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1、LED工厂工艺布置及公用设施扩展研究摘要 本文通过对高亮度LED目前先进工艺及未来技术发展方向分析研究，以LED生产线能够有效兼容目前新工艺新技术同时能够适应未来技术扩展为目的，通过合理优化工艺生产线的布局，为LED工厂建设提供可扩展性方案；同时通过优化总结LED工厂的能耗指标，为LED工厂建设提供有效公用设施参考指标。关键词 高亮度LED 洁净厂房 工艺布局 能耗指标 随着全球能源危机愈发严重，节能减排日渐成为全球政府政策导向的重要内容。2011年国务院印发了“十二五”节能减排综合性工作方案，明确“节能减排”仍将继续作为调整经济结构、转变经济发展方式、推动科学发展的重要抓手和突破口，并在“十
2、二五”期间得到重点推进。绿色照明节能改造、节能技术产业化示范工程、节能产品惠民工程纷纷被列为节能重点工程。同时国家发改委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局日前联合印发关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告，根据公告，决定从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。随着LED照明产业节能补贴的出台，中国LED产业将迎来迅速发展期。针对目前及未来不断发展的LED产业，LED外延及芯片技术也不断推陈出新，产业化速度也不断加快，为LED工厂建设规划提出了扩展性要求；LED工厂产品种类集中化生产（如高亮度红光LED和蓝绿光LED生产线并行）也为LED工厂
3、建设工艺规划提出了兼容性的要求。以下针对LED的工艺特点，对工厂建设工艺规划提出解决方案，满足目前LED工厂建设需求。 一、LED工艺特点描述 高亮度LED放光二极管元器件的生产和开发包括LED发光二极管外延片及芯片生产。外延片的生产是再衬底基片上采用MOCVD沉积磊晶层。LED芯片生产工艺主要包括芯前工艺和芯后工艺。芯前工艺包括光刻、镀膜、湿法蚀刻、干法蚀刻；芯后工艺包括研磨、划片裂片、测试分类。目前红黄光GaAs衬底四元AlGaInP系LeD工艺常规流程如下图:磊晶制作MOCVD外延生长黄光区涂胶曝光显影n-ITO制作薄膜区ITO镀膜ITO退火化学品湿区ITO蚀刻化学品湿区去PRP-电极制
4、作黄光区涂胶曝光显影薄膜区蒸镀电极金属剥离化学品湿区去PR薄膜区金属合金化薄膜区PECVD镀膜SiO2保护点测分选研磨制作n-电极制作P电极保护SiO2保护黄光区涂胶曝光显影化学品湿区去PR黄光区涂胶P电极保护n-电极制作化学品湿区清洗薄膜区蒸镀电极金属合金化化学品湿区去PR研磨抛光研磨制作切割裂片研磨抛光点测分选研磨抛光蓝绿光蓝宝石衬底GaN基LED常规同侧电极工艺流程如下：磊晶制作MOCVD外延生长n-ITO制作薄膜区ITO镀膜ITO退火黄光区涂胶曝光显影n-Mesa光罩作业化学品湿区ITO蚀刻薄膜区ICP刻蚀化学品湿区去PRP电极光罩作业黄光区涂胶曝光显影化学品湿区ITO蚀刻化学品湿区去
5、PR化学品湿区去PR黄光区涂胶曝光显影SiO2保护PN电极光罩作业薄膜区蒸镀电极金属剥离化学品湿区去PR薄膜区金属合金化薄膜区PECVD镀膜黄光区涂胶曝光显影SiO2蚀刻化学品湿区去PR研磨制作切割裂片点测分选研磨抛光研磨抛光研磨抛光通过分析红黄光GaAs衬底四元AlGaInP系LeD工艺流程和蓝绿光蓝宝石衬底GaN基LED工艺可以将各工艺流程分为化学品湿刻区、黄光区、薄膜区、研磨区、切割裂片区、测试分选区。将清洗、湿刻蚀、去PR并入化学品蚀刻区；将PECVD、E-gun、ICP、合金炉并入薄膜区。将清洗设备和湿蚀刻设备共同并入化学品湿区。黄光区包括涂布、曝光、显影，其中显影区在黄光区做单独隔
6、间。二、LED厂房和工艺布局按照25-30台MOCVD对应所需厂房建筑面积为10000平方米-12000平方米。一般LED厂房布局有如下几种：图3:两层型图4:单层型图5:独栋型以蓝绿光LED为例，分析LED工艺流线，各工序物流流向统计如下：工艺传递次数湿蚀刻区黄光区薄膜区研磨区切割区点测分选湿蚀刻区024100黄光区301000薄膜区220000研磨区000010切割区100001点测分选000000化学品湿蚀刻区到黄光区传递次数为2次；黄光区到化学品湿蚀刻区传递次数为3次；化学品湿蚀刻区到薄膜区传递次数为4次；薄膜区到化学品湿刻蚀区传递次数为2次；黄光区到薄膜区传递次数1次；薄膜区到黄光区
