Inspection de la boule de saphir avant le traitement de la gaufre: orientation cristalline, défauts de bulle, stress et rendement utilisable
Inspection de la boule de saphir avant le traitement de la gaufre: orientation cristalline, défauts de bulle, stress et rendement utilisable
2026-08-28
Uneplaquettes de saphirL'orientation cristalline, les bulles internes, les inclusions, les limites des grains à faible angle,Les fissures et les contraintes résiduelles existent déjà à l'intérieur de la boule de saphir et peuvent déterminer si le traitement en aval produit des plaquettes de qualité supérieure ou une quantité excessive de déchets.
L'inspection de la boule avant la découpe et la découpe aide les fabricants à éviter de traiter les zones défectueuses, à choisir la bonne direction de coupe et à estimer le nombre réel de plaquettes utilisables.
Cet article explique les principaux éléments d'inspection des boules de saphir, les méthodes d'inspection courantes et la relation entre la qualité des boules et le rendement final des gaufres.
Pourquoi inspecter le saphir avant de le transformer en gaufre?
Le saphir synthétique est un oxyde d'aluminium monocristallin, Al2O3. Il combine une dureté élevée, une résistance chimique, une stabilité thermique et une transmission optique, ce qui le rend approprié pour:
les substrats épitaxiaux à LED;
Le traitement des semi-conducteurs;
fenêtres optiques;
composants de montres;
Systèmes laser;
Protection des capteurs;
les applications SOS et RF;
Composants d'observation à haute température.
La culture d'un grand cristal de saphir ne garantit pas que la boule entière peut être convertie en plaquettes utilisables.dislocations ou déviations d'orientation.
Des recherches sur de grandes boules de saphir ont révélé que les bulles, les inclusions et la birefringence de stress peuvent être concentrées près des régions périphériques plutôt que réparties uniformément dans tout le cristal.Cela rend l'inspection spatiale et la cartographie des défauts plus utiles qu'un seul résultat de réussite/échec- Étude de la croissance des grandes boules de saphir et de la répartition des défauts
L'inspection préalable au traitement permet aux fabricants de:
Confirmer la direction cristallographique;
Sélectionner le meilleur emplacement de noyau;
Exclure les zones de bord défectueuses;
Détecter les fissures avant la coupe mécanique;
Identifier les clusters de bulles et d'inclusion;
Évaluer les contraintes résiduelles;
le volume de boule utilisable est estimé;
Améliorer le rendement de découpe et de polissage;
Faire correspondre les différentes régions de boule à différentes catégories de produits.
De la boule de saphir à la galette finie
Un flux de fabrication simplifié de plaquettes de saphir comprend:
la croissance des cristaux de saphir;
Le refroidissement et le recuit par boule;
nettoyage des surfaces extérieures;
inspection visuelle et optique;
mesure de l'orientation des cristaux;
la cartographie des défauts et des contraintes;
une puissance de sortie supérieure à 50 W;
Marquage du point final et de l'orientation;
Décapage;
le broyage des bords;
Le lapage;
traitement thermique, le cas échéant;
Polissage et CMP;
Dernière inspection des plaquettes.
Les décisions prises lors de l'inspection des boules affectent presque toutes les étapes ultérieures.Si une fissure interne est manquée, il peut se propager lors de la découpe et détruire plusieurs plaquettes.
Confirmation de l'orientation cristalline
L'orientation des cristaux est l'un des premiers paramètres à confirmer avant le noyau ou la tranche.
Le saphir a une structure cristalline trigonale et est anisotrope. Son comportement mécanique, optique et de traitement varie selon la direction cristallographique.
croissance du film épitaxial;
la structure atomique de surface;
Taux de broyage et de polissage;
comportement de clivage et de fracture;
une résistance à l'écoulement de l'air supérieure ou égale à 5 kPa;
Expansion thermique;
résistance de la gaufre;
Performance finale du dispositif.
Orientations communes des plaquettes de saphir
Les orientations
Notation commune
Applications typiques
C-plan
(0001)
LED, épitaxie GaN, substrats de semi-conducteurs
A-plan
11 à 20
Épitaxie non polaire et utilisations optiques spécialisées
R-plan
Le nombre de points
Applications électroniques et silicium sur saphir
M-plan
(10 à 10)
Recherche sur le GaN non polaire et dispositifs spécialisés
Le saphir de plan C est largement utilisé pour l'épitaxie des LED et des semi-conducteurs à base de GaN. Le plan R peut être nécessaire pour les structures de silicium sur saphir,tandis que le plan A et le plan M sont utilisés dans les applications qui bénéficient de surfaces cristallines non polaires.
Méthodes d'inspection de l'orientation
L'orientation des cristaux est généralement mesurée à l'aide de techniques basées sur les rayons X.
Les méthodes courantes sont les suivantes:
diffraction par rayons X;
Laue rétro-réflexion;
goniométrie par rayons X;
Cartographie de l'orientation à plusieurs positions de boule.
