LED藍(lán)寶石基板缺陷檢測

高亮度LED制造如今是否應(yīng)該更加重視工藝控制?如果答案是肯定的，那么我們該從傳統(tǒng)的硅基集成電路制造中學(xué)到什么經(jīng)驗(yàn)?

第一個(gè)問題的答案很明確：只需權(quán)衡工藝控制的益處和需要付出的設(shè)備與人力成本即可。工藝控制的益處包括改善成品率與可靠性、縮短生產(chǎn)周期、以及加快新產(chǎn)品的上市速度。如果將工藝控制的成本考慮在內(nèi)，這些益處就會(huì)一并轉(zhuǎn)化為更好的盈利能力，可見，加強(qiáng)對工藝控制的重視很有意義。

讓我們從 LED 基板和外延層的缺陷率開始討論。最先進(jìn)的 LED 器件采用藍(lán)寶石 (Al2O3) 基板;在拋光的藍(lán)寶石基板的上表面，氮化鎵 (GaN) 的外延層是以金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 生長的。

外延是在一種晶體材料頂上生長另一種晶體材料薄膜的技術(shù)，這樣晶格就會(huì)彼此相配，至少會(huì)非常相似。如果外延薄膜的晶格常數(shù)與底層材料不同，這種不相配就會(huì)在薄膜中產(chǎn)生應(yīng)力。氮化鎵與藍(lán)寶石之間存在著大量的晶格不相配 (13.8%)，因此，氮化鎵“外延層”是一種高應(yīng)力薄膜。外延薄膜的應(yīng)力能夠增加電子/空穴的遷移率，從而提高器件性能;但另一方面，處在應(yīng)力下的薄膜往往會(huì)存在大量缺陷。

外延層沉積之后的常見缺陷包括隱凹、隱裂、六角形凸起、月牙、圓圈、蓮蓬頭微滴和局部表面粗糙。凹坑經(jīng)常出現(xiàn)在 MOCVD 工藝期間，且與因晶片由中心向邊緣翹曲而導(dǎo)致的溫度梯度相關(guān)。大的凹坑會(huì)導(dǎo)致 P-N 結(jié)短路，造成器件故障。亞微米凹坑甚至更加隱匿，它允許器件最初能夠通過電性測試，但在器件老化之后卻會(huì)導(dǎo)致可靠性問題。可靠性問題往往出現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，與通常在工廠內(nèi)測試時(shí)檢測到的成品率問題相比，會(huì)造成更大損失。另一種缺陷是來自因薄膜應(yīng)力而引起的隱裂，這也將會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用時(shí)的嚴(yán)重?fù)p失。

高端 LED 制造商通常會(huì)檢測外延后的晶片，記錄所有大小超過約 0.5mm 的缺陷。一個(gè)個(gè)虛擬的器件單元被疊加在晶片上，任何含有嚴(yán)重缺陷的虛擬單元都將被篩除。這些單元中如果有凹坑則會(huì)失效，如果有裂紋，則面臨較高風(fēng)險(xiǎn)的可靠性問題。在許多情況下，幾乎所有邊緣單元都會(huì)報(bào)廢。特別是用于汽車或固態(tài)照明設(shè)備的高端 LED，絕對不容許出現(xiàn)缺陷，也就是說此類設(shè)備的可靠性必須非常高。

然而，外延后檢測所發(fā)現(xiàn)的缺陷并非全部緣于 MOCVD 工藝。有時(shí)候，問題要?dú)w咎于藍(lán)寶石基板。如果 LED 制造商希望改善成品率或可靠性，那么了解問題的來源則非常重要。

藍(lán)寶石基板本身可能含有多種缺陷類型，包括在切割和拋光時(shí)顯露出來的藍(lán)寶石晶體凹坑;表面拋光時(shí)造成的擦傷;拋光膏或清潔工藝留下的殘?jiān)?以及通過清洗可以清除或不能清除的顆粒。當(dāng)基板上存在這些缺陷時(shí)，它們在氮化鎵外延生長期間可能會(huì)被擴(kuò)大，導(dǎo)致外延層出現(xiàn)缺陷，并最終影響器件的成品率或可靠性。

圖案化藍(lán)寶石基板 (PSS) 是專為在高亮度 LED 設(shè)備中提高發(fā)光效率而設(shè)計(jì)的基板，因其在外延之前采用了標(biāo)準(zhǔn)的光刻與蝕刻工藝，從而在基板表面形成了規(guī)則的鼓包陣列。盡管使用 PSS 方法可以減少位錯(cuò)缺陷，但是缺失的鼓包或鼓包之間的橋接在氮化鎵層沉積之后會(huì)變成六角形和月牙形缺陷，這些缺陷一般是成品率的致命威脅。

為了改善成品率與可靠性，LED 制造商需要按照類型和大小準(zhǔn)確說明基板的最大缺陷率—前提是可以按照那些規(guī)格制造基板，并且不會(huì)令其售價(jià)過高而抵銷改善成品率的益處。LED 制造商還可從日常的來料品質(zhì)管控 (IQC) 缺陷檢測中收益，從而確?；迥軌蚍掀湟?guī)格—包括缺陷的類型和大小。

當(dāng)基板大小改變時(shí)，例如當(dāng)前從 4 英吋 LED 基板轉(zhuǎn)變?yōu)?6 英吋 LED 基板時(shí)，則應(yīng)該徹底檢測基板缺陷率。從歷史來看，即使是在硅行業(yè)，當(dāng)基板制造商面對更大、更重的晶體帶來的機(jī)械、熱力及其他工藝挑戰(zhàn)時(shí)，因更大的基板尺寸而引起的晶體缺陷增加也是其最初的困擾。

在 LED 基板與外延層制造期間，進(jìn)行有效缺陷控制的進(jìn)一步的考慮就是缺陷的分類。了解缺陷是凹坑還是顆粒，比僅僅知道缺陷的數(shù)量要更加有助于解決問題。(基板上的擦傷、裂紋和殘?jiān)菀赘鶕?jù)其空間特征而被識(shí)別。)先進(jìn)的缺陷檢測系統(tǒng)，例如 KLA-Tencor 的 Candela 產(chǎn)品，是設(shè)計(jì)為包含多個(gè)入射角(垂直、傾斜)和多個(gè)檢測通道(鏡面、“形貌”、相位)，有助于自動(dòng)將缺陷分為各種類型。