LED用蓝宝石基板(衬底)详细介绍,加工制程与技术 参数
昭和电工使用大直径蓝宝石底板生产蓝色及绿色LED
合 两者 的结 晶生长 方 法称 为 “ 合 混 Ｐ Ｄ法 ”。 用混 合 Ｐ Ｄ法 可提 高 Ｐ 利 Ｐ
倍 的人 手 。原 来 结 晶 生 长 只 使 用 ＭＯ Ｖ 装 置 ， 只 需 在 设 备 内 一 ＣＤ 次性 设 置 蓝 宝 石 底 板 ，按 下 开 始
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于 使 用 的是 直 径 为５ ｍ ０ ｍ的蓝 宝 石 底板 ， 因此仅 为每月３０ 万个 。 ００ 该公 司 打 算 在 ２０ 年 下 半 年 停 止 使 用 ０７ ５ｍｍ ０ 底板 ， 改用 ｌＯ ｍ 板生 产所 Ｏｍ 底
高 水平 产品将与原来一样 ， Ｌ Ｄ 以 Ｅ 芯 片的 力式 销售 。在液 晶面板 背照 ‘ 灯光 源及照 明设备 光源等 要求 高输 出功率 的用途 市场 ，此 前 已有 Ｌ Ｄ Ｅ 厂 商 在 销 售 １ 见 方 的 大 尺 寸 ｍｍ Ｌ Ｄ芯片 。 Ｅ 不过 ， 和电工 则打算 目 昭 前 以 ３０ ｍ见 方 的标 准 尺寸 Ｌ Ｄ ５ Ｅ 芯 片 以及 尺 寸 略 大 的 中 尺 寸 Ｌ Ｄ Ｅ 芯 片为中心 。 是 因为 ， 尺寸 Ｌ Ｄ 这 大 Ｅ
目前LED用蓝宝石长晶方法主要包括提拉法
目前LED用蓝宝石长晶方法主要包括提拉法、热交换法、泡生法、垂直水平梯度结晶法(VHGF)和先进热控法。
国内的天通股份、东晶电子、三安光电均采用泡生法生产蓝宝石衬底，但在尺寸和厚度变大时，使用这种方法的生产良率会明显降低，因而不适合生产苹果手机Home键乃至将来潜在的蓝宝石盖板玻璃，只适合生产LED外延用的蓝宝石衬底，东芝与普瑞光电合作的硅基板LED芯片预计将于今年10月量产，由于硅基板成本较低且容易获得大尺寸，一旦硅基板LED良率和性能达到与蓝宝石基板LED相媲美的程度，蓝宝石基板将面临更为严峻的挑战。
在国内两岸三地各大LED巨头火力血拼的沃土上，存在着三个不得不让人提起的男人——三安光电董事长林秀成、德豪润达董事长王冬雷、晶元光电董事长李秉杰璨圆光电芯片光电收购广镓、隆达合并威力盟、三安光电入股璨圆等案市场需求不够强劲，加上LED供过于求的情况尚未解决，继今年一连串的整并与入股事件后，2013年LED磊晶制造商预计将再掀起一波整并潮，以扩大营运规模。
佘庆威分析，今年芯片光电收购广镓、隆达合并威力盟、三安光电入股璨圆等案例晶电、亿光、璨圆、西安中为光电科技公司4条紫外LED芯西安中为光电科技有限公司总经理杨建科陕西光电科技有限公司副总经理于浩内蒙古晶环电子材料有限公司内蒙古晶环由浙江晶盛机电股份有限公司和天津中环半导体股份有限公司重庆最大的集生产和研发为一体的LED基地重庆超硅LED芯片项目将正式在两江新区水土高新产业园竣工投产。
该项目于2010年10月正式签约，2011年4月正式开工建设。
投产后，每个月LED芯片产量将在30万片左右，最终将形成月产60万片左右的规模。
上海超硅半导体有限公司是目前国内唯一拥有8英寸硅片抛光生产线和大尺寸蓝宝石长晶技术工艺生产线的企业，产品包括半导体硅材料、LED用蓝宝石材料、复合德豪润达公告，全资子公司大连德豪光电近日收到大连金洲新区财政局600万元人民币政府补贴，用于大连德豪光电LED芯片产业化专案建设。
照明级led芯片技术及其应用简介(大功率)
照明级LED芯片技术及其应用简介潘群峰三安光电股份有限公司内容概要•大功率LED的发展和现状•芯片关键参数的评估•大功率LED芯片的合理应用•LED芯片前沿技术展望（一）大功率LED的发展和现状氮化镓(GaN)基LED芯片Cree, 1997碳化硅衬底，垂直(非薄膜)结构P 面出光(p-side up)Nichia, 1997蓝宝石衬底，水平(正装)结构Ni/Au 半透明电极大功率LED芯片的发展演变(sapphire)正装Ni/Au (Lumileds, 1999年)倒装芯片结构(Lumileds, 2001年)垂直薄膜结构(Osram, 2004年)正装ITO (Elite, 2005年)大功率LED芯片的发展演变(SiC)MegaBright (Cree)XBright(Cree)EZBright(Cree)(OSRAM)倒装芯片(Flip-chip)Philips LumiledsLuxeon K2倒装芯片关键技术sapphirep-Si submountn-GaN MQW p-GaNn+n+NP9p 型反射电极系统9倒装焊基板设计倒装芯片关键技术植球机倒装键合机待倒装芯片硅基板倒装芯片(Flip-chip)Optotech(2006年)UEC(2004年)Genesis(2005年)FD(2004年)Sanan(2005年)APT(2010年)正装芯片OVAMKONLX-5NLX-5S-50ABMUPS-50BBMUP正装芯片关键技术—外延技术平坦面(常规) P面粗化(bump式) P面粗化(pit式) PSS (湿法) PSS (干法) PSS + P面粗化LED业界外延技术发展历程正装芯片关键技术—外延技术p粗化PSSp粗化+PSS正装芯片关键技术—侧壁蚀刻(sidewall etching)正装芯片关键技术—背镀反射镜P-pad ITO GaN N-padsapphireMirror Al SiO2/Al DBR ODR Improvement -+3% +7% +10~15％ SiO2 TiO2/SiO2 DBR Al or Ag正装芯片关键技术—电流阻挡层(CBL)P Pad SiO2 ITO Blocking layer(SiO2) N Pad垂直结构芯片Osram Thin-GaN Ge衬底Cree EZBright Thin-film Si衬底Semileds I-core MVPLED Cu合金衬底垂直结构芯片关键技术—衬底转移激光剥离蓝宝石(LLO)垂直结构芯片关键技术—表面粗化功率型GaN-LED技术现状统计截止2011年4月厂商Nichia Cree Lumileds Osram Semileds Epistar 三安 正装、PSS产品特点SiC生长衬底、垂直、Si衬底 薄膜倒装结构（TFFC） 垂直、Ge衬底 垂直、金属衬底 正装、p粗化、PSS 正装、PSS量产100~120lm/W 100~130lm/W 100~120lm/W 100~120lm/W 100~110lm/W 90~120lm/W 100~120lm/W研发183 lm/W 208 lm/W 140 lm/W 136 lm/W 130 lm/W 162lm/W 130 lm/W注：1W功率型LED、冷白光、工作电流350mA功率型GaN-LED技术现状Nichia VSx219A R&D 183lm/W (350mA, 4700K) 图形化衬底，水平结构Epistar V45, HV-LED R&D 162lm/W(47V, 20mA, 5000K) 粗化外延，水平结构，ITOCree EZBright, XLamp R&D 208lm/W(350mA, 4579K) SiC衬底外延，垂直薄膜结构2011-4-28Philips Lumileds Rebel Mass>125lm/W(350mA, 4000K) 薄膜倒装(Thin-film Flip-chip, TFFC)23AlGaInP系芯片发展历程各种AlGaInP芯片结构AS-typeRS-typeTS-typeAlGaInP系大功率产品Lumileds TSOsram RSTaiwan MSAlGaInP系大功率芯片技术Truncated Inverted Pyramid(TIP) Lumileds Buried MircoReflector(BMR) Osram（二）芯片关键参数的评估2011-4-2828芯片评估流程选选尺寸定定规格检检外观测测参数试试品质验验老化输入功率 产品定位 性价比电压 波长 亮度 分档 ……缺陷 沾污 排列 ……规格 公差 K值 ……PR识别 可焊性 推拉力 特性 一致性 ……常规寿测 加速老化 温湿循环 冷热冲击 ……2011-4-2829芯片尺寸S-38 ABMUPChip size: 965 x 965 µm Chip thickness: 150 µm Pad size : 100 µmS-23 CBMUPChip size: 432 x 585 µm Chip thickness: 100 µm Pad size : 85 µmS-45 ABMUPChip size: 1143 x 1143 µm Chip thickness: 150 µm Pad size : 100 µmS-24 ABMUPChip size: 600 x 600 µm Chip thickness: 100 µm Pad size : 100 µmS-50 ABMUPChip size: 1270 x 1270 µm Chip thickness: 150 µm Pad size : 100 µmS-38 BBMUPChip size: 500 x 950 µm Chip thickness: 100 µm Pad size : 100 µm2011-4-2830芯片规格2011-4-2831芯片外观外观OK外观NG 表面划伤外观NG之PSS缺陷 ¾瞬态光电参数良好 ¾老化后漏电严重 ¾老化后VF升高2011-4-2832芯片外观—图形衬底外延缺陷样品 1 2 3 42011-4-28老化前 VF 3.321 3.390 3.401 3.433 IR 0.16 0.16 0.16 0.16 Φv 14.56 17.48 17.75 17.01 Φe 444.2 461.6 462.2 440.6 VF168hrs,700mA老化后 IR 36.33 47.08 45.17 72.06 Φv 14.76 17.12 17.7 16.73 Φe 453.2 