LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管已被廣泛認為是下一代主要照明工具，相比于現(xiàn)在使用的白熾燈而言，其具有壽命長、節(jié)能、安全等優(yōu)點?，F(xiàn)階段LED主要以藍寶石為主要襯底材料，采用化學(xué)機械拋光(chemicalme chanical polishingCMP)為最終加工程序。

　　藍光LED的制備需要依托于GaN薄膜，用作生長GaN薄膜的襯底材料有多種，最為常用的就是藍寶石和SiC。近年來，藍寶石憑借與GaN的晶格失配系數(shù)小、透光性好等優(yōu)點而成為最主要的襯底材料。從藍寶石和SiC襯底在LED中的應(yīng)用趨勢表中可以看出，自2005年起，SiC襯底的比例小于10%，而藍寶石襯底的比例則高達90%以上。超高亮度的LED要求藍寶石襯底材料達到理想狀態(tài)，即晶格完整，無任何加工缺陷。國內(nèi)藍寶石晶片生產(chǎn)中產(chǎn)生裂痕和崩邊缺陷一般占總數(shù)的5%-8%。同時藍寶石晶片拋光速率也很低，加工需數(shù)小時，且加工后有約20%的晶片表面有較深痕跡，導(dǎo)致返工，甚至報廢，從而大大提高了其加工成本。這種情況不僅導(dǎo)致藍寶石晶片加工效率低，也影響了后續(xù)在藍寶石晶片上GaN薄膜的生長，繼而影響到LED的制造及發(fā)光情況。我國目前使用的超高亮度LED多是從美國、日本等國家進口，增加藍寶石晶片加工時的材料去除率以及提高加工后的表面質(zhì)量，已經(jīng)成為當前藍寶石加工主要的研究目標。

　　LED用襯底材料的選擇：SiC是作為一類非常重要的襯底材料，同藍寶石相比，SiC屬于低阻材料，可以制作電極，其晶格常數(shù)和材料的熱膨脹系數(shù)與GaN材料更為接近，并且易于溶解，且本身具有藍光發(fā)光特性，但SiC材料也有其缺點，主要是其熱膨脹系數(shù)與GaN相差較較大，容易導(dǎo)致外延GaN層的裂紋，不適合大量使用，價格相對昂貴。藍寶石襯底是目前使用最好也是最為普遍的一種襯底材料，單晶藍寶石基片與GaN晶格能互相匹配，具有良好的高溫穩(wěn)定性與機械力學(xué)性能，符合GaN薄膜生長過程中耐高溫的要求，且單晶藍寶石基片在可見光范圍內(nèi)其透光性較好，加之對其研究也較多，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，價格相對便宜，因此成為了制作白、藍、綠、藍綠光GaN基片的關(guān)鍵襯底材料。

　　一般來說，評價襯底材料必須考慮以下因素：

　　1.襯底與外延膜的結(jié)構(gòu)匹配程度：外延材料與襯底材料的晶體結(jié)構(gòu)相同或相近、晶格常數(shù)失配小、結(jié)晶性能好、缺陷密度低；

　　2.襯底與外延膜的熱膨脹系數(shù)匹配程度：熱膨脹系數(shù)的匹配非常重要，外延膜與襯底材料在熱膨脹系數(shù)上相差過大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會在器件工作過程中，由于發(fā)熱而造成器件損壞；

　　3.襯底與外延膜的化學(xué)穩(wěn)定性匹配程度：襯底材料要有好的化學(xué)穩(wěn)定性，在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因為與外延膜的化學(xué)反應(yīng)使外延膜質(zhì)量下降；

　　4.材料制備的難易程度及成本的高低：考慮到產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需要，襯底材料的制備要求簡潔，成本不宜很高，襯底尺寸一般不小于2英寸。

　　藍寶石的特性：藍寶石(α-Al2O3)晶體因其具有硬度高(莫氏9級)、熔點高(2045℃)、光透性好、熱穩(wěn)定性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良特性，而在國防、航空航天、工業(yè)以及生活領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，特別適于作為LED襯底材料。

　　雖然藍寶石具有上述優(yōu)良的光學(xué)特性和力學(xué)性能，但正是由于這些特殊性質(zhì)，使得對其表面加工的難度很大，在藍寶石作襯底片上生長GaN時，要求藍寶石表面要達到超光滑的無損傷表面，但由于其硬度僅次于金剛石，研磨拋光技術(shù)困難，加工時間長，藍寶石單晶襯底為典型的脆硬材料，在加工過程和應(yīng)用過程中如果存在較高的張應(yīng)力就會產(chǎn)生破裂或表面和亞表面損傷，而且傳統(tǒng)的加工單晶藍寶石基片方法會在工件上造成表面刮痕及次表面破壞，而這些表面刮痕及次表面破壞都會影響光學(xué)特性，并且造成工件表面應(yīng)力集中使得工件壽命與可靠度受影響。

