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有机金属气相堆积机台迎候今天LED量产的应战

信息来源:LED透明屏厂家赫尔诺    编辑:LED显示屏厂家-赫尔诺


Christian Geng、Joe Yang / AIXTRON Taiwan

Charlie Huang /AIXTRON AG, China office

Rainer Beccard /AIXTRON AG, Kackertstr. Germany

化合物半导体工业在20年的时期内阅历了一连串的革新,从研制导向到技能导向,再到运用导向,而终究开展成商场导向。20年前,研制活动会通知咱们也许到达的成果并因此驱动有关技能的开展;而今天,商场是由各种也许的运用所界定,出产本钱变成愈来愈要害的驱动力。

从LED运用的视点来看,咱们能够看到相同的趋势:前期的LED运用是依LED的特性而定;今天则是依运用需要的不相同而决议LED有必要具有如何的特性。可是,惟有当制作本钱能与传统技能竞赛,LED才会有竞赛性。做为制作LED的要害设备,有机金属气相堆积机台(Metalorganic Chemical Vapor Phase Deposition, MOCVD)有必要进行继续的计划演进,才干契合越来越高的请求。

举例来说,机台容量就是其间一项发展。1988年时,第一台商业化的MOCVD机台可托载一片2吋的晶圆而且展示可出产特定组件的制程能力。至1992年,爱思强(AIXTRON)根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系列资料的多片式平面反响腔Planetary Reactor(此为爱思强注册商标),并在1996年推出可用于氮化镓GaN系列资料的机型,可包容六片2吋晶圆。这项发展使得化合物半导体业得以很多制作像LD及LED这类组件,产值足以使这个工业开端茁壮生长。由于Planetary Reactor可在个别晶圆上及各晶圆间到达极佳的均匀度,每次作业操作的重现性亦十分安稳,因此化合物半导体组件制作商得以契合这个老练工业的新应战:良率。

跟着工业逐步生长,爱思强透过继续开展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,开宣布更大容量的机台。因应LED制程开端运用4吋基板而微波工业运用6吋基板,这项新设备的计划还能够一起托载不相同巨细的基板。不过,MOCVD设备要满意的不只是添加容量的需要,继续增进良率也是必要的,为能进一步改善设备的性能,必定要对化学及流体力学有更深化的了解,因此,爱思强建立了一个专精于核算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的部分来研讨设备及制程,以仿真硬件及制程参数的影响。

现在LED工业进入簇新的阶段,开端运用至轿车及显示器工业,LED芯片价格也继续跌落,制作本钱的主要性已愈来愈被突显,有鉴于此,MOCVD设备有必要适应这项需要进行调整,因此,爱思强团队在2005年开端进行一连串的改善举动并推出新商品:

? 结合概念渠道(Integrated Concept,简称为IC),这是一个契合人体工学并与Semi S2兼容的渠道,运用于爱思强及Thomas Swan的MOCVD体系,具有最佳化的计划。

? 良率晋级(Yield-Plus)套件,适用于Planetary Reactor,首要特色是具有新颖的三层式气体喷嘴,可大幅进步外延制程良率。

? 夹层式载台技能(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洗而添加产能。

?可机动调整反响腔高度,用于CCS体系。

这些功用都能够在已装置的体系上进行晋级,他们也已归入下一代MOCVD体系规范(可为规范功用或选配功用),可用于大规模量产AlGaInN系列资料的蓝、绿及紫外光LED:

? AIX 2800G4 HT (42x2”) 及

? CCS 30x2"system"Crius

为了开发这些功用,有必要采取体系化的办法来了解出产本钱,如以下阐明:

出产本钱(Cost of Ownership, CoO)

影响MOCVD体系出产本钱的要害要素包含:

1. 折旧

2. 营运本钱

3. 良率

深化观察这些要素,咱们理解它们遭到以下三种参数影响:

a. 产能

b. 资料堆积功率

c. 均匀度及可重现性

在深化分析这些参数前,咱们将阐明上述参数与CoO要素之间的联系:

1. 每片晶圆的设备折旧本钱是以设备本钱(出资)除以折旧时期所出产的总晶圆数核算所得出的,总晶圆数会与产能成正比:

折旧-出资/产能

2. 营运本钱可分为以下两类:

? 厂房设备及人力

? 前导气体资料(precursors)

厂房设备及人事本钱与体系的产能成反比,前导气体资料的耗费则与堆积功率成反比。

营运本钱 -1/(产能*堆积功率)

3. 良率应该是影响CoO最首要的要素。在每个核算公式中,它有必要与产能相乘,假如良率低,折旧与营运本钱就会添加。

折旧-出资/(产能*良率)

营运本钱-1/(产能*良率*堆积功率)

与良率息息有关的是晶圆特性的均匀度,如膜厚、构成成分及?杂浓度,在一片晶圆上、一次外延堆积的一切晶圆之间以及不相同次外延堆积之间都有必要到达这些请求。MOCVD制程中的均匀度疑问会在稍后做更深化的阐明。

良率晋级套件中的全新三层式气体喷嘴计划以几种办法来对应上述三项CoO参数的疑问,它以侧向办法将一切反响气体导入水平方向,削减准确调整气体喷嘴的需要,而能到达最佳的均匀度;有机金属蒸气及氢化物别离由不相同层写入,其间最上层是载运气体及氨气,此为与二层式喷嘴最大不相同之处,新添加的上层气体能够防止制程气体构成涡流而回流到喷嘴,使喷嘴能够坚持洁净没有堆积,还能够做为微调均匀性的另一个参数。

