藍(lán)寶石基LED外延片背減薄與拋光工藝研究

　　1 引言

　　目前在藍(lán)光LED的制備中，通常采用異質(zhì)外延的方法生長(zhǎng)氮化鎵材料。在商品化的LED中，絕大部分采用藍(lán)寶石作為外延生長(zhǎng)的襯底材料。由于藍(lán)寶石材料導(dǎo)熱性較差，為防止LED有源區(qū)過高的溫升對(duì)其光輸出特性和壽命產(chǎn)生影響，在完成電極制備等工藝后，必須對(duì)藍(lán)寶石襯底進(jìn)行背減薄，以提高器件的散熱性能。另外，由于藍(lán)寶石的莫氏硬度達(dá)9.0，為滿足劃片、裂片等后繼工藝的要求，同樣需要將襯底厚度減薄至一定程度。減薄后的襯底背面存在表面損傷層，其殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致減薄后的外延片彎曲變形且容易在后繼工序中碎裂，從而影響成品率。因此，在減薄后必須對(duì)襯底背面進(jìn)行拋光，以去除上述表面損傷層，消除殘余應(yīng)力。一般情況下，需要將外延片的厚度從400mm以上減薄至100mm附近或更薄。由于藍(lán)寶石硬度很高，上述背減薄和拋光工作通常要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，這樣，背減薄和拋光的加工效率和質(zhì)量就成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。本文通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究了在不同的磨料顆粒度下進(jìn)行背減薄時(shí)，去除速率和研磨后的表面粗糙度與研磨盤轉(zhuǎn)速和研磨壓力的關(guān)系，以及拋光時(shí)表面粗糙度與拋光時(shí)間的關(guān)系，為背減薄和拋光工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供了依據(jù)。

　　2 藍(lán)寶石襯底研磨的機(jī)理

　　材料研磨中的去除方式通常有三種 [1]：磨料顆粒的機(jī)械磨蝕作用、被研磨表面輕微地熔融和塑性流動(dòng)、研磨劑中表面活性物質(zhì)的化學(xué)作用。藍(lán)寶石的熔點(diǎn)高達(dá)2045℃，根據(jù)Bowden和Hughes等人的結(jié)論，藍(lán)寶石襯底研磨中以機(jī)械磨蝕作用為主。在磨料的作用下，藍(lán)寶石襯底的表面會(huì)出現(xiàn)大量的微裂紋，并延伸至表面以下，形成表面損傷層。在研磨過程中，這些微裂紋不斷延伸，如果互相交叉，則其包圍區(qū)域的藍(lán)寶石材料會(huì)脫落，形成微小的凹坑和溝槽，從而達(dá)到研磨效果。由于藍(lán)寶石硬度很高，在拋光時(shí)的去除量很小，因此在拋光前，必須將外延片背面的損傷層厚度降到合適的程度，才能在拋光時(shí)將其去凈。微裂紋的形成和延伸，以及表面損傷層的厚度，均與研磨的工藝參數(shù)密切相關(guān)。由上面的分析可知，藍(lán)寶石襯底表面損傷層的情況將直接影響到研磨時(shí)的表面狀況，進(jìn)而會(huì)影響到表面粗糙度。因此，通過研究表面粗糙度隨工藝參數(shù)的變化，可以間接地分析表面損傷層的情況。

　　3 實(shí)驗(yàn)

　　使用英國(guó)Logitech公司的精密磨拋機(jī)對(duì)LED外延片進(jìn)行背減薄和拋光。用蠟將外延片粘在平整的玻璃片上，然后固定在研磨夾具上。將夾具放在敷好研磨劑的研磨盤上并啟動(dòng)機(jī)器，夾具在盤上磨料的磨擦力帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)磨料相對(duì)于外延片作切削運(yùn)動(dòng)，使后者被減薄。這種研磨運(yùn)動(dòng)方式屬于單偏心式，在磨料粒度等條件相同的情況下，該方式可獲得較好的表面質(zhì)量與均勻性。通過機(jī)器上的自動(dòng)供料裝置定量地向研磨盤上提供新鮮的研磨劑。研磨的時(shí)間通過機(jī)器上的計(jì)時(shí)器來監(jiān)測(cè)，而研磨的去除量可通過夾具上附帶的測(cè)厚計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研磨后，徹底清洗玻璃片和上面的外延片，并用氮?dú)獯蹈桑缓笥脺y(cè)厚儀測(cè)出外延片的厚度，參照研磨前的厚度，用其厚度差除以對(duì)應(yīng)的研磨時(shí)間，即可得出去除速率。研磨及拋光后的表面粗糙度均通過臺(tái)階儀測(cè)出。分別用240目和600目碳化硼磨料配制的研磨劑進(jìn)行研磨實(shí)驗(yàn)。重點(diǎn)研究了使用240目碳化硼磨料時(shí)去除速率和表面粗糙度與研磨盤轉(zhuǎn)速和研磨壓力的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中將研磨壓力固定為2300g，分別獲取了轉(zhuǎn)速為35，45和55rpm時(shí)的去除速率和表面粗糙度；將轉(zhuǎn)速固定為45rpm，分別獲取了研磨壓力為1600，2300和3000g時(shí)的去除速率和表面粗糙度。使用600目碳化硼磨料時(shí)，將轉(zhuǎn)速取為45rpm，研磨壓力設(shè)為3000g，獲取了其去除速率和磨后表面粗糙度。使用一種膠態(tài)的堿性SiO2懸浮液對(duì)減薄后的外延片背面進(jìn)行拋光。為了獲取表面粗糙度隨拋光時(shí)間的變化規(guī)律，在保持工藝條件不變，測(cè)量了拋光時(shí)間分別為20，40，60和80min時(shí)的表面粗糙度，并進(jìn)行了比較。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

