CN109244198B - 芯片级低成本表面处理方法及一种装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种芯片级低成本表面处理方法及一种装置。所述芯片级低成本表面处理方法包括：在器件的光学结构层上覆设有机物层；对所述有机物层进行离子轰击，从而在所述有机物层中形成微米级和/或亚微米级图形；将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层。本发明实施例提供的一种芯片级低成本表面处理方法工艺可控，在成本性价比以及使用应用场合(涵盖目前所有光电器件)上实现了全方位的保障和提升，同时器件完成后，在光的取出以及收取的均匀度上也能够得到相应的改善。
Description
技术领域
本发明涉及一种器件表面粗化处理方法，特别涉及一种芯片级低成本表面处理方法及一种装置，属于半导体技术领域。
背景技术
将光路经过的器件或组件的表面进行粗化是以提升光电器件其出光或者收光效率方面一种非常有效的方法，其基本原理是通过在器件表面进行粗化，使其表面变得粗糙不平，进而改变光的传播角度，使得更多的光子通过该表面。现有的一种GaN基LED正装芯片的结构如图1所示，目前实现器件表面粗化的处理方法主要包括以下几种方法：
1)在器件表面进行低温的P型的GaN材料生长，通过工艺的控制达到表面粗化的效果；
2)在器件表面完成微米和/或亚微米微米级和/或亚微米级的图形光刻转印，再刻蚀实现图形化的表面粗化；
3)自然腐蚀ITO；
4)使用强碱溶液对N型GaN表面进行粗化处理；
5)使用绝缘层隔离后在表面蒸金，退火，刻蚀实现表面粗化；
6)使用飞秒级激光器对器件表面进行刻蚀实现粗化。
以上现有方法都可以在一定程度上达到使器件表面粗化的目的，但是存在工艺控制性差，成本较高，使用方向受限等几个方面的缺点。因此，提供一种工艺可控、成本性价比高以及应用范围广的器件表面粗化方法仍是业界亟待解决的主要问题之一。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种芯片级低成本表面处理方法及一种装置，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种芯片级低成本表面处理方法，其包括：
在器件的光学结构层上覆设有机物层；
对所述有机物层进行离子轰击，从而在所述有机物层中形成微米级和/或亚微米级图形；
将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层。
进一步的，所述微米级和/或亚微米级图形包括复数个微米级和/或亚微米级凸起结构和/或复数个微米级和/或亚微米级凹陷结构。
进一步的，所述的芯片级低成本表面处理方法包括：以具有微米级和/或亚微米级图形的有机物层为掩模，采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀方法对所述光学结构层进行加工，从而将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层。
进一步的，所述离子轰击的功率为0.3KW-3KW，时间为1min-10min。
进一步的，所述离子轰击采用的等离子轰击材料包括氦气、氖气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四氟化碳中的任意一种，但不限于此。
进一步的，所述有机物层的厚度为50nm-50μm。
进一步的，具有所述微米级和/或亚微米极图形的有机物层的最大高度差大于离子轰击前的有机物层的厚度。
进一步的，所述有机物层的材质包括至少一种有机聚合物。
更进一步的，所述有机物层的材质包括但不限于正性光刻胶或负性光刻胶，但不限于此。
进一步的，所述光学结构层与器件的其它结构层之间还设置有隔断层。
优选的，所述隔断层的材质包括SiO2、Al2O3、Si3N4中的任意一种，但不限于此。
优选的，所述光学结构层的材质为透光材质。
优选的，所述光学结构层的材质包括石英玻璃、硼硅玻璃、K9玻璃、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氮化铝、荧光晶体、荧光陶瓷、硅胶、环氧树脂、塑料中的任意一种，但不限于此。
进一步的，所述器件为光学或光电器件。
