CN101055908A - 一种蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制作方法，特别涉及一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的切割分离方法。本发明的重点在于利用外延层与蓝宝石衬底的晶格失配产生的应力场来控制切割劈裂方向；方法是通过干法刻蚀部分外延层，导致在沿表面方向应力场的变化，有效控制劈裂方向。此方法将提高发光二极管芯片在切割分离过程中的成品率。同时可以在维持成品率的基础上，减小切割道的尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的切割分离方法。
背景技术
发光二极管(LED)是一种将电能转化为光能的固体发光器件，由于其具有寿命长，体积小，耐震性好，节电，高效，响应时间快，驱动电压低，环保等优点，而广泛用于指示，显示，装饰，照明等诸多领域，成为我们生活中必不可少的一部分。用于上述领域的发光二极管的核心技术是芯片制造技术。本发明涉及发光二极管芯片的制造技术，特别涉及生长在蓝宝石衬底上的氮化镓发光二极管芯片的切割分离方法。
原有的在蓝宝石衬底上的发光二极管的制作方法为：在蓝宝石衬底(1)上外延生长发光二极管结构(1，2)。用干法刻蚀的方法(如ICP或RIE)将需要切割区域(切割道)和N电极区域的表层铝镓铟氮材料腐蚀掉。制作二极管的N电极和P电极(4)。然后在切割道中央的背面用激光或钻石刀划片(5)。再用机械方法沿切割道正面中央压开。蓝宝石为六角晶系，对于通常的方形芯片，其芯片分离面不都是易裂面。为了保证较好的芯片切割分离质量，对于通常钻石刀切割时，切割道设计为大于40微米。对于芯片厚度约90微米，激光切割深度小于25微米时，切割道设计应大于30微米。即使在以上切割环境下，沿划片方向斜裂或崩边现象时有发生。为了改善切割质量，有人用干法刻蚀的方法在切割道中间腐蚀出一个到蓝宝石衬底的沟槽以利于切割裂片。但此方法将显著增加芯片制造成本和工艺复杂程度。也有人采用正反两面两次切割的方法，这样延长了切割时间，增加切割成本。
减少切割道尺寸最具有重要价值。在保持每片外延片的芯片产出率(芯片外观尺寸不变)的情况下，切割道尺寸小，意味着芯片发光面积大。在相同的工作电流下，较大的芯片发光面积可以提高芯片的出光量，降低芯片工作电压和工作电流密度，降低芯片热量生成率，提高芯片的可靠性。
本发明中的发明内容，在各期刊和专利文献中，目前尚未见报道。
本发明的目的在于提供一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片设计方法，此方法将提高发光二极管芯片在切割分离过程中的成品率。同时可以在维持成品率的基础上，减小切割道的尺寸。
通常制作蓝宝石衬底的发光二极管管芯的制造方法，包括以下步骤：
(1)由蓝宝石做衬底，生长GaN外延层；在外延层上光刻形成二极管管芯图形，用干法刻蚀方法(ICP或RIE)，对GaN外延层进行刻蚀，形成P、N型独立结构；
(2)依次进行光刻、金属镀膜(电子束蒸发、溅射或热蒸发)、剥离，制作N电极和P电极；
(3)再进行退火，形成欧姆接触；
(4)对外延片蓝宝石一侧进行研磨，并沿所设计的切割道在蓝宝石一侧进行划片处理；
(5)再将步骤(4)得到的片子在裂片机上进行裂片分离，形成独立的发光二极管管芯；
本发明的重点在于利用外延层与蓝宝石衬底的晶格失配产生的应力场来控制切割劈裂方向。方法是通过干法刻蚀部分外延层，导致在沿表面方向应力场的变化，有效控制劈裂方向。
本发明可以通过两种方法实现：第一种方法是在外延片上相邻芯片之间通过干法刻蚀产生切割通道，在该通道上面部分通过掩膜保护，在刻蚀产生的切割通道的同时，在其中间增加一条非常窄的裂片辅助平台，由于这条平台的存在，使切割通道内的应力分布产生变化，使裂纹裂开方向贴近于切割辅助平台。采用以上方法进行切割裂片，会使裂片走向更加可控，在缩减切割通道宽度的情况下，提高切割成品率。第二种方法是在步骤(4)划片的过程中，在蓝宝石一侧用激光或钻石刀沿切割通道中间进行划片，再在晶片正面切割通道中间位置用裂片刀劈裂，这种方法是将蓝宝石一侧的划片线控制在正对与外延层表面应力场变化线附近。
对于氮化物发光二极管芯片的制作方法，本发明采取如下步骤来实现：
(1)在发光平台光刻步骤，采用特殊设计的光刻版，在形成发光平台图形的同时，在相邻芯片之间形成需要的本发明的切割道图形。
(2)采用干法蚀刻，对晶片进行刻蚀，在形成P型和N型GaN独立结构的同时，在芯片之间的切割通道上也形成了本发明的切割道图形。
(3)分别在P+层和N+层GaN外延层上制备欧姆接触电极(4)。
