Ingenieurskunst: HPA-Saphir als Plattform für die LED-Produktion

Jan 31, 2024

Hochreines Aluminiumoxid (HPA) ist ein Material, von dem Sie vielleicht noch nie gehört haben, aber es ist ein wichtiger, allgegenwärtiger Bestandteil unseres täglichen Lebens. Es ist der Hauptbestandteil bei der Herstellung von Saphirkristallen, die für Leuchtdioden (LEDs) von grundlegender Bedeutung sind – kleine Lichtquellen, die alles beleuchten, von unseren persönlichen Geräten bis hin zu unseren Städten.

Die Nachfrage nach HPA steigt aufgrund der steigenden Nachfrage nach Saphiren, angetrieben durch die LED-Industrie, stetig an. Der Wert von Saphiren als Material für die LED-Produktion lässt sich auf die folgenden vier Hauptgründe zusammenfassen:

Erstens hat Saphir eine ähnliche Kristallgitterdimension wie Galliumnitrid (GaN), das Hauptmaterial, das bei der Herstellung von blauen und weißen LEDs mit hoher Helligkeit verwendet wird. Diese Gitterkompatibilität führt zu weniger Strukturdefekten und erhöht dadurch die Effizienz der LED-Produktion.1

Ebenso ist Transparenz ein weiteres entscheidendes Merkmal, das sicherstellt, dass das erzeugte Licht nicht durch die Unterseite der LED behindert wird, was Saphir als LED-Substrat einen Vorteil gegenüber Silizium verschafft.

Darüber hinaus ist die hohe Wärmeleitfähigkeit von Saphir für LEDs von entscheidender Bedeutung, da diese im Betrieb Wärme erzeugen. Eine effiziente Wärmeableitung ist notwendig, um Schäden an der LED-Struktur zu verhindern und ihre Lebensdauer und Effizienz zu erhalten.

Schließlich ermöglichen die hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften von Saphir eine wirksame Isolierung der aktiven Teile der LED von anderen Komponenten, wodurch das Risiko elektrischer Kurzschlüsse verringert wird.

Der Weg vom hochreinen Aluminiumoxid zur LED ist komplex und faszinierend und erfordert eine Mischung aus Chemie, Technik und Präzisionsfertigung, die sich oft über internationale Grenzen erstreckt.

Die Produktionskette beginnt mit HPA, einem hochwertigen Aluminiumoxidpulver (Al2O3), das mit besonderem Augenmerk auf Reinheit hergestellt wird. 4N HPA (99,99 % rein) wird typischerweise für LED-Anwendungen verwendet, während eine noch reinere Variante, 5N HPA (99,999 % rein), für Optiken verwendet wird.

Die Reinheit von HPA ist nicht nur eine Zahl; Es ist der Grundstein einer erfolgreichen LED-Produktion. Schon kleinste Verunreinigungen können zu Mängeln im Endprodukt führen und die Leistung und Effizienz der LEDs beeinträchtigen.

Beispielsweise reagiert die LED-Produktion sehr empfindlich auf die Auswirkungen von Low Angle Grain Boundaries (LAGBs) – kleine Kristallkörner im Saphirwafer, die im Vergleich zum Hauptwafervolumen falsch ausgerichtet sind. Sie verringern die Haftung und beeinträchtigen die Strukturqualität der auf dem Saphirwafer abgeschiedenen Epitaxieschicht, wodurch die Leistung von LED-Geräten verringert wird. Die Reinheit des HPA hat einen direkten Einfluss auf das Auftreten solcher Defekte.

Ein weiterer Faktor, der für HPA-Nutzer immer wichtiger wird, ist die Aufrechterhaltung einer grünen Lieferkette ohne CO2-Emissionen.

Auf der Suche nach einem hochreinen und umweltfreundlichen hochreinen Aluminiumoxid sind Unternehmen wie Advanced Energy Minerals mit Sitz in Cap-Chat, Quebec, Kanada (Abb. 1) führend. Das Unternehmen bezieht Rohstoffe ausschließlich aus Wasserkraft und verpflichtet sich zu einer 100 % grünen HPA-Produktion, die ab dem dritten Quartal 2023 ausschließlich mit grüner Energie betrieben wird.

Die Herstellung synthetischer Saphirkristalle, sogenannte „Boules“, aus HPA-Pulver oder Monolithen ist ein komplexer Prozess, bei dem es auf die Größe ankommt.

Saphirkugeln dienen als Ausgangsmaterial für dünne Wafer (250–150 µm), die später bei der Produktion zu LED-Substraten werden. Der Durchmesser der fertigen LED-Wafer wird durch die Größe der Kugeln bestimmt. Dieser Durchmesser kann von 2 Zoll (heute fast veraltet) über 6 bis 8 Zoll (heute üblich) bis 12 Zoll (zukünftiger Standard) reichen.