　　4.1 使用240目碳化硼磨料時(shí)的結(jié)果及分析

　　4.1.1 表面粗糙度、去除速率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

　　襯底表面粗糙度隨研磨盤轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度下降?？傮w上，粗糙度值在485±80nm的范圍內(nèi)變化，維持在相同的數(shù)量級(jí)上。實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，由于顆粒度大，240目碳化硼在研磨劑中的分散性很差。這樣轉(zhuǎn)速較低時(shí)，磨料在盤面上分布不均勻，容易產(chǎn)生較深的劃痕，表面粗糙度較大。提高轉(zhuǎn)速后，磨料在盤上的均勻性提高，粗糙度隨之降低。襯底去除速率隨研磨盤轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，去除速率呈明顯的上升趨勢(shì)。研磨的去除速率與單位時(shí)間內(nèi)襯底與盤上的磨料作相對(duì)切削運(yùn)動(dòng)的次數(shù)有關(guān)。轉(zhuǎn)速上升后，磨料顆粒運(yùn)動(dòng)加快，研磨去除速率也就相應(yīng)地上升。去除速率的提高可縮短研磨時(shí)間，在允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣哐心ケP轉(zhuǎn)速。

　　4.1.2 表面粗糙度、去除速率與研磨壓力的關(guān)系

　　襯底表面粗糙度隨研磨壓力的變化趨勢(shì)，可以看出，隨著壓力的增加，表面粗糙度近似呈線性下降趨勢(shì)?？傮w上，粗糙度值在455±40nm的范圍內(nèi)變化，維持在相同的數(shù)量級(jí)上。由于240目的碳化硼顆粒度較大且有一定的分布，在壓力較小時(shí)，藍(lán)寶石襯底主要與較大的顆粒相接觸，這樣作用在這些顆粒上的壓力大，劃痕相應(yīng)地較深。而且這些較大顆粒間有一定的間距，造成粗糙度較高。當(dāng)增大壓力后，磨料層受到擠壓，較小的顆粒也能與襯底面相接觸，盡管較大顆粒切入藍(lán)寶石襯底內(nèi)的深度增大，但較小的顆粒可以對(duì)較大顆粒的劃痕起到整平作用，而且顆粒間距減小，因此從整體上來說，粗糙度會(huì)降低。襯底去除速率隨研磨壓力的變化趨勢(shì)，隨著壓力的增大，去除速率近似呈線性上升趨勢(shì)。當(dāng)增大壓力后，較大顆粒切入藍(lán)寶石襯底內(nèi)的深度增大，切削能力上升，而且顆粒間距減小，實(shí)際參與研磨的顆粒數(shù)增多，因此去除速率會(huì)增大。如果壓力過大，磨料顆?？赡軙?huì)被擠碎，研磨速率反而會(huì)下降。因此，應(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)增大研磨壓力。

　　4.2 使用600目碳化硼磨料時(shí)的結(jié)果及分析

　　用600目碳化硼磨料研磨后，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)其去除速率為0.346μm/min，表面粗糙度為60.45nm，而相同條件下（研磨盤轉(zhuǎn)速45rpm，研磨壓力3000g）使用240目磨料時(shí)，去除速率為3.4mm/min，表面粗糙度為416.21nm，可見去除速率和表面粗糙度都有了數(shù)量級(jí)上的變化。這可以解釋為磨料顆粒的切削深度有了數(shù)量級(jí)上的變化。因此，磨料的顆粒度是影響去除速率和表面粗糙度的決定性因素，而轉(zhuǎn)速和壓力的影響，只能使去除速率和表面粗糙度在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)變化。 在進(jìn)行背減薄時(shí)，為了縮短時(shí)間，應(yīng)首先用顆粒度較大的磨料。在外延片的厚度接近目標(biāo)厚度時(shí)，再換用顆粒度較小的磨料，將背面損傷層的厚度降到拋光操作允許的程度。

　　4.3 拋光時(shí)表面粗糙度隨拋光時(shí)間的變化

　　拋光時(shí)表面粗糙度隨拋光時(shí)間的變化，拋光開始時(shí)，減薄留下的表面損傷層中較大的起伏在拋光液和拋光墊的聯(lián)合作用下迅速去除，因而粗糙度迅速下降，隨著拋光的進(jìn)行，外延片表面的起伏逐漸和軟質(zhì)拋光墊相貼合，粗糙度下降的速度變緩，最后，表面粗糙度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，該值取決于所選擇的壓力等工藝條件，為該拋光條件下所能獲得的最低表面粗糙度。根據(jù)上面的分析，應(yīng)將拋光時(shí)間控制在剛好能使外延片背面達(dá)到最低粗糙度為止。

　　5 結(jié)論

　　使用240目碳化硼磨料，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)表面粗糙度隨研磨盤轉(zhuǎn)速的增大而下降，隨研磨壓力的增大而下降，變化范圍在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，分別為485±80nm和455±40nm;研磨去除速率隨研磨盤轉(zhuǎn)速和研磨壓力的增大均呈明顯的上升趨勢(shì)，后者的變化關(guān)系近似線性。與使用600目磨料時(shí)的去除速率和表面粗糙度對(duì)比后，斷定磨料的顆粒度是影響二者的決定性因素，而轉(zhuǎn)