LED芯片制造設備現(xiàn)狀及其工藝介紹

　LED是技術引導型產(chǎn)業(yè)，特別是技術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”類似，設備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)膨脹仍然存在著速度匹配的問題，尤其是在高端設備領域，大部分設備仍然需要依賴進口。進口設備的價格昂貴，采購周期過長，使中國的LED芯片制造行業(yè)急需本土設備的成長和崛起。

　　一、上游外延片生長設備國產(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含量最高，資本投入密度最大，是國際競爭最激烈、經(jīng)營風險最大的領域。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應用大約也占10%~20%。

　　產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)使用的生產(chǎn)設備從技術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，核心設備基本上為國外進口，技術發(fā)展受制于人，且技術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)鏈概況及關鍵設備介紹

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也因其技術難度高、工藝復雜成為近年來最受矚目，全球市場壟斷最嚴重的設備。因此，該設備的國產(chǎn)化受到了國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的熱捧，一些企業(yè)和研究機構也啟動了MOCVD的研發(fā)，但何時能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)應用還是個未知數(shù)。

　　此外，伴隨LED外延技術的不斷創(chuàng)新，特別是藍寶石襯底(PPS)加工技術的廣泛應用，藍寶石襯底刻蝕設備也逐漸成為LED外延片制造技術核心關鍵工藝設備之一，其工藝水平直接影響到成膜性能，越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關注。作為國內(nèi)半導體裝備業(yè)的新星，北方微電子借助多年從事半導體、太陽能高端設備制造的技術優(yōu)勢，為LED生產(chǎn)領域的刻蝕應用專門開發(fā)了ELEDETM330ICP刻蝕設備，并已成功實現(xiàn)了PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線上的應用，這可以稱得上是LED生產(chǎn)設備國產(chǎn)化領域的突破，勢必對LED設備國產(chǎn)化起到推動和帶頭作用。

　　二、中游芯片制造主要設備現(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域有著廣泛的應用（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，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，用半導體刻蝕工藝更為精準的設計要求來實現(xiàn)LED領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。接觸式光刻由于價格低，是目前應用主流，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(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體光刻機翻新。而鑒于國內(nèi)光刻設備生產(chǎn)企業(yè)的技術基礎和在翻新業(yè)務中取得的經(jīng)驗積累，相信假以時日開發(fā)出國產(chǎn)的LED光刻設備的前景一片光明。納米壓印是通過模版熱壓的技術制備納米級圖形，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蒸鍍金屬加大晶片的電流導電面積。

　　蒸鍍臺按能量來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高，金屬附著力要求較高，LED行業(yè)普遍使用電子束蒸鍍機（Ebeam Evaporator）。目前國內(nèi)LED生產(chǎn)用蒸鍍臺目前仍以進口為主。國內(nèi)雖然已掌握蒸鍍臺原理，并能自行制造實驗室用蒸鍍臺，但由于自動化程度、工藝重復性、均勻性等問題，沒有進入大生產(chǎn)線使用。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(nèi)具有半導體PVD設備開發(fā)經(jīng)驗的設備商，將有能力實現(xiàn)LED蒸鍍臺國產(chǎn)化。

　　4．PECVD工藝及設備

　　PECVD（等離子增強化學氣相沉積）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℃左右溫度進行成膜，一次成膜可達40多片（2寸襯底），國內(nèi)LED生產(chǎn)用PECVD目前仍以進口為主。LED采用PECVD與傳統(tǒng)PECVD有相同的技術難點，關鍵技術仍在于溫度控制、等離子體技術、真空系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等。國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)成功晶硅太陽能電池用平板PECVD設備，該設備與LED用PECVD設備有很大的相通性，經(jīng)過局部硬件改進設計，比較容易實現(xiàn)LED用PECVD國產(chǎn)化。

　　三、下游封裝制造主要設備現(xiàn)狀

　　產(chǎn)業(yè)鏈下游為封裝測試以及應用，是指將外引線連接到中游生產(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)品的過程。在這一環(huán)節(jié)中使用的生產(chǎn)設備相對簡單，并具備一定電子行業(yè)通用性，如固晶機、焊線機等。

　　此外，在各個產(chǎn)業(yè)鏈中，還要使用到多種膜層性能、參數(shù)的檢測設備，如X射線衍射、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(shù)為電子行業(yè)通用設備，國內(nèi)外生產(chǎn)應用已非常成熟。

　　LED產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展為LED裝備帶來了廣闊的發(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，隨著高亮度LED芯片市場需求的不斷攀升，作為其技術