垂直LED結(jié)構(gòu)要求在加電極之前剝離掉藍(lán)寶石。準(zhǔn)分子激光器已被證明是分離藍(lán)寶石與氮化鎵薄膜的有效工具。LED激光剝離技術(shù)大大減少了LED加工時間，降低了生產(chǎn)成本，使制造商在藍(lán)寶石晶圓上生長氮化鎵LED薄膜器件，并使薄膜器件與熱沉進(jìn)行電互連。這個工藝使得氮化鎵薄膜可以獨立于支撐物，并且氮化鎵LED可以集成到任何基板上。

激光剝離原理

　　紫外激光剝離的基本原理是利用外延層材料與藍(lán)寶石材料對于紫外激光具有不同的吸收效率。藍(lán)寶石具有較高的帶隙能量（9.9 eV），所以藍(lán)寶石對于248nm的氟化氪（KrF）準(zhǔn)分子激光（5 eV輻射能量）是透明的，而氮化鎵（約3.3 eV的帶隙能量）則會強烈吸收248nm激光的能量。正如圖3所示，激光穿過藍(lán)寶石到達(dá)氮化鎵緩沖層，在氮化鎵與藍(lán)寶石的接觸面進(jìn)行激光剝離。這將產(chǎn)生一個局部的爆炸沖擊波，使得在該處的氮化鎵與藍(lán)寶石分離?；谕瑯拥脑恚?93nm的氟化氬（ArF）準(zhǔn)分子激光可以用于分離氮化鋁（AlN）與藍(lán)寶石。具有6.3 eV帶隙能量的氮化鋁可以吸收6.4 eV的ArF激光輻射，而9.9 eV帶隙能量的藍(lán)寶石對于ArF準(zhǔn)分子激光則是透明的。 

圖3. 248nm激光剝離示意圖

　　光束均勻性和晶圓制備對于實現(xiàn)成功剝離都很重要。JPSA公司采用創(chuàng)新的光束均勻化專利技術(shù)使得準(zhǔn)分子激光束在晶圓上可以產(chǎn)生最大面積達(dá)5 × 5毫米的均勻能量密度分布的平頂光束。

　　正確的晶圓制備是LLO成功的關(guān)鍵。需要最大限度地減少在藍(lán)寶石上高溫外延層生長過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，還要保證外延層和襯底進(jìn)行充分鍵合，以避免在剝離過程中外延片破裂。圖4展示了一個典型的剝離效果。 

圖4. 248nm激光脈沖對藍(lán)寶石上的氮化鎵進(jìn)行激光剝離（一個脈沖激光光斑一次覆蓋9個芯片）。

　　LLO系統(tǒng)可以在室溫環(huán)境下進(jìn)行高速、高產(chǎn)量的加工。精心設(shè)計的系統(tǒng)允許單發(fā)脈沖光斑同時覆蓋多個芯片，并采用“飛行射擊”革新技術(shù)使得每一發(fā)脈沖光斑都能與晶圓芯片定位精確對準(zhǔn)。

藍(lán)光LED晶圓激光劃片

　　傳統(tǒng)的制造商仍在繼續(xù)供應(yīng)橫向結(jié)構(gòu)的藍(lán)光LED，激光劃片是加工這種結(jié)構(gòu)的晶圓的理想選擇。藍(lán)寶石的極高硬度給鋸片切割與金剛石劃片帶來芯片成品率低、產(chǎn)量低和成本高等諸多問題。

　　與傳統(tǒng)的鉆石劃片方式相比，紫外（UV）二極管泵浦固體（DPSS）激光劃片方式的芯片成品率和晶圓產(chǎn)量大幅增加，并且LED晶圓的亮度沒有明顯損耗。短波長激光在氮化鎵和藍(lán)寶石層的吸收率都增加了，這樣可以降低劃片所需的輻射光功率，同時減小了切口寬度。

