(qū)動(dòng)電流大，并且性價(jià)比很高，在LED市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有很大的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)電流大，免金線封裝，使“倒裝芯片+芯片級(jí)封裝”成為L(zhǎng)ED行業(yè)研究的熱門和發(fā)展趨勢(shì)。雖然LED正裝芯片依然占據(jù)著照明市場(chǎng)的大多份額，但倒裝芯片的散熱好，光效高，驅(qū)動(dòng)電流大，并且性價(jià)比很高，使其在一些高端照明、背光源等要求較高的場(chǎng)合發(fā)揮著越來越重要的作用，在超大功率照明、戶外照明、汽車照明、大尺寸背光、投影儀、閃光燈等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)展與應(yīng)用

1.倒裝芯片的制備工藝流程主要有六次光刻：ITO光刻、ICP深刻溝槽、N區(qū)引導(dǎo)層光刻、反射電極光刻、光刻PAD、蒸鍍PAD電極光刻。其中，ICP深刻溝槽與光刻PAD有一定的難度，前者的溝槽只有十幾微米，且要刻蝕到N-GaN層，對(duì)光刻的精度要求較高；后者為了防止芯片漏電，沉積了很厚的SiO2，刻蝕SiO2時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)光刻膠被完全刻蝕而SiO2卻沒被刻蝕的情況。在實(shí)驗(yàn)中，通過嚴(yán)格控制ICP刻蝕的參數(shù)及干法與濕法相結(jié)合刻蝕SiO2來解決上述兩個(gè)問題。

2.倒裝工藝與正裝相比，光刻過程更復(fù)雜些；封裝時(shí)，較簡(jiǎn)單，只需將芯片與基板進(jìn)行貼裝，不需要焊線工序，但其對(duì)精度的要求較高。總的來說，倒裝芯片制備工藝還有很大的提升空間；3.與正裝結(jié)構(gòu)相比，倒裝結(jié)構(gòu)具有