一种LED晶片表面的粗化ITO膜层的制备方法与流程

一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法
技术领域
1.本发明涉及一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法，属于半导体加工技术领域。


背景技术：

2.发光二极管(light emitting diode，led)，是一种电致发光的半导体元件，具有体积小、环保、寿命长、节能、稳定性高等诸多优点，被广泛应用。目前，提升led的亮度主要通过，粗化晶片表面的外延层、粗化晶片表面的电流扩展层、进行制作反射电极、使用高温腐蚀侧壁工艺、制作金属反射镜、进行隐形切割等技术方案，而对晶片表面电流扩展层的粗化因其对晶片表面无损伤、电流扩展层易于操作，设备成本低等优点而被广泛使用。但在电流扩展层的实际粗化中，经常存在粗化不彻底、粗化程度过度、粗化过程额外增加制程、粗化不稳定等问题而达不到想要的亮度提升目的。对于电流扩展层而言，最理想的状态是既能形成最好的欧姆接触，表层又能够尽可能的形成粗糙面以便于在发光区最大可能的出光，但是实际制作中往往不能兼顾，想要做好的欧姆接触层，电流扩展层必须光滑接触性能好才行，而表面光滑了，反射就会高。
3.中国专利文献cn104064638a公开了一种led透明导电层的粗化方法及真空设备，该方法包括：在衬底上生长外延层；在清洗后的所述外延片上蒸镀透明导电层；对透明导电层所处的腔体抽真空；在预设时间内，按照预设温度加热所述腔体、并利用所述腔体在在预设压力下和气瓶之间的压力差，按照预设载气流量将氮气作为载气将透明导电层腐蚀液的挥发物质带入所述腔体中，对所述透明导电层进行腐蚀。其中，所述导电层腐蚀液的挥发物质存储在所述气瓶中，通过对透明导电层安全可控的粗化，从而减少led中光线的全反射，提高led的出光效率。该发明专利中在腔体内直接对ito表面进行腐蚀粗化，实际施行时较难实现，一般腔体为耐高温原因选择的为不锈钢材质，引入腐蚀性物质极易腐蚀腔壁，而且高真空环境下存在危险性。
4.中国专利文献cn111354843a公开了一种ito表面粗化的制备方法，led包括：绝缘衬底材料、n型层、发光层、p型层；在p型层上制备半导体薄膜和金属层，再对薄膜层进行物理退火处理，得到立体的六角锥形图，达到粗化表面的效果。该发明中主要通过高温退火工艺使ito颗粒形成特定的图形达到粗化效果，但是使用退火温度在400-600℃，使用不同设备验证该方法存在不确定性，不能形成规模化作业，且该发明专利的发明人也没有给出形成该种图形的具体的明确的解释。
5.中国专利文献cn103904183a公开了一种ito粗化的gan基led芯片及其制备方法。该方法在gan基led外延片表面沉积ito作为透明导电层；再置入稀盐酸溶液中进行无掩膜的湿法腐蚀；用去离子水清洗后烘烤；再在表面涂覆一层增粘剂；再涂覆一层正性或负性光刻胶，在热板上烘烤后，使用具有微米尺寸结构的光刻掩膜版进行普通紫外曝光，并再次在热板上烘烤；将基片放入显影液中显影；用去离子水清洗细后放入烤箱内烘烤；再置入稀盐酸溶液中进行有掩膜的湿法腐蚀；去除光刻胶后进行高温退火。该方法同时制备了纳米级
和微米级的ito粗化结构，因为其折射率的不同，具有比较高的光输出功率，但是整个制备过程繁琐，效率较低，成本较高。
6.中国专利文献cn102214745a提供了一种氮化镓基半导体发光器件的制造方法，包含如下步骤：(1)在半导体衬底上依次生长gan缓冲层、不掺杂gan层、n-gan层、多量子阱层、p-gan层；(2)在p-gan层蒸镀一层ito层，控制电子束蒸镀条件形成表面粗化的ito层。该方法通过在蒸镀ito层的过程中控制ito蒸镀的温度或蒸镀率，形成粗化的ito层。但是该方法主要通过控制腔体温度、蒸镀速率、以及通氧量进行调整的ito成膜颗粒，该方法对ito的成膜颗粒大小的调控有限，表面的粗化程度较轻，对出光效率的提升有很大程度的限制。
7.鉴于此，有必要研究一种既能形成良好的欧姆接触又能保证透明导电层的表面尽可能粗糙的工艺方法，来尽可能提高出光效率。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供了一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法。本发明的制备方法主要通过蒸镀过程的控制，直接蒸镀出粗糙的ito膜层，来得到出光效率较高的led芯片，同时本发明的制备方法成本较低、粗糙化理想，适合规模化作业。
9.本发明的技术方案如下：
10.一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法，采用电子束蒸发法，包括步骤如下：
