高性能LED制造與裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研

1、項(xiàng)目名稱(chēng)：高性能LED制造與裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究首席科學(xué)家：劉巖 深圳清華大學(xué)研究院起止年限：依托部門(mén)：深圳市科技工貿(mào)和信息華委員會(huì)一、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容本項(xiàng)目以高光效、高可靠性、大功率、低成本LED制造和裝備所面臨的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)為突破口，圍繞以下三個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題展開(kāi)研究，突破LED產(chǎn)業(yè)鏈上、中、下游關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)中的瓶頸?？茖W(xué)問(wèn)題一大尺寸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。隨著LED芯片制造向大尺寸襯底晶圓、低缺陷密度、高光效方向發(fā)展，對(duì)襯底平坦化、外延生長(zhǎng)、芯片制造技術(shù)及相關(guān)裝備提出了一系列挑戰(zhàn)。例如，大尺寸晶圓襯底表面必須高質(zhì)量平坦化，否則其缺陷將延伸到外延

2、層，直接影響外延層的質(zhì)量。另外，由于晶圓尺寸增大，導(dǎo)致襯底制備和外延生長(zhǎng)中晶圓翹曲，缺陷更加嚴(yán)重，導(dǎo)致量子效率下降。這些缺陷會(huì)直接影響光效、光衰。如何抑制缺陷、提高量子效率是大功率LED制造的關(guān)鍵問(wèn)題。其中的技術(shù)難點(diǎn)包括：大尺寸同質(zhì)襯底生成過(guò)程中的缺陷控制，MOCVD外延中的缺陷抑制和量子效率調(diào)控，超硬襯底材料表面原子級(jí)平坦化中的缺陷控制。需要解決的科學(xué)問(wèn)題具體內(nèi)涵包括：非均勻場(chǎng)和微擾動(dòng)對(duì)襯底和外延層生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響規(guī)律及與缺陷產(chǎn)生的關(guān)系，和難加工襯底材料原子級(jí)平坦化中的界面行為及缺陷控制原理。需要研究用于大尺寸GaN同質(zhì)襯底制備的HVPE反應(yīng)腔和用于大尺寸晶圓外延的MOCVD反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)

3、方法，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)腔內(nèi)氣體的均勻擴(kuò)散和混合，溫度場(chǎng)的均勻控制，保持層流和均勻的化學(xué)反應(yīng)速率，晶體生長(zhǎng)過(guò)程中不同沉積速率與反應(yīng)物質(zhì)流量控制的精確匹配，以滿(mǎn)足外延生長(zhǎng)中的波長(zhǎng)一致性（偏差5nm）、厚度和組分均勻性（偏差5）等要求；研究超硬難加工襯底材料表面原子級(jí)平坦化（表面粗糙度Ra0.1 nm）和高效去除（去除速率大于6 m/h）方法，解決襯底材料的平坦化難題。針對(duì)這些難點(diǎn)，設(shè)置三方面研究?jī)?nèi)容：1） 大尺寸同質(zhì)襯底生成及缺陷控制原理與裝備實(shí)現(xiàn)建立適用于HVPE快速生長(zhǎng)非平衡態(tài)體系的熱力學(xué)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)模型，考慮化學(xué)反應(yīng)及反應(yīng)副產(chǎn)物等動(dòng)力學(xué)因素，并利用此模型對(duì)外延膜表面的形核、長(zhǎng)大及聚結(jié)進(jìn)行深入分

4、析；在反應(yīng)腔尺寸放大條件下，進(jìn)行流場(chǎng)溫度場(chǎng)均勻性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)GaN厚膜厚度均勻性和晶體質(zhì)量均勻性控制；研究自支撐GaN厚膜HVPE的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特性，探索晶格失配、熱失配、形核與聚結(jié)等對(duì)厚膜應(yīng)力生成和積聚的影響規(guī)律，尋找降低或阻斷應(yīng)力和缺陷生成的方法，建立三維應(yīng)力模型；為解決晶體生長(zhǎng)過(guò)程中不同沉積速率與反應(yīng)腔噴頭、流量控制精度的匹配，減少多工作點(diǎn)不匹配造成的缺陷增多問(wèn)題，構(gòu)建由高溫工藝腔聯(lián)接的多腔分步反應(yīng)腔系統(tǒng)，以高效率批量獲得高質(zhì)量GaN襯底。擬研究以下五部分內(nèi)容： （1）HVPE生長(zhǎng)非平衡態(tài)體系的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)模型及三維應(yīng)力模型； （2）反應(yīng)腔尺寸放大條件下的均勻流場(chǎng)溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)； （3）GaN厚膜

5、厚度均勻性和晶體質(zhì)量均勻性控制理論； （4）應(yīng)力和缺陷生成機(jī)理及其降低或阻斷的方法； （5）多腔分步HVPE原理、裝置及工藝實(shí)現(xiàn)。2） 超硬襯底低缺陷、高效去除平坦化新原理與裝備實(shí)現(xiàn)目前，為了提高LED發(fā)光效率，降低成本，對(duì)藍(lán)寶石、SiC及GaN等LED襯底材料表面平整度、粗糙度以及材料去除速率等提出了更高的要求，其中對(duì)表面粗糙度的要求更是接近了物理極限值，對(duì)難加工襯底材料表面平坦化提出挑戰(zhàn)。針對(duì)LED襯底晶圓平坦化，引入極小納米粒子與接觸催化原理相結(jié)合的思路，通過(guò)探索平坦化中晶圓表面材料的接觸催化行為、材料去除機(jī)制與平坦化原理，實(shí)現(xiàn)難加工材料快速去除和高效平坦化；同時(shí)，通過(guò)探索極小納米粒子行

6、為、粒子粒度變化過(guò)程中材料去除機(jī)制的演變規(guī)律、平坦化過(guò)程中原子級(jí)去除機(jī)制，降低微缺陷，實(shí)現(xiàn)近極限光滑表面制造。擬研究以下五部分內(nèi)容：（1）基于接觸催化原理的高效平坦化方法；（2）超硬難加工襯底材料的原子尺度去除機(jī)制； （3）平坦化中界面行為與損傷控制；（4）基于催化原理的平坦化原理裝置及工藝實(shí)現(xiàn)；（5）探索GaN襯底制備中的表面平坦化原理。3）MOCVD新型反應(yīng)腔設(shè)計(jì)、LED缺陷抑制和量子效率調(diào)控針對(duì)220 lm/W發(fā)光效率、6吋及以上外延晶圓的跨尺度（宏微納亞納米）制造技術(shù)和MOCVD核心裝備，探索多場(chǎng)（流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、濃度場(chǎng)等）耦合下反應(yīng)腔的幾何構(gòu)造和氣體輸運(yùn)方式與工藝參數(shù)的關(guān)系，以

