LED芯片制造設備現狀及其工藝介紹

　LED是技術(shù)引導型產(chǎn)業(yè)，特別是技術(shù)與資本密集型的芯片制造業(yè)，需要高端的工藝設備提供支撐。但與半導體投資熱潮下的“瓶頸”類(lèi)似，設備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)膨脹仍然存在著(zhù)速度匹配的問(wèn)題，尤其是在高端設備領(lǐng)域，大部分設備仍然需要依賴(lài)進(jìn)口。進(jìn)口設備的價(jià)格昂貴，采購周期過(guò)長(cháng)，使中國的LED芯片制造行業(yè)急需本土設備的成長(cháng)和崛起。

　　一、上游外延片生長(cháng)設備國產(chǎn)化現狀

　　LED產(chǎn)業(yè)鏈通常定義為上游外延片生長(cháng)、中游芯片制造和下游芯片封裝測試及應用三個(gè)環(huán)節。從上游到下游行業(yè)，進(jìn)入門(mén)檻逐步降低，其中LED產(chǎn)業(yè)鏈上游外延生長(cháng)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(yíng)風(fēng)險最大的領(lǐng)域。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中，外延生長(cháng)與芯片制造約占行業(yè)利潤的70%，LED封裝約占10%～20%，而LED應用大約也占10%~20%。

　　產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節使用的生產(chǎn)設備從技術(shù)到投資同樣遵循上述原則，在我國上游外延片生長(cháng)和中游芯片制造的60余家企業(yè)中，核心設備基本上為國外進(jìn)口，技術(shù)發(fā)展受制于人，且技術(shù)水平尚無(wú)法與國際主流廠(chǎng)商相比。這就意味著(zhù)我國高端LED外延片、芯片的供應能力遠遠不能滿(mǎn)足需要，需大量進(jìn)口，從而大大制約了國內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)鍵設備介紹

上游外延生長(cháng)，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(cháng)的MOCVD也因其技術(shù)難度高、工藝復雜成為近年來(lái)最受矚目，全球市場(chǎng)壟斷最嚴重的設備。因此，該設備的國產(chǎn)化受到了國內產(chǎn)業(yè)界的熱捧，一些企業(yè)和研究機構也啟動(dòng)了MOCVD的研發(fā)，但何時(shí)能實(shí)現產(chǎn)業(yè)應用還是個(gè)未知數。

　　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)的廣泛應用，藍寶石襯底刻蝕設備也逐漸成為L(cháng)ED外延片制造技術(shù)核心關(guān)鍵工藝設備之一，其工藝水平直接影響到成膜性能，越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。作為國內半導體裝備業(yè)的新星，北方微電子借助多年從事半導體、太陽(yáng)能高端設備制造的技術(shù)優(yōu)勢，為L(cháng)ED生產(chǎn)領(lǐng)域的刻蝕應用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了ELEDETM330ICP刻蝕設備，并已成功實(shí)現了PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線(xiàn)上的應用，這可以稱(chēng)得上是LED生產(chǎn)設備國產(chǎn)化領(lǐng)域的突破，勢必對LED設備國產(chǎn)化起到推動(dòng)和帶頭作用。

　　二、中游芯片制造主要設備現狀

　　中游芯片制造用于根據LED的性能需求進(jìn)行器件結構和工藝設計。主要設備主要包括刻蝕機、光刻機、蒸發(fā)臺、濺射臺、激光劃片機等。

　　1．刻蝕工藝及設備

　　刻蝕工藝在中游芯片制造領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用（見(jiàn)表2），而隨著(zhù)圖形化襯底工藝被越來(lái)越多的LED企業(yè)認可，對圖形化襯底的刻蝕需求也使ICP刻蝕機在整個(gè)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L(cháng)ED主流企業(yè)的需求目標，在產(chǎn)能方面要求刻蝕機的單批處理能力達到每盤(pán)20片以上，機臺具有更高的利用率和全自動(dòng)Cassette to Cassette的生產(chǎn)流程；由于單批處理數量增大，片間和批次間的均勻性控制更加嚴格；此外，更長(cháng)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(xiàn)設備必備的條件。而北方微電子所開(kāi)發(fā)的ELEDETM330刻蝕機，集成了多項先進(jìn)技術(shù)，用半導體刻蝕工藝更為精準的設計要求來(lái)實(shí)現LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝，完全滿(mǎn)足大生產(chǎn)線(xiàn)對干法刻蝕工藝的上述要求。

