本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備領(lǐng)域，特別涉及一種隱形切割制備正、倒和倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法。

背景技術(shù)：

自上世紀(jì)90年代以來，GaN基LED引起廣泛關(guān)注并取得了迅猛的發(fā)展。LED具有波長可調(diào)、輕便靈活、能耗低、工作電壓低、定向發(fā)光、無污染、壽命長、響應(yīng)時(shí)間快等顯著優(yōu)勢(shì)，在白光照明、可見光通信、聚合物固化、殺菌消毒等方面有著巨大的市場(chǎng)價(jià)值或潛在應(yīng)用價(jià)值。

LED的發(fā)光效率主要受兩方面因素的影響。一是內(nèi)量子效率，即將注入的電能轉(zhuǎn)化為光能的效率，主要取決于半導(dǎo)體材料的外延質(zhì)量和外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。二是光提取效率，即將光子從外延片中提取出來的效率，將光子從外延片內(nèi)提取出來并非易事。影響光提取效率的因素較多，其中一個(gè)關(guān)鍵的因素是半導(dǎo)體材料的折射率(GaN：n＝2.5，AlN：1.8)要遠(yuǎn)大于襯底(例如藍(lán)寶石：n＝1.77)和空氣的折射率(n＝1.0)，根據(jù)斯涅爾定律，當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于臨界值，則會(huì)發(fā)生全反射。這會(huì)導(dǎo)致從有源區(qū)發(fā)出來的大部分光在半導(dǎo)體/襯底、襯底/空氣界面發(fā)生全反射而被限制在半導(dǎo)體層、襯底內(nèi)部，直至最終被吸收轉(zhuǎn)化為熱能。

倒梯形臺(tái)形狀的LED外觀能夠有效抑制襯底/空氣界面處的全反射，提高芯片的側(cè)壁出光效率，改善LED的發(fā)光性能和可靠性。目前報(bào)道的制備倒梯形臺(tái)形狀芯片的方法主要有機(jī)械切割、化學(xué)腐蝕和激光切割三種。在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下問題：

傳統(tǒng)的機(jī)械切割如金剛刀劃片(如美國發(fā)明專利5087949)等制備倒梯形臺(tái)形狀LED芯片，過程較為簡(jiǎn)單可控；但因其效率低、成品率不高已逐漸落伍，不能滿足現(xiàn)代化上產(chǎn)的需要。另外藍(lán)寶石襯底硬度較高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，劃片時(shí)采用的金剛刀價(jià)格不菲、切割中耗損大等也限制了金剛刀劃片的使用。

文獻(xiàn)[1](IEEE Photonics Technology Letters 20，184(2008))報(bào)道了采用熱硫磷酸化學(xué)腐蝕藍(lán)寶石的方法制備倒梯形臺(tái)形狀LED芯片，在350mA電流下，倒梯形臺(tái)狀倒裝LED的光功率提升了55％。但這種方法不易靈活控制倒梯形臺(tái)結(jié)構(gòu)的傾斜角度，同時(shí)需要使用較厚的掩膜保護(hù)芯片正面不受腐蝕，既增加了工藝的復(fù)雜程度，也可能給芯片帶來污染。

激光切割正逐漸取代傳統(tǒng)切割，成為LED器件隔離的主流方式。相較于金剛刀劃片技術(shù)，激光切割技術(shù)具有速度快、可靠性高的優(yōu)勢(shì)。激光切割又可分為表層切割和內(nèi)部切割(隱形切割)。表層切割是一種激光燒蝕過程，采用表層切割技術(shù)制備倒梯形臺(tái)形狀LED芯片，倒梯形臺(tái)角度較小，提高光提取效率的作用有限；激光燒蝕過程中會(huì)產(chǎn)生吸光的副產(chǎn)物，需要輔以化學(xué)清洗工藝來清除，工藝較為復(fù)雜(文獻(xiàn)[2]：IEEE Photonics Technology Letters 21，1078(2009))。

隱形切割采用1064nm紅外光或532nm綠光進(jìn)行加工，超短脈沖激光能量密度更高，被聚焦在藍(lán)寶石襯底內(nèi)部后發(fā)生多光子吸收效應(yīng)，焦點(diǎn)附近的藍(lán)寶石變質(zhì)而產(chǎn)生的裂痕，裂痕向兩側(cè)延伸形成破裂面，對(duì)芯片再施以外力就能使芯片沿切割道分開。相較于表層切割，隱形切割減少了芯片側(cè)壁的激光灼傷面積和副產(chǎn)物附著，減少了芯片的出光損失，增加芯片的出光面積；隱形切割形成的側(cè)壁粗化形貌也增加了光的逸出幾率。本發(fā)明基于隱形切割技術(shù)，提出了一種制備倒梯形臺(tái)狀LED芯片的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出一種隱形切割制備正、倒和倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，具有工藝簡(jiǎn)單及效率高的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高LED的光提取效率。

