CN102896424A - 一种蓝宝石衬底减薄的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种蓝宝石衬底减薄的方法，先采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底产生色心，再用紫外激光扫描蓝宝石衬底表面。本发明提供的采用激光减薄蓝宝石衬底的方法，相比于接触式研磨和抛光，对蓝宝石衬底不会施加压力，衬底不易出现破裂或表面有裂纹的情况；而且整个过程中，产生的热量较小，可有效降低热效应对外延片光电性能的影响。

Description

一种蓝宝石衬底减薄的方法
技术领域
本发明涉及一种蓝宝石衬底减薄的方法。
背景技术
如今，LED（发光二极管）作为绿色照明已开始被广泛运用，其生产规模越来越大。蓝宝石因其具有透光性好、电绝缘性优良和化学性能稳定等特点，被广泛用作LED芯片的衬底材料。现在，蓝宝石衬底的减薄已经成为LED芯片生产中一个必不可少的环节，由于蓝宝石材质硬度很高（莫氏9级），而且蓝宝石单晶属于三方晶系离子晶体，是典型的难加工硬脆材料，现在普遍采用金刚砂轮对其进行打磨，然后再采用化学机械抛光法进行抛光从而得到更光滑的表面。这种传统的接触式研磨抛光方法，往往可能会在减薄过程中产生裂纹或出现裂片的情况，难以得到高质量的光学表面。
发明内容
本发明为解决蓝宝石衬底在减薄过程中产生裂纹或出现裂片情况的技术问题，提供一种蓝宝石衬底的减薄方法。
本发明提供的一种蓝宝石衬底减薄的方法，先采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底产生色心，再用紫外激光扫描蓝宝石衬底表面。
本发明具有如下有益效果：采用激光减薄和抛光蓝宝石衬底，相比于接触式研磨和抛光，对蓝宝石衬底不会施加压力，衬底不易出现破裂或表面有裂纹的情况，得到的光学表面质量高。
同时，发明人发现，由于蓝宝石晶体是透明介质，透光率较高，不利于吸收激光的能量，在一定程度上限制了减薄加工的效率。而在本发明中，用飞秒激光辐照蓝宝石衬底，使蓝宝石产生色心，在后续步骤中可增大蓝宝石对紫外激光的吸收，提高了激光减薄和抛光的效率。
另外，由于飞秒激光的脉宽很窄，达到飞秒的数量级，所以飞秒激光的瞬时功率非常高，可达到1014W的数量级，其热效应时间很短，辐照时产生的热量很小，对外延片的光电性能影响较小。
附图说明
图1是蓝宝石在飞秒激光辐照前后的吸收光谱图。 
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底使其产生色心；
（2）用紫外激光对蓝宝石衬底表面进行扫描。
本发明提供的采用激光减薄蓝宝石衬底的方法，相比于接触式研磨和抛光，对蓝宝石衬底不会施加压力，衬底不易出现破裂或表面有裂纹的情况，而且该方法效率高；同时，整个过程中，产生的热量较小，可有效降低热效应对外延片光电性能的影响。
以下对蓝宝石衬底减薄的方法进行详细说明：
具体地，在步骤（1）中，采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底。由于蓝宝石晶体是透明介质，透光率较高，不利于激光的吸收，本发明中，通过飞秒激光辐照使蓝宝石产生色心，可增大后续步骤中对紫外激光的吸收，提高了激光减薄和抛光的效率。
所述飞秒激光为红外波段的激光，所述飞秒激光波长为800nm~1500nm(纳米)，脉冲宽度为20fs~200fs（飞秒）。优选情况下，所述飞秒激光的重复频率为1KHz~10KHz。进一步优选为，所述飞秒激光的扫描速度为1000um/s（微米/秒）~5mm/s（毫米/秒）。在本实施例中，所述飞秒激光波长为800nm，脉冲宽度为120fs。优选情况下，所述飞秒激光的重复频率为1KHz。进一步的，飞秒激光辐照在蓝宝石上的扫描速度为1000um/s。通过使用上述条件的飞秒激光，可以在蓝宝石衬底上有效的形成色心。
用飞秒激光辐照蓝宝石衬底后，蓝宝石晶体吸收光谱图如图1所示，图中实线为蓝宝石晶体辐照前光谱吸收强度曲线，虚线为蓝宝石晶体经飞秒激光辐照后光谱吸收强度曲线，从图中可看出辐照后蓝宝石晶体在整个光谱波段上的吸收强度都有显著的提高，特别是在波长小于250nm的紫外光波段，其吸收强度增加的幅度最为显著。
相比于传统的中子源、Co60γ射线或高能紫外等辐照方式，在本发明中，采用飞秒激光可在蓝宝石衬底上形成有效的色心，保证后续采用紫外激光进行扫描时，蓝宝石衬底可稳定有效的吸收紫外激光的能量，避免传统的中子源、Co60γ射线或高能紫外等辐照方式产生的由于吸收强度较低导致的效率下降等问题。
