專利名稱：一種藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的切割分離方法。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED)是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體發(fā)光器件，由于其具有壽命長，體積小，耐震性好，節(jié)電，高效，響應(yīng)時間快，驅(qū)動電壓低，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛用于指示，顯示，裝飾，照明等諸多領(lǐng)域，成為我們生活中必不可少的一部分。用于上述領(lǐng)域的發(fā)光二極管的核心技術(shù)是芯片制造技術(shù)。本發(fā)明涉及發(fā)光二極管芯片的制造技術(shù)，特別涉及生長在藍(lán)寶石襯底上的氮化鎵發(fā)光二極管芯片的切割分離方法。
原有的在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管的制作方法為在藍(lán)寶石襯底(1)上外延生長發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)(1，2)。用干法刻蝕的方法(如ICP或RIE)將需要切割區(qū)域(切割道)和N電極區(qū)域的表層鋁鎵銦氮材料腐蝕掉。制作二極管的N電極和P電極(4)。然后在切割道中央的背面用激光或鉆石刀劃片(5)。再用機(jī)械方法沿切割道正面中央壓開。藍(lán)寶石為六角晶系，對于通常的方形芯片，其芯片分離面不都是易裂面。為了保證較好的芯片切割分離質(zhì)量，對于通常鉆石刀切割時，切割道設(shè)計(jì)為大于40微米。對于芯片厚度約90微米，激光切割深度小于25微米時，切割道設(shè)計(jì)應(yīng)大于30微米。即使在以上切割環(huán)境下，沿劃片方向斜裂或崩邊現(xiàn)象時有發(fā)生。為了改善切割質(zhì)量，有人用干法刻蝕的方法在切割道中間腐蝕出一個到藍(lán)寶石襯底的溝槽以利于切割裂片。但此方法將顯著增加芯片制造成本和工藝復(fù)雜程度。也有人采用正反兩面兩次切割的方法，這樣延長了切割時間，增加切割成本。
減少切割道尺寸最具有重要價值。在保持每片外延片的芯片產(chǎn)出率(芯片外觀尺寸不變)的情況下，切割道尺寸小，意味著芯片發(fā)光面積大。在相同的工作電流下，較大的芯片發(fā)光面積可以提高芯片的出光量，降低芯片工作電壓和工作電流密度，降低芯片熱量生成率，提高芯片的可靠性。
本發(fā)明中的發(fā)明內(nèi)容，在各期刊和專利文獻(xiàn)中，目前尚未見報(bào)道。
本發(fā)明的目的在于提供一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片設(shè)計(jì)方法，此方法將提高發(fā)光二極管芯片在切割分離過程中的成品率。同時可以在維持成品率的基礎(chǔ)上，減小切割道的尺寸。
通常制作藍(lán)寶石襯底的發(fā)光二極管管芯的制造方法，包括以下步驟(1)由藍(lán)寶石做襯底，生長GaN外延層；在外延層上光刻形成二極管管芯圖形，用干法刻蝕方法(ICP或RIE)，對GaN外延層進(jìn)行刻蝕，形成P、N型獨(dú)立結(jié)構(gòu)；(2)依次進(jìn)行光刻、金屬鍍膜(電子束蒸發(fā)、濺射或熱蒸發(fā))、剝離，制作N電極和P電極；(3)再進(jìn)行退火，形成歐姆接觸；(4)對外延片藍(lán)寶石一側(cè)進(jìn)行研磨，并沿所設(shè)計(jì)的切割道在藍(lán)寶石一側(cè)進(jìn)行劃片處理；(5)再將步驟(4)得到的片子在裂片機(jī)上進(jìn)行裂片分離，形成獨(dú)立的發(fā)光二極管管芯；本發(fā)明的重點(diǎn)在于利用外延層與藍(lán)寶石襯底的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力場來控制切割劈裂方向。方法是通過干法刻蝕部分外延層，導(dǎo)致在沿表面方向應(yīng)力場的變化，有效控制劈裂方向。
