高亮度蓝绿发光二极管芯片制造技术

万奎

常州星海电子股份有限公司 江苏常州 213000

大功率白光LED发展的重点在于高亮度蓝绿LED技术，为更好达到规模化经营目标，就必须高度重视高亮度蓝绿LED芯片产业化技术的发展。

1 制造初期准备工作

关键设备精度与可靠性要高。应选择使用美国的OAI光刻机、日本的真空镀膜机、英国切割机以及国内显影、定影清洗设备[1]。

超净厂房构建。应根据不同工序需求，对万级、千级与百级进行设计。像是裂片、点测、抛光和划片等工序，应设置为万级，而刻蚀、镀膜以及光刻等上端的工序，则需要将其设置为百级或者是更高级。

能源设备，主要有水、电子气体、电及真空系统配置等。其中DIWater电阻应确定成18．3MΩcm。特别是高纯氮气纯度，应超过99．999%。

2 高亮度蓝绿发光二极管制造关键技术研究

基于产业化的发展，为不断提高产品良品几率，最重要的就是对关键工艺技术问题加以解决。

2.1 设计GaN系蓝绿光LED芯片

一般情况下，GaN系蓝绿光LED芯片会选择使用对角线电极的设计方法，但有效电流很容易被器件的形状加以约束。所以，应选择全新芯片结构的设计方式，也就是正面电极拟选择蝶形结构，但背电极选择半圆形结构。根据理论与实践均证实此结构可保证电流分布的平衡性，使得有效发光面积明显增大，且不断提高外出光的效率。

2.2 工艺研究

除光刻技术、点测、金属蒸镀以及欧姆合金等常规性的HBLED芯片制造工艺以外，因GaN系HB-LED选择使用了蓝宝石用于衬底，此绝缘材料的硬度偏高，所以在制作芯片的时候会涉及特殊性工艺实验。特别是LED两电极需选择等离子体刻蚀，且均由正面引出，在切割宝石方面应选择划片技术与裂片技术。除此之外，工艺参数的优化以及稳定单项工艺等均为研究的重点。以下将重点研究GaN系特殊的工艺：

等离子刻蚀[2]。选择使用ICP设备刻蚀GaN系的材料，可有效暴露背电极的区域，为背电极制备提供便利。在此过程中，应通过对氮气、氨气以及硅烷等刻蚀气体的运用，在与定影、光刻、腐蚀和显影等诸多复杂工艺联合的基础上，即可刻蚀相应的图形。

金属和GaN欧姆接触。在对电极制作工艺优化的基础上，使金属与N-GaN以及P-GaN之间欧姆接触状况明显改善，芯片工作电压随之降低，为批量生产芯片提供了极大的可能。对于P型欧姆接触电极，不仅要确保其欧姆接触特性达标，同时要确保光透过率超过70%，并承受较大的工作电流。所以，在实际生产的过程中，可选择Ni/Au双层金属膜，将其当成电极金属，并且处于400-600摄氏度间进行5-10分钟的快速退火操作。另外应强调金属和N-GaN之间欧姆接触的重要性。选择使用整体厚度是1微米的四层金属膜，将其当做欧姆接触金属材料，经蒸镀处理以后放置在氮气环境中，接受600摄氏度的快速退火，时间控制在10分钟。

掩模层的刻蚀。选择使用光刻技术以及PECVD选择性地屏蔽等离子刻蚀区域，进而实现选择性刻蚀目标。在整个过程中，金属、等离子刻蚀工艺应当和GaN进行欧姆接触，并且通过对掩模层刻蚀工艺实现反复性穿插。

减薄与抛光。要想确保划片与裂片的有效性，使得成品率不断提高，就一定要针对宝石衬底进行减薄处理，降低至100微米，同时采取机械抛光与化学抛光处理措施。在厚度减薄处理中，应充分利用相应工艺进行调整，尽量下降至85微米，为后续划片工序的开展奠定基础，不断优化划裂片效率，同时减少划刀实际损耗量[3]。

划片与裂片。通过对日本划片机的使用完成划片操作，并借助裂片机裂片处理，确保芯片分割与尺寸要求保持一致，通常规格是300×300μm。

检测光电性能。可借助晶粒点测机对芯粒光电特性加以检测，一般光电参数有发光波长、反向击穿电压、发光强度、寿命参数以及正向电压等等，将光电参数不达标坏品挑选出来，进而提高成品质量。

2.3 芯片老化特性的提升

结合可靠性试验的研究结果，对芯片制作技术加以改善，特别是欧姆接触状态下的热处理退火工艺，可有效优化芯片自身可靠性。处于氮气与正常工作电流状态下，在1500h老化以后，芯片封装LED光衰可低于5%。

2.4 综合成品率的提升

对产品成品率产生影响的主要工艺就是蓝宝石衬底减薄以及芯片分割。在粗磨、细磨以及抛光衬底工艺研究以及反复性试验的基础上，即可对衬底弯曲以及崩裂等多种工艺问题加以解决。对于芯片分割工艺，应选择使用正反两面的切割手段，即可确保分割的成品率超过90%。另外结合设备的特性对生产工艺加以优化，落实全面质量管理工作，即可实现生产的连续性与均衡性，一定程度上优化了产品的性能与一致性，而且产品综合成品率可超过90%。

2.5 生产成本的降低

要想有效节省生产成本，就需要针对蓝宝石衬底芯片分割工艺加以改进，同时对耗材展开国产化研究，特别是抛光液与磨料等关键的主要材料，若能够实现国产化，即可有效节省生产成本。可选择使用10-25微米纳米氧化铝粉末，将其作为磨料，将10%分散剂和去离子水加入其中，可使材料成本节省80%。

3 结语

综上HB-LED芯片制造隶属半导体精密加工技术，不管是国内亦或是国外，HB-LED芯片制造均属于中游产业，同样也是亟待解决的问题。而LED照明科技是现代照明发展的主要趋势，能对传统照明设备加以替代，因而在后期研究工作中应加大力度，以更好地促进其产业化的发展。