CN108735868B - 一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，属于半导体加工技术领域，包括以下具体步骤：1、第一次光刻电极图形制作；2、第一次电极蒸镀Cr、Al、Ti、Au；3、第二次光刻电极图形制作；4、氧气等离子体清洗；5、第二次电极蒸镀。本发明通过两次光刻电极图形和两次电极蒸镀，实现了包覆式电极结构的制作，通过电极双面反射，整个管芯的发光亮度极高；通过氧气等离子体的清洗，保证了电极整体稳定性。整个制作过程原理简单，通过本发明方法制作出的管芯，发光亮度较高，管芯焊线良率较高，电极整体稳定性好，本方法适用于所有GaN基LED管芯的制作，适用性广。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有双面反射功能的GaN基LED包覆式电极结构的具体制作方法，属于半导体加工技术领域。
背景技术
LED(Light Emitting Diode)，发光二极管，是一种固态的半导体发光器件，它能够直接将电能转化为光能。LED的关键结构是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，作为负极(N极)使用，另外的一端连接到电源的正极(P极)上，将整个晶片被环氧树脂密封起来。半导体晶片由两部分组成(P、N电极)，一部分是P型半导体，在P型半导体里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在N型半导体这边主要是电子，中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED是半导体二极管的一种，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。
LED被称为***光源，具有节能、环保、安全、寿命长、低功耗、低热、高亮度、防水、微型、防震、易调光、光束集中、维护简便等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明等领域。随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。
近年来，为提高LED管芯发光亮度，反射电极、背镀DBR、背镀ODR、隐形切割、高温腐蚀等技术层出不穷，这也反应出整个行业对高亮度LED管芯的迫切需求。作为整个管芯的重要结构，电极，对发光效率的影响重大。在传统的电极结构制作中，使用CrAu、NiAu等方法作为电极形成的结构已经不再适用，而使用Al层作为反射镜形成低吸收、高反射的电极结构渐渐被行业采用。
中国专利文件CN105552191A(201610071720.6)提出了一种具有双反射表面的LED芯片电极结构，主要结构为：Cr层、第一Al层、至少一对TiN/Pt层、Au层、第二Al层和TiN外层组成的梯形结构扩展条。通过该金属膜层的设计可以达到光的双面反射的效果(P电极底面以及N电极侧面)。但是在该专利中没有涉及具体的包覆式电极的制作方法，而传统电极的制作中，大多数是形成的堆叠式结构，在电极边缘不能有效的完全覆盖，侧面反射很难完成。
发明内容
术语说明及解释：
多余金属：本文中所述多余金属是指电极区域之外的金属膜层，电极区域之外处包括管芯发光区、切割道区域；氮化镓的边缘区域为切割道。
常温：本发明中，定义常温为室温25°。
针对现有的GaN基LED电极结构不能有效的实现双面反射的弊端，本发明通过两次光刻与两次蒸镀，实现了具有双面反射功能的GaN基LED完全包覆式电极结构的具体制作。
本发明的技术方案如下：
一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、第一次光刻电极图形制作，在GaN基LED晶片上，使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形；
步骤2、第一次蒸镀电极，包括：
步骤2-1，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，进行第一Cr层的蒸镀；
步骤2-2，进行第一Al层反射镜的蒸镀；
步骤2-3，进行Ti层蒸镀；
步骤2-4，进行Au层蒸镀；
步骤2-5，将步骤2-4中的晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用稀盐酸浸泡，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形；步骤2-5中使用盐酸微腐蚀处理是为第二次电极图形的覆盖做准备，边缘整齐的电极侧面较为容易实现全覆盖，不整齐时很可能覆盖不完全；
步骤3、第二次光刻电极图形制作；
使用负向光刻胶，在步骤1的电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展0.5-1μm，制作出与步骤2中相匹配的电极图形；
该步骤中“将电极图形整体大小向外扩展”，是指将步骤1中的电极图形尺寸的整体扩展，比如电极图形若为圆形，那么扩展的是图形的直径的大小；若为正方形，扩大的是所有边的长度；如果为长方形，扩大的分别为长和宽等，依此类推，本发明的工艺方法包括上述所有图形但不仅限于此。
步骤4、氧气等离子体清洗，将步骤3中的晶片，放置到氧气等离子体清洗机内进行清洗作业；
步骤5、第二次蒸镀电极，包括：
步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，进行第二Cr层的蒸镀；
步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀；
步骤5-3，使用蓝膜剥离出最终电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。
根据本发明优选的，步骤2-1中，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr或9.0E-6Torr以上之后，进行第一Cr层的蒸镀，第一Cr层的厚度为5-30埃，蒸镀后冷却3min。
根据本发明优选的，步骤2-2中，进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为500-1000埃，冷却3min。
