Płytka szafirowa dziedziczy wiele swoich najważniejszych cech jeszcze przed rozpoczęciem cięcia, szlifowania lub polerowania. Orientacja kryształu, wewnętrzne pęcherzyki, wtrącenia, granice ziaren o małym kącie, pęknięcia i naprężenia szczątkowe istnieją już wewnątrz wlewka szafirowego i mogą decydować o tym, czy dalsze przetwarzanie pozwoli uzyskać płytki klasy premium, czy nadmierną ilość odpadów.Inspekcja wlewka przed rdzeniowaniem i cięciem pomaga producentom unikać przetwarzania wadliwych regionów, wybierać właściwy kierunek cięcia i szacować rzeczywistą liczbę użytecznych płytek.

Niniejszy artykuł wyjaśnia główne elementy inspekcji wlewka szafirowego, powszechne metody inspekcji oraz związek między jakością wlewka a końcową wydajnością płytek.

Dlaczego badać szafir przed przetwarzaniem płytek?

Syntetyczny szafir to monokryształ tlenku glinu, Al₂O₃. Łączy w sobie wysoką twardość, odporność chemiczną, stabilność termiczną i transmisję optyczną, co czyni go odpowiednim do:

Podłoża epitaksjalne dla LED;

• Przetwarzanie półprzewodników;
• Okna optyczne;
• Elementy zegarków;
• Systemy laserowe;
• Ochrona czujników;
• Zastosowania SOS i RF;
• Elementy obserwacyjne w wysokich temperaturach.
• Wzrost dużego kryształu szafiru nie gwarantuje, że cały wlewek można przekształcić w użyteczne płytki. Różne regiony mogą zawierać różne poziomy naprężeń, pęcherzyków, wtrąceń, dyslokacji lub odchyleń orientacji.

Badania dużych wlepków szafirowych wykazały, że pęcherzyki, wtrącenia i dwójłomność naprężeniowa mogą koncentrować się w regionach obwodowych, a nie być rozłożone równomiernie w całym krysztale. To sprawia, że przestrzenna inspekcja i mapowanie defektów są bardziej użyteczne niż pojedynczy wynik pozytywny/negatywny. Badanie wzrostu dużych wlepków szafirowych i rozkładu defektów

Inspekcja przed przetworzeniem pozwala producentom na:

Potwierdzenie kierunku krystalograficznego;

• Wybór najlepszego miejsca rdzeniowania;
• Wykluczenie wadliwych regionów brzegowych;
• Wykrycie pęknięć przed cięciem mechanicznym;
• Identyfikację skupisk pęcherzyków i wtrąceń;
• Ocenę naprężeń szczątkowych;
• Oszacowanie objętości użytecznego wlewka;
• Poprawę wydajności cięcia i polerowania;
• Dopasowanie różnych regionów wlewka do różnych klas produktów.
• Od wlewka szafirowego do gotowej płytki

Uproszczony przepływ produkcji płytek szafirowych obejmuje:

Wzrost kryształu szafiru;

1. Chłodzenie i wyżarzanie wlewka;
2. Czyszczenie powierzchni zewnętrznej;
3. Inspekcja wizualna i optyczna;
4. Pomiar orientacji kryształu;
5. Mapowanie defektów i naprężeń;
6. Rdzeniowanie lub szlifowanie średnicy;
7. Oznaczanie punktu końcowego i orientacji;
8. Cięcie;
9. Szlifowanie krawędzi;
10. Docieranie;
11. Szlifowanie;
12. Polerowanie i CMP;
13. Końcowa inspekcja płytek.
14. Decyzje podjęte podczas inspekcji wlewka wpływają na prawie każdy późniejszy etap. Jeśli oś rdzeniowania jest nieprawidłowa, wszystkie płytki wycięte z rdzenia mogą mieć niedopuszczalny błąd orientacji. Jeśli wewnętrzne pęknięcie zostanie przeoczone, może się ono rozprzestrzenić podczas cięcia i zniszczyć wiele płytek.

Potwierdzenie orientacji kryształu

Orientacja kryształu jest jednym z pierwszych parametrów, które należy potwierdzić przed rdzeniowaniem lub cięciem.

Szafir ma trygonalną strukturę krystaliczną i jest anizotropowy. Jego właściwości mechaniczne, optyczne i przetwórcze różnią się w zależności od kierunku krystalograficznego. Płaszczyzna cięcia wpływa na:

Wzrost warstwy epitaksjalnej;

• Powierzchniową strukturę atomową;
• Szybkość szlifowania i polerowania;
• Zachowanie podczas łupania i pękania;
• Dwójłomność optyczną;
• Rozszerzalność cieplną;
• Wytrzymałość płytki;
• Końcową wydajność urządzenia.
• Typowe orientacje płytek szafirowych

Orientacja

Metody inspekcji orientacji

Orientacja kryształu jest zazwyczaj mierzona za pomocą technik opartych na promieniowaniu rentgenowskim.