456.1 464.5 435.4333.577 3.519 3.601 3.632芯片参数—光强(亮度)发光强度 IV(mcd) 光功率 Φe(mW)wafer probechip probe2011-4-2834芯片品质(可焊性、推拉力)Pad peeling (拔电极)ITO ring peeling (ITO环掉)P电极脱焊(虚焊)9金属黏附性差 9镀膜前污染 9界面层氧化9焊偏or功率过高 9ITO膜层质量差 9外延表面沾污9电极表面沾污 9外延表面过粗糙 9电极受过高温芯片标签光功率与白光光通量芯片厂商 S公司 E公司 B公司芯片种类 正装 正装 正装芯片标签 封装白光 光功率(mW) 光通量(lm) 390 300 308 120 105 117白光K (lm/mW) 0.31 0.35 0.38注：上述芯片均由同一封装厂采用完全相同之材料、形式封装并在同一机台进行测试。
图案化蓝宝石衬底的制备方法及关键技术分析
Material Sciences 材料科学, 2020, 10(1), 63-74Published Online January 2020 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2020.101009Study of the Preparation Methods and KeyTechniques of Patterned Sapphire SubstrateZhiyuan Lai1, Kaihong Qiu2, Xiang Hou2, Jiangtao Zhang1, Zhongwei Hu1*1Institute of Manufacturing Engineering, Huaqiao University, Xiamen Fujian2Fujian Zoomking Technology Co., Ltd., Longyan FujianReceived: Dec. 31st, 2019; accepted: Jan. 13th, 2020; published: Jan. 20th, 2020AbstractThe patterned sapphire substrate (PSS) is a new technology developed in recent years to improve the luminous rate of LED. This paper mainly introduces the principle of patterned sapphire sub-strate to improve the light-emitting rate of GaN-based LED, the effect of surface microstructure (geometry and size) on the luminous efficiency of LED, and focuses on the key technologies in the preparation of patterned sapphire substrates, including the preparation of mask and graphic transfer technology, as well as two main methods of substrate preparation are: dry etching and wet corrosion, and the advantages and disadvantages of the two preparation methods are com-pared. Finally, it is pointed out that the nano-patterned sapphire substrate is the key development direction of the future.KeywordsPatterned Sapphire Substrate, Gallium Nitride (GaN), Mask, Etching图案化蓝宝石衬底的制备方法及关键技术分析赖志远1，仇凯弘2，侯想2，张江涛1，胡中伟1 *1华侨大学制造工程研究院，福建厦门2福建中晶科技有限公司，福建龙岩收稿日期：2019年12月31日；录用日期：2020年1月13日；发布日期：2020年1月20日*通讯作者。
LED芯片的基本介绍
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。 然后是对LED PN结的两个电极进行加工， 电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括 清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨； 然后对LED毛片进行划片、测试和分选，就可 以得到所需的LED芯片。如果芯片清洗不够乾 净，蒸镀系统不正常，会导致蒸镀出来的金属 层（指蚀刻后的电极）会有脱落，金属层外观 变色，金泡等异常。