Une seule mesure d'orientation peut ne pas être suffisante pour une grosse boule.Le milieu et l'extrémité de la queue peuvent aider à identifier la dérive d'orientation ou les régions touchées par les limites de bas angle.
Tolérance à l'orientation
La tolérance d'orientation acceptable dépend de l'application finale. Un substrat épitaxy peut nécessiter un contrôle beaucoup plus strict qu'un composant optique général.
Le rapport d'inspection doit faire la distinction entre:
plan cristallin nominal;
le plan mesuré réel;
l'angle de coupure;
Direction du dérapage;
l'incertitude de mesure;
Variation d'orientation à travers la boule.
L'angle et la direction du décapage ne doivent pas être combinés en une valeur ambiguë. Deux plaquettes ayant la même grandeur de décapage peuvent se comporter différemment si la direction d'inclinaison est différente.
Défauts de bulles dans les boules de saphir
Les bulles sont des défauts internes de type vide qui peuvent se former pendant la croissance du cristal de saphir.
Des études sur la production de saphir identifient les inclusions de bulles, les dislocations et les limites de grains à bas angle comme des défauts importants du cristal en vrac.Leur formation est étroitement liée aux conditions de fusion et à la forme et à la stabilité de l'interface de fusion- Examen de l'interface de fusion des cristaux dans la production de saphirs
Pourquoi les bulles se forment
La formation de bulles peut être influencée par:
gaz piégé dans la fonte;
Contamination par matière première;
atmosphère du four;
Taux de croissance des cristaux;
les fluctuations de température;
Convection de fusion;
la forme de l'interface;
Condition du creuset;
Instabilité locale pendant la solidification.
Le mécanisme exact dépend de la méthode de croissance du cristal et des conditions du four.
Pourquoi les bulles comptent
Une bulle peut affecter à la fois les plaquettes optiques et semi-conducteurs.
Les conséquences possibles sont les suivantes:
Dispersion de la lumière;
une transmission optique réduite;
la concentration locale de contrainte;
Craquage lors de la découpe;
Des trous de surface après broyage ou polissage;
Rejet lors de l'inspection optique automatisée;
une ouverture transparente réduite;
Les défauts d'épitaxie se produisent si la bulle coupe la surface de la galette.
Une bulle profondément enfouie peut sembler inoffensive dans la boule, mais elle devient une fosse qui s'ouvre à la surface après la coupe de la boule.
Méthodes d'inspection des bulles
En fonction de la taille de la boule et de l'état optique, l'inspection des bulles peut utiliser:
éclairage à champ lumineux;
éclairage par champ noir;
Lumière transmise collimée;
Dispersion au laser;
éclairage latéral;
une puissance de sortie de l'air supérieure ou égale à 5 W;
Imagerie automatisée et cartographie des défauts.
Les défauts doivent être enregistrés par position, taille et densité. Une déclaration simple telle que "pas de bulles visibles" est difficile à vérifier à moins que les conditions d'éclairage et le seuil de détection ne soient définis.
Inclusions et matières étrangères
Les inclusions sont des phases ou régions étrangères solides dont la composition est différente de celle du cristal de saphir environnant.
Les sources potentielles sont:
Contamination par matière première;
Contamination par les fondus;
Particules réfractaires;
d'une teneur en carbone de moins de 10%,
la dégradation des composants du four;
Séparation chimique locale.
Les inclusions peuvent apparaître sous forme de points sombres, de particules réfléchissantes, de régions nuageuses ou de centres de dispersion.
Même de petites inclusions peuvent devenir des causes de défaillance lors de la coupe et du polissage, car le saphir est dur mais fragile.Les différences locales dans l'expansion thermique ou les propriétés mécaniques créent des contraintes autour de l'inclusion.
Pour le saphir optique, les inclusions réduisent la transmission et la qualité de l'ouverture.
Craqueries et dégâts sous-marins
Les boules de saphir peuvent se fissurer pendant la croissance, le refroidissement, le recuit, le transport ou l'usinage préliminaire.
Types de fissures courantes
les fissures de surface;
les fissures radiales;
les fissures axiales;
les fissures au bord;
Des fissures internes;
les fissures par choc thermique;
Des fissures souterraines induites par le broyage.
Certaines fissures sont facilement visibles, tandis que d'autres ne peuvent être détectées que sous éclairage directionnel ou tests non destructifs.
Pourquoi les petites fissures sont dangereuses
Une petite fissure près du bord de la boule peut se propager pendant:
Le noyau;
Le broyage au diamètre;
une puissance de sortie de l'air supérieure à 50 W;
le nettoyage par ultrasons;
Le lapage;
Traitement thermique.
Si une fissure atteint la région du noyau prévu, le volume environnant doit être exclu ou attribué à un produit moins exigeant.
La découpe d'une fissure sans la cartographie peut endommager le fil de coupe, provoquer la rupture de la gaufre et contaminer l'équipement de traitement par des fragments.
Le stress résiduel et la bifringence du stress
Le stress résiduel est un autre paramètre critique de la qualité des boules.
