一种具有亚波长抗反射光栅miniLED的制作方法与流程

一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法
技术领域
1.本发明涉及led技术领域，具体是涉及一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法。


背景技术：

2.mini led现有的提高出光效率的做法是在正面使用电子束方式蒸镀dbr（分布式布拉格反射器）反射镜，这种方式当时可以取得一定的反射效果，但有两个明显的缺点：第一是dbr反射对于垂直方向的光线反射较好，但对于具有一定角度的入射光，反射效率明显降低；第二是dbr为了追求较好的反射效果，往往会蒸镀三十几层，整体厚度接近3μm，这样不仅使得蒸镀过程耗时长而导致成本增加，同时这么厚的dbr会对后续的刻蚀工艺造成很大的困难。膜层越厚，对光刻胶的要求也越高，侧蚀越难以控制。因此，寻求一种工艺简单、出光效率以及成品率高的mini led制作方法显得尤为重要。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法，该制作方法在mini led的出光面，制作亚波长抗反射光栅，代替传统的dbr反射结构，在保障较高出光效率的情况下，工艺操作更方便，同时可以根据出射波长，快速便捷的调整工艺。
4.本发明提供的一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法，具体包括以下步骤：s1.外延片的生长：使用mocvd技术（金属有机化合物气相沉淀技术），在gaas基板上，生长有有源层，包括自下而上生长的gaas缓冲层、gainp腐蚀截止层、gaas欧姆接触层、gainp电极保护层、algainp电流扩展层、alinp限制层、第一algainp波导层、多量子阱结构、第二algainp波导层、alinp限制层、过渡层，有源层的最外层为gap窗口层；s2.表面粗化处理：利用icp（电感耦合等离子体蚀刻）技术对gap窗口层表面进行蚀刻，然后清洗、旋干；s3.表面沉积sio2：使用pecvd技术（等离子体增强化学气相沉淀技术）在清洗后的外延片和宝蓝石（sap基板）上沉积sio2；s4.表面化学机械抛光：对表面沉积sio2的外延片，进行表面化学机械抛光，抛光后的表面粗糙度在1
‑
5nm之间；s5.表面活化、键合：对抛光后的sio2表面进行活化处理，活化过程使用koh与甘油的混合水溶液，其中甘油与h2o的体积比为1:3，koh浓度比为0.5mol/l，活化温度40
‑
45℃，活化时间10min；活化后的外延片与蓝宝石（sap基板），进行键合；s6.去除原有gaas基板：使用nh4oh、h2o2、h2o体积比为1:5:5的溶液进行基板去除，反应直到gainp腐蚀截止层截止，然后将整个结构翻转；s7.台面制作：利用光刻掩膜技术制作出台面图形，用光刻胶作为掩膜，icp蚀刻出
台面，台面的深度控制在5.5
‑
6.5μm；s8.p电极制作：先用光刻胶作出p电极图形，然后使用电子束蒸发技术，将金属蒸发至晶圆表面，再去除光刻胶，得到p电极；s9.n电极制作：先使用光刻掩膜蚀刻技术，将表面的gaas腐蚀出特定的形状，用h3po4、h2o2、h2o体积比为1:1:3的溶液进行腐蚀，然后使用负胶剥离，结合电子束蒸发技术，得到n电极；s10.隔离道蚀刻：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；s11.钝化隔离：使用pecvd技术，在表面沉积sio2，将裸露在外面的外延层侧面全部覆盖住，沉积厚度是1.8
‑
2.2μm；s12.接触孔蚀刻：先利用光刻掩膜技术制作出接触孔图形，然后用光刻胶作为掩膜，icp蚀刻出接触孔，一直蚀刻到p/n电极，蚀刻气体为sf6/o2；s13.焊盘制作：利用负胶剥离技术与电子束蒸镀技术，制作焊盘电极，所述焊盘电极结构为：ti500nm/al5000nm，循环5次，然后ni100nm，au300nm，总厚度为3.5μm；s14.蓝宝石减薄、抛光：使用机械研磨减薄，然后进行cmp抛光，减薄厚度为80
‑
