高亮度藍(lán)綠發(fā)光二極管芯片制造技術(shù)

萬(wàn)奎

常州星海電子股份有限公司 江蘇常州 213000

大功率白光LED發(fā)展的重點(diǎn)在于高亮度藍(lán)綠LED技術(shù)，為更好達(dá)到規(guī)模化經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，就必須高度重視高亮度藍(lán)綠LED芯片產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的發(fā)展。

1 制造初期準(zhǔn)備工作

關(guān)鍵設(shè)備精度與可靠性要高。應(yīng)選擇使用美國(guó)的OAI光刻機(jī)、日本的真空鍍膜機(jī)、英國(guó)切割機(jī)以及國(guó)內(nèi)顯影、定影清洗設(shè)備[1]。

超凈廠房構(gòu)建。應(yīng)根據(jù)不同工序需求，對(duì)萬(wàn)級(jí)、千級(jí)與百級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。像是裂片、點(diǎn)測(cè)、拋光和劃片等工序，應(yīng)設(shè)置為萬(wàn)級(jí)，而刻蝕、鍍膜以及光刻等上端的工序，則需要將其設(shè)置為百級(jí)或者是更高級(jí)。

能源設(shè)備，主要有水、電子氣體、電及真空系統(tǒng)配置等。其中DIWater電阻應(yīng)確定成18．3MΩcm。特別是高純氮?dú)饧兌龋瑧?yīng)超過99．999%。

2 高亮度藍(lán)綠發(fā)光二極管制造關(guān)鍵技術(shù)研究

基于產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，為不斷提高產(chǎn)品良品幾率，最重要的就是對(duì)關(guān)鍵工藝技術(shù)問題加以解決。

2.1 設(shè)計(jì)GaN系藍(lán)綠光LED芯片

一般情況下，GaN系藍(lán)綠光LED芯片會(huì)選擇使用對(duì)角線電極的設(shè)計(jì)方法，但有效電流很容易被器件的形狀加以約束。所以，應(yīng)選擇全新芯片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方式，也就是正面電極擬選擇蝶形結(jié)構(gòu)，但背電極選擇半圓形結(jié)構(gòu)。根據(jù)理論與實(shí)踐均證實(shí)此結(jié)構(gòu)可保證電流分布的平衡性，使得有效發(fā)光面積明顯增大，且不斷提高外出光的效率。

2.2 工藝研究

除光刻技術(shù)、點(diǎn)測(cè)、金屬蒸鍍以及歐姆合金等常規(guī)性的HBLED芯片制造工藝以外，因GaN系HB-LED選擇使用了藍(lán)寶石用于襯底，此絕緣材料的硬度偏高，所以在制作芯片的時(shí)候會(huì)涉及特殊性工藝實(shí)驗(yàn)。特別是LED兩電極需選擇等離子體刻蝕，且均由正面引出，在切割寶石方面應(yīng)選擇劃片技術(shù)與裂片技術(shù)。除此之外，工藝參數(shù)的優(yōu)化以及穩(wěn)定單項(xiàng)工藝等均為研究的重點(diǎn)。以下將重點(diǎn)研究GaN系特殊的工藝：

等離子刻蝕[2]。選擇使用ICP設(shè)備刻蝕GaN系的材料，可有效暴露背電極的區(qū)域，為背電極制備提供便利。在此過程中，應(yīng)通過對(duì)氮?dú)狻睔庖约肮柰榈瓤涛g氣體的運(yùn)用，在與定影、光刻、腐蝕和顯影等諸多復(fù)雜工藝聯(lián)合的基礎(chǔ)上，即可刻蝕相應(yīng)的圖形。

金屬和GaN歐姆接觸。在對(duì)電極制作工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，使金屬與N-GaN以及P-GaN之間歐姆接觸狀況明顯改善，芯片工作電壓隨之降低，為批量生產(chǎn)芯片提供了極大的可能。對(duì)于P型歐姆接觸電極，不僅要確保其歐姆接觸特性達(dá)標(biāo)，同時(shí)要確保光透過率超過70%，并承受較大的工作電流。所以，在實(shí)際生產(chǎn)的過程中，可選擇Ni/Au雙層金屬膜，將其當(dāng)成電極金屬，并且處于400-600攝氏度間進(jìn)行5-10分鐘的快速退火操作。另外應(yīng)強(qiáng)調(diào)金屬和N-GaN之間歐姆接觸的重要性。選擇使用整體厚度是1微米的四層金屬膜，將其當(dāng)做歐姆接觸金屬材料，經(jīng)蒸鍍處理以后放置在氮?dú)猸h(huán)境中，接受600攝氏度的快速退火，時(shí)間控制在10分鐘。