Le stress peut résulter de:
Des gradients thermiques élevés;
refroidissement non uniforme;
"Systèmes de traitement" pour les "systèmes de traitement des déchets" désignés ci-après:
les changements de diamètre des cristaux;
L'instabilité du taux de croissance
les restrictions relatives aux semences;
les défauts et les inclusions;
Le recuit est insuffisant.
Les effets du stress résiduel
Le stress résiduel peut provoquer:
Craquage lors du déchiquetage ou de la découpe;
Les éléments suivants sont utilisés:
Non-uniformité de l'épaisseur après lapage;
Polissage irrégulier
éclaboussures de bords;
b. une résistance à l'écoulement de l'air supérieure à 1 kPa;
instabilité dimensionnelle pendant le chauffage;
Résistance mécanique réduite.
Les recherches ont montré que l'abrasion irrégulière au début du traitement des wafers de saphir peut influencer l'arc des wafers formés mécaniquement.Le stress de Boule et le stress induit par le traitement doivent donc être considérés comme des facteurs distincts mais en interaction.- Étude de la formation de l'arc lors du traitement des plaquettes de saphir
Inspection à la lumière polarisée
Le saphir est optiquement anisotrope, l'évaluation des contraintes exige donc une configuration d'inspection appropriée à la direction cristallographique choisie.
Un polariscope ou une configuration de polariseur croisé peut révéler des modèles optiques liés au stress.
Le système d'inspection devrait définir:
longueur d'onde de la lumière;
l'orientation du polariseur;
l'orientation de la boule;
longueur de la trajectoire optique;
géométrie d'imagerie;
Une norme d'acceptation.
L'inspection qualitative par lumière polarisée est utile pour le dépistage, mais l'évaluation quantitative des contraintes peut nécessiter des mesures photoélastiques calibrées, la spectroscopie Raman ou d'autres techniques spécialisées..
Limites des grains à faible angle
Une boule destinée à être un seul cristal peut contenir des régions voisines avec une petite désorientation cristallographique.
Ils peuvent être difficiles à identifier par inspection visuelle ordinaire, mais peuvent affecter:
l'uniformité d'orientation;
résistance mécanique;
Plaquette de la gaufre;
comportement de polissage;
Uniformité épitaxienne;
Résultats de l'appareil
La topographie aux rayons X, la cartographie d'orientation ou les méthodes d'estampage peuvent aider à détecter ces limites.
Si une limite à bas angle traverse le noyau prévu, les plaquettes coupées de cette région peuvent présenter des orientations cristallines différentes sur une seule surface.Ces plaquettes peuvent ne pas convenir à des applications épitaxiennes exigeantes, même si elles semblent optiquement transparentes..
Dislocations et qualité cristalline
Les dislocations sont des défauts de lignes dans le réseau cristallin, dont la densité et la répartition dépendent des conditions de croissance du cristal, du stress thermique et de la méthode de croissance.
Les dislocations peuvent affecter:
résistance mécanique;
la densité de la fosse de gravure;
qualité optique;
préparation de la surface;
Le comportement du film épitaxial.
Les méthodes d'inspection peuvent inclure:
Topographie par rayons X;
une résistance à la corrosion supérieure ou égale à 0,9 MPa;
Mesure de la densité de la fosse de gravure;
une puissance de sortie de l'air supérieure ou égale à 5 W;
Synchrotron ou imagerie par rayons X de laboratoire.
Les fenêtres optiques, les substrats LED et les plaquettes de recherche peuvent avoir des critères d'acceptation différents.
Inspection dimensionnelle de la boule
Avant de calculer le rendement, les dimensions physiques de la boule doivent être mesurées avec précision.
Les dimensions importantes sont les suivantes:
le diamètre maximum et le diamètre minimum;
longueur totale;
longueur utilisable droite;
Pour les appareils de traitement de l'air
Rondeur;
Irrégularités de surface;
l'exclusion de l'extrémité de départ;
l'exclusion de l'arrière-cour;
Profondeur de défaut de bord.
Les grandes dimensions nominales des boules peuvent être trompeuses si une zone extérieure importante doit être enlevée pour atteindre le diamètre du noyau cible.
Une carte de diamètre le long de la longueur de la boule aide à déterminer où un noyau cylindrique de taille réelle peut être extrait.
Cartographie de la boule avant le coring
Une carte de boule pratique combine des informations dimensionnelles, cristallographiques et de défaut.
Chaque défaut peut être enregistré en utilisant:
position axiale;
position radiale;
position de la circonférence;
Type de défaut;
Taille du défaut;
méthode d'inspection
niveau de confiance;
Marge d'exclusion requise.
Cette carte permet aux ingénieurs de choisir l'emplacement du noyau et la direction de coupe qui maximisent le matériau utilisable.
Dans certains cas, le résultat de la valeur la plus élevée n'est pas un seul grand noyau. Une boule avec des défauts localisés peut produire plus de valeur lorsqu'elle est divisée en plusieurs petits noyaux ou composants optiques.