7、解決外延生長(zhǎng)中膜厚和組分均勻性、波長(zhǎng)一致性和生長(zhǎng)可重復(fù)性難題，探索出大尺寸多片晶圓MOCVD反應(yīng)腔設(shè)計(jì)新原理。揭示大尺寸晶圓外延生長(zhǎng)中缺陷形成與抑制機(jī)理，建立外延生長(zhǎng)缺陷與LED內(nèi)量子效率的本構(gòu)關(guān)系及芯片制造中的缺陷(如晶圓剝離損傷、裂紋、翹曲、鍵合界面的空洞等)與LED出光效率的本構(gòu)關(guān)系，并解決自生長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)透明電極制造與芯片閾值電壓控制等難題，實(shí)現(xiàn)大尺寸LED外延片和高效大功率LED芯片制備。主要研究?jī)?nèi)容：（1）大尺寸MOCVD反應(yīng)腔設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn)；（2）大尺寸晶圓外延生長(zhǎng)中的缺陷演變機(jī)理及控制；（3）LED發(fā)光復(fù)合機(jī)制與量子效率調(diào)控；（4）晶圓片剝離/鍵合界面制造工藝與損傷控制；（5）表

8、面微納結(jié)構(gòu)透明薄膜電極制造和運(yùn)用表面粗化以提高出光效率?？茖W(xué)問(wèn)題二超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制隨著LED封裝向高效、高品質(zhì)、高良率方向發(fā)展，基于高速輕柔接觸的引線(xiàn)鍵合和噴射粉膠光介質(zhì)的點(diǎn)膠將成為220 lm/W及以上白光LED器件封裝的主流趨勢(shì)之一。針對(duì)大功率LED器件對(duì)光效提升和封裝成本控制的雙重要求，LED芯片尺寸將增加到22mm2以上，對(duì)應(yīng)的封裝尺寸增加到55mm2以上，熒光粉膠層厚度小于70m，透明電極厚度降低到300nm以下，膠滴尺寸和一致性要求將進(jìn)一步提高，鍵合力窗口進(jìn)一步縮小，這對(duì)現(xiàn)有的噴射點(diǎn)膠方法和引線(xiàn)鍵合技術(shù)提出了一系列挑戰(zhàn)。相應(yīng)的技術(shù)難點(diǎn)是：噴射點(diǎn)膠噴針如何在瞬

9、時(shí)短行程內(nèi)克服超大粘性阻力（）和表面張力的影響，以大于80g的超高加速度運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納升級(jí)（50納升）微滴噴出，并且點(diǎn)膠速度達(dá)到8點(diǎn)/秒？如何設(shè)計(jì)與優(yōu)化輕柔機(jī)構(gòu)的構(gòu)型與結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)短行程高速運(yùn)動(dòng)下的柔性接觸精準(zhǔn)控制，使加速度達(dá)到15g以上，接觸力80g）是實(shí)現(xiàn)高粘度（5Pa.s）熒光粉硅膠噴射的關(guān)鍵，受到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電特性、功能材料非線(xiàn)性滯回特性、噴針與運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)機(jī)械特性，以及它們之間的延遲、誤差串聯(lián)放大影響，且各種影響因素之間存在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的關(guān)聯(lián)耦合；此外，在高速運(yùn)動(dòng)條件下對(duì)硬脆LED焊盤(pán)及電極層進(jìn)行引線(xiàn)鍵合，對(duì)鍵合設(shè)計(jì)及其輕柔接觸力控制提出了新挑戰(zhàn)。為滿(mǎn)足高粘度粉膠大面積高一致涂覆和高速輕柔鍵

10、合的特殊要求，需要建立與分析復(fù)雜能場(chǎng)耦合作用下的噴針運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，探索熱、摩擦、變形、熒光粉硅膠阻尼等各種因素對(duì)噴針運(yùn)動(dòng)及鍵合過(guò)程的非線(xiàn)性影響機(jī)理，設(shè)計(jì)基于功能材料的新型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制器；研究機(jī)構(gòu)幾何、結(jié)構(gòu)和控制參數(shù)的綜合優(yōu)化與精確控制方法，實(shí)現(xiàn)核心系統(tǒng)的高加速度復(fù)合運(yùn)動(dòng)生成。主要研究?jī)?nèi)容如下：（1） 粉膠兩相光介質(zhì)流變特性和納升級(jí)微滴形成機(jī)制；（2）噴針超高加速度驅(qū)動(dòng)新原理及新系統(tǒng)；（3）高速?lài)娔z閥的多場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)與高速?lài)娔z工藝研究；（4）高速輕柔鍵合機(jī)構(gòu)構(gòu)型與綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論；（5）高速鍵合過(guò)程力位切換與柔性接觸精確控制。 科學(xué)問(wèn)題三LED器件熱流控制機(jī)制與可靠性制約因素耦合規(guī)律LED的理

11、想預(yù)期壽命超過(guò)10 萬(wàn)小時(shí)，但目前其實(shí)際壽命與之相距甚遠(yuǎn)，主要在于制造過(guò)程中制約壽命的因素復(fù)雜，且存在使用環(huán)境中眾多因素的復(fù)合影響，而正常應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，很難對(duì)它的壽命和可靠性及時(shí)做出客觀(guān)評(píng)價(jià)；同時(shí)直接影響大功率LED器件光效和壽命的重要因素是控制結(jié)溫和有效散熱。其中的技術(shù)難點(diǎn)是：高效的熱流輸運(yùn)系統(tǒng)跨尺度集成設(shè)計(jì)與制造，建立復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法。 需要解決的科學(xué)問(wèn)題具體為：基于微納結(jié)構(gòu)的微流控?zé)崃鬏斶\(yùn)機(jī)制，多因素復(fù)合過(guò)應(yīng)力耦合規(guī)律及其對(duì)LED失效的關(guān)聯(lián)機(jī)制。 針對(duì)上述難點(diǎn)，設(shè)置以下研究?jī)?nèi)容：1）跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)集成制造及LED精簡(jiǎn)熱模型LED散熱系統(tǒng)采用跨尺度集成制造，熱量在熱

12、管中的傳輸特性、液體在具有表面納米結(jié)構(gòu)環(huán)境中的流動(dòng)規(guī)律、氣體凝結(jié)特性等會(huì)由于器件中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)入微米甚至納米尺度后顯現(xiàn)出與常規(guī)熱管不同，這對(duì)LED器件的散熱有重要影響。研究中將結(jié)合表面能分析，建立微熱管熱量輸運(yùn)模型，依據(jù)氣液兩相流原理研究微熱管管壁表面能與工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)特性的關(guān)系；研究微熱管表面制造微納結(jié)構(gòu)前后，工質(zhì)與壁面的接觸角和親/疏水性的變化規(guī)律；研究熱量在微流場(chǎng)特定的微納尺度效應(yīng)和氣液兩相流影響下的輸運(yùn)規(guī)律。 研究表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)熱管工質(zhì)的毛細(xì)牽引力的影響規(guī)律，獲得基于熱力學(xué)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化的導(dǎo)熱通道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；融合微納制造和表面改性等技術(shù)，建立跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造工藝，為

