CN111496379A - 用于减少在管芯级激光剥离期间所受机械损伤的蓝宝石收集器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蓝宝石收集器（SC），包括一个或多个特征（结构特征及参数特征），以用于在管芯级激光剥离（LLO）期间捕获从半导体结构移除的管芯大小的蓝宝石芯片。这些特征经设计以增加每个蓝宝石芯片在其从该半导体结构释放之后立即由该蓝宝石收集器稳固地捕获的可能性。该蓝宝石收集器包括具有拾取元件的真空增强收集器及进一步引导该芯片至该收集器隧道从而导向废弃仓的空气推进器，其中拾取元件将每个所释放的芯片抬起至该收集器中。

Description

用于减少在管芯级激光剥离期间所受机械损伤的蓝宝石收 集器

相关申请

本申请是于2015年7月29日提交的申请号为201580056846.X、发明名称为“用于减少在管芯级激光剥离期间所受机械损伤的蓝宝石收集器”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及发光装置领域，特别涉及一种系统，该系统在蓝宝石衬底(其上生长有发光元件)的激光剥离期间减少对该发光装置的损伤。

背景技术

半导体装置(包括半导体发光元件)是在衬底上形成/生长，蓝宝石晶片衬底是常见的。在发光元件的实例中，GaN成核层可形成于蓝宝石衬底上，接着是一个或多个n型层、一个或多个有源层及一个或多个p型层。可形成穿过这些层且在这些层上的金属半导体，以经由最高(p型)层上方的接触焊盘提供n型层及p型层与外部电源的耦合，以激励该发光元件的（若干)有源层。

因为该金属接触焊盘一般是不透明或反射的，所以该发光元件设计为从与该接触焊盘相对的表面并且穿过该衬底发射光。为了提高光提取效率，可移除该衬底，以曝露半导体表面。半导体表面可经处理以进一步提高光提取效率。在一些情况下，一个或多个接触焊盘可放置在该装置的发光侧上。

激光剥离是一种通常用以从发光元件移除蓝宝石衬底的工艺。由于蓝宝石半导体界面处的半导体层的瞬时热分解，激光脉冲经投射穿过该蓝宝石衬底并且被蓝宝石半导体界面处的半导体层吸收，从而产生局部爆发性冲击波。

如果在晶片级处执行激光剥离(LLO），则在已处理整个晶片后移除晶片大小的蓝宝石衬底。另一方面，如果针对每个个别管芯执行激光剥离，则该管芯是倒装芯片安装在基座砖块(submount tile) 上，且该蓝宝石面向上。将激光应用到每个管芯，且该管芯大小的蓝宝石芯片在激光入射在每个管芯上后立即弹出至“蓝宝石收集器”或“五彩纸屑接收器”，将半导体结构留在该基座砖块上。该基座砖块随后经处理以在每个管芯上建立（例如）透镜元件，接着经截割/切片以提供个别发光装置。

在移除该蓝宝石且覆盖该管芯的时间之间，曝露该相对脆弱的半导体表面，该半导体表面易受机械损伤。在一组实例性生产过程(production run)期间，已经测得由于机械损伤所致的产率损耗为大约0.236%。

发明内容

在激光剥离后减少对发光元件的机械损伤的可能性将是有利的。

为更好地解决此顾虑，在本发明的一实施例中，蓝宝石收集器(SC)中包括一个或多个特征（结构特征及参数特征），以用于在管芯级激光剥离(LLO)期间捕获从半导体结构移除的管芯大小的蓝宝石芯片。这些特征经设计以增加每个蓝宝石芯片在其从该半导体结构释放后立即由该蓝宝石收集器稳固地捕获的可能性。该蓝宝石收集器包括具有拾取元件（其将每个所释放的芯片抬起至该收集器）的真空增强收集器，及进一步引导该芯片至该收集器隧道（该收集器隧道导向到废弃仓）的空气推进器。

