无斜裂角LED芯片切割方法、光学透镜组件及激光切割设备与流程

本发明涉及激光加工技术领域，尤其涉及一种无斜裂角led芯片切割方法、光学透镜组件及应用该光学透镜组件的激光切割设备。

背景技术：

随着科学技术的发展，led芯片切割技术受到广泛研究，传统led芯片切割技术，在切割以蓝宝石为衬底的晶圆片时，由于蓝宝石晶格的原因，其中一个方向会产生一定的斜裂角度，且斜裂角度根据衬底的差异、晶圆衬底厚度的不同大小不同。由于这个特性使得传统切割方法在miniled的应用上存在限制。miniled要求会产生斜裂角的方向进行切割且其角度严格控制在1.5度以内，并且晶粒的大小比传统led芯片更小，而且要求切割后led晶粒的光电特性和传统的良品率相当。一般情况下光电性满足要求，而斜裂角又达不到要求；而斜裂角满足要求的情况下，晶圆的光电特性又遭到严重破坏。因此，控制符合要求的斜裂角度且其光电性又不受影响，是急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种无斜裂角led芯片的切割方法，旨在解决led芯片切割中无法同时满足产生的斜裂角度严格控制在1.5度以内且光电特性又不遭到破坏要求的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种无斜裂角led芯片的切割方法，对以蓝宝石为衬底的晶圆片进行切割，晶圆片位于蓝宝石正面，所述方法包括：激光器发出的激光束通过扩束镜增大光斑直径后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设直径；激光束通过激光光束整形镜组件转变成贝塞尔环型光束，所述贝塞尔环型光束聚焦到蓝宝石背面以进行垂直切割。

其中，固定所述蓝宝石晶圆片：在所述蓝宝石晶圆片外周粘贴一圈黏膜，用激光切割设备的固定夹具夹持所述黏膜外表面。

其中，所述扩束镜增大的光斑直径为r，5mm≤r≤11mm。

其中，所述预设直径的光斑透过所述激光光束整形镜组件对蓝宝石进行切割，切割后的蓝宝石断面的斜裂角的角度小于1.5度；

所述切割时的蓝宝石断面全部贯穿，或者所述切割时的蓝宝石断面所对应的背面或者正面留有留白区域。

其中，所述激光光束整形镜组件包括锥透镜和聚焦透镜，激光束依次通过锥透镜和聚焦透镜，所述聚焦透镜沿光轴放置，并平行于所述锥透镜。

其中，所述激光光束整形镜组件还包括第二可调光栅，所述第二可调光栅位于所述锥透镜和聚焦透镜之间，激光束依次通过锥透镜、第二可调光栅和聚焦透镜。

其中，所述贝塞尔环型光束聚焦到所述蓝宝石晶圆片背面的蓝宝石上是以同心圆的方式聚集，且所述蓝宝背面呈现出同心圆光束。

其中，所述光斑直径r包括6mm、7mm、8mm、9.8mm、10mm、10.1mm及10.2mm。

本发明还提供一种光学透镜组件，包括：依次放置的扩束镜、第一可调光栅和激光光束整形镜组件，所述激光光束整形镜组件包括锥透镜和聚焦透镜，所述聚焦透镜沿光轴放置，并平行于所述锥透镜；

激光束依次通过所述扩束镜、第一可调光栅、锥透镜和聚焦透镜，且从锥透镜输入并从聚焦透镜输出的激光束转变成贝塞尔环型光束。

本发明还提供一种激光切割设备，激光切割设备包括激光器、控制平台和如上所述的光学透镜组件，所述激光器用于发出一激光束，所述控制平台用于放置蓝宝石晶圆片和调节蓝宝石晶圆片位置，所述光学透镜组件用于将该激光束汇聚成贝塞尔环型光束，所述贝塞尔环型光束用于切割蓝宝石晶圆片为衬底的蓝宝石。