p-GaN p-Al0.25Ga0.75N
MQW u-In0.04Ga0.96N
LM-InGaN n-GaN/u-GaN
蓝宝石衬底
衬底片
外延片
RIBER R49NT型MBE系统
RIBER R6000型MBE系统
注析：法国Riber公司是全球着名的MBE系统及相关设备的制造商和供应商，已有30年以上研发MBE系统的经验，在国际市场和中国市场中所占的市场份额都居于领先地位， 也是最早进入中国市场的MBE设备供应商之一，可为客户提供各种化合物半导体薄膜的外延设备和技术服务。2008年6月Riber收购了法国专门制造分子束源炉的ADDON公司； 2008年9月Riber公司又收购了英国牛津仪器公司控股的VG Semicon MBE部门，进一步扩大了它在国际MBE市场中的占有率。目前Riber公司在全球已有250多个研究型MBE客 户，22个生产型MBE客户（市场占有率71%），产品的销售网络遍布欧洲、美洲和亚洲等许多国家和地区。
LED芯片的基本介绍
陈海金
2012-10
目录
一、LED名词解释 二、LED晶片生产工艺及流程 三、LED晶片分类 四、LED发展的趋势 五、小结
蓝宝石基本知识
蓝宝石基本知识1、蓝宝石介绍蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有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.因此被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，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，它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磊晶(GaN)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GaN 磊晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键材料.2、蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种:1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上因温度差而形成过冷。
于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构的单晶。
晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一轴对称的单晶晶锭.2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedC rystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:1:C-Plane蓝宝石基板这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶的技术成熟稳定.2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率会因此降低，发展非极性面GaN 外延，克服这一物理现象，使发光效率提高。
蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术
蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术摘要：一、引言1.氮化镓（GaN）的重要性2.蓝宝石衬底氮化镓的应用场景二、激光剥离技术概述1.激光剥离技术原理2.激光剥离技术的优势三、湿法剥离技术概述1.湿法剥离技术原理2.湿法剥离技术的优势四、蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离与湿法剥离对比1.两种剥离技术的适用范围2.剥离效果对比3.成本与效率对比五、我国在蓝宝石衬底氮化镓剥离技术的发展现状1.技术研发水平2.产业应用情况3.与国际先进水平的差距六、未来发展趋势与展望1.新技术的研究与应用2.产业规模的扩大3.我国在蓝宝石衬底氮化镓剥离技术的领导地位正文：蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离技术与湿法剥离技术随着科技的不断发展，氮化镓（GaN）因其高硬度、高热导率、高电子迁移率等优异性能，在电子、光电子和能源等领域得到了广泛的应用。
蓝宝石衬底氮化镓作为一种重要的氮化镓材料，其制备工艺一直备受关注。