本發(fā)明可以通過兩種方法實(shí)現(xiàn)第一種方法是在外延片上相鄰芯片之間通過干法刻蝕產(chǎn)生切割通道，在該通道上面部分通過掩膜保護(hù)，在刻蝕產(chǎn)生的切割通道的同時，在其中間增加一條非常窄的裂片輔助平臺，由于這條平臺的存在，使切割通道內(nèi)的應(yīng)力分布產(chǎn)生變化，使裂紋裂開方向貼近于切割輔助平臺。采用以上方法進(jìn)行切割裂片，會使裂片走向更加可控，在縮減切割通道寬度的情況下，提高切割成品率。第二種方法是在步驟(4)劃片的過程中，在藍(lán)寶石一側(cè)用激光或鉆石刀沿切割通道中間進(jìn)行劃片，再在晶片正面切割通道中間位置用裂片刀劈裂，這種方法是將藍(lán)寶石一側(cè)的劃片線控制在正對與外延層表面應(yīng)力場變化線附近。
對于氮化物發(fā)光二極管芯片的制作方法，本發(fā)明采取如下步驟來實(shí)現(xiàn)(1)在發(fā)光平臺光刻步驟，采用特殊設(shè)計(jì)的光刻版，在形成發(fā)光平臺圖形的同時，在相鄰芯片之間形成需要的本發(fā)明的切割道圖形。
(2)采用干法蝕刻，對晶片進(jìn)行刻蝕，在形成P型和N型GaN獨(dú)立結(jié)構(gòu)的同時，在芯片之間的切割通道上也形成了本發(fā)明的切割道圖形。
(3)分別在P+層和N+層GaN外延層上制備歐姆接觸電極(4)。
(4)從藍(lán)寶石一側(cè)(1)對外延片研磨后，在藍(lán)寶石一側(cè)用激光或鉆石刀對晶片進(jìn)行劃片(5)。
(5)將經(jīng)過步驟(4)的片子，在裂片機(jī)上進(jìn)行裂片，形成獨(dú)立的發(fā)光二極管管芯。
步驟(1)所述，是采用光刻膠作蝕刻掩膜，但也可以采用SiO2、Si3Nx、Ni、Cr等材料。本發(fā)明的第一種方法是在切割道中間增加一個切割輔助平臺，平臺頂?shù)膶挾葹?～15(μm)，切割平臺頂寬度＜切割道寬度＜80μm。
步驟(2)所述的方法，包括RIE、ICP等眾所周知的等離子刻蝕的方法，形成發(fā)光平臺和裂片輔助平臺(7)。蝕刻深度為0.4-1.2μm；P型GaN層厚度0.4-0.9μm＜刻蝕深度＜1.2μm，所述的外延層厚度3-6μm。
步驟(3)所述的歐姆接觸電極制備包括兩種在P型GaN上生長的是P型歐姆接觸電極；在N型GaN上生長的是N型歐姆接觸電極。電極生成方法通常采用電子束蒸發(fā)或者濺射方法，也可以采用熱蒸發(fā)方法。厚度可以是50～5000。歐姆接觸電極的組分可以是一種或者多種金屬或者化合物，比如Ni/Au、ITO(indium tin oxide)、ZnO、Ti/Al。在歐姆接觸電極材料制備過程中或者制備完成后可以進(jìn)行250～1000℃的退火處理，退火時可以是含氧環(huán)境或者氮?dú)猸h(huán)境。
步驟(4)所述，是在晶片藍(lán)寶石一側(cè)的背面劃片。所用機(jī)器是激光切割機(jī)，但也可以采用鉆石切割機(jī)。本發(fā)明的第二種方法為將劃片線置于與正面刻蝕平臺邊緣(應(yīng)力場最大變化線)接近正對的位置。劃片線與正面刻蝕平臺邊緣平行且垂直距離小于7微米(W1)。
步驟(5)所述，采用裂片機(jī)在外延層一側(cè)正面劈裂。劈裂刀峰與背面劃片線的垂直距離小于7微米。


圖1常規(guī)切割道裂片時裂紋的走向1。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向。
圖2常規(guī)切割道裂片時裂紋的走向2。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向。
圖3常規(guī)切割道裂片時裂紋的走向3。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向。
圖4采用特殊切割道后裂片時裂紋的走向1。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向。7為切割輔助平臺。
圖5采用特殊切割道后裂片時裂紋的走向2。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向；7為切割輔助平臺；8為劈刀。
圖6劃線位置與裂紋走向示意圖(切割道不大于14微米)1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向；W1切割劃痕與平臺的寬度，W為切割道寬度。
圖4.劃線位置與裂紋走向示意圖(切割道大于14微米)。
