Al2O3省名师优质课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本幻灯片资料仅供参考，不能作为科学依据，如有不当之处，请参考专业资料。谢谢,LED蓝宝石基板介绍,1:蓝宝石详细介绍,蓝宝石组成为氧化铝(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.它常被应用切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.因为蓝宝石光学穿透带很宽,从近紫外光(190nm)到中红外线都含有很好透光性.所以被大量用在光学元件、红外装置、高强度镭射镜片材料及光罩材料上，它含有高声速、耐高温、抗腐蚀、高硬度、高透光性、熔点高（2045）等特点，它是一个相当难加工材料，所以常被用来作为光电元件材料。当前超高亮度白/蓝光LED品质取决于氮化镓磊晶(GaN)材料品质，而氮化镓磊晶品质则与所使用蓝宝石基板表面加工品质息息相关，蓝宝石(单晶Al2O3)C面与-和-族沉积薄膜之间晶格常数失配率小，同时符合GaN 磊晶制程中耐高温要求，使得蓝宝石晶片成为制作白/蓝/绿光LED关键材料.,下列图则分别为蓝宝石切面图;晶体结构图上视图;晶体结构侧视图;Al2O3分之结构图;蓝宝石结晶面示意图,第1页,蓝宝石切面图图 晶体结构图上视图 晶体结构侧视图,Al2O3分之结构图,第2页,蓝宝石结晶面示意图,最惯用来做GaN磊晶是C面(0001)这个不具极性面,所以GaN极性将由制程决定,(a)图从C轴俯看 (b)图从C轴侧看,第3页,蓝宝石(Al2O3)特征表,分子式,Al2O3,密度,3.95-4.1克/立方厘米,晶体结构,六方晶格,晶格常数,a=4.785,c=12.991,莫氏硬度,9 (仅次于钻石:10),熔点,2045,沸点,3000,热膨胀系数,5.810-6/K,比热,0.418W.s/g/k,热导率,25.12W/m/k(100,),折射率,no=1.768 ne=1.760,dn/dt,13x10-6/K(633nm),透光特征,T80%(0.35m),介电常数,11.5(,c),9.3(c),第4页,2 蓝宝石晶体生长方法蓝宝石晶体生长方法惯用有两种:,1:,柴氏拉晶法,(Czochralski method),简称CZ法.先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再利用一单晶晶种接触到熔汤表面，在晶种与熔汤固液界面上因温度差而形成过冷。于是熔汤开始在晶种表面凝固并生长和晶种相同晶体结构单晶。晶种同时以极迟缓速度往上拉升，并伴随以一定转速旋转，伴随晶种向上拉升，熔汤逐步凝固于晶种液固界面上，进而形成一轴对称单晶晶锭.,2:,凯氏长晶法,(Kyropoulos method),简称KY法,大陆称之为泡生法.其原理与柴氏拉晶法(Czochralskimethod)类似，先将原料加热至熔点后熔化形成熔汤，再以单晶之晶种(SeedCrystal，又称籽晶棒)接触到熔汤表面，在晶种与熔汤固液界面上开始生长和晶种相同晶体结构单晶，晶种以极迟缓速度往上拉升，但在晶种往上拉晶一段时间以形成晶颈，待熔汤与晶种界面凝固速率稳定后，晶种便不再拉升，也没有作旋转，仅以控制冷却速率方式来使单晶从上方逐步往下凝固，最终凝固成一整个单晶晶碇.,两种方法晶体生长示意图以下:,第5页,柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意图,图6,第6页,凯氏長晶法(Kyropoulos method)之原理示意图,图7,第7页,3 蓝宝石衬底加工流程,蓝宝石基片原材料是晶棒,晶棒由蓝宝石晶体加工而成.其相关制造流程以下:,蓝宝石晶体 晶棒,晶棒 基片,第8页,蓝宝石晶棒制造工艺流程,蓝宝石晶棒加工流程,晶体 晶棒,长晶,:利用长晶炉生长尺寸大且高品质单晶蓝宝石晶体,定向,:确保蓝宝石晶体在掏棒机台上正确位置,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外圆磨削,得到准确外圆尺寸精度,品检,:确保晶棒品质以及以及掏取后晶棒尺寸与方位是否合客户规格,机械加工,第9页,蓝宝石基片制造工艺流程,晶棒 基片,定向,:,在切片机上准确定位蓝宝石晶棒位置,方便于精准切片加工,切片,:将蓝宝石晶棒切成薄薄晶片,研磨,:去除切片时造成晶片切割损伤层及改进晶片平坦度,倒角,:将晶片边缘修整成圆弧状,改进薄片边缘机械强度,防止应力集中造成缺点,抛光,:改进晶片粗糙度,使其表面到达外延片磊晶级精度,清洗,:去除晶片表面污染物(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,机械加工,第10页,4 蓝宝石基板应用种类,广大外延片厂家使用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供GaN生长蓝宝石基板面.