人工蓝宝石加工介绍

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
图9:纳米图案化蓝宝石基板图
• 在半导体产业的发展中, 一般将Si、Ge 称为第一代电子材 料 • 而将GaA s、InP、GaP、InA s、A lA s 及其合金等称为 第二代电子材料; • 宽禁带(E g> 213eV ) 半导体材料近年来发展十分迅速, 成 为第三代电子材料, 主要包括SiC、ZnSe、金刚石和GaN 等. • 同第一、二代电子材料相比宽禁带半导体材料具有禁带宽 度大, 电子漂移饱和速度高, 介电常数小, 导热性能好等特 点,抗辐射、高频、大功率和高密度 • 非常适合制作集成的电子器件; 而利用其特有的禁带宽度, 还可以制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件.
除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
主要化学成分:Al2O3 晶体结构：六方晶格结构 掺杂不同的金属离子而呈现不同颜色 硬度：莫氏硬度9 熔点高 化学稳定性好 电绝缘性 透明度高（对近紫外到中红外的光都不吸收）
蓝宝石晶体生长方法
• 溶液生长
• 熔体生长 • 气相生长
紫氏拉晶法 即:提拉法(CZ)
凯氏长晶法 即:泡生法(KY) 热交换法(HEM)
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
热交换法装置示意图
热交换法的工艺流程 将装有原料的坩埚放在热交换器中心，籽 晶置于坩埚底部中心处并固定于热交换器 一端，加热坩埚内的原料至完全熔化。 由于氦气流过热交换器起冷却作用，籽 晶并不熔化。待温场稳定后逐渐加大氦气 流量，氦气从熔体中带走的热量随之增大， 使熔体延籽晶逐渐凝固并长大，同时逐渐 降低加热温度直至整个坩埚内的熔体全部 凝固。
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
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
项目
提拉法
泡生法
热交换法
晶体形状
棒状
受尺寸限制， 目前直径和有 效长度均小于 150mm
梨状
梨状
晶体尺寸
较大尺寸，目前 一般为35~90Kg
大尺寸，目前 一般为65~ 100Kg
晶体质量
好
较好
需退火处Baidu Nhomakorabea、掏 棒，再切棒、 切片
好
需退火处理、 掏棒，再切 棒、切片
后续加工
直接切棒、 切片
3 蓝宝石衬底加工流程
提拉法加工工艺： （1）将原料加热熔融至熔汤 (2)利用一籽晶(单晶晶种）插入到 熔汤中（温度适宜籽晶不会融化） (3）慢慢向上提拉和转动晶杆，同 时缓慢降低加热功率，籽晶就会不 断长粗。控制好加热功率就能够得 到所需直径的晶体。
泡生法的加工工艺与提拉法的区别：加工工艺大致相同，但泡生法开始提拉， 旋转晶杆至籽晶缩颈形成晶肩，停止提拉保持旋转，控制熔体温度缓慢冷却， 待结晶。
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。