在當今社會中，制造商總是在尋找那些更低能耗和更高效率的設備。來自IMS研究所的Barry Young對此做了統計，預計2010年全球發光二極管（LED）的需求將增長61%，手機市場是很大的觸發因素。大面積的背光LED電視市場正在迅速擴大，LED也被廣泛應用于投影儀、手電筒、汽車尾燈和頭燈、普通照明等市場。固態白光源可以通過混合紅光、綠光、藍光LED來實現，或者通過使用磷光材料將單色藍光或紫外LED轉換成寬光譜的白光。

 　　隨著LED產量的增加，LED制造商正在尋找可以優化劃片寬度、劃片速度與加工產量的新工藝進展。新型LED激光剝離（LLO）和激光晶圓劃片設備給LED制造商提供了高性價比的工業工具，可以滿足日益增長的市場需求。

高亮度垂直結構LED

　　通常情況下，藍光/綠光LED是由幾微米厚的氮化鎵（GaN）薄膜在藍寶石襯底上外延生長形成的。 一些LED的制造成本主要取決于藍寶石襯底本身的成本和劃片—裂片加工成本。對于傳統的LED倒裝橫向結構，藍寶石是不會被剝離的，因此，陰極和陽極都在同一側的氮化鎵外延層（epi）（圖1）。 

圖1. 傳統的橫向結構的藍光LED。 MQW =多量子阱。

　　這種橫向結構對于高亮度LED有幾個缺點：材料內電流密度大、電流擁擠、可靠性較差、壽命較短；此外，通過藍寶石的光損很大。

　　設計人員通過激光剝離（LLO）工藝可以實現垂直結構的LED，它克服了傳統的橫向結構的各種缺陷。垂直結構LED可以提供更大的電流，消除電流擁擠問題以及器件內的瓶頸問題，顯著提高LED的最大輸出光功率與最大效率（圖2）。

圖2.垂直結構的藍光LED

　　垂直LED結構要求在加電極之前剝離掉藍寶石。準分子激光器已被證明是分離藍寶石與氮化鎵薄膜的有效工具。LED激光剝離技術大大減少了LED加工時間，降低了生產成本，使制造商在藍寶石晶圓上生長氮化鎵LED薄膜器件，并使薄膜器件與熱沉進行電互連。這個工藝使得氮化鎵薄膜可以獨立于支撐物，并且氮化鎵LED可以集成到任何基板上。

激光剝離原理

　　紫外激光剝離的基本原理是利用外延層材料與藍寶石材料對于紫外激光具有不同的吸收效率。藍寶石具有較高的帶隙能量（9.9 eV），所以藍寶石對于248nm的氟化氪（KrF）準分子激光（5 eV輻射能量）是透明的，而氮化鎵（約3.3 eV的帶隙能量）則會強烈吸收248nm激光的能量。正如圖3所示，激光穿過藍寶石到達氮化鎵緩沖層，在氮化鎵與藍寶石的接觸面進行激光剝離。這將產生一個局部的爆炸沖擊波，使得在該處的氮化鎵與藍寶石分離。基于同樣的原理，193nm的氟化氬（ArF）準分子激光可以用于分離氮化鋁（AlN）與藍寶石。具有6.3 eV帶隙能量的氮化鋁可以吸收6.4 eV的ArF激光輻射，而9.9 eV帶隙能量的藍寶石對于ArF準分子激光則是透明的。 

圖3. 248nm激光剝離示意圖

　　光束均勻性和晶圓制備對于實現成功剝離都很重要。JPSA公司采用創新的光束均勻化專利技術使得準分子激光束在晶圓上可以產生最大面積達5 × 5毫米的均勻能量密度分布的平頂光束。

　　正確的晶圓制備是LLO成功的關鍵。需要最大限度地減少在藍寶石上高溫外延層生長過程中產生的殘余應力，還要保證外延層和襯底進行充分鍵合，以避免在剝離過程中外延片破裂。圖4展示了一個典型的剝離效果。 

圖4. 248nm激光脈沖對藍寶石上的氮化鎵進行激光剝離（一個脈沖激光光斑一次覆蓋9個芯片）。

　　LLO系統可以在室溫環境下進行高速、高產量的加工。精心設計的系統允許單發脈沖光斑同時覆蓋多個芯片，并采用“飛行射擊”革新技術使得每一發脈沖光斑都能與晶圓芯片定位精確對準。

藍光LED晶圓激光劃片

　　傳統的制造商仍在繼續供應橫向結構的藍光LED，激光劃片是加工這種結構的晶圓的理想選擇。藍寶石的極高硬度給鋸片切割與金剛石劃片帶來芯片成品率低、產量低和成本高等諸多問題。

　　與傳統的鉆石劃片方式相比，紫外（UV）二極管泵浦固體（DPSS）激光劃片方式的芯片成品率和晶圓產量大幅增加，并且LED晶圓的亮度沒有明顯損耗。短波長激光在氮化鎵和藍寶石層的吸收率都增加了，這樣可以降低劃片所需的輻射光功率，同時減小了切口寬度。

　　劃片寬度、速度和加工產量是保持低加工成本與晶圓高產量的主要參數。JPSA已開發出一種專利的光束傳輸系統，該系統可以獲得很狹窄的2.5微米切口寬度（圖5），并提供特有的表面保護液以盡量減少碎片。在聚焦的激光束下方移動晶圓進行一次非常狹窄的V形切割，從外延面開始擴展到藍寶石層，通常劃片深度為20到30微米。激光劃片之后，用標準的裂片機在V形激光切縫處集中應力進行裂片加工。