进一步的，所述的芯片级低成本表面处理方法还包括：将有机物层从表面粗化的光学结构层上去除。
进一步的，所述光学结构层形成于器件的受光面或出光面。
本发明实施例还提供了一种装置，其由所述的芯片级低成本表面处理方法形成。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
(1)本发明实施例提供的一种芯片级低成本表面处理方法，利用了目前成熟的半导体工艺技术，通过自掩膜技术的方式实现对于器件表面粗化，所使用的材料以及工艺技术成本低，处理方法可控性好，可现实度高；
(2)本发明实施例提供的一种芯片级低成本表面处理方法可以实现工艺在线的实现和器件成品后的快速实现，其应用范围可以覆盖目前市面上所有的需要增加出光或取光的光电器件；
(3)本发明实施例提供的芯片级低成本表面处理方法通过制作表面粗化的结构对于需要将光束由集中转化为均匀的需求，具有良好的效果；
(4)本发明实施例提供的一种芯片级低成本表面处理方法对于器件关键部分的保护和最终效果的增强进行了增加隔离层和调整有机薄膜层厚度的优化。
附图说明
图1是现有技术中一种GaN基LED正装芯片的结构示意图；
图2a是本发明实施例1中一种对LED芯片进行芯片级低成本表面处理方法中形成的器件结构示意图；
图2b是本发明实施例1中形成有机薄膜层后的器件结构示意图；
图2c是本发明实施例1中采用离子轰击的方式处理有机薄膜层后的器件结构示意图；
图2d是本发明实施例1中对光学结构层进行半导体刻蚀后的器件结构示意图；
图2e是本发明实施例1中一种GaN基LED正装芯片结构示意图；
图2f是本发明实施例1中一种GaN基LED倒装芯片结构示意图；
图3a是本发明实施例1中厚度为1.5μm的有机物薄膜层(光刻胶)经离子轰击后的SEM图；
图3b是图3a的放大SEM图；
图4是本发明实施例1中厚度为0.35μm的有机物薄膜层(光刻胶)经离子轰击后的SEM图；
图3b、图4分别是本发明实施例1中厚度分别为1.5um，0.35um的有机薄膜层(光刻胶)经离子轰击后经离子轰击后的有机薄膜层的SEM图；
图5a是采用图3a或图3b中的有机物薄膜层作为掩模刻蚀形成的光学结构层的SEM图；
图5b是采用图4中的有机物薄膜层作为掩模刻蚀形成的光学结构层的SEM图；
图6a是本发明实施例1中制作形成的LED芯片表面的SEM图；
图6b是图6a中LED芯片表面的放大SEM图；
图7是本发明实施例1中一种LED芯片经表面粗化处理前后的外量子效率的对比图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种芯片级低成本表面处理方法，其包括：
在器件的光学结构层上覆设有机物层；
对所述有机物层进行离子轰击，从而在所述有机物层中形成微米级和/或亚微米级图形；
将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层。
进一步的，所述微米级和/或亚微米级图形包括复数个微米级和/或亚微米级凸起结构和/或复数个微米级和/或亚微米级凹陷结构。
进一步的，所述的芯片级低成本表面处理方法包括：以具有微米级和/或亚微米级图形的有机物层为掩模，采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀方法对所述光学结构层进行加工，从而将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层。
进一步的，所述离子轰击的功率为0.3KW-3KW，时间为1min-10min。
进一步的，所述离子轰击采用的等离子轰击材料包括氦气、氖气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四氟化碳中的任意一种，但不限于此。
进一步的，所述有机物层的厚度为50nm-50μm。
进一步的，具有所述微米级和/或亚微米极图形的有机物层的最大高度差大于离子轰击前的有机物层的厚度。
进一步的，所述有机物层的材质包括至少一种有机聚合物。
更进一步的，所述有机物层的材质包括但不限于正性光刻胶或负性光刻胶，但不限于此。
具体的，通过离子轰击的方式对所述有机物层进行改性，获得一种自然形成的类连绵山峰状、细节类花瓣状，在花瓣状包围区域形成连续山峰状的密集的微米级和/或亚微米级的自掩膜图形。基由形成有微米级和/或亚微米级自掩膜图形的有机物层作为掩模形成的光学结构层的表面根据刻蚀条件的不同呈现表面多峰或无峰的连绵山脊状，在山脊包围区域呈现连续山峰状，而由山脊和其包围的山峰组成了基材层表面的密集的微米级和/或亚微米级图形。
