LED芯片制作的流程详解

1.LED芯片制作工艺

首先在衬底上制作氮化镓（GaN）基的外延片，然后是对LED PN结的两个电极进行加工，电极加工是制作LED芯片的关键工序包括清洗、蒸镀、光刻、化学蚀刻、熔合、研磨等，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。如果芯片清洗不够干净，则蒸镀系统不能正常工作，会导致出现蒸镀出来的金属层（指蚀刻后的电极）脱落，金属层外观变色，金泡等异常情况。

下面介绍LED芯片制作过程中的几种重要工艺及材料。

（1）金属蒸镀

金属蒸镀又称物理镀膜（Physical Vapor Deposition，PVD），依原理分为蒸镀（evaporation）与溅镀（sputtering）两种。金属蒸镀基本上都需要抽真空：前者在1.33×10^-4～1.33×10^-5Pa的环境中蒸镀金属；后者则须在激发电浆前，将气室内残余空气抽除，也要抽到1.33×10^-4～1.33×10^-5Pa的程度。

镀膜工艺一般用真空蒸镀法，在1.33×10^-4Pa高真空下用电阻加热或电子束轰击加热方法使材料熔化，在低气压下变成金属蒸气沉积在半导体材料表面，一般P型的接触金属包括AuBe、AuZn等，N面的接触金属常采用AuGeNi合金。镀膜工艺中最常出现问题的环节是镀膜前的半导体表面清洗。半导体表面的氧化物、油污等杂质清洗不干净往往会造成镀膜不牢。镀膜后形成的合金层还需要通过光刻工艺将发光区尽可能多露出来，使留下来的合金层能满足有效可靠的低欧姆接触电极及焊线压垫的要求，LED芯片正面最常用到的形状是圆形，对背面来说若材料是透明的也要刻出圆形。LED芯片制造工艺流程如图2.10所示。

图2.10 LED芯片制造工艺流程

蒸镀过程中有时需用弹簧夹固定芯片，因此会产生夹痕，在目检时必须挑除。

（2）光刻显影

光刻显影制作的流程，大致可分为：去水烘烤—涂底—上光阻—软烤—曝光—曝光后烘烤—显影—硬烤—湿式去光阻—超纯水清洗。

●去水烘烤：其目的是为了要保持干燥以便光阻的覆盖。

●涂底：涂上一层六甲基二硅胺（HMDS）增加光阻的附着力。

●上光阻：利用旋转的离心力，使光阻能均匀涂布在表面。

●软烤：将光阻原有的液态膜转化为固态的薄膜，使光阻层对芯片表面的附着能力加强。

●曝光：利用摄影的原理做一个图像转移的动作。

●曝光后烘烤：可以使光阻结构重新排列，使驻波现象减少。

●显影：将曝光的成像显影出来，为了不使其改变化学结构，应该尽快进行图像显影。

●硬烤：进一步将光阻内多余的溶液蒸发而使其降到最低。

●湿式去光阻：主要是利用有机溶液对光阻进行结构性破坏，以去除薄膜上的光阻；因光阻本身也是有机物，由碳元素与氢元素所组成，因此可用有机溶液（如硫酸）去除。

●超纯水清洗：去光阻后，洗净残余酸、碱溶液，以便下一步清洗。

注意，在硬烤之后，常常伴有蚀刻或离子植入等制作过程，随后才进行湿式去光阻。

2.光阻的介绍

（1）化学性质与作用

光阻（Photoresist）是一种材料物质，在显影成像过程中，用它来将光罩上的图形转移至芯片上，当做下一步蚀刻或离子植入时可以保护罩幕。一般光阻有正负光阻之分，正光阻经光线照射后，曝光的部分，就变得容易溶解，经显影液处理后，即不存在，只留下未曝到光的部分而形成图形。负光阻的特性则和正光阻相反，曝光的部分光阻合成高分子聚合物，而不易被溶去，所以经显影液处理后，只留下曝光的部分。从制作过程上看，负光阻具有的优点是成本低，产量高，相对来说，分辨率则因高分子聚合物会吸收显影液而膨胀，因此分辨率较正光阻差，正光阻则主要用于次微米技术。

