CN107538136A - 一种利用激光切割蓝宝石衬底led芯片的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，利用紫外激光划片机在晶圆有电极一面切割20‑40μm深度的划槽、利用隐形激光划片机作用在所述晶圆内部，形成改质层：即通过调节隐形激光划片机的激光焦点深度使激光聚焦在晶圆的不同深度位置，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。将经本发明所述的方法加工后的蓝宝石衬底晶圆利用裂片机沿所述裂纹方向进行劈裂，使其分割成一个个独立的发光单元，即完成切割。本发明所述方法对厚度尺寸较大的蓝宝石衬底晶圆进行切割，能有效提升其切割成品率，避免切割后的芯片产生双晶、崩边、斜裂现象，有效的提高切割的芯片外观良率。

Description

一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法

技术领域

本发明涉及一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，属于LED芯片切割的技术领域。

背景技术

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2l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，而外量子效率的提高成为目前半导体照明LED关键技术之一。

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3～5μm，而蓝宝石衬底基本在400～500μm厚度，减薄之后，厚度仍有100μm左右，对GaN基LED芯片的切割，其实就是对蓝宝石进行切割。

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。

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。

表层切割采用355nm或266nm紫外激光，切割深度一般在50μm以内，难以进一步加深。

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“***点”。

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割，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。

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。

中国专利文献CN103943744A一种能提高LED光效的芯片加工方法，涉及光电技术领域。本发明芯片加工方法步骤为：①在器件上表面进行激光划片至衬底与外延片界面附近，形成沟槽；②采用高温酸液对沟槽进行腐蚀，获得期望的形貌；③采用隐形切割工艺在器件内部正对沟槽的位置形成内划痕；④以内划痕的位置进行裂片，分为各独立的发光二极管芯片。同现有技术相比，该中国专利文献所述方法同时采用高温侧壁腐蚀工艺与隐形切割工艺，能更大程度的提高LED芯片的亮度。这种方式适用于衬底厚度较薄的芯片加工方式，对于衬底厚度＞150μm芯片加工，容易产生切割良率低问题。

中国专利文献CN105679891A公开了一种发光二极管芯片的制作方法，属于半导体技术领域。所述制作方法包括：在衬底的第一表面形成外延层，并在所述外延层上制作电极；减薄所述衬底；采用钻石刀对所述衬底进行划片，在所述衬底的第二表面形成V型缺口，所述衬底的第二表面为与所述衬底的第一表面相反的表面；在所述衬底的第二表面形成分布式布拉格反射镜；沿所述V型缺口对所述衬底的第二表面进行隐形切割，在所述衬底内形成裂缝；沿所述V型缺口对所述衬底的第一表面进行裂片，得到若干独立的发光二极管芯片。本发明整个劈裂过程没有使用激光，不会产生烧痕、碎屑等副产物进而吸收LED芯片的出射光，提高LED芯片的出光亮度。这种方式若应用于蓝宝石衬底，对钻石刀消耗大，效率低，切割后容易产生崩边、斜裂、双晶等外观问题。

美国专利文献US9566791B2提供了一种制造半导体芯片的方法，其中所述芯片上设置有尽可能多的一个基板上，这些芯片中可高精度地切割工艺相对简单。用于这样的场合下在晶片上，所述半导体芯片的短边布置成倾斜角度为5°或更低，晶片的晶体取向。此后，激光隐形切割的方法被用来形成多个沿长边第一切割线的单个半导体芯片和多个切割线沿短边的第二，本发明与其区别在于结合了紫外激光烧蚀技术和隐形激光切割技术，重点在于解决切割后芯片的外观问题。

