CN102104091A

CN102104091A - 基于硬质衬底的led芯片的分离方法

Info

Publication number: CN102104091A
Application number: CN 201010575848
Authority: CN
Inventors: 梁秉文
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2010-12-03
Filing date: 2010-12-03
Publication date: 2011-06-22

Abstract

本发明涉及一种基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，该方法为：在预留生长或已经长好LED外延结构的衬底背面用干法刻蚀形成沟槽替代传统的机械或激光划痕，且沟槽与预定或已经形成于衬底正面的芯片图形之间的预定分割位置相应。本发明可一次完成对以透明或不透明硬质材料作为衬底的LED外延芯片的分离处理，定位精准，效率高，无激光烧灼痕迹，且形成的沟槽与激光划痕相比具有较大深度和光滑刻蚀面，亦不会对芯片其它部分造成损伤，还无需对衬底减薄和抛光处理，从而有效地提升了LED芯片的产率和良品率，并降低生产成本；特别是对基于透明衬底的LED芯片来说，其具有较厚的透明衬底作为出光窗口，发光效率高，适于倒装LED芯片应用。

Description

基于硬质衬底的LED芯片的分离方法

技术领域

本发明涉及一种半导体芯片的制备方法，尤其涉及一种基于透明或不透明硬质衬底的LED芯片的分离方法。

背景技术

目前，具有超高亮度的GaN基LED芯片等在室内外的彩色显示、交通信号指示、LED背景光源以及白色照明光源等方面有着越来越为广泛的应用。但是，由于此类芯片的衬底大多属于硬质材料(比如蓝宝石、SiC等)，且厚度很大，故而在生产过程中，如何对外延芯片进行快速、低成本的分离切割已经成为业界亟待解决的技术问题。

传统的芯片制造工艺一般是采用金刚石刀具对外延片进行切割形成芯片，其过程为：首先用金刚石刀具按照外延片上芯片图形尺寸进行划片，然后用可产生剪切应力的装置精确对准划片刀痕，从而在刀痕处将芯片裂开，但这种方式所形成的划痕光洁度差，且易造成芯片结构的机械损伤和产生碎片。近年来则是采用激光按照芯片图形尺寸进行划片，这种方式可以提高划痕的质量、速度和成品率。但目前激光切割的深度一般仅为20μm左右，宽度则在5-10μm。这样做不但效率低，还由于外延片中的应力在研磨过程会产生碎片，以及激光产生的热效应损伤芯片的光电性能，并且，所采用的激光设备十分昂贵(通常在数十万美元)，关键部件激光头使用寿命短，从而增加了LED芯片的制造成本。

进一步而言，考虑到通用蓝宝石、SiC等材质的衬底通常较厚，若直接以前述工艺进行划片，则因划痕深度较之衬底整体厚度过小，会使裂片操作极难进行。故而，在前述两种工艺中，一般还需在划片之前对衬底进行减薄和抛光，从而在激光划片后可以通过裂片的方法，正常将LED芯片分离。以2英寸用蓝宝石为衬底的外延片为例，衬底通常要从430μm左右通过研磨和抛光的方法减到8～100μm的最终厚度。但是，因为蓝宝石晶体具有高达9级的莫氏硬度，其减薄和抛光非常难以进行，即使按照已经成熟的工艺条件对一片蓝宝石衬底进行减薄和抛光，其过程所耗时间也需一个小时左右，效率低，且减薄和抛光过程中易导致外延片无规则碎裂和损伤，并会产生大量粉尘污染环境。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其通过在生长有LED外延结构的衬底背面用干法刻蚀工艺快速形成沟槽替代传统的划痕，且形成的沟槽与激光划痕相比具有较大深度和光滑刻蚀面，并不会对芯片其余部分的结构造成损伤，还无需减薄和抛光处理，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，该方法为：在预留生长或已经生长有LED外延结构的衬底背面用干法刻蚀工艺形成沟槽，且所述沟槽与预定形成或已经形成于衬底正面的芯片图形之间的预定分割位置相应。

