芯片的制造技术与工艺过程

第3章　LED芯片技术

本章首先介绍LED行业中产业链各个环节的划分和基本状况；然后介绍LED芯片的结构和特性分类；最后介绍LED芯片的制造过程，包括衬底材料制作、外延片生长和芯片制作成形等各工艺步骤。

3．1　LED产业链

本节以LED行业整条产业链中的上、中、下游为线索，介绍LED产业链各环节的基本知识和概念。

LED产业链是指LED从上游的芯片制造，到中游的灯珠封装，直至下游的产品应用各个环节的相关产业，包括各个环节中的生产和检测设备等一系列产业。图3．1所示的是LED产业链各环节及相关工艺过程的示意图，其中上半部分为芯片制造，下半部分为灯珠封装及成品应用。

图3．1　LED产业链示意图

3．1．1　LED产业链的产品分类

由图3．1可知，LED产业链主要分为芯片制造、封装和产品应用三大环节，其中芯片制造又分为衬底形成、外延片生长及芯片制作成形三个部分，LED封装产业是一个相对独立的技术环节，而LED的应用主要包括显示和照明两大模块。此外，在LED产业链中，还包括LED驱动电源产业，以及为以上各环节的生产提供设备及原材料的设备提供商及原材料和耗材提供商。因此，LED产业链通常包括以下七个行业。

1．芯片行业

包括LED芯片衬底、芯片外延以及芯片成形。

2．封装行业

即各型LED灯珠产品的制造。

3．驱动与控制行业

包括各种类型的驱动电源、显示控制系统、LED管理及软件，以及低端的各种电池等。

4．显示行业

包括各种类型的背光屏、导光板、导光膜等；各种类型的LED显示屏；各种类型的指示屏灯。

5．照明行业

包括交通照明；景观照明；室内照明；汽车灯；特种照明（手电筒、LED矿灯、LED应急灯、手摇灯、圣诞灯等）；灯饰配件。

6．设备行业

专门的设备生产商主要集中在芯片和封装领域。

芯片设备：衬底外延／芯片制造设备、测试设备／仪器、超声清洗、光热固化机、点光源／光源器、MOCVD及配套设备。

封装设备：LED灌胶机、分光分色机、封装材料、扩晶机、固晶机、共晶机、邦定机、点胶机、粘胶机、晶片划机、背胶机、脱模机、切脚机、烘烤箱、光电显微镜、显微镜座、数码管／点阵检测仪、测试仪器、抽真空机、液压机、光谱分析。

7．原料行业

包括衬底晶体、MO源、高纯气体、模条／夹具／基板、支架、透镜、化学溶液、荧光粉、翻转膜、晶片膜、金线／铝线、扩晶环、LED胶带、环氧树脂、绝缘胶／有机胶／导电银浆、精密模具、刺晶座、塑胶制品、LED增亮剂、劈刀／钢／瓷嘴。

3．1．2　产业链顺序与利润分配

LED产业具有典型的不均衡产业链结构，自上而下是一种金字塔形的产业链，利润集中在上游。LED产业链自上而下的划分如下。

1．上游

LED上游产业主要指LED发光材料的外延片生长和芯片制作。由于外延工艺的发展，所以器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等已在外延工序中完成。芯片制造主要是制作正电极、负电极并进行芯片的分割和检测。

在LED产业链的上游，我国面临的核心问题是缺乏核心技术和专利。LED产业是一个技术引导型产业，核心技术和专利决定其在产业链中的地位和利润分配。我国LED外延材料、芯片以中低档为主，80%以上的功率型LED芯片、器件依赖于进口。

2．中游

LED中游产业指LED器件封装产业。在半导体产业中，LED封装产业与其他半导体器件封装产业不同，它可以根据用于现实、照明、通信等不同的场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。

3．下游

LED下游产业指应用LED显示或照明器件后形成的产业。就LED应用来讲，面更广，虽然包括在家电、仪表、轻工业产品中的信息显示，但这些都不足以支撑LED下游产业。其中主要的应用产业有LED显示屏、LED交通信号灯、太阳能电池LED航标灯、液晶背光源、LED车灯、LED景观灯饰、LED特殊照明等。

上游产业的衬底形成、外延片生长与芯片制作，属于技术和资金密集型行业；中游产业的器件与模块封装以及下游产业的显示与照明应用，属于技术和劳动密集型行业。在LED产业链上，LED外延片和芯片约占行业70%的利润，LED封装和应用占行业30%的利润。

欧、美、日等国在新技术或新产品的研发方面均领先其他国家，日系大厂的利基在蓝光、白光等技术领先；欧、美等国的一些大厂优势则是产业垂直整合最为完整，并以高端应用产品市场为主。目前，在全球HB－LED（高亮度LED）产业中，Nichia（日本日亚）、Agilent／Lumileds（美国与德国合资）、OSRAM　Opto　Semicondutors（德国）、ToyadaGosei（日本）及中国台湾的一些工厂都拥有不同领域的技术及专利优势。

