CN109698123B - 一种GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法 - Google Patents

Abstract

一种GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，包括如下制作步骤：（1）GaAs衬底腐蚀；（2）水洗；（3）阻挡层去除；（4）水洗；（5）干燥。本发明通过氨水双氧水溶液的适当比例以及适当的角度调整，快速完成底层砷化镓的腐蚀，然后使用适当配比的稀盐酸溶液，通过合适时间的配合，完成阻挡层的腐蚀，整个过程快速有效，既完成了衬底的均匀有效腐蚀，又没有对其它结构产生影响。本发明方法整个过程制作效率较高，成本较低，缩短制程时间的同时减少了晶片表面的污，提高了整个晶片的良率。本发明方法，适合所有GaAs基LED晶片的衬底腐蚀制作。

Description

一种GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法

技术领域

本发明涉及一种用于腐蚀GaAs基发光二极管晶片衬底的方法，属于半导体器件加工技术领域。

背景技术

半导体发光二极管因为具有结构简单，性能稳定，体积较小，工作电流小，使用方便，成本低，节能环保，使用寿命较长等诸多优点，被广泛应用于通信、信息处理和照明等诸多方面。尤其在显示屏、交通信号灯、汽车用灯、液晶屏背光源、灯饰、照明光源等行业的使用越来越多，给人们的生活学习等带来了诸多便利。

对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前三种常用的衬底材料:蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)。蓝宝石的优点:1、生产技术成熟、器件质量较好；2、稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；3、机械强度高，易于处理和清洗。蓝宝石的不足:1、晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；2、蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；3、增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。碳化硅衬底(CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片，电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。优点:碳化硅的导热系数为490W/m·K，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。不足:碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。综合考虑，在红光发光二极管管芯倒装结构的制作中，通常选用硅片作为置换衬底使用。

发光效率作为LED的一个重要指标，在一定程度上表征了LED芯片制作的质量。越来越多的厂家将研发的重点放在了LED芯片发光效率的提升上，目前，提高红光LED芯片的发光效率的重要途径是衬底反转、表面粗化、制作布拉格反射镜、电极下方制作电流阻挡层等。在衬底反转的基础上，对N型AlGaInP用湿法腐蚀的方法形成了三角结构粗糙表面。粗化的表面可减少光在AlGaInP材料内部的多次反射，使光线从内部折射出来，从而提高出光效率。在发光二极管晶片的制作过程中，其中影响出光效率的一个重要环节是彻底的腐蚀，在使用硅片置换GaAs衬底工艺过程中，GaAs衬底腐蚀的好坏影响整个制程工艺。我们在GaAs衬底的腐蚀中，希望能够在最短时间内，均匀的将表面GaAs衬底彻底腐蚀，然而受到腐蚀液和腐蚀工艺的制约，常常出现腐蚀不均匀的情况，要么腐蚀不彻底，有大量Ga和As金属离子残留，要么出现表面过腐蚀现象，该异常现象都会对后面电极的继续生产带来不良影响，如电极粘附不牢固，出光效率不高等。

中国专利文献CN102618936A提出了一种砷化镓表面化学腐蚀方法和化学腐蚀液，首先在氨水中浸洗，再将砷化镓晶片放入化学腐蚀液中，在10℃-40℃的温度下，腐蚀晶片表面；然后使用去离子水冲水；最后干燥晶片。该方法使用氨水、双氧水、水配制成的化学腐蚀液进行腐蚀晶片，但是因为晶片载腐蚀过程整个面上腐蚀的速率的不同，很容易产生，部分区域过腐蚀而部分区域腐蚀不彻底的情况出现，其方案中没有提及解决该问题的具体方法。

CN104518056A提出了一种反极性AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其中提到腐蚀GaAs衬底，并将晶片沿垂直方向转动180度，继续腐蚀。使用浓硫酸溶液对晶片表面的阻挡层进行腐蚀。其中所使用的衬底腐蚀液为氨水与水的混合溶液，该腐蚀液进行GaAs彻底腐蚀速率比较容易控制，相对比较均匀，但是，耗用时间较长，效率较低。

鉴于此，有必要研究一种GaAs衬底能够被彻底腐蚀的方法，既能够均匀彻底快速腐蚀掉衬底又不会出现过度腐蚀的现象，以便提高芯片良率，提高生产效率。

本发明提到的过腐蚀是指：

在进行衬底腐蚀时，腐蚀液的腐蚀速率或者腐蚀时间控制不当时容易出现对粘附层、P型电极层、阻隔层等金属膜层的渗透腐蚀现象，其中尤以粘附层最为明显，再出现过腐蚀现象时，整个置换衬底容易脱落。

发明内容

针对现有衬底腐蚀技术存在的弊端，本发明提出一种能够有效快速彻底腐蚀衬底，又不对晶片产生负面影响的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法。

