TW201616590A - 用於減少在晶粒級雷射掀離製程期間所受機械損傷之藍寶石收集器 - Google Patents

用於減少在晶粒級雷射掀離製程期間所受機械損傷之藍寶石收集器 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種藍寶石收集器(SC)，其中包含一或多個特徵(結構的及參數的兩者)，該等特徵用於在晶粒級雷射掀離製程(LLO)期間擷取自一半導體結構移除之晶粒大小藍寶石晶粒。此等特徵經設計以增加每個藍寶石晶粒在其自該半導體結構釋放之後立即藉由該藍寶石收集器穩固地擷取之可能性。該藍寶石收集器包含具有一拾取元件(其將每個所釋放之晶粒掀起至該收集器)之一真空增強收集器及進一步引導該等晶粒至該收集器隧道從而導致一廢棄倉之空氣推進器。

Description

用於減少在晶粒級雷射掀離製程期間所受機械損傷之藍寶石收集器
本發明關於發光裝置之領域，且特定言之關於一系統，其在該藍寶石基板(該發光元件在其上生長)之雷射掀離製程期間減少對該等發光裝置之損傷。
半導體裝置(包含半導體發光元件)在一基板上形成/生長，藍寶石晶圓基板係常見的。在一發光元件之實例中，一GaN成核層可形成於一藍寶石基板上，接著一或多個n型層、一或多個作用層及一或多個p型層。金屬半導體可經形成而穿過且在該等層上，以經由最高(p型)層上方之接觸墊提供n型層及該p型層至一外部電源之耦合，以啟動該發光元件之(若干)作用層。
因為該等金屬接觸墊大體上係不透明或反射的，所以該發光元件經設計以自與該等接觸墊對立之該表面且穿過該基板發射光。為改良光提取效率，可移除該基板，以曝露半導體表面。該半導體表面可經處理以進一步提高該光提取效率。在一些情況下，一或多個接觸墊可放置在該裝置之發光側上。
雷射掀離製程係通常用以自發光元件移除藍寶石基板之一程序。歸因於藍寶石半導體介面處之半導體層之瞬時熱分解，一雷射脈 衝經投射穿過該藍寶石基板且係被該介面處之該半導體層吸收，從而產生一局部爆發性爆震波。
如果在晶圓級處執行雷射掀離製程(LLO)，則已處理整個晶圓之後移除晶圓大小藍寶石基板在。另一方面，如果針對每個個別晶粒執行雷射掀離製程，則該等晶粒係覆晶安裝在一基台磚(submount tile)上，且該藍寶石面向上。施用雷射至每個晶粒，且該等晶粒大小藍寶石晶粒在雷射入射在每個晶粒上之後立即彈出至一「藍寶石收集器」或「打孔卡接收器」，將半導體結構留在該基台磚上。該基台磚隨後經處理以跨越每個晶粒建立(例如)透鏡元件，接著經截割/切片以提供個別發光裝置。
在移除該藍寶石且覆蓋該等晶粒之時間之間，曝露該相對脆性之半導體表面，且該半導體表面易受機械損傷。在一組實例生產運作時間(production run)期間，歸因於機械損傷之產率損耗已量測為大約0.236%。
在雷射掀離製程之後減少對一發光元件之機械損傷之可能性將為有利的。
為更佳地解決此顧慮，在此發明之一實施例中，一藍寶石收集器(SC)中包含一或多個特徵(結構的及參數的兩者)，該等特徵用於在晶粒級雷射掀離製程(LLO)期間擷取自一半導體結構移除之晶粒大小藍寶石晶粒。此等特徵經設計以增加每個藍寶石晶粒在其自該半導體結構釋放之後立即藉由該藍寶石收集器穩固地擷取之可能性。該藍寶石收集器包含具有一拾取元件(其將每個所釋放之晶粒掀起至該收集器)之一真空增強收集器及進一步引導該等晶粒至該收集器隧道從而導致一廢棄倉之空氣推進器。
在此發明之實施例中，增強藉由該藍寶石收集器穩固地擷取一 所釋放之藍寶石晶粒之可能性之該等特徵包含以下之一或多者。