Calcul du rendement théorique des plaquettes
Un simple nombre théorique de plaquettes peut être estimé en utilisant:
Le nombre de fois où les données sont utilisées est le nombre de fois où les données sont utilisées.
où:
Je ne suis pas théorique.est le nombre théorique de tranches;
Je ne sais pas si c'est vrai.est la longueur utilisable du noyau;
Je ne veux pas de toi.est l'épaisseur initiale de la tranche;
Je ne sais pas.est le matériel perdu lors de chaque coupure.
L'épaisseur initiale de la tranche doit inclure suffisamment de:
Le lapage;
Le broyage;
Polissage;
CMP;
Tolérance d'épaisseur finale;
Correction d'arc et de distorsion.
Cette formule ne fournit qu'une estimation de la conception, sans inclure les ruptures, les exclusions des bords, les rejets d'orientation ou les pertes de qualité de surface.
Estimation du rendement utilisable
Une estimation plus réaliste peut être exprimée comme suit:
Le rendement de chaque procédé doit être basé sur les données de production réelles pour la qualité de boule, le diamètre de la gaufre, l'orientation et les spécifications requises.
Perte de coupe, tranches cassées, propagation de fissures
Lappage
Perte d'épaisseur, écaillage, élimination inégale
Polissage
Pôles, rayures, enlèvement excessif de la surface
Inspection finale
TTV, voûte, déformation, orientation ou rejet de surface
Le rendement utilisable doit être mesuré par le nombre de plaquettes répondant au cahier des charges final, et non seulement par le nombre de tranches produites.
Exemple de planification des rendements
Supposons qu'un noyau de saphir ait une longueur utilisable mesurée de 120 mm après exclusion des zones défectueuses et de l'extrémité de semence.
Si l'épaisseur prévue est de 0,75 mm et que la perte de coupe effective est de 0,20 mm, la sortie théorique est:
Il y a une différence entre les deux types de données.
Si le rendement combiné en aval est de 85%, le nombre estimé de plaquettes acceptables devient approximativement:
126 × 0,85≈107126 \ fois 0,85 \ approximativement 107
Ce calcul n'est qu'illustratif: la taille réelle, la capacité de traitement et le rendement en aval dépendent de l'équipement de coupe, du diamètre de la plaque, de l'orientation du cristal et de la spécification finale.
Les méthodes d'inspection et leur rôle
Point de contrôle
Méthode typique
Objectif principal
Orientation cristalline
Diffraction XRD ou Laue
Confirme l'avion et la sortie.
Les bulles
Diffusion de lumière ou de laser transmise
Cartographie des vides internes
Inclusions
Inspection par champ noir ou microscopique
Détecte des matières étrangères
Les fissures
Éclairage directionnel ou inspection par ultrasons
Prévient la rupture en aval
Stress résiduel
Lumière polarisée ou spectroscopie Raman
Identifie les régions à fort stress
Limites des céréales
Topographie par rayons X ou cartographie d'orientation
Confirme la continuité du cristal unique.
Dislocations
Topographie par rayons X ou inspection en creusement
Évalue la qualité du réseau
Les dimensions
Mesure par coordonnées ou optique
Détermine la capacité du noyau et de la gaufre
Dommages à la surface
Méthodes visuelles, microscopiques ou compatibles avec le pénétrant
Identifie les dommages de l'usinage
Aucune technique d'inspection unique ne détecte tous les défauts.
Flux de travail recommandé pour l'inspection de Boule
Étape 1: Examen de la traçabilité
Confirmé:
Partie de croissance;
méthode de croissance;
Partie de matières premières;
Le fonctionnement du four;
Les antécédents de repassage;
orientation vers les semences;
Les dossiers d'inspection antérieurs.
Deuxième étape: nettoyer la boule
Supprimer les contaminations de surface qui peuvent être confondues avec une inclusion ou une fissure interne.
Étape 3: Mesurer la géométrie externe
Enregistrer les défauts de longueur, de diamètre, de cône et de surface visible.
Étape 4: Confirmer l'orientation
Mesurer la direction cristallographique à plusieurs endroits et définir le plan de coupe prévu.
5e étape: vérifier les défauts internes
Utilisez la lumière transmise, l'imagerie de champ noir ou la diffusion laser pour cartographier les bulles et les inclusions.
6e étape: évaluer le stress
Inspecter la boule dans des conditions de lumière polarisée contrôlées et identifier les zones à forte tension.
Étape 7: Vérifiez la continuité des cristaux
Utiliser des méthodes radiographiques lorsque l'application nécessite la vérification des limites des grains, de l'uniformité d'orientation ou de la structure de dislocation.
Étape 8: Créer la carte de coupe
Marquer la position du noyau, les régions exclues, la direction d'orientation et la séquence de coupe.
Étape 9: estimer le rendement
Calculer des tranches théoriques, puis appliquer des facteurs historiques de rendement du processus.