在蓝宝石衬底氮化镓的制备过程中，剥离技术是一个关键环节。
目前，常用的剥离技术主要有激光剥离技术和湿法剥离技术。
一、激光剥离技术概述激光剥离技术是一种利用高能激光束对蓝宝石衬底氮化镓进行照射，使其产生热应力从而实现剥离的方法。
这种方法具有以下优势：1.激光剥离技术可以实现对氮化镓的高效切割，具有较好的加工精度；2.激光剥离过程中，氮化镓表面不易受到损伤，有利于保持其性能；3.激光剥离技术可以实现批量生产，提高生产效率。
二、湿法剥离技术概述湿法剥离技术是利用化学溶液对蓝宝石衬底氮化镓进行腐蚀，使其与衬底分离。
这种方法具有以下优势：1.湿法剥离技术可以实现对氮化镓的低温处理，有利于保持其性能；2.湿法剥离过程中，腐蚀液可以有效地去除氮化镓表面的杂质，提高剥离效果；3.湿法剥离技术具有较好的可控性，可以实现对氮化镓的精确剥离。
三、蓝宝石衬底氮化镓的激光剥离与湿法剥离对比1.两种剥离技术的适用范围：激光剥离技术适用于较大面积的氮化镓衬底，而湿法剥离技术更适用于微纳米尺寸的氮化镓结构；2.剥离效果：激光剥离技术得到的氮化镓表面光滑，损伤较小；湿法剥离技术得到的氮化镓表面较为粗糙，损伤较大；3.成本与效率：激光剥离技术设备投入较高，但生产效率较高；湿法剥离技术设备投入较低，但生产效率较低。
2024年蓝宝石衬底市场发展现状
蓝宝石衬底市场发展现状简介蓝宝石衬底是一种高品质的材料，广泛应用于光电子、半导体等领域。
随着科技的不断发展，蓝宝石衬底市场也迎来了快速增长。
本文将对蓝宝石衬底市场的发展现状进行综述，分析其市场规模、应用领域以及主要厂商等方面的情况。
市场规模蓝宝石衬底市场在过去几年里呈现出快速增长的趋势。
据市场研究公司的数据显示，蓝宝石衬底市场的年复合增长率达到了10%以上。
这主要得益于蓝宝石衬底在光电子、半导体等领域的广泛应用。
应用领域蓝宝石衬底在光电子、半导体等领域有着广泛的应用。
在光电子领域，蓝宝石衬底可用于制作LED（发光二极管）芯片，具有优异的光电性能和机械性能，被视为制作高亮度、高效率LED的最佳选择。
在半导体领域，蓝宝石衬底可用于制作集成电路和激光二极管等器件，具有优异的电学性能和热学性能。
主要厂商目前，蓝宝石衬底市场的竞争较为激烈，主要厂商包括：1.Rubicon Technology：作为蓝宝石衬底市场的领导者之一，RubiconTechnology在蓝宝石衬底领域拥有丰富的经验和技术优势。
公司的产品质量和稳定性备受市场认可。
2.Crystal Applied Technology：Crystal Applied Technology是一家蓝宝石衬底制造商，公司专注于研发和生产高质量的蓝宝石衬底产品。
公司拥有先进的生产设备和技术，能够满足不同客户的需求。
3.Monocrystal：Monocrystal是一家全球领先的蓝宝石衬底制造商，公司产品广泛应用于LED、光通信和半导体领域。
公司致力于提供高品质、高性能的蓝宝石衬底产品。
发展趋势随着LED技术的进一步发展，蓝宝石衬底市场将持续增长。
未来，随着5G等新兴技术的应用，对光电子和半导体领域的需求将进一步增加，这将为蓝宝石衬底市场带来更多机遇。
同时，随着技术的进步，蓝宝石衬底产品的性能将得到进一步提升，开拓更多应用领域。
结论总的来说，蓝宝石衬底市场在光电子、半导体等领域发展迅速，市场规模不断扩大。
LED结构及原理讲述
如何使光能够散开？
with window layer
加一层很厚的窗口层，其厚度是发光层厚度的十倍、甚至百倍。因为这一层 很厚，电流有足够的机会散开。 散开之后的作用： 1、使各点的电流密度降低，光电转换效率就可以提高； 2、使发光区域变大，被上面金属挡住的区域所占比例就会减小，LED发光效 率就会有较大提升。
红光LED结构：从上向下看，n型砷化镓基板、n型AlGaAs(大bandgap材料)、 p型活跃层（小bandgap材料），即发光层，决定发光波长，1.42eV，850nm 附近，红外范围，可以通过调整Al的含量，使之在红光范围发光；化合物半导 体中增加Al，会使bandgap变大， p型AlGaAs (大bandgap材料) ，器件为双异 质结构，即小 bandganp材料夹在2个大bandgap材料之间；随后是一层cap layer，介电层，电极。此图是长完累晶层后翻过来的结果，原因：基板是 GaAs，1.42eV，发红外光，只要波长短于红外的光，它会吸收所有可见光， 造成中间发光层发出的光全部被基板吸掉，至少有一半的光被吸掉，所以要翻 过来，在基板上挖个洞，形成top-down方式。大部分LED都是面射型。
LED芯片介绍
1、 LED芯片分类介绍 2、 不同结构LED芯片的性能简介 3、垂直结构LED芯片的制成
Led芯片的结构
