CN100580965C - 一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜led芯片器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件及其制造方法，绝缘缓冲膜包裹于所有金属结构侧壁，填充于所有非电学连接区域，通过在连接GaN基发光器件与电极化倒装基板的所有金属凸点之间填充绝缘缓冲膜，填充厚度略低于或与金属凸点高度齐平，再通过晶片整面键合的方式将GaN基发光器件晶圆片与电极化倒装基板整面直接键合，使导电支撑厚金属层金属凸点与绝缘缓冲膜共同形成本发明的复合式低阻缓冲结构，既实现了GaN基发光器件与电极化倒装基板间的电学连接，又实现了缓冲层填充，从而降低后续激光剥离工艺的晶片破裂发生率，以提高产品良品率，且由于可以对蓝宝石衬底进行整面的剥离作业剥离后的蓝宝石衬底圆片，可被回收再利用，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管芯片，尤其是一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件及其制造方法。
背景技术
现有的薄膜LED芯片器件(TFFC Thin-film Flip Chip)，是在传统的倒装结构芯片(FC Flip-Chip尺寸通常为1mmx1mm)的基础上，利用准分子激光剥离衬底技术将生长GaN材料的蓝宝石(Sapphire)衬底剥离，露出LED薄膜结构。(参考文献‘High performance thin-film flip-chip InGaN-GaNlight-emitting diodes’-Philips Lumileds Lighting Company)。传统方法所存在的问题有：(1)如图1所示，倒装结构芯片中用于结合GaN外延层薄膜与倒装基板的金属凸点之间存在未填充的空隙，外延层薄膜部分缺乏有效支撑及热沉，这样在进行激光剥离工艺时容易由于瞬间的机械振动或瞬间的热效应导致芯片的破裂或结构变化而导致失效，最终导致TFFC类产品的成品良率低下；(2)传统的TFFC结构在激光剥离工艺倒装工艺之前需将芯片在蓝宝石端一颗一颗地进行单元分离，再一颗一颗地倒装到电极化倒装基板上，这个过程速度慢，耗时长不易于批量生产的实现；(3)由于在激光剥离工艺前所进行的单元分离，如图2所示，剥离后的蓝宝石衬底将无法回收再利用，造成资源浪费并增加生产成本。
发明内容
为解决上述TFFC类产品在进行激光剥离工艺时由于瞬间的机械振动或瞬间的热效应导致晶片的破裂或结构变化而导致失效的问题，避免或降低发光二极管芯片制造过程中所产生的晶片断裂、形变几率，提升产品的良品率，本发明旨在提出一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件，包括：
——提供一衬底，在衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成的GaN基外延薄膜；
——形成于所述的GaN基外延薄膜上的周期性凹槽，所述周期性凹槽通过以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层直至露出N型半导体层而形成；
——形成于P型半导体层上的欧姆接触及金属反射层，其金属反射层材料为Ag或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，其厚度在50～500nm之间；
——形成于所述金属反射层上的P极多层金属粘合层；
——形成于所运N型半导体层上的N极多层金属粘合层；
——形成于非电学连接区域的钝化层；
其特征在于：
——在多层金属粘合层上形成导电支撑厚金属层，其材料选自Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo中的一种或多种组合，并以Au金属层作为该导电支撑厚金属层的结束层；
——在导电支撑厚金属层上形成金属凸点，用以连接GaN基发光器件与电极化倒装基板；
——在GaN基发光器件薄膜与电极化倒装基板之间设有绝缘缓冲膜，其厚度为0.1～100um，其材料选自环氧树脂、绝缘硅胶、聚酰亚胺(polyimide)、二氧化硅、氮化硅、Al203中的一种或多种的组合；
——通过所述金属凸点连接所述电极化倒装基板上的P/N电极结合区，用以支撑所述电极化倒装基板；
——导电支撑厚金属层、绝缘缓冲膜及金属凸点共同构成复合式低阻缓冲结构。