Der Wettbewerb erfordert den Anbau größerer Kugeln, was wirtschaftlicher ist.

Zum Vergleich: Eine 90-kg-Kugel hat einen Kerndurchmesser von 8 Zoll, einen Bodendurchmesser von 30 cm und eine Höhe von 45 cm. Die größte zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels hergestellte Saphirkugel wiegt 800 kg und ist 70–80 cm hoch. Es wurde in China hergestellt (Abb. 2).

Der Anbau solcher Kugeln erfordert Präzision, Fachwissen und Zeit. Der LED-Saphir wird oft mit der Kyropoulos-Wachstumsmethode2 hergestellt, die die Herstellung der größten Kristalle höchster Qualität ermöglicht.

Der Prozess beginnt damit, dass ein leicht unvollständiger Saphirkeim mit hochreiner Aluminiumoxidschmelze bei etwa 2.050 °C (3.686 °F) in Kontakt kommt. Während der Kristall wächst, wird er von der Schmelze umgeben und wächst weiter, bis seine Oberfläche die Tiegelwände erreicht und angehoben wird, um den Wachstumszyklus neu zu starten. Diese Methode ermöglicht die Kristallisation bei geringen Temperaturgradienten, was zu geringeren thermischen Spannungen im Kristall führt.

Das Saphirwachstum erfordert einen erfahrenen Bediener, der über mehrere Monate geschult wird. Für eine 90-kg-Kugel dauert der Prozess 17 Tage – 8,5 Tage für das Wachstum des Kristalls und weitere 8,5 Tage für das Abkühlen, und für 800 kg ist es weit mehr als ein Monat.

Auch Nachhaltigkeit ist ein zentraler Bestandteil dieses Prozesses, da der Kristallzuchtofen 200 kW Strom oder sogar mehr verbrauchen kann. Der Saphirhersteller Alox Technology mit Sitz in Washougal im US-Bundesstaat Washington nutzt für die Kristallzüchtung Wasserkraft aus dem nahegelegenen Columbia River. Dies ist ein Beispiel dafür, wie die LED-Industrie nicht nur Produkte mit geringem Stromverbrauch herstellt, sondern auch die Umweltverträglichkeit fördert.

Das Wachstum einer Kugel ist lediglich der Anfang der Reise. Für die Kugeln von Alox Technology führt diese Reise von der Westküste der USA nach Riga, Lettland.

Damit aus der Kugel ein LED-Substrat wird, muss sie zunächst zu einem zylindrischen Kern oder „Entkern“ verarbeitet werden.

Zuvor muss jedoch sichergestellt werden, dass die Teile des Boule-Volumens, die für die Waferproduktion verwendet werden, frei von Fehlern wie kleinen Blasen, Rissen und Verunreinigungen sind. Hier kommt das Unternehmen Scientific Visual aus der Schweiz ins Spiel, das fortschrittliche Kristallinspektionsgeräte anbietet.

Die vollautomatischen 4-Achsen-Scanner von Scientific Visual prüfen große Saphirkugeln und erkennen interne Defekte mit einer Genauigkeit von bis zu 8 µm. Diese Scanner können Blasen, Strukturen, Wolken und andere ertragsbeeinträchtigende Mängel identifizieren und sie in einem 3D-Modell, einem sogenannten digitalen Zwilling, kodieren. Dieser digitale Zwilling ermöglicht eine rechnergestützte Optimierung zur Ermittlung der fehlerfreien Zonen, die sich am besten für die Bearbeitung eignen (Abb. 3). Dies maximiert die Ausbeute sowohl beim Entkernungs- als auch beim Wafering-Prozess.

Wenn beispielsweise ein extrahierter Kern nur wenige Defekte aufweist, ist deren Positionierung relativ zum Wafering-System wichtig. Wenn Sie die genauen Defektkoordinaten kennen, können Sie einen Kernversatz in der Wafermaschine berechnen, um mehr Defekte in den Sägespalten und außerhalb der zukünftigen Wafer zu positionieren. Ein solcher defektbewusster Wafering-Ansatz, bekannt als Smart Wafering, ermöglicht eine bis zu zweistellige Steigerung der defektfreien Waferproduktion, ohne dass neue Wafer angebaut oder gekauft werden müssen.3 Die einzige Voraussetzung dafür ist ein hochpräziser digitaler Zwilling des Kristalls.

Nach dem Entkernen werden die extrahierten Zylinder in dünne Scheiben mit einer Dicke von etwa 300–800 Mikrometern „gewaffelt“, je nach Durchmesser. Da Saphir eine Härte hat, die knapp unter der von Diamant liegt, werden zum Schneiden und Waferieren Diamantsägen und viel Energie benötigt. Anschließend werden die Wafer durch Prozesse wie Schleifen und Polieren weiter veredelt, um sie für die nächste Phase ihres Lebens in einer LED vorzubereiten.