11.(1)ito源准备：将ito源1放入坩埚内，在ito源1的上表面放置ito源2，待蒸镀使用；
12.(2)底层ito膜层的制备：将清洗后的待蒸镀晶片放入蒸发台腔体内，然后进行加热、抽真空；将坩埚冷却水流量调整到q1，待镀膜温度达到t1，真空度达到设定值后，进行底层ito膜层的蒸镀；
13.(3)粗化ito膜层的制备：步骤(2)完成后，关闭加热，将腔体温度冷却到t2，将坩埚冷却水流量调整到q2后，进行粗化ito膜层的蒸镀，即完成led晶片表面的粗化ito膜层的制备。
14.根据本发明，步骤(1)中，所述的坩埚为电子束蒸发法常用坩埚，包括垂直段和倾斜段。
15.根据本发明优选的，步骤(1)中所述的ito源1的形状为圆柱形，为本领域常用的ito源形状；所述ito源1的高度小于或等于坩埚垂直段的高度，所述ito源1与坩埚内壁接触。
16.根据本发明优选的，步骤(1)中所述的ito源2的形状为凹字形，所述凹字形的开口与ito源1上表面相对；所述凹字形的两侧与坩埚垂直段内壁的间距为1-2mm；所述凹字形开口所对的底部的ito源的总量与蒸镀底层ito膜层所需的ito的量相同；本发明中ito源2的形状不限于倒凹字形，只要是能够起到不同接触效果的形状均受本发明的保护。
17.根据本发明，凹字形开口所对的ito源1的ito的量能够满足蒸镀粗化ito膜层所需的ito量。
18.根据本发明，步骤(1)中ito源的纯度为4n级以上。
19.根据本发明优选的，步骤(2)中所述的清洗方法为本领域现有技术，例如使用丙酮、乙醇有机溶剂进行清洗，之后使用旋干机旋干或使用热氮气吹干。
20.根据本发明优选的，步骤(2)中，坩埚冷却水流量q1为2-4l/min，进一步优选为3l/min。
21.根据本发明优选的，步骤(2)中，镀膜温度t1为330-350℃，进一步优选为340℃；所述的真空度设定值为1.0e-6torr以上。
22.根据本发明优选的，步骤(2)中所述底层ito膜层的厚度为30-100埃，进一步优选为50埃。
23.根据本发明优选的，步骤(2)中蒸镀ito时需要通氧气进行蒸镀，所使用的氧气的纯度大于等于99.999％，以保证氧气的纯净和使用安全；通氧量为3-20sccm。
24.根据本发明优选的，步骤(3)中，腔体温度t2为80-100℃。
25.根据本发明优选的，步骤(3)中，坩埚冷却水流量q2为8-10l/min，进一步优选为9l/min。
26.根据本发明优选的，步骤(3)中所述的粗化ito膜层的厚度为600埃以上；进一步优选的，所述的粗化ito膜层的厚度为600-4000埃。
27.根据本发明优选的，步骤(3)中蒸镀ito时需要通氧气进行蒸镀，所使用的氧气的纯度大于等于99.999％，以保证氧气的纯净和使用安全；通氧量为3-20sccm。
28.根据本发明，完成上述步骤(3)后，在晶片正面进行p面电极制作，衬底减薄后在n面制作n面电极，并且对n面电极和ito膜层进行高温合金处理，然后将晶片切割成单个管芯，即完成具有粗化ito膜层的led管芯的制作；其中p、n电极制作的金属材料纯度为5n级以上，使用常规电极结构即可，n面电极和p面电极的制备方法为本领域常规方法；n面电极和ito进行同时高温合金处理的温度为340-380℃，进一步优选为360-370℃。
29.本发明的技术特点及有益效果如下：
30.1、本发明在晶片表面进行两层ito膜层的蒸镀，底层ito膜层(即欧姆接触层)在高温条件下进行蒸镀得到，并且在蒸镀过程中通过控制坩埚冷却水流量使坩埚冷却效果达到最低，ito源2只有部分区域通过ito源1与坩埚壁间接接触，ito源2与坩埚不直接接触，这样保证了电子束击打在ito源2上后，ito颗粒在相对较高的温度氛围下，具有更高的动能和活化能，成膜质量更加致密，能够形成最为理想的欧姆接触层，即底层ito膜层；顶层ito膜层(粗化层)在相对低温下进行蒸镀得到，并且在蒸镀过程中在坩埚冷却水流量相对较大的情况下使ito源1附近温度相对较低，ito源1与坩埚壁保留最大的接触面积，ito颗粒聚集成相对较大的颗粒团，在晶片表面形成粗化的表面。相对于常规调控腔体温度一般在300℃以下来控制ito成膜表面粗糙度的方法，本发明主要是通过调控ito源表面附近的温度来直接调控ito颗粒的大小，ito源表面附近熔化温度一般需要1500℃以上，在ito源周围附近直接调控温度来形成大小可控的颗粒，能够更大程度上调控ito膜层的粗糙化程度。
