LED图形化蓝宝石衬底

LED图形化蓝宝石衬底项目可行性报告一、立项的背景和意义在大尺寸背光源渗透率快速提升、照明产品需求逐步扩大等新兴应用领域快速发展的带动下，近几年，全球LED市场保持了快速的增长，成为半导体行业中的发展亮点。

LED因其节能、环保、长寿命、耗能低、体积小、应用灵活、控制方便等特点，LED的应用前景非常广阔，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等领域。

在资源日渐衰竭的今日，环保、节能是各产业发展的重心，LED的出现为人类的生活世界带来新革命、新科技。

近年来，随着全球半导体照明产业升温，欧、美、日等纷纷推出半导体照明计划。

白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。

白光LED的应用市场非常广泛，也是取代白炽钨丝灯泡及荧光灯的“杀手”。

目前，白色LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。

蓝宝石晶体是目前半导体照明产业发展过程中使用最为广泛的的衬底材料，蓝宝石具有高强度、高熔点、物理化学性能稳定等特性，在军事、航天航空、光学、生物、分析、半导体基片以及在高速信息处理、电子光子装置的微型化、智能化方面得到广泛的应用。

随着半导体照明技术的不断发展，LED越来越多的进入到各种照明领域中。

LED照明市场的迅速发展，成为蓝宝石应用市场扩展的又一重要力量。

LED产业中提高器件的内量子效率和光萃取效率是一个一直困扰产业界的问题，业内技术人员不断尝试各种方法去提高器件的发光效率，其中影响内量子效率和光萃取效率的因素主要是衬底与外延层的晶格失配合热膨胀系数适配，以及不同材料间由于折射率不同造成的光全反射，从而使光无法出射的问题。

蓝宝石衬底和氮化镓材料存在巨大的晶格失配（16%）和热膨胀系数失配（34%），所以异质外延的GaN材料内部具有很高的位错密度（109——1011cm-2），这会引起载流子泄漏和非辐射复合中心增多等不良影响，降低器件的内量子效率；另一方面，由于GaN材料折射率（2.4）高于蓝宝石衬底（1.7）以及外部封装树脂（1.5），使得有源区产生的光子在GaN上下界面发生多次全反射，严重降低器件的光提取效率。

图形化衬底技术通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行LED材料外延。

图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率；同时，粗糙化的GaN蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率。

基于图形化衬底（简称PSS）的外延材料制成的LED器件参数表明，其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底制作的器件光功率增加约30％，因此采用PSS衬底是提高氮化镓基发光二极管出光效率的一种有效方法。

当PSS能使外延性能增加的学术文献提出后，韩国大小厂就急起直追，率先采用PSS作为蓝光外延的基板材料，经过三数年努力，其LED晶粒亮度已能威胁到台日等外延大厂；因此造就了09年起九成以上的外延业者把原有平板基板开始全面更换为PSS的风潮。

随着09年以后比例的提升，表1的估算明年PSS预计需求量达到每月近100万片，当年全球市场规模达到2.5亿美金以上。

图形化蓝宝石市场需求状况以及三年市场预估(单位：万片)PSS市场规模如此巨大，目前PSS的制造主要集中于韩国和台湾，日系厂家主要是Nichia或Toyoda Gosei在制造和使用，并不外售。

韩系PSS厂商Theleds、Plustek等带领的PSS主流规格在两年间快速改变，从<3um底宽/2um间距/1.5um高>，逐渐微缩到目前的<2um底宽/1um间距/1.5um高>，甚至是良率更低的<2um底宽/1um间距/1.7um高>。

目前韩国光刻机总数为32台，PSS产能约为48万片，从目前韩国蓝宝石基板还需要从台湾进口来看，仍然缺口很大。

台湾制造PSS的主要厂家及其产能如表2所示，按光刻机台总数计算，总共产能约为为42万片，按照目前市场情况，台湾岛内约450台MOCVD，蓝宝石基板需要约80万片，按照比例计算，PSS 需求量约为40万片，加之蓝宝石供应紧张，目前台湾岛内PSS产能难以满足台湾岛内需求。

