CN116344708B - 一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于自对准工艺的Micro‑LED器件制作方法，包括：步骤一，基于光滑面板制备行列电极层和绝缘保护层，并在绝缘保护层开设Hole孔层，完成显示背板的制备；步骤二，基于自对准工艺在显示背板上制备Micro‑LED晶粒结构，形成Micro‑LED样片；步骤三，对所述Micro‑LED样片依次进行AL层碱腐蚀、钝化绝缘层蒸镀、帽层酸脱落操作；步骤四，对帽层脱落后的样片进行表面开孔至露出列电极层，后制备电流扩展层于样片表面，最后在Micro‑LED晶粒结构侧壁及结构间溅射金属反光层，完成Micro‑LED器件的制作。本发明有效提高了Micro‑LED器件上表面的发光强度。
Description
技术领域
本发明涉及微发光二极管技术领域，尤其涉及一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法。
背景技术
基于微发光二极管（Micro-LEDs）阵列的微显示具有很高的应用前景 ，其与传统的液晶显示器（LCD）和有机发光显示器（OLED）相比，拥有着高效率，低功耗，超高解析度，超快响应速度，宽可视角度等优势，被认为是一种“次世代显示技术”。
然而Micro-LED发展还存在很多问题需要解决，如ICP深蚀刻时掩膜不耐受及Micro-LED图案内缩问题，干法刻蚀引入的侧壁损伤问题，制备电极前的保护层开孔问题。现今，制备氮化镓基Micro-LED的主流手段是以ICP刻蚀为代表的干法刻蚀技术，然而ICP在蚀刻GaN时也会蚀刻光刻胶，引起光刻胶大小收缩进而导致Micro-LED尺寸收缩，降低有效发光面积。ICP干法刻蚀过程中产生的等离子体也将不可避免在器件边缘引入侧壁刻蚀损伤，同时产生侧壁悬挂键，这些损伤容易引入深能级缺陷产生非辐射复合中心，降低小尺寸器件的光学性能。受限于掩模版精度与光刻精度问题，小尺寸Micro-LED制备电极前的保护层开孔大小受到局限，小尺寸Micro-LED表面保护层开孔变得尤为困难。另外，针对于小尺寸Micro-LED的巨量转移技术存在效率低、成本高，且巨量转移技术尚存在很多技术瓶颈需要攻克。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其具体技术方案如下：
一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，包括以下步骤：
步骤一，基于光滑面板制备行列电极层和绝缘保护层，并在绝缘保护层开设出Hole孔层，完成显示背板的制备；
步骤二，基于自对准工艺在显示背板上制备Micro-LED晶粒结构，形成Micro-LED样片；
步骤三，对所述Micro-LED样片依次进行Al层碱腐蚀、钝化绝缘层蒸镀、帽层酸脱落操作；
步骤四， 对帽层脱落后的Micro-LED样片进行表面开孔至露出列电极层，后制备电流扩展层于样片表面，最后在Micro-LED晶粒结构侧壁及结构间溅射金属反光层，完成Micro-LED器件的制作。
进一步的，所述步骤一，具体包括以下子步骤：
步骤S1，在光滑面板表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备列电极层；
步骤S2，在步骤S1制备完的列电极层表面通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层；
步骤S3，在步骤S2蒸镀完绝缘保护层之后，通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备行电极层；
步骤S4，在步骤S3制备完的行电极层表面再次通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层2；
步骤S5，在步骤S4蒸镀完绝缘保护层之后，通过光刻工艺、刻蚀工艺，对绝缘保护层在行电极层中行金属线的正上方位置处开设出Hole孔层，且Hole孔略大于行电极宽度，Hole孔底部完全暴露出行电极，至此，显示背板制备完成。
进一步的，所述步骤二，具体包括以下子步骤：
步骤S6，对LED外延片进行处理，LED外延片的结构包括P型层、量子阱层、N型层、无掺杂层、衬底层；
所述处理具体为：通过粗磨、细磨、硬抛、软抛工艺去除LED外延片的衬底层，接着通过干法刻蚀工艺去除无掺杂层以及部分N型层；