进一步的，所述光学结构层与器件的其它结构层之间还设置有隔断层。
优选的，所述隔断层的材质包括SiO2、Al2O3、Si3N4中的任意一种，但不限于此。
优选的，所述光学结构层的材质为透光材质。
优选的，所述光学结构层的材质包括石英玻璃、硼硅玻璃、K9玻璃、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氮化铝、荧光晶体、荧光陶瓷、硅胶、环氧树脂、塑料中的任意一种，但不限于此。
进一步的，所述器件为光学或光电器件。
进一步的，所述的芯片级低成本表面处理方法还包括：将有机物层从表面粗化的光学结构层上去除。
进一步的，所述光学结构层设置于器件的受光面或出光面。
本发明实施例还提供了一种装置，其由所述的芯片级低成本表面处理方法形成。
如下将结合附图以及具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1
一种表面粗化处理后的GaN基LED芯片(即一种光学或光电器件)的结构如图2e和2f所示，其包括LED芯片主体结构(LED芯片主体结构包括依次形成的蓝宝石衬底、N型GaN、量子阱、P型GaN、透明电极，在N型GaN和透明电极上均形成有电极)以及形成在LED芯片主体结构的正面或背面的经表面粗化后的基材层或光学结构层，表面粗化后的基材层或光学结构层与LED芯片主体结构之间还形成有隔断层，光学结构层设置于LED芯片的正面的结构如图2e，光学结构层设置于LED芯片的背面的结构如图2f所示。
一种对LED芯片进行低成本表面处理方法可以包括如下步骤：
(1)形成如图2a所示的器件(即LED芯片，下同)结构(隔断层的材质可以是SiO2，Al2O3，Si3N4等，其至少用以减小或避免在后续离子轰击以及半导体刻蚀工艺中可能带来的对器件有效区域的损伤)；
(2)在除去第一电极对应区域之外的光学结构层上涂布一层有机物薄膜(或称之为有机物薄膜层，即有机物层，其作用主要是提供一层可供表面图形转移的可去除的转印层或作为掩模，即自掩模技术，自掩膜技术就是采用适当的方法在薄膜表面自然形成所需的掩膜图形，再利用适当的方法将图形传递下去；当然也可以在在所有的光学结构层上形成有机物薄膜)，其器件结构如图2b所示；有机物薄膜的材质包括正性光刻胶、负性光刻胶、有机聚合物混合物、有机树脂等；
(3)对有机物薄膜进行离子轰击，离子轰击的功率范围在0.3KW～3KW之间，时间在1分钟到10分钟之间；通过有机物在离子轰击下的自加热效应，使其表面形成微米级和/或亚微米级图形，形成的器件结构如图2c所示；有机薄膜的厚度决定粗化图形的细腻程度，一般膜厚越薄最后形成的图形分辨尺寸越接近于微米级和/或亚微米级。例如当有机物薄膜的厚度分别为1.5um、0.35um时，经离子轰击后经离子轰击后的有机薄膜的SEM图分别如图3a、图3b和图4所示；有机薄膜的厚度还根据材料的选择的不同而有所不同，使用正性光刻胶作为有机物薄膜的厚度在50nm～50um之间；
(4)以形成有微米级和/或亚微米级图形的有机物薄膜作为掩模，对光学结构层进行刻蚀处理，刻蚀的方式包括湿法刻蚀，干法刻蚀等；刻蚀后的器件结构如图2d所示，刻蚀处理后的光学结构层的SEM图如图5a和图5b所示；
(5)除去有机物薄膜，从而实现器件表面(光学结构层)的粗化处理，去除有机物薄膜后的LED芯片表面的SEM图如图6a和图6b所示。
其中，需要说明的是发明实施例提供的一种对LED芯片进行芯片级低成本表面处理方法中，可以直接形成如图2a、图2b中的器件结构，即直接形成隔断层，并使隔断层设置于第一电极两侧，在隔断层上形成的光学结构层、在光学结构层上形成的有机物薄膜层均设置于第一电极对应区域之外的区域，或者还可以在形成隔断层、光学结构层、有机物薄层中的任意一层之后以刻蚀处理的方式暴露出所述第一电极，或者在光学结构层上形成微米级和/或亚微米级的图形之后再以刻蚀处理的方式对第一电极对应的区域进行加工以暴露第一电极；或者，第一电极可以设置于隔断层内。
对实施例1形成的两种LED芯片(其结构分别如图2e和图2f所示)，与表面粗化处理前的LED芯片进行外量子效率对比测试，其测试结果如图7所示，对比应用前后LED芯片的外量子效率的比较，通过对比我们可以看到在LED芯片在额定工作电流0.4A条件下，表面粗化处理后的LED芯片的外量子效率有了6.5％的显著提升。
