CN105914267A - 一种利用激光切割制备蓝宝石衬底led芯片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，通过固定蓝宝石衬底晶格结构方向，并制作与之方向对应的光刻晶粒图形，配合隐形切割激光频率、功率、焦深、平台移动速度，扩大了激光打点间距,尤其是扩大了晶粒长边激光打点间距,减少对蓝宝石晶格结构的破坏，减少了对光线出射的阻挡，提高外量子效率，从而提高了LED芯片的亮度。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，属于LED芯片切割技术领域。
背景技术
蓝宝石衬底LED芯片以其耗能低、发光效率高、寿命长、绿色环保、冷光源、响应时间快、可在各种恶劣条件下使用等优点，近年来得到日新月异的发展，成为2l世纪的新一代照明光源。随着III-V族半导体工艺的日趋成熟，LED芯片研制不断向更高效率、更高亮度方向发展。随着其应用越来越广泛，如何提高GaN基LED的发光效率越来越成为关注的焦点，影响LED发光效率的因素主要有内量子效率与外量子效率，而外量子效率的提高成为目前半导体照明LED关键技术之一。
由于蓝宝石在透明性、导热性、稳定性以及在与GaN晶格匹配方面的优良表现，目前行业内普遍以蓝宝石作为GaN基LED芯片衬底，GaN层一般只有3～5μm，而蓝宝石衬底基本在400～500μm厚度，减薄之后，厚度仍有100μm左右，对GaN基LED芯片的切割，其实就是对蓝宝石进行切割。
蓝宝石其莫氏硬度为9，仅次于金刚石，是一种相当难加工的材料，其切割也存在很大的难度。
传统的芯片切割方式如金刚刀划片，砂轮刀锯切因其效率低，成品率不高已逐渐落伍，不能满足现代化生产的需要，目前激光切割方式正逐渐取代传统切割，成为目前主流切割方式。激光切割又分为表层切割和内部切割，即隐形切割。激光划片是一种新型的切割技术，它是随着激光技术的发展而兴起的，它采用一定波长的激光聚焦在晶片表面或内部，在极短时间内释放大量的热量，使材料熔化甚至气化，配合激光头的移动或物件的移动，形成切割痕迹，实现切割的目的。
表层切割采用355nm或266nm紫外激光，切割深度一般在50μm以内，难以进一步加深。
表层切割后，激光产生的高能量瞬间破坏了蓝宝石的晶格结构，侧面激光灼烧痕迹阻挡了LED芯片的出光，对芯片外量子效率影响较大。
隐形切割采用1064nm红外光或532nm绿光进行加工，激光作用于芯片内部某一深度，沿切割道形成激光划痕，即一个个间断的微小“爆炸点”，此“爆炸点”破坏了蓝宝石的晶格结构，其点间距在4-10μm之间，“爆炸点”产生的应力，使芯片部分断裂，对芯片再施以外力，使之沿切割道分开。
激光切割使LED芯片加工变得相对简单，但激光切割方法破坏了芯片侧面蓝宝石衬底晶格结构，阻挡了光线的出射，降低LED芯片的出光能力，对芯片外量子效率产生一定的影响。
理论与实验发现，激光划痕造成的发光损耗面积即蓝宝石晶格结构损伤面积越大，对芯片外量子效率的影响也越大，芯片亮度越低。
蓝宝石的主要成分是三氧化二铝(Al2O3)，是由三个氧原子和两个铝原子以共价键形式结合而成,其晶体结构呈现为六方晶格结构。它常被应用的切面有a-Plane,c-Plane以及R-Plane，而c-Plane蓝宝石基板是目前使用最多的一种，因为沿此轴生长的蓝宝石晶体物理、化学性能稳定，生长工艺成熟，成本较低，在此面进行外延层的沉积技术也相对成熟。
中国专利文献CN103022284A公开的《一种基于侧壁腐蚀的LED芯片切割方法》，LED晶圆经过正面激光划片、侧壁腐蚀后，按照正常的LED芯片制造流程完成芯片制造；晶圆减薄、背镀后进行背面激光隐形切割，控制隐形切割线位置使其与正面划片线错开；裂片时在应力诱导下，晶粒侧壁将出现一斜裂面，更有利于侧面出光，增加芯片的整体光通量而不影响芯片的外观和电性。进一步的还公开了一种根据以上所述的LED芯片切割方法所制备的LED芯片，LED芯片的边缘呈具有斜裂面的“ㄣ”形断面。半导体衬底GaN晶圆在经过芯片侧壁腐蚀工艺后，结合激光隐形切割制作出“ㄣ”形断面，从增加侧壁出光量的方面增加整个LED芯片的亮度。这种方式采用了正面激光划片加背面激光隐形切割，两次激光切割，破坏的蓝宝石晶格结构面积增大，且效率低。
中国专利文献CN103811602A公开的《GAN基LED芯片制备方法》提供了一种GaN基LED芯片的制备方法，包括如下步骤：1)提供蓝宝石衬底，其包括第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面；2)在所述蓝宝石衬底的所述第一表面的一预设高度处进行隐形切割，使第一表面沿切割线产生微裂纹；3)在所述蓝宝石衬底的所述第一表面形成GaN半导体层；4)在所述GaN半导体层上形成透明导电层、N电极及P电极；5)从所述蓝宝石衬底的第二表面所在的一侧减薄所述蓝宝石衬底；以及6)进行裂片。这种方式容易产生2种不良后果：1)出现大量碎片，裂片率高，产出率低；2)无法劈开，或劈裂不良，良率低。
