led面蓝宝石衬底的磨粒加工

led面蓝宝石衬底的磨粒加工

表面改性材料c、c美国能源部预计，到2030年，能源和能源消费将保持1.5%的增长速度。超光滑表面在光学、尖端武器、电子产品的成功应用已磊见不鲜,薄膜生长的衬底如单晶硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石(α-Al过渡层技术、LED衬底技术、Epi-GaN衬底技术、新型晶粒切割技术等在蓝宝石衬底上的成功应用,使得制约蓝宝石作为GaN衬底的不利因素基本得到解决,显示出极大的产业化发展前景本文回顾了(0001)面蓝宝石衬底在LED的重要作用及其磨粒加工方法的发展进程。依据现有的研究成果,归纳了磨粒加工在蓝宝石衬底的超光滑制备过程中的应用现状,分别对磨削、机械抛光、干式机械化学抛光、湿式机械化学和化学机械抛光在蓝宝石衬底中的应用进行了总结和分析,对比了不同方法对蓝宝石衬底的加工损伤特性和优缺点。1外延层位错密度的影响众所周知,蓝宝石衬底与GaN薄膜的晶格常数失配率达到±16%(理论值±13.8%)、热膨胀系数相差±39%,造成GaN薄膜的位错密度大于108/cm蓝宝石衬底的表面完整性对外延层的位错密度影响体现在以下三个方面:其一,由于GaN在蓝宝石衬底的异质外延,两种材料在化学性能、结构及原子间距等的不同引起位错缺陷;其二,衬底表面形态如表面沾污、划痕、应变等引起外延表面平整度的局部偏差,进而形成外延堆垛层错和乳突;其三,衬底中位错在一定程度上向GaN层的延伸2衬底研磨抛光国内在批量生产蓝宝石衬底片的工艺过程中,破裂及塌边比例约占总数的6%。研磨及抛光后,蓝宝石衬底片表面微划痕较多,20%左右的衬底片表面因未能完全去除加工损伤层,需要重新研磨抛光,致使部分衬底片因厚度偏薄而报废目前尚无法得知国内外厂商关于蓝宝石衬底的确切工艺,其大致工艺路线为:(1)280-240#BC4磨粒粗加工去除切片的不平整度;(2)采用8μm的金刚石液进行粗抛光;(3)采用1μm的金刚石抛光液进行精细抛光,去除余量约为30μm。目前生产中蓝宝石衬底的主要缺陷表现为:位错密度高(103研磨与加工随着砂轮和精密控制技术的发展,使得磨削加工在蓝宝石衬底的精密磨削和背面减薄中得到了一些成功应用。采用CNC精密磨床和1804研磨粒径表面损伤的研究选择游离磨粒的粒径及工序的加工余量必须依赖于表面粗糙度、划痕大小和亚表面损伤层深度三个方面,国内外学者就磨粒粒径的粗糙度、划痕极限进行过探索研究,在表面及亚表面损伤方面缺乏类似研究结果。此外不同厂商的磨粒特性也存在很大差异,导致研究结果的依赖性较大,因此难以对实验结果进行类比分析,尽管如此,开展该方面的研究仍然是十分必要的。图4为W3.5BC5磨粒的抛光研磨后的蓝宝石衬底表面通常含有高位错密度,为此需要采用更细小的磨粒进行抛光来去除一定厚度的损伤层。众所周知,抛光时间过长容易造成环状的位错层,因此往往采用去除能力强的金刚石微粉进行快速抛光。图6为1μm金刚石抛光液得到的蓝宝石衬底表面粗糙度为R6超导物体学材料的加工机械化学抛光利用软磨粒与工件的固相化学反应,即在一定温度作用下使相互接触表面上的原子、分子得到足够的能量产生化学反应,形成化学反应物,整个反应的能量来源于磨粒和衬底表面接触作用力及相互摩擦,机械化学抛光的模型如图9所示。国内外诸多学者在该领域的研究最为活跃,前后长达30多年,典型工艺是采用SiO安永畅男使用不锈钢环抛光蓝宝石,发现不锈钢与蓝宝石界面有结构松软的固相化学反应层,蓝宝石表面具有镜面光泽,而且没有发现亚表面损伤的现象,并于次年提出了机械化学抛光的概念林原庆和张蔚正使用AiSi湿式机械化学抛光加工过程中,研磨液容易将摩擦作用产生的热量带走,降低了磨粒与蓝宝石表面的固相化学反应速率,此外湿式抛光中磨粒容易受到液动压的影响,使磨粒无法顺利进入蓝宝石表面,也降低了固相化学反应速率。据此陈炤彰采用SiONamba&Tsuwa和Hader&Weis等人均使用特殊制作的锡抛光盘才得到了超光滑表面机械化学抛光可以选择SiO工业中加工蓝宝石衬底大部分以化学机械抛光为主,采用金刚石微粉为磨粒、强碱为研磨液,抛光过程中磨粒用强制性机械力将衬底表面材料去除,可以实现较快的去除速率,但很容易在衬底表面产生明显的划痕甚至让蓝宝石衬底在后序的制作工艺中发生破裂。蓝宝石衬底的硬度是单晶硅的3倍以上,良好的高温性能和耐强酸强碱腐蚀使得化学机械抛光的质量远远不如单晶硅好。针对这一局限性,Zhu等改用较软的磨粒如0.2μmα-A17检测结果及分析磨粒加工是蓝宝石衬底超光滑表面制备的重要工序,深入探索磨粒加工对蓝宝石衬底的表面损伤形式有利于后续工序的制定,同时也为磨粒加工本身寻求更好的加工方案提供参考和对比。蓝宝石衬底的材料及其后续表面处理技术也在不断发展,因此对磨粒加工的技术要求也在不断的演变之中,目前厂商所采用LED蓝宝石衬底的表面粗糙度约为Ra0.47nm、RMS0.72nm,对于表面损伤层尚无法提出定量的要求。本文回顾了蓝宝石衬底的磨削、机械研磨、机械抛光、湿式机械化学抛光、干式机械化学抛光、化学机械抛光的主要特点及其损伤形态,对已发表的研究成果进行汇总如表2所示,对现行蓝宝石衬底的磨粒加工表面损伤层形态及其大小进行了总结,如表3所示。化学机械抛光、机械化学抛光及机械抛光在去除速率和表面损伤形态上存在很大的差异,其中机械抛光损伤层最大、去除速率适中,干式机械化学抛光损伤层小、去除速率最大、均匀性差,湿式机械化学抛光损伤层小、去除速率较小、均匀性好,化学机械抛光损伤层较大、去除速率最小。由于化学机械抛光的设备和技术成熟程度最好,在蓝宝石衬底的超光滑表面加工中应用最为广泛。蓝宝石衬底的超光滑表面制备过程受到晶体质量、磨粒质量、加工设备、加工参数、抛光液等多种因素的影响,因此从发表的研究结果来看,蓝宝石衬底的表面质量也存在一些差异,尽管如此,这些研究中广泛采取的研究方法和思路仍然值得我们借鉴。随着高亮度及超高亮度LED技术的进步,必将对蓝宝石衬底的超光滑表面制备提出更高的要求,因此迫切需要寻求更为快速经济的超光滑表面加工装备及技术,也更需要进一步探索蓝宝石衬底的磨粒加工特性,寻求更好的加工技术。此外由于材料研究