本发明的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，包括如下步骤：

(1)GaAs衬底腐蚀：

①将氨水与双氧水按体积比1:5～1:7的比例配制成氨水与双氧水的混合溶液；将混合溶液加热温度到40～50℃保持恒温待用；

②将GaAs衬底彻底放入(整个晶片放入)40～50℃的保持恒温的混合溶液中，并对混合溶液超声振动，对GaAs衬底腐蚀3～5分钟，然后将衬底放入(整个晶片放入)纯水中冲洗1分钟-3分钟；

③将衬底(整个晶片)转动α°，继续腐蚀3分钟～5分钟；

④重复步骤③，直至GaAs衬底彻底腐蚀去掉；

(2)第一次水洗：将腐蚀掉衬底的LED晶片放置到水槽内进行冲水并通氮气，冲水时间5分钟～10分钟；

(3)阻挡层去除：将第一水洗后的LED晶片放置到盐酸水溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为10～30秒；盐酸水溶液中盐酸与水的体积比例为1:1～1:1.5；

(4)第二次水洗：将去除阻挡层的LED晶片放置到水槽内进行冲水并通氮气，冲水时间5分钟～10分钟；

(5)干燥：对第二次水洗后的晶片烘干。

所述步骤(1)中的氨水溶液的密度为0.88g/mL，NH₃含量为20-30％；双氧水溶液的密度为1.11g/mL，H₂O₂的含量为25％以上。

所述步骤(1)中的超声频率为5Khz～15Khz。进一步优选超声波频率为10Khz。

所述步骤(1)③中的衬底转动α°为30＜α＜90。

所述步骤(3)中的盐酸密度为1.18g/ml，含量为36～38％。

所述步骤(5)中的烘干是指使用旋干机旋干或者使用40-80℃的加热氮气吹干，施加氮气的时间为2-10分钟。

所述步骤(2)和(4)中的冲水并通氮气是指用去离子水喷淋、下给水(溢流)并通氮气的方式进行清洗。

所述步骤(2)和(4)中氮气纯度≥99.999％，氮气压力为0.1-0.3MPa。以保证氮气的纯净和使用安全。进一步优选所述氮气是5N氮气。

本发明具有以下特点：

1.步骤(1)，GaAs衬底的腐蚀选用氨水与双氧水的混合溶液，主要利用双氧水的强氧化性和氨水的络合作用。利用双氧水的强氧化性可以与GaAs产生反应，生成As₂O₃，Ga₂O₃，GaAsO₄等，并且在碱性环境中双氧水能够将低价化合物氧化成高价化合物，使难溶物转化成可溶物。氨水的电离平衡，既能提供氨分子又能提供氢氧根，既可以利用碱与金属发生反应，又能够利用其络合作用，将金属离子和金属氧化物生成可溶性的络合物，从而较容易的去掉。

2.步骤(1)中，氨水与双氧水的比例及其重要，该配比能够比较有效的进行腐蚀GaAs衬底的腐蚀，又能够有效的控制其腐蚀速率，而成功抑制过腐蚀现象，尤其使混合溶液保持在恒定温度(如果不加控制，在腐蚀时溶液温度升高较快，相对的腐蚀会加快，腐蚀速率无法控制)，使腐蚀速率的均匀性能够得到有效的保证，同时配合超声的使用，能够较为快速均匀的完成衬底的腐蚀。

3.步骤(1)中，按照顺时针(或者逆时针)旋转晶片一定角度，比较关键，该操作可以保证LED晶片GaAs衬底各个方向腐蚀的均匀性。本发明中，旋转角度取值在30°到90°之间，大于90°时很难保证个方向的均匀性，失去应用作用，小于30°时，操作较为繁琐，冲水次数较多，生产效率较低，适当的旋转角度既保证了腐蚀衬底各个方向的均匀性，又保证了较快腐蚀效率。

4.在步骤(1)中，所选用超声波功率与恒定温度的配合非常重要，本发明中提供的参数组合，能够在促进GaAs衬底加速腐蚀的基础上，又不对晶片内部结构产生影响，能够较大幅度提高腐蚀质量。

5.步骤(3)中，阻挡层的去除中，使用的盐酸的比例与恰当时间的组合非常重要，该参数组合中，既能够保证快速去除阻挡层，有不会对其余金属产生腐蚀现象，提高了整个晶片制的良率。

附图说明

图1是本发明中GaAs基LED晶片在腐蚀衬底之前的完整结构示意图。

图2是本发明GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法的步骤示意图。

图3是本发明中步骤(1)完成GaAs衬底腐蚀后的晶片示意图。

图4是本发明中步骤(3)去除阻挡层后的晶片示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中提及的未进行衬底腐蚀之前的GaAs基LED晶片，自下至上依次为GaAs衬底、阻挡层(GaInP)、重掺GaAs层、“其它结构”、粘附层和置换用Si衬底。“其它结构”最少包括金属层形成的P型电极结构、防止P型电极金属与粘附层金属相互扩散的阻隔层、P型GaAs层、N型GaAs层和量子阱层等。所述粘附层使用的金属可以为Au、Al、Ni、Ag、Sn或In等。