3．2　LED芯片的结构与分类

3．2．1　LED芯片的结构

LED芯片是半导体发光器件LED的核心部件，它主要由砷（As）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、磷（P）、氮（N）、锶（Si）等元素中的若干种组成。从结构上看，芯片主要由两部分组成：一部分为P型半导体，在其中空穴占主导地位；另一部分为N型半导体，其中主要是电子。但是，当这两种半导体进行连接时，它们之间就形成一个PN结。当电流通过导线作用于这个晶片时，电子就会被推向P区，在P区里跟空穴复合，然后会以光子的形式产生能量。而光的波长也就是光的颜色，由形成PN结的材料决定。从制造工艺的角度看，LED芯片结构示意图如图3．2所示。

3．2．2　LED芯片的分类

一般情况下，LED芯片有按芯片功率大小分类的，也有按波长、颜色分类的，还有按材料分类的。但无论怎样分类，对LED芯片供应商和LED芯片采购商来说，LED芯片应当提供下列技术指标：LED芯片的几何尺寸、材料组成、衬底材料、PN型电极材料，LED芯片的波长范围，LED裸晶的亮度光强范围，LED芯片的正向电压、正向电流、反向电压、反向电流，LED芯片的工作环境温度、存储温度、极限参数，等等。

图3．2　LED芯片结构示意图

1．按发光亮度分类

芯片按发光亮度可分为一般亮度、高亮度、超高亮度等。

2．按组成元素分类

芯片按组成元素可分为以下几类。

（1）二元晶片（磷、镓）。

（2）三元晶片（磷、镓、砷）。

（3）四元晶片（磷、铝、镓、铟）。

3．按结构特点分类

从芯片制作的专业角度看，还可以根据其结构特点进行如下分类。

（1）MB芯片：metal bonding（金属黏着）芯片。

（2）GB芯片：glue bonding（黏着结合）芯片。

（3）TS芯片：transparent structure（透明衬底）芯片。

（4）AS芯片：absorbable structure（吸收衬底）芯片。

不同结构类型的LED芯片导致不同的发光颜色，其关系如表3．1所示。

表3．1　LED芯片结构和其发光颜色的关系

续表

3．3　LED芯片的制造技术与工艺过程

根据图3．1所示的LED芯片结构，LED芯片主要由衬底层、外延层和电极三部分构成，而LED的制作过程也可分解为以上三个环节，即衬底制作、外延片制作和最后的芯片成形。

LED芯片的制作工艺过程、工艺关键方法及主要的设备如图3．3所示，图中最后一步属于灯珠封装过程，前三步就是LED芯片制造的上述三个环节。

图3．3　LED制作过程

三个环节的工艺过程如下。

（1）制作衬底。

LED芯片用的衬底实际上就是一块半导体晶片，采用的衬底材料主要有蓝宝石、硅和碳化硅三种。首先，用一定的晶体生长方式使材料生长成为一根晶棒；然后，用一定的工艺将材料切割成薄片状的衬底片，如图3．4所示。

图3．4　衬底制作过程工艺与设备

（2）制作外延片。

在衬底上制作氮化镓（GaN）基外延片时，这个过程主要是在MOCVD（金属有机化学气相沉积）外延炉中完成的。准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步制作好外延片。常用的衬底材料主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底，以及GaAs、AIN、ZnO等。MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应，将所需的产物沉积在衬底表面，通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备，如图3．5所示。

图3．5　外延片制作过程工艺与设备

（3）芯片成形，其中最主要的是电极制作，以及一些后续成形工艺。

电极制作也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨。对LED毛片进行划片、测试和分选，就可以得到所需的LED芯片。如果晶片清洗不够干净，蒸镀系统不正常，就会导致蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）脱落，金属层外观变色，起金泡等异常。蒸镀过程中有时需要用弹簧夹固定晶片，因此会产生夹痕。黄光作业内容包括烘烤、上光阻、照相曝光、显影等，若显影不完全及光罩有破洞，则会有发光区多出金属。在前段制程中，晶片的各项制度如清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等，因此，会有晶粒电极刮伤情形发生，如图3．6所示。

图3．6　芯片成形过程工艺与设备

3．3．1　LED芯片衬底的选用及其制造技术

衬底是LED技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬底材料的选择主要基于9大特性：结构特性、界面特性、化学稳定性、热学性能、导电性、光学性能、机械性能、成本价格和几何尺寸等。

但是，要LED选择衬底能够同时满足以上9大特性极为困难，可以说至今还没有一种衬底材料是十全十美的，目前，正在采用的衬底材料似乎都有些不够理想。例如，较理想的GaN衬底材料，制造技术尚未突破；梦寐以求的Si衬底，依然困难重重；较绿色的ZnO衬底，技术障碍尚待攻克。

1．LED芯片衬底的种类和性能比较

表3．2对5种可用于氮化镓（白光LED）生长的衬底材料进行了定性比较。

表3．2　5种可用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣定性比较

续表

以下分别讨论可用于LED的5种衬底材料。

1）蓝宝石衬底

目前，用于氮化镓生长的最普遍的衬底是蓝宝石，即Al2O3，如图3．7所示，其市场占有率位列第一。蓝宝石衬底是源于日本公司的专利技术。其主要优点是：化学稳定性好，不吸收可见光，价格适中，制造技术相对成熟；不足方面虽多，但均被克服，如大的晶格失配被过渡层生长技术所克服；导电性差通过同侧P、N电极所克服；不易机械切割由激光划片技术所克服；大的热失配对外延层形成压应力因而不会龟裂。但是，较差的导热性在小电流工作下没有暴露出明显不足，而在功率型器件大电流工作下问题却十分突出。