（2）光阻的化学成分

正光阻主要组成物质有三种：树脂、感光剂和溶剂（EL，MMP等）。其中树脂的主要功用为使光阻能形成一种足以挡住蚀刻或离子植入时的保护膜；而感光剂原本为不溶解物质，经光照射反应后，则可提高其溶解率；溶剂的作用可使光阻形成液体状，以方便后续光覆盖的制作过程。

光阻性能的优劣除了与光阻的感光能力相关以外，还与附着性（Adhesion）、抗蚀刻性（Etch resistance）、及分辨率（Resolution）有关。通常光阻的厚度越薄，其分辨率越好，但若以光阻的抗蚀刻性及防范杂质侵入的角度来看，其厚度应厚一点。通常以光照强度的要求不同，约在数千nm到2μm之间。而影响光阻进行图案转移的首要因素，便是光阻与芯片彼此间的附着力，涂底便是一个普遍用来提升光阻与芯片表面附着性的步骤。

（3）湿式去光阻

湿式去光阻主要是利用有机溶液对光阻进行结构性的破坏，使光阻溶于有机溶液中，以达成去光阻的目的。这种方法进行光阻去除所需的溶剂，主要有丙酮（Acetoone）及芳香族（Phenol Base）有机溶液等。

另一种为无机（Inorganic）溶液的去光阻方式，其原理和有机溶液的原理不同，因为光阻本身也是有机物，主要也是由碳和氢等元素等所构成之化合物（Compounds）。因此可以利用一些无机溶液，如硫酸（H₂SO₄）和双氧水（H₂O₂），把光阻的碳元素，用双氧水将其氧化为二氧化碳（CO₂），氢元素则由硫酸去水（Dehydration），这样就可把光阻从晶圆表面上去除。

值得一提的是无机溶液会腐蚀金属铝，因此去除金属铝的光阻，一定要用有机溶液去除。湿式去光阻如图2.11所示。

3.化学蚀刻

在光刻显影流程部分提到，在硬烤之后，常常伴有蚀刻或离子植入等过程，随后才进行湿式去光阻。蚀刻的机制，按发生顺序可分为反应物接近表面、表面氧化、表面反应、生成物离开表面等过程。所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部分。整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部分所用时间的总和。整个蚀刻的快慢取决于二者之中费时较长的一方。此外，蚀刻分为湿蚀刻与干蚀刻两类。

（1）湿蚀刻

湿蚀刻是最普遍及设备成本最低的蚀刻方法，其中影响被蚀刻物的蚀刻速率（Etching Rate）的因素有三个：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌（Stirring）。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但对浓度的影响则较不明确。举例来说，以49%的HF蚀刻SiO₂，当然比BOE（Buffered-Oxide-Etch，缓冲氧化蚀刻）快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及蚀刻掩膜或其下的基板材料。

图2.11 薄膜经微影和蚀刻及去光阻之后的截面外观(www.xing528.com)

a）微影 b）蚀刻 c）去光阻

湿蚀刻可分为等向性蚀刻（Isotropic Etching）和非等向性蚀刻（Anisotropic Etching），这两种蚀刻的最主要区别在于等向性蚀刻有所谓的下切或侧向侵蚀现象（Undercut），该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿蚀刻技术因为上述原因而无法应用在类似次微米线宽的精密制程技术。而非等向性蚀刻则解决了这一问题。薄膜受到的蚀刻是固定的方向，尤其是由上而下或称之为垂直方向的侵蚀，当然这种横向侵蚀是相当的弱，所以前面所发生之下切现象则不会发生。这种蚀刻后的轮廓相当的直，角度将接近90°。下图为两种蚀刻的结果比较图，可以很明显的看出区别，如图2.12所示。

图2.12 薄膜经等向性蚀刻后及非等向性蚀刻后薄膜横截面轮廓

a）等向性蚀刻 b）非等向性蚀刻

（2）干蚀刻

干蚀刻是一类较新型的蚀刻方法，迅速为半导体工业所采用。其利用电浆（Plasma）来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约0.001～10Torr的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质量非常大，或化学活性极高，才能达成蚀刻的目的。

