蓝宝石衬底发光二极管芯片切割技术研究

摘 要：介绍了金刚刀切割、激光表面切割及激光隐形切割在蓝宝石衬底发光二极管芯片切割中的应用情况，对比和分析了不同切割技术的优缺点。隐形切割技术由于具有切割效率高、切割道小，芯片侧面损伤小等优点，解决了芯片加工效率低的问题，并提高了芯片的亮度和可靠性。

关键词：发光二极管；蓝宝石衬底；切割

自从1993年Nakamura发明GaN基蓝光LED以来，LED技术及应用突飞猛进。对LED芯片亮度的要求也越来越高。在LED芯片制作过程中，切割是一个非常重要的环节。不同的切割技术对GaN基LED芯片的亮度及可靠性有很大影响，早期LED晶圆的蓝宝石切割采用金刚刀切割，[1]此方法依赖于操作人员的技术水平。因此，在质量稳定性及成品率方面存在问题，目前已经不再使用。由于激光加工特点的优势明显，激光切割成为LED晶圆蓝宝石切割的主要方法，采用激光表面切割，可全自动高速加工，改善成品率。不过激光表面切割与采用金刚刀切割的方法相比，存在LED亮度低的问题，激光表面切割将要走到LED芯片切割的技术极限。隐形切割技术的出现，解决了加工效率的问题，并提高了芯片亮度及可靠性。

一、切割技术

（1）金刚刀切割。金刚刀切割主要用于蓝宝石基GaN LED芯片的切割。因为蓝宝石非常坚硬，无法用砂轮直接切穿，所以只能先用金刚刀切割，再用裂片机沿着划痕将晶片裂开。由于蓝宝石非常坚硬，金刚刀磨损很快。因此，在切割过程中要根据划痕的情况逐渐增加荷重。刀点完全磨损后必须更换新刀点。切割的速度也关系到切割质量及金刚刀的寿命，一般切割速度设定为10～20mm/s。使用不同类型的金刚刀应使用不同的架刀角度，角度的设定直接影响切割质量及金刚刀寿命。金刚刀切割由于存在一些缺点，目前已经不再使用，如切割效率低，2英寸晶圆1片/h。其次，成品率低，一般小于90%。第三是金刚刀易磨损，生成成本高。第四是金刚刀切割与操作人员熟练程度有直接关系。因此，在质量稳定性及成品率方面存在问题。

（2）激光表面切割。由于激光切割的优势明显，激光切割成为LED晶圆蓝宝石切割的主要方法。激光切割根据切割方式不同分为激光表面切割技术（简称表切）和激光隐形切割技术（简称隐切）。激光表面切割技术[2]是利用激光器所发出的高能激光，经过透镜聚焦，在焦点处达到极高的激光功率密度，处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，会产生局部高温，使晶圆表面瞬间融化和气化，同时通过控制平台带动晶圆移动，形成一种非接触式的新型切割模式。采用激光表面切割技术，可全自动高速加工，改善成品率。不过激光表面切割技术加工与采用金刚刀切割的方法相比，存在LED亮度低的问题，激光表面切割技术将要走到LED芯片切割技术的极限，

（3）激光隐形切割。随着LED对亮度的要求不断提高，普通切割技术将要走到极限，目前先进的隐形切割技术成功地解决了LED亮度低的问题，在不降低成品率的情况下，隐形切割技术成功控制了LED亮度的降低，并适用于不同厚度的各种外延片，隐形切割技术成为LED行业发展趋势。激光隐形切割技术是将半透明波长的激光束聚焦在工件材料内部，有别于激光表面切割技术是聚焦在晶圆材料表面，将激光聚光照射于晶圆内部形成改质层，在形成改质层的同时，也会形成向晶圆正反两个表面延伸的龟裂，此龟裂现象是促使芯片分割的重要因素。如图1所示。图2是芯片经隐形切割机切割后的效果图，图3是芯片截面效果图。从图中可以看出芯片经隐形切割后，在芯片内部出现一道切割痕迹，并从切割痕迹向芯片正反两面形成龟裂，此龟裂促使芯片进行分离。