图3．7　蓝宝石衬底

图3．8　碳化硅衬底

今后，国内外蓝宝石衬底的研发方向是生长大直径的单晶，向4～6in方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。

2）碳化硅衬底

目前，除蓝宝石（Al2O3）衬底外，可用于氮化镓生长的衬底还有碳化硅（SiC）（见图3－8），其市场占有率位居第二。目前还没有第三种衬底可用于氮化镓LED的商业化生产。碳化硅的优点为化学稳定性好，导电性能好，导热性能好，不吸收可见光等；缺点为价格高，晶体质量难以达到蓝宝石和硅那么好，机械加工性能比较差。另外，SiC衬底吸收380nm以下的紫外光，不适合用于研发380nm以下的紫外LED。

但是，由于SiC衬底具有优异的导电性能和导热性能，不是像蓝宝石衬底上功率型氮化镓LED器件所采用的倒装焊接技术那样解决散热问题，而是采用上下电极结构，可以较好地解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，所以在半导体照明技术领域的发展中占有重要地位。

目前，国际上能提供商用的高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。今后，国内外SiC衬底研发的任务是大幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。

3）硅衬底

硅（Si）衬底是源于中国的专利技术。在硅衬底上制备发光二极管是照明领域里梦寐以求的，主要原因是一旦技术获得全面突破，外延生长成本和器件加工成本就会大幅度下降。并且硅片作为GaN材料的衬底具备许多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，导电性、导热性和热稳定性良好等。然而，由于GaN外延层与硅衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配，以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在硅衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。由于硅衬底对光的吸收严重，致使硅衬底的LED出光效率低，所以成为一种技术瓶颈。

目前，德国Magdeburg大学研制的硅衬底蓝光LED，输出功率最好可达420mW。日本Nagoya研究所报道的硅衬底蓝光LED输出功率为18mW。

中国的晶能光电有限公司是拥有硅衬底GaN外延生长和芯片加工技术的公司，开拓了以硅衬底生长外延片的新技术路线，打破了以美国为代表的蓝宝石衬底技术和以日本为代表的碳化硅衬底技术的垄断。

晶能光电基于硅基氮化镓技术研发的蓝光LED器件在350mA电流下获得3．2V、480 mW、100lm的光效输出，氮化镓内量子效应已达到蓝宝石衬底生长的同比水平。晶能光电产品的成功开发，表明硅基氮化镓LED技术必将为未来量产固态照明所需的高性能LED器件提供更有效的解决方案。

4）氮化镓衬底

白光LED所用的氮化镓（GaN）生长，最理想的衬底应当是氮化镓单晶材料，其可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件工作寿命、发光效率和工作电流密度。但是，制备氮化镓单晶材料非常困难，目前还没有行之有效的方法。有研究人员通过氢化物气相外延HVPE方法在其他衬底，如蓝宝石Al2O3、碳化硅SiC、镓酸锂LiGaO2上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获得的氮化镓厚膜与在Al2O3、SiC上外延的氮化镓薄膜的位错密度相比，优势明显要低，且价格昂贵，所以氮化镓厚膜作为半导体照明衬底受限。

缺乏氮化镓衬底是阻碍氮化物研究的主要困难之一，也是造成氮化镓发光器件进展再次停顿的根本原因。虽然已有人从高压熔体中得到了单晶氮化镓材料，但尺寸很小，无法使用。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二极管产品，但高档产品必须在氮化镓衬底上生产。目前，只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，但价格很贵，一片2in衬底的价格约1万美元。这些衬底全部由HVPE（氢化物气相外延）生产，技术工艺复杂。

如今，氮化镓衬底技术的研发重点是寻找实用的生长方法，并大幅降低成本。

5）氧化锌衬底

氧化锌（ZnO）作为GaN外延的候选衬底，是由于两者惊人的相似，即两者晶体结构相同、晶格失配度非常小、禁带宽度接近。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是GaN在外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材料不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要原因是材料质量达不到器件级水平，P型掺杂问题也没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。

但是，ZnO本身就是一种有潜力的发光材料。ZnO的禁带宽度为3．37eV，属直接带隙，与GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，接近380nm的紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件和低阈值紫光半导体激光器的候选材料。

另外，ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，采用有机金属锌为锌源。因此，今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产，而且原材料锌和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。

2．LED芯片衬底的制备

下面以最常用的蓝宝石衬底为例，介绍LED芯片衬底的制备过程。蓝宝石LED芯片衬底最后要做成薄片状的蓝宝石晶体片，它分为两个环节的工序来实现。第一是晶体棒的制备，即制备出一根一定长度和粗细的蓝宝石晶体棒；第二是将上一工序制成的晶体棒再通过切割及辅助工序加工成最后的成品，即薄片装的蓝宝石衬底片。而且，由于晶体是各向异性的材料，最后制备的衬底薄片的方向性必须正确，所以加工时必须考虑晶体特性导致的方向性问题。

蓝宝石（Al2O3）由3个氧原子和2个铝原子以共价键形式结合而成，其晶体结构为六方晶格结构，常被应用的切面有a－Plane、c－Plane及R－Plane。由于蓝宝石的光学穿透带很宽，从近紫外光（190nm）到中红外线都具有很好的透光性，因此，被大量用于光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料中。它具有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，是一种相当难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前，超高亮度白／蓝光LED的品质取决于氮化镓（GaN）磊晶的材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石（单晶Al2O3）c面与Ⅲ－Ⅴ和Ⅱ－Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合氮化镓磊晶制作中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白／蓝／绿光LED的关键材料。

