LED(Light Emitting Diode)即發(fā)光二極管已被廣泛認(rèn)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(zhǎng)、節(jié)能、安全等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段LED主要以藍(lán)寶石為主要襯底材料，采用化學(xué)機(jī)械拋光(chemicalme chanical polishingCMP)為最終加工程序。
       藍(lán)光LED的制備需要依托于GaN薄膜，用作生長(zhǎng)GaN薄膜的襯底材料有多種，最為常用的就是藍(lán)寶石和SiC。近年來(lái)，藍(lán)寶石憑借與GaN的晶格失配系數(shù)小、透光性好等優(yōu)點(diǎn)而成為最主要的襯底材料。從藍(lán)寶石和SiC襯底在LED中的應(yīng)用趨勢(shì)表中可以看出，自2005年起，SiC襯底的比例小于10%，而藍(lán)寶石襯底的比例則高達(dá)90%以上。超高亮度的LED要求藍(lán)寶石襯底材料達(dá)到理想狀態(tài)，即晶格完整，無(wú)任何加工缺陷。國(guó)內(nèi)藍(lán)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(shí)藍(lán)寶石晶片拋光速率也很低，加工需數(shù)小時(shí)，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(bào)廢，從而大大提高了其加工成本。這種情況不僅導(dǎo)致藍(lán)寶石晶片加工效率低，也影響了后續(xù)在藍(lán)寶石晶片上GaN薄膜的生長(zhǎng)，繼而影響到LED的制造及發(fā)光情況。我國(guó)目前使用的超高亮度LED多是從美國(guó)、日本等國(guó)家進(jìn)口，增加藍(lán)寶石晶片加工時(shí)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(dāng)前藍(lán)寶石加工主要的研究目標(biāo)。
       LED用襯底材料的選擇：SiC是作為一類(lèi)非常重要的襯底材料，同藍(lán)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(lán)光發(fā)光特性，但SiC材料也有其缺點(diǎn)，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(jià)格相對(duì)昂貴。藍(lán)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(lán)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(jī)械力學(xué)性能，符合GaN薄膜生長(zhǎng)過(guò)程中耐高溫的要求，且單晶藍(lán)寶石基片在可見(jiàn)光范圍內(nèi)其透光性較好，加之對(duì)其研究也較多，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，價(jià)格相對(duì)便宜，因此成為了制作白、藍(lán)、綠、藍(lán)綠光GaN基片的關(guān)鍵襯底材料。

       一般來(lái)說(shuō)，評(píng)價(jià)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(guò)大不僅可能使外延膜質(zhì)量下降，還會(huì)在器件工作過(guò)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(zhǎng)的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕，不能因?yàn)榕c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(jiǎn)潔，成本不宜很高，襯底尺寸一般不小于2英寸。
       藍(lán)寶石的特性：藍(lán)寶石(α-Al2O3)晶體因其具有硬度高(莫氏9級(jí))、熔點(diǎn)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(guó)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L(zhǎng)ED襯底材料。
       雖然藍(lán)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(duì)其表面加工的難度很大，在藍(lán)寶石作襯底片上生長(zhǎng)GaN時(shí)，要求藍(lán)寶石表面要達(dá)到超光滑的無(wú)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(shí)間長(zhǎng)，藍(lán)寶石單晶襯底為典型的脆硬材料，在加工過(guò)程和應(yīng)用過(guò)程中如果存在較高的張應(yīng)力就會(huì)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(lán)寶石基片方法會(huì)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(huì)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(wú)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(mǎn)足光通訊、光電子領(lǐng)域需求的高品質(zhì)的藍(lán)寶石晶體元件技術(shù)是相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及機(jī)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(guó)內(nèi)在藍(lán)寶石批量加工的技術(shù)還很不成熟，國(guó)內(nèi)高亮度LED所采用的藍(lán)寶石襯底材料幾乎全部從日本、德國(guó)、俄羅斯、美國(guó)等進(jìn)口，高亮度LED藍(lán)寶石襯底的加工技術(shù)體系在國(guó)內(nèi)并未完全被掌握。加之藍(lán)寶石元件在航空航天、國(guó)防軍事等方面的特殊用途，國(guó)際上對(duì)高亮度LED藍(lán)寶石襯底材料的關(guān)鍵裝備及其加工工藝技術(shù)實(shí)施嚴(yán)格保密和封鎖，關(guān)鍵設(shè)備禁銷(xiāo)，因此為了滿(mǎn)足對(duì)藍(lán)寶石發(fā)展的要求，獲得高平整的表面，需對(duì)藍(lán)寶石的超精密的加工技術(shù)進(jìn)行深入研究是非常有必要的，該方面的研究是我國(guó)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(lán)寶石基片制造工藝流程：

