襯底基片超精密加工技術（簡體書）

近年來光電子材料超精密加工技術獲得飛速發展。《襯底基片超精密加工技術》全面系統地講述了光電子領域重要襯底材料——藍寶石襯底基片的超精密加工技術。內容包括：藍寶石晶體生長技術、藍寶石晶體切片技術、藍寶石襯底基片倒角技術、襯底基片精密研磨技術、襯底基片精密拋光技術、襯底基片凈化技術、襯底基片檢測技術。《襯底基片超精密加工技術》詳細介紹了藍寶石襯底基片從晶體生長到可用于外延生長的襯底基片的工藝全過程。《襯底基片超精密加工技術》不僅闡述了藍寶石襯底基片的超精密加工基本原理，而且結合具體加工設備，分析了藍寶石襯底基片超精密加工工藝參數，同時介紹了國內外最新的發展和成就。
《襯底基片超精密加工技術》是一部全面、系統地介紹襯底基片超精密加工技術研究成果的專著，總結了作者二十多年來在該領域的研究成果。

前言
第1章 LED與襯底基片 1
1.1 LED概述 1
1.1.1 LED的發展歷程 1
1.1.2 LED的原理和特點 1
1.1.3 LED的特點 2
1.2 LED應用 3
1.2.1 普通照明領域 3
1.2.2 背光照明領域 3
1.2.3 道路交通領域 4
1.2.4 其他領域 4
1.3 LED制備工藝 5
1.4 LED對襯底基片的要求 6
1.5 襯底材料的性能 7
1.5.1 藍寶石 7 前言
第1章 LED與襯底基片 1
1.1 LED概述 1
1.1.1 LED的發展歷程 1
1.1.2 LED的原理和特點 1
1.1.3 LED的特點 2
1.2 LED應用 3
1.2.1 普通照明領域 3
1.2.2 背光照明領域 3
1.2.3 道路交通領域 4
1.2.4 其他領域 4
1.3 LED制備工藝 5
1.4 LED對襯底基片的要求 6
1.5 襯底材料的性能 7
1.5.1 藍寶石 7
1.5.2 碳化硅 9
1.5.3 氧化鋅 11
1.5.4 硅 13
1.5.5 常見襯底基片材料性質的對比 15
第2章 藍寶石晶體的生長技術 16
2.1 提拉法 16
2.1.1 提拉法簡介 16
2.1.2 提拉法晶體生長裝置 17
2.1.3 提拉法晶體生長過程 18
2.1.4 提拉法晶體生長工藝參數 21
2.2 泡生法 23
2.2.1 泡生法簡介 23
2.2.2 泡生法晶體生長裝置 24

2.2.3 泡生法晶體生長工藝過程 25
2.2.4 泡生法生長工藝參數 26
2.3 溫梯法 27
2.3.1 溫度梯度法簡介 27
2.3.2 溫度梯度法晶體生長的特點 27
2.3.3 溫度梯度法藍寶石晶體生長工藝 28
2.4 焰熔法 29
第3章 藍寶石晶體的切片技術 30
3.1 晶體切片的目的和工藝 30
3.1.1 晶體切片的目的 30
3.1.2 藍寶石晶體的切片工藝流程 31
3.2 晶體的定向技術 33
3.2.1 藍寶石晶向 33
3.2.2 晶體定向 34
3.3 晶體的切片技術 35
第4章 藍寶石襯底基片的倒角技術 45
4.1 襯底基片對倒角的要求 45
4.2 襯底基片的倒角原理和設備 46
4.3 襯底基片的倒角工藝參數 49
第5章 藍寶石襯底基片的研磨技術 51
5.1 襯底基片對研磨的要求 51
5.2 襯底基片的研磨設備 52
5.2.1 雙面研磨設備 53
5.2.2 單面研磨設備 59
5.3 襯底基片的研磨工藝 69
5.3.1 研磨工藝流程 69
5.3.2 研磨中各工藝參數對研磨結果的影響 75
5.3.3 研磨前后襯底基片的對比 79
5.4 研磨的運動軌跡分析 81
5.4.1 研磨軌跡的介紹 82
5.4.2 雙面研磨運動軌跡分析 82
5.4.3 單面研磨運動軌跡分析 90
5.5 研磨液的配制 93
5.5.1 研磨液的作用 93
5.5.2 雙面研磨中研磨液的組成 93
5.5.3 單面研磨中研磨液的組成 94
第6章 藍寶石襯底基片的拋光技術 97
6.1 襯底基片的拋光目的 97
6.2 襯底基片的拋光方法 97
6.2.1 以機械作用為主的拋光方法 98
6.2.2 以化學作用為主的拋光方法 99
6.2.3 化學與機械作用相互作用的拋光方法 100
6.3 化學機械拋光原理 101
