Micro LED 高溫磊晶加熱模組技術

作者:

林義鈞、陳冠州、王慶鈞

刊登日期:2021/05/28

摘要:因為磊晶設備加熱器(鎢絲或錸片)皆會有發熱體轉折處間隙過大,造成溫度不均勻現象,或是發熱體壽命較短等問題,微間距加熱模組是採用陶瓷材料當作發熱體,具備高耐蝕性、熱傳導係數大及熱膨脹係數小等特性,高溫下沒有outgassing問題,線圈間距尺寸最小約1.5 mm而達到幾乎整面發熱的效果,大幅提升溫度均勻性。本所完成設計開發Micro LED使用的微間距加熱模組,已安裝上MOCVD機台,後續將實際上機驗證其加熱功能與磊晶製程。
Abstract:The excessive large gaps at the turning points of the heating element, such as tungsten wire or rhenium heaters in epitaxial equipment, have resulted in temperature ununiformity or short life of the heating element. Millimeter gap heating modules use ceramic materials as the heating element, which have the characteristics of high corrosion resistance, large thermal conductivity, and small thermal expansion coefficient. There is no outgassing problem at high temperature, and the minimum gap size is about 1.5 mm, which achieves the effect of heating almost over the entire surface, greatly improving the temperature uniformity. ITRI Mechanical and Mechatronics Systems Research Laboratories has developed and designed millimeter gap heating modules for Micro LED manufacturing. The heating module has been installed on the MOCVD, and its heating performance and epitaxial process will be verified in near future.

關鍵詞:加熱器、微發光二極體顯示器、模擬
Keywords:Heater, Micro LED, Simulation

前言
微發光二極體顯示器Micro LED是新一代顯示技術,比現有的有機發光二極體OLED技術亮度更高、發光效率更好、但功耗更低,Micro LED最大的優勢都來自於它最大的特點,微米等級的間距,每一點畫素(pixel)都能定址控制及單點驅動發光,Micro LED的短中期應用市場究竟在需要高亮度的AR投影裝置、超大型顯示面板如顯示屏(Digital LED Display),以及電視等應用比較有機會在近三年內導入Micro LED技術,並且逐步放量,其中AR等Micro LED投影應用更是如火如荼的開發當中,由於Micro LED具有高亮度、省電及可做出光機微型化之模組,待Micro LED技術成熟後,將有機會成為顯示技術新主流。
LEDinside預估AR產品的整體出貨量在2025年將來到4百萬台,而其中採用Micro LED投影技術的產品占比將達到18%。採用Micro LED技術的擴增實境AR產品好處在於AR產品對於尺寸、重量的要求相當高,必須力求使用舒適,因此投影技術都是使用微顯示器(Micro Display),將顯示圖像或影像的全部像素集成到單片積體電路模組上,其中投影技術液晶覆矽LCOS需要額外增加光源機構產生影像。至於Micro OLED雖然可以直接在積體電路畫素上自發光,減少光源機構體積、降低整體重量,但亮度較低,且易受外在環境光的影響,降低顯示對比效果。因此,雖然同樣是自發光源,但是亮度及對比度優於Micro OLED的Micro LED技術終將勝出。
目前Micro LED產業最大的挑戰在於,AR顯示用Micro LED波長變異需小,才能降低補償需求,進而提高晶圓利用率,發揮出廣色域優異顯示特性,Micro LED高均勻度磊晶技術,遇到關鍵議題在於磊晶溫度分佈呈現非線性,其原因包括加熱器設計、載台邊緣散熱快、公自轉、化學反應,難以控制其晶圓溫度均勻性,才達不到Micro LED磊晶規格,因為Micro LED 產業之成功關鍵因素,取決於波長均勻性 (Wavelength Uniformity) 、低缺陷密度的要求 (Low Defect Density)以及降低成本,由於Micro LED晶片非常小,所以磊晶片的波長均勻性和缺陷密度對於後續生產過程都至關重要。因此,磊晶片被認為是Micro LED顯示器技術發展的重要環節,本團隊也發表探討許多關於MOCVD系統如何顯著改善磊晶波長均勻性文獻[1-5]和專利[6-10],其中得知高溫磊晶加熱模組是Micro LED技術中的關鍵。
關鍵高溫磊晶加熱模組
市面上製作Micro LED是利用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)的磊晶設備,目前國際上領導MOCVD主要的廠商有德國Aixtron與美國Veeco兩家,表1是Aixtron與Veeco最新機型MOCVD的差異,德國Aixtron最新機台型號是AIX G5+C,腔體是水平式設計且載台可以公轉及自轉,進氣系統是Nozzle,加熱系統採用電磁感應,其特點在於(1)解決晶圓翹曲問題乃增加翹曲感測器等方式,可控制晶圓翹曲量< 50 μm。(2)解決溫度問題則增加控制每片晶圓高度的感測器方式,因為sapphire是透明的,要溫度量測要選用405 nm UV高溫計。(3)確保腔體的潔淨度乃使用Cl2進行清潔,讓每道製程沒有汙染問題。(4)可調控的nozzle進氣系統,不同製程下紅光製程(GaAs)使用三層進氣;藍光和綠光製程(GaN)使用五層進氣,為目前市場MOCVD主流的機台。在美國Veeco部分,最新機台型號是Propel,腔體是垂直式設計且載台可以公轉,進氣系統是Flow flange,加熱系統採用熱輻射,其特點在於(1)為了增加產能,可以多腔體(Cluster)組成,最多達到6個腔體。(2)在8吋 Si 基板成長GaN,已發表獲得無裂紋、無回熔(meltback-free)的晶圓,其晶圓翹曲量低於30 um,優異的厚度均勻性與小於1nm的波長均勻性,整體而言,單片式的再現性及均勻性較好,每片晶圓上能利用的晶粒較多。

磊晶設備軟硬體關鍵技術,MOCVD磊晶設備結構非常複雜,在硬體關鍵零組件部分包含:進氣混合擴散、加熱及精密溫控及腔體感測及量測等系統,在磊晶製程調控上也是相當困難,因磊晶製程必須控制成核的晶種具有同一方向性排列及繼續成長均勻的發光薄膜,此為一種牽涉到綜合材料、流體動力學、熱傳導、化學反應動力學等多重物理耦合現象,以下將針對關鍵高溫磊晶加熱模組進行說明介紹。
加熱及精密溫控系統主要任務是提供足夠溫度給基板進行化學反應,在每個創新磊晶設備中都需要與之相匹配的加熱及精密溫控系統,在磊晶過程中最高溫度必須達到1050度且控制在正負1度誤差內,因此從加熱系統對基板進行加熱開始,除提供反應發生所需要的溫度,還並須滿足加熱高均勻性、升溫速度快等要求,且在整個磊晶過程中溫度條件是反應速率重要影響因素,其溫度波動小與加熱穩定度非常重要。

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