Guide des plaquettes de saphir : spécifications, étapes de polissage et contrôles de l'acheteur

Deux cotations pour la même plaquette de saphir plan C de 150 mm peuvent différer d'un facteur trois, et le cristal n'en est presque jamais la raison. L'écart se répartit généralement en trois éléments : la variation de l'épaisseur totale, la rugosité laissée après le polissage chimico-mécanique et le fait que la face arrière ait été gravée ou expédiée telle que sciée. Les ingénieurs qui spécifient des substrats pour l'épitaxie GaN, des dispositifs à radiofréquence ou des fenêtres infrarouges se heurtent tous au même mur, car le saphir est vendu sur une fiche technique et jugé sur une chaîne de production. Ce qui suit est un guide pratique sur les chiffres qui comptent, comment ils sont produits et ce qu'il faut vérifier avant l'envoi d'un bon de commande.

Qu'est-ce qu'une plaquette de saphir ?

Une plaquette de saphir est un disque mince d'oxyde d'aluminium monocristallin qui a été orienté vers un plan cristallographique, creusé à partir d'une boule cultivée, tranché, rodé et poli jusqu'à une épaisseur, une planéité et une finition de surface contrôlées.

Le saphir n'est ni du verre ni un revêtement. Il s'agit d'Al2O3 cristallin, le matériau du corindon, c'est pourquoi une plaquette finie combine une dureté Mohs 9 avec une bande interdite proche de 8,6 eV et une transmission utile d'environ 0,19 à 5,5 micromètres.

9 Dureté Mohs, juste derrière le diamant parmi les matériaux courants

8,6 eV Bande interdite, suffisamment large pour rester transparente dans le visible

0,19-5,5 um Fenêtre de transmission de l'ultraviolet profond à l'infrarouge moyen

2050°C Point de fusion, bien au-dessus de toute température de croissance épitaxiale

L'orientation est la première décision sur tout dessin, car elle fixe ce qui peut pousser sur la surface et comment la plaquette se comporte sous charge thermique.

plan c (0001) : valeur par défaut pour l'épitaxie GaN LED et microLED, où la surface hexagonale correspond à l'épicouche.
plan r : utilisé pour le silicium sur saphir, où un mince film de silicium est déposé de manière hétéroépitaxiale.
plan a et plan m : orientations de recherche apolaires, disponibles mais plus difficiles à polir à la même rugosité.
Découpe : 0,2 degrés vers l'axe a est une demande MOCVD courante, tandis que 4 degrés apparaissent dans le travail d'un appareil spécifique. Maintenez fermement la tolérance, car la dérive des chutes modifie la structure des étapes au cours de la croissance.

Le diamètre et l’épaisseur voyagent ensemble. Les tailles courantes sont 50,8 mm, 100 mm, 150 mm et 200 mm, avec une épaisseur allant d'environ 430 micromètres à 2 pouces à 650 à 4 pouces et supérieure à 1 mm à 6 pouces, simplement parce qu'un mince disque de cristal fragile ne survivra pas à une manipulation de routine.

Sapphire Wafers in Common Diameters and Thicknesses

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De la boule à la plaquette Epi-Ready

Les plaquettes de saphir sont produites en six étapes, et chaque étape laisse une empreinte digitale sur le certificat fourni avec le lot.

Croissance cristalline. La traction de Kyropoulos ou la croissance alimentée par un film défini par les bords produit une boule. La densité de dislocation et le contenu des bulles sont définis ici et ne peuvent pas être éliminés ultérieurement.

Orientation. La diffraction des rayons X localise l'axe C avant que la boule ne soit évidée et meulée jusqu'à son diamètre final.

Trancher. Une scie à fil diamanté coupe des tranches individuelles, laissant une couche de dommages souterrains que les étapes suivantes doivent éliminer complètement.

Rodage et meulage. Cette étape fixe la variation totale de l’épaisseur et le parallélisme, et c’est là que commencent la plupart des dépassements de calendrier.