LED芯片有两种基本结构，水平结构（Lateral）和垂直结构 （Vertical）。横向结构LED芯片的两个电极在LED芯片的同一侧， 电流在n-和p-类型限制层中横向流动不等的距离。垂直结构的LED 芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，由于图形化电极和全部 的p-类型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过LED外 延层，极少横向流动的电流，可以改善平面结构的电流分布问题， 提高发光效率，也可以解决P极的遮光问题，提升LED的发光面积。 制造垂直结构LED芯片技术主要有三种方法： 一、采用碳化硅基板生长GaN薄膜，优点是在相同操作电流条件下， 光衰少、寿命长，不足处是硅基板会吸光。 二、利用芯片黏合及剥离技术制造。优点是光衰少、寿命长，不足 处是须对LED表面进行处理以提高发光效率。 三、是采用异质基板如硅基板成长氮化镓LED磊晶层，优点是散热 好、易加工。
LED倒装技术及工艺流程分析
LED倒装技术及工艺流程分析来源：光亚新世纪LED网时间：2015-02-06 【字体：大中小】1、引言发光二极管（LED）作为新型的绿色照明光源，具有节能、高效、低碳、体积小、反应快、抗震性强等优点，可以为用户提供环保、稳定、高效和安全的全新照明体验，已经逐步发展成为成熟的半导体照明产业。
近年来，全球各个国家纷纷开始禁用白炽灯泡，LED将会迎来一个黄金的增长期。
此外，近年来LED在电视机背光、手机、和平板电脑等方面的应用也迎来了爆发式的增长，LED具有广阔的应用发展前景。
2、倒装LED技术的发展及现状倒装技术在LED领域上还是一个比较新的技术概念，但在传统IC行业中已经被广泛应用且比较成熟，如各种球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、晶片级芯片尺寸封装（WLCSP）等技术，全部采用倒装芯片技术，其优点是生产效率高、器件成本低和可靠性高。
倒装芯片技术应用于LED器件，主要区别于IC在于，在LED芯片制造和封装过程中，除了要处理好稳定可靠的电连接以外，还需要处理光的问题，包括如何让更多的光引出来，提高出光效率，以及光空间的分布等。
针对传统正装LED存在的散热差、透明电极电流分布不均匀、表面电极焊盘和引线挡光以及金线导致的可靠性问题，1998年，J.J.Wierer等人制备出了1W倒装焊接结构的大功率AlGaInN-LED蓝光芯片，他们将金属化凸点的AIGalnN芯片倒装焊接在具有防静电保护二极管(ESD)的硅载体上。
图1是他们制备得到的LED芯片的图片和截面示意图。
他们的测试结果表明，在相同的芯片面积下，倒装LED芯片（FCLED）比正装芯片有着更大的发光面积和非常好的电学特性，在200-1000mA的电流范围，正向电压（VF）相对较低，从而导致了更高的功率转化效率。
图1 倒装结构的LED芯片图片和截面示意图2006年，O.B.Shchekin等人又报道了一种新的薄膜倒装焊接的多量子阱结构的LED（TFFC-LED）。
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C-Plane蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板.1993年日本的赤崎勇教授 与当时在日亚化学的中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板 晶格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年 底日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后的几年里日亚化学以蓝宝石 为基板,使用InGaN材料,通过MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板 与磊晶技术,提高蓝光的发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999 年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。从而奠定了日 亚化学在LED领域的先头地位. 台湾紧紧跟随日本的LED技术,台湾LED的发展先是从日本购买外延片加工, 进而买来MOCVD机台和蓝宝石基板来进行磊晶,之后台湾本土厂商又对 蓝宝石晶体的生长和加工技术进行研究生产,通过自主研发,取得LED 专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板,外延片的生产,外延片的 加工等等自主的生产技术能力,一步一步奠定了台湾在LED上游业务中 的重要地位. 目前大部分的蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本台湾为代表的使用蓝宝 石基板进行MOCVD磊晶生产的产品.使得蓝宝石基板有很大的普遍性, 以美国Cree公司使用SiC为基板为代表的LED产品则跟随其后.