Typowe metody obejmują:

Dyfrakcja rentgenowska;

• Dyfrakcja Laue z odbicia wstecznego;
• Goniometria rentgenowska;
• Mapowanie orientacji w kilku pozycjach wlewka.
• Pojedynczy pomiar orientacji może być niewystarczający dla dużego wlewka. Pomiary na końcu nasiennym, środkowym i końcowym mogą pomóc zidentyfikować dryft orientacji lub regiony dotknięte granicami o małym kącie.

Tolerancja orientacji

Dopuszczalna tolerancja orientacji zależy od końcowego zastosowania. Podłoże epitaksjalne może wymagać znacznie dokładniejszej kontroli niż ogólny element optyczny.

Raport z inspekcji powinien rozróżniać między:

Nominalna płaszczyzna kryształu;

• Rzeczywista zmierzona płaszczyzna;
• Kąt odchylenia;
• Kierunek odchylenia;
• Niepewność pomiaru;
• Zmienność orientacji w całym wlewku.
• Kąt odchylenia i kierunek odchylenia nie powinny być łączone w jedną niejednoznaczną wartość. Dwie płytki o tym samym odchyleniu mogą zachowywać się inaczej, jeśli kierunek nachylenia jest inny.

Defekty pęcherzykowe w wlepkach szafirowych

Pęcherzyki to wewnętrzne defekty przypominające puste przestrzenie, które mogą powstawać podczas wzrostu kryształu szafiru. Mogą zawierać uwięziony gaz lub występować jako przezroczyste, odbijające światło lub rozpraszające światło punkty wewnątrz kryształu.

Badania produkcji szafiru identyfikują wtrącenia pęcherzykowe, dyslokacje i granice ziaren o małym kącie jako ważne defekty kryształu masowego. Ich powstawanie jest ściśle związane z warunkami topnienia oraz kształtem i stabilnością interfejsu topnienia-kryształu. Przegląd interfejsu topnienia-kryształu w produkcji szafiru

Dlaczego powstają pęcherzyki

Powstawanie pęcherzyków może być spowodowane przez:

Gaz uwięziony w stopie;

• Zanieczyszczenie surowców;
• Zanieczyszczenie tygla;
• Szybkość wzrostu kryształu;
• Fluktuacje temperatury;
• Konwekcja stopu;
• Kształt interfejsu;
• Stan tygla;
• Lokalna niestabilność podczas krzepnięcia.
• Dokładny mechanizm zależy od metody wzrostu kryształu i warunków pieca.

Dlaczego pęcherzyki są ważne

Pęcherzyk może wpływać zarówno na płytki optyczne, jak i półprzewodnikowe.

Możliwe konsekwencje obejmują:

Rozpraszanie światła;

• Zmniejszona transmisja optyczna;
• Lokalna koncentracja naprężeń;
• Pękanie podczas cięcia;
• Powierzchniowe wżery po szlifowaniu lub polerowaniu;
• Odrzucenie podczas automatycznej inspekcji optycznej;
• Zmniejszona aperturę.
• Epitaksjalne defekty, jeśli pęcherzyk przecina powierzchnię płytki.
• Głęboko ukryty pęcherzyk może wydawać się niegroźny we wlewku, ale stać się otworem powierzchniowym po przecięciu wlewka.

Metody inspekcji pęcherzyków

W zależności od wielkości wlewka i warunków optycznych, inspekcja pęcherzyków może wykorzystywać:

Oświetlenie w jasnym polu;

• Oświetlenie w ciemnym polu;
• Skollimowane światło przechodzące;
• Rozpraszanie laserowe;
• Oświetlenie boczne;
• Mikroskopia optyczna;
• Obrazowanie rentgenowskie synchrotronowe lub laboratoryjne.
• Defekty powinny być rejestrowane według pozycji, rozmiaru i gęstości. Proste stwierdzenie typu „brak widocznych pęcherzyków” jest trudne do zweryfikowania, chyba że zdefiniowano warunki oświetlenia i próg detekcji.

Wtrącenia i materiały obce

Wtrącenia to stałe fazy obce lub regiony o składzie różnym od otaczającego kryształu szafiru.

