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1、LED藍寶石基板介紹1:藍寶石詳細介紹藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3),是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結(jié)合而成,其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu).它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍寶石的光學穿透帶很寬,從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學元件、紅外裝置、高強度鐳射鏡片材料及光罩材料上,它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點高(2045℃)等特點,它是一種相當難加工的材料,因此常被用來作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(
2、GaN)的材料品質(zhì),而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān),藍寶石(單晶Al2O3)C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小,同時符合GaN磊晶制程中耐高溫的要求,使得藍寶石晶片成為制作白/藍/綠光LED的關(guān)鍵材料.下圖則分別為藍寶石的切面圖;晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖;晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖;Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖;藍寶石結(jié)晶面示意圖藍寶石切面圖圖晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖藍寶石結(jié)晶面示意圖最常用來做GaN磊晶的是C面(0001)這個不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定(a)圖從C軸俯看(b)圖從
3、C軸側(cè)看藍寶石(Al2O3)特性表分子式Al2O3密度3.95-4.1克/立方厘米晶體結(jié)構(gòu)六方晶格晶格常數(shù)a=4.785?,c=12.991?莫氏硬度9(僅次于鉆石:10)熔點2045℃沸點3000℃熱膨脹系數(shù)5.8×10-6/K比熱0.418W.s/g/k熱導(dǎo)率25.12W/m/k(@100℃)折射率no=1.768ne=1.760dn/dt13x10-6/K(@633nm)透光特性T≈80%(0.3~5μm)介電常數(shù)11.5(∥c),9.3(⊥c)2藍寶石晶體的生長方法藍寶石晶體的生長方法常用的有兩種:1:柴氏拉晶法(Czochrals
4、kimethod),簡稱CZ法.先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯,再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過冷。于是熔湯開始在晶種表面凝固并生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時以極緩慢的速度往上拉升,并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),隨著晶種的向上拉升,熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上,進而形成一軸對稱的單晶晶錠.2:凱氏長晶法(Kyropoulosmethod),簡稱KY法,大陸稱之為泡生法.其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類似,先將原料加熱至熔點后熔化形成熔湯,再以單晶之晶種(SeedCrys
5、tal,又稱籽晶棒)接觸到熔湯表面,在晶種與熔湯的固液界面上開始生長和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶,晶種以極緩慢的速度往上拉升,但在晶種往上拉晶一段時間以形成晶頸,待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后,晶種便不再拉升,也沒有作旋轉(zhuǎn),僅以控制冷卻速率方式來使單晶從上方逐漸往下凝固,最后凝固成一整個單晶晶碇.兩種方法的晶體生長示意圖如下:柴氏拉晶法(Czochralskimethod)之原理示意圖圖6凱氏長晶法(Kyropoulosmethod)之原理示意圖圖73藍寶石襯底加工流程藍寶石基片的原材料是晶棒,晶棒由藍寶石晶體加工而成.其相關(guān)制造流程如下:藍
6、寶石晶體晶棒晶棒基片藍寶石晶棒制造工藝流程藍寶石晶棒加工流程晶體晶棒長晶:利用長晶爐生長尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍寶石晶體定向:確保藍寶石晶體在掏棒機臺上的正確位置,便于掏棒加工掏棒:以特定方式從藍寶石晶體中掏取出藍寶石晶棒滾磨:用外圓磨床進行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度品檢:確保晶棒品質(zhì)以及以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶規(guī)格機械加工藍寶石基片制造工藝流程晶棒基片定向:在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置,以便于精準切片加工切片:將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片研磨:去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度倒角:將晶片邊緣修整成
7、圓弧狀,改善薄片邊緣的機械強度,避免應(yīng)力集中造成缺陷拋光:改善晶片粗糙度,使其表面達到外延片磊晶級的精度清洗:清除晶片表面的污染物(如:微塵顆粒,金屬,有機玷污物等)品檢:以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等),以合乎客戶要求機械加工4藍寶石基板應(yīng)用種類廣大外延片廠家使用的藍寶石基片分為三種:1:C-Plane藍寶石基板這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長的藍寶石基板面.這主要是因為藍寶石晶體沿C軸生長的工藝成熟、成本相對較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定.2:R-Plane或M-Plane藍寶石基板主要用來生長
8、非極性/半極性面GaN外延薄膜,以提高發(fā)光效率.通常在藍寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長的,而c軸是GaN的極性軸,導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強的內(nèi)建電場,發(fā)光