CN104701427A - 一种垂直结构led芯片制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种新的制备垂直结构的方法，重点有三个环节：其一是U-GaN生长结束后，进行KOH和H3PO4湿法腐蚀，可最终使GaN与蓝宝石之间形成了点接触，有利于之后的激光剥离形成垂直结构；其二是在GaN外延层表面制备反射镜(Ni/Ag或Ni/Al)与键合层(Cr/Ag/Sn)之前，利用激光划片机对晶圆表面进行盲划，盲划尺寸与所需芯片尺寸相同，通过盲划工艺使晶圆表面有规律的产生裂纹，可以释放外延生长过程中产生的应力，晶圆键合过程中减少对氮化镓外延的破坏。其三是激光剥离时，对激光光斑及扫描步进进行调整，使之与盲划后的芯片大小相匹配，其过程可以解决激光剥离过程中的均匀性差问题。

Description

一种垂直结构LED芯片制备方法
技术领域：
本发明属于LED芯片制备技术领域，具体涉及一种垂直结构LED芯片的制备方法。
背景技术：
LED已成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。与传统的照明光源相比，LED半导体照明光源具有的优点有：发光效率高、体积小、寿命长、节能、环保等。目前LED还未大规模进入普通照明的主要原因之一是LED发光效率及散热条件有待进一步提高，二是降低LED的生产成本。垂直结构LED由于满足量好的散热条件，可以采用较大的电流去驱动，进而提高LED发光效率，同时具备良好的散热条件。因此，垂直结构LED必然会加速LED应用于普通照明领域的进程，是半导体照明发展的必然趋势。
GaN基垂直结构LED传统制造工艺是：首先采用晶片键合的方法或者电镀的方法将新衬底与外延片粘合在一起，然后利用紫外波段(248nm)的激光光源透过蓝宝石衬底辐照样品，激光穿出蓝宝石衬底在蓝宝石与缓冲层之界面处被吸收，快速而局域地产生900-1000℃高温，使GaN分解生成金属Ga以及N2，实现GaN与蓝宝石衬底的分离。目前遇到最大的问题其一是氮化镓基外延片生长过程中产生较多的缺陷及应力，晶片键合过程中需要升温，温度降低时会导致氮化镓内的缺陷数量进一步增多以及内应力进一步增加，因此晶片键合过程会损伤氮化镓外延层，导致芯片漏电较大；其二是使用激光剥离技术过程中，通过聚焦激光光斑对其晶圆进行扫描，扫描时光斑与光斑之间的接触会导致能量不均，其过程均匀性较差，造成GaN/蓝宝石界面剥离不均匀问题，因此导致激光剥离良率较低，加工芯片漏电较大。
发明内容：
为了提高垂直结构芯片加工良率，本发明提供了一种新的制备垂直结构的方法，这种方法可以明显降低芯片漏电，提高芯片生产良率。
本发明的技术方案如下：
一种垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上用MOCVD依次生长低温GaN缓冲层、高温U-GaN(非掺杂氮化镓)以及后续外延层，最终完成LED外延结构的生长；
2)使用PECVD设备对外延片表面沉积1.2～1.5μm的SiO2作为激光划片保护层；
3)运用激光划片机对晶圆表面进行划片，划片后的图形尺寸与所加工芯片尺寸相同，划片深度为15～25μm，然后通过250℃的酸洗液H2SO4：H3PO4＝3：1浸泡15～35sec，去除划片道内的残留颗粒，用BOE(Buffer Oxide Etcher，缓冲氧化硅蚀刻液)去除SiO2激光划片保护层；
4)按照所需芯片尺寸大小对外延片表面蒸发反射镜及键合层，反射镜及键合层的覆盖均小于划片后的芯片尺寸，反射镜与键合层覆盖区域边缘距离划片道5～10μm；
5)使用抛光机对晶圆片背面进行抛光，抛光后晶圆片的厚度为390～410μm；
6)利用高温金属键合工艺,在N2环境下加压将沉积键合层的外延片与硅或铜或钨铜合金基板进行键合；
7)利用常温超声技术对键合后的外延片进行超声震动，减少外延片衬底与U-GaN之间的内应力，使得外延片衬底与U-GaN之间的接触产生松动；