在本发明的实施例中，增强由该蓝宝石收集器稳固地捕获所释放蓝宝石芯片的可能性的特征包括以下的一个或者多个。

为减少芯片碰撞收集器的顶部表面且弹回离开拾取元件的可能性，成角度的空气推进器可位于该收集器的顶部附近以引导芯片远离该顶部表面且更远到达收集器隧道。同时，互补的成角度的空气推进器可位于该收集器的底部附近以也引导拾取的芯片更远到达收集器隧道中，且进一步引导任何跳弹芯片远离拾取元件。为进一步增强这些空气推进器的效率，该空气推进器可被成形为具有高速度、低体积输出的气刀。

收集器隧道的入口可张开以将该收集器横截面区域最大化， 且减少芯片朝向该拾取区域跳弹回的可能性。可围绕该拾取元件的内部建立沟槽以防止设法滑出该张开的隧道开口或靠近该拾取元件的任何芯片离开该拾取元件。

面向基台上管芯的收集器的外表面可以是倾斜的以减少“天然芯片（wild chip）”在该基台与该收集器的下表面之间重复跳弹的可能性。拾取元件及所提供的真空也可被设计以最佳化所释放的芯片将被迫使进入收集器的可能性。

在本发明的一实例性实施例中，由于激光剥离后的机械损伤造成的产率损耗被从0.236%减少至0.023%量级。

附图说明

参考附图且由实例进一步详细解释本发明，其中：

图1A示出了实例性现有技术的蓝宝石收集器。

图1B及图1C示出了蓝宝石芯片在图1A的现有技术蓝宝石收集器中的逆向行进。

图2A至图2C示出了实质上减少在激光剥离后对该发光元件机械损伤可能性的蓝宝石收集器的一实例性实施例。

图3A至图3C示出了图2的蓝宝石收集器的实例尺寸。

整个附图中，相同附图标记表示类似或对应特征或功能。为说明性的目的包括了附图，但不意味着限制本发明的范围。

具体实施方式

在以下描述中，为解释而非限制的目的，描述了特定细节，诸如特殊架构、界面、技术等等，以提供对本发明概念的全面理解。然而，本领域技术人员将明白，本发明可在背离这些特定细节的其他实施例中实践。依类似方式，这里描述的内容是关于如附图中所示出的实例性实施例，不意欲限制所请求保护的发明以免超出权利要求书中所清楚包括的限制。为简化及简明的目的，忽略已知装置、电路及方法的详细描述以不致使本发明的描述由于不必要的细节而不清楚。

图1A示出了实例性现有技术蓝宝石收集器(SC) 120。 SC 120包括向两个隧道130A及130B敞开的收集器腔125 。这些隧道130是处于负压力下，分别引起隧道130A及130B中的真空流135A及135B。 SC 120 还包括至腔125的输入管140A及140B ，腔125在管140A及140B中分别提供压力流145A及145B。还可提供额外隧道及管。

激光元件110提供经由闸128进入SC120的脉冲激光束115 。闸128经设计以不阻挡激光束115 ，但防止任何蓝宝石芯片170在进入腔125后离开。闸128可以是（例如）透镜元件或简单地是格栅。

在SC 120下，具有所附接的蓝宝石衬底芯片170的多个发光元件160安装在基台150上。在激光剥离期间，由使SC 120相对于基台150移动或使基台150相对于开口 122移动至SC 120的腔125 ，而使SC 120位于具有所附接的蓝宝石芯片170的发光元件160上。

在发光元件160及芯片170位于开口 122下的情况中，应用脉冲激光束115 ，引起从发光元件160爆发性地释放芯片170 。向上力引起所释放芯片170进入开口 122，且真空流135A及135B引起该释放芯片170朝向隧道130A及130B行进。离开管140A及140B的加压气流145A及145B还用以推进该行进芯片170朝向隧道130 。

