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。

2）微米级光刻工艺
通过对6英寸半导体步进式光刻设备的改造应用，在蓝宝石平片平整度较半导体硅片差3倍以上的情况下，解决了在1um级光刻下的失焦难题，使图形尺寸控制在±3%的范围内，确保图形的均匀性。

3）高效率高精度的亚微米蚀刻工艺
通过高效率高精度的ICP蚀刻设备，研究开发干法刻蚀工艺，将圆柱形的光刻胶掩膜刻蚀为圆锥形的最终图形。

达到了亚微米级别(最小图形尺寸<0.7um)的蚀刻水平。

解决大尺寸晶圆刻蚀均匀性问题，片内及片间圆锥形图形尺寸偏差<5%。

4）高精度的检测工艺
利用高分辨率的非接触式3D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，提高了检测的精度，对LED 图形化蓝宝石衬底的几个重要指标，包括光阻膜厚、图形尺寸等进行高精度的精密检测，检测精度均在纳米级别。

四、项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）
1、主要技术指标（以4英寸PSS为例）：
1）PSS图形微观图形尺寸要求:
序号项目质量要求
1 高度（H） 1.5±0.15μm
2 底部宽度（W） 2.4±0.2μm
3 总宽度(d) 3.0±0.2μm
2）LED图形化蓝宝石衬底表面缺陷标准如下表：
序号项目规格备注1 无效区域距边缘<2mm区域
2 脏污<200um的可见灰尘少于
40个
3 图形失效<500um的不正常图形小
于50个
4 图形缺失<500um的图形缺失小于
50个
5 划伤划伤长度<3mm,宽度<1mm,<6条
6 图形畸变不圆的图形小于总面积
的5%
3）光刻前平片材料要求
序号项目规格备注
1 材料纯度≥99.996%的单晶蓝宝石
2 直径100±0.25mm
3 厚度650±25μm
4 平边宽31.0±1mm
5 晶向C-plane 0.2° to M-axis ±0.1°
6 平边角度A-plane±0.3°
7 Bow -15～0μm
8 Warp ≤25μm
9 TTV ≤15μm
10 正面粗糙度≤0.3nm
11 背面粗糙度0.5～1.3μm
12 倒边R型
13 激光标记背面
14 表面质量无裂边、划痕、碎片
2、经济效益
本产品开发成功后，完成一条试制线建设，按4英寸片计，形成月产6000片的规模，年产7.2万片计算经济指标。

制造成本及各种费用合计约440元/片，售价按600元/片，年销售收入为4320
万元，利润总额约1150万元，净利润约980万元。

税金210万元。

3、技术应用
本产品主要用于生产高亮度LED的基础衬底材料。

4、产业化前景及社会效益
本产品完成开发后，建成一条生产线，预计能形成年产7.2万片4英寸PSS（图形化蓝宝石衬底）生产能力，预计每年新增销售收入4320万元。

本项目执行期计划两年时间，自2012年1月至2013年12月，执行期内前1年主要研发，后1年完善工艺技术，实现批量生产，形成月产60000片的规模，执行期内计划实现销售收入2160万元，利润总额580万元，净利润490万元。

税金110万元。

同时根据市场需求公司将进一步加大投入扩大规模，实施后续的技术改造，预计建成年产60万片的生产规模，将实施销售收入36000万元。

增加就业岗位约120人，解决当地部分劳动就业，并增加政府财政收入，推动地方产业结构的调整，发展当地的半导体产业，具有较好的社会效益。

5、获取自主知识产权情况
公司将根据开发进程，及时申请发明专利或实用新型专利1项。

五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、实施方案
本项目通过组织项目课题组，实施新产品新技术的开发，通过对产品结构、加工工艺技术的研究，以及试制设备的选型、试制线的安装调试、样品的试制，以及样品技术参数指标的检测方法的研究与确定等，完成样品的试制，建成一条生产线，形成月产6000片的产能规模。

2、研究实施的技术路线
关键技术线路如下：
3、项目组织形式
本项目利用公司现有技术力量，由公司研究所组织项目开发组，从产品的设计、产品冷加工，包括大尺寸晶棒多线切割、双面研磨、铜抛、化学机械抛光等工艺技术的研究，以及大尺寸PSS图形化技术、光刻技术等工艺技术研究专项，层层分解落实各项任务，责任目标落实到项目组的每位成员。

4、项目课题分解
项目负责人：
本项目负责人，男，1961年12月出生，浙江大学物理专业毕业，研究生学历，工程师职称，公司董事长兼总经理，中国光学学会会员，中国光学光电子行业协会会员，浙江省光学学会理事。

