CN106328778A - 隐形切割制备正、倒和倒梯形台状衬底的led芯片的方法 - Google Patents

Abstract

一种隐形切割制备倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括：在衬底的正面生长外延层，并形成多个LED单元；将所述衬底减薄；将激光焦点聚焦在衬底的内部，切割，形成第一道改质层及第二道改质层；使形成的跑道左向及右向多道改质层位于跑道左侧及右侧的同一斜面内，形成基片；将基片背面粘在蓝膜上，置于裂片机上；将劈刀对准跑道中线进行裂片；其中Δx是激光焦点沿水平方向移动的单位距离，Δz是激光焦点沿竖直方向移动的单位距离。本发明具有工艺简单及效率高的优点，可有效提高LED的光提取效率。

Description

隐形切割制备正、倒和倒梯形台状衬底的LED芯片的方法

技术领域

本发明属于半导体制备领域，特别涉及一种隐形切割制备正、倒和倒梯形台状衬底的LED芯片的方法。

背景技术

自上世纪90年代以来，GaN基LED引起广泛关注并取得了迅猛的发展。LED具有波长可调、轻便灵活、能耗低、工作电压低、定向发光、无污染、寿命长、响应时间快等显著优势，在白光照明、可见光通信、聚合物固化、杀菌消毒等方面有着巨大的市场价值或潜在应用价值。

LED的发光效率主要受两方面因素的影响。一是内量子效率，即将注入的电能转化为光能的效率，主要取决于半导体材料的外延质量和外延结构的设计。二是光提取效率，即将光子从外延片中提取出来的效率，将光子从外延片内提取出来并非易事。影响光提取效率的因素较多，其中一个关键的因素是半导体材料的折射率(GaN：n＝2.5，AlN：1.8)要远大于衬底(例如蓝宝石：n＝1.77)和空气的折射率(n＝1.0)，根据斯涅尔定律，当光从光密介质进入光疏介质时，如果入射角大于临界值，则会发生全反射。这会导致从有源区发出来的大部分光在半导体/衬底、衬底/空气界面发生全反射而被限制在半导体层、衬底内部，直至最终被吸收转化为热能。

倒梯形台形状的LED外观能够有效抑制衬底/空气界面处的全反射，提高芯片的侧壁出光效率，改善LED的发光性能和可靠性。目前报道的制备倒梯形台形状芯片的方法主要有机械切割、化学腐蚀和激光切割三种。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

传统的机械切割如金刚刀划片(如美国发明专利5087949)等制备倒梯形台形状LED芯片，过程较为简单可控；但因其效率低、成品率不高已逐渐落伍，不能满足现代化上产的需要。另外蓝宝石衬底硬度较高，化学性质稳定，划片时采用的金刚刀价格不菲、切割中耗损大等也限制了金刚刀划片的使用。

文献[1](IEEE Photonics Technology Letters 20，184(2008))报道了采用热硫磷酸化学腐蚀蓝宝石的方法制备倒梯形台形状LED芯片，在350mA电流下，倒梯形台状倒装LED的光功率提升了55％。但这种方法不易灵活控制倒梯形台结构的倾斜角度，同时需要使用较厚的掩膜保护芯片正面不受腐蚀，既增加了工艺的复杂程度，也可能给芯片带来污染。

激光切割正逐渐取代传统切割，成为LED器件隔离的主流方式。相较于金刚刀划片技术，激光切割技术具有速度快、可靠性高的优势。激光切割又可分为表层切割和内部切割(隐形切割)。表层切割是一种激光烧蚀过程，采用表层切割技术制备倒梯形台形状LED芯片，倒梯形台角度较小，提高光提取效率的作用有限；激光烧蚀过程中会产生吸光的副产物，需要辅以化学清洗工艺来清除，工艺较为复杂(文献[2]：IEEE Photonics TechnologyLetters 21，1078(2009))。