Qu'est-ce qui doit figurer dans le rapport d'inspection du saphir
Inspection de la boule de saphir avant le traitement de la gaufre: orientation cristalline, défauts de bulle, stress et rendement utilisable
Inspection de la boule de saphir avant le traitement de la gaufre: orientation cristalline, défauts de bulle, stress et rendement utilisable
Uneplaquettes de saphirL'orientation cristalline, les bulles internes, les inclusions, les limites des grains à faible angle,Les fissures et les contraintes résiduelles existent déjà à l'intérieur de la boule de saphir et peuvent déterminer si le traitement en aval produit des plaquettes de qualité supérieure ou une quantité excessive de déchets.
L'inspection de la boule avant la découpe et la découpe aide les fabricants à éviter de traiter les zones défectueuses, à choisir la bonne direction de coupe et à estimer le nombre réel de plaquettes utilisables.
Cet article explique les principaux éléments d'inspection des boules de saphir, les méthodes d'inspection courantes et la relation entre la qualité des boules et le rendement final des gaufres.
Pourquoi inspecter le saphir avant de le transformer en gaufre?
Le saphir synthétique est un oxyde d'aluminium monocristallin, Al2O3. Il combine une dureté élevée, une résistance chimique, une stabilité thermique et une transmission optique, ce qui le rend approprié pour:
les substrats épitaxiaux à LED;
Le traitement des semi-conducteurs;
fenêtres optiques;
composants de montres;
Systèmes laser;
Protection des capteurs;
les applications SOS et RF;
Composants d'observation à haute température.
La culture d'un grand cristal de saphir ne garantit pas que la boule entière peut être convertie en plaquettes utilisables.dislocations ou déviations d'orientation.
Des recherches sur de grandes boules de saphir ont révélé que les bulles, les inclusions et la birefringence de stress peuvent être concentrées près des régions périphériques plutôt que réparties uniformément dans tout le cristal.Cela rend l'inspection spatiale et la cartographie des défauts plus utiles qu'un seul résultat de réussite/échec- Étude de la croissance des grandes boules de saphir et de la répartition des défauts
L'inspection préalable au traitement permet aux fabricants de:
Confirmer la direction cristallographique;
Sélectionner le meilleur emplacement de noyau;
Exclure les zones de bord défectueuses;
Détecter les fissures avant la coupe mécanique;
Identifier les clusters de bulles et d'inclusion;
Évaluer les contraintes résiduelles;
le volume de boule utilisable est estimé;
Améliorer le rendement de découpe et de polissage;
Faire correspondre les différentes régions de boule à différentes catégories de produits.
De la boule de saphir à la galette finie
Un flux de fabrication simplifié de plaquettes de saphir comprend:
la croissance des cristaux de saphir;
Le refroidissement et le recuit par boule;
nettoyage des surfaces extérieures;
inspection visuelle et optique;
mesure de l'orientation des cristaux;
la cartographie des défauts et des contraintes;
une puissance de sortie supérieure à 50 W;
Marquage du point final et de l'orientation;
Décapage;
le broyage des bords;
Le lapage;
traitement thermique, le cas échéant;
Polissage et CMP;
Dernière inspection des plaquettes.
Les décisions prises lors de l'inspection des boules affectent presque toutes les étapes ultérieures.Si une fissure interne est manquée, il peut se propager lors de la découpe et détruire plusieurs plaquettes.
Confirmation de l'orientation cristalline
L'orientation des cristaux est l'un des premiers paramètres à confirmer avant le noyau ou la tranche.
Le saphir a une structure cristalline trigonale et est anisotrope. Son comportement mécanique, optique et de traitement varie selon la direction cristallographique.
croissance du film épitaxial;
la structure atomique de surface;
Taux de broyage et de polissage;
comportement de clivage et de fracture;
une résistance à l'écoulement de l'air supérieure ou égale à 5 kPa;
Expansion thermique;
résistance de la gaufre;
Performance finale du dispositif.
Orientations communes des plaquettes de saphir
Les orientations
Notation commune
Applications typiques
C-plan
(0001)
LED, épitaxie GaN, substrats de semi-conducteurs
A-plan
11 à 20
Épitaxie non polaire et utilisations optiques spécialisées
R-plan
Le nombre de points
Applications électroniques et silicium sur saphir
M-plan
(10 à 10)
Recherche sur le GaN non polaire et dispositifs spécialisés
Le saphir de plan C est largement utilisé pour l'épitaxie des LED et des semi-conducteurs à base de GaN. Le plan R peut être nécessaire pour les structures de silicium sur saphir,tandis que le plan A et le plan M sont utilisés dans les applications qui bénéficient de surfaces cristallines non polaires.
Méthodes d'inspection de l'orientation
L'orientation des cristaux est généralement mesurée à l'aide de techniques basées sur les rayons X.
Les méthodes courantes sont les suivantes:
diffraction par rayons X;
Laue rétro-réflexion;
goniométrie par rayons X;
Cartographie de l'orientation à plusieurs positions de boule.