　　目前超光滑表面是指：表面粗糙度小于1nm的表面。無損傷表面是指：加工表面不能有加工變質(zhì)層，且表面晶格完整。因此產(chǎn)業(yè)化制備滿足光通訊、光電子領(lǐng)域需求的高品質(zhì)的藍寶石晶體元件技術(shù)是相當復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機械制造、晶體結(jié)構(gòu)、超精密加工、物理化學(xué)、力學(xué)等相關(guān)學(xué)科，目前國內(nèi)在藍寶石批量加工的技術(shù)還很不成熟，國內(nèi)高亮度LED所采用的藍寶石襯底材料幾乎全部從日本、德國、俄羅斯、美國等進口，高亮度LED藍寶石襯底的加工技術(shù)體系在國內(nèi)并未完全被掌握。加之藍寶石元件在航空航天、國防軍事等方面的特殊用途，國際上對高亮度LED藍寶石襯底材料的關(guān)鍵裝備及其加工工藝技術(shù)實施嚴格保密和封鎖，關(guān)鍵設(shè)備禁銷，因此為了滿足對藍寶石發(fā)展的要求，獲得高平整的表面，需對藍寶石的超精密的加工技術(shù)進行深入研究是非常有必要的，該方面的研究是我國半導(dǎo)體照明工程上游產(chǎn)業(yè)急需攻克的關(guān)鍵課題。

　　藍寶石基片制造工藝流程：

　　定向：在切片機上準確定位藍寶石晶棒的位置，以便于精準切片加工

　　切片：將藍寶石晶棒切成薄薄的晶片

　　研磨：去除切片時造成的晶片切割損傷層及改善晶片的平坦度

　　倒角：將晶片邊緣修整成圓弧狀，改善薄片邊緣的機械強度，避免應(yīng)力集中造成缺陷

　　拋光：改善晶片粗糙度，使其表面達到外延片磊晶級的精度

　　清洗：清除晶片表面的污染物(如：微塵顆粒，金屬，有機玷污物等)

　　品檢：以高精密檢測儀器檢驗晶片品質(zhì)(平坦度，表面微塵顆粒等)，以合乎客戶要求

　　在實際生產(chǎn)使用中的藍寶石晶片，都是由晶棒經(jīng)過切割然后經(jīng)過研磨拋光加工制成，一般先用線切割或多線切割機將半導(dǎo)體晶棒切割成晶片，因在切割過程中，切割加工條件總會有所變化波動，因此切割后的藍寶石在厚度和平整度等方面都存在偏差。如果切割條件變化，還會造成較深的損傷層。由于晶片拋光過程材料表面的去除量很小，所以在拋光前，還需要用研磨來改善晶片的平整度、彎曲度與平行度的偏差，并降低由于切割造成損傷層的厚度。

　　一般傳統(tǒng)加工工藝對藍寶石的研磨拋光都會選擇硬度比藍寶石大的做為磨料。藍寶石晶片CMP(化學(xué)機械拋光)加工機理分析：

　　拋光加工技術(shù)種類很多，從理論和實踐來說，化學(xué)機械拋光技術(shù)在加工一些特殊材料中被廣泛的應(yīng)用，且加工效率比較明顯，可以實現(xiàn)材料的全局平坦化，在藍寶石加工工藝中，其核心部分是研究化學(xué)機械拋光技術(shù)，主要包括拋光機理、拋光方式和拋光工藝。自從化學(xué)機械拋光技術(shù)應(yīng)用于集成電路以來，被廣泛用于多種材料的加工中，且眾多的研究者從物理、化學(xué)及控制方面對CMP的材料去除機理等進行了大量的研究。但是目前，對化學(xué)機械拋光仍有很多本質(zhì)現(xiàn)象還不能進行很好地解釋。

　　化學(xué)機械拋光是利用機械磨削和化學(xué)腐蝕對材料進行去除，是一個復(fù)雜的多項反應(yīng)過程，影響晶片CMP過程的因素很多，其每一個影響因素的變化都會影響到晶片CMP系統(tǒng)輸出參數(shù)的變化，即影響到晶片CMP材料去除的機理，各影響因素之間還具有微妙的交互作用?；瘜W(xué)機械拋光是目前唯一可以實現(xiàn)全局平坦化的拋光方法，操作簡單。影響化學(xué)機械拋光的因素主要有：拋光液pH值、拋光壓力、拋光盤轉(zhuǎn)速、磨粒平均粒徑及粒徑分布等，在加工過程中要注意化學(xué)作用和機械作用的平衡，如果化學(xué)作用比機械作用強會產(chǎn)生腐蝕坑、橘皮等缺陷；如果機械作用強于化學(xué)作用會導(dǎo)致刮傷、劃痕等。

　　藍寶石晶片表面材料去除量構(gòu)成模型：

　　由于藍寶石自身的硬度很高，目前國外雖然對藍寶石的加工有了一定的進展，也獲得了較為理想的表面質(zhì)量，但是同時也存在的一定的問題，比如加工條件和加工成本比較高，加工效率比較低，加工中出現(xiàn)缺陷痕、點蝕、凹坑、突起、沾污等產(chǎn)品報廢現(xiàn)象。