CN107394016A - 一种提高发光二极管单片产出的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高发光二极管单片产出的制作方法，涉及四元系发光二极管的生产技术领域。正面使用相对薄的刀片半切，或者使用ICP干法蚀刻、激光切割制作一定宽度和深度的切割道，背面光刻出切割走道，使用干法蚀刻技术蚀刻一定深度的切割道，最后使用相对厚的刀片背面切穿LED芯片。可提高了生产效率，减小了正崩，得到的是正面大、背面小芯粒结构，减少了衬底对光的吸收，增加了光从正面的出射，提高了出光效率。
Description
技术领域
本发明涉及四元系发光二极管的生产技术领域。
背景技术
发光二极管（简称LED）按颜色可分为红色、黄色、蓝色、绿色等。用MOCVD外延炉在碳化硅、蓝宝石衬底上生长InGaN、GaN等结构可获得蓝色、绿色高亮发光二极管；在GaAs衬底上生长AlGaInP材料可获得颜色覆盖范围从红色、橙色、黄色，到黄绿波段的发光二极管。与白炽灯泡及氙灯相比，它具有工作电压和电流低、可靠性高、寿命长且可方便调节发光亮度等优点。广泛应用在背光源、景观装饰照明、交通信号灯、户内外显示屏、汽车尾灯及照明等领域。
通常AlGaInP/GaAs体系红光、橙光、黄光、黄绿光的发光二极管后道流程都是先进行半切，然后测试，最后进行二次切割，使发光二极管芯粒完全分离。如图1、2所示，半切工艺采用钻石刀在高速转动下对做好电极的晶圆自正极向下进行切割，切割的深度须大于整个发光二极管外延层的厚度，这样就把发光二极管芯片的正极（P区）完全分离，GaAs衬底作为公共的负极（N区），形成分离的发光二极管芯粒。二次切割即沿着半切所留下来的刀痕，使用钻石刀将剩余GaAs部分完全分离。由于钻石刀本身的V型结构，在二次切割过程中随着切割深度的增加，刀刃宽度增加到20～40μm，会带来芯粒正面发光区较大面积的损失，降低了单片的产出。而且由于钻石刀高速转动和GaAs是硬性接触，容易造成边缘的崩裂，给PN结造成较大的损伤，增加了漏电的风险，影响成品率。
为减少芯粒正面发光区损失，提高单片产出，以下几个专利文献公开的相关的GaAs基四元系切割技术：
1、CN 101859852A公开了一种提高铝镓铟磷系发光二极管产能的制作工艺。在完成前道工艺后，通过光刻、湿法蚀刻技术在LED芯片正面、背面分别形成保护层，并使用非等向性干法蚀刻先后对LED芯片正面、背面分别蚀刻一定深度的切割道，最后通过劈裂技术得到二极管芯粒。但该工艺需要用到PECVD生长保护层，黄光做切割道图形，尤其背面做切割道图形时，需用到具有上下CCD镜头的高精度光刻机，以及湿法蚀刻、ICP干法蚀刻，以及劈裂机，工艺繁琐，设备成本较高。且该工艺制作的发光二极管芯粒侧壁粗糙，容易造成漏电。
2、CN 102468382A公开了一种GaAs衬底AlGaInP发光二极管的制备方法。半切时，除按照正常工艺做正面半切外，还要正面透切掉上、下、左、右四边的边缘不良品，最后做背面水平和垂直方向的全部透切。但该工艺不能制作出芯粒正面大、背面小、可减少背面衬底吸光和增加光经侧面反射从正面出射的倒金字塔结构。且该发明获得背面透切基准线方法存在由于正崩时切割道不整齐、带来的背切切偏风险。
3、CN 101030616A公开了一种高亮度发光二极管芯片的制备方法，将半切工艺用光刻腐蚀法替代：用光刻胶作腐蚀保护层，通过选择性曝光、显影、化学腐蚀，完成共GaAs衬底负极、分离发光二极管芯片的正极。虽然该方法只需对芯片二次切割即可分离芯粒，不接触PN结面，避免了对PN结的硬性损伤，但是采用该工艺易受湿法蚀刻等向性的影响，芯粒间的损失宽度多达20-60μm，大大地降低了单片产量。
另外，上述各方法要用到长硅、黄光光刻、ICP干法蚀刻、溶液湿法蚀刻中的一种或几种，工艺复杂、设备成本较高、生产周期较长。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的在于提出一种工艺简单、可有效提高发光二极管单片产出的制作方法。
本发明包括以下步骤：
1）在衬底上依次形成分布布拉格反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、窗口层；
2）在窗口层上制作芯粒和P电极图形；
