TW202036931A - 微發光元件、微發光二極體及微發光二極體轉移方法 - Google Patents

微發光元件、微發光二極體及微發光二極體轉移方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供了一種微發光元件包含基架，包括柱狀結構；至少一個微發光二極體，微發光二極體通過柱狀結構而與基架連接，微發光二極體由柱狀結構提供支撐；柱狀結構與微發光二極體連接的一端位於微發光二極體表面的凹槽內，該微發光元件在轉移過程中，減少或者消除微發光二極體上柱狀結構斷裂殘留，避免工藝殘留物過高影響後續微發光二極體共晶到電路板。

Description

微發光元件、微發光二極體及微發光二極體轉移方法
本發明是有關於一種半導體製造領域，特別是指一種微發光元件、微發光二極體，及微發光二極體轉移方法。
微型發光二極體(Micro LED)是目前熱門研究的下一代顯示器的光源。微型發光二極體顯示器具有低功率消耗、高亮度、超高解析度、超高色彩飽和度、回應速度快、能耗低，及壽命長等優點。此外，微型發光二極體顯示器的功率消耗量約為液晶顯示器(LCD)的10%或有機發光二極體顯示器(OLED)的50%。而與同樣是自發光的OLED相比較，亮度高了30倍，且解析度可以達到1500PPI(像素密度，Pixels Per Inch)。微型發光二極體顯示器的的這些明顯的優勢，使得它有望取代現在的OLED和LCD，成為下一代的顯示器。微型發光二極體目前還無法量產，是因為目前還有許多技術難題需要克服，其中一個重要的技術難題就是如何提高轉印良率。
例如天津三安光電有限公司的專利申請（公開號：CN107681034A）中提及的微發光製作技術，利用熱固性材料製作支撐柱支撐芯粒，使器件置於待拾取狀態，而在該案提供的器件基礎上通過壓模壓印方式巨量轉移芯粒。
參看圖1和圖2，雖然該案工藝製作的器件可以用來對倒裝型微發光二極體100進行巨量轉移，但利用壓模壓印200對該器件進行壓印的過程中，由於熱固性材料製作的支撐柱310對微發光二極體100的粘附力大於支撐柱310內部本身的斷裂強度，支撐柱310在粘附力的外加載荷作用下，應力達到支撐柱310材料的斷裂強度而產生斷裂。該斷裂位置難以掌控，殘餘的支撐柱311附著在微發光二極體100表面，在一些情況下，該殘餘的支撐柱311高度高於微發光二極體100電極的高度，殘留高度太高就無法完成後續微發光二極體100的固晶工藝，嚴重影響了固晶工藝的良率。
因此，本發明的第一目的，即在提供一種可以大幅減少在微發光二極體表面的支撐柱殘留的微發光元件。
於是，本發明微發光元件包含基架，包括柱狀結構；至少一個微發光二極體，在一些情況下可以由一系列微發光二極體組成陣列排布，微發光二極體通過柱狀結構而與基架連接，微發光二極體由柱狀結構提供支撐；柱狀結構與微發光二極體連接的一端位於微發光二極體表面的凹槽內，柱狀結構的材料為高分子聚合物。
本發明的第二目的，即在提供一種微發光二極體。該微發光二極體為上述微發光元件為待拾取狀態下的器件，且對該器件進行壓模壓印拾取轉移微發光元件而得。
本發明微發光二極體，包含發光外延層，具有N型層、P型層和兩者之間的發光層；N型電極，與N型層連接；P型電極，與P型層連接；微發光二極體具有相對應的第一表面和第二表面，第一表面具有凹槽，凹槽用於容置一柱狀結構，一方面供該柱狀結構向微發光二極體傳遞支撐力，一方面提供與柱狀結構的粘附力，凹槽為第一中間層構成；第一中間層對高分子聚合物的粘合力大於高分子聚合物對發光外延層的粘合力。
本發明的第三目的，即在提供一種用於巨量轉移微發光二極體的工藝方法。
本發明巨量微發光二極體轉移方法，包含以下步驟：步驟1，提供襯底，襯底上陣列式間隔排布有複數顆微發光二極體，在微發光二極體的表面及其之間裸露的襯底表面製作第一中間層；步驟2，在微發光二極體表面先沉積上犧牲材料，然後在犧牲材料和第一中間層上製作凹槽；步驟3，在犧牲材料上和第一中間層中的凹槽內製作第二中間層；步驟4，在第二中間層上製作支撐層；步驟5，提供一鍵合基架；步驟6，將鍵合基架和支撐層鍵合；步驟7，剝離襯底，裸露出微發光二極體和第一中間層；步驟8，依次去除裸露的第一中間層和犧牲材料。
本發明的功效在於：在轉移過程中，減少或者消除微發光二極體上柱狀結構斷裂殘留，避免工藝殘留物過高影響後續微發光二極體共晶到電路板。