以上方案，激光器发出的激光束依次通过扩束镜、第一可调光栅、激光光束整形镜组件后转变成贝塞尔环型光束，贝塞尔环型光束具有多个焦点和指定的焦深，实现切割蓝宝石所需要的光斑大小和焦深，多个激光焦点使激光聚焦在蓝宝石的不同深度位置，形成不同改质层，借助改质层应力释放产生的裂纹能够连接在一起，形成蓝宝石厚度垂直切割，实现了切割后的led芯片无斜裂角的方法，同时晶圆片的光电特性保持完好，即且光电特性满足使用要求，提高了同一蓝宝石切割出单个芯片的数量和切割的良品率，尤其对斜裂角具有严格要求的对于miniled的芯片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种基于无斜裂角的led芯片的切割方法的流程图；

图2为本发明提供的蓝宝石晶圆片置于激光切割设备中的示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种无斜裂角led芯片的切割方法。

在led芯片制备工艺中切割裂片就是将整个芯片分割成所要求尺寸的单一晶粒，这是半导体发光二极管芯片制造工艺中一道必不可少的工序。激光切割时利用激光器发出的高能激光，经过透镜聚焦，在聚焦出达到极高功率密，处于其焦点处的工件受到高功率密度激光光斑照射，会产生局部高温，沿晶格面裂纹，使工件材质瞬间汽化和融化，同时通过控制平台带动工件移动，形成一种非接触式的新型切割模式，现已广泛用于芯片领域。

蓝宝石的成分为氧化铝，可见平行六方柱面排列的，深浅不同的平直色带和生长纹，且聚片双晶发育，常见百叶窗式双晶纹。由于蓝宝石切割时裂理多沿双晶面裂开。传统led芯片切割技术，从透镜组件输出的激光光束聚焦成一个焦点，焦点打在蓝宝石上进行切割，处于焦点处的蓝宝石开始裂片，由于蓝宝石自身结构的原因，两个相互垂直的切割方向，其中有一个方向切割后的单体led芯片，实际上是沿具有斜角面裂开，裂纹方向偏移切割位置，使得切割后的led芯片的断裂面边缘会出现5～12度的斜裂角，蓝宝石具有斜裂角会影响透光效果，降低同一蓝宝石切割出单个芯片的数量，降低切割的良品率。在本发明中，断面小于1.5度的斜裂角视为无斜裂角，如0度、1度等。尤其对于一些极小规格芯片制作，如miniled侧在生产过程是不允许出现斜裂角的，即miniled要求会产生斜裂角的方向进行切割且其角度严格控制在1.5度以内，常规的切割工艺无法做到不产生斜裂角度，本发明切割方法能够解决上述问题，提高了普通led芯片的切割品质，特别是在miniled领域，完美解决了斜裂角的难题，具体如下：

请结合参照图1，无斜裂角led芯片的切割方法对以蓝宝石为衬底的晶圆片进行切割，晶圆片位于蓝宝石正面，该方法包括以下步骤：

s1：激光器发出的激光束通过扩束镜增大光斑直径后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设直径；

其中，由于蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。因此，led芯片以蓝宝石作为衬底。将以蓝宝石为衬底的晶圆片放置于激光切割设备中。一个蓝宝石上设有很多切割位置，如500个、700个等。

其中，激光器是能发射激光的装置。扩束镜是能够改变激光光束直径和发散角的透镜组件。例如扩束镜通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，输入的凹透镜将一个虚焦距光束传送给输出的凹透镜。凹透镜输出的光束直径越大，发散角将会减小，提高了激光光束聚焦下效果，出光准直性好。光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的速度，发散角越小，光束准直行越好。由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。

由于激光器发出的激光束形成的光斑边缘部分分布不均匀，经过扩束镜增大该光斑，便于找出分布均匀的部分，将扩束镜增大的光斑的均匀部分入射到第一可调光栅上，再通过转动第一可调光栅来调节激光束入射第一可调光栅的入射角度，进而调节第一可调光栅输出的光斑大小，进而保证了光斑均匀的部分从第一可调光栅输出，提高切割效果。透过第一可调光栅的光斑越大切割蓝宝石厚度越深，根据所使用的蓝宝石晶圆片厚度的不同，所需要的光斑大小不一样，通过调节第一可调光栅将光斑调节到能够使得切割后的蓝宝石断面的斜裂角的角度小于1.5度的预设直径大小的光斑，预设直径的光斑可以是在不破快led芯片光电特性情况下，蓝宝石厚度方向完全裂开的安全值范围内。如果第一可调光栅的光斑偏大会损坏led芯片光电特性。

