Ch07LED生产制造工艺与设备

4.芯片生产工艺与设备5.LED灯具封装工艺与设备3.单晶体、外延片生产工艺与设备第七章LED生产工艺与设备1.装备制造与工业革命2.电子产品的生产环境——是以机器取代人力，以大规模工厂化生产取代个体手工生产的一场生产与科技革命。第一次工业革命——18世纪60年代--19世纪中期第二次工业革命—19世纪下半叶--20世纪初第三次工业革命—在第二次世界大战之后1.1装备制造与工业革命蒸汽时代电气时代信息时代一第一次工业革命——蒸汽时代第一次工业革命是由蒸汽机的发明并大规模应用而引发的革命，又称为蒸汽时代。开始标志：一系列工作机的发明重要标志：瓦特改良蒸汽机应用：交通领域进入“火车时代”珍妮机欧洲的旧式织布机1第一次工业革命——蒸汽时代（2）瓦特与蒸汽机瓦特和他发明的蒸汽机（模型）詹姆士〃瓦特是英国著名的发明家，是工业革命时期的重要人物。英国皇家学会会员和法兰西科学院外籍院士。瓦特1736年1月19日生于英国格拉斯哥。瓦特在父亲做工的工厂里学到许多机械制造知识。1763年瓦特到格拉斯大学工作，修理教学仪器。在大学里他经常和教授讨论理论和技术问题。他对当时已出现的蒸汽机原始雏形作了一系列的重大改进，发明了单缸单动式和单缸双动式蒸汽机，提高了蒸汽机的热效率和运行可靠性。解决了大机器生产中最为关键的动力问题，促进了生产的机械化，将人类带入了“蒸汽时代”；带来了交通领域的变革，将人类带入到了“火车时代”，大大提高了人类的生活质量。后人为了纪念他，将国际单位制中功率和辐射通量的计量单位称为瓦特，常用符号“W”表示。1819年8月25日瓦特在靠近伯明翰的希斯菲德逝世。詹姆士·瓦特一第一次工业革命——蒸汽时代早期的火车发明者：斯蒂芬逊（工程师）火车时代这是美国“克莱蒙号”汽船，是美国人富尔顿制造的第一艘汽船。航行时蒸汽机推动船两侧的明轮，所以这种船被称为轮船。1807年，这艘汽船在内河试航成功，揭开了水上交通运输工具的新篇章。2第二次工业革命——电气时代第二次工业革命是以电机、内燃机的发明和应用为核心的新工业革命,以电力的广泛应用为标志，又称为电气时代。知道哪些重大发明？法拉第发现电磁感应现象为人类利用电能提供了科学依据，导致发电机和一系列电器的发明西门子发电机：机械能电能机械能电动机：格拉姆电能2第二次工业革命——电气时代（2）电能源的应用——围绕“电”的发明1）“发明大王”爱迪生（1847---1931）发明家托马斯•爱迪生（1847---1931）爱迪生发明的炭丝灯爱迪生发明自动电报记录机莫尔斯设计的电报机为迅速传递信息提供了方便世界各地的联系进一步加强1895年意大利人马可尼（1874--1937）制造了第一个无线电系统。1901年，他成功地横越大西洋发报成功。贝尔制造的一架早期的电话1877年末，人们在用话筒与听筒分开的电话通话。石油开采业发展石油化工业产生内燃机诞生柴油机创制3第三次工业革命——信息时代第三次工业革命是以电子计算机的发明和使用为标志，以新能源、新材料、生物技术、信息技术为支撑的第三次工业革命浪潮。1946年2月15日,世界上第一台电脑ENIAC（埃尼阿克）在美国宾夕法尼亚大学诞生。随着电子计算机技术的普及，越来越多的人会使用计算机。特别是“上网（internet)”已经成为人们获取信息、进行交流的重要工具。不论是孩子，还是老人，都能“坐在家中，知晓天下事”。（4）数控技术数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。