1為藍(lán)寶石襯底；2為N型氮化鎵；3為P型氮化鎵；4為P型電極；5為切割劃痕；6為裂紋走向；W1切割劃痕與平臺的距離；W為切割道寬度。
具體實(shí)施例方式
為了對本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)行說明，以下結(jié)合附圖，以氮化物發(fā)光二極管為例，闡述本特殊結(jié)構(gòu)的實(shí)施過程。
實(shí)施例1在外延片上采用光刻、干法刻蝕(如ICP或RIE)等方法，將需要切割區(qū)域(切割道)和N電極區(qū)域的表層鋁鎵銦氮材料腐蝕掉，同時，由于采用特殊設(shè)計(jì)的光刻版，切割通道上面有部分區(qū)域也被掩膜保護(hù)起來，沒有被刻蝕掉，形成切割輔助臺(7)，平臺頂寬度為3-15微米(如實(shí)施例附圖7)。采用光刻、濕法腐蝕、光刻、剝離，電子束蒸發(fā)、濺射方法或熱蒸發(fā)方法等方法制作二極管的N電極和P電極(4)，并進(jìn)行適當(dāng)退火，以形成良好歐姆接觸。然后將制作好電極的樣品從背面(藍(lán)寶石一側(cè))用研磨的方法將其減薄到70-150微米，并對減薄后的襯底進(jìn)行拋光，以保證平整度。然后在背面沿所設(shè)計(jì)的切割道中間用激光或鉆石刀劃片(5)，采用裂片機(jī)在外延層一側(cè)正面劈裂，裂片劈刀刃寬度小于輔助裂片臺頂?shù)膶挾?，使刀刃能砸在裂片輔助平臺(7)上，裂紋劈裂方向(6)如實(shí)施例附圖1所示。采用這種方法裂片后分割效果好，產(chǎn)品的成品率能夠提高，芯片排列整齊。
實(shí)施例2在外延片上采用光刻、干法刻蝕(如ICP或RIE)等方法，將需要切割區(qū)域(切割道)和N電極區(qū)域的表層鋁鎵銦氮材料腐蝕掉，同時，由于采用特殊設(shè)計(jì)的光刻版，切割通道上面有部分區(qū)域也被掩膜保護(hù)起來，沒有被刻蝕掉，形成切割輔助臺(7)，平臺頂寬度為3-15微米。采用光刻、濕法腐蝕、光刻、剝離，電子束蒸發(fā)、濺射方法或熱蒸發(fā)方法等方法制作二極管的N電極和P電極(4)，并進(jìn)行適當(dāng)退火，以形成良好歐姆接觸。然后將制作好電極的樣品從背面(1)用研磨的方法將其進(jìn)行減薄到70-150微米，并對減薄后的襯底進(jìn)行拋光，以保證平整度。然后在背面(藍(lán)寶石一側(cè))沿所設(shè)計(jì)的切割道中間用激光或鉆石刀劃片(5)，采用裂片機(jī)在外延層一側(cè)正面劈裂，裂片劈刀采用平頂?shù)额^，裂片劈刀(8)刃頂寬度大于輔助裂片臺(7)頂?shù)膶挾龋切∮谇懈畹赖膶挾?，使刀刃能更?zhǔn)確的砸在裂片輔助平臺上，裂紋劈裂走向(6)如實(shí)施例附圖2所示。采用此方法裂片后分割效果更好，產(chǎn)品的成品率能夠提高，芯片排列整齊。與實(shí)施例1相比，實(shí)施例2即使裂片刀與平臺位置偏差不大時，仍能保證裂片壓力線落在裂片平臺上，這樣能夠提高裂片質(zhì)量。
實(shí)施例3當(dāng)襯底上芯片之間的切割道的實(shí)際寬度W(如實(shí)施例附圖3所示)不大于14微米時，在外延片上采用光刻、干法刻蝕(如ICP或RIE)等方法，將需要切割區(qū)域(切割道)和N電極區(qū)域的表層鋁鎵銦氮材料腐蝕掉，采用光刻、濕法腐蝕、光刻、剝離，電子束蒸發(fā)、濺射方法或熱蒸發(fā)方法等方法制作二極管的N電極和P電極(4)，并進(jìn)行適當(dāng)退火，以形成良好歐姆接觸。然后將制作好電極的樣品從背面用研磨的方法將其進(jìn)行減薄到70-150微米，并對減薄后的襯底進(jìn)行拋光，以保證平整度。然后在背面(藍(lán)寶石一側(cè))沿所設(shè)計(jì)的切割道用激光或鉆石刀劃片(5)，由于切割道寬度W不大于14微米，因此只要控制劃片線正對外延層表面刻蝕臺邊緣附近，與兩刻蝕臺邊緣平行，則與兩個刻蝕平臺之間的垂直距離W1必然有一個會小于或等于7微米(如實(shí)施例附圖3所示)，裂紋走向(6)如實(shí)施例圖3所示。這使應(yīng)力發(fā)揮作用，穩(wěn)定的控制了裂紋走向，芯片分割效果很好，產(chǎn)品的成品率能夠提高，芯片排列更整齊。
