CN104851945A - 一种垂直结构led芯片制备方法 - Google Patents
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Abstract
为了提高垂直结构LED芯片加工良率，本发明提出一种新的制备垂直结构LED芯片的方法，这种方法可以明显降低芯片漏电，提高芯片生产良率。本发明的芯片的P电极在芯片表面，芯片的N电极与硅/铜/钨铜合金基板进行键合相连，P电极与芯片封装时的支架进行焊线；芯片制备过程中采用ICP刻蚀技术与热酸腐蚀工艺相结合形成芯片隔离槽；进行激光剥离时通过调节激光光斑，使之与隔离槽形成后的芯片大小相匹配；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，并进行超声，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。
Description
技术领域：
本发明涉及一种垂直结构LED芯片制备方法，属于LED芯片制备领域。
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由于满足良好的散热条件，可以采用较大的电流去驱动，进而提高LED发光效率。因此，垂直结构LED将加速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晶圆进行扫描，扫描时光斑与光斑之间的重叠会导致能量不均，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；其三是激光剥离后制造N电极过程中，需要通过ICP刻蚀至N型氮化镓层，由于激光剥离后造成N型氮化镓表面粗糙不平，ICP刻蚀过程中难以控制刻蚀深度，会造成垂直结构芯片电压较高以及漏电较大。
发明内容：
为了提高垂直结构LED芯片加工良率，本发明提出一种新的制备垂直结构LED芯片的方法，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：
该垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
(1)隔离槽刻蚀
根据需要制备的单颗LED芯片的大小，对外延片进行隔离槽刻蚀，刻蚀深度为从外延片表面至蓝宝石衬底Al2O3表面，刻蚀中使用氧化硅及光刻胶对隔离槽之外的区域进行掩膜保护，刻蚀之后使用热酸H2SO4：H3PO4＝3:1(体积比)溶液200～250℃浸泡3～5min，形成芯片隔离槽；
(2)N电极刻蚀及反射镜蒸镀
使用ICP刻蚀技术进行N电极刻蚀；再使用电子束蒸镀机进行反射镜的蒸镀，蒸镀覆盖区域的边缘距离ICP刻蚀区域的边缘5～10μm；然后快速退火；
(3)N电极蒸镀
接着沉积氧化硅，使用负性光刻胶对不需要沉积N电极的区域进行保护，使用BOE进行氧化硅腐蚀，直至N型氮化镓露出，然后蒸镀N电极及键合层；之后进行光刻胶剥离、去胶及退火；
(4)衬底键合
利用高温金属键合工艺进行键合,在N2环境下加压，将沉积有键合层的外延片与硅或铜或钨铜合金材料的基板进行键合，键合温度200～800℃，键合压力为300～400N，时间为30～60min；
(5)激光剥离
利用常温超声技术对键合后的外延片进行超声震动；然后用激光剥离机对外延片进行扫描，达到衬底与氮化镓的分离；所需激光光斑大小及激光扫描步进与隔离槽刻蚀后的需要制备的单颗LED芯片尺寸所适配，即需要制备的单颗LED芯片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；
(6)P电极刻蚀
使用ICP刻蚀技术对需要刻蚀P电极的区域进行刻蚀，从剥离后的氮化镓表面刻蚀至所述反射镜，对不需要刻蚀P电极的区域使用正性光刻胶进行保护；
(7)P电极蒸镀
用电子束蒸镀机进行P电极的蒸镀；
(8)激光划片机对外延片表面沿隔离槽进行划片，制成单颗垂直结构LED芯片。
基于以上方案，本发明还进一步作如下优化：
上述N电极及键合层整体的材料结构(N电极与键合层作为一个整体看待)为Ti/Al/Ti/Au(即依次蒸镀Ti、Al、Ti、Au构成一种N电极及键合层的整体结构，后面同理)、Cr/Al/Cr/Au、Cr/Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au或Cr/Ti/Al/Ni/Au中的一种。
上述P电极的材料结构为Cr/Pt/Au。
上述反射镜的材料结构为Ni/Ag。
步骤(4)在键合之前，先对外延片背面进行抛光，以利于键合时的水平调整及步骤(5)激光剥离时的激光光斑调整。
在步骤(1)之前，先将外延片用90℃的H2SO4：H2O2：H2O＝5：1：1(体积比)溶液进行表面处理，然后去离子水冲水甩干。
本发明制备垂直结构LED的优点如下：
(1)本发明的芯片的P电极在芯片表面，芯片的N电极与硅/铜/钨铜合金基板进行键合相连，P电极与芯片封装时的支架进行焊线(如图2中的最后两个步骤的P电极露出部分与支架直接焊接)，可以很好地解决激光剥离后由于N氮化镓表面粗糙而造成的刻蚀深度不均问题，避免了电压高及漏电的问题；
