专利名称：一种GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法
技术领域：
本发明涉及发光二极管的芯片工艺领域和封装工艺领域，尤其涉及一种GaN基 LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法。
背景技术：
当前，剥离生长衬底的主要目的是为了提高LED芯片的出射效率。目前常用的衬 底剥离技术是激光剥离技术(LLO)以及湿法刻蚀牺牲层剥离法。 激光剥离技术主要是利用对衬底透明的短脉冲激光照射衬底，融化缓冲层而将外 延层从衬底上剥离下来。美国惠普公司结合键合技术最早采用大衬底剥离技术将GaAs衬 底与外延层剥离，然后将外延层粘接在透明的GaP衬底上制备AlInGaP基芯片，此项技术可 以提高近2倍的发光效率。1996年报道了用激光技术将2英寸HVPE GaN与蓝宝石剥离， 用Si (或金属)衬底取代蓝宝石衬底的AIGalnN功率型芯片，主要由三个关键工艺步骤完 成①在外延表面淀积键合金属层如Pd 100nm，以及在键合底板上如Si底板表面淀积一 层lOOOnm的铟；②将外延片低温键合到底板上；③用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底 面，使蓝宝石和GaN界面的GaN产生热分解，再通过加热(40度)使蓝宝石脱离GaN。 2003 年2月，德国0SRAM公司用激光技术将蓝宝石去除，使芯片的出光效率提至75%，是传统 芯片的3倍。采用将芯片键合到Cu片上再激光剥离蓝宝石衬底，可使散热能力提高4倍， 发光功率也提升4倍。2007年，美加州圣巴巴拉大学的中村修二、 Steven DenBaars及同 事与来自法国Charles Fabry光学研究院的合作者Henri Bensty宣布通过激光剥离制备 出第一个光子晶体辅助出光的LED。中国也有大批研究者利用激光剥离技术剥离生长衬 底，如张国义等人的发明专利"GaN基外延层的大面积、低功率激光剥离方法"，(申请号 CN200410009840. 0)，它就利用了激光剥离技术剥离衬底的方法，实现了大面积薄层外延膜 的完整剥离。南昌大学开发了Si衬底激光剥离技术。 一般说来，激光剥离技术成本相对较 高。 而湿法刻蚀牺牲层剥离法是通过湿法刻蚀氮化镓外延层与衬底之间的牺牲层实 现氮化镓外延层与衬底的分离。传统的湿法刻蚀牺牲层一般在生长氮化镓外延层之前，先 在衬底上生长一层非氮化镓基材料系的牺牲层，然后在芯片制作过程中，使用特定的溶液 刻蚀该牺牲层，而对于氮化镓外延层则不发生刻蚀，通过选择性刻蚀牺牲层即可实现氮化 镓外延层与衬底的剥离。如中国发明专利200810029353. 9公开了一种用于LED的Si基氮 化镓外延层转移方法就采用了湿法刻蚀牺牲层剥离法将氮化镓外延层整体转移至目标金 属层上。 虽然衬底剥离技术的细节各有千秋，但有一个共同点是衬底剥离后，各个单元芯 片的间距是固定的，为了便于后续的切割分离，间距应该尽量大些，但是，间距的增大要以 牺牲外延片的利用效率为代价，同时，如果通过切割分离新衬底获得独立的芯片，那么就会 导致封装的厚度增大。 此外，目前LED光源模组主要是通过切割分离所述新衬底制备独立的芯片，需要将各芯片在封装基板或电路板上重新排列而获得，需要进行一系列的捡片、贴片操作才能 完成，工序多，成本较高。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种利用低成本的刻蚀技术实现LED 生长衬底剥离的方法，并在衬底剥离的同时，完成芯片按设计的光源模组重新排列。本发明 无需切割分离基板以制备独立芯片和也无需进行一系列的捡片、贴片操作，而直接将目标 光源模组按照要求转移到封装基板或电路板上，外延片利用效率高，封装效率高，生产成本 低同时也可降低封装的厚度。 为实现上述目的，本发明的技术方案为 —种GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，包括以下步骤
