一种实现蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法与流程

本发明的技术方案涉及适用于一种实现蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法，属于光电领域。

背景技术：

传统LED芯片都是以蓝宝石为衬底生长GaN外延层，蓝宝石衬底导热性差,对LED散热制约很大。同时，它基本不导电的性质导致制备N电极时需要牺牲部分发光层，对LED的发光亮度有很大影响。

随着人们对LED集成度及发光亮度要求的提升，传统LED芯片已经不能满足要求，因此采用衬底转移技术将蓝宝石换成导电性好、热导率高的Cu、Si等衬底的垂直LED芯片是目前LED领域研究的重点。

在垂直LED芯片制备过程中，衬底费用是一笔不小的开支。目前垂直LED芯片制备工艺中，蓝宝石衬底都未实现重复利用。如果能够在制备LED的同时实现剥离后蓝宝石的重复利用，将极大的降低外延开支，创造大量的利润。CN102610578A一种矩阵式蓝宝石衬底及其制备方法，该方法使用双抛面的蓝宝石衬底，并在衬底C面制备矩阵、然后再生长外延提高了GaN外延层的生长质量，双抛面蓝宝石衬底易于激光剥离，但是剥离时产生的局部高温会对蓝宝石衬底表面造成损伤不利于重复利用，并且剥离时由于应力的快速释放会造成GaN薄膜损伤；业内采用激光剥离蓝宝石衬底技术，还会对蓝宝石衬底研磨减薄处理后再进行剥离，剥离后的蓝宝石衬底只能当废料处理，造成极大的浪费。

技术实现要素：

本发明针对当前采用激光剥离蓝宝石衬底的技术，对蓝宝石衬底研磨减薄处理后再进行剥离，剥离后的蓝宝石衬底只能当废料处理或者用双抛面蓝宝石衬底，即使这样激光剥离时产生的局部高温仍然会对蓝宝石衬底表面造成很大损伤，由于应力的快速释放会对GaN薄膜造成损伤，提供一种实现单抛面蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法，该方法通过先在单抛面蓝宝石上淀积一层牺牲层，在牺牲层上作出线条状沟槽；线条状沟槽底部是单抛面蓝宝石衬底，在显露蓝宝石衬底的线条状沟槽底部中生长出GaN缓冲层，最后以线条状沟槽内的缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层表面依次生长N型GaN层、量子阱层、P型GaN层；键合结束用HF溶液将牺牲层腐蚀掉实现单抛面蓝宝石衬底的去除，腐蚀牺牲层时还可以实现应力的充分释放，将GaN薄膜的损伤降到最低，然后对衬底进行CMP处理，实现其重复利用。

本发明的技术方案是：

一种实现蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法，该方法包括如下步骤：

第一步，在蓝宝石衬底片子上用等离子体增强化学气相沉积法制备Si₃N₄牺牲层；所述牺牲层厚度10-10000nm；

第二步，在淀积的牺牲层上涂胶、曝光、显影制备出线条状沟槽图案，然后用湿法刻蚀的方法制备出线条状沟槽，最后用去胶液去胶，放入去离子水中冲洗，再用甩干机甩干，得到带线条状沟槽牺牲层的蓝宝石衬底；其中，所述的线条状沟槽，沟槽宽度0.01-10μm、线条与线条的间隔0.001-10mm、线条状沟槽深度与淀积牺牲层厚度等同；

第三步，用MOCVD方法，首先在显露出蓝宝石衬底的沟槽底部上生长GaN缓冲层，再以GaN缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层表面依次生长N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，其中，GaN缓冲层厚度范围10-1000nm、未掺杂的GaN层厚度范围0.1-10μm、N型GaN层厚度范围0.1-10μm、多量子阱层厚度范围0.1-10μm、P型GaN层厚度范围0.01-10μm；

第四步，再在P型GaN层表面依次制备金属反射层Ni/Ag/Ni,然后进行退火处理；其中，第一层Ni厚度1-5nm、第二层Ag的厚度150nm-250nm、第三层Ni厚度50-100nm；

第五步，在退火后的金属反射层上蒸镀金属键合层Au，厚度0.5-2μm；另外在硅片上依次蒸镀Cr/Pt/Au作为金属键合层，Cr/Pt/Au厚度分别为5-50nm、10-100nm、0.5-2μm，然后在键合机中将以蓝宝石为衬底的晶圆与硅片为衬底的晶圆键合在一起；

