CN113299802A - Led芯片结构的制备方法及制得的led芯片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LED芯片结构的制备方法及制得的LED芯片结构，制备方法包括以下过程：提供模板，模板包括基底和形成于基底上的多个柱状结构；提供外延片，在外延片上形成第一光刻胶层，用模板压印第一光刻胶层，使模板的柱状结构在第一光刻胶层内压印出孔结构，得到图案化的第一光刻胶层；以图案化的第一光刻胶层为掩模，在孔结构内沉积第一填充物，去除图案化的第一光刻胶层，在外延片上形成多个柱结构；在相邻第一填充物的柱结构的空隙内沉积第二填充物，形成填充结构；在柱结构和填充结构的顶面形成第二金属层。本发明能够避免曝光和显影带来的尺寸限制，提高不同批次的产品的一致性，且模板反复使用，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种LED芯片结构的制备方法及制得的LED芯片结构。
背景技术
现有技术中，通过在AlGaInP材料外延片的出光侧构建ODR(Omni DirectionalReflector，即全方位反射镜)结构来提高其外量子效率，参考图1，ODR结构包括形成于AlGaInP材料外延片的出光侧的由多个柱结构形成的介质层和形成于介质层出光侧的金属层，金属层填充于柱结构之间的空隙，金属层与外延片相连接，介质层具有低折射率，金属层具有高折射率，光线在介质层与金属层的界面处被反射，以此来增强对光线的反射率，从而提高芯片的外量子效率。
但是，现有ODR结构通常是应用在尺寸较大的LED芯片结构中，制作ODR的过程包括以下步骤：首先，沉积介质层，然后，在介质层上旋涂光刻胶层，曝光，显影，图案化光刻胶层，以图案化的光刻胶层为掩模刻蚀介质层形成孔结构，最后，沉积形成金属层。随着芯片尺寸进入到MiniLED(200μm～50μm)甚至MicroLED(＜50μm)范围内，芯片尺寸的微缩化导致现有的ODR制备工艺已无法满足要求，一是制备工艺要求逐渐逼近仪器设备(如曝光机)的性能极限，在仪器设备性能提升之前，需要另辟蹊径，探寻降低工艺难度的方法；二是面临着光刻时套刻困难、显影后图案均一性无法保证的的问题，同时，光刻的效果极易受操作者手法、操作熟练程度的影响，无法保证制备的ODR形貌性能的一致性，从而导致不同批次样品的光电色性能发生波动。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种LED芯片结构的制备方法及制得的LED芯片结构，采用模板压印的方法，避免了曝光及显影带来的尺寸限制，本发明的方法更适合制备具有ODR结构的MiniLED/MicroLED芯片结构。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种LED芯片结构的制备方法，包括以下过程：
提供模板，所述模板包括基底和形成于所述基底上的多个柱状结构；
提供外延片，在所述外延片上形成第一光刻胶层，用所述模板压印所述第一光刻胶层，使所述模板的所述柱状结构在所述第一光刻胶层内压印出孔结构，使所述孔结构深至所述外延片，得到图案化的第一光刻胶层；
以所述图案化的第一光刻胶层为掩模，在所述孔结构内沉积第一填充物，去除所述图案化的第一光刻胶层，在所述外延片上形成多个柱结构；
在多个所述柱结构的空隙内沉积第二填充物，形成填充结构，所述柱结构和所述填充结构分别形成介质层和第一金属层，所述第一填充物和所述第二填充物相应的分别为所述介质层的材料和所述第一金属层的材料；以及
在所述柱结构和所述填充结构的顶面形成第二金属层。
本发明还提供了一种由上述制备方法制得的LED芯片结构。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明实施例通过采用模板压印第一光刻胶层得到图案化的第一光刻胶层，避免了现有技术中采用曝光和显影图案化第一光刻胶层带来的尺寸限制；另，模板可以被重复使用，降低生产成本；再者，模板在芯片结构的不同批次生产中被重复使用，提高不同批次生产的芯片结构的形状和尺寸的一致性，从而提高成品率。总之，本发明的制备方法尤其适合批量生产MiniLED或MicroLED。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1～图3是本发明一具体实施例的模板的制备过程的结构示意图。
图4～图12是本发明一具体实施例的LED芯片结构的制备过程的结构示意图。
