用於減少在管芯級雷射剝離期間所受機械損傷的藍寶石收集器的製作方法

2023-07-09 15:30:06 1

本發明涉及發光裝置領域，特別涉及一種系統，該系統在藍寶石襯底(其上生長有發光元件)的雷射剝離期間減少對該發光裝置的損傷。

背景技術：

半導體裝置(包括半導體發光元件)是在襯底上形成/生長，藍寶石晶片襯底是常見的。在發光元件的實例中，gan成核層可形成於藍寶石襯底上，接著是一個或多個n型層、一個或多個有源層及一個或多個p型層。可形成穿過這些層且在這些層上的金屬半導體，以經由最高(p型)層上方的接觸焊盤提供n型層及p型層與外部電源的耦合，以激勵該發光元件的（若干)有源層。

因為該金屬接觸焊盤一般是不透明或反射的，所以該發光元件設計為從與該接觸焊盤相對的表面並且穿過該襯底發射光。為了提高光提取效率，可移除該襯底，以曝露半導體表面。半導體表面可經處理以進一步提高光提取效率。在一些情況下，一個或多個接觸焊盤可放置在該裝置的發光側上。

雷射剝離是一種通常用以從發光元件移除藍寶石襯底的工藝。由於藍寶石半導體界面處的半導體層的瞬時熱分解，雷射脈衝經投射穿過該藍寶石襯底並且被藍寶石半導體界面處的半導體層吸收，從而產生局部爆發性衝擊波。

如果在晶片級處執行雷射剝離(llo），則在已處理整個晶片後移除晶片大小的藍寶石襯底。另一方面，如果針對每個個別管芯執行雷射剝離，則該管芯是倒裝晶片安裝在基座磚塊(submounttile)上，且該藍寶石面向上。將雷射應用到每個管芯，且該管芯大小的藍寶石晶片在雷射入射在每個管芯上後立即彈出至「藍寶石收集器」或「五彩紙屑接收器」，將半導體結構留在該基座磚塊上。該基座磚塊隨後經處理以在每個管芯上建立（例如）透鏡元件，接著經截割/切片以提供個別發光裝置。

在移除該藍寶石且覆蓋該管芯的時間之間，曝露該相對脆弱的半導體表面，該半導體表面易受機械損傷。在一組實例性生產過程(productionrun)期間，已經測得由於機械損傷所致的產率損耗為大約0.236%。

技術實現要素：

在雷射剝離後減少對發光元件的機械損傷的可能性將是有利的。

為更好地解決此顧慮，在本發明的一實施例中，藍寶石收集器(sc)中包括一個或多個特徵（結構特徵及參數特徵），以用於在管芯級雷射剝離(llo)期間捕獲從半導體結構移除的管芯大小的藍寶石晶片。這些特徵經設計以增加每個藍寶石晶片在其從該半導體結構釋放後立即由該藍寶石收集器穩固地捕獲的可能性。該藍寶石收集器包括具有拾取元件（其將每個所釋放的晶片抬起至該收集器）的真空增強收集器，及進一步引導該晶片至該收集器隧道（該收集器隧道導向到廢棄倉）的空氣推進器。

在本發明的實施例中，增強由該藍寶石收集器穩固地捕獲所釋放藍寶石晶片的可能性的特徵包括以下的一個或者多個。

為減少晶片碰撞收集器的頂部表面且彈回離開拾取元件的可能性，成角度的空氣推進器可位於該收集器的頂部附近以引導晶片遠離該頂部表面且更遠到達收集器隧道。同時，互補的成角度的空氣推進器可位於該收集器的底部附近以也引導拾取的晶片更遠到達收集器隧道中，且進一步引導任何跳彈晶片遠離拾取元件。為進一步增強這些空氣推進器的效率，該空氣推進器可被成形為具有高速度、低體積輸出的氣刀。

收集器隧道的入口可張開以將該收集器橫截面區域最大化，且減少晶片朝向該拾取區域跳彈回的可能性。可圍繞該拾取元件的內部建立溝槽以防止設法滑出該張開的隧道開口或靠近該拾取元件的任何晶片離開該拾取元件。

面向基臺上管芯的收集器的外表面可以是傾斜的以減少「天然晶片（wildchip）」在該基臺與該收集器的下表面之間重複跳彈的可能性。拾取元件及所提供的真空也可被設計以最佳化所釋放的晶片將被迫使進入收集器的可能性。