Une seule mesure d'orientation peut ne pas être suffisante pour une grosse boule.Le milieu et l'extrémité de la queue peuvent aider à identifier la dérive d'orientation ou les régions touchées par les limites de bas angle.
Tolérance à l'orientation
La tolérance d'orientation acceptable dépend de l'application finale. Un substrat épitaxy peut nécessiter un contrôle beaucoup plus strict qu'un composant optique général.
Le rapport d'inspection doit faire la distinction entre:
plan cristallin nominal;
le plan mesuré réel;
l'angle de coupure;
Direction du dérapage;
l'incertitude de mesure;
Variation d'orientation à travers la boule.
L'angle et la direction du décapage ne doivent pas être combinés en une valeur ambiguë. Deux plaquettes ayant la même grandeur de décapage peuvent se comporter différemment si la direction d'inclinaison est différente.
Défauts de bulles dans les boules de saphir
Les bulles sont des défauts internes de type vide qui peuvent se former pendant la croissance du cristal de saphir.
Des études sur la production de saphir identifient les inclusions de bulles, les dislocations et les limites de grains à bas angle comme des défauts importants du cristal en vrac.Leur formation est étroitement liée aux conditions de fusion et à la forme et à la stabilité de l'interface de fusion- Examen de l'interface de fusion des cristaux dans la production de saphirs
Pourquoi les bulles se forment
La formation de bulles peut être influencée par:
gaz piégé dans la fonte;
Contamination par matière première;
atmosphère du four;
Taux de croissance des cristaux;
les fluctuations de température;
Convection de fusion;
la forme de l'interface;
Condition du creuset;
Instabilité locale pendant la solidification.
Le mécanisme exact dépend de la méthode de croissance du cristal et des conditions du four.
Pourquoi les bulles comptent
Une bulle peut affecter à la fois les plaquettes optiques et semi-conducteurs.
Les conséquences possibles sont les suivantes:
Dispersion de la lumière;
une transmission optique réduite;
la concentration locale de contrainte;
Craquage lors de la découpe;
Des trous de surface après broyage ou polissage;
Rejet lors de l'inspection optique automatisée;
une ouverture transparente réduite;
Les défauts d'épitaxie se produisent si la bulle coupe la surface de la galette.
Une bulle profondément enfouie peut sembler inoffensive dans la boule, mais elle devient une fosse qui s'ouvre à la surface après la coupe de la boule.
Méthodes d'inspection des bulles
En fonction de la taille de la boule et de l'état optique, l'inspection des bulles peut utiliser:
éclairage à champ lumineux;
éclairage par champ noir;
Lumière transmise collimée;
Dispersion au laser;
éclairage latéral;
une puissance de sortie de l'air supérieure ou égale à 5 W;
Imagerie automatisée et cartographie des défauts.
Les défauts doivent être enregistrés par position, taille et densité. Une déclaration simple telle que "pas de bulles visibles" est difficile à vérifier à moins que les conditions d'éclairage et le seuil de détection ne soient définis.
Inclusions et matières étrangères
Les inclusions sont des phases ou régions étrangères solides dont la composition est différente de celle du cristal de saphir environnant.
Les sources potentielles sont:
Contamination par matière première;
Contamination par les fondus;
Particules réfractaires;
d'une teneur en carbone de moins de 10%,
la dégradation des composants du four;
Séparation chimique locale.
Les inclusions peuvent apparaître sous forme de points sombres, de particules réfléchissantes, de régions nuageuses ou de centres de dispersion.
Même de petites inclusions peuvent devenir des causes de défaillance lors de la coupe et du polissage, car le saphir est dur mais fragile.Les différences locales dans l'expansion thermique ou les propriétés mécaniques créent des contraintes autour de l'inclusion.
Pour le saphir optique, les inclusions réduisent la transmission et la qualité de l'ouverture.
Craqueries et dégâts sous-marins
Les boules de saphir peuvent se fissurer pendant la croissance, le refroidissement, le recuit, le transport ou l'usinage préliminaire.
Types de fissures courantes
les fissures de surface;
les fissures radiales;
les fissures axiales;
les fissures au bord;
Des fissures internes;
les fissures par choc thermique;
Des fissures souterraines induites par le broyage.
Certaines fissures sont facilement visibles, tandis que d'autres ne peuvent être détectées que sous éclairage directionnel ou tests non destructifs.
Pourquoi les petites fissures sont dangereuses
Une petite fissure près du bord de la boule peut se propager pendant:
Le noyau;
Le broyage au diamètre;
une puissance de sortie de l'air supérieure à 50 W;
le nettoyage par ultrasons;
Le lapage;
Traitement thermique.
Si une fissure atteint la région du noyau prévu, le volume environnant doit être exclu ou attribué à un produit moins exigeant.
La découpe d'une fissure sans la cartographie peut endommager le fil de coupe, provoquer la rupture de la gaufre et contaminer l'équipement de traitement par des fragments.
Le stress résiduel et la bifringence du stress
Le stress résiduel est un autre paramètre critique de la qualité des boules.