本发明结构中的金属凸点材料为Au或AuSn合金，金属凸点直径为20～80um，高度为15～60um。
一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件的制造方法，其制作工艺步骤如下：
第一步：在蓝宝石衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成GaN基外延膜；
第二步：采用干法蚀刻以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层，直至露出N型半导体层，形成周期性凹槽；
第三步：在P型半导体层顶部制备欧姆接触及金属反射层，金属反射层材料为Ag或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，厚度在50～500nm之间，并通过在N2气氛中高温退火达到欧姆接触特性并增强其与P型半导体层的附着力；
第四步：在上述结构表面制备钝化层，并使P、N电极电学连接区域裸露；
第五步：在上述裸露区域制备多层金属粘合层，包括P电极与N电极区域；多层金属粘合层包括粘附层、阻挡层、浸润层等多层金属材料，其中粘附层材料为Ti、Cr、Al，阻挡层材料为Ni、Pt、TiW、TiN，浸润层材料是Au。
第六步：在上述P/N电极多层金属粘合层上电镀形成导电支撑厚金属层，厚度为0.5～100um，其材料选自Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo中的一种或多种的组合，并且以Au作为电镀结束层；
第七步：通过激光烧蚀的方式定义出单元GaN基发光器件位置，激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光，激光烧蚀深度截止于GaN材料与蓝宝石之间的生长界面，不伤及蓝宝石衬底；
第八步：在上述结构表面制备绝缘缓冲膜，其厚度为0.1～100um，其材料选自环氧树脂、绝缘硅胶、聚酰亚胺、二氧化硅、氮化硅、Al2O3中的一种或多种的组合，通过高速旋转涂布与化学气相沉积或热蒸发相结合的方式制备；并且通过光刻方法使用以种植金属凸点的部分导电支撑厚金属层裸露；
第九步：使用金属凸点种植设备，在上述部分裸露的导电支撑厚金属层上种植金属凸点，金属凸点材料为Au或AuSn合金；
第十步：将上述晶片与电极化倒装基板进行对位晶片键合，使金属凸点产生熔融状态从而与倒装基板上的电极焊盘形成良好的电学接触以及力学结合；
第十一步：采用激光剥离方式，整面剥离用以生长GaN基发光器件薄膜的蓝宝石衬底，使得N型半导体层裸露；
第十二步：清洁并蚀刻去除顶部部分裸露的N型半导体层；
第十三步：在上述裸露N型半导体层表面制备钝化层，用以实现出光面的电学保护；
第十四步：沿第七步骤中所述芯片定义烧蚀痕迹将整个晶片做单元切断处理，完成本发明的器件制作。
在本发明制作工艺方法中用以种植金属凸点的导电支撑厚金属层是由图案化金属电镀形成；绝缘缓冲膜具有低温流动性、高温固化成型后仍具有弹性的特性。
本发明的有益效果是：在用以连接GaN基发光器件与电极化倒装基板的所有金属凸点之间填充绝缘缓冲膜，通过晶片整面键合的方式将GaN基发光器件晶圆片与电极化倒装基板整面键合，使金属凸点与绝缘缓冲膜共同形成低阻缓冲结构，既实现了GaN基发光器件与电极化倒装基板间的电学连接，又实现了缓冲层填充，从而降低后续激光剥离工艺的晶片曲翘或晶片破裂发生率，同时提升产品良品率；相比于传统TFFC工艺，由于可以对衬底进行整面的剥离作业，因而提高了生产效率，且剥离后的蓝宝石衬底圆片可被回收再利用，因此一定程度上降低生产成本。
附图说明
图1为传统薄膜LED芯片器件结构示意图；
图2为传统薄膜LED芯片器件制作工艺对单元化衬底的剥离示意图；
图3a至图3r为本发明发光器件制造过程的截面示意图；
图4为依本发明方法所制造的发光器件的截面示意图；
图中：
100：衬底100， 110b：单元GaN基发光器件，
111a、111b、170：周期性凹槽， 120：欧姆接触反射层，
130、210：钝化层， 140a：P极多层金属粘合层沉积位置，
140b：N极多层金属粘合层沉积位置，150a：P极多层金属粘合层，
150b：N极多层金属粘合层， 160a：P极导电支撑厚金属层，
160b：N极导电支撑厚金属层， 180：绝缘缓冲膜，
190a、190b：金属凸点种植位置， 200a：P电极金属凸点，
200b：N电极金属凸点， 300：倒装基板，
310a：倒装基板P电极结合区， 310b：倒装基板N电极结合区，
