硅外延片生长及加工工艺
【摘要】本次毕业综合实践论文所研究的硅外延片是在硅单晶衬底上沿其原来的晶向再生长一层硅单晶薄膜的半导体硅材料，加工成芯片后用于二极管发光。在批量生产中主要在由加热系统、冷却系统、气体运输系统和尾气处理系统、控制系统所组成的反应腔中制成。 本文研究的主要内容具体包括：硅外延片的材料研究、硅外延片生长原理分析、加工工艺流程及产品出现问题的分析和解决方案等。
目录
引言 1
一、概述 2
二、硅外延片材料、生长准备及设备 2
（一）衬底材料要求 2
（二）衬底材料选择 2
（三）硅衬底生长前准备 4
（四）外延设备 5
三、硅外延片的分类和生长 7
（一）硅外延片的分类 7
（二）硅外延片生长 7
（三）影响生长因素及分析 7
四、生长后加工工艺 8
（一）加工过程 8
（二）外延层厚度的测量 8
（三) 芯片检测 8
（四）封装 8
五、问题分析与解决方案 9
（一）云雾 9
（二）层错 9
（三）开裂 10
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
在照明领域里，LED的芯片运用十分广泛，最主要应用在汽车的指示灯、电视液晶显示屏、交通信号灯、照明灯等相关领域。运用之所以广泛，是因为LED的芯片具备了很多优点：使用寿命长，耗电少，反应速度快，可以使用冷光源等。但是也存在诸多的缺点，如：成本高，价格贵，光源亮度有偏差等，这限制了LED的芯片的应用发展。随着科技的发展，人们这几年对芯片的探讨不断深入，对LED的芯片有了更多的掌握和认识，在如何提高外延片生长质量以及生长效率这方面有了更多的有效的方法，最重要的是能有效的节约成本，能更多的投入使用，这有力促进了LED芯片发展。
本文主要分析的是硅外延片生长和加工工艺,首先了解硅外延片，硅外延片是在衬底硅上采用MOCVD方式生长出外延层（发光层）的圆片。再要了解它和芯片的关系，芯片就是将硅外延片进行多道工序的加工，具体的加工工艺包含刻蚀、电极的生长、清
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洗、切割、检测、封装，最终形成一个个小的晶粒，然后通上电极就是芯片了。LED最关键的原材料就是芯片，芯片质量的好与差，直接影响着LED的价值 ，它们之间具体关系是衬底硅硅外延片芯片LED。明确了这四者之间关系就更容易了解硅外延片了。
硅外延片的生长非常复杂，在生长过程中要在相应计算机中时刻监控着温度，反应器内压力等，因为做出来的产品质量直接影响器件性能。之后对硅外延片的一系列加工中，每一步都非常重要，做好每一步都能有效的降低成本，在很短的时间里实现高质量产品的生产出货。本文围绕硅外延片生长和加工展开结合实习岗位的研究，提出并分析解决问题，提高综合能力。
概述
本人在外延生长车间具体任务是操作外延设备来完成硅外延片的生长。硅外延片是在硅衬底上采用MOCVD方式生长出外延层（发光层）的圆片。本文具体研究了如何选择衬底材料、外延设备、以及对硅外延片的生长分析并掌握生长后相关的加工工艺。
硅外延片材料、生长准备及设备
（一）衬底材料要求
本人所在的实习公司要完成的是在衬底材料上生长一层硅薄膜，因此要考虑的问题首先是选用哪种衬底材料。
衬底材料的选择必须具备以下特点：
1.结构性能好，外延的材料和衬底的晶体结构十分匹配，它们之间能有效的进行互补，发生化学反应，产生较少的有害气体。
2.介质面特性好，有利于衬底材料能和生长所需要的气体进行有效的融合。
3.化学性能十分稳定，衬底材料在反应炉当中可以稳定地进行化学分解反应。
4.导热性能好，衬底材料在生长环境里能够有效地吸收热量。
5.导电性能不差，在衬底材料上生长出来的一层外延膜，可以通过导电有效的将它和衬底材料粘合，难以分离。
6.加工性能好，在硅衬底生长出硅外延片后，硅外延片能更方便有效的切割成芯片等。
7.成本不高，较为实惠。
8.最后衬底材料生长出成为外延片之后，在保证外延片质量的前提下，不能影响对外延片的加工处理以及最后的包装。
（二）衬底材料选择
