LED芯片制程工艺

LED芯片制程工艺
LED封装 Ryan 2009年
LED制程工艺（红黄光系列）
LED制程主要可分为三个阶段：前段、中段、后段（也称：上游、 中游、下游。专业术语则为：材料生长，芯片制备和器件封装。）
如下表所示：
步骤
内容
前段
前段主要是外延片衬底以及外 延层的生长
中段
中段主要包括：研磨、蒸镀、 光刻、切割等过程
（续）
贴膜机
• 用于Wafer切割前，把Wafer很 好的贴于切割用膜的表面。
清 • 用于Wafer切割后，把Wafer表 洗 面经切割后留下的污物冲洗干净。
机
LED应用市场及前景
发光二极管的寿命一般很长，电流密度小于 1A/cm2的情况下，寿命可达1000000小时，即可 连续点燃一百多年。这是任何光源均无法与它竞 争的。
（续）
特殊环境和军事运用：由于LED光源具有抗 震性、耐候性，密封性好，以及热辐射低、体积 小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外 作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工 作环境之中。
其它应用：LED还可用于玩具、礼品、手电 筒、圣诞灯等轻工产品之中，我国作为全球轻工 产品的重要生产基地，对LED有着巨大的市场需 求。
切割
（续）
切割：晶棒长成以后就可以把它切割成一片一片的，也就是Wafer。
磊晶：
砷化镓磊晶依制程的不同，可分为LPE(液相磊晶)、MOCVD(有机金属气相磊 晶)及MBE(分子束磊晶)。LPE的技术较低，主要用于一般的发光二极管，而MBE的 技术层次较高，容易成长极薄的磊晶，且纯度高，平整性好，但量产能力低，磊晶 成长速度慢。MOCVD除了纯度高，平整性好外，量产能力及磊晶成长速度亦较 MBE为快，所以现在大都以MOCVD来生产。
汽车市场：车用市场是ＬＥＤ运用发展最快 的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等 指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、 转向灯、侧灯等。
背光源市场：ＬＥＤ作为背光源已普遍运用 于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机 仪表盘等众多领域。
（续）
交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度高、
反应式： Ga(CH3)3 +PH3= GaP+3CH4
LED制程工艺
基板（衬底）
GaAs
N-GaP-Si
基板（衬底）
GaInP-Al发光层 N-GaP-Si
基板（衬底）
P-GaP-Mg GaInP-Al发光层
N-GaP-Si
基板（衬底）
蒸镀Au（P面）
（续）
蒸镀AuBe（P面）

蒸镀Au（P面）
后段
后段则是根据不同的需要把做 好的LED封装成各种各样的形式
（续）
右图为一颗四元系LED芯 片的结构，其中： P-GaP-Mg 、 GaInP-Al、 N-GaP-Si、 GaAs是前段工序完成后的产 品；而上面五层和下面四层则 是中段工序要做的工作。
目前超高亮度发光二极管 红黄光系列用AlGaInP四元系 材料是性能最好的，其前段工 序的主要核心技术：MOVPE （有機金屬氣相磊晶法）。
• 多色彩：红、黄、 橙、绿、兰、白等。
• 下图为LED水下射 灯装潢效果图。
LED水下射灯 LED水下射灯装潢效果图
（续）
LED彩灯串
LED点阵显示屏
LED汽车尾灯
LED汽车防雾灯
LED彩灯
Dicing Saw Introduction
一般我们把Dicing Saw 称之为砂轮划片机，因为这 种设备所用的刀片本身就是 一个微型的砂轮，其厚度可 以小到0.015mm。
（续）
蒸镀Au（N面）
蒸镀AuGeNi（N面）
蒸镀Ni（N面）
（续）
蒸镀Au（N面） 黄光室涂胶
掩膜 版
光罩作业
（续）
光
照
显影、定影
腐蚀金、铍
（续）
去胶清洗
蒸镀钛（P面）
（续）
蒸镀铝（P面）
（续）
套刻前涂胶 光罩作业（套刻）
光
照
（续）
显影、定影 腐蚀铝、钛
Wafer半切 切割 上视图
Wafer全切
光罩作业
显影、定影
腐蚀金、铍
去胶清
合金洗
蒸镀钛、铝（P面）
涂胶
套刻
显影、定影
腐蚀铝、钛
去胶清洗
切割工序
客户要求较高的
半切 点测 全切
中游成品
客 一户 刀要 切求
不 高
送各封装厂
LED Wafer 的成长
融化 此过程是将置放于石英坩锅内的块状原材料加热至其融化温度之上，
此阶段中最重要的参数为坩锅的位置与热量的供应，若使用较大的功率来 融化原材料，石英坩锅的寿命会降低，反之功率太低则融化的过程费时太 久，影响整体的产能。 颈部成长
（续）
经过封装后的LED
相关设备
光罩对准曝光机