6.3.1 化學機械拋光原理 101
6.3.2 化學機械拋光機理 102
6.4 化學機械拋光設備 103
6.4.1 化學機械拋光設備的工作原理 103
6.4.2 化學機械拋光設備的組成結構 105
6.4.3 化學機械拋光設備的關鍵零部件分析 106
6.4.4 化學機械拋光設備的操作要領 111
6.5 化學機械拋光工藝 112
6.5.1 拋光工藝流程 112
6.5.2 拋光工藝參數對拋光效果的影響 114
6.5.3 拋光后襯底基片表面形貌 118
6.6 拋光液的配制 121
6.6.1 磨料 121
6.6.2 pH調節劑 121
6.6.3 氧化劑 122
6.6.4 分散劑 122
6.6.5 表面活性劑 122
6.6.6 拋光液的配制 123
6.7 拋光墊的種類和選擇 124
6.7.1 拋光墊的作用 124
6.7.2 拋光墊的種類 124
6.7.3 拋光墊的性能 126
6.7.4 拋光墊的選擇 127
6.7.5 拋光墊的修整 127
第7章 藍寶石襯底基片的凈化技術 130
7.1 襯底基片的凈化目的 130
7.2 襯底基片表面雜質的來源和分類 130
7.2.1 襯底基片表面雜質的來源 130
7.2.2 襯底基片表面雜質的分類 131
7.3 襯底基片凈化機理 132
7.3.1 藍寶石襯底基片的表面潔凈度要求 132
7.3.2 吸附理論 133
7.3.3 凈化原理 134
7.4 襯底基片凈化工藝 134
7.4.1 物理方法凈化 134
7.4.2 化學方法凈化 135
7.4.3 藍寶石襯底基片凈化工藝 137
7.5 襯底基片凈化設備 141
7.5.1 超聲凈化原理 141
7.5.2 超聲波清洗機 141
7.6 襯底基片凈化環境 146
第8章 襯底基片的質量檢測技術 149
8.1 襯底基片的質量指標 149
8.1.1 晶體生長質量檢測指標 149
8.1.2 幾何參數類質量檢測指標 150
8.1.3 表面缺陷類質量檢測指標 152
8.2 襯底基片的檢測方法與檢測設備 153
8.2.1 檢測方法 153
8.2.2 檢測設備 154
8.3 典型襯底基片技術參數與檢測結果 156
8.3.1 典型的襯底基片技術參數 156
8.3.2 典型的襯底基片檢測結果 157
附錄 160
參考文獻 167

第1章 LED與襯底基片
1.1 LED概述
1.1.1 LED的發展歷程
LED(Light Emitting Diode，發光二極管)是一種會發光的半導體組件，它可以直接把電能轉化為光能。
早在1907年，人類就發現將半導體材料通電后可以發光。1962年，Nick Holonyak及其所在的通用電氣團隊發明了第一只真正商用的發光二極管。早期LED所用的材料為GaAsP，發紅光(?p=650nm)，在驅動電流20mA時，光通量只有千分之幾流明，發光效率(簡稱光效)只有0.11 lm/W，只能用做指示燈。20世紀70年代，隨著人們對半導體材料研究的不斷深入，引入了In和P，使LED產生綠光(?p =555nm)、黃光(?p=590nm)和橙光(?p=610nm)，光效提高到1 lm/W，LED應用進入顯示領域。80年代，出現了GaAlAs的LED，其封裝技術也逐步提高，紅色、黃色LED光效可達10 lm/W。90年代，隨著發紅光、黃光的GaAlInP和發綠光、藍光的GaInN兩種新材料相繼開發成功，LED光效得到大幅度提高。表1-1列出了LED的發展情況。
表1-1 LED發展情況
時間 LED的顏色 LED的光效/(lm/W)
1962年 紅色 0.1
20世紀70年代 綠色 1
20世紀80年代 紅色、黃色 10
20世紀90年代 綠色、藍色
全色 20
10
2000年 綠色、藍色
全色 20
10
2010年 橙、紅色 120
1.1.2 LED的原理和特點