取决于相对于真空130及加压空气145的芯片170的初始剥离轨迹方向及速度，芯片170可直接或在一些跳弹之后进入真空隧道130中的其中一个真空隧道。理想地，因为芯片170的速度将不断减少且因此越来越受到真空135A、135B及加压气流145A、145B影响，所以即使芯片170围绕腔125内跳弹，芯片170最后仍将进入隧道130A、130B中的其中一个。

发明者已使用高速相机记录了关于基台150及开口 122的激光剥离操作，并且已观察到一些芯片170离开开口 122且引起损伤。

在一些情况下，芯片170悬停在开口 122下方且最后倒吸回腔125 ，未引起任何不利影响。然而，在其他情况下，如图1B中所示出，芯片170以足够向下的速度行进，其使真空流135A、135B及加压气流145A、145B不足以在芯片170离开开口 122且碰撞基台150之前逆转或变更其方向。此向下行进的可能原因是芯片170沿腔125的壁或顶部表面的跳弹。由于真空流135A、135B及加压气流145A、145B，最跳弹的芯片170可能最后吸入隧道130A、130B，但一些芯片170借助所安装发光元件160通过开口 122离开且碰撞基台150 。

在不具有所附接的蓝宝石芯片170的情况下，如果离开的芯片170 (即，带有已用激光器移除芯片170的元件160)在发光元件160所在的位置处碰撞基台150 ，则即使处于低速，该半导体表面的脆弱本质仍将可能导致元件160的毁坏。

图1C示出了所观察到的失败机制，其中离开的芯片170在SC 120 的下外表面126与基台150之间重复跳弹，引起（经常）对于基台150上的多个元件160的实质损伤。

如上文所解释，已在一组生产过程中观察到由于激光剥离后的机械损伤高达0.236%的产率损耗；且如随后所确定，此损耗产率的绝大部分(90%)是由于离开的芯片170遭受的损伤。还观察到由于图1C中所示出的重复跳弹，产生实质上多数的损伤。

图2A示出了蓝宝石收集器220的实例性实施例，该收集器实质上减少在激光剥离后对发光元件的机械损伤的可能性。

尤其应注意，SC 220包括单一隧道230 ，其具有管状部分231 及张开部分232 。张开部分232的窄端连接至管状部分231，且宽端连接至腔225 。张开部分232可以是圆锥形部分（诸如已移除尖端的圆锥形）。张开部分232与管状部分231可均具有圆形横截面，或该形状可以是更复杂。例如，张开部分232在其宽端可具有长方形横截面，其中张开部分232敞开至腔225 ，且在其窄端具有圆形横截面，在其窄端处张开部分232耦合至管状部分231 。在可替换实施例中，用于张开部分232或管状部分231的横截面可具有任何适合横截面（例如，方形、三角形、椭圆形）。同样地，腔225可具有长方形横截面、圆形横截面或任何适合横截面。腔225的横截面可以是沿其整个高度均相同或可以不同。

隧道230是保持在负压力处，导致真空力或真空流235 。尽管此更宽的隧道230可能需要比图1更窄隧道130A、130B更大的真空力235 ，但如下文所进一步详细描述，可提供特征以减少所建立真空的损耗。

激光元件110提供经由闸128进入SC 220的脉冲激光束115 。闸128经设计以不阻挡激光束115 ，但防止任何蓝宝石芯片170在进入腔225后离开。闸128可以是(例如）透镜元件或简单地是光栅 。

在SC 220下，具有所附接的蓝宝石衬底芯片170的多个发光元件160安装在基台150上。在激光剥离期间，由使SC 220相对于基台150移动或使基台150相对于开口222移动至SC 220的腔225，而使SC 220位于具有所附接蓝宝石芯片170的发光元件160上。

在发光元件160及芯片170位于开口 222下的情况中，从激光源110 应用脉冲激光束115 ，引起从发光元件160爆发性地释放芯片170 。

尽管腔225示为具有连接至隧道230的单一侧及与连接至隧道230相对的扁平侧，但可以设想其他构造且包括于本发明的范围内。腔225可具有圆形横截面或任何其他适合横截面，例如，方形、三角形、椭圆形。腔225可由横截面的任何适合组合（例如，紧邻激光器110的圆柱形部分及靠近晶片150的方形横截面)形成。