掩模層的刻蝕。選擇使用光刻技術(shù)以及PECVD選擇性地屏蔽等離子刻蝕區(qū)域，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)選擇性刻蝕目標(biāo)。在整個(gè)過程中，金屬、等離子刻蝕工藝應(yīng)當(dāng)和GaN進(jìn)行歐姆接觸，并且通過對(duì)掩模層刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)反復(fù)性穿插。

減薄與拋光。要想確保劃片與裂片的有效性，使得成品率不斷提高，就一定要針對(duì)寶石襯底進(jìn)行減薄處理，降低至100微米，同時(shí)采取機(jī)械拋光與化學(xué)拋光處理措施。在厚度減薄處理中，應(yīng)充分利用相應(yīng)工藝進(jìn)行調(diào)整，盡量下降至85微米，為后續(xù)劃片工序的開展奠定基礎(chǔ)，不斷優(yōu)化劃裂片效率，同時(shí)減少劃刀實(shí)際損耗量[3]。

劃片與裂片。通過對(duì)日本劃片機(jī)的使用完成劃片操作，并借助裂片機(jī)裂片處理，確保芯片分割與尺寸要求保持一致，通常規(guī)格是300×300μm。

檢測(cè)光電性能。可借助晶粒點(diǎn)測(cè)機(jī)對(duì)芯粒光電特性加以檢測(cè)，一般光電參數(shù)有發(fā)光波長(zhǎng)、反向擊穿電壓、發(fā)光強(qiáng)度、壽命參數(shù)以及正向電壓等等，將光電參數(shù)不達(dá)標(biāo)壞品挑選出來，進(jìn)而提高成品質(zhì)量。

2.3 芯片老化特性的提升

結(jié)合可靠性試驗(yàn)的研究結(jié)果，對(duì)芯片制作技術(shù)加以改善，特別是歐姆接觸狀態(tài)下的熱處理退火工藝，可有效優(yōu)化芯片自身可靠性。處于氮?dú)馀c正常工作電流狀態(tài)下，在1500h老化以后，芯片封裝LED光衰可低于5%。

2.4 綜合成品率的提升

對(duì)產(chǎn)品成品率產(chǎn)生影響的主要工藝就是藍(lán)寶石襯底減薄以及芯片分割。在粗磨、細(xì)磨以及拋光襯底工藝研究以及反復(fù)性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，即可對(duì)襯底彎曲以及崩裂等多種工藝問題加以解決。對(duì)于芯片分割工藝，應(yīng)選擇使用正反兩面的切割手段，即可確保分割的成品率超過90%。另外結(jié)合設(shè)備的特性對(duì)生產(chǎn)工藝加以優(yōu)化，落實(shí)全面質(zhì)量管理工作，即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的連續(xù)性與均衡性，一定程度上優(yōu)化了產(chǎn)品的性能與一致性，而且產(chǎn)品綜合成品率可超過90%。

2.5 生產(chǎn)成本的降低

要想有效節(jié)省生產(chǎn)成本，就需要針對(duì)藍(lán)寶石襯底芯片分割工藝加以改進(jìn)，同時(shí)對(duì)耗材展開國(guó)產(chǎn)化研究，特別是拋光液與磨料等關(guān)鍵的主要材料，若能夠?qū)崿F(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，即可有效節(jié)省生產(chǎn)成本。可選擇使用10-25微米納米氧化鋁粉末，將其作為磨料，將10%分散劑和去離子水加入其中，可使材料成本節(jié)省80%。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上HB-LED芯片制造隸屬半導(dǎo)體精密加工技術(shù)，不管是國(guó)內(nèi)亦或是國(guó)外，HB-LED芯片制造均屬于中游產(chǎn)業(yè)，同樣也是亟待解決的問題。而LED照明科技是現(xiàn)代照明發(fā)展的主要趨勢(shì)，能對(duì)傳統(tǒng)照明設(shè)備加以替代，因而在后期研究工作中應(yīng)加大力度，以更好地促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。