320：倒装基板PN绝缘隔离层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图4所示的一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件，其结构是：提供一蓝宝石衬底100，在衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成GaN基外延薄膜110；GaN基外延薄膜110上的周期性凹槽，所述周期性凹槽通过以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层直至露出N型半导体层而形成，形成于P型半导体层上的欧姆接触及金属反射层120，金属反射层120材料为Ag或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，其厚度在50～500nm之间；形成于反射金属层上的多层金属粘合层150；形成于N型半导体层上的N电极多层金属粘合层150b；形成于非电学连接区域的钝化层130、210；尤其在多层金属粘合层150上形成导电支撑厚金属层160，其材料选自Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo中的一种或多种组合，首选NiCo合金，并以Au金属层作为该导电支撑厚金属层160的结束层；尤其在导电支撑厚金属层160上形成金属凸点200，用以连接GaN基发光器件与倒装电极化基板300；在GaN基发光器件薄膜与电极化倒装基板300之间设有绝缘缓冲膜180，其厚度为0.1～100um，其材料选自环氧树脂、绝缘硅胶、聚酰亚胺(polyimide)、二氧化硅、氮化硅、Al2O3中的一种或多种的组合，首选聚酰亚胺(polyimide)；通过金属凸点200连接P/N电极结合区和PN绝缘隔离层320，用以支撑GaN基发光器件薄膜的电极化倒装基板；本发明通过导电支撑厚金属层160、绝缘缓冲膜180及金属凸点200共同构成复合式低阻缓冲结构。
本发明结构中的金属凸点200材料为Au或AuSn合金，金属凸点200的直径为20～80um，高度为15～60um。
制备本发明的具有复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件，其制作工艺步骤如下：
第一步：如图3a所示，在蓝宝石衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成GaN基外延膜110。
第二步：采用干法蚀刻以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层，直至露出N型半导体层，形成周期性的凹槽111a与111b形成，如图3b所示，形成的凹槽深度为0.5～2μm，宽度为20～200μm，在蓝宝石衬底100上形成的每个GaN基半导体单元器件110a都具有N-GaN层、活性层和P-GaN层。
第三步：各GaN基半导体单元器件110a的P-GaN层顶部形成欧姆接触及金属反射层120，如图3c所示，其反射金属层材料120首选Ag，或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，厚度是50～500nm，并通过在N2气氛中高温退火改善金属膜120与GaN基半导体单元器件110a的欧姆接触和附着力。
第四步：在凹槽111a、111b内壁和除金属反射层120外的台面边缘沉积钝化膜130，如图3d所示，钝化膜130为绝缘材料，包含SiO2和Si3N4两种材料，钝化膜130厚度为50～500nm。
第五步：如图3e所示，通过光刻图案化工艺以及湿法蚀刻的方式，将部分钝化膜130去除，完全露出金属反射层120，以及部分台面110a，形成P极多层金属粘合层沉积位置140a和N极多层金属粘合层沉积位置140b。
第六步：如图3f所示，在图1e形成的140a和140b位置沉积多层金属粘合层150a和150b，多金属膜150a和150b包括粘附层、阻挡层、浸润层等多层金属材料，其中粘附层材料是Ti、Cr、Al等，阻挡层材料是Ni、Pt、TiW、TiN，浸润层材料为Au。多层金属粘合层150a和150b主要是为后续电镀制备导电支撑厚金属层提供基底，同时粘合层150a可起到完全保护反射金属层120的作用，粘合层150b可与N-型半导体凹槽111b实现欧姆接触。