本發明的其它特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而瞭解。本發明的目的和其他優點可通過在說明書、申請專利範圍以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
應當理解，本發明所使用的術語僅出於描述具體實施方式的目的，而不是旨在限制本發明。進一步理解，當在本發明中使用術語“包含”、"包括"時，用於表明陳述的特徵、整體、步驟、元件、和/或的存在，而不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、元件、和/或它們的組合的存在或增加。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參看圖3，在本發明的實施例一中，提供一種微發光元件。該微發光元件包含具有穩固作用的基架，在本實施例中基架作為一個整體由藍寶石晶片320和旋塗的高分子聚合物構成，藍寶石晶片320也可以用玻璃和矽襯底替代，高分子聚合物作為支撐層330，例如由BCB膠（苯并環丁烯）構成，基架包括由BCB膠構成的柱狀結構310；至少一個微發光二極體100，以陣列式分佈為例，微發光二極體100通過柱狀結構310而與基架連接，微發光二極體100由柱狀結構310提供支撐；柱狀結構310與微發光二極體100連接的一端位於微發光二極體100表面，該表面優選為非出光表面。
柱狀結構柱徑是一致的，例如圓柱結構。柱狀結構310的柱徑是變化的，例如柱狀結構310為柱徑上端小、下端大的凸台結構，與微發光二極體100接觸的一端的柱徑小於遠離微發光二極體100接觸的一端的柱徑，從上至下逐步變粗，該結構的優勢在於柱狀結構310與微發光二極體100的接觸面小，粘合力與接觸面積成正比，在保證柱狀結構310對微發光二極體100穩定支撐作用的前提下，降低兩者的粘合力，從上至下逐步變粗的柱狀結構310具有更強的斷裂強度，降低粘合力、增強斷裂強度降低柱狀結構310與微發光二極體100在壓模壓印作用下分離時斷裂的可能性，從而提高微發光二極體100拾取轉移的良率。
參看圖4，在本發明的實施例二中，提供一種微發光元件。該微發光元件的柱狀結構310的柱徑是變化的，且在柱狀結構310中設計應力集中區域，例如柱狀結構310具有一小面積截面，該小面積截面與其附近的截面相比具有更小的橫截面積。
具體來說，小面積截面與柱狀結構310的其他區域相比，具有更小的橫截面積，採用曲線型的柱狀結構310。該實施例中，小面積截面為柱狀結構310的應力集中面312，在壓模壓印對微發光元件中的微發光二極體100施加壓力，壓力從微發光二極體100傳導到柱狀結構310，柱狀結構310在應力集中面312斷裂，實現斷裂位置可控，應力集中面312的中心位置的高度可以設計低於電極的高度，保證斷裂後的柱狀結構低於電極的高度，保證在後續共晶鍵合工藝中殘餘的柱狀結構不干涉電極共晶。
在實施例二的一個變形實施例中，在柱狀結構310中設計應力缺陷區域，應力缺陷區域實現柱狀結構310斷裂面的可控性，例如在柱狀結構310中設計多孔結構，應力缺陷區域的中心位置的高度可以設計低於電極的高度，保證斷裂後殘餘的柱狀結構低於電極的高度，保證在後續共晶鍵合工藝中殘餘的柱狀結構不干涉電極共晶。
參看圖5，在本發明的實施例三中，在微發光二極體100與柱狀結構310之間加入第一中間層110，第一中間層110至少兼顧有過渡作用，由於微發光二極體100巨量轉移工藝中，難免涉及到蝕刻，蝕刻的化學反應會產生氣泡，氣泡對微發光二極體100產生衝擊力，以氮化鎵基微發光二極體為例，通常情況，氮化鎵與高分子聚合物的粘附性不佳，因此柱狀結構310和微發光二極體100之間的粘合需要得到充分的保障，而第一中間層110保證了微發光二極體100與柱狀結構310具有足夠的粘合力，由粘合力提供穩定的支撐，在本實施例中第一中間層110包括二氧化矽、氧化鋁或者氮化矽，高分子聚合物包括苯并環丁烯、矽膠或者紫外UV膠，相比氮化鎵，第一中間層110與高分子聚合物有更優良的粘附性。此外，第一中間層110對柱狀結構310的粘合力大於柱狀結構310對微發光二極體100的粘合力。
參看圖6，在本發明的實施例四中，在微發光二極體100與柱狀結構310之間加入第二中間層120，例如第二中間層120包括犧牲層，即在微發光二極體100與柱狀結構310之間加入犧牲層，在轉移過程中通過去除部分或者全部犧牲層，實現微發光二極體100與柱狀結構310的分離，選擇性去除工藝有助於保證微發光二極體100分離後無殘留柱狀結構，在轉移得到的微發光二極體100表面，僅殘留部分犧牲層材料或者完全無殘留，在本實施例中，犧牲層材料為光敏膠例如光阻或者紫外UV膠，也可以是二氧化矽等易於移除的材料。
