CN1560919A - 复合蓝宝石衬底基片及其制备方法 - Google Patents

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夏长泰
徐军
周圣明
李抒智
周国清
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Abstract

一种复合蓝宝石衬底基片及其制备方法，该复合蓝宝石衬底基片是在蓝宝石基片(α－Al2O3)背面覆盖一层铝酸锂(γ－LiAlO2)构成，它是利用气相传输平衡方法制备的，该复合蓝宝石衬底基片LiAlO2/α－Al2O3，克服了蓝宝石(α－Al2O3)硬度高的缺点，提高了蓝宝石基氮化物芯片LiAlO2/α－Al2O3/GaN的减薄和划片的效率，划片成品率普遍提高5％－10％。

Description

复合蓝宝石衬底基片及其制备方法
技术领域
本发明涉及蓝宝石衬底，特别是一种复合蓝宝石衬底基片及其制备方法。
背景技术
以GaN为代表的宽带隙III-V族化合物半导体材料正在受到越来越多的关注，它们将在蓝、绿光发光二极管(LEDs)和激光二极管(LDs)、高密度信息读写、水下通信、深水探测、激光打印、生物及医学工程，以及超高速微电子器件和超高频微波器件方面具有广泛的应用前景。
当前，超高亮度的蓝宝石/GaN LED在室内外的彩色显示、交通信号指示、LED背景光源以及白色照明光源等方面的应用越来越广泛，其生产规模迅速地扩大。在生产过程中，蓝宝石/GaN LED芯片切割问题成为阻碍其生产成本进一步降低的瓶颈之一。
由于蓝宝石/GaN比一般的GaAs、GaP等化合物半导体材料坚硬得多，采用砂轮刀具切割的磨损量极大，切入量也很小。一般采用金刚石刀具对蓝宝石/GaN LED芯片进行切割，切割一般分为划片和裂片两步：首先用装有金刚石刀具的设备按照芯片图形尺寸进行划片，然后再用另一台设备精确对准划片刀痕，通过一个能够产生剪切应力的专用装置，在刀痕处将芯片裂开。
在划片与裂片之前还必须对蓝宝石/GaN电极片的蓝宝石衬底进行研磨减薄和抛光，减薄的最终厚度一般为80-100μm。由于蓝宝石晶体(α-Al2O3)的硬度很高，为莫氏硬度9级，仅次于最硬的金刚石，对它进行减薄和划片都不太容易。当从蓝宝石背面对准划片时，抛光质量对划片刀具的磨损和使用寿命都有很大影响(参见国际光电显示技术，2003年，第1期，64页)。
对蓝宝石/GaN LED进行划片的另一种方法是采用激光切割划片，采用激光划片可以提高划痕的质量和成品率，有利于提高和大规模生产。目前切割深度为20μm，宽度为10-15μm，据报道目前所采用的激光器有准分子激光器和三倍频的Nd:YVO4固体激光器355nm激光(美国专利，专利号USA6580054)。但采用激光划片也存在问题：
(1)由于蓝宝石为透明介质，其对激光的吸收很小，不利于提高激光划片的效率；
(2)采用激光切割产生的热效应有可能损害蓝宝石/GaN LED芯片的光电性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种一种复合蓝宝石衬底基片及其制备方法，以克服蓝宝石(α-Al2O3)硬度高的缺点，提高蓝宝石基氮化物芯片的减薄和划片的效率，提高蓝宝石/GaN LED芯片的光电性能和成品率。
本发明的技术解决方案如下：
一种复合蓝宝石衬底基片，其特征是在蓝宝石基片(α-Al2O3)背面覆盖一层铝酸锂(γ-LiAlO2)，形成复合蓝宝石衬底基片LiAlO2/α-Al2O3。
本发明复合蓝宝石衬底基片的制备方法，是利用气相传输平衡(Vapor Transport Equilibration，简称VTE)方法，在高温、富锂的气氛中，通过锂离子的扩散，使氧化锂(Li2O)和蓝宝石(α-Al2O3)的背面发生固相反应生成铝酸锂(γ-LiAlO2)，形成一种复合蓝宝石衬底基片LiAlO2/α-Al2O3，与蓝宝石的硬度(莫氏硬度9级)相比，铝酸锂的硬度(莫氏硬度8级)已大为下降，用此复合蓝宝石衬底基片生长的氮化物芯片LiAlO2/α-Al2O3/GaN，进行减薄和划片就比对蓝宝石容易多了，从而提高了减薄和划片的效率和成品率。
所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，是在一利用气相传输平衡装置中进行的，具体包括下列步骤：
