湿化学清洗设备在GaN基LED正装芯片制程中的应用

殷子文，姚立新，张伟峰，曹秀芳，段成龙

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

湿化学清洗设备在GaN基LED正装芯片制程中的应用

殷子文，姚立新，张伟峰，曹秀芳，段成龙

(北京中电科电子装备有限公司，北京 100176)

讨论了湿化学清洗设备的产能和耗水（DIW）计算方法，以100 mm晶圆，单批次流片量50片为例，阐述了湿化学清洗设备整机和单元模块的各类配置；依据晶圆在各刻蚀清洗工艺后的表面形状，明确了各清洗设备在工艺中的作用。湿化学清洗设备可依据生产情况灵活处理生产需求，已成为LED芯片制程生产线中应用最多的设备之一。

湿化学制程设备；产能计算；LED芯片制程；

GaN材料具有宽禁带、发蓝紫光的特性[1，2]，已广泛应用于LED芯片制造[3]。随着半导体制造业的发展，自动化、智能化制造生产在不断升级，LED芯片制造已实现大规模自动化生产，既要提高产品良品率，又要保证产能是制造商必须面对解决的重要问题。LED芯片制造中，湿化学清洗设备是用量及使用最多的关键设备之一[4-6]，由于芯片制程工艺的不同，湿化学设备必须依据工艺生产需求定制制造与工艺配套[7]，但依据芯片工艺配置湿化学清洗设备的报道较少，因此以工艺为引导，合理配置湿化学清洗设备，既要保证产能的需求和工艺制程的稳定，又要降低制造商的采购和运营成本，尤为重要。湿化学清洗设备在LED、光伏、集成电路、MEMS制造及半导体材料等行业中应用极其广泛，本文讨论了LED正装芯片制程中如何基于制造工艺配置湿化学清洗设备的问题。如何衔接设备定制与生产制造工艺是未来芯片制造发展极其重要的课题之一。

1 GaN基LED芯片前段制程

1.1 GaN基LED正装芯片制程工艺

正装LED芯片前段制造工艺主要分为：外延制程和芯片制程。LED芯片制程主要包括晶圆表面清洗、MESA台制作、CBL电流阻挡层制作、ITO透明导电层制作、PAD电极制作、PSV保护层生长及晶圆背面减薄及晶圆表面下蜡等。GaN基LED正装芯片结构及工艺流程如图1所示。

图1 GaN基LED正装芯片结构及工艺流程示意图

1.2 芯片制程区湿化学设备应用

基于LED芯片制程过程中对晶圆制造环境的特殊要求、厂务的水电气配置以及工作人员的安全性等因素，正装LED芯片制造中所使用的湿化学设备涉及工艺如表1所示。其中，1～6号设备是主要晶圆生产设备，8～9号设备为辅助晶圆生产设备。

2 产能计算与纯水消耗计算

2.1 产能计算

表1 LED芯片制程相关湿化学设备

LED晶圆自动化制造与市场需求、经济效益是密不可分的，生产线整线设备配套，特别是具有定制配套特殊性湿化学设备与产能的预估与计算是密不可分的。产能的计算主要是针对自动化生产线对于产线配置具有重要的参考价值。晶圆月产能计算方法为：

其中，P为月产能，m为60 min，x为用时最长的单个工艺时间，y为单次的流片量，k为单日工作时间，g为单月工作天数，n为该工位单批次的重复使用次数。一般k=22 h，g=28 d。

其中，a为化学工艺槽工艺时间，b为DIW水清洗槽工艺时间，c为化学槽至水槽的传输时间。

其中，M为cassette个数；N为单个cassette内的晶圆片数，标准cassette内，N=25。

由此，晶圆月产能P可由式(1)～式(3)计算得出，可为湿化学设备自动生成线配套提供重要依据。

2.2 纯水消耗计算

晶圆生产每日的运营消耗成本也是极其昂贵的，如何计算和规划运营成本是重中之重。湿化学工艺中化学液及纯水的每日使用量是晶圆生产商考虑的重要因素之一。纯水的使用量与产能成正比关系，使用节流回收和有价值废水利用可实现环保和降低生产成本[8]。化学液使用量的计量方式目前只能依据晶圆尺寸，工艺技术和产能根据经验估计；纯水的使用量可依据机台的配置和冲水槽使用过程估算：

其中，Q为单月纯水使用量，A为每批次冲洗总数，B为单月流片的批次数，C为冲水槽单次循环使用次数，D为冲水槽的容积。

3 湿化学清洗机台配置

3.1 产能与整机配置

LED芯片制程过程中，至少要经过5次去胶工艺，由于光刻胶去除设备的配置是决定晶圆月产能的关键。由上述内容可知，选取100 mm晶圆，单次流片量y=50片，去胶重复工艺次数n=5，去胶单次工艺时间x=15 min，则P=24640，即去胶设备产能最大为2.46万片/月。而其他湿化学工艺设备产能均大于2.5万片/月，因此去胶设备为产线产能的瓶颈设备。

在产能要求2万片/月情况下，依据芯片制造工艺特殊性、厂务生产规划的合理性及生产过程的实用性，可配置一台悬臂式机械手刻蚀清洗设备，一台导轨式机械手去胶清洗设备和一台导轨式机械手去蜡清洗设备足够满足2万片/月产能生产，共3台设备，设备工艺工位配置如图2所示。