其中，模板10、基底11、柱状结构12、掩模层13、图案化的第二光刻胶层14、图案化的掩模层15、外延片20、衬底层21、N型层22、多量子肼有源层23、P型层24、第一光刻胶层30、图案化的第一光刻胶层31、ODR结构40、第一金属层41、介质层42、第二金属层43、N电极50、N电极的台面51、钝化层60、键合电极70、粗化的出光面80。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的主要是制备小尺寸的MiniLED或MicroLED，MiniLED的芯片尺寸约为50μm～200μm，MicroLED的芯片尺寸小于50μm，本发明除了能够避免曝光和显影带来的尺寸限制，另，还可以提高不同批次生产的ODR结构的一致性，提高成品率，这是因为，在小尺寸范围下，ODR结构中的介质层孔状结构和/或金属层柱状结构的型态的微小变化，都会导致最终LED芯片结构的性能(例如，色彩、亮度等)的较大差别，现有ODR结构的制备方法中，刻蚀介质层形成的孔结构的形状不仅与图案化光刻胶的图案的精准程度相关，还与刻蚀工艺参数(包括反应腔气压、温度、反应气体流量、电压、电流等)相关，稍有不同，就会导致孔结构的形状的差异，难以保证不同批次制备的产品的性能的一致性，成品率较低。
具体的，本发明的LED芯片结构的制备方法，参考图1～图12，包括以下过程：
步骤S1：参考图3，提供模板10，模板10包括基底11和形成于基底11上的多个柱状结构12。
可以采用自下而上的方法，依次形成基底11和基底11上的多个柱状结构12，例如可以采用3D打印方式形成模板10，或者采用化学工艺形成模板10。
也可以采用自上而下的方法，通过刻蚀的方式形成柱状结构12。
柱状结构12可以是形状规则的柱阵列结构，也可以是形状不规则的柱状结构。
为了使模板10足够结实，能够在制备过程中反复使用，在一具体实施例中，柱状结构12的材料为金属，可以是单一金属，也可以是金属合金。当然，在其它可实施的实施例中，柱状结构12也可以为其它坚硬、耐用的材料。
基底11的材料也可以是金属，或其它任何材料。
在本具体实施例中，参考图1～图3，模板10的制备方法，包括以下过程：
步骤S11：参考图1，提供基底11，在基底11上依次形成掩模层13和第二光刻胶层，
具体的，在一具体实施例中，掩模层13的材料为二氧化硅或氮化硅，其质地坚硬，且便于刻蚀，能够得到形状规则、尺寸微小且精准的柱阵列结构。在一具体实施例中，采用PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，即等离子体增强化学气相沉积技术)方法在基底11上形成掩模层13，当然也可以采用其它方法。
掩模层13的厚度为0.5μm～1μm，在本实施例中，为0.75μm。
进一步的，在本具体实施例中，采用PECVD方法形成掩模层13的具体工艺参数包括：气源为SiH4和N2O的混合气体，SiH4的流速为3sccm～8sccm，N2O的流速为650sccm～750sccm，反应腔的工作压力为700mTorr～800mTorr，功率为10W～30W。在本具体实施例中，具体的，SiH4的流速为5sccm，N2O的流速为710sccm，反应腔压力为750mTorr，功率为20W。
在掩模层13上旋涂第二光刻胶浆料层，固化第二光刻胶浆料层得到第二光刻胶层，在一具体实施例中，第二光刻胶层包括形成于掩模层13上的增粘剂层以及形成于增粘剂层上的电子束光刻胶层，增粘剂层增强电子束光刻胶层与掩模层之间的粘结力，便于提高光刻精度。在一具体实施例中，增粘剂层为HMDS增粘剂层，电子束光刻胶层为SU8电子束光刻胶，HMDS增粘剂能够提高电子束光刻胶层与掩模层13的结合强度，SU8电子束光刻胶是对电子束可感光的光刻胶，通过采用HMDS增粘剂来提高电子束光刻胶的转移精度，以制备小尺寸微纳结构。
采用上述的第二光刻胶层进行图案转移，图案转移的精度更高，精确至Mini或Micro尺寸级别，能够满足对模板上柱状结构尺寸和形状的精准需求。
步骤S12：对第二光刻胶层进行曝光和显影，得到图案化的第二光刻胶层14。
步骤S13：参考图2，以图案化的第二光刻胶层14为掩模刻蚀掩模层13，在掩模层13中形成孔阵列结构，得到图案化的掩模层15。
可以采用ICP(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，即电感耦合等离子体)方法或RIE(Reactive Ion Etching，即反应离子刻蚀)方法刻蚀掩模层13。