為減少該晶粒碰撞該收集器之一頂部表面且彈回離開該拾取元件之可能性，一成角度的空氣推進器可位於該收集器之頂部附近以引導該等晶粒遠離該頂部表面且更遠至該收集器隧道。同時，一互補成角度的空氣推進器可位於該收集器之底部附近以亦引導該等拾取晶粒更遠至該收集器隧道中，且進一步引導任何跳彈晶粒遠離該拾取元件。為進一步增強此等空氣推進器之效率，該等空氣推進器可被塑形為具有高速度、低體積輸出之氣刀。
該收集器隧道之入口可外展以將該收集器橫截面區域最大化，且減少一晶粒朝向該拾取區域跳彈回之可能性。可圍繞該拾取元件之內部建立一溝渠以防止設法滑出該外展之隧道開口或另靠近該拾取元件之任何晶粒離開該拾取元件。
面向該基台上之該等晶粒之該收集器之外表面可係傾斜的以減少一「天然晶粒(wild chip)」在該基台與該收集器之下表面之間重複跳彈之可能性。該拾取元件，及所提供之該真空亦可經設計以最佳化所釋放之一晶粒將迫使進入該收集器之可能性。
在此發明之一實例實施例中，歸因於雷射掀離製程之後之機械損傷之產率損耗自0.236%減少至0.023%量級。
110‧‧‧雷射元件/雷射源
115‧‧‧脈衝雷射束
120‧‧‧實例先前技術藍寶石收集器(SC)
122‧‧‧開口
125‧‧‧收集器腔
126‧‧‧下外表面
128‧‧‧閘
130A‧‧‧隧道
130B‧‧‧隧道
135A‧‧‧真空流
135B‧‧‧真空流
140A‧‧‧輸入管
140B‧‧‧輸入管
145A‧‧‧壓力流/加壓氣流
145B‧‧‧壓力流/加壓氣流
150‧‧‧基台/晶圓/基板
160‧‧‧發光元件/半導體
170‧‧‧藍寶石晶粒/藍寶石基板晶粒
220‧‧‧藍寶石收集器(SC)
222‧‧‧開口/拾取開口
225‧‧‧腔
230‧‧‧隧道
231‧‧‧管狀部分
232‧‧‧外展部分
233‧‧‧斜壁
235‧‧‧真空力/真空流/真空壓力
240A‧‧‧管
240B‧‧‧管
245A‧‧‧壓力流
245B‧‧‧壓力流
250A‧‧‧空氣推進器/氣刀
250B‧‧‧空氣推進器/氣刀
255A‧‧‧開口/狹縫
255B‧‧‧開口/狹縫
270‧‧‧斜壁
272‧‧‧高度
275‧‧‧下部結構
280‧‧‧障壁
a1‧‧‧角度
a2‧‧‧角度
b‧‧‧錐形角度
D‧‧‧隧道直徑
g‧‧‧斜切角度
H‧‧‧溝渠高度
O‧‧‧開口寬度
P‧‧‧壓力
S‧‧‧狹縫厚度
V‧‧‧真空
Vs‧‧‧行進速度
Vv‧‧‧真空速度
Vvs‧‧‧向量加總
W‧‧‧狹縫寬度
參考附圖且藉由實例進一步詳細解釋本發明，其中：圖1A繪示一實例先前技術藍寶石收集器。
圖1B及圖1C繪示一藍寶石晶粒在圖1A之先前技術藍寶石收集器中之逆向行進。
圖2A至圖2C繪示實質上減少在雷射掀離製程之後對該發光元件之機械損傷之可能性之一藍寶石收集器之一實例實施例。
圖3A至圖3C繪示圖2之藍寶石收集器之實例尺寸。
整個圖式中，相同元件符號表示類似或對應特徵或功能。為繪示之目的包含圖式但不意欲限制本發明之範疇。
在以下描述中，為解釋而非限制之目的，描述特定細節(諸如特殊架構、介面、技術等等)以提高本發明之概念之一全面理解。然而，熟習技術者將明白本發明可在背離此等特定細節之其他實施例中實踐。依類似方式，此描述之內容係關於如該等圖中所繪示之實例實施例，且不意欲限制所請求之發明超出申請專利範圍中所清楚包含之限制。為簡化及簡明之目的，忽略已知裝置、電路及方法之詳細描述以不致使本發明之描述由於不必要之細節而不清楚。
圖1A繪示一實例先前技術藍寶石收集器(SC)120。SC 120包含向兩個隧道130A及130B敞開之一收集器腔125。此等隧道130係處於負壓力下，分別引起隧道130A及130B中之真空流135A及135B。SC 120亦包含至腔125之輸入管140A及140B，腔125在管140A及140B中分別提供一壓力流145A及145B。亦可提供額外隧道及管。
