利用濕式蝕刻工藝提高LED光萃取效率之產能與良率的方法

圖6、經濕式蝕刻圖形化藍寶石基板，其表面因晶格特性，會被蝕刻出成57o傾斜的的{1-102}面（R Plane），可以大大增加光的萃取效率.

圖7、傳統的LED和PPS LED的電流-輸出光功率曲線之關系圖.

磊晶后藍寶石基板之蝕刻工藝

元件形狀化之覆晶LED是使用高溫磷酸來蝕刻藍寶石基板的側邊（Sapphire Sidewall Etching; SSE），并使基板背面粗糙化（Sapphire Backside Roughing; SBR），以此雙重方式來達到增加光萃取效果，其詳細工藝流程如圖8所示。首先在藍寶石基板上磊晶制作GaN之LED結構，再將藍寶石基板磨薄至200 μm厚度，以利于后續芯片切割之進行，接著分別在元件上下面鍍上二氧化硅（SiO2）當作蝕刻保護層，使用黃光微影工藝來定義藍寶石基板被蝕刻的開口位置。接著將已設計圖案化之藍寶石基板浸入高溫300℃的磷酸與硫酸的混合液中，進行藍寶石基板之側邊蝕刻，接者去除二氧化硅保護層。后續進行透明導電膜（ITO）與金屬電極（Electrode）制作，并用覆晶（Flip Chip）設備將芯片黏著于硅基板上，制作完成之元件剖面，如圖9所示.

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，由于蝕刻結果取決于其晶格結構，蝕刻會沿者藍寶石的晶格面進行，至于藍寶石基板的背面，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層，在進行蝕刻時，覆蓋二氧化硅較薄區域的藍寶石基板則會先被蝕刻，進而形成粗糙化的表面。在發光性能表現上，有制作元件形狀化之覆晶LED比傳統覆晶發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） 電流發光強度圖

（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題，也可應用高溫磷酸蝕刻技術來解決此問題，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，亦有業界于雷射切割后，接著使用高溫磷酸來進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，進而增進HB-LED的發光效率。

圖11、雷射切割LED芯片后之SEM照片。

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℃高溫下進行，所以必須考慮加熱方式，N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，化學蝕刻液補充系統的補充精確度及設備自動化必須能夠兼顧人員安全與環保設計等。系統在制作上有七大設計關鍵，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.高產能設計：一次可上貨達200片外延片，產能為一般設備的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，另外1組磷酸槽可同步進行化學品更換與加熱，如此可防止因等待化學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布于整個槽體，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.N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N降溫度所產生的熱沖擊破片。