LED的生产工艺流程及设备.ppt

LED的生产工艺流程及设备 黄健全 2007.3 主要内容 LED生产工艺流程； LED衬底材料制作； LED外延制作； Led生产工艺流程 1、所用硅衬底在放入反应室前进行清洗。先用 H2SO4 H2O2 (3 1) 溶液煮 10min 左右 ,再用 2%HF溶液腐蚀 5min 左右 , 接着用去离子水清洗 ,然后用 N2吹干。 2、衬底进入反应室后在 H2气氛中于高温进行处理 ,以去除硅 衬底表面氧化物。 3、然后温度降至 800 左右 ,生长厚约 100埃的 AlN缓冲层。 4、接着把温度升至 1050 生长 200nm 偏离化学计量比 (富镓 生长条件 )的 GaN高温缓冲层。 5、再生长 0.4m厚未掺杂的 GaN。 6、接着生长 2m厚掺 Si的 n型 GaN,接下来在 740 生长 5个周 期的 InGaN多量子阱有源层。 7、以及在 990 生长 200nm 的 p 型 GaN。 Led生产工艺流程 8、生长结束后， 样 品置于 N2中于 760 进行退火 , 9、然后再对样品进 行光刻和 ICP刻蚀。 Ni/Au和 Ti/Al/ Ni/ Au分别用作 p型 GaN和 n型 GaN 的 欧姆接触电极。 LED生产工艺流程 LED透明电极 LED生产工艺流程 蓝宝石衬底 LED（正装、倒装） LED生产工艺流程 蓝宝石衬底紫外 LED LED生产工艺流程 蓝宝石衬底白光 LED LED生产工艺流程 多 晶 硅 衬 底 制 作 芯 片 制 作 外 延 生 长 L E D 所举例子只是一种 LED制作工艺， 不同的厂家都有自己独到的一套制作工 艺，各厂家所使用的设备都可能不一样， 各道工序的作业方式、化学配方等也不 一样，甚至不同的厂家其各道制作工序 都有可能是互相颠倒的。 但是万变不离其宗，其主要的思想 都是一样的：外延片的生长（ PN结的 形成） -电极的制作（有金电极，铝电 极，并形成欧姆接触） -封装。 LED衬底材料制作 硅的纯化 长晶 切片 晶边磨圆 晶面研磨 晶片蚀刻 退火 晶片抛光 晶片清洗 检验 /包装 LED衬底材料制作 -硅的纯化 硅石 (Silica)焦炭、煤及木屑等原料混合置于石墨沉浸 的加热还原炉中，并用 1500-2000 的高温加热，将氧 化硅还原成硅，此时硅的纯度约为 98左右，在纯度 上达不到芯片制作的要求，要进一步纯化： 1）盐酸化：将冶金级的多晶硅置于沸腾的反应器中，通 往盐酸气以形成三氯化硅； 2）蒸馏：将上一步的低沸点产物（ TCS）置于蒸馏塔中， 将其他不纯物用部分蒸馏去除。 3）分解：将已蒸馏纯化的 TCS置于化学气相沉淀（ CVD） 反应炉中，与氢气还原反应而析出于炉中电极上，再 将析出的固态硅击碎成块状多晶硅。 LED衬底材料制作 西门 子式 工艺 多晶 硅 LED衬底材料制作 -长晶 经过纯化得到的电子级硅虽然纯度很高，可达 99.9999 99999%，但是结晶方式杂乱，又称为多 晶硅，必需重排成单晶结构，因此将电子级硅置 入坩埚内加温融化，先将温度降低至一设定点， 再以一块单晶硅为晶种，置入坩埚内，让融化的 硅沾附在晶种上，再将晶种以边拉边旋转方式抽 离坩埚，而沾附在晶种上的硅亦随之冷凝，形成 与晶种相同排列的结晶。随着晶种的旋转上升， 沾附的硅愈多，并且被拉引成表面粗糙的圆柱状 结晶棒。拉引及旋转的速度愈慢则沾附的硅结晶 时间愈久，结晶棒的直径愈大，反之则愈小。 LED衬底材料制作 长晶过程注意事项 LED衬底材料制作 -切片 切片是晶片成形的第一个步 骤，也是相当关键的一个步 骤。它决定了晶片的几个重 要规格： 晶面的结晶方向、晶片的厚 度、晶面斜度与曲度。 1）晶棒固定 2）结晶定位 切割 LED衬底材料制作 晶边磨圆 晶边磨圆主要有以下几个目的： 1）防止晶片边缘碎裂 2）防止热应力集中 3）增加外延层、光刻胶层在晶片边缘的平坦度 LED衬底材料制作 -研磨和蚀刻 晶面研磨 通以特定粒度及粘性的研磨液，加 外研磨盘的公转和自转，达到均匀 磨平晶片切片时留下的锯痕、损伤 等不均匀表面。 晶片蚀刻 蚀刻的目的在于除去先前各步机械 加工所造成的损伤，同时获得干净 且光亮的表面，刻蚀化学作用可区 分为酸性及碱性反应。 晶片研磨机 LED衬底材料制作 -退火与抛光 退火 将晶片置于炉管中施以惰性气体加热 30分 钟至一小时，再在空气中快速冷却，可以 将所有氧杂质限制作，这样晶片的电性 （阻值）仅由载流子杂质来控制，从而稳 定电阻。 晶片抛光 可分为边缘抛光与晶片表面抛光。 高温快速热处理系统 晶片研磨 /抛光机 LED衬底材料制作 -清洗、检验和包装 晶片清洗 用 RCA溶液（双氧水氨水或又氧水 盐酸），将前面工序所形成的污染去除。 检验（ INSPECTION）： 芯片在无尘环境中进行严格的检查，包 含表面的洁净度、平坦度以及各项规格 以确保品质符合顾客的要求。 包装（ PACKING） 通过检验的芯片以特殊设计的容器包装， 使芯片维持无尘及洁净的状态，该容器 并确保芯片固定于其中，以预防搬运过 程中发生的振动使芯片受损 清洗机 LED外延制作 在单晶衬底上生长一薄层单晶工艺，称 为外延； 长有外延层的晶体片称为外延片； 正向外延、反向外延； 同质外延、异质外延 ； 外延材料是 LED的核心部分。