根据本发明优选的，步骤2-3中，进行Ti层蒸镀，厚度为200-500埃，冷却3min。
根据本发明优选的，步骤2-4中，进行Au层蒸镀，厚度为3000-5000埃，冷却至常温。
根据本发明优选的，步骤2-5中，将步骤2-4中晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用盐酸：水的体积比为1:10的稀盐酸浸泡5-20秒，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形。
进一步优选的，步骤2-5中，所述盐酸的质量分数为36％-38％，所述盐酸的密度为1.10-1.25g/ml。
根据本发明优选的，步骤4中，氧气的纯度为5N级。以保证晶片表面洁净。
根据本发明优选的，步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到3.0E-6Torr或3.0E-6Torr以上之后，进行第二Cr层的蒸镀，第二Cr层厚度为5-30埃，蒸镀后冷却3min。
根据本发明优选的，步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀，厚度为500-1000埃，冷却3min。
根据本发明优选的，步骤2-1和步骤5-1中，金属Cr纯度为99.99％(4N级)及以上，Cr金属颗粒大小不超过5mm；
根据本发明优选的，步骤2-2和步骤5-2中，金属Al纯度为99.999％(5N级)及以上。
根据本发明优选的，步骤2-3中，金属Ti纯度为99.999％(5N级)及以上。
根据本发明优选的，步骤2-4中，Au纯度为99.999％(5N级)及以上。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，通过两次光刻电极、两次蒸镀电极形成了完全的包覆式电极结构，在P电极底部和N电极侧面组成一个完整的反射体系，大幅度提高了整体管芯的亮度。
2、本发明中，第一Cr层，主要作用为增加反射层与外延层之间的粘附性，并形成良好的欧姆接触；第二Cr层防止Au、Al金属相互扩散，并且在Au上进行的蒸镀，所以必须对Au层表面进行氧气等离子体清洗，来保证接触界面的洁净，相应真空度要求更高(保证Cr金属原子有更大的平均自由程，避免与气体分子过多碰撞，粘附不牢固)。而且两次蒸镀的Cr厚度均为5-30埃，相对于反射镜Al层的500-1000埃厚度，形成的坡面可以忽略(相对高度1％-3％)，这样，可以实现我们设计的完全包覆式电极结构。
3.本发明中，第二次光刻电极图形制作的电极整体扩展的尺寸非常重要，通过本发明的研究发现，扩展尺寸小于0.5μm以及更小，形成不了完整的包覆层，会有部分侧面金属混合叠加，扩展尺寸大于1μm以及更大，会形成电极翘曲层，不仅仅电极侧面翘曲层极易脱离，而且第二层蒸镀的Cr/Al反射层整体会粘附不牢固，焊线打电极时容易脱落，影响焊线效率，无法形成有效的两次反射。只有扩展尺寸在0.5-1μm时，根据本发明中电极膜层蒸镀，才会形成良好的完全覆盖式电极结构。
4、本发明中，第一次电极蒸镀完成后经过蓝膜剥离后再经过微腐蚀处理电极侧面，将电极侧面通过短时间腐蚀作用制作出边缘整齐的电极图形，有利于后面第二次蒸镀形成完全包覆式电极的形成。
5.本发明中，一次蒸镀后晶片离开真空室，电极表面与空气接触，如果直接进行电极蒸镀，电极粘附性难移保证，为解决该问题，在晶片装载如真空室之前，进行了氧气等离子体表面处理，解决了二次蒸镀电极粘附不牢问题，能保证电极整体的稳定性。
6.本发明中电极结构简易，制作原理科学，通过两次光刻形成包覆式电极结构，适用于所有LED管芯电极结构的制作。
附图说明
图1为第一次光刻电极图形制作完成结构图(步骤1完成)；
图2为第一次电极蒸镀微腐蚀处理电极侧面后电极结构图(步骤2完成)；
图3为第二次光刻电极图形制作完成结构图(步骤3完成)；
图4为第二次电极蒸镀并取光刻胶后电极结构图(步骤5完成)；
图5为电极双面反射光线原理图；
图6为本发明中制作完成的完全包覆式电极结构示意图。
其中：1.蓝宝石衬底，2.n型GaN层，3.p型GaN层，4.量子阱层，5.第一次光刻电极负向光刻胶，6.第一次蒸镀电极的Cr/Al/Ti/Au层，7.第二次光刻电极负向光刻胶，8.第二次蒸镀电极的Cr/Al层，9.完整的电极结构(P、N电极)，10.第一Cr层，11.第一Al层，12.Ti层，13.Au层，14.第二Cr层，15.第二Al层。
具体实施方式
根据本发明内容，在具体实施方式中以制作7*8mil2尺寸电极为例，进行进一步对比说明本发明的有益效果，但不限于此。
实施例1
一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、第一次光刻电极图形制作，在GaN基LED晶片上，使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形；如图1所示；
步骤2、第一次蒸镀电极，包括：
步骤2-1，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr后，第一Cr层的蒸镀，厚度为5埃，冷却3min；
步骤2-2，进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
步骤2-3，进行Ti层蒸镀，厚度为200埃，冷却3min；
步骤2-4，进行Au层蒸镀，厚度为3000埃，冷却至室温25°；
步骤2-5，将步骤2-4中的晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用盐酸：水的体积比为1:10的稀盐酸浸泡5秒，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形；如图2所示；
步骤3、第二次光刻电极图形制作
使用负向光刻胶，在步骤1电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展0.5μm，制作出与步骤2中相匹配的电极图形；如图3所示；
步骤4、氧气等离子体清洗，将步骤3中晶片，放置到氧气等离子体清洗机内进行清洗作业；
步骤5、第二次蒸镀电极，包括：
