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LED蓝宝石基板缺陷检测

2014-02-19 10:52
FlappyBird
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  高亮度 LED 制造如今是否应该更加重视工艺控制?如果答案是肯定的,那么我们该从传统的硅基集成电路制造中学到什么经验?

  第一个问题的答案很明确:只需权衡工艺控制的益处和需要付出的设备与人力成本即可。工艺控制的益处包括改善成品率与可靠性、缩短生产周期、以及加快新产品的上市速度。如果将工艺控制的成本考虑在内,这些益处就会一并转化为更好的盈利能力,可见,加强对工艺控制的重视很有意义。

  让我们从 LED 基板和外延层的缺陷率开始讨论。最先进的 LED 器件采用蓝宝石 (Al2O3) 基板;在抛光的蓝宝石基板的上表面,氮化镓 (GaN) 的外延层是以金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 生长的。

  外延是在一种晶体材料顶上生长另一种晶体材料薄膜的技术,这样晶格就会彼此相配,至少会非常相似。如果外延薄膜的晶格常数与底层材料不同,这种不相配就会在薄膜中产生应力。氮化镓与蓝宝石之间存在着大量的晶格不相配 (13.8%),因此,氮化镓“外延层”是一种高应力薄膜。外延薄膜的应力能够增加电子/空穴的迁移率,从而提高器件性能;但另一方面,处在应力下的薄膜往往会存在大量缺陷。

  外延层沉积之后的常见缺陷包括隐凹、隐裂、六角形凸起、月牙、圆圈、莲蓬头微滴和局部表面粗糙。凹坑经常出现在 MOCVD 工艺期间,且与因晶片由中心向边缘翘曲而导致的温度梯度相关。大的凹坑会导致 P-N 结短路,造成器件故障。亚微米凹坑甚至更加隐匿,它允许器件最初能够通过电性测试,但在器件老化之后却会导致可靠性问题。可靠性问题往往出现在实际应用时,与通常在工厂内测试时检测到的成品率问题相比,会造成更大损失。另一种缺陷是来自因薄膜应力而引起的隐裂,这也将会导致实际应用时的严重损失。

  高端 LED 制造商通常会检测外延后的晶片,记录所有大小超过约 0.5mm 的缺陷。一个个虚拟的器件单元被叠加在晶片上,任何含有严重缺陷的虚拟单元都将被筛除。这些单元中如果有凹坑则会失效,如果有裂纹,则面临较高风险的可靠性问题。在许多情况下,几乎所有边缘单元都会报废。特别是用于汽车或固态照明设备的高端 LED,绝对不容许出现缺陷,也就是说此类设备的可靠性必须非常高。

  然而,外延后检测所发现的缺陷并非全部缘于 MOCVD 工艺。有时候,问题要归咎于蓝宝石基板。如果 LED 制造商希望改善成品率或可靠性,那么了解问题的来源则非常重要。

  蓝宝石基板本身可能含有多种缺陷类型,包括在切割和抛光时显露出来的蓝宝石晶体凹坑;表面抛光时造成的擦伤;抛光膏或清洁工艺留下的残渣;以及通过清洗可以清除或不能清除的颗粒。当基板上存在这些缺陷时,它们在氮化镓外延生长期间可能会被扩大,导致外延层出现缺陷,并最终影响器件的成品率或可靠性。

  图案化蓝宝石基板 (PSS) 是专为在高亮度 LED 设备中提高发光效率而设计的基板,因其在外延之前采用了标准的光刻与蚀刻工艺,从而在基板表面形成了规则的鼓包阵列。尽管使用 PSS 方法可以减少位错缺陷,但是缺失的鼓包或鼓包之间的桥接在氮化镓层沉积之后会变成六角形和月牙形缺陷,这些缺陷一般是成品率的致命威胁。

  为了改善成品率与可靠性,LED 制造商需要按照类型和大小准确说明基板的最大缺陷率—前提是可以按照那些规格制造基板,并且不会令其售价过高而抵销改善成品率的益处。LED 制造商还可从日常的来料品质管控 (IQC) 缺陷检测中收益,从而确保基板能够符合其规格—包括缺陷的类型和大小。

  当基板大小改变时,例如当前从 4 英吋 LED 基板转变为 6 英吋 LED 基板时,则应该彻底检测基板缺陷率。从历史来看,即使是在硅行业,当基板制造商面对更大、更重的晶体带来的机械、热力及其他工艺挑战时,因更大的基板尺寸而引起的晶体缺陷增加也是其最初的困扰。

  在 LED 基板与外延层制造期间,进行有效缺陷控制的进一步的考虑就是缺陷的分类。了解缺陷是凹坑还是颗粒,比仅仅知道缺陷的数量要更加有助于解决问题。(基板上的擦伤、裂纹和残渣更容易根据其空间特征而被识别。)先进的缺陷检测系统,例如 KLA-Tencor 的 Candela 产品,是设计为包含多个入射角(垂直、倾斜)和多个检测通道(镜面、“形貌”、相位),有助于自动将缺陷分为各种类型。
 

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