进一步地讲，该方法具体为：首先在衬底背面上形成至少一屏蔽层，然后在所述屏蔽层上加工形成垂直穿过屏蔽层的通道，所述通道的位置与预设的沟槽位置相应，其后自所述通道中对衬底背面以干法刻蚀工艺形成沟槽。

所述屏蔽层可选自但不限于SiO₂、SiN和Si₃N₄屏蔽层中的任意一种或两种以上的组合。

所述LED芯片的径向尺寸为其厚度的两倍或两倍以上。

所述LED芯片可为GaN基LED芯片、AlGaInP基LED芯片或其它类似LED芯片。

所述衬底厚度在80μm～1mm。

所述经干法刻蚀所形成沟槽的宽度与深度的比例为1∶3～1∶100。

所述干法刻蚀工艺可选自但不限于ICP和RIE干法刻蚀工艺中的任意一种。

所述衬底由常用硬质透明材料中的任意一种组成，所述常用透明材料包括蓝宝石、SiC、AlN、ZnSe和ZnO。

所述衬底由常用硬质不透明材料中的任意一种组成，所述常用不透明材料包括Si和GaAs。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：可一次性完成对以透明或不透明硬质材料作为衬底的LED芯片的分离处理，定位精准，效率高，无激光烧灼痕迹，且形成的沟槽与激光划痕相比具有较大深度和光滑刻蚀面，并不会对芯片其它部分结构造成损伤，还无需减薄和抛光处理，从而有效的提升了LED芯片的产率和良品率，并降低生产成本；特别是对基于透明衬底的LED芯片来说，其具有较厚的透明衬底作为出光窗口，发光效率高，适于倒装LED芯片应用。

附图说明

图1是本发明实施例1中以蓝宝石基片为衬底的GaN基LED外延和芯片的俯视图；

图2是本发明实施例1中以蓝宝石基片为衬底的GaN基LED外延和芯片的剖面结构示意图。

具体实施方式

本发明是针对以蓝宝石、SiC、Si、GaAs、GaN、AlN、AlGaInP、ZnSe或ZnO等硬质透明或不透明材料作为衬底的LED外延片和芯片以现有激光或机械方法进行划片时所存在的诸多工艺问题而提出的。

经长期研究和实践，本案发明人发现，通过采用干法刻蚀工艺在已经长好LED外延结构或者尚未生长LED外延结构的衬底背面(相对于预留生长或已经生长有芯片图形的衬底正面而言)进行刻蚀并形成具有一定深度的沟槽，进而实现LED芯片的分离，可达到比现有工艺(即，采用机械划刻或激光刻蚀形成划痕)更优的效果。

根据本案发明人的实践发现，采用干法刻蚀对前述衬底进行处理时，所形成沟槽的槽口宽度与深度比例一般可控制在1∶3～1∶100。

亦即，举例而言，对于厚度为430±20μm的通用2英寸蓝宝石衬底来说，若控制沟槽宽度在5μm以上，则对于宽深比为1∶60的干法刻蚀工艺，可在该衬底中产生深达300μm以上的沟槽，这也就使得对基于该衬底的LED外延和芯片进行的后续裂片操作更为简单可控。

再者，因沟槽宽度可控制在较小的尺寸，也就使得芯片分离时对芯片的其余部位造成较少的影响。

尤为重要的是，采用干法刻蚀形成的沟槽具有光滑的刻蚀表面，较少导致芯片其余部分的应力发生变化，也避免了激光光束对于蓝宝石刻蚀时所造成的烧灼变色从而影响LED出光效率等问题，这也进一步保障了芯片的品质。

前述衬底厚度一般在80μm～1mm，但并不局限于此数值范围。

前述干法刻蚀工艺可选自但不限于ICP、RIE等工艺，而干法刻蚀中所采用的反应气体可选自但不限于氯气、CHCl₂、CHCl₃及其他含氯等离子气体等。

优选的，在干法刻蚀工序进行之前，还可在衬底的背面生长至少一屏蔽层(亦可认为是保护层)，然后在屏蔽层上经光刻和刻蚀等工艺形成垂直穿过屏蔽层的通道，所述通道的位置与预设的沟槽位置相应，其后自通道中对衬底背面进行干法刻蚀。前述屏蔽层可为SiO₂、SiN和Si₃N₄屏蔽层等。

