CN107910407A - 一种大功率倒装led芯片的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大功率倒装LED芯片的制作方法，包括如下步骤：制作外延层‑制作N电极引出孔‑制作反射层–制作第一绝缘层‑制作电极‑制作第一键合窗口‑制作通孔‑制作第二绝缘层‑制作第二键合窗口‑制作通孔金属层‑键合‑剥离‑切割裂片；本发明制作方法采用共晶键合结构和带有通孔结构Si基衬底，改善了芯片的散热问题，进而降低了LED芯片的热阻，使得LED芯片的光功率是传统倒装结构LED芯片的两倍。
Description
技术领域
本发明涉及一种LED芯片的制备方法，尤其是一种大功率倒装LED芯片的制作方法，属于LED芯片技术领域。
背景技术
LED具有发光效率高、成本低、寿命长、体积小、低功耗、无汞环保等优点，取代传统照明光源已成发展趋势。大功率LED器件目前是LED器件发展和研究的方向。散热是大功率LED器件亟待解决的关键问题之一。
鉴于目前的技术，LED的电光转换效率只有30%左右，70%左右的电能仍然是以热的方式存在于芯片上，高功率密度在很小的芯片内部产生大量的热量，导致结温升高，增强了电子与空穴的非辐射性复合，使发光效率降低以及封装材料退化，发光效率与工作温度成反比，温度每升高10℃，就会导致光衰5%~8%，因此，散热问题急需解决；同时在长时间使用过程中，因为散热不好而导致的高温，会影响到硅胶的性能和透过率，从而造成较大的光输出功率衰减，因此，大功率LED器件的散热问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种优化GaN基LED芯片性能的制备方法，通过采用SiO2掩膜层和光刻胶掩膜层，结合电感耦合等离子体（ICP）刻蚀，使得芯片隔离沟槽的侧壁呈现倒梯形结构（即形成斜坡），对于倒装LED芯片和高压LED芯片，可以使隔离沟槽侧壁的SiO2沉积均匀，有效防止漏电情况的出现，优化生产良率；对于高压LED芯片，在铺设电极连接桥时，电极可以沿着侧壁的梯形结构到达隔离沟槽底部，再从隔离沟槽底部沿着侧壁的梯形结构上升到另一个芯片的电极上，增强了电极的稳定性。
为实现以上技术目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一. 制作外延层：利用MOCVD设备在蓝宝石衬底上依次生长U-GaN层、N-GaN层，量子阱和P-GaN层，完成GaN基LED外延层的制作；
步骤二：制作N电极引出孔：利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层；
步骤三：制作反射层：利用负性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过磁控溅射技术在P-GaN层表面制作反射层，并去除掩膜层；
步骤四：制作第一绝缘层：利用PECVD技术，在反射层及N电极引出孔内沉积SiO2，再利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，采用BOE溶液进行湿法腐蚀SiO2，使N电极引出孔底部的N-GaN及部分反射层裸露出来，形成第一绝缘层；
步骤五：制作电极：在第一绝缘层表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发技术，在图形化掩膜层及第一绝缘层表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极，在裸露部分的反射层上形成P焊盘电极；
步骤六. 制作第一键合窗口：将第一绝缘层表面的图形化掩膜层、第一金属层剥离，在第一绝缘层上形成第一键合窗口；
步骤七. 制作通孔：选取一Si基衬底，利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，对Si基衬底进行刻蚀，形成贯穿Si基衬底的通孔；
步骤八. 制作第二绝缘层：利用PECVD技术，在Si基衬底表面及通孔表面沉积SiO2，形成第二绝缘层；
步骤九. 制作第二键合窗口：在Si基衬底的上表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发，在Si基衬底的上表面及图形化掩膜层表面蒸镀第二金属层，再将图形化掩膜层与上面的第二金属层剥离，在第二绝缘层上形成第二键合窗口；
步骤十. 制作通孔金属层：通过电镀技术，在Si基衬底的下表面及通孔内电镀第三金属层，并对第三金属层进行刻蚀图形化，在通孔内形成通孔金属层；