步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到3.0E-6Torr后进行第二Cr层的蒸镀，Cr层厚度为5埃，冷却3min；
步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
步骤5-3，使用蓝膜剥离出最终电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。如图4所示。
步骤2-1和步骤5-1中，金属Cr纯度为99.99％(4N级)，Cr金属颗粒大小不超过5mm；步骤2-2和步骤5-2中，金属Al纯度为99.999％(5N级)；步骤2-3中，金属Ti纯度为99.999％(5N级)；步骤2-4中，Au纯度为99.999％(5N级)。
通过两次掩膜图形的制作和两次金属电极的制作，利用第二金属电极适宜的尺寸的制作，形成了包覆式电极结构的制备，实现了电极侧面反射，出光效率提高，增加了整个管芯的亮度，其原理图如图5所示，图5中用三个不同位置的发光点A、B、C代表不同的光路路线。
实施例2
一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、第一次光刻电极图形制作，在GaN基LED晶片上，使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形；
步骤2、第一次蒸镀电极，包括：
步骤2-1，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr后，第一Cr层的蒸镀，厚度为30埃，冷却3min；
步骤2-2，进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为1000埃，冷却3min；
步骤2-3，进行Ti层蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
步骤2-4，进行Au层蒸镀，厚度为5000埃，冷却至室温25°；
步骤2-5，将步骤2-4中的晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用盐酸：水的体积比为1:10的稀盐酸浸泡20秒，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形；
步骤3、第二次光刻电极图形制作
使用负向光刻胶，在步骤1电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展1μm，制作出与步骤2中相匹配的电极图形；
步骤4、氧气等离子体清洗，将步骤3中的晶片，放置到氧气等离子体清洗机内进行清洗作业；本步骤中，氧气的纯度为5N级，以保证晶片表面洁净；
步骤5、第二次蒸镀电极，包括：
步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到3.0E-6Torr后进行第二Cr层的蒸镀，Cr层厚度为30埃，冷却3min；
步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀，厚度为1000埃，冷却3min；
步骤5-3，使用蓝膜剥离出最终电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。
实施例3
一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤步骤2-5中，盐酸的质量分数为36％，所述盐酸的密度为1.10g/ml。
实施例4
一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其步骤如实施例1所述，所不同的是，步骤步骤2-5中，盐酸的质量分数为38％，所述盐酸的密度为1.25g/ml。
对比例1
本例中，只进行一次光刻，电极蒸镀一次制作完成。
步骤1、使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形；
步骤2、蒸镀电极；
(1)将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr后，第一Cr层的蒸镀，厚度为5埃，冷却3min；
(2)进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
(3)进行Ti层蒸镀，厚度为200埃，冷却3min；
(4)进行Au层蒸镀，厚度为3000埃，冷却5min；
(5)进行Cr层蒸镀，厚度为5埃，冷却3min；
(6)进行Al层蒸镀，厚度为500埃，冷却至室温25°；
(7)使用蓝膜剥离出电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。
对比例2
本例中步骤如实施例1所述，所不同的是,实施例1中的步骤3：第二次光刻电极图形制作后不进行步骤4氧气等离子体清洗，其它步骤同实施例1。
步骤1、第一次光刻电极图形制作，在GaN基LED晶片上，使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形。
步骤2、第一次蒸镀电极：
(1)将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr后，第一Cr层的蒸镀，厚度为5埃，冷却3min；
(2)进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
(3)进行Ti层蒸镀，厚度为200埃，冷却3min；
(4)进行Au层蒸镀，厚度为3000埃，冷却至室温25°；
(5)将步骤(4)中晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步的电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用盐酸：水的体积比为1:10的稀盐酸浸泡5秒，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形。
步骤3、第二次光刻电极图形制作
使用负向光刻胶，在步骤1电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展0.5μm，制作出与步骤2中相匹配的电极图形。
