半导体产业朝着6吋LED晶圆自动化生产方向挺进
时间：2013-11-04 10:07:34
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[导读]PAULA DOE指出，受市场需求影响，半导体产业对于基于6吋晶圆的LED自动化生产的标准渐渐达成一致。随着市场对于高亮LED的需求大增，无晶圆厂在过去的五年里增加了100个，目前全球总数为169个，整个产业外延片的生产规
PAULA DOE指出，受市场需求影响，半导体产业对于基于6吋晶圆的LED自动化生产的标准渐渐达成一致。
随着市场对于高亮LED的需求大增，无晶圆厂在过去的五年里增加了100个，目前全球总数为169个，整个产业外延片的生产规模膨胀5倍，达到每月200万片（图1）。然而，LED产业仍有较大的发展空间，通过采用更大直径晶圆的生产工艺和更严格的生产流程控制（在自动化生产过程中），能扩大产能并且削减成本，推动SSL市场发展壮大。产业的主要参与者在加速这个转变的过程中取得了实质性的进展，他们通过合作在一些LED标准方面达成了共识，这些标准包括普通晶圆参数、接口、生产设备和用于从分析工具那里传送数据的通讯软件。
引人注目的经济
Yole Développement高级LED分析师Eric Virey在讨论高亮LED制造解决方案中指出，就低档前端制造成本来讲，在良率相同的条件下，6吋晶圆比4吋晶圆每单位面积要节省25%的成本（图2）。这是假设大尺吋晶圆成本下降到了150美元，是成本为50美元的4吋晶圆的3倍。虽然更大的晶圆尺吋每单位面积的成本仍然很贵，但是每个流程可以通过更多的晶圆，这使得生产过程更加有效率，而且，良率也更好，产品成本相对更低一些。
“我们发现新一代（6吋）生产设备比3吋的设备能够得到更好的良率，”飞利浦照明生产工程副总裁、SEMI高亮LED标准委员会副主席Iain Black说道。
Virey指出，产业朝着更大晶圆产能的转换过程比预期要花费更长的时间，因为LED制造商现在的2吋和4吋产品线产能过剩，而快速下降的4吋晶圆价格使得它变得更加具有竞争力了。但是，6吋晶圆的价格下降得也很快，而且在今年年底可以下降到200美元以下。Yole预期超过25%的蓝宝石晶圆表面处理将会在两到三年内放在6吋晶圆上，此后这一数值将是50%。
Canaccord Genuity照明与太阳能股票研究总裁Jed Dorscheimer指出，提升芯片制造工艺良率是最简单的降低SSL成本推动市场需求的方式。他表示，与半导体产业95%的良率相比，本行业领先的制造商良率大致在65%-70%之间，而产业新进者只有10%。每个步骤的不良会慢慢累积最后变成产品更大的不良。高良率能够在2014年左右催生出7-8美元的60W LED灯泡，从而推进照明产业超越现实产业成为LED市场的主要驱动力。
这些获利当中一个关键推动因素是材料和设备互操作性的标准。“标准是使供应链更加成熟的必要条件，”Black说道。“我们投入了相当大的努力在我们的产品里以提升产业链的产能。别人可以从中获得好处，但是这仍然是一个年轻的产业，而且，供应商也需要使生产过程更加成熟。如果每一项要求都唯一的话，我们达到目标的速度会很慢。就自动化而言，我们可以围绕建立半导体产业标准做更多的创新，但是，我们要得到与传统cassette和弓形晶圆不同的距离平方的产品，因此，我们也需要小心翼翼地创新。
硅晶圆
如果6吋的蓝宝石让良率和成本都能得到很好的改善的话，大尺寸的硅晶圆有哪些潜力呢？Virey指出，在同样良率的状态下，8吋硅晶圆可以实现60%的成本降低。（图2）虽然晶圆更加便宜了，但真正的优势还不是基板成本的改良（只占据材料成本的5%-10%），真正的好处在于它能使得高效率和高度自动化生产的半导体结构更加成熟，尤其是在使用完全折旧的CMOS晶圆工厂。但是，还需要解决的关键性问题是配热不均匀，它会造成更多的晶圆弯曲和拉紧，从而影响产品良率。这样的良率仍然低于蓝宝石晶体的良率，虽然在低成本的条件下，这样的良率是可以接受的。大多数大公司都有相关的研究项目，但是公众仍然怀疑硅是否能代替蓝宝石。