本發(fā)明提供一種隱形切割制備倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，包括以下步驟：

1)提供一襯底，在所述襯底的正面生長外延層；

2)將外延層形成多個(gè)LED單元；

3)將所述襯底減薄、拋光后，置于劃片機(jī)上；

4)將隱形切割的激光焦點(diǎn)聚焦在所述襯底的內(nèi)部，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)的位置使其位于每一個(gè)LED單元之間的跑道中線上，記為初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改質(zhì)層；

5)將激光焦點(diǎn)沿與跑道垂直的方向向左水平移動(dòng)一預(yù)定距離△x，再沿豎直方向向上移動(dòng)一預(yù)定距離△z；沿跑道方向切割，形成第二道改質(zhì)層；

6)重復(fù)步驟5)，形成跑道左向多道改質(zhì)層，使左向多道改質(zhì)層位于跑道左側(cè)的同一斜面內(nèi)；

7)將激光焦點(diǎn)調(diào)回初始位置后，將激光焦點(diǎn)移動(dòng)到跑道中線的右側(cè)，重復(fù)步驟5)、6)，使形成的跑道右向多道改質(zhì)層位于跑道右側(cè)的同一斜面內(nèi)，形成基片；

8)將基片背面粘在藍(lán)膜上，置于裂片機(jī)上；

9)將劈刀對(duì)準(zhǔn)跑道中線進(jìn)行裂片；

其中△x是激光焦點(diǎn)沿水平方向移動(dòng)的單位距離，△z是激光焦點(diǎn)沿豎直方向移動(dòng)的單位距離。

本發(fā)明還提供一種隱形切割制備正、倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，包括以下步驟：

1)提供一襯底，在所述襯底的正面生長外延層，并將外延層形成多個(gè)LED單元；

2)將所述襯底減薄、拋光后，置于劃片機(jī)上；

3)將隱形切割的激光焦點(diǎn)聚焦在所述襯底的內(nèi)部，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)的位置使其位于每一個(gè)LED單元之間的跑道中線上，記為初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改質(zhì)層；隱形切割周期為LED單元尺寸的兩倍，下同；

4)將激光焦點(diǎn)沿與跑道垂直的方向向左水平移動(dòng)一預(yù)定距離，再沿豎直方向向上移動(dòng)一預(yù)定距離；沿跑道方向切割，形成第二道改質(zhì)層；

5)重復(fù)步驟4)，形成跑道左向多道改質(zhì)層19，使左向多道改質(zhì)層位于跑道左側(cè)的同一斜面內(nèi)；

6)將激光焦點(diǎn)調(diào)回到相鄰跑道的初始位置后，隱形切割；將激光焦點(diǎn)移動(dòng)到相鄰跑道的右側(cè)，重復(fù)步驟4)、5)，使相鄰跑道右向的多道改質(zhì)層位于相鄰跑道右側(cè)的同一斜面內(nèi)，形成基片；

7)將基片背面粘在藍(lán)膜上，置于裂片機(jī)上；

8)將基片置于裂片機(jī)上，對(duì)準(zhǔn)跑道中線進(jìn)行裂片。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明在對(duì)芯片進(jìn)行隔離時(shí)引入隱形切割工藝，通過調(diào)制隱形切割焦點(diǎn)的位置使襯底發(fā)生斜裂、形成倒梯形臺(tái)形狀，對(duì)激光光源和切割基臺(tái)沒有苛刻要求。與側(cè)壁垂直的襯底相比，本發(fā)明使得芯片的側(cè)壁出光面積增加，并減少了光的全反射；同時(shí)隱形切割形成的粗化表面也進(jìn)一步促進(jìn)光的逸出幾率。與其他制備倒梯形臺(tái)狀LED芯片的技術(shù)相比，本技術(shù)方案通過隱形激光切割和裂片即可實(shí)現(xiàn)倒梯形臺(tái)狀LED芯片的制備，不需要額外增加工序，制備時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定，倒梯形臺(tái)角度可調(diào)控，成本低，效果佳。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征更易于本本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定，其中：

