半导体后固化烤箱需要通氮气吗

需要。

烘烤固化可以在烤箱内进行，在烘烤前先将烤箱内通入氮气或者氦气等保护气体。

半导体用氮气烤箱循环风道性能和加热的结构设置有别于普通烘箱，设备装有氮气装置，有进口氮气流量计，能更准确的控制氮气的流量进入到箱体内。

MOCVD设备与应用

概况

德国AIXTRON公司(德国艾思强公司)和美国VEECO公司(美国维易科精密仪器有限公司)两家公司几乎生产了全球90%以上的主流MOCVD设备。

1、生产效率和成本概况

国际上MOCVD技术已经相当成熟，主流设备从2003 年6-8 片机、2004 年12 片机、2005 年15片机、2006 年的21-24 片机，目前已经达到42、45、49 片机(一次可装载49片2英寸的衬底生长外延)。

外延炉容量的不断扩大让LED 外延片生产商的单位生产成本快速大幅下降。目前，量产企业对单批产能的最低要求是在30片以上。

国产设备目前为6片机，生产效率和生产成本差距甚远。

2、价格及产值概况

生产型MOCVD设备的售价高达1000～2000万元【根据机型，6片机70万美元左右，9片机100万美元左右】，加上相关配套设备设施，一条产线LED生产线需要投入4000 多万元。

若新采购设备为45 片机生产蓝光芯片，按3 炉/天计算，年产4 .9万片左右，收入4800 万元，投入产出基本为1:1。

3、生产过程工艺复杂，参数众多，优良率与均匀性是关键

外延片生长过程工艺复杂，参数众多，培养专业 *** 作人员需时间较长。

一个最简单的GaN蓝光LED单量子阱结构，其生长工艺包括：高温烘烤、缓冲层、重结晶、n-GaN、阱层、叠层及p-GaN等，工艺步骤达几十步，每一步需调整的工艺参数共有20多个，各参数之间存在比较微妙的关系，工艺编辑人员需根据工艺要求，对各个参数进行逐一调整，必要时还要进行计算，如升温速度、升压速度、生长速率控制、载气与气源配比等。如何根据工艺需要自动对参数进行检查，减轻工艺人员的工作量，是值得研究的新兴课题。

每个外延芯片、生产批次与系统之间的关系，能确保良好的均匀性以及优良率，尤其在芯片厂商扩产时，还能维持相同的优良率与均匀性就显的特别关键。

4、4英寸MOCVD设备将成为主流

现阶段台湾外延厂商在技术上已经具备生产4英寸和6英寸的能力，但是出于成本的考虑，多数台湾厂家还是以2英寸的MOVCD设备为生产主线；大部分欧美与韩国厂商则早已使用4英寸MOVCD设备。

市场预期一旦4英寸外延片材料成本大幅崩落（目前4英寸外延片的成本价格约为2寸外延片的四倍），2英寸的MOCVD设备将逐渐被4英寸所取代。

AIXTRON与SemiLEDs在2009年5月就合作开发出6寸蓝光LED芯片，在6x6寸AIX 2800G4 HT MOCVD反应炉的结构上，产量增加约30%（相较于传统42x2-inch的架构），不但均匀性较好，也减少了边缘效应(edge effect)。不过就现阶段而言，大多数的困难仍然在于6寸的基板价格偏高与外延片切割技术的挑战。

一、MOCVD设备市场情况

1、设备供应商概况

目前国际上主要的MOCVD设备供应商有两家：

① 德国AIXTRON公司(德国艾思强公司)

根据Gartner Dataquest最近的一份分析报告，2008年AIXTRON公司MOCVD复合半导体设备的全球占有率达到72%。

目前，AIXTRON公司最先进的独特的行星转盘技术应用在大型G4 2800HT 42*2”以及Thomas Swan(1999年被AIXTRON收购) CCS Crius 30*2” MOCVD系统，使得AIXTRON的MOCVD设备被公认为世界上技术和商业价值最完美的结合。

