采用湿式蚀刻工艺提高LED光提取效率分析

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跡，因此在芯片边缘会流下焦黑的切割痕跡，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对于亮度錙銖必较之情形，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

　　4、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，昇降温度之速率控制，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佈于整个槽体，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. 昇降温度之速率控制：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昇降温度所产生的热冲击破片。

　　VI. 化学品供应系统：化学液之补充体积的精确度要高。

　　VII. 外延片自动传送系统：外延片传送可保证连续顺利传送达400 Runs，以确保制造上之良率。

图12、弘塑科技设计制作之高温磷酸湿式蚀刻自动化量产设备

　　5、结论

　　本文已针对蓝宝石基板之高温磷酸湿式蚀刻工艺，以及其工艺设备在设计制作上必须考虑哪些因素，进行详细探讨。由于LED的石基板化学湿式蚀刻工艺，可藉由基板表面几何图形之变化，来改变LED的散射机制，或将散射光导引至LED内部，进而由逃逸角锥中穿出，所以成为增加LED光提取效率的有效技术。目前LED业界特别考虑到如何降低成本与增进产能，并且又要合乎环保与工业安全等需求，可以预见地具备操作自动化与工艺标准化之系统设备，将成为未来LED生产线量产之竞争主力。