8)接着用激光剥离机对外延片进行剥离，调整激光光斑，使得激光光斑大小及激光扫描步进与划片后的所需芯片尺寸相适配(加工芯片的长与宽均是激光光斑直径与激光扫描步进的整数倍)，然后对外延片进行激光扫描，达到衬底与氮化镓的分离；
9)用ICP(电感耦合等离子体)对剥离后的u-GaN作表面处理；接着对剥离后的u-GaN面上用负性光刻胶作n电极掩膜，用电子束蒸镀的方法沉积n型电极金属；最后用去胶液剥离光刻胶以形成n型金属电极图形，垂直结构LED制作完成。
基于以上方案，本发明进一步作如下优化：
步骤1)中进行LED外延结构的生长过程中，生长高温U-GaN后先进行湿法腐蚀，然后再进行后续外延层的生长，使得U-GaN与衬底呈点接触的形式。
上述湿法腐蚀是可以用碱性溶液或酸性溶液或二者结合使用，其中：使用碱性溶液可以是KOH、NaOH等；酸性溶液可以是H3PO4、H2SO4等；二者结合使用时可以先碱后酸，也可以先酸后碱。较佳方案是：先采用熔融的碱性溶液(KOH)腐蚀，用去离子水清洗甩干，之后再放入酸性溶液(H3PO4)腐蚀。
上述后续外延层包括依次生长的二次生长的U-GaN、N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN。
步骤4)中的蒸发工艺具体为：蒸发前首先用负性光刻胶作掩膜，对不需要沉积金属的部分用负性光刻胶覆盖，然后用电子束蒸镀机进行反射镜及键合层的蒸发；之后进行光刻胶剥离、去胶、及快速退火。
上述反射镜的材质为Ni/Ag，其中Ni为1～5nm，Ag为100～150nm；所述键合层的材质为Cr/Au/Sn，其中Cr为25～35nm，Au为1900～2100nm，Sn为1400～1600nm。
步骤6)中的键合工艺为200～800℃，键合压力为300～400N，时间为30min～1h。
步骤7)中的超声波频率为20～25KHZ,时间为30min～1h。
步骤9)中的N型电极优选Ti/Al/Ti/Au、Cr/Al/Cr/Au、Cr/Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au或Cr/Ti/Al/Ni/Au结构中的一种。
步骤3)中，采用250℃的酸洗液H2SO4：H3PO4＝3：1浸泡15～35sec，去除划片道内的残留颗粒；采用HF：NH4F去除SiO2激光划片保护层，常用的比例为1：6、1：9等，根据需求可以进行稀释。
本发明具有以下优点：
(1)使用KOH和H3PO4湿法腐蚀U-GaN生长层，KOH会沿着氮化镓内的螺位错进行腐蚀，H3PO4会沿着氮化镓内的刃位错进行腐蚀，KOH与H3PO4相结合会对氮化镓内的混合位错进行腐蚀，湿法腐蚀后GaN和蓝宝石基板之间形成点接触，以利于氮化镓与蓝宝石衬底的分离。
(2)通过激光划片机对晶圆表面进行盲划，以利于氮化镓内应力的释放，减少晶圆键合过程中应力对氮化镓造成的破坏。
(3)激光剥离时通过调节激光光斑与扫描步进，使之与盲划后的芯片大小相匹配，可以解决激光剥离过程中由于激光光斑能量不均问题形成的剥离良率低问题。
(4)将外延片通过高温键合工艺键合到硅或铜或钨铜合金基板上，同时进行超声，利用键合过程中产生的内应力以及超声震动技术进一步提高氮化镓与衬底的分离，提高垂直结构芯片加工良率。
附图说明：
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式：
