微纳代工 | 光电器件常用基板/衬底（上篇）

衬底和基片在电子和光电子器件制造中起关键作用。衬底提供机械支撑和热稳定性，常用硅、蓝宝石等材料；基片则用于外延生长，要求表面质量和晶体结构一致，常用砷化镓、氮化镓等。两者在材料选择、物理性质、制造工艺和应用场景上有所区别。在半导体、光电子器件及传感器等领域，它们的选择直接影响器件性能。

什么是衬底？

衬底，英文称为Substrate，是指在各种电子和光电子器件制造过程中，用来支撑薄膜、晶体和其他功能材料的基底材料。衬底不仅提供机械支撑，还必须满足器件制备过程中对热稳定性和电学性能的需求。在半导体领域，衬底通常由单晶材料制成，如硅（Si）、蓝宝石（Al₂O₃）、砷化镓（GaAs）等。

衬底材料的选择通常基于其机械强度、热稳定性和电学性质。具体而言：

• 机械强度：衬底需要具备足够的机械强度，以承载后续加工步骤中可能施加的压力和应力。例如，硅衬底因其优良的机械性能而被广泛应用。

• 热稳定性：在高温加工过程中，衬底材料必须保持稳定，不发生物理或化学性质的变化。蓝宝石因其出色的热稳定性常用于高温环境下的应用。

• 电学性质：根据应用需求，衬底材料可能需要具有特定的电学性质，如低电阻率或高绝缘性。玻璃衬底因其良好的绝缘性能常用于显示器制造中。

常见的衬底材料包括：

• 硅（Si）：广泛用于微电子和光电子器件制造。

• 蓝宝石（Al₂O₃）：常用于LED和其他光电子器件。

• 玻璃：多用于显示器和一些传感器应用。

衬底的制造工艺

衬底的制造工艺直接影响其质量和成本。常见的制造方法包括：

• 拉晶法（Czochralski法）：通过旋转和提升单晶种子在熔融的原材料中生长单晶。该方法广泛用于生产高质量的硅晶圆。

• 区熔法（Float-zone法）：利用加热区熔的方法，从多晶材料中提取单晶材料。这种方法可以生产高纯度的硅，但成本较高，适用于高端应用。

衬底在半导体器件中的作用

在半导体器件制造中，衬底扮演了几个关键角色：

• 支撑作用：为薄膜和其他活性层提供机械支撑。

• 散热作用：通过有效的热导率，帮助器件散热，维持稳定的工作温度。

• 电流通道的形成：在某些应用中，衬底材料本身也可以参与导电，如在功率半导体器件中。