事实上； LED的波长、亮度、正向电压等主要光电 参数基本上取决于外延材料。 LED外延制作 禁带宽度适合 可获得电导率高的 P 型和 N型材料 可获得完整性好的优 质晶体 发光复合几率大 发光二极管的 外延技术要点 LED外延制作 外延技术与设备是外延片制造技术的关 键所在。 气相外延（ VPE） 液相外延（ LPE） 分子束外延（ MBE） 金属有机化合物气相外延（ MOCVD） 外延技术的分类 LED外延制作 从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法称液相外延。 液相外延方法是在 1963年由纳尔逊（ Nelson）提出的。 优点： 1生长设备比较简单； 2生长速率快； 3外延材料纯度比较高； 4掺杂剂选择范围较广泛； 5外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低； 6成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好； 7操作安全。 液相外延 (Liquid Phase Epitoxy， LPE) LED外延制作 -液相外延的缺点 当外延层与衬底的晶格失配大于 1%时生 长发生困难。 由于生长速率较快，难以得到纳米厚度 的外延材料。 外延层的表面形貌一般不如汽相外延的 好。 LED外延制作 液相外延的生长原理 LED外延制作 液相外延示意图 LED外延制作 实 际 液 相 外 延 设 备 LED外延制作 1、生长溶液配制 2、 外延生长前的准备工作 1）石墨舟处理 2）反应管处理 3）炉温设定 4）衬底制备 5）生长源称量 6）生长材料腐 蚀清洗 3、外延生长步骤 1）开炉 2）清洗玻璃和石英器皿 3）称好长溶剂后应立即装入石墨舟源槽中，以减少在 空气中的氧化和沾污； 4）抽真空和通氢气。 5）脱氧。 6）装源。 7）熔源。 8）外延生长 9）关炉取片 液相外延工艺流程 LED外延制作 气相外延 (Vapor Phase Epitoxy， VPE) VPE的原理是让生长原材料以气体或电浆粒子的形式传 输至芯片表面，这些粒子在失去部份的动能后被芯片 表面晶格吸附 (Adsorb)，通常芯片会以热的形式提供 能量给粒子，使其游移至晶格位置而凝结 (Condensation)。在此同时粒子和晶格表面原子因吸收 热能而脱离芯片表面称之为解离 (Desorb)，因此 VPE 的过程其实是粒子的吸附和解离两种作用的动态平衡 结果。 VPE 依反应机构可以分成： ( ) 化学气相沉积 (CVD) ( ) 物理气相沉积 (PVD) LED外延制作 -PVD PVD是原子直接以气态形式从淀积源运动到衬底表面从而形 成固态薄膜。它是一种近乎万能的薄膜技术，应用 PVD技术 可以制备化合物、金属、合金等薄膜 PVD主要可以分为蒸发淀积、溅射淀积。 蒸发淀积是将源的温度加热到高温，利用蒸发的物理现象实 现源内原子或分子的运输，因而需要高的真空，蒸发淀积中 应用比较广泛的热蒸发和电子束蒸发。 溅射主要利用惰性气体的辉光放电现象产生离子，用高压加 速离子轰击靶材产生加速的靶材原子从而淀积在衬底表面， 溅射技术的最大优点是理论上它可以制备任何真空薄膜，同 时在台阶覆盖和均匀性上要优于蒸发淀积。 除了主流 PVD，还有激光脉冲淀积、等离子蒸发、分子束外 延等补充形式。 LED外延制作 -CVD CVD是反应物以气态到达加热的衬底表面发生化学反 应，形成固态薄膜和气态产物。 利用化学气相淀积可以制备，从金属薄膜也可以制备 无机薄膜。 化学气相淀积种类很多，主要有：常压 CVD （ APCVD），低压 CVD（ LPCVD）、超低压 CVD （ VLPCVD）、等离子体增强型 CVD（ PECVD）、激光 增强型 CVD（ LECVD），金属氧化物 CVD（ MOCVD）， 其他还有电子自旋共振 CVD（ ECRCVD）等方法 按着淀积过程中发生化学的种类不同可以分为热解法、 氧化法、还原法、水解法、混合反应等。 LED外延制作 -CVD的优缺点 CVD制备的薄膜最大的特点是致密性好、高效率、良好的台阶 覆、孔盖能力、可以实现厚膜淀积、以及相对的低成本； 缺点是淀积过程容易对薄膜表面形成污染、对环境的污染等 常压 CVD（ APCVD）的特点是不需要很好的真空度、淀积速度 非常快、反应受温度影响不大，淀积速度主要受反应气体的 输运速度的影响。 LPCVD的特点是其良好的扩散性（宏观表现为台阶覆盖能 力），反应速度主要受淀积温度的影响比较大，另外温度梯 度对淀积的薄膜性能（晶粒大小、应力等）有很大的影响。 PECVD最大的特点是反应温度低（ 200 400 ）和良好的台 阶覆盖能力，可以应用在 AL等低熔点金属薄膜上淀积，主要 缺点是淀积过程引入的粘污；温度、射频、压力等都是影响 PECVD工艺的重要因素。 MOCVD的主要优点是反应温度低，广泛应用在化合物半导体 制备上，特别是高亮 LED的制备上。