CN114551494A - 微型光电子器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微型光电子器件及其制备方法，该制备方法包括在发光晶圆上形成第一接合电介质层,在第一接合电介质层与发光晶圆的第一电极对应处开设第一开孔，在第一电极上形成第一接合金属块，第一开孔围设于第一接合金属块；在驱动晶圆上形成第二接合电介质层,在第二接合电介质层与驱动晶圆的第二电极对应处开设第二开孔，在第二电极上形成第二接合金属块，第二开孔围设于第二接合金属块；将第二接合金属块和第一接合金属块直接接合以及将第二接合介电质层和第一接合介电质层直接接合使得发光单元对应接合到驱动电路上；以及，移除第一生长基体以暴露发光单元。通过以上方式，混合键合降低键合温度，还增强键合强度，并降低了工艺难度和成本。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品制造技术领域，特别是涉及一种微型光电子器件及其制备方法。
背景技术
微型发光二极管(Micro LED)是新一代的显示技术。Micro LED由微米级半导体发光单元阵列组成，是新型显示技术与发光二级管(LED)技术二者复合集成的综合性技术。其具有自发光、高效率、低功耗、高集成、高稳定性、全天候工作的优点，被认为是最具前途的下一代新型显示。与现有的LED液晶显示相比，Micro LED显示器具有更高的光电效率，更高的亮度，更高的对比度，以及更低的功耗，且还能结合柔性面板实现柔性显示。
但是，由于Micro LED芯片尺寸很小，在几十微米以下，要形成一个显示面板通常需要上万颗Micro LED芯片，在此过程中存在巨量转移的困难，这些都阻碍了Micro LED产业化的进程。现在也有直接两片晶圆整面覆金属层后相键合的方法能够避免巨量转移，但是此过程键合工艺温度一般在100～200℃，且需要使用高温400℃以上退火温度来加固电极，同时直接金属键合会引入较大的应力，使晶圆易在键合过程中受损；另外为了保证键合质量，通常使用的键合层较厚，也会增加成本，也给产业化发展带来了困难。
鉴于此，需要提供一种新的微型光电子器件及其制备方法以解决现有技术存在的缺陷。
发明内容
基于此，本发明提供一种微型光电子器件及其制备方法，通过混合键合方式，能够降低键合温度，同时还能增强键合强度，另外还能降低工艺难度和成本。
本发明提供一种微型光电子器件的制备方法，包括：
在发光晶圆上方形成第一接合电介质层,在所述第一接合电介质层与所述发光晶圆的第一电极对应处开设第一开孔，在所述第一电极上形成第一接合金属块，所述第一开孔围设于所述第一接合金属块，所述发光晶圆包括第一生长基体以及生长于所述第一生长基体且阵列配置的多个发光单元，各所述发光单元上形成一所述第一电极；
在驱动晶圆上方形成第二接合电介质层,在所述第二接合电介质层与所述驱动晶圆的第二电极对应处开设第二开孔，在所述第二电极上形成第二接合金属块，所述第二开孔围设于所述第二接合金属块，所述驱动晶圆包括成第二生长基体以及生长于所述第二生长基体且与所述发光单元一一对应的多个驱动电路，各所述驱动电路上形成一所述第二电极；
通过将所述第二接合金属块和所述第一接合金属块直接接合以及将所述第二接合介电质层和所述第一接合介电质层直接接合使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上；
以及，移除所述第一生长基体以暴露所述发光单元。
优选的，所述第二接合电介质层和所述第一接合电介质层包括双苯环丁烯、酚醛树脂、丙烯酸、聚氨酯中的一种材料制得。
优选的，所述第二接合电介质层和所述第一接合电介质层为光敏型聚酰亚胺材料制得。
优选的，所述使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上，之前还包括等离子活化所述第一接合电介质层、所述第二接合电介质层、所述第一接合金属块和所述第二接合金属块的表面。
优选的，所述使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上，还包括将所述发光晶圆和所述驱动晶圆进行面对面对位后，在温度为200℃-250℃，压力为250-300KN，处理2-3h以将所述发光单元接合到所述驱动电路上。