在本發明的一實例性實施例中，由於雷射剝離後的機械損傷造成的產率損耗被從0.236%減少至0.023%量級。

附圖說明

參考附圖且由實例進一步詳細解釋本發明，其中：

圖1a示出了實例性現有技術的藍寶石收集器。

圖1b及圖1c示出了藍寶石晶片在圖1a的現有技術藍寶石收集器中的逆向行進。

圖2a至圖2c示出了實質上減少在雷射剝離後對該發光元件機械損傷可能性的藍寶石收集器的一實例性實施例。

圖3a至圖3c示出了圖2的藍寶石收集器的實例尺寸。

整個附圖中，相同附圖標記表示類似或對應特徵或功能。為說明性的目的包括了附圖，但不意味著限制本發明的範圍。

具體實施方式

在以下描述中，為解釋而非限制的目的，描述了特定細節，諸如特殊架構、界面、技術等等，以提供對本發明概念的全面理解。然而，本領域技術人員將明白，本發明可在背離這些特定細節的其他實施例中實踐。依類似方式，這裡描述的內容是關於如附圖中所示出的實例性實施例，不意欲限制所請求保護的發明以免超出權利要求書中所清楚包括的限制。為簡化及簡明的目的，忽略已知裝置、電路及方法的詳細描述以不致使本發明的描述由於不必要的細節而不清楚。

圖1a示出了實例性現有技術藍寶石收集器(sc)120。sc120包括向兩個隧道130a及130b敞開的收集器腔125。這些隧道130是處於負壓力下，分別引起隧道130a及130b中的真空流135a及135b。sc120還包括至腔125的輸入管140a及140b，腔125在管140a及140b中分別提供壓力流145a及145b。還可提供額外隧道及管。

雷射元件110提供經由閘128進入sc120的脈衝雷射束115。閘128經設計以不阻擋雷射束115，但防止任何藍寶石晶片170在進入腔125後離開。閘128可以是（例如）透鏡元件或簡單地是格柵。

在sc120下，具有所附接的藍寶石襯底晶片170的多個發光元件160安裝在基臺150上。在雷射剝離期間，由使sc120相對於基臺150移動或使基臺150相對於開口122移動至sc120的腔125，而使sc120位於具有所附接的藍寶石晶片170的發光元件160上。

在發光元件160及晶片170位於開口122下的情況中，應用脈衝雷射束115，引起從發光元件160爆發性地釋放晶片170。向上力引起所釋放晶片170進入開口122，且真空流135a及135b引起該釋放晶片170朝向隧道130a及130b行進。離開管140a及140b的加壓氣流145a及145b還用以推進該行進晶片170朝向隧道130。

取決於相對於真空130及加壓空氣145的晶片170的初始剝離軌跡方向及速度，晶片170可直接或在一些跳彈之後進入真空隧道130中的其中一個真空隧道。理想地，因為晶片170的速度將不斷減少且因此越來越受到真空135a、135b及加壓氣流145a、145b影響，所以即使晶片170圍繞腔125內跳彈，晶片170最後仍將進入隧道130a、130b中的其中一個。

發明者已使用高速相機記錄了關於基臺150及開口122的雷射剝離操作，並且已觀察到一些晶片170離開開口122且引起損傷。

在一些情況下，晶片170懸停在開口122下方且最後倒吸回腔125，未引起任何不利影響。然而，在其他情況下，如圖1b中所示出，晶片170以足夠向下的速度行進，其使真空流135a、135b及加壓氣流145a、145b不足以在晶片170離開開口122且碰撞基臺150之前逆轉或變更其方向。此向下行進的可能原因是晶片170沿腔125的壁或頂部表面的跳彈。由於真空流135a、135b及加壓氣流145a、145b，最跳彈的晶片170可能最後吸入隧道130a、130b，但一些晶片170藉助所安裝發光元件160通過開口122離開且碰撞基臺150。

在不具有所附接的藍寶石晶片170的情況下，如果離開的晶片170(即，帶有已用雷射器移除晶片170的元件160)在發光元件160所在的位置處碰撞基臺150，則即使處於低速，該半導體表面的脆弱本質仍將可能導致元件160的毀壞。

圖1c示出了所觀察到的失敗機制，其中離開的晶片170在sc120的下外表面126與基臺150之間重複跳彈，引起（經常）對於基臺150上的多個元件160的實質損傷。

