蓝宝石基LED外延片背减薄与抛光工艺研究

　　1 引言

　　目前在蓝光LED的制备中，通常采用异质外延的方法生长氮化镓材料。在商品化的LED中，绝大部分采用蓝宝石作为外延生长的衬底材料。由于蓝宝石材料导热性较差，为防止LED有源区过高的温升对其光输出特性和寿命产生影响，在完成电极制备等工艺后，必须对蓝宝石衬底进行背减薄，以提高器件的散热性能。另外，由于蓝宝石的莫氏硬度达9.0，为满足划片、裂片等后继工艺的要求，同样需要将衬底厚度减薄至一定程度。减薄后的衬底背面存在表面损伤层，其残余应力会导致减薄后的外延片弯曲变形且容易在后继工序中碎裂，从而影响成品率。因此，在减薄后必须对衬底背面进行抛光，以去除上述表面损伤层，消除残余应力。一般情况下，需要将外延片的厚度从400mm以上减薄至100mm附近或更薄。由于蓝宝石硬度很高，上述背减薄和抛光工作通常要耗费较长的时间，这样，背减薄和抛光的加工效率和质量就成为一个关键的问题。本文通过对比实验，研究了在不同的磨料颗粒度下进行背减薄时，去除速率和研磨后的表面粗糙度与研磨盘转速和研磨压力的关系，以及抛光时表面粗糙度与抛光时间的关系，为背减薄和抛光工艺的进一步优化提供了依据。

　　2 蓝宝石衬底研磨的机理

　　材料研磨中的去除方式通常有三种 [1]：磨料颗粒的机械磨蚀作用、被研磨表面轻微地熔融和塑性流动、研磨剂中表面活性物质的化学作用。蓝宝石的熔点高达2045℃，根据Bowden和Hughes等人的结论，蓝宝石衬底研磨中以机械磨蚀作用为主。在磨料的作用下，蓝宝石衬底的表面会出现大量的微裂纹，并延伸至表面以下，形成表面损伤层。在研磨过程中，这些微裂纹不断延伸，如果互相交叉，则其包围区域的蓝宝石材料会脱落，形成微小的凹坑和沟槽，从而达到研磨效果。由于蓝宝石硬度很高，在抛光时的去除量很小，因此在抛光前，必须将外延片背面的损伤层厚度降到合适的程度，才能在抛光时将其去净。微裂纹的形成和延伸，以及表面损伤层的厚度，均与研磨的工艺参数密切相关。由上面的分析可知，蓝宝石衬底表面损伤层的情况将直接影响到研磨时的表面状况，进而会影响到表面粗糙度。因此，通过研究表面粗糙度随工艺参数的变化，可以间接地分析表面损伤层的情况。

　　3 实验

　　使用英国Logitech公司的精密磨抛机对LED外延片进行背减薄和抛光。用蜡将外延片粘在平整的玻璃片上，然后固定在研磨夹具上。将夹具放在敷好研磨剂的研磨盘上并启动机器，夹具在盘上磨料的磨擦力带动下转动，此时磨料相对于外延片作切削运动，使后者被减薄。这种研磨运动方式属于单偏心式，在磨料粒度等条件相同的情况下，该方式可获得较好的表面质量与均匀性。通过机器上的自动供料装置定量地向研磨盘上提供新鲜的研磨剂。研磨的时间通过机器上的计时器来监测，而研磨的去除量可通过夹具上附带的测厚计实时监测。研磨后，彻底清洗玻璃片和上面的外延片，并用氮气吹干，然后用测厚仪测出外延片的厚度，参照研磨前的厚度，用其厚度差除以对应的研磨时间，即可得出去除速率。研磨及抛光后的表面粗糙度均通过台阶仪测出。分别用240目和600目碳化硼磨料配制的研磨剂进行研磨实验。重点研究了使用240目碳化硼磨料时去除速率和表面粗糙度与研磨盘转速和研磨压力的关系，实验中将研磨压力固定为2300g，分别获取了转速为35，45和55rpm时的去除速率和表面粗糙度；将转速固定为45rpm，分别获取了研磨压力为1600，2300和3000g时的去除速率和表面粗糙度。使用600目碳化硼磨料时，将转速取为45rpm，研磨压力设为3000g，获取了其去除速率和磨后表面粗糙度。使用一种胶态的碱性SiO2悬浮液对减薄后的外延片背面进行抛光。为了获取表面粗糙度随抛光时间的变化规律，在保持工艺条件不变，测量了抛光时间分别为20，40，60和80min时的表面粗糙度，并进行了比较。