Potencjalne źródła obejmują:

Zanieczyszczenie surowców;

• Zanieczyszczenie tygla;
• Cząstki ogniotrwałe;
• Nieroztopiony tlenek glinu;
• Degradacja elementów pieca;
• Lokalne segregacje chemiczne.
• Wtrącenia mogą wyglądać jak ciemne punkty, odbijające cząstki, mętne regiony lub centra rozpraszające.

Nawet małe wtrącenia mogą stać się źródłem awarii podczas cięcia i polerowania, ponieważ szafir jest twardy, ale kruchy. Lokalne różnice w rozszerzalności cieplnej lub właściwościach mechanicznych tworzą naprężenia wokół wtrącenia.

W przypadku szafiru optycznego wtrącenia zmniejszają transmisję i jakość apertury. W przypadku podłoży półprzewodnikowych mogą powodować defekty powierzchniowe, zanieczyszczenia lub lokalne anomalie epitaksjalne.

Pęknięcia i uszkodzenia podpowierzchniowe

Wlewki szafirowe mogą rozwijać pęknięcia podczas wzrostu, chłodzenia, wyżarzania, transportu lub wstępnej obróbki mechanicznej.

Typowe rodzaje pęknięć

Pęknięcia powierzchniowe;

• Pęknięcia radialne;
• Pęknięcia osiowe;
• Pęknięcia krawędziowe;
• Pęknięcia wewnętrzne;
• Pęknięcia termoshockowe;
• Pęknięcia podpowierzchniowe spowodowane szlifowaniem.
• Niektóre pęknięcia są łatwo widoczne, podczas gdy inne można wykryć tylko pod kierunkowym oświetleniem lub za pomocą badań nieniszczących.

Dlaczego małe pęknięcia są niebezpieczne

Małe pęknięcie w pobliżu krawędzi wlewka może się rozprzestrzenić podczas:

Rdzeniowania;

• Szlifowania średnicy;
• Cięcia drutem;
• Czyszczenia ultradźwiękowego;
• Docierania;
• Szlifowanie;
• Jeśli pęknięcie dotrze do planowanego regionu rdzenia, otaczająca objętość powinna zostać wykluczona lub przypisana do produktu o niższych wymaganiach.

Cięcie przez pęknięcie bez wcześniejszego mapowania może uszkodzić drut tnący, spowodować pęknięcie płytki i zanieczyścić sprzęt przetwórczy fragmentami.

Naprężenia szczątkowe i dwójłomność naprężeniowa

Naprężenia szczątkowe to kolejny krytyczny parametr jakości wlewka. Rozwijają się one, gdy różne regiony kryształu chłodzą się lub krzepną w różnych warunkach termicznych.

Naprężenia mogą wynikać z:

Dużych gradientów termicznych;

• Niejednorodnego chłodzenia;
• Nieregularnych interfejsów topnienia-kryształu;
• Zmian średnicy kryształu;
• Niestabilności szybkości wzrostu;
• Ograniczeń nasienia;
• Defektów i wtrąceń;
• Niewystarczającego wyżarzania.
• Skutki naprężeń szczątkowych

Naprężenia szczątkowe mogą powodować:

Pękanie podczas rdzeniowania lub cięcia;

• Wybrzuszenie i wypaczenie płytki;
• Niejednorodność grubości po docieraniu;
• Nierównomierne polerowanie;
• Wykruszanie krawędzi;
• Lokalną dwójłomność optyczną;
• Niestabilność wymiarową podczas ogrzewania;
• Zmniejszoną wytrzymałość mechaniczną.
• Końcowy proces produkcji płytek może wprowadzić dodatkowe naprężenia i wybrzuszenia. Badania wykazały, że nieregularne ścieranie podczas wczesnego przetwarzania płytek szafirowych może wpływać na mechanicznie powstające wybrzuszenia płytek. Naprężenia wlewka i naprężenia indukowane przez proces należy zatem traktować jako oddzielne, ale oddziałujące na siebie czynniki. Badanie powstawania wybrzuszeń podczas przetwarzania płytek szafirowych

Inspekcja światłem spolaryzowanym

Szafir jest anizotropowy optycznie, dlatego ocena naprężeń wymaga konfiguracji inspekcyjnej odpowiedniej dla wybranego kierunku krystalograficznego.

Polaryskop lub układ z krzyżującymi się polaryzatorami może ujawnić wzory optyczne związane z naprężeniami. Obszary z nietypowym kolorem, koncentracją prążków lub zniekształconymi wzorami mogą wskazywać na gradienty naprężeń szczątkowych.