本實施例中，在壓模壓印200對微發光二極體100轉移時，壓模壓印200先向下壓微發光二極體100，利用壓力產生粘附，接著利用粘附產生的吸力向上提起微發光二極體100，該吸力例如凡德瓦力。在本實施例中，第二中間層120對柱狀結構310的粘附力需小於柱狀結構310內的分子間作用力，即可保證第二中間層120與柱狀結構310脫離時，柱狀結構310內部不因為脫離時的拉力過大產生斷裂。
參看圖7，在實施例四的第一個變形實施例中，第二中間層120的表面具有孔洞結構121，該孔洞結構121減小了第二中間層120與柱狀結構310的接觸面積，從而降低第二中間層120與柱狀結構310的脫離難度。具體來說，第二中間層120具有第一表面和第二表面，其中第一表面為上表面，位於靠近微發光二極體的一側，第二表面為下表面，位於靠近柱狀結構310的一側，孔洞結構121位於第一表面和/或第二表面。
跟本實施例相近的一種設計可應用於該實施例三中，即可以將第一中間層110遠離發光外延層的表面設計為多孔表面，多孔表面用於與柱狀結構310相連接，起到同樣的降低第一中間層110與柱狀結構310粘合力的作用。
參看圖8，在實施例四的第二個變形實施例中，微發光元件既包括第一中間層110，也包括第二中間層120，第二中間層120包括跟第一中間層110粘附性較好的材料，以第一中間層110為二氧化矽製作的鈍化(passivation)保護層為例，第二中間層120選擇鉻或者鈦，第二中間層120與高分子聚合物的粘附性低於第一中間層110與高分子聚合物的粘附性，因此柱狀結構310較容易與第二中間層120脫離，脫離過程中，柱狀結構310不產生斷裂，脫離後的微發光二極體100上未見到高分子聚合物殘留。
參看圖9，在本發明的實施例五中，為了在保證無高分子聚合物殘留的前提下簡化工藝，本實施例在微發光二極體100製作凹槽101，用於承接柱狀結構310，傳遞支撐力，柱狀結構310與界定出凹槽101的凹槽面104的底面部和側面部接觸。凹槽101位於微發光二極體100的非發光面一側或者直接位於非發光面上。
本實施例五具體工藝步驟包括步驟1至步驟9。
參看圖10，步驟1，提供生長襯底130，生長襯底130通過光罩蝕刻出陣列式間隔排布的複數顆微發光二極體100，本實施例的微發光二極體100採用倒裝式結構，在微發光二極體100的表面及其之間裸露的生長襯底130表面製作第一中間層110，第一中間層110為PV保護層，材料包括二氧化矽、氧化鋁或者氮化矽。
步驟2，在微發光二極體100表面先沉積上犧牲材料140，然後在犧牲材料140和第一中間層110上製作凹槽101；在犧牲材料140和第一中間層110上凹槽101的深度為1000埃至2500埃。凹槽101的深度不宜太深，太深則粘附力過強，容易導致柱狀結構310斷裂，根據實驗結果最佳深度為1800埃至2000埃。
步驟3，在犧牲材料140和第一中間層110中的凹槽101內製作第二中間層120；該第二中間層120較薄，圖中未標出犧牲材料140上的第二中間層120，並適當放大了凹槽101內第二中間層120的厚度，第二中間層120為鉻或者鈦。
參看圖11，步驟4，在第二中間層120上製作支撐層330，例如採用高分子聚合物來形成該支撐層330，本實施例中高分子聚合物可選用BCB膠、紫外光敏膠或者光阻膠，在一些情況下，支撐層330也可以選用金屬，例如金、銦、鎳或者錫，支撐層330填充了凹槽101，形成柱狀結構310。
步驟5，提供一鍵合基架321，在鍵合基架321待鍵合的一側也旋塗上膠層(圖未示)，鍵合基架例如採用藍寶石、矽或者玻璃晶片。
步驟6，將鍵合基架321和支撐層330通過鍵合基架321的膠層鍵合。
參看圖12，步驟7，剝離生長襯底130，例如採用雷射剝離工藝，移除生長襯底130後裸露出微發光二極體100和第一中間層110。
參看圖13和圖14，步驟8，依次去除裸露的第一中間層110、犧牲材料140以及其上的第二中間層120，使微發光二極體100獨立支撐在柱狀結構310上，至少保留部分凹槽101內的第二中間層120。該保留的第二中間層120由於位於凹槽101內，在去除過程中得以保留，構成了本實施例的微發光元件。
參看圖15，步驟9，利用壓模壓印200對微發光二極體100遠離柱狀結構310的一面進行壓印，將微發光二極體100與柱狀結構310分離，拾取得微發光二極體100。
