LED芯片制造設(shè)備及其工藝介紹
：2017-12-12
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一、上游外延片生長設(shè)備國產(chǎn)化現(xiàn)狀
LED產(chǎn)業(yè)鏈通常定義為上游外延片生長、中游芯片制造和下游芯片封裝測試及應(yīng)用三個環(huán)節(jié)。從上游到下游行業(yè)，進入門檻逐步降低，其中LED產(chǎn)業(yè)鏈上游外延生長技術(shù)含量最高，資本投入密度最大，是國際競爭最激烈、經(jīng)營風(fēng)險最大的領(lǐng)域。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，外延生長與芯片制造約占行業(yè)利潤的70%，LED封裝約占10%～20%，而LED應(yīng)用大約也占10%~20%。
產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)使用的生產(chǎn)設(shè)備從技術(shù)到投資同樣遵循上述原則，在我國上游外延片生長和中游芯片制造的60余家企業(yè)中，核心設(shè)備基本上為國外進口，技術(shù)發(fā)展受制于人，且技術(shù)水平尚無法與國際主流廠商相比。這就意味著我國高端LED外延片、芯片的供應(yīng)能力遠遠不能滿足需要，需大量進口，從而大大制約了國內(nèi)LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和盈利能力。
表1 LED產(chǎn)業(yè)鏈概況及關(guān)鍵設(shè)備介紹
產(chǎn)業(yè)鏈 產(chǎn)品 關(guān)鍵設(shè)備 上游 原材料—單晶棒—單晶片—PSS—外延片 單晶片、圖形化襯底PSS、外延片 MOCVD, ICP刻蝕機, 光刻機, PECVD 中游 金屬蒸鍍—光刻—電極制作(熱處理、刻蝕)芯片切割—測試分選 LED芯片 ICP刻蝕機,光刻機,蒸發(fā)臺,濺射臺，激光劃片機
下游 固晶（芯片粘貼）—打線（焊接）—樹脂封裝剪角—應(yīng)用產(chǎn)品 燈泡、顯示屏、背光源等 固晶機、焊線機等
上游外延生長，由于外延膜層決定了最終LED光源的性能與質(zhì)量，是LED生產(chǎn)流程的核心，用于外延片生長的MOCVD也因其技術(shù)難度高、工藝復(fù)雜成為近年來最受矚目，全球市場壟斷最嚴(yán)重的設(shè)備。因此，該設(shè)備的國產(chǎn)化受到了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的熱捧，一些企業(yè)和研究機構(gòu)也啟動了MOCVD的研發(fā)，但何時能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還是個未知數(shù)。
此外，伴隨LED外延技術(shù)的不斷創(chuàng)新，特別是藍寶石襯底(PPS)加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，藍寶石襯底刻蝕設(shè)備也逐漸成為LED外延片制造技術(shù)核心關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，其工藝水平直接影響到成膜性能，越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。作為國內(nèi)半導(dǎo)體裝備業(yè)的新星，北方微電子借助多年從事半導(dǎo)體、太陽能高端設(shè)備制造的技術(shù)優(yōu)勢，為LED生產(chǎn)領(lǐng)域的刻蝕應(yīng)用專門開發(fā)了ELEDETM330ICP刻蝕設(shè)備，并已成功實現(xiàn)了PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線上的應(yīng)用，這可以稱得上是LED生產(chǎn)設(shè)備國產(chǎn)化領(lǐng)域的突破，勢必對LED設(shè)備國產(chǎn)化起到推動和帶頭作用。
二、中游芯片制造主要設(shè)備現(xiàn)狀
中游芯片制造用于根據(jù)LED的性能需求進行器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計。主要設(shè)備主要包括刻蝕機、光刻機、蒸發(fā)臺、濺射臺、激光劃片機等。
1．刻蝕工藝及設(shè)備 刻蝕工藝在中游芯片制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用（見表2），而隨著圖形化襯底工藝被越來越多的LED企業(yè)認(rèn)可，對圖形化襯底的刻蝕需求也使ICP刻蝕機在整個LED產(chǎn)業(yè)鏈中的比重大幅度提升。更大產(chǎn)能、更高性能的ICP刻蝕機成為LED主流企業(yè)的需求目標(biāo)，在產(chǎn)能方面要求刻蝕機的單批處理能力達到每盤20片以上，機臺具有更高的利用率和全自動Cassette to Cassette的生產(chǎn)流程；由于單批處理數(shù)量增大，片間和批次間的均勻性控制更加嚴(yán)格；此外，更長的維護周期和便捷的人機交互操作界面也是面向大生產(chǎn)線設(shè)備必備的條件。而北方微電子所開發(fā)的ELEDETM330刻蝕機，集成了多項先進技術(shù)，用半導(dǎo)體刻蝕工藝更為精準(zhǔn)的設(shè)計要求來實現(xiàn)LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝，完全滿足大生產(chǎn)線對干法刻蝕工藝的上述要求。
2.光刻工藝及設(shè)備 光刻工藝是指在晶片上涂布光阻溶液，經(jīng)曝光后在晶片上形成一定圖案的工藝。LED芯片生產(chǎn)中通過光刻來實現(xiàn)在PSS工藝中形成刻蝕所需特定圖案掩模以及在芯片制造中制備電極。LED光刻工藝主要采用投影式光刻、接觸式光刻和納米壓印三種技術(shù)。接觸式光刻由于價格低，是目前應(yīng)用主流，但隨著PSS襯底普及，圖形尺寸精細化，投影式光刻逐漸成為主流。納米壓印由于不需光阻，工藝簡單，綜合成本較低，但由于重復(fù)性較差，還處于研發(fā)階段。
表2 LED上中游刻蝕設(shè)備的應(yīng)用
刻蝕工藝應(yīng)用 刻蝕工藝分類 說明 上游 圖形化襯底 緩解異質(zhì)外延生長中氮化物外延層由于晶格失配引起的應(yīng)力，大大降低氮化物材料中的位錯密度，提高器件的內(nèi)量子效率。
中游 同側(cè)電極刻蝕 對于采用絕緣襯底的LED芯片，兩個電極需要做在器件的同一側(cè)。因此，這就要采用蝕刻方法暴露出N型層以制作N型電極。 表面微結(jié)構(gòu) 在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結(jié)構(gòu)，以此擴展出光面積，改變光在芯片表面處的折射方向，從而使透光效率明顯提高。 表面粗糙化 將那些滿足全反射定律的光改變方向，繼而在另一表面或反射回原表面時不被全反射而透過界面，并能起防反射的功能。 器件隔離 刻蝕GaN，AlGaN，AlGaInP，刻蝕到襯底部分。將整張芯片劃分成LED芯粒。
國內(nèi)LED生產(chǎn)用接觸式光刻機主要依賴進口，投影式光刻機多為二手半導(dǎo)體光刻機翻新。而鑒于國內(nèi)光刻設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)和
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