工艺技术_led生产工艺详细论述

LED生产工艺介绍 2010.3.16孙垂宾孙垂宾 大纲大纲 lLED 介绍介绍 *认识认识LED *LED优点优点 *LED应用前景应用前景 lLED 工艺流程工艺流程 （原理、机台、工艺布局）（原理、机台、工艺布局） *衬底衬底 *磊晶磊晶 *芯片芯片 *封装封装 *应用应用 第一部分第一部分 LED介绍介绍 LED介绍介绍 1.1 LED的发光原理：的发光原理： LED是发光二极体( Light Emitting Diode, LED)的简称，也被称作发光 二极管 在1955年时，美国无线电公司（Radio Corporation of America）的 Rubin Braunstein发现 。 发光原理：发光原理： 就是电子与空穴之间，通过 加压，电子从一个空穴跳到另 一个空穴，而另外一个空穴所 能承受的能量比较少，多的那 部分能量就以光的形势出来了 专业点说的话，就是能量跃 迁原理，电子从高能级跳到了 低能级，把多余的能量以光的 形式发出来。 LED介绍介绍 GaN，InGaN紫外 InGaN，SiC青 InGaN绿 GaP,AIInGaP黄绿 GaAsP,ALLnGaP黄 GaP,GaAsP,AIGaAs,AIInGaP红 AIGaAs,InGaAsP红外 材料（发光层）光色 单色光单色光主要主要LED发光颜色及材料发光颜色及材料 1.2 LED的分类：的分类： 一、按发光颜色分：一、按发光颜色分： 红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另 外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 LED介绍介绍 将遍布可见光区的多种光组合构成白光 InGaN，GaP， AIInGaP 多种光色的LED多个 将发三原色的三种芯片封装在一起构成白光InGaN，AlInGaP 蓝色、绿色、 红色LED 3 将有补色关系的两种芯片封装在一起构成白光InGaN，GaP 蓝色LED，黄绿 LED 2 InGaN的蓝光激发红绿蓝三基色荧光粉发白光InGaN/荧光粉紫外LED 由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混 合成白光 ZnSe蓝色LED InGaN的蓝光激发红绿蓝三基色荧光粉发白光InGaN/荧光粉蓝色LED InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光InGaN/YAG蓝色LED 1 发光原理发光材料激发源芯片数 白色白色 LED的种类和原理的种类和原理 1.2 LED的分类：的分类： LED介绍介绍 白光白光LED的出现与更多科技的导入，目前在家用电器及笔记本电脑的指示灯、的出现与更多科技的导入，目前在家用电器及笔记本电脑的指示灯、 汽车防雾灯、室内照明等照明设备日渐蓬勃，汽车防雾灯、室内照明等照明设备日渐蓬勃，LED的应用越来越普遍。的应用越来越普遍。 1.2 LED的分类：的分类： LED介绍介绍1.2 LED的分类：的分类： 二、按亮度分类：二、按亮度分类：普通亮度LED、高亮度LED 通常将单颗LED光源功率0.35W 的成为大功率大功率LED。 另外还有按发光管出光面特征出光面特征分、按发光二极管的结构二极管的结构分、芯片材料芯片材料分类 及按功能分类 普通亮度普通亮度LED大功率大功率LED LED介绍介绍1.3 LED的优点：的优点： l 体积小体积小 l 耗电量低耗电量低 l 使用寿命长使用寿命长 l 高亮度、低热量高亮度、低热量 l 环保环保 l 坚固耐用坚固耐用 l 可控性强可控性强 LED介绍介绍 1.4 LED的应用前景：的应用前景： LED主要应用范围主要应用范围 l建筑景观照明建筑景观照明 lLED显示屏与家电显示显示屏与家电显示 l手机、电脑笔记本等中小尺手机、电脑笔记本等中小尺 寸背光源寸背光源 l交通信号灯、汽车灯、特种交通信号灯、汽车灯、特种 照明灯照明灯 由于由于LED特有的优点，使其在特有的优点，使其在 各个行业显示出强劲的势头。各个行业显示出强劲的势头。 第二部分第二部分 LED生产工艺生产工艺 LED生产工艺生产工艺 LED生产全过程生产全过程 衬底衬底磊晶磊晶芯片芯片封装封装应用应用 l其中磊晶磊晶是最重要的生产工艺，占LED制造成本70%左右 l冠铨、南通同方均为磊晶、芯片制程。 衬底衬底 磊晶磊晶 低温低温GaN层层 N型型GaN 发光层发光层 P型型GaN P电极电极 N电极电极 钝化层钝化层 Al2O3 芯片芯片 封装封装 应用应用 LED生产工艺生产工艺2.1 衬底衬底 常用的三种衬底材料常用的三种衬底材料 Si SiC 蓝宝石（蓝宝石（AL2O3） 现阶段现阶段的主要应用的主要应用 LED生产工艺生产工艺2.1 衬底衬底 拉单晶拉单晶滚磨滚磨切片切片研磨研磨 清洗清洗抛光抛光热处理热处理化学抛光化学抛光 LED生产工艺生产工艺2.2 磊晶磊晶原理原理 一一、LPE(液相液相磊晶磊晶) 技术较低,主要用于一般的发光二极体 二二、MBE(分子束分子束磊晶磊晶) 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 三三、 MOCVD(有机有机金属气相金属气相磊晶磊晶) 纯度高,平整性好外,量产能力及磊晶成长速度亦较MBE为快,所以现所以现在在大大 都以都以MOCVD来生产来生产 磊晶工艺的分类：磊晶工艺的分类： LED生产工艺生产工艺2.2 磊晶磊晶原理原理 外延生长的基本原理：载流气体载流气体携带有机有机金属金属的的饱饱和和蒸蒸汽汽， 经过加热至适当温度的衬底衬底基片基片（主要有蓝宝石和SiC，Si三种） 上时，金属离子往下附着于基板上则形成结晶体 。 