13、大功率LED器件的制造提供理論與技術(shù)支撐。 針對(duì)大功率LED器件封裝熱阻小于6/W，穩(wěn)定后的結(jié)溫溫升小于20等挑戰(zhàn)，研究LED封裝的熱阻計(jì)算體系，建立LED封裝和應(yīng)用的精簡(jiǎn)熱模型（CTM），獲得系統(tǒng)熱阻值的解析解和評(píng)價(jià)LED封裝產(chǎn)品熱性能的方法，提出基于蒸汽腔的均熱基板方法，解決局部溫度場(chǎng)梯度過(guò)陡的問(wèn)題。精簡(jiǎn)熱模型（CTM）的優(yōu)點(diǎn)在于在選定節(jié)點(diǎn)(如結(jié)合面、外殼、頂部、底部和焊點(diǎn))上精確預(yù)測(cè)封裝的溫度，比詳細(xì)模型的計(jì)算效率更高。研究?jī)?nèi)容如下： （1）建立從芯片至環(huán)境的傳熱/散熱模型，形成封裝結(jié)構(gòu)熱特性的評(píng)價(jià)依據(jù)； （2）溫度梯度劇烈變化形成機(jī)制與抑制措施； （3）提高熱量輸運(yùn)效率的微熱管設(shè)計(jì)與制

14、造； （4）跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造。2）LED復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法及可靠性制約因素耦合規(guī)律針對(duì)常規(guī)應(yīng)力下的壽命試驗(yàn)及測(cè)試方法很難對(duì)器件的壽命和可靠性及時(shí)做出客觀(guān)評(píng)價(jià)的狀況，通過(guò)建立基于多因素（電流、溫度、濕度、振動(dòng)、高低溫沖擊等）復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法,建立相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，開(kāi)展LED器件加速壽命試驗(yàn)研究，結(jié)合非線(xiàn)性建模仿真，建立LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法；揭示制造過(guò)程（工藝）多參數(shù)與LED器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，建立動(dòng)態(tài)環(huán)境（溫度、濕度等）下的應(yīng)力應(yīng)變、光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)特性的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，為大功率LED器件的高品質(zhì)制造提供優(yōu)化的加速壽命試驗(yàn)和測(cè)試方法、儀器裝備及基礎(chǔ)數(shù)

15、據(jù)。可靠性實(shí)現(xiàn)6000小時(shí)室溫下額定電流光衰3.5%。研究?jī)?nèi)容如下： （1） LED器件復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法；（2）LED器件多參數(shù)復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)； （3）多因素耦合作用制約可靠性機(jī)制； （4）關(guān)鍵制造過(guò)程與LED器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制；（5）LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法。 二、預(yù)期目標(biāo)1、總體目標(biāo)面向220 lm/W的高性能高可靠的LED制造，揭示LED發(fā)光效率、可靠性與制造缺陷及制造因素的關(guān)聯(lián)規(guī)律，建立新原理裝備、新方法，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，造就一批從事該領(lǐng)域前沿科學(xué)研究的高科技人才，奠定支撐新一代LED制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的理論和技術(shù)基礎(chǔ)，為我國(guó)在LED制造裝備領(lǐng)域

16、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，成為國(guó)際LED制造的主要生產(chǎn)和創(chuàng)新中心提供支撐。2、 五年預(yù)期目標(biāo)第一方面：理論研究 通過(guò)研究，建立面向發(fā)光效率220 lm/W及以上的LED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)

17、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(xiàn)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（0.8 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(guò)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(guò)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

18、：技術(shù)成果 通過(guò)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6m/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?lài)娚潼c(diǎn)膠原理裝置，實(shí)現(xiàn)硅膠與硅膠類(lèi)粉膠兩相光介質(zhì)最小微滴體積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(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)系統(tǒng)原

19、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(guò)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3.5%的大功率白光LED器件制造提供支撐。本項(xiàng)目研究過(guò)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(zhuān)著1部以上，申請(qǐng)專(zhuān)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LE

20、D制造的核心問(wèn)題歸結(jié)為低缺陷制造，必須從基礎(chǔ)問(wèn)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)：超低缺陷密度晶圓制造；超硬、難加工材料的原子級(jí)光滑表面實(shí)現(xiàn)；納升級(jí)高粘性流體高速運(yùn)動(dòng)精確控制；跨尺度微熱管制造及低熱阻封裝；多因素復(fù)合過(guò)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(wèn)題：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；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；LED器件熱流控制

21、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(wèn)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(xiàn) （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(méi)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)，

22、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10-100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(xiàn)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(guò)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

23、提高綜合效率，采用多腔分步HVPE系統(tǒng)的技術(shù)路線(xiàn)，即將原本在同一腔中實(shí)現(xiàn)20-800m/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(guò)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(wèn)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 600-800100m/h 900-11002m/h 600-1100500m/h 800-1100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米粒子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)超硬材料的原子級(jí)光滑表面高

24、效平坦化。將催化原理引入到超硬材料的化學(xué)機(jī)械平坦化中，利用接觸區(qū)催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)的促進(jìn)作用，提高材料的去除速率；在平坦化中引入極小納米粒子，從而實(shí)現(xiàn)材料的原子級(jí)去除，同時(shí)減小平坦化過(guò)程中超硬材料界面的損傷和缺陷。針對(duì)多腔分步HVPE系統(tǒng)方案，探索實(shí)現(xiàn)GaN膜表面平坦化的方法。（4）通過(guò)異質(zhì)界面納米薄層插入、周期性摻雜等手段，抑制外延生長(zhǎng)缺陷和實(shí)現(xiàn)量子效率調(diào)控。利用多波長(zhǎng)測(cè)溫以實(shí)現(xiàn)溫度的精確測(cè)量和智能控制，利用原位的光學(xué)光譜來(lái)測(cè)量反應(yīng)劑氣流分配狀況，通過(guò)建立智能反饋系統(tǒng)以精確調(diào)節(jié)反應(yīng)劑氣流分配，實(shí)現(xiàn)均勻生長(zhǎng)。 （5）導(dǎo)致 GaN基LED外量子效率不高的原因很大程度上在于氮化物外延層和空氣的反射系

25、數(shù)差異較大導(dǎo)致的全反射問(wèn)題。 GaN和空氣的反射系數(shù)分別是 2.5 和 1，在 InGaN-GaN 活性區(qū)產(chǎn)生的光能夠傳播出去的臨界角約為 23 。這大大限制了 GaN 基發(fā)光二極管的外量子效率。若無(wú)其他出光結(jié)構(gòu)，則從有源區(qū)發(fā)射的光子只有不到1/6 可由LED 芯片上表面出射。擬定量分析表面微納結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸對(duì)表面出光效率的影響，通過(guò)建模仿真和實(shí)際芯片制造相結(jié)合優(yōu)化芯片的幾何形狀，改善器件側(cè)壁出光效率；研究新型LED 電極（ZnO、石墨?。┑纳L(zhǎng)機(jī)制，獲得形成表面特征微結(jié)構(gòu)方法，以降低缺陷、優(yōu)化制造工序和降低大規(guī)模制造成本；提高出光效率的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還適用于器件的二次光學(xué)設(shè)計(jì)的表面粗化，以提高