他历来重视技术研发工作，亲自带带领研发团队开始重大项目的技术攻关工作。

具有丰富的企业管理、技术管理、新产品开发经验。

历年来，他获得了很多荣誉。

主要有：1）1998年，压电水晶Z棒轻工部科技进步重大贡献奖，主要完成人；2）2000年，光学水晶福建省科技成果奖，主要完成人；3）2004年，光学低通滤波器浙江省科学技术奖三等奖，主要完成人；4）2006年，浙江省信息产业先进“十五”技术进步与产业升级先进个人；5）2008年，高像素摄像手机滤片组立件台州市科学技术进步奖二等奖，第一完成人；6）2008年，台州市优秀企业家；7）2010年，台州市拔尖人才；台州市杰出人才奖。

项目组主要技术人员8名，均由本公司技术骨干人员组成。

分别负责晶体切割、研磨工艺、清洗工艺、热处理、检测等技术的研发工作。

5、项目经费预算
本项目总投资1350万元。

主要用于市场调研、技术研发、新产品的试制、产品的验证、项目的验收等。

其中试制设备费用730万元，材料费200万元，试验化验加工费15万元，燃料能源费40万元，利用原有仪器设备折旧费50万元，论证、咨询、验收费、会
议费10万元，差旅费15万元，研发人员工资240万元，管理及其他费用50万元。

主要新增设备选型投资如下：
本项目资金来源主要由企业自筹解决，项目完成后申请政府科技经费补助200万元。

六、计划进度安排
本项目分24个月完成，2012年01月至2013年12月
1)第一阶段：2012年01月-2012年03月：项目立项，成立项目小组，进行市场调研，样品设计，工艺路线设计等；
2)第二阶段：2012年4-10月：完成试制设备的选型，购置、安装、调试，完成试制线的建设，样品试制，市场送样等；
3)第三阶段：2012年11-12月：试制线试运行，完善生产工艺，完成中期检查；
4)第四阶段：2013年1-6月：生产线试运行，完成小批量试产，确定完整的生产工艺，完成新产品鉴定。

5)第五阶段：2013年7-12月：完善批量生产的工艺技术，导入批量生产，完成项目验收。

项目产品开发成功后，根据市场开拓情况，进行后续的技术改
造，进一步扩大产能，计划于2013年下半年至2014年其间，实施年产60万套的生产线建设。

形成年产60万套的生产规模。

七、现有工作基础和条件
本项目由项目单位独家承担实施，公司是国家级高新技术企业，成立于2002年8月，2006年12月整体变更为股份有限公司，2008年9月19日在深圳交易所挂牌上市。

公司注册资本12485.3万元。

公司主营业务为：光学光电子元器件制造、加工。

公司所处行业属于光学光电子行业，并位于光学光电子产业链上游，是国内专业从事精密薄膜光学及延伸产品研发、生产和销售的知名光电元器件制造企业。

公司主导产品光学低通滤波器OLPF和红外截止滤光片IRCF是数码相机、可拍照手机摄像头及其它数字摄像镜头系统的核心部件，两大系列产品产销量居全球前列。

公司是数码产业及手机通讯产业多家国际知名企业或行业龙头企业的主要配套供应商；公司已成为一家拥有高效管理团队，丰富人力资源，稳定战略联盟，全球化跨国经营的科技型上市公司。

目前，公司已形成年产3000万套光学低通滤光器、35000万套红外截止滤光片及组立件、年产300万套大面阵高清数字成像系统滤光器件等生产能力。

公司拥有一支集机械、电子、薄膜光学、管理于一体的工程技术和专业管理人员，其中工程技术人员占员工总数的
30%以上。

公司已于通过了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001三体系的认证。

公司建立了一整套严密的生产经营管理体系、技术保障体系、质量保证体系。

企业管理规范，制度健全。

企业领导层具有开拓精神，创新意识强，企业具有较强的持续创新能力，经营机制灵活。

历年来公司已成功开发各类新产品19项，获得各类专利19项，实施完成各类国家级火炬项目、高技术产业化项目等10余项，公司具备了很强的技术创新能力和产业化规模。

本公司已于2010开始切入LED蓝宝石衬底片的研究工作，2010年成功开发出非图形化2英寸的平板的LED蓝宝石衬底，2011年继续深入研究，在2英寸平片的基础上研究图形化技术，并成功开发出2英寸的图形化LED蓝宝石衬底。

同时，公司还将2英寸平片LED衬底产品进行规模化生产，初步进入市场，2011年实现950多万元的销售收入。

综上所述，本公司实施本项目的各项基础条件成熟，一定能顺利完成本项目的实施工作。