圖1為本發(fā)明提供的一種隱形切割制備倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的流程圖；

圖2是本發(fā)明提供的一種LED外延片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的剖面示意圖，處于隱形切割前狀態(tài)；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的剖面示意圖，隱形切割制作完成第一道改質(zhì)層；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的剖面示意圖，隱形切割制作完成位于跑道左側(cè)、同一斜面內(nèi)的多道改質(zhì)層；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的剖面示意圖，隱形切割制作完成位于跑道右側(cè)、同一斜面內(nèi)的多道改質(zhì)層；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的LED芯片的裂片示意圖；

圖8是根據(jù)本發(fā)明的倒梯形臺(tái)狀/正梯形臺(tái)狀LED芯片的制備示意圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖4至圖7，本發(fā)明提供一種隱形切割制備倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，包括以下步驟：

1)提供一襯底12，在所述襯底12的正面生長一外延層11，所述外延層11的材料為GaN基III-V族材料，所述外延層11的厚度為2-20μm，所述襯底12的材料為藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鎵或玻璃。

2)在外延層11上采用光刻、刻蝕、金屬蒸鍍和鈍化等工藝，形成多個(gè)LED單元13；為提高后續(xù)裂片的質(zhì)量和良率，所述LED單元13的跑道上可以配合使用激光劃片和/或刻蝕法制作出溝槽。

3)將所述襯底12減薄、拋光后，背面朝上粘附在藍(lán)膜上，置于劃片機(jī)上；所述襯底12減薄后的厚度為100-450μm。

4)將隱形切割的激光焦點(diǎn)14聚焦在所述襯底12的內(nèi)部，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)14的位置，使激光焦點(diǎn)14位于每一個(gè)LED單元13之間的跑道中線上靠近LED單元的位置，記為初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改質(zhì)層。具體地，采用隱形切割技術(shù)在襯底內(nèi)部形成裂痕時(shí)，由于超短脈沖激光的快速加熱和快速冷卻，裂痕向兩側(cè)延伸形成破裂面。此過程中應(yīng)注意調(diào)整脈沖激光的輸出功率、切割速率和切割深度，避免造成芯片的熱損傷。所使用隱形切割的激光波長為1064nm或532nm，所述初始位置與LED單元的垂直距離不少于50μm，所產(chǎn)生的破裂面寬度為10-50μm，隱形切割周期為LED單元13的尺寸，下同。

5)將激光焦點(diǎn)14調(diào)回初始位置后，將激光焦點(diǎn)14沿與跑道垂直的方向向左水平移動(dòng)一預(yù)定的單位距離△x，再沿豎直方向向上移動(dòng)一預(yù)定的單位距離△z；沿跑道方向切割，形成第二道改質(zhì)層；調(diào)整△x和△z的取值，可得到不同傾角的倒梯形臺(tái)狀襯底，傾角等于arctan(△z/△x)。

6)重復(fù)步驟5)，繼續(xù)向左、向上移動(dòng)激光焦點(diǎn)14的位置進(jìn)行隱形切割，形成位于跑道左側(cè)的左向多道改質(zhì)層15；所述左向多道改質(zhì)層15位于跑道左側(cè)的同一斜面內(nèi)，最后一道改質(zhì)層所釋放的應(yīng)力延伸到所述襯底12的背面。

7)將激光焦點(diǎn)14調(diào)回初始位置后，向跑道的右側(cè)水平移動(dòng)和向上豎直移動(dòng)激光焦點(diǎn)14，重復(fù)步驟5)、6)進(jìn)行隱形切割，使再次形成的右向多道改質(zhì)層16與第一道改質(zhì)層位于跑道右側(cè)的同一斜面內(nèi)，形成基片；隱形切割周期為LED單元13的尺寸；若有其他方向的跑道，也進(jìn)行步驟4)至步驟7)的隱形切割；特別地，此時(shí)預(yù)定距離△x可以取0；

8)將基片背面粘在藍(lán)膜18上，再置于裂片機(jī)上；所述LED單元13正面朝上；

9)將劈刀17對(duì)準(zhǔn)跑道中線進(jìn)行裂片；所述襯底12沿跑道兩側(cè)的改質(zhì)層15、16所在的斜面分別裂開，如此形成多個(gè)倒梯形臺(tái)狀的LED芯片，三棱柱型的襯底部分殘留在藍(lán)膜18上。

請(qǐng)參閱圖8所示，是本發(fā)明的另一實(shí)施例，本發(fā)明還提供一種隱形切割制備正、倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，包括以下步驟：