SC 220包括两个成角度的喷嘴，或将管240A及240B耦合至腔225 的空气推进器250A及250B(共同地称为空气推进器250)，且可突出至腔225。这些管240A、240B经由空气推进器250A及250B将压力流245A及245B引导至腔225 。空气推进器250A的其中一个位于靠近腔225的顶部，且成角度向下（即，朝向开口 222），以减少所释放的芯片170将碰撞腔225的顶部表面且从腔225的顶部表面跳弹的可能性，和/或减少该跳弹芯片将被引导朝向拾取开口 222的可能性。另一空气推进器250B位于靠近腔225的底部，且成角度向上（即，远离开口222）以将芯片170或任何跳弹芯片170引导至张开部分232 ，进一步减少跳弹芯片170将被引导朝向拾取开口 222的可能性。

如图2B（250A的侧视图、横截面)及图2C（250A的正视图）中所示出的，空气推进器250A、250B可被成形为具有例如薄但长开口/狭缝255A、255B的平行六面体的卷形（图2A中没有示出)的气刀。该气刀可延伸穿过腔225的内表面且引导流240A、240B通过窄狭鏠255A、255B朝向张开部分232 ，藉此在腔225中建立高速度气体层流。空气的这些层流建立剪切层，剪切层最小化芯片170通过该剪切层的可能性，特别是跳弹芯片170通过剪切层而不被引导朝向张开部分232的可能性。气刀250A、250B的薄开口 255A、255B还限制进入腔225 的空气体积，由此减少腔225内真空压力235的损耗，且增加SC 220 的拾取开口222处的真空力。尽管此实例性气刀具有长方形横截面(其具有被成形为碾磨过的长方形的狭缝），但可设想用于该气刀及该狭缝的任何其他适合形状（诸如配置在线中的多个孔口）且该形状可包括于本发明的范围内。

由于空气推进器250A、250B的气刀形状，绝大多数芯片170 (特特别是跳弹芯片170，其速度伴随每次跳弹不断减少)将通常进入张开部分232 。然而，一些芯片170可落在斜壁233上。因为这些芯片170没有初级气流进入隧道230 ，所以可能没有足够的真空力以将芯片170拉上斜壁233 ，且一些芯片170可朝向拾取开口222下滑。为防止这些芯片掉出拾取开口 222 ，可围绕拾取开口 222放置挡板280 ，从而形成沟槽（其中含有芯片170）。可提供用于从由挡板280形成的沟槽周期性地移除所捕获的芯片170的构件。

SC 220的外部可成形为减少由于跳弹芯片170 （诸如图1C中所示出)造成的极度损伤的可能性。尤其应注意，拾取开口 222可由用于实质上偏斜跳弹芯片170的斜壁270形成，从而最小化图1C的重复跳弹图案的机会。以类似方式，下部结构275可以是倾斜的以进一步防止重复跳弹图案。

在本发明的实施例中，真空力235及压力245的量可以是可调整的以为被剥离的蓝宝石芯片170的特殊尺寸及形状提供最佳气流。以类似方式，衬底150上的SC 220的高度272可以是可调整的以将至开口222的气流最佳化，同时是与基台150上的实际高度—样高，以避免由以低速离开开口 222的芯片170损伤且在该芯片170碰撞所曝露的半导体160之前倒吸回开口222 。所升高的高度还用以通过增加降落芯片170曝露至相反方向的真空力的时间而减少降落芯片170可用以碰撞基台150的力。

图3示出了图2的蓝宝石收集器的实例性尺寸，且表1示出了每个参数或者尺寸的实例值。

如所示出的，空气推进器250A、250B的数量可等于或大于1 。如果仅提供一个空气推进器250，则该空气推进器250可位于靠近腔225的顶部，以防止芯片跳弹出腔225的顶部。如果提供两个以上空气推进器250A、250B ，则该空气推进器250A、250B的取向角可以是从角度a1连续改变至角度a2。