參看圖16和圖17，凹槽101內第二中間層120的高度低於微發光二極體100的P型電極102和N型電極103的高度，由於設置了凹槽101內的第二中間層120，保證了柱狀結構310與第一中間層110良好脫離，基本無柱狀結構310斷裂的情況。
參看圖18，根據實施例五製備得到微發光二極體100，包含：發光外延層，具有N型層、P型層和兩者之間的發光層，因非關鍵要素未在圖中標示；P型電極102與P型層電連接；N型電極103與N型層電連接；微發光二極體100具有相對應的第一表面和第二表面，第一表面具有凹槽101，凹槽101用於與柱狀結構310對接，柱狀結構310於凹槽101內向微發光二極體100提供支撐，以倒裝微發光二極體100為例，凹槽101與兩個電極位於同面，凹槽101位於微發光二極體100的下表面，即不位於出光面上，避免降低出光效率。
在凹槽101由第一中間層110構成，相對直接用發光外延層構成，第一中間層110具有足夠的粘合力。此外，第一中間層110對高分子聚合物的粘合力大於高分子聚合物對發光外延層的粘合力。凹槽101開口沿遠離發光外延層一側逐漸增大。
第一中間層110包括二氧化矽、氧化鋁或者氮化矽，高分子聚合物包括苯并環丁烯、矽膠或者紫外UV膠。凹槽101的槽內具有第二中間層120。第二中間層120對高分子聚合物的粘附力，小於高分子聚合物內的分子間作用力。第二中間層120的材料包括鉻或者鈦。若凹槽101內殘留有高分子聚合物，則殘留的高分子聚合物的高度也不高於P型電極102和N型電極103。
綜上所述，在轉移過程中，減少或者消除微發光二極體上柱狀結構斷裂殘留，避免工藝殘留物過高影響後續微發光二極體共晶到電路板，故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
100:微發光二極體 101:凹槽 104:凹槽面 102:P型電極 103:N型電極 110:第一中間層 120:第二中間層 121:孔洞結構 310:柱狀結構 312:應力集中面 321:鍵合基架 320:藍寶石晶片 330:支撐層 200:壓模壓印 130:生長襯底 140:犧牲材料
本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1~圖2為先前技術的巨量微發光二極體的轉移方法的示意圖； 圖3為實施例一的微發光元件示意圖； 圖4為實施例二的微發光元件示意圖； 圖5為實施例三的微發光元件示意圖； 圖6為實施例四的微發光元件示意圖； 圖7~圖8為實施例四的變形實施例的微發光元件示意圖； 圖9為實施例五的微發光元件示意圖； 圖10~圖15為實施例五的微發光二極體轉移工藝示意圖； 圖16~圖17為實施例五轉移得到的微發光二極體實物照片；及 圖18為實施例五轉移得到的微發光二極體示意圖。
100:微發光二極體
102:P型電極
103:N型電極
110:第一中間層
120:第二中間層
310:柱狀結構
321:鍵合基架
330:支撐層

Claims (33)

  1. 一種微發光元件，包含： 基架，包括柱狀結構；及 至少一個微發光二極體，微發光二極體通過柱狀結構而與基架連接，微發光二極體由柱狀結構提供支撐； 其中，柱狀結構與微發光二極體連接的一端位於微發光二極體表面的凹槽內。
  2. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構與界定出該凹槽的凹槽面的底面部和側面部接觸。
  3. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構為圓柱結構或者凸台結構。
  4. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構的柱徑是變化的，柱狀結構具有一小面積截面，該小面積截面與其附近的截面相比具有更小的橫截面積。
  5. 如請求項4所述的微發光元件，其中，小面積截面與柱狀結構的其他區域相比，具有更小的橫截面積。
  6. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構遠離微發光二極體一端的柱徑大於靠近微發光二極體一端的柱徑。
  7. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構具有應力集中區域或者具有應力缺陷區域。