第六步，键合结束后，将晶圆放入到HF溶液中，待蓝宝石衬底与带外延的硅片分离后，分别用去离子水冲洗，最后用甩干机甩干；

第七步，然后将GaN薄膜用混合溶液浸泡或者ICP刻蚀机去除GaN缓冲层与未掺杂GaN层，再用KOH溶液粗化N型GaN层，再进行涂胶、曝光、显影，再用电子束蒸发台蒸镀N电极，再去胶清洗、甩干，最终完成垂直LED芯片的制备；

所述的混合溶液组成为体积比硫酸:双氧水:H₂O＝5:1:1，其中硫酸的质量百分浓度为98％、双氧水的质量百分浓度为30％；

第八步，将剥离后的蓝宝石衬底再次放入的BOE溶液中，浸泡10-600s，用去离子水冲洗，然后甩干机中甩干，最后进行CMP处理，使蓝宝石各项参数达到再次使用的标准；

所述的第一步中化学气相沉积法的工艺参数为功率20-200W、衬底温度100-400℃、工作气压100-1000mTorr、SiH₄流量10-300sccm、NH₃流量10-300sccm、淀积时间1-20min。

所述的第六步中的HF溶液的质量百分浓度为0.1％-49％。

所述的第八步中BOE溶液的组成优选为质量百分浓度40％氟化铵溶液和质量百分浓度49％氢氟酸溶液的混合物，其体积比为氟化铵溶液：氢氟酸溶液＝6:1。

上述一种实现蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法，所用的原料和设备均是本技术领域熟知的，由公知途径获得；操作工艺均是本技术领域的技术人员能够掌握的。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著进步：

(1)本发明的主要实质性特点在于：蓝宝石衬底上淀积牺牲层、并在其上制备便于外延横向生长的线条状沟槽。

(2)本发明中用腐蚀溶液去除蓝宝石衬底，对GaN薄膜基本没有损伤，直接提高了LED芯片的发光效率。

(3)本发明中剥离蓝宝石衬底的传统技术是通过激光穿过蓝宝石衬底，产生高温诱导蓝宝石衬底交界面处GaN薄膜分解，但是剥离前都会对蓝宝石衬底研磨减薄处理，剥离后的蓝宝石衬底只能当废料处理或者用双抛面蓝宝石衬底，即使这样激光剥离时产生的局部高温仍然会对蓝宝石衬底表面造成很大损伤，应力的快速释放也会对GaN薄膜造成损伤；化学腐蚀的方法剥离掉蓝宝石衬底的技术，在剥离过程中能够使GaN薄膜应力得到充分的释放使损伤降到最低，同时对蓝宝石衬底不会产生影响，经过清洗和CMP处理便可以达到重复利用标准，降低工业生产的成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明一种实现蓝宝石衬底重复利用的垂直LED芯片制备方法带线条状沟槽牺牲层的蓝宝石衬底俯视图；

图2～10为本发明方法的各个步骤示意图，其中：

图2为本发明方法中在蓝宝石衬底片子上淀积牺牲层，并刻蚀出线条状沟槽的示意图；

图3为本发明方法中在制备有牺牲层沟槽的衬底片子上生长GaN缓冲层的示意图；

图4为本发明方法中在带有GaN缓冲层的蓝宝石衬底片子上生长未掺杂的GaN示意图；

图5为本发明方法中在生长好GaN外延层的外延片子的示意图；

图6为本发明方法中在退火后的金属反射层上制备金属键合层a的示意图；

图7为本发明方法中在硅衬底片子上制备金属键合层b的示意图；

图8为本发明方法中两个晶圆键合在一起的示意图；

图9为本发明方法中剥离蓝宝石衬底之后的示意图；

图10为本发明方法中经过混合溶液或者ICP刻蚀、N型GaN粗法腐蚀之后制备的垂直LED芯片结构示意图；

图中，1.蓝宝石衬底，2.牺牲层，3.GaN缓冲层，4.未掺杂的GaN层，5.条状沟槽，6.n-GaN层，7.量子阱层，8.p-GaN层，9.金属反射层，10.键合金属层a，11.硅片，12.键合金属层b，13.N电极。