隐形切割采用1064nm红外光或532nm绿光进行加工，超短脉冲激光能量密度更高，被聚焦在蓝宝石衬底内部后发生多光子吸收效应，焦点附近的蓝宝石变质而产生的裂痕，裂痕向两侧延伸形成破裂面，对芯片再施以外力就能使芯片沿切割道分开。相较于表层切割，隐形切割减少了芯片侧壁的激光灼伤面积和副产物附着，减少了芯片的出光损失，增加芯片的出光面积；隐形切割形成的侧壁粗化形貌也增加了光的逸出几率。本发明基于隐形切割技术，提出了一种制备倒梯形台状LED芯片的方法。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种隐形切割制备正、倒和倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，具有工艺简单及效率高的优点，可有效提高LED的光提取效率。

本发明提供一种隐形切割制备倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底，在所述衬底的正面生长外延层；

2)将外延层形成多个LED单元；

3)将所述衬底减薄、抛光后，置于划片机上；

4)将隐形切割的激光焦点聚焦在所述衬底的内部，调节激光焦点的位置使其位于每一个LED单元之间的跑道中线上，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层；

5)将激光焦点沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定距离△x，再沿竖直方向向上移动一预定距离△z；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；

6)重复步骤5)，形成跑道左向多道改质层，使左向多道改质层位于跑道左侧的同一斜面内；

7)将激光焦点调回初始位置后，将激光焦点移动到跑道中线的右侧，重复步骤5)、6)，使形成的跑道右向多道改质层位于跑道右侧的同一斜面内，形成基片；

8)将基片背面粘在蓝膜上，置于裂片机上；

9)将劈刀对准跑道中线进行裂片；

其中△x是激光焦点沿水平方向移动的单位距离，△z是激光焦点沿竖直方向移动的单位距离。

本发明还提供一种隐形切割制备正、倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底，在所述衬底的正面生长外延层，并将外延层形成多个LED单元；

2)将所述衬底减薄、抛光后，置于划片机上；

3)将隐形切割的激光焦点聚焦在所述衬底的内部，调节激光焦点的位置使其位于每一个LED单元之间的跑道中线上，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层；隐形切割周期为LED单元尺寸的两倍，下同；

4)将激光焦点沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定距离，再沿竖直方向向上移动一预定距离；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；

5)重复步骤4)，形成跑道左向多道改质层19，使左向多道改质层位于跑道左侧的同一斜面内；

6)将激光焦点调回到相邻跑道的初始位置后，隐形切割；将激光焦点移动到相邻跑道的右侧，重复步骤4)、5)，使相邻跑道右向的多道改质层位于相邻跑道右侧的同一斜面内，形成基片；

7)将基片背面粘在蓝膜上，置于裂片机上；

8)将基片置于裂片机上，对准跑道中线进行裂片。

采用上述技术方案，本发明在对芯片进行隔离时引入隐形切割工艺，通过调制隐形切割焦点的位置使衬底发生斜裂、形成倒梯形台形状，对激光光源和切割基台没有苛刻要求。与侧壁垂直的衬底相比，本发明使得芯片的侧壁出光面积增加，并减少了光的全反射；同时隐形切割形成的粗化表面也进一步促进光的逸出几率。与其他制备倒梯形台状LED芯片的技术相比，本技术方案通过隐形激光切割和裂片即可实现倒梯形台状LED芯片的制备，不需要额外增加工序，制备时间短，工艺简单稳定，倒梯形台角度可调控，成本低，效果佳。

附图说明

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于本本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定，其中：

图1为本发明提供的一种隐形切割制备倒梯形台状衬底的LED芯片的流程图；

图2是本发明提供的一种LED外延片的剖面结构示意图；

图3是根据本发明的LED芯片的剖面示意图，处于隐形切割前状态；

图4是根据本发明的LED芯片的剖面示意图，隐形切割制作完成第一道改质层；

图5是根据本发明的LED芯片的剖面示意图，隐形切割制作完成位于跑道左侧、同一斜面内的多道改质层；

图6是根据本发明的LED芯片的剖面示意图，隐形切割制作完成位于跑道右侧、同一斜面内的多道改质层；

图7是根据本发明的LED芯片的裂片示意图；

图8是根据本发明的倒梯形台状/正梯形台状LED芯片的制备示意图。

具体实施方式

请参阅图4至图7，本发明提供一种隐形切割制备倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底12，在所述衬底12的正面生长一外延层11，所述外延层11的材料为GaN基III-V族材料，所述外延层11的厚度为2-20μm，所述衬底12的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓或玻璃。

