如何进行蓝宝石衬底研磨抛光

蓝宝石衬底研磨抛光的过程

  一、上蜡

  LED芯片研磨制程的首要动作即“上腊”,这与硅芯片的CMP化学研磨的贴胶意义相同。将芯片固定在铁制(Lapping制程)或陶瓷(Grounding制程)圆盘上。先将固态蜡均匀的涂抹在加热约90~110℃的圆盘上,再将芯片正面置放贴附于圆盘,经过加压、冷却后,芯片则确实固定于盘面,完成上腊的动作。

  二、研磨

  在上腊制程作业完成后,接下来的制程就是破坏力最高的“研磨制程”。

  过去最成熟的研磨制程就是Lapping,即是将芯片使用氧化铝研磨粉作第一次研磨。其作业方式是使用千分表量测与设定铁盘外围的钻石点,再将其放置于磨盘上,使用研磨粉作研磨。使用钻石点的目的在于让芯片研磨至设定厚度时,由于钻石的硬度最高,所以芯片就不致于再被磨耗。

  但是,由于蓝光LED基板为蓝宝石,硬度高,所以使用Lapping的方式研磨时,会导致制程时间过长。因此,近几年来以Grinding的方式进行蓝光LED的芯片研磨,降低制程工时。

  Grinding制程设备可分成卧式与立式两种,卧式研磨机所指的是研磨马达与水平面平行,可适用于八片式以下的研磨设计。但是若为12片式研磨时,因陶瓷盘过大,则无法使用此设计方式。立式研磨机所指的是研磨马达与水平面垂直,而八片式以上的研磨机以此设计为主。

  在Grinding的制程方式中,使用钻石砂轮搭配冷却液(冷却油+RO水或DI水)或钻石切削液来研磨芯片。虽然冷却方式会依原设计者的制程理念与经验而有所不同,但是并不影响制程的结果。此制程作业之中,最主要的在于工作轴与砂轮轴的调整必须呈平行。再来,就是砂轮的磨石结构。

  由于Grinding研磨制程的速度效率高,若可以在研磨时将芯片厚度尽可能的减薄,则抛光的工时与成本就能降低。但是,研磨是高破坏性的制程作业,所以芯片减薄有一个极限值;另外,研磨制程中因钻石所造成的刮痕约为15um,所以完工厚度值也影响着研磨减薄的厚度设定。

  然而,在使用过的Grinding研磨机里,不论是T牌、W牌、SF牌等,最大的极限值都在95~105um。因为蓝宝石基板的硬度与翘曲,而使得完工后在100um以下的结果相当不稳定。

  所以,LED的研磨制程主要在设备设计与使用者经验的搭配。但是芯片的本质,仍是影响结果的主因。

  三、抛光

  在芯片研磨之后,接下来的制程作业就是“抛光”。目的在处理Lapping研磨后产生的深孔,或Grinding研磨后的深刮痕。一般而言,Lapping研磨后的孔洞深度约为10um,Grinding研磨后的刮痕深度为15um~20um。

  以Lapping研磨后的抛光制程而言,抛光盘多数使用聚氨酯Pad,即一般所谓的软抛。软抛可以使制程作业后的表面光亮如镜,但是其切削速率极低,约为0.2 um/min。另一个抛光方式是使用锡、铅盘,因其盘面为金属材质,所以一般称为硬抛。硬抛的切削速率可以达到0.7~1 um/min,加工速度比软抛快。然而,使用金属盘做抛光的风险较高。虽然为锡、铅为软质金属,但是盘面的状况必须十分小心的作监控,尤其是盘面的修整。若在修整后,有金属颗粒未除净,抛光后易碎。

  因此,为了增加切削速率与盘面的稳定性,近年来有了新式的抛光盘,其盘面是树酯,基座是铜。就是现在所谓的“树酯铜盘”。因为盘面材质的硬度介于聚氨酯与锡之间,也被称作是硬抛的一种方式。使用树酯铜盘做抛光,再搭配特制钻石抛光液与每秒的喷洒量,切削率可达2.3~2.8um/min。搭配 Grinding的研磨制程,就能增加大量的生产产出。当然,钻石抛光液的消耗量也会随之增加,但是在产能提升与损失风险较低的生产型态之下,每片芯片的生产成本未必会有增加。

  四、探讨树酯铜盘的高切削率搭配

  第一要素是铜盘沟槽与沟槽之间的间隙,沟槽与沟槽之间的间隙宽度最好为沟槽宽度的1.3~1.5倍。再来是抛光液的喷出量,必须依据无尘室环境与铜盘冷却温度而去作适当的设定、调整。

  钻石抛光液大多使用多晶钻石颗粒,不仅切削稳定,若与其他溶剂的配方比例佳,切削速率并不逊色。

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