A、刻蚀生长在SOI衬底上的外延叠层至SOI衬底的绝缘层，将外延叠层分离成规 则排列的独立芯片；刻蚀至作为牺牲层的绝缘层，可将绝缘层部分裸露出来，便于将其去 除，从而为外延叠层从SOI衬底上剥离做准备。 B、在每个独立芯片侧面制备钝化膜，边缘制备锚固点；设置钝化膜是为了防止在 将要进行的腐蚀工序中，腐蚀液腐蚀到独立芯片的侧面。 C、去除SOI衬底中的绝缘层，将所述独立芯片和SOI衬底剥离；绝缘层去除后，独 立芯片和S01衬底间以范德华力而结合，但也会产生独立芯片从衬底上掉落的问题，因而 设置锚固点，可以避免所述独立芯片的脱离或移位。 D、在印刷传送基板上涂敷聚二甲基硅氧烷，并烘烤固化，按照预剥离目标独立芯 片的排布、数量在所述聚二甲基硅氧烷相应位置制备能够黏附所述独立芯片的微结构；根 据设计好的光源模组的各独立芯片的排布、数量，来确定印刷传送基板上相对应的聚二甲 基硅氧烷微结构，这样就可以根据需要，任意选定所需的独立芯片，同时也避免粘到该步不 准备剥离的独立芯片上，进而做选择性剥离。 E、将所述印刷传送基板对准覆盖在预剥离目标独立芯片上，以一定的速度提起印 刷传送基板，使所述预剥离目标独立芯片与S0I衬底剥离；本步骤利用聚二甲基硅氧烷微 结构的粘弹性特性，通过印刷传送基板的速率控制独立芯片模组的粘附与脱离。
F、将所述预剥离目标独立芯片印刷至表面制备有电极和/或电路的水平封装基 板上的相应位置，移开所述印刷传送基板。这样就根据实际的需要完成了独立芯片从衬底 到水平封装基板的转移，同时也在所述独立芯片模组表面和水平封装基板之间形成电极。
在步骤A中，所述SOI衬底的绝缘层为Si(^，其厚度大于100nm，所述独立芯片图 形具有对称性，采用ICP-RIE刻蚀的方法刻蚀外延叠层。 步骤B中，两个锚固点的材料为光刻胶或S0I衬底上未被刻蚀的部分。
步骤C中，采用浸入仅对绝缘层有腐蚀作用的选择性腐蚀液中，腐蚀去除S0I衬底 中的绝缘层。这样可以将绝缘层腐蚀掉而对钝化膜和锚固点的材料没有或只有弱的腐蚀作 用，从而达到从S0I衬底上剥离外延叠层的目的。 步骤D中，所述的印刷传送基板为透明或不透明，其材质为金属、高分子材料、陶 瓷或玻璃或半导体，每个微结构区域和每个独立芯片的形状、大小相应，所述微结构为占空 比为1/2至2/1、周期为0. 1至10 ii m的直条纹或规则曲线条纹。印刷传送基板为透明水平板可以便于准确的定位所述微结构和独立芯片。 步骤D中，每个微结构为占空比2/3、周期1. 5 m的直条纹。 步骤D中所述微结构布满整个印刷传送基板，或在选择区域内设置。这样能够根据实际设计好的光源模组的各独立芯片的排布来相应设定微结构的数量和位置，可以分批剥离，也可以整个全部一次性剥离。 步骤E中提起印刷传送基板的速度为15cm/s-25cm/s，预剥离的目标独立芯片为一次性剥离或分批剥离。 步骤F中，所述电极为n电极，所述SOI衬底还包括Si层，步骤C之后步骤F之前，对外延叠层下表面的Si层进行选择性湿法刻蚀去除。 步骤A之 前在SOI衬底上生长外延叠层；步骤F后用丙酮清洗去掉A至F步骤中的光刻胶，在水平封装基板进行封装工艺。可以根据实际情况的需要选择已经设置好SOI衬底层、外延叠层的成品，也可以选择先在SOI衬底上生长外延叠层。步骤F后，用丙酮清洗去掉A至F步骤中的未清除干净的光刻胶，独立芯片转移完成之后，后续的封装工艺在水平基板上进行。 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果 利用刻蚀技术实现LED生长衬底剥离的方法，并在生长衬底剥离的同时，完成芯片按设计的光源模组重新排列。通过本发明提出的印刷传送模板可将生长衬底上的芯片直接按光源模组转移到封装基板或电路板上，无需切割分离基板以制备独立芯片，也无需进行一系列的捡片、贴片操作。该方法使LED的芯片工艺与封装工序紧密结合并简化，外延片利用效率高，封装效率高，生产成本底。而且，采用此发明，芯片电极的制备与后续封装工艺可以在封装基板上进行。
