CN116759498B - 一种红光micro LED芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种红光micro LED芯片及其制作方法，包括在第一GaAs基板上生长外延结构；将其与第二GaAs基板键合在一起；在第二GaAs基板表面沉积保护层，去除第一GaAs基板；进行LED芯片前段工艺；使用临时键合胶覆盖wafer表面，将wafer与临时基板粘结在一起；去除保护层，去除第二GaAs基板和键合层；剥离芯粒，完成制作。本发明通过在红光micro LED芯片制作过程中引入GaAs基板作为制程中间基板，方便去除，同时将临时键合胶键合在透明临时基板上，适合LLO工艺或者热滑移等解键合工艺，解决了红光micro LED芯片外延层转移的难点，良率高，成本低，对巨量转移工艺友好。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，具体是涉及一种红光micro LED芯片及其制作方法。
背景技术
Micro LED是一种薄膜LED芯片，为了适应巨量转移等工艺需求，在使用的时候，不能够像常规LED那样，带有原始的外延基板。通常情况下，红光LED的外延结构，是使用MOCVD（金属有机化合物气相沉淀技术）技术生长在GaAs基板上，在此基础上可以制作LED芯片。但是micro LED芯片需要进行外延层剥离，而蓝绿LED由于是使用透明的蓝宝石基板，适用于激光剥离（LLO）工艺，蓝宝石是透明材料，激光可以穿透蓝宝石，直接聚焦在GaN牺牲层上，所以蓝绿LED的外延层，可以通过激光烧灼牺牲层进行剥离。但是红光LED的GaAs衬底，由于材料的原因，激光不能够直接穿透GaAs衬底，所以不能直接应用LLO工艺剥离基板。
现有红光LED转移基板的常用方法是利用金属键合工艺或氧化物键合工艺，将外延层转移至另外的Si或者蓝宝石基板上，这两种方法通常应用于反极性LED芯片或红光mini LED工艺，但是无论是金属键合工艺或者是氧化物键合工艺都无法使用激光剥离，因为金属虽然可以融化，却难以气化，而SiO2同样是透明材料，目前的激光剥离也无法像蓝光LED那样，进行剥离。所以，以上两种方法都无法适用在红光micro LED芯片制造领域。另外，虽然SiO2理论上可以使用HF酸腐蚀的方式进行外延层剥离，但是在实际应用中，由于反应生成物会堆积在反应面上，阻止反应顺利进行，而反应生成物的移除，在工艺上非常麻烦。
因此，目前对于红光micro LED芯片来说，制作出无外延基板的芯片是一个难点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种红光micro LED芯片及其制作方法，该红光micro LED芯片在常规制作过程中引入GaAs基板作为制程中间基板，芯片制程结束后，方便去除，同时采用临时键合工艺，使用临时键合胶键合在一个透明临时基板上，适合LLO工艺或者热滑移等解键合工艺，解决了红光micro LED芯片外延层转移的难点，良率高，成本低，对巨量转移工艺友好。
本发明提供的一种红光micro LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：
在第一GaAs基板上倒置生长AlGaInP LED外延层结构；
将带有AlGaInP LED外延结构的外延片，与第二GaAs基板键合在一起；
在第二GaAs基板表面沉积保护层，然后使用化学溶液腐蚀去除外延生长使用的第一GaAs基板；
进行LED芯片前段工艺；具体地，包括ICP蚀刻台面、P电极制作、GaAs接触点、N电极制作、制作切割隔离道、钝化、接触孔制作、焊线电极制作等；
将完成LED前段工艺的GaAs wafer（晶圆），使用临时键合胶覆盖整个wafer表面，得到平整wafer表面；
使用临时键合工艺，将wafer表面以及一临时基板粘结在一起；
使用腐蚀液去除第二GaAs基板表面的保护层，然后使用化学溶液腐蚀去除第二GaAs基板和键合层；
剥离micro LED芯粒，完成制作。
本发明针对红光micro LED的外延层难以剥离的难点，通过在外延层的另一侧引入GaAs基板，同时在新引入的GaAs基板表面用保护层保护起来，去除外延层上原有的GaAs基板，完成外延层的转移，进行后续芯片工艺；而在完成芯片制作工艺后利用临时键合胶将芯片粘附在临时基板上，然后再去除引入的GaAs基板，此时，在临时基板上的红光microLED芯片是彼此分离的，这样就实现了红光micro LED的外延层剥离，有效的解决了红光micro LED的外延层难以剥离的问题。