100μm；s15.临时键合：将芯片用有机溶液清洗后，在晶圆表面涂覆临时键合胶，键合至临时基板上；s16.蒸镀sio2薄膜：利用电子束蒸发技术，蒸发sio2薄膜，厚度依据不同的出光波长进行设计；s17.光栅制作：使用全息曝光技术，在蓝宝石出光面，制作光栅图形；光栅周期、占空比等都依据初设波长进行设计；s18.解除临时键合：将晶圆放置在热板上，热板温度设置为150℃
±
5℃，待键合胶失去粘性后，用真空吸笔吸住临时基板，水平方向滑动，直至临时基板与晶圆分离，然后使用pma（丙二醇甲醚醋酸酯）清洗晶圆；s19.切割、劈裂：进行激光隐形切割、劈裂，完成芯粒制作。
5.本技术方案以亚波长抗反射光栅代替传统的dbr，光栅制作只需要蒸镀单层膜，工艺流程大大简化，在保障较高出光效率的情况下，工艺操作更方便，同时可以根据出射波长，快速便捷的调整工艺。
6.进一步的，上述技术方案步骤s1中，所述algainp电流扩展层厚度为3
‑
3.5μm，所述第一algainp波导层的厚度为100
±
5nm，所述第二algainp波导层的厚度为90
±
5nm，所述gap窗口层采用梯度渐变掺杂，分成四部分，其中第一部分的厚度为0.87μm，掺杂浓度为5
×
10
17
‑5×
10
18
cm
‑3，第二部分的厚度为6.57μm，掺杂浓度为8
×
10
18
‑1×
10
19
cm
‑3，第三部分的厚度为1.1μm，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3，第四部分表层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3。
7.进一步的，上述技术方案步骤s2中，所述粗化深度为3000
å±
1000
å
；所述蚀刻的条件有：气体/流量为cl2/20sccm、bcl3/40sccm、n2/10sccm，上电极功率为1500w，下电极功率为800w，腔体真空为5mtorr，蚀刻时间为5min。
8.进一步的，上述技术方案步骤s3中，所述沉积sio2的厚度为2
‑
3μm，折射率为1.45
‑
1.46，所述pecvd技术的条件为：反应气体为sih4与n2o，流量比1:4，载气为n2，占总体气流量的50%，射频功率为50
‑
60w，腔体压力90
‑
110pa。
9.进一步的，上述技术方案步骤s4中，所述抛光条件为：工作压力为1.5
‑
2.5psi，上盘转速为100
±
5rpm，下盘转速为90
±
5rpm，抛光时间5
‑
8min，磨料使用直径为30
‑
50nm的球形sio2。
10.进一步的，上述技术方案步骤s5中，所述键合条件为：压力为15000
‑
25000kgf，键合温度为250
‑
270℃，真空度为0.5torr，键合时间为120min。本技术方案中，当晶圆直径为4寸时，优选压力为15000kgf，当晶圆直径为6寸时，优选压力为25000kgf。
11.进一步的，上述技术方案步骤s8中，所述p电极结构为au/auzn/au，厚度分别为50nm、220nm、100nm；步骤s9中，所述n电池结构为au/augeni/au，厚度分别为50nm、220nm、100nm。
12.进一步的，上述技术方案步骤s15中，所述键合胶为热解临时键合胶，采用旋转涂胶法进行涂胶，所述临时基板为抛光的蓝宝石或石英片；所述临时键合参数为：压合时间为10min，真空度≤5mbar，温度为120
‑
130℃，压力为450
‑
550kgf。
13.本技术方案中因为是在薄基板条件下制作光栅，为了防止破片，外延应力翘曲影响光刻图形，应用临时键合技术，使用临时基板防止破片与对抗应力，在保证保证基板减薄的情况下，还能提高成品率。
14.进一步的，上述技术方案步骤s17中，所述光栅制作的具体步骤包括：a.在蓝宝石出光面表面旋涂光刻胶，旋涂厚度为1.5μm，用热板烘烤，烘烤温度为100
‑
120℃，烘烤时间为5min；b.全息曝光，采用波长325nm的光源对基板进行曝光，其中曝光时间为60
‑
70s，光束夹角为30
‑
32
°
；c.曝光后在显影液中显影100
‑
110s，热氮气吹干，在120℃热板上坚膜5min，完成曝光图形制作；d.使用icp对曝光后的基板进行蚀刻；e.使用去胶液去除表面剩下的光刻胶，完成光栅制作。