(4)从蓝宝石一侧(1)对外延片研磨后，在蓝宝石一侧用激光或钻石刀对晶片进行划片(5)。
(5)将经过步骤(4)的片子，在裂片机上进行裂片，形成独立的发光二极管管芯。
步骤(1)所述，是采用光刻胶作蚀刻掩膜，但也可以采用SiO2、Si3Nx、Ni、Cr等材料。本发明的第一种方法是在切割道中间增加一个切割辅助平台，平台顶的宽度为3～15(μm)，切割平台顶宽度＜切割道宽度＜80μm。
步骤(2)所述的方法，包括RIE、ICP等众所周知的等离子刻蚀的方法，形成发光平台和裂片辅助平台(7)。蚀刻深度为0.4-1.2μm；P型GaN层厚度0.4-0.9μm＜刻蚀深度＜1.2μm，所述的外延层厚度3-6μm。
步骤(3)所述的欧姆接触电极制备包括两种：在P型GaN上生长的是P型欧姆接触电极；在N型GaN上生长的是N型欧姆接触电极。电极生成方法通常采用电子束蒸发或者溅射方法，也可以采用热蒸发方法。厚度可以是50～5000。欧姆接触电极的组分可以是一种或者多种金属或者化合物，比如：Ni/Au、ITO(indium tin oxide)、ZnO、Ti/Al。在欧姆接触电极材料制备过程中或者制备完成后可以进行250～1000℃的退火处理，退火时可以是含氧环境或者氮气环境。
步骤(4)所述，是在晶片蓝宝石一侧的背面划片。所用机器是激光切割机，但也可以采用钻石切割机。本发明的第二种方法为将划片线置于与正面刻蚀平台边缘(应力场最大变化线)接近正对的位置。划片线与正面刻蚀平台边缘平行且垂直距离小于7微米(W1)。
步骤(5)所述，采用裂片机在外延层一侧正面劈裂。劈裂刀峰与背面划片线的垂直距离小于7微米。
附图说明
图1常规切割道裂片时裂纹的走向1。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向。
图2常规切割道裂片时裂纹的走向2。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向。
图3常规切割道裂片时裂纹的走向3。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向。
图4采用特殊切割道后裂片时裂纹的走向1。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向。7为切割辅助平台。
图5采用特殊切割道后裂片时裂纹的走向2。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向；7为切割辅助平台；8为劈刀。
图6划线位置与裂纹走向示意图(切割道不大于14微米)
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向；W1切割划痕与平台的宽度，W为切割道宽度。
图4.划线位置与裂纹走向示意图(切割道大于14微米)。
1为蓝宝石衬底；2为N型氮化镓；3为P型氮化镓；4为P型电极；5为切割划痕；6为裂纹走向；W1切割划痕与平台的距离；W为切割道宽度。
具体实施方式
为了对本发明的实施进行说明，以下结合附图，以氮化物发光二极管为例，阐述本特殊结构的实施过程。
实施例1：
在外延片上采用光刻、干法刻蚀(如ICP或RIE)等方法，将需要切割区域(切割道)和N电极区域的表层铝镓铟氮材料腐蚀掉，同时，由于采用特殊设计的光刻版，切割通道上面有部分区域也被掩膜保护起来，没有被刻蚀掉，形成切割辅助台(7)，平台顶宽度为3-15微米(如实施例附图7)。采用光刻、湿法腐蚀、光刻、剥离，电子束蒸发、溅射方法或热蒸发方法等方法制作二极管的N电极和P电极(4)，并进行适当退火，以形成良好欧姆接触。然后将制作好电极的样品从背面(蓝宝石一侧)用研磨的方法将其减薄到70-150微米，并对减薄后的衬底进行抛光，以保证平整度。然后在背面沿所设计的切割道中间用激光或钻石刀划片(5)，采用裂片机在外延层一侧正面劈裂，裂片劈刀刃宽度小于辅助裂片台顶的宽度，使刀刃能砸在裂片辅助平台(7)上，裂纹劈裂方向(6)如实施例附图1所示。采用这种方法裂片后分割效果好，产品的成品率能够提高，芯片排列整齐。
实施例2：
在外延片上采用光刻、干法刻蚀(如ICP或RIE)等方法，将需要切割区域(切割道)和N电极区域的表层铝镓铟氮材料腐蚀掉，同时，由于采用特殊设计的光刻版，切割通道上面有部分区域也被掩膜保护起来，没有被刻蚀掉，形成切割辅助台(7)，平台顶宽度为3-15微米。采用光刻、湿法腐蚀、光刻、剥离，电子束蒸发、溅射方法或热蒸发方法等方法制作二极管的N电极和P电极(4)，并进行适当退火，以形成良好欧姆接触。然后将制作好电极的样品从背面(1)用研磨的方法将其进行减薄到70-150微米，并对减薄后的衬底进行抛光，以保证平整度。然后在背面(蓝宝石一侧)沿所设计的切割道中间用激光或钻石刀划片(5)，采用裂片机在外延层一侧正面劈裂，裂片劈刀采用平顶刀头，裂片劈刀(8)刃顶宽度大于辅助裂片台(7)顶的宽度，但是小于切割道的宽度，使刀刃能更准确的砸在裂片辅助平台上，裂纹劈裂走向(6)如实施例附图2所示。采用此方法裂片后分割效果更好，产品的成品率能够提高，芯片排列整齐。与实施例1相比，实施例2即使裂片刀与平台位置偏差不大时，仍能保证裂片压力线落在裂片平台上，这样能够提高裂片质量。
