蓝宝石衬底基片质量检测技术的现状

蓝宝石衬底基片质量检测技术的现状

0衬底基片检测与检测工艺蓝棕色（i-al）。蓝宝石衬底基片(简称衬底基片)的质量对后续GaN外延层的生长以及制备蓝光二极管的性能和成品率有很大的影响蓝宝石衬底基片的每道工序都有相应的质量检测指标。检测就是根据衬底基片的标准或检测规程,对晶体原料、中间产品和成品进行观察,适时进行测量,并把所得到的特性值和规定值进行比较,判定衬底基片合格与否的技术性检查活动。目前关于硅单晶质量检测方面的研究较多,有的已经成为标准规范,但针对用作第三代半导体材料GaN的蓝宝石衬底基片的质量检测的研究和文献资料却很少。鉴于此,本文将蓝宝石衬底基片的工艺检测分为四个主要部分来描述:生长工艺、掏棒切片工艺、研磨抛光工艺和清洗工艺;对蓝宝石衬底基片的质量检测指标、检测方法及检测设备的发展现状和趋势进行深入研究,结合工程实际进行系统分析,并对蓝宝石衬底基片检测技术的发展做出了引导性的总结。1晶体生长缺陷检测分析方法蓝宝石单晶生长过程中的质量检测指标主要分为宏观质量检测指标和微观质量检测指标。宏观质量检测指标主要包括:1)固体包裹物/气泡空腔。固体包裹物是晶体中某些与基质晶体不同的物相所占据的区域,气泡空腔则是晶体内部类似于固体包裹物中间空洞的结构。一般采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和氦氖激光器等,通过光学显微镜法、SEM法和氦氖激光法等对缺陷的形貌、分布情况和尺寸大小进行检测分析,实际操作中需要对晶体的不同区域进行取样分析,这样才能较全面地得到缺陷含量的整体状况;2)裂隙裂纹。采用日本理学X-ray衍射仪(D/max-ⅡB型),通过X-ray粉末衍射分析法进行检测,此方法也能较好地用于固体包裹物和气泡空腔的检测;3)纯度即晶体内有效成分Al微观质量检测指标主要包括:1)晶体缺陷,是指实际晶体与理想晶体的点阵结构发生偏离的区域,其中线缺陷即生长位错对晶体的影响尤为突出,位错密度在10其他晶体生长缺陷检测指标包括:成色、多晶现象、透过光谱、亚晶界、Burgers矢量,以及孪晶等。晶体生长过程中宏观缺陷将导致后续加工过程中衬底基片的直接报废,所以晶体检测过程中不允许出现宏观缺陷。微观缺陷在衬底基片加工过程中容易导致产品报废,即使没有导致产品直接报废,在很大程度上影响了衬底基片的透光率、光学均匀性、外延层的生长,以及导电性等使用性能。检测对于保证衬底基片的质量意义重大。2研磨、研磨和抛光人工生长的蓝宝石单晶晶锭,需经过掏棒、切片后才能进行磨削、研磨和抛光等进一步加工才能成为蓝宝石衬底基片,并经检测达到合格标准后才能用于半导体芯片的生产制作。2.1晶棒质量的测量晶体的掏棒过程主要是控制晶棒的尺寸、晶向,确定主、副参考面等几个关键质量指标。1)晶棒尺寸可通过千分尺测量来满足检测要求;2)晶棒晶向分为结晶学取向特性和表面取向,常用X射线衍射仪检测;3)主、副参考面,也称定位面。主参考面较宽,沿2.2晶体结构检测指标切片是由晶棒变成晶片的第一步,决定了晶片在后续工序中翘曲度的大小,如果切片的弯曲度过大,之后的研磨抛光工序不可能对其矫正,即无法得到需要的平面平整的产品。切片过程的关键是能否切出完好的晶片,其外观表面缺陷质量指标需要全检,一般目测即可,如需仪器检测可采用魔镜检测仪,利用光线反射形成明暗像,经CCD摄像头拍摄显示晶片表面的凹凸情形,分辨率可达0.05μm。外观表面缺陷质量检测指标包括:1)崩边/缺口。晶片端面或倒角处有晶体碎片掉落的现象,要求晶体碎片的长≤0.5mm,宽≤0.3mm;2)表面粗糙度。