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    LED芯片制造設備及其工藝介紹

    :2017-12-12    :333
     一、上游外延片生長(cháng)設備國產(chǎn)化現狀   

    LED產(chǎn)業(yè)鏈通常定義為上游外延片生長(cháng)、中游芯片制造和下游芯片封裝測試及應用三個(gè)環(huán)節。從上游到下游行業(yè),進(jìn)入門(mén)檻逐步降低,其中LED產(chǎn)業(yè)鏈上游外延生長(cháng)技術(shù)含量最高,資本投入密度最大,是國際競爭最激烈、經(jīng)營(yíng)風(fēng)險最大的領(lǐng)域。在LED產(chǎn)業(yè)鏈中,外延生長(cháng)與芯片制造約占行業(yè)利潤的70%,LED封裝約占10%~20%,而LED應用大約也占10%~20%。  
     
     產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節使用的生產(chǎn)設備從技術(shù)到投資同樣遵循上述原則,在我國上游外延片生長(cháng)和中游芯片制造的60余家企業(yè)中,核心設備基本上為國外進(jìn)口,技術(shù)發(fā)展受制于人,且技術(shù)水平尚無(wú)法與國際主流廠(chǎng)商相比。這就意味著(zhù)我國高端LED外延片、芯片的供應能力遠遠不能滿(mǎn)足需要,需大量進(jìn)口,從而大大制約了國內LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和盈利能力。   

    表1 LED產(chǎn)業(yè)鏈概況及關(guān)鍵設備介紹   
    產(chǎn)業(yè)鏈 產(chǎn)品 關(guān)鍵設備 上游 原材料—單晶棒—單晶片—PSS—外延片 單晶片、圖形化襯底PSS、外延片 MOCVD, ICP刻蝕機, 光刻機, PECVD 中游 金屬蒸鍍—光刻—電極制作(熱處理、刻蝕)芯片切割—測試分選 LED芯片 ICP刻蝕機,光刻機,蒸發(fā)臺,濺射臺,激光劃片機
     下游 固晶(芯片粘貼)—打線(xiàn)(焊接)—樹(shù)脂封裝剪角—應用產(chǎn)品 燈泡、顯示屏、背光源等 固晶機、焊線(xiàn)機等   
    上游外延生長(cháng),由于外延膜層決定了最終LED光源的性能與質(zhì)量,是LED生產(chǎn)流程的核心,用于外延片生長(cháng)的MOCVD也因其技術(shù)難度高、工藝復雜成為近年來(lái)最受矚目,全球市場(chǎng)壟斷最嚴重的設備。因此,該設備的國產(chǎn)化受到了國內產(chǎn)業(yè)界的熱捧,一些企業(yè)和研究機構也啟動(dòng)了MOCVD的研發(fā),但何時(shí)能實(shí)現產(chǎn)業(yè)應用還是個(gè)未知數。   
     
    此外,伴隨LED外延技術(shù)的不斷創(chuàng )新,特別是藍寶石襯底(PPS)加工技術(shù)的廣泛應用,藍寶石襯底刻蝕設備也逐漸成為L(cháng)ED外延片制造技術(shù)核心關(guān)鍵工藝設備之一,其工藝水平直接影響到成膜性能,越來(lái)越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。作為國內半導體裝備業(yè)的新星,北方微電子借助多年從事半導體、太陽(yáng)能高端設備制造的技術(shù)優(yōu)勢,為L(cháng)ED生產(chǎn)領(lǐng)域的刻蝕應用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了ELEDETM330ICP刻蝕設備,并已成功實(shí)現了PSS襯底刻蝕在大生產(chǎn)線(xiàn)上的應用,這可以稱(chēng)得上是LED生產(chǎn)設備國產(chǎn)化領(lǐng)域的突破,勢必對LED設備國產(chǎn)化起到推動(dòng)和帶頭作用。  
     
     二、中游芯片制造主要設備現狀   

    中游芯片制造用于根據LED的性能需求進(jìn)行器件結構和工藝設計。主要設備主要包括刻蝕機、光刻機、蒸發(fā)臺、濺射臺、激光劃片機等。  
     1.刻蝕工藝及設備   刻蝕工藝在中游芯片制造領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用(見(jiàn)表2),而隨著(zhù)圖形化襯底工藝被越來(lái)越多的LED企業(yè)認可,對圖形化襯底的刻蝕需求也使ICP刻蝕機在整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)鏈中的比重大幅度提升。更大產(chǎn)能、更高性能的ICP刻蝕機成為L(cháng)ED主流企業(yè)的需求目標,在產(chǎn)能方面要求刻蝕機的單批處理能力達到每盤(pán)20片以上,機臺具有更高的利用率和全自動(dòng)Cassette to Cassette的生產(chǎn)流程;由于單批處理數量增大,片間和批次間的均勻性控制更加嚴格;此外,更長(cháng)的維護周期和便捷的人機交互操作界面也是面向大生產(chǎn)線(xiàn)設備必備的條件。而北方微電子所開(kāi)發(fā)的ELEDETM330刻蝕機,集成了多項先進(jìn)技術(shù),用半導體刻蝕工藝更為精準的設計要求來(lái)實(shí)現LED領(lǐng)域更高性能的刻蝕工藝,完全滿(mǎn)足大生產(chǎn)線(xiàn)對干法刻蝕工藝的上述要求。  
     
     2.光刻工藝及設備   光刻工藝是指在晶片上涂布光阻溶液,經(jīng)曝光后在晶片上形成一定圖案的工藝。LED芯片生產(chǎn)中通過(guò)光刻來(lái)實(shí)現在PSS工藝中形成刻蝕所需特定圖案掩模以及在芯片制造中制備電極。LED光刻工藝主要采用投影式光刻、接觸式光刻和納米壓印三種技術(shù)。接觸式光刻由于價(jià)格低,是目前應用主流,但隨著(zhù)PSS襯底普及,圖形尺寸精細化,投影式光刻逐漸成為主流。納米壓印由于不需光阻,工藝簡(jiǎn)單,綜合成本較低,但由于重復性較差,還處于研發(fā)階段。  
     表2 LED上中游刻蝕設備的應用  
    刻蝕工藝應用 刻蝕工藝分類(lèi) 說(shuō)明 上游 圖形化襯底 緩解異質(zhì)外延生長(cháng)中氮化物外延層由于晶格失配引起的應力,大大降低氮化物材料中的位錯密度,提高器件的內量子效率。 
    中游 同側電極刻蝕 對于采用絕緣襯底的LED芯片,兩個(gè)電極需要做在器件的同一側。因此,這就要采用蝕刻方法暴露出N型層以制作N型電極。 表面微結構 在芯片表面刻蝕大量尺寸為光波長(cháng)量級的小結構,以此擴展出光面積,改變光在芯片表面處的折射方向,從而使透光效率明顯提高。 表面粗糙化 將那些滿(mǎn)足全反射定律的光改變方向,繼而在另一表面或反射回原表面時(shí)不被全反射而透過(guò)界面,并能起防反射的功能。 器件隔離 刻蝕GaN,AlGaN,AlGaInP,刻蝕到襯底部分。將整張芯片劃分成LED芯粒。   
    國內LED生產(chǎn)用接觸式光刻機主要依賴(lài)進(jìn)口,投影式光刻機多為二手半導體光刻機翻新。而鑒于國內光刻設備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)基礎和



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