进一步的，上述技术方案中，在键合前，先在外延片和第二GaAs基板上各沉积2μm-3μm的SiO2，并抛光、活化处理。
进一步的，上述技术方案中，键合的条件为：压力为14000kg-15000kg，温度为450℃，压合30min。
进一步的，上述技术方案中，所述保护层为氧化硅或氮化硅。本技术方案中，通过在引入的第二GaAs基板表面沉积一层保护层，可以有效保护第二GaAs基板在化学溶液腐蚀第一GaAs基板时不被腐蚀，具体地，保护层还可以是其它形式的不被化学溶液腐蚀的有效保护层。
进一步的，上述技术方案中，所述化学溶液为氨水和双氧水的水稀释液或磷酸和双氧水的水稀释液。化学溶液还可以是其它可以腐蚀GaAs但不腐蚀保护层的化学试剂，也可以使用机械研磨或机械研磨与化学腐蚀相结合的方式进行。
进一步的，上述技术方案中，化学溶液腐蚀第一GaAs基板时，反应直到GaInP 腐蚀截止层截止，并用盐酸或含有盐酸的稀释液漂洗，去除截止层后露出GaAs欧姆接触层。
进一步的，上述技术方案中，使用临时键合胶覆盖wafer表面时，临时键合胶在台阶最高点的厚度＞5μm。临时键合胶是一种高分子化合物，熔点低，可以使用激光剥离方案，也可以使用热滑移等方案；所以本技术方案中通过使用临时键合胶，形成的红光micro LED芯片在进行巨量转移时，可以依照实际情况进行选择。同时，将台阶最高点的厚度控制在5μm以上，方便后续进行剥离。
进一步的，上述技术方案中，所述临时基板的材料为蓝宝石、玻璃、硅片、金属中的任一种。本技术方案中将芯片转移至临时基板上，芯粒虽然是彼此分离的，但是依旧是一个wafer的状态，彼此间距是依照光刻图形排列，芯粒是整齐排列的，对于巨量转移的工艺非常友好。同时由于最后是使用临时键合胶进行二次转移，所以对于临时基板，可以选择蓝宝石、玻璃、硅片、金属等材料，并且基于临时键合的特点，临时基板可以重复使用，降低整体的生产成本。
进一步的，上述技术方案中，所述腐蚀液为氢氟酸或氟化铵。本技术方案中使用腐蚀液对第二GaAs基板表面的保护层进行正面腐蚀，去除效果好。
本发明还提供一种由上述制作方法制作的红光micro LED芯片。
本发明与现有技术相比，其有益效果有：
本发明针对红光micro LED的外延层难以剥离的难点，利用GaAs基板方便去除的特点，先在第一GaAs基板上，倒置生长外延层，然后引入第二GaAs基板，利用SiO2的键合工艺，将外延片键合至第二GaAs基板上，然后再将第二GaAs基板保护住，同时去除第一GaAs基板，完成外延层的转移，再进行芯片工艺，之后采用临时键合的方法，利用临时键合胶将完成芯片工艺的基板，粘附在一块临时透明基板上，再去除第二GaAs基板。此时，在临时透明基板上的红光micro LED芯片是彼此分离的状态，并且只有外延层，这样红光micro LED芯片在进行巨量转移时，可以依照实际情况进行选择，该制作方法有效解决了红光micro LED芯片外延层转移的难点，良率高，成本低，对巨量转移工艺友好。
附图说明
图1为本发明红光micro LED外延层的结构示意图；
图2为本发明步骤S2键合后的结构示意图；
图3为本发明步骤S3去除第一GaAs基板后的结构示意图；
图4为本发明步骤S4完成LED芯片前段工艺后的结构示意图；
图5为本发明步骤S6完成临时键合工艺后的结构示意图；
图6为本发明步骤S7完成带电极外延层转移后的结构示意图。
示意图中标号说明：
1、第一GaAs基板；2、GaAs 缓冲层；3、GaInP 腐蚀截止层；4、GaAs欧姆接触层；5、GaInP电极保护层；6、AlGaInP电流扩展层；7、第一AlInP限制层；8、第一AlGaInP波导层；9、多量子阱结构；10、第二AlGaInP波导层；11、第二AlInP限制层；12、过渡层；13、GaP窗口层；14、外延层；15、第二GaAs基板；16、键合层；17、保护层；18、P电极；19、N电极；20、钝化层；21、焊盘电极；22、临时键合胶；23、临时基板。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
请参阅图1至图6，需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
本发明的实施例提供的一种红光micro LED芯片的制作方法，所述制作方法包括：
具体包括以下步骤：
S1.在第一GaAs基板上倒置生长AlGaInP LED外延层结构。
