CN102403434A - 一种垂直结构led芯片的制作方法 - Google Patents

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本发明涉及一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、N型氮化镓层、有源层以及P型氮化镓层以及金属反射层；提供第二衬底，将所述第一衬底倒置于所述第二衬底上，并利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与金属反射层键合固定；将所述第二衬底的另一面固定于一载台上；对所述第一衬底和缓冲层进行初步粗磨和物理研磨，直至剩余部分第一衬底，剩余的第一衬底厚度小于10um；对所述第一衬底进行化学机械研磨，直至暴露所述N型氮化镓层。本发明能够提高垂直结构LED芯片在剥离衬底时生产效率和芯片良率。

Description

一种垂直结构LED芯片的制作方法
技术领域
本发明涉及光电信息技术领域，更具体的是一种垂直结构LED芯片衬底的衬底剥离的制作方法。
背景技术
在LED芯片的制作工艺中，在蓝宝石衬底上形成氮化镓层的异质外延技术为现金成熟的外延技术，但是蓝宝石衬底作为不导电衬底，阻碍了大功率大电流芯片的发展。
在氮化物系的半导体元件中，大多采用蓝宝石作为衬底。由于蓝宝石是绝缘体，而且在其表面开孔也比较困难。在使用蓝宝石作为衬底的时候，蓝宝石上生长的发光元件的两个电极必须在同侧，这样不仅有效的发光面积会减少，而且同一表面有两个电极，局部的电流密度会很高影响发光元器件的寿命。目前主要采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，激光剥离技术利用紫外波段的激光光源(Eglaser＞EgGaN)，透过蓝宝石衬底(带隙宽度9.9eV)辐照样品，使蓝宝石与氮化镓层(3.4eV)界面处的缓冲层吸收激光能量，缓冲层材料温度迅速升高，发生热分解生成金属以及氮气(N2)。氮气逸出即能实现蓝宝石衬底与氮化镓层的分离。193nm的氟化氩(ArF)准分子激光可以用于分离氮化铝(6.3eV)与蓝宝石，具有6.3eV带隙能量的氮化铝可以吸收6.4eV的ArF激光辐射。
现有技术中激光剥离主要采用波长为248nm的KrF准分子激光器，以及波长为355nm的紫外激光器(不能用于氮化铝缓冲层的剥离)。由于生长的缓冲层以及N型氮化镓层的材料不同，所以会选择性的吸收激光能量，这样容易造成缓冲层以及N型氮化镓层表面的损伤。能量越大这种损伤就越大，会导致制成的芯片漏电增加。
此外，在现有技术还采用初步粗磨和机械研磨的方法进行剥离。然而，通过初步粗磨和机械研磨方法将蓝宝石衬底去除的方法，由于初步粗磨和机械研磨的机械应力以及研磨厚度可控性差，研磨过程中会将缓冲层研磨去除，甚至损伤其下方的N型氮化镓层，造成严重的机械损伤。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直结构LED芯片的制作方法，以提高垂直结构LED芯片的性能。
为解决上述技术问题，本发明是提供一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、N型氮化镓层、有源层以及P型氮化镓层以及金属反射层；
提供第二衬底，将所述第一衬底倒置于所述第二衬底上，并利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与金属反射层键合固定；
将所述第二衬底的另一面固定于一载台上；
对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨，直至剩余部分第一衬底，剩余的第一衬底厚度小于10um；
对所述第一衬底和缓冲层进行化学机械研磨，直至暴露所述N型氮化镓层。
进一步的，在利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与所述金属反射层键合固定的步骤中，包括：在所述金属反射层或所述第二衬底上形成金属焊料层；所述第一衬底倒置于所述第二衬底上；对所述金属焊料层进行加热处理，使所述第二衬底的一面与所述金属反射层键合固定。
进一步的，在对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨的步骤之后，剩余部分第一衬底的厚度小于2um。
进一步的，所述第一衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种或其组合。
进一步的，所述缓冲层的材料为氧化硅、氮化硅、氮化镓或氮化铝中的一种或其组合。
进一步的，所述第二衬底的另一面通过蜡固定于所述载台上。
进一步的，所述第二衬底的热膨胀系数为3～7u/m/℃，导热系数大于50W/mK。
进一步的，所述第二衬底的材料为铜、钼、铝、钨、硅、镍、锗中的一种或其组合。
进一步的，所述金属焊料层的材料为金、铂、镍、锡、钯或铟中的一种或其组合。
进一步的，在进行初步粗磨和物理研磨的过程中，利用研磨盘及研磨料对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨，所述研磨盘的材料为铸铁、软钢、青铜、红铜、铝、玻璃或沥青中一种或者几种的组合；所述研磨料采用莫氏硬度大于等于8的材料。
进一步的，所述研磨料的材料为金刚石、碳硼合金、氮化钛中的一种或其组合。
进一步的，在对所述第一衬底进行化学机械研磨的步骤中，采用研磨垫、抛光液和研磨料对所述第一衬底进行研磨，所述研磨垫的材料为硬质弹性抛光布或软质粘弹性抛光布；所述研磨液为碱性溶液，所述研磨料的材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或其组合，所述研磨料的颗粒直径为10nm～100nm。
