一、藍(lán)寶石介紹

      藍(lán)寶石的組成為氧化鋁(Al2O3)，是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶格結(jié)構(gòu)。它常被應(yīng)用的切面有A-Plane,C-Plane及R-Plane.由于藍(lán)寶石的光學(xué)穿透帶很寬，從近紫外光(190nm)到中紅外線都具有很好的透光性.因此被大量用在光學(xué)元件、紅外裝置、高強(qiáng)度鐳射鏡片材料及光罩材料上，它具有高聲速、耐高溫、抗腐蝕、高硬度、高透光性、熔點(diǎn)高（2045℃）等特點(diǎn)，它是一種相當(dāng)難加工的材料，因此常被用來(lái)作為光電元件的材料。目前超高亮度白/藍(lán)光LED的品質(zhì)取決于氮化鎵磊晶(GaN)的材料品質(zhì)，而氮化鎵磊晶品質(zhì)則與所使用的藍(lán)寶石基板表面加工品質(zhì)息息相關(guān)，藍(lán)寶石(單晶Al2O3 )C面與Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族沉積薄膜之間的晶格常數(shù)失配率小，同時(shí)符合GaN 磊晶制程中耐高溫的要求，使得藍(lán)寶石芯片成為制作白/藍(lán)/綠光LED的關(guān)鍵材料。

      下圖則分別為藍(lán)寶石的切面圖；晶體結(jié)構(gòu)圖上視圖；晶體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；Al2O3分之結(jié)構(gòu)圖；藍(lán)寶石結(jié)晶面示意圖：

      最常用來(lái)做GaN磊晶的是C面(0001)這個(gè)不具極性的面,所以GaN的極性將由制程決定

                                                   (a)圖從C軸俯看                          (b)圖從C軸側(cè)看

二、藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法
 
      藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)方法常用的有兩種：
 
1、柴氏拉晶法(Czochralski method)，簡(jiǎn)稱(chēng)CZ法.先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再利用一單晶晶種接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上因溫度差而形成過(guò)冷。于是熔湯開(kāi)始在晶種表面凝固并生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶。晶種同時(shí)以極緩慢的速度往上拉升，并伴隨以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，隨著晶種的向上拉升，熔湯逐漸凝固于晶種的液固界面上，進(jìn)而形成一軸對(duì)稱(chēng)的單晶晶錠。
 
2、凱氏長(zhǎng)晶法(Kyropoulos method)，簡(jiǎn)稱(chēng)KY法。大陸稱(chēng)之為泡生法。其原理與柴氏拉晶法(Czochralskimethod)類(lèi)似，先將原料加熱至熔點(diǎn)后熔化形成熔湯，再以單晶之晶種(SeedCrystal，又稱(chēng)籽晶棒)接觸到熔湯表面，在晶種與熔湯的固液界面上開(kāi)始生長(zhǎng)和晶種相同晶體結(jié)構(gòu)的單晶，晶種以極緩慢的速度往上拉升，但在晶種往上拉晶一段時(shí)間以形成晶頸，待熔湯與晶種界面的凝固速率穩(wěn)定后，晶種便不再拉升，也沒(méi)有作旋轉(zhuǎn)，僅以控制冷卻速率方式來(lái)使單晶從上方逐漸往下凝固，最后凝固成一整個(gè)單晶晶碇。
  
      兩種方法的晶體生長(zhǎng)示意圖如下：

      柴氏拉晶法(Czochralski method)之原理示意圖

三、藍(lán)寶石襯底加工流程：
 
      藍(lán)寶石基片的原材料是晶棒，晶棒由藍(lán)寶石晶體加工而成。其相關(guān)制造流程如下：
 
1、長(zhǎng)晶： 利用長(zhǎng)晶爐生長(zhǎng)尺寸大且高品質(zhì)的單晶藍(lán)寶石晶體。
 
2、定向：確保藍(lán)寶石晶體在掏棒機(jī)臺(tái)上的正確位置，便于掏棒加工。
 
3、掏棒： 以特定方式從藍(lán)寶石晶體中掏取出藍(lán)寶石晶棒。
 
4、滾磨：用外圓磨床進(jìn)行晶棒的外圓磨削,得到精確的外圓尺寸精度。
 
5、品檢：確保晶棒品質(zhì)以及掏取后的晶棒尺寸與方位是否合客戶(hù)規(guī)格。
 
6、定向：在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置,以便于精準(zhǔn)切片加工。
 
7、切片：:將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的芯片。
 
8、研磨：:去除切片時(shí)造成的芯片切割損傷層及改善芯片的平坦度。
 
9、倒角：將芯片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機(jī)械強(qiáng)度，避免應(yīng)力集中造成缺陷。
 