26、LED 的光效。 （6）運(yùn)用功能材料驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高粘度光介質(zhì)納升級(jí)微滴噴出；運(yùn)用輕柔機(jī)構(gòu)和集成控制方法，實(shí)現(xiàn)高速輕柔鍵合?；诹黧w動(dòng)力學(xué)和高速攝像方法，建立高粘度微滴形成模型，優(yōu)化流道和溫度場(chǎng)等參數(shù)，運(yùn)用功能材料及放大機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噴針超高加速運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納升級(jí)微滴噴出；研究輕柔并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和綜合優(yōu)化方法，建立高加速?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)切換的動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)高速柔性微力控制。 （7）建立LED 精簡(jiǎn)熱模型（CTM），實(shí)現(xiàn)跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造。依據(jù)導(dǎo)熱微分方程，結(jié)合LED 封裝界面特性，建立LED 封裝和應(yīng)用的精簡(jiǎn)熱模型（CTM），獲得系統(tǒng)熱阻值的解析解并形成熱性能評(píng)價(jià)方法；基于蒸汽腔均熱基板方法

27、以抑制局部溫度場(chǎng)梯度過(guò)陡；研究基于表面微納結(jié)構(gòu)的微熱管高效傳熱機(jī)理和微流控?zé)崃枯斶\(yùn)機(jī)制，形成面向熱輸運(yùn)的微流控器件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造技術(shù)。集成熱板的工藝充分考慮可批量制造性。（8）基于多因素復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)建立可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法。分析LED器件失效方式和影響工藝，探索其失效機(jī)制；建立基于多因素（電流、溫度、濕度、振動(dòng)、高低溫沖擊等）復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法的LED器件加速壽命測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合非線(xiàn)性建模仿真，建立LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法。揭示制造過(guò)程（工藝）多參數(shù)與LED器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，揭示部件失效對(duì)整體失效的關(guān)聯(lián)關(guān)系。3 重大突破的可行性 本

28、項(xiàng)目研究旨在突破制約LED照明取代傳統(tǒng)照明的制造瓶頸，面向未來(lái)LED制造的技術(shù)路線(xiàn)，發(fā)展先進(jìn)LED制造新原理與新方法，并建立LED制造裝備的新理論。 實(shí)現(xiàn)重大突破在項(xiàng)目研究的技術(shù)路線(xiàn)上是可行的。在襯底制造方面，采用可控多組分氣流輸運(yùn)方法、多腔分步HVPE系統(tǒng)和基于接觸催化等原理，實(shí)現(xiàn)晶圓表面的層流和同質(zhì)外延襯底極低缺陷生長(zhǎng)；在LED外延和芯片制造方面，揭示外延生長(zhǎng)中表面、異質(zhì)界面質(zhì)量輸運(yùn)行為和應(yīng)變、應(yīng)力及缺陷演變規(guī)律，并獲得自生長(zhǎng)電極表面微結(jié)構(gòu)，提高LED光效；在封裝核心執(zhí)行系統(tǒng)等方面，通過(guò)柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制集成實(shí)現(xiàn)高速輕柔鍵合，通過(guò)新型功能材料實(shí)現(xiàn)高粘度兩相介質(zhì)的微滴噴射；在熱管理和可

29、靠性方面，通過(guò)建立LED封裝和應(yīng)用精簡(jiǎn)熱模型(CTM)，獲得系統(tǒng)熱阻值的解析解并形成熱性能評(píng)價(jià)工具，通過(guò)表面微納結(jié)構(gòu)和微流控輸運(yùn)，基于熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造，實(shí)現(xiàn)高熱流密度散熱；通過(guò)建立多因素復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速試驗(yàn)方法和相應(yīng)的加速可靠性測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合非線(xiàn)性建模仿真，建立LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法。以上路線(xiàn)均有科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。 為面向220 lm/W及以上大功率白光LED器件的制造提供支撐的目標(biāo)是可行的。目前國(guó)內(nèi)水平為110 lm/W，本項(xiàng)目使用同質(zhì)襯底及外延新工藝可提高光效3540%，透明電極可提高光效1015%，封裝及表面粗化可提高光效2530%，散熱等可提高光效1316%?？傤A(yù)計(jì)

30、可提升光效110%-143%。 實(shí)現(xiàn)重大突破在團(tuán)隊(duì)的能力上是可行的。研究團(tuán)隊(duì)成員單位已在該領(lǐng)域具備堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)和相應(yīng)的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)手段，并與LED產(chǎn)業(yè)界建立了密切的合作關(guān)系，前期研究基礎(chǔ)雄厚，積累豐富。如深圳清華大學(xué)研究院、清華大學(xué)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2吋藍(lán)寶石襯底晶圓的平坦化實(shí)用技術(shù)，并有多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備成果；北京大學(xué)已實(shí)現(xiàn)三片HVPE樣機(jī)；華中科技大學(xué)已制造出具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MOCVD樣機(jī)；上海大學(xué)實(shí)現(xiàn)了GZO與GaN基LED的器件集成制造；中南大學(xué)已經(jīng)設(shè)計(jì)、制造了電磁驅(qū)動(dòng)的噴膠閥，初步實(shí)現(xiàn)了1Pa.s膠體6點(diǎn)/秒的高速?lài)娚洌淮筮B理工大學(xué)在微納結(jié)構(gòu)集成制造、微納流控技術(shù)等方面取得了豐富的成果；廣東工業(yè)大

31、學(xué)自主研發(fā)了用于LED封裝的熱超聲引線(xiàn)鍵合機(jī)。這些進(jìn)展為本項(xiàng)目的完成奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 以上分析表明，本項(xiàng)目通過(guò)制造和設(shè)備方面創(chuàng)新性研究，探索出大尺寸LED晶圓制造中缺陷形成機(jī)理并實(shí)現(xiàn)缺陷的有效抑制，突破超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制，揭示LED可靠性制約因素耦合規(guī)律與器件熱流控制機(jī)制，并研制多腔分步HVPE系統(tǒng)、大尺寸多片MOCVD反應(yīng)腔以及復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)是完全可能的。4 創(chuàng)新點(diǎn) 1、將HVPE與MOCVD的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，提出多腔分步生長(zhǎng)工藝原理，提高同質(zhì)襯底的制造品質(zhì)和效率；2、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)的基本規(guī)律，通過(guò)時(shí)空分離方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與能