这主要是因为蓝宝石晶体沿C轴生长工艺成熟、成本相对较低、物化性能稳定,在C面进行磊晶技术成熟稳定.,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,以提升发光效率.通常在蓝宝石基板上制备GaN外延膜是沿c轴生长，而c轴是GaN极性轴，造成GaN基器件有源层量子阱中出现很强内建电场，发光效率会所以降低，发展非极性面GaN外延，克服这一物理现象，使发光效率提升。,3:图案化蓝宝石基板(Pattern Sapphire Substrate简称PSS),以成长(Growth)或蚀刻(Etching)方式,在蓝宝石基板上设计制作出纳米级特定规则微结构图案藉以控制LED之输出光形式，并可同时降低生长在蓝宝石基板上GaN之间差排缺点，改进磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。,第11页,1:C-Plane蓝宝石基板,C-Plane蓝宝石基板是普遍使用蓝宝石基板.1993年日本赤崎勇教授与当初在日亚化学中村修二博士等人，突破了InGaN 与蓝宝石基板晶格不匹配（缓冲层）、p 型材料活化等等问题后，终于在1993 年底日亚化学得以首先开发出蓝光LED.以后几年里日亚化学以蓝宝石为基板,使用InGaN材料,经过MOCVD 技术并不停加以改进蓝宝石基板与磊晶技术,提升蓝光发光效率,同时1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，年开始提供白光LED。从而奠定了日亚化学在LED领域先头地位.,台湾紧紧跟随日本LED技术,台湾LED发展先是从日本购置外延片加工,进而买来MOCVD机台和蓝宝石基板来进行磊晶,之后台湾本土厂商又对蓝宝石晶体生长和加工技术进行硕士产,经过自主研发,取得LED专利授权等方式从而实现蓝宝石晶体,基板,外延片生产,外延片加工等等自主生产技术能力,一步一步奠定了台湾在LED上游业务中主要地位.,当前大部分蓝光/绿光/白光LED产品都是以日本台湾为代表使用蓝宝石基板进行MOCVD磊晶生产产品.使得蓝宝石基板有很大普遍性,以美国Cree企业使用SiC为基板为代表LED产品则跟随其后.,第12页,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)方式,在蓝宝石基板上设计制作出微米级或纳米级含有微结构特定规则图案,藉以控制LED之输出光形式(蓝宝石基板上凹凸图案会产生光散射或折射效果增加光取出率),同时GaN薄膜成长于图案化蓝宝石基板上会产生横向磊晶效果,降低生长在蓝宝石基板上GaN之间差排缺点，改进磊晶质量，并提升LED内部量子效率、增加光萃取效率。与成长于普通蓝宝石基板LED相比,亮度增加了70%以上.当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,价格逐步稳定,而大尺寸(如6/8英寸)普通蓝宝石基板与2英寸图案化蓝宝石基板处于成长久,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,同时也主动增加产能.当前大陆还没有厂家能生产出图案化蓝宝石基板.,第13页,图9:纳米图案化蓝宝石基板图,第14页,3:R-Plane或M-Plane蓝宝石基板,通常，C面蓝宝石衬底上生长薄膜是沿着其极性轴即轴方向生长，薄膜含有自发极化和压电极化效应，造成薄膜内部,(有源层量子阱),产生强大内建电场，,(Quantum Confine Stark Effect,QCSE;史坦克效应),大大地降低了薄膜发光效率.,在一些非C面蓝宝石衬底(如R面或M 面)和其它一些特殊衬底(如,铝酸锂;,LiAlO2)上生长GaN薄膜是非极性和半极性,上述由极化场引发在发光器件中产生负面效应将得到部分甚至完全改进.,传统三五族氮化物半导体均成长在c-plane 蓝宝石基板上，若把这类化合物成长于R-plane 或M-Plane上，可使产生内建电场平行于磊晶层，以增加电子电洞对复合机率。所以，以氮化物磊晶薄膜为主LED结组成长R-plane 或M-Plane蓝宝石基板上，相比于传统C面蓝宝石磊晶,将可有效处理LED内部量子效率效率低落之问题，并增加元件发光强度。,最新消息据称非极性LED能使白光发光效率提升两倍.,因为无极性含有比传统c轴更含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这类磊晶技术研究与生产.