PCT国际专利文献WO2016202039A1提供一种发光二极管及其制备方法。在一个实施例中，所述方法包括:成型，在背面基板(10)的多个LED单元(20)，多个杂质释放孔(12)；形成多个不可见喷点(11)相对应的位置上通过激光聚焦后的多个杂质释放孔和位于所述衬底之间的通信，以使杂质释放孔和不可见吹点和拆卸，从所述基板内，吹隐形点的形成过程中形成的杂质。作为结果，该方法防止杂质从吹附接到所述隐形点，并阻止外部量子效率的LED单元的下降。在另一个实施方案中，所述方法包括:在所述基板内聚焦位置上的10μm至40μm的从背面侧的基板(101)从而提高激光能量和调整激光频率，形成的内孔(105)穿过通过激光隐形切割，以露出衬底所述基板的背面，从而有效地除去副产物如烧痕和碎屑的激光隐形切割后，副产物减少光吸收，增加发光的LED从侧壁，并提高光效。本发明与其区别在于从电极面利用紫外激光烧蚀技术形成沟槽，与隐形激光划片机形成的改制层不相通，这种发明对于蓝宝石衬底这种厚度较大的芯片加工容易出现斜裂问题

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法。本发明的重点是解决蓝宝石衬底切割后外观不良的技术问题：对于蓝宝石衬底厚度≥150μm 的芯片表层切割技术深度达不到要求，会形成双晶、斜裂、崩边；即便采用单焦点的隐形切割，其切割良率依然较低，易出现双晶。

本发明的技术方案如下：

一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：

(1)利用紫外激光划片机在蓝宝石衬底晶圆的电极面烧蚀切割划槽；所述晶圆是指做完电极但未完成切割的LED芯片；所述蓝宝石衬底晶圆是指减薄后的蓝宝石衬底晶圆；

(2)利用隐形激光划片机将激光作用在蓝宝石衬底晶圆内部：由电极面向上依次切割出至少2道相互平行的改质层；所述改质层是指用一定波长的激光透过蓝宝石衬底晶圆，在其内部形成一个个能量点，此能量点周围破坏了蓝宝石晶格结构的部分称为改质层(SD 层)；

(3)将相邻所述改质层相连。

根据本发明优选的，所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于150μm。

根据本发明优选的，所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm。

根据本发明优选的，当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm时，由电极面向上依次切割出：第一道改质层和第二道改质层，所述第一道改质层距所述电极面为20-100μm；所述第二道改质层距所述第一道改质层为20-50μm。

根据本发明优选的，当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于200μm时，在距所述电极面(1/3)～(2/5)蓝宝石衬底晶圆厚度位置进行切割，形成第一道改质层，然后沿所述第一道改质层向上每隔20-25μm分别制备改质层，形成相互平行的改质层。优选的，所述隐形划片机的激光功率为200-400mW、激光频率为40-50KHz、切割速度为300-600mm/s。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，在切割划槽之前对所述蓝宝石衬底晶圆进行预处理：在所述蓝宝石衬底晶圆的电极面涂上正划保护液。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中，所述划槽的深度为20-40μm；所述划槽的宽度为9-10μm。

根据本发明优选的，在所述步骤(3)中，将相邻所述改质层相连的方法为：借助相邻所述改质层之间的应力释放产生裂纹，进而将相邻所述改质层相连在一起。

本发明的技术优势：

本发明利用紫外激光划片机在晶圆有电极一面切割20-40μm深度的划槽、利用隐形激光划片机作用在所述晶圆内部，形成改质层：即通过调节隐形激光划片机的激光焦点深度使激光聚焦在晶圆的不同深度位置，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。