32、場(chǎng)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制；3、建立接觸催化的高效原子級(jí)平坦化新方法；4、構(gòu)建功能材料驅(qū)動(dòng)的快速響應(yīng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高粘度納升級(jí)微滴噴射；5、建立復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法。5 課題設(shè)置課題1 ： 大尺寸同質(zhì)襯底生成及缺陷控制原理與裝備實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)： 研究非平衡快速生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程，建立大尺寸多片反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)中的多場(chǎng)耦合模型，實(shí)現(xiàn)11片系統(tǒng)低應(yīng)力和低位錯(cuò)密度的GaN自支撐襯底的實(shí)用化HVPE制備，并為更大尺寸反應(yīng)腔設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；晶圓厚度偏差5%，位錯(cuò)密度5106 /cm2；探索由高溫工藝腔聯(lián)接的多腔分步HVPE原理及實(shí)現(xiàn)方法。研究?jī)?nèi)容： （1） HVPE生長(zhǎng)非平衡態(tài)體系的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)模型及三維應(yīng)力模型

33、運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)分析方法，建立以溫度場(chǎng)和流場(chǎng)為主的晶體生長(zhǎng)模型，研究壓力及濃度對(duì)生長(zhǎng)模型的影響，從動(dòng)力學(xué)角度研究缺陷的產(chǎn)生和演化機(jī)理，抑制缺陷的產(chǎn)生與演化；建立三維應(yīng)力模型，揭示缺陷與應(yīng)力之間的相互關(guān)系。研究HVPE低成本制備復(fù)合襯底(GaN/藍(lán)寶石)方法，探索廣義同質(zhì)外延。（2） 大尺寸反應(yīng)腔流場(chǎng)與溫度場(chǎng)均勻性設(shè)計(jì) 研究反應(yīng)腔尺寸對(duì)溫度場(chǎng)的影響，采用逐步優(yōu)化的方法，實(shí)現(xiàn)溫場(chǎng)的均勻性控制；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)腔噴頭設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大尺寸流場(chǎng)的均勻性控制，提出大尺寸反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法。 （3） GaN厚膜厚度均勻性和晶體質(zhì)量均勻性控制 研究特定溫度和壓力條件下，反應(yīng)物濃度、流量和配比對(duì)生長(zhǎng)區(qū)域化

34、學(xué)反應(yīng)速率分布的影響；控制噴頭附近反應(yīng)物濃度的分布，抑制預(yù)反應(yīng)及副反應(yīng)的產(chǎn)生，揭示生長(zhǎng)工藝參數(shù)與晶體質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)系，實(shí)現(xiàn)GaN高速均勻生長(zhǎng)及晶體質(zhì)量的均勻性控制。 （4） 降低或阻斷應(yīng)力和缺陷生成的方法 通過(guò)插入應(yīng)力缺陷調(diào)節(jié)層，探索降低或阻斷應(yīng)力和缺陷生成的方法；研究插入調(diào)節(jié)層后缺陷產(chǎn)生和演化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)降低應(yīng)力和減少缺陷的目標(biāo)。 （5） 多腔分步HVPE原理裝置及工藝實(shí)現(xiàn) 利用由高溫工藝腔聯(lián)接的多個(gè)不同沉積速率反應(yīng)腔系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使晶體生長(zhǎng)過(guò)程中不同沉積速率與反應(yīng)腔噴頭、流量控制精度相匹配，以實(shí)現(xiàn)低缺陷密度控制并批量獲得高質(zhì)量GaN襯底。結(jié)合反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)，研究適用于大尺寸高速生長(zhǎng)的新型反應(yīng)源及配套

35、大容量長(zhǎng)周期使用的尾氣處理控制技術(shù)，突破反應(yīng)源容量和尾氣管路封堵對(duì)單次生長(zhǎng)厚度的限制，實(shí)現(xiàn)大尺寸厚膜的生長(zhǎng)工藝。經(jīng)費(fèi)比例： 18% 承擔(dān)單位： 北京大學(xué)、深圳清華大學(xué)研究院 課題負(fù)責(zé)人： 童玉珍 學(xué)術(shù)骨干： 段慧玲、敬剛、劉鵬、王德保課題2 ：超硬襯底低缺陷、高效去除平坦化新原理與裝備實(shí)現(xiàn)研究目標(biāo)： 根據(jù)LED芯片制造對(duì)襯底晶圓高效率平坦化和近極限光滑表面質(zhì)量的極高要求，以及晶圓材料（藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵等）高化學(xué)穩(wěn)定性、高硬度、難加工的特性，在已有化學(xué)機(jī)械拋光研究的基礎(chǔ)上，提出基于接觸催化原理和極小納米拋光粒子相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)LED襯底晶圓高效、原子級(jí)光滑表面的平坦化原理與技術(shù)，通過(guò)研制和運(yùn)用

36、具有催化作用拋光墊和拋光粒子以及極小納米拋光粒子，研究超硬、難加工襯底晶圓材料高效、原子級(jí)去除機(jī)理與方法，探索下一代LED芯片制造中襯底材料高效去除、原子級(jí)光滑表面平坦化的有效方法和途徑。研究?jī)?nèi)容：（1） 基于接觸催化原理的高效平坦化方法 研制基于接觸催化原理的拋光墊、拋光粒子，對(duì)其物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征；研究基于接觸催化的平坦化體系中難加工材料的催化反應(yīng)效應(yīng)，探索催化活性?huà)伖鈮|、復(fù)合拋光粒子對(duì)襯底材料的催化作用規(guī)律；研究平坦化中機(jī)械摩擦、化學(xué)反應(yīng)、溫度變化與襯底材料接觸催化作用的關(guān)系規(guī)律，揭示襯底材料快速去除機(jī)理和高效平坦化方法。 （2） 超硬、難加工襯底材料的原子尺度去除機(jī)制 在平坦化中引

37、入尺度為幾納米甚至1 納米的極小納米粒子作為磨粒，其作用于材料表面的深度為原子量級(jí)；研究平坦化中極小納米粒子的行為規(guī)律與作用機(jī)制，揭示表面間的摩擦化學(xué)和機(jī)械的耦合作用對(duì)原子尺度材料去除的影響，實(shí)現(xiàn)晶圓表面原子級(jí)尺度去除。 （3）平坦化中界面行為與損傷控制 研究平坦化中加工表面間納米固體顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和納米二相流的流動(dòng)規(guī)律，研究環(huán)境溫度、下壓力、表面相互運(yùn)動(dòng)速度等因素對(duì)表面去除速率和表面質(zhì)量的影響，探討平坦化過(guò)程中的缺陷產(chǎn)生機(jī)理及其控制方法。 （4）基于催化原理的平坦化原理裝置及工藝實(shí)現(xiàn)進(jìn)行基于接觸催化機(jī)制的平坦化原理裝置的設(shè)計(jì)、制造；研究平坦化參量（壓力、轉(zhuǎn)速、溫度等）與材料去除速率、表面質(zhì)量

