LED的生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備.ppt

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1、LED的生產(chǎn)工藝流程及設(shè)備 黃健全 2007.3 主要內(nèi)容 LED生產(chǎn)工藝流程； LED襯底材料制作； LED外延制作； Led生產(chǎn)工藝流程 1、所用硅襯底在放入反應(yīng)室前進(jìn)行清洗。先用 H2SO4 H2O2 (3 1) 溶液煮 10min 左右 ,再用 2%HF溶液腐蝕 5min 左右 , 接著用去離子水清洗 ,然后用 N2吹干。 2、襯底進(jìn)入反應(yīng)室后在 H2氣氛中于高溫進(jìn)行處理 ,以去除硅 襯底表面氧化物。 3、然后溫度降至 800 左右 ,生長(zhǎng)厚約 100埃的 AlN緩沖層。 4、接著把溫度升至 1050 生長(zhǎng) 200nm 偏離化學(xué)計(jì)量比 (富鎵 生

2、長(zhǎng)條件 )的 GaN高溫緩沖層。 5、再生長(zhǎng) 0.4m厚未摻雜的 GaN。 6、接著生長(zhǎng) 2m厚摻 Si的 n型 GaN,接下來(lái)在 740 生長(zhǎng) 5個(gè)周 期的 InGaN多量子阱有源層。 7、以及在 990 生長(zhǎng) 200nm 的 p 型 GaN。 Led生產(chǎn)工藝流程 8、生長(zhǎng)結(jié)束后， 樣 品置于 N2中于 760 進(jìn)行退火 , 9、然后再對(duì)樣品進(jìn) 行光刻和 ICP刻蝕。 Ni/Au和 Ti/Al/ Ni/ Au分別用作 p型 GaN和 n型 GaN 的 歐姆接觸電極。 LED生產(chǎn)工藝流程 LED透明電極 LED生產(chǎn)工藝流程 藍(lán)寶石襯底 LED（正裝、倒裝） LED生產(chǎn)工藝

3、流程 藍(lán)寶石襯底紫外 LED LED生產(chǎn)工藝流程 藍(lán)寶石襯底白光 LED LED生產(chǎn)工藝流程 多 晶 硅 襯 底 制 作 芯 片 制 作 外 延 生 長(zhǎng) L E D 所舉例子只是一種 LED制作工藝， 不同的廠家都有自己獨(dú)到的一套制作工 藝，各廠家所使用的設(shè)備都可能不一樣， 各道工序的作業(yè)方式、化學(xué)配方等也不 一樣，甚至不同的廠家其各道制作工序 都有可能是互相顛倒的。 但是萬(wàn)變不離其宗，其主要的思想 都是一樣的：外延片的生長(zhǎng)（ PN結(jié)的 形成） ---電極的制作（有金電極，鋁電 極，并形成歐姆接觸） ---封裝。 LED襯底材料制作 硅的純化 長(zhǎng)晶 切片

4、晶邊磨圓 晶面研磨 晶片蝕刻 退火 晶片拋光 晶片清洗 檢驗(yàn) /包裝 LED襯底材料制作 --硅的純化 硅石 (Silica)焦炭、煤及木屑等原料混合置于石墨沉浸 的加熱還原爐中，并用 1500-2000 的高溫加熱，將氧 化硅還原成硅，此時(shí)硅的純度約為 98左右，在純度 上達(dá)不到芯片制作的要求，要進(jìn)一步純化： 1）鹽酸化：將冶金級(jí)的多晶硅置于沸騰的反應(yīng)器中，通 往鹽酸氣以形成三氯化硅； 2）蒸餾：將上一步的低沸點(diǎn)產(chǎn)物（ TCS）置于蒸餾塔中， 將其他不純物用部分蒸餾去除。 3）分解：將已蒸餾純化的 TCS置于化學(xué)氣相沉淀（ CVD） 反應(yīng)爐中，與氫氣還原

5、反應(yīng)而析出于爐中電極上，再 將析出的固態(tài)硅擊碎成塊狀多晶硅。 LED襯底材料制作 西門 子式 工藝 多晶 硅 LED襯底材料制作 --長(zhǎng)晶 經(jīng)過(guò)純化得到的電子級(jí)硅雖然純度很高，可達(dá) 99.9999 99999%，但是結(jié)晶方式雜亂，又稱為多 晶硅，必需重排成單晶結(jié)構(gòu)，因此將電子級(jí)硅置 入坩堝內(nèi)加溫融化，先將溫度降低至一設(shè)定點(diǎn)， 再以一塊單晶硅為晶種，置入坩堝內(nèi)，讓融化的 硅沾附在晶種上，再將晶種以邊拉邊旋轉(zhuǎn)方式抽 離坩堝，而沾附在晶種上的硅亦隨之冷凝，形成 與晶種相同排列的結(jié)晶。隨著晶種的旋轉(zhuǎn)上升， 沾附的硅愈多，并且被拉引成表面粗糙的圓柱狀 結(jié)晶棒。拉引及旋轉(zhuǎn)的速度愈慢則沾