如图3g所示，在多层金属粘合层150a和150b的对应位置，图案化电镀导电支撑厚金属层160a和160b，其材料首选NiCo合金，也可以是Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo合金中的一种或多种组合，并且以Au层作为电镀结束层，总厚度为0.5～100um。
第七步：如图3h所示，通过激光烧蚀的方式沿周期性凹槽111b定义出单元GaN基发光器件位置，激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光。激光烧蚀出周期性凹槽170，宽度为2～10um，烧蚀深度截止于GaN材料与蓝宝石之间的生长界面，且控制不伤及蓝宝石衬底。
第八步：如图3i所示，在整个晶片表面均匀涂布绝缘缓冲膜180，其材料首选聚酰亚胺(polyimide)，也可以是环氧树脂，绝缘硅胶，聚酰亚胺(polyimide)的多层组合，通过多次高速旋转涂布来达到理想的厚度，厚度为0.1～100um，并通过热处理，温度在120℃～300℃之间，使绝缘缓冲膜180固化。
如图3j所示，通过光刻工艺以及湿法蚀刻的方法，将部分缘缓冲膜180去除，使位于导电支撑厚金属上的金属凸点种植位置190a和190b完全裸露，其中190a对应P电极位置，190b对应N电极位置。
第九步：如图3k所示，在上述190a和190b位置种植金属凸点200a和200b，其中200a对应P电极位置，200b对应N电极位置；此步骤结束后，对应与图3k的单元GaN基发光器件平面图如图3K-AA所示，其中周期性凹槽170为步骤七中所述的周期性激光烧蚀凹槽。
第十步：如图3l和图3m所示，将GaN基发光器件晶圆片与电极化倒装基板300进行对位晶片键合，使金属凸点200产生熔融状态从而与倒装基板上的电极焊盘形成良好的电学接触以及力学结合，即通过金属凸点200a、200b分别连接电极化倒装基板300上的倒装基板P电极结合区310a和倒装基板N电极结合区310b，也就是通过金属凸点200连接P/N电极结合区和PN绝缘隔离层320，用以支撑GaN基发光器件薄膜的电极化倒装基板300；该电极化倒装基板300已事先制备完成，包含对应于GaN基发光器件图形的电路分布以及相应的P、N焊盘。
第十一步：如图3n所示，采用准分子激光剥离的方式将蓝宝石衬底100整面剥离，得到裸露出N型半导体层的单元GaN基发光器件110a，如图3o所示。
第十二步：对裸露出N型半导体层的单元GaN基发光器件110a进行清洁，并通过蚀刻将露出的顶部部分去除，形成N型半导体层平整的GaN基发光器件110b如图3p所示。
第十三步：GaN基发光器件110b的N型半导体层平面上沉积钝化层210，其材料为二氧化硅或氮化硅，厚度为0.1～5nm，如图3q所示。
第十四步：最后，沿步骤七中所述周期性激光烧蚀凹槽170经过如划片处理或切断处理的过程分离开各氮化物半导体单元器件110b，如图3r所示，至此，完成根据本发明制造的激光剥离GaN基发光器件如图4所示。
本发明绝缘缓冲膜包裹于所有金属结构侧壁(包括金属凸点200及导电支撑后金属层160侧壁)，填充于所有非电学连接区域，保证器件与电极化倒装基板之间非电学连接区域的绝对电阻断；同时通过在连接GaN基发光器件与电极化倒装基板300的所有金属凸点200之间填充绝缘缓冲膜180，填充厚度略低于或与金属凸点高度齐平，再通过晶片整面键合的方式将GaN基发光器件晶圆片与电极化倒装基板整面直接键合(有别于传统TFFC工艺的单个芯片倒装，需一颗一颗地往倒装基板上放置)，使导电支撑厚金属层160、金属凸点200与绝缘缓冲膜180共同形成本发明的复合式低阻缓冲结构，既实现了GaN基发光器件与电极化倒装基板间的电学连接，又实现了缓冲层填充，从而降低后续激光剥离工艺的晶片破裂发生率，以提高产品良品率，且由于可以对蓝宝石衬底进行整面的剥离作业剥离后的蓝宝石衬底圆片(有别于传统的TFFC结构在激光剥离工艺倒装工艺之前需将芯片在蓝宝石端一颗一颗地进行单元分离)，可被回收再利用，一定程度上降低生产成本。
Claims (5)
1.一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件，包括：
——提供一衬底，在衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成的GaN基外延薄膜；
——形成于所述的GaN基外延薄膜上的周期性凹槽，所述周期性凹槽通过以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层直至露出N型半导体层而形成；