一雷射元件110提供經由一閘128進入SC 120之一脈衝雷射束115。閘128經設計以不阻擋雷射束115，但防止任何藍寶石晶粒170在進入腔125之後離開。閘128可係(例如)一透鏡元件或簡單地係一光柵。
在SC 120下，具有所附接之藍寶石基板晶粒170之複數個發光元件160安裝在一基台150上。在雷射掀離製程期間，藉由使SC 120相對於基台150移動或使基台150相對於開口122移動至SC 120之腔125，而使SC 120位於具有所附接之一藍寶石晶粒170之一發光元件160上。
在發光元件160及晶粒170位於開口122下之情況中，施用脈衝雷射束115，引起自發光元件160爆發性地釋放晶粒170。向上力引起所釋放之晶粒170進入開口122且真空流135A及135B引起該晶粒朝向隧 道130A及130B行進。離開管140A及140B之加壓氣流145A及145B亦用以推進行進晶粒170朝向隧道130。
取決於相對於真空130及加壓空氣145之晶粒170之初始掀離軌跡方向及速度，晶粒170可直接或在一些跳彈之後進入真空隧道130之一者。理想地，因為晶粒170之速度將不斷減少且因此越來越受到真空135A、135B及加壓氣流145A、145B影響，所以即使晶粒170圍繞腔125內跳彈，晶粒170最後仍將進入隧道130A、130B之一者。
發明者已使用一高速相機記錄關於基台150及開口122之雷射掀離製程操作，且已觀察到一些晶粒170離開開口122且引起損傷。
在一些情況下，晶粒170懸停在開口122下方且最後倒吸回腔125，未引起任何不利影響。然而，在其他情況下，如圖1B中所繪示，晶粒170以一足夠向下之速度行進，其使真空流135A、135B及加壓氣流145A、145B不足以在晶粒170離開開口122且碰撞基台150之前逆轉或變更其方向。此向下行進之可能原因係晶粒170沿腔125之壁或頂部表面之一跳彈。歸因於真空流135A、135B及加壓氣流145A、145B，最跳彈之晶粒170可能最後吸入隧道130A、130B，但一些晶粒170藉助所安裝發光元件160通過開口122離開且碰撞基台150。
如果離開之晶粒170在不具有所附接之一藍寶石晶粒170(即，已用雷射移除含晶粒170之元件160)之發光元件160位於之一位置處碰撞基台150，則即使處於一低速，該半導體表面之脆性本質仍將可能導致元件160之毀壞。
圖1C繪示所觀察到之一失敗機制，其中離開之晶粒170在SC 120之下外表面126與基台150之間重複跳彈，引起(經常)對於基台150上之多個元件160之實質損傷。
如上文所解釋，已在一組生產運作時間中觀察到歸因於雷射掀離製程之後之機械損傷之高達0.236%之產率損耗；且如隨後所判定， 此損耗產率之絕大部分(90%)係歸因於離開之晶粒170遭受之損傷。亦觀察到歸因於圖1C中所繪示之重複跳彈，產生一實質上多數之損傷。
圖2A繪示一藍寶石收集器(SC)220之一實例實施例，該收集器實質上減少在雷射掀離製程之後對發光元件之機械損傷之可能性。
尤其應注意，SC 220包含一單一隧道230，其具有一管狀部分231及一外展部分232。外展部分232之一窄端連接至管狀部分231且一寬端連接至一腔225。外展部分232可係一圓錐形部分(諸如已移除一尖端之一圓錐形)。外展部分232與管狀部分231可均具有一圓形橫截面，或該等形狀可係更複雜。例如，外展部分232在其寬端可具有一長方形橫截面，其中該部分敞開至腔225，且在其窄端具有一圓形橫截面，其中該部分耦合至管狀部分231。在替代物中，用於外展部分232或管狀部分231之橫截面可具有任何適合橫截面(例如，方形、三角形、橢圓形)。同樣地，腔225可具有一長方形橫截面、一圓形橫截面或任何適合橫截面。腔225之橫截面可係沿其整個高度均相同或可不同。