图10:半极性和无极性面的简单示意图
无极性面是指极性面法线方向上的面，而半极性面则是介于 极性面和无极性面之间的面
5 蓝宝石基板的主要技术参数 外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也 不同,比如厚度,晶向等. 下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数 (以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多的则是外延 片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求 来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板. 即客户定制化. 分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司 B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美国 Crystal systems 公司 D:俄罗斯 Cradley Crystals公司
蓝宝石晶棒加工流程
机械加工
晶体
晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体
定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工
掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒
滚磨: 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
品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
B:台湾中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 对M轴偏离角度 Off-set Angle toward M-axis 对A轴偏离角度 Off-set Angle toward A-axis 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 表面总平整度TIR 弯曲度 翘曲度 WARP BOW
LED蓝宝石基板介绍 1:蓝宝石详细介绍
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价 键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有APlane,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.因此被大量用在光学元件、红 外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，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，它是一种相当 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磊晶(GaN)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GaN 磊 晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键 材料. 下图则分别为蓝宝石的切面图;晶体结构图上视图;晶体结构侧视图; Al2O3分之结构图;蓝宝石结晶面示意图
蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
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 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 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 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 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 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),以合乎客户要求
高纯度单晶Al2O3， C面（0001）±0.3° 0.20 ± 0.05° 0.0 ± 0.1° 50.8±0.15mm 430μ m±15μ m ＜10μ m ≦ 10μ m ≦ 15μ m -10 ~ 0μ m
定位面方向 Primary Flat Location
定位面偏离角度Flat Off-set Angle 定位边长Primary Flat Length 表面粗糙度Frontside Surface Roughness 背面粗糙度 Backside Surface Roughness (Ra) 包装 Package
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的， 薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强 大的内建电场，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)大 大地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面) 和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极 性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至 完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若 把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于 磊晶层，以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的 LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统的C面蓝宝石 磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光 强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍. 由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多 国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于Rplane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加. 下图为半极性和无极性面的简单示意图
A:台湾兆晶科技股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 翘曲度 BOW
高纯度（> 99。996%） 单晶Al2O3， C轴（0001）±0.3° 50.8±0.2mm 330μ m/430μ m±25μ m ＜10μ m ＜10μ m A面（11-20）±0.5 °
蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图
晶体结构侧视图
Al2O3分之结构图
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看
蓝宝石(Al2O3)特性表
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
以蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制 作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输 出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加 光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊 晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质 量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝 石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前台湾生产图案化蓝宝石有 中美矽晶、合晶、兆晶，兆达.蓝宝石基板中2/4英寸是成熟产品,价 格逐渐稳定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通蓝宝石基板与2英寸图案化 蓝宝石基板处于成长期,价格也较高,其生产商也是主推大尺寸与图案 化蓝宝石基板,同时也积极增加产能.目前大陆还没有厂家能生产出图 案化蓝宝石基板.
定位面方向 Primary Flat Location
定位边长 Primary Flat Length
正面 Front Surface 表面粗糙度 Surface Roughness 背面 包装 Backside Package
16±1.2mm
epi-ready polished （外延开盒即用） Ra＜0.3nm Ra=0.5~1.2μ m 洁净室内真空冲氮包装
两种方法的晶体生长示意图如下:
柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图
图6
凯氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意图
图7
3 蓝宝石衬底加工流程
蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶 体加工而成.其相关制造流程如下:
蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
2 蓝宝石晶体的生长方法 蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种: 1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔 化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面 上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶 体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋 转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一 轴对称的单晶晶锭. 2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理 与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔 汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与 熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速 度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的 凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式 来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.