尽管隧道的位置与推进器250A、250B对准，但该对准仅需要是近似，且可能取决于隧道230中真空及来自空气推进器250A、250B的压力的相对强度。例如，如果该真空力大，使得绝大多数芯片进入隧道230而无需来自空气推进器250A、250B的帮助，则空气推进器250A、250B可位于腔225中的更高处，其功能主要是重新引导具有高垂直速度的那些芯片朝向水平且引导至隧道230 。

为了最佳化生产时间，快速移动基台150或SC 220以在开口222下放置每个下一个具有芯片170的半导体160 。在一些实施例中，由于平台移动的加速及减速，基台150以变化的速度Vs行进，且当具有芯片170的半导体160行进至开口222下时激励激光器。剥离后所得的芯片速度将等于行进速度Vs及由真空Vv引发的速度的矢量和，包括由于芯片170从半导体160激光分离所致的初始速度。当激励激光器时，此矢量和Vvs必须指向开口222内。因此，开口222可以是细长形（长方形）以容纳由横向行进速度Vs产生的偏移。以类似方式，如果SC220以速度Vs行进且基台150保持固定，则开口 222还可以是细长形以容纳SC 220的移动。在一些实施例中，基台150经移动以将下一个具有芯片170的半导体160放置在该开口下，且在激励激光器之前完全停止。

表1的其他参数及尺寸对于本领域技术人员来讲本身是清楚的，且不需要进一步详述。

如上文所解释，高速相机记录已提供证据，即，使用本发明各方面的产率损耗在一个实例中已从0.236%减少至0.023%量级。此外，散出率（每被处理芯片数量的离开拾取开口的芯片数量）已良好地平均从4.31%（25/580）减少到0.24%（1.4/580）量级。

尽管已在附图及先前说明书中详细示出了并且描述了本发明，但这些示出及描述是示意性或例示性的而不是限制性的；本发明不限于所揭示的实施例。本领域技术人员可在实践所要求保护的发明时根据对附图、公开内容及随附权利要求书的研究，对于所公开实施例的其他变化也是可以理解和有效的。在权利要求书中，单词“包括”不排除其他元件或步骤，且不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中列举的特定措施的简单事实并不代表这些措施的组合不具有优越性。权利要求书中的任何附图标记不应理解为限制本发明的范围。

Claims (20)

1.一种系统，包括容器和第一喷嘴，

该容器包括：

顶部表面，限定第一开口，

底部表面，限定第二开口，

多个侧表面，所述多个侧表面中的第一侧表面在所述容器的上半部分中限定第三开口，并且与所述多个侧表面中的所述第一侧表面相对的所述多个侧表面中的第二侧表面限定第四开口，

腔，在所述第一开口和所述第二开口之间延伸通过所述容器，

第一隧道，在所述第三开口和所述腔之间延伸，和

第二隧道，在所述第四开口和所述腔之间延伸；并且

该第一喷嘴至少部分地在所述第一隧道中，并且成角度地朝向所述容器的所述底部表面。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一喷嘴以≤90°的角度成角度地朝向所述容器的所述底部表面。

3. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第一喷嘴具有狭缝，该狭缝贯穿所述第一喷嘴而形成，并且所述狭缝具有在25 µm与75 µm之间的厚度。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述多个侧表面中的所述第一侧表面还在所述容器的下半部分中限定第五开口，

所述容器还包括第三隧道，所述第三隧道在所述第五开口和所述腔之间延伸，和

所述系统还包括第二喷嘴，所述第二喷嘴至少部分地在所述第三隧道中，并且成角度地朝向所述容器的所述顶部表面。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二喷嘴以≤90°的角度成角度地朝向所述容器的所述顶部表面。