进一步的，在本具体实施例中，采用ICP方法刻蚀掩模层13的具体工艺参数包括：气源为Ar和CHF3的混合气体，Ar的流速为15sccm～25sccm，CHF3的流速为80sccm～120sccm；反应腔的工作压力为5mTorr～10mTorr，Pressure：8mTorr，Ar：20sccm，CHF3：100sccm，射频源功率为50W～100W，偏置源功率为10W～30W，刻蚀时间为10s～300s。在本具体实施例中，Ar的流速为20sccm，CHF3的流速为100sccm；反应腔的工作压力为8mTorr，射频源功率为80W，偏置源功率为20W，刻蚀时间为300s。
步骤S14：参考图3，以图案化的第二光刻胶层14和图案化的掩模层15为掩模，在孔阵列结构内沉积柱状结构12的材料，去除图案化的第二光刻胶层14和图案化的掩模层15，得到模板10。
柱状结构12的材料为金属时，可以采用电子束蒸镀方法或溅射方法在孔阵列结构内沉积金属材料。
进一步的，在本具体实施例中，采用电子束蒸镀方法在孔阵列结构内沉积金属材料的具体工艺参数包括：真空度为6.0E-4～8.0E-4Pa，不升温蒸镀金属Cr，厚度为0.5μm～1μm，在本具体实施例中，得到的模板的柱状结构的直径尺寸范围约为1μm～5μm，能够制备MiniLED或MicroLED。
在本具体实施例中，采用电子束蒸镀方法在孔阵列结构内沉积金属材料的具体工艺参数包括：真空度为7.0E-4Pa，不升温蒸镀金属Cr，厚度为0.75μm，得到的模板的柱状结构的直径尺寸范围约为1μm～5μm，能够制备MiniLED或MicroLED。
步骤S2：参考图4，提供外延片20，在外延片20上形成第一光刻胶层30，用模板10压印第一光刻胶层30，使模板10的柱状结构12在第一光刻胶层30内压印出孔结构，刻蚀孔结构深至外延片20，得到图案化的第一光刻胶层31，如图5所示。
在一具体实施例中，外延片20为红光AlGaInP LED外延片20，当然，外延片20也可以为其它材料，例如氮化镓、铟化镓等，外延片20还可以包括衬底层21，衬底层21可以为蓝宝石层、砷化镓层、硅衬底层或氮化镓层等。
在本具体实施例中，外延片20包括衬底层21和依次层叠于衬底层21上的N型层22、多量子肼有源层23和P型层24。具体的，衬底层21为砷化镓，N型层22为N型AlGaInP层，P型层24为P型GaP层。
在一具体实施例中，用模板10压印第一光刻胶层30之前，第一光刻胶层30为半固化的第一光刻胶层，用模板10压印第一光刻胶层30之后，使半固化的第一光刻胶层完全固化。半固化的第一光刻胶层具有一定的形状，使模板压印后形成孔结构，使第一光刻胶层完全固化则提高了第一光刻胶层的硬度，避免孔结构的形状改变，以更加精准的将模板10的图案转移到第一光刻胶层30上。
半固化的第一光刻胶层的形成过程为：采用旋涂、喷涂等方式在外延片上形成第一光刻胶浆料层，对第一光刻浆料层进行第一次加热，基本完全去除第一光刻胶浆料中的溶剂，溶剂的去除率为90％～100％，得到半固化的第一光刻胶层。在本过程中，第一次加热基本完全去除溶剂，避免图案化的第一光刻胶层在使半固化的第一光刻胶层完全固化的过程中形状因溶剂挥发而收缩，导致图案转移误差。
使半固化的第一光刻胶层完全固化的过程为：对半固化的第一光刻胶层进行第二次加热，使半固化的第一光刻胶层完全固化。
第二次加热的温度大于第一次加热的温度，第一次加热的温度大于溶剂的挥发温度，且小于光刻胶的固化温度，第二次加热的温度大于光刻胶的固化温度。
进一步的，在一具体实施例中，第一光刻胶浆料层为粘度为50mPa·s的AMONIL光刻胶，第一光刻胶浆料层的厚度为0.1μm～10μm，更优选的为0.5μm～1μm，第一次加热的温度为90～110℃，时间为90s～120s，能够使第一光刻胶浆料层中的溶剂几乎完全被去除，得到半固化的第一光刻胶层。
第二次加热的温度为110～130℃，时间为120s～150s，使半固化的第一光刻胶层完全固化。
刻蚀孔结构深至外延片20时，可以采用O2等离子体刻蚀去除压印后孔结构内的残胶。
步骤S3：参考图6，以图案化的第一光刻胶层31为掩模，在孔结构内沉积第一填充物，去除图案化的第一光刻胶层31，在外延片20上形成多个第一填充物的柱结构，第一填充物为第一金属层41或介质层42。
步骤S4：参考图7，在相邻第一填充物的柱结构的空隙内沉积第二填充物，形成填充结构，第二填充物为介质层42或第一金属层41。
