專利名稱：復(fù)合藍寶石襯底基片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及藍寶石襯底，特別是一種復(fù)合藍寶石襯底基片及其制備方法。
背景技術(shù)：
以GaN為代表的寬帶隙III-V族化合物半導(dǎo)體材料正在受到越來越多的關(guān)注，它們將在藍、綠光發(fā)光二極管(LEDs)和激光二極管(LDs)、高密度信息讀寫、水下通信、深水探測、激光打印、生物及醫(yī)學(xué)工程，以及超高速微電子器件和超高頻微波器件方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
當前，超高亮度的藍寶石/GaN LED在室內(nèi)外的彩色顯示、交通信號指示、LED背景光源以及白色照明光源等方面的應(yīng)用越來越廣泛，其生產(chǎn)規(guī)模迅速地擴大。在生產(chǎn)過程中，藍寶石/GaN LED芯片切割問題成為阻礙其生產(chǎn)成本進一步降低的瓶頸之一。
由于藍寶石/GaN比一般的GaAs、GaP等化合物半導(dǎo)體材料堅硬得多，采用砂輪刀具切割的磨損量極大，切入量也很小。一般采用金剛石刀具對藍寶石/GaN LED芯片進行切割，切割一般分為劃片和裂片兩步首先用裝有金剛石刀具的設(shè)備按照芯片圖形尺寸進行劃片，然后再用另一臺設(shè)備精確對準劃片刀痕，通過一個能夠產(chǎn)生剪切應(yīng)力的專用裝置，在刀痕處將芯片裂開。
在劃片與裂片之前還必須對藍寶石/GaN電極片的藍寶石襯底進行研磨減薄和拋光，減薄的最終厚度一般為80-100μm。由于藍寶石晶體(α-Al2O3)的硬度很高，為莫氏硬度9級，僅次于最硬的金剛石，對它進行減薄和劃片都不太容易。當從藍寶石背面對準劃片時，拋光質(zhì)量對劃片刀具的磨損和使用壽命都有很大影響(參見國際光電顯示技術(shù)，2003年，第1期，64頁)。
對藍寶石/GaN LED進行劃片的另一種方法是采用激光切割劃片，采用激光劃片可以提高劃痕的質(zhì)量和成品率，有利于提高和大規(guī)模生產(chǎn)。目前切割深度為20μm，寬度為10-15μm，據(jù)報道目前所采用的激光器有準分子激光器和三倍頻的Nd:YVO4固體激光器355nm激光(美國專利，專利號USA6580054)。但采用激光劃片也存在問題(1)由于藍寶石為透明介質(zhì)，其對激光的吸收很小，不利于提高激光劃片的效率；(2)采用激光切割產(chǎn)生的熱效應(yīng)有可能損害藍寶石/GaN LED芯片的光電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述在先技術(shù)的不足，提供一種一種復(fù)合藍寶石襯底基片及其制備方法，以克服藍寶石(α-Al2O3)硬度高的缺點，提高藍寶石基氮化物芯片的減薄和劃片的效率，提高藍寶石/GaN LED芯片的光電性能和成品率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種復(fù)合藍寶石襯底基片，其特征是在藍寶石基片(α-Al2O3)背面覆蓋一層鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，形成復(fù)合藍寶石襯底基片LiAlO2/α-Al2O3。
本發(fā)明復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，是利用氣相傳輸平衡(Vapor Transport Equilibration，簡稱VTE)方法，在高溫、富鋰的氣氛中，通過鋰離子的擴散，使氧化鋰(Li2O)和藍寶石(α-Al2O3)的背面發(fā)生固相反應(yīng)生成鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，形成一種復(fù)合藍寶石襯底基片LiAlO2/α-Al2O3，與藍寶石的硬度(莫氏硬度9級)相比，鋁酸鋰的硬度(莫氏硬度8級)已大為下降，用此復(fù)合藍寶石襯底基片生長的氮化物芯片LiAlO2/α-Al2O3/GaN，進行減薄和劃片就比對藍寶石容易多了，從而提高了減薄和劃片的效率和成品率。
