蓝宝石衬底湿法清洗工艺研究

蓝宝石衬底作为LED芯片衬底,不仅要求具有较高的面型精度和表面质量,而且对衬底表面清洁度也有严格要求。实验以抛光后的蓝宝石衬底为对象,首先分析了抛光后的蓝宝石衬底表面污染物主要元素。随后开展抛光后的蓝宝石衬底的单因素湿法清洗实验,研究了清洗剂浓度、清洗温度和清洗时间对污染物去除率的影响。最后通过开展正交实验,获得最佳清洗工艺参数。优化后的清洗工艺可有效提升蓝宝石衬底的表面清洁度和清洗效率。

退火温度对蓝宝石衬底上Mg_(2)Si薄膜质量和光学性质的影响

采用磁控溅射法在蓝宝石衬底上制备了结晶良好的Mg2Si多晶薄膜,研究了退火温度(375~475℃)对薄膜晶体结构、表面形貌、拉曼光谱和光学性质的影响。X射线衍射(XRD)结果表明,当退火温度为400 ℃时Mg_(2)Si(220)衍射峰强度最强,样品结晶质量最好,未见明显可观测的MgO相。扫描电镜(SEM)结果表明,所有样品表面均呈现清晰可见的规则六边形,且退火温度对形貌影响较小。拉曼光谱结果显示所有样品均呈现出Mg_(2)Si薄膜的特征峰(256 cm^(-1)附近的F_(2g)振动模),同时出现345 cm^(-1)附近的F_(1u)(LO)声子模,表明生成样品均为结晶良好的Mg_(2)Si薄膜。对薄膜光学性质的研究结果表明,随着退火温度升高,样品光学带隙先增大后减小。

斜切蓝宝石衬底上GaN薄膜的位错降低机制

GaN材料以其宽禁带、高击穿电场、高热导率、直接带隙等优势被广泛应用于光电子器件、大功率器件以及高频微波器件等方面.由于GaN材料异质外延带来的大晶格失配和热失配问题,GaN在生长过程中会产生大量位错,降低了GaN材料晶体质量,导致器件性能难以进一步提升.为此,研究人员提出使用斜切衬底来降低位错密度,但是关于斜切衬底上外延层的位错湮灭机制的研究还不充分.所以,本文采用金属有机化合物化学气相淀积技术在不同角度的斜切蓝宝石衬底上生长了GaN薄膜,采用原子力显微镜、高分辨X射线衍射仪、光致发光测试、透射电子显微镜详细地分析了斜切衬底对GaN材料的影响.斜切衬底可以显著降低GaN材料的位错密度,但会导致其表面形貌发生退化.并且衬底斜切角度越大,样品的位错密度越低.通过透射电子显微镜观察到了斜切衬底上特殊的位错终止现象,这是斜切衬底降低位错密度的主要原因之一.基于上述现象,提出了斜切衬底上GaN生长模型,解释了斜切衬底提高GaN晶体质量的原因.

基于混合Petri网的蓝宝石衬底生产线碳流动态建模与应用

蓝宝石衬底广泛用作LED产品的衬底材料,其加工精度高且工序复杂,主要包括切片、倒角、研磨、退火、上蜡、铜抛、软抛、清洗环节。蓝宝石衬底在加工过程中存在设备能耗高、能效低且辅料回收利用率低等问题,从而导致生产成本高且对环境产生不利影响。以碳排放为表征量,对蓝宝石衬底生产线碳流动态建模开展研究。首先,定义了蓝宝石衬底生产线碳流系统边界,分析了蓝宝石衬底生产线中能量流、物料流和碳流,建立了蓝宝石衬底生产线碳流动态模型,并提出了基于生产性能与经济效益的两种碳效率评价指标;其次,根据碳排放与工艺过程的强耦合特性,基于混合Petri网对蓝宝石衬底生产线碳流动态特性进行了建模与仿真;最后,通过应用实例验证并求解了生产线的碳效率。

生长在图形化蓝宝石衬底上的GaN薄膜光学性质研究

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术作为提高LED发光效率的方法之一,一直备受关注。研究了PSS上生长的GaN薄膜的表面形貌、吸收光谱、红外光谱、拉曼散射(Raman)和太赫兹光谱等,并与常规蓝宝石衬底上的GaN外延薄膜进行对比。结果表明,PSS上生长的GaN外延薄膜的表面形貌、光提取效率(LEE)得到明显改善。此研究成果对进一步提高GaN基短波(蓝/紫光)发光二极管(LED)的发光效率具有一定的借鉴意义,为进一步拓展PSS器件的太赫兹响应提供了依据。

蓝宝石衬底损伤层厚度和折射率的椭偏测量

为了定量测量蓝宝石衬底在化学机械抛光过程中产生的损伤层厚度d和折射率n,提出了一种光谱椭偏测量法。首先,测量蓝宝石衬底反射光谱(波长范围:250~1650 nm)偏振态的改变量(即振幅比和相位差);然后,通过光学建模和测量数据反演,获得损伤层d和n。实验研究了Al_(2)O_(3)和SiO_(2)两种磨料加工蓝宝石衬底损伤层d和n的变化趋势,前者d呈现波动趋势且最小值(约1.4 nm)出现在40 min左右,后者d持续下降,在20 min接近1 nm;二者损伤层n均小于蓝宝石晶体n。另外,实验和仿真分析结果表明相位差与厚度变化趋势一致,因无需建模反演,可作为快速表征损伤层d变化趋势的参量。总之,所提方法作为光学无损测量模式,适用于加工过程监测。

蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹深度检测

双面研磨作为蓝宝石衬底制备的一道重要工序,研磨表面裂纹深度将严重影响后续抛光的材料去除量,因此对研磨衬底表面裂纹特征研究及深度测量具有重要意义。本文采用截面显微观测法、聚焦离子束侧面观测法、差动蚀刻速率法、磁流变抛光法和逐层抛光法等方法观测双面研磨蓝宝石衬底表面裂纹特征和测量裂纹深度。采用截面显微观测法和聚焦离子束侧面观测法观测研磨后蓝宝石衬底亚表面裂纹形态主要有斜线状、横线状、钩状和树杈状。采用差动蚀刻速率法测得蓝宝石衬底研磨表面裂纹密集层厚度为9~10μm,而采用磁流变抛光法测得研磨衬底局部亚表面裂纹深度为25~30μm,采用逐层抛光法测得研磨衬底整体亚表面裂纹深度约为30~35μm。此外,根据不同方法所检测的裂纹特征和裂纹深度,构建了蓝宝石衬底双面研磨表面裂纹模型,为后续抛光工艺的制定与优化提供依据。

磨料反应特性及绿色络合剂对蓝宝石衬底抛光性能的影响

针对当前传统游离磨料抛光蓝宝石衬底存在的磨粒轨迹不可控、抛光液污染环境等问题,文章基于半固结柔性抛光工具探究了磨料反应活性及不同绿色络合剂对抛光蓝宝石衬底性能的影响。通过水解沉淀法制备了高活性纳米二氧化硅磨料,分别以木糖醇、甘露醇和三异丙醇胺作为络合剂配制绿色环保型抛光液,基于半固结柔性抛光工具进行加工试验。结果表明,高活性二氧化硅磨料的材料去除率达到1 nm/min,较商用二氧化硅提升了81.8%,表面粗糙度降低了10.5%。同时,相较于甘露醇、三异丙醇胺,当抛光液组分中的络合剂为木糖醇时,蓝宝石衬底表面粗糙度分别降低了33.7%和24%,PV值小于18 nm,材料去除率分别提升了24%和5.1%。高活性二氧化硅磨料和木糖醇络合剂可提高蓝宝石衬底加工过程中的界面反应速率,从而提升了表面质量和加工效率,实现了蓝宝石衬底超光滑、高效率、无污染抛光。

基于定量检测的蓝宝石衬底表面缺陷分类识别

针对现有的蓝宝石衬底表面缺陷大多只能进行定性分析的问题,采用机器视觉技术对蓝宝石衬底表面缺陷进行检测,通过图像预处理、感兴趣提取、二维特征参数提取,最终获取缺陷的二维几何特征参数,并根据缺陷的长度、面积、周长、圆形度、矩形度,对缺陷进行定量分析,同时根据矩形度、圆形度,对缺陷进行识别。

蓝宝石衬底表面粗糙度检测和评定

为实现对蓝宝石衬底表面加工质量的分析评定,搭建了一套蓝宝石衬底表面微观形貌检测和评定的系统。借助光学小景深显微图像采集数据,通过改进的拉普拉斯算子进行序列图像融合,恢复图像的三维形貌,为获取精确的三维形貌,对图像进行高斯插值。为有效提取表面粗糙度参数,采用最小二乘法确定评定基准面,最后获取三维粗糙度评价参数S_(a)、S_(q)、S_(sk)、S_(ku)。

固结磨料研磨蓝宝石衬底的工艺研究

为获得高材料去除率和优表面质量的蓝宝石衬底,采用固结磨料研磨蓝宝石衬底提高加工效率,研究研磨压强、工作台转速、三乙醇胺(TEA)浓度和研磨垫类型四个因素对材料去除率和表面粗糙度的影响,并综合优化获得高材料去除率和优表面质量的工艺参数。结果表明:有图案的研磨垫、研磨压强为100 kPa、工作台转速为120 r/min、三乙醇胺的浓度为5%为最优研磨工艺参数组合,固结磨料研磨蓝宝石的材料去除率为31.1μm/min,表面粗糙度为0.309μm。

磨料对蓝宝石衬底去除速率的影响

蓝宝石晶体已经成为现代工业,尤其是微电子及光电子产业极为重要的衬底材料,提高其化学机械抛光效率是业界无法回避的问题。在CMP系统中,磨料是决定去除速率及表面状态的重要因素。分析了化学机械抛光过程中抛光液中磨料的作用以及抛光机理,在确保表面状态的基础上,研究了抛光液中磨料体积分数、粒径和抛光液的黏度对速率的影响,指出纳米磨料是蓝宝石衬底抛光的最佳磨料。选用合适的磨料体积分数、粒径及抛光液黏度,不仅获得了良好的去除速率,而且有效地解决了表面状态方面的问题。