步骤S7，将显示背板和步骤S6处理后的LED外延片通过蒸镀工艺，两面蒸镀键合金属层进行键合，LED外延片的P型层与显示背板的行电极层相连；
步骤S8，基于自对准工艺，在N型层表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备双层金属层作为硬掩膜，所述双层金属层为金属Al层和金属Cr层；
步骤S9，通过干法刻蚀工艺蚀刻完没有硬掩模保护的LED外延片区域，并进一步蚀刻掉不受硬掩模保护的键合金属层，制成Micro-LED晶粒结构，则基于显示背板整体形成Micro-LED样片。
进一步的，所述LED外延片经处理后的厚度为1um至2um。
进一步的，所述步骤三，具体包括以下子步骤：
步骤S10，将Micro-LED晶粒结构通过碱性腐蚀液腐蚀金属Al层，得到金属Al层的内缩结构；
步骤S11，在Micro-LED样片表面蒸镀一层钝化绝缘层，其中在金属Al层处的侧壁不覆盖钝化绝缘层，以此由金属Al层、金属Cr层以及金属Cr层上的钝化绝缘层共同形成帽层；
步骤S12，在步骤S11蒸镀完钝化绝缘层后的Micro-LED样片置于酸性溶液中超声清洗至帽层完全脱落，使露出N型层。
进一步的，所述的子步骤S10，具体为：将Micro-LED晶粒结构通过1 mol/L的KOH溶液进行腐蚀，KOH溶液腐蚀部分金属Al层，使金属Al层侧壁缩进，缩进深度为金属Al层的厚度，从而得到金属Al层的内缩结构。
进一步的，所述子步骤S11中的蒸镀的钝化绝缘层的厚度小于金属Al层厚度的一半。
进一步的，所述酸性溶液采用20%~40%浓度的HCl溶液。
进一步的，所述步骤四，具体包括以下子步骤：
步骤S13，将脱落帽层后的Micro-LED样片通过光刻工艺、刻蚀工艺在列电极层的列金属线正上方位置的表面进行开孔；
步骤S14，在步骤S13开孔之后的样片表面通过蒸镀工艺 、退火工艺制备电流扩展层，则Micro-LED晶粒结构的N型层通过电流扩展层与通过开孔露出的列电极层相连；
步骤S15，在步骤S14蒸镀电流扩展层后的Micro-LED晶粒结构的侧壁和Micro-LED晶粒结构间的凹槽内，通过磁控溅射一层金属反光层，覆盖Micro-LED晶粒结构侧壁及Micro-LED晶粒结构之间的凹槽，至此完成Micro-LED器件的制作。
进一步的，所述金属反光层为金属电极材料。
有益效果：本发明的Micro-LED器件制作方法使用Al、Cr作为硬掩模有效解决了干法刻蚀过程中Micro-LED图案的收缩问题，使用KOH溶液、HCl溶液有效去除了干法刻蚀过程中引入的侧壁损伤问题，能有效提高Micro-LED器件的光效，整个自对准工序流程有效解决了Micro-LED表层开孔问题；此外，使用金属发光层有效提高了电流扩展层的导电性，并在Micro-LED晶粒之间形成隔离，有效避免了Micro-LED晶粒之间光线的串扰问题，同时将Micro-LED晶粒侧面出射的光线反射回Micro-LED晶粒内部，并在Micro-LED晶粒上表面出射，提高了Micro-LED器件上表面的发光强度。
附图说明
图1是本发明的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法流程示意图；
图2是本发明实施例采用的光滑面板俯视面示意图；
图3是本发明实施例的在光滑面板制备的列电极层的分布的俯视面示意图；
图4是本发明实施例的在光滑面板制备的行电极层的分布的俯视面示意图；
图5是本发明实施例的在行电极层上表面开设出Hole孔层的俯视面示意图；
图6是图5的局部侧视剖面示意图；
图7是本发明实施例的LED外延片的剖面结构示意图；
图8是本发明实施例的LED外延片经步骤S6处理后的剖面结构示意图；
图9是本发明实施例的键合显示背板与LED外延片的剖面结构示意图；
图10是本发明实施例的在键合后N型层表面制备双层金属层后的剖面结构示意图；
图11是本发明实施例的Micro-LED样片的剖面结构示意图；
图12是本发明实施例的Micro-LED样片的金属Al层经腐蚀操作后内缩的剖面结构示意图；
图13是本发明实施例的Micro-LED样片在金属Al层内缩后再蒸镀一层钝化绝缘层后的剖面结构示意图；
图14是发明实施例的Micro-LED样片帽层酸脱落后的剖面结构示意图；
图15是发明实施例的在列电极层的列金属线正上方位置处开孔后的剖面结构示意图；
图16是本发明实施例的在步骤S13开孔之后的样片表面制备电流扩展层后的剖面结构示意图；
图17是本发明实施例的溅射金属反光层后的剖面结构示意图；