Nach dem strengen Prüf- und Schneideprozess wird die Saphirkugel in dünne Wafer umgewandelt, die als LED-Epitaxie dienen. Jeder Wafer wird in eine auf 900 °C erhitzte Kammer gelegt, um die lichtemittierenden Schichten darauf wachsen zu lassen, wobei die Hochtemperaturstabilität des Saphirs ausgenutzt wird.

Die LED-Schichten bestehen üblicherweise aus GaN, AlGaN und InGaN. Diese Materialien haben thermische Ausdehnungskoeffizienten und chemische Beständigkeiten, die denen des Saphirwafers sehr ähnlich sein müssen. Die Verbindung von Saphir und lichtemittierenden Schichten ist das Ergebnis jahrelanger Forschung und Entwicklung.

Nach dem Aufwachsen der LED-Schichten durchläuft der Wafer eine Reihe von Schritten wie Lithographie, Maskierung und Ätzen, um die einzelnen Einheiten, die sogenannten „Dies“, auf die gewünschte Größe zu bringen, gefolgt von der Anbringung elektrischer Kontakte. Anschließend werden die LEDs gesägt, verpackt und direkt auf einer elektronischen Leiterplatte montiert.

Im gesamten Prozess kommt es auf Präzision an. Jeder Schritt, von der Herstellung des hochreinen Aluminiumoxids bis zur endgültigen LED-Produktion, hat Auswirkungen auf die Qualität des Endprodukts. Da wir uns der Produktion kleinerer Geräte wie Mikro-LEDs zuwenden, müssen diese Schritte noch präziser werden, um den miniaturisierten Abmessungen gerecht zu werden.

Mit dieser Miniaturisierung sieht sich die Industrie mit strengeren Standards für die Endprodukte konfrontiert. Dieser Welleneffekt auf die Endprodukte wirkt sich auf die ersten Produktionsschritte aus, beispielsweise auf die Produktion von hochreinem Aluminiumoxid.

Die Welt der LEDs ist nicht statisch; es entwickelt sich ständig weiter und verbessert sich. Die Entwicklung geht hin zu kleineren Geräten mit höherer Helligkeit.

Ein enger Verwandter der LED, die miniLED, zeichnet sich durch ihre geringere Größe aus. Eine MiniLED misst zwischen 100 und 200 Mikrometer an einer Seite,4 was zwar kleiner als eine typische LED ist, aber dennoch eine starke Leistung in Bezug auf Helligkeit und Effizienz bietet.

Die Zukunft der Display-Technologie wird oft mit microLEDs in Verbindung gebracht. Obwohl sie aufgrund der hohen Produktionskosten derzeit vor allem in High-End-Displays zu Hause sind, ist ihr Potenzial immens.

Jedes Subpixel (oder jede Diode) in einem microLED-Display wird einzeln gesteuert und strahlt Licht ohne Hintergrundbeleuchtung aus, ähnlich einem OLED-Display.5 Die Größe von microLEDs kann bis zu 3 µm betragen, wobei eine typische microLED etwa 10 µm misst. Um das ins rechte Licht zu rücken: Ein menschliches Haar ist typischerweise 70 +/- 20 µm dick.6

Die LED-Industrie ist ein dynamischer und sich schnell entwickelnder Bereich, in dem regelmäßig neue Technologien und Anwendungen auf den Markt kommen. Da die Nachfrage nach effizienteren, helleren und kleineren Lichtquellen weiter wächst, wird die Rolle von HPA und Saphir in der LED-Industrie immer wichtiger.

Im Jahr 2022 betrug die prognostizierte Gesamtmenge an hochreinem Aluminiumoxid etwa 35.000 Tonnen, wobei beträchtliche 30.000 Tonnen für die LED-Produktion vorgesehen sind.

Mit Blick auf das Jahr 2025 wird der Bedarf an HPA voraussichtlich auf 58.000 Tonnen steigen, wobei LEDs ganze 49.000 Tonnen bzw. stattliche 84 % der Gesamtmenge ausmachen. Bis 2028 wird die Nachfrage nach LEDs voraussichtlich beachtliche 85.000 Tonnen erreichen.7

Im Wesentlichen waren und bleiben LEDs ein entscheidender Markt für HPA, auch wenn neue Anwendungen entstehen und andere Märkte expandieren.

Laut der IMARC Group erreichte der Weltmarkt für Saphir im Jahr 2021 einen Wert von 903,3 Millionen US-Dollar. Sie gehen davon aus, dass diese Zahl bis 2027 auf 2.471,4 Mio. US-Dollar steigen wird, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 18,5 % im Zeitraum von 2022 bis 2027,8

*Der Autor kann für weitere Informationen kontaktiert werden: [email protected]

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der fünfzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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