在步骤S3和S4中，可以先形成第一金属层41，也可以先形成介质层42。第一金属层41属于ODR结构40中的金属层的一部分，主要用于电连接外延片20的P型层。介质层42也属于ODR结构40的一部分，介质层42的折射率小于金属层的折射率，由外延片20发射的光线在介质层42与金属层的界面处发生全反射，从而提高外量子效率。
第一金属层41可以为一层结构或两层以上层叠结构，每层第一金属层41的材料可以为钛、铝、镍或银等。
可以采用电子束蒸镀或溅射的方法形成第一金属层41。
进一步的，在本具体实施例中，采用电子束蒸镀方法在孔阵列结构内沉积第一金属层41的具体工艺参数包括：真空度2.5*E-4Pa，200度烘烤20分钟，降温至130度保持蒸发，蒸发金属Ni
以及Ag
介质层42的材料可以为SiO2或Si3N4等。
可以采用PECVD方形或ALD方法形成介质层42。
进一步的，在本具体实施例中，采用PECVD方法在孔阵列结构内沉积介质层42的具体工艺参数包括：气源为SiH4和N2O的混合气体，SiH4的流速为3sccm～8sccm，N2O的流速为650sccm～750sccm，反应腔的工作压力为700mTorr～800mTorr，功率为10W～30W。在本具体实施例中，具体的，SiH4的流速为5sccm，N2O的流速为710sccm，反应腔压力为750mTorr，功率为20W。
在本申请中，以制备倒装LED芯片结构为例，因此，在形成第二金属层43之前，还包括N电极50的制备，具体包括以下过程：
步骤S5：参考图8，以步骤S4形成的介质层42和第一金属层41为掩模，刻蚀外延片20直至N型层21内部，作为N电极50的台面51。
步骤S6：参考图9，在第一填充物的柱结构和第二填充物的顶面以及在N电极50的台面51上形成第二金属层43，在第一填充物的柱结构和第二填充物的顶面的第二金属层43与第一金属层41相连接。
在第一填充物的柱结构和第二填充物的顶面的第二金属层43和第一金属层41共同构成金属层，其与外延片20的P型层24接触，用于连通外延片20的P型层24，作为P电极。
在N电极50的台面上51形成的第二金属层43作为N电极50，其与外延片20的N型层22相连接。
第二金属层43层数及材料可以和第一金属层41相同，也可以不同。
第二金属层43也可以为一层结构或两层以上层叠结构，每层第二金属层43的材料可以为钛、铝、铂、金、镍或银等。
在一具体实施例中，可以采用电子束蒸镀的方法形成第二金属层43。
进一步的，在本具体实施例中，采用电子束蒸镀或溅射的方法形成第二金属层43的具体工艺参数包括：真空度7.0E-4Pa，130℃烘烤20分钟，保持蒸发，依次蒸发金属Ti、Al、Ti、Au层，厚度分别为20nm/100nm/20nm/50nm。
至此，ODR结构40形成，其包括设置于外延片上的由多个孔结构构成的介质层42、设置于孔结构之内的第一金属层41以及设置于介质层42和第一金属层41上的第二金属层43，第一金属层41和第二金属层43相连接。
相较于传统的DBR(分布布拉格反射镜)结构，ODR结构40的最大优势在于对入射角几乎没有特殊要求，反射率随入射角的变化波动不大，在85°以内的入射光都能被有效的反射。
步骤S7：参考图10，在步骤S6得到的样品表面形成钝化层60，并在键合电极70的位置处开孔，键合电极70用于与驱动基板键合时进行电性连接，在本具体实施例中，键合电极70为金属In。
可以通过PECVD或ALD(Atomic layer deposition，即原子层沉积)方法形成钝化层，钝化层的材料可以为二氧化硅、氮化硅或氧化铝等。
步骤S8：参考图10，在钝化层的开孔处形成键合电极70。
可以采用磁控溅射方法沉积键合电极70，键合电极70的材料可以为In等。
步骤S9：参考图11，去除衬底层21。
可以通过激光剥离、机械研磨、化学腐蚀或上述任何结合的方法去除衬底层21甚至缓冲层，漏出N型层22。
步骤S10：参考图11，粗化N型层22的表面，得到粗化的出光面80，减少光的全反射，提高光提取效率。
具体的，在本步骤中，利用粗化液冰乙酸对N型层22表面进行粗化，使其形成六角锥形状，减少光的全反射，提高光提取效率。
步骤S11：参考图12，钝化出光面，得到本发明的LED芯片结构。
具体的，在本步骤中，可以使用PECVD或ALD方法形成钝化层60，钝化层60的材质可以是氧化硅、氮化硅或氧化铝等。