图1为SOI衬底截面结构示意图； 图2为生长在SOI衬底上的外延叠层截面结构示意图； 图3为Si02层刻蚀去除后SOI衬底与部分独立芯片截面结构示意图； 图4为Si02层刻蚀去除后SOI衬底与部分独立芯片结构俯视图； 图5为源晶圆上独立芯片模组以及预剥离目标独立芯片示意图； 图6为印刷传送基板上的微结构俯视图； 图7为图6所示微结构的局部放大图； 图8为图6所示微结构的截面示意图； 图9为水平封装基板或电路板上的独立芯片平面示意图。 附图标记如下1厚Si基板、2 Si(^绝缘层、3 Si层、4 A1N缓冲层、5无掺杂GaN层、6 n-GaN层、7量子阱层(单层或多层)、8 p-GaN层、9锚固点、10钝化膜、11独立芯片、12预剥离的独立芯片模组a(预第一次印刷传送的独立芯片模组)、b(预第二次印刷传送的独立芯片模组)、c (预第三次印刷传送的独立芯片模组)、d(预第四次印刷传送的独立芯片模组)、13载玻片、14 "粘附-脱附"微结构(在PDMS粘弹性薄膜上制作)、15直条纹、16n电极、17封装基板或电路板。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述，应当理解，此处所描述的实施例仅仅是用以解释本发明的实例，并不用于限定本发明。
实施例 图1和图2分别为本发明所述实施例所用的SOI (Silicon-on-insulator)衬底和生长于SOI衬底上的外延叠层截面结构示意图。 SOI衬底结构从下至上依次包括以下部分厚Si基板l、Si02绝缘层2、Si层3 ;而生长在SOI衬底上的外延叠层从下到上依次包括A1N缓冲层4、无掺杂GaN层5、n-GaN层6、量子阱层7 (单层或多层)、p-GaN层8。其中Si02绝缘层2厚度为300nm， A1N缓冲层4厚度为6nm，无掺杂GaN层5厚度为0. 5 y m， n-GaN层6 (Si)厚度为4 y m ;此外，量子阱层7为五周期的GaN/InGaN量子阱层，p-GaN层8包括50nm掺Mg的AlGaN电子阻隔层和0. 2 y m厚的p-GaN(Mg)层。 本实施例中独立芯片电极的制备将放在后续封装工艺中进行，本发明中的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法实现步骤如下[OO42]( — )外延叠片上独立芯片的制作 1、用丙酮、IPA和去离子水清洗如图2所示的外延叠片； 2、用PECVD (等离子体化学气相沉积法)沉积800nm厚的Si02 ; 3、用HMDS预处理1分钟；4、旋涂光刻胶AZ5214(转速为3000rpm，时间30秒)，365nm紫外光曝光，AZ327显
影，11(TC烘烤3分钟； 5、用BOE刻蚀Si02 (130秒); 6、用ICP-RIE刻蚀至SOI衬底中的Si02绝缘层2与厚Si基板1的界面，将Si02绝缘层2暴露出来，获得均匀排列的尺寸为100 mX 100 m，间距为1_20 y m的独立芯片模组，其中的每个独立芯片ll图形为具有对称性的圆形或方形或长方形，如图3和图4所示。[OO49] ( 二 )独立芯片与SOI衬底的剥离 7、清洗步骤6所得独立芯片模组，采用49%的HF溶液清洗2秒，按10 : 1的比例稀释； 8、涂光刻胶，在11(TC下烘烤5分钟，同时在每个独立芯片11的侧面制备钝化膜IO，并在其边缘两个点制备两个锚固点9，两个锚固点9的材料为光刻胶或SOI衬底上未被刻蚀的部分，如图3和图4所示； 9、将独立芯片模组整体浸入稀释的HF溶液(HF 49% ，按100 : 1稀释)，选择合适的刻蚀时间(如4小时-6小时)去除Si02绝缘层2，这里采用的HF溶液仅对Si02绝缘层2有腐蚀作用，而对锚固点9或钝化膜10的材料没有或只有弱的腐蚀作用；使所述独立芯片模组和SOI衬底间以范德华力结合，在刻蚀的过程中每1小时用去离子水清洗独立芯片模组。如图3和图4所示。
(三)独立芯片的印刷转移基板的制作 10、准备一4寸玻璃圆片，或40mmX40mm的载玻片13，用丙酮、IPA和去离子水清洗； 11、载玻片13表面用紫外线臭氧处理5-15分钟；
