led面藍(lán)寶石襯底的磨粒加工

led面藍(lán)寶石襯底的磨粒加工

表面改性材料c、c美國能源部預(yù)計(jì)，到2030年，能源和能源消費(fèi)將保持1.5%的增長速度。超光滑表面在光學(xué)、尖端武器、電子產(chǎn)品的成功應(yīng)用已磊見不鮮,薄膜生長的襯底如單晶硅(Si)、碳化硅(SiC)、藍(lán)寶石(α-Al過渡層技術(shù)、LED襯底技術(shù)、Epi-GaN襯底技術(shù)、新型晶粒切割技術(shù)等在藍(lán)寶石襯底上的成功應(yīng)用,使得制約藍(lán)寶石作為GaN襯底的不利因素基本得到解決,顯示出極大的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展前景本文回顧了(0001)面藍(lán)寶石襯底在LED的重要作用及其磨粒加工方法的發(fā)展進(jìn)程。依據(jù)現(xiàn)有的研究成果,歸納了磨粒加工在藍(lán)寶石襯底的超光滑制備過程中的應(yīng)用現(xiàn)狀,分別對磨削、機(jī)械拋光、干式機(jī)械化學(xué)拋光、濕式機(jī)械化學(xué)和化學(xué)機(jī)械拋光在藍(lán)寶石襯底中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和分析,對比了不同方法對藍(lán)寶石襯底的加工損傷特性和優(yōu)缺點(diǎn)。1外延層位錯(cuò)密度的影響眾所周知,藍(lán)寶石襯底與GaN薄膜的晶格常數(shù)失配率達(dá)到±16%(理論值±13.8%)、熱膨脹系數(shù)相差±39%,造成GaN薄膜的位錯(cuò)密度大于108/cm藍(lán)寶石襯底的表面完整性對外延層的位錯(cuò)密度影響體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:其一,由于GaN在藍(lán)寶石襯底的異質(zhì)外延,兩種材料在化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)及原子間距等的不同引起位錯(cuò)缺陷;其二,襯底表面形態(tài)如表面沾污、劃痕、應(yīng)變等引起外延表面平整度的局部偏差,進(jìn)而形成外延堆垛層錯(cuò)和乳突;其三,襯底中位錯(cuò)在一定程度上向GaN層的延伸2襯底研磨拋光國內(nèi)在批量生產(chǎn)藍(lán)寶石襯底片的工藝過程中,破裂及塌邊比例約占總數(shù)的6%。研磨及拋光后,藍(lán)寶石襯底片表面微劃痕較多,20%左右的襯底片表面因未能完全去除加工損傷層,需要重新研磨拋光,致使部分襯底片因厚度偏薄而報(bào)廢目前尚無法得知國內(nèi)外廠商關(guān)于藍(lán)寶石襯底的確切工藝,其大致工藝路線為:(1)280-240#BC4磨粒粗加工去除切片的不平整度;(2)采用8μm的金剛石液進(jìn)行粗拋光;(3)采用1μm的金剛石拋光液進(jìn)行精細(xì)拋光,去除余量約為30μm。目前生產(chǎn)中藍(lán)寶石襯底的主要缺陷表現(xiàn)為:位錯(cuò)密度高(103研磨與加工隨著砂輪和精密控制技術(shù)的發(fā)展,使得磨削加工在藍(lán)寶石襯底的精密磨削和背面減薄中得到了一些成功應(yīng)用。采用CNC精密磨床和1804研磨粒徑表面損傷的研究選擇游離磨粒的粒徑及工序的加工余量必須依賴于表面粗糙度、劃痕大小和亞表面損傷層深度三個(gè)方面,國內(nèi)外學(xué)者就磨粒粒徑的粗糙度、劃痕極限進(jìn)行過探索研究,在表面及亞表面損傷方面缺乏類似研究結(jié)果。此外不同廠商的磨粒特性也存在很大差異,導(dǎo)致研究結(jié)果的依賴性較大,因此難以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行類比分析,盡管如此,開展該方面的研究仍然是十分必要的。圖4為W3.5BC5磨粒的拋光研磨后的藍(lán)寶石襯底表面通常含有高位錯(cuò)密度,為此需要采用更細(xì)小的磨粒進(jìn)行拋光來去除一定厚度的損傷層。眾所周知,拋光時(shí)間過長容易造成環(huán)狀的位錯(cuò)層,因此往往采用去除能力強(qiáng)的金剛石微粉進(jìn)行快速拋光。