所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，是在一利用氣相傳輸平衡裝置中進行的，具體包括下列步驟<1>成對地將經(jīng)過粗磨、細磨或拋光的藍寶石晶片，疊合送入一個鉑金坩堝內(nèi)，把它置于或懸于鉑金絲上，該坩堝內(nèi)放置帶氣孔的LiAlO2和Li2O混合料塊，加上覆蓋有LiAlO2和Li2O混合粉料和熱電偶的坩堝蓋，坩堝頂部加鉑金蓋密閉，置于電阻爐中；<2>該電阻爐加熱升溫至1000～1400℃左右，恒溫20～100小時，Li2O擴散到藍寶石(α-Al2O3)晶片中，發(fā)生固相反應(yīng)，在成對疊合的藍寶石晶片α-Al2O3上下兩個晶面生成鋁酸鋰(γ-LiAlO2)；<3>采用普通的機械和化學(xué)的方法，對以上復(fù)合的LiAlO2/α-Al2O3晶片進行研磨、拋光、清洗、包裝，即獲到復(fù)合LiAlO2/α-Al2O3襯底基片。
所述的藍寶石晶片也可以是經(jīng)過雙面或單面拋光的藍寶石晶片。
所述的鉑金坩堝也可是氧化鋁坩堝、氮化鋁坩堝、銥坩堝、鉬坩堝、鎢坩堝或鎢鉬合金坩堝。
所述的LiAlO2和Li2O混合料塊的重量比的選取范圍是[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)。
所述的電阻爐也可以是硅碳棒爐或硅鉬棒爐。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明在藍寶石(α-Al2O3)的背面覆蓋一層鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，形成一種復(fù)合藍寶石襯底基片LiAlO2/α-Al2O3，與藍寶石的硬度(莫氏硬度9級)相比，鋁酸鋰的硬度(莫氏硬度8級)已大為下降，用此復(fù)合藍寶石襯底基片生長的氮化物芯片LiAlO2/α-Al2O3/GaN，再進行減薄和劃片就比對藍寶石容易多了，從而提高了減薄和劃片的效率和成品率。經(jīng)實驗證明，與在先技術(shù)相比，劃片成品率提高5％-10％。


圖1是本發(fā)明用于復(fù)合藍寶石襯底基片的氣相傳輸平衡實驗裝置示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明所用的氣相傳輸平衡(VTE)實驗裝置示意圖如圖1所示，鉑金坩堝1內(nèi)，放置有帶氣孔2的一定配比的LiAlO2和Li2O混合料塊3，料塊3上部是鉑金絲4，將成對疊合的藍寶石晶片5置于鉑金絲4上，料塊3上部有鉑金片6和LiAlO2和Li2O混合粉料7覆蓋，熱電偶8插入粉料7中，坩堝1頂部加鉑金蓋9密閉。
氣相傳輸平衡(VTE)技術(shù)是一種質(zhì)量傳輸過程，因此坩堝內(nèi)應(yīng)保證有足夠的Li2O供應(yīng)量，其次，氣相的平衡是依靠Li2O源源不斷地從LiAlO2和Li2O混合料塊中揮發(fā)來維持的，為防止混合料塊表面Li2O耗盡造成的平衡破壞，應(yīng)使混合料塊具有多孔結(jié)構(gòu)。以盡量增加Li2O的揮發(fā)表面。
將成對疊合的藍寶石晶片置于或懸于密閉的鉑金坩堝內(nèi)，然后將密閉的鉑金坩堝放入電阻爐(硅碳棒爐或硅鉬棒爐)內(nèi)，加熱到預(yù)定的平衡溫度，保溫一定的時間進行氣相平衡擴散，為了加快擴散過程和結(jié)構(gòu)調(diào)整過程，應(yīng)選取盡可能高的平衡溫度，一般選取1000～1400℃。
本發(fā)明的氣相傳輸平衡(VTE)方法的具體工藝流程如下<1>成對地將經(jīng)過粗磨、細磨或拋光的藍寶石晶片，疊合送入鉑金坩堝1內(nèi)，放置有帶氣孔2的LiAlO2和Li2O混合料塊3，選取[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)重量比；<2>將以上成對疊合的藍寶石晶片置于或懸于鉑金絲上，加上覆蓋有LiAlO2和Li2O混合粉料7和熱電偶8的坩堝蓋，坩堝頂部加鉑金蓋9密閉，置于電阻爐中；<3>加熱升溫至1000～1400℃左右，恒溫20～100小時，Li2O擴散到藍寶石(α-Al2O3)晶片中，發(fā)生固相反應(yīng)生成鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，此時以上成對疊合的藍寶石晶片的上下兩個晶面α-Al2O3(莫氏硬度9級)上覆蓋了一層γ-LiAlO2(莫氏硬度8級)。
