CN104319336B - 一种形成倒金字塔状倒装蓝光led芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，包括以下步骤：（1）将通过在蓝宝石衬底上生长氮化镓层所形成的LED晶圆片减薄；（2）进行第一阶段划片，采用同轴多焦点透镜作为激光聚焦透镜所产生的连续激光在晶圆片的蓝宝石衬底一面纵向和横向划出与晶圆片表面垂直方向呈15‑35度的倾斜面；（3）在氮化镓层表面生长保护膜；（4）将侧壁平滑化；（5）进行管芯制备；（6）进行第二阶段划片，采用单焦点激光在蓝宝石衬底一面，沿与晶圆表面垂直的切割轨迹划片，然后进行裂片，获得倒金字塔状倒装蓝光LED芯片。该方法能一次完成倒梯状倾斜面的形成，无需多次来回运动，生产周期短、成本低廉，保证了晶圆片的最低裂片率，提高芯片产出率，适合规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用多焦点透镜的形成的同轴连续激光结合单焦点激光来将蓝宝石衬底上生长的氮化镓半导体层所形成的蓝光LED晶圆片加工成分离的一个个倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法。
背景技术
由于蓝光LED衬底材料的折射率与空气相差很大，导致光的外量子效率较低。一般蓝光LED芯片侧面是垂直与发光面的，导致侧壁的大部分光线被反射回芯片内部再吸收。如果把芯片的侧壁做成与发光面成一定夹角，即倒金字塔形状可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度射出，同时，射到顶面大于临界角的光也可以从侧面射出，可以大大提高LED芯片的外量子效率。
因为蓝光LED芯片即氮化镓基芯片的衬底多为蓝宝石，蓝宝石硬度高，多采用激光熔融、气化的方式进行切割，用锯片的方式因对刀片要求质量高、裂片良率低而无法量产。但目前量产所用的激光切割方式均是激光束垂直与发光面的切割。
中国专利文献CN 102629651A公开的《一种倒金字塔形发光二极管的制备方法》是使用激光多次以不同的切割参数切割，组合不同深度的激光划痕，去除部分蓝宝石衬底，之后使用抛光工艺，抛光衬底。这种方法因为激光仍然是单个激光爆点，且方向只能是垂直晶圆方向，要达到所要形成的梯状需要激光器反复沿切割道十至几十次进行来回运动，而且每次的焦点位置及功率都要进行调节，势必大大延长生产周期，对透镜设计、安装、激光控制系统都会更加复杂、庞大。从生产效率和成本上考虑，都不适合规模化生产。此外，该方法中切割金字塔形状适合的是正装芯片，也就是衬底仍然在下方，光从芯片正面和衬底的侧面出来，不利于散热和光提取效率提升。
CN102368520 A公开的《一种倒金字塔形结LED芯片的制备方法》，是通过两条激光划痕的角度控制，使多余的蓝宝石衬底分离出来，再经过腐蚀或者机械抛光工艺，使划痕侧面光滑平整。最后得到倒金字塔形LED 芯片。此方法仅采用了一种激光划片方式，即将倒金字塔的侧壁形成。然后采用直接裂片的方式将芯片分离开。此方法中要实现直接裂片完成最后的芯片分离，需要将厚度控制在50微米以下，否则会裂不开或是裂偏，而这么薄的厚度，在管芯复杂的制备过程中会造成裂片率高的情况，无法进行量产推广。同时，在激光划片形成倒金字塔的侧壁，此方法也没有指明应该用何种的激光设备来实现，如何让腐蚀液能进入到激光爆点里面发生化学反应，使侧壁光滑均没有提供具体实施的方法，而这正是实现倒金字塔形状芯片的关键点。
发明内容
本发明针对现有倒金字塔状发光二极管制备技术存在的不足，提供一种操作方便、成本低的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法。
本发明的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，包括以下步骤：
（1）将通过在蓝宝石衬底上生长氮化镓层所形成的LED晶圆片减薄到400-200微米；
LED晶圆片减薄后优选的厚度为300微米。
