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有机金属气相沉积机台迎接今日LED量产的挑战

导读: 生产成本是影响今日LED量产需求的主要关键。许多因素(如良率)与参数(如产能)都会影响到生产成本的高低,其中有些因素是彼此相关的。

Christian Geng、Joe Yang / AIXTRON Taiwan
Charlie Huang /AIXTRON AG, China office
Rainer Beccard /AIXTRON AG, Kackertstr. Germany

化合物半导体产业在20年的期间内经历了一连串的变革,从研发导向到技术导向,再到应用导向,而最终发展成市场导向。20年前,研发活动会告诉我们可能达成的结果并因此驱动相关技术的发展;而今日,市场是由各种可能的应用所界定,生产成本成为愈来愈关键的驱动力。

LED应用的角度来看,我们可以看到相同的趋势:早期的LED应用是依LED的特性而定;今天则是依应用需求的不同而决定LED必须具有怎样的特性。然而,惟有当制造成本能与传统技术竞争,LED才会有竞争性。做为制造LED的关键设备,有机金属气相沉积机台(Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition, MOCVD)必须进行持续的设计演进,才能符合越来越高的要求。

举例来说,机台容量便是其中一项进展。1988年时,第一台商业化的MOCVD机台可托载一片2吋的晶圆并且展现可生产特定组件的制程能力。至1992年,爱思强(AIXTRON)依据飞利浦授权的专利,推出第一台可用于砷化镓GaAs与磷化铟InP系列材料的多片式平面反应腔Planetary Reactor(此为爱思强注册商标),并在1996年推出可用于氮化镓GaN系列材料的机型,可容纳六片2吋晶圆。这项进展使得化合物半导体业得以大量制造像LD及LED这类组件,产量足以使这个产业开始茁壮成长。由于Planetary Reactor可在个别晶圆上及各晶圆间达成极佳的均匀度,每次运转操作的重现性亦十分稳定,因此化合物半导体组件制造商得以符合这个成熟产业的新挑战:良率。

随着产业逐渐成长,爱思强透过持续发展Planetary Reactor Thomas Swan(1999年时被爱思强并购)的莲蓬头式气体喷嘴(Close Coupled Showerhead , 简称为CCS)原理,开发出更大容量的机台。因应LED制程开始使用4吋基板而微波产业使用6吋基板,这项新设备的设计还可以同时托载不同大小的基板。不过,MOCVD设备要满足的不只是增加容量的需求,持续增进良率也是必要的,为能进一步改善设备的性能,一定要对化学及流体力学有更深入的了解,因此,爱思强成立了一个专精于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的部门来研究设备及制程,以仿真硬件及制程参数的影响。

目前LED产业进入崭新的阶段,开始应用至汽车及显示器产业,LED芯片价格也持续下跌,制造成本的重要性已愈来愈被突显,有鉴于此,MOCVD设备必须顺应这项需求进行调整,因此,爱思强团队在2005年开始进行一连串的改善行动并推出新产品:
‧ 整合概念平台(Integrated Concept,简称为IC),这是一个符合人体工学并与Semi S2兼容的平台,运用于爱思强及Thomas Swan的MOCVD系统,具有最佳化的设计。
‧ 良率升级(Yield-Plus)套件,适用于Planetary Reactor,主要特色是具有新颖的三层式气体喷嘴,可大幅提升外延制程良率。
‧ 夹层式载台技术(Sandwich Technology)及喷砂制程(Bead Blasting),可将腔体内的组件移出机台外进行清洁而增加产能。
‧可机动调整反应腔高度,用于CCS系统。

这些功能都可以在已安装的系统上进行升级,他们也已纳入下一代MOCVD系统规格(可为标准功能或选配功能),可用于大规模量产AlGaInN系列材料的蓝、绿及紫外光LED:
‧ AIX 2800G4 HT (42x2”) 及
‧ CCS 30x2"system"Crius
为了开发这些功能,必须采取系统化的方式来了解生产成本,如以下说明:

生产成本(Cost of Ownership, CoO)
影响MOCVD系统生产成本的关键因素包括:
1. 折旧
2. 营运成本
3. 良率
深入观察这些因素,我们明白它们受到以下三种参数影响:
a. 产能
b. 材料沉积效率
c. 均匀度及可重现性

在深入分析这些参数前,我们将说明上述参数与CoO因素之间的关系:
1. 每片晶圆的设备折旧成本是以设备成本(投资)除以折旧期间所生产的总晶圆数计算所得出的,总晶圆数会与产能成正比:
折旧-投资/产能

2. 营运成本可分为以下两类:
‧ 厂房设施及人力
‧ 前导气体材料(precursors)
厂房设施及人事成本与系统的产能成反比,前导气体材料的消耗则与沉积效率成反比。
营运成本 -1/(产能*沉积效率)

3. 良率应该是影响CoO最主要的因素。在每个计算公式中,它必须与产能相乘,如果良率低,折旧与营运成本就会升高。
折旧-投资/(产能*良率)
营运成本-1/(产能*良率*沉积效率)

与良率息息相关的是晶圆特性的均匀度,如膜厚、组成成分及?杂浓度,在一片晶圆上、一次外延沉积的所有晶圆之间以及不同次外延沉积之间都必须达到这些要求。MOCVD制程中的均匀度问题会在稍后做更深入的说明。