步骤十一：键合：利用晶圆键合机，通过金属共晶键合技术，将第一金属层与第二金属进行共晶键合，并使第一键合窗口对准第二键合窗口，形成键合腔体，完成了倒装LED芯片转移到Si基衬底；
步骤十二：剥离：利用激光剥离技术，将蓝宝石衬底从GaN基LED外延层上剥离下来，得到倒装LED薄膜；
步骤十三：切割裂片：利用砂轮刀对倒装LED薄膜进行切割，并利用裂片技术将LED芯片分离，完成倒装LED芯片的制作。
进一步地，所述步骤二和步骤三可以互换，具体过程为，先通过磁控溅射技术在P-GaN层表面制作反射层；在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层。
进一步地，所述步骤五和步骤六还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第一绝缘层表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极，在裸露部分的反射层上形成P焊盘电极；再利用图形化掩膜层的遮挡，对第一金属层进行刻蚀，在第一绝缘层上形成第一键合窗口。
进一步地，所述步骤九还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第二绝缘层表面蒸镀第二金属层，再利用图形化掩膜层的遮挡，对第二金属层进行刻蚀，在第二绝缘层上形成第二键合窗口。
进一步地，所述步骤五中，N焊盘电极和P焊盘电极间通过第一绝缘层和键合腔体隔离。
进一步地，所述第一金属层和第二金属层的金属为Cr、Al、Ti、Pt、Au、Sn，所述第三金属层的金属为Cu。
进一步地，所述掩膜层均为光刻胶。
从以上描述可以看出，本发明的有益效果在于：
1）本发明采用PN结直接与Si基衬底进行共晶键合。共晶键合结构对散热问题有了很大的改善，进而降低了LED芯片的热阻，提升了芯片的散热性能；
2）相对于蓝宝石衬底，使用Si基衬底作为LED芯片的封装基板的散热效果较好，且Si基衬底为带有通孔，通孔结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效；
3）采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底，这样有利于LED芯片的散热；
4）本发明制作方法的LED芯片的光功率是传统倒装结构LED芯片的两倍。
附图说明
图1为本发明实施例中形成外延层的剖视结构示意图。
图2为本发明实施例中形成N电极引出孔的剖视结构示意图。
图3为本发明实施例中形成反射层的剖视结构示意图。
图4为本发明实施例中形成第一绝缘层的剖视结构示意图。
图5为本发明实施例中形成电极及第一键合窗口的剖视结构示意图。
图6为本发明实施例中形成通孔的剖视结构示意图。
图7为本发明实施例中形成第二绝缘层的剖视结构示意图。
图8为本发明实施例中形成第二键合窗口的剖视结构示意图。
图9为本发明实施例中形成通孔金属层的剖视结构示意图。
图10为本发明实施例中键合后形成键合腔体的剖视结构示意图。
图11为本发明实施例中剥离蓝宝石衬底后的剖视结构示意图。
附图标记说明：1-U-GaN，2-N-GaN，3-量子阱，4-第一绝缘层，5-P-GaN，6-N焊盘电极，7-反射层，8-键合腔体，81-第一键合窗口，82-第二键合窗口，9-P焊盘电极，10-Si基衬底，11-蓝宝石衬底，12-通孔金属层，13-第二绝缘层。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征是，包括如下步骤：
如图1所示，步骤一. 制作外延层：利用MOCVD设备在蓝宝石衬底11上依次生长U-GaN层1、N-GaN层2，量子阱3和P-GaN层5，完成GaN基LED外延层的制作；
如图2所示，步骤二：制作N电极引出孔：利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层；
如图3所示，步骤三：制作反射层：利用负性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过磁控溅射技术在P-GaN层5表面制作反射层7，并去除掩膜层；
本实施例中的步骤二和步骤三可以互换，具体过程为，先通过磁控溅射技术在P-GaN层5表面制作反射层7；在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层；