下面是用上述的氣相傳輸平衡實驗裝置和具體的工藝流程的具體實施例。
在φ100×80mm的鉑金坩堝內(nèi)，放置帶氣孔的LiAlO2和Li2O混合料塊，選取[LiAlO2]/[Li2O]＝75∶25重量比，將按前述方法成對疊合的藍寶石晶片置于或懸于鉑金絲上，加上覆蓋有LiAlO2和Li2O混合粉料和熱電偶的坩堝蓋，坩堝頂部加鉑金蓋密閉，置于電阻爐中。加熱電阻爐升溫至1150℃，恒溫100小時，藍寶石(α-Al2O3)晶片中，發(fā)生固相反應(yīng)生成鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，此時成對疊合的藍寶石晶片的上下兩個晶面由原來的α-Al2O3(莫氏硬度9級)變成γ-LiAlO2(莫氏硬度8級)，再采用普通的機械和化學(xué)的方法，對以上復(fù)合的LiAlO2/α-Al2O3晶片進行研磨、拋光、清洗、包裝，即制備得到復(fù)合LiAlO2/α-Al2O3襯底基片。經(jīng)實驗證明，與在先技術(shù)相比，劃片成品率提高5％-10％。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合藍寶石襯底基片，其特征是在藍寶石基片(α-Al2O3)背面設(shè)有一層鋁酸鋰(γ-LiAlO2)，形成復(fù)合藍寶石襯底基片LiAlO2/α-Al2O3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，其特征在于該方法是采用氣相傳輸平衡方法來制備的，包括下列步驟<1>成對地將經(jīng)過粗磨、細磨或拋光的藍寶石晶片，疊合送入一個鉑金坩堝內(nèi)，把它置于或懸于鉑金絲上，該坩堝內(nèi)放置帶氣孔的LiAlO2和Li2O混合料塊，加上覆蓋有LiAlO2和Li2O混合粉料和熱電偶的坩堝蓋，坩堝頂部加鉑金蓋密閉，置于電阻爐中；<2>該電阻爐加熱升溫至1000～1400℃左右，恒溫20～100小時，Li2O擴散到藍寶石(α-Al2O3)晶片中，發(fā)生固相反應(yīng)，在成對疊合的藍寶石晶片α-Al2O3上下兩個晶面生成鋁酸鋰(γ-LiAlO2)；<3>采用普通的機械和化學(xué)的方法，對以上復(fù)合的LiAlO2/α-Al2O3晶片進行研磨、拋光、清洗、包裝，即獲到復(fù)合LiAlO2/α-Al2O3襯底基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，其特征在于所述的藍寶石晶片也可以是經(jīng)過雙面或單面拋光的藍寶石晶片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，其特征在于所述的鉑金坩堝也可是氧化鋁坩堝、氮化鋁坩堝、銥坩堝、鉬坩堝、鎢坩堝或鎢鉬合金坩堝。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，其特征在于所述的LiAlO2和Li2O混合料塊的重量比的選取范圍是[LiAlO2]/[Li2O]＝(0～95)∶(100～5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合藍寶石襯底基片的制備方法，其特征在于所述的電阻爐也可以是硅碳棒爐或硅鉬棒爐。
全文摘要
一種復(fù)合藍寶石襯底基片及其制備方法，該復(fù)合藍寶石襯底基片是在藍寶石基片(α－Al
文檔編號H01L21/86GK1560919SQ20041001672
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月4日
發(fā)明者夏長泰, 徐軍, 周圣明, 李抒智, 周國清 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所