提高蓝宝石衬底制造效率的方法介绍

　　将垂直整合方法应用於制造业并不是一件新鲜的事情。早在19世纪，美国钢铁大亨Andrew Carnegie 就通过掌握几乎全部钢铁制造业的价值链，从铁矿石到炼钢厂一直到铁路建造而实施了垂直整合这个概念。到了20世纪20年代，福特汽车公司也采用了垂直整合方法，福特公司决定自己制造汽车用的钢铁材料。从那以後，垂直整合方法已经应用到全球绝大部分类型的制造业中，其中也包括了蓝宝石衬底制造业。

　　位于美国伊利诺伊州Bensenville的Rubicon公司所要做的是创造出蓝宝石衬底制造业界最具垂直型整合的产业模式，它能以高的可靠性和效益/ 成本比来提供超纯、无缺陷的、直径大於6英寸的蓝宝石衬底材料。

　　蓝宝石衬底和固态照明Rubicon 公司的最大市场是LED衬底产品。LED这种固态光源可作为显示器的背光源，以及具有高能效的LED照明。LED背光源市场已具有相当规模，根据Displaybank 的市场调查，2012年LED背光源的市场占有率为41%，预计到2014年这一数值将会达到95%。

　　相比之下，LED的照明应用仍处于初期阶段，根据市场调研公司DisplaySearch的计算，2010年LED在普通照明领域的总体占有率为1.4%，到2014年这一数值预计将会达到9.3%。与此同时，根据IMS Research公司的估算结果，2012年整个LED市场的销售额接近109亿美元，其中照明应用领域为29亿美元。到2015年，该分析报告指出LED市场的销售额将会达到139亿美元，在今後两年内的LED照明市场的销售额将会翻倍达到58亿美元。在实现LED大规模应用的同时，固态光源系统和元件价格将会有大幅度的下降，这将首先从LED器件（其中包含了蓝宝石晶圆衬底和晶片）的价格下降开始。

　　对於LED晶片的制造商来说，削减成本的一个重要手段就是转向采用更大直径尺寸的晶圆衬底。根据2012年美国能源部的分析，衬底晶圆成本约为LED封装成本的15%，而封装成本又占据整个LED器件成本的相当大部分。如果LED晶片制造商转向采用更大直径尺寸的衬底，它们将会因节省了操作流程成本而获益，而且这一获益将会超出由於采用大尺寸衬底所会增加的成本。具有更低成本的LED将会推动LED照明在商业和民用住宅领域中的大规模应用。如今，已有超过90%的LED器件是制作在蓝宝石衬底上，也有制作在SiC 或一些其他材料的衬底上，但迄今为止，其他材料很难具有蓝宝石材料在性能和成本上的优势。

　　如今，另一种具有相当吸引力的是采用矽衬底材料。吸引该方案支持者的因素有：可以采用8英寸晶圆因而能提高工艺加工的操作效率；可以利用当前已彻底折旧完毕的CMOS制造设备。然而，由於矽材料和GaN材料在热膨胀系数上具有很大的不匹配性，因此采用矽衬底的优势必须要进行重新权衡。要解决热不匹配性这一问题，就需要采用一个高成本、复杂的缓冲层来避免产生衬底彻底开裂或破损问题。根据目前的报道，矽衬底上GaN 的制造良率仍然很低，而且其长期的可靠性仍然未得到验证。因此，在解决这个技术障碍之前，矽材料衬底或许还只是一个小范围市场的应用方案，不能期望用它来替代LED生产目前首选的蓝宝石衬底材料。需要注意的是，衬底选用8英寸直径还将是一个重要的考量，我们公司已经能进行8英寸蓝宝石抛光晶圆片的大批量生产。

　　另一种被经常提到用来替代蓝宝石衬底的是采用GaN衬底材料。然而，2英寸GaN衬底的成本将会超过1000美元，是同样尺寸蓝宝石衬底成本的100倍。如此高的成本是源於其需要一个极其复杂的制造工艺，因此就对这种材料的大规模应用产生了障碍。

　　基於上述因素，绝大多数的LED晶片制造商目前正在寻求更大尺寸的蓝宝石衬底晶圆以降低其生产成本。使用更大尺寸的晶圆将使得MOCVD反应器具有更高的批次产额，使得反应器的「地产」能得到更好地利用，最终将减少单位衬底面积的加工成本。此外，采用大尺寸晶圆可减少晶圆边缘区的损耗，还可提高MOCVD後续工艺的加工效率。