步骤四：制作第一绝缘层4：利用PECVD技术，在反射层7及N电极引出孔内沉积SiO2，再利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，采用BOE溶液进行湿法腐蚀SiO2，使N电极引出孔底部的N-GaN及部分反射层7裸露出来，形成第一绝缘层4；
步骤五：制作电极：在第一绝缘层4表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发技术，在图形化掩膜层及第一绝缘层4表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极6，在裸露部分的反射层7上形成P焊盘电极9；
步骤六. 制作第一键合窗口81：将第一绝缘层4表面的图形化掩膜层、第一金属层剥离，在第一绝缘层4上形成第一键合窗口81；
本实施例中步骤五和步骤六还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第一绝缘层4表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极6，在裸露部分的反射层7上形成P焊盘电极9；再利用图形化掩膜层的遮挡，对第一金属层进行刻蚀，在第一绝缘层4上形成第一键合窗口81。
步骤七. 制作通孔：选取一Si基衬底10，利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，对Si基衬底10进行刻蚀，形成贯穿Si基衬底10的通孔；
步骤八. 制作第二绝缘层13：利用PECVD技术，在Si基衬底10表面及通孔表面沉积SiO2，形成第二绝缘层13；
步骤九. 制作第二键合窗口82：在Si基衬底10的上表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发，在Si基衬底10的上表面及图形化掩膜层表面蒸镀第二金属层，再将图形化掩膜层与上面的第二金属层剥离，在第二绝缘层13上形成第二键合窗口82；
本实施例中步骤九还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第二绝缘层13表面蒸镀第二金属层，再利用图形化掩膜层的遮挡，对第二金属层进行刻蚀，在第二绝缘层13上形成第二键合窗口82。
步骤十. 制作通孔金属层：通过电镀技术，在Si基衬底10的下表面及通孔内电镀第三金属层，并对第三金属层进行刻蚀图形化，在通孔内形成通孔金属层12；
步骤十一：键合：利用晶圆键合机，通过金属共晶键合技术，将第一金属层与第二金属进行共晶键合，并使第一键合窗口81对准第二键合窗口82，形成键合腔体8，完成了倒装LED芯片转移到Si基衬底10；
本实施例中N焊盘电极6和P焊盘电极9间通过第一绝缘层4和键合腔体8隔离。
步骤十二：剥离：利用激光剥离技术，将蓝宝石衬底11从GaN基LED外延层上剥离下来，得到倒装LED薄膜；
步骤十三：切割裂片：利用砂轮刀对倒装LED薄膜进行切割，并利用裂片技术将LED芯片
本发明实施例中的第一金属层和第二金属层的金属为Cr、Al、Ti、Pt、Au、Sn，所述第三金属层的金属为Cu，所述掩膜层均为光刻胶。
本发明提供的倒装结构LED芯片的制作方法，适用于大功率LED芯片；采用ICP加工工艺，制作带有硅通孔（TSV）的Si基衬底10的LED封装产品， Si基衬底10作为LED芯片的封装基板，并设计相应的硅基板封装结构，TSV结构避免了由于大跨度引线键合引起的机械失效，同时，对比于陶瓷基板、金属基板，硅材料在成本和可塑性上有一定的优势；另外，本发明将倒装LED芯片的第一金属层与Si基衬底10上的第二金属层进行正负极共晶键合，共晶键合结构对散热问题有了很大的改善，进而降低了LED芯片的热阻，提升了芯片的散热性能，并且在倒装LED芯片的基础上采用激光剥离技术去除蓝宝石衬底11，这样对对散热也起到一定效果，本发明制作方法的LED芯片的光功率是普通倒装结构LED芯片的两倍。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤一. 制作外延层：利用MOCVD设备在蓝宝石衬底（11）上依次生长U-GaN层（1）、N-GaN层（2），量子阱（3）和P-GaN层（5），完成GaN基LED外延层的制作；
步骤二：制作N电极引出孔：利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层；