3）在衬底的底面形成N电极，制得LED芯片；
其特征在于还包括以下步骤：
4）对LED芯片正面的各颗芯粒进行正面半切，形成正面切割道；
5）通过具有上下CCD镜头的光刻机，在与正面切割道相对应的LED芯片背面进行光刻，制出背面切割走道；
6）在LED芯片正面形成保护层，用于遮盖P电极；
7）通过干法蚀刻法，对所述背面切割走道进行非等向性干法蚀刻，取得较正面切割道宽的背面切割道；
8）将LED芯片正面与张紧的薄膜相对，并使用倒膜机将薄膜贴合在LED芯片上；
9）使用刀片，自背面切割道向正面切割道切穿，即得发光二极管芯粒。
本发明先进行正面半切，然后在背面光刻出切割走道，经使用干法蚀刻技术蚀刻一定深度后，最后再从背面切穿LED芯片，可以得到具有较大倾斜侧面的芯粒，得到的是正面大、背面小芯粒结构。这种倾斜的侧面使得每一个出光面的可出光角度范围增大，出光面积增加，提升LED的出光效率。并且，该工艺不会对晶圆正面造成伤害，减小了正崩。
由于采用以上工艺，可使用较常规制作工艺相同品名光刻版芯粒尺寸小5～20μm的新铬版，从版图设计上减小芯粒尺寸，带来单片产出的提高。单片合格的芯粒颗数由常规工艺的90446颗增加到本发明工艺的103889颗，单片产出提高10%以上。
综上，本发明工艺简单，机台成本较低，在不降低发光二极管亮度的条件下，可提高发光二极管的单片产出，且对正崩和漏电有很大改善，特别适合于生产发光二极管为四元铝镓铟磷系垂直结构LED芯片。
步骤4）的正面切割道宽度为5～30μm。限制正面切割道宽度是为了减少刀片对正面发光区面积的损失，使得在减小光刻版尺寸的前提下，仍能获得与常规切割工艺相同尺寸的芯粒正面尺寸，为保持本发明制作的芯粒亮度不低于常规切割工艺芯粒亮度做铺垫。
步骤4）的正面切割道的深度为10～80μm。此深度首先要保证切穿外延层，把发光二极管芯片的正极（P区）完全分离，GaAs衬底作为公共的负极（N区），形成分离的发光二极管芯粒。另外，该正面半切深度也是为了最后从背面切割道向正面切割道切割时，刀片能够到达甚至重合一定深度的正面切割道，保证芯粒切穿。
步骤4）中正面半切除了可以采用相对薄的刀片切割，还可以使用ICP干法蚀刻、激光切割获得目标宽度范围的正面切割道，采用多种方式都能达到本发明的正面半切的工艺要求。
当步骤4）中采用刀片时，刀片厚度为5～30μm，步骤9）中的刀片厚度为15～50μm，且步骤4）中的刀片厚度小于所述步骤9）中的刀片厚度。步骤4）中使用较薄的刀片，可减少刀片对发光区的损失，使得在光刻版尺寸减小的前提下，仍能获得与常规切割工艺相同品名产品一样的发光区大小。而步骤9）中使用相对厚的刀片从背面切穿时，可使用更高的切割速率，提高了生产效率。且这种切割工艺可保障得到的是正面大、背面小芯粒结构。
为了，避免出现切割掉晶，步骤4）中，所述半切时，采用15～30℃的恒温纯水对刀片进行冷却，且纯水温度波动范围小于±1℃。
通过步骤7 ），形成的所述背面切割道的宽度为20～60μm，深度为20～90μm。可使用寿命更长的、较厚的钻石刀，且不会对晶圆正崩造成伤害，减小了正崩，且背面半切时刀速可提高，提高了切割效率。
为了使得晶圆正面与薄膜有很好的贴合，避免背面刀片切穿过程中的碎屑流入正面的发光区，造成脏污，影响产品外观，步骤8）中，所述压合时，倒膜机温度为20～70℃，压力为0.1～0.8MPa。所述薄膜为PE膜，倒膜机承片台和芯片表面的PE膜光滑面朝上。
使用PE膜，是利用了PE膜很薄、光滑、又具有一定硬度的特点，可保证倒膜机压合时，LED芯片不被压破。光滑面朝上可保障压合结束后，LED芯片能顺利从倒膜机的承片台上取下来。
步骤9）中，切穿时，以15～30℃的恒温纯水对刀片进行冷却，且纯水温度波动范围小于±1℃。纯水由于其含有的矿物离子很少，不会影响切割水的酸碱度，对LED芯粒接触面的薄膜粘性不会产生改变，避免了切割过程中掉晶等异常。纯水的水温范围及波动范围是为了避免薄膜随切割水温度变化而热胀冷缩，影响薄膜的粘性，导致切割掉晶。
附图说明
图1为常规切割时正面半切效果图。
图2为常规切割时正面切穿后的产品效果图。
图3为本发明制作工艺中正面半切效果图。
图4为本发明制作工艺背面切穿的产品效果图。
图5为采用本发明工艺和常规工艺分别取得的发光二极管封装亮度曲线对比图。
图6为本发明工艺和常规工艺制得的晶圆单片产出曲线对比图。