       定向：在切片機(jī)上準(zhǔn)確定位藍(lán)寶石晶棒的位置，以便于精準(zhǔn)切片加工
       切片：將藍(lán)寶石晶棒切成薄薄的晶片
       研磨：去除切片時(shí)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(jī)械強(qiáng)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(dá)到外延片磊晶級(jí)的精度
       清洗：清除晶片表面的污染物(如：微塵顆粒，金屬，有機(jī)玷污物等)
       品檢：以高精密檢測(cè)儀器檢驗(yàn)晶片品質(zhì)(平坦度，表面微塵顆粒等)，以合乎客戶(hù)要求

       在實(shí)際生產(chǎn)使用中的藍(lán)寶石晶片，都是由晶棒經(jīng)過(guò)切割然后經(jīng)過(guò)研磨拋光加工制成，一般先用線(xiàn)切割或多線(xiàn)切割機(jī)將半導(dǎo)體晶棒切割成晶片，因在切割過(guò)程中，切割加工條件總會(huì)有所變化波動(dòng)，因此切割后的藍(lán)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(huì)造成較深的損傷層。由于晶片拋光過(guò)程材料表面的去除量很小，所以在拋光前，還需要用研磨來(lái)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(duì)藍(lán)寶石的研磨拋光都會(huì)選擇硬度比藍(lán)寶石大的做為磨料。藍(lán)寶石晶片CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)加工機(jī)理分析：
       拋光加工技術(shù)種類(lèi)很多，從理論和實(shí)踐來(lái)說(shuō)，化學(xué)機(jī)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(shí)現(xiàn)材料的全局平坦化，在藍(lán)寶石加工工藝中，其核心部分是研究化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)，主要包括拋光機(jī)理、拋光方式和拋光工藝。自從化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)應(yīng)用于集成電路以來(lái)，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(duì)CMP的材料去除機(jī)理等進(jìn)行了大量的研究。但是目前，對(duì)化學(xué)機(jī)械拋光仍有很多本質(zhì)現(xiàn)象還不能進(jìn)行很好地解釋。
       化學(xué)機(jī)械拋光是利用機(jī)械磨削和化學(xué)腐蝕對(duì)材料進(jìn)行去除，是一個(gè)復(fù)雜的多項(xiàng)反應(yīng)過(guò)程，影響晶片CMP過(guò)程的因素很多，其每一個(gè)影響因素的變化都會(huì)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(jī)理，各影響因素之間還具有微妙的交互作用。化學(xué)機(jī)械拋光是目前唯一可以實(shí)現(xiàn)全局平坦化的拋光方法，操作簡(jiǎn)單。影響化學(xué)機(jī)械拋光的因素主要有：拋光液pH值、拋光壓力、拋光盤(pán)轉(zhuǎn)速、磨粒平均粒徑及粒徑分布等，在加工過(guò)程中要注意化學(xué)作用和機(jī)械作用的平衡，如果化學(xué)作用比機(jī)械作用強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生腐蝕坑、橘皮等缺陷；如果機(jī)械作用強(qiáng)于化學(xué)作用會(huì)導(dǎo)致刮傷、劃痕等。
       藍(lán)寶石晶片表面材料去除量構(gòu)成模型：

       由于藍(lán)寶石自身的硬度很高，目前國(guó)外雖然對(duì)藍(lán)寶石的加工有了一定的進(jìn)展，也獲得了較為理想的表面質(zhì)量，但是同時(shí)也存在的一定的問(wèn)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(diǎn)蝕、凹坑、突起、沾污等產(chǎn)品報(bào)廢現(xiàn)象。