10、拋光：改善芯片粗糙度,使其表面達(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度。
 
11、清洗：清除芯片表面的污染物(如:微塵顆粒、金屬、有機(jī)玷污物等)。
 
12、品檢：:以高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)芯片品質(zhì)(平坦度,表面微塵顆粒等)，以合乎客戶(hù)要求。

四、藍(lán)寶石基板應(yīng)用種類(lèi)
 
      廣大外延片廠家使用的藍(lán)寶石基片分為三種：
 
1、C-Plane藍(lán)寶石基板
 
      這是廣大廠家普遍使用的供GaN生長(zhǎng)的藍(lán)寶石基板面.這主要是因?yàn)樗{(lán)寶石晶體沿C軸生長(zhǎng)的工藝成熟、成本相對(duì)較低、物化性能穩(wěn)定,在C面進(jìn)行磊晶的技術(shù)成熟穩(wěn)定。
  
      C-Plane藍(lán)寶石基板是普遍使用的藍(lán)寶石基板。1993年日本的赤崎勇教授與當(dāng)時(shí)在日亞化學(xué)的中村修二博士等人，突破了InGaN 與藍(lán)寶石基板晶格不匹配（緩沖層）、p 型材料活化等等問(wèn)題后，終于在1993 年底日亞化學(xué)得以首先開(kāi)發(fā)出藍(lán)光LED。以后的幾年里日亞化學(xué)以藍(lán)寶石為基板，使用InGaN材料，通過(guò)MOCVD 技術(shù)并不斷加以改進(jìn)藍(lán)寶石基板與磊晶技術(shù)，提高藍(lán)光的發(fā)光效率，同時(shí)1997年開(kāi)發(fā)出紫外LED，1999年藍(lán)紫色LED樣品開(kāi)始出貨，2001年開(kāi)始提供白光LED。從而奠定了日亞化學(xué)在LED領(lǐng)域的先頭地位。

      臺(tái)灣緊緊跟隨日本的LED技術(shù)，臺(tái)灣LED的發(fā)展先是從日本購(gòu)買(mǎi)外延片加工,進(jìn)而買(mǎi)來(lái)MOCVD機(jī)臺(tái)和藍(lán)寶石基板來(lái)進(jìn)行磊晶，之后臺(tái)灣本土廠商又對(duì)藍(lán)寶石晶體的生長(zhǎng)和加工技術(shù)進(jìn)行研究生產(chǎn),通過(guò)自主研發(fā)，取得LED專(zhuān)利授權(quán)等方式從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)寶石晶體、基板、外延片的生產(chǎn)、外延片的加工等等自主的生產(chǎn)技術(shù)能力，一步一步奠定了臺(tái)灣在LED上游業(yè)務(wù)中的重要地位。目前大部分的藍(lán)光/綠光/白光LED產(chǎn)品都是以日本臺(tái)灣為代表的使用藍(lán)寶石基板進(jìn)行MOCVD磊晶生產(chǎn)的產(chǎn)品.使得藍(lán)寶石基板有很大的普遍性,以美國(guó)Cree公司使用SiC為基板為代表的LED產(chǎn)品則跟隨其后。
 
2、R-Plane或M-Plane藍(lán)寶石基板
 
      主要用來(lái)生長(zhǎng)非極性/半極性面GaN外延薄膜，以提高發(fā)光效率.通常在藍(lán)寶石基板上制備的GaN外延膜是沿c軸生長(zhǎng)的，而c軸是GaN的極性軸，導(dǎo)致GaN基器件有源層量子阱中出現(xiàn)很強(qiáng)的內(nèi)建電場(chǎng)，發(fā)光效率會(huì)因此降低，發(fā)展非極性面GaN外延，克服這一物理現(xiàn)象，使發(fā)光效率提高。

      以蝕刻(在藍(lán)寶石C面干式蝕刻/濕式蝕刻)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出微米級(jí)或納米級(jí)的具有微結(jié)構(gòu)特定規(guī)則的圖案,藉以控制LED之輸出光形式(藍(lán)寶石基板上的凹凸圖案會(huì)產(chǎn)生光散射或折射的效果增加光的取出率),同時(shí)GaN薄膜成長(zhǎng)于圖案化藍(lán)寶石基板上會(huì)產(chǎn)生橫向磊晶的效果,減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。與成長(zhǎng)于一般藍(lán)寶石基板的LED相比,亮度增加了70%以上.目前臺(tái)灣生產(chǎn)圖案化藍(lán)寶石有中美矽晶、合晶、兆晶，兆達(dá).藍(lán)寶石基板中2/4英吋是成熟產(chǎn)品,價(jià)格逐漸穩(wěn)定,而大尺寸(如6/8英吋)的普通藍(lán)寶石基板與2英吋圖案化藍(lán)寶石基板處于成長(zhǎng)期,價(jià)格也較高,其生產(chǎn)商也是主推大尺寸與圖案化藍(lán)寶石基板,同時(shí)也積極
增加產(chǎn)能.目前大陸還沒(méi)有廠家能生產(chǎn)出圖案化藍(lán)寶石基板。

