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LED蓝宝石衬底晶片的工艺
点击:2974 日期:2012/11/12 11:26:41
 

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A-Plane,C-PlaneR-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//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

蓝宝石结晶面示意图

 

最常用来做GaN磊晶的是C(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

Al2O3

密度

3.95-4.1/立方厘米

晶体结构

六方晶格

晶格常数

a=4.785Å , c=12.991Å

莫氏硬度

9      (仅次于钻石:10)

熔点

2045

沸点

3000

热膨胀系数

5.8×10 -6 /K 

比热

0.418W.s/g/k 

热导率

25.12W/m/k (@ 100

折射率

no =1.768 ne =1.760 

dn/dt

13x10 -6 /K(@633nm)

透光特性

T80% (0.35μm) 

介电常数

11.5(c), 9.3(c) 

 

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.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,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.

   

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(长晶定向掏棒滚磨品检)--晶棒(定向切片研磨倒角抛光清洗品检)--基片

                                        

 
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