实施例3：
当衬底上芯片之间的切割道的实际宽度W(如实施例附图3所示)不大于14微米时，在外延片上采用光刻、干法刻蚀(如ICP或RIE)等方法，将需要切割区域(切割道)和N电极区域的表层铝镓铟氮材料腐蚀掉，采用光刻、湿法腐蚀、光刻、剥离，电子束蒸发、溅射方法或热蒸发方法等方法制作二极管的N电极和P电极(4)，并进行适当退火，以形成良好欧姆接触。然后将制作好电极的样品从背面用研磨的方法将其进行减薄到70-150微米，并对减薄后的衬底进行抛光，以保证平整度。然后在背面(蓝宝石一侧)沿所设计的切割道用激光或钻石刀划片(5)，由于切割道宽度W不大于14微米，因此只要控制划片线正对外延层表面刻蚀台边缘附近，与两刻蚀台边缘平行，则与两个刻蚀平台之间的垂直距离W1必然有一个会小于或等于7微米(如实施例附图3所示)，裂纹走向(6)如实施例图3所示。这使应力发挥作用，稳定的控制了裂纹走向，芯片分割效果很好，产品的成品率能够提高，芯片排列更整齐。
实施例4：
当衬底上芯片之间的切割道的宽度W大于14微米时，例如40微米时，在外延片上采用光刻、干法刻蚀(如ICP或RIE)等方法，将需要切割区域(切割道)和N电极区域的表层铝镓铟氮材料腐蚀掉，采用光刻、湿法腐蚀、光刻、剥离，电子束蒸发、溅射方法或热蒸发方法等方法制作二极管的N电极和P电极(4)，并进行适当退火，以形成良好欧姆接触。然后将制作好电极的样品从背面(1)用研磨的方法将其进行减薄到70-150微米，并对减薄后的衬底进行抛光，以保证平整度。然后在背面(蓝宝石一侧)沿切割道用激光或钻石刀划片(5)，但划片线控制在正对外延层表面刻蚀台边缘附近，与刻蚀台边缘平行，且他们之间的垂直距离W1小于7微米，如实施例附图4所示。在W1的距离小于等于7微的范围内，由于应力的存在，裂纹走向非常稳定，芯片分割效果良好，产品的成品率能够提高，芯片排列更整齐。
经过一系列的实验验证，我们认为，通过增加切割通道上面切割辅助平台，在裂片时会使晶片切割通道附近的应力场发生变化，使裂纹走向随辅助平台的边缘延伸，减小裂纹延伸到芯片表面的几率。另外，控制蓝宝石面划片线(如实施例附图3、4中箭头6所示)正对外延层表面刻蚀台边缘附近，与刻蚀台边缘平行，并使他们之间的垂直距离小于7微米，也能够使裂纹走向更加可控和稳定，使芯片分割效果好，从而提高了切割的成品率。
Claims (4)
1、一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制造方法，包括以下步骤：
(1)由蓝宝石做衬底，生长GaN外延层；在外延层上光刻形成二极管管芯图形，用干法刻蚀方法(ICP或RIE)，对GaN外延层进行刻蚀，形成P、N型独立结构；
(2)依次进行光刻、金属镀膜(电子束蒸发、溅射或热蒸发)、剥离，制作N电极和P电极；
(3)再进行退火，形成欧姆接触；
(4)对外延片蓝宝石一侧进行研磨，并沿所设计的切割道在蓝宝石一侧进行划片处理；
(5)再将步骤(4)得到的片子在裂片机上进行裂片分离，形成独立的发光二极管芯片；
其特征是在步骤(1)过程中，在外延片上相邻芯片之间通过干法蚀刻产生切割通道，在该通道上面部分通过掩膜保护，在刻蚀产生切割通道的同时，形成切割辅助平台；切割辅助平台顶宽度＜切割道宽度＜80μm；
所述切割辅助平台顶宽度为3-15μm；
所述蚀刻深度为0.4-1.2μm；P型GaN层厚度0.4-0.9μm＜刻蚀深度；
所述芯片的厚度为70-150μm。
2、根据权利要求1所述的一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述步骤(4)和(5)过程中，在蓝宝石一侧用激光或钻石刀沿切割通道中间进行划片，再在晶片正面切割通道中间位置用裂片刀劈裂。
3、根据权利要求1所述的一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于所述的外延层厚度3.0-6μm；
4、一种在蓝宝石衬底上的发光二极管芯片的制造方法，其特征在于权利要求1所述的步骤(4)中的划片过程，在蓝宝石一侧的划片道与外延层表面刻蚀台边缘平行，它们之间的垂直距离小于7μm。
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