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LED芯片制 造设备及其工艺介绍

:2017-12-12    :333

 一、上游外 延片生长设备国产化现状   LED产业链 通常定义为上游外延片生长、中游芯 片制造和下游芯片封装测试及应用三个环节。从上游到下游行业,进入门槛逐步降低,其中LED产业链 上游外延生长技术含量最高,资本投入密度最大,是国际竞争最激烈、经营风险最大的领域。在LED产业链中,外延生 长与芯片制造约占行业利润的70%,LED封装约占10%~20%,而LED应用大约也占10%~20%。  

 产业链 各环节使用的生产设备从技术到投资同样遵循上述原则,在我国 上游外延片生长和中游芯片制造的60余家企业中,核心设 备基本上为国外进口,技术发展受制于人,且技术 水平尚无法与国际主流厂商相比。这就意味着我国高端LED外延片、芯片的 供应能力远远不能满足需要,需大量进口,从而大大制约了国内LED产业的 发展和盈利能力。   表1 LED产业链 概况及关键设备介绍   
产业链 产品 关键设备 上游 原材料—单晶棒—单晶片—PSS—外延片 单晶片、图形化衬底PSS、外延片 MOCVD, ICP刻蚀机, 光刻机, PECVD 中游 金属蒸镀—光刻—电极制作(热处理、刻蚀)芯片切割—测试分选 LED芯片 ICP刻蚀机,光刻机,蒸发台,溅射台,激光划片机
 下游 固晶(芯片粘贴)—打线(焊接)—树脂封装剪角—应用产品 灯泡、显示屏、背光源等 固晶机、焊线机等   
上游外延生长,由于外 延膜层决定了最终LED光源的性能与质量,是LED生产流程的核心,用于外延片生长的MOCVD也因其技术难度高、工艺复 杂成为近年来最受瞩目,全球市 场垄断最严重的设备。因此,该设备 的国产化受到了国内产业界的热捧,一些企 业和研究机构也启动了MOCVD的研发,但何时 能实现产业应用还是个未知数。   
此外,伴随LED外延技术的不断创新,特别是蓝宝石衬底(PPS)加工技术的广泛应用,蓝宝石 衬底刻蚀设备也逐渐成为LED外延片 制造技术核心关键工艺设备之一,其工艺 水平直接影响到成膜性能,越来越 受到产业界的关注。作为国 内半导体装备业的新星,北方微 电子借助多年从事半导体、太阳能 高端设备制造的技术优势,为LED生产领 域的刻蚀应用专门开发了ELEDETM330ICP刻蚀设备,并已成功实现了PSS衬底刻 蚀在大生产线上的应用,这可以称得上是LED生产设 备国产化领域的突破,势必对LED设备国 产化起到推动和带头作用。  
 二、中游芯 片制造主要设备现状   
中游芯 片制造用于根据LED的性能 需求进行器件结构和工艺设计。主要设 备主要包括刻蚀机、光刻机、蒸发台、溅射台、激光划片机等。  
 1.刻蚀工艺及设备   刻蚀工 艺在中游芯片制造领域有着广泛的应用(见表2),而随着 图形化衬底工艺被越来越多的LED企业认可,对图形 化衬底的刻蚀需求也使ICP刻蚀机在整个LED产业链 中的比重大幅度提升。更大产能、更高性能的ICP刻蚀机成为LED主流企业的需求目标,在产能 方面要求刻蚀机的单批处理能力达到每盘20片以上,机台具 有更高的利用率和全自动Cassette to Cassette的生产流程;由于单 批处理数量增大,片间和 批次间的均匀性控制更加严格;此外,更长的 维护周期和便捷的人机交互操作界面也是面向大生产线设备必备的条件。而北方 微电子所开发的ELEDETM330刻蚀机,集成了多项先进技术,用半导 体刻蚀工艺更为精准的设计要求来实现LED领域更 高性能的刻蚀工艺,完全满 足大生产线对干法刻蚀工艺的上述要求。  
 2.光刻工艺及设备   光刻工 艺是指在晶片上涂布光阻溶液,经曝光 后在晶片上形成一定图案的工艺。LED芯片生 产中通过光刻来实现在PSS工艺中 形成刻蚀所需特定图案掩模以及在芯片制造中制备电极。LED光刻工 艺主要采用投影式光刻、接触式 光刻和纳米压印三种技术。接触式 光刻由于价格低,是目前应用主流,但随着PSS衬底普及,图形尺寸精细化,投影式 光刻逐渐成为主流。纳米压 印由于不需光阻,工艺简单,综合成本较低,但由于重复性较差,还处于研发阶段。  
 表2 LED上中游 刻蚀设备的应用  
刻蚀工艺应用 刻蚀工艺分类 说明 上游 图形化衬底 缓解异 质外延生长中氮化物外延层由于晶格失配引起的应力,大大降 低氮化物材料中的位错密度,提高器 件的内量子效率。 
中游 同侧电极刻蚀 对于采用绝缘衬底的LED芯片,两个电 极需要做在器件的同一侧。因此,这就要 采用蚀刻方法暴露出N型层以制作N型电极。 表面微结构 在芯片 表面刻蚀大量尺寸为光波长量级的小结构,以此扩展出光面积,改变光 在芯片表面处的折射方向,从而使 透光效率明显提高。 表面粗糙化 将那些 满足全反射定律的光改变方向,继而在 另一表面或反射回原表面时不被全反射而透过界面,并能起防反射的功能。 器件隔离 刻蚀GaN,AlGaN,AlGaInP,刻蚀到衬底部分。将整张芯片划分成LED芯粒。   
国内LED生产用 接触式光刻机主要依赖进口,投影式 光刻机多为二手半导体光刻机翻新。而鉴于 国内光刻设备生产企业的技术基础和在翻新业务中取得的经验积累,相信假 以时日开发出国产的LED光刻设 备的前景一片光明。纳米压 印是通过模版热压的技术制备纳米。
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