6、附的硅結(jié)晶 時(shí)間愈久，結(jié)晶棒的直徑愈大，反之則愈小。 LED襯底材料制作 長(zhǎng)晶過(guò)程注意事項(xiàng) LED襯底材料制作 --切片 切片是晶片成形的第一個(gè)步 驟，也是相當(dāng)關(guān)鍵的一個(gè)步 驟。它決定了晶片的幾個(gè)重 要規(guī)格： 晶面的結(jié)晶方向、晶片的厚 度、晶面斜度與曲度。 1）晶棒固定 2）結(jié)晶定位 切割 LED襯底材料制作 晶邊磨圓 晶邊磨圓主要有以下幾個(gè)目的： 1）防止晶片邊緣碎裂 2）防止熱應(yīng)力集中 3）增加外延層、光刻膠層在晶片邊緣的平坦度 LED襯底材料制作 --研磨和蝕刻 晶面研磨 通以特定粒度及粘性的研磨液，加 外研磨盤的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)，達(dá)到均勻 磨平晶片切片時(shí)

7、留下的鋸痕、損傷 等不均勻表面。 晶片蝕刻 蝕刻的目的在于除去先前各步機(jī)械 加工所造成的損傷，同時(shí)獲得干凈 且光亮的表面，刻蝕化學(xué)作用可區(qū) 分為酸性及堿性反應(yīng)。 晶片研磨機(jī) LED襯底材料制作 --退火與拋光 退火 將晶片置于爐管中施以惰性氣體加熱 30分 鐘至一小時(shí)，再在空氣中快速冷卻，可以 將所有氧雜質(zhì)限制作，這樣晶片的電性 （阻值）僅由載流子雜質(zhì)來(lái)控制，從而穩(wěn) 定電阻。 晶片拋光 可分為邊緣拋光與晶片表面拋光。 高溫快速熱處理系統(tǒng) 晶片研磨 /拋光機(jī) LED襯底材料制作 --清洗、檢驗(yàn)和包裝 晶片清洗 用 RCA溶液（雙氧水氨水或又氧水 鹽酸）

8、，將前面工序所形成的污染去除。 檢驗(yàn)（ INSPECTION）： 芯片在無(wú)塵環(huán)境中進(jìn)行嚴(yán)格的檢查，包 含表面的潔凈度、平坦度以及各項(xiàng)規(guī)格 以確保品質(zhì)符合顧客的要求。 包裝（ PACKING） 通過(guò)檢驗(yàn)的芯片以特殊設(shè)計(jì)的容器包裝， 使芯片維持無(wú)塵及潔凈的狀態(tài)，該容器 并確保芯片固定于其中，以預(yù)防搬運(yùn)過(guò) 程中發(fā)生的振動(dòng)使芯片受損 清洗機(jī) LED外延制作 在單晶襯底上生長(zhǎng)一薄層單晶工藝，稱 為外延； 長(zhǎng)有外延層的晶體片稱為外延片； 正向外延、反向外延； 同質(zhì)外延、異質(zhì)外延 ； 外延材料是 LED的核心部分。事實(shí)上； LED的波長(zhǎng)、亮度、正向電壓等主要光電 參數(shù)

9、基本上取決于外延材料。 LED外延制作 禁帶寬度適合 可獲得電導(dǎo)率高的 P 型和 N型材料 可獲得完整性好的優(yōu) 質(zhì)晶體 發(fā)光復(fù)合幾率大 發(fā)光二極管的 外延技術(shù)要點(diǎn) LED外延制作 外延技術(shù)與設(shè)備是外延片制造技術(shù)的關(guān) 鍵所在。 氣相外延（ VPE） 液相外延（ LPE） 分子束外延（ MBE） 金屬有機(jī)化合物氣相外延（ MOCVD） 外延技術(shù)的分類 LED外延制作 從飽和溶液中在單晶襯底上生長(zhǎng)外延層的方法稱液相外延。 液相外延方法是在 1963年由納爾遜（ Nelson）提出的。 優(yōu)點(diǎn)： 1生長(zhǎng)設(shè)備比較簡(jiǎn)單； 2生長(zhǎng)速率快；

10、 3外延材料純度比較高； 4摻雜劑選擇范圍較廣泛； 5外延層的位錯(cuò)密度通常比它賴以生長(zhǎng)的襯底要低； 6成分和厚度都可以比較精確的控制，重復(fù)性好； 7操作安全。 液相外延 (Liquid Phase Epitoxy， LPE) LED外延制作 --液相外延的缺點(diǎn) 當(dāng)外延層與襯底的晶格失配大于 1%時(shí)生 長(zhǎng)發(fā)生困難。 由于生長(zhǎng)速率較快，難以得到納米厚度 的外延材料。 外延層的表面形貌一般不如汽相外延的 好。 LED外延制作 液相外延的生長(zhǎng)原理 LED外延制作 液相外延示意圖 LED外延制作 實(shí) 際 液 相 外 延 設(shè) 備 LED外延制作 1、生長(zhǎng)