Le stress peut résulter de:
Des gradients thermiques élevés;
refroidissement non uniforme;
"Systèmes de traitement" pour les "systèmes de traitement des déchets" désignés ci-après:
les changements de diamètre des cristaux;
L'instabilité du taux de croissance
les restrictions relatives aux semences;
les défauts et les inclusions;
Le recuit est insuffisant.
Les effets du stress résiduel
Le stress résiduel peut provoquer:
Craquage lors du déchiquetage ou de la découpe;
Les éléments suivants sont utilisés:
Non-uniformité de l'épaisseur après lapage;
Polissage irrégulier
éclaboussures de bords;
b. une résistance à l'écoulement de l'air supérieure à 1 kPa;
instabilité dimensionnelle pendant le chauffage;
Résistance mécanique réduite.
Les recherches ont montré que l'abrasion irrégulière au début du traitement des wafers de saphir peut influencer l'arc des wafers formés mécaniquement.Le stress de Boule et le stress induit par le traitement doivent donc être considérés comme des facteurs distincts mais en interaction.- Étude de la formation de l'arc lors du traitement des plaquettes de saphir
Inspection à la lumière polarisée
Le saphir est optiquement anisotrope, l'évaluation des contraintes exige donc une configuration d'inspection appropriée à la direction cristallographique choisie.
Un polariscope ou une configuration de polariseur croisé peut révéler des modèles optiques liés au stress.
Le système d'inspection devrait définir:
longueur d'onde de la lumière;
l'orientation du polariseur;
l'orientation de la boule;
longueur de la trajectoire optique;
géométrie d'imagerie;
Une norme d'acceptation.
L'inspection qualitative par lumière polarisée est utile pour le dépistage, mais l'évaluation quantitative des contraintes peut nécessiter des mesures photoélastiques calibrées, la spectroscopie Raman ou d'autres techniques spécialisées..
Limites des grains à faible angle
Une boule destinée à être un seul cristal peut contenir des régions voisines avec une petite désorientation cristallographique.
Ils peuvent être difficiles à identifier par inspection visuelle ordinaire, mais peuvent affecter:
l'uniformité d'orientation;
résistance mécanique;
Plaquette de la gaufre;
comportement de polissage;
Uniformité épitaxienne;
Résultats de l'appareil
La topographie aux rayons X, la cartographie d'orientation ou les méthodes d'estampage peuvent aider à détecter ces limites.
Si une limite à bas angle traverse le noyau prévu, les plaquettes coupées de cette région peuvent présenter des orientations cristallines différentes sur une seule surface.Ces plaquettes peuvent ne pas convenir à des applications épitaxiennes exigeantes, même si elles semblent optiquement transparentes..
Dislocations et qualité cristalline
Les dislocations sont des défauts de lignes dans le réseau cristallin, dont la densité et la répartition dépendent des conditions de croissance du cristal, du stress thermique et de la méthode de croissance.
Les dislocations peuvent affecter:
résistance mécanique;
la densité de la fosse de gravure;
qualité optique;
préparation de la surface;
Le comportement du film épitaxial.
Les méthodes d'inspection peuvent inclure:
Topographie par rayons X;
une résistance à la corrosion supérieure ou égale à 0,9 MPa;
Mesure de la densité de la fosse de gravure;
une puissance de sortie de l'air supérieure ou égale à 5 W;
Synchrotron ou imagerie par rayons X de laboratoire.
Les fenêtres optiques, les substrats LED et les plaquettes de recherche peuvent avoir des critères d'acceptation différents.
Inspection dimensionnelle de la boule
Avant de calculer le rendement, les dimensions physiques de la boule doivent être mesurées avec précision.
Les dimensions importantes sont les suivantes:
le diamètre maximum et le diamètre minimum;
longueur totale;
longueur utilisable droite;
Pour les appareils de traitement de l'air
Rondeur;
Irrégularités de surface;
l'exclusion de l'extrémité de départ;
l'exclusion de l'arrière-cour;
Profondeur de défaut de bord.
Les grandes dimensions nominales des boules peuvent être trompeuses si une zone extérieure importante doit être enlevée pour atteindre le diamètre du noyau cible.
Une carte de diamètre le long de la longueur de la boule aide à déterminer où un noyau cylindrique de taille réelle peut être extrait.
Cartographie de la boule avant le coring
Une carte de boule pratique combine des informations dimensionnelles, cristallographiques et de défaut.
Chaque défaut peut être enregistré en utilisant:
position axiale;
position radiale;
position de la circonférence;
Type de défaut;
Taille du défaut;
méthode d'inspection
niveau de confiance;
Marge d'exclusion requise.
Cette carte permet aux ingénieurs de choisir l'emplacement du noyau et la direction de coupe qui maximisent le matériau utilisable.
Dans certains cas, le résultat de la valeur la plus élevée n'est pas un seul grand noyau. Une boule avec des défauts localisés peut produire plus de valeur lorsqu'elle est divisée en plusieurs petits noyaux ou composants optiques.