1)提供一襯底12，在所述襯底12的正面生長一外延層11，所述外延層11的材料為GaN基III-V族材料，所述外延層11的厚度為2-20μm，所述襯底12的材料為藍(lán)寶石、碳化硅、氮化鎵、氮化鋁、氧化鎵或玻璃。在外延層11上采用光刻、刻蝕、金屬蒸鍍和鈍化等工藝形成多個(gè)LED單元13；為提高后續(xù)裂片的質(zhì)量和良率，所述LED單元13的跑道上可以配合使用激光劃片和/或刻蝕法制作出溝槽。

2)將所述襯底12減薄、拋光后，背面朝上粘附在藍(lán)膜上，置于劃片機(jī)上；所述襯底12減薄后的厚度為100-450μm。

3)將隱形切割的激光焦點(diǎn)14聚焦在所述襯底12的內(nèi)部，調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)14的位置，使激光焦點(diǎn)14位于每一個(gè)LED單元13之間的跑道中線上靠近LED單元的位置，記為初始位置；沿跑道方向切割，形成第一道改質(zhì)層。具體地，采用隱形切割技術(shù)在襯底內(nèi)部形成裂痕時(shí)，由于超短脈沖激光的快速加熱和快速冷卻，裂痕向兩側(cè)延伸形成破裂面。此過程中應(yīng)注意調(diào)整脈沖激光的輸出功率、切割速率和切割深度，避免造成芯片的熱損傷。所使用隱形切割的激光波長為1064nm或532nm，所述初始位置與LED單元的垂直距離不少于50μm，所產(chǎn)生的破裂面寬度為10-50μm，隱形切割周期為LED單元13尺寸的兩倍，下同。

4)將激光焦點(diǎn)14調(diào)回初始位置后，將激光焦點(diǎn)14沿與跑道垂直的方向向左水平移動(dòng)一預(yù)定的單位距離△x，再沿豎直方向向上移動(dòng)一預(yù)定的單位距離△z；沿跑道方向切割，形成第二道改質(zhì)層；調(diào)整△x和△z的取值，可得到不同傾角的正、倒梯形臺(tái)狀襯底，傾角等于arctan(△z/△x)。

5)重復(fù)步驟4)，繼續(xù)向左、向上移動(dòng)激光焦點(diǎn)14的位置進(jìn)行隱形切割，形成跑道左向的多道改質(zhì)層21；所述多道改質(zhì)層21位于跑道左側(cè)的同一斜面內(nèi)，最后一道改質(zhì)層所釋放的應(yīng)力延伸到所述襯底12的背面。

6)將激光焦點(diǎn)14調(diào)至相鄰跑道的初始位置后，進(jìn)行隱形切割；向相鄰跑道的右側(cè)水平移動(dòng)和向上移動(dòng)激光焦點(diǎn)14，重復(fù)步驟4)、5)進(jìn)行隱形切割，使再次形成的相鄰跑道右向多道改質(zhì)層22位于相鄰跑道右側(cè)的同一斜面內(nèi)，形成基片；隱形切割周期為LED單元13尺寸的兩倍。

7)若有其他方向的跑道，也進(jìn)行步驟3)至步驟6)的隱形切割；特別地，此時(shí)預(yù)定距離△x可以取0；

8)將基片背面粘在藍(lán)膜18上，再置于裂片機(jī)上；所述LED單元13正面朝上；

9)將劈刀17對(duì)準(zhǔn)跑道中線進(jìn)行裂片；所述襯底12沿跑道左側(cè)的左向改質(zhì)層19和相鄰跑道右側(cè)的右向改質(zhì)層20所在的斜面裂開，形成多個(gè)倒梯形臺(tái)狀的LED芯片和正梯形臺(tái)狀的LED芯片。

此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，總之，以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

綜上所述，本發(fā)明提出一種隱形切割制備正、倒梯形臺(tái)狀襯底的LED芯片的方法，在對(duì)芯片進(jìn)行隔離時(shí)引入隱形切割工藝，通過調(diào)制隱形切割的位置使芯片發(fā)生斜裂、形成正、倒梯形臺(tái)形狀；切割過程中產(chǎn)生的吸光副產(chǎn)物很少；隱形切割形成的粗化表面也進(jìn)一步促進(jìn)光的逸出幾率。與其他制備技術(shù)相比，本技術(shù)方案通過激光切割機(jī)和裂片即可實(shí)現(xiàn)倒梯形臺(tái)狀LED芯片的制備，不需要額外增加工序，制備時(shí)間短，工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定可控，倒梯形臺(tái)角度可任意調(diào)節(jié)，成本低，效果佳。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。