优选的，所述第二接合金属块和所述第一接合金属块包括Au、Sn、In、Cu中的至少一种材料制得。
优选的，所述第二接合金属块和所述第一接合金属块还包括Ti、TiW、Ta、TaN中的至少一种材料制得。
优选的，所述第一接合金属块自所述第一电极朝向远离所述发光晶圆一侧逐渐收缩；和/或，所述第二接合金属块自所述第二电极朝向远离所述驱动晶圆一侧逐渐收缩。
优选的，所述第一接合金属块伸出所述第一开孔，所述第二接合金属块在所述第二开孔内；
和/或，所述第二接合金属块伸出所述第二开孔，所述第一接合金属块在所述第一开孔内。
本发明还提供一种微型光电子器件，通过以上任一所述制备方法制得。
本发明的有益效果在于提供了一种微型光电子器件及其制备方法，该制备方法包括在发光晶圆上方形成第一接合电介质层,在第一接合电介质层与发光晶圆的第一电极对应处开设第一开孔，在第一电极上形成第一接合金属块，第一开孔围设于第一接合金属块；在驱动晶圆上方形成第二接合电介质层,在第二接合电介质层与驱动晶圆的第二电极对应处开设第二开孔，在第二电极上形成第二接合金属块，第二开孔围设于第二接合金属块；通过将第二接合金属块和第一接合金属块直接接合以及将第二接合介电质层和第一接合介电质层直接接合使得发光单元对应接合到驱动电路上；以及，移除第一生长基体以暴露发光单元。通过以上方式，混合键合能够降低键合温度，同时还能增强键合强度，另外还能降低工艺难度和成本。
附图说明
图1为本发明实施例微型光电子器件结构示意图；
图2-12为本发明实施例微型光电子器件的制备方法工艺流程图；
附图中各标号的含义为：
100-微型光电子器件；1-发光晶圆；11-第一生长基体；12-发光单元；13-第一电极；2-第一接合电介质层；21-第一开孔；3-第一接合金属块；4-驱动晶圆；41-第二生长基体；42-驱动电路；43-第二电极；5-第二接合电介质层；51-第二开孔；6-第二接合金属块。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1所示，其为本发明实施例的微型光电子器件100的结构示意图。微型光电子器件100包括第二生长基体41、若干驱动电路42以及与若干驱动电路42对应设置的若干发光单元12。发光单元12设有若干第一电极13，第一电极13包括各发光单元12设置的一P电极，以及所有发光单元12共用的一N电极。驱动电路42上设有与第一电极13对应的若干第二电极43，第一电极13和第二电极43之间通过接合金属块键合连接，且发光单元12之间的非电极处通过接合电介质层填充，并且接合电介质层与发光单元12远离第二生长基体41一侧齐平，并且发光单元12上的第一生长基体11被剥离。接合金属块包括设于第一电极13上的第一接合金属块6和设于第二电极43上的第二接合金属块6。可选的，接合金属块的材料包括但不限于Au、Sn、In、Cu中的至少一种制得，优选Cu。可选的，接合金属块的材料还包括不限于Ti、TiW、Ta、TaN中的至少一种，用以防止前面金属的迁移。接合电介质层包括设于第一生长基体11上的第一接合电介质层2以及设于第二生长基体41上的第二接合电介质层5。可选的，接合电介质层的材料包括但不限于双苯环丁烯、酚醛树脂、丙烯酸、聚氨酯、硅晶圆中的至少一种；优选为光敏型聚酰亚胺材料制得。
如图2至图12所示，其为本发明实施例的微型光电子器件100的制备方法步骤。
该微型光电子器件100的制备方法，包括步骤：
步骤S100，在发光晶圆1上方形成第一接合电介质层2,在第一接合电介质层2与发光晶圆1的第一电极13对应处开设第一开孔21，在第一电极13上形成第一接合金属块6，第一开孔21围设于第一接合金属块6。
本发明的发光晶圆1包括第一生长基体11以及生长于第一生长基体11且阵列配置的多个发光单元12，各发光单元12上形成一第一电极13。具体的，以micro led为例，第一生长基体11包括但不限于蓝宝石(Al2O3)、尖晶石(MgAl2O4)绝缘性且可供发光单元12的磊晶结构生长材料，若干发光单元12由磊晶结构图像化后形成。本发明实施例的发光晶圆1包括多个P电极和一个共同的N电极，具体的，发光晶圆1每个发光单元12对应一个电极，这里即P电极，而N电极即包围着所有发光单元12，所有的发光单元12共用一个N电极。