将经本发明所述的方法加工后的蓝宝石衬底晶圆利用裂片机沿所述裂纹方向进行劈裂，使其分割成一个个独立的发光单元，即完成切割。

本发明所述方法对厚度尺寸较大的蓝宝石衬底晶圆进行切割，能有效提升其切割成品率，避免切割后的芯片产生双晶、崩边、斜裂现象，有效的提高切割的芯片外观良率。

附图说明

图1为利用本发明所述方法切割后的蓝宝石衬底晶圆俯视外观图；

图2为本发明所述方法切割后的蓝宝石衬底晶圆侧面图；

图3为本发明切割后的实物管芯图。

在图1-3中，1、划槽；2、改质层；3、电极面；4、蓝宝石衬底晶圆。

图4是按照现有技术案例1对晶圆处理后所分隔成一个个独立的发光单元的结构图。

图5是按照现有技术案例2对晶圆处理后所分隔成一个个独立的发光单元的结构图。

本发明切割后形成的独立管芯相比现有技术切割后的管芯整齐规则，不存在双晶、斜裂、崩边、边缘不整齐等外观不良问题。

具体实施方式

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。

将减薄的蓝宝石衬底晶圆贴在SPV-224S型号的白膜上，LED晶圆的蓝宝石衬底面与白膜接触，电极面朝上。

实施例1、

一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，包括：

(1)利用紫外激光划片机在蓝宝石衬底晶圆的电极面3烧蚀切割划槽1；所述晶圆是指做完电极但未完成切割的LED芯片；所述蓝宝石衬底晶圆是指减薄后的蓝宝石衬底晶圆4；在所述晶圆Y方向激光频率为120-150KHz,所述紫外激光划片机移动速度110-130mm/s，所述晶圆X方向激光频率为120-150KHz,所述紫外激光划片机移动速度110-130mm/s；

(2)将所述晶圆进行倒膜，使电极面与白膜接触，衬底面朝上，放置在隐形激光划片机平台上，利用隐形激光划片机将激光作用在蓝宝石衬底晶圆内部：由电极面向上依次切割出至少2道相互平行的改质层2；

(3)将相邻所述改质层2相连。

所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于150μm。所述隐形划片机的激光功率为 200-400mW、激光频率为40-50KHz、切割速度为300-600mm/s。

在所述步骤(3)中，将相邻所述改质层相连的方法为：借助相邻所述改质层之间的应力释放产生裂纹，进而将相邻所述改质层相连在一起。

实施例2、

如实施例1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm。当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm时，由电极面向上依次切割出：第一道改质层和第二道改质层，所述第一道改质层距所述电极面为20-100μm；所述第二道改质层距所述第一道改质层为20-50μm。

实施例3、

如实施例1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于200μm时，在距所述电极面(1/3)～(2/5)蓝宝石衬底晶圆厚度位置进行切割，形成第一道改质层，然后沿所述第一道改质层向上每隔20-25 μm分别制备改质层，形成相互平行的改质层。

实施例4、

如实施例1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述步骤(1)中，在切割划槽之前对所述蓝宝石衬底晶圆进行预处理：在所述蓝宝石衬底晶圆的电极面涂上正划保护液。所述正划保护液与水的体积比例为2:1。

实施例5、

如实施例4所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其区别在于，所述步骤(1)中，所述划槽的深度为20-40μm；所述划槽的宽度为9-10μm。

对比例、

利用现有技术与本发明所述的方法分别对蓝宝石衬底晶圆进行处理并对比相关技术参数：其中现有技术和本发明中所涉及的设备、保护液配方等均相同。

现有技术案例1

以研磨后厚度为170μm的蓝宝石衬底晶圆加工为例，进行切割：

(1)将减薄的蓝宝石衬底晶圆贴在SPV-224S型号的白膜上，蓝宝石衬底晶圆的衬底面与白膜接触，电极面朝上，涂上保护液放置到紫外激光划片机工作台上；保护液与水的比例为2:1；