隧道230係保持在負壓力，導致一真空力或真空流235。儘管此更寬之隧道230可需要比圖1之更窄之隧道130A、130B更大之一真空力235，但如下文所進一步詳細描述，可提供減少所建立之真空之損耗。
一雷射元件110提供經由一閘128進入SC 220之一脈衝雷射束115。閘128經設計以不阻擋雷射束115，但防止任何藍寶石晶粒170在進入腔225之後離開。閘128可係(例如)一透鏡元件或簡單地係一光柵。
在SC 220下，具有所附接之藍寶石基板晶粒170之複數個發光元件160安裝在一基台150上。在雷射掀離製程期間，藉由使SC 220相對 於基台150移動或使基台150相對於開口222移動至SC 220之腔225而使SC 220位於具有所附接之一藍寶石晶粒170之一發光元件160上。
在發光元件160及晶粒170位於開口222下之情況中，自雷射源110施用脈衝雷射束115，引起自發光元件160爆發性地釋放晶粒170。
儘管腔225展示為具有連接至隧道230之一單一側及對立於連接至隧道230之一扁平側，但其他構形可經設想且包含於本發明之範疇內。腔225可具有一圓形橫截面或任何其他適合橫截面(例如，方形、三角形、橢圓形)。腔225可由橫截面之任何適合組合(例如，緊鄰雷射110之一圓柱形部分及靠近晶圓150之一方形橫截面)形成。
SC 220包含兩個成角度的噴嘴，或將管240A及240B耦合至腔225之空氣推進器250A及250B(共同地係空氣推進器250)，且可突出至腔225。此等管240A、240B經由空氣推進器250A及250B將壓力流245A及245B引導至腔225。空氣推進器250A之一者位於靠近腔225之頂部，且成角度向下(即，朝向開口222)，以減少所釋放之晶粒170將碰撞腔225之一頂部表面且自腔225之頂部表面跳彈之可能性及/或減少該等跳彈晶粒將被引導朝向拾取開口222之可能性。另一空氣推進器250B位於靠近腔225之底部，且成角度向上(即，遠離開口222)以將晶粒170或任何跳彈晶粒170引導至外展部分232，進一步減少跳彈晶粒170將被引導朝向拾取開口222之可能性。
如圖2B(250A之橫截面之側視圖)及圖2C(250A之正視圖)中所繪示，空氣推進器250A、250B可被塑形為具有如具有一薄但長開口/狹縫255A、255B之一平行六面體之卷形(volume shaped)氣刀。該等氣刀可延伸穿過腔225之內表面且引導流240A、240B通過窄狹縫255A、255B朝向外展部分232，藉此在腔225中建立高速度氣體層流。空氣之此等層流建立剪切層，其最小化一晶粒170通過該等剪切層之可能性且特定言之係跳彈晶粒170通過剪切層而不被引導朝向外展部分232 之可能性。氣刀250A、250B之薄開口255A、255B亦限制進入腔225之空氣之體積，由此減少腔225內真空壓力235之損耗，且增加SC 220之拾取開口222處之真空力。儘管此實例氣刀具有一長方形橫截面(其具有被塑形為一研磨長方形(milled rectangle)之一狹縫)，但可設想用於該氣刀及該狹縫之任何其他適合形狀(諸如配置在一線中之複數個孔口)且該等形狀可包含於本發明之範疇內。
