【導(dǎo)讀】目前藍(lán)寶石基板是LED器件的主流，但是卻存在著很大的缺陷，氮化鎵與藍(lán)寶石之間存在著13.8%的晶格不相配，因此，氮化鎵“外延層”是一種高應(yīng)力薄膜...

 

　　高亮度LED制造如今是否應(yīng)該更加重視工藝控制?如果答案是肯定的，那么我們該從傳統(tǒng)的硅基集成電路制造中學(xué)到什么經(jīng)驗(yàn)?

 

　　第一個(gè)問題的答案很明確：只需權(quán)衡工藝控制的益處和需要付出的設(shè)備與人力成本即可。工藝控制的益處包括改善成品率與可靠性、縮短生產(chǎn)周期、以及加快新產(chǎn)品的上市速度。如果將工藝控制的成本考慮在內(nèi)，這些益處就會一并轉(zhuǎn)化為更好的盈利能力，可見，加強(qiáng)對工藝控制的重視很有意義。

 

　　讓我們從LED基板和外延層的缺陷率開始討論。最先進(jìn)的LED器件采用藍(lán)寶石 (Al2O3) 基板;在拋光的藍(lán)寶石基板的上表面，氮化鎵 (GaN) 的外延層是以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 生長的。

 

　　外延是在一種晶體材料頂上生長另一種晶體材料薄膜的技術(shù)，這樣晶格就會彼此相配，至少會非常相似。如果外延薄膜的晶格常數(shù)與底層材料不同，這種不相配就會在薄膜中產(chǎn)生應(yīng)力。氮化鎵與藍(lán)寶石之間存在著大量的晶格不相配 (13.8%)，因此，氮化鎵“外延層”是一種高應(yīng)力薄膜。外延薄膜的應(yīng)力能夠增加電子/空穴的遷移率，從而提高器件性能;但另一方面，處在應(yīng)力下的薄膜往往會存在大量缺陷。

 

　　外延層沉積之后的常見缺陷包括隱凹、隱裂、六角形凸起、月牙、圓圈、蓮蓬頭微滴和局部表面粗糙。凹坑經(jīng)常出現(xiàn)在 MOCVD 工藝期間，且與因晶片由中心向邊緣翹曲而導(dǎo)致的溫度梯度相關(guān)。大的凹坑會導(dǎo)致 P-N 結(jié)短路，造成器件故障。亞微米凹坑甚至更加隱匿，它允許器件最初能夠通過電性測試，但在器件老化之后卻會導(dǎo)致可靠性問題?？煽啃詥栴}往往出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，與通常在工廠內(nèi)測試時(shí)檢測到的成品率問題相比，會造成更大損失。另一種缺陷是來自因薄膜應(yīng)力而引起的隱裂，這也將會導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用時(shí)的嚴(yán)重?fù)p失。

 

　　高端 LED 制造商通常會檢測外延后的晶片，記錄所有大小超過約 0.5mm 的缺陷。一個(gè)個(gè)虛擬的器件單元被疊加在晶片上，任何含有嚴(yán)重缺陷的虛擬單元都將被篩除。這些單元中如果有凹坑則會失效，如果有裂紋，則面臨較高風(fēng)險(xiǎn)的可靠性問題。在許多情況下，幾乎所有邊緣單元都會報(bào)廢。特別是用于汽車或固態(tài)照明設(shè)備的高端 LED，絕對不容許出現(xiàn)缺陷，也就是說此類設(shè)備的可靠性必須非常高。

 

　　然而，外延后檢測所發(fā)現(xiàn)的缺陷并非全部緣于MOCVD工藝。有時(shí)候，問題要?dú)w咎于藍(lán)寶石基板。如果 LED 制造商希望改善成品率或可靠性，那么了解問題的來源則非常重要。

 

　　藍(lán)寶石基板本身可能含有多種缺陷類型，包括在切割和拋光時(shí)顯露出來的藍(lán)寶石晶體凹坑;表面拋光時(shí)造成的擦傷;拋光膏或清潔工藝留下的殘?jiān)?以及通過清洗可以清除或不能清除的顆粒。當(dāng)基板上存在這些缺陷時(shí)，它們在氮化鎵外延生長期間可能會被擴(kuò)大，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)缺陷，并最終影響器件的成品率或可靠性。

 

　　圖案化藍(lán)寶石基板 (PSS) 是專為在高亮度LED設(shè)備中提高發(fā)光效率而設(shè)計(jì)的基板，因其在外延之前采用了標(biāo)準(zhǔn)的光刻與蝕刻工藝，從而在基板表面形成了規(guī)則的鼓包陣列。盡管使用 PSS 方法可以減少位錯(cuò)缺陷，但是缺失的鼓包或鼓包之間的橋接在氮化鎵層沉積之后會變成六角形和月牙形缺陷，這些缺陷一般是成品率的致命威脅。

 

　　為了改善成品率與可靠性，LED制造商需要按照類型和大小準(zhǔn)確說明基板的最大缺陷率—前提是可以按照那些規(guī)格制造基板，并且不會令其售價(jià)過高而抵銷改善成品率的益處。LED制造商還可從日常的來料品質(zhì)管控 (IQC) 缺陷檢測中收益，從而確保基板能夠符合其規(guī)格—包括缺陷的類型和大小。

 

　　當(dāng)基板大小改變時(shí)，例如當(dāng)前從4英吋LED基板轉(zhuǎn)變?yōu)?英吋LED基板時(shí)，則應(yīng)該徹底檢測基板缺陷率。從歷史來看，即使是在硅行業(yè)，當(dāng)基板制造商面對更大、更重的晶體帶來的機(jī)械、熱力及其他工藝挑戰(zhàn)時(shí)，因更大的基板尺寸而引起的晶體缺陷增加也是其最初的困擾。

 

　　在LED基板與外延層制造期間，進(jìn)行有效缺陷控制的進(jìn)一步的考慮就是缺陷的分類。了解缺陷是凹坑還是顆粒，比僅僅知道缺陷的數(shù)量要更加有助于解決問題。(基板上的擦傷、裂紋和殘?jiān)菀赘鶕?jù)其空間特征而被識別。)先進(jìn)的缺陷檢測系統(tǒng)，例如 KLA-Tencor 的 Candela 產(chǎn)品，是設(shè)計(jì)為包含多個(gè)入射角(垂直、傾斜)和多個(gè)檢測通道(鏡面、“形貌”、相位)，有助于自動將缺陷分為各種類型。