20xxcb013100-g高性能led制造與裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研(編輯修改稿)
2025-02-10 06:55 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ED制造工藝與裝備理論體系，爭(zhēng)取在以下方面取得突破性進(jìn)展：（1）融合GaN反應(yīng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、缺陷動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)基本規(guī)律，建立反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)與能場(chǎng)的設(shè)計(jì)與控制理論； （2）揭示大尺寸襯底晶圓中缺陷形成、演化、分布規(guī)律，提出襯底中缺陷的精確控制方法；揭示大尺寸超硬襯底晶圓平坦化中微缺陷形成機(jī)制，提出原子級(jí)光滑表面高效制造的精確控制方法；揭示大尺寸GaN襯底和外延生長(zhǎng)中缺陷控制機(jī)理及量子效率調(diào)控機(jī)制，提出制造大尺寸多片LED晶圓的HVPE、MOCVD反應(yīng)腔設(shè)計(jì)理論；提出多腔分步HVPE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 （3）揭示LED封裝中噴射點(diǎn)膠與引線鍵合的多場(chǎng)耦合作用規(guī)律、粉膠兩相光介質(zhì)微滴形成機(jī)制和高速?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng)切換下輕柔鍵合機(jī)理，提出超快（≤ ms）響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)精確控制方法。 （4）揭示LED散熱系統(tǒng)中微熱管表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)工質(zhì)毛細(xì)牽引力的影響規(guī)律和微流控?zé)彷斶\(yùn)機(jī)理，提出跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板集成的設(shè)計(jì)與制造方法；建立LED封裝和應(yīng)用的精簡(jiǎn)熱模型（CTM），獲得系統(tǒng)熱阻值的解析解。 （5）建立復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法及試驗(yàn)系統(tǒng)；揭示主要復(fù)合參數(shù)與LED器件失效的機(jī)理和耦合關(guān)系，以及與關(guān)鍵制造過程的關(guān)聯(lián)機(jī)制；提出復(fù)合因素LED器件可靠性評(píng)估方法。 第二方面：技術(shù)成果 通過本項(xiàng)目研究，在下列若干關(guān)鍵技術(shù)上取得有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新成果，建立我國(guó)高性能LED制造工藝與裝備關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)。 （1）研制出多片（11片）、適用于量產(chǎn)的高平均生長(zhǎng)速率HVPE原理裝置，實(shí)現(xiàn)GaN同質(zhì)襯底位錯(cuò)密度5106 /cm2； （2）研制出大尺寸（≥6吋）MOCVD原理裝置； （3）研發(fā)出超硬材料高效去除（去除速率大于6μm/h）、原子級(jí)光滑表面平坦化技術(shù)及原理裝置； （4） 研制出高速噴射點(diǎn)膠原理裝置，實(shí)現(xiàn)硅膠與硅膠類粉膠兩相光介質(zhì)最小微滴體積50納升、噴射速度≥8點(diǎn)/秒； （5）研制出高速輕柔鍵合原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)高加速度（15g）、微接觸力（10克）的柔性鍵合； （6）研制出多因素（電流、溫度、濕度、振動(dòng)、高低溫沖擊等）加載的復(fù)合過應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)系統(tǒng)原型機(jī)；（7）形成微熱管和微流控?zé)崃枯斶\(yùn)系統(tǒng)跨尺度集成制造工藝，實(shí)現(xiàn)封裝熱阻小于6 ℃/W，穩(wěn)定后的結(jié)溫溫升小于20℃； 通過完成以上指標(biāo)，為我國(guó)高性能LED核心制造裝備與技術(shù)，提供可以工業(yè)應(yīng)用的原型。為光效≥220 lm/W，可靠性達(dá)到6000小時(shí)光衰≤%的大功率白光LED器件制造提供支撐。本項(xiàng)目研究過程中，在學(xué)術(shù)權(quán)威刊物上發(fā)表高質(zhì)量論文150篇以上，專著1部以上，申請(qǐng)專利或軟件著作權(quán)登記100件以上。培養(yǎng)一批在LED制造領(lǐng)域?qū)W術(shù)思想活躍、創(chuàng)新能力突出、高水平研究人才隊(duì)伍，包括博士后、博士和碩士100名以上。 三、研究方案1 學(xué)術(shù)思路 本項(xiàng)目的整體學(xué)術(shù)思路分為四個(gè)層次：1） 將高光效、高可靠的LED制造的核心問題歸結(jié)為低缺陷制造，必須從基礎(chǔ)問題入手解決低缺陷制造難題，所面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)是： LED 晶圓制造中缺陷形成機(jī)理以及與內(nèi)外量子效率和光衰的關(guān)系規(guī)律，LED 失效機(jī)理、缺陷演化規(guī)律及其與制造因素的關(guān)聯(lián)性。