具体地，在步骤（2）中，用飞秒激光辐照蓝宝石衬底后，再用紫外激光扫描蓝宝石衬底表面。所述紫外激光为紫外波段的激光，波长为213nm~355nm，能量密度为3 J/cm2~20J/cm2（焦/平方厘米）。优选情况下，所述紫外激光的脉冲宽度为3ns~5ns（纳秒），重复频率为10Hz~100Hz。进一步的，紫外激光在蓝宝石衬底表面上的扫描速度为5um/s~0.6mm/s。在本实施例中，所述紫外激光波长为213nm，能量密度为4J/cm2，脉冲宽度为5ns，重复频率为10Hz，扫描速度为5 um/s。用紫外激光扫描蓝宝石衬底表面，破坏蓝宝石的晶格结构，使晶体材料从蓝宝石本体脱离，以达到减薄蓝宝石衬底的效果。
在紫外激光扫描过程中，晶体表面形成细小微孔，少量脱离的晶体材料填入微孔中使衬底表面变得光滑，以达到抛光的效果，经紫外激光扫描，可使蓝宝石衬底的粗糙度降低至0.2um（微米）。
由以上叙述可看出，本发明中蓝宝石衬底的减薄方法属于非接触式的减薄方法，相比于用金刚砂轮等接触式的减薄方法，对蓝宝石衬底不会施加压力，衬底不易出现破裂或表面有裂纹的情况，而且同时具有抛光衬底的效果，省去了传统的采用化学机械抛光衬底的步骤。
进一步，由于飞秒激光的脉宽很窄，达到飞秒的数量级，所以飞秒激光的瞬时功率非常高，可达到1014W的数量级，其热效应时间很短，辐照时产生的热量很小，对外延片的光电性能影响较小。而且在步骤（2）中采用波长为213nm~355nm的紫外激光扫描蓝宝石衬底，破坏其晶格结构，产生的热量较小，可降低热效应对外延片的影响，达到冷抛光的目的。
根据本发明，优选情况下，上述蓝宝石衬底减薄的方法还包括步骤（3），在用紫外激光扫描蓝宝石衬底的同时，采用超声波对蓝宝石衬底表面进行清理。
具体地，在步骤（3）中，在用紫外激光扫描蓝宝石衬底的同时，采用超声波对蓝宝石衬底表面进行清理，所述超声波的频率为40KHz~1MKz，功率密度为0.3W/cm2~1.5W/cm2（瓦/平方厘米）。在本实施例中，所述超声波的频率为60KHz，功率密度为0.35 W/cm2。采用超声波清理的目的在于，用超声波振荡可更为有效快捷的去除蓝宝石衬底表面上已脱离本体的晶体材料，防止其附着在衬底表面影响出光效率，而且衬底表面无需清洗，省去了常规的清洗步骤。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，先采用飞秒激光辐照蓝宝石衬底产生色心，再用紫外激光扫描蓝宝石衬底表面。
2.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，还包括下列步骤：在用紫外激光扫描蓝宝石衬底的同时，采用超声波对蓝宝石衬底表面进行清理。
3.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述飞秒激光为红外波段激光。
4.如权利要求3所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述飞秒激光波长为800nm~1500nm，脉冲宽度为20fs~200fs。
5.如权利要求3或4所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述飞秒激光的重复频率为1KHz~10KHz。
6.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述飞秒激光的扫描速度为1000um/s~5mm/s。
7.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述紫外激光波长为213nm~355nm，能量密度为3 J/cm2~20J/cm2。
8.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述紫外激光的脉冲宽度为3ns~5ns，重复频率为10Hz~100Hz。
9.如权利要求1所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述紫外激光的扫描速度为5um/s~0.6mm/s。
10.如权利要求2所述的一种蓝宝石衬底减薄的方法，其特征在于，所述超声波频率为40KHz~1MHz，功率密度为0.3W/cm2~1.5W/cm2。
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