大陆PSS目前处于起步阶段，具有一定规模的有三安、中镓，而外延厂家所制PSS一般都自给，中镓据说是引进韩国技术，可以少量出货，但对于迅速膨胀的国内LED产业可以说是杯水车薪。

另外蓝宝石厂家难以涉足半导体光刻，而外延厂自己来做的话，一方面对于IC的光刻工艺了解较少，另外又会为基片的供应发愁，所以国内尚未有规模化的厂家。

总而言之，不论是日本、台湾，还是韩国，目前都只能满足国内需求，PSS市场机遇不可估量。

同时本项目产品符合国家产业政策，符合浙江省十二五重大科技专项实施方案中的“新材料技术专项。

拟解决的重大技术问题及主要方向：功能、智能材料设计、制备与应用关键技术，重点研发半导体照明及其配套材料产业化技术”。

二、国内外研究现状和发展趋势中国科学院半导体研究所研发团队在pss制备技术方面申请了几项专利，主要包括：1）在蓝宝石衬底上淀积一层SiO2，利用常规光刻技术用光刻胶在SiO2上制备掩膜，然后用氢氟酸和氟化铵的混合水溶液将光刻胶上的图形转移通过刻蚀SiO2层的方法转移至SiO2层，然后用图形化的SiO2层作掩膜，用硫酸和磷酸的混合水溶液在高温（270℃）下刻蚀蓝宝石，最终将图形转移至蓝宝石上，然后利用稀释的氢氟酸洗去SiO2层并清洗后得到pss。

现国内采用这种方法来制备的企业有厦门三安光电等。

2）在蓝宝石表面淀积一层金属薄膜，退火处理后金属薄膜形成无定形的图形化的金属掩膜，利用ICP刻蚀后将得到的图形转移到蓝宝石上，之后用酸腐蚀掉金属层后经过清洗得到pss。

3）在蓝宝石衬底上淀积一层SiO2层或者氮化硅（Si3N3），然后在其上淀积一层金属层，低温退火后形成纳米级的金属颗粒，利用这些颗粒作为掩膜刻蚀SiO2或者Si3N3层，用酸洗去金属层后得到纳米级图形的SiO2或者Si3N3掩膜，利用这层掩膜再刻蚀蓝宝石将图形最终转移至蓝宝石上，用酸洗去SiO2或者Si3N3掩膜并清洗后就得到了pss。

这种方法的优点是将图形可以缩小至纳米级，并且成本也相对较低。

但是这种方法同样存在图形的均匀性较难控制，而且图形的排列也很难保证有序，对于GaN外延生长的质量改善能力有限，从而限制了其走向产业化的道路。

大陆PSS产业化目前处于起步阶段，有三安、中镓、迪源等产业链整合较高的LED厂家一般都自给，对于迅速膨胀的国内LED产业可以说是杯水车薪。

且国内的PSS产品开发均以2英寸为主，尚未有4英寸PSS产品出现在市场上。

相比较2英寸PSS，大尺寸PSS表面看只是外形增大，但涉及到的晶体要求，加工工艺参数、检测手段、设备要求等均有很大的不同，技术难度也大大增加。

项目单位自2011年开始研发并切入PSS产业，小尺寸（2英寸）的PSS已研制成功，并已投入小批量试产，市场需求旺盛，供不应求。

目前公司正准备加大研发投入，计划研制更大尺寸（4英寸及以上）PSS产品，并同时计划扩大产业化规模。

目前国内尚未有规模化生产和销售PSS产品的厂家。

项目单位的PSS产品已经得到了国内客户的广泛认可，且已经实现了给主流外延厂家持续量产供应。

相比于其他PSS生产厂商来说，无论在品质还是规模生产上，均已走在了行业的前列。

一旦4英寸PSS产品研制成功，项目单位将成为国内首家具备4英寸PSS产品量产能力的公司。

三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1、研究开发内容本项目主要研究产品的工艺技术，以及产品为后工序制造提高出光效率的技术问题。