1）数控技术的发展历史第一代数控装置—电子管元件•1952年，美国帕森斯公司与麻省理工学院试制成功第一台三坐标数控铣床第二代数控装置—晶体管原件和印刷电路板•1959年，出现带自动换刀装置的数控机床，即加工中心第三代数控装置—集成电路•1965年，出现第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降第四代数控装置—小型计算机化•60年代末，出现采用一台计算机控制多台机床的直接数控系统（DNC）和采用小型计算机控制的计算机数控系统（CNC）第五代数控装置—微处理器和半导体存贮器•1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置(简称MNC)2）数控技术的发展趋势运行高速化加工高精化功能复合化控制智能化体系开放化驱动并联化交互网络化图1.传统机械产品的构成蒸汽时代——电气时代——数控时代——智能时代典型案例：晶圆视觉检测设备（1）设计晶圆检测机械平台（2）视觉系统，用于表面质量检测，利用光源、CCD摄像装置，设计成像系统，开发视觉检测程序,能够实现捕获晶圆显微放大图像,并进行图像处理,最后得到晶圆信息。（3）设计自动上下料的机械手（4）基于工控机的控制系统。数控技术与电子装备半导体组件都是以微米计算，因此微尘颗粒沾附在制作半导体组件的晶圆上，便有可能影响到其上精密导线布局的样式，造成短路或断路的严重后果。所有半导体制程设备都必须安置在隔绝粉尘的密闭空间中，这就是半导体无尘车间的来由。无尘室（洁净室）的主要功能为室内污染控制，没有洁净室，污染敏感零件不可能批量生产。洁净室是指具备空气过滤、分配、优化、构造材料和装置的房间，其中通过特定的规则的操作程序以控制空气悬浮微粒浓度，从而达到适当的微粒洁净度级别。7.2电子产品的生产环境一无尘车间净化车间1)无尘车间内部要确保粉尘只出不进，因此洁净无尘车间室内要保持大于大气压的环境。这就需要用大型鼓风机将经净化设备的空气源源不绝地打入洁净车间中。2)为保持恒温与恒湿，大型空调设备须搭配前述之鼓风加压系统使用。鼓风机加压多久，空调就得开多久。3)所有经净化设备的空气流动方向均由上往下为主，因此，洁净无尘车间室内空间设计或机台摆放应避免突兀，使尘埃细菌等在洁净无尘车间内回旋停滞的机会与时间减至最低程度。4)所有建材均以不易产生静电吸附的材质为主。5)所有人或事物进出洁净无尘车间，人必须穿配套防尘服，人或事物都要经过风淋室吹淋以将表面粉尘先行除掉。6)洁净无尘车间内水的使用只限用去离子水。7)洁净无尘车间所有用得到的气源，包括吹干晶圆及机台空压所需要的，都得使用氮气(98%)，吹干晶圆的氮气甚至要求99.8%以上的高纯氮。1洁净室的管理规范2洁净室气压要求•对于大部分洁净室，为了防止外界污染侵入，需保持室内压力（静压）高于外部的压力（静压），压力差的维持一般应符合以下原则：1.洁净空间的压力要高于非洁净空间的压力。2.洁净度级别高的空间的压力要高于相邻的洁净度级别低的空间的压力。3.相通洁净室之间的门要开向洁净度级别高的房间。•《洁净厂房设计规范》规定，不同等级的洁净室以及洁净区与非洁净区之间的静压差，应不小于4.9Pa。洁净区与室外的静压差，应不小于9.8Pa。2洁净室温湿度要求•《洁净厂房设计规范》中规定：生产工艺无温、湿度要求时，洁净室温度为20~26℃，湿度为70%•洁净空间的温、湿度主要是根据工艺要求来确定的。在满足工艺要求的条件下，应考虑人的舒适感。温度对生产工艺的影响，主要是从产品精度和合格率来考虑的。另一方面也从污染角度考虑。因为温度升高后，会引起人出汗，汗水会对产品产生污染。•湿度过高产生的问题也很多，如相对湿度超过55%以后，冷却水管壁面上会结露。如果发生在精密装置或电路中，就会引起各种事故。相对湿度在50%时易生锈。此外，湿度太高会使物体表面的灰尘难以清除。但是相对湿度低于30%时，又由于静电力的作用使粒子也容易吸附于物体表面，在半导体生产车间，静电会使半导体器件发生击穿。所以，在洁净室内应对温、湿度加以控制。二洁净度洁净度指洁净空气中空气含尘（包括微生物）量多少的程度。