本发明的方案重点有三个环节：其一是U-GaN生长结束后，进行KOH和H3PO4湿法腐蚀，透过GaN缺陷蚀刻至GaN/蓝宝石界面，接着晶圆再次进入外延设备重新进行GaN外延生长，新生长的GaN会直接在蚀刻过的GaN上生长GaN，而不会在蓝宝石上生长，此制程会在蓝宝石界面的GaN处留下倒金字塔结构，则GaN与蓝宝石之间形成了点接触，有利于之后的激光剥离形成垂直结构；其二是在GaN外延层表面制备反射镜(Ni/Ag或Ni/Al)与键合层(Cr/Ag/Sn)之前，利用激光划片机对晶圆表面进行盲划，盲划尺寸与所需芯片尺寸相同，通过盲划工艺使晶圆表面有规律的产生裂纹，可以释放外延生长过程中产生的应力，晶圆键合过程中减少对氮化镓外延的破坏。其三激光剥离时，对激光光斑及扫描步进进行调整，使之与盲划后的芯片大小相匹配，即加工芯片的长与宽均是激光光斑直径与扫描步进的整数倍，其过程可以解决激光剥离过程中的均匀性差问题。其四是利用高温金属键合工艺将GaN键合在硅或铜或钨铜合金基板上，并利用常温超声技术对键合后的晶圆进行超声震动，通过高温键合工艺内形成的应力以及超声技术进一步提高氮化镓与蓝宝石衬底的分离。
下面结合附图，通过一个具体示例对本发明作进一步说明。
1、生长U-GaN(非掺杂氮化镓)：在2英寸蓝宝石衬底上用MOCVD生长30nm的低温(550℃)GaN作为缓冲层，紧接着高温(1020℃)生长U-GaN(非掺杂氮化镓)3um，如图中第一个步骤所示；
2、界面湿法腐蚀：将生长了U-GaN的蓝宝石晶片放入熔融的KOH腐蚀，条件为340℃/15分钟，并用去离子水清洗甩干，之后放入H3PO4腐蚀，条件200℃/15分钟，如图中第二个步骤所示；
3、LED结构层生长：将腐蚀后的U-GaN蓝宝石晶片重新放入MOCVD腔室生长：
U-GaN/2um(1030℃)+N-GaN/2um(1030℃)+MQW/0.15um(850℃/750℃)+P-AlGaN/0.02um(950℃)+P-GaN/0.2um(900℃),从而完成LED外延层生长，如图中第三个步骤所示；
4、使用PECVD设备对晶圆表面沉积1.2μm的SiO2作为划片保护层；
5、运用激光划片机对外延表面进行划片，尺寸大小为设计垂直结构芯片尺寸，划片深度为20μm。然后用250℃热酸(H2SO4：H3PO4＝3:1)进行30sec的酸洗，去除划片道内的残留颗粒，如图中第四个步骤所示；
6、使用BOE腐蚀液进行SiO2去除，腐蚀时间1min；
7、按照所需芯片尺寸大小对外延片表面蒸发反射镜及键合层。蒸发前首先用负性光刻胶作掩膜，对不需要沉积金属的部分用负性光刻胶覆盖，然后用电子束蒸镀机进行反射镜(Ni/Ag＝5/100nm)及键合层的蒸发(Cr/Au/Sn＝30/2000/1500nm)，之后进行光刻胶剥离、去胶、及快速退火，退火温度500℃时间30sec，如图中第五个步骤所示；
8、使用抛光机对晶圆片背面进行抛光，抛光后晶圆片的厚度为400μm；
9、利用高温金属键合(Au/Au或Au/Sn)工艺,在N2环境下加压将沉积键合层的外延片与硅/铜/钨铜合金基板进行键合。其中键合温度为430℃，键合压力为300N，时间为1h，如图中第六个步骤所示；
10、利用常温超声技术对键合后的片子进行超声，超声频率25KHZ，时间1h；
11、接着用激光剥离机对片子进行剥离，所需激光光斑大小需满足芯片的长与宽为激光光斑直径的整数倍，扫描步进需满足芯片的长与宽为扫描步进的整数倍，然后对晶圆片整个区域进行激光扫描，达到衬底与氮化镓的分离，如图中第七个步骤所示；
12、用ICP(电感耦合等离子体)对剥离后的u-GaN作表面处理。接着对剥离后的u-GaN面上用负性光刻胶作n电极掩膜，用电子束蒸镀的方法沉积n型电极金属(Ti/Al/Ti/Au)，n型电极金属厚度为50/500/30/1500nm，最后用去胶液剥离光刻胶以形成n型金属电极图形，垂直结构LED芯片制作完成。

Claims (10)

1.一种垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底上用MOCVD依次生长低温GaN缓冲层、高温U-GaN(非掺杂氮化镓)以及后续外延层，最终完成LED外延结构的生长；
2)使用PECVD设备对外延片表面沉积1.2～1.5μm的SiO2作为激光划片保护层；
3)运用激光划片机对晶圆表面进行划片，划片后的图形尺寸与所加工芯片尺寸相同，划片深度为15～25μm，然后采用酸洗液去除划片道内的残留颗粒，用BOE(缓冲氧化硅蚀刻液)去除SiO2激光划片保护层；