本产品利用蓝宝石晶棒，通过特殊的超硬晶体切割、研磨、抛光，以及利用半导体黄光制程，加上反应耦合等离子（ICP）刻蚀技术，开发出能够提高后续氮化镓MOCVD外延质量的较大尺寸图形化蓝宝石衬底材料。

产品原理：PSS产品，是在蓝宝石抛光衬底的技术上利用光刻技术在其表面做出规则的有利于减少后续外延缺陷，提高外延质量的微型图像的一种产品，最终的目的是提高LED芯片的出光效率和内量子效率，产品的SEM（扫描电子显微镜）照片如下图所示：2、关键技术1）亚纳米级超光滑的表面加工技术通过铜盘抛光和化学机械抛光（CMP）两步抛光工艺，以及对工艺方法、工艺流程的不断创新和改进，可以实现表面粗糙度小于0.3nm(10-7mm)的外延级超光滑表面，更加有利于后续LED芯片制程中氮化镓外延的生长，提升了外延晶体的品质以及LED的出光效率。

2）热处理工艺技术结合水晶生长加工技术，利用高温退火炉，采用超高温（超过1200℃）热处理工艺，控制退火时间及相关工艺参数，通过对蓝宝石衬底热处理工艺的改进，有效去除衬底片内部应力，改善翘曲对外延的影响。

为后工程（MOCVD）的GaN生长提供性能良好的基底。

3）高效率的研磨工艺技术通过对蓝宝石衬底双面研磨方法以及材辅料使用的优化，通过控制最佳的加工速度、优化工装夹具设计，不但大幅提升了加工效率并且有效改善表面质量，去除晶片微米级表面破坏层和应力层对外延的不良影响，同时满足蓝宝石衬底的批量化加工需求。

4）高精度的检测技术通过设计检测工装夹具及检测方法，采用非接触式光学轮显微镜、大倍率电子显微镜(大于10万倍放大倍率)，以及高精度光学膜厚仪的组合式检测方法，对影响外延的几个重要指标，包括表面粗糙度、翘曲度、弯曲度以及总厚度变化量等进行高精度的精密检测，检测精度在10-5mm以上。

严格控制对外延级蓝宝石衬底的加工质量。

5）开盒即用的清洗包装技术通过对蓝宝石LED衬底超声波清洗工艺的研究与控制，利用半导体级百级净房、清洗剂和包装材料的选用。

实现了检验、出厂、运输过程中不增加0.1um以上灰尘颗粒，保证LED外延厂开盒即用的要求，降低客户的成本，提升产品的品质。

6）高精度的晶体定向切割技术通过高精度多线切割设备的引进和对切割技术的不断探索，以及X射线定向仪对切割角度的控制，测量精度误差控制在10秒以内。

实现满足外延需要的蓝宝石衬底的定向要求。

7）与GaN外延工艺相匹配的最佳蓝宝石图形方案通过对图形化蓝宝石衬底的GaN基LED制备技术的研究，获得与大功率LED GaN外延匹配的最佳蓝宝石图形方案，从而大幅度提升GaN外延层的外延质量，提升器件的内量子效率和光萃取效率。

8）蓝宝石表面ICP等离子干法刻蚀工艺技术通过对ICP等离子干法刻蚀设备的改进及工艺技术参数的选择和优化，有效控制图形尺寸偏差，达到的良好均匀性好果。

3、主要创新点1）高精度光刻胶涂布工艺采用旋转涂布工艺，通过对设备转速精度、腔体排风的稳定性、以及设备所在环境的温湿度(厂房环境温度±1℃，湿度±5%)等各方面的严格控制，将光刻胶涂布工艺的膜厚在2um左右的尺寸下，均匀性控制在小于±3%的范围内，且不存在涂布缺陷。