所以对于R-plane 或M-Plane 蓝宝石基板需求与要求也是对应地增加.,下列图为半极性和无极性面简单示意图,第15页,图10:半极性和无极性面简单示意图,无极性面是指极性面法线方向上面，而半极性面则是介于极性面和无极性面之间面,第16页,5 蓝宝石基板主要技术参数,外延片厂家因为技术及工艺不一样,对蓝宝石基板要求也不一样,比如厚度,晶向等.,下面列出几个厂家生产蓝宝石基板一些基础技术参数(以成熟C面2英寸蓝宝石基板为例子).更多则是外延片厂家依据本身技术特点以及所生产外延片质量要求来向蓝宝石基板厂家定制合乎本身使用要求蓝宝石基板.即客户定制化.,分别为:A:台湾桃园兆晶科技股份有限企业,B:台湾新竹中美矽晶制品制品股份有限企业,C:美国 Crystal systems 企业,D:俄罗斯 Cradley Crystals企业,第17页,A:台湾兆晶科技股份有限企业C面2英寸蓝宝石基板技术参数,项目 Item,规格 Specifications,材料 Material,高纯度（99。996%）,单晶Al2O3，,晶向Orientation,C轴（0001）,0.3,直径 Dismeter,50.80.2mm,厚度Thickness,330m/430m25m,总厚度偏差,TTV,10m,翘曲度 BOW,10m,定位面方向,Primary Flat Location,A面（11-20）0.5,定位边长,Primary Flat Length,161.2mm,正面,Front Surface,epi-ready polished,（外延开盒即用）,表面粗糙度,Surface Roughness,Ra0.3nm,后面 Backside,Ra=0.51.2m,包装 Package,洁净室内真空冲氮包装,第18页,B:台湾中美矽晶制品制品股份有限企业C面2英寸蓝宝石基板技术参数,项目 Item,规格 Specifications,材料 Material,高纯度单晶Al2O3，,晶向Orientation,C面（0001）0.3,对M轴偏离角度,Off-set Angle toward M-axis,0.20 0.05,对A轴偏离角度,Off-set Angle toward A-axis,0.0 0.1,直径Dismeter,50.80.15mm,厚度Thickness,430m15m,总厚度偏差,TTV,10m,表面总平整度TIR,10m,弯曲度 WARP,15m,翘曲度 BOW,-10 0m,定位面方向Primary Flat Location,A面（11-20）,定位面偏离角度Flat Off-set Angle,0.0 0.2,定位边长Primary Flat Length,160.5mm,表面粗糙度Frontside Surface Roughness,RA,3（即Ra,0.3nm）,后面粗糙度Backside Surface Roughness(Ra),Ra=0.51.0m,包装 Package,洁净室内真空冲氮包装,第19页,C:美国 Crystal systems 企业C面2英寸蓝宝石基板技术参数,项目 Item,规格 Specifications,材料 Material,高纯度单晶Al2O3 99.99%,晶向 Orientation,C轴（0001）0.2,直径 Dismeter,50.80.15mm,厚度 Thickness,330m/430m25m,总厚度偏差,TTV,25m,翘曲度 BOW,20m,定位边方向 Primary Flat Location,A轴（11-20）0.3,定位边长Primary Flat Length,161.5mm,正面 Front Surface,精细抛光开盒即用）,finishing polishing epi-ready,表面粗糙度Surface Roughness(Ra),Ra1nm,后面 Backside,精细研磨 Fine grind Rmax 5-10 m,包装 Package,100级洁净室冲氮包装5/10/25片盒装,2英寸蓝宝石基板参数,第20页,D:俄罗斯 Cradley Crystals企业C面2英寸蓝宝石基板技术参数,项目 Item,规格 Specifications,材料 Material,高纯度单晶Al2O3 99.99%,晶向 Orientation,C轴（0001）0.2,直径 Dismeter,50.80.1mm,厚度 Thickness,330m/430m25m,总厚度偏差,TTV,10m,翘曲度 BOW,5m,定位边方向 Primary Flat Location,A轴（11-20）0.3,定位边长Primary Flat Length,160.8mm,正面 Front Surface,精细抛光（开盒即用）,finishing polishing epi-ready,表面粗糙度Surface Roughness(Ra),Ra0.3nm,后面 Backside,精细研磨 Fine grind Ra1m或80/50polishing,包装 Package,100级洁净室冲氮包装25片盒装,2英寸蓝宝石基板参数,第21页,