具体实施方式

图1所示实施例表明，本发明方法中先在蓝宝石衬底片子1上淀积Si₃N₄牺牲层2然后制备出线条状沟槽5，牺牲层2厚度100nm，并制备出线条状沟槽5，沟槽5宽度3μm、沟槽5与沟槽5的间隔1mm、线条状沟槽5深度与淀积牺牲层2厚度等同的整体俯视图。

图2所示实施例表明，本发明方法中先在蓝宝石衬底片子1上淀积Si₃N₄牺牲层2然后制备出线条状沟槽5的整体侧图。

图3所示实施例表明，本发明方法中在制备有Si₃N₄牺牲层2的沟槽5的蓝宝石衬底片子1上生长GaN缓冲层3，但是GaN缓冲层3只生长在了蓝宝石衬底片子1上，Si₃N₄牺牲层2上并未生长成功，GaN缓冲层3的厚度30nm。

图4所示实施例表明，本发明方法中在带有GaN缓冲层3的蓝宝石衬底片子1上生长未掺杂的GaN层4，未掺杂的GaN层4厚度为3μm。

图5所示实施例表明，本发明方法中生长好GaN外延层的外延片子。

图6所示实施例表明，本发明方法中在退火后的金属反射层10上制备金属键合层a10，金属键合层为Au。

图7所示实施例表明，本发明方法中在硅衬底片子11上制备金属键合层b12，金属键合层为Au。

图8所示实施例表明，本发明方法中两个晶圆在键合机中键合在一起。

图9所示实施例表明，本发明方法中在HF溶液中剥离蓝宝石衬底片子1之后，垂直LED芯片的大致结构；

图10所示实施例表明，本发明方法中经过ICP刻蚀机去除GaN缓冲层3、未掺杂GaN层4再用KOH溶液对N型GaN层6进行粗化处理，最终制备出N电极13，完成垂直LED芯片的制备；

最后，将剥离的蓝宝石衬底进行CMP处理，以达到衬底片标准水平。

实施例1

本实施例的一种垂直LED芯片的制备方法，步骤如下：

第一步，在蓝宝石衬底片子上等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)淀积Si₃N₄牺牲层(其中，PECVD射频功率60W、衬底温度300℃、腔体气压500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀积时间160s),牺牲层厚度100nm；

第二步，在牺牲层涂胶、曝光、显影制备出沟槽图形，然后用湿法刻蚀的方法制备出线条状沟槽，沟槽宽度5μm、线条与线条的间隔1mm、线条状沟槽深度与淀积牺牲层厚度等同(即沟槽处显露出蓝宝石衬底)；

第三步，用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD,Metal-organic Chemical Vapor Deposition)方法，首先在沟槽处显露出蓝宝石衬底上生长GaN缓冲层，然后然后再以GaN缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层表面依次生长N型GaN层、量子阱层、P型GaN层。GaN缓冲层厚度30nm、未掺杂的GaN层厚度3μm、N型GaN层厚度2μm、多量子阱层厚度0.8μm、P型GaN层厚度120nm；

GaN缓冲层只生长在线条状沟槽中的蓝宝石衬底上，由于晶格失配严重GaN缓冲层无法在Si₃N₄牺牲层表面实现生长，未掺杂的GaN层以沟槽内的GaN缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长，其他GaN层在生长好的未掺杂的GaN层表面继续生长直至外延层完整；

第四步，P型GaN层表面依次制备金属反射层Ni/Ag/Ni，其厚度分别为第一层Ni5nm、Ag150nm、第二层Ni50nm，然后进行退火处理，在退火后的金属反射层上蒸镀金属键合层Au厚度2μm；

第五步，另外依次在硅片上蒸镀Cr/Pt/Au，其厚度分别为Cr层5nm，Pt层20nm，Au层2μm作为金属键合层，然后在键合机中完成键合；

第六步，键合结束后，将晶圆放入到质量百分浓度为49％HF溶液中浸泡，由于沟槽中GaN缓冲层与蓝宝石衬底之间存在允许HF溶液通过的生长缝隙，所以可实现蓝宝石衬底与GaN薄膜的分离，将分离后的蓝宝石衬底与带外延的硅片放入去离子水中冲洗然后用去离子水冲洗5分钟，最后用甩干机甩干20分钟；

