一种利用激光切割制备蓝宝石衬底led芯片的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】
一种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法
技术领域
[0001] 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】
[0002] 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21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，而外量子效率的提尚成为目前半 导体照明LED关键技术之一。
[0003] 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3~5μπι，而蓝宝石衬底基本 在400~500μπι厚度，减薄之后，厚度仍有100μπι左右，对GaN基LED芯片的切割，其实就是对蓝 宝石进行切割。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 表层切割采用355nm或266nm紫外激光，切割深度一般在50μπι以内，难以进一步加 深。
[0007] 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。
[0008] 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-ΙΟμπι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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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"V'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"V'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。
[0013] 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 害J，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。
[0014] 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】
[0015] 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。
[0016] 本发明的技术方案如下：
[0017] -种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：
[0018] (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；
[0019] (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；
[0020] 通过隐形切割激光对LED芯片进行切割：
[0021]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_20μπι;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7-10μπι;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；
[0022] (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 J L 〇
[0023] 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：
[0024] 激光功率为 300-600mW;
[0025] Y方向激光频率为40-65KHZ;
[0026]隐形切割激光所在平台的移动速度为480-1350mm/s;
[0027] X方向激光频率为40-65KHZ;
[0028] 隐形切割激光所在平台移动速度280-650mm/s。
[0029] 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。
[0030] 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100-1200μπι。
[0031] 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。
[0032]本发明的优势在于：
[0033]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】
[0034] 图1为蓝宝石晶格结构图；其中，标记有a-Plane，C-Plane以及R-Plane;
[0035] 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；
[0036] 图3为经过激光切割后的单个晶粒的断面图；
[0037] 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】
[0038] 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。
[0039] 实施例1、
[0040] -种利用激光切割制备蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：
[0041 ] (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；
[0042] (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；
[0043] 通过隐形切割激光对LED芯片进行切割：
[0044]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_20μπι;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7-10μπι;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；
[0045] (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 J L 〇
[0046] 实施例2、
[0047] 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：
[0048] 激光功率为 300-600mW;
[0049] Y方向激光频率为40-65KHZ;
[0050]隐形切割激光所在平台的移动速度为480-1350mm/s;
[0051 ] X方向激光频率为40-65KHz;
[0052] 隐形切割激光所在平台移动速度280-650mm/s。
[0053] 实施例3、
[0054] 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。
[0055] 所述晶粒图形的长边和短边的长度范围：100-1200μπι。
[0056] 实施例4、
[0057]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760μπι，晶粒图形短边为254μπι;
[0058] 所述步骤(2)中对LED芯片的晶圆研磨的厚度为120μπι;
[0059] 步骤(2)中所述隐形切割激光的参数包括：
[0060] 激光功率为550mW;
[0061 ] Y方向激光频率为50KHz;
[0062]隐形切割激光所在平台的移动速度为800mm/s;激光打点深度50μπι，晶粒图形长边 方向激光打点间距为16μηι;
[0063] X方向激光频率为50ΚΗζ;
[0064]隐形切割激光所在平台移动速度500mm/s;激光打点深度44μπι，晶粒图形短边方向 激光打点间距为I Own。
[0065] 对比应用例、
[0066]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228μπι*508μπι，然后针对分别切割后的各项参 数进行对比如表1:
[0067]表1:常用的切割方法与本发明所述切割方法的对比表
L〇〇69」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。
【主权项】
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12-20μπι;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7-10μπι;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100-1200μπι。
【文档编号】H01L33/00GK105914267SQ201610367065
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】王贤洲, 彭璐, 刘琦, 王成新, 徐现刚
【申请人】山东浪潮华光光电子股份有限公司