（2）进行第一阶段激光划片，采用同轴多焦点透镜作为激光聚焦透镜所产生的连续激光，在晶圆片的蓝宝石衬底一面纵向和横向划出与晶圆片表面垂直方向呈15-35度的倾斜面，倾斜面的深度为100-200微米，没有被激光划过晶圆片厚度为预留厚度；
激光波长为355nm或1046nm，激光束功率为1-50W，划片速度为10-100mm/秒。激光波长优选355nm，激光束功率优选2W，划片速度优选5mm/秒。斜面与晶圆片表面垂直方向的角度优选20度。晶圆片上没有激光划过的预留厚度优选100微米。
（3）在氮化镓层的表面生长厚度500-5000埃的二氧化硅保护膜；
（4）高温腐蚀，将侧壁平滑化；
高温腐蚀溶液采用硫酸和磷酸的混合溶液，加热温度为200-500℃摄氏度，腐蚀时间15-60分钟。硫酸和磷酸体积比为10：1，加热温度优选300℃，腐蚀时间优选30分钟。
腐蚀完之后，用去离子水清洗超声10分钟，然后用氢氟酸溶液超声晶圆片，将表面的二氧化硅腐蚀分钟后再加去离子水超声10分钟，氮气吹干。
（5）在氮化镓层上生长制备电流扩展层、电极层和钝化层并进行管芯制备；
（6）进行第二阶段激光划片，采用单焦点激光在蓝宝石衬底一面沿与晶圆表面垂直的切割轨迹划片，然后进行裂片，将晶圆片最终分离成独立的芯片，获得倒金字塔状倒装蓝光LED芯片。该阶段激光波长采用355nm或1046nm，激光束功率为1-50W，划片速度为10-100mm/秒。激光波长优选355nm，激光束功率优选1.5W，划片速度优选10mm/秒。
本发明采用多焦点透镜产生的同轴连续激光焦点，能一次完成倒梯状倾斜面的形成，无需多次来回运动，而且找准基准面后，激光器聚焦位置和激光功率也无需多次更改,所以生产周期短、设备简单，成本低廉，更考虑到高温腐蚀以及在氮化镓上生长制备电流扩展层、电极层、钝化层、光刻、刻蚀等复杂步骤，第二个阶段采用单焦点激光切割分离芯片放到了管芯制备的最后一步，保证了晶圆片的最低裂片率，提高芯片产出率，适合规模化生产。此外，本发明是按照倒装芯片将衬底切割成倒金字塔状，相对比正装芯片，更利于散热和光提取效率的提升。
附图说明
图1是多焦点透镜形成的同轴连续激光焦点的示意图。
图2 是经过第一阶段激光划片和高温腐蚀后的晶圆片立体结构图。
图3 是经过第一阶段激光划片和高温腐蚀后的晶圆片的侧面图。
图4 是经过第二阶段激光划片和裂片后得到的倒金字塔状倒装芯片的立体结构图。
图中，1、氮化镓层；2、蓝宝石衬底；3、连续激光爆点形成的倾斜面；4、为第二阶段激光划片预留厚度；5、多焦点透镜。
具体实施方案
本发明的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，是采用多焦点透镜形成的同轴连续激光结合单焦点激光，将蓝宝石衬底上生长的氮化镓半导体层所形成的LED晶圆片加工成分离的一个个倒金字塔状LED芯片。采用两阶段进行划片，第一个阶段采用多焦点透镜形成的同轴连续激光爆点沿设定轨迹划出与晶圆片表面垂直方向呈一定夹角的斜面，然后进行高温腐蚀；第二个阶段采用单焦点激光沿与晶圆表面垂直的切割道轨迹划片，在管芯制备的最后一步将晶圆片最终分离成独立的芯片。在两个阶段中间进行高温腐蚀将侧壁平滑化，并在氮化镓层上生长制备电流扩展层、电极层和钝化层，以及进行光刻、刻蚀等必要的管芯制备过程。具体包括如下步骤：
（1）将蓝光LED晶圆片减薄到400-200微米（最初为800-400微米），该LED晶圆片是在蓝宝石衬底2上生长氮化镓层1所形成。也就是将蓝宝石衬底2进行研磨，研磨后氮化镓层1加蓝宝石衬底2的总厚度为400-200微米，优选的300微米。
（2）进行第一阶段划片。如图1，采用多焦点透镜5作为激光器的聚焦透镜，多焦点透镜5为具有多组不同曲率半径的凹透镜，能一次形成多个同轴的连续焦点，激光用355nm或1046nm波长，激光束功率在1-50W，划片速度为10-100mm/秒（激光波长优选355nm，激光束功率优选2W，划片速度优选5mm/秒）。所用的多焦点透镜通过镜头控制系统可以进行角度调节，通过连续激光爆点在晶圆片的蓝宝石衬底一面形成与晶圆片垂直方向呈15-35度的倾斜面3(优选的，与晶圆片垂直方向呈20度的倾斜面)。倾斜面3垂直于晶圆方向的长度（倾斜面3的深度）为200-100微米，也就是为第二阶段的激光划片预留厚度4(预留厚度4优选100微米)。