針對(duì)LED制造和裝備瓶頸，將面臨5個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：①超低缺陷密度晶圓制造；②超硬、難加工材料的原子級(jí)光滑表面實(shí)現(xiàn)；③納升級(jí)高粘性流體高速運(yùn)動(dòng)精確控制；④跨尺度微熱管制造及低熱阻封裝；⑤多因素復(fù)合過應(yīng)力作用下的LED加速壽命試驗(yàn)方法。2）在此基礎(chǔ)上集中解決3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題：①大尺寸LED晶圓制造中影響光效、光衰的主要缺陷形成機(jī)理及抑制；②超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制；③LED器件熱流控制機(jī)制與可靠性制約因素耦合規(guī)律。3）基于多學(xué)科交叉，運(yùn)用先進(jìn)理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)探索LED制造與裝備新原理，豐富和完善LED裝備制造的理論體系。4）研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)和原理裝置，突破面向220 lm/W的高性能高可靠LED制造瓶頸。 整個(gè)學(xué)術(shù)思路體現(xiàn)為科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)緊密結(jié)合，以提高品質(zhì)、規(guī)避缺陷為目標(biāo)，研究影響光效、光衰的主要缺陷形成、演化機(jī)理以及與器件性能、可靠性和制造設(shè)備的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)缺陷抑制，突出低成本可制造性。2 技術(shù)路線 （1）目前MOCVD設(shè)備只從反應(yīng)氣體流動(dòng)和傳熱角度，僅考慮GaN生長(zhǎng)的熱力學(xué)要求，沒有綜合考慮GaN生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和缺陷動(dòng)力學(xué)的條件，難以維持穩(wěn)定均勻的生長(zhǎng)，導(dǎo)致缺陷。缺陷主要是生長(zhǎng)速率不均所致。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在上千度高溫腔內(nèi)，各點(diǎn)溫度相差5℃，缺陷密度可相差10100倍。而溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、壓力場(chǎng)等與生長(zhǎng)速率耦合相關(guān)，這些場(chǎng)都是非線性時(shí)空系統(tǒng)。因此，要建立GaN生長(zhǎng)速率與能量場(chǎng)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)以及能量場(chǎng)與控制參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，建立考慮反應(yīng)生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)及缺陷動(dòng)力學(xué)的能量場(chǎng)控制模型，優(yōu)化反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)參數(shù)，精確調(diào)控運(yùn)行變量，實(shí)現(xiàn)均勻生長(zhǎng)，降低缺陷。通過時(shí)空分離方法，進(jìn)行多目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多變量控制，產(chǎn)生穩(wěn)定生長(zhǎng)所需要的均勻場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)缺陷密度小于5106 /cm2 的目標(biāo)。反應(yīng)腔（MOCVD、HVPE）的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制示意如下：（2）構(gòu)建多腔分步HVPE系統(tǒng)。為提高綜合效率，采用多腔分步HVPE系統(tǒng)的技術(shù)路線，即將原本在同一腔中實(shí)現(xiàn)20800μm/h沉積速率的不同步驟分解到多個(gè)不同沉積速率反應(yīng)腔中，并以高溫工藝腔相聯(lián)接，解決晶體生長(zhǎng)過程中不同沉積速率與反應(yīng)腔噴頭、流量控制精度等匹配問題，以高效率批量獲得高質(zhì)量GaN襯底。其中高溫工藝腔還可用于未來(lái)HVPE與MOCVD的工藝聯(lián)接。多腔分步HVPE系統(tǒng)如下圖所示：成核反應(yīng)預(yù)生長(zhǎng)反應(yīng)生長(zhǎng)反應(yīng)高溫連接保護(hù)氣體 600800℃100μm/h 9001100℃＜2μm/h 6001100℃500μm/h 8001100℃反應(yīng)腔1反應(yīng)腔2反應(yīng)腔3高溫腔（3）以接觸催化與極小納
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