由於空氣推進器250A、250B之氣刀形狀，絕大多數晶粒170(特定言之係跳彈晶粒170(其速度伴隨每次跳彈不斷減少))將大體上進入外展部分232。然而，一些晶粒170可落在斜壁233上。因為此等晶粒170沒有初級氣流至隧道230，所以可能沒有足夠的一真空力以將晶粒170拉上斜壁233，且晶粒170之一些晶粒可朝向拾取開口222下滑。為防止此等晶粒掉出拾取開口222，可圍繞拾取開口222放置一障壁280，從而形成一溝渠(其中含有晶粒170)。可提供用於自藉由障壁280形成之該溝渠週期性地移除所擷取之晶粒170之構件。
SC 220之外部可經塑形以減少歸因於一跳彈晶粒170(諸如圖1C中所繪示)之極度損傷之可能性。尤其應注意，拾取開口222可藉由用以實質上偏斜一跳彈晶粒170之斜壁270形成，從而最小化圖1C之重複跳彈圖案之機會。依類似方式，下部結構275可係傾斜的以進一步防止一重複跳彈圖案。
在此發明之一實施例中，真空力235及壓力245之量可係可調整的以為被掀離之藍寶石晶粒170之特殊大小及形狀提供一最佳氣流。依類似方式，基板150上之SC 220之高度272可係可調整的以將至開口222之氣流最佳化，而同時係與實際跨越基台150一樣高，以避免藉由以一低速離開開口222之晶粒170損傷且在該等晶粒碰撞所曝露之一半導體160之前倒吸回開口222。所升高之此高度亦用以藉由增加降落晶粒170中曝露至相反方向之真空力之時間而減少降落晶粒170可用以碰 撞基台150之力。
圖3繪示圖2之藍寶石收集器之實例尺寸，且表1繪示每個參數或尺寸之實例值。
如所繪示，空氣推進器250A、250B之數量可等於或大於1。如果 僅提供一個空氣推進器250A，則該推進器可位於靠近腔225之頂部，以防止晶粒跳彈出腔225之頂部。如果提供兩個以上空氣推進器250A、250B，則該等推進器之定向角可係自角度a1至角度a2之一連續變化。
儘管隧道之位置與推進器250A、250B對準，但該對準僅需要接近，且可取決於自空氣推進器250A、250B及隧道230中之真空之壓力之相對強度。例如，如果該真空力係較大，使得絕大多數晶粒進入隧道230而無需自空氣推進器250A、250B之一幫助，則空氣推進器250A、250B可位於腔225中之更高處，其功能主要係重新引導具有一高垂直速度之該等晶粒朝向該水平且至隧道230。
為最佳化生產時間，快速移動基台150或SC 220以在開口222下放置每個下一具有晶粒170之半導體160。在一些實施例中，歸因於行進移動之加速及減速，基台150以一變化之速度Vs行進，且當具有晶粒170之半導體160行進至開口222下時啟動雷射。掀離後所得之晶粒之速度將等於行進速度Vs及藉由真空Vv引發之速度之向量加總，包含歸因於自半導體160之晶粒170之雷射分離之初始速度。當啟動雷射時，此向量加總Vvs必須指向開口222內。據此，開口222可係長形(長方形)以容納藉由橫向行進速度Vs產生之偏移。依類似方式，如果SC 220以速度Vs行進且基台150經固持固定，則開口222亦可係長形以容納SC 220之移動。在一些實施例中，基台150經移動以將下一具有晶粒170之半導體160放置在該開口下且在啟動雷射之前完全停止。
表1之其他參數及尺寸係對於一般技術者顯而易見的且不需要進一步細節。
如上文所解釋，高速相機記錄已提供證據：使用此發明之態樣之產率損耗已自0.236%減少至0.023%量級。再者，沉降率(每個被處理之晶粒之數量之離開拾取開口之晶粒之數量)已良好地自4.31% (25/580)之一平均減少至0.24%(1.4/580)量級。