莱迪斯半导体公司CTO赵海明（音译）指出，他们公司现在正在销售已量产的LED晶圆，基于2吋的生产线一天有几百颗的产量。该公司使用由ALN（氮化铝）和AlGaN（氮化铝镓）所组成的压力缓和层将晶圆缩小到了20-30μm以减小破裂，这可以生产出120流明/瓦45- mil的芯片。同时，该公司还在实验室中试产6吋晶圆，另外，他们还在寻找生产设施准备明年夏天开始量产。
晶圆cassette和产量
高亮LED自动化生产要求符合晶片层的基础物理特性，因此，设备需要设计好来与之匹配。为了在起跑线上把即将到来的6吋产业变成一个产业制程改头换面的机会，许多大供应商和设备制造商在一些行业会议上已经在一些标准方面达成一致，这些标准包括晶圆基础参数和互操作性标准。目前得益于分布在产业各个环节的志愿者的努力，第一个6吋蓝宝石晶圆参数、普通晶圆cassette以及自动化生产的软件控制协议已经开始初具规模了。
自动化生产实践小组同意保持与6吋蓝宝石晶圆生产制程中同样大小的cassette，就像被用在半导体生产过程中25晶圆cassette的标准一样，这样的话，它就可以使用传统的机架和其他基础设施。Semicon West研讨会的讨论主题是每个cassette在最有效率的情况下能搬运多少稍厚或者更加弯曲的蓝宝石。Cassette的开口需要更宽，但是工具制造商还需要定下来一个常规尺寸和插槽空间以保障顺利进行晶圆的生产。
Entegris’区域产品专家SEMI自动化实施小组副主席Jeff Felipe表示，“一个标准的cassette形式可以让操作工具，资金成本和生产成本三者之间达成一致”。如果载体能装下12个晶圆的话，就可以承受每个槽25个晶圆的cassette，同时，自动化过程和晶圆制程也可借由现存的半导体软件对LED晶圆做操控。但较小容量的cassette将意味着一批设备（如MOCVD），可能需要安装一个额外的负载站以保障效吞吐量。
或者，LED cassette可以携带16个晶圆以最大化他们的产能，同时避免增加额外的负载站。但是，这一方案会花费更多的成本以要求额外的处理步骤来为剩下的流水线把晶圆转移至12晶圆的cassette，或者改进剩下的设备软件使之能够兼容不同的模式。在10月底之前，产业协会将会从LED制造商那里征求意见。
就软件方面来说，最初的关键因素是一个常规通讯接口使得LED制造商以及它们的设备可以更简单地从工具那里获得数据以监控产品质量。“在工厂层面来讲，自动化程度越高就越要求完整的数据采集以及精确的产品质量监控系统，” Aixtron企业控制系统项目经理SEMI自动化实施小组软件工作组领导者Karl-Heinz Buechel指出。
实施小组分析说，可用的半导体产业接口方案叫做SECSII/GEM，另外一个SEMI标准叫做A接口，XML和基于SECSII/GEM可以满足未来LED制造需求的系统。A接口可能被认为是满足现在和未来需要的接口，它能满足更高带宽以适应增强的工程数据采集。LED部分需要研发出基于SECSII/GEM的解决方案以控制它独特的需求（通过使用一堆由晶圆，位置和步骤组成的工具在石墨托盘中追踪晶圆）。而且，还需要决定是否将SECSII/GEM应用程序的特殊用语用于更简单的200-mm晶圆版本上（一般用于传统制程工具），或者是否采用更加先进的300-mm版本。[!--empirenews.page--]
实施小组正在敦促LED制造商决定重要功能使用设施的需求，因此，设备制造商能够以统一的方式从工具中获得数据，然后反馈到装置制造商的数据分析系统当中。“为每一个客户建立一个客户通讯系统会增加工具成本和系统集成成本，” Buechel提到，“LED制造商的秘诀是分析数据，而不是从机器中得到数据，然后将之标准化。”
普通晶圆参数