6. 根据权利要求4所述的系统，其中所述第二喷嘴具有狭缝，该狭缝贯穿所述第二喷嘴而形成，并且所述狭缝具有在25 µm与75 µm之间的厚度。

7. 根据权利要求1所述的系统，其中所述第二隧道包括：

第一部分，邻近所述第四开口，具有基本一致的直径，和

第二部分，在所述第一部分和所述腔之间，具有从所述第一部分到所述腔的向外逐渐变窄的直径，并且与所述容器的所述顶部表面中的所述第一开口和所述容器的所述底部表面中的所述第二开口接合。

8.根据权利要求1所述的系统，还包括在所述容器的所述顶部表面中的所述第一开口之上或之中的透镜和格栅中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一隧道被配置成在所述系统的操作期间接收气流，并且所述第二隧道被配置成在所述系统的操作期间保持真空。

10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述气流在操作期间具有>-0.6 MPa的压力，并且所述真空在所述系统的操作期间<-6 kPa。

11.一种系统，包括容器和第二空气推进器，

所述容器包括：

顶部表面，限定第一开口，

底部表面，限定第二开口，

多个侧表面，所述多个侧表面中的第一侧表面限定第三开口，并且与所述多个侧表面中的所述第一侧表面相对的所述多个侧表面中的第二侧表面限定第四开口，

腔，在所述第一开口和所述第二开口之间延伸通过所述容器，

第一隧道，在所述第三开口和所述腔之间延伸，和

第二隧道，在所述第三开口和所述腔之间延伸，所述第二隧道包括：

第一部分，邻近所述第四开口，具有基本一致的直径，和

第二部分，在所述第一部分和所述腔之间，具有从所述第一部分到所述腔的向外逐渐变窄的直径，并且与所述容器的所述顶部表面中的所述第一开口和所述容器的所述底部表面中的所述第二开口接合；并且

所述第一空气推进器至少部分地在所述第一隧道中。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二部分的直径以≤45°的角度逐渐变窄。

13.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一部分的所述基本一致的直径大于或等于所述第二开口的宽度。

14.根据权利要求11所述的系统，其中：

所述多个侧表面中的所述第一侧表面还限定第五开口，

所述容器还包括在所述第五开口和所述腔之间延伸的第三隧道，和

所述系统还包括至少部分地在所述第三隧道中的第二空气推进器。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第一部分的所述基本一致的直径大于或等于沿所述腔的轴线的所述第一空气推进器和所述第二空气推进器之间的距离。

16.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一隧道被配置成在所述系统的操作期间接收气流，并且所述第二隧道被配置成在所述系统的操作期间保持真空。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述气流在操作期间具有>-0.6MPa的压力，并且所述真空在所述系统的操作期间<-6kPa。

18.根据权利要求11所述的系统，还包括在所述容器的所述顶部表面中的所述第一开口之上或之中的透镜和格栅中的至少一个。

19.一种系统，包括容器，该容器包括：

顶部表面，限定第一开口，

底部表面，限定第二开口，

多个侧表面，所述多个侧表面中的第一侧表面在所述容器的上半部分中限定第三开口，并且与所述多个侧表面中的所述第一侧表面相对的所述多个侧表面中的第二侧表面限定第四开口，

腔，在所述第一开口和所述第二开口之间延伸通过所述容器，

第一隧道，在所述第三开口和所述腔之间延伸，并且被配置成在所述系统的操作期间接收具有>-0.6 MPa的压力的气流，和

第二隧道，在所述第四开口和所述腔之间延伸，并且被配置成在所述系统的操作期间保持<-6 kPa的真空。

20. 根据权利要求19所述的系统，其中所述第二隧道包括：

第一部分，邻近所述第四开口，具有基本一致的直径，和

第二部分，在所述第一部分和所述腔之间，具有从所述第一部分到所述腔的向外逐渐变窄的直径，并且与所述容器的所述顶部表面中的所述第一开口和所述容器的所述底部表面中的所述第二开口接合。

Images