通过控制气体的流量、种类、温度，可控制结晶的厚度、种 类，以形成不同的顏色和亮度的LED 。 MOCVD原理原理 LED生产工艺生产工艺2.2 磊晶磊晶原理原理 缓冲层（低温GaN层）生长N型GaN层生长多 量子阱发光层（发光层）生长P型GaN层生长 退火检测（荧光、X射线） MOCVD完成的片子称为：外延片 MOCVD工艺流程工艺流程 衬底衬底 磊晶磊晶 低温低温GaN层层 N型型GaN 发光层发光层 P型型GaN Al2O3 400um 4 um LED生产工艺生产工艺2.2 磊晶磊晶机台机台 MOCVD机台的组件可大致分为： 反应室、气体控制及混合系统、反应源及尾气处理系统。 MOCVD机台机台 LED生产工艺生产工艺2.2 磊晶磊晶机台机台 美国Veeco 德国 AIXTRON（用量最多） 内部 MOCVD机台机台 LED生产工艺生产工艺 2.2 磊晶磊晶机台机台 Aixtron（德国爱思强）Veeco（美国维易科） 产量2“*31片2“*45片 外观8500*1200*2500 Power supplyInfeeding SystemU+E26KVA 60Hz208v Infeeding Power supply unitU+E90KVA50Hz380V Infeeding HeatexchangerU+E4KVA60Hz208v Gas Supply PN247kgf/cm250130SLM1/4“VCRF PH247kgf/cm250130SLM1/4“VCRF NH333.5kgf/cm3 5070SLM 1/4“VCRF GN256kgf/cm41/2“Swagelok0.51.5Bar 200ppmSi2H6/H233.5kgf/cm4 50133SLM1/4“VCRF CDA47Bar Ventilation 碱性排气12.5SLM250mm 碱性排气12.5SLM250mm 碱性排气12.5SLM250mm Cooling Water Inlet/Outlet17/254Bar46SLM以上 1“ SS304Main system202823Bar8L/min以上 Inlet Showerhead/Outlet 50/65 4Bar25SLM以上 3/4“ SS305Cryo compressor202823Bar7L/min以上 Inlet Exchange/Outlet 5/354Bar23SLM以上 3/4“ SS305EB gun 202547Bar12L/min以上 Drain 一般酸性废水2“ PVC 3380V10%,50KVA, 接地电阻10 两两种种MOCVD机台机台比较比较 现在MOCVD技术已经从2006年24、25片，发展到42、45、49片机（以2”外延片为计算基础）； 量产企业单批产能最低要求30片机（2”）； 现阶段台湾外延厂商已具备4”能力，出于成本考虑继续使用2”MOCVD机台； AIXTRON在2009年5月已开发出6”MOCVD机台。 LED生产工艺生产工艺 2.2 磊晶磊晶工艺布局工艺布局 MOCVD工艺布局工艺布局 MOCVDMOCVD 特特气气特特气气 变变电电站站 A厂厂LED 1FL（24台台MOCVD） 5000m2 LED生产工艺生产工艺 2.2 磊晶磊晶工艺布局工艺布局 MOCVD工艺布局工艺布局 MOCVD MOCVD 特特气气 变变电电站站 B厂厂 （30台台MOCVD，5000m2） LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片原理原理 芯片工艺流程芯片工艺流程 清洗清洗 N区区光光刻刻 N区刻蚀区刻蚀 去胶清洗去胶清洗 P极极蒸镀蒸镀 P极极光光刻刻 P极极刻蚀刻蚀 去胶清洗去胶清洗N极极光刻光刻 N极极刻蚀刻蚀 去胶清洗去胶清洗 N极极蒸镀蒸镀 钝化层钝化层 钝化层钝化层光光刻刻 钝化层钝化层刻蚀刻蚀 去胶清洗去胶清洗研磨减薄研磨减薄 清洗清洗 贴片贴片 划片划片 裂片裂片 测试测试 分分类类 点点测测 什么是什么是光光刻？刻？ P电极电极 N电极电极 钝化层钝化层 N区刻蚀区刻蚀 外延片外延片 前段前段 后段后段 研磨研磨 400um90um LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片原理原理 Wafer Wafer Wafer 涂胶、匀胶 （涂胶、匀胶 （Coater） 光刻（光刻（Photo） Resist Light source Mask 显影 （显影 （Develop） Wafer Resist Resist 剥离（剥离（STRIP） Wafer Wafer Resist 刻蚀刻蚀 （Etch） 光刻全过程 LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片原理原理 划片划片 点点测、分类测、分类 芯片后段工艺芯片后段工艺 以前以前用用钻石刀钻石刀，现多现多用用激激光（光（镭射镭射）切割切割机机 裂裂片片 将激将激光光切割裂痕切割裂痕的的间距扩大间距扩大，以便以便于于后续操作后续操作 LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 光光刻刻机台机台自动涂胶自动涂胶机（机（上上光光阻阻机）机） 用电用电： 20KVA / 台 排气排气：GEX & VEX Bulk Gas：N2，PV PCW：12LPM / 台 （无背压） 立面图立面图 操作面平面图操作面平面图 LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 光光刻刻机台机台自动曝自动曝光机光机 用电：用电： 12KVA / 台 排气：排气：GEX Bulk Gas：N2，CDA，HV （参考图参考图） LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 刻蚀刻蚀机台机台ICP- RIE （附附 Scrubber） 用电：用电： 34KVA / 台 排气：排气：AEX Bulk Gas：N2，CDA， Ar，He Special Gas：Cl2，BCl3，CHF3，CF4 PCW：35 LPM Drain & City water ICP：Inductive coupled plasma(感应等离子体 ) RIE：reactive ion etching（反应离子刻蚀 ） 50200mm wafer ICP 刻蚀效果图 LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 钝化层钝化层机台机台PECVD （附附 Scrubber） 机台与机台与ICP- RIE类似类似 用电：用电： 20KVA / 台 排气：排气：AEX Bulk Gas：N2，CDA， O2 Special Gas：NH3，SiH4 PCW：40 LPM Drain & City water LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 电极电极蒸镀蒸镀机台机台E- Beam （ITO 氧氧化化銦锡銦锡 ） 用电：用电： 25KVA / 台 排气：排气：GEX Bulk Gas：N2，CDA， O2 PCW：50 LPM LED生产工艺生产工艺2.3 芯片芯片机台机台 研磨研磨机台机台研磨研磨机、机、抛抛光机光机 用电：用电：8 25KVA / 台 排气：排气：VEX PCW City water UPW Drain 研磨研磨机机抛抛光机光机 LED生产工艺生产工艺 2.3 芯片芯片工艺布局工艺布局 全全区区工艺布局工艺布局 B厂厂 （30台台MOCVD） 5000m2 MOCVD MOCVD ITO PECVD & ICP Photo 清洗清洗 研磨研磨 切片切片 裂片裂片 目检目检、分分类、点类、点测测 LED生产工艺生产工艺 2.3 芯片芯片工艺布局工艺布局 全全区区工艺布局工艺布局 A厂厂 1FL（24台台MOCVD） 5000m2 MOCVDMOCVD Photo ICP & PECVD ITO 清洗清洗 研磨研磨 至至2FL后段后段 Photo ICP & PECVD ITO 清洗清洗 Photo ICP & PECVD清洗清洗 LED生产工艺生产工艺 2.3 芯片芯片工艺布局工艺布局 全全区区工艺布局工艺布局 A厂厂 2FL（24台台MOCVD） 4300m2 切割切割目检目检分分类类点点测测QC 目检目检分分类类点点测测QC 自自1FL LED生产工艺生产工艺 2.3 芯片芯片工艺布局工艺布局 均来自于热回收冰机均来自于热回收冰机10%来自于热回收冰来自于热回收冰 机机,90%来自于冰机来自于冰机38 度冷却水回水度冷却水回水 热回收冰机热回收冰机+蒸汽备用蒸汽备用热源热源3 50台台100台台30台台MO- CVD1 1500CMHx26600CMHx4 3600CMHx1 900CMHx(1+1）空压机空压机4 5 2 序号序号 1000CMHx22650CMHx(5+2)600CMHx(1+1)真空泵真空泵 1200RTx4 （热回收型）（热回收型） 1250RTx5 热回收型热回收型250RTx3 1000RTx3 （热回收型）（热回收型） 冰水主机冰水主机 A 厂厂 （磊晶（磊晶、芯片、芯片厂）厂） C厂厂 （磊晶（磊晶&封装厂）封装厂） B厂厂 （磊晶（磊晶、芯片、芯片厂）厂） 项目名称项目名称 整整厂动厂动力力源源需求需求 LED生产工艺生产工艺 2.3 芯片芯片工艺布局工艺布局 整整厂动厂动力力源源需求需求 23000未统计未统计13400大宗气体量大宗气体量(NLPM)10 50台台100台台30台台MO- CVD1 140030000750压缩气体用量压缩气体用量(CMH)6 250000600000147000工艺排气量工艺排气量(CMH)5 5000195002700热水总量热水总量(kW)4 13 12 11 9 8 7 3 2 序号序号 800未统计未统计450市水总量市水总量(CMH) 45未