System inspekcyjny powinien definiować:

Długość fali światła;

• Orientację polaryzatora;
• Orientację wlewka;
• Długość ścieżki optycznej;
• Geometrię obrazowania;
• Standard akceptacji.
• Jakościowa inspekcja światłem spolaryzowanym jest użyteczna do przesiewania, ale ilościowa ocena naprężeń może wymagać skalibrowanych pomiarów fotoelastycznych, spektroskopii Ramana lub innych specjalistycznych technik.

Granice ziaren o małym kącie

Wlewek przeznaczony do bycia monokryształem może zawierać sąsiednie regiony o niewielkim zniekształceniu krystalograficznym. Te interfejsy są często nazywane granicami ziaren o małym kącie.

Mogą być trudne do zidentyfikowania podczas zwykłej inspekcji wizualnej, ale mogą wpływać na:

Jednorodność orientacji;

• Wytrzymałość mechaniczną;
• Gęstość dołków trawienia;
• Zachowanie podczas polerowania;
• Jednorodność epitaksjalną;
• Wydajność urządzenia.
• Topografia rentgenowska, mapowanie orientacji lub metody trawienia mogą pomóc w wykryciu tych granic.

Jeśli granica ziaren o małym kącie przecina planowany rdzeń, płytki wycięte z tego regionu mogą wykazywać różne orientacje kryształu na jednej powierzchni. Takie płytki mogą być nieodpowiednie do wymagających zastosowań epitaksjalnych, nawet jeśli wydają się optycznie czyste.

Dyslokacje i jakość kryształu

Dyslokacje to defekty liniowe w sieci krystalicznej. Ich gęstość i rozkład zależą od warunków wzrostu kryształu, naprężeń termicznych i metody wzrostu.

Dyslokacje mogą wpływać na:

Wytrzymałość mechaniczną;

• Gęstość dołków trawienia;
• Jakość optyczną;
• Przygotowanie powierzchni;
• Zachowanie warstwy epitaksjalnej.
• Metody inspekcji mogą obejmować:

Topografia rentgenowska;

• Selektywne trawienie chemiczne;
• Pomiar gęstości dołków trawienia;
• Mikroskopia optyczna;
• Obrazowanie rentgenowskie synchrotronowe lub laboratoryjne.
• Nie każde zastosowanie wymaga tego samego limitu gęstości dyslokacji. Okna optyczne, podłoża LED i płytki badawcze mogą mieć różne kryteria akceptacji.

Inspekcja wymiarowa wlewka

Przed obliczeniem wydajności należy dokładnie zmierzyć fizyczne wymiary wlewka.

Ważne wymiary obejmują:

Maksymalna i minimalna średnica;

• Całkowita długość;
• Prosta użyteczna długość;
• Stożkowatość;
• Okrągłość;
• Nieregularności powierzchni;
• Wykluczenie końca nasiennego;
• Wykluczenie końca ogonowego;
• Głębokość defektów krawędziowych.
• Duże nominalne wymiary wlewka mogą być mylące, jeśli znaczna strefa zewnętrzna musi zostać usunięta, aby osiągnąć docelową średnicę rdzenia.

Mapa średnicy wzdłuż długości wlewka pomaga określić, gdzie można wydobyć pełnowymiarowy cylindryczny rdzeń.

Mapowanie wlewka przed rdzeniowaniem

Praktyczna mapa wlewka łączy informacje wymiarowe, krystalograficzne i dotyczące defektów.

Każdy defekt można zarejestrować za pomocą:

Pozycji osiowej;

• Pozycji promieniowej;
• Pozycji obwodowej;
• Typu defektu;
• Rozmiaru defektu;
• Metody inspekcji;
• Poziomu pewności;
• Wymaganego marginesu wykluczenia.
• Ta mapa pozwala inżynierom wybrać lokalizację rdzenia i kierunek cięcia, które maksymalizują użyteczny materiał.

W niektórych przypadkach najbardziej wartościowym wynikiem nie jest jeden duży rdzeń. Wlewek z lokalnymi defektami może przynieść większą wartość, gdy zostanie podzielony na kilka mniejszych rdzeni lub elementów optycznych.