② 美国VEECO公司

美国维易科精密仪器有限公司占20%以上，其中主打机型45片机K465已经销售超过100台，至今K系列MOCVD产品全球销售超过200台。80%的世界顶尖LED企业已经采用K465型号的MOCVD，截止到目前，VEECO于中国地区大有斩获，累计MOCVD出货已达85台。

VEECO的MOCVD主要有以下优势：

首先，它是量产型机器，能有效提高量产的时间，减少清洗和维护的时间和次数。因为开仓清洗过程需要从高达1000摄氏度的温度冷却后清洗，然后再将温度升高至1000摄氏度，需要浪费不少的时间。

第二，自动化程度高，减少人为 *** 作。例如可自动化导入，机械手在生产完成后可自动更换蓝宝石等，属于量产型的设计。

第三，保护设备投资，防止落伍。避免将来由于新的设备出现，造成旧设备的落伍。通过计划与客户充分沟通，新的设备与旧的设备联系在一起，提升产品的良率。

今年以来由于MOCVD机台供不应求的状况，使得VEECO在这段期间取得了相对有利的市场地位，尤其在中国市场大有斩获。中国地区的成长相较去年成长将近80%。根据了解，由于VEECO开始透过委外代工来增加产能，目前产能规模直追产业龙头AIXTRON，因此明年MOCVD机台供给不足的瓶颈将可望获得解决。

③ 其他厂家

主要包括日本酸素(NIPPON Sanso)和日新电机(Nissin Electric)等，其市场基本限于日本国内。此外，日亚公司和丰田合成的设备主要是自己研发，其GaN-MOCVD 设备不在市场上销售，仅供自用。

从设备性能上来讲，日亚公司设备生产的材料质量和器件性能上，要优于AIXTRON和EMCORE(已经被VEECO收购)的设备。

按生产能力计算，2006 年GaN型MOCVD 设备在全球市场的主要分布为：中国台湾地区48%，美国15%，日本15%，韩国11%，中国大陆7%，欧盟4%。MOCVD的主要厂商虽然为欧美，但最大的两家AIXTRON 和VEECO 都是单纯设备制造商，不会对外延片生产厂构成威胁。

2、国产化艰难（48所简报2008年4月）

MOCVD设备是制作LED外延片的关键设备，而LED外延片的水平决定了整个LED产业的水平。我国于2003年正式实施“国家半导体照明工程”，并在“十五”、“十一五”重点攻关课题和“863”计划中，将MOCVD设备国产化列入重点支持方向。在国家政策的支持下，“十五”期间，我国在MOCVD设备国产化方面已取得了初步成效。中国电子科技集团公司第四十八研究所通过消化吸收和关键技术再创新等措施，研发成功了GaN生产型MOCVD设备（6*2〃），填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。同时，中科院半导体所、南昌大学、青岛杰生电器等单位也成功研发了研究型的MOCVD设备。然而，国产MOCVD设备还存在以下问题：

（1） 国产MOCVD设备仍处于技术跟踪阶段，设备产业化水平与生产需要不相适应

目前，国内研制的MOCVD设备最大产能为6片（48所的GaN-MOCVD）。然而，截至到2007年12月，在国外推出的最新型MOCVD设备中，AIXTRON已推出行星式反应器的42片机（AIX2800G4 HT）和CCS反应器的30片机（CRIUS）。由于产能的差距，小批量的MOCVD设备外延片生产成本较高，大大降低了设备的性价比，使得国产设备刚研发出来就已经落后了。量产企业对单批产能的最低要求是在30片以上。

（2） 设备造价高，应用风险大，多数厂商更愿意采购技术成熟的进口设备

MOCVD设备的造价昂贵，生产型MOCVD设备的售价高达1000～2000万元。厂商对此类设备的采购均十分谨慎，更愿意采购技术成熟、售后服务完善的进口设备，使得国产MOCVD设备的推广处于尴尬的境地。