(2)芯片制备过程中采用ICP刻蚀技术与热酸腐蚀工艺相结合形成芯片隔离槽，既释放了外延片内的应力，又提供了激光划片时的划片道，减少了晶圆键合过程中内应力的破坏及划片后的漏电问题；
(3)进行激光剥离时通过调节激光光斑，使之与隔离槽形成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激光扫描步进的整数倍，可以解决激光剥离过程中由于激光光斑能量重叠而导致的能量不均问题以及剥离后的良率低问题。
(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，并进行超声，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为本发明的垂直结构LED芯片。
图2为本发明的一个实施流程图。
具体实施方式：
本发明的垂直结构LED芯片制备方法，主要包括以下环节：
(1)隔离槽刻蚀：外延片放入ICP刻蚀设备进行隔离槽刻蚀，此外延片可以是平片外延片、PSS外延片、二次腐蚀的外延片以及其它方式制备的外延片，刻蚀深度为从外延片表面至蓝宝石衬底Al2O3表面，刻蚀中使用用氧化硅及光刻胶对隔离槽之外的区域进行掩膜保护，刻蚀之后使用热酸H2SO4：H3PO4＝3:1溶液200～250℃浸泡3～5min，形成芯片隔离槽。
(2)N电极刻蚀及反射镜蒸镀：使用ICP刻蚀技术进行传统上的N电极刻蚀；使用电子束蒸镀机进行反射镜的蒸镀(Ni/Ag或Ni/Al)，蒸镀反射镜覆盖区域的边缘距离ICP刻蚀区域边缘5～10μm；快速退火工艺进行Ni/Ag退火。
(3)N电极蒸镀：接着沉积氧化硅，使用负性光刻胶对未需要沉积电极的区域进行保护，使用BOE进行氧化硅腐蚀，直至N型氮化镓暴露出，然后蒸镀金属层Ti/Al/Ti//Au、Cr/Al/Cr/Au、Cr/Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au或Cr/Ti/Al/Ni/Au结构中的一种作为N电极及键合层，之后进行光刻胶剥离、去胶及退火。
(4)衬底键合：利用高温金属键合工艺进行键合,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。键合温度200～800℃，键合压力为300～400N，时间为30～60min，键合之前需对外延片背面进行抛光，有利于键合时的水平调整及激光剥离时的激光光斑调整；利用常温超声技术对键合后的片子进行超声震动，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。
(5)激光剥离：用激光剥离机对片子进行剥离，所需激光光斑大小及激光扫描步进与隔离槽刻蚀后的芯片尺寸所适配，即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。
(6)P电极刻蚀：使用ICP刻蚀技术对需要刻蚀P电极的区域进行刻蚀，从剥离后的氮化镓表面刻蚀至Ni/Ag反射镜层，对未需要刻蚀的区域使用正性光刻胶进行保护。
(7)P电极蒸镀：用电子束蒸镀机进行P电极(Cr/Pt/Au＝30/50/3000nm)的蒸镀。
(8)激光划片机对晶圆进行划片，形成单颗LED芯片。
至此，垂直结构LED芯片制备完成。
下面结合附图，并通过一个实施例对本发明作进一步的详细说明：
1.将LED外延片用90℃的H2SO4：H2O2：H2O＝5：1：1溶液进行表面处理，时间10min，去离子水冲水甩干，如图2中第一个步骤图所示；
2.放入ICP设备进行氮化镓刻蚀技术，对不需要刻蚀的区域使用SiO2与光刻胶进行掩膜保护，未保护的区域使用ICP技术从外延片表面刻蚀至Al2O3衬底表面，刻蚀使用Cl2流量为100sccm，BCl3流量为20sccm，RF功率为100W，ICP功率为400W，之后使用H2SO4：H3PO4＝3:1溶液250℃浸泡3min，形成芯片隔离槽，如图2中第二个步骤图所示；
3.N电极刻蚀，外延片部分区域P型氮化镓层及其下面多量子阱发光层进行刻蚀，暴露出N型氮化镓层，未刻蚀的区域使用光刻胶进行保护，刻蚀使用Cl2流量为100sccm，BCl3流量为20sccm，RF功率为100W，ICP功率为400W，刻蚀深度1.3μm，如图2中第三个步骤图所示；
4.对外延片表面进行Ni/Ag反射镜蒸镀，蒸镀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的蒸镀(Ni/Ag＝50/100nm)，之后进行光刻胶剥离、去胶、及快速退火，退火温度500℃时间30sec，Ni/Ag覆盖区域的边缘距离ICP刻蚀区域的边缘为5～10μm，如图2中第四个步骤图所示；
5.N电极及键合层蒸镀，蒸镀前先对外延片表面沉积500nm的氧化硅，使用BOE对需要蒸镀金属区域的氧化硅进行腐蚀，此过程中使用负性光刻胶进行保护，之后蒸镀金属层Ti/Al/Ti/Au＝30/500/50/2500nm，进行光刻胶剥离、去胶及退火，退火温度200℃时间10min，如图2中第五个步骤图所示；