图3．9和图3．10所示分别为蓝宝石的分子结构和晶面结构示意图以及晶体实际结构中的c面图。实际加工时，一定要让c面成为最后的衬底薄膜平面。

图3．9　蓝宝石晶体分子结构与晶面结构示意图

图3．10　蓝宝石晶体实物切片的c面图

1）晶体棒的制备

晶体棒的制备包括以下几道工序：长晶→定向→掏棒→滚磨→品检。

（1）长晶。

第一道工序为长晶，即通常采用专业术语来描述的“晶体生长”是晶体棒制造中最关键的一种工序过程，长晶就是利用长晶炉生长尺寸大且品质高的单晶蓝宝石晶体。

晶体生长包含焰熔法、提拉法、泡生法和热交换法4种方法，下面介绍介绍提拉法的工作原理，其余方法请参阅相关资料。

图3．11　提拉法示意图

提拉法示意图如图3．11所示，将预先合成好的多晶原料装在坩埚中，并将原料加热到其熔点以上，此时，坩埚内的原料就熔化为熔体，在坩埚的上方有一根可以旋转和升降的提拉杆，杆的下端带有一个夹头，其上装有籽晶。降低提拉杆，使籽晶插入熔体中，只要温度合适，籽晶既不熔掉也不长大，然后慢慢地向上提拉和转动晶杆。同时，缓慢地降低加热功率，籽晶就逐渐变粗，小心地调节加热功率，就能得到所需直径的晶体。整个生长装置安放在一个封闭的外罩里，以便生长环境中有所需要的气温和压强。通过外罩的窗口，可以观察生长的情况。用这种方法已经成功地长出了半导体、氧化物和其他绝缘类型的大晶体。

提拉法的主要优点如下。

a．在生长的过程中可以方便地观察晶体的生长情况。

b．晶体只在熔体表面处生长，而不与坩埚相接触，这样能显著地减小晶体的应力，并放置埚壁的寄生成核。

c．可以方便地使用定向籽晶和“缩颈”工艺。缩颈后面的籽晶，可大大减少其位错，这样使放大后生长出来的晶体，其位错密度降低。

总之，提拉法生长的晶体，其完整性高，且生长率和晶体尺寸的结果也令人满意。例如，提拉法生长的蓝宝石晶体，具有较低的位错密度，较高的光学均匀性，也不存在锒嵌结构。

长晶工序完成后，生长出来一个体积足够大的晶体，以供其后面的工序进行加工。下面简介其后面的辅助工序。

（2）定向。

此道工序是确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置，便于掏棒加工。

（3）掏棒。

此道工序是以特定的方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒。

（4）滚磨。

此道工序是用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削，得到精确的外圆尺寸精度。

（5）品检。

此道工序是确保晶棒品质及掏取后的晶棒尺寸与方位是否符合客户的要求。

经过以上几道工序后，晶棒就制备完成了。

2）衬底晶片的制备

LED芯片衬底制作的第二个环节是将晶棒切割制备成晶片。这一过程包括以下几道工序：定向→切片→研磨→倒角→抛光→清洗→品检。

各工序简介如下。

（1）定向。

在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置，以便于精准切片加工。

（2）切片。

将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片。

（3）研磨。

去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度。

（4）倒角。

将晶片边缘修整成圆弧状，改善薄片边缘的机械强度，避免应力集中造成缺陷。

（5）抛光。

改善晶片粗糙度，使其表面达到外延片磊晶级的精度。

（6）清洗。

清除晶片表面的污染物（如微尘颗粒、金属、有机污物等）。

（7）品检。

以高精密检测仪器检验晶片品质（平坦度、表面微尘颗粒等）是否符合客户要求。

至此，LED芯片的衬底晶片就生产完毕，其产品用于LED芯片制作的下一个环节——外延片制备。

3．3．2　LED芯片外延片的制备

由LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分。事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。发光二极管对外延片的技术要求主要有：禁带宽度适合，可获得电导率高的P型和N型材料，可获得完整性好的优质晶体，发光复合几率大。

1．外延片、芯片市场与技术概况

外延片、芯片等是LED行业中技术层次较高的核心器件，其代表行业的发展水平，是整个LED产业链的上游部分。其制造技术的发展直接决定了LED行业的产业结构和市场地位，在LED产业链各环节的利润分布中约占70%。

所谓外延生长，就是在高真空条件下，采用分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法，在晶体衬底上，按照某一特定晶面生长的单晶薄膜的制备过程。半导体外延生长主要采用MBE和MOCVD工艺，其中MBE为较早期采用的工艺方法。目前，生产外延片主要采用有机金属化学气相沉积方法。

目前国际上生产MOCVD设备的知名企业主要有两家：德国的Aixtron公司（已兼并了英国的Thomas　Swan公司），累计销售约1000台；美国的Veeco公司（已兼并了美国的Emcore公司），累计销售400～500台。其中，德国的Aixtron公司占据60%～70%的国际市场份额，美国的Veeco公司占30%～40%的国际市场份额。而被德国Aixtron公司并购的英国的Thomas　Swan公司却是全球首先发明MOCVD设备的企业。