　　2.光刻工藝及設備

　　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(guò)光刻來(lái)實(shí)現在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(jià)格低，是目前應用主流，但隨著(zhù)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(jiǎn)單，綜合成本較低，但由于重復性較差，還處于研發(fā)階段。

　　表2 LED上中游刻蝕設備的應用

　　國內LED生產(chǎn)用接觸式光刻機主要依賴(lài)進(jìn)口，投影式光刻機多為二手半導體光刻機翻新。而鑒于國內光刻設備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)基礎和在翻新業(yè)務(wù)中取得的經(jīng)驗積累，相信假以時(shí)日開(kāi)發(fā)出國產(chǎn)的LED光刻設備的前景一片光明。納米壓印是通過(guò)模版熱壓的技術(shù)制備納米級圖形，在美國、臺灣等均有較深入的研究，工業(yè)化應用還不成熟，但仍存在較大的應用潛力。

　　3．蒸鍍工藝及設備

　　蒸鍍工藝是指在晶片表面鍍上一層或多層ITO透明電極和Cr、Ni、Pt、Au等金屬，一般將晶片置于高溫真空下，將熔化的金屬蒸著(zhù)在晶片上。LED芯片生產(chǎn)中采用蒸鍍工藝在晶片上焊接電極并通過(guò)蒸鍍金屬加大晶片的電流導電面積。

　　蒸鍍臺按能量來(lái)源主要分為熱蒸鍍臺和電子束蒸鍍臺，鑒于作為電極的金屬熔點(diǎn)高，金屬附著(zhù)力要求較高，LED行業(yè)普遍使用電子束蒸鍍機（Ebeam Evaporator）。目前國內LED生產(chǎn)用蒸鍍臺目前仍以進(jìn)口為主。國內雖然已掌握蒸鍍臺原理，并能自行制造實(shí)驗室用蒸鍍臺，但由于自動(dòng)化程度、工藝重復性、均勻性等問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)入大生產(chǎn)線(xiàn)使用。鑒于LED電極沉積用蒸鍍臺相比半導體PVD設備難度較低這一情況，國內具有半導體PVD設備開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的設備商，將有能力實(shí)現LED蒸鍍臺國產(chǎn)化。

　　4．PECVD工藝及設備

　　PECVD（等離子增強化學(xué)氣相沉積）工藝是在完成外延工藝后，在晶片表面鍍上一層SiO2或SiNx，作為電極刻蝕需要的硬掩模，以增大掩模與GaN外延層的刻蝕選擇比，獲得更好的刻蝕剖面形貌。

　　目前LED主流使用PECVD一般為采用13.56MHz的平板式PECVD，在250~300℃左右溫度進(jìn)行成膜，一次成膜可達40多片（2寸襯底），國內LED生產(chǎn)用PECVD目前仍以進(jìn)口為主。LED采用PECVD與傳統PECVD有相同的技術(shù)難點(diǎn)，關(guān)鍵技術(shù)仍在于溫度控制、等離子體技術(shù)、真空系統、軟件系統等。國內已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功晶硅太陽(yáng)能電池用平板PECVD設備，該設備與LED用PECVD設備有很大的相通性，經(jīng)過(guò)局部硬件改進(jìn)設計，比較容易實(shí)現LED用PECVD國產(chǎn)化。

　　三、下游封裝制造主要設備現狀

　　產(chǎn)業(yè)鏈下游為封裝測試以及應用，是指將外引線(xiàn)連接到中游生產(chǎn)的LED芯片電極上，形成LED器件，再將這些器件應用于制造LED大型顯示屏、LED背光源等最終產(chǎn)品的過(guò)程。在這一環(huán)節中使用的生產(chǎn)設備相對簡(jiǎn)單，并具備一定電子行業(yè)通用性，如固晶機、焊線(xiàn)機等。

　　此外，在各個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，還要使用到多種膜層性能、參數的檢測設備，如X射線(xiàn)衍射、光致發(fā)光譜儀、霍爾效應檢測儀、橢偏儀、透射電鏡、掃描電鏡、電阻測試儀等，但這些檢測設備大多數為電子行業(yè)通用設備，國內外生產(chǎn)應用已非常成熟。

　　LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為L(cháng)ED裝備帶來(lái)了廣闊的發(fā)展空間，為我國LED裝備的跨越式發(fā)展提供了前所未有的歷史機遇，隨著(zhù)高亮度LED芯片市場(chǎng)需求的不斷攀升，作為其技術(shù)