15.因为光束夹角与干涉周期图形存在这样的规律，λ=λ0/2sin（θ），其中λ是干涉周期，λ0是入射波长，θ是入射夹角，这样得到的光栅图形周期为290nm
‑
310nm左右，是比较合适的抗反射性光栅需要的周期。本技术方案中可以通过调节光栅的周期、占空比和槽深等参数来实现任意等效折射率，即使这种折射率的材料在自然界中并不存在这是传统抗反射薄膜所不能比拟的。
16.进一步的，上述技术方案，步骤d中，所述蚀刻条件为：使用的气体为o2和sf6，流量分别为40sccm和10sccm，腔体压力为0.5pa，icp功率为300w，bias功率为150w。
17.本发明与现有技术相比，其有益效果有：1.本发明使用以亚波长抗反射光栅代替传统的dbr，光栅制作只需要蒸镀单层膜，工艺流程大大简化，在保障较高出光效率的情况下，工艺操作更方便，同时可以根据出射波长，快速便捷的调整工艺；2.本发明在蓝宝石出光面制作亚波长抗反射光栅，代替传统的dbr反射结构，可以通过调节光栅的周期、占空比和槽深等参数来实现任意等效折射率，即使这种折射率的材
料在自然界中并不存在，这是传统抗反射薄膜所不能比拟的；3.本发明的光栅具有保护出光面不受污染的作用，通常的粉尘、水汽的尺寸，均远远大于光栅尺寸，这样杂质落在出光面上后，会被光栅阻挡而不会接触出光面；4.本发明应用临时键合技术，保证基板减薄的情况下，提高了成品率。
附图说明
18.图1为本发明具有亚波长抗反射光栅mini led制作工艺流程图；图2为本发明制作的具有亚波长抗反射光栅mini led结构示意图；图3为本发明光栅制作示意图。
19.示意图中标号说明：1.有源层；2.粗化后的gap窗口层；3.sio2；4.sap基板；5.p电极；6.n电极；7.接触孔；8.焊盘电极；9.抗反射光栅；10.sio2薄膜；11.光刻胶；12.全息光。
具体实施方式
20.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，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，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
21.在本技术的描述中，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技术保护范围的限制。
22.在本技术的描述中，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技术和简化描述，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技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
23.请参阅图1至图3，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。
24.图1为本发明一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法的制作工艺流程图。
25.本发明提供的一种具有亚波长抗反射光栅mini led的制作方法，具体包括以下步骤：s1.外延片的生长：使用mocvd技术，在gaas基板上，自下而上依次外延生长有gaas缓冲层、gainp腐蚀截止层、gaas欧姆接触层、gainp电极保护层、algainp电流扩展层、alinp限制层、第一algainp波导层、多量子阱结构、第二algainp波导层、alinp限制层、过渡层、gap窗口层；
具体地，所述algainp电流扩展层的厚度控制在33.5μm之间，所述第一algainp波导层的厚度为100
±
5nm，所述第二algainp波导层的厚度为90
±
5nm，所述gap窗口层采用梯度渐变掺杂，共分成四部分，其中第一部分的厚度为0.87μm，掺杂浓度为5
×
10
17
‑5×
10
18
cm
‑3，第二部分的厚度为6.57μm，掺杂浓度为8
×
10
18
‑1×
10
19
cm