如上文所解釋，已在一組生產過程中觀察到由於雷射剝離後的機械損傷高達0.236%的產率損耗；且如隨後所確定，此損耗產率的絕大部分(90%)是由於離開的晶片170遭受的損傷。還觀察到由於圖1c中所示出的重複跳彈，產生實質上多數的損傷。

圖2a示出了藍寶石收集器220的實例性實施例，該收集器實質上減少在雷射剝離後對發光元件的機械損傷的可能性。

尤其應注意，sc220包括單一隧道230，其具有管狀部分231及張開部分232。張開部分232的窄端連接至管狀部分231，且寬端連接至腔225。張開部分232可以是圓錐形部分（諸如已移除尖端的圓錐形）。張開部分232與管狀部分231可均具有圓形橫截面，或該形狀可以是更複雜。例如，張開部分232在其寬端可具有長方形橫截面，其中張開部分232敞開至腔225，且在其窄端具有圓形橫截面，在其窄端處張開部分232耦合至管狀部分231。在可替換實施例中，用於張開部分232或管狀部分231的橫截面可具有任何適合橫截面（例如，方形、三角形、橢圓形）。同樣地，腔225可具有長方形橫截面、圓形橫截面或任何適合橫截面。腔225的橫截面可以是沿其整個高度均相同或可以不同。

隧道230是保持在負壓力處，導致真空力或真空流235。儘管此更寬的隧道230可能需要比圖1更窄隧道130a、130b更大的真空力235，但如下文所進一步詳細描述，可提供特徵以減少所建立真空的損耗。

雷射元件110提供經由閘128進入sc220的脈衝雷射束115。閘128經設計以不阻擋雷射束115，但防止任何藍寶石晶片170在進入腔225後離開。閘128可以是(例如）透鏡元件或簡單地是光柵。

在sc220下，具有所附接的藍寶石襯底晶片170的多個發光元件160安裝在基臺150上。在雷射剝離期間，由使sc220相對於基臺150移動或使基臺150相對於開口222移動至sc220的腔225，而使sc220位於具有所附接藍寶石晶片170的發光元件160上。

在發光元件160及晶片170位於開口222下的情況中，從雷射源110應用脈衝雷射束115，引起從發光元件160爆發性地釋放晶片170。

儘管腔225示為具有連接至隧道230的單一側及與連接至隧道230相對的扁平側，但可以設想其他構造且包括於本發明的範圍內。腔225可具有圓形橫截面或任何其他適合橫截面，例如，方形、三角形、橢圓形。腔225可由橫截面的任何適合組合（例如，緊鄰雷射器110的圓柱形部分及靠近晶片150的方形橫截面)形成。

sc220包括兩個成角度的噴嘴，或將管240a及240b耦合至腔225的空氣推進器250a及250b(共同地稱為空氣推進器250)，且可突出至腔225。這些管240a、240b經由空氣推進器250a及250b將壓力流245a及245b引導至腔225。空氣推進器250a的其中一個位於靠近腔225的頂部，且成角度向下（即，朝向開口222），以減少所釋放的晶片170將碰撞腔225的頂部表面且從腔225的頂部表面跳彈的可能性，和/或減少該跳彈晶片將被引導朝向拾取開口222的可能性。另一空氣推進器250b位於靠近腔225的底部，且成角度向上（即，遠離開口222）以將晶片170或任何跳彈晶片170引導至張開部分232，進一步減少跳彈晶片170將被引導朝向拾取開口222的可能性。

如圖2b（250a的側視圖、橫截面)及圖2c（250a的正視圖）中所示出的，空氣推進器250a、250b可被成形為具有例如薄但長開口/狹縫255a、255b的平行六面體的卷形（圖2a中沒有示出)的氣刀。該氣刀可延伸穿過腔225的內表面且引導流240a、240b通過窄狹鏠255a、255b朝向張開部分232，藉此在腔225中建立高速度氣體層流。空氣的這些層流建立剪切層，剪切層最小化晶片170通過該剪切層的可能性，特別是跳彈晶片170通過剪切層而不被引導朝向張開部分232的可能性。氣刀250a、250b的薄開口255a、255b還限制進入腔225的空氣體積，由此減少腔225內真空壓力235的損耗，且增加sc220的拾取開口222處的真空力。儘管此實例性氣刀具有長方形橫截面(其具有被成形為碾磨過的長方形的狹縫），但可設想用於該氣刀及該狹縫的任何其他適合形狀（諸如配置在線中的多個孔口）且該形狀可包括於本發明的範圍內。