圖6為1μm金剛石拋光液得到的藍(lán)寶石襯底表面粗糙度為R6超導(dǎo)物體學(xué)材料的加工機(jī)械化學(xué)拋光利用軟磨粒與工件的固相化學(xué)反應(yīng),即在一定溫度作用下使相互接觸表面上的原子、分子得到足夠的能量產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),形成化學(xué)反應(yīng)物,整個(gè)反應(yīng)的能量來源于磨粒和襯底表面接觸作用力及相互摩擦,機(jī)械化學(xué)拋光的模型如圖9所示。國內(nèi)外諸多學(xué)者在該領(lǐng)域的研究最為活躍,前后長達(dá)30多年,典型工藝是采用SiO安永暢男使用不銹鋼環(huán)拋光藍(lán)寶石,發(fā)現(xiàn)不銹鋼與藍(lán)寶石界面有結(jié)構(gòu)松軟的固相化學(xué)反應(yīng)層,藍(lán)寶石表面具有鏡面光澤,而且沒有發(fā)現(xiàn)亞表面損傷的現(xiàn)象,并于次年提出了機(jī)械化學(xué)拋光的概念林原慶和張蔚正使用AiSi濕式機(jī)械化學(xué)拋光加工過程中,研磨液容易將摩擦作用產(chǎn)生的熱量帶走,降低了磨粒與藍(lán)寶石表面的固相化學(xué)反應(yīng)速率,此外濕式拋光中磨粒容易受到液動(dòng)壓的影響,使磨粒無法順利進(jìn)入藍(lán)寶石表面,也降低了固相化學(xué)反應(yīng)速率。據(jù)此陳炤彰采用SiONamba&Tsuwa和Hader&Weis等人均使用特殊制作的錫拋光盤才得到了超光滑表面機(jī)械化學(xué)拋光可以選擇SiO工業(yè)中加工藍(lán)寶石襯底大部分以化學(xué)機(jī)械拋光為主,采用金剛石微粉為磨粒、強(qiáng)堿為研磨液,拋光過程中磨粒用強(qiáng)制性機(jī)械力將襯底表面材料去除,可以實(shí)現(xiàn)較快的去除速率,但很容易在襯底表面產(chǎn)生明顯的劃痕甚至讓藍(lán)寶石襯底在后序的制作工藝中發(fā)生破裂。藍(lán)寶石襯底的硬度是單晶硅的3倍以上,良好的高溫性能和耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿腐蝕使得化學(xué)機(jī)械拋光的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如單晶硅好。針對這一局限性,Zhu等改用較軟的磨粒如0.2μmα-A17檢測結(jié)果及分析磨粒加工是藍(lán)寶石襯底超光滑表面制備的重要工序,深入探索磨粒加工對藍(lán)寶石襯底的表面損傷形式有利于后續(xù)工序的制定,同時(shí)也為磨粒加工本身尋求更好的加工方案提供參考和對比。藍(lán)寶石襯底的材料及其后續(xù)表面處理技術(shù)也在不斷發(fā)展,因此對磨粒加工的技術(shù)要求也在不斷的演變之中,目前廠商所采用LED藍(lán)寶石襯底的表面粗糙度約為Ra0.47nm、RMS0.72nm,對于表面損傷層尚無法提出定量的要求。本文回顧了藍(lán)寶石襯底的磨削、機(jī)械研磨、機(jī)械拋光、濕式機(jī)械化學(xué)拋光、干式機(jī)械化學(xué)拋光、化學(xué)機(jī)械拋光的主要特點(diǎn)及其損傷形態(tài),對已發(fā)表的研究成果進(jìn)行匯總?cè)绫?所示,對現(xiàn)行藍(lán)寶石襯底的磨粒加工表面損傷層形態(tài)及其大小進(jìn)行了總結(jié),如表3所示?；瘜W(xué)機(jī)械拋光、機(jī)械化學(xué)拋光及機(jī)械拋光在去除速率和表面損傷形態(tài)上存在很大的差異,其中機(jī)械拋光損傷層最大、去除速率適中,干式機(jī)械化學(xué)拋光損傷層小、去除速率最大、均勻性差,濕式機(jī)械化學(xué)拋光損傷層小、去除速率較小、均勻性好,化學(xué)機(jī)械拋光損傷層較大、去除速率最小。由于化學(xué)機(jī)械拋光的設(shè)備和技術(shù)成熟程度最好,在藍(lán)寶石襯底的超光滑表面加工中應(yīng)用最為廣泛。藍(lán)寶石襯底的超光滑表面制備過程受到晶體質(zhì)量、磨粒質(zhì)量、加工設(shè)備、加工參數(shù)、拋光液等多種因素的影響,因此從發(fā)表的研究結(jié)果來看,藍(lán)寶石襯底的表面質(zhì)量也存在一些差異,盡管如此,這些研究中廣泛采取的研究方法和思路仍然值得我們借鑒。隨著高亮度及超高亮度LED技術(shù)的進(jìn)步,必將對藍(lán)寶石襯底的超光滑表面制備提出更高的要求,因此迫切需要尋求更為快速經(jīng)濟(jì)的超光滑表面加工裝備及技術(shù),也更需要進(jìn)一步探索藍(lán)寶石襯底的磨粒加工特性,尋求更好的加工技術(shù)。此外由于材料研究