‑3，第三部分的厚度为1.1μm，掺杂浓度为1
×
10
19
cm
‑3，第四部分表层的厚度为0.2μm，掺杂浓度为5
×
10
19
cm
‑3。
26.s2.表面粗化处理：利用icp技术对gap窗口层表面进行蚀刻，然后清洗、旋干；具体地，利用icp技术，使用气体/流量为cl2/20sccm、bcl3/40sccm、n2/10sccm；上电极功率为1500w，下电极功率为800w，腔体真空为5mtorr，蚀刻时间为5min。粗化后，外延片的清洗使用稀释的氨水进行清洗，氨水稀释比例为nh4oh：h2o=1:10（体积比）。清洗流程为先用氨水漂洗10s，然后用去离子水冲洗，热氮气旋干。
27.s3.表面沉积sio2：使用pecvd技术在清洗后的外延片和宝蓝石上沉积sio2；具体地，沉积sio2的厚度为2μm，折射率控制在1.45
‑
1.46之间。pecvd技术使用的反应气体为sih4与n2o，流量比为1:4，载气使用的是n2，占总体气流量的50%；射频功率为50
‑
60w，腔体压力90
‑
110pa。
28.s4.表面化学机械抛光：对表面沉积sio2的外延片，进行表面化学机械抛光（cmp），抛光后的表面粗糙度在1
‑
5nm之间；具体地，抛光条件有：工作压力为1.5
‑
2.5psi，上盘转速为100
±
5rpm，下盘转速为90
±
5rpm，抛光时间为5
‑
8min，其中磨料使用直径为30
‑
50nm的球形sio2。通常情况下，抛光液配比可以是：磨料25g、无机碱3g、40％硅胶140ml以及添加剂10.5g；抛光后，表面粗糙度控制在1
‑
5nm。
29.s5.表面活化、键合：对抛光后的sio2表面进行活化处理，活化过程使用koh与甘油的混合水溶液，其中甘油与h2o的体积比为1:3，koh浓度比为0.5mol/l，活化温度40
‑
45℃，活化时间10min；活化后的外延片与蓝宝石，进行键合；具体地，键合条件可以是：当晶圆直径为4寸时，优选压力为15000kgf，当晶圆直径为6寸时，优选压力为25000kgf，真空度为0.5torr，键合时间为120min。
30.s6.去除原有gaas基板：使用nh4oh、h2o2、h2o体积比为1:5:5的溶液进行基板去除，反应直到gainp 腐蚀截止层截止，然后将整个结构翻转；具体地，使用盐酸漂洗去除gainp 腐蚀截止层，并露出gaas欧姆接触层。
31.s7.台面制作：利用光刻掩膜技术制作出台面图形，用光刻胶作为掩膜，icp蚀刻出台面，台面的深度控制在5.5
‑
6.5μm；具体地，icp蚀刻气体为cl2/bcl3/hbr。
32.s8.p电极制作：先用光刻胶作出p电极图形，然后使用电子束蒸发技术，将金属蒸发至晶圆表面，再去除光刻胶，得到p电极；具体地，利用负胶剥离技术，首先用光刻胶作出p电极图形，然后使用电子束蒸发技术，将金属蒸发至晶圆表面，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，负胶剥离的好处是电极图形均匀一致；其中，电极结构为au/auzn/au，厚度为50/220/100，单位nm。
33.s9.n电极制作：先使用光刻掩膜蚀刻技术，将表面的gaas腐蚀出特定的形状，用h3po4、h2o2、h2o体积比为1:1:3的溶液进行腐蚀，然后使用负胶剥离，结合电子束蒸发技术，得到n电极；
具体地，n电极制作流程与p电极过程一致，其电极结构为au/augeni/au，厚度为50/220/100，单位nm。
34.s10.隔离道蚀刻：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；具体地，该蚀刻气体为cl2/bcl3/hbr。
35.s11.钝化隔离：使用pecvd技术，在表面沉积sio2，将裸露在外面的外延层侧面全部覆盖住，沉积厚度是1.8
‑
2.2μm；具体地，该沉积过程与键合层sio2过程相同。
36.s12.接触孔蚀刻：先利用光刻掩膜技术制作出接触孔图形，然后用光刻胶作为掩膜，icp蚀刻出接触孔，一直蚀刻到p/n电极，蚀刻气体为sf6/o2；s13.焊盘制作：利用负胶剥离技术与电子束蒸镀技术，制作焊盘电极，所述焊盘电极结构为：ti500nm/al5000nm，循环5次，然后ni100nm，au300nm，总厚度为3.5μm；s14.蓝宝石（sap基板）减薄、抛光：使用机械研磨减薄，然后进行cmp抛光，减薄厚度为80μm