如圖1-1所示為典型LED的基本構造圖，LED的核心是一個半導體晶片，晶片的一端附著在一個支架上，連接電源的負極；另一端連接電源的正極。整個晶片被封裝(用環氧樹脂材料)起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是p型半導體，在它里面空穴占主導地位；另一端是n型半導體，在這邊主要是電子。但當這兩種半導體連接起來時，它們之間就形成一個p-n結。當電流通過導線作用于這個晶片時，由于電流注入產生的少數載流子是不穩定的，對于p-n結系統，注入到價帶中的非平衡空穴要與導帶中的電子復合，其中多余的能量將以光的形式向外輻射，這就是LED發光的原理。光的顏色由光的波長決定，而光的波長是由形成p-n結材料決定的。對于GaAs、GaAsP、GaN等半導體材料，其禁帶寬度對應的發光波長正好處于380～780nm的可見光區域，從而為LED的發展與應用開辟了廣闊的空間。
1.1.3 LED的特點
1．LED優點
LED的內在特征，決定了它具有以下優點。
1)體積小、重量輕
LED是被環氧樹脂封裝起來的一塊面積很小(0.01mm2左右)的半導體晶片，所以，它具有體積非常小、重量非常輕的特點。
2)能耗低
LED直流驅動，電光功率轉換接近30%。LED的一般工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A，LED消耗的電能不超過0.1W。在相同照明效果下，LED比傳統光源節能80%左右。
3)壽命長
LED為固體冷光源，環氧樹脂封裝，燈體內也沒有松動的部分，不存在燈絲發光易燒、熱沉積、光衰等缺點，使用壽命可達1×106h，是傳統光源壽命的100倍，所以LED被稱為長壽燈。
4)發熱量低
LED使用冷發光技術，發熱量比普通照明燈具低很多。
5)環保
LED基本上是由無毒材料制成的，不像熒光燈含水銀會造成污染。光譜中沒有紫外線和紅外線，沒有輻射，眩光小，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

6)色彩變幻多
在計算機技術控制下，LED光源可利用紅、綠、藍三基色原理，使三種顏色具有256級灰度并任意混合，可產生256×256×256=16777216種顏色，形成不同光色的組合，實現豐富多彩的動態變化效果，如圖1-2所示。
2．LED缺點
(1)通常要將多個LED模集成在線路板上，形成一個比較大的發光源，由此會造成大量熱量積累，所以LED燈具的散熱一定要好。
(2)LED白光形成主要是靠450～455nm波長藍光激發熒光粉，藍光殺傷人眼活性細胞的能力是綠光的10倍。所以LED燈具在使用過程中會使人產生頭暈眼花、不舒服的感覺，長期使用會傷害眼睛，導致患眼病的概率會有所提高。
1.2 LED應用
1.2.1 普通照明領域
對于LED的應用，其在普通照明領域的廣泛普及是人們最期待的。目前，照明LED的應用主要限制于局部照明、裝飾照明、輪廓照明等方面，而人們迫切希望LED成為新一代普通照明光源。雖然現在LED在電光轉換效率和價格方面尚不能與熒光燈相比，但其光效提高速度驚人，且隨著LED技術的不斷提高和生產規模的擴大，其價格也會顯著下降。只要突破了價格的臨界點，LED照明市場將會驟然放大。
中國綠色照明工程促進項目辦公室進行過調查，我國照明用電每年在3×1012度以上，如果使用LED取代全部白熾燈或部分取代熒光燈，那么每年將節省1/3的照明用電，約1×1012度，相當于三峽工程全年的發電量。這對能源十分緊張的我國來說，無疑具有十分重要的戰略意義。
1.2.2 背光照明領域
目前在LED的各種應用中，其用于手機等小型液晶屏幕的背光源市場需求量最大。在手機上到處可以見到LED的應用，如液晶屏的背光源、按鍵照明、收到信號時的發光提示、照相機閃光燈等，甚至一部手機中安裝了多達20個LED。省電、小巧的LED有助于延長手機的通話時間，并有利于手機小型化。
作為中大型液晶背景光源，現在一般采用冷陰極燈管，但其作為面光源，使用不夠靈活，成本偏高，有污染。由于LED不含汞等污染物質，所以LED在汽車導航、電腦顯示器等中大型液晶背光源領域有廣闊的發展前景。目前使用LED作背光源的高顯色性、高清晰畫質的大屏幕液晶電視已完全實現商品化。
1.2.3 道路交通領域
LED在道路交通領域的應用主要為交通信號燈。與傳統白熾燈的信號燈相比，LED信號燈的能效提高顯著，如車輛用信號燈功率由75W降至15W，節能約80%；行人用信號燈由60W降至15W以下，節能75%以上。1987年，高亮度紅色LED首次作為中心高位剎車燈光源安裝在汽車上，隨后LED在汽車上獲得廣泛使用，LED車燈的主要優點為響應時間短、識別性強、能耗低、壽命長。最近，LED開始用于輕軌車廂內部照明，薄形的LED燈具很符合車廂內的照明要求。