（3） 自主创新有待加强，国产MOCVD设备面临专利壁垒

目前，国产MOCVD设备的研发还处于“消化、吸收”阶段，而国外主流商用机型已建立严密的专利保护，如AIXTRON的Planetary Reactor反应器、THOMAS SAWN的CCS（Close Coupled Showerhead Reactor）反应器、VEECO的Turbo Disk反应器和日本SANSO公司双/多束气流（TF）反应器均是自己独有的专利技术，国产MOCVD设备产业化面临专利壁垒的考验。

3、中国MOCVD设备数量与增长情况

【高亮度LED需求强 台湾LED厂商扩产凶猛】

2007统计数据显示：台湾地区MOCVD 机台数量为310台，大陆地区为55 台左右。到2008年底，两地区累计增加了126台。

2008 年底大陆地区增加到87 台，增长58%，由于一些厂商的设备08 年主要是安装调试，以及工艺上的摸索，产能的真正的释放在09 年。

根据不完全统计，2009年中国大陆MOCVD设备新增台数将超过100台左右，从数字上讲，台湾厂商在扩充产能方面领先大陆，晶电、璨圆、泰谷今年以来陆续增购MOCVD机台，预计到今年底，晶电的MOCVD机台总数将达180-190台，璨圆MOCVD机台总数将达33台，泰谷MOCVD机台数也将达27台。

晶电预计明年要再导入30台MOCVD机台，最快在第二季建置完成，届时晶电的MOCVD机台总数将达210-220台。璨圆内部原本也规划明年要扩充30台MOCVD机台，但碍于机台订单太满，第一阶段先确定扩充12台，届时璨圆生产机台数将达45台。泰谷也决定明年将扩增10台MOCVD机台，使MOCVD机台总数达到37台。

广镓目前共有38台MOCVD机台，日前董事也通过办理现金增资，预计将发行新股12万张，以每股金额暂定30元估算，将可筹募36亿元。预期这笔资金将用于扩充蓝/绿光LED之产能，推估广镓将再扩增38-39台MOCVD机台，使生产机台总数达到76-77台。

友达/隆达日前已通过将在中科后里兴建新厂，预计到今年底MOCVD机台总数将有15-20台，2011年以前要逐步完成150-200台MOCVD机台的生产规模建置。奇美电/奇力目前也已有37台MOCVD机台已在量产中，预计明年机台总数将扩增到47台.