另外，第一接合电介质层2的材料包括但不限于双苯环丁烯、酚醛树脂、丙烯酸、聚氨酯、硅晶圆中的至少一种；优选为光敏型聚酰亚胺材料制得，光敏型聚酰亚胺材料不仅作为光刻胶还具有良好的绝缘性和粘附性，能够增强键合力并降低金属键合温度。第一接合金属块6的材料包括但不限于Au、Sn、In、Cu中的至少一种制得，优选Cu。可选的，第一接合金属块6的材料还包括不限于Ti、TiW、Ta、TaN中的至少一种，用以防止前面金属的迁移。
步骤S200，在驱动晶圆4上方形成第二接合电介质层5,在第二接合电介质层5与驱动晶圆4的第二电极43对应处开设第二开孔51，在第二电极43上形成第二接合金属块6，第二开孔51围设于第二接合金属块6。
本发明的驱动晶圆4为CMO驱动，包括成第二生长基体41以及生长于第二生长基体41且与发光单元12一一对应的多个驱动电路42，各驱动电路42上形成一第二电极43。为了与发光晶圆1相键合，驱动电路42的电极设置与发光晶圆1相同且对应。第二生长基底可以为玻璃衬底、柔性聚酰亚胺或派瑞林衬底。
另外，在本发明实施例中，第二接合电介质层5选择与第一接合电介质层2相同材料，第二接合金属块6可选择与第一接合金属块6相同或不同材料。并且同样的，第二接合电介质层5的材料包括但不限于双苯环丁烯、酚醛树脂、丙烯酸、聚氨酯中的一种；优选为光敏型聚酰亚胺材料制得。第二接合金属块6的材料包括但不限于Au、Sn、In、Cu中的至少一种制得，优选Cu。可选的，第二接合金属块6的材料还包括不限于Ti、TiW、Ta、TaN中的至少一种，用以防止前面金属的迁移。
步骤S300，通过将第二接合金属块6和第一接合金属块6直接接合以及将第二接合介电质层和第一接合介电质层直接接合使得发光单元12对应接合到驱动电路42上。
将步骤S100和S200面对面对位匹配，利用第二接合介电质层与第一接合介电质层的键合可以降低第二接合金属块6和第一接合金属块6之间的键合温度，并增强电极之间的键合强度。
步骤S400，移除第一生长基体11以暴露发光单元12。
可选的，采用激光剥离或者湿法腐蚀或者机械切削的方法去除第一生长基体11。
在一个可选的实施方式中，第一接合金属块6自第一电极13朝向远离发光晶圆1一侧逐渐收缩，和/或，第二接合金属块6自第二电极43朝向远离驱动晶圆4一侧逐渐收缩，总而言之，第一接合金属块6和第二接合金属块6之中至少有一个形状符合，可以使得金属块在接合一侧面积小，有利于第一接合金属块6和第二接合金属块6的键合。可选的，第一接合金属块6伸出第一开孔21，即第一接合金属块6的高度要高于第一接合电介质层2，第二接合金属块6在第二开孔51内即第二接合金属块6的高度要低于第二接合电介质层5；和/或，第二接合金属块6伸出第二开孔51，第一接合金属块6在第一开孔21内。总之，保持一个伸出孔，另一个在孔内，有利于后续键合。
在一个可选的实施方式中，在步骤S300之前还包括步骤S310，采用等离子活化方法分别活化第一接合电介质层2、第二接合电介质层5、第一接合金属块6和第二接合金属块6的表面。
在一个可选的实施方式中，在步骤S300中还包括步骤S320，将发光晶圆1和驱动晶圆4进行面对面对位后，在温度为200℃-250℃，压力为250-300KN，处理2-3h以将发光单元12接合到驱动电路42上。
通过以上方法，第一接合电介质层2和第二接合电介质层5属于黏合剂的键合，第一接合金属块6和第二接合金属块6为金属共晶键合，这两种混合键合，即将有机黏合剂置于两晶圆表面之间，后经固化处理形成具有一定键合强度的中间层，从而使两晶圆紧密贴合，金属键合在一定键合温度及压力下，会转变成液态并在键合界面发生固－液扩散，进而形成一种或多种金属间化合物的稳定电气互连结构，能够大大减小键合温度。再加上等离子活化结合湿法化学处理能有效地将退火温度降低至150～300℃而得到高强度的键合。
实施例