符合这些特点要求的衬底材料有硅、蓝宝石、碳化硅等，这就需要对这些衬底材料作比较，现如今市场上一般售卖的这三种材料都有。
选择哪种衬底材料，主要需要根据外延反应系统和所需要哪种外延片并结合成本与特点比较而决定的。现针对蓝宝石、碳化硅与常用的硅衬底进行各自的优势和劣势分析。
1.蓝宝石衬底
用于LED的芯片主要是通过外延技术实现大批量生产的，这种技术现在俗称MOCVD 技术，它是通过气体运输系统将各种惰性气体等物质沉积在一个基底上，这个基底就是衬底材料。基底材料选用蓝宝石来生长，其优点是技术相当成熟；机械强度高，在清洗和处理方面比较容易下手；耐热性能好，能够在高温环境下稳定的生长；导电性能好，器件十分稳定，透光率也好，最重要的是市场上的蓝宝石价格不特别贵，比较适中等。但是，蓝宝石缺点也不少，蓝宝石自身的结构和自己导热性能失配，会直接造成后面对外延片的加工比较困难；自身对反应炉温度的要求非常高，比较难以控制；蓝宝石散热也很成问题。
同时导热性能差也是最主要的不用它作为衬底材料原因之一，在外延炉中生长会产生大量的能量，而这能量的多少取决于衬底材料的导热性质，一般在一百度的环境下，蓝宝石只会吸收四分之一的能量，所以使用这种材料会在生长中不断损失大量的能量和生长所需要的电力，这样不仅仅降低了生产效率，浪费资源，也间接提高了制造成本。
另外，蓝宝石的硬度达到等级9，可想而知，这就对后面外延片的加工和切割这方面造成很大的困难，需要购置适应蓝宝石硬度的切割设备和机床来加工，这样就又增加了公司的成本。
2.碳化硅衬底：
碳化硅衬底用的电极是L型的，电流是从上往下流动是这种电极的特殊现象，因为碳化硅的导电性能和导热性能都不是很差，所以生长出来的外延片质量也非常的好，有利于制造大面积的大功率器件。但是碳化硅衬底相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，不利于广泛的投入大量，降低相应的成本是值得考虑的问题。
碳化硅衬底的导热性能非常不错，和蓝宝石衬底相比较而言，要比蓝宝石好的多的多。如图21所示，是碳化硅衬底和蓝宝石衬底结构示意图，蓝宝石衬底也称为三氧化二铝衬底。
图21 碳化硅衬底与蓝宝石衬底
3.硅衬底
本公司是用硅（Si）材料作为衬底，硅和金刚石的立方体各结构非常相似。硅的物理性质参数于表21。
表21 硅物理参数
目录
引言 1
一、概述 2
二、硅外延片材料、生长准备及设备 2
（一）衬底材料要求 2
（二）衬底材料选择 2
（三）硅衬底生长前准备 4
（四）外延设备 5
三、硅外延片的分类和生长 7
（一）硅外延片的分类 7
（二）硅外延片生长 7
（三）影响生长因素及分析 7
四、生长后加工工艺 8
（一）加工过程 8
（二）外延层厚度的测量 8
（三) 芯片检测 8
（四）封装 8
五、问题分析与解决方案 9
（一）云雾 9
（二）层错 9
（三）开裂 10
总结 10
参考文献 11
谢辞 12
引言
在照明领域里，LED的芯片运用十分广泛，最主要应用在汽车的指示灯、电视液晶显示屏、交通信号灯、照明灯等相关领域。运用之所以广泛，是因为LED的芯片具备了很多优点：使用寿命长，耗电少，反应速度快，可以使用冷光源等。但是也存在诸多的缺点，如：成本高，价格贵，光源亮度有偏差等，这限制了LED的芯片的应用发展。随着科技的发展，人们这几年对芯片的探讨不断深入，对LED的芯片有了更多的掌握和认识，在如何提高外延片生长质量以及生长效率这方面有了更多的有效的方法，最重要的是能有效的节约成本，能更多的投入使用，这有力促进了LED芯片发展。
本文主要分析的是硅外延片生长和加工工艺,首先了解硅外延片，硅外延片是在衬底硅上采用MOCVD方式生长出外延层（发光层）的圆片。再要了解它和芯片的关系，芯片就是将硅外延片进行多道工序的加工，具体的加工工艺包含刻蚀、电极的生长、清
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
洗、切割、检测、封装，最终形成一个个小的晶粒，然后通上电极就是芯片了。LED最关键的原材料就是芯片，芯片质量的好与差，直接影响着LED的价值 ，它们之间具体关系是衬底硅硅外延片芯片LED。明确了这四者之间关系就更容易了解硅外延片了。