图1 激光隐形切割示意图

（a）扩膜前图 （b）扩膜后

图2 芯片切割效果图

图3 芯片截面效果图

二、激光隐形切割技术的特点

（1）减小切割道提高产能。金刚刀不能将晶圆切穿，只能靠施加荷重用刀点在晶圆表面划出一道道的刀痕，其划痕截面为三角形，深度一般为5～10mm，宽度为20～30mm。激光表面切割划痕截面为深V形，深度一般为20～30mm，宽度为5～15mm。如图4所示。

（a）金刚刀切割图 （b）激光切割

图4 芯片划痕截面示意图

从表1可看出：金刚刀切割的切割道最宽，达到50μm，表切的切割道减小到25μm，隐形切割技术由于激光切割线宽只有5μm。因此，切割道宽度进一步减小到15μm。随着切割道的减小，2英寸晶圆上可以加工出更多的芯片。以0911mil规格芯片为例，在2英寸晶圆上，金刚刀切割技术能加工出芯片数量为26847颗，表切技术能加工出31542颗，隐切技术能将产能提高到34128颗，表切技术相对于金刚刀切割技术产能可以提高17.5%，隐切技术相对于表切技术产能又可以提高8.2%，隐切技术大大提高了产能，从而降低了生产成本。

表1 切割技术优劣对比

金刚刀切割 表切 隐切

晶圆直径 2英寸 晶圆直径 2英寸 晶圆直径 2英寸

芯片尺寸 0911mil 芯片尺寸 0911mil 芯片尺寸 0911mil

切割线宽 30μm 切割线宽 12μm 切割线宽 5μm

切割道宽度 50μm 切割道宽度 25μm 切割道宽度 15μm

芯片制造个数 26847 芯片制造个数 31542 芯片制造个数 34128

产能提高百分比 表切相对于金刚刀提高17.5 隐切相对于表切提高8.2%

（2）提高LED芯片亮度。表切是利用激光器所发出的高能激光，经透镜聚焦，在聚焦点处达到极高的激光功率密度，处于其焦点处的工件受到高功率密度的激光光斑照射，使工件材质瞬间汽化和融化的切割方式，表切加工过程中会产生局部几千乃至上万度（℃）的高温，且范围较大，侧面损伤较大。因此，表切后芯片的亮度会降低，对芯片的可靠性也有影响。隐形切割技术是将半透明波长的激光光束聚集在工件材料内部，形成一个分割用的起点（改质层：称SD层），再对晶圆片施以外力将其分割成小片芯片的切割技术。隐切采取的是在待加工芯片内部用一定功率的激光能量及频率打孔，侧面损伤面较小，提高侧面出光率，以提升芯片亮度。在不降低成品率的情况下，隐形切割技术成功控制了LED亮度的降低，隐形切割技术成为LED发展趋势。图是表切与隐切的光功率对比曲线图，从图5中可以看出采用隐切技术，芯片的光功率要高于表切技术，表切技术芯片的光功率大约12.01mw，而隐切技术的芯片光功率达到13.47mw，采用隐切技术光功率提高了12.1%。

图5 不同切割技术芯片光功率

（3）降低光衰提高可靠性。隐形切割在芯片加工过程中产生的温度约200℃，且受温度影响的范围在距焦点为中心，半径为7um的范围内。因此，隐切在芯片加工过程中对芯片性能影响较小。图6是采用表切和隐切技术加工出的芯片老化曲线图。从图中可以看出，采用表切和隐切技术加工出的芯片都随着老化时间的推移，光衰逐渐增大。在30mA电流下，老化168小时后，表切技术加工出的芯片光衰达到14%，而采用隐切技术加工出的芯片光衰只有7.5%，隐切技术对芯片的损伤较小，降低了芯片的光衰，也就是说芯片的可靠性得到了提高。

图6 不同切割技术芯片的老化曲线

三、结论

金刚刀切割、激光表面切割及激光隐形切割都可以应用于蓝宝石衬底的切割加工，但是隐形切割相对于金刚刀和激光表面切割，切割道更小，加工速度更快，对芯片的损伤更小，隐形切割技术的应用提高了芯片的加工效率、亮度及可靠性。

参考文献：

[1] 钟继.超高亮度发光二极管芯片切割技术[J].半导体技术，2007，12（7）：606-609.

[2] 黄福民，谢小柱，魏昕，等.半导体晶圆激光切割新技术[J].激光技术，2012，36（3）：293-297.

作者简介：冯异（1979―），男，江西景德镇人，光学硕士，工程师，西安中为光电科技有限公司厂务部部长，研究方向：半导体LED设计。