具体实施方式
一、发光二极管制作工艺：
实施例1：
1）在GaAs衬底上依次外延形成分布布拉格反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、窗口层。
2）使用较常规制作工艺相同品名光刻版芯粒尺寸小5μm的新铬版，在窗口层上制作芯粒和P电极图形。
3）在衬底的底面形成N电极，构成LED芯片。
4）使用厚度为5μm的钻石刀片对LED芯片正面进行半切，刀速为10mm/s，形成的正面切割道的深度为10μm，宽度为5.2μm，每颗芯粒都切割。切割时冷却水使用纯水，温度15℃，且温度波动范围不超过±1℃。
取得的结果如图3所示。
5）下片，并进行光电参数测试。
6）通过具有上下CCD镜头的光刻机，在与正面切割道相对应的LED芯片背面光刻出宽度为20μm、背面切割走道。
7）以常规方法，在LED芯片正面形成保护层用于遮盖P电极。
8）通过干法蚀刻技术，对背面切割道进行非等向性干法蚀刻，得到背面切割道宽度为20μm、深度为30μm，并使背面切割道的内底部与正面切割道内底部之间的距离为150μm。
以上“非等向性”为本领域的公知专业术语。非等向性蚀刻也叫各向异性蚀刻，是指刻蚀剂在某一方向的蚀刻速率远大于其它方向，从而保证细小图形转移后的保真性。
9）将LED芯片正面与绷紧的薄膜（如PE膜）相对，并使用倒膜机压合。
压合时，倒膜机温度20℃，时间5s，压力0.1MPa，倒膜机承片台和芯片表面均使用PE膜，光滑面朝上。
10）使用厚度为15μm的钻石刀片，自背面切割道向正面切割道对芯片进行切穿，即得到独立的发光二极管芯粒。
刀片进刀速度为25mm/s，切割用冷却水使用纯水，温度15℃，且温度波动范围不能超过±1℃。
取得的结果如图4所示。
11）下片，浸泡切割清洗液，晶圆水平放置，清洗液浸泡整个晶圆5min，再用高压水清洗。
12）使用倒膜机倒膜，分离去除晶圆表面的薄膜（PE膜），温度20℃，时间5s，压力0.1MPa。
13）目检，挑除不良品，使用CCD扫描合格的芯粒颗数。
实施例2：
1）在GaP衬底上依次形成分布布拉格反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、窗口层。
2）使用较常规制作工艺相同品名光刻版芯粒尺寸小10μm的新铬版，在窗口层上制作芯粒和P电极图形。
3）在衬底的底面形成N电极，构成LED芯片。
4）使用ICP干法蚀刻，在LED芯片正面光刻出切割道，取得宽度为20.3μm、深度为50μm的正面切割道。
取得的结果如图3所示。
5）下片，并进行光电参数测试。
6）通过具有上下CCD镜头的光刻机，在与正面切割道相对应的LED芯片背面光刻出宽度为30μm、背面切割走道。
7）以常规方法，在LED芯片正面形成保护层用于遮盖P电极。
8）通过干法蚀刻技术，对背面切割道以10°倾斜角度进行非等向性干法蚀刻，得到背面切割道宽度为30μm、深度为20μm，并使背面切割道的内底部与正面切割道内底部之间的距离为120μm。
9）将LED芯片正面与绷紧的PE膜相对，并使用倒膜机压合。
压合时，倒膜机温度35℃，时间20s，压力0.3MPa，倒膜机承片台和芯片表面PE膜的光滑面朝上。
10）使用厚度为30μm的钻石刀片，自背面切割道向正面切割道对芯片进行切穿，即得到独立的发光二极管芯粒。
刀片进刀速度为50mm/s，切割用冷却水使用纯水，温度25℃，且温度波动范围不能超过±1℃。
取得的结果如图4所示。
11）下片，浸泡切割清洗液，晶圆水平放置，清洗液浸泡整个晶圆20min，再用高压水清洗。
12）使用倒膜机倒膜，温度50℃，时间40s，压力0.5MPa。
13）目检，挑除不良品，使用CCD扫描合格的芯粒颗数。
实施例3：
1）在GaP衬底上依次形成分布布拉格反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、窗口层。
2）使用较常规制作工艺相同品名光刻版芯粒尺寸小20μm的新铬版，在窗口层上制作芯粒和P电极图形。
3）在衬底的底面形成N电极，构成LED芯片。
4）使用激光切割机对LED芯片正面进行半切，形成的正面切割道深度为80μm、宽度为30.1μm。
取得的结果如图3所示。
5）下片，并进行光电参数测试。