对比例1
使用氧等离子体刻蚀光刻胶，在需要粗化的器件薄膜上形成一层微米和/或亚微米尺寸的胶点，进一步刻蚀获得粗化图形，制作形成表面粗化的器件。
本发明实施例1通过非氧的等离子对有机物薄膜层表面进行非氧化、非刻蚀的轰击，对于有机物薄膜层进行改性，获得一种自然形成的类连绵山峰状，细节类花瓣状，在花瓣状包围区域形成连续山峰状的密集的微米级和/或亚微米级自掩膜图形，再以此自掩模图形作为掩模光学结构层进行刻蚀，以实现表面粗化处理。
本发明实施例提供的一种芯片级低成本表面处理方法，利用了目前成熟的半导体工艺技术，通过自掩膜技术的方式实现对于器件表面粗化或器件表面配件的粗化，所使用的材料以及工艺技术成本低，处理方法可控性好，可现实度高；并且可以实现工艺在线的实现和器件成品后的快速实现，其应用范围可以覆盖目前市面上所有的需要增加出光或取光的光电器件；以及通过制作表面粗化的结构和配件对于需要将光束由集中转化为均匀的需求，具有良好的效果；另外本发明实施例提供的一种实现器件表面粗化的处理方法对于器件关键部分的保护和最终效果的增强进行了增加隔离层和调整有机薄膜层厚度的优化。
本发明实施例提供的芯片级低成本表面处理方法，工艺可控，在成本性价比以及使用应用场合(涵盖目前所有光电器件)上实现了全方位的保障和提升，同时器件完成后，在光的取出以及收取的均匀度上也能够得到相应的改善。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种芯片级低成本表面处理方法，其特征在于包括：
在器件的光学结构层上覆设有机物层，所述有机物层的厚度为50nm - 50μm，所述有机物层的材质包括至少一种有机聚合物；
对所述有机物层进行离子轰击，从而在所述有机物层中获得一种自然形成的类连绵山峰状，细节类花瓣状，在花瓣状包围区域形成连续山峰状的密集的微米级和/或亚微米级图形，具有所述微米级和/或亚微米极图形的有机物层的最大高度差大于离子轰击前的有机物层的厚度，所述离子轰击的功率为0.3KW - 3KW，时间为1min - 10min；
以具有所述微米级和/或亚微米级图形的有机物层为掩模，采用干法刻蚀和/或湿法腐蚀方法对所述光学结构层进行加工，从而将所述有机物层中的微米级和/或亚微米级图形转移到所述光学结构层表面，获得表面粗化的光学结构层，所述微米级和/或亚微米级图形包括复数个微米级和/或亚微米级凸起结构和/或复数个微米级和/或亚微米级凹陷结构。
2.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述离子轰击采用的等离子轰击材料包括氦气、氖气、氩气、六氟化硫、三氟甲烷、四氟化碳中的任意一种。
3.根据权利要求1所述芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述有机物层的材质包括正性光刻胶或负性光刻胶。
4.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述光学结构层与器件的其它结构层之间还设置有隔断层。
5.根据权利要求4所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述隔断层的材质包括SiO2、Al2O3 、Si3N4中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述器件为光学或光电器件。
7.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述光学结构层的材质包括石英玻璃、硼硅玻璃、K9玻璃、蓝宝石、氮化镓、碳化硅、氮化铝、荧光晶体、荧光陶瓷、硅胶、环氧树脂、塑料中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于还包括：将有机物层从表面粗化的光学结构层上去除。
9.根据权利要求1所述的芯片级低成本表面处理方法，其特征在于：所述光学结构层设置于器件的受光面或出光面。
10.一种装置，其特征在于由权利要求1-9中任一项所述的芯片级低成本表面处理方法形成。
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