31.2、本发明中使用不同形状的ito源来蒸镀不同的ito膜层，其中，ito源2为凹字形特殊形状，使用凹字形特殊形状的ito源2的优点在于，能够保证底层ito膜层形成的同时恰好可以使用完ito源2的凹字形底部部分，而将凹字形底部部分使用完后，电子束击打ito源1的表面，这时恰好开始进行顶层ito膜层的蒸镀，其中凹字形底部部分ito的量根据所需要蒸镀的底层ito膜层的厚度以及ito源的密度进行具体调整，为常规调整，不再进行额外说明；而且该特殊ito图形的设计能够保证在ito源2的底部部分蒸镀完后，因为有两侧的支撑，该源不会发生倾倒的现象，保证了后续ito源1的正常使用。本发明中，采用两个不同形
状的ito源的设计，并且调整坩埚侧壁冷却水的流量，使两个ito源的冷却效果不同，因此得到了不同的ito膜层。
32.3、本发明调控不同ito源的形状、蒸镀时坩埚侧壁冷却水流量的大小以及膜层厚度，实现了ito膜层的粗化，提高了led的亮度；本发明方法，整个过程简单易实现，仅仅通过蒸镀方法实现了ito表面的粗化过程，避免了腐蚀性药品的使用，适合所有led晶片表面透明导电膜层的粗化制作工艺，适用于规模化生产。
附图说明
33.图1是坩埚结构示意图；
34.图2是装有ito源的坩埚示意图；
35.图3是实施例1蒸镀完成的ito粗糙表面的显微镜照片；
36.其中，001为坩埚，002为ito源1，003为ito源2。
具体实施方式
37.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定和说明，但不仅限于此。
38.同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
39.实施例中所用电子束蒸发台型号为fu-20peb-ito。
40.实施例1
41.一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法，包括步骤如下：
42.(1)ito源准备：将圆柱形的ito源1放入坩埚内(坩埚结构示意图如图1所示，包括垂直段和倾斜段)，ito源1的高度比坩埚垂直段高度低2mm，ito源1与坩埚内壁接触；在ito源1的上方放置凹字形的ito源2，所述凹字形的开口与ito源1上表面相对；所述凹字形的两侧与坩埚垂直段内壁的间距为1mm；所述凹字形底部的厚度为3mm，凹字形开口所对的底部的ito源的总量与蒸镀底层ito膜层所需的ito的量相同；所述凹字形两侧的宽度均为3mm；凹字形开口所对的ito源1的量与与蒸镀粗化ito膜层所需的ito的量相同，待蒸镀使用；ito源1与ito源2的纯度为4n，装有ito源的坩埚示意图如图2所示。
43.(2)底层ito膜层的制备：将清洗后的将待蒸镀晶片放入蒸发台腔体内，然后进行加热、抽真空；将坩埚冷却水流量调整到3l/min，待镀膜温度达到340℃，真空度达到1.0e-6torr后，在通氧量为5sccm的条件下进行底层ito膜层的蒸镀，底层ito膜层的厚度为50埃；氧气的纯度为99.999％。
44.(3)粗化ito膜层的制备：步骤(2)完成后，关闭加热，将腔体温度冷却到100℃，将坩埚冷却水流量调整到9l/min后，在通氧量为10sccm的条件下进行粗化ito膜层的蒸镀，粗化ito膜层的厚度为600埃；氧气的纯度为99.999％。蒸镀完后所得ito粗糙表面的显微镜照片如图3所示。
45.(4)管芯结构制作：完成上述步骤(3)后，在晶片正面进行p面电极制作，衬底减薄后在n面制作n面电极，并且对n面电极和ito膜层进行高温合金处理，温度为365℃，时间为7min，然后将晶片切割成单个管芯，得到具有粗化ito膜层的led管芯；p、n电极制作的金属材料纯度为5n级。
46.实施例2
47.一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法如实施例1所述，所不同的是：步骤(3)中坩埚冷却水流量调整到8l/min。
48.实施例3
49.一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法如实施例1所述，所不同的是：步骤(3)中坩埚冷却水流量调整到10l/min。
50.对比例1
51.一种led晶片表面的粗化ito膜层的制备方法如实施例1所述，所不同的是：步骤(3)中坩埚冷却水流量调整到4l/min。
52.试验例1
53.根据实施例1-3以及对比例1所述方法制备尺寸为5.5mil*5.5mil的砷化镓基led晶片，然后将晶片切割成单个管芯，测试每个管芯的亮度，结果如表1所示。
54.表1实施例1-3以及对比例1所述方法制备得到管芯的亮度
55.样品lop1亮度/mcd实施例1225-245实施例2230-250实施例3240-260实施例4180-190
56.从上表可以看出，本发明的方法制备的具有粗糙的ito膜层的led管芯，其亮度明显高于对比例。因此，本发明的方法可以得到出光效率较高的led管芯，并且本发明的制备方法成本较低、粗糙化理想，适合规模化作业。