（3）在氮化镓层1的表面生长厚度500-5000埃的二氧化硅保护膜。优选采用PECVD工艺生长1000埃二氧化硅保护膜。
（4）高温腐蚀。高温腐蚀溶液采用硫酸和磷酸的混合溶液，加热温度为200-500℃摄氏度，腐蚀时间15-60分钟。优选的，硫酸和磷酸体积比为10：1，加热温度为300摄氏度，腐蚀时间为30分钟。腐蚀完之后，用去离子水清洗超声10分钟，然后用氢氟酸溶液超声晶圆片，将表面的二氧化硅腐蚀5分钟后再加去离子水超声10分钟，氮气吹干，得到如图2和图3所示的晶圆片；
（5）按照常规工艺，在氮化镓层1上生长制备电流扩展层、电极层和钝化层，以及进行光刻、刻蚀等必要的管芯制备过程；
（6）进行第二阶段划片。采用单焦点激光在蓝宝石衬底一面，沿与晶圆表面垂直的切割轨迹划片，激光波长采用355nm或1046nm，激光束功率为1-50W，划片速度为10-100mm/秒（激光波长优选355nm，激光束功率优选1.5W，划片速度优选10mm/秒）。然后进行裂片，将晶圆片最终分离成独立的芯片，如图4所示。晶圆片裂片率控制在5%以内。
Claims (9)
1.一种形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）将通过在蓝宝石衬底上生长氮化镓层所形成的LED晶圆片减薄到400-200微米；
（2）进行第一阶段激光划片，进行第一阶段激光划片，采用同轴多焦点透镜作为激光聚焦透镜所产生的连续激光，在晶圆片的蓝宝石衬底一面纵向和横向划出与晶圆片表面垂直方向呈15-35度的倾斜面，倾斜面的深度为100-200微米，没有被激光划过晶圆片厚度为预留厚度；
（3）在氮化镓层的表面生长二氧化硅保护膜；
（4）高温腐蚀，将侧壁平滑化；
（5）在氮化镓层上生长制备电流扩展层、电极层和钝化层并进行管芯制备；
（6）进行第二阶段激光划片，采用单焦点激光在蓝宝石衬底一面，沿与晶圆表面垂直的切割轨迹划片，然后进行裂片，将晶圆片最终分离成独立的芯片，获得倒金字塔状倒装蓝光LED芯片。
2.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（1）中LED晶圆片减薄后的厚度为300微米。
3.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（2）中激光的波长为355nm或1046nm，激光束功率为1-50W，划片速度为10-100mm/秒。
4.根据权利要求3所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述激光波长为355nm，激光束功率为2W，划片速度为5mm/秒。
5.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（2）中的预留厚度为100微米。
6.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（3）中二氧化硅保护膜的厚度为500-5000埃。
7.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（4）中高温腐蚀的溶液采用硫酸和磷酸的混合溶液，硫酸和磷酸体积比为10：1，加热温度为200-500℃摄氏度，腐蚀时间15-60分钟。
8.根据权利要求1所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述步骤（6）中激光波长采用355nm或1046nm，激光束功率为1-50W，划片速度为10-100mm/秒。
9.根据权利要求8所述的形成倒金字塔状倒装蓝光LED芯片的方法，其特征是，所述激光波长优选355nm，激光束功率优选1.5W，划片速度优选10mm/秒。
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