自动化接口工作可以大踏步前进了，因为6吋晶圆实施小组已经在6吋晶圆蓝宝石基础标准参数上达成了一致，而且这会帮助推动晶圆产品质量和统一性的发展。“与生产定制化产品相比，借助精细控制以及低成本优势，我们可以制造出更高产量的同类产品，”重庆四联光电有限公司COO ，SEMI高亮LED标准协会副主席David Reid说。
晶圆实施小组从全世界玩家那里收集信息，然后从厚度、外形等物理层面到晶圆制造和基准规定再到背部粗糙度、弯曲程度和表面状况等质量要求对LED晶圆方面达成一致。“现阶段正在使用的传统规格并不能了解今天客户的需求，”Reid说。“为了获得产品期望性能以及规格，我们需要以一种容易被人接受的方式探讨问题。”即使产业正在朝着更薄晶圆和更小裂缝的方向发展，但是标准还应该包括1.0mm和1.3mm的厚度，还要有有裂缝的和平面的，因为这些都在被广泛使用。
合作公司也报道了共同的工作，这项工作主要是为自动化生产出来的新产品和进程控制系统找出解决方案，比如怎样标记出蓝宝石晶圆做追踪让被识别的标识可以在生产过程中存在。晶圆ID不必是约定俗成的：一些用户把标识放在前面以方便读取，另一些放在后面以保证它的“生存”，还有一些为了方便就在前面和后面都放上了标识。
实施小组用十亿级的标识为每一个提供商设计了标准的标识系统，四联、InnoLas半导体和欧司朗正在测试多种深层镭射标识系统的生存能力。
InnoLa测试来自四联的多种由点阵式和字母数字的UV光标识的晶圆。（图3）欧司朗将制造生产这种晶圆并测试它的易读性。结果预计在10月份出现。点阵式标识如果能够在生产过程中被深层次地、清晰地制造，那它将更为适合，因为它在晶圆上占据的空间比较小，也更容易检测。
这个团队正在努力商榷哪种体积和表面晶圆缺陷真正会对产品良率造成影响，而且要找出最好的实践性方法来测试那些参数。
其他亚洲SEMI工作（由台湾的TSMC推动），正在关注高亮LED的环境与安全因素，为的是找出最佳安装和操作设备的实践方式，以指定一个全球通用的标准。使用MOCVD和自燃气体，这个团队正在完善和发展现存半导体安全标准，此标准适用于LED制程。
“我们致力于改变全球照明产业，”Reid说，“这需要许多公司协同完成” 。
随着市场对于高亮LED的需求大增，无晶圆厂在过去的五年里增加了100个，目前全球总数为169个，整个产业外延片的生产规模膨胀5倍，达到每月200万片（图1）。然而，LED产业仍有较大的发展空间，通过采用更大直径晶圆的生产工艺和更严格的生产流程控制（在自动化生产过程中），能扩大产能并且削减成本，推动SSL市场发展壮大。产业的主要参与者在加速这个转变的过程中取得了实质性的进展，他们通过合作在一些LED标准方面达成了共识，这些标准包括普通晶圆参数、接口、生产设备和用于从分析工具那里传送数据的通讯软件。
引人注目的经济
Yole Développement高级LED分析师Eric Virey在讨论高亮LED制造解决方案中指出，就低档前端制造成本来讲，在良率相同的条件下，6吋晶圆比4吋晶圆每单位面积要节省25%的成本（图2）。这是假设大尺吋晶圆成本下降到了150美元，是成本为50美元的4吋晶圆的3倍。虽然更大的晶圆尺吋每单位面积的成本仍然很贵，但是每个流程可以通过更多的晶圆，这使得生产过程更加有效率，而且，良率也更好，产品成本相对更低一些。
“我们发现新一代（6吋）生产设备比3吋的设备能够得到更好的良率，”飞利浦照明生产工程副总裁、SEMI高亮LED标准委员会副主席Iain Black说道。
Virey指出，产业朝着更大晶圆产能的转换过程比预期要花费更长的时间，因为LED制造商现在的2吋和4吋产品线产能过剩，而快速下降的4吋晶圆价格使得它变得更加具有竞争力了。但是，6吋晶圆的价格下降得也很快，而且在今年年底可以下降到200美元以下。Yole预期超过25%的蓝宝石晶圆表面处理将会在两到三年内放在6吋晶圆上，此后这一数值将是50%。
