采用濕式蝕刻工藝提高LED光提取效率分析

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(guān)，由于蝕刻結果取決于其晶格結構，蝕刻會(huì )沿者藍寶石的晶格面進(jìn)行，至于藍寶石基板的背面，因為其原本是一個(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層，在進(jìn)行蝕刻時(shí)，覆蓋二氧化硅較薄區域的藍寶石基板則會(huì )先被蝕刻，進(jìn)而形成粗糙化的表面。在發(fā)光性能表現上，有制作元件形狀化之覆晶LED比傳統覆晶發(fā)光二極體的流明度增加了62%；在功率的表現上，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(wú)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(wèn)題，也可應用高溫磷酸蝕刻技術(shù)來(lái)解決此問(wèn)題，因為使用雷射切割LED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5~10%，如圖11所示為雷射切割LED芯片后之SEM照片。對于現今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(zhù)使用高溫磷酸來(lái)進(jìn)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(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(dòng)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(jìn)行，所以必須考慮加熱方式，昇降溫度之速率控制，因應石英槽體之熱應力分析所設計的槽體機械結構，化學(xué)蝕刻液補充系統的補充精確度及設備自動(dòng)化必須能夠兼顧人員安全與環(huán)保設計等。系統在制作上有七大設計關(guān)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(chǎn)能設計：一次可上貨達200片外延片，產(chǎn)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(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。

　　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(gè)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(xué)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. 昇降溫度之速率控制：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昇降溫度所產(chǎn)生的熱沖擊破片。

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

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

圖12、弘塑科技設計制作之高溫磷酸濕式蝕刻自動(dòng)化量產(chǎn)設備

　　5、結論

　　本文已針對藍寶石基板之高溫磷酸濕式蝕刻工藝，以及其工藝設備在設計制作上必須考慮哪些因素，進(jìn)行詳細探討。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(lái)改變LED的散射機制，或將散射光導引至LED內部，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，可以預見(jiàn)地具備操作自動(dòng)化與工藝標準化之系統設備，將成為未來(lái)LED生產(chǎn)線(xiàn)量產(chǎn)之競爭主力。