  8. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構與微發光二極體之間具有第一中間層。
  9. 如請求項8所述的微發光元件，其中，第一中間層對柱狀結構的粘合力大於柱狀結構對微發光二極體的粘合力。
  10. 如請求項8所述的微發光元件，其中，柱狀結構與微發光二極體之間具有第二中間層。
  11. 如請求項10所述的微發光元件，其中，第二中間層對柱狀結構的粘附力小於柱狀結構內的分子間作用力。
  12. 如請求項10所述的微發光元件，其中，第二中間層的表面具有孔洞結構。
  13. 如請求項12所述的微發光元件，其中，第二中間層具有第一表面和第二表面，其中第一表面位於靠近微發光二極體的一側，第二表面位於靠近柱狀結構的一側，孔洞結構位於第一表面和/或第二表面。
  14. 如請求項10所述的微發光元件，其中，在第二中間層包括鉻或者鈦。
  15. 如請求項10所述的微發光元件，其中，第二中間層包括犧牲層。
  16. 如請求項15所述的微發光元件，其中，犧牲層材料包括光敏膠或者二氧化矽。
  17. 如請求項1所述的微發光元件，其中，凹槽的深度為1000埃至2500埃。
  18. 如請求項1所述的微發光元件，其中，凹槽的深度為1800埃至2000埃。
  19. 如請求項1所述的微發光元件，其中，柱狀結構的材料為高分子聚合物。
  20. 一種微發光二極體，包含： 發光外延層，具有N型層、P型層和兩者之間的發光層； N型電極與N型層連接； P型電極與P型層連接；及 第一中間層，連接該發光外延層； 其中，微發光二極體具有相對應的第一表面和第二表面，第一表面具有凹槽，凹槽由第一中間層構成。
  21. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，第一中間層對高分子聚合物的粘合力大於高分子聚合物對發光外延層的粘合力。
  22. 如請求項21所述的微發光二極體，其中，第一中間層包括二氧化矽、氧化鋁或者氮化矽，高分子聚合物包括苯并環丁烯、矽膠或者紫外UV膠。
  23. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，凹槽的深度為1000埃至2500埃。
  24. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，凹槽內具有第二中間層。
  25. 如請求項24所述的微發光二極體，其中，第二中間層對高分子聚合物的粘附力小於高分子聚合物內的分子間作用力。
  26. 如請求項24所述的微發光二極體，其中，第二中間層的表面具有孔洞結構。
  27. 如請求項26所述的微發光二極體，其中，第二中間層具有第一表面和第二表面，其中第一表面位於靠近微發光二極體的一側，第二表面位於遠離微發光二極體的一側，孔洞結構位於第一表面和/或第二表面。
  28. 如請求項24所述的微發光二極體，其中，第二中間層包括鉻或者鈦。
  29. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，凹槽在微發光二極體轉移過程中，用於傳遞支撐力。
  30. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，凹槽位於微發光二極體的非發光面一側。
  31. 如請求項20所述的微發光二極體，其中，凹槽與P型電極、N型電極位於微發光二極體同側，凹槽內殘留有高分子聚合物，殘留的高分子聚合物的高度低於P型電極和N型電極。
  32. 一種微發光二極體的轉移方法，用於巨量轉移微發光二極體，包含以下步驟： 步驟1，提供襯底，襯底上陣列式間隔排布有複數顆微發光二極體，在微發光二極體的表面及其之間裸露的襯底表面製作第一中間層； 步驟2，在微發光二極體表面先沉積上犧牲材料，然後在犧牲材料和第一中間層上製作凹槽； 步驟3，至少在第一中間層中的凹槽內製作第二中間層； 步驟4，在第二中間層上製作支撐層； 步驟5，提供一鍵合基架； 步驟6，將鍵合基架和支撐層鍵合； 步驟7，剝離襯底，裸露出微發光二極體和第一中間層； 步驟8，依次去除裸露的第一中間層和犧牲材料。
  33. 如請求項32所述的微發光二極體的轉移方法，其中，步驟8之後包括步驟9，利用壓模壓印對微發光二極體遠離支撐層的一面進行壓印，將微發光二極體與支撐層分離。
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