中国专利文献CN103000507B公开的《一种中大尺寸芯片提高亮度和良率的制造方法》，具体公开了一种采用背面隐形切割并且切割深度大于芯片厚度1/2的切割工艺，解决了因斜裂问题而导致良率偏低、亮度偏低等技术问题。由于切割位置接近芯片正面，崩裂的时候能有效减少切割位置与实际裂开位置的偏差。这种方式相对于切割深度小于芯片厚度1/2的切割工艺，所需激光功率较大，而激光功率较大，破坏蓝宝石晶格结构的面积随之增大，不利于芯片亮度的提高，且切割深度过深，容易产生芯片漏电问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法。该方法减少激光对蓝宝石的破坏，提高芯片的亮度，操作方便、简单，易于量产。
本发明的技术方案如下：
一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：
(1)在c-Plane蓝宝石衬底上长有外延发光层的外延片，并在外延片上蒸镀透明电极层，在所述透明电极层上进行晶粒图形光刻，形成多个具有相同周期的晶粒图形，晶粒图形以矩形为单元，排满整个芯片，使所述晶粒图形的长边方向垂直于蓝宝石衬底的解理边方向，即a-Plane面；
(2)利用现有工艺流程对LED芯片的晶圆进行刻蚀、P、N电极蒸镀，剥离、退火和研磨；
通过隐形切割激光对LED芯片进行切割：
在晶粒图形的长边侧进行激光打点，所述激光打点的间距为12-20μm；在晶粒图形的短边侧进行激光打点，所述激光打点的间距为7-10μm；激光打点深度为LED芯片厚度的(1/5)-(1/2)、且靠近蓝宝石衬底，激光打点释放的应力延伸到所述LED芯片表面，形成近似直线的裂痕；
(3)对LED芯片沿步骤(2)所述裂痕方向施以外力，使LED芯片分隔成独立的发光单元。
根据本发明优选的，所述步骤(2)中所述隐形切割激光的参数包括：
激光功率为300-600mW；
Y方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台的移动速度为480-1350mm/s；
X方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台移动速度280-650mm/s。
根据本发明优选的，所述晶粒图形的长边和短边满足以下参数：1＜(长边长度：短边长度)＜12。
根据本发明优选的，所述晶粒图形的长边和短边的长度范围100-1200μm。
当晶粒图形的长边与短边比值越大时，即在晶粒宽度一定时，长度越长，对LED芯片亮度的提升作用越显著。
本发明的优势在于：
本发明通过固定蓝宝石衬底晶格结构方向，并制作与之方向对应的光刻晶粒图形，配合隐形切割激光频率、功率、焦深、平台移动速度，扩大了激光打点间距,尤其是扩大了晶粒长边激光打点间距,减少对蓝宝石晶格结构的破坏，减少了对光线出射的阻挡，提高外量子效率，从而提高了LED芯片的亮度。
附图说明
图1为蓝宝石晶格结构图；其中，标记有a-Plane,c-Plane以及R-Plane；
图2为本发明中多个晶粒图形的排列方向，其中X轴在a-Plane面上，与X轴垂直的Y轴在R-Plane面上；
图3为经过激光切割后的单个晶粒的断面图；
图中，1、晶粒图形长边；2、晶粒图形短边；3、长边方向的激光打点裂痕；4、短边方向的激光打点裂痕。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1、
一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：
(1)在c-Plane蓝宝石衬底上长有外延发光层的外延片，并在外延片上蒸镀透明电极层，在所述透明电极层上进行晶粒图形光刻，形成多个具有相同周期的晶粒图形，晶粒图形以矩形为单元，排满整个芯片，使所述晶粒图形的长边方向垂直于蓝宝石衬底的解理边方向，即a-Plane面；
(2)利用现有工艺流程对LED芯片的晶圆进行刻蚀、P、N电极蒸镀，剥离、退火和研磨；
通过隐形切割激光对LED芯片进行切割：
在晶粒图形的长边1侧进行激光打点，所述激光打点的间距为12-20μm；在晶粒图形的短边2侧进行激光打点，所述激光打点的间距为7-10μm；激光打点深度为LED芯片厚度的(1/5)-(1/2)、且靠近蓝宝石衬底，激光打点释放的应力延伸到所述LED芯片表面，形成近似直线的裂痕；