　　4 实验结果和分析

　　4.1 使用240目碳化硼磨料时的结果及分析

　　4.1.1 表面粗糙度、去除速率与转速的关系

　　衬底表面粗糙度随研磨盘转速的变化趋势，可以看出，随着转速的增加，表面粗糙度下降。总体上，粗糙度值在485±80nm的范围内变化，维持在相同的数量级上。实际操作中发现，由于颗粒度大，240目碳化硼在研磨剂中的分散性很差。这样转速较低时，磨料在盘面上分布不均匀，容易产生较深的划痕，表面粗糙度较大。提高转速后，磨料在盘上的均匀性提高，粗糙度随之降低。衬底去除速率随研磨盘转速的变化趋势，随着转速的增大，去除速率呈明显的上升趋势。研磨的去除速率与单位时间内衬底与盘上的磨料作相对切削运动的次数有关。转速上升后，磨料颗粒运动加快，研磨去除速率也就相应地上升。去除速率的提高可缩短研磨时间，在允许的情况下，应适当地提高研磨盘转速。

　　4.1.2 表面粗糙度、去除速率与研磨压力的关系

　　衬底表面粗糙度随研磨压力的变化趋势，可以看出，随着压力的增加，表面粗糙度近似呈线性下降趋势。总体上，粗糙度值在455±40nm的范围内变化，维持在相同的数量级上。由于240目的碳化硼颗粒度较大且有一定的分布，在压力较小时，蓝宝石衬底主要与较大的颗粒相接触，这样作用在这些颗粒上的压力大，划痕相应地较深。而且这些较大颗粒间有一定的间距，造成粗糙度较高。当增大压力后，磨料层受到挤压，较小的颗粒也能与衬底面相接触，尽管较大颗粒切入蓝宝石衬底内的深度增大，但较小的颗粒可以对较大颗粒的划痕起到整平作用，而且颗粒间距减小，因此从整体上来说，粗糙度会降低。衬底去除速率随研磨压力的变化趋势，随着压力的增大，去除速率近似呈线性上升趋势。当增大压力后，较大颗粒切入蓝宝石衬底内的深度增大，切削能力上升，而且颗粒间距减小，实际参与研磨的颗粒数增多，因此去除速率会增大。如果压力过大，磨料颗粒可能会被挤碎，研磨速率反而会下降。因此，应在适当的范围内增大研磨压力。

　　4.2 使用600目碳化硼磨料时的结果及分析

　　用600目碳化硼磨料研磨后，经测量发现其去除速率为0.346μm/min，表面粗糙度为60.45nm，而相同条件下（研磨盘转速45rpm，研磨压力3000g）使用240目磨料时，去除速率为3.4mm/min，表面粗糙度为416.21nm，可见去除速率和表面粗糙度都有了数量级上的变化。这可以解释为磨料颗粒的切削深度有了数量级上的变化。因此，磨料的颗粒度是影响去除速率和表面粗糙度的决定性因素，而转速和压力的影响，只能使去除速率和表面粗糙度在同一个数量级内变化。 在进行背减薄时，为了缩短时间，应首先用颗粒度较大的磨料。在外延片的厚度接近目标厚度时，再换用颗粒度较小的磨料，将背面损伤层的厚度降到抛光操作允许的程度。

　　4.3 抛光时表面粗糙度随抛光时间的变化

　　抛光时表面粗糙度随抛光时间的变化，抛光开始时，减薄留下的表面损伤层中较大的起伏在抛光液和抛光垫的联合作用下迅速去除，因而粗糙度迅速下降，随着抛光的进行，外延片表面的起伏逐渐和软质抛光垫相贴合，粗糙度下降的速度变缓，最后，表面粗糙度达到一个稳定值。实际操作中发现，该值取决于所选择的压力等工艺条件，为该抛光条件下所能获得的最低表面粗糙度。根据上面的分析，应将抛光时间控制在刚好能使外延片背面达到最低粗糙度为止。

　　5 结论

　　使用240目碳化硼磨料，通过对比实验，发现表面粗糙度随研磨盘转速的增大而下降，随研磨压力的增大而下降，变化范围在同一个数量级内，分别为485±80nm和455±40nm;研磨去除速率随研磨盘转速和研磨压力的增大均呈明显的上升趋势，后者的变化关系近似线性。与使用600目磨料时的去除速率和表面粗糙度对比后，断定磨料的颗粒度是影响二者的决定性因素，而转