附及，根据裂片设备的工作原理，前述LED芯片的径向尺寸应为其厚度的两倍或两倍以上，以便后续裂片操作。

前述LED外延芯片可选用但不限于GaN基或AlGaInP基的，经MOCVD等工艺进行外延生长后形成的外延和芯片等。

以下结合附图及若干较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1请参阅图1～2，本实施例涉及对以蓝宝石晶体作为衬底的GaN基LED外延芯片进行分离处理，该外延芯片包括厚度约430μm的2英寸蓝宝石衬底1，生长在该衬底正面、厚度约7μm的GaN外延片层2，以及外延在该衬底背面的SiO₂屏蔽层3。所述屏蔽层上对应于外延芯片层上的图形分隔位置经芯片刻蚀工艺形成若干竖直的刻蚀通道5。前述SiO₂屏蔽层的生长及刻蚀的具体工艺可参考公开号CN101345274A的发明专利等。

对该以蓝宝石为衬底的GaN基LED外延芯片进行分离的操作是以ICP刻蚀工艺进行，其包括如下步骤：

将该外延芯片置于等离子体刻蚀装置的密闭反应室中，调节反应室至真空状态，然后向反应室内输入Cl₂等气体至反应室气压大于0，但小于1Pa，激发反应气体至等离子状态，对蓝宝石衬底进行刻蚀，直至蓝宝石衬底背面一次性形成多条宽5μm左右，深度在300μm左右的沟槽4，且沟槽横贯衬底背面(干法刻蚀的具体工艺操作过程可参考授权公告号CN1300830C的发明专利等)；而后以机械磨削或化学腐蚀等方法出去屏蔽层，再对该芯片进行后续的裂片操作，从而形成厚度在430μm左右，图形径向尺寸在860μm以上的LED芯片成品。

前述裂片操作除采用传统方式外，还可采用下述方法进行，即：将经干法刻蚀处理后的外延芯片至于一具有一定弹性的垫体上，并以压辊以一定的压力依次沿纵向和横向从外延芯片上碾过，即可快速的实现LED芯片的批量分离，其效率远远高于现有的逐行或逐列裂片方式。

本实施例中分离LED芯片的操作耗时仅数十分钟，且可大规模进行，效率高，成本低，无污染，并可大幅提高LED芯片的成品率。而且，形成LED芯片成品具有很高发光效率。

实施例2本实施例涉及对以蓝宝石晶体作为衬底的AlGaInP基LED外延芯片进行分离处理，其过程与实施例1相近，但系采用RIE工艺进行干法刻蚀。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，该方法为：在预留生长或已经生长有LED外延结构的衬底背面用干法刻蚀工艺形成沟槽，且所述沟槽与预定形成或已经形成于衬底正面的芯片图形之间的预定分割位置相应。

2.根据权利要求1所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，该方法具体为：首先在衬底背面上形成至少一屏蔽层，然后在所述屏蔽层上加工形成垂直穿过屏蔽层的通道，所述通道的位置与预设的沟槽位置相应，其后自所述通道中对衬底背面干法刻蚀形成沟槽。

3.根据权利要求2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述屏蔽层为SiO₂、SiN和Si₃N₄屏蔽层中的任意一种或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述LED芯片的径向尺寸为其厚度的两倍或两倍以上。

5.根据权利要求1或4所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述LED芯片为GaN基或AlGaInP基LED芯片。

6.根据权利要求1或2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述衬底厚度在80μm～1mm。

7.根据权利要求1或2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述经干法刻蚀工艺所形成沟槽的宽度与深度的比例为1∶3～1∶100。

8.根据权利要求1或2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述干法刻蚀工艺采用ICP或RIE干法刻蚀工艺。

9.根据权利要求1或2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述衬底由常用硬质透明材料中的任意一种组成，所述常用透明材料包括蓝宝石、SiC、AlN、ZnSe和ZnO。

10.根据权利要求1或2所述的基于硬质衬底的LED芯片的分离方法，其特征在于，所述衬底由常用硬质不透明材料中的任意一种组成，所述常用不透明材料包括Si和GaAs。