图中，1-光滑面板，2-绝缘保护层，3-列电极层，4-行电极层，5- P型层，6-量子阱层，7- N型层，8-无掺杂层，9-衬底层，10-键合金属层，11-金属Al层，12-金属Cr层，13-电流扩展层，14-金属反光层，15-钝化绝缘层，16- Hole孔层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和技术效果更加清楚明白，以下结合说明书附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，包括以下步骤内容：
步骤一，基于光滑面板1制备行列电极层和绝缘保护层2，并在绝缘保护层2开设出Hole孔层16，完成显示背板的制备，包括以下子步骤：
步骤S1，如图2所示，在光滑面板1表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备列电极层3，电极间隔略大于电极宽度，列电极分布如图3所示；
其中Lift-Off工艺是半导体行业制备金属电极时的常用剥离方式；
步骤S2，在步骤S1制备完的列电极层3表面通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层2；
步骤S3，在步骤S2蒸镀完绝缘保护层之后，通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备行电极层4，电极间隔略大于电极宽度，行电极具体分布如图4所示；
步骤S4，在步骤S3制备完的行电极层4表面通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层2；
步骤S5，如图5和图6所示，在步骤S4蒸镀完绝缘保护层2之后，通过光刻工艺、刻蚀工艺，对该层绝缘保护层2在行电极层4的行金属线正上方位置处开设出Hole孔层16，Hole孔略大于行电极宽度，Hole孔底部完全暴露出行电极，至此，显示背板制备完成。
步骤二，基于自对准工艺在显示背板上制备Micro-LED晶粒结构，形成Micro-LED样片，具体包括以下子步骤：
步骤S6，对LED外延片进行处理，经处理后的LED外延片厚度约1um至2um； LED外延片是一种加热至适当温度的衬底基片，结构包括P型层5、量子阱层6、N型层7、无掺杂层8、衬底层9，如图7所示；
所述处理具体为：通过粗磨、细磨、硬抛、软抛工艺去除LED外延片的衬底层9，接着通过干法刻蚀工艺去除无掺杂层8以及部分N型层7，如图8所示；
步骤S7，将步骤S5制备的显示背板和S6处理后的LED外延片通过蒸镀工艺，两面蒸镀键合金属层10进行键合，即通过键合工艺将显示背板与LED外延片键合，LED外延片的P型层5与显示背板的行电极层4相连，如图9所示；
步骤S8，基于自对准工艺，在步骤S7键合后的N型层7表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备双层金属层作为硬掩膜，如图10所示；
现有的技术以光刻胶作为掩膜材料，干法刻蚀LED时也同时会对光刻胶进行蚀刻，引起光刻胶内缩进而导致Micro-LED图案内缩；
因此选用难以蚀刻的硬掩模金属材料，可以较为完整的刻蚀出所需的Micro-LED图案，在本发明中的双层金属层为金属Al层11和金属Cr层12，作为本发明所基于的自对准工艺所用的硬掩膜，金属Al可与酸碱反应，金属Cr只可与强酸反应，便于后续帽层的去除；
步骤S9，在步骤S8制备完金属硬掩模之后，通过干法刻蚀工艺蚀刻完没有硬掩模保护的LED外延片区域（该步骤仅涉及LED外延片中的P型层5、量子阱层6、N型层7），并进一步蚀刻掉不受硬掩模保护的键合金属层10，制成Micro-LED晶粒结构，则基于显示背板整体形成Micro-LED样片，如图11所示。
其中的Micro-LED晶粒结构之间的隔离槽呈现为二维栅状，隔离槽贯穿整个LED层。
干法刻蚀工艺即通过电感耦合、离子体刻蚀工艺制成Micro-LED晶粒结构，干法刻蚀过程中产生的等离子体将不可避免在器件边缘引入侧壁刻蚀损伤，极大降低小尺寸器件的光学性能，因此干法刻蚀之后需采取有效的措施对侧壁损伤层进行处理。
步骤三，对所述Micro-LED样片依次进行Al层碱腐蚀、钝化绝缘层蒸镀、帽层酸脱落操作，具体包括以下子步骤：
步骤S10，将步骤S9制备而成的Micro-LED晶粒结构通过碱性腐蚀液腐蚀金属Al层11，得到金属Al层11的内缩结构，如图12所示；