具体地，在第一GaAs基板1上，使用MOCVD技术，依次外延生长GaAs 缓冲层2、GaInP腐蚀截止层3、GaAs欧姆接触层4、GaInP电极保护层5、AlGaInP电流扩展层6、第一AlInP限制层7、第一AlGaInP波导层8、多量子阱结构9、第二AlGaInP波导层10、第二AlInP限制层11、过渡层12、GaP窗口层13，其中红光micro LED外延层的结构示意图如图1所示。
S2.将带有AlGaInP LED外延结构的外延片，与第二GaAs基板键合在一起，其中，键合后的结构示意图如图2所示。
具体地，在外延层14上，先沉积2μm-3μm的SiO2，对SiO2进行表面抛光后，然后将外延片与第二GaAs基板15键合在一起，形成键合层16。其中，外延片表面在沉积SiO2前，进行粗化处理，粗化可以采用化学腐蚀或干法蚀刻等方法。外延片表面的SiO2抛光采用CMP（化学机械抛光）方法，表面粗糙度控制在1nm-5nm，同样第二GaAs基板无需粗化但也需要沉积SiO2并进行抛光，抛光工艺要求与外延片相同。
将抛光好的外延片与第二GaAs基板的表面进行活化处理。其中，活化处理可以是化学方式，例如KOH或H2SO4等活化处理，或者是使用等离子体或其它方式进行活化，然后进行键合。具体地，键合需要在一定温度与压力下进行，本实施例使用的压力为14000kg-15000kg，温度为450℃，压合时间为30min。
S3.在第二GaAs基板表面沉积保护层17，然后使用化学溶液腐蚀去除外延生长使用的第一GaAs基板，其中，去除第一GaAs基板后的结构示意图如图3所示。
具体地，在第二GaAs基板的一侧，沉积保护层17，保护层可以是PECVD（等离子体增强化学的气相沉积法）沉积的氧化硅或者氮化硅，也可以是其他方法形成的有效保护层。然后使用化学溶液腐蚀第一GaAs衬底，化学溶液可以是氨水+双氧水的水稀释液或者磷酸+双氧水的水稀释液等可以腐蚀GaAs但不腐蚀保护层的化学试剂，也可以使用机械研磨或机械研磨与化学腐蚀相结合的方式进行。此时第二GaAs基板上面由于存在保护层，所以不会被腐蚀。腐蚀反应直到GaInP腐蚀截止层截止，而截止层去除使用盐酸或含有盐酸的稀释液漂洗，在截止层去除后，露出GaAs欧姆接触层4。
S4.进行LED芯片前段工艺，包括ICP蚀刻台面、P电极制作、GaAs接触点、N电极制作、制作切割隔离道、钝化、接触孔制作、焊线电极制作等，其中，完成LED芯片前段工艺后的结构示意图如图4所示。
具体地，包括：
①台面制作使用ICP蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出接触区域图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出台面，且一直蚀刻至GaP窗口层，深度通常在5.5μm-6.5μm，蚀刻气体为Cl2/BCl3。
②利用负胶剥离技术，制作P电极18。首先用光刻胶作出P电极图形，然后使用电子束蒸发技术，将金属蒸发至wafer表面，再去除光刻胶，光刻胶上的金属随着光刻胶被移除，从而留下特定图形的金属作为电极。本步骤中采用负胶剥离的好处是电极图形均匀一致。其中，P电极的材料包括Au、AuZn或AuBe。
③制作GaAs接触点。首先使用光刻掩膜蚀刻技术，在GaAs表面上制作出特定的形状，然后用H3PO4：H2O2：H2O体积比为1:1:3的溶液腐蚀表面GaAs，使表面GaAs形成一个个独立的GaAs接触点。其中，腐蚀GaAs的溶液还可以使用其他的化学溶液，例如柠檬酸、硝酸、磷酸等。
④使用负胶剥离，结合电子束蒸发技术，制作N电极19。其中N电极的流程与P电极过程一致，其电极材料包括Au/AuGeNi或AuGe，N电极图形与GaAs接触点图形重合。
⑤隔离道制作使用ICP蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出隔离道图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出隔离道，一直蚀刻到键合层SiO2，其中，蚀刻气体可以为Cl2/BCl3/HBr。
⑥沉积钝化层20。使用PECVD技术沉积SiO2作为钝化层，厚度要求在15μm-20μm之间，其中，折射率控制在1.45-1.46之间。
⑦接触孔制作使用ICP蚀刻。首先利用光刻掩膜技术制作出接触孔图形，利用光刻胶作为掩膜，ICP蚀刻出接触孔，一直蚀刻到P电解和N电极。
⑧制作焊盘电极21。焊盘电极结构中可以为Ti、Al、Ni、Au等金属材料，可以是叠层或循环结构。具体地，可以利用负胶剥离技术与电子束蒸镀技术，或者是磁控溅射、电镀、化学镀等方式。
S5.将完成LED前段工艺的GaAs wafer，使用临时键合胶22覆盖整个wafer表面，得到平整wafer表面.