<1>成对地将经过粗磨、细磨或抛光的蓝宝石晶片，叠合送入一个铂金坩埚内，把它置于或悬于铂金丝上，该坩埚内放置带气孔的LiAlO2和Li2O混合料块，加上覆盖有LiAlO2和Li2O混合粉料和热电偶的坩埚盖，坩埚顶部加铂金盖密闭，置于电阻炉中；
<2>该电阻炉加热升温至1000～1400℃左右，恒温20～100小时，Li2O扩散到蓝宝石(α-Al2O3)晶片中，发生固相反应，在成对叠合的蓝宝石晶片α-Al2O3上下两个晶面生成铝酸锂(γ-LiAlO2)；
<3>采用普通的机械和化学的方法，对以上复合的LiAlO2/α-Al2O3晶片进行研磨、抛光、清洗、包装，即获到复合LiAlO2/α-Al2O3衬底基片。
所述的蓝宝石晶片也可以是经过双面或单面抛光的蓝宝石晶片。
所述的铂金坩埚也可是氧化铝坩埚、氮化铝坩埚、铱坩埚、钼坩埚、钨坩埚或钨钼合金坩埚。
所述的LiAlO2和Li2O混合料块的重量比的选取范围是[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)。
所述的电阻炉也可以是硅碳棒炉或硅钼棒炉。
本发明的技术效果：
本发明在蓝宝石(α-Al2O3)的背面覆盖一层铝酸锂(γ-LiAlO2)，形成一种复合蓝宝石衬底基片LiAlO2/α-Al2O3，与蓝宝石的硬度(莫氏硬度9级)相比，铝酸锂的硬度(莫氏硬度8级)已大为下降，用此复合蓝宝石衬底基片生长的氮化物芯片LiAlO2/α-Al2O3/GaN，再进行减薄和划片就比对蓝宝石容易多了，从而提高了减薄和划片的效率和成品率。经实验证明，与在先技术相比，划片成品率提高5％-10％。
附图说明
图1是本发明用于复合蓝宝石衬底基片的气相传输平衡实验装置示意图。
具体实施方式
本发明所用的气相传输平衡(VTE)实验装置示意图如图1所示，铂金坩埚1内，放置有带气孔2的一定配比的LiAlO2和Li2O混合料块3，料块3上部是铂金丝4，将成对叠合的蓝宝石晶片5置于铂金丝4上，料块3上部有铂金片6和LiAlO2和Li2O混合粉料7覆盖，热电偶8插入粉料7中，坩埚1顶部加铂金盖9密闭。
气相传输平衡(VTE)技术是一种质量传输过程，因此坩埚内应保证有足够的Li2O供应量，其次，气相的平衡是依靠Li2O源源不断地从LiAlO2和Li2O混合料块中挥发来维持的，为防止混合料块表面Li2O耗尽造成的平衡破坏，应使混合料块具有多孔结构。以尽量增加Li2O的挥发表面。
将成对叠合的蓝宝石晶片置于或悬于密闭的铂金坩埚内，然后将密闭的铂金坩埚放入电阻炉(硅碳棒炉或硅钼棒炉)内，加热到预定的平衡温度，保温一定的时间进行气相平衡扩散，为了加快扩散过程和结构调整过程，应选取尽可能高的平衡温度，一般选取1000～1400℃。
本发明的气相传输平衡(VTE)方法的具体工艺流程如下：
<1>成对地将经过粗磨、细磨或抛光的蓝宝石晶片，叠合送入铂金坩埚1内，放置有带气孔2的LiAlO2和Li2O混合料块3，选取[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)重量比；
<2>将以上成对叠合的蓝宝石晶片置于或悬于铂金丝上，加上覆盖有LiAlO2和Li2O混合粉料7和热电偶8的坩埚盖，坩埚顶部加铂金盖9密闭，置于电阻炉中；
<3>加热升温至1000～1400℃左右，恒温20～100小时，Li2O扩散到蓝宝石(α-Al2O3)晶片中，发生固相反应生成铝酸锂(γ-LiAlO2)，此时以上成对叠合的蓝宝石晶片的上下两个晶面α-Al2O3(莫氏硬度9级)上覆盖了一层γ-LiAlO2(莫氏硬度8级)。
下面是用上述的气相传输平衡实验装置和具体的工艺流程的具体实施例。
在φ100×80mm的铂金坩埚内，放置带气孔的LiAlO2和Li2O混合料块，选取[LiAlO2]/[Li2O]＝75∶25重量比，将按前述方法成对叠合的蓝宝石晶片置于或悬于铂金丝上，加上覆盖有LiAlO2和Li2O混合粉料和热电偶的坩埚盖，坩埚顶部加铂金盖密闭，置于电阻炉中。加热电阻炉升温至1150℃，恒温100小时，蓝宝石(α-Al2O3)晶片中，发生固相反应生成铝酸锂(γ-LiAlO2)，此时成对叠合的蓝宝石晶片的上下两个晶面由原来的α-Al2O3(莫氏硬度9级)变成γ-LiAlO2(莫氏硬度8级)，再采用普通的机械和化学的方法，对以上复合的LiAlO2/α-Al2O3晶片进行研磨、抛光、清洗、包装，即制备得到复合LiAlO2/α-Al2O3衬底基片。经实验证明，与在先技术相比，划片成品率提高5％-10％。