综上，本发明通过采用模板压印的方法制备LED芯片结构，能够避免曝光和显影带来的尺寸限制，提高不同批次生产的产品结构的一致性，提高成品率，且模板可以反复使用，降低生产成本。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种LED芯片结构的制备方法，其特征在于，包括以下过程：
提供模板，所述模板包括基底和形成于所述基底上的多个柱状结构；
提供外延片，在所述外延片上形成第一光刻胶层，用所述模板压印所述第一光刻胶层，使所述模板的所述柱状结构在所述第一光刻胶层内压印出孔结构，使所述孔结构深至所述外延片，得到图案化的第一光刻胶层；
以所述图案化的第一光刻胶层为掩模，在所述孔结构内沉积第一填充物，去除所述图案化的第一光刻胶层，在所述外延片上形成多个柱结构；
在多个所述柱结构的空隙内沉积第二填充物，形成填充结构，所述柱结构和所述填充结构分别形成介质层和第一金属层，所述第一填充物和所述第二填充物相应的分别为所述介质层的材料和所述第一金属层的材料；以及
在所述柱结构和所述填充结构的顶面形成第二金属层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，用所述模板压印所述第一光刻胶层之前，所述第一光刻胶层为半固化的第一光刻胶层，所述半固化的第一光刻胶层中的溶剂被去除，所述溶剂的去除率为90％～100％，用所述模板压印所述第一光刻胶层之后，使所述半固化的第一光刻胶层完全固化。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述半固化的第一光刻胶层的形成过程为：在所述外延片上形成第一光刻胶浆料层，对所述第一光刻浆料层进行第一次加热，去除所述第一光刻胶浆料层中的所述溶剂，所述溶剂的去除率为90％～100％，得到所述半固化的第一光刻胶层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一光刻胶浆料层为AMONIL光刻胶，所述AMONIL光刻胶的粘度为50mPa·s，所述第一光刻胶浆料层的厚度为0.1μm～10μm，所述第一次加热的温度为90℃～110℃，时间为90s～120s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述使所述半固化的第一光刻胶层完全固化的过程为：对所述半固化的第一光刻胶层进行第二次加热，使所述半固化的第一光刻胶层完全固化。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第二次加热的温度为110℃～130℃，时间为120s～150s。
7.根据权利要求1～6中任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述模板的制备方法，包括以下过程：
提供所述基底，在所述基底上依次形成掩模层和第二光刻胶层；
对所述第二光刻胶层进行曝光和显影，得到图案化的第二光刻胶层；
以所述图案化的第二光刻胶层为掩模刻蚀所述掩模层，在所述掩模层中形成孔阵列结构，得到图案化的掩模层；
以所述图案化的第二光刻胶层和所述图案化的掩模层为掩模，在所述孔阵列结构内沉积所述柱状结构的材料，去除所述图案化的第二光刻胶层和所述图案化的掩模层，得到所述模板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述第二光刻胶层包括形成于所述掩模层上的HMDS增粘剂层和形成于所述HMDS增粘剂层上的SU-8电子束光刻胶层；
形成所述掩模层的方法为PECVD方法；
刻蚀所述掩模层的方法为ICP方法或RIE方法；
沉积所述柱状结构的材料的方法为电子束蒸镀方法或溅射方法；
所述掩模层的材料为二氧化硅或氮化硅；
所述柱状结构的材料为金属。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
形成所述第一金属层的方法为电子束蒸镀方法或溅射方法；
形成所述第二金属层的方法为电子束蒸镀方法或溅射方法；
形成所述介质层的方法为PECVD方法或ALD方法。
所述第一金属层为一层结构或两层以上层叠结构，每层所述第一金属层的材料为钛、铝、镍或银；
所述第二金属层为一层结构或两层以上层叠结构，每层所述第二金属层的材料为钛、铝、金、铂、镍或银；
所述介质层的材料为SiO2或Si3N4。
10.一种由权利要求1～9中任意一项所述的制备方法制得的LED芯片结构。
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