• 用于LED光罩对准曝光微影制程。 该设备是利用照相的技术，定义出所 需要的图形，因为采用感光剂易曝 光，得在黄色灯光照明区域内工作， 所以其工作的区域叫做「黄光区」
• 用于金属蒸镀（ITO，Al，Ti， Au，Ni，Mo，Pd，Pt，Ag）；金属 薄膜欧姆接触蒸镀 (四元LED，蓝 光LED，蓝光LD)制程。
单电子枪金属蒸镀系统
（续）
• 介电质薄膜厚度及折射率量测
光谱解析椭圆测厚仪
• 雜質熱退火處理 • 金半接面合金處理
高溫快速熱處理系統
（续）
晶片研磨機
• 晶片研磨（Sapphire、GaN、Si） • 晶片拋光
• 晶片研磨（GaAs、InP） • 晶片拋光
晶片研磨機／拋光機
（续）
切 割 机
• Dicing Saw 用于中道工序Wafer的切割。
主要技术特点：
空气静压主轴，恒力矩变频调速，具有精度高、刚性好、 磨擦小、寿命长等特点。
工作台采用滚动导轨， 光栅尺璧换控制，无误差积累， 高精度定位伺服电机，定位准确，交流伺服系统调速范 围宽，运行平稳。
采用工业计算机控制系统，故障实时检测，声光报警显 示，运行准确可靠。
主轴升降定位精度高，具有刃具磨损补偿功能。 多文件参数化摸式控制，适应多种材料、多种模式划切。
（续）
LED交通信号灯
特点：低耗电、高亮度、
高使用寿命 、可靠性高。
LED草坪灯
特点：耗电省、产生热量小、
寿命长、耐冲击，有红、黄、 绿、兰、白等多种发光颜色， 能满足不同场合对发光色彩的
要求。
（续）
特点：寿命长、节能 源、耐冲击、不易破 碎、交直流两用，可 代替传统的白炽灯。
（续）
• 采用超高亮LED器 件，无需滤色片， 即可生成所需颜色 。
当融浆的温度稳定之后，慢慢的将晶种往上拉升，并使直径缩小到一 定(约6mm)，维持此直径并拉长10-20cm，以消除晶种内的排差 (dislocation)，此种零排差(dislocation-free)的控制主要为将排差局限在颈 部的成长。 晶冠成长
长完颈部后，慢慢地降低拉速与温度，使颈部的直径逐渐增加到所需 的大小。 晶体成长
See You!!!
THANKS!
THE END
THANKS
Al Ti Au AuBe Au P-GaP-Mg GaInP-Al N-GaP-Si GaAs Au AuGeNi Ni Au
（续）
上游成品（外延片）
研磨（减薄、抛光）
去腊清洗、库房
正面涂胶保护（P面）
化学抛光
去胶清
腐蚀洗
清洗
蒸镀（P面）
清洗
蒸镀（N面）
LED 工艺
黄光室涂胶
涂胶前先涂光阻附着液
其过程首先是将GaAs衬底放入昂贵的有机化学汽相沉积炉（简MOCVD，又称 外延炉），再通入III、II族金属元素的烷基化合物（甲基或乙基化物）蒸气与非金 属(V或VI族元素）的氢化物（或烷基物）气体，在高温下，发生热解反应，生成 III-V或II-VI族化合物沉积在衬底上，生长出一层厚度仅几微米（1毫米＝1000微米） 的化合物半导体外延层。长有外延层的GaAs片也就是常称的外延片。外延片经芯 片加工后，通电就能发出颜色很纯的单色光，如红色、黄色等。不同的材料、不同 的生长条件以及不同的外延层结构都可以改变发光的颜色和亮度。其实，在几微米 厚的外延层中，真正发光的也仅是其中的几百纳米（1微米＝1000纳米）厚的量子 阱结构。
利用拉速与温度变化的调整来维持固定的晶棒直径，所以坩锅必须不 断的上升来维持固定的液面高度，于是由坩锅传到晶棒及液面的辐射热会 逐渐增加，此辐射热源将致使固业界面的温度梯度逐渐变小，所以在晶棒 成长阶段的拉速必须逐渐地降低，以避免晶棒扭曲的现象产生。 尾部成长
当晶体成长到固定(需要)的长度后，晶棒的直径必须逐渐地缩小，直 到与液面分开，此乃避免因热应力造成排差与滑移面现象。
目前市场上主要的品牌 有Uni-Tek(台湾)、Disco(日 本)、Loadpoint英国)、TSK (日本)、CETC (四十五所)等 品牌，而占主导地位的是日 本的Disco。
（续）
设备用途：
该种设备主要应用于光电业、IC半导体业、电子业、 光电通讯业，用于硅集成电路、发光二极管、铌酸锂、 压电陶瓷、石英、砷化镓、磷化铝镓铟、蓝宝石、氧 化铝、氧化铁、玻璃等材料的划切加工。
寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅 增加。厦门市自2000年采用第一座LED交通信号灯后， 如今全市100多座交通信号灯已有近70％更换为LED， 上海市则明文规定，新上的交通信号灯一律采用LED。
户外大屏幕显示：由于高亮度LED能产生红、绿、
蓝三原色的光，LED全彩色大屏幕显示屏在金融、证券、 交通、机场、邮电等领域备受青睐。近两年，全彩色 LED户外显示屏已代替传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等 成为主流，尤其是在全球各大型体育场馆几乎已成为 标准配备。