ISO14644-1（国际标准）三LED洁净车间1净化原理：气流⇒初效空气净化⇒空调⇒中效空气净化⇒风机送风⇒管道⇒高效空气净化⇒洁净间⇒吹走尘埃细菌等⇒回风百叶窗⇒新风、初效空气过滤器2LED洁净车间主要技术参数换气次数：十万级10-15次/小时；万级15-25次/小时；千级50-52次/小时；压差：主车间对相邻洁净房间=5Pa；洁净房间对非洁净区=10Pa；温度：冬季16℃±2℃；夏季26℃±2℃；相对湿度：45-65%（RH）；噪声=65dB（A）；新风补充量：总送风量的20%-30%；照度：=300Lux。7.3LED生产工艺与设备LED生产制造流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长；中游的芯片、电极制作、切割和测试分选；下游的产品封装晶片：单晶棒—单晶片衬底—在衬底上生长外延片—外延片成品：单晶片（衬底）、外延片制程：金属蒸渡—光罩腐蚀—热处理—切割—测试分选成品：芯片封装：固晶—焊线—树脂封装—切脚—测试分选—包装成品：LED灯珠、LED组件等中游下游上游1晶片制备（1）单晶体制造工艺流程晶体晶棒长晶: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:确保晶棒品质以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否符合客户规格机械加工一单晶体、外延片生产工艺与设备（2）拉晶炉一台单晶炉大概由十个部分组成，包括炉体、电气控制系统、机械升降系统、加热系统、真空系统、以及供气系统和冷却系统。（3）切片晶棒基片定向: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,有机沾污物等)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)机械加工Sapphire~430umShallowMQWsLTpGaN:LowTemppGaNpGaN:MgFirstBarrier:SinGaNLD:SiLowDopeQWs(GaN:In)uBarrier(GaN:undope)P++:pGaNHighDopenGaN:Si3Dgrowth(GaN:undope)BufferLayerThermoClean10705501040Recovery(GaN:undope)110510951085830885770nBarrier(GaN:Si)870870770960960ContactLayer(InGaN:SiorMg)750Cap(GaN)Cap(GaN)770770TempCelsiusLayer/Material23AB/13KBu+nGaN:Si1095u+nGaN:Si1095u+nGaN:Si1095nAlGaN:Si1025u+nGaN:Si1095pAlGaN9602外延层及其制造工艺（1）GaN主要制造工艺制造技术镓源氮源适合情况MOCVD法三甲基镓氨气大规模生产MBE法（分子束外延法）Ga的分子束氨气小规模生产HVPE法（氢化物气相外延法）三氯化镓氨气小规模生产（2）MOCVD法制造GaNaMOCVD法金属有机物的化学气相沉积(Metal-organicChemicalVaporDeposition）是一种基于热分解反应的气相外延工艺。MOCVD法常以三甲基镓为镓源，氨气为氮源，以蓝宝石为衬底，并用氢气和氮气这两种气体的混合气体为载气，将反应物载入MOCVD炉的反应腔内，加热到一定的温度下产生反应，能够在衬底上生成GaN分子团，最终形成GaN单晶薄膜。MOCVD系統MO源载气（H2和N2）特气气控单元反应室尾气处理器大气控制单元PC机衬底（2）MOCVD法制造GaNb设备结构MOCVD设备是由源供给系统、气体输运和流量控制系统、反应室及温度控制系统、尾气处理及安全防护报警系统、自动操作及电控系统组成。MOCVD