Obliczanie teoretycznej wydajności płytek

Prostą teoretyczną liczbę płytek można oszacować za pomocą:

Nteoretyczna=LużytecznaTcięcia+KprzecięciaN_\text{teoretyczna}= \frac{L_\text{użyteczna}} {T_\text{cięcia}+K_\text{przecięcia}}

gdzie:

NteoretycznaN_\text{teoretyczna}

• to teoretyczna liczba plasterków;LużytecznaL_\text{użyteczna}
• to użyteczna długość rdzenia;TcięciaT_\text{cięcia}
• to początkowa grubość plasterka;KprzecięciaK_\text{przecięcia}
• to materiał tracony podczas każdego cięcia.Początkowa grubość plasterka musi zawierać wystarczający zapas na:

Docieranie;

• Szlifowanie;
• Polerowanie;
• CMP;
• Tolerancję końcowej grubości;
• Korektę wybrzuszenia i wypaczenia.
• Ten wzór stanowi jedynie szacunek planistyczny. Nie obejmuje on pęknięć, wykluczenia krawędzi, odrzucenia z powodu orientacji ani strat jakości powierzchni.

Szacowanie użytecznej wydajności

Bardziej realistyczny szacunek można wyrazić jako:

Yużyteczna=Yrdzeń×Yplasterek×Ydocieranie×Ypolerowanie×Ykońcowa inspekcjaY_\text{użyteczna}= Y_\text{rdzeń} \times Y_\text{plasterek} \times Y_\text{docieranie} \times Y_\text{polerowanie} \times Y_\text{końcowa inspekcja}

Każda wydajność procesu powinna opierać się na rzeczywistych danych produkcyjnych dla klasy wlewka, średnicy płytki, orientacji i wymaganej specyfikacji.

Główne przyczyny utraty wydajności

Etap przetwarzania

Przykład planowania wydajności

Załóżmy, że rdzeń szafirowy ma zmierzoną użyteczną długość 120 mm po wykluczeniu końca nasiennego, końca ogonowego i wadliwych regionów.

Jeśli planowana grubość po cięciu wynosi 0,75 mm, a efektywna strata materiału na przecięcie wynosi 0,20 mm, teoretyczna wydajność wynosi:

Nteoretyczna=1200,75+0,20≈126N_\text{teoretyczna}= \frac{120}{0,75+0,20} \approx126

Jeśli łączna wydajność dalszych etapów wynosi 85%, szacowana liczba akceptowalnych płytek wynosi około:

126×0,85≈107126\times0,85\approx107

Jest to jedynie przykładowe obliczenie. Rzeczywista strata materiału na przecięcie, zapas na obróbkę i wydajność dalszych etapów zależą od sprzętu tnącego, średnicy płytki, orientacji kryształu i końcowej specyfikacji.

Metody inspekcji i ich role

Element inspekcji

Zalecany przepływ pracy inspekcji wlewka szafirowego

Krok 1: Przegląd identyfikowalności

Potwierdź:

Partia wzrostu;

• Metoda wzrostu;
• Nominalna orientacja kryształu;
• Uruchomienie pieca;
• Historia wyżarzania;
• Orientacja nasienia;
• Poprzednie zapisy z inspekcji.
• Krok 2: Wyczyść wlewek

Usuń zanieczyszczenia powierzchniowe, które mogą być pomylone z wewnętrznym wtrąceniem lub pęknięciem.

Krok 3: Zmierz geometrię zewnętrzną

Zarejestruj długość, średnicę, stożkowatość i widoczne defekty powierzchniowe.

Krok 4: Potwierdź orientację

Zmierz kierunek krystalograficzny w wielu lokalizacjach i zdefiniuj zamierzoną płaszczyznę cięcia.

Krok 5: Inspekcja defektów wewnętrznych

Użyj światła przechodzącego, obrazowania w ciemnym polu lub rozpraszania laserowego do mapowania pęcherzyków i wtrąceń.

Krok 6: Oceń naprężenia

Inspekcjonuj wlewek w kontrolowanych warunkach światła spolaryzowanego i zidentyfikuj regiony o wysokich naprężeniach.

Krok 7: Sprawdź ciągłość kryształu

Użyj metod rentgenowskich, gdy zastosowanie wymaga weryfikacji granic ziaren, jednorodności orientacji lub struktury dyslokacji.

Krok 8: Utwórz mapę cięcia

Zaznacz pozycję rdzenia, wykluczone regiony, kierunek orientacji i sekwencję cięcia.

Krok 9: Oszacuj wydajność

Oblicz teoretyczne plasterki, a następnie zastosuj historyczne czynniki wydajności procesu.

Co uwzględnić w raporcie z inspekcji wlewka szafirowego

Kompletny raport powinien zawierać:

Numer identyfikacyjny wlewka;

• Metoda wzrostu;
• Nominalna orientacja kryształu;
• Zmierzona orientacja i tolerancja;
• Wymiary wlewka;
• Mapa pęcherzyków i wtrąceń;
• Mapa pęknięć;
• Obrazy z inspekcji naprężeń;
• Wyniki dotyczące granic ziaren;
• Układ rdzenia;