s2：激光束通过激光光束整形镜组件转变成贝塞尔环型光束，贝塞尔环型光束聚焦到蓝宝石背面以进行切割操作。

其中，因蓝宝石正面的晶圆片会挡住聚焦，所以对蓝宝石背面进行切割，激光光束整形镜组件是将输入的激光束转变成需要的形状。在本发明中，激光光束整形镜组件将激光束整成贝塞尔环型光束。激光光束整形镜组件包括锥透镜和聚焦透镜，激光束依次通过锥透镜和聚焦透镜，聚焦透镜沿光轴放置，并平行于所述锥透镜。贝塞尔环型光束具有多个光环，每个光环具有一个焦点，越大的光环焦点离锥透镜越远，打在蓝宝石上焦深越深。焦点，是指平行光线经透镜折射或曲面镜反射后的会聚点。焦深，是焦点深度的简称。在使用透镜时，当焦点对准某一物体时，不仅位于该点平面上的各点可以看清楚，而且在此平面的上下一定厚度内，也能看得清楚，这个清楚部分的厚度就是焦深。因此贝塞尔环型光束具有多个焦点，多个激光焦点使激光聚焦在蓝宝石晶圆片背面的蓝宝石的不同深度位置且形成垂直排布，一个焦点切割形成一个改质层，所谓改质层是指在蓝宝石晶片内部，密度、折射率、机械强度及其他物理特性处于与周围不同的状态的区域。作为改质层，可以列举出熔融处理区域、裂纹产生区域、绝缘破坏区域、折射率变化区域等、或者混合存在这些区域的区域。因此多个焦点切割形成不同改质层，借助改质层应力释放产生的裂纹能够连接在一起，形成蓝宝石厚度垂直切割，蓝宝石上具有多个切割位置，切割位置不需要沿晶格面切割，进而切割后的led芯片无斜裂角，也没有破坏led芯片光电特性。尤其对斜裂角具有严格要求的对于miniled，在斜裂角满足要求的情况下，晶圆的光电特性也没有遭到破坏。用于蓝宝石晶圆片背面，有利于贝塞尔环型光束透过蓝宝石，焦点聚焦在成不同深度位置，保证切割效果。

在本发明中，预设直径的光斑透过锥透镜和聚焦透镜对蓝宝石进行切割，切割后的蓝宝石断面的斜裂角的角度小于1.5度，切割时的蓝宝石断面全部贯穿，切割后的蓝宝石正、背面留有激光贯穿的炸点；或者切割时的蓝宝石断面所对应的背面或者正面留有留白区域，最深或最浅的焦点在蓝宝石内部聚焦产生局部高温进而出现可延伸至正、背面裂纹，切割后的蓝宝石正、背面无激光炸点。

当蓝宝石断面全部贯穿切割时斜裂角接近为0，蓝宝石背面会产生黑色炸点，在本发明中，蓝宝石断面全部贯穿的切割方式是指贝塞尔环型光束聚焦到蓝宝石背面后，在蓝宝石背面和正面的表面均具有聚焦的焦点，且和其他焦点在不同深度位置且形成垂直排布，切割时蓝宝石背面和正面的表面的焦点处会产生局部高温进而产生裂纹，其他焦点在蓝宝石内部会产生局部高温进而产生裂纹，这些裂纹能够连接在一起，使得切割后的蓝宝石沿垂直方向全部贯穿，切割后的蓝宝石背面和正面出现黑色炸点。