所用的碱性腐蚀液为1 mol/L的KOH溶液，腐蚀时间为数分钟，KOH溶液腐蚀部分金属Al层11，使金属Al层11侧壁缩进，缩进深度为金属Al层11的厚度，KOH溶液不腐蚀Cr层；同时，采用的KOH溶液对Micro-LED晶粒结构的侧壁损伤层进行一定程度的腐蚀，能有效修复之前S9步骤中干法刻蚀引起的侧壁损伤问题；
步骤S11，在Micro-LED样片表面包括S10碱性溶液腐蚀之后的Micro-LED晶粒结构的表面，蒸镀一层钝化绝缘层15，其中在金属Al层11处的侧壁不覆盖钝化绝缘层15，以此由金属Al层11、金属Cr层12以及金属Cr层12上的钝化绝缘层15共同形成帽层，如图13所示；蒸镀的钝化绝缘层15的厚度小于金属Al层11厚度的一半，则钝化绝缘层15少量或无法完全覆盖金属Al层11侧，以确保蒸镀之后在帽层与其下的晶粒结构通过钝化绝缘层15的断开，形成良好的断层，便于后续去除；
步骤S12，在步骤S11蒸镀完钝化绝缘层15后，在酸性溶液中超声清洗至帽层完全脱落，如图14所示，使露出N型层7；且钝化绝缘层15完美包覆Micro-LED晶粒结构的侧面，Micro-LED晶粒结构的上表面（露出的N型层7）完整预留出后续电极接触的窗口；
超声清洗的酸性溶液采用20%~40%浓度的HCl溶液，能够同时腐蚀Al和Cr金属层，并产生气泡，能有效使帽层脱落；且HCl溶液腐蚀完金属Al层11、金属Cr层12之后，对Micro-LED晶粒结构的上表面由于S6干法刻蚀N型层时引入的刻蚀损伤层起到了很好的去除作用，能有效提高Micro-LED的光效。
上述S8~S12为自对准工艺流程，使用Al、Cr作为硬掩模有效解决了干法刻蚀过程中Micro-LED图案的收缩问题，使用KOH溶液、HCl溶液有效去除了干法刻蚀过程中引入的侧壁损伤问题，整个自对准工序流程有效解决了Micro-LED表层开孔问题。
步骤四， 对帽层脱落后的Micro-LED样片进行表面开孔至露出列电极层3，后制备电流扩展层13于样片表面，最后在Micro-LED晶粒结构侧壁及结构间溅射金属反光层，完成Micro-LED器件的制作，具体包括以下子步骤：
步骤S13，将步骤S12自对准工艺完成之后的Micro-LED样片，通过光刻工艺、刻蚀工艺在列金属线正上方位置的表面进行开孔，去除多余的绝缘保护层2和钝化绝缘层15，如图15所示；
步骤S14，在步骤S13开孔之后的样片表面通过蒸镀工艺 、退火工艺制备低电阻、高透过率的电流扩展层13，则Micro-LED晶粒结构的N型层7通过电流扩展层13与通过开孔露出的列电极层3相连，如图16所示；
步骤S15，在步骤S14蒸镀电流扩展层后的Micro-LED晶粒结构的侧壁和Micro-LED晶粒结构间的凹槽内，通过磁控溅射一层金属反光层14，覆盖Micro-LED晶粒结构侧壁及Micro-LED晶粒结构之间的凹槽，如图17所示。
所述金属反光层14为金属电极材料，能有效提高电流扩展层的导电性，也能在Micro-LED晶粒结构间形成隔离，防止Micro-LED晶粒结构间的光线串扰问题，同时将Micro-LED晶粒结构侧面出射的光线反射回Micro-LED晶粒结构内部，并在Micro-LED晶粒结构上表面出射，提高Micro-LED器件上表面的发光强度。
以上所述，仅为本发明的优选实施案例，并非对本发明做任何形式上的限制。虽然前文对本发明的实施过程进行了详细说明，对于熟悉本领域的人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换。凡在本发明精神和原则之内所做修改、同等替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，基于光滑面板（1）制备行列电极层和绝缘保护层（2），并在绝缘保护层（2）开设出Hole孔层（16），完成显示背板的制备；
步骤二，基于自对准工艺在显示背板上制备Micro-LED晶粒结构，形成Micro-LED样片；
步骤三，对所述Micro-LED样片依次进行Al层碱腐蚀、钝化绝缘层蒸镀、帽层酸脱落操作；
步骤四， 对帽层脱落后的Micro-LED样片进行表面开孔至露出列电极层（3），后制备电流扩展层（13）于样片表面，最后在Micro-LED晶粒结构侧壁及结构间溅射金属反光层，完成Micro-LED器件的制作；
所述步骤一，具体包括以下子步骤：
步骤S1，在光滑面板（1）表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备列电极层（3）；
