垂直LED結(jié)構(gòu)要求在加電極之前剝離掉藍寶石。準(zhǔn)分子激光器已被證明是分離藍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寶石材料對于紫外激光具有不同的吸收效率。藍寶石具有較高的帶隙能量（9.9 eV），所以藍寶石對于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，激光穿過藍寶石到達氮化鎵緩沖層，在氮化鎵與藍寶石的接觸面進行激光剝離。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激光脈沖對藍寶石上的氮化鎵進行激光剝離（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)的藍光LED，激光劃片是加工這種結(jié)構(gòu)的晶圓的理想選擇。藍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液以盡量減少碎片。在聚焦的激光束下方移動晶圓進行一次非常狹窄的V形切割，從外延面開始擴展到藍寶石層，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)力進行裂片加工。

圖5. 氮化鎵-藍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微米芯片的藍光LED藍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激光器對藍光LED藍寶石晶圓的氮化鎵正面進行劃片，正切劃片速度可達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

　　除了藍寶石之外，碳化硅也可以用來作為藍光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)了這些先進的劃片技術(shù)，可以成功的刻劃厚度高達200微米的基板，這對于高亮度LED產(chǎn)業(yè)極其重要。
 

圖6. LED藍寶石對紫外激光的吸收曲線。