‑
100μm；具体地，使用砂轮机将宝蓝石从680μm减薄至110μm左右，然后进行粗抛10min至厚度为90μm左右，最后进行软抛，约10min，其它抛光过程与之前sio2抛光过程一致。
37.s15.临时键合：将芯片用有机溶液清洗后，在晶圆表面涂覆临时键合胶，键合至临时基板上；具体地，本发明使用的是热解型临时键合胶，晶圆与临时基板均要涂胶；所述临时基板使用抛光的蓝宝石或石英片；临时键合胶采用旋转涂胶法，即利用晶圆的旋转，将键合胶均匀的涂覆在晶圆与临时基板表面上，具体参数是：先以500rpm的速度旋转15s，然后以1500rpm的速度旋转30s，涂覆完成后，在100℃的n2烤箱中，烘烤3
‑
5min。晶圆与临时基板涂胶烘烤完成后，进行临时键合，即使用一定压力，在真空环境下，将晶圆与临时基板贴在一起，其中，键合参数可以为：压合时间10min，真空度≤5mbar，温度120
‑
130℃，压力为450
‑
550kgf。
38.s16.蒸镀sio2薄膜：利用电子束蒸发技术，在蓝宝石出光面蒸镀sio2薄膜，厚度依据不同的出光波长进行设计；具体地，sio2薄膜厚度控制在150
‑
200nm，折射率控制在1.39
‑
1.4，为低折射率，蒸镀过程中通入o2，其中，o2流量为50sccm。
39.s17.光栅制作：使用全息曝光技术，在蓝宝石出光面，制作光栅图形；光栅周期、占空比等都依据初设波长进行设计；其中，图3为光栅制作示意图，具体地，a.在蓝宝石出光面表面旋涂光刻胶，旋涂厚度为1.5μm，并用热板烘烤，烘烤温度为100
‑
120℃，烘烤时间为5min；b.全息曝光，采用波长325nm的全息光源对基板进行曝光，其中曝光时间为60
‑
70s，光束夹角为30
‑
32
°
。因为光束夹角与干涉周期图形存在这样的规律，λ=λ0/2sin（θ），其中λ是干涉周期，λ0是入射波长，θ是入射夹角，这样得到的光栅图形周期为290
‑
310nm左右，是比较合适的抗反射性光栅需要的周期。c.曝光后在显影液中显影100
‑
110s，热氮气吹干；在120℃热板中，坚膜5min，完成曝光图形制作；d.使用icp技术对曝光后的基板进行刻蚀，其中，使用的气体为o2和sf6，流量分别为40sccm和10sccm，腔体压力为0.5pa，icp功率为300w，bias为功率150w；e.使用去胶液去除表面剩下的光刻胶，完成光栅制作。
40.s18.解除临时键合：将晶圆放置在热板上，热板温度设置为150℃
±
5℃，待键合胶
失去粘性后，用真空吸笔吸住临时基板，水平方向滑动，直至临时基板与晶圆分离，然后使用pma清洗晶圆；s19.切割、劈裂：进行激光隐形切割、劈裂，完成芯粒制作。
41.参照图2所示，本发明制作的具有亚波长抗反射光栅mini led，包括自下而上依次分布的抗反射光栅9、sap基板4、sio
2 3、粗化后的gap窗口层2、有源层1，其中所述粗化后的gap窗口层2一侧被蚀刻后制作有p电极5，所述有源层1上蚀刻有两个n电极6，所述p电极5和n电极6分别通过接触孔7与焊盘电极8连接。该具有亚波长抗反射光栅mini led通过在蓝宝石出光面制作亚波长抗反射光栅，代替传统的dbr反射结构，在保障较高出光效率的情况下，工艺操作更方便。
42.经对本发明方法制作的具有亚波长抗反射光栅的mini led和常规led进行测试，结果显示：具有亚波长抗反射光栅mini led的亮度比常规led产品的亮度提升了15
‑
25%。
43.综上所述，本发明通过在蓝宝石出光面制作亚波长抗反射光栅，代替传统的dbr反射结构，只需要蒸镀单层膜，工艺流程大大简化，可以通过调节光栅的周期、占空比和槽深等参数来实现任意等效折射率，出光效率得到提升，同时，在保障较高出光效率的情况下，工艺操作更方便，还可以根据出射波长，快速便捷的调整工艺；另外，本发明应用临时键合技术，保证基板减薄的情况下，提高了成品率。
44.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。