4)按照所需芯片尺寸大小对外延片表面蒸发反射镜及键合层，反射镜及键合层的覆盖均小于划片后的芯片尺寸，反射镜与键合层覆盖区域边缘距离划片道5～10μm；
5)使用抛光机对晶圆片背面进行抛光，抛光后晶圆片的厚度为390～410μm；
6)利用高温金属键合工艺,在N2环境下加压将沉积键合层的外延片与硅或铜或钨铜合金基板进行键合；
7)利用常温超声技术对键合后的外延片进行超声震动，减少外延片衬底与U-GaN之间的内应力，使得外延片衬底与U-GaN之间的接触产生松动；
8)接着用激光剥离机对外延片进行剥离，调整激光光斑，使得激光光斑大小及激光扫描步进与划片后的所需芯片尺寸相适配，然后对外延片进行激光扫描，达到衬底与氮化镓的分离；
9)用ICP(电感耦合等离子体)对剥离后的u-GaN作表面处理；接着对剥离后的u-GaN面上用负性光刻胶作n电极掩膜，用电子束蒸镀的方法沉积n型电极金属；最后用去胶液剥离光刻胶以形成n型金属电极图形，垂直结构LED制作完成。
2.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：步骤1)中进行LED外延结构的生长过程中，生长高温U-GaN后先进行湿法腐蚀，然后再进行后续外延层的生长，使得U-GaN与衬底呈点接触的形式。
3.根据权利要求2所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：所述湿法腐蚀采用碱性溶液或酸性溶液或二者结合使用，所述碱性溶液为KOH或NaOH，酸性溶液为H3PO4或H2SO4。
4.根据权利要求1至3任一所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：所述后续外延层包括依次生长的二次生长的U-GaN、N-GaN、MQW、P-AlGaN以及P-GaN。
5.根据权利要求4所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：步骤4)中的蒸发工艺为：蒸发前首先用负性光刻胶作掩膜，对不需要沉积金属的部分用负性光刻胶覆盖，然后用电子束蒸镀机进行反射镜及键合层的蒸发；之后进行光刻胶剥离、去胶、及快速退火。
6.根据权利要求5所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：所述反射镜的材质为Ni/Ag，其中Ni为1～5nm，Ag为100～150nm；所述键合层的材质为Cr/Au/Sn，其中Cr为25～35nm，Au为1900～2100nm，Sn为1400～1600nm。
7.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：步骤6)中的键合工艺为200～800℃，键合压力为300～400N，时间为30min～1h。
8.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：步骤7)中的超声波频率为20～25KHZ,时间为30min～1h。
9.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：步骤9)中的N型电极采用Ti/Al/Ti/Au、Cr/Al/Cr/Au、Cr/Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au或Cr/Ti/Al/Ni/Au结构中的一种。
10.根据权利要求1所述的垂直结构LED芯片制备方法，其特征在于：所述酸洗液为250℃的H2SO4：H3PO4＝3：1，浸泡15～35sec，去除划片道内的残留颗粒；所述BOE采用HF：NH4F＝1：6或HF：NH4F＝1：9。
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