具体地，在wafer表面涂覆临时键合胶，临时键合胶覆盖整个wafer表面。此步骤临时键合胶需要覆盖住wafer表面的台阶，并且在涂覆临时键合胶后的wafer表面需要是一个平整的平面，同时临时键合胶在台阶最高点的厚度需要超过5μm以上，这样可以方便后续进行剥离。
S6.使用临时键合工艺，将wafer表面以及一临时基板23粘结在一起，其中，完成临时键合工艺后的结构示意图如图5所示。
具体地，选取一临时基板，作为转移基板，在其一侧涂覆临时键合胶，将涂覆有临时键合胶的wafer与临时基板粘结在一起。其中，为保证界面平整，可以施加一定的压力与温度，压力可以在200kg-250kg，温度为120℃-150℃，可根据键合胶的特性进行调整。进一步的，临时基板可以是蓝宝石、玻璃、硅片、金属等材料，根据巨量转移的实际要求，进行选择。
S7.使用腐蚀液去除第二GaAs基板表面的保护层，然后使用化学溶液腐蚀去除第二GaAs基板和键合层。
具体地，先用氢氟酸或者氟化铵腐蚀液等可以去除氧化物的溶液，去除背面的氧化物保护层，然后使用步骤S3类似的方式，去除第二GaAs基板，最后使用氢氟酸或者是氟化铵腐蚀液去除键合层。至此，完成带电极的外延层转移，其中完成带电极外延层转移后的结构示意图如图6所示。
S8.剥离micro LED芯粒，完成制作。具体地，后续可以使用激光剥离直接烧蚀键合胶层或者热滑移等技术，将micro LED芯粒完整的剥离下来，其中临时基板可以重复使用，节省生产成本。
本发明的另一实施例是提供一种红光micro LED芯片，该芯片结构与常规红光micro LED相同，其区别在于，芯片剥离前外延层已完成转移，且芯片使用激光直接剥离即可，良率更高。
综上所述，本发明通过在红光micro LED芯片的常规制作过程中引入GaAs基板作为制程中间基板，芯片制程结束后，方便去除，同时采用临时键合工艺，使用临时键合胶键合在一个透明临时基板上，适合LLO工艺或者热滑移等解键合工艺，解决了红光micro LED芯片外延层转移的难点，良率高，成本低，对巨量转移工艺友好。
最后需要强调的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1. 一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在第一GaAs基板上倒置生长AlGaInP LED外延层结构；
将带有AlGaInP LED外延结构的外延片，与第二GaAs基板键合在一起；
在第二GaAs基板表面沉积保护层，然后使用化学溶液腐蚀去除外延生长使用的第一GaAs基板；
进行LED芯片前段工艺；
将完成LED前段工艺的GaAs wafer，使用临时键合胶覆盖整个wafer表面，得到平整wafer表面；
使用临时键合工艺，将wafer表面以及一临时基板粘结在一起；
使用腐蚀液去除第二GaAs基板表面的保护层，然后使用化学溶液腐蚀去除第二GaAs基板和键合层；
剥离micro LED芯粒，完成制作；
所述保护层为氧化硅或氮化硅；
所述化学溶液为氨水和双氧水的水稀释液。
2. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，在键合前，先在外延片和第二GaAs基板上各沉积2μm-3μm的SiO2，并抛光、活化处理。
3. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，键合的条件为：压力为14000kg-15000kg，温度为450℃，压合30min。
4. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，化学溶液腐蚀第一GaAs基板时，反应直到GaInP 腐蚀截止层截止，并用盐酸或含有盐酸的稀释液漂洗，去除截止层后露出GaAs欧姆接触层。
5. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，使用临时键合胶覆盖wafer表面时，临时键合胶在台阶最高点的厚度＞5μm。
6. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，所述临时基板的材料为蓝宝石、玻璃、硅片、金属中的任一种。
7. 根据权利要求1所述的一种无外延基板红光micro LED芯片的制作方法，其特征在于，所述腐蚀液为氢氟酸或氟化铵。
8. 一种无外延基板红光micro LED芯片，其特征在于，所述无外延基板红光micro LED芯片采用如权利要求1-7任一项所述的制作方法制得。
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