圖5. 氮化鎵-藍寶石晶圓激光劃片的切口寬度2.5微米。

　　266nm激光正切劃片的切口寬度越窄，每片晶圓生產的可用芯片數目就越多，從而可以增加加工總產量。

　　可以用普通的2英寸直徑、250 × 250微米芯片的藍光LED藍寶石晶圓做一個簡單的比較。用傳統的鉆石劃片的切割劃道寬度通常為50微米（300微米芯片間距），這樣每片晶圓上大約有22,500粒芯片。傳統鉆石劃片的成品率通常為百分之九十，即每片晶圓上可用的芯片數為20,250。

　　采用紫外激光劃片，劃道寬度可以減少到20微米（270微米芯片間距），這樣每片晶圓上芯片數量增加到27,800左右（增了百分之二十三）。隨著成品率增加，這種方式得到的可用芯片數約為27,500，這樣每片晶圓的可用芯片數總共增加了百分之三十五。

　　自1996年以來，JPSA一直采用266nm的DPSS激光器對藍光LED藍寶石晶圓的氮化鎵正面進行劃片，正切劃片速度可達150 mm/s，這樣每小時可加工大約15片晶圓（標準的2英寸直徑晶圓，芯片尺寸350× 350微米）。這種方式的產量高，對LED性能的影響小，允許晶圓翹曲，比傳統機械方式的劃片速度要快得多。

碳化硅（SiC）劃片

　　除了藍寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍光LED薄片的外延生長基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（帶隙能量分別為4.6 eV和3.5 eV）可用于碳化硅（帶隙能量為2.8 eV）劃片。因為光子能量很高，增強了耦合效率，便于進行高速劃片與裂片。氮化鎵與氮化鋁等III族氮化物厚片也可使用紫外DPSS激光器進行劃片。200到400微米厚的氮化鎵或氮化鋁的劃片速度相比藍寶石或碳化硅上外延薄片的劃片速度要明顯降低，但是其劃片質量優良，裂片簡便。

　　對于垂直結構的高功率LED，激光剝離（LLO）工藝將藍寶石分離后，外延膜仍然與銅、銅鎢、鉬或硅等高導電率基板保持鍵合。對于硅晶圓，在300 mm/s、150 mm/s、100 mm/s的劃片速度時劃片深度分別為100μm、150μm和200μm。光束傳輸技術在一定的激光功率下保證了這些劃片速度/深度，并且減少了熱影響。金屬基板的晶圓劃片具有挑戰性，因為金屬的熱傳導率高，通常導致底焊效應。此外，當分離非常柔韌的材料時往往需要全切。JPSA已經開發了這些先進的劃片技術，可以成功的刻劃厚度高達200微米的基板，這對于高亮度LED產業極其重要。
 

圖6. LED藍寶石對紫外激光的吸收曲線。

雙面劃片功能

　　355nm的DPSS激光器可以從LED的藍寶石面進行背切劃片。可以使用多個檢測相機從正面或背面進行晶圓對準操作，當藍寶石有金屬反射層時這一點很重要。此外，外延層沒有直接接受激光輻射，可以降低光損。355nm波長的激光相對于266nm激光被藍寶石吸收的效率要低（圖6）。因此，通常需要更高的功率，從而導致更大的切口寬度和劃道寬度。此外，背切劃片只適用于厚度<150微米的藍寶石晶圓，而正切劃片還可以適用于厚度更大的晶圓，劃片后可對晶圓研磨使其厚度變薄到裂片所需的最終厚度。 

圖7. 355nm二極管泵浦固體激光器對氮化鎵晶圓的藍寶石面進行背切劃片的截面圖。

　　JPSA通過持續研發背切劃片的激光吸收增強等新技術，實現了劃片速度高達150mm/s的高產量背切劃片，無碎片并且不損壞外延層（圖7）。

III-V族半導體晶圓劃片

　　使用紫外DPSS激光器還可以將砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、磷化鎵（GaP）晶圓的易碎化合物半導體材料進行分離，可以進行快速精確、整齊清潔的劃片，切口寬度約3微米，對III-V材料無崩邊（圖8）。通常情況下，250微米厚的晶圓劃片速度在300mm/s，并且適合裂片（圖9）。III - V族晶片價格較貴，所以晶圓基板不能浪費。紫外激光劃片越緊湊、越清潔、切口越窄，每片晶圓的芯片數就越多，與傳統鋸片切割法相比損壞的芯片數更少，成品率就越高。

圖8. 砷化鎵晶片劃片后的邊緣清潔并且清晰。

 圖9. 磷化鎵晶圓劃片速度300 mm/s，劃片深度30 &mu;m，深度足夠使250 &mu;m厚的晶圓裂片。

展望

　　LED技術因為追求更高的效率和更低的制造成本，其發展日新月異。這種&ldquo;綠色&rdquo;技術無疑具有光明的未來，但是也面臨著很多挑戰。

　　目前全球對于LED的需求急速增長，這就要求有新的激光加工工藝與技術來獲得更高的生產品質，更高的成品率和產量。除了激光系統的不斷發展，新的加工技術和應用，光束傳輸與光學系統的改進，激光光束與材料之間相互作用的新研究，這些都是要保持這個綠色技術革新能夠繼續前進所必須的。

　　設備工程師面臨的挑戰是要建立靈活的操作工具。自動盒式裝卸功能、邊緣檢測功能和自動聚焦功能等選項實現了最先進的激光劃片解決方案。JPSA公司持續研發激光前沿技術，以滿足LED制造業的市場需求。（作者：Jeffrey P. Sercel ）