1.2.4 其他領域
1. 農業
太陽光中有紫外到紅外多種波長的光輻射，而植物光合作用并不需要所有波長的光。用LED產生利于植物生長發育的特定波長的光，并在恰當的時間照射植物，可提高植物培育效率，并且LED與白熾燈不同，它沒有熱輻射，不會灼傷嫩葉。
2. 漁業
在捕魚作業中，可以使用LED誘魚燈。已經研制成功的藍光LED誘魚燈，主波長(450～500nm)在海里的光強衰減小，非常接近烏賊類魚的視覺靈敏波長范圍(470～490nm)。
3. 通信
LED在光通信領域的發展也備受關注。若配以恰當的驅動電路，LED就能應用于100Mbit?s-1的高速數字通信中，可組建家庭信息局域網；而在歐洲使用LED的光通信車載LAN已在奔馳等多款汽車中應用。
4. 野外作業、軍事行動
由于LED光源具有抗振性、耐候性、密封性好，以及熱輻射低、體積小、便于攜帶等特點，可廣泛應用于防爆、野外作業、礦山、軍事行動等特殊工作場所或惡劣工作環境之中。
1.3 LED制備工藝
LED制備可以分為三個主要環節：外延片的生長﹑芯片制備和二極管封裝。
其中，LED芯片制作流程與一般半導體器件的制造工藝相似。如圖1-3所示為LED芯片的制作工藝流程圖。

圖1-3 LED芯片的制作工藝流程圖
LED芯片制作工藝大致可以分為四個步驟。第一，在襯底基片上生長氮化鎵(GaN)基片，這個過程主要是在金屬有機物化學氣相沉積(Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)外延爐中完成的；第二，加工用于p-n結的兩個電極；第三，對外延片進行減薄、劃片；第四，對外延片進行測試和分選；從而制備出所需要的LED芯片。
在整個LED產業鏈中，外延片生長投資要占到總投資的80%左右，外延片成本要占到LED總成本的70%左右，同時外延片生長技術是業界公認的核心，也是我國目前技術最薄弱的環節。簡單地說，外延片的水平決定了整個LED產業水平。
1.4 LED對襯底基片的要求
由于制造發光二極管的外延片(主要是氮化鎵薄膜)，是生長在藍寶石(α?Al2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、氧化鋅(ZnO)等襯底基片上的，這些襯底基片的材質和質量直接影響其上氮化鎵薄膜生長質量，如果襯底基片的質量稍差，會使制造出來的發光二極管發光性能低劣，甚至做不出管子。目前氮化鎵薄膜生長主要采用MOCVD工藝在襯底基片上生長，該工藝要求襯底基片表面超光滑﹑無損傷。通常超光滑表面是指表面粗糙度小于1nm(RMS)的表面；無損傷表面是指加工表面不能有加工變質層，且表面晶格完整。
在選擇適合外延片生長的襯底材料時，通常要考慮以下因素。
(1)襯底與外延膜的結構匹配程度。外延材料與襯底材料的晶體結構相同或相近、晶格常數失配小，這樣外延材料的結晶性能好、缺陷密度低。
(2)襯底與外延膜的熱膨脹系數匹配程度。熱膨脹系數的匹配非常重要，如果外延膜與襯底材料在熱膨脹系數上相差過大，不僅可能使外延膜質量下降，還會在器件工作過程中，由于發熱而造成器件損壞。
(3)襯底與外延膜的化學穩定性匹配程度。襯底材料要有好的化學穩定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學反應使外延膜質量下降。
(4)材料制備的難易程度和成本的高低。考慮到產業化發展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜太高。
當前用于GaN基LED的襯底材料比較多，但是能用于商品化的襯底目前只有兩種，即藍寶石和碳化硅襯底，其他如GaN、Si、ZnO襯底還處于研發階段，離產業化還有一段距離。目前，國際上公認的LED主要襯底材料為藍寶石(Sapphire，α-Al2O3)，其晶體結構與GaN相似，符合GaN薄膜生長過程中耐高溫的要求，具有良好的高溫穩定性和機械力學性能，而且生產技術成熟，價格便宜。