2)在外延层11上采用光刻、刻蚀、金属蒸镀和钝化等工艺，形成多个LED单元13；为提高后续裂片的质量和良率，所述LED单元13的跑道上可以配合使用激光划片和/或刻蚀法制作出沟槽。

3)将所述衬底12减薄、抛光后，背面朝上粘附在蓝膜上，置于划片机上；所述衬底12减薄后的厚度为100-450μm。

4)将隐形切割的激光焦点14聚焦在所述衬底12的内部，调节激光焦点14的位置，使激光焦点14位于每一个LED单元13之间的跑道中线上靠近LED单元的位置，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层。具体地，采用隐形切割技术在衬底内部形成裂痕时，由于超短脉冲激光的快速加热和快速冷却，裂痕向两侧延伸形成破裂面。此过程中应注意调整脉冲激光的输出功率、切割速率和切割深度，避免造成芯片的热损伤。所使用隐形切割的激光波长为1064nm或532nm，所述初始位置与LED单元的垂直距离不少于50μm，所产生的破裂面宽度为10-50μm，隐形切割周期为LED单元13的尺寸，下同。

5)将激光焦点14调回初始位置后，将激光焦点14沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定的单位距离△x，再沿竖直方向向上移动一预定的单位距离△z；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；调整△x和△z的取值，可得到不同倾角的倒梯形台状衬底，倾角等于arctan(△z/△x)。

6)重复步骤5)，继续向左、向上移动激光焦点14的位置进行隐形切割，形成位于跑道左侧的左向多道改质层15；所述左向多道改质层15位于跑道左侧的同一斜面内，最后一道改质层所释放的应力延伸到所述衬底12的背面。

7)将激光焦点14调回初始位置后，向跑道的右侧水平移动和向上竖直移动激光焦点14，重复步骤5)、6)进行隐形切割，使再次形成的右向多道改质层16与第一道改质层位于跑道右侧的同一斜面内，形成基片；隐形切割周期为LED单元13的尺寸；若有其他方向的跑道，也进行步骤4)至步骤7)的隐形切割；特别地，此时预定距离△x可以取0；

8)将基片背面粘在蓝膜18上，再置于裂片机上；所述LED单元13正面朝上；

9)将劈刀17对准跑道中线进行裂片；所述衬底12沿跑道两侧的改质层15、16所在的斜面分别裂开，如此形成多个倒梯形台状的LED芯片，三棱柱型的衬底部分残留在蓝膜18上。

请参阅图8所示，是本发明的另一实施例，本发明还提供一种隐形切割制备正、倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底12，在所述衬底12的正面生长一外延层11，所述外延层11的材料为GaN基III-V族材料，所述外延层11的厚度为2-20μm，所述衬底12的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓或玻璃。在外延层11上采用光刻、刻蚀、金属蒸镀和钝化等工艺形成多个LED单元13；为提高后续裂片的质量和良率，所述LED单元13的跑道上可以配合使用激光划片和/或刻蚀法制作出沟槽。

2)将所述衬底12减薄、抛光后，背面朝上粘附在蓝膜上，置于划片机上；所述衬底12减薄后的厚度为100-450μm。

3)将隐形切割的激光焦点14聚焦在所述衬底12的内部，调节激光焦点14的位置，使激光焦点14位于每一个LED单元13之间的跑道中线上靠近LED单元的位置，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层。具体地，采用隐形切割技术在衬底内部形成裂痕时，由于超短脉冲激光的快速加热和快速冷却，裂痕向两侧延伸形成破裂面。此过程中应注意调整脉冲激光的输出功率、切割速率和切割深度，避免造成芯片的热损伤。所使用隐形切割的激光波长为1064nm或532nm，所述初始位置与LED单元的垂直距离不少于50μm，所产生的破裂面宽度为10-50μm，隐形切割周期为LED单元13尺寸的两倍，下同。

4)将激光焦点14调回初始位置后，将激光焦点14沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定的单位距离△x，再沿竖直方向向上移动一预定的单位距离△z；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；调整△x和△z的取值，可得到不同倾角的正、倒梯形台状衬底，倾角等于arctan(△z/△x)。