切片对表面粗糙度要求不高,只要没有明显的刀痕、线痕和划痕即可,表面粗糙度≤尺寸质量检测指标:1)一般规格蓝宝石衬底基片的直径、倒角差等用游标卡尺进行检测即可,垂直度一般用万能角规进行检测;2)晶片厚度和厚度偏差取决于后面的成形工序,线切割切片厚度在0.55mm左右,误差不超过20μm,用千分表、MS103-2无接触测试仪进行检测;3)翘曲度在50μm范围以内;4)总厚度变化(3研磨抛光工艺表面质量的检测研磨抛光是衬底基片工艺过程的核心,基本决定了衬底基片的成品质量,对表面的质量要求非常高,因此研磨抛光工艺表面质量研究是一个非常重要的课题,对检测要求也很高,所用仪器设备必须要有足够的分辨率来检测表面特征的微小变化,准确的产品质量检测对于保证衬底基片的研磨抛光质量很重要。3.1表面形貌观察任何机械加工所获得的零件表面层状况,不可能是完全理想的表面,总是存在一定的微观几何形状偏差,主要表现为以下几类:1)表面形貌,即研磨抛光工艺后,衬底基片的整体表面状况。可使用非接触式光学轮廓仪(XI-100)对其进行光学方法检测,可测出晶片表面的三维形貌。在采用扫描电镜(SEM)分析观察试样形貌时,扫描电镜的分辨率由照射到试样上的电子束斑点的直径大小来决定,一般为几个纳米3.2缺陷/缺陷检验在研磨抛光加工过程中,经常会在晶片表面留下裂纹、断裂带、凹坑、凸起和夹杂物等表面缺陷,通过研究可将表面缺陷分为以下几种类型:1)凹缺陷,即向内的缺陷,如沟槽、划道、裂纹、鸦爪、边缘崩边、缺口、凹坑和条纹等;2)凸缺陷,即向外的缺陷,如火山口、夹杂物、飞边、附着物和小丘等;3)混合缺陷,即部分向外和部分向内的缺陷,如环形坑、折叠、划痕、切削残余和桔皮等;4)区域缺陷和外观缺陷,即几何尺寸很难测量的缺陷,如划痕、腐蚀、磨曲、麻点、裂纹、斑点和斑纹。5)区域沾污/微粒沾污,即表面上局部区域的外来物质,表现为颜色变化、色斑、斑点和水迹等引起的云雾状外观,经检验前的预处理,90%的衬底应无沾污,衬底可有光反射颗粒。表面缺陷特性可用缺陷长度、缺陷宽度、缺陷深度、缺陷高度和缺陷面积来表达。表面缺陷在强光、背景光的光照条件下可以被目测检测出来,利用偏光显微镜在反射偏光下,放大200倍对蓝宝石样品表面缺陷进行拍照处理,可以直观地看出表面缺陷特性的大小3.3金相组织及亚表面损伤层、质量层结构表面层特性用三个指标参数表示:1)表面层硬度。可采用表面光度仪对硬度进行比较精准的测试;2)表面层组织是指加工表面的金相组织变化,如再结晶、相变;3)表面及亚表面损伤层、变质层是评价材料表面质量的重要标准之一,其对衬底基片的使用性能有很大的负面影响。实际中主要通过X射线定相分析理论对表面变质层进行研究,常用微纳米压痕、划痕试验和角度抛光法对其进行检测4表面形态的影响清洗作为衬底基片的末端工艺,对成品的整体尺寸形状和表面形貌影响甚微,清洗的关键是去除衬底基片在加工过程中带入的杂质污染物。因此清洗过程主要检测的质量指标如下。1nm级粒子兆声波清洗可去掉晶片表面上小于0.2μm的nm级粒子,是目前常用于蓝宝石衬底基片清洗的一种有效设备。对表面颗粒度的检测一般采用激光检测器(LS-5000型)2金属离子浓度在晶片的加工过程中不可避免地会有杂质金属离子进入,金属离子污染物个数必须被控制在103粗糙衬底基片清洗过后,表面粗糙度一般达到nm级水平(即原子级表面粗糙度),粗糙度在5衬底基片的检测与研磨抛光过程中的质量检测1)采用蓝宝石晶体制作衬底基片,就整体工艺检测而言,生长过程注重晶体本身质量的检测,确保较低的晶体缺陷密度,较高的晶体完整性;掏棒切片过程对晶体晶向及切片的完好程度要求较高;研磨抛光过程作为晶体加工的核心,对衬底基片表面质量优劣程度起着绝对性作用;衬底基片到达清洗步骤时已基本定型,清洗过程的质量检测主要是保证清除研磨抛光过程和清洗过程中带入的杂质。笔者认为生长过程和研磨抛光过程的检测最为重要,前者决定了晶体本质性的质量,后者决定了衬底基片的使用性质量,此外,掏棒切片和清洗的检测也不容忽视。2)目前国内衬底基片的整体质量检测指标和国外相比较低,这可能受国内晶体生长和衬底基片加工的整体技术落后的影响,要提高我国蓝宝石衬底基片的质量检测指标的标准,最根本的还是要从晶体生长和衬底基片的加工技术入手。3)目前蓝宝石衬底基片各个工艺过程中的质量检测指标的检测,还处于人工逐项检测阶段,检测效率低且过程繁杂。今后应向全