外延(Epitaxy, 简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料，外延层可以是同质外延层(Si/Si)，也可以是异质外延层(SiGe/Si 或SiC/Si等)；同样实现外延生长也有很多方法，包括分子束外延(MBE)，超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)，常压及减压外延(ATM &RP Epi)等等。本文仅介绍广泛应用于半导体集成电路生产中衬底为硅材料的硅(Si)和锗硅(SiGe)外延工艺。根据生长方法可以将外延工艺分为两大类(表1)：全外延(Blanket Epi)和选择性外延(Selective Epi, 简称SEG)。工艺气体中常用三种含硅气体源：硅烷(SiH4)，二氯硅烷(SiH2Cl2, 简称DCS) 和三氯硅烷(SiHCl3, 简称TCS)；某些特殊外延工艺中还要用到含Ge和C的气体锗烷(GeH4)和甲基硅烷(SiH3CH3)；选择性外延工艺中还需要用到刻蚀性气体氯化氢(HCl)，反应中的载气一般选用氢气(H2)。 外延选择性的实现一般通过调节外延沉积和原位(in-situ)刻蚀的相对速率大小来实现，所用气体一般为含氯(Cl)的硅源气体DCS，利用反应中Cl原子在硅表面的吸附小于氧化物或者氮化物来实现外延生长的选择性；由于SiH4不含Cl原子而且活化能低，一般仅应用于低温全外延工艺；而另外一种常用硅源TCS蒸气压低，在常温下呈液态，需要通过H2鼓泡来导入反应腔，但价格相对便宜，常利用其快速的生长率（可达到5 um/min）来生长比较厚的硅外延层，这在硅外延片生产中得到了广泛的应用。IV族元素中Ge的晶格常数(5.646A与Si的晶格常数(5.431A差别最小，这使得SiGe与Si工艺易集成。在单晶Si中引入Ge形成的SiGe单晶层可以降低带隙宽度，增大晶体管的特征截止频率fT(cut-off frequency)，这使得它在无线及光通信高频器件方面应用十分广泛；另外在先进的CMOS集成电路工艺中还会利用Ge跟Si的晶格常数失配(4%)引入的晶格应力来提高电子或者空穴的迁移率(mobility)，从而增大器件的工作饱和电流以及响应速度，这正成为各国半导体集成电路工艺研究中的热点。由于本征硅的导电性能很差，其电阻率一般在200ohm-cm以上，通常在外延生长的同时还需要掺入杂质气体(dopant)来满足一定的器件电学性能。杂质气体可以分为N型和P型两类：常用N型杂质气体包括磷烷(PH3)和砷烷(AsH3)，而P型则主要是硼烷(B2H6)。硅及锗硅外延工艺在现代集成电路制造中应用十分广泛，概括起来主要包括：1．硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。2．异质结双极晶体管（Hetero-junction Bipolar Transistor,简称HBT)基区(base)异质结SiGe外延(图1)：其原理是在基区掺入Ge组分，通过减小能带宽度,从而使基区少子从发射区到基区跨越的势垒高度降低，从而提高发射效率γ, 因而，很大程度上提高了电流放大系数β。在满足一定的放大系数的前提下，基区可以重掺杂，并且可以做得较薄，这样就减少了载流子的基区渡越时间，从而提高器件的截止频率fT (Cut-Off Frequency)，这正是异质结在超高速，超高频器件中的优势所在。 3．CMOS源(source)漏(drain)区选择性Si/SiGe外延：进入90nm工艺时代后，随着集成电路器件尺寸的大幅度减小，源漏极的结深越来越浅，需要采用选择性外延技术 (SEG)以增厚源漏极(elevated source/drain)来作为后续硅化(silicide)反应的牺牲层(sacrificial layer) (图2)，从而降低串联电阻，有报道称这项技术导致了饱和电流(Idsat)有15％的增加。 而对于正在研发中的65/45nm技术工艺，有人采用对PMOS源漏极刻蚀后外延SiGe层来引入对沟道的压应力(compressive stress) (图3)，以提高空穴(hole)的迁移率(mobility)，据报道称实现了饱和电流(Idsat)35％的增加。 应变硅(strain silicon)外延：在松弛(relaxed)的SiGe层上面外延一层单晶Si，由于Si跟SiGe晶格常数失配而导致Si单晶层受到下面SiGe层的拉伸应力(tensile stress)而使得电子的迁移率(mobility)得到提升(图4)，这就使得NMOS在保持器件尺寸不变的情况下饱和电流(Idsat)得到增大，而Idsat的增大意味着器件响应速度的提高，这项技术正成为各国研究热点。一般而言，一项完整的外延工艺包括3个环节：首先，根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理，包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质，对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化，如今先进的外延设备一般为单片反应腔，能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上，利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内，反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步，其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质，为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。 最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估，简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity)，片与片间的重复性(repeatability)，杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)；在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ)，对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地，对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布，对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题，一般而言，常常出现的有四种缺陷，包括薄雾(haze)，滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike)，这些缺陷的存在对器件性能有很大影响，可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min)，片内工艺温度分布是否均匀，承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化，以满足特定器件的工艺要求。硅衬底外延：硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅；或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁（latch up）效应。

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