目前，世界80%的顶尖LED企业基本采用上述这两家企业的MOCVD设备，而日本生产的MOCVD设备主要为自用。

2003年，我国正式实施“国家半导体照明工程”，并在“十五”、“十一五”重点攻关课题和“863计划”中，将MOCVD设备国产化列入重点支持方向，取得了初步成效。中电集团48所成功研发了GaN的MOCVD设备，填补了国内空白，突破了我国LED产业装备的技术瓶颈。同时，中科院半导体所、南昌大学、青岛杰生电器等单位也成功研发了研究型的MOCVD设备。

2．MOCVD工艺与设备

外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在。金属有机物化学气相淀积（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技术是生长Ⅲ－Ⅴ族、Ⅱ－Ⅵ族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。Ⅱ、Ⅲ族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如Ga（CH3）3、In （CH3）3、Al（CH3）3、Ga（C2H5）3、Zn（C2H5）3等，它们大多数是高蒸气压的液体或固体。用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸气，与V族的氢化物（如NH3、PH3、AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。

MOCVD是CVD（化学气相淀积）的一种类型。

1）CVD的类型与特点

CVD即化学气相淀积，是反应物以气态形式到达加热的衬底表面后发生化学反应，形成固态薄膜和气态产物的一种薄膜材料生长方法。利用化学气相淀积可以制备无机薄膜，也可以用金属薄膜制备无机薄膜。

化学气相淀积种类很多，主要有：常压CVD（APCVD）、低压CVD（LPCVD）、超低压CVD（VLPCVD）、等离子体增强型CVD（PECVD）、激光增强型CVD（LECVD）、金属氧化物CVD（MOCVD），以及电子自旋共振CVD（ECRCVD）等。按淀积过程中发生化学反应的种类不同，化学气相淀积可以分为热解法、氧化法、还原法、水解法、混合反应等。

CVD制备的无机薄膜的最大优点是致密性好，效率高，有良好的台阶覆盖能力，可以实现厚膜淀积，以及可以相对降低成本；缺点是淀积过程容易对薄膜表面及环境造成污染等。

常压CVD（APCVD）的特点是不需要很好的真空度、淀积速度非常快、反应受温度影响不大，而淀积速度主要受反应气体的输送速度的影响。

低压CVD（LPCVD）的特点是具有良好的扩散性（宏观表现为台阶覆盖能力），反应速度主要受淀积温度的影响。另外，温度梯度对淀积的薄膜性能（晶粒大小、应力等）有很大的影响。

等离子体增强型CVD（PECVD）的最大特点是反应温度低（200～400℃）和良好的台阶覆盖能力，可以应用在Al等低熔点金属薄膜上淀积；其主要缺点是淀积过程容易对薄膜形成污染，温度、射频、压力等都是影响PECVD工艺的重要因素。

CVD外延生长过程可分为以下几步。

（1）参加反应的气体混合物被运输到淀积区。

（2）反应物分子由主气流扩散到衬底表面。

（3）反应物分子吸附在衬底表面上。

（4）吸附物分子间或吸附物分子与气体分子间发生化学反应，生成外延成分及反应副产物，外延粒子沿衬底表面迁移并进入晶格点阵。

（5）反应副产物由衬底表面外扩散到主气流中，然后排出淀积区。

金属有机物化学气相淀积，即MOCVD，有时也称为MOVPE（Motel Organic Vapor Phase Epitaxy，金属有机物气相外延生长）。它是1968年由美国洛克威尔公司的H．M．Manasevit提出的一种制备化合物半导体薄层单晶的方法。自20世纪80年代以来，MOCVD发展迅速，日益显示出在制备薄层异质材料，特别是生长量子阱和超晶格方面的优越性。近年来，MOCVD取得的最大进步是运用流体力学的原理实现生长过程中的基片旋转，从而大大改进生长的均匀性。MOCVD生长所用的源材料均为气体，对于Ⅲ族或Ⅱ族来说，采用它们的金属有机化合物；对于Ⅴ族或Ⅵ族来说，则采用它们的烷类化合物。MOCVD就是以金属有机物（如TMGa、TMAI、TMIn、TEGa等）和烷类（如AsH3、PH3、NH3等）为原料进行化学气相淀积生长单晶薄膜的一种技术，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延。金属有机化合物大多是具有高蒸气压的液体，通过氢气、氮气或其他惰性气体作为载气，将其携带出与烷类混合，再共同入反应室高温下发生反应。其技术基础是：在一定温度下，金属有机物和烷类发生热分解；再在一定晶向的衬底表面上吸附、化合、成核、生长。用MOCVD方法研制成功的化合物半导体器件很多，如异质结双极晶体管（HBT）、场效应晶体管（FET）、高迁移率晶体管（HEMT）、太阳能电池、光电阴极、发光二极管（LED）、激光器、探测器和光电集成器件等。

与其他外延生长技术相比，MOCVD技术具备如下优点。

（1）用于生长化合物半导体材料的各组分和掺杂剂都是以气态的方式通入反应室，因此，可以通过精确控制气态源的流量和通断时间来控制外延层的组分、掺杂浓度、厚度等；用于生长薄层和超薄层材料。