38、等的關(guān)系規(guī)律，并結(jié)合拋光墊、拋光液優(yōu)化，獲得化學(xué)與機(jī)械作用均衡的平坦化工藝。 （5）探索GaN襯底制備中表面平坦化原理探索GaN襯底材料去除機(jī)制；研究平坦化中磨料性質(zhì)、壓力、溫度等工藝參量與材料去除速率、表面性質(zhì)之間的關(guān)系規(guī)律，實(shí)現(xiàn)GaN表面平坦化。經(jīng)費(fèi)比例： 14% 承擔(dān)單位： 深圳清華大學(xué)研究院、清華大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 潘國(guó)順 學(xué)術(shù)骨干： 溫詩(shī)鑄、路新春、李屹 課題3 ： MOCVD新型反應(yīng)腔設(shè)計(jì)、LED缺陷抑制和量子效率調(diào)控研究目標(biāo)： 面向220 lm/W及以上的高光效高可靠LED制造技術(shù)，在反應(yīng)腔設(shè)計(jì)方法（原理）上取得重大突破，通過(guò)精確建模仿真，建立多場(chǎng)（流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)、濃度場(chǎng)等）

39、耦合下MOCVD反應(yīng)腔的幾何構(gòu)造、氣體輸運(yùn)方式與三性問(wèn)題（均勻性、一致性、重復(fù)性）的本構(gòu)關(guān)系，并應(yīng)用于大尺寸、多片、高性?xún)r(jià)比的反應(yīng)腔原理裝置制造之中，通過(guò)原理裝置的生長(zhǎng)試驗(yàn)，獲取大尺寸晶圓外延生長(zhǎng)工藝參數(shù)以?xún)?yōu)化反應(yīng)腔設(shè)計(jì)；揭示大尺寸晶圓外延生長(zhǎng)中的缺陷控制機(jī)理及LED量子效率衰減的物理機(jī)制，探索晶圓剝離/鍵合制造工藝和新型透明電極制造方法以改善LED出光效率和控制LED閾值電壓，為實(shí)現(xiàn)MOCVD反應(yīng)腔和高性能LED外延芯片制造提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。研究?jī)?nèi)容：（1）大尺寸多晶圓MOCVD反應(yīng)腔設(shè)計(jì)仿真與實(shí)現(xiàn) 通過(guò)精確建模仿真，研究多場(chǎng)耦合環(huán)境下反應(yīng)腔的幾何構(gòu)造、氣體輸運(yùn)方式與工藝參數(shù)的關(guān)系，解

40、決外延生長(zhǎng)中厚度均勻性、波長(zhǎng)一致性和生長(zhǎng)可重復(fù)性等問(wèn)題，獲取反應(yīng)腔設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，通過(guò)原理裝置生長(zhǎng)試驗(yàn)，改進(jìn)反應(yīng)腔設(shè)計(jì)，并提出腔體尺寸可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)方法（原理），建立溫度和反應(yīng)劑氣流分配智能控制和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，同時(shí)建立與大尺寸多晶圓反應(yīng)腔相匹配的裝卸片快速導(dǎo)入機(jī)構(gòu)及相應(yīng)工藝。 （2）大尺寸晶圓外延生長(zhǎng)中的缺陷演變機(jī)理及控制 通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)等模擬分析方法，建立包括流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)等物理場(chǎng)耦合的外延生長(zhǎng)模型，系統(tǒng)研究不同尺度下外延生長(zhǎng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示外延生長(zhǎng)中尺寸效應(yīng)、變形、應(yīng)力和缺陷與表面、界面的相互作用及其規(guī)律，剖析生長(zhǎng)界面原子排列，研究大尺寸外延生長(zhǎng)中的缺陷抑制機(jī)理，揭示生長(zhǎng)

41、缺陷與LED內(nèi)量子效率衰減的內(nèi)在聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)低缺陷密度、大尺寸、優(yōu)質(zhì)LED晶圓制造。 （3）LED發(fā)光復(fù)合機(jī)制與量子效率調(diào)控研究LED量子阱的發(fā)光特性與載流子的復(fù)合動(dòng)力學(xué)，揭示缺陷、組分、摻雜、阱寬、量子限制效應(yīng)、應(yīng)力誘導(dǎo)內(nèi)電場(chǎng)與內(nèi)量子效率的相關(guān)性；深入研究大電流下的量子效率衰減的物理機(jī)制，探索LED量子效率調(diào)控的新途徑。 （4）表面微納結(jié)構(gòu)透明薄膜電極制造和運(yùn)用表面粗化以提高出光效率研究大尺寸GaN基 LED表面的新型透明薄膜電極（ZnO、石墨稀）生長(zhǎng)機(jī)理；通過(guò)表面化學(xué)處理、界面納米調(diào)控等手段實(shí)現(xiàn)高性能LED芯片電極制備，明確新型電極材料與p-GaN的歐姆接觸機(jī)制；探索LED薄膜電極表面上納米

42、結(jié)構(gòu)自生長(zhǎng)方法，以提高LED出光效率，研究表面納米結(jié)構(gòu)特征對(duì)表面出光效率的影響。 （5）晶圓剝離/鍵合界面制造工藝與損傷控制 研究芯片制造中襯底剝離過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變行為，揭示剝離過(guò)程中缺陷、損傷控制機(jī)制，研究溫度場(chǎng)（能量）在剝離界面上的二維分布特性，獲得最佳剝離工藝參數(shù)（能量、作用時(shí)間、作用深度等），探索不同襯底材料的剝離方法，改善剝離成品率。研究溫度、壓力、能量等工藝參數(shù)對(duì)界面性能和可靠性的影響，揭示多物理場(chǎng)復(fù)合作用下鍵合界面形成機(jī)理。經(jīng)費(fèi)比例： 18% 承擔(dān)單位： 華中科技大學(xué)、上海大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 甘志銀學(xué)術(shù)骨干： 張建華、張鴻海、方海生、李喜峰課題4 ： 封裝裝備執(zhí)行系統(tǒng)的多參數(shù)耦合

43、設(shè)計(jì)及高加速度復(fù)合運(yùn)動(dòng)生成研究目標(biāo)： 揭示粉膠(熒光粉/硅膠)兩相流體在復(fù)雜多能場(chǎng)環(huán)境下的微滴形成機(jī)理，研究噴針/噴嘴等流道參數(shù)對(duì)微滴噴出過(guò)程的影響規(guī)律，通過(guò)新型功能材料實(shí)現(xiàn)噴針超高加速運(yùn)動(dòng)，提出高粘度粉膠納升微滴噴出新方法；建立力位切換過(guò)程的復(fù)合控制模型，提出柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法和高速柔性鍵合的集成控制方法。 研究?jī)?nèi)容：（1）粉膠兩相光介質(zhì)流變特性和納升級(jí)微滴形成機(jī)制 研究溫度、剪切速率、熒光粉濃度等對(duì)粉膠兩相流體流變特性的影響，及約束空間幾何參數(shù)、噴針加速度、供膠壓力、熒光粉沉淀等因素對(duì)粉膠流動(dòng)特性的影響，研究粉膠在噴嘴外的自由流動(dòng)、膠滴形成及分離規(guī)律，揭示納升級(jí)粉膠微滴形成機(jī)制