步骤S2，在步骤S1制备完的列电极层（3）表面通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层（2）；
步骤S3，在步骤S2蒸镀完绝缘保护层之后，通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备行电极层（4）；
步骤S4，在步骤S3制备完的行电极层（4）表面再次通过化学气相沉积蒸镀一层绝缘保护层（2）；
步骤S5，在步骤S4蒸镀完绝缘保护层（2）之后，通过光刻工艺、刻蚀工艺，对绝缘保护层（2）在行电极层（4）中行金属线的正上方位置处开设出Hole孔层（16），且Hole孔略大于行电极宽度，Hole孔底部完全暴露出行电极，至此，显示背板制备完成；
所述步骤二，具体包括以下子步骤：
步骤S6，对LED外延片进行处理，LED外延片的结构包括P型层（5）、量子阱层（6）、N型层（7）、无掺杂层（8）、衬底层（9）；
所述处理具体为：通过粗磨、细磨、硬抛、软抛工艺去除LED外延片的衬底层（9），接着通过干法刻蚀工艺去除无掺杂层（8）以及部分N型层（7）；
步骤S7，将显示背板和步骤S6处理后的LED外延片通过蒸镀工艺，两面蒸镀键合金属层（10）进行键合，LED外延片的P型层（5）与显示背板的行电极层（4）相连；
步骤S8，基于自对准工艺，在N型层（7）表面通过光刻工艺、磁控溅射工艺、Lift-Off工艺制备双层金属层作为硬掩膜，所述双层金属层为金属Al层（11）和金属Cr层（12）；
步骤S9，通过干法刻蚀工艺蚀刻完没有硬掩模保护的LED外延片区域，并进一步蚀刻掉不受硬掩模保护的键合金属层（10），制成Micro-LED晶粒结构，则基于显示背板整体形成Micro-LED样片；
所述步骤三，具体包括以下子步骤：
步骤S10，将Micro-LED晶粒结构通过碱性腐蚀液腐蚀金属Al层（11），得到金属Al层（11）的内缩结构；
步骤S11，在Micro-LED样片表面蒸镀一层钝化绝缘层（15），其中在金属Al层（11）处的侧壁不覆盖钝化绝缘层（15），以此由金属Al层（11）、金属Cr层（12）以及金属Cr层（12）上的钝化绝缘层（15）共同形成帽层；
步骤S12，在步骤S11蒸镀完钝化绝缘层（15）后的Micro-LED样片置于酸性溶液中超声清洗至帽层完全脱落，使露出N型层（7）；
所述的子步骤S10，具体为：将Micro-LED晶粒结构通过1 mol/L的KOH溶液进行腐蚀，KOH溶液腐蚀部分金属Al层（11），使金属Al层（11）侧壁缩进，缩进深度为金属Al层（11）的厚度，从而得到金属Al层（11）的内缩结构。
2.如权利要求1所述的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，LED外延片经处理后的厚度为1um至2um。
3.如权利要求1所述的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，所述子步骤S11中的蒸镀的钝化绝缘层（15）的厚度小于金属Al层（11）厚度的一半。
4.如权利要求1所述的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，所述酸性溶液采用20%~40%浓度的HCl溶液。
5.如权利要求1所述的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，所述步骤四，具体包括以下子步骤：
步骤S13，将脱落帽层后的Micro-LED样片通过光刻工艺、刻蚀工艺在列电极层（3）的列金属线正上方位置的表面进行开孔；
步骤S14，在步骤S13开孔之后的样片表面通过蒸镀工艺 、退火工艺制备电流扩展层（13），则Micro-LED晶粒结构的N型层（7）通过电流扩展层（13）与通过开孔露出的列电极层（3）相连；
步骤S15，在步骤S14蒸镀电流扩展层（13）后的Micro-LED晶粒结构的侧壁和Micro-LED晶粒结构间的凹槽内，通过磁控溅射一层金属反光层（14），覆盖Micro-LED晶粒结构侧壁及Micro-LED晶粒结构之间的凹槽，至此完成Micro-LED器件的制作。
6.如权利要求5所述的一种基于自对准工艺的Micro-LED器件制作方法，其特征在于，所述金属反光层（14）为金属电极材料。
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