此外,此喷嘴为彻底水冷式,使得喷嘴及其邻近区域的温度较低,能够防止反响气体过早发作反响,然后防止反响物堆积于喷嘴及邻近,并能大幅进步前导气体资料的堆积功率。举例来说,在GaN外延制程中,氨气的耗费量能够下降到原有的25%。

另一个可贵的特性是三甲基铟(TMIn)的堆积功率进步,使得InGaN的外延温度能够进步摄氏50度,因此改善InGaN外延层的资料特性进而进步LED的亮度。核算流体力学的模型被运用在此喷嘴的开发上,使咱们能够将其尺寸到达最佳化,来保证腔体内气体活动为完美的层流(laminar flow) ,防止涡流的出现。

除了大幅改善的良率与堆积功率以外,温度较低的气体喷嘴还能够大幅下降反响腔体内组件的热应力,关于组件的运用寿命有正面的影响,当然也能够协助下降营运本钱。

增大反响腔容量本身就能够下降出产本钱,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,可是机台价格会跟着容量呈正比添加吗?并不会﹗由于设备出资添加份额远低于容量添加的份额,所以每片晶圆折旧因此降得更低了,别的零件耗材的本钱也是相同跟着下降。

大型机台的厂房设备与劳力本钱与小型机台是相同的,所以大型机台的营运本钱别离下降75%与58%。

产能Throughput

在GaN LED外延制程中,每一次的外延生长时期通常会用高温烘烤来除掉石墨载台上的堆积物,虽然能够坚持安稳的制程条件,可是适当耗时,因此影响了MOCVD机台能够产出的晶圆数目。关于Planetary Reactor,爱思强开展出夹层式石墨载台,它的表层能够很轻易的更换成新的组件,所以LED外延制程能够继续而不需要进行高温烘烤的过程,被堆积的组件能够拿到腔体外进行清洗的过程,省掉了高温烘烤的时刻,全部出产循环能够削减2个小时,因此能够添加大概30%的产能,此外削减高温烘烤,能够使石墨载台的运用寿命因此而延伸,下降出产本钱。

别的一个添加产能的办法是添加LED构造中厚GaN膜层的生长速率,有两个关键有必要留意来到达这个方针:首先,必要条件是反响腔体的计划有必要能够答应高浓度前导气体进入而不会提早发作化学反响,在Planetary Reactor恕丑A有机金属气体和氢化物气体是别离进入反响腔,而且由于构成层流而推迟混合时刻,别的保持进口于低温情况也可削减反响发作,其次,需研制外延制程使得在高生长速率下依然能够保持资料质量,例如在GaN岛状生长接合时,用较低生长速率及较高压力来下降缺点密度,然后再下降压力并进步生长速率到6mm/h。

花较少的时刻来生长GaN层使得出产循环的时刻能够缩短,根据LED构造不相同,因此最多能够添加25%的产能。

均匀性Uniformity

良率事实上是均匀性散布与规范的回旋函数(convolution),今天波长散布的规范比几年前要来得严厉多了,以平面显示器的背光源为例﹕白光LED是使用蓝光LED调配黄光荧光粉,它的高荧光变换功率只发作在很窄的蓝光频谱区域,如果由红蓝绿光构成的背光源则需要运用到绿光LED,而人眼关于绿光波段的色彩变化十分灵敏,所以绿光LED的规范十分严厉。

当咱们谈到均匀性时,咱们有必要知道出产出的LED晶粒波长散布是累加了一切晶圆的波长散布,而晶圆上波长散布跟载台温度散布及MOCVD气流有适当大的联系,而各晶圆间的波长散布是由晶圆托盘的温度一致性与反响腔体几许形状所决议,而每次外延生长的重复性和腔体内的边界条件一致性息息有关。

量产信息回馈

关于设备供货商来说 其间一项最主要的的作业就是继续不断的监控与改善设备的出产价值,有几种形式能够到达此项应战─例如于自家厂房建立测验实验室或许使用协作伙伴的设备以期模仿量产情况。

爱思强运用一个独特的形式使得咱们能够与客户十分亲近协作─建立制作导向研制中心(Manufacturing Oriented Research Laboratory, M.O.R.L.) ,MORL的运作形式是在爱思强与Thomas Swan总部的研制实验室开展与测验MOCVD设备与制程,然后在第二阶段与客户进行亲近的协作来完结全部研制作业,第二阶段的作业则由爱思强在当地的专家与客户协作,完好的计划、履行与监控。第一阶段的研制着重在硬件的评价与根底制程的验证,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。这个形式一方面能够保证制程的开展契合客户的需要,另一方面能够让爱思强将一切的专业知识专心在设备新开展上,这么的形式关于客户与爱思强的优点很明显:客户能够加速研制循环而且使量产技能最佳化,而爱思强能够收集到于真实量产情况下MOCVD体现的第一手资料,来继续改善机台。MORL在此形式中扮演一个推进且绝对中立的角色。

今天,爱思强集团的MOCVD体系将比以往更竭尽全力,以期契合很多出产之需要,咱们的开发办法及开宣布的商品正反映出化合物半导体工业在这20年内的老练演进。


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