蓝宝石衬底研磨三部曲

一、 研磨首部曲——上蜡
 
　　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。
 
　　上腊的制程，必须控制腊的厚度在2~3um，这与固蜡的选择、加压方式及条件都有直接影响，并且直接关系着研磨后的完工厚度均匀性。而上腊机的加压、冷却机构部分，大致可分成两种，一为使用两圆盘直接加压方式，另一种则是除了加压圆盘外，还增加了一个真空舱，在加压时将舱体抽真空，增加将蜡均匀压平的效果。
 
　　这两种方式，严格来说差异并不大。但是某些芯片，却不适用于真空加压的方式上腊，例如芯片若是在磊晶制程前就已经在芯片正面的平边作刻号，当加压抽真空时，因为平边的刻号隆起，会造成芯片下的腊被真空吸出，导致腊厚不足。研磨时，平边区域非常容易就被磨掉。除了造成研磨缺角，也因裂痕的产生，容易使芯片破裂。
 
　　然而，加压、冷却的设计也有不同，一般下圆盘都会有冷却水管路盘绕在盘内。但是有的是加压后数十秒或两分钟才开始加冷却水作冷却，而有的则是边加压、边冷却。
 
　　当上腊作业时，有一个难题，即芯片上腊时的气泡。气泡会使芯片无法完全贴附于铁盘或陶瓷盘上，研磨后会造成小裂痕。（若芯片研磨后产生小十字型或人字型裂痕，则是上腊时有微尘未被清除而造成。）但是，近来已经有自动上腊机，如WEC、TECDIA。在Robot取片时，就能将气泡大小控制在0.5mm以下，在经过加压冷却后，芯片上腊的状况就十分良好。但是若以SpeedFAM的手动上腊机进行上腊时，去除腊中1mm大小的气泡，就必须依靠操作者的经验与方法，才能获得最佳的上腊效果。
 
　　二、芯片研磨二部曲——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、LED芯片研磨三部曲——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。
 
　　对比W牌与T牌的抛光机，以T牌的设计自动化最佳，但是W牌的设计补救能力最强。所以，在使用考虑上，选择W牌，避免研磨或抛光发生厚度不均匀的异常时，还能对大量的异常施以补救。
 
　　目前，使用W牌的一台上蜡、两台研磨、一台抛光的五片机系列，加上个人的特殊制程改善，最高纪录可以在15小时产出300片。若以四班二轮作平均计算，一天一个班(12小时)可以产出250片左右。
 
　　所以，在适当的设备搭配与使用经验作改善之下，其实抛光是芯片减薄里，最稳定的制造生产。




相关词语：  铁盘  蓝光LED  LED芯片  效率  设计  蓝光  固态  制程  控制  芯片  成本