44、。 （2）噴針超高加速度驅(qū)動(dòng)新原理及新系統(tǒng) 研究基于智能材料驅(qū)動(dòng)的噴針超高加速度驅(qū)動(dòng)新原理；研究高剛度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高壽命的運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)；研究驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)對(duì)噴針運(yùn)動(dòng)的影響規(guī)律；設(shè)計(jì)噴針驅(qū)動(dòng)新系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)噴針的超高加速度運(yùn)動(dòng)。 （3）高速?lài)娔z閥的多場(chǎng)耦合設(shè)計(jì)與高速?lài)娔z工藝研究 建立高速?lài)娚潼c(diǎn)膠閥的全過(guò)程、多參數(shù)耦合模型，研究關(guān)鍵參數(shù)及其誤差對(duì)膠滴噴出、膠量及其一致性的影響規(guī)律；研制基于新驅(qū)動(dòng)原理的高速?lài)娚潼c(diǎn)膠閥與點(diǎn)膠原理裝置；基于高速攝像系統(tǒng)開(kāi)展納升級(jí)微量粉膠噴射點(diǎn)膠過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究，優(yōu)化粉膠噴射點(diǎn)膠系統(tǒng)與工藝，實(shí)現(xiàn)粉膠光介質(zhì)微量噴射點(diǎn)膠。 （4）高速輕柔鍵合機(jī)構(gòu)構(gòu)型與綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

45、針對(duì)鍵合過(guò)程中的力/位控制過(guò)程，研究柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)型理論方法、拓?fù)鋬?yōu)化方法，分析機(jī)構(gòu)的位形空間與運(yùn)動(dòng)特性，建立基于黎曼度量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；建立高速輕柔鍵合機(jī)構(gòu)的構(gòu)型和控制的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)框架。（5） 高速鍵合過(guò)程力位切換與柔性接觸精確控制 研究柔性并聯(lián)機(jī)構(gòu)在高速力位切換過(guò)程的動(dòng)態(tài)行為和寬頻振動(dòng)特性；研究高速高加速運(yùn)動(dòng)中機(jī)構(gòu)彈性變形、熱變形、芯片厚度不均等不確定因素對(duì)鍵合的影響規(guī)律；探索鍵合運(yùn)動(dòng)切換過(guò)程機(jī)構(gòu)的快速響應(yīng)機(jī)制與變搜索區(qū)間微接觸力的加載規(guī)律，實(shí)現(xiàn)高速?gòu)?fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的柔性精確控制。經(jīng)費(fèi)比例： 20%承擔(dān)單位： 中南大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 李涵雄 學(xué)術(shù)骨干： 陳新、鄧圭玲、高健、

46、王福亮、趙翼翔、鄭煜課題5 ： LED精簡(jiǎn)熱模型（CTM）及跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)集成研究目標(biāo)： 面向大功率LED器件，針對(duì)其工作狀況下熱流密度大，結(jié)溫穩(wěn)定控制難等問(wèn)題，研究從芯片至環(huán)境的傳熱/散熱，建立LED封裝和應(yīng)用的精簡(jiǎn)熱模型(CTM)，并形成封裝結(jié)構(gòu)熱特性的評(píng)價(jià)方法。分析溫度梯度劇烈變化的形成機(jī)制并提出基于蒸汽腔均熱基板的抑制措施。研究基于微熱管和微流控技術(shù)的熱量輸運(yùn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)LED器件的高效、穩(wěn)定的熱流輸運(yùn)。融合微納制造和表面改性等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造，為未來(lái)大功率、高性能LED器件的熱管理和可靠性控制提供理論與技術(shù)支撐。研究?jī)?nèi)容：（1）建立從芯片至環(huán)境的傳熱/散熱模

47、型，形成封裝結(jié)構(gòu)熱特性的評(píng)價(jià)依據(jù) 大功率LED封裝熱管理涉及界面的接觸熱阻和擴(kuò)散熱阻。封裝方式、界面的接觸形式、各層材料的特性和相對(duì)分布情況都影響著上述熱阻和LED封裝熱管理。依據(jù)導(dǎo)熱基本微分方程，結(jié)合LED封裝界面特性，推導(dǎo)雙面冷卻擴(kuò)散熱阻公式，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。 （2）溫度梯度劇烈變化形成機(jī)制與抑制措施 劇烈的溫度梯度變化是產(chǎn)生熱應(yīng)力的原因之一，而溫度梯度的變化和界面處的接觸熱阻、擴(kuò)散熱阻有著密切的關(guān)系，在前述模型基礎(chǔ)上，基于蒸汽腔工作原理，利用銅粉燒結(jié)、擴(kuò)散鍵合和直接銅鍵合陶瓷技術(shù)，開(kāi)發(fā)具有均熱性質(zhì)的LED基板。 （3）提高熱量輸運(yùn)效率的

48、微熱管設(shè)計(jì)與制造 分析結(jié)構(gòu)尺寸、表面特性等對(duì)熱交換能力的影響，研究表面微納結(jié)構(gòu)對(duì)熱管工質(zhì)毛細(xì)牽引力的影響規(guī)律，建立微熱管壁表面能與工質(zhì)循環(huán)流動(dòng)以及熱量輸運(yùn)特性模型，提高在微流場(chǎng)特定尺度效應(yīng)下的熱量輸運(yùn)能力。采用拓?fù)鋬?yōu)化的方法，借助數(shù)值分析和仿真，使用Conventer WareTM模擬微通道網(wǎng)絡(luò)中的微流體特性，充分考慮重力、粘附力等的影響對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)優(yōu)化，設(shè)計(jì)微通道的散熱架構(gòu)，形成面向熱量輸運(yùn)的微流控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。 （4）跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)與基板的集成制造 對(duì)各個(gè)單元相互之間的連接及在LED器件上的集成封裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，融合微納制造和表面改性等相關(guān)技術(shù)，研究微熱管和微流控?zé)崃枯斶\(yùn)系統(tǒng)制造中的關(guān)

49、鍵工藝。采用跨尺度制造，融合消減和生長(zhǎng)方式實(shí)現(xiàn)具有不同親、疏水特性表面微納結(jié)構(gòu)的高精度制造。在關(guān)鍵制造工藝的基礎(chǔ)上，最終形成熱輸運(yùn)系統(tǒng)與散熱基板的集成制造工藝。經(jīng)費(fèi)比例： 15%承擔(dān)單位： 大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)課題負(fù)責(zé)人： 王曉東學(xué)術(shù)骨干： 羅小兵、羅 怡、王大志、范愛(ài)武課題6 ： LED復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法及可靠性制約因素耦合規(guī)律研究目標(biāo)： 建立基于多因素（電流、溫度、濕度、振動(dòng)、高低溫沖擊等）復(fù)合的LED器件加速壽命試驗(yàn)方法和系統(tǒng)，并通過(guò)多場(chǎng)（光、熱、電、應(yīng)力、濕氣等）耦合的可靠性試驗(yàn)，結(jié)合非線(xiàn)性建模仿真，建立LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法，揭示制造過(guò)程（工藝）多參數(shù)與LED