进一步的，所述金属反射层的反射率大于等于70％。
进一步的，所述金属反射层的材料为镍、银、金、铂或铹中的一种或其组合。
综上所述，相比于现有技术，本发明所述垂直结构LED芯片的制作方法，通过在第一衬底上生长缓冲层和发光层，接着沉积金属反射层，利用金属焊料层将金属反射层和第二衬底键合固定在一起，再初步粗磨、物理研磨以及化学机械研磨三步去除第一衬底和缓冲层，采用物理研磨结合化学机械抛光的方法去除第一衬底，上述去除第一衬底的方法既避免了现有技术中激光剥离对材料的选择性，且LED芯片的厚度可控性高，并且减少了对N型氮化镓层的损伤，利于LED芯片良率的提升，提高生产效率和芯片良率。
附图说明
图1为本发明一实施例中所述垂直结构LED芯片的制作方法。
图2～图6为本发明一实施例中所述垂直结构LED芯片的制作过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
如图1所示，其为本发明一实施例中所述垂直结构LED芯片的制作方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、N型氮化镓层、有源层以及P型氮化镓层以及金属反射层；
步骤S02：提供第二衬底，所述第一衬底倒置于所述第二衬底上，并利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与金属反射层键合固定；
步骤S03：将所述第二衬底的另一面固定于一载台上；
步骤S04：对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨，直至剩余部分第一衬底，剩余的第一衬底厚度小于10um；
步骤S05：对所述第一衬底和缓冲层进行化学机械研磨，直至暴露所述N型氮化镓层。
如图2～图6所示，以下详细描述本发明垂直结构LED芯片的制作过程：
如图2所示，在步骤S01中，提供第一衬底100，所述第一衬底100的材料可以为蓝宝石、碳化硅、硅以及上述材料两种或两种以上的组合材料，此外，其他半导体衬底材料也可作为第一衬底100的材料，在较佳的实施例中，所述第一衬底的材料为蓝宝石。在所述第一衬底100上依次形成缓冲层101、N型氮化镓层103、有源层105以及P型氮化镓层107以及金属反射层109；所述缓冲层101的材料为氧化硅、氮化硅、氮化镓或氮化铝中的一种或其组合，其形成方法可以是热氧化法、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)，其形成的厚度根据实际工艺需要具体确定。所述N型氮化镓层103和P型氮化镓层107的形成工艺可以采用化学气相沉积法形成，N型氮化镓层、有源层以及P型氮化镓层作为LED芯片的发光层，所述金属反射层109选择反射率大于等于70％的材料，例如镍、银、金或铂中的一种或其组合，其形成工艺可以采用电镀或物理气相沉积法(PVD)形成。
如图3所示，在步骤S02中，提供第二衬底200，所述第二衬底200的热膨胀系数为3～7u/m/℃，导热系数大于50W/mK，所述第二衬底的可选材料为铜、钼、硅、镍、锗、钨中的一种或其组合形成的导电合金材料，导电合金材料中如为合金则可按照任意比例混合。将所述第一衬底100倒置于所述第二衬底200上，并利用金属焊料层201将所述第二衬底200的一面与金属反射层109键合固定，在此步骤中，可以在所述金属反射层109或所述第二衬底200或者同时在所述金属反射层109和所述第二衬底200上形成金属焊料层201，所述金属焊料层201的材料可以为金、铂、镍、锡、钯或铟中的一种或其组合，也可以为其他粘着性较好的金属材料且相变温度较高的材料，以满足后续制程中较宽的工艺温度，金属焊料层201可以采用焊接或物理气相沉积的方法形成；将所述第一衬底100倒置于所述第二衬底200上，则所述金属反射层109与第二衬底200之间有金属焊料层201；接着，对所述金属焊料层201进行加热处理，加热温度可以为200～400℃，待金属焊料层201在融化后冷却，使所述第二衬底200的一面与所述金属反射层109键合固定，同时可以对所述金属焊料层201进行超声波处理，以进一步提高金属焊料层201的融化速率和键合固定程度。
如图4所示，在步骤S03中，将所述第二衬底200的另一面通过蜡301固定于一载台300上，此外，也可采用其他机械方法固定所述第二衬底200。
接着，如图4所示，在步骤S04中，对所述第一衬底100进行初步粗磨和物理研磨，之后，剩余部分第一衬底的厚度小于10um，其中较佳的厚度小于2um。在进行初步粗磨和物理研磨的过程中，利用研磨盘及研磨料对所述第一衬底100进行初步粗磨和物理研磨，研磨盘的材料为铸铁、软钢、青铜、红铜、铝、玻璃或沥青中一种或者几种的组合；研磨料采用莫氏硬度大于等于8的材料，可以为金刚石、碳硼合金、氮化钛中的一种或其组合，在较佳的实施例中，在金刚石轮盘上进行初步粗磨，旋转速度为300rpm～500rpm，初步粗磨后剩余的第一衬底厚度为10～50um，接着利用物理研磨使剩余的第一衬底100。剩余的第一衬底100的厚度范围为小于10um，能够防止初步粗磨和物理研磨造成的机械硬损伤，并能有效控制第一衬底100下方各层的厚度均匀性。在进行物理研磨的过程中，采用分步研磨法，设定分步研磨阶段，每一阶段的工作时间可以相同或不同，均要满足该段时间段内研磨的厚度小于10um；在研磨完成一阶段之后即停止工作，测量剩余第一衬底100的厚度，直到所述第一衬底100的厚度范围满足小于10um，即停止物理研磨步骤，进入下一步骤。
