功率型倒装LED芯片的制备工艺

作者:吴懿平 博士 武汉光电国家实验室 教授

1 引言

功率型倒装LED芯片的尺寸大约在0.6~1.5 mm2。常见的功率型倒装LED芯片有:3535(0.85×0.85 mm2),4242(1×1mm2),4545(1.1×1.1 mm2),5050(1.3×1.3 mm2),5555(1.4×1.4 mm2),形状多为正方形。以蓝宝石为衬底的蓝光LED,其功率型倒装LED芯片为横向电极结构,P、N电极均位于芯片的同一侧,蓝宝石一侧为出光面。蓝宝石衬底上依次外延制备n型GaN层(较厚)、多量子阱MQW层(较薄)和p型GaN层(较薄)。由此构成垂直结构的p-n结。在p层上制作反射层与绝缘层后,光刻出不同深度的开孔(穿过p层和MQW层刻至n区;直接穿过较薄的反射层和绝缘层而露出p层表面),分别在其上制备出P电极与N电极。上期专稿已经向读者介绍了功率型倒装LED芯片电极图形的设计及其优化,本专稿则对优化设计的功率型倒装LED芯片制造工艺进行详细介绍。

2 倒装LED基本工艺设备

倒装LED芯片制造分为前段工艺和后道工艺。前段工艺即是在外延片上执行一系列复杂的化学或物理操作,最终制成独立的倒装LED芯片的过程。这些操作可以分为四大基本类:清洗、光刻、刻蚀和薄膜沉积。不同的步骤需要在不同的生产车间进行完成。LED芯片前段生产的车间属于无尘车间,不同的步骤所要求的无尘车间等级也有所不同。

一般来说,光刻的无尘车间等级最高,为100级,而薄膜沉积与刻蚀的要求较低,为1 000级,清洗车间的要求最低,为10 000级。后道工艺则是将做好电极的外延片分割成单一的芯片,依据光学、电学参数进行挑选。后道工艺一般分为两类:切割和测试挑选。其工作同样需要在无尘车间内完成,但对车间的洁净度要求较前端工艺较低,一般为10 000级或十万级。

1)清洗

清洗车间的主要设备包括有LED外延片蚀刻清洗机、去胶清洗机、甩干机等。蚀刻清洗机主要在薄膜沉积和蚀刻完成后对外延片进行清洗,去胶清洗机则是去除外延片表面的光刻胶,甩干机则可以将外延片在清洗完成后迅速甩干。

在LED芯片制造过程中,会多次出现清洗的过程,其目的主要有两个:去除表面的残余的金属氧化物、金属颗粒和去除光刻胶。主要使用的溶液包括有:王水(HNO3∶HCl=1∶3)、BOE(主要成分为HF和氟化铵)、稀盐酸溶液(HCl∶H2O=1∶5)、ITO蚀刻液、丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)、去光阻剂、去离子水等,不同的溶液应用于不同的工艺步骤当中。

图1 为清洗设备照片

2)光刻

光刻是所有半导体制造中最重要的步骤,它决定了芯片加工的图形、尺寸,对芯片的性能起着至关重要的影响。光刻的目的是将LED芯片每一层的图形转移到覆盖于外延片表面的光刻胶上。

光刻工艺的基本过程为:预烘→涂覆增粘剂→软烤→涂胶→前烘→对准曝光→显影→坚膜→图形检查→扫胶→去光阻。

晶圆在涂胶之前,需要进行烘烤和涂覆增粘剂,以去除晶圆表面的潮气。一般来说,烘烤的温度为140~200 ℃之间,烘烤1 min左右。增粘剂的作用则是加强外延片与光刻胶的接触,最为常见的增粘剂为HMDS(六甲基二硅胺脘)。

涂胶采用旋涂式涂胶机,本工艺使用的是沈阳芯源微电子设备有限公司(KINGSEMI)生产的星型匀胶机,机器型号为KS-S100-3C,如图2所示。涂胶的过程包括滴胶→加速旋转→甩掉多余的胶。涂胶后进行前烘,可以蒸发光刻胶中大部分溶剂,固化光刻胶,一般温度为100 ℃,烘烤时间30 s左右。

涂胶预烘完成后,使用对应的光刻板,对光刻胶进行对准曝光。本工艺使用的日本Kaken接近式自动曝光机,型号为MA-4200。曝光使用UV汞灯,完成后,对样品进行后烘坚膜处理。后烘(硬烤)进一步强化光刻胶对外延片表面的附着力,但是过度的烘烤容易可能会破坏原有光刻的图形甚至将光刻胶烤焦。

显影则是曝光完成后,在外延片表面旋涂显影液,去除光刻胶,得到所需的图案,本工艺所用的显影设备为沈阳芯源微电子设备有限公司(KINGSEMI)生产的直线型全自动显影机,型号为KS-L100-2D,如图2所示。

显影结束后,部分显影区域会出现残留光刻胶的现象。为了去除残留在显影处表面的有机污染物和多余的光刻胶,使图案边缘更加清晰,使用O2 Plasma扫胶机进行扫胶,扫胶气体为氧气。本工艺在光刻显影后会对晶圆进行两次扫胶处理,能量为200 V,时间各4 min,共8 min。

在显影结束后,根据具体需求,对样品进行表面刻蚀或薄膜沉积工艺,将图案转移到外延片上,之后使用去胶液对晶圆表面进行清洗,把晶圆表面的光刻胶给去除,这一过程称为去光阻。

3)薄膜沉积

薄膜沉积区主要负责的是各个步骤中介质层和金属层的淀积。不同的薄膜生长会使用不同的工艺方法,因此薄膜沉积设备多种多样。常用的薄膜沉积设备包括化学气相沉积(CVD)、溅射(Sputter)、真空蒸镀等。此外还会用到的其他设备包括快速退火装置(RTP)、湿法清洗设备等。

4)刻蚀区

刻蚀工艺的目的是在芯片完成光刻后,在外延片表面没有光刻胶保护的区域刻出芯片所需的图案。常用的设备包括有等离子体刻蚀机、等离子体去胶机和湿法清洗设备。在刻蚀结束后,也需要对外延片进行彻底的清洗。

3 倒装LED芯片前工艺

典型的倒装LED芯片结构如图3所示,由上至下的结构依次为蓝宝石衬底、GaN缓冲层、n型GaN、多量子阱(MQWs)、p型GaN层、铟锡氧化物(ITO)、反射层、N型焊盘、P型焊盘和焊点。其制作步骤:外延片清洗甩干→N型层平台刻蚀(MESA)工艺→透明导电薄膜工艺→隔离槽深刻蚀工艺→反射层薄膜工艺(银镜等)→绝缘层工艺→金属电极蒸镀工艺→外延芯片参数测试→减薄切割工艺→单颗芯片参数测试拣选。图3 常见倒装LED芯片结构示意图

3.1 倒装LED芯片电极图案工艺

在LED芯片外延片生长完毕后,就要制备出外延层电极图案了。依据上一期专稿介绍的电极结构设计,实现该设计结构的制备工艺主要有两个步骤:1)n型GaN层的图案刻蚀;2)电流阻挡层的生长。主要由清洗、光刻、薄膜沉积与刻蚀四道工艺完成,基本流程图如图4所示

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