50、器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制，為大功率LED器件的高品質(zhì)制造提供優(yōu)化的可靠性加速試驗(yàn)與測(cè)試方法、儀器及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。研究?jī)?nèi)容： （1） LED器件復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法 構(gòu)建基于高溫（熱過(guò)應(yīng)力）、大電流（電過(guò)應(yīng)力）、濕度、振動(dòng)沖擊、溫度交變沖擊等交替變化參量的加速壽命試驗(yàn)方法，為多參數(shù)集成LED器件加速可靠性試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng)提供理論依據(jù)。（2） LED器件多參數(shù)復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)及測(cè)試系統(tǒng) 基于加速老化多參量耦合原理的測(cè)試試驗(yàn)方法，動(dòng)態(tài)測(cè)量光通量、發(fā)光光譜、色溫、顯色指數(shù)（照明）、色純度、主波長(zhǎng)、峰值波長(zhǎng)、光強(qiáng)、配光曲線(xiàn)、電流、電壓、功耗、結(jié)溫、熱阻等性能參數(shù)，建立具有準(zhǔn)確性、重復(fù)性、一致性特性的L

51、ED器件多參數(shù)集成交變可靠性加速試驗(yàn)和測(cè)試系統(tǒng)，從而為研究多因素引發(fā)失效機(jī)制及關(guān)聯(lián)關(guān)系提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （3）多因素耦合作用制約可靠性機(jī)制 在可靠性試驗(yàn)研究和綜合分析的基礎(chǔ)上，研究多參數(shù)耦合同時(shí)作用導(dǎo)致LED器件失效的機(jī)制，建立多參量發(fā)生作用的耦合關(guān)系，探索多因素耦合作用制約可靠性的機(jī)制。 （4）關(guān)鍵制造過(guò)程與LED器件可靠性的關(guān)聯(lián)機(jī)制 基于復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速試驗(yàn)，開(kāi)展典型LED器件的可靠性與失效機(jī)理研究，建立模塊化、系統(tǒng)化失效分析數(shù)據(jù)庫(kù)，著重研究關(guān)鍵制造過(guò)程（工藝）對(duì)器件可靠性的影響；研究LED器件的可靠性與關(guān)鍵制造工藝的相互關(guān)系，并通過(guò)失效機(jī)理研究，揭示制造工藝對(duì)LED器件失效的作用規(guī)律。 （5

52、）LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法 通過(guò)理論建模，分析各因素的加速因子和耦合加載后的加速因子，開(kāi)展LED器件可靠性快速準(zhǔn)確評(píng)估方法研究，推算LED產(chǎn)品在相應(yīng)服役環(huán)境中的壽命。 經(jīng)費(fèi)比例： 15% 承擔(dān)單位： 深圳清華大學(xué)研究院、深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院 課題負(fù)責(zé)人： 劉 巖 學(xué)術(shù)骨干： 張超、劉淮源、孫學(xué)明 6 課題間關(guān)系 根據(jù)三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和研究?jī)?nèi)容設(shè)置六個(gè)課題。課題設(shè)置思路及相互關(guān)系如下圖所示。課題一：大尺寸同質(zhì)襯底缺陷控制原理與裝備技術(shù)挑戰(zhàn)問(wèn)題一：大尺寸LED晶圓制造中缺陷形成機(jī)理及抑制問(wèn)題二：超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制課題二：超硬、難加工襯底低缺陷、高效平坦化課題三：M

53、OCVD新型反應(yīng)腔與缺陷抑制課題四：封裝執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合設(shè)計(jì)課題六：復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)及可靠性制約因素耦合規(guī)律超硬難加工材料原子級(jí)光滑表面超低缺陷密度晶圓制造 跨尺度微熱管制造及低熱阻封裝納升級(jí)高粘性流體高速運(yùn)動(dòng)控制課題五：跨尺度熱輸運(yùn)系統(tǒng)集成 制造復(fù)合過(guò)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)問(wèn)題三：LED器件熱流控制機(jī)制與可靠性制約因素耦合規(guī)律科學(xué)問(wèn)題高性能LED制造理論基礎(chǔ)總體目標(biāo)為高性能LED制造提供理論和技術(shù)支撐關(guān)鍵技術(shù)平臺(tái)針對(duì)第一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，即大尺寸LED晶圓制造中缺陷形成機(jī)理及抑制，提出新的制造原理和方法，并通過(guò)裝備設(shè)計(jì)和制造，使新的制造原理和方法得以實(shí)現(xiàn)。主要從物理層面入手，將解決重大科學(xué)問(wèn)題與

54、突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸相結(jié)合，為解決LED制造前端三大關(guān)鍵問(wèn)題，即大尺寸同質(zhì)襯底制備、超硬難加工襯底材料晶圓高效平坦化及外延層缺陷問(wèn)題提供新的解決方法和技術(shù)。因此，設(shè)置三個(gè)研究課題。 針對(duì)科學(xué)問(wèn)題之二，即超快響應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)多參數(shù)耦合機(jī)制及精確控制，設(shè)置課題四，主要解決超快點(diǎn)膠和高速度鍵合的裝備實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 針對(duì)科學(xué)問(wèn)題三，即LED器件熱流控制機(jī)制與可靠性制約因素耦合規(guī)律，設(shè)置課題五和課題六。主要針對(duì)LED制造的普遍共性基礎(chǔ)問(wèn)題，即熱管理和可靠性問(wèn)題開(kāi)展研究，獲得最終產(chǎn)品評(píng)價(jià)方法和設(shè)備，并形成對(duì)前二個(gè)科學(xué)問(wèn)題研究的反饋。 課題之間的關(guān)系是：課題一、課題二和課題三針對(duì)LED制造鏈的上游，揭示襯底及外延制造過(guò)程缺陷對(duì)發(fā)光效率的影響機(jī)制和規(guī)律，提出LED制造中缺陷控制的新原理和方法，并建立原理裝置，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破；課題四針對(duì)LED制造鏈的中游，主要解決LED封裝設(shè)備中執(zhí)行系統(tǒng)的原理及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)高性能封裝裝備提供新的途徑；課題五、六以制造鏈下游的最終產(chǎn)品為主要研究對(duì)象，同時(shí)把之前制造環(huán)節(jié)中的熱問(wèn)題和可靠性問(wèn)題的因素加以貫穿研究，并形成對(duì)前4個(gè)課題的驗(yàn)證反饋，使之根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果不斷深入。六個(gè)課題在對(duì)應(yīng)LED制造鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及研究