采用濕式蝕刻工藝提高LED光提取效率分析

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(hù)層，在進(jìn)行蝕刻時，覆蓋二氧化硅較薄區(qū)域的藍(lán)寶石基板則會先被蝕刻，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，針對芯片后段工藝，在雷射切割芯片后之殘留物問題，也可應(yīng)用高溫磷酸蝕刻技術(shù)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(dá)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(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

　　4、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(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，昇降溫度之速率控制，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)備自動化必須能夠兼顧人員安全與環(huán)保設(shè)計等。系統(tǒng)在制作上有七大設(shè)計關(guān)鍵，分別詳述如下：

　　I. 安全性設(shè)計：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：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：具備多組磷酸槽，當(dāng)1組磷酸槽作工藝蝕刻時，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佈于整個槽體，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. 昇降溫度之速率控制：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，可避免外延片因急速昇降溫度所產(chǎn)生的熱沖擊破片。

　　VI. 化學(xué)品供應(yīng)系統(tǒng)：化學(xué)液之補(bǔ)充體積的精確度要高。

　　VII. 外延片自動傳送系統(tǒng)：外延片傳送可保證連續(xù)順利傳送達(dá)400 Runs，以確保制造上之良率。

圖12、弘塑科技設(shè)計制作之高溫磷酸濕式蝕刻自動化量產(chǎn)設(shè)備

　　5、結(jié)論

　　本文已針對藍(lán)寶石基板之高溫磷酸濕式蝕刻工藝，以及其工藝設(shè)備在設(shè)計制作上必須考慮哪些因素，進(jìn)行詳細(xì)探討。由于LED的石基板化學(xué)濕式蝕刻工藝，可藉由基板表面幾何圖形之變化，來改變LED的散射機(jī)制，或?qū)⑸⑸涔鈱?dǎo)引至LED內(nèi)部，進(jìn)而由逃逸角錐中穿出，所以成為增加LED光提取效率的有效技術(shù)。目前LED業(yè)界特別考慮到如何降低成本與增進(jìn)產(chǎn)能，并且又要合乎環(huán)保與工業(yè)安全等需求，可以預(yù)見地具備操作自動化與工藝標(biāo)準(zhǔn)化之系統(tǒng)設(shè)備，將成為未來LED生產(chǎn)線量產(chǎn)之競爭主力。