良率升级套件中的全新三层式气体喷嘴设计以几种方式来对应上述三项CoO参数的问题,它以侧向方式将所有反应气体导入水平方向,减少精确调整气体喷嘴的需要,而能达成最佳的均匀度;有机金属蒸气及氢化物分别由不同层注入,其中最上层是载运气体及氨气,此为与二层式喷嘴最大不同之处,新增加的上层气体可以避免制程气体形成涡流而回流到喷嘴,使喷嘴可以保持干净没有沉积,还可以做为微调均匀性的另一个参数。

此外,此喷嘴为完全水冷式,使得喷嘴及其附近区域的温度较低,可以防止反应气体过早发生反应,从而避免反应物沉积于喷嘴及附近,并能大幅提升前导气体材料的沉积效率。举例来说,在GaN外延制程中,氨气的消耗量可以降低到原有的25%。

另一个可贵的特性是三甲基铟(TMIn)的沉积效率提升,使得InGaN的外延温度可以提升摄氏50度,因而改进InGaN外延层的材料特性进而提升LED的亮度。计算流体力学的模型被应用在此喷嘴的开发上,使我们可以将其尺寸达到最佳化,来确保腔体内气体流动为完美的层流(laminar flow) ,避免涡流的出现。

除了大幅改善的良率与沉积效率以外,温度较低的气体喷嘴还可以大幅降低反应腔体内组件的热应力,对于组件的使用寿命有正面的影响,当然也可以帮助降低营运成本。

增大反应腔容量本身就可以降低生产成本,42x2” AIX 2800G4 HT的容量是前一代的1.75倍而30x2” Crius是前一代的1.58倍,但是机台售价会随着容量呈正比增加吗?并不会﹗因为设备投资增加比例远低于容量增加的比例,所以每片晶圆折旧因而降得更低了,另外零件耗材的成本也是一样跟着降低。

大型机台的厂房设施与劳力成本与小型机台是一样的,所以大型机台的营运成本分别降低75%与58%。

产能Throughput
在GaN LED外延制程中,每一次的外延生长期间通常会用高温烘烤来除去石墨载台上的沉积物,虽然可以保持稳定的制程条件,但是相当耗时,因而影响了MOCVD机台可以产出的晶圆数目。对于Planetary Reactor,爱思强发展出夹层式石墨载台,它的表层可以很轻易的更换成新的组件,于是LED外延制程可以继续而不需要进行高温烘烤的步骤,被沉积的组件可以拿到腔体外进行清洁的步骤,省掉了高温烘烤的时间,整个生产循环可以减少2个小时,因此可以增加大约30%的产能,此外减少高温烘烤,可以使石墨载台的使用寿命因此而延长,降低生产成本。

另外一个增加产能的方法是增加LED结构中厚GaN膜层的成长速率,有两个要点必须注意来达成这个目标:首先,必要条件是反应腔体的设计必须可以允许高浓度前导气体进入而不会提前产生化学反应,在Planetary Reactor恕丑A有机金属气体和氢化物气体是分别进入反应腔,并且因为形成层流而延缓混合时间,另外维持入口于低温状态也可减少反应发生,其次,需研发外延制程使得在高成长速率下仍然可以维持材料质量,例如在GaN岛状成长接合时,用较低成长速率及较高压力来降低缺陷密度,然后再降低压力并提高成长速率到6mm/h。

花较少的时间来成长GaN层使得生产循环的时间可以缩短,依据LED结构不同,因而最多可以增加25%的产能。

均匀性Uniformity
良率事实上是均匀性分布与规格的回旋函数(convolution),今天波长分布的规格比几年前要来得严格多了,以平面显示器的背光源为例﹕白光LED是利用蓝光LED搭配黄光荧光粉,它的高荧光转换效率只发生在很窄的蓝光频谱区域,若是由红蓝绿光组成的背光源则需要使用到绿光LED,而人眼对于绿光波段的颜色变化非常敏感,所以绿光LED的规格非常严格。

当我们谈到均匀性时,我们必须知道生产出的LED晶粒波长分布是累加了所有晶圆的波长分布,而晶圆上波长分布跟载台温度分布及MOCVD气流有相当大的关系,而各晶圆间的波长分布是由晶圆托盘的温度一致性与反应腔体几何形状所决定,而每次外延成长的重复性和腔体内的边界条件一致性息息相关。

量产信息回馈
对于设备供货商来说 其中一项最重要的的工作就是持续不断的监控与改进设备的生产价值,有几种模式可以达成此项挑战─例如于自家厂房成立测试实验室或者利用合作伙伴的设备以期模拟量产状态。

爱思强使用一个独特的模式使得我们可以与客户非常密切合作─成立制造导向研发中心(Manufacturing Oriented Research Laboratory, M.O.R.L.) ,MORL的运作模式是在爱思强与Thomas Swan总部的研发实验室发展与测试MOCVD设备与制程,然后在第二阶段与客户进行密切的合作来完成整个研发工作,第二阶段的工作则由爱思强在当地的专家与客户合作,完整的规划、执行与监控。第一阶段的研发着重在硬件的评估与基础制程的验证,而第二阶段则着重在组件的验证、量产的最佳化与微调特定组件的制程。这个模式一方面可以确保制程的发展符合客户的需求,另一方面可以让爱思强将所有的专业知识专注在设备新发展上,这样的模式对于客户与爱思强的好处很明显:客户可以加快研发循环并且使量产技术最佳化,而爱思强可以收集到于真正量产状况下MOCVD表现的第一手资料,来持续改进机台。MORL在此模式中扮演一个推动且绝对中立的角色。

今天,爱思强集团的MOCVD系统将比以往更全力以赴,以期符合大量生产之需求,我们的开发方法及开发出的产品正反映出化合物半导体产业在这20年内的成熟演进。

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