干蚀刻基本上包括离子轰击（Ion-Bombardment）与化学反应（Chemical Reaction）两部分蚀刻原理。采用离子轰击效应方法使用氩气（Argon），加工出来的边缘侧向侵蚀现象极微弱。而采用化学反应效应方法则用氟系或氯系气体（如四氟化碳CF₄），经激发出来的电浆，即带有氟或氯的离子团，可快速与芯片表面材质反应。

干蚀刻法可直接利用光阻作蚀刻的阻绝遮幕，不必另行成长阻绝遮幕的半导体材料。而其最重要的优点，是能兼顾减弱边缘侧向侵蚀现象与提高蚀刻率两种优点，换言之，这种技术中所谓活性离子蚀刻（Reactive Ion Etch；RIE）已满足次微米线宽制程技术的要求，正被大量使用中。

（3）离子植入（Ion Implantation）

离子植入技术可将掺质以离子形态植入半导体组件的特定区域上，以获得精确的电子特性。因为扩散制程虽然有批次制作、成本低廉的好处，但在扩散区域的边缘有侧向扩散的误差，故限制其在次微米制程上的应用。但与干蚀法补足湿蚀法在次微米制程能力不足一样，另有离子植入法，来进行图案更精细，浓度更为稀少精准的杂质搀入。

离子植入法是将二素周期表中III族或IV族的杂质，以离子的形式，经加速后冲击进入晶圆表面，经过一段距离后，大部分停于离晶圆表面0.1μm左右的深度（视加速能量而定），故最高浓度的地方，不能通过热扩散法在表面上调整。不过因为深度很浅，一般还是简单认定大部分离子是掺杂在表面上，然后进一步利用驱入（Drive-In）来调整浓度分布，并对离子撞击过的区域，进行结构修补。基本上，离子植入法为一低温制程，故可直接用光阻来定义植入的区域。

（4）研磨

目的：将芯片背面基板磨薄以利后续切割作业。

方式：早期用钻石研磨粉，目前使用钻石砂轮。

研磨效果如图2.13所示。

（5）切割

目的：将整片芯片切割成单个芯片。

方式：早期用钻石切割刀，目前用镭射切割。

切割成品如图2.14所示。

图2.13 研磨效果

图2.14 切割成品

（6）测试

制造成芯片后，在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试，参数测试点位置如图2.15所示。

图2.15 参数测试点位置

LED芯片的测试主要分为以下几步。

1）主要对电压、波长、亮度进行测试，对能符合正常出货标准参数的晶圆片再继续做下一步的操作，如果这九点测试不符合相关要求的晶圆片，就另外处理。

2）晶圆切割成芯片后，进行100%的目检（VI/VC），操作者要使用放大30倍数的显微镜进行目检。

3）接着使用全自动分类机根据不同的电压、波长、亮度的预测参数对芯片进行全自动化挑选、测试和分类。

4）最后对LED芯片进行检查（VC）和贴标签。芯片区域要在蓝膜的中心，蓝膜上最多有5000粒芯片，同时必须保证每张蓝膜上芯片的数量不得少于1000粒，将芯片类型、批号、数量和光电测量统计数据记录在标签上，附在蜡光纸的背面。蓝膜上的芯片将做最后的目检测试要求标准与第一次目检标准相同，确保芯片排列整齐和质量合格。这样就制成LED芯片（目前市场上统称方片）。

在LED芯片制作过程中，把一些有缺陷的或者电极有磨损的芯片分捡出来，这些就是后面的散晶，此时在蓝膜上有一些不符合正常出货要求的芯片，也就自然成了边片或毛片等。

对于在晶圆上的不同位置抽取九个点做参数测试时，不符合相关要求的晶圆片，这些晶圆片是不能直接用来做LED方片的，也就不做任何分检，直接卖给客户，也就是目前市场上的LED大圆片（但是大圆片里也有质量好的，如方片）。

需要注意，芯片在前段工艺中，各项工艺如清洗、蒸镀、光刻、化学蚀刻、熔合、研磨等作业都必须使用镊子及花篮、载具等工具，因此会有芯片电极刮伤情形发生，在检测环节时需要注意区分。