本发明对图1所示GaAs基LED晶片的衬底进行腐蚀的方法，如图2所示，包括以下步骤：

(1)GaAs衬底腐蚀：

①配制氨水与双氧水的混合溶液，溶液体积比，氨水：双氧水＝1:5～1:7；放入到超声设备内，加热温度到40℃～50℃保持恒温待用，超声功率为5Khz～15Khz。

氨水溶液的密度为0.88g/mL，NH₃含量为20-30％；双氧水溶液的密度为1.11g/mL，H₂O₂的含量为25％以上。

②将整个GaAs基LED晶片放入氨水与双氧水的混合溶液中(这样使得GaAs衬底彻底浸入混合溶液)，保持40℃～50℃恒温，对衬底腐蚀3～5分钟，然后将衬底放入(是整个晶片放入)纯水中冲洗1分钟-3分钟；

③将衬底按照顺时针(或者逆时针)方向转动α度(30＜α＜90)，继续腐蚀3～5分钟；

④重复步骤③，直至GaAs衬底彻底腐蚀去掉，得到如图3所示的晶片。

(2)第一次水洗：

将完成GaAs衬底腐蚀后的LED晶片放置到水槽内进行冲水并通氮气，冲水时间5分钟～10分钟。所用氮气纯度≥99.999％，氮气压力为0.1-0.3MPa，以保证氮气的纯净和使用安全。优选氮气是5N氮气。

冲水并通氮气是指：用去离子水喷淋、下给水(溢流)并通氮气的方式进行清洗。

(3)去除阻挡层：

将完成第一次冲水的LED晶片放置到稀盐酸水溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为10～30秒，稀盐酸水溶液中盐酸与水的比例为1:1～1:1.5，其中盐酸密度为1.18g/ml，含量为36～38％。得到如图4所示的晶片。

(4)第二次水洗：

将去除阻挡层的LED晶片放置到水槽内，按第一次水洗冲水并通氮气方式，冲水时间5分钟～10分钟。

(5)干燥：

将完成步骤(4)的GaAs基LED晶片使用旋干机进行旋干，或者使用40-80℃的加热氮气吹干，施加氮气的时间为2-10分钟。

经过上述方法制作后的GaAs基LED晶片，能够在较短时间内，完成GaAs衬底的完全腐蚀，且对晶片其它膜层(包括粘附层、P型金属电极、阻隔层等)没有任何损伤，晶片表面未出现过腐蚀现象，达到了工艺需要。

本发明中，通过氨水双氧水混合溶液的腐蚀清洗，做到了快速均匀彻底腐蚀衬底的要求，整个过程制作效率较高，成本较低，缩短制程时间的同时减少了晶片表面的污染问题，提高了整个晶片的良率，本发明方法适合所有GaAs基LED晶片的衬底腐蚀制作。

Claims (7)

1.一种GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)GaAs衬底腐蚀：

①将氨水与双氧水按体积比1:5～1:7的比例配制成氨水与双氧水的混合溶液；将混合溶液加热温度到40～50℃保持恒温待用；

②将GaAs衬底彻底放入40～50℃的保持恒温的混合溶液中，并对混合溶液超声振动，对GaAs衬底腐蚀3～5分钟，然后将衬底放入纯水中冲洗1分钟-3分钟；

③将衬底转动α°，继续腐蚀3分钟～5分钟；

④重复步骤③，直至GaAs衬底彻底腐蚀去掉；

(2)第一次水洗：将腐蚀掉衬底的LED晶片放置到水槽内进行冲水并通氮气，冲水时间5分钟～10分钟；

(3)阻挡层去除：将第一水洗后的LED晶片放置到盐酸水溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为10～30秒；盐酸水溶液中盐酸与水的体积比例为1:1～1:1.5；

(4)第二次水洗：将去除阻挡层的LED晶片放置到水槽内进行冲水并通氮气，冲水时间5分钟～10分钟；

(5)干燥：对第二次水洗后的晶片烘干；

所述步骤(1)③中的衬底转动α°为30＜α＜90。

2.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(1)中的氨水溶液的密度为0.88g/mL，NH₃含量为20-30％；双氧水溶液的密度为1.11g/mL，H₂O₂的含量为25％以上。

3.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(1)中的超声频率为5Khz～15Khz。

4.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(3)中的盐酸密度为1.18g/ml，含量为36～38％。

5.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(5)中的烘干是指使用旋干机旋干或者使用40-80℃的加热氮气吹干，施加氮气的时间为2-10分钟。

6.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(2)和(4)中的冲水并通氮气是指用去离子水喷淋、下给水并通氮气的方式进行清洗。

7.根据权利要求1所述的GaAs基LED晶片的衬底腐蚀方法，其特征是，所述步骤(2)和(4)中氮气纯度≥99.999％，氮气压力为0.1-0.3MPa。

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