由于刻蚀清洗工艺各工序独立完成，因此使用摆臂式机械手自动设备完成晶圆在化学工位与纯水工位间的传输及刻蚀清洗，如图2（a）。而去胶清洗工艺和去蜡清洗工艺具备固定的工艺流程，且需多个工序才可完成，所以使用水平导轨式机械手自动设备完成晶圆各工位间的传输和各工艺过程，如图2（b）、（c）。若产能要求大于2万片/月，则需要单个计算每台设备的产能，再依据产能瓶颈设备，选择增加流片量或机台数量。

3.2 单元模块与芯片工艺制程

湿化学制程设备在批量生产制造晶圆时，确保各晶圆片、各批次晶圆刻蚀清洗效果无差别，可减少返工次数，提高产品良品率，这就要求各工艺槽必须实现均匀稳定的工艺环境，例如：工艺温度均匀，化学液浓度分布均匀，化学液流场均匀，化学液补液过程控制，生产环境颗粒数量等。因此，LED湿化学制程设备需在Class6洁净环境中使用；化学药液温度控制使用独立温控系统和独立加热系统来提高化学液恒温均匀环境；工位内使用机械抖动机构搅拌药液实现化学液浓度分布均匀；使用CDS供液补液系统保证化学液的配比量[9]；通过定向循环化学液形成液体均匀流畅。通过改进提升整机中各单元模块技术，从而实现晶圆生产过程均匀稳定[10]。在实际使用中，根据使用者所生产的产品对于厂务环境、制程线宽等方面的要求，可选择功能配置。图3为LED正装芯片制程中各清洗工艺节点后芯片表面形貌。

图3（a）所示为MESA台去胶清洗后芯片表面形状，图中右侧如钥匙形状突出部分为干法刻蚀去除部分，如凹字形部分为MESA台。图3（b）所示为CBL刻蚀后芯片表面形状，此时晶圆表面较图3（a）颜色发暗，这是由于表面光刻胶还未去除。图3（c）中所示为CBL去胶清洗后芯片表面形状，图中U形深色图案为刻蚀后留下的SiO2层，该层可阻挡电极与P型GaN层直接接触，避免Droop现象[11，12]，用于提高出光率。图3（d）中所示为ITO刻蚀清洗后芯片表面形状，图中凹形台面上灰色部分为ITO层，ITO层覆盖了除CBL层所处位置外其他P型GaN层的表面，ITO层与电极直接接触，可在P

图2 设备工艺工位配置

图3 LED正装芯片制程中各清洗工艺后表面形貌

型GaN层形成均匀的电场分布，提高MQW出光层的出光效率。图3（e）中所示为PAD-SiO2刻蚀清洗后，电极蒸镀前芯片表面形状，图中深蓝色部分为SiO2保护层，此时只裸露出了U型P-PAD区和钥匙型的N-PAD区。图3（f）中所示为PAD做完去胶清洗后芯片表面形状，图中金色发亮部分为P-PAD和N-PAD电极Au层，为了形成良好的欧姆接触，PAD部分有Ge、Ti、Au三层金属层组成。由图3可知，晶圆表面无颗粒杂质，在湿化学制程中，基于各单元和整机的技术发展，晶圆表面刻蚀清洗工艺制程稳定，实现了自动化大规模生产。

4 结 论

100 mm GaN基LED正装芯片在单次流片量为50片时，去胶设备产能最大为2.46万片/月，且该设备为生产线产能的瓶颈设备。由此生产线可配套1台10工位的悬臂式机械手刻蚀清洗设备及2台6工位的导轨式机械手有机清洗设备即可满足月产2万片的生产线。芯片制程生产线的湿化学清洗设备整机配置需求可依据各机台的产能及耗水计算方法，可知配备机台数量、工位数量及流片量。依据芯片刻蚀清洗的工艺要求，机台各单元模块可灵活配置，以实现制程工艺稳定，保证产品良率。湿化学设备具备灵活的处理工艺制程的优势，最大限度地提高生产效率，降低生产运营成本，适应各类半导体制造行业需求，这也是湿化学设备市场高需求量的关键所在。

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Application of Wet Chemical Cleaning Equipment in GaN-Based LED Mounting Process

YIN Ziwen，YAO Lixin，ZHANG Weifeng，CAO Xiufang，DUAN Chenglong

(CETC Beijing Electronic Equipment Co.，Ltd，Beijing 100176，China)

In this paper，the production capacity and DI water consumption calculation method of the wet chemical cleaning equipment are discussed.The configuration of the wet chemical cleaning equipment and the unit modules are described with the example of 4inch wafer and single batch of 50 chips.According to the wafers in the etching process after the surface topography，the role of the cleaning process equipment has been clear.Wet chemical cleaning equipment can be flexible to solve production requirements based on production.Wet chemical cleaning equipment has become one of the key equipment of LED chip technology in the chip process production line.

Wet chemical process equipment;capacity calculation;LED chip process

TN305.97

A

1004-4507(2016)12-0003-05

2016-12-06