步骤S1，对外延片图形化后的Micro LED蓝宝石基底进行纯水清洗，清洗后进行脱水烘烤。对Micro LED蓝宝石基底膜层面进行光敏型聚酰亚胺旋涂1.5um，然后依次进行真空低压干燥0-5pa/110±10℃/120s，365nm波长紫外光曝光80-100mj/cm2，2.38％四甲基氢氧化胺溶液显影60-90s，超纯水清洗30s，热固化250℃/3600s，将蓝宝石电极区域以及切割道上方聚酰亚胺膜开孔。采用磁控溅射法对Micro LED蓝宝石基底进行依次溅射
钛作为键合金属阻挡层，
铜、
锡作为键合金属层。
步骤S2，对Micro LED蓝宝石基底进行Ti/Cu/Sn层进行图形化工艺，依次进行超纯水清洗30s，旋涂正型光刻胶1.3-1.5um，热板烘烤90±10℃/120s，365nm波长紫外光曝光60-90mj/cm2，2.38％四甲基氢氧化胺溶液显影60-90s，超纯水清洗30s并甩干，后烘90±10℃/150s，最终LED P/N型顶部电极上方保留光刻胶图形，其他位置光刻胶皆显影去除。
步骤S3，对Micro LED蓝宝石基底蓝宝石采用湿法刻蚀法对Ti/Cu/Sn复合金属层图形化，使用双氧水基(8-12％双氧水和硫酸混合液作主氧化剂、5-10％柠檬酸作辅助氧化剂、0.01～5％乙二胺四乙酸作螯合剂，0.01～5％苯基脲作为稳定剂、5-10％磷酸氢二铵作为无机盐、其余为去离子水)蚀刻液作为Ti/Cu/Sn复合金属结构湿法蚀刻液，蚀刻液持续喷淋基底30-80s后再进行超纯水清洗30s并甩干，将未被光刻胶保护区域的钛铜膜层去除。
步骤S4，采用RIE等离子体灰化工艺去除基底上正型光刻胶，通入氧气1LPM，放电功率200W，反应时间80-120s，同时对蓝宝石基底上裸露聚酰亚胺及铜/锡层进行活化。
步骤S5，对驱动背板衬底膜层面进行超纯水清洗后，依次进行光敏型聚酰亚胺旋涂1.5um，真空低压干燥0～5pa/110±10℃/120s，365nm波长紫外光曝光80-100mj/cm2，2.38％四甲基氢氧化胺溶液显影60-90s，超纯水清洗30s，热固化250℃/3600s，将驱动背板衬底像素电极、Pad区域以及切割道上方聚酰亚胺膜开孔。采用磁控溅射法对驱动背板衬底进行依次溅射
钛作为键合金属阻挡层，
铜、
锡作为键合金属层。
步骤S6，同样对驱动背板衬底Ti/Cu/Sn键合金属层上进行图形化工艺，依次进行超纯水清洗30s，旋涂正型光刻胶1.3-1.5um，热板烘烤90±10℃/120s，365nm波长紫外光曝光60-90mj/cm2,2.38％四甲基氢氧化胺溶液显影60-90s，超纯水清洗30s并甩干，后烘90±10℃/150s，最终驱动背板衬底顶部电极及Pad上方保留光刻胶图形，其他位置光刻胶皆显影去除。
步骤S7，对驱动背板衬底顶层钛/铜复合结构同样采用双氧水基蚀刻液进行湿法刻蚀，蚀刻液持续喷淋驱动背板衬底30-80s后再进行超纯水清洗30s并甩干，将未被光刻胶保护区域的钛铜膜层去除。
步骤S8，采用RIE等离子体灰化去除基底上正型光刻胶，通入氧气氩气混合气1LPM，放电功率200W，反应时间80-120s，同时对驱动背板衬底上裸露聚酰亚胺及铜/锡层进行表面活化。
步骤S9，将表面活化后对的Micro LED蓝宝石基底及驱动背板衬底进行超纯水清洗30s，然后将两片晶圆进行面对面对位键合，键合温度250℃，键合压力250KN，键合时间7200s。
步骤S10，对键合后蓝宝石背面采用激光剥离技术将激光光束聚焦照射至氮化镓缓冲层，将氮化镓结构分解为氮气及金属镓离子，然后使用稀盐酸清洗蓝宝石晶圆去除残留镓离子。对键合后晶圆进行200℃/2H退火处理。对剥离蓝宝石基底的键合晶圆采用PECVD工艺将LED区域顶层沉积
SIO2。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。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)
1.一种微型光电子器件的制备方法，其特征在于，包括：
在发光晶圆上方形成第一接合电介质层,在所述第一接合电介质层与所述发光晶圆的第一电极对应处开设第一开孔，在所述第一电极上形成第一接合金属块，所述第一开孔围设于所述第一接合金属块，所述发光晶圆包括第一生长基体以及生长于所述第一生长基体且阵列配置的多个发光单元，各所述发光单元上形成一所述第一电极；