5)重复步骤4)，继续向左、向上移动激光焦点14的位置进行隐形切割，形成跑道左向的多道改质层21；所述多道改质层21位于跑道左侧的同一斜面内，最后一道改质层所释放的应力延伸到所述衬底12的背面。

6)将激光焦点14调至相邻跑道的初始位置后，进行隐形切割；向相邻跑道的右侧水平移动和向上移动激光焦点14，重复步骤4)、5)进行隐形切割，使再次形成的相邻跑道右向多道改质层22位于相邻跑道右侧的同一斜面内，形成基片；隐形切割周期为LED单元13尺寸的两倍。

7)若有其他方向的跑道，也进行步骤3)至步骤6)的隐形切割；特别地，此时预定距离△x可以取0；

8)将基片背面粘在蓝膜18上，再置于裂片机上；所述LED单元13正面朝上；

9)将劈刀17对准跑道中线进行裂片；所述衬底12沿跑道左侧的左向改质层19和相邻跑道右侧的右向改质层20所在的斜面裂开，形成多个倒梯形台状的LED芯片和正梯形台状的LED芯片。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，总之，以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

综上所述，本发明提出一种隐形切割制备正、倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，在对芯片进行隔离时引入隐形切割工艺，通过调制隐形切割的位置使芯片发生斜裂、形成正、倒梯形台形状；切割过程中产生的吸光副产物很少；隐形切割形成的粗化表面也进一步促进光的逸出几率。与其他制备技术相比，本技术方案通过激光切割机和裂片即可实现倒梯形台状LED芯片的制备，不需要额外增加工序，制备时间短，工艺简单稳定可控，倒梯形台角度可任意调节，成本低，效果佳。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种隐形切割制备倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底，在所述衬底的正面生长外延层；

2)将外延层形成多个LED单元；

3)将所述衬底减薄、抛光后，置于划片机上；

4)将隐形切割的激光焦点聚焦在所述衬底的内部，调节激光焦点的位置使其位于每一个LED单元之间的跑道中线上，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层；

5)将激光焦点沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定距离Δx，再沿竖直方向向上移动一预定距离Δz；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；

6)重复步骤5)，形成跑道左向多道改质层，使左向多道改质层位于跑道左侧的同一斜面内；

7)将激光焦点调回初始位置后，将激光焦点移动到跑道中线的右侧，重复步骤5)、6)，使形成的跑道右向多道改质层位于跑道右侧的同一斜面内，形成基片；

8)将基片背面粘在蓝膜上，置于裂片机上；

9)将劈刀对准跑道中线进行裂片；

其中Δx是激光焦点沿水平方向移动的单位距离，Δz是激光焦点沿竖直方向移动的单位距离。

2.根据权利要求1所述的隐形切割倒梯形台状衬底的LED芯片的制备方法，其中所述衬底的材料为蓝宝石、碳化硅、氮化镓、氮化铝、氧化镓或玻璃。

3.根据权利要求1所述的隐形切割倒梯形台状衬底的LED芯片的制备方法，其中调整Δx和Δz的取值，可得到不同倾角的倒梯形台状衬底。

4.一种隐形切割制备正、倒梯形台状衬底的LED芯片的方法，包括以下步骤：

1)提供一衬底，在所述衬底的正面生长外延层，并将外延层形成多个LED单元；

2)将所述衬底减薄、抛光后，置于划片机上；

3)将隐形切割的激光焦点聚焦在所述衬底的内部，调节激光焦点的位置使其位于每一个LED单元之间的跑道中线上，记为初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改质层；隐形切割周期为LED单元尺寸的两倍，下同；

4)将激光焦点沿与跑道垂直的方向向左水平移动一预定距离，再沿竖直方向向上移动一预定距离；沿跑道方向切割，形成第二道改质层；

5)重复步骤4)，形成跑道左向多道改质层19，使左向多道改质层位于跑道左侧的同一斜面内；

6)将激光焦点调回到相邻跑道的初始位置后，隐形切割；将激光焦点移动到相邻跑道的右侧，重复步骤4)、5)，使相邻跑道右向的多道改质层位于相邻跑道右侧的同一斜面内，形成基片；

7)将基片背面粘在蓝膜上，置于裂片机上；

8)将基片置于裂片机上，对准跑道中线进行裂片。