Claims (6)

1、一种复合蓝宝石衬底基片，其特征是在蓝宝石基片(α-Al2O3)背面设有一层铝酸锂(γ-LiAlO2)，形成复合蓝宝石衬底基片LiAlO2/α-Al2O3。
2、根据权利要求1所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，其特征在于该方法是采用气相传输平衡方法来制备的，包括下列步骤：
<1>成对地将经过粗磨、细磨或抛光的蓝宝石晶片，叠合送入一个铂金坩埚内，把它置于或悬于铂金丝上，该坩埚内放置带气孔的LiAlO2和Li2O混合料块，加上覆盖有LiAlO2和Li2O混合粉料和热电偶的坩埚盖，坩埚顶部加铂金盖密闭，置于电阻炉中；
<2>该电阻炉加热升温至1000～1400℃左右，恒温20～100小时，Li2O扩散到蓝宝石(α-Al2O3)晶片中，发生固相反应，在成对叠合的蓝宝石晶片α-Al2O3上下两个晶面生成铝酸锂(γ-LiAlO2)；
<3>采用普通的机械和化学的方法，对以上复合的LiAlO2/α-Al2O3晶片进行研磨、抛光、清洗、包装，即获到复合LiAlO2/α-Al2O3衬底基片。
3、根据权利要求2所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，其特征在于所述的蓝宝石晶片也可以是经过双面或单面抛光的蓝宝石晶片。
4、根据权利要求2所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，其特征在于所述的铂金坩埚也可是氧化铝坩埚、氮化铝坩埚、铱坩埚、钼坩埚、钨坩埚或钨钼合金坩埚。
5、根据权利要求2所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，其特征在于所述的LiAlO2和Li2O混合料块的重量比的选取范围是[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)。
6、根据权利要求1所述的复合蓝宝石衬底基片的制备方法，其特征在于所述的电阻炉也可以是硅碳棒炉或硅钼棒炉。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103311328A (zh) * 2013-06-18 2013-09-18 天津理工大学 一种基于复合衬底的铜铟镓硒薄膜及其制备方法

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