(2)焦点聚焦到晶圆表面，沿晶圆Y方向形成35μm深度的划槽：设定晶圆Y方向激光频率为150KHz,平台移动速度100mm/s，激光功率1.2W；

(3)焦点聚焦到晶圆表面，沿晶圆X方向形成35μm深度的划槽：设定晶圆X方向激光频率为150KHz,平台移动速度100mm/s，激光功率1.2W；

(4)蓝宝石衬底晶圆朝上用裂片机对晶圆沿裂痕方向稍施以外力，使晶圆分隔成一个个独立的发光单元，完成切割，切割后会出现双晶、斜裂、崩边外观不良，管芯如图4。

现有技术案例2

以研磨后厚度为170μm的蓝宝石衬底晶圆加工为例，进行切割：

(1)将减薄的LED晶圆贴在SPV-224S型号的白膜上，LED晶圆的电极面与白膜接触，衬底面朝上，置到隐形激光划片机工作台上；

(2)设定晶圆X方向激光频率为45KHz,平台移动速度700mm/s，激光功率260mW；

(3)设定晶圆X方向改质层焦点，焦点深度50μm,进行切割；

(4)设定晶圆Y方向激光频率为45KHz,平台移动速度500mm/s，激光功率290mW；

(5)设定晶圆Y方向改质层焦点，焦点深度50μm，进行切割；

(6)切割后用裂片机对晶圆沿裂痕方向稍施以外力，使晶圆分隔成一个个独立的发光单元，完成切割，切割后会出现双晶、斜裂、崩边外观不良，管芯如图5。

利用实施例1-5所述方法对研磨后厚度为170μm的蓝宝石衬底晶圆为例，进行切割：

(1)利用紫外激光划片机在蓝宝石衬底晶圆的电极面烧蚀切割划槽；所述晶圆是指做完电极但未完成切割的LED芯片；所述蓝宝石衬底晶圆是指减薄后的蓝宝石衬底晶圆；

将焦点聚焦到晶圆表面，沿晶圆Y方向形成35μm深度的划槽：设定晶圆Y方向激光频率为150KHz,平台移动速度100mm/s，激光功率1.2W；

将焦点聚焦到晶圆表面，沿晶圆X方向形成35μm深度的划槽：设定晶圆X方向激光频率为150KHz,平台移动速度100mm/s，激光功率1.2W；

(2)利用隐形激光划片机将激光作用在蓝宝石衬底晶圆内部：由电极面向上依次切割出至少2道相互平行的改质层；所述改质层是指用一定波长的激光透过蓝宝石衬底晶圆，在其内部形成一个个能量点，此能量点周围破坏了蓝宝石晶格结构的部分称为改质层(SD 层)；

(3)将相邻所述改质层相连。

由电极面向上依次切割出：第一道改质层和第二道改质层，所述第一道改质层距所述电极面为20-100μm；通过调整隐形划片的功率，设定第一道改质层焦点，焦点深度60μm，功率220mW，速度700mm/s，激光频率45KHz，进行切割；

所述第二道改质层距所述第一道改质层为20-50μm：设定第二道改质层焦点，焦点深度30μm，功率320mW，速度500mm/s；进行切割。

所述步骤(1)中，在切割划槽之前对所述蓝宝石衬底晶圆进行预处理：在所述蓝宝石衬底晶圆的电极面涂上正划保护液。

在所述步骤(3)中，将相邻所述改质层相连的方法为：借助相邻所述改质层之间的应力释放产生裂纹，进而将相邻所述改质层相连在一起。

待激光第一道改质层应力裂痕与第二道改质层应力产生的裂痕相连接，用裂片机对晶圆沿裂痕方向稍施以外力，使晶圆分隔成一个个独立的发光单元，完成切割，管芯如图3。

Claims (8)

1.一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，该方法包括：

(1)利用紫外激光划片机在蓝宝石衬底晶圆的电极面烧蚀切割划槽；

(2)利用隐形激光划片机将激光作用在蓝宝石衬底晶圆内部：由电极面向上依次切割出至少2道相互平行的改质层；

(3)将相邻所述改质层相连。

2.根据权利要求1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于150μm。

3.根据权利要求2所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm。

4.根据权利要求3所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度为150-200μm时，由电极面向上依次切割出：第一道改质层和第二道改质层，所述第一道改质层距所述电极面为20-100μm；所述第二道改质层距所述第一道改质层为20-50μm。

5.根据权利要求2所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，当所述蓝宝石衬底晶圆的厚度大于等于200μm时，在距所述电极面(1/3)～(2/5)蓝宝石衬底晶圆厚度位置进行切割，形成第一道改质层，然后沿所述第一道改质层向上每隔20-25μm分别制备改质层，形成相互平行的改质层。

6.根据权利要求1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在切割划槽之前对所述蓝宝石衬底晶圆进行预处理：在所述蓝宝石衬底晶圆的电极面涂上正划保护液。

7.根据权利要求1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述划槽的深度为20-40μm；所述划槽的宽度为9-10μm。

8.根据权利要求1所述的一种利用激光切割蓝宝石衬底LED芯片的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，将相邻所述改质层相连的方法为：借助相邻所述改质层之间的应力释放产生裂纹，进而将相邻所述改质层相连在一起。