12、在载玻片13表面旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)，转速为3000rpm，时间40秒，PDMS预聚物与固化剂按10 : l混合； 13、在炉中烘烤PDMS使其固化，温度70-800°C，时间1-2小时；
14、在PDMS上对应预剥离目标独立芯片阵列12制作起"黏附_脱离"作用的微结构14，如图5、6所示，本发明中微结构14的排布、数量根据实际预剥离目标独立芯片阵列12的排列、大小而设置，所述微结构14可以根据实际的需要布满整个载玻片13，或在选择区域内设置。如图7、8所示为每个微结构14的局部放大俯视图和截面图，为周期为1. 5 ii m，占空比2 : 3的直条纹15，且每个微结构14的尺寸、大小、形状和每个剥离目标独立芯片12相应；源剥离独立芯片模组为100iimX100iim，间距308iim，6X6的阵列。如图5所示。
15、将一清洗过的PET薄板(42mmX42mmX50 y m)粘在载玻片13背面作为运载工具。(四)独立芯片的印刷转移 16、将上步制作的附有微结构14的载玻片13对准覆在预剥离目标独立芯片模组
12上，以速度15-25cm/s提起载玻片13使独立芯片模组12与SOI衬底剥离； 17、将步骤16中黏附于载玻片13的微结构14上的独立芯片模组12印刷到有n
电极16和/或电路的封装基板17上，然后以接近于0的速度移开载玻片13。 18、在丙酮中清洗去除以上各步骤中未清除干净的光刻胶。 所述SOI衬底还包括Si层，步骤9之后17之前，还要对外延叠层下表面的Si层进行选择性湿法刻蚀去除，由此本发明中的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法已完成。 如图5-8所示，12a、12b、12c、12d分别为预第一、二、三、四次印刷传送的独立芯片模组，首先将载玻片13对准覆盖到12a上，使得独立芯片模组12a黏附到载玻片13的微结构14上，然后以速度15-25cm/s提起载玻片13并印刷至设有电极16的水平封装基板17上，则完成第一次印刷传送，依步骤16-17重复进行，完成12b、 12c、 12d独立芯片模组的印刷转移，如图9所示为封装基板上印刷好的12a、12b、12c、12d独立芯片模组。此外，还可以根据实际的需要，多次重复这一过程，以此获得任意尺寸和排列方式的LED光源模组或面阵，应用于照明、液晶电视背光源、显示屏等领域。 独立芯片电极的制备及后续封装过程将在封装基板上完成，封装方法将在后续专利中具体阐述。此外，可以根据实际情况的需要选择已经设置好SOI衬底层、外延叠层的成品，也可以选择先在SOI衬底上生长外延叠层。 此外，以具有薄膜顶层Si的SOI基板作为外延叠层生长的衬底材料，对Si基GaN异质外延中的晶格失配应力和热应力的释放都有显著作用。薄膜SOI材料通过顶层Si与外延叠层的界面滑移，将一部分晶格失配应力通过界面的滑移释放，并且通过柔性薄膜顶层Si自身的应力吸收作用，将一部分热失配应力转移到衬底，从而有效地降低了 GaN外延叠层的张应力，有利于在Si衬底上生长无龟裂的GaN外延叠层。 以上对本发明所提供的用于LED的氮化镓外延层剥离方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，例如，预剥离的目标独立芯片可以根据实际的需要一次性剥离或分批剥离，印刷传送基板也可以为不透明状，其材质可以为金属、高分子材料、陶瓷或玻璃或半导体。SOI绝缘层材质也可以为其它氧化物，其厚度大于100nm;所述电极的制作方式也可先直接将电极制备到所述目标独立芯片模组上，然后再把带有电极的所述目标独立芯片模组印刷至所述水平封装基板上。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