——形成于P型半导体层上的欧姆接触及金属反射层，其金属反射层材料为Ag或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，其厚度在50～500nm之间；
——形成于所述金属反射层上的P极多层金属粘合层；
——形成于所述N型半导体层上的N极多层金属粘合层；
——-形成于非电学连接区域的钝化层；
其特征在于：
——在多层金属粘合层上形成导电支撑厚金属层，其材料选自Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo中的一种或多种组合，并以Au金属层作为该导电支撑厚金属层的结束层；
——在导电支撑厚金属层上形成金属凸点，用以连接GaN基发光器件与电极化倒装基板；
——在GaN基发光器件薄膜与电极化倒装基板之间设有绝缘缓冲膜，其厚度为0.1～100um，其材料选自环氧树脂、绝缘硅胶、聚酰亚胺(polyimide)、二氧化硅、氮化硅、Al2O3中的一种或多种的组合；
——通过所述金属凸点连接所述电极化倒装基板上的P/N电极结合区，用以支撑所述电极化倒装基板；
——导电支撑厚金属层、绝缘缓冲膜及金属凸点共同构成复合式低阻缓冲结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件，其特征在于：金属凸点材料为Au或AuSn合金，金属凸点直径为20～80um，高度为15～60um。
3.一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件的制造方法，其制作工艺步骤如下：
第一步：在蓝宝石衬底上依次生长N型半导体层、活性层和P型半导体层，构成GaN基外延膜；
第二步：采用干法蚀刻以周期性的间隔依次去除P型半导体层、活性层，直至露出N型半导体层，形成周期性凹槽；
第三步：在P型半导体层顶部制备欧姆接触及金属反射层，金属反射层材料为Ag或由选自Al、Ag、Ni、Au、Cu、Pd和Rh中的金属所形成的一种合金，厚度在50～500nm之间，并通过在N2气氛中高温退火达到欧姆接触特性并增强其与P型半导体层的附着力；
第四步：在上述结构表面制备钝化层，并使P、N电极电学连接区域裸露；
第五步：在上述裸露区域制备多层金属粘合层，包括P电极与N电极区域；多层金属粘合层包括粘附层、阻挡层、浸润层等多层金属材料，其中粘附层材料为Ti、Cr、Al，阻挡层材料为Ni、Pt、TiW、TiN，浸润层材料是Au；
第六步：在上述P/N电极多层金属粘合层上电镀形成导电支撑厚金属层，厚度为0.5～100um，其材料选自Ni、Au、NiAu合金、Cu、NiCo中的一种或多种的组合，并且以Au作为电镀结束层；
第七步：通过激光烧蚀的方式定义出单元GaN基发光器件位置，激光波长小于GaN半导体材料的发光波长，包含266nm和355nm波长的激光，激光烧蚀深度截止于GaN材料与蓝宝石之间的生长界面，不伤及蓝宝石衬底；
第八步：在上述结构表面制备绝缘缓冲膜，其厚度为0.1～100um，其材料选自环氧树脂、绝缘硅胶、聚酰亚胺、二氧化硅、氮化硅、Al2O3中的一种或多种的组合，通过高速旋转涂布与化学气相沉积或热蒸发相结合的方式制备；并且通过光刻方法使用以种植金属凸点的部分导电支撑厚金属层裸露；
第九步：使用金属凸点种植设备，在上述部分裸露的导电支撑厚金属层上种植金属凸点，金属凸点材料为Au或AuSn合金；
第十步：将上述晶片与电极化倒装基板进行对位晶片键合，使金属凸点产生熔融状态从而与倒装基板上的电极焊盘形成良好的电学接触以及力学结合；
第十一步：采用激光剥离方式，整面剥离用以生长GaN基发光器件薄膜的蓝宝石衬底，使得N型半导体层裸露；
第十二步：清洁并蚀刻去除顶部部分裸露的N型半导体层；
第十三步：在上述裸露N型半导体层表面制备钝化层，用以实现出光面的电学保护
第十四步：沿第七步骤中所述芯片定义烧蚀痕迹将整个晶片做单元切断处理，完成本发明的器件制作。
4.根据权利要求3所述的一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件的制造方法，其特征在于：用以种植金属凸点的导电支撑厚金属层是由图案化金属电镀形成。
5.根据权利要求3所述的一种基于复合式低阻缓冲结构的薄膜LED芯片器件的制造方法，其特征在于：绝缘缓冲膜具有低温流动性、高温固化成型后仍具有弹性的特性。
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