Polissage chimico-mécanique. La face avant est amenée à une rugosité de 0,2 nm ou mieux pour l'épitaxie, tandis que la face arrière est gravée ou polie en fonction de la manière dont la tranche sera serrée.

Inspection. L'interférométrie pour la planéité, la microscopie à force atomique pour la rugosité et un comptage de particules complètent l'ensemble de données qui accompagne le lot.

Échelles de temps de polissage avec profondeur d’enlèvement. Une étape de rodage qui laisse 25 micromètres de plus de dégâts souterrains que prévu peut ajouter des jours à la file d'attente de polissage, et cela coûte cher dans le prix unitaire plutôt que dans la fiche technique.

Des spécifications qui déterminent le rendement

Quatre nombres déterminent la plupart des décisions d'acceptation : la variation de l'épaisseur totale, l'arc et la chaîne, la rugosité de la face avant et la tolérance d'orientation. Tout le reste sur le dessin prend en charge ces quatre éléments.

Fenêtres de spécifications typiques pour les plaquettes de saphir épi-ready et de qualité optique, et les preuves qui méritent d'être demandées
Paramètre	Qualité Epi et LED	Qualité optique	Preuve à demander
Orientation et chute	plan C avec chute de 0,2 degré	plan C ou par dessin	Balayage par diffraction des rayons X
Diamètre	100 mm plus ou moins 0,2 mm	Par dessin	Carte des puces de bord
Épaisseur	650 micromètres plus ou moins 25	1 mm à 5 mm	Épaisseur map across the wafer
Variation d'épaisseur totale	10 micromètres ou moins	2 micromètres au-dessus de l'ouverture	Type de sonde et zone de numérisation
Arc et chaîne	25 micromètres ou moins	Planéité quart d'onde	Méthode de fixation et de support
Rugosité de la face avant	Ra 0,2 nm, prêt pour l'épi	Ra 1 nm ou mieux	Taille de numérisation AFM
Finition verso	Gravé ou poli	Moulu fin	Finition indiquée sur le certificat
Profil de bord	Surface ronde avec chanfrein et encoche	Bord poli	Photo d'orientation de l'encoche

Une variation d'épaisseur totale de 8 micromètres mesurée avec une sonde capacitive et le même chiffre mesuré par un interféromètre ne sont pas la même affirmation. Demandez quel instrument a été utilisé, sur quelle zone et à quelle température.

Saphir, silicium et quartz côte à côte

Le saphir est le substrat à choisir lorsque la plaquette doit survivre à la chaleur, à la chimie ou à la lumière, et non lorsqu'elle doit conduire l'électricité.

Saphir est le bon choix quand

Des températures de croissance supérieures à 1 000 °C excluent les supports polymères et le verre de qualité inférieure.
La surface doit rester transparente du visible jusqu’à l’infrarouge moyen.
La résistance aux produits chimiques et aux rayures compte plus que le coût au centimètre carré.
Le dispositif nécessite un substrat isolant à faibles pertes en radiofréquence.

Un autre substrat est généralement meilleur lorsque

La plaquette elle-même doit transporter du courant, là où le silicium est plus simple et beaucoup moins cher.
Une transmission ultraviolette profonde en dessous de 190 nm est requise, là où le saphir l'absorbe.
La propagation de la chaleur est le facteur limitant dans un générateur haute puissance.
Le budget ne peut pas absorber un substrat dont le prix est plusieurs fois supérieur à celui d'une plaquette de silicium de même diamètre.

Conductivité thermique à température ambiante, watts par mètre Kelvin

Silicium 150

Sapphire 35

Quartz fondu 1.4

Le numéro thermique est celui qui surprend les équipes de conception. Le saphir conduit la chaleur environ quatre fois moins bien que le silicium et environ vingt-cinq fois mieux que le quartz fondu, ce qui est réalisable pour un seul émetteur de faible puissance et pénible pour un réseau dense de haute puissance. Cette propriété est à l’origine d’une grande partie de l’intérêt pour les substrats à motifs, le transfert de couches minces et la liaison de tranches.

