蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明
LED用蓝宝石衬讲义底介绍
晶体
机械加工
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
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.
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.
蓝宝石(Al2O3)特性表
Al2O3 3.95-4.1克/立方厘米 六方晶格 a=4.785Å , c=12.991Å 9 (仅次于钻石:10) 2045℃ 3000℃ 5.8×10 -6 /K 0.418W.s/g/k 25.12W/m/k (@ 100℃) no =1.768 ne =1.760 13x10 -6 /K(@633nm) T≈80% (0.3～5μm) 11.5(∥c), 9.3(⊥c)
蓝宝石衬底简介
外延部 2010-12-16
一.LED蓝宝石简介
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.。具有耐高温、抗腐蚀、高硬度、熔点高（2045℃） 等特点。 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.
<10 μ m
0.20°±0.05
50.8± 0.05mm
16.0± 1mm
0°±0. 25°
<0.2nm
0.8～ 1.2μ m
科 瑞
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.1mm
16.0± ;0.2nm
0.5～ 1.0μ m
晶 美
430±15 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<10 μ m
<15 μ m
0.20°±0.1
50.8± 0.25mm
16.0± 1.0mm
0°±0. 25°
<1nm
0.8～ 1.3μ m
谢 谢！
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
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.
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。
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。
除红宝石以外的所有刚玉宝石的通称
蓝宝石LED衬底工艺流程
热导
衬底作为芯片散热的主要 通道，将芯片产生的热量 传导至外部。
光学特性
衬底对芯片的光学性能有 影响，如光的吸收、反射 和折射等。
LED衬底材料的种类
蓝宝石
常用作LED衬底材料，具有较高的硬度、化学稳定 性和高热导率。
硅
具有高热导率、低成本和成熟的半导体制造工艺。
碳化硅
具有高热导率、高硬度、高化学稳定性和高抗腐 蚀性。
蓝宝石LED衬底工艺流程
• 引言 • LED衬底概述 • 蓝宝石LED衬底制备工艺流程 • 工艺流程中的关键技术 • 工艺流程中的问题与解决方案 • 结论
01
引言
主题简介
01
蓝宝石LED衬底是LED产业中的重 要组成部分，其工艺流程涉及多 个环节和关键技术。
02
蓝宝石LED衬底具有优异的光学 、热学和机械性能，广泛应用于 照明、显示、背光等领域。
晶体切割
将晶体切割成适当的大小 和形状，以满足后续加工 需求。
切割与研磨的关键技术
切片
抛光
使用刀片或激光将衬底切成适当的大 小。
通过抛光剂和抛光盘对衬底表面进行 抛光，以提高表面光洁度和平整度。
研磨
通过研磨剂和研磨盘对衬底表面进行 研磨，以去除切割痕迹和表面缺陷。
抛光处理的关键技术
选择性抛光
根据衬底表面的不同区域选择不 同的抛光参数，以实现局部抛光。
研究更精确的光刻技术
随着LED芯片尺寸的不断减小，需要更精确的光刻技术来制作更精细 的图案。
发展新型蓝宝石衬底材料
为了满足LED行业的发展需求，需要研究和发展新型蓝宝石衬底材料， 提高其性能和稳定性。
深入研究退火处理技术
退火处理对蓝宝石衬底的性能有很大影响，需要进一步深入研究退火 处理技术，优化退火工艺参数，提高蓝宝石衬底的性能。
图形化蓝宝石衬底工艺研究进展_黄成强
0
引言
［1 ］
［1 － 4 ］ 。 短程光学通信和生物传感器 由于蓝宝石的低成本、热稳定性、化学稳定性
氮化镓 （ GaN ） 基 LED 体积小、 重量轻、 寿 命长 ，广泛用 于 显 示、 指 示 灯、 背 光 灯、 固 态 照明、交通信号灯、 全彩打印机、 汽车前向照明、
基金项目： 国家自然科学基金资助项目 （ 60727003 ） mail： b_chen@ 139． com 通信作者： 陈波，EJuly 2012
Abstract： Patterned sapphire substrate （ PSS ） can significantly enhance the brightness of the LED． The PSS is made through the combination of photolithography and etching． The study on PSS mainly focuses on photolithography，etching and the mechanism of brightness enhancement by PSS． At present，microscale PSSLED showed 30% higher luminous power than a flat substrate LED and the microscale PSS was applied in common． The development of PSS technology has experienced from striated pattern to hemispherical and coneshaped pattern，from wet etching to dry etching，from microscale to nanoscale． For the excellent effect on the brightness，nanoscale PSS will be widely applied． Key words： patterned sapphire substrate （ PSS ） ； light emitting diode （ LED ） ； lithography； nanoimprint lithography （ NIL） ； etching EEACC： 4260D
蓝宝石衬底详细介绍PPT课件
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.
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.
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R-plane 或M-Plane 蓝宝石基板的需求与要求也是相应地增 加.
蓝宝石衬底详细介绍
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。
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
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)
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
蓝宝石二氧化硅涂层工艺流程
蓝宝石二氧化硅涂层工艺流程下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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蓝宝石衬底制作工艺流程简要说明
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
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芯片
研磨:去除切片时造成的芯片切割损伤层及改善芯片的平坦度
倒角:将芯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:改善芯片粗糙度,使其表面达到外延片磊晶级的精度
清洗:清除芯片表面的污染物(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芯片品质(平坦度,表面微尘颗粒等),以合乎客户要求
柱状与孔状图形衬底对MOVPE生长GaN体材料及LED器件的影响
江洋罗毅汪莱李洪涛席光义赵维韩彦军
【摘要】：在柱状图形蓝宝石衬底(PSS-p)和孔状图形蓝宝石衬底(PSS-h)上外延了GaN体材料和LED结构并进行了详细对比和分析.X射线衍射仪(XRD)和原子力显微镜(AFM)测试结果表明,PSS-h上体材料的晶体质量和表面形貌都优于PSS-p上体材料的特性,通过断面扫面电子显微镜(SEM)照片看出PSS-h上GaN的侧向生长是导致这种差异的原因.另外,基于PSS-p和PSS-h上外延的LED材料制作而成的器件结果表明,其20mA下光功率水平相比普通蓝宝石衬底(CSS)分别提高了46%和33%.通过变温光荧光谱(PL)分析发现,样品的内量子效率十分接近.因此,可以推断PSS-h上侧向外延中存留的空气隙则会影响光提取效率的提高.
【作者单位】：清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室;
【关键词】：蓝宝石图形衬底氮化镓发光二极管侧向生长光提取效率内量子效率原子力显微镜体材料蓝宝石衬底晶体质量
【基金】：国家自然科学基金(批准号:60536020,60723002)国家重点基础研究发展计划“973”(批准号:2006CB302801,2006CB302804,2006CB302806,2006CB921106)国家高技术研究发展计划“863”(批准号:2006AA03A105)北京市科委重大计划(批准号:D0404003040321)资助的课题~~
1·引言利用GaN基大功率LED作为一种新型高效的固体光源,具有能耗小、高功率、寿命长、体积小、环保等显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明工具,被公认为21世纪最具发展前景的高技术领域之一[1,2].目前使用最广泛的外延GaN材料的衬底是成本较低的蓝。