硅外延片的生长非常复杂，在生长过程中要在相应计算机中时刻监控着温度，反应器内压力等，因为做出来的产品质量直接影响器件性能。之后对硅外延片的一系列加工中，每一步都非常重要，做好每一步都能有效的降低成本，在很短的时间里实现高质量产品的生产出货。本文围绕硅外延片生长和加工展开结合实习岗位的研究，提出并分析解决问题，提高综合能力。
概述
本人在外延生长车间具体任务是操作外延设备来完成硅外延片的生长。硅外延片是在硅衬底上采用MOCVD方式生长出外延层（发光层）的圆片。本文具体研究了如何选择衬底材料、外延设备、以及对硅外延片的生长分析并掌握生长后相关的加工工艺。
硅外延片材料、生长准备及设备
（一）衬底材料要求
本人所在的实习公司要完成的是在衬底材料上生长一层硅薄膜，因此要考虑的问题首先是选用哪种衬底材料。
衬底材料的选择必须具备以下特点：
1.结构性能好，外延的材料和衬底的晶体结构十分匹配，它们之间能有效的进行互补，发生化学反应，产生较少的有害气体。
2.介质面特性好，有利于衬底材料能和生长所需要的气体进行有效的融合。
3.化学性能十分稳定，衬底材料在反应炉当中可以稳定地进行化学分解反应。
4.导热性能好，衬底材料在生长环境里能够有效地吸收热量。
5.导电性能不差，在衬底材料上生长出来的一层外延膜，可以通过导电有效的将它和衬底材料粘合，难以分离。
6.加工性能好，在硅衬底生长出硅外延片后，硅外延片能更方便有效的切割成芯片等。
7.成本不高，较为实惠。
8.最后衬底材料生长出成为外延片之后，在保证外延片质量的前提下，不能影响对外延片的加工处理以及最后的包装。
（二）衬底材料选择
符合这些特点要求的衬底材料有硅、蓝宝石、碳化硅等，这就需要对这些衬底材料作比较，现如今市场上一般售卖的这三种材料都有。
选择哪种衬底材料，主要需要根据外延反应系统和所需要哪种外延片并结合成本与特点比较而决定的。现针对蓝宝石、碳化硅与常用的硅衬底进行各自的优势和劣势分析。
1.蓝宝石衬底
用于LED的芯片主要是通过外延技术实现大批量生产的，这种技术现在俗称MOCVD 技术，它是通过气体运输系统将各种惰性气体等物质沉积在一个基底上，这个基底就是衬底材料。基底材料选用蓝宝石来生长，其优点是技术相当成熟；机械强度高，在清洗和处理方面比较容易下手；耐热性能好，能够在高温环境下稳定的生长；导电性能好，器件十分稳定，透光率也好，最重要的是市场上的蓝宝石价格不特别贵，比较适中等。但是，蓝宝石缺点也不少，蓝宝石自身的结构和自己导热性能失配，会直接造成后面对外延片的加工比较困难；自身对反应炉温度的要求非常高，比较难以控制；蓝宝石散热也很成问题。
同时导热性能差也是最主要的不用它作为衬底材料原因之一，在外延炉中生长会产生大量的能量，而这能量的多少取决于衬底材料的导热性质，一般在一百度的环境下，蓝宝石只会吸收四分之一的能量，所以使用这种材料会在生长中不断损失大量的能量和生长所需要的电力，这样不仅仅降低了生产效率，浪费资源，也间接提高了制造成本。
另外，蓝宝石的硬度达到等级9，可想而知，这就对后面外延片的加工和切割这方面造成很大的困难，需要购置适应蓝宝石硬度的切割设备和机床来加工，这样就又增加了公司的成本。
2.碳化硅衬底：
碳化硅衬底用的电极是L型的，电流是从上往下流动是这种电极的特殊现象，因为碳化硅的导电性能和导热性能都不是很差，所以生长出来的外延片质量也非常的好，有利于制造大面积的大功率器件。但是碳化硅衬底相对于蓝宝石衬底而言，碳化硅制造成本较高，不利于广泛的投入大量，降低相应的成本是值得考虑的问题。
碳化硅衬底的导热性能非常不错，和蓝宝石衬底相比较而言，要比蓝宝石好的多的多。如图21所示，是碳化硅衬底和蓝宝石衬底结构示意图，蓝宝石衬底也称为三氧化二铝衬底。
图21 碳化硅衬底与蓝宝石衬底
3.硅衬底
本公司是用硅（Si）材料作为衬底，硅和金刚石的立方体各结构非常相似。硅的物理性质参数于表21。
表21 硅物理参数
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