(3)对LED芯片沿步骤(2)所述裂痕方向施以外力，使LED芯片分隔成独立的发光单元。
实施例2、
如实施例1所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述步骤(2)中所述隐形切割激光的参数包括：
激光功率为300-600mW；
Y方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台的移动速度为480-1350mm/s；
X方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台移动速度280-650mm/s。
实施例3、
如实施例1所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述晶粒图形的长边和短边满足以下参数：1＜(长边长度：短边长度)＜12。
所述晶粒图形的长边和短边的长度范围：100-1200μm。
实施例4、
如实施例1-3所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述步骤(1)中晶粒图形长边为760μm，晶粒图形短边为254μm；
所述步骤(2)中对LED芯片的晶圆研磨的厚度为120μm；
步骤(2)中所述隐形切割激光的参数包括：
激光功率为550mW；
Y方向激光频率为50KHz；
隐形切割激光所在平台的移动速度为800mm/s；激光打点深度50μm，晶粒图形长边方向激光打点间距为16μm；
X方向激光频率为50KHz；
隐形切割激光所在平台移动速度500mm/s；激光打点深度44μm，晶粒图形短边方向激光打点间距为10μm。
对比应用例、
利用一种现有常用的切割方法、本发明所述切割方法分别对相同尺寸的两个LED芯片的蓝宝石衬底层进行切割，其中，尺寸为228μm*508μm，然后针对分别切割后的各项参数进行对比如表1：
表1：常用的切割方法与本发明所述切割方法的对比表
| 对比参数 | 现有隐形切割方法 | 本发明所述激光切割方法 |
| 需要的激光打点间距(μm) | X轴方向:5，Y轴方向:8 | X轴方向:8，Y轴方向:16 |
| 单个晶粒图形激光打点数量(个) | 260 | 120 |
| 蓝宝石晶格破坏面积比例 | 3.76％ | 1.74％ |
| LED芯片亮度(mW@60mA) | 56.4 | 57.2 |
| 亮度提升 | ---- | 1.42％ |
综上可知，本发明扩大了激光打点间距,尤其是扩大了晶粒长边激光打点间距,减少对蓝宝石晶格结构的破坏，减少了对光线出射的阻挡，提高外量子效率，从而提高了LED芯片的亮度。
Claims (4)
1.一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，该方法包括：
(1)在c-Plane蓝宝石衬底上长有外延发光层的外延片，并在外延片上蒸镀透明电极层，在所述透明电极层上进行晶粒图形光刻，形成多个具有相同周期的晶粒图形，晶粒图形以矩形为单元，排满整个芯片，使所述晶粒图形的长边方向垂直于蓝宝石衬底的解理边方向，即a-Plane面；
(2)利用现有工艺流程对LED芯片的晶圆进行刻蚀、P、N电极蒸镀，剥离、退火和研磨；
通过隐形切割激光对LED芯片进行切割：
在晶粒图形的长边侧进行激光打点，所述激光打点的间距为12-20μm；在晶粒图形的短边侧进行激光打点，所述激光打点的间距为7-10μm；激光打点深度为LED芯片厚度的(1/5)-(1/2)、且靠近蓝宝石衬底，激光打点释放的应力延伸到所述LED芯片表面，形成近似直线的裂痕；
(3)对LED芯片沿步骤(2)所述裂痕方向施以外力，使LED芯片分隔成独立的发光单元。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述隐形切割激光的参数包括：
激光功率为300-600mW；
Y方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台的移动速度为480-1350mm/s；
X方向激光频率为40-65KHz；
隐形切割激光所在平台移动速度280-650mm/s。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述晶粒图形的长边和短边满足以下参数：1＜(长边长度：短边长度)＜12。
4.根据权利要求3所述的一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述晶粒图形的长边和短边的长度范围100-1200μm。
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