国务院节能环保产业发展意见使激光迎来发展机遇
266nm激光正切划片的切口宽度越窄,每片晶圆生产的可用芯片数目就越多,从而可以增加加工总产量。
可以用普通的2英寸直径、250 × 250微米芯片的蓝光LED蓝宝石晶圆做一个简单的比较。用传统的钻石划片的切割划道宽度通常为50微米(300微米芯片间距),这样每片晶圆上大约有22,500粒芯片。传统钻石划片的成品率通常为百分之九十,即每片晶圆上可用的芯片数为20,250.
采用紫外激光划片,划道宽度可以减少到20微米(270微米芯片间距),这样每片晶圆上芯片数量增加到27,800左右(增了百分之二十三)。随着成品率增加,这种方式得到的可用芯片数约为27,500,这样每片晶圆的可用芯片数总共增加了百分之三十五。
自1996年以来,国外企业一直采用266nm的DPSS激光器对蓝光LED蓝宝石晶圆的氮化镓正面进行划片,正切划片速度可达150 mm/s,这样每小时可加工大约15片晶圆(标准的2英寸直径晶圆,芯片尺寸350× 350微米)。这种方式的产量高,对LED性能的影响小,允许晶圆翘曲,比传统机械方式的划片速度要快得多。
碳化硅(SiC)划片
除了蓝宝石之外,碳化硅也可以用来作为蓝光LED薄片的外延生长基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器(带隙能量分别为4.6 eV和3.5 eV)可用于碳化硅(带隙能量为2.8 eV)划片。因为光子能量很高,增强了耦合效率,便于进行高速划片与裂片。氮化镓与氮化铝等III族氮化物厚片也可使用紫外DPSS激光器进行划片。200到400微米厚的氮化镓或氮化铝的划片速度相比蓝宝石或碳化硅上外延薄片的划片速度要明显降低,但是其划片质量优良,裂片简便。
对于垂直结构的高功率LED,激光剥离(LLO)工艺将蓝宝石分离后,外延膜仍然与铜、铜钨、钼或硅等高导电率基板保持键合。对于硅晶圆,在300 mm/s、150 mm/s、100 mm/s的划片速度时划片深度分别为100μm、150μm和200μm.光束传输技术在一定的激光功率下保证了这些划片速度/深度,并且减少了热影响。金属基板的晶圆划片具有挑战性,因为金属的热传导率高,通常导致底焊效应。此外,当分离非常柔韧的材料时往往需要全切。JPSA已经开发了这些先进的划片技术,可以成功的刻划厚度高达200微米的基板,这对于高亮度LED产业极其重要。
图6、LED蓝宝石对紫外激光的吸收曲线
双面划片功能
355nm的DPSS激光器可以从LED的蓝宝石面进行背切划片。可以使用多个检测相机从正面或背面进行晶圆对准操作,当蓝宝石有金属反射层时这一点很重要。此外,外延层没有直接接受激光辐射,可以降低光损。355nm波长的激光相对于266nm激光被蓝宝石吸收的效率要低(图6)。因此,通常需要更高的功率,从而导致更大的切口宽度和划道宽度。此外,背切划片只适用于厚度<150微米的蓝宝石晶圆,而正切划片还可以适用于厚度更大的晶圆,划片后可对晶圆研磨使其厚度变薄到裂片所需的最终厚度。
图7、355nm二极管泵浦固体激光器对氮化镓晶圆的蓝宝石面进行背切划片的截面图
设计者通过持续研发背切划片的激光吸收增强等新技术,实现了划片速度高达150mm/s的高产量背切划片,无碎片并且不损坏外延层(图7)。
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