11、溶液配制 2、 外延生長(zhǎng)前的準(zhǔn)備工作 1）石墨舟處理 2）反應(yīng)管處理 3）爐溫設(shè)定 4）襯底制備 5）生長(zhǎng)源稱量 6）生長(zhǎng)材料腐 蝕清洗 3、外延生長(zhǎng)步驟 1）開爐 2）清洗玻璃和石英器皿 3）稱好長(zhǎng)溶劑后應(yīng)立即裝入石墨舟源槽中，以減少在 空氣中的氧化和沾污； 4）抽真空和通氫氣。 5）脫氧。 6）裝源。 7）熔源。 8）外延生長(zhǎng) 9）關(guān)爐取片 液相外延工藝流程 LED外延制作 氣相外延 (Vapor Phase Epitoxy， VPE) VPE的原理是讓生長(zhǎng)原材料以氣體或電漿粒子的形式傳 輸至芯片表面，這些粒子在失去部份的動(dòng)能后被芯片 表面晶格吸附 (A

12、dsorb)，通常芯片會(huì)以熱的形式提供 能量給粒子，使其游移至晶格位置而凝結(jié) (Condensation)。在此同時(shí)粒子和晶格表面原子因吸收 熱能而脫離芯片表面稱之為解離 (Desorb)，因此 VPE 的過(guò)程其實(shí)是粒子的吸附和解離兩種作用的動(dòng)態(tài)平衡 結(jié)果。 VPE 依反應(yīng)機(jī)構(gòu)可以分成： ( ) 化學(xué)氣相沉積 (CVD) ( ) 物理氣相沉積 (PVD) LED外延制作 --PVD PVD是原子直接以氣態(tài)形式從淀積源運(yùn)動(dòng)到襯底表面從而形 成固態(tài)薄膜。它是一種近乎萬(wàn)能的薄膜技術(shù)，應(yīng)用 PVD技術(shù) 可以制備化合物、金屬、合金等薄膜 PVD主要可以分為蒸發(fā)淀積、濺射淀積。

13、蒸發(fā)淀積是將源的溫度加熱到高溫，利用蒸發(fā)的物理現(xiàn)象實(shí) 現(xiàn)源內(nèi)原子或分子的運(yùn)輸，因而需要高的真空，蒸發(fā)淀積中 應(yīng)用比較廣泛的熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)。 濺射主要利用惰性氣體的輝光放電現(xiàn)象產(chǎn)生離子，用高壓加 速離子轟擊靶材產(chǎn)生加速的靶材原子從而淀積在襯底表面， 濺射技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是理論上它可以制備任何真空薄膜，同 時(shí)在臺(tái)階覆蓋和均勻性上要優(yōu)于蒸發(fā)淀積。 除了主流 PVD，還有激光脈沖淀積、等離子蒸發(fā)、分子束外 延等補(bǔ)充形式。 LED外延制作 --CVD CVD是反應(yīng)物以氣態(tài)到達(dá)加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反 應(yīng)，形成固態(tài)薄膜和氣態(tài)產(chǎn)物。 利用化學(xué)氣相淀積可以制備，從金屬薄膜也可以制備 無(wú)機(jī)薄膜

14、。 化學(xué)氣相淀積種類很多，主要有：常壓 CVD （ APCVD），低壓 CVD（ LPCVD）、超低壓 CVD （ VLPCVD）、等離子體增強(qiáng)型 CVD（ PECVD）、激光 增強(qiáng)型 CVD（ LECVD），金屬氧化物 CVD（ MOCVD）， 其他還有電子自旋共振 CVD（ ECRCVD）等方法 按著淀積過(guò)程中發(fā)生化學(xué)的種類不同可以分為熱解法、 氧化法、還原法、水解法、混合反應(yīng)等。 LED外延制作 --CVD的優(yōu)缺點(diǎn) CVD制備的薄膜最大的特點(diǎn)是致密性好、高效率、良好的臺(tái)階 覆、孔蓋能力、可以實(shí)現(xiàn)厚膜淀積、以及相對(duì)的低成本； 缺點(diǎn)是淀積過(guò)程容易對(duì)薄膜表面形成污染、對(duì)環(huán)境的

15、污染等 常壓 CVD（ APCVD）的特點(diǎn)是不需要很好的真空度、淀積速度 非常快、反應(yīng)受溫度影響不大，淀積速度主要受反應(yīng)氣體的 輸運(yùn)速度的影響。 LPCVD的特點(diǎn)是其良好的擴(kuò)散性（宏觀表現(xiàn)為臺(tái)階覆蓋能 力），反應(yīng)速度主要受淀積溫度的影響比較大，另外溫度梯 度對(duì)淀積的薄膜性能（晶粒大小、應(yīng)力等）有很大的影響。 PECVD最大的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低（ 200 400 ）和良好的臺(tái) 階覆蓋能力，可以應(yīng)用在 AL等低熔點(diǎn)金屬薄膜上淀積，主要 缺點(diǎn)是淀積過(guò)程引入的粘污；溫度、射頻、壓力等都是影響 PECVD工藝的重要因素。 MOCVD的主要優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)溫度低，廣泛應(yīng)用在化合物半導(dǎo)體 制備上，特別是高亮 LED的制備上。