在步骤S05中，对所述第一衬底100和所述缓冲层101进行化学机械研磨(研磨材料未作标示)，直至暴露所述N型氮化镓层103，如图5所示。在对所述第一衬底100进行化学机械研磨的步骤中，采用研磨垫、抛光液和研磨料对所述第一衬底100进行研磨，所述研磨垫的材料为硬质弹性抛光布或软质粘弹性抛光布；所述研磨液为碱性溶液，所述研磨料的材料可以为二氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或其组合，所述研磨料的颗粒直径为10nm～100nm，在研磨过程中，同时去除图4所示缓冲层103，充分暴露所述N型氮化镓层103，最终形成如图6所示结构。采用化学机械研磨法去除剩余的第一衬底100，不仅能够避免步骤S04中初步粗磨和物理研磨对N型氮化镓层103的硬损伤，同时能够有效控制N型氮化镓层103以及其下方层层的厚度均匀性，此外，剩余的第一衬底100的厚度控制在小于10um，剩余厚度适中，有利于减少了化学机械研磨的时间，提高了工艺效率。
接着，在后续的工艺中，在所述第二衬底上形成芯片各部件、金属电极等独立的制程，采用本领域技术人员所熟知的技术手段完成后续垂直结构的LED芯片的制作过程。
综上所述，相比于现有技术，本发明所述垂直结构LED芯片的制作方法，通过在第一衬底上生长缓冲层和发光层，接着沉积金属反射层，利用金属焊料层将金属反射层和第二衬底键合固定在一起，再初步粗磨、物理研磨以及化学机械研磨三步去除第一衬底和缓冲层，上述去除第一衬底的方法既避免了现有技术中激光剥离对材料的选择性，且LED芯片的厚度可控性高，并且减少了对N型氮化镓层的损伤，利于LED芯片良率的提升，提高生产效率和芯片良率。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种垂直结构LED芯片的制作方法，包括：
提供第一衬底，在所述第一衬底上依次形成缓冲层、N型氮化镓层、有源层以及P型氮化镓层以及金属反射层；
提供第二衬底，将所述第一衬底倒置于所述第二衬底上，并利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与金属反射层键合固定；
将所述第二衬底的另一面固定于一载台上；
对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨，直至剩余部分第一衬底，剩余的第一衬底厚度小于10um；
对所述第一衬底和缓冲层进行化学机械研磨，直至暴露所述N型氮化镓层。
2.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，在利用金属焊料层将所述第二衬底的一面与所述金属反射层键合固定的步骤中，包括：
在所述金属反射层或所述第二衬底上形成金属焊料层；
将所述第一衬底倒置于所述第二衬底上；
对所述金属焊料层进行加热处理，使所述第二衬底的一面与所述金属反射层键合固定。
3.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，在对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨的步骤之后，剩余部分第一衬底的厚度小于2um。
4.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一衬底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅中的一种或其组合。
5.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为氧化硅、氮化硅、氮化镓或氮化铝中的一种或其组合。
6.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第二衬底的另一面通过蜡固定于所述载台上。
7.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第二衬底的热膨胀系数为3～7u/m/℃，导热系数大于50W/mK。
8.如权利要求7所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第二衬底的材料为铜、钼、铝、硅、镍、锗、钨中的一种或其组合。
9.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述金属焊料层的材料为金、铂、镍、锡、钯或铟中的一种或其组合。
10.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，在进行初步粗磨和物理研磨的过程中，利用研磨盘及研磨料对所述第一衬底进行初步粗磨和物理研磨，所述研磨盘的材料为铸铁、软钢、青铜、红铜、铝、玻璃或沥青中一种或者几种的组合；所述研磨料采用莫氏硬度大于等于8的材料。
11.如权利要求10所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述研磨料的材料为金刚石、碳硼合金、氮化钛中的一种或其组合。
12.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，在对所述第一衬底进行化学机械研磨的步骤中，采用研磨垫、抛光液和研磨料对所述第一衬底进行研磨，所述研磨垫的材料为硬质弹性抛光布或软质粘弹性抛光布；所述研磨液为碱性溶液，所述研磨料的材料为二氧化硅、氧化铝、氧化锆中的一种或其组合，所述研磨料的颗粒直径为10nm～100nm。
13.如权利要求1所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述金属反射层的反射率大于等于70％。
14.如权利要13所述的垂直结构LED芯片的制作方法，其特征在于，所述金属反射层的材料为镍、银、金、铂或铹中的一种或其组合。
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