Canaccord Genuity照明与太阳能股票研究总裁Jed Dorscheimer指出，提升芯片制造工艺良率是最简单的降低SSL成本推动市场需求的方式。他表示，与半导体产业95%的良率相比，本行业领先的制造商良率大致在65%-70%之间，而产业新进者只有10%。每个步骤的不良会慢慢累积最后变成产品更大的不良。高良率能够在2014年左右催生出7-8美元的60W LED灯泡，从而推进照明产业超越现实产业成为LED市场的主要驱动力。
这些获利当中一个关键推动因素是材料和设备互操作性的标准。“标准是使供应链更加成熟的必要条件，”Black说道。“我们投入了相当大的努力在我们的产品里以提升产业链的产能。别人可以从中获得好处，但是这仍然是一个年轻的产业，而且，供应商也需要使生产过程更加成熟。如果每一项要求都唯一的话，我们达到目标的速度会很慢。就自动化而言，我们可以围绕建立半导体产业标准做更多的创新，但是，我们要得到与传统cassette和弓形晶圆不同的距离平方的产品，因此，我们也需要小心翼翼地创新。
硅晶圆
如果6吋的蓝宝石让良率和成本都能得到很好的改善的话，大尺寸的硅晶圆有哪些潜力呢？Virey指出，在同样良率的状态下，8吋硅晶圆可以实现60%的成本降低。（图2）虽然晶圆更加便宜了，但真正的优势还不是基板成本的改良（只占据材料成本的5%-10%），真正的好处在于它能使得高效率和高度自动化生产的半导体结构更加成熟，尤其是在使用完全折旧的CMOS晶圆工厂。但是，还需要解决的关键性问题是配热不均匀，它会造成更多的晶圆弯曲和拉紧，从而影响产品良率。这样的良率仍然低于蓝宝石晶体的良率，虽然在低成本的条件下，这样的良率是可以接受的。大多数大公司都有相关的研究项目，但是公众仍然怀疑硅是否能代替蓝宝石。
莱迪斯半导体公司CTO赵海明（音译）指出，他们公司现在正在销售已量产的LED晶圆，基于2吋的生产线一天有几百颗的产量。该公司使用由ALN（氮化铝）和AlGaN（氮化铝镓）所组成的压力缓和层将晶圆缩小到了20-30μm以减小破裂，这可以生产出120流明/瓦45- mil的芯片。同时，该公司还在实验室中试产6吋晶圆，另外，他们还在寻找生产设施准备明年夏天开始量产。
晶圆cassette和产量
高亮LED自动化生产要求符合晶片层的基础物理特性，因此，设备需要设计好来与之匹配。为了在起跑线上把即将到来的6吋产业变成一个产业制程改头换面的机会，许多大供应商和设备制造商在一些行业会议上已经在一些标准方面达成一致，这些标准包括晶圆基础参数和互操作性标准。目前得益于分布在产业各个环节的志愿者的努力，第一个6吋蓝宝石晶圆参数、普通晶圆cassette以及自动化生产的软件控制协议已经开始初具规模了。
自动化生产实践小组同意保持与6吋蓝宝石晶圆生产制程中同样大小的cassette，就像被用在半导体生产过程中25晶圆cassette的标准一样，这样的话，它就可以使用传统的机架和其他基础设施。Semicon West研讨会的讨论主题是每个cassette在最有效率的情况下能搬运多少稍厚或者更加弯曲的蓝宝石。Cassette的开口需要更宽，但是工具制造商还需要定下来一个常规尺寸和插槽空间以保障顺利进行晶圆的生产。
Entegris’区域产品专家SEMI自动化实施小组副主席Jeff Felipe表示，“一个标准的cassette形式可以让操作工具，资金成本和生产成本三者之间达成一致”。如果载体能装下12个晶圆的话，就可以承受每个槽25个晶圆的cassette，同时，自动化过程和晶圆制程也可借由现存的半导体软件对LED晶圆做操控。但较小容量的cassette将意味着一批设备（如MOCVD），可能需要安装一个额外的负载站以保障效吞吐量。
或者，LED cassette可以携带16个晶圆以最大化他们的产能，同时避免增加额外的负载站。但是，这一方案会花费更多的成本以要求额外的处理步骤来为剩下的流水线把晶圆转移至12晶圆的cassette，或者改进剩下的设备软件使之能够兼容不同的模式。在10月底之前，产业协会将会从LED制造商那里征求意见。