一种GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在于包括以下步骤A、刻蚀生长在SOI衬底上的外延叠层至SOI衬底的绝缘层，将外延叠层分离成规则排列的独立芯片；B、在每个独立芯片侧面制备钝化膜，边缘制备锚固点；C、去除SOI衬底中的绝缘层，将所述独立芯片和SOI衬底剥离；D、在印刷传送基板上涂敷聚二甲基硅氧烷，并烘烤固化，按照预剥离目标独立芯片的排布、数量在所述聚二甲基硅氧烷相应位置制备能够黏附所述独立芯片的微结构；E、将所述印刷传送基板对准覆盖在预剥离目标独立芯片上，以一定的速度提起印刷传送基板，使所述预剥离目标独立芯片与SOI衬底剥离；F、将所述预剥离目标独立芯片印刷至表面制备有电极和/或电路的水平封装基板上的相应位置，移开所述印刷传送基板。
2. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于在步骤A中，所述SOI衬底的绝缘层为Si(^，其厚度大于100nm，所述独立芯片图形具有 对称性，采用ICP-RIE刻蚀的方法刻蚀外延叠层。
3. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于步骤B中，两个锚固点的材料为光刻胶或SOI衬底上未被刻蚀的部分。
4. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于步骤C中，采用浸入仅对绝缘层有腐蚀作用的选择性腐蚀液中，腐蚀去除SOI衬底中的 绝缘层。
5. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征 在于步骤D中，所述的印刷传送基板为透明或不透明，其材质为金属、高分子材料、陶瓷或 玻璃或半导体，每个微结构区域和每个独立芯片的形状、大小相应，每个微结构为占空比为 1/2至2/1、周期为0. l至10iim的直条纹或规则曲线条纹。
6. 根据权利要求5所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于步骤D中，每个微结构为占空比2/3、周期1. 5 m的直条纹。
7. 根据权利要求5或6所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特 征在于步骤D中所述微结构布满整个印刷传送基板，或在选择区域内设置。
8. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于步骤E中提起印刷传送基板的速度为15cm/s-25cm/s，预剥离的目标独立芯片为一次性 剥离或分批剥离。
9. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征在 于步骤F中，所述电极为n电极；所述SOI衬底还包括Si层，步骤C之后步骤F之前，对外 延叠层下表面的Si层进行选择性湿法刻蚀去除。
10. 根据权利要求1所述的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，其特征 在于步骤A之前在SOI衬底生长外延叠层；步骤F后用丙酮清洗去掉A至F步骤中的光刻 胶，在水平封装基板进行封装工艺。
全文摘要
本发明公开了一种GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，包括以下步骤A、刻蚀外延叠层，将其分离成规则排列的独立芯片；B、在每个独立芯片侧面制备钝化膜，边缘制备锚固点；C、去除绝缘层，将所述独立芯片和SOI衬底剥离；D、在印刷传送基板上制备能够黏附所述独立芯片的微结构；E、预剥离目标独立芯片与SOI衬底剥离；F、将已剥离目标独立芯片印刷至水平封装基板。本发明的GaN基LED薄膜器件的制备与批处理式封装方法，无需切割分离基板制备独立芯片也无需进行一系列的捡片、贴片操作，而直接在衬底剥离的同时，将目标光源模组按照要求转移到封装基板或电路板上，外延叠片利用效率高，封装效率高，生产成本低同时也可降低封装的厚度。
文档编号H01L21/56GK101702401SQ20091019361
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者刘立林, 王钢 申请人:中山大学