      奈米級(jí)圖案化藍(lán)寶石基板(來(lái)源：和椿科技)

3、圖案化藍(lán)寶石基板(Pattern Sapphire Substrate簡(jiǎn)稱(chēng)PSS)
 
      以成長(zhǎng)(Growth)或蝕刻(Etching)的方式,在藍(lán)寶石基板上設(shè)計(jì)制作出納米級(jí)特定規(guī)則的微結(jié)構(gòu)圖案藉以控制LED之輸出光形式，并可同時(shí)減少生長(zhǎng)在藍(lán)寶石基板上GaN之間的差排缺陷，改善磊晶質(zhì)量，并提升LED內(nèi)部量子效率、增加光萃取效率。

      通常，C面藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)的GaN薄膜是沿著其極性軸即ｃ軸方向生長(zhǎng)的，薄膜具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，導(dǎo)致薄膜內(nèi)部(有源層量子阱)產(chǎn)生強(qiáng)大的內(nèi)建電場(chǎng)，(Quantum Confine Stark Effect, QCSE;史坦克效應(yīng))大大地降低了GaN薄膜的發(fā)光效率. 在一些非C面藍(lán)寶石襯底(如R面或M 面)和其他一些特殊襯底(如鋁酸鋰;LiAlO2 )上生長(zhǎng)的GaN薄膜是非極性和半極性的,上述由極化場(chǎng)引起的在發(fā)光器件中產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)將得到部分甚至完全的改善.傳統(tǒng)三五族氮化物半導(dǎo)體均成長(zhǎng)在c-plane 藍(lán)寶石基板上，若把這類(lèi)化合物成長(zhǎng)于R-plane 或M-Plane上，可使產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)平行于磊晶層，以增加電子電洞對(duì)復(fù)合的機(jī)率。因此，以氮化物磊晶薄膜為主的LED結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)R-plane 或M-Plane藍(lán)寶石基板上，相比于傳統(tǒng)的C面藍(lán)寶石磊晶,將可有效解決LED內(nèi)部量子效率效率低落之問(wèn)題，并增加元件的發(fā)光強(qiáng)度。最新消息據(jù)稱(chēng)非極性LED能使白光的發(fā)光效率提高兩倍.

      由于無(wú)極性GaN具有比傳統(tǒng)c軸GaNＮ更具有潛力來(lái)制作高效率元件,而許多國(guó)際大廠與研究單位都加大了對(duì)此類(lèi)磊晶技術(shù)的研究與生產(chǎn).因此對(duì)于R-plane 或M-Plane 藍(lán)寶石基板的需求與要求也是相應(yīng)地增加。

      下圖為半極性和無(wú)極性面的簡(jiǎn)單示意圖

      無(wú)極性面是指極性面法線方向上的面，而半極性面則是介于極性面和無(wú)極性面之間的面

五、藍(lán)寶石基板的主要技術(shù)參數(shù)
 
      外延片廠家因?yàn)榧夹g(shù)及工藝的不同,對(duì)藍(lán)寶石基板的要求也不同，比如厚度、晶向等。

      下面列出幾個(gè)廠家生產(chǎn)的藍(lán)寶石基板的一些基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)(以成熟的C面2英吋藍(lán)寶石基板為例子).更多的則是外延片廠家根據(jù)自身的技術(shù)特點(diǎn)以及所生產(chǎn)的外延片質(zhì)量要求來(lái)向藍(lán)寶石基板廠家定制合乎自身使用要求的藍(lán)寶石基板，即客戶(hù)定制化。分別為:
 
      A:臺(tái)灣桃園兆晶科技股份有限公司C面2英吋藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù)

      B:臺(tái)灣新竹中美矽晶制品制品股份有限公司C面2英吋藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù)

      C:美國(guó) Crystal systems 公司C面2英吋藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù)

      D:俄羅斯 Cradley Crystals公司C面2英吋藍(lán)寶石基板技術(shù)參數(shù)