利用湿式蚀刻工艺提高LED光萃取效率之产能与良率的方法

图6、经湿式蚀刻图形化蓝宝石基板，其表面因晶格特性，会被蚀刻出成57o倾斜的的{1-102}面（R Plane），可以大大增加光的萃取效率.

图7、传统的LED和PPSLED的电流-输出光功率曲线之关系图.

磊晶后蓝宝石基板之蚀刻工艺

元件形状化之覆晶LED是使用高温磷酸来蚀刻蓝宝石基板的侧边（Sapphire Sidewall Etching; SSE），并使基板背面粗糙化（Sapphire Backside Roughing; SBR），以此双重方式来达到增加光萃取效果，其详细工艺流程如图8所示。首先在蓝宝石基板上磊晶制作GaN之LED结构，再将蓝宝石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后续芯片切割之进行，接着分别在元件上下面镀上二氧化硅（SiO2）当作蚀刻保护层，使用黄光微影工艺来定义蓝宝石基板被蚀刻的开口位置。接着将已设计图案化之蓝宝石基板浸入高温300℃的磷酸与硫酸的混合液中，进行蓝宝石基板之侧边蚀刻，接者去除二氧化硅保护层。后续进行透明导电膜（ITO）与金属电极（Electrode）制作，并用覆晶（Flip Chip）设备将芯片黏着于硅基板上，制作完成之元件剖面，如图9所示.

蓝宝石的蚀刻速率与磷酸和硫酸的比例，以及蚀刻液温度有关，由于蚀刻结果取决于其晶格结构，蚀刻会沿者蓝宝石的晶格面进行，至于蓝宝石基板的背面，因为其原本是一个粗糙面，所以无法在其表面镀上一层均匀的二氧化硅保护层，在进行蚀刻时，覆盖二氧化硅较薄区域的蓝宝石基板则会先被蚀刻，进而形成粗糙化的表面。在发光性能表现上，有制作元件形状化之覆晶LED比传统覆晶发光二极体的流明度增加了62%;在功率的表现上，于20mA的注入电流下，有形状化的LED输出光功率为14.2 mW,比传统覆晶结构LED的9.3 mW,增加了52%,如图10所示[4, 6].

图8、元件形状化之覆晶LED工艺流程图

图9、具形状化之覆晶LED结构示意图

（a） 电流发光强度图

（b） 电流输出功率图

图10、有无形状化之覆晶LED的（a）电流发光强度与（b）电流输出功率比较图

此外，针对芯片后段工艺，在雷射切割芯片后之残留物问题，也可应用高温磷酸蚀刻技术来解决此问题，因为使用雷射切割LED芯片后，会将基材烧出一道痕迹，因此在芯片边缘会流下焦黑的切割痕迹，这种切割残留物会影响LED亮度达5~10%,如图11所示为雷射切割LED芯片后之SEM照片。对于现今HB-LED对于亮度锱铢必较之情形，亦有业界于雷射切割后，接着使用高温磷酸来进行蓝宝石基板的侧边蚀刻（Sapphire Sidewall Etching; SSE），以去除雷射切割后的焦黑残留物，进而增进HB-LED的发光效率。

图11、雷射切割LED芯片后之SEM照片。

高温磷酸湿式蚀刻工艺设备在制作上，必须考虑的设计项目

图12为弘塑科技（Grand Plastic Technology Corporation; GPTC）所制作之全自动化高温磷酸湿式蚀刻工艺设备，由于磷酸湿式蚀刻工艺设备是在280~300℃高温下进行，所以必须考虑加热方式，N降温度之速率控制，因应石英槽体之热应力分析所设计的槽体机械结构，化学蚀刻液补充系统的补充精确度及设备自动化必须能够兼顾人员安全与环保设计等。系统在制作上有七大设计关键，分别详述如下：

I.安全性设计：符合SEMI-S2, 200认证，人员与上下货区域作分离，可确保操作人员之工作安全，以及将反应废气充分抽离，维持空气之高洁净度。

II.高产能设计：一次可上货达200片外延片，产能为一般设备的2.75倍。

III.多槽体设计：具备多组磷酸槽，当1组磷酸槽作工艺蚀刻时，另外1组磷酸槽可同步进行化学品更换与加热，如此可防止因等待化学品更换或加热所造成的时间浪费。

IV.加热与温度控制：在石英槽体外围镀上一层薄膜加热层，此种加热方式可以使得温度均匀分布于整个槽体，防止因温度梯度所造成芯片的局部热应力，以及蚀刻速率之变异，目前高温磷酸湿式化学蚀刻蓝宝石基板的厚度可精确控制在1.9±0.1μm,蚀刻速率为每秒27.5 ± 0.5 A.

V.N降温度之速率控制：具备外延片蚀刻前之预先加热，以及蚀刻候之冷却设计，可避免外延片因急速N降温度所产生的热冲击破片。