步骤4、第二次蒸镀电极。
(1)将步骤3中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到3.0E-6Torr后进行第二Cr层的蒸镀，Cr层厚度为5埃，冷却3min；
(2)进行第二Al层反射镜的蒸镀，厚度为500埃，冷却3min；
(3)使用蓝膜剥离出最终电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。
实验例
将实施例1、实施例2、对比例1、对比例2得到的电极进行焊线和推拉力测试验证，并进行封装测试亮度，得到结果如表1所示。
通过下表参数对比，对比例1中电极直接进行堆叠生长没有形成包覆结构的整体亮度较低。对比例2中第二次光刻后不进行氧气等离子体清洗的，管芯焊线良率较低，电极粘附性不好。而使用本发明的工艺方法制作的电极，焊线良率较好，电极粘附牢固，封装亮度较高。
表1管芯参数对比
| 条件 | 焊线良率 | 推力/gf | 拉力/gf | 封装亮度/lm |
| 实施例1 | 100.00％ | 52.83 | 5.92 | 0.868 |
| 实施例2 | 100.00％ | 53.29 | 5.89 | 0.862 |
| 对比例1 | 100.00％ | 53.36 | 5.96 | 0.790 |
| 对比例2 | 83.26％ | 37.85 | 4.28 | 0.853 |
Claims (12)
1.一种GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、第一次光刻电极图形制作，在GaN基LED晶片上，使用负向光刻胶，制作出光刻电极图形；
步骤2、第一次蒸镀电极，包括：
步骤2-1，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，进行第一Cr层的蒸镀；
步骤2-2，进行第一Al层反射镜的蒸镀；
步骤2-3，进行Ti层蒸镀；
步骤2-4，进行Au层蒸镀；
步骤2-5，将步骤2-4中的晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用稀盐酸浸泡，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形；
步骤3、第二次光刻电极图形制作；
使用负向光刻胶，在步骤1的电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展，制作出与步骤2中相匹配的电极图形；
步骤4、氧气等离子体清洗，将步骤3中的晶片，放置到氧气等离子体清洗机内进行清洗作业；
步骤5、第二次蒸镀电极，包括：
步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，进行第二Cr层的蒸镀；
步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀；
步骤5-3，使用蓝膜剥离出最终电极图形，并去掉光刻胶，得到完整的电极图形。
2.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-1中，将步骤1中完成的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到9.0E-6Torr或9.0E-6Torr以上之后，进行第一Cr层的蒸镀，第一Cr层的厚度为5-30埃，蒸镀后冷却3min。
3.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-2中，进行第一Al层反射镜的蒸镀，厚度为500-1000埃，冷却3min。
4.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-3中，进行Ti层蒸镀，厚度为200-500埃，冷却3min。
5.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-4中，进行Au层蒸镀，厚度为3000-5000埃，冷却至常温。
6.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-5中，将步骤2-4中晶片，使用蓝膜将多余金属剥离掉，得到初步电极图形，并使用去胶液去掉光刻胶，使用盐酸：水的体积比为1:10的稀盐酸浸泡5-20秒，微腐蚀处理电极侧面，得到侧面堆叠整齐的电极图形。
7.根据权利要求6所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-5中，所述盐酸的质量分数为36％-38％，所述盐酸的密度为1.10-1.25g/ml。
8.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤3中，使用负向光刻胶，在步骤1的电极图形的基础上将电极图形整体大小向外扩展0.5-1μm。
9.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤4中，氧气的纯度为5N级。
10.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤5-1，将步骤4中的晶片，放置到电子束蒸发台腔室内，真空度达到3.0E-6Torr或3.0E-6Torr以上之后，进行第二Cr层的蒸镀，第二Cr层厚度为5-30埃，蒸镀后冷却3min。
11.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤5-2，进行第二Al层反射镜的蒸镀，厚度为500-1000埃，冷却3min。
12.根据权利要求1所述的GaN基LED包覆式电极结构的制作方法，其特征在于，步骤2-1和步骤5-1中，金属Cr纯度为99.99％及以上，Cr金属颗粒大小不超过5mm；步骤2-2和步骤5-2中，金属Al纯度为99.999％及以上；步骤2-3中，金属Ti纯度为99.999％及以上；步骤2-4中，Au纯度为99.999％及以上。
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