LED晶圓(外延)的成長製程

今天來探討LED晶圓的成長製程,早期在小積體電路時代,每一個6吋的晶圓上製作數以千計的晶粒,現在次微米線寬的大型VLSI,每一個8吋的晶圓上也只能完成一兩百個大型晶片。晶圓的製造雖動輒投資數百億,但卻是所有電子工業的基礎。
矽晶柱的長成,首先需要將純度相當高的矽礦放入熔爐中,並加入預先設定好的金屬物質,使產生出來的矽晶柱擁有要求的電性特質,接著需要將所有物質融化後再長成單晶的矽晶柱,以下將對所有晶柱長成製程做介紹:

長晶主要程式:
1、融化(MeltDown)
此過程是將置放於石英坩鍋內的塊狀複晶矽加熱制高於攝氏1420度的融化溫度之上,此階段中最重要的參數為坩鍋的位置與熱量的供應,若使用較大的功率來融化複晶矽,石英坩鍋的壽命會降低,反之功率太低則融化的過程費時太久,影響整體的產能。

2、頸部成長(Neck Growth)
當矽融漿的溫度穩定之後,將方向的晶種漸漸注入液中,接著將晶種往上拉升,並使直徑縮小到一定(約6mm),維持此直徑並拉長10-20cm,以消除晶種內的排差(dislocation),此種零排差(dislocation-free)的控制主要為將排差侷限在頸部的成長。

3、晶冠成長(Crown Growth)
長完頸部後,慢慢地降低拉速與溫度,使頸部的直徑逐漸增加到所需的大小。

4、晶體成長(Body Growth)
利用拉速與溫度變化的調整來遲維持固定的晶棒直徑,所以坩鍋必須不斷的上升來維持固定的液面高度,於是由坩鍋傳到晶棒及液面的輻射熱會逐漸增加,此輻射熱源將致使固業介面的溫度梯度逐漸變小,所以在晶棒成長階段的拉速必須逐漸地降低,以避免晶棒扭曲的現象產生。
 
5、尾部成長(Tail Growth)
當晶體成長到固定(需要)的長度後,晶棒的直徑必須逐漸地縮小,直到與液面分開,此乃避免因熱應力造成排差與滑移面現象。

切割:
晶棒長成以後就可以把它切割成一片一片的,也就是晶圓。晶片, 圓片,是半導體元件"晶粒"或"晶片"的基材,從拉伸長出的高純度矽元素晶柱 (Crystal Ingot)上,所切下之圓形薄片稱為晶圓(外延片)。

磊晶:
砷化鎵磊晶依製程的不同,可分為LPE(液相磊晶)、MOCVD(有機金屬氣相磊晶)及MBE(分子束磊晶)。LPE的技術較低,主要用於一般的發光二極體,而MBE的技術層次較高,容易成長極薄的磊晶,且純度高,平整性好,但量產能力低,磊晶成長速度慢。MOCVD除了純度高,平整性好外,量產能力及磊晶成長速度亦較MBE為快,所以現在大都以MOCVD來生產。


其過程首先是將GaAs襯底放入昂貴的有機化學汽相沉積爐(簡MOCVD,又稱外延爐),再通入III、II族金屬元素的烷基化合物(甲基或乙基化物)蒸氣與非金屬(V或VI族元素)的氫化物(或烷基物)氣體,在高溫下,發生熱解反應,生成III-V或II-VI族化合物沉積在襯底上,生長出一層厚度僅幾微米(1毫米=1000微米)的化合物半導體外延層。長有外延層的GaAs片也就是常稱的外延片。外延片經晶片加工後,通電就能發出顏色很純的單色光,如紅色、黃色等。不同的材料、不同的生長條件以及不同的外延層結構都可以改變發光的顏色和亮度。其實,在幾微米厚的外延層中,真正發光的也僅是其中的幾百納米(1微米=1000納米)厚的量子阱結構。
反應式: Ga(CH3)3 +PH3= GaP+3CH4

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