（2）反应室中气体流速较快。因此，在需要改变多元化合物的组分和掺杂浓度时，可以迅速进行变化，减小记忆效应发生的可能性。这有利于获得陡峭的界面，适于进行异质结构和超晶格、量子阱材料的生长。

（3）晶体生长是以热解化学反应的方式进行的，其属于单温区外延生长。只要控制好反应源气流和温度的均匀分布，就能保证外延材料的均匀性。因此，适于多片和大片的外延生长，便于工业化大批量生产。

（4）通常情况下，晶体生长速率与Ⅲ族源的流量成正比，因此，生长速率调节范围较广。较快的生长速率适用于批量生产。

（5）使用较灵活。原则上，只要能够选择到合适的原材料，就可以进行包含该元素的材料的MOCVD生长。而作为反应源的金属有机化合物，性质会有一定的差别。

（6）由于对真空度的要求较低，所以反应室的结构较简单。

（7）随着检测技术的发展，可以对MOCVD的生长过程进行在位监测。

MOCVD技术最吸引人的地方在于它的通用性，只要能够选取到合适的金属有机源，就可以进行外延生长。只要保证气流和温度的均匀分布，就可以获得大面积的均匀材料，进行大规模工业化生产。

MOCVD技术的主要缺点是，与其所采用的反应源有关。首先，所采用的金属有机化合物和氢化物源价格较为昂贵；其次，由于部分反应源易燃易爆或有毒，所以有一定的危险性，并且反应后的产物要进行无害化处理，以避免造成环境污染；最后，由于所采用的源中包含其他元素（如C、H等），所以需要对反应过程进行仔细控制，以避免引入非故意掺杂的杂质。

2）MOCVD系统的结构原理

MOCVD系统的外观如图3．12所示。

图3．12　MOCVD系统的外观图

MOCVD系统内部的工作原理如图3．13所示。

MOCVD系统对各个控制参数的精度要求也很高，如升温、降温的时间，温度在腔体内的均匀分布情况，MO源的流量精确控制等。MOCVD系统主要包括以下几个子系统：源供给系统，气体输运系统，反应腔（或称反应室），加热、冷却系统，控制系统。

（1）源供给系统。

源供给系统包括金属有机化合物源、氢化物源及掺杂源的供给。金属有机化合物封装在特制的不锈钢的鼓泡器中，由通入的高纯H2携带输运到反应腔。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶应置入电子恒温器中，温度应控制在0．2℃以下。氢化物是经高纯H2稀释到浓度5%～10%后装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，再输运到反应腔。掺杂源有两类：一类是金属有机化合物；另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。

图3．13　MOCVD系统内部的工作原理示意图

（2）气体输运系统。

气体输运系统的作用是向反应室输送各种反应气体。该系统要能够精确地控制反应气体的浓度、流量、流速以及不同气体送入的时间和先后顺序，从而按设计好的工艺方案生长特定组分和结构的外延层。气体输运系统包括Run／Vent主管路、吹扫管路、管路检漏和尾气处理系统，其结构如图3．14所示。

图3．14　气体输运系统结构示意图

MOCVD系统的成本大部分集中于气体输运系统。由于使用的载气是超高纯气体，在输送过程中要避免被颗粒污染或避免出现任何的死区，所以对输送管道、调压阀、气动隔膜阀、切换组合阀、管路VCR接头、弯管连接头等的质量和内表面光洁度要求极高，还有很多包括压力控制器和质量流量控制器的高精度的集成控制单元，最终导致了该部分成本很高。

该部分的主要作用是，将作为载气的氢气或氮气干燥提纯达到8N以上的超高纯气体，并将其输送至金属有机源钢瓶气泡器中，在特定的温度和压力环境下，携带出需要的金属有机源气体，通过质量流量控制器精确控制参与反应的各种源气，并将其输送至反应腔，在高温下参与反应生成最终需要的薄膜。未参与反应的气体、反应副产物、中间反应生成物等可以通过尾气处理系统逐级吸附、高温裂解后送至洗涤器处理。

基于安全防泄漏考虑，整个气路系统配备了一系列检漏点，用于验收运行前的焊接装配是否合格以及设备运行时是否进行了定期维护。同时配备了危险气体探测器来检测尾气及工作室内的有害气体含量，并把检测器与控制系统相连，成为安全互锁装置的重要组成部分。

（3）反应腔。

反应腔是MOCVD系统中生长材料的一部分，因为反应腔的设计直接影响材料生长的优劣，所以反应腔是MOCVD的关键部分之一。

反应腔的总体结构可以分为水平式和垂直式两种，大部分MOCVD反应腔都是这两种结构的改进。

水平式反应腔是目前采用最广泛的反应腔结构，在此结构中，反应腔中的衬底放置在水平基座上，反应气体从衬底上横向流过。进气区域的截面形状为锥形，以便从小直径的进气口平稳地向反应区域的较大直径的进气口过渡，以保证层流，避免出现湍流。在早期的反应腔设计中，基座的形状通常为楔形，以补偿反应源在衬底表面的消耗对反应的均匀性造成的影响，而现在以衬底的气动旋转来进行。

