提高藍寶石襯底制造效率的方法介紹

　　將垂直整合方法應用於制造業(yè)并不是一件新鮮的事情。早在19世紀，美國鋼鐵大亨Andrew Carnegie 就通過掌握幾乎全部鋼鐵制造業(yè)的價值鏈，從鐵礦石到煉鋼廠一直到鐵路建造而實施了垂直整合這個概念。到了20世紀20年代，福特汽車公司也采用了垂直整合方法，福特公司決定自己制造汽車用的鋼鐵材料。從那以後，垂直整合方法已經(jīng)應用到全球絕大部分類型的制造業(yè)中，其中也包括了藍寶石襯底制造業(yè)。

　　位于美國伊利諾伊州Bensenville的Rubicon公司所要做的是創(chuàng)造出藍寶石襯底制造業(yè)界最具垂直型整合的產(chǎn)業(yè)模式，它能以高的可靠性和效益/ 成本比來提供超純、無缺陷的、直徑大於6英寸的藍寶石襯底材料。

　　藍寶石襯底和固態(tài)照明Rubicon 公司的最大市場是LED襯底產(chǎn)品。LED這種固態(tài)光源可作為顯示器的背光源，以及具有高能效的LED照明。LED背光源市場已具有相當規(guī)模，根據(jù)Displaybank 的市場調(diào)查，2012年LED背光源的市場占有率為41%，預計到2014年這一數(shù)值將會達到95%。

　　相比之下，LED的照明應用仍處于初期階段，根據(jù)市場調(diào)研公司DisplaySearch的計算，2010年LED在普通照明領(lǐng)域的總體占有率為1.4%，到2014年這一數(shù)值預計將會達到9.3%。與此同時，根據(jù)IMS Research公司的估算結(jié)果，2012年整個LED市場的銷售額接近109億美元，其中照明應用領(lǐng)域為29億美元。到2015年，該分析報告指出LED市場的銷售額將會達到139億美元，在今後兩年內(nèi)的LED照明市場的銷售額將會翻倍達到58億美元。在實現(xiàn)LED大規(guī)模應用的同時，固態(tài)光源系統(tǒng)和元件價格將會有大幅度的下降，這將首先從LED器件（其中包含了藍寶石晶圓襯底和晶片）的價格下降開始。

　　對於LED晶片的制造商來說，削減成本的一個重要手段就是轉(zhuǎn)向采用更大直徑尺寸的晶圓襯底。根據(jù)2012年美國能源部的分析，襯底晶圓成本約為LED封裝成本的15%，而封裝成本又占據(jù)整個LED器件成本的相當大部分。如果LED晶片制造商轉(zhuǎn)向采用更大直徑尺寸的襯底，它們將會因節(jié)省了操作流程成本而獲益，而且這一獲益將會超出由於采用大尺寸襯底所會增加的成本。具有更低成本的LED將會推動LED照明在商業(yè)和民用住宅領(lǐng)域中的大規(guī)模應用。如今，已有超過90%的LED器件是制作在藍寶石襯底上，也有制作在SiC 或一些其他材料的襯底上，但迄今為止，其他材料很難具有藍寶石材料在性能和成本上的優(yōu)勢。

　　如今，另一種具有相當吸引力的是采用矽襯底材料。吸引該方案支持者的因素有：可以采用8英寸晶圓因而能提高工藝加工的操作效率；可以利用當前已徹底折舊完畢的CMOS制造設(shè)備。然而，由於矽材料和GaN材料在熱膨脹系數(shù)上具有很大的不匹配性，因此采用矽襯底的優(yōu)勢必須要進行重新權(quán)衡。要解決熱不匹配性這一問題，就需要采用一個高成本、復雜的緩沖層來避免產(chǎn)生襯底徹底開裂或破損問題。根據(jù)目前的報道，矽襯底上GaN 的制造良率仍然很低，而且其長期的可靠性仍然未得到驗證。因此，在解決這個技術(shù)障礙之前，矽材料襯底或許還只是一個小范圍市場的應用方案，不能期望用它來替代LED生產(chǎn)目前首選的藍寶石襯底材料。需要注意的是，襯底選用8英寸直徑還將是一個重要的考量，我們公司已經(jīng)能進行8英寸藍寶石拋光晶圓片的大批量生產(chǎn)。

　　另一種被經(jīng)常提到用來替代藍寶石襯底的是采用GaN襯底材料。然而，2英寸GaN襯底的成本將會超過1000美元，是同樣尺寸藍寶石襯底成本的100倍。如此高的成本是源於其需要一個極其復雜的制造工藝，因此就對這種材料的大規(guī)模應用產(chǎn)生了障礙。

　　基於上述因素，絕大多數(shù)的LED晶片制造商目前正在尋求更大尺寸的藍寶石襯底晶圓以降低其生產(chǎn)成本。使用更大尺寸的晶圓將使得MOCVD反應器具有更高的批次產(chǎn)額，使得反應器的「地產(chǎn)」能得到更好地利用，最終將減少單位襯底面積的加工成本。此外，采用大尺寸晶圓可減少晶圓邊緣區(qū)的損耗，還可提高MOCVD後續(xù)工藝的加工效率。