　　劃片寬度、速度和加工產(chǎn)量是保持低加工成本與晶圓高產(chǎn)量的主要參數(shù)。JPSA已開發(fā)出一種專利的光束傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以獲得很狹窄的2.5微米切口寬度（圖5），并提供特有的表面保護(hù)液以盡量減少碎片。在聚焦的激光束下方移動晶圓進(jìn)行一次非常狹窄的V形切割，從外延面開始擴展到藍(lán)寶石層，通常劃片深度為20到30微米。激光劃片之后，用標(biāo)準(zhǔn)的裂片機在V形激光切縫處集中應(yīng)力進(jìn)行裂片加工。

圖5. 氮化鎵-藍(lán)寶石晶圓激光劃片的切口寬度2.5微米。

　　266nm激光正切劃片的切口寬度越窄，每片晶圓生產(chǎn)的可用芯片數(shù)目就越多，從而可以增加加工總產(chǎn)量。

　　可以用普通的2英寸直徑、250 × 250微米芯片的藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓做一個簡單的比較。用傳統(tǒng)的鉆石劃片的切割劃道寬度通常為50微米（300微米芯片間距），這樣每片晶圓上大約有22,500粒芯片。傳統(tǒng)鉆石劃片的成品率通常為百分之九十，即每片晶圓上可用的芯片數(shù)為20,250。

　　采用紫外激光劃片，劃道寬度可以減少到20微米（270微米芯片間距），這樣每片晶圓上芯片數(shù)量增加到27,800左右（增了百分之二十三）。隨著成品率增加，這種方式得到的可用芯片數(shù)約為27,500，這樣每片晶圓的可用芯片數(shù)總共增加了百分之三十五。

　　自1996年以來，JPSA一直采用266nm的DPSS激光器對藍(lán)光LED藍(lán)寶石晶圓的氮化鎵正面進(jìn)行劃片，正切劃片速度可達(dá)150 mm/s，這樣每小時可加工大約15片晶圓（標(biāo)準(zhǔn)的2英寸直徑晶圓，芯片尺寸350× 350微米）。這種方式的產(chǎn)量高，對LED性能的影響小，允許晶圓翹曲，比傳統(tǒng)機械方式的劃片速度要快得多。

碳化硅（SiC）劃片

　　除了藍(lán)寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍(lán)光LED薄片的外延生長基板。266nm和355nm紫外DPSS激光器（帶隙能量分別為4.6 eV和3.5 eV）可用于碳化硅（帶隙能量為2.8 eV）劃片。因為光子能量很高，增強了耦合效率，便于進(jìn)行高速劃片與裂片。氮化鎵與氮化鋁等III族氮化物厚片也可使用紫外DPSS激光器進(jìn)行劃片。200到400微米厚的氮化鎵或氮化鋁的劃片速度相比藍(lán)寶石或碳化硅上外延薄片的劃片速度要明顯降低，但是其劃片質(zhì)量優(yōu)良，裂片簡便。

　　對于垂直結(jié)構(gòu)的高功率LED，激光剝離（LLO）工藝將藍(lán)寶石分離后，外延膜仍然與銅、銅鎢、鉬或硅等高導(dǎo)電率基板保持鍵合。對于硅晶圓，在300 mm/s、150 mm/s、100 mm/s的劃片速度時劃片深度分別為100μm、150μm和200μm。光束傳輸技術(shù)在一定的激光功率下保證了這些劃片速度/深度，并且減少了熱影響。金屬基板的晶圓劃片具有挑戰(zhàn)性，因為金屬的熱傳導(dǎo)率高，通常導(dǎo)致底焊效應(yīng)。此外，當(dāng)分離非常柔韌的材料時往往需要全切。JPSA已經(jīng)開發(fā)了這些先進(jìn)的劃片技術(shù)，可以成功的刻劃厚度高達(dá)200微米的基板，這對于高亮度LED產(chǎn)業(yè)極其重要。
 

圖6. LED藍(lán)寶石對紫外激光的吸收曲線。