Calcul du rendement théorique des plaquettes
Un simple nombre théorique de plaquettes peut être estimé en utilisant:
Le nombre de fois où les données sont utilisées est le nombre de fois où les données sont utilisées.
où:
Je ne suis pas théorique.est le nombre théorique de tranches;
Je ne sais pas si c'est vrai.est la longueur utilisable du noyau;
Je ne veux pas de toi.est l'épaisseur initiale de la tranche;
Je ne sais pas.est le matériel perdu lors de chaque coupure.
L'épaisseur initiale de la tranche doit inclure suffisamment de:
Le lapage;
Le broyage;
Polissage;
CMP;
Tolérance d'épaisseur finale;
Correction d'arc et de distorsion.
Cette formule ne fournit qu'une estimation de la conception, sans inclure les ruptures, les exclusions des bords, les rejets d'orientation ou les pertes de qualité de surface.
Estimation du rendement utilisable
Une estimation plus réaliste peut être exprimée comme suit:
Le rendement de chaque procédé doit être basé sur les données de production réelles pour la qualité de boule, le diamètre de la gaufre, l'orientation et les spécifications requises.
Perte de coupe, tranches cassées, propagation de fissures
Lappage
Perte d'épaisseur, écaillage, élimination inégale
Polissage
Pôles, rayures, enlèvement excessif de la surface
Inspection finale
TTV, voûte, déformation, orientation ou rejet de surface
Le rendement utilisable doit être mesuré par le nombre de plaquettes répondant au cahier des charges final, et non seulement par le nombre de tranches produites.
Exemple de planification des rendements
Supposons qu'un noyau de saphir ait une longueur utilisable mesurée de 120 mm après exclusion des zones défectueuses et de l'extrémité de semence.
Si l'épaisseur prévue est de 0,75 mm et que la perte de coupe effective est de 0,20 mm, la sortie théorique est:
Il y a une différence entre les deux types de données.
Si le rendement combiné en aval est de 85%, le nombre estimé de plaquettes acceptables devient approximativement:
126 × 0,85≈107126 \ fois 0,85 \ approximativement 107
Ce calcul n'est qu'illustratif: la taille réelle, la capacité de traitement et le rendement en aval dépendent de l'équipement de coupe, du diamètre de la plaque, de l'orientation du cristal et de la spécification finale.
Les méthodes d'inspection et leur rôle
Point de contrôle
Méthode typique
Objectif principal
Orientation cristalline
Diffraction XRD ou Laue
Confirme l'avion et la sortie.
Les bulles
Diffusion de lumière ou de laser transmise
Cartographie des vides internes
Inclusions
Inspection par champ noir ou microscopique
Détecte des matières étrangères
Les fissures
Éclairage directionnel ou inspection par ultrasons
Prévient la rupture en aval
Stress résiduel
Lumière polarisée ou spectroscopie Raman
Identifie les régions à fort stress
Limites des céréales
Topographie par rayons X ou cartographie d'orientation
Confirme la continuité du cristal unique.
Dislocations
Topographie par rayons X ou inspection en creusement
Évalue la qualité du réseau
Les dimensions
Mesure par coordonnées ou optique
Détermine la capacité du noyau et de la gaufre
Dommages à la surface
Méthodes visuelles, microscopiques ou compatibles avec le pénétrant
Identifie les dommages de l'usinage
Aucune technique d'inspection unique ne détecte tous les défauts.
Flux de travail recommandé pour l'inspection de Boule
Étape 1: Examen de la traçabilité
Confirmé:
Partie de croissance;
méthode de croissance;
Partie de matières premières;
Le fonctionnement du four;
Les antécédents de repassage;
orientation vers les semences;
Les dossiers d'inspection antérieurs.
Deuxième étape: nettoyer la boule
Supprimer les contaminations de surface qui peuvent être confondues avec une inclusion ou une fissure interne.
Étape 3: Mesurer la géométrie externe
Enregistrer les défauts de longueur, de diamètre, de cône et de surface visible.
Étape 4: Confirmer l'orientation
Mesurer la direction cristallographique à plusieurs endroits et définir le plan de coupe prévu.
5e étape: vérifier les défauts internes
Utilisez la lumière transmise, l'imagerie de champ noir ou la diffusion laser pour cartographier les bulles et les inclusions.
6e étape: évaluer le stress
Inspecter la boule dans des conditions de lumière polarisée contrôlées et identifier les zones à forte tension.
Étape 7: Vérifiez la continuité des cristaux
Utiliser des méthodes radiographiques lorsque l'application nécessite la vérification des limites des grains, de l'uniformité d'orientation ou de la structure de dislocation.
Étape 8: Créer la carte de coupe
Marquer la position du noyau, les régions exclues, la direction d'orientation et la séquence de coupe.
Étape 9: estimer le rendement
Calculer des tranches théoriques, puis appliquer des facteurs historiques de rendement du processus.
Qu'est-ce qui doit figurer dans le rapport d'inspection du saphir
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