在保证斜裂角小于1.5度下，通过调整第一可调光栅也可以不全部贯穿等方式切割，贝塞尔环型光束焦到蓝宝石背面时，蓝宝石背面部分留白或正面部分留白，蓝宝石留白部分会出现延伸至表面的预裂纹。在本发明中，采用留白切割方式是指贝塞尔环型光束聚焦到蓝宝石背面后，在蓝宝石背面和正面的表面均没有聚焦的焦点，贝塞尔环型光束聚焦后的多个焦点穿过蓝宝石背面在其内部不同深度位置且形成垂直排布，蓝宝石背面的表面至与其最近的一个焦点之间的部分为蓝宝石背面部分留白区域，蓝宝石正面的表面至与其最近的一个焦点之间的部分为蓝宝石正面部分留白区域，切割时蓝宝石内部的多个焦点在蓝宝石内部会产生局部高温进而产生延伸至表面的预裂纹，蓝宝石正面部分留白区域和蓝宝石背面部分留白在切割时与其最近的焦点处产生局部高温使得留白区域产生延伸至表面的预裂纹，这些裂纹能够连接在一起，达到切割蓝宝石的目的，留白区域裂纹使得蓝宝石具有在允许范围内的斜裂角。

在本发明的技术方案中，激光器发出的激光束依次通过扩束镜、第一可调光栅、激光光束整形镜组件后转变成贝塞尔环型光束，贝塞尔环型光束具有多个焦点和指定的焦深，实现切割蓝宝石所需要的光斑大小和焦深，多个激光焦点使激光聚焦在蓝宝石的不同深度位置，形成不同改质层，借助改质层应力释放产生的裂纹能够连接在一起，形成蓝宝石厚度垂直切割，实现了切割后的led芯片无斜裂角，同时晶圆片的光电特性保持完好，光电特性满足使用要求，尤其适用于对斜裂角具有严格要求的miniled的芯片。

进一步地，请结合参照图2，激光器发出的激光束通过扩束镜增大光斑直径后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设直径之前，固定蓝宝石晶圆片：，在所述蓝宝石晶圆片1外周粘贴一圈黏膜2，，黏膜2外周环覆有固定夹具3，再用固定夹具3，如铁环，夹持在黏膜2外表面，并三者贴附紧密以防切割时松动而影响使用效果。再通过控制平台的水平矫正图片传感器(ccd)4对蓝宝石晶圆片1进行位置矫正，激光束通过光学透镜组件5对蓝宝石晶圆片1进行切割。蓝宝石晶圆片1表面相对光滑，黏膜2具有粘性，例如聚丙烯耐高温膜、pet膜等，使得与蓝宝石晶圆片1贴合紧密，便于铁环夹持，也起到对蓝宝石晶圆片1保护作用，以免铁环直接夹持作用而损伤，也提高安装的牢固性，同时使用耐高温膜防止切割产生高温而融化，进一步保证切割效率。固定夹具也可以为其他材质，如塑料材质等，在本发明中不进行一一限定。

其中，蓝宝石晶圆片1的ch1方向为无斜裂角方向，ch2方向为会产生斜裂角方向，在激光束通过聚焦透镜后聚焦到蓝宝石指定位置以进行切割操作，蓝宝石晶圆片1的ch1方向切割后斜裂角小于1.5度，且蓝宝石晶圆片的ch2方向切割后斜裂角小于1.5度。尤其对于miniled芯片，例如led芯片为miniled芯片，miniled芯片切割后断面全部贯穿或者留有留白区域。具体地，首先将用于切割miniled芯片的蓝宝石晶圆片1放置于激光切割设备中以被待切割，在对激光器发出的激光束通过光学透镜组件5：激光束先通过扩束镜增大光斑直径后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设大小，再通过锥透镜，整形后的激光束聚焦成缩小的环形光束，即贝塞尔环型光束，缩小的环形光束聚焦到蓝宝石晶圆片1指定位置先后进行ch1方向和ch2方向切割，蓝宝石晶圆片1切割后断面全部贯穿，切割后的miniled芯片背面可见炸点；或者采用不完全贯穿的方式，切割后的miniled芯片背面可见激光进入蓝宝石后在表面产生的炸点及内里可见预裂纹。