儘管已在圖式及先前描述中詳細繪示且描述本發明，但此繪示及描述係視為繪示的或例示性的且不是限制性的；本發明不限於所揭示之實施例。熟習技術者可在實踐所申請之發明中自圖式、揭示內容及隨附之申請專利範圍之一研究理解且影響對於所揭示之實施例之其他變化。在申請專利範圍中，單詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」不排除一複數。在互相不同獨立請求項中列舉特定措施之純事實並不代表此等措施之一組合不能有利地使用。申請專利範圍中的任何元件符號不應視為限制本範疇。
110‧‧‧雷射元件/雷射源
115‧‧‧脈衝雷射束
128‧‧‧閘
145A‧‧‧壓力流/加壓氣流
150‧‧‧基台/晶圓/基板
160‧‧‧發光元件/半導體
170‧‧‧藍寶石晶粒/藍寶石基板晶粒
220‧‧‧藍寶石收集器(SC)
222‧‧‧開口/拾取開口
225‧‧‧腔
230‧‧‧隧道
231‧‧‧管狀部分
232‧‧‧外展部分
233‧‧‧斜壁
235‧‧‧真空力/真空流/真空壓力
240A‧‧‧管
240B‧‧‧管
245B‧‧‧壓力流
250A‧‧‧空氣推進器/氣刀
250B‧‧‧空氣推進器/氣刀
270‧‧‧斜壁
272‧‧‧高度
275‧‧‧下部結構
280‧‧‧障壁

Claims (15)

  1. 一種收集器系統，其包括：一腔，其接收經由雷射掀離製程自一基台釋放之晶粒；一隧道，其提供一真空至該腔且自該腔移除該等晶粒；一斜切拾取元件，其自該收集器系統之一底側延伸，且包含一開口，該等晶粒通過該開口進入該腔。
  2. 如請求項1之收集器系統，其包含一障壁，該障壁包圍該開口且防止已進入該腔之晶粒離開該開口。
  3. 如請求項1之收集器系統，其中該斜切拾取元件具有至少45度之一斜切角度。
  4. 如請求項1之收集器系統，其中該收集器系統之底側係相對於該基台之一平面傾斜。
  5. 如請求項1之收集器系統，其中該隧道包含連接至該腔之一外展部分。
  6. 一種收集器系統，其包括：一腔，其接收經由雷射掀離製程自一基台釋放之晶粒；一隧道，其提供一真空至該腔且自該腔移除該等晶粒；及至少一個管，其經由一空氣推進器提供空氣壓力至該腔；其中該空氣推進器包含一氣刀，該氣刀提供一高速度、低體積空氣流至該腔。
  7. 如請求項6之收集器系統，其中該至少一個管位於該腔之一上半部且包含一空氣推進器，該空氣推進器定向於朝向該腔之一下半部。
  8. 如請求項6之收集器系統，其中該至少一個管位於該腔之一下半部且包含一空氣推進器，該空氣推進器定向於朝向該腔之一上 半部。
  9. 如請求項6之收集器系統，其中該隧道包含耦合至該腔之一外展部分。
  10. 如請求項6之收集器系統，其包含一斜切拾取元件，該斜切拾取元件自該收集器系統之一底側延伸，且包含一開口，該等晶粒通過該開口進入該腔。
  11. 一種收集器系統，其包括：一腔，其接收經由雷射掀離製程自一基台釋放之晶粒；一隧道，其提供一真空至該腔且自該腔移除該等晶粒；其中該隧道包含耦合至該腔之一外展部分。
  12. 如請求項11之收集器系統，其包含一管，該管位於該腔之一上半部且包含一空氣推進器，該空氣推進器定向於朝向該腔之一下半部；其中該空氣推進器包含一氣刀，該氣刀提供一高速度、低體積空氣流至該腔。
  13. 如請求項11之收集器系統，其包含一管，該管位於該腔之一下半部且包含一空氣推進器，該空氣推進器定向於朝向該腔之一上半部；其中該空氣推進器包含一氣刀，該氣刀提供一高速度、低體積空氣流至該腔。
  14. 如請求項11之收集器系統，其包含一斜切拾取元件，該斜切拾取元件自該收集器系統之一底側延伸，且包含一開口，該等晶粒通過該開口進入該腔。
  15. 如請求項11之收集器系統，其中該收集器系統之底側係相對於該基台之一平面傾斜。
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