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Quel est le processus de la fabrication LED ? Pureté et variabilité

Comprendre le processus de la fabrication LED et des composants semi-conducteurs. Atmosphère, variabilité de production et méthodologies de fabrication.
par Thomas Merelle11 septembre 2017

Dans l’industrie optoélectronique, tout comme dans celle du semi-conducteur, la fabrication LED comme ses composants est effectuée dans une salle blanche. Objectif : minimiser au maximum la présence de poussière ou de particules durant la fabrication. En effet, l’adhérence de particules microscopiques sur la surface des plaques de semi-conducteurs, entre deux étapes de fabrication, peut induire des soucis de fonctionnalité, de fiabilité ou de variabilité.

Salle blanche de fabricant de micro-électronique avec la trame de filtres à air en plafond – Photo : Rudolf Simon, M+W Group, Wikipédia

Les opérateurs en salle blanche sont aussi obligés de porter des combinaisons intégrales ainsi que des masques afin d’éviter tout dépôt de particules organiques, tels que des cheveux, des squames de peau…

Pureté de l’atmosphère de fabrication

Comme le montre le tableau suivant, différentes classes de salles blanches aux normes ISO 14644-1 correspondent à différents besoins de pureté, selon le nombre de particules au mètre cube. Le classement va de la fabrication de technologies anciennes, en passant par les LEDs, jusqu’aux technologies les plus avancées de semi-conducteur. Le nœud technologique le plus avancé est actuellement le 14 nm.

Classement ISO en fonction du nombre de particules par mètre cube – Source : Cleanroom, Wikipédia

Pour les LEDs, malgré ces précautions, la variabilité en termes :

  • de lumen,
  • de lumen par watt,
  • de point de couleur,
  • de tension,

existe sur un même lot de production. Elle peut varier de façon non négligeable.

Processus de fabrication LED

Les raisons d’une telle variabilité sont à rechercher dans le procédé de fabrication lui-même. Les LEDs sont fabriquées sur des plaques de semi-conducteur, les wafers en anglais, qui servent de substrat à la création des diodes.

Plaque de silicium polie Wafer – Photo : Selber Erstellt, Hebbe, Wikipédia

Durant la fabrication, une plaque passera par une série de machines. On distingue en particuliers :

  • Les machines de polissage – CMP tools : Chemical Mechanical Polishing – servant à polir la surface de la plaque entre deux étapes clés de fabrication.
  • Les réacteurs de croissance cristalline, autrement appelée épitaxie – MOCVD reactors.
  • Les machines à cycle de chauffage, dit de recuit, permettant de moduler le degré de recristallisation des matériaux après croissance – Annealing tools.

Variabilité de production des plaques LED

On distingue deux types de variabilité des LEDs :

  • de plaque à plaque
  • sur une même plaque, donc de LED à LED.

Variabilité de plaque à plaque

Dans la chaîne de production, pour un modèle de LED donné, il se verra attribuer une référence de série de chacune des machines. Ceci afin d’optimiser le flux de production en fonction des besoins de volume pour chaque modèle de LED. Mais la marque, le modèle ou la génération de la machine ainsi que son réglage – machines de haute précision ! – peut varier dans cette série attribuée à cette LED. Ce qui fait qu’une plaque peut potentiellement être soumise à un environnement de production différent de la suivante.

Pour pallier à ce problème, il est nécessaire de pouvoir stocker les informations de métrologie de toute la production et de faire une analyse statistique de ces données permettant d’identifier les machines donnant des performances différentes du reste et de pouvoir les inhiber afin de les faire passer en maintenance.

Variabilité de LED à LED

En bout de chaîne de production, une plaque est découpée en petits carrés de puce LED, dicing en anglais. Voici nos LEDs ! Mais il faut savoir que précédemment, durant les phases de polissage, de croissance cristalline ainsi que de recuit, il y aura toujours une distribution radiale – du centre vers l’extérieur du wafer – de l’efficacité du polissage, de la composition et de l’épaisseur de la phase cristalline ainsi que de la température de recuit. Ces différences, aussi faibles soient-elles, sont suffisantes pour induire une distribution des performances des LEDs issues d’une même plaque.

Plan d’une plaque Wafer montrant le découpage des puces LED – Dessin : Moxfyre, Wikipédia

Une analyse statistique sur un grand nombre de plaques permet de mettre en évidence ces distributions radiales au niveau des mesures de flux ou de point de couleur. Des techniques de compensation en fonction de la région du wafer – centre, milieu, périphérie – par exemple, en température pour les recuits, permettent de réduire ce type de variabilité.

Les deux types de variabilités vus ci-dessus forcent, quoi qu’il en soit, les fabricants de LEDs à procéder à un tri des LEDs en sortie d’usine, en fonction de leur performance. Ainsi, il leur permet de satisfaire les différents besoins de leurs clients mais aussi de vendre les meilleurs LEDs à des prix plus élevés. Nous appelons ce type de procédé le binning, qui sera le sujet d’un prochain article.

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Techniques d'éclairage Éclairage LED
Professions Fabricant
Supports Texte Photo Dessin
Fonction du lieu Industrie
Source Thomas Mérelle Light ZOOM Lumière
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Thomas Merelle
Thomas Merelle

Consultant chez Pi Lighting dans le domaine de la LED et de son utilisation dans des applications high-tech depuis 2015. Docteur en Physique du semiconducteur ayant travaillé pour cette industrie en France, en Belgique et en Allemagne durant 13 ans. Mes centres d’intérêt sont l’innovation technologique et ses applications concrètes, la géopolitique et les voyages.

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