进一步地，在激光器发出的激光束通过扩束镜增大光斑直径后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设直径的步骤中，扩束镜增大的光斑直径为r，5mm≤r≤11mm，如r为6mm、7mm、8mm、9.1mm、9.5mm、9.6mm、9.8mm、10mm、10.1mm、10.2mm、10.3mm、10.4mm、10.5mm、10.6mm和10.7mm等。由于蓝宝石厚度不同和本身差异，所使用的通过第一可调光栅的光斑直径大小不同，如要切割厚度为h的蓝宝石，需要光斑的预设直径为6mm的光斑，激光器发出的激光束通过扩束镜后，再通过第一可调光栅将光斑压缩到预设直径6mm，但是如果采用大于6mm的光斑，如8mm的光斑，切割后的蓝宝石晶圆片1的光电特性就会遭到破坏。因此，需要透过第一可调光栅将光斑压缩至直径为6mm的光斑以满足led芯片光电特性和切割要求。

其中，聚焦透镜沿光轴放置，并平行于锥透镜，且相对于锥透镜的距离尺寸为a，198mm≤a≤343mm。根据透镜焦距的不同，a的值不同，如a为200mm、339mm，342mm，343mm、340mm、340.1mm，340.2mm，340.3mm，340.5mm等，只要能够输出满足切割条件的锥透镜就好。

为了便于光斑直径大小的调节，和输出均匀的光斑，在s2的步骤中，锥透镜和聚焦透镜之间还设有第二可调光栅。第二可调光栅与第一可调光栅都能进行调节，二者配合使用易于调节，调节更加准确，缩短调节时间。

其中，贝塞尔环型光束聚焦到蓝宝背面上是以同心圆的方式聚集，且蓝宝背面呈现出同心圆光束。同心圆的每个光环的焦点聚焦在蓝宝石不同深度位置，使得蓝宝石切割后不会沿晶格方向斜向预裂而是直接形成垂直断面，切割后的蓝宝石断面全部贯穿厚度或者留有留白区域，解决具有斜裂角的技术问题。

下面进行举例说明，将待切割的蓝宝石晶圆片的外周黏贴有黏膜，使得二者黏贴在一起，再用固定夹具，如铁环，夹持在黏膜外表面，并三者贴附紧密以防切割时松动而影响使用效果。在通过夹持将蓝宝石晶圆片固定于控制平台，根据使用的蓝宝石晶圆片厚度和特点及聚焦透镜的焦距，调好扩束镜、第一可调光栅、锥透镜、第一可调光栅和聚焦透镜等光学透镜组件的之间的距离和顺序以保证从光学透镜组件输出的贝塞尔环型光束既能使切割后的断面贯穿无斜裂角，又能保证光电特性。安装好光学透镜组件后，激光器发出的激光束依次通过扩束镜、第一可调光栅、锥透镜、第一可调光栅和聚焦透镜，输出的贝塞尔环型光束聚焦打在蓝宝石需要切割的位置呈现同心圆，从上而下进行切割至断面贯穿，调整好蓝宝石和光学透镜组件，依次进行切割下一个切割位置。

在本发明中还提出一种光学透镜组件，光学组件为上述实施例中的光学组件，请进一步地结合参照图2，光学透镜组件5包括：依次放置的扩束镜、第一可调光栅和激光光束整形镜组件，激光光束整形镜组件包括锥透镜和聚焦透镜，聚焦透镜沿光轴放置，并平行于锥透镜；

激光束依次通过扩束镜、第一可调光栅、锥透镜和聚焦透镜，且从锥透镜输入并从聚焦透镜输出的激光束转变成贝塞尔环型光束。

进一步地，锥透镜和聚焦透镜之间还设有第二可调光栅，第二可调光栅与第一可调光栅都能进行调节，二者配合使用易于调节，调节更加准确，缩短调节时间。本领域技术人员可知，光学透镜组件还设有反射镜等，再次不进行一一介绍。

在本发明中还提出一种应用如上所述光学透镜组件的激光切割设备，激光切割设备包括：激光器、控制平台和如上的光学透镜组件，激光器用于发出一激光束，控制平台用于放置蓝宝石晶圆片和调节蓝宝石晶圆片位置，光学透镜组件用于将该激光束汇聚成贝塞尔环型光束，贝塞尔环型光束用于切割蓝宝石晶圆片为衬底的蓝宝石。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。