7、传递次数2次。通过对传递次数的统计，将工艺布局采用使化学品湿刻蚀区、黄光区、薄膜区呈品字形布局，减少物流总传输距离，优化工艺布局。按照30台MOCVD的生产规模，化学品湿刻蚀区、黄光区、薄膜区的面积比为1:1.5:3。布局示意图如下：薄膜区22413黄光区化学品湿刻蚀区2图6：模式一黄光区化学品湿蚀刻区薄膜区232124图7：模式二化学品湿刻蚀区黄光区薄膜区324212图8：模式三通常采用模式一和模式二的工艺布局，具体可根据具体厂房布局制定。借鉴IC半导体生产线，在化学品湿蚀刻、黄光区、薄膜区内采用隧道式机台布局，使设备维修区与设备操作区域分开，不仅便于生产运营管理，而且也使洁净区面积减少。此
8、外采用隧道式机台布局，便于设备扩展和更新改造。三、LED新工艺新技术的厂房扩展AlGaInP LED和GaN LED提高发光效率的主要核心技术（1）通过优化MOCVD外延结构和工艺，提高芯片的内量子效率，主要是生产工艺和产品设计的调整，一般对设备机台及工艺布局不存在由于技术进步导致生产线淘汰；（2）通过芯片技术的研究发展，不断提高芯片的外量子效率；目前改善电注入效率和提高芯片出光效率的几种方法，如芯片塑形、表面粗化、全角反射镜(ODR)、外延片键合、激光剥离技术（LLO）、技术等。（1）芯片塑形（chipshaping） 利用侧面出光，提高芯片的出光效率。芯片常规芯片的外形为立方体，左右两面相
9、互平行，这样光在两个端面来回发射，直到完全被芯片所吸收，转化为热能，降低了芯片的出光效率。1993年，M.R.Krames等用磨成角度切割刀将AlGaInPLED成倒金字塔（侧面与垂直方向成35度角）1。2001年，Cree公司成功地制作出具有相同的结构形式的GaN/SiCLED，其基板SiC具有被制作成斜面，并将外部量子效率提高到32%。2由于蓝宝石衬底硬度极高，此项切割技术难以运用于蓝宝石衬底LED芯片的制作。此项技术主要应用于AlGaInP和SiC衬底LED芯片工艺，可以通过在切割裂片区增加TIP机台即可应用此项技术。（2）表面粗化通过正表面粗化技术来破坏光在芯片内的全反射，增加光的出射
10、效率，提高芯片的光提取效率。主要包括两种方法：随机表面粗化和图形表面粗化。随机表面粗化 LeeYJ等人3利用HPO3:HCl(5:1)实现对AlGaInP各向异性腐蚀的随机表面粗化。粗化的AlGaInPLED比未粗化的光致发光强度提高54%，外部量子效率提高54%，光输出功率提高60%。只需要在化学品湿蚀刻区域增加化学品清洗机台即可运用此技术。图形表面粗化 利用光刻、干法(湿法)刻蚀等工艺，实现对芯片表面的周期性规则图形结构的粗化效。C.F.Shen等人4利用图形表面粗化图形蓝宝石衬底（PSS）制作GaNLED，其采用双面PSS其光输出功率比采用单面PSS和普通衬底的分别提高了23.7%和53
11、.2%。 通过增加黄光区面积和在薄膜区增加ICP干法刻蚀机即可运用此技术。（3）全角反射镜(ODR) 利用背面光采用高反镜面的形式来提高提取效率。全角反射镜其由介质和金属组成5，可以对任何方向入射的光都具有高反射率，LED具有高光提取效率。全角反射镜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属一般采用Al、Au、Pt、Cr等；介质一般采用SiO2/Ta3O5、SiO2/TiO2、SiNx等。2007年，Osram公司ReinerW等，利用干法将外延刻蚀成多斜面，并在外延上沉积SiNx和金属，制作成掩埋式反射镜。在20mA，芯片在650nm波段的外部量子效率达到50%，光效为100lm/W6。采用离
12、子辅助沉积技术在薄膜区增加此设备即可应用此技术，由于各家设备高度变化较大，建议在此位置预留吊顶高度为3.5m。（4）键合技术（Wafer-Bonding）在金属键合中，必须控制表面的粗糙度以及晶片的翘曲度。金属合金在键合过程中会熔解并实现界面的平坦化。液态的界面使共晶键合需要施加相对较小却要一致的压力。四元AlGaInPLED采用透明GaP和Si基板， GaNLED常采用Si基板。键合机的重要性能指标是温度、压力的均匀性。键合温度大约在200-400，键合技术一般与电镀工艺相配合。键合机可以放于薄膜区域内的隧道区。（5）激光剥离技术（LLO） 激光剥离技术能够有效解决GaN基LED的衬底导热失
13、配的局限性。以蓝宝石衬底为例，利用紫外KrF脉冲准分子激光，比如248nm（5eV）,对蓝宝石衬底透光(9.9eV)，GaN层吸收从而在蓝宝石和GaN界面产生激光等离子体，爆破冲击波使他们分离。采用此项技术可以放置于薄膜间。四、LED工厂公共设施需求基准以25-30台MOCVD计算LED工厂产能设计，配套公共设施基准的能源指标如下:参考文献1Krameset.al,Appl.Phys.Lett.,Vol.75,No.16,18October19992NadarajahNarendran，ImprovedPerformanceWhiteLED SPIEvol.5941,InternationalConferenceonSolidStateLighting;20050801-04;SanDiego,CA(US).3LeeYJ,