就软件方面来说，最初的关键因素是一个常规通讯接口使得LED制造商以及它们的设备可以更简单地从工具那里获得数据以监控产品质量。“在工厂层面来讲，自动化程度越高就越要求完整的数据采集以及精确的产品质量监控系统，” Aixtron企业控制系统项目经理SEMI自动化实施小组软件工作组领导者Karl-Heinz Buechel指出。
实施小组分析说，可用的半导体产业接口方案叫做SECSII/GEM，另外一个SEMI标准叫做A接口，XML和基于SECSII/GEM可以满足未来LED制造需求的系统。A接口可能被认为是满足现在和未来需要的接口，它能满足更高带宽以适应增强的工程数据采集。LED部分需要研发出基于SECSII/GEM的解决方案以控制它独特的需求（通过使用一堆由晶圆，位置和步骤组成的工具在石墨托盘中追踪晶圆）。而且，还需要决定是否将SECSII/GEM应用程序的特殊用语用于更简单的200-mm晶圆版本上（一般用于传统制程工具），或者是否采用更加先进的300-mm版本。[!--empirenews.page--]
实施小组正在敦促LED制造商决定重要功能使用设施的需求，因此，设备制造商能够以统一的方式从工具中获得数据，然后反馈到装置制造商的数据分析系统当中。“为每一个客户建立一个客户通讯系统会增加工具成本和系统集成成本，” Buechel提到，“LED制造商的秘诀是分析数据，而不是从机器中得到数据，然后将之标准化。”
普通晶圆参数
自动化接口工作可以大踏步前进了，因为6吋晶圆实施小组已经在6吋晶圆蓝宝石基础标准参数上达成了一致，而且这会帮助推动晶圆产品质量和统一性的发展。“与生产定制化产品相比，借助精细控制以及低成本优势，我们可以制造出更高产量的同类产品，”重庆四联光电有限公司COO ，SEMI高亮LED标准协会副主席David Reid说。
晶圆实施小组从全世界玩家那里收集信息，然后从厚度、外形等物理层面到晶圆制造和基准规定再到背部粗糙度、弯曲程度和表面状况等质量要求对LED晶圆方面达成一致。“现阶段正在使用的传统规格并不能了解今天客户的需求，”Reid说。“为了获得产品期望性能以及规格，我们需要以一种容易被人接受的方式探讨问题。”即使产业正在朝着更薄晶圆和更小裂缝的方向发展，但是标准还应该包括1.0mm和1.3mm的厚度，还要有有裂缝的和平面的，因为这些都在被广泛使用。
合作公司也报道了共同的工作，这项工作主要是为自动化生产出来的新产品和进程控制系统找出解决方案，比如怎样标记出蓝宝石晶圆做追踪让被识别的标识可以在生产过程中存在。晶圆ID不必是约定俗成的：一些用户把标识放在前面以方便读取，另一些放在后面以保证它的“生存”，还有一些为了方便就在前面和后面都放上了标识。
实施小组用十亿级的标识为每一个提供商设计了标准的标识系统，四联、InnoLas半导体和欧司朗正在测试多种深层镭射标识系统的生存能力。
InnoLa测试来自四联的多种由点阵式和字母数字的UV光标识的晶圆。（图3）欧司朗将制造生产这种晶圆并测试它的易读性。结果预计在10月份出现。点阵式标识如果能够在生产过程中被深层次地、清晰地制造，那它将更为适合，因为它在晶圆上占据的空间比较小，也更容易检测。
这个团队正在努力商榷哪种体积和表面晶圆缺陷真正会对产品良率造成影响，而且要找出最好的实践性方法来测试那些参数。
其他亚洲SEMI工作（由台湾的TSMC推动），正在关注高亮LED的环境与安全因素，为的是找出最佳安装和操作设备的实践方式，以指定一个全球通用的标准。使用MOCVD和自燃气体，这个团队正在完善和发展现存半导体安全标准，此标准适用于LED制程。
“我们致力于改变全球照明产业，”Reid说，“这需要许多公司协同完成” 。
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