图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。

单晶蓝宝石衬底晶片的化学机械抛光工艺研究

目的设计单晶蓝宝石衬底化学机械抛光的合理方案,探究主要抛光工艺参数对抛光衬底的表面质量和材料去除率的影响,并得到一组材料去除率高且表面质量满足要求的抛光工艺参数。方法借助原子力显微镜和精密天平分别对衬底表面形貌和材料去除率进行分析,采用单因素实验法探究了抛光粒子、抛光时间、抛光压力和抛光盘转速对蓝宝石衬底化学机械抛光的表面质量和材料去除率的影响,并设计合理的交互正交优化实验寻求一组较优的抛光工艺参数。结果在蓝宝石衬底化学机械精抛过程中,在抛光时间为0.5 h、抛光压力为45.09 k Pa、抛光盘转速为50 r/min、SiO_2抛光液粒子质量分数为15%、抛光液流量为60 m L/min的条件下,蓝宝石衬底材料的去除率达41.89 nm/min,表面粗糙度降低至0.342 nm,衬底表面台阶结构清晰,满足后续外延工序的要求。结论采用化学机械抛光技术和优化的工艺参数,可同时获得较高的材料去除率和高质量的蓝宝石衬底表面。

蓝宝石衬底双面研磨的材料去除机理研究

对蓝宝石双面研磨加工进行了实验研究,借助SEM观察被加工工件表面,发现双面研磨加工的工件表面存有磨粒的二体、三体延性和磨损加工痕迹;建立了材料的理论去除模型并进行了计算,且与实验加工值进行了对比。结果表明,蓝宝石双面研磨中同时存在延性去除和脆性去除,该模型可以定性地描述双面研磨加工材料的去除率。

蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤分布研究

在前人对硬脆性材料亚表面损伤预测理论研究的基础上,建立了蓝宝石衬底双面研磨亚表面损伤层深度与表面划痕深度之间的理论模型（DNR）。通过对双面研磨后的衬底晶片进行KOH轻度化学腐蚀并结合VK-X100/X200形状测量激光显微系统,得到了晶片表面划痕随深度的分布情况,进而得出了晶片亚表面损伤层随深度的分布情况。研究表明：亚表面损伤层随深度变化的分布规律为随着深度的增大呈递减趋势,集中分布在距离外层碎裂及划痕破坏层下方0～12.9μm深度范围内,所占比例达96.7%左右。研究结果有利于优化双面研磨工艺参数来控制亚表面损伤层的深度。

最大振荡频率为200GHz的蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT(英文)

报道了最大振荡频率为200 GHz的基于蓝宝石衬底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).外延材料结构采用InGaN背势垒层来减小短沟道效应,器件采用凹栅槽和T型栅结合的工艺,实现了Ka波段AlGaN/GaNHEMT.器件饱和电流达到1.1 A/mm,跨导为421 mS/mm,截止频率(fT)为30 GHz,最大振荡频率(fmax)为105GHz.采用湿法腐蚀工艺将器件的Si3N4钝化层去除后,器件的Cgs和Cgd减小,器件截止频率提高到50 GHz,最大振荡频率提高到200 GHz.

混合磨料对LED用蓝宝石衬底CMP质量的影响

分析了混合磨料在蓝宝石衬底化学机械抛光(CMP)过程中的作用机理,并对比了SiO2水溶胶磨料和SiO2与Al2O3混合磨料对蓝宝石衬底去除速率的影响。研究表明,在主磨料SiO2水溶胶中加入浓度为20mL/L同粒径纳米级的Al2O3可以使CMP过程中的化学作用与机械作用达到相互平衡,使抛光去除速率得到明显提高。在距抛光终点5～10min通过调整工艺参数与抛光液配比,使表面粗糙度由2.32nm降至0.236nm。

蓝宝石衬底上HVPE-GaN厚膜生长

采用氢化物气相外延(HVPE)方法,以蓝宝石作衬底,分别在MOCVD-GaN模板和蓝宝石衬底上直接外延生长GaN.模板上的GaN生长表面平整、光亮,但开裂严重.其(0002)的双晶衍射半高宽最低为141″;蓝宝石衬底上直接生长GaN外延层质量较差,其双晶衍射半高宽为1688″,但不发生开裂.HCl的载气流量对预反应有很大的影响.应力产生于外延层和衬底之间的界面处,界面孔洞的存在可以释放应力,减少开裂.光致发光(PL)谱中氧杂质引起强黄光发射.

蓝宝石衬底化学机械抛光的机理研究

利用磨料为SiO2的碱性抛光液对蓝宝石衬底材料进行了化学机械抛光，并对蓝宝石衬底化学机械抛光（简称CMP）的机理进行了深入的研究，指出了蓝宝石CMP的主要的动力学过程，并详细分析了影响各动力学过程的诸要素。结果表明，蓝宝石衬底的CMP过程是一个复杂的多相反应过程，是化学作用与机械作用互相加强和促进的过程，影响它的各要素间既相互促进，又相互制约。