在驱动晶圆上方形成第二接合电介质层,在所述第二接合电介质层与所述驱动晶圆的第二电极对应处开设第二开孔，在所述第二电极上形成第二接合金属块，所述第二开孔围设于所述第二接合金属块，所述驱动晶圆包括成第二生长基体以及生长于所述第二生长基体且与所述发光单元一一对应的多个驱动电路，各所述驱动电路上形成一所述第二电极；
通过将所述第二接合金属块和所述第一接合金属块直接接合以及将所述第二接合介电质层和所述第一接合介电质层直接接合使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上；
以及，移除所述第一生长基体以暴露所述发光单元。
2.如权利要求1所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第二接合电介质层和所述第一接合电介质层包括双苯环丁烯、酚醛树脂、丙烯酸、聚氨酯中的一种材料制得。
3.如权利要求2所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第二接合电介质层和所述第一接合电介质层为光敏型聚酰亚胺材料制得。
4.如权利要求1所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上，之前还包括等离子活化所述第一接合电介质层、所述第二接合电介质层、所述第一接合金属块和所述第二接合金属块的表面。
5.如权利要求4所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述使得所述发光单元对应接合到所述驱动电路上，还包括将所述发光晶圆和所述驱动晶圆进行面对面对位后，在温度为200℃-250℃，压力为250-300KN，处理2-3h以将所述发光单元接合到所述驱动电路上。
6.如权利要求1所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第二接合金属块和所述第一接合金属块包括Au、Sn、In、Cu中的至少一种材料制得。
7.如权利要求4所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第二接合金属块和所述第一接合金属块还包括Ti、TiW、Ta、TaN中的至少一种材料制得。
8.如权利要求1所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一接合金属块自所述第一电极朝向远离所述发光晶圆一侧逐渐收缩；和/或，所述第二接合金属块自所述第二电极朝向远离所述驱动晶圆一侧逐渐收缩。
9.如权利要求1所述微型光电子器件的制备方法，其特征在于，所述第一接合金属块伸出所述第一开孔，所述第二接合金属块在所述第二开孔内；
和/或，所述第二接合金属块伸出所述第二开孔，所述第一接合金属块在所述第一开孔内。
10.一种微型光电子器件，其特征在于，通过权利要求1-9任一所述制备方法制得。
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| CN202210187978.8A CN114551494A (zh) | 2022-02-28 | 2022-02-28 | 微型光电子器件及其制备方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115295575A (zh) * | 2022-09-01 | 2022-11-04 | 上海大学 | 一种高分辨率Micro LED显示基板及其制备方法 |
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- 2022-02-28 CN CN202210187978.8A patent/CN114551494A/zh active Pending
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