利用濕式蝕刻工藝提高LED光萃取效率之產(chǎn)能與良率的方法

圖6、經(jīng)濕式蝕刻圖形化藍(lán)寶石基板，其表面因晶格特性，會(huì)被蝕刻出成57o傾斜的的{1-102}面（R Plane），可以大大增加光的萃取效率.

圖7、傳統(tǒng)的LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線之關(guān)系圖.

磊晶后藍(lán)寶石基板之蝕刻工藝

元件形狀化之覆晶LED是使用高溫磷酸來(lái)蝕刻藍(lán)寶石基板的側(cè)邊（Sapphire Sidewall Etching; SSE），并使基板背面粗糙化（Sapphire Backside Roughing; SBR），以此雙重方式來(lái)達(dá)到增加光萃取效果，其詳細(xì)工藝流程如圖8所示。首先在藍(lán)寶石基板上磊晶制作GaN之LED結(jié)構(gòu)，再將藍(lán)寶石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后續(xù)芯片切割之進(jìn)行，接著分別在元件上下面鍍上二氧化硅（SiO2）當(dāng)作蝕刻保護(hù)層，使用黃光微影工藝來(lái)定義藍(lán)寶石基板被蝕刻的開(kāi)口位置。接著將已設(shè)計(jì)圖案化之藍(lán)寶石基板浸入高溫300℃的磷酸與硫酸的混合液中，進(jìn)行藍(lán)寶石基板之側(cè)邊蝕刻，接者去除二氧化硅保護(hù)層。后續(xù)進(jìn)行透明導(dǎo)電膜（ITO）與金屬電極（Electrode）制作，并用覆晶（Flip Chip）設(shè)備將芯片黏著于硅基板上，制作完成之元件剖面，如圖9所示.

藍(lán)寶石的蝕刻速率與磷酸和硫酸的比例，以及蝕刻液溫度有關(guān)，由于蝕刻結(jié)果取決于其晶格結(jié)構(gòu)，蝕刻會(huì)沿者藍(lán)寶石的晶格面進(jìn)行，至于藍(lán)寶石基板的背面，因?yàn)槠湓臼且粋€(gè)粗糙面，所以無(wú)法在其表面鍍上一層均勻的二氧化硅保護(hù)層，在進(jìn)行蝕刻時(shí)，覆蓋二氧化硅較薄區(qū)域的藍(lán)寶石基板則會(huì)先被蝕刻，進(jìn)而形成粗糙化的表面。在發(fā)光性能表現(xiàn)上，有制作元件形狀化之覆晶LED比傳統(tǒng)覆晶發(fā)光二極體的流明度增加了62%;在功率的表現(xiàn)上，于20mA的注入電流下，有形狀化的LED輸出光功率為14.2 mW,比傳統(tǒng)覆晶結(jié)構(gòu)LED的9.3 mW,增加了52%,如圖10所示[4, 6].

圖8、元件形狀化之覆晶LED工藝流程圖

圖9、具形狀化之覆晶LED結(jié)構(gòu)示意圖

（a） 電流發(fā)光強(qiáng)度圖

（b） 電流輸出功率圖

圖10、有無(wú)形狀化之覆晶LED的（a）電流發(fā)光強(qiáng)度與（b）電流輸出功率比較圖

此外，針對(duì)芯片后段工藝，在雷射切割芯片后之殘留物問(wèn)題，也可應(yīng)用高溫磷酸蝕刻技術(shù)來(lái)解決此問(wèn)題，因?yàn)槭褂美咨淝懈頛ED芯片后，會(huì)將基材燒出一道痕跡，因此在芯片邊緣會(huì)流下焦黑的切割痕跡，這種切割殘留物會(huì)影響LED亮度達(dá)5~10%,如圖11所示為雷射切割LED芯片后之SEM照片。對(duì)于現(xiàn)今HB-LED對(duì)于亮度錙銖必較之情形，亦有業(yè)界于雷射切割后，接著使用高溫磷酸來(lái)進(jìn)行藍(lán)寶石基板的側(cè)邊蝕刻（Sapphire Sidewall Etching; SSE），以去除雷射切割后的焦黑殘留物，進(jìn)而增進(jìn)HB-LED的發(fā)光效率。

圖11、雷射切割LED芯片后之SEM照片。

高溫磷酸濕式蝕刻工藝設(shè)備在制作上，必須考慮的設(shè)計(jì)項(xiàng)目

圖12為弘塑科技（Grand Plastic Technology Corporation; GPTC）所制作之全自動(dòng)化高溫磷酸濕式蝕刻工藝設(shè)備，由于磷酸濕式蝕刻工藝設(shè)備是在280~300℃高溫下進(jìn)行，所以必須考慮加熱方式，N降溫度之速率控制，因應(yīng)石英槽體之熱應(yīng)力分析所設(shè)計(jì)的槽體機(jī)械結(jié)構(gòu)，化學(xué)蝕刻液補(bǔ)充系統(tǒng)的補(bǔ)充精確度及設(shè)備自動(dòng)化必須能夠兼顧人員安全與環(huán)保設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)在制作上有七大設(shè)計(jì)關(guān)鍵，分別詳述如下：

I.安全性設(shè)計(jì)：符合SEMI-S2, 200認(rèn)證，人員與上下貨區(qū)域作分離，可確保操作人員之工作安全，以及將反應(yīng)廢氣充分抽離，維持空氣之高潔凈度。

II.高產(chǎn)能設(shè)計(jì)：一次可上貨達(dá)200片外延片，產(chǎn)能為一般設(shè)備的2.75倍。

III.多槽體設(shè)計(jì)：具備多組磷酸槽，當(dāng)1組磷酸槽作工藝蝕刻時(shí)，另外1組磷酸槽可同步進(jìn)行化學(xué)品更換與加熱，如此可防止因等待化學(xué)品更換或加熱所造成的時(shí)間浪費(fèi)。

IV.加熱與溫度控制：在石英槽體外圍鍍上一層薄膜加熱層，此種加熱方式可以使得溫度均勻分布于整個(gè)槽體，防止因溫度梯度所造成芯片的局部熱應(yīng)力，以及蝕刻速率之變異，目前高溫磷酸濕式化學(xué)蝕刻藍(lán)寶石基板的厚度可精確控制在1.9±0.1μm,蝕刻速率為每秒27.5 ± 0.5 A.

V.N降溫度之速率控制：具備外延片蝕刻前之預(yù)先加熱，以及蝕刻候之冷卻設(shè)計(jì)，可避免外延片因急速N降溫度所產(chǎn)生的熱沖擊破片。