由於空氣推進器250a、250b的氣刀形狀，絕大多數晶片170(特特別是跳彈晶片170，其速度伴隨每次跳彈不斷減少)將通常進入張開部分232。然而，一些晶片170可落在斜壁233上。因為這些晶片170沒有初級氣流進入隧道230，所以可能沒有足夠的真空力以將晶片170拉上斜壁233，且一些晶片170可朝向拾取開口222下滑。為防止這些晶片掉出拾取開口222，可圍繞拾取開口222放置擋板280，從而形成溝槽（其中含有晶片170）。可提供用於從由擋板280形成的溝槽周期性地移除所捕獲的晶片170的構件。

sc220的外部可成形為減少由於跳彈晶片170（諸如圖1c中所示出)造成的極度損傷的可能性。尤其應注意，拾取開口222可由用於實質上偏斜跳彈晶片170的斜壁270形成，從而最小化圖1c的重複跳彈圖案的機會。以類似方式，下部結構275可以是傾斜的以進一步防止重複跳彈圖案。

在本發明的實施例中，真空力235及壓力245的量可以是可調整的以為被剝離的藍寶石晶片170的特殊尺寸及形狀提供最佳氣流。以類似方式，襯底150上的sc220的高度272可以是可調整的以將至開口222的氣流最佳化，同時是與基臺150上的實際高度—樣高，以避免由以低速離開開口222的晶片170損傷且在該晶片170碰撞所曝露的半導體160之前倒吸回開口222。所升高的高度還用以通過增加降落晶片170曝露至相反方向的真空力的時間而減少降落晶片170可用以碰撞基臺150的力。

圖3示出了圖2的藍寶石收集器的實例性尺寸，且表1示出了每個參數或者尺寸的實例值。

如所示出的，空氣推進器250a、250b的數量可等於或大於1。如果僅提供一個空氣推進器250，則該空氣推進器250可位於靠近腔225的頂部，以防止晶片跳彈出腔225的頂部。如果提供兩個以上空氣推進器250a、250b，則該空氣推進器250a、250b的取向角可以是從角度a1連續改變至角度a2。

儘管隧道的位置與推進器250a、250b對準，但該對準僅需要是近似，且可能取決於隧道230中真空及來自空氣推進器250a、250b的壓力的相對強度。例如，如果該真空力大，使得絕大多數晶片進入隧道230而無需來自空氣推進器250a、250b的幫助，則空氣推進器250a、250b可位於腔225中的更高處，其功能主要是重新引導具有高垂直速度的那些晶片朝向水平且引導至隧道230。

為了最佳化生產時間，快速移動基臺150或sc220以在開口222下放置每個下一個具有晶片170的半導體160。在一些實施例中，由於平臺移動的加速及減速，基臺150以變化的速度vs行進，且當具有晶片170的半導體160行進至開口222下時激勵雷射器。剝離後所得的晶片速度將等於行進速度vs及由真空vv引發的速度的矢量和，包括由於晶片170從半導體160雷射分離所致的初始速度。當激勵雷射器時，此矢量和vvs必須指向開口222內。因此，開口222可以是細長形（長方形）以容納由橫向行進速度vs產生的偏移。以類似方式，如果sc220以速度vs行進且基臺150保持固定，則開口222還可以是細長形以容納sc220的移動。在一些實施例中，基臺150經移動以將下一個具有晶片170的半導體160放置在該開口下，且在激勵雷射器之前完全停止。

表1的其他參數及尺寸對於本領域技術人員來講本身是清楚的，且不需要進一步詳述。

如上文所解釋，高速相機記錄已提供證據，即，使用本發明各方面的產率損耗在一個實例中已從0.236%減少至0.023%量級。此外，散出率（每被處理晶片數量的離開拾取開口的晶片數量）已良好地平均從4.31%（25/580）減少到0.24%（1.4/580）量級。

儘管已在附圖及先前說明書中詳細示出了並且描述了本發明，但這些示出及描述是示意性或例示性的而不是限制性的；本發明不限於所揭示的實施例。本領域技術人員可在實踐所要求保護的發明時根據對附圖、公開內容及隨附權利要求書的研究，對於所公開實施例的其他變化也是可以理解和有效的。在權利要求書中，單詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」不排除複數。在互不相同的從屬權利要求中列舉的特定措施的簡單事實並不代表這些措施的組合不具有優越性。權利要求書中的任何附圖標記不應理解為限制本發明的範圍。