6.外延片背面抛光，使用抛光机对晶圆背面进行抛光，抛光液颗粒为3μm抛光液，抛光后晶圆厚度为400μm；
7.利用高温金属键合工艺进行键合,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30min，如图2中第六个步骤图所示；
8.利用常温超声技术对键合后的片子进行超声，超声频率为20KHZ,时间60min；
9.接着用激光剥离机对片子进行剥离，所需激光光斑大小及激光扫描步进与划片后的芯片尺寸所适配，即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，如图2中第七个步骤图所示；
10.P电极刻蚀，首先使用ICP刻蚀技术对剥离后的u-GaN表面进行刻蚀处理，接着对未需要刻蚀P电极的区域使用正性光刻胶进行保护，之后使用ICP刻蚀设备刻蚀至Ni/Ag反射镜层，刻蚀使用Cl2流量为100sccm，BCl3流量为20sccm，RF功率为100W，ICP功率为400W，如图2中第八个步骤图所示；
11.P电极蒸镀，蒸镀前先沉积240nm的二氧化硅，接着用负性光刻胶作掩膜，对需要沉积金属的部分用BOE腐蚀氧化硅，然后用电子束蒸镀机进行P电极(Cr/Pt/Au＝30/50/3000nm)的蒸镀，之后进行光刻胶剥离、去胶、及快速退火，退火温度280℃时间10min，如图2中第九个步骤图所示；
12.运用激光划片机沿着隔离槽对晶圆进行激光划片，形成单颗LED芯片，垂直结构LED芯片制备完成，如图2中第十个步骤图所示。
Claims (6)
1.一种垂直结构LED芯片制备方法，包括以下步骤：
(1)隔离槽刻蚀
根据需要制备的单颗LED芯片的大小，对外延片进行隔离槽刻蚀，刻蚀深度为从外延片表面至蓝宝石衬底Al2O3表面，刻蚀中使用氧化硅及光刻胶对隔离槽之外的区域进行掩膜保护，刻蚀之后使用热酸H2SO4：H3PO4＝3:1溶液200～250℃浸泡3～5min，形成芯片隔离槽；
(2)N电极刻蚀及反射镜蒸镀
使用ICP刻蚀技术进行N电极刻蚀；再使用电子束蒸镀机进行反射镜的蒸镀，蒸镀覆盖区域的边缘距离ICP刻蚀区域的边缘5～10μm；然后快速退火；
(3)N电极蒸镀
接着沉积氧化硅，使用负性光刻胶对不需要沉积N电极的区域进行保护，使用BOE进行氧化硅腐蚀，直至N型氮化镓露出，然后蒸镀N电极及键合层；之后进行光刻胶剥离、去胶及退火；
(4)衬底键合
利用高温金属键合工艺进行键合,在N2环境下加压，将沉积有键合层的外延片与硅或铜或钨铜合金材料的基板进行键合，键合温度200～800℃，键合压力为300～400N，时间为30～60min；
(5)激光剥离
利用常温超声技术对键合后的外延片进行超声震动；然后用激光剥离机对外延片进行扫描，达到衬底与氮化镓的分离；所需激光光斑大小及激光扫描步进与隔离槽刻蚀后的需要制备的单颗LED芯片尺寸所适配，即需要制备的单颗LED芯片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；
(6)P电极刻蚀
使用ICP刻蚀技术对需要刻蚀P电极的区域进行刻蚀，从剥离后的氮化镓表面刻蚀至所述反射镜，对不需要刻蚀P电极的区域使用正性光刻胶进行保护；
(7)P电极蒸镀
用电子束蒸镀机进行P电极的蒸镀；
(8)激光划片机对外延片表面沿隔离槽进行划片，制成单颗垂直结构LED芯片。
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：所述N电极及键合层整体的材料结构为Ti/Al/Ti/Au、Cr/Al/Cr/Au、Cr/Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au或Cr/Ti/Al/Ni/Au中的一种。
3.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P电极的材料结构为Cr/Pt/Au。
4.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：所述反射镜的材料结构为Ni/Ag。
5.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(4)在键合之前，先对外延片背面进行抛光。
6.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：在步骤(1)之前，先将外延片用90℃的H2SO4：H2O2：H2O＝5：1：1溶液进行表面处理，然后去离子水冲水甩干。
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- 2015-04-17 CN CN201510184978.2A patent/CN104851945B/zh not_active Expired - Fee Related
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