水平式反应腔结构简单，但是很难得到厚度均匀的薄膜，因此，通常采用将衬底倾斜一定角度，这样可以提高薄膜的均匀性。由于水平式反应腔均匀性受到限制，所以无法大规模生产，只适合于研究。为了得到高质量的薄膜，抑制热对流和预反应，人们对水平式反应腔进行了改造，提出了一些新的反应腔结构。典型的是日本日亚公司的Nakamura提出的双气流反应腔，如图3．15所示。

图3．15　双气流反应腔结构示意图

垂直式反应腔的反应源进气方向与衬底表面垂直，反应源直接覆盖了整个衬底表面，避免了在水平式反应腔中存在消耗不均匀的问题。在这种反应腔结构中，基座通常采用高速旋转方式，它的作用类似于泵的作用，可以将反应源向下压并通过整个衬底，这对提高生长的均匀性和避免湍流的形成有好处。传统的垂直式反应腔能够沉积高质量的薄膜，但是这种反应腔的效率比较低，一次只能沉积一片晶圆。

为了提高反应腔的生长效率，人们对反应腔的结构做了改进，如Thomas Swan的喷淋式和AIXTRON的行星式，都增加了一次沉积晶圆的数目，极大地提高了生产效率。图3．16所示的是这两种反应腔的结构。

图3．16　反应腔结构示意图

通过对薄膜外延生长过程的基本原理进行分析，反应腔中发生的反应包括反应源气体气相输运、反应物的气相化学反应、反应物吸附在衬底表面、衬底表面的固相化学反应、不稳定反应生成物从衬底释放、反应生成物气相输运排出等六个基本过程。其中反应物的气相化学反应包括裂解和形成加合物两种相互竞争的路径。

（4）加热、冷却系统。

温度是薄膜生长化学反应正向进行的首要条件之一。由于MOCVD设备的薄膜生长温度范围为400～2000℃，所以加热、冷却系统在设备中处于非常重要的地位。

①加热系统。

加热器是MOCVD设备的核心部件之一。在国外，不同的MOCVD设备供应商其加热器也各有特点，如图2．8所示。加热系统对反应发生的基底进行加热，提供反应发生所需要的温度，并满足加热均匀、升温降温速度快、温度稳定时间短的要求。在整个生长的过程中，要求其温度波动很小，因为温度是反应速率的重要影响因素。许多厂家和研究机构都集中精力设计更为优越的反应腔，为了配合反应腔设计，加热器也必须进行相应的变化。在反应腔内的反应物分布均匀的条件下，提膜片厚度均匀性的途径之一就是保持基座表面热场均匀。

根据加热原理的不同，加热器可以分为感应加热和电阻加热两种。感应加热的优点是温度均匀性好，晶片间温差ΔT＝0．2℃，加热时间快，由400℃上升到1000℃仅需600s。其缺点是装配精度要求较高，片间温度差对角度变化非常敏感。

电阻加热又可分为电阻丝加热和电阻片加热两种。电阻丝加热以辐射换热为主，通过多区域加热优化各区的结构来实现温度均匀性的配置。在石墨台无旋转的条件下，片间温度差ΔT＝6℃，旋转后温度均匀性可提高20%。电阻丝加热对装配时的角度、距离误差没有感应加热敏感。电阻片加热方式的结构比电阻丝加热方式的加热更直接，且效率更高。在石墨台无旋转的条件下，片间温度差为ΔT＝1℃。图3．17所示的是电阻片与加热系统结构图。

②冷却系统。

MOCVD设备的冷却系统主要由五部分组成，分别为喷淋腔壁的冷却、流道腔壁的冷却、尾气流道的冷却、加热电极的冷却和腔体中心管的冷却，如图3．18所示。

（5）控制系统。

图3．17　电阻片和加热系统结构图

图3．18　MOCVD冷却系统结构图

MOCVD作为复杂的大型综合设备，其控制参数较多，主要包括以下几个。

①温度控制。

衬底温度是外延工艺中最重要的参数之一，温度的快速跟随性、快速升温速率（不小于3℃／s）、快速稳定性（不大于60s）、控制精度（不大于±1℃）及均匀性（不大于±1℃）等都对外延片的结晶质量、表面形貌、量子阱结构有很大的影响。因此，在结构设计中留有接口，定期使用红外检测仪对衬底温度进行校准，并将校准后的数据输入真实温度模拟程序中，计算出实际温度值，再由计算机在工艺过程中自动进行修正，以保证温度的均匀性和重复性。加热器采用钨丝绕制，采用恒流型控制方式，同时，由于钨的电阻温度系数很大，采用温度分区调节加热功率可以实现对温度的跟踪，并设置有电流过载保护、冷却水流量保护，防止加热器损坏，既可延长加热器寿命，又可使升温速率很快达到10℃／s。

②压力控制。

反应室的压力控制也是外延工艺的重要参数之一。采用压力全自动闭环控制，宽量程薄膜用作压力传感器，将反应室压力信号输入压力控制仪，并与设定值比较后再调节蝶阀的开度，从而改变抽气速率对反应室压力进行阀环自动控制。

③基片座旋转控制。

在外延生长中，基片座均匀旋转是保证外延片均匀性的最佳手段，转速一般为5～20 r／min，转速采用全自动闭环控制。为保证旋转的平稳度，电机旋转惯量的选择最为重要。

④气体流量。

气体流量采用质量流量计，通过A／D、D／A形成闭环控制，气流通断由低泄漏气动阀门进行。流量控制要求高精度，气流通断要求快速响应，以满足多量子阱和超晶格结构LED芯片材料外延生长的要求。