第七步，然后用ICP刻蚀机去除GaN缓冲层与未掺杂GaN层，在80℃的条件下用2mol/L的KOH溶液粗化N型GaN层，再进行涂胶、曝光和显影，制备出N电极图案，用电子束蒸发台蒸镀Cr/Al/Ti/Au作为N电极，其中，Cr厚度2.5nm、Al厚度100nm、Ti厚度120nm、Au厚度800nm。再去胶、清洗、甩干，然后在点测机上进行本领域常用COW测试、得出芯片的电压、波长、良率等参数达到了当前产品的性能要求，再经过研磨、划片、裂片、COT测试、分选、封装等后道工艺最终完成垂直LED芯片的制备；

得到的垂直LED芯片的性能与同尺寸传统平面结构LED相比较，在点测电流20mA的条件下电压降低0.42V为2.91V,输出功率提高了2.2倍；

第八步，将剥离后的蓝宝石衬底放入体积比6:1之氟化铵(质量百分浓度40％)与氢氟酸(质量百分浓度49％)的BOE溶液中，去除残留的Si₃N₄，然后用去离子水冲洗5分钟，最后用甩干机甩干20分钟；

最后进行化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanicalPolishing)处理，达到蓝宝石衬底再次利用的标准。

传统的用激光剥离技术去除蓝宝石衬底需要先对蓝宝石衬底研磨减薄处理后再进行剥离，这样剥离后的蓝宝石衬底只能当废料处理或者用双抛面蓝宝石衬底，即使这样激光剥离时产生的局部高温仍然会对蓝宝石衬底表面造成很大损伤，另外双面抛光的蓝宝石衬底透光性特别好，对后续外延的生长、测试都有很大影响，而本发明不需要对蓝宝石衬底进行双面抛光节约了生产时间，增加了公司产能；成本上按目前国内市场价2英寸单抛面蓝宝石衬底大约35元左右，2英寸双抛面蓝宝石衬底则需要40元左右，一片就能为公司节约5元的成本，再实现重复利用利润空间是非常巨大的。

实施例2

本实施例的一种垂直LED芯片的制备方法，步骤如下：

除了第一步，在蓝宝石衬底片子用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)上制备Si₃N₄牺牲层，功率40W、衬底温度300℃、工作气压500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀积时间110s；所述牺牲层厚度50nm；第二步，在牺牲层涂胶、曝光、显影制备出沟槽图形，然后用湿法刻蚀的方法制备出线条状沟槽，沟槽宽度3μm、线条与线条的间隔0.5mm、线条状沟槽深度与淀积牺牲层厚度等同；第三步，用MOCVD法在显露出蓝宝石衬底的沟槽中生长GaN缓冲层，然后然后再以GaN缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层表面依次生长N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，GaN缓冲层厚度50nm；第七步，然后用体积比硫酸:双氧水:H₂O＝5:1:1混合溶液(硫酸质量百分比浓度98％、双氧水质量百分比浓度30％)去除GaN缓冲层与未掺杂GaN层，其余步骤同实例1。

实施例3

本实施例的一种垂直LED芯片的制备方法，步骤如下：

除了第一步，在蓝宝石衬底片子用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)上制备Si₃N₄牺牲层，功率20W、衬底温度300℃、工作气压500mTorr、SiH₄流量30sccm、NH₃流量120sccm、淀积时间390s；所述牺牲层厚度80nm；第二步，在牺牲层涂胶、曝光、显影制备出沟槽图形，然后用湿法腐蚀的方法将沟槽内的Si₃N₄牺牲层完全去除，沟槽宽度10μm、线条与线条的间隔3mm、线条状沟槽深度与淀积牺牲层厚度等同；第三步，用MOCVD法在显露出蓝宝石衬底的沟槽中生长GaN缓冲层，然后然后再以GaN缓冲层为基础在牺牲层表面横向生长未掺杂的GaN层，然后在未掺杂的GaN层表面依次生长N型GaN层、量子阱层、P型GaN层，GaN缓冲层厚度100nm；其余步骤同实例1。

实施例4

本实施例的一种垂直LED芯片的制备方法，步骤如下：

对实施例1中第八步CMP处理得到的蓝宝石衬底进行再次利用，其余步骤同实例1。制备出的垂直LED芯片进行COW点测得到的电压、波长、良率等参数和蓝宝石衬底首次使用得到的相关参数基本相同。

上述实施例中所用的原料和设备均是本技术领域熟知的，由公知途径获得；操作工艺均是本技术领域的技术人员能够掌握的。

本发明未尽事宜为公知技术。