Al2O3

蓝宝石基片制造工艺流程 晶棒
机械加工
基片
定向:在切片机上准确定位蓝宝石晶棒的位置,以便于精准切片加工 切片:将蓝宝石晶棒切成薄薄的晶片 研磨:去除切片时造成的晶片切割损伤层及改善晶片的平坦度 倒角:将晶片边缘修整成圆弧状,改善薄片边缘的机械强度,避免应力集中造成缺陷 抛光:改善晶片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度 清洗:清除晶片表面的污染物(如:微尘颗粒,金属,有机玷污物等) 品检:以高精密检测仪器检验晶片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
蓝宝石切面图图
晶体结构图上视图
晶体结构侧视图
Al2O3分之结构图
蓝宝石结晶面示意图
最常用来做GaN磊晶的是C面(0001)这个不具极性的面,所以GaN的极性 将由制程决定 (a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看
蓝宝石(Al2O3)特性表
分子式 密度 晶体结构 晶格常数 莫氏硬度 熔点 沸点 热膨胀系数 比热
2:图案化蓝宝石基板 (Pattern Sapphire Substrate简称PSS)
以蚀刻(在蓝宝石C面干式蚀刻/湿式蚀刻)的方式,在蓝宝石基板上设计制 作出微米级或纳米级的具有微结构特定规则的图案,藉以控制LED之输 出光形式(蓝宝石基板上的凹凸图案会产生光散射或折射的效果增加 光的取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊 晶的效果,减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质 量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于一般蓝宝 石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前台湾生产图案化蓝宝石有 中美矽晶、合晶、兆晶，兆达.蓝宝石基板中2/4英寸是成熟产品,价 格逐渐稳定,而大尺寸(如6/8英寸)的普通蓝宝石基板与2英寸图案化 蓝宝石基板处于成长期,价格也较高,其生产商也是主推大尺寸与图案 化蓝宝石基板,同时也积极增加产能.目前大陆还没有厂家能生产出图 案化蓝宝石基板.
B:台湾中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 对M轴偏离角度 Off-set Angle toward M-axis 对A轴偏离角度 Off-set Angle toward A-axis 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 表面总平整度TIR 弯曲度 翘曲度 WARP BOW
2 蓝宝石晶体的生长方法 蓝宝石晶体的生长方法常用的有两种: 1:柴氏拉晶法(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔 化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤的固液界面 上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶 体结构的单晶。晶种同时以极缓慢的速度往上拉升，并伴随以一定的转速旋 转，随着晶种的向上拉升，熔汤逐渐凝固于晶种的液固界面上，进而形成一 轴对称的单晶晶锭. 2:凯氏长晶法(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理 与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔 汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与 熔汤的固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构的单晶，晶种以极缓慢的速 度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面的 凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式 来使单晶从上方逐渐往下凝固，最后凝固成一整个单晶晶碇.
定位面方向 Primary Flalat Length
正面 Front Surface 表面粗糙度 Surface Roughness 背面 包装 Backside Package
16±1.2mm
epi-ready polished （外延开盒即用） Ra＜0.3nm Ra=0.5~1.2μ m 洁净室内真空冲氮包装
LED蓝宝石基板介绍 1:蓝宝石详细介绍
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价 键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构.它常被应用的切面有APlane,C-Plane及R-Plane.由于蓝宝石的光学穿透带很宽,从近紫外光 (190nm)到中红外线都具有很好的透光性.因此被大量用在光学元件、红 外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它具有高声速、耐高温、 抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045℃）等特点，它是一种相当 难加工的材料，因此常被用来作为光电元件的材料。目前超高亮度白/蓝 光LED的品质取决于氮化镓磊晶(GaN)的材料品质，而氮化镓磊晶品质则 与所使用的蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3 )C面 与Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉积薄膜之间的晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊 晶制程中耐高温的要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED的关键 材料. 下图则分别为蓝宝石的切面图;晶体结构图上视图;晶体结构侧视图; Al2O3分之结构图;蓝宝石结晶面示意图
1:C-Plane蓝宝石基板
C-Plane蓝宝石基板是普遍使用的蓝宝石基板.1993年日本的赤崎勇教授 与当时在日亚化学的中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板 晶格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年 底日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后的几年里日亚化学以蓝宝石 为基板,使用InGaN材料,通过MOCVD 技术并不断加以改进蓝宝石基板 与磊晶技术,提高蓝光的发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999 年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。从而奠定了日 亚化学在LED领域的先头地位. 台湾紧紧跟随日本的LED技术,台湾LED的发展先是从日本购买外延片加工, 进而买来MOCVD机台和蓝宝石基板来进行磊晶,之后台湾本土厂商又对 蓝宝石晶体的生长和加工技术进行研究生产,通过自主研发,取得LED 专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板,外延片的生产,外延片的 加工等等自主的生产技术能力,一步一步奠定了台湾在LED上游业务中 的重要地位. 目前大部分的蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本台湾为代表的使用蓝宝 石基板进行MOCVD磊晶生产的产品.使得蓝宝石基板有很大的普遍性, 以美国Cree公司使用SiC为基板为代表的LED产品则跟随其后.
Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k (仅次于钻石:10)
热导率
折射率 dn/dt 透光特性 介电常数
25.12W/m/k (@ 100℃)
no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) T≈80% (0.3～5μ m) 11.5(∥c), 9.3(⊥c)
A:台湾兆晶科技股份有限公司C面2英寸蓝宝石基板技术参数
项目 Item 规格 Specifications
材料 Material 晶向 Orientation 直径 Dismeter 厚度 Thickness 总厚度偏差 TTV 翘曲度 BOW
高纯度（> 99。996%） 单晶Al2O3， C轴（0001）±0.3° 50.8±0.2mm 330μ m/430μ m±25μ m ＜10μ m ＜10μ m A面（11-20）±0.5 °
图10:半极性和无极性面的简单示意图
无极性面是指极性面法线方向上的面，而半极性面则是介于 极性面和无极性面之间的面
5 蓝宝石基板的主要技术参数 外延片厂家因为技术及工艺的不同,对蓝宝石基板的要求也 不同,比如厚度,晶向等. 下面列出几个厂家生产的蓝宝石基板的一些基础技术参数 (以成熟的C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多的则是外延 片厂家根据自身的技术特点以及所生产的外延片质量要求 来向蓝宝石基板厂家定制合乎自身使用要求的蓝宝石基板. 即客户定制化. 分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限公司 B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限公司 C:美国 Crystal systems 公司 D:俄罗斯 Cradley Crystals公司
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
3:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板
通常，C面蓝宝石衬底上生长的ＧａＮ薄膜是沿着其极性轴即ｃ轴方向生长的， 薄膜具有自发极化和压电极化效应，导致薄膜内部(有源层量子阱)产生强 大的内建电场，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效应)大 大地降低了ＧａＮ薄膜的发光效率. 在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面) 和其他一些特殊衬底(如铝酸锂;LiAlO2 )上生长的GaN薄膜是非极性和半极 性的,上述由极化场引起的在发光器件中产生的负面效应将得到部分甚至 完全的改善.传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若 把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生的内建电场平行于 磊晶层，以增加电子电洞对复合的机率。因此，以氮化物磊晶薄膜为主的 LED结构成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统的C面蓝宝石 磊晶,将可有效解决LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件的发光 强度。最新消息据称非极性LED能使白光的发光效率提高两倍. 由于无极性ＧａＮ具有比传统c轴ＧａＮ更具有潜力来制作高效率元件,而许多 国际大厂与研究单位都加大了对此类磊晶技术的研究与生产.因此对于Rplane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增加. 下图为半极性和无极性面的简单示意图
高纯度单晶Al2O3， C面（0001）±0.3° 0.20 ± 0.05° 0.0 ± 0.1° 50.8±0.15mm 430μ m±15μ m ＜10μ m ≦ 10μ m ≦ 15μ m -10 ~ 0μ m
定位面方向 Primary Flat Location
定位面偏离角度Flat Off-set Angle 定位边长Primary Flat Length 表面粗糙度Frontside Surface Roughness 背面粗糙度 Backside Surface Roughness (Ra) 包装 Package
两种方法的晶体生长示意图如下:
柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图
图6
凯氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意图
图7
3 蓝宝石衬底加工流程
蓝宝石基片的原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶 体加工而成.其相关制造流程如下:
蓝宝石晶体 晶棒
晶棒
基片
蓝宝石晶棒制造工艺流程
蓝宝石晶棒加工流程
机械加工
晶体
晶棒
长晶: 利用长晶炉生长尺寸大且高品质的单晶蓝宝石晶体
定向: 确保蓝宝石晶体在掏棒机台上的正确位置,便于掏棒加工
掏棒: 以特定方式从蓝宝石晶体中掏取出蓝宝石晶棒
滚磨: 用外圆磨床进行晶棒的外圆磨削,得到精确的外圆尺寸精度
品检: 确保晶棒品质以及以及掏取后的晶棒尺寸与方位是否合客户规格
4 蓝宝石基板应用种类 广大外延片厂家使用的蓝宝石基片分为三种:
1:C-Plane蓝宝石基板 这是广大厂家普遍使用的供GaN生长的蓝宝石基板面.这主要是因为 蓝宝石晶体沿C轴生长的工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在 C面进行磊晶的技术成熟稳定. 2:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板 主要用来生长非极性/半极性面GaN外延薄膜,以提高发光效率.通常 在蓝宝石基板上制备的GaN外延膜是沿c轴生长的，而c轴是GaN的极性 轴，导致GaN基器件有源层量子阱中出现很强的内建电场，发光效率 会因此降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效 率提高。 3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS) 以成长(Growth)或蚀刻(Etching)的方式,在蓝宝石基板上设计制作 出纳米级特定规则的微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同 时减少生长在蓝宝石基板上GaN之间的差排缺陷，改善磊晶质量，并 提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。