Quartz Wafers for Optical and Semiconductor Applications

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Où les plaquettes de saphir gagnent leur prix

Les substrats saphir sont rentables dans quatre familles d'applications, chacune avec une spécification dominante différente.

Epitaxie GaN LED et microLED

Des tranches de plan C de deux à six pouces portent la pile électroluminescente. Le contrôle des chutes et la rugosité de la face avant influencent la qualité des cristaux, et donc l’efficacité quantique externe, plus que tout autre paramètre entrant.

Radiofréquence et silicium sur saphir

Un substrat isolant réduit la capacité parasite dans les commutateurs et les filtres. Ici, le dessin est dominé par l’uniformité de l’épaisseur et la planéité de la surface plutôt que par la transmission optique.

Fenêtres optiques et caches capteurs

Le saphir transmet du visible jusqu'à environ 5,5 micromètres et résiste aux rayures dans les environnements abrasifs, il apparaît donc dans les fenêtres infrarouges, les couvercles LiDAR et les ports de caméra renforcés. La gamme d’applications des plaquettes de saphir dans les domaines de l’électronique et de l’optique va bien au-delà de l’éclairage.

Plaquettes porteuses et factices

Les processus à haute température réutilisent les supports en saphir car le matériau ne se ramollit pas et ne dégaze pas. Le repolissage prolonge la durée de vie là où les règles de contamination le permettent.

Sapphire Optical Windows for Protective and Filtering Uses

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Que vérifier avant de commander

Cinq contrôles détectent la plupart des problèmes avant que le lot n'atteigne votre banc d'inspection entrant.

Demandez la méthode de mesure derrière chaque chiffre, pas seulement le chiffre lui-même.

Confirmez l'orientation principale du plat ou de l'encoche et la position de la marque laser, car celles-ci déterminent la manière dont la plaquette est placée dans votre support.

Spécifiez la finition du verso. Une face arrière gravée se comporte différemment d’une face arrière polie sur un mandrin à vide.

Exiger une traçabilité du lot et un certificat de conformité lié à l'identification de la boule.

Convenez par écrit de la taille de l’échantillon d’inspection à l’arrivée et des critères d’acceptation avant la première expédition.

Une plaquette de saphir de 150 mm peut bénéficier d'un prix supérieur de 30 % pour une amélioration de la rugosité de 0,1 nm. Seules vos propres données de rendement épitaxial peuvent vous dire si cette prime est rentable.

Si une spécification est ambiguë, résolvez-la au stade du dessin. Envoyez votre dessin et votre quantité à notre équipe d'ingénierie et l'orientation, la finition et la méthode d'inspection peuvent être fixées avant le devis plutôt qu'après la livraison.

Foire aux questions

Une plaquette en saphir est-elle la même chose qu'une fenêtre en saphir ?

Non, l'accent est différent. Une tranche est jugée sur la variation totale de l'épaisseur, la propreté des particules et une surface avant prête pour l'épitaxie, tandis qu'une fenêtre est jugée sur la transmission, la qualité de la surface sur une ouverture définie et la finition des bords. Les deux peuvent être découpés dans la même boule.

Les plaquettes de saphir peuvent-elles être réutilisées ?

Les plaquettes porteuses et factices peuvent être repolies plusieurs fois lorsque la contamination est contrôlée. Les plaquettes épi-prêtes ne le peuvent généralement pas, car la surface polie et le budget de planéité sont consommés lors de la première phase de croissance.

Quelle épaisseur dois-je commander ?

Suivez le diamètre. Environ 430 micromètres à 2 pouces, 650 à 4 pouces et 1 mm ou plus à 6 pouces sont des points de départ courants. Les tranches plus fines réduisent la masse thermique mais augmentent le risque de casse lors de la manipulation et du transport.

Ai-je besoin d’une chute ?

Pour le GaN cultivé par MOCVD sur le plan C, une petite chute proche de 0,2 degrés est typique. Si votre processus n'est pas sensible à la structure des étapes, une plaquette nominale sur axe est plus facile à se procurer et généralement moins chère.