利用濕式蝕刻工藝提高LED光萃取效率之產能與良率的方法

圖6、經(jīng)濕式蝕刻圖形化藍寶石基板，其表面因晶格特性，會被蝕刻出成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系圖.

磊晶后藍寶石基板之蝕刻工藝

元件形狀化之覆晶LED是使用高溫磷酸來蝕刻藍寶石基板的側邊（Sapphire Sidewall Etching; SSE），并使基板背面粗糙化（Sapphire Backside Roughing; SBR），以此雙重方式來達到增加光萃取效果，其詳細工藝流程如圖8所示。首先在藍寶石基板上磊晶制作GaN之LED結構，再將藍寶石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后續(xù)芯片切割之進行，接著分別在元件上下面鍍上二氧化硅（SiO2）當作蝕刻保護層，使用黃光微影工藝來定義藍寶石基板被蝕刻的開口位置。接著將已設計圖案化之藍寶石基板浸入高溫300℃的磷酸與硫酸的混合液中，進行藍寶石基板之側邊蝕刻，接者去除二氧化硅保護層。后續(xù)進行透明導電膜（ITO）與金屬電極（Electrode）制作，并用覆晶（Flip Chip）設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，由于蝕刻結果取決于其晶格結構，蝕刻會沿者藍寶石的晶格面進行，至于藍寶石基板的背面，因為其原本是一個粗糙面，所以無法在其表面鍍上一層均勻的二氧化硅保護層，在進行蝕刻時，覆蓋二氧化硅較薄區(qū)域的藍寶石基板則會先被蝕刻，進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)覆晶結構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結構示意圖

（a） 電流發(fā)光強度圖

（b） 電流輸出功率圖

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

此外，針對芯片后段工藝，在雷射切割芯片后之殘留物問題，也可應用高溫磷酸蝕刻技術來解決此問題，因為使用雷射切割LED芯片后，會將基材燒出一道痕跡，因此在芯片邊緣會流下焦黑的切割痕跡，這種切割殘留物會影響LED亮度達5~10%,如圖11所示為雷射切割LED芯片后之SEM照片。對于現(xiàn)今HB-LED對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進行藍寶石基板的側邊蝕刻（Sapphire Sidewall Etching; SSE），以去除雷射切割后的焦黑殘留物，進而增進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備在制作上，必須考慮的設計項目

圖12為弘塑科技（Grand Plastic Technology Corporation; GPTC）所制作之全自動化高溫磷酸濕式蝕刻工藝設備，由于磷酸濕式蝕刻工藝設備是在280~300℃高溫下進行，所以必須考慮加熱方式，N降溫度之速率控制，因應石英槽體之熱應力分析所設計的槽體機械結構，化學蝕刻液補充系統(tǒng)的補充精確度及設備自動化必須能夠兼顧人員安全與環(huán)保設計等。系統(tǒng)在制作上有七大設計關鍵，分別詳述如下：

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

II.高產能設計：一次可上貨達200片外延片，產能為一般設備的2.75倍。

III.多槽體設計：具備多組磷酸槽，當1組磷酸槽作工藝蝕刻時，另外1組磷酸槽可同步進行化學品更換與加熱，如此可防止因等待化學品更換或加熱所造成的時間浪費。

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槽體，防止因溫度梯度所造成芯片的局部熱應力，以及蝕刻速率之變異，目前高溫磷酸濕式化學蝕刻藍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先加熱，以及蝕刻候之冷卻設計，可避免外延片因急速N降溫度所產生的熱沖擊破片。