實(shí)施例4當(dāng)襯底上芯片之間的切割道的寬度W大于14微米時，例如40微米時，在外延片上采用光刻、干法刻蝕(如ICP或RIE)等方法，將需要切割區(qū)域(切割道)和N電極區(qū)域的表層鋁鎵銦氮材料腐蝕掉，采用光刻、濕法腐蝕、光刻、剝離，電子束蒸發(fā)、濺射方法或熱蒸發(fā)方法等方法制作二極管的N電極和P電極(4)，并進(jìn)行適當(dāng)退火，以形成良好歐姆接觸。然后將制作好電極的樣品從背面(1)用研磨的方法將其進(jìn)行減薄到70-150微米，并對減薄后的襯底進(jìn)行拋光，以保證平整度。然后在背面(藍(lán)寶石一側(cè))沿切割道用激光或鉆石刀劃片(5)，但劃片線控制在正對外延層表面刻蝕臺邊緣附近，與刻蝕臺邊緣平行，且他們之間的垂直距離W1小于7微米，如實(shí)施例附圖4所示。在W1的距離小于等于7微的范圍內(nèi)，由于應(yīng)力的存在，裂紋走向非常穩(wěn)定，芯片分割效果良好，產(chǎn)品的成品率能夠提高，芯片排列更整齊。
經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們認(rèn)為，通過增加切割通道上面切割輔助平臺，在裂片時會使晶片切割通道附近的應(yīng)力場發(fā)生變化，使裂紋走向隨輔助平臺的邊緣延伸，減小裂紋延伸到芯片表面的幾率。另外，控制藍(lán)寶石面劃片線(如實(shí)施例附圖3、4中箭頭6所示)正對外延層表面刻蝕臺邊緣附近，與刻蝕臺邊緣平行，并使他們之間的垂直距離小于7微米，也能夠使裂紋走向更加可控和穩(wěn)定，使芯片分割效果好，從而提高了切割的成品率。
權(quán)利要求
1.一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制造方法，包括以下步驟(1)由藍(lán)寶石做襯底，生長GaN外延層；在外延層上光刻形成二極管管芯圖形，用干法刻蝕方法(ICP或RIE)，對GaN外延層進(jìn)行刻蝕，形成P、N型獨(dú)立結(jié)構(gòu)；(2)依次進(jìn)行光刻、金屬鍍膜(電子束蒸發(fā)、濺射或熱蒸發(fā))、剝離，制作N電極和P電極；(3)再進(jìn)行退火，形成歐姆接觸；(4)對外延片藍(lán)寶石一側(cè)進(jìn)行研磨，并沿所設(shè)計(jì)的切割道在藍(lán)寶石一側(cè)進(jìn)行劃片處理；(5)再將步驟(4)得到的片子在裂片機(jī)上進(jìn)行裂片分離，形成獨(dú)立的發(fā)光二極管芯片；其特征是在步驟(1)過程中，在外延片上相鄰芯片之間通過干法蝕刻產(chǎn)生切割通道，在該通道上面部分通過掩膜保護(hù)，在刻蝕產(chǎn)生切割通道的同時，形成切割輔助平臺；切割輔助平臺頂寬度＜切割道寬度＜80μm；所述切割輔助平臺頂寬度為3-15μm；所述蝕刻深度為0.4-1.2μm；P型GaN層厚度0.4-0.9μm＜刻蝕深度；所述芯片的厚度為70-150μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述步驟(4)和(5)過程中，在藍(lán)寶石一側(cè)用激光或鉆石刀沿切割通道中間進(jìn)行劃片，再在晶片正面切割通道中間位置用裂片刀劈裂。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于所述的外延層厚度3.0-6μm；
4.一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制造方法，其特征在于權(quán)利要求1所述的步驟(4)中的劃片過程，在藍(lán)寶石一側(cè)的劃片道與外延層表面刻蝕臺邊緣平行，它們之間的垂直距離小于7μm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的制作方法，特別涉及一種在藍(lán)寶石襯底上的發(fā)光二極管芯片的切割分離方法。本發(fā)明的重點(diǎn)在于利用外延層與藍(lán)寶石襯底的晶格失配產(chǎn)生的應(yīng)力場來控制切割劈裂方向；方法是通過干法刻蝕部分外延層，導(dǎo)致在沿表面方向應(yīng)力場的變化，有效控制劈裂方向。此方法將提高發(fā)光二極管芯片在切割分離過程中的成品率。同時可以在維持成品率的基礎(chǔ)上，減小切割道的尺寸。
文檔編號H01L33/00GK101055908SQ20061007762
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者何曉光, 武勝利, 曾凡明, 王強(qiáng), 張舜, 郭建華, 肖志國 申請人:大連路美芯片科技有限公司