步骤三：制作反射层：利用负性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过磁控溅射技术在P-GaN层（5）表面制作反射层（7），并去除掩膜层；
步骤四：制作第一绝缘层（4）：利用PECVD技术，在反射层（7）及N电极引出孔内沉积SiO2，再利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，采用BOE溶液进行湿法腐蚀SiO2，使N电极引出孔底部的N-GaN及部分反射层（7）裸露出来，形成第一绝缘层（4）；
步骤五：制作电极：在第一绝缘层（4）表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发技术，在图形化掩膜层及第一绝缘层（4）表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极（6），在裸露部分的反射层（7）上形成P焊盘电极（9）；
步骤六. 制作第一键合窗口（81）：将第一绝缘层（4）表面的图形化掩膜层、第一金属层剥离，在第一绝缘层（4）上形成第一键合窗口（81）；
步骤七. 制作通孔：选取一Si基衬底（10），利用正性光刻掩膜技术，制作图形化掩膜层，在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，对Si基衬底（10）进行刻蚀，形成贯穿Si基衬底（10）的通孔；
步骤八. 制作第二绝缘层：利用PECVD技术，在Si基衬底（10）表面及通孔表面沉积SiO2，形成第二绝缘层（13）；
步骤九. 制作第二键合窗口（82）：在Si基衬底（10）的上表面制作图形化掩膜层，再通过电子束蒸发，在Si基衬底（10）的上表面及图形化掩膜层表面蒸镀第二金属层，再将图形化掩膜层与上面的第二金属层剥离，在第二绝缘层（13）上形成第二键合窗口（82）；
步骤十. 制作通孔金属层：通过电镀技术，在Si基衬底（10）的下表面及通孔内电镀第三金属层，并对第三金属层进行刻蚀图形化，在通孔内形成通孔金属层（12）；
步骤十一：键合：利用晶圆键合机，通过金属共晶键合技术，将第一金属层与第二金属进行共晶键合，并使第一键合窗口（81）对准第二键合窗口（82），形成键合腔体（8），完成了倒装LED芯片转移到Si基衬底（10）；
步骤十二：剥离：利用激光剥离技术，将蓝宝石衬底（11）从GaN基LED外延层上剥离下来，得到倒装LED薄膜；
步骤十三：切割裂片：利用砂轮刀对倒装LED薄膜进行切割，并利用裂片技术将LED芯片分离，完成倒装LED芯片的制作。
2.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三可以互换，具体过程为，先通过磁控溅射技术在P-GaN层（5）表面制作反射层（7）；在图形化掩膜层的遮挡下，通过ICP刻蚀技术，在外延层表面制作N电极引出孔，使N电极引出孔内的N-GaN裸露出来，并去除掩膜层。
3.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤五和步骤六还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第一绝缘层（4）表面蒸镀第一金属层，在N电极引出孔内形成N焊盘电极（6），在裸露部分的反射层（7）上形成P焊盘电极（9）；再利用图形化掩膜层的遮挡，对第一金属层进行刻蚀，在第一绝缘层（4）上形成第一键合窗口（81）。
4.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤九还可通过如下方法制作：先通过电子束蒸发技术，在第二绝缘层（13）表面蒸镀第二金属层，再利用图形化掩膜层的遮挡，对第二金属层进行刻蚀，在第二绝缘层（13）上形成第二键合窗口（82）。
5.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述步骤五中，N焊盘电极（6）和P焊盘电极（9）间通过第一绝缘层（4）和键合腔体（8）隔离。
6.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层的金属为Cr、Al、Ti、Pt、Au、Sn，所述第三金属层的金属为Cu。
7.根据权利要求1所述的一种大功率倒装LED芯片的制作方法，其特征在于，所述掩膜层均为光刻胶。
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