6）通过具有上下CCD镜头的光刻机，在与正面切割道相对应的LED芯片背面光刻出宽度为60μm、的背面切割走道。
7）以常规方法，在LED芯片正面形成保护层用于遮盖P电极。
8）通过干法蚀刻技术，对背面切割走道进行非等向性干法蚀刻，得到背面切割道宽度为60μm、深度为20μm，并使背面切割道的内底部与正面切割道内底部之间的距离为90μm。
9）将LED芯片正面与绷紧的PE膜相对，并使用倒膜机压合。
压合时，倒膜机温度70℃，时间60s，压力0.8MPa，倒膜机承片台和芯片表面PE膜的光滑面朝上。
10）使用厚度为50μm的钻石刀片，自背面切割道向正面切割道对芯片进行切穿，即得到独立的发光二极管芯粒。
刀片进刀速度为60mm/s，切割用冷却水使用纯水，温度30℃，且温度波动范围不能超过±1℃。
取得的结果如图4所示。
11）下片，浸泡切割清洗液，晶圆水平放置，清洗液浸泡整个晶圆30min，再用高压水清洗。
12）使用倒膜机倒膜，温度70℃，时间60s，压力0.8MPa；
13）目检，挑除不良品，使用CCD扫描合格的芯粒颗数。
二、验证产品性能：
图5为采用本发明工艺和常规工艺分别取得的发光二极管封装亮度曲线对比图。
其中，005为本发明工艺取得的发光二极管封装亮度曲线，006为常规工艺取得的发光二极管封装亮度曲线。
由图5可见：本发明工艺取得的发光二极管封装亮度不低于常规制作工艺的发光二极管封装亮度。
图6为本发明工艺和常规工艺制得的晶圆单片产出曲线对比图。
其中，007为本发明工艺制得的单片产出曲线，008为常规工艺制得的单片产出曲线。
由图6可见：本发明工艺制得的单片产出较常规工艺提高10%以上。
Claims (9)
1.一种提高发光二极管单片产出的制作方法，包括以下步骤：
1）在衬底上依次形成分布布拉格反射层、N型限制层、有源层、P型限制层、窗口层；
2）在窗口层上制作芯粒和P电极图形；
3）在衬底的底面形成N电极，制得LED芯片；
其特征在于还包括以下步骤：
4）对LED芯片正面的各颗芯粒进行正面半切，形成正面切割道；
5）通过具有上下CCD镜头的光刻机，在与正面切割道相对应的LED芯片背面进行光刻，制出背面切割走道；
6）在LED芯片正面形成保护层，用于遮盖P电极；
7）通过干法蚀刻法，对所述背面切割走道进行非等向性干法蚀刻，取得较正面切割道宽的背面切割道；
8）将LED芯片正面与张紧的薄膜相对，并使用倒膜机将薄膜压合在LED芯片上；
9）使用刀片，自背面切割道向正面切割道切穿，即得发光二极管芯粒。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于步骤4）的正面切割道宽度为5~30μm。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于步骤4）的正面切割道的深度为10～80μm。
4.根据权利要求1或2或3所述的制作方法，其特征在于步骤4）中所述的正面半切方法采用刀片、ICP干法蚀刻或激光切割。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于步骤4）中采用刀片时，刀片厚度为5～30μm，步骤9）中的刀片厚度为15～50μm，且步骤4）中的刀片厚度小于所述步骤9）中的刀片厚度。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于步骤4）中，采用15～30℃的恒温纯水对刀片进行冷却，且纯水温度波动范围小于±1℃。
7.根据权利要求2或3所述的制作方法，其特征在于步骤7 ）中，所述背面切割道的宽度为20～60μm，深度为20～90μm。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于步骤8）中，所述压合时，倒膜机温度为20～70℃，压力为0.1～0.8MPa，所述薄膜为PE膜，倒膜机承片台和芯片表面的PE膜光滑面朝上。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于步骤9）中，切穿时，以15～30℃的恒温纯水对刀片进行冷却，且纯水温度波动范围小于±1℃。
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