⑤安全防护。

安全防护是CVD技术永恒的话题。由于MOCVD系统中使用了H2、SiH4等危险气体，一旦发生泄漏，就会对设备造成损害或对人身安全造成威胁。因此，硬件设计时，要使设备漏气率达到要求，在电气设计中还要在气源柜和手套箱内进行危险气体检测，并在设计中尽可能地采用安全电压，在电源柜、反应腔及手套箱中不得设置开关等带活动触头的可能引起打火的元器件。

⑥故障报警。

一级报警给出的警告信息定义为“有可能导致火灾、爆炸、中毒等特大事故，而造成人身伤害甚至致人死亡”。例如，H2泄漏（电源柜、手套箱中探测到H2）、反应室过压、H2管道压力低等，在给出警告信息时，通过硬件和软件连锁电路自动关闭危险气体管道，同时整个系统采用大流量N2冲洗。

二级报警给出的注意信息定义为“有可能造成设备损坏或导致工艺失败的”。例如，温度、流量、旋转、压力参数偏差等，给出注意信息并提示故障情况，由操作人员处理。

3．3．3　芯片成形

在利用MOCVD设备完成外延生长之后，LED芯片制作的第三个环节是芯片成形。芯片成形环节又可分为三道工序，分别为前工艺、后工艺和点测分选。这三道工序的主要任务分别是做电极、薄化和优化晶片结构、成品检测与分类。

1．前工艺

前工艺的主要工作就是在外延片上制作一颗颗晶粒。利用光刻机、掩膜板、ICP、蒸镀机等设备制作图形，在一块2in的wafer片上制作出成千上万颗连在一起的晶粒。

前工艺需要在三个不同的车间完成，分别称为黄光室、清洗室和蒸镀室，具体要用到的设备如下。

（1）黄光室：主要包括匀胶机、加热板、曝光机、显影台、金相显微镜、甩干机、台阶仪。

（2）清洗室：主要包括有机清洗台、酸性清洗台、撕金机、扫胶机、甩干机。

（3）蒸镀室：主要包括ICP、ITO蒸镀机、合金炉管、Pad蒸镀机、PECVD、扫胶机、手动点测机、光谱仪。

前工艺工序示意图如图3．19所示。

前工艺完成后，在一块2in的wafer片上制作出成千上万颗连在一起的晶粒，此时，其上的每一颗晶粒都可以发光。将某一颗晶粒单独切下来的外形及其发光的情形如图3．20所示。

前工艺完成后，要进行一次晶片性能检测，称为IPQC（In-Process Quality Control）。IPQC主要是对芯片的电性参数进行检测，然后根据电性参数来判定晶片是继续下道工序还是需要返工，检测的电性参数主要有：Vf（正向电压）、Iv（亮度）、Wd（波长）、Ir（逆向电流）、ESD（抗静电能力）等。

2．后工艺

后工艺是将前工艺制作成的含有数目众多管芯的晶片减薄，然后使用激光切割成一颗颗独立的管芯。后工艺要用到的设备为：上蜡机、研磨机、抛光机、清洗台、粘片机、切割机、裂片机等。

LED芯片成形后工艺工序图如图3．21所示。

图3．19　芯片制作前工艺工序示意图

图3．20　前工艺单颗晶粒成品图与发光效果图

图3．21　LED芯片成形后工艺工序图

3．点测分选

点测分选的主要工作如下。

（1）点测大圆片或方片上每一颗晶粒的电性和光学性能。

（2）将大圆片按照条件分成规格一致的方片。

（3）吸除外观不良部分，并贴上标签。

点测分选采用的设备主要有点测机、分选机、显微镜等。

具体过程为：制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取9个点进行参数测试，如图3．22所示。

图3．22　LED晶圆片抽点测试

测试内容主要是对电压、波长、亮度进行测试。如果晶圆片符合正常出货要求，就继续进行下一步的操作；如果晶圆片上的这9点测试不符合相关要求，就放在一边另外处理。

测试步骤为：首先，进行全品目检。在晶圆切割成芯片后，操作者要使用显微镜在放大30倍的情况下对所有的产品进行目检。然后，使用全自动分类机根据不同的电压、波长、亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。最后，对LED芯片进行检查和贴标签。芯片区域要在蓝膜的中心，每张蓝膜上最多有5000粒芯片，最少为1000粒芯片，芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，并附在蜡光纸的背面。蓝膜上的芯片再确保最后的目检测试与第一次目检标准相同，以确保芯片排列整齐和质量合格。这样就制成了LED芯片（通常称为方片）。

方片是芯片环节的最终产品，可提供给下一个生产环节，即封装环节作为原材料之一而使用。

在LED芯片的制作过程中，把一些有缺陷的或电极有磨损的芯片分拣出来，称为散晶，此时在蓝膜上有一些不符合正常出货要求的晶片，就成为边片或毛片等。

在晶圆片上的不同位置抽取9个点进行参数测试，对于不符合相关要求的晶圆片是不能直接用来制作LED方片的，因此可不做任何检查，而直接卖给客户，也就是目前市场上的LED大圆片。

至此，LED芯片生产完成，其包装后的外观如图3．23所示。

图3．23　LED芯片产品包装出货图