一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法。

背景技术

基于红绿蓝三基色Micro-LED(微型发光二极管)芯片的显示器件具有分辨率高、亮度高、色域广、响应速度快、材料相对稳定和寿命长等优点，可应用于超高亮度发光、高温或辐射等场景。在高分辨显示、AR/VR(增强现实/虚拟现实)和柔性显示等领域具有巨大的应用前景，被学术界和工业界普遍认为是下一代显示技术。

在硅基氮化镓Micro-LED芯片的产业化过程中面临着一个共性技术难题，即硅基氮化镓Micro-LED芯片选用硅晶圆作为外延生长衬底，而硅衬底具有一定的吸光能力，外延氮化镓发光层发出的光会部分被硅衬底吸收，导致芯片外量子效率降低，不利于Micro-LED高亮度显示需求。因此硅基氮化镓Micro-LED芯片亟需去除硅衬底的制备工艺。

常用去除硅衬底的方法有两种，第一种为湿法腐蚀，即将硅基氮化镓Micro-LED芯片放置于特定的腐蚀液中经过长时间浸泡实现去硅处理。但是由于驱动基板也是在硅基衬底上制备的，湿法腐蚀硅衬底时会破坏驱动基板中的硅结构，此方法不能在预键合的硅基氮化镓Micro-LED芯片中使用；；第二种为干法刻蚀去，即将硅基氮化镓Micro-LED芯片放置于刻蚀机中，可以通过特定的掩膜图案实现图案化刻蚀。但是此方法主要为离子束轰击硅材料，会造成驱动基板、键合金属层严重损伤，还会产生难以清洗的刻蚀副产物附着Micro-LED阵列间隙中，严重影响显示器件的发光均匀性。因此，开发一种工艺步骤简单、预键合驱动基板兼容的无损去硅转移方法非常必要。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提供了一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法，能够有效的去除硅衬底，解决硅衬底吸收光导致外量子效率低的问题，同时避免繁琐的操作步骤，使得去除硅衬底的过程简单易行且不会破坏驱动基板。

本申请提供的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法，包括以下步骤：

S1、制作第一基板，所述第一基板包括第一衬底、发光外延层和第一键合层；

S2、根据发光器件结构，对所述第一基板进行图形刻蚀，得到具有发光阵列图形的阵列基板，其中，图形刻蚀深度至第一衬底；

S3、对所述阵列基板进行刻蚀，在所述阵列基板上的第一衬底上刻蚀出直角凹槽，第一衬底形成倒T形结构；

S4、制作第二基板，所述第二基板包括第二衬底和第二键合层；

S5、所述阵列基板上的第一键合层与所述第二基板上的第二键合层键合，得到复合基板；

S6、去除复合基板上的第一衬底，形成结构依次为发光外延层-第一键合层-第二键合层-第二衬底的Micro-LED预制件；

S7、在所述Micro-LED预制件的发光外延层上附着透明电极层，制成Micro-LED成品。

进一步的，所述步骤S3的刻蚀为干法刻蚀、湿法刻蚀中的一种。

进一步的，所述第一衬底为单晶硅<111>面水平放置的硅衬底。

进一步的，所述湿法刻蚀采用硅各向异性腐蚀剂进行刻蚀，所述硅各向异性腐蚀剂为KOH溶液、NaOH溶液、EPW液、T M A H溶液中的至少一种。

进一步的，所述步骤S2中的图像刻蚀包括：用IBE对第一键合层进行完全刻蚀，用ICP对发光外延层进行完全刻蚀以及用ICP对第一衬底进行部分刻蚀。

进一步的，所述发光外延层包括N型半导体层，量子阱层和P型半导体层。

进一步的，所述第一键合层包括金属层、金属反射层和键合金属层。

进一步的，所述第二键合层包括键合金属层。

本发明具有以下有益效果：

本发明公开的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法采用不同的刻蚀方式对第一基板上的硅衬底进行刻蚀，使硅衬底形成倒T字形弱化结构；其中，湿法刻蚀时，利用单晶硅在不同晶面上的各向异性腐蚀速率，使用硅各向异性腐蚀剂对硅衬底的单晶硅进行刻蚀，将单晶硅<111>面水平放置，控制硅各向异性腐蚀过程中的实验条件，在硅衬底刻蚀出直角凹槽，基板上的硅衬底形成倒T形结构，控制T形结构的尺寸比例，既能保证在后续键合过程中有足够的支撑力，基板的结构不发生断裂，又能保证键合成功后，硅衬底和氮化镓发光外延层存在弱化的结构力，易于将硅衬底与发光外延层分离实现去硅转移；上述方法能够有效的去除硅衬底，解决硅衬底吸收光导致外量子效率低的问题，同时避免繁琐的操作步骤，使得去除硅衬底的过程简单易行且不会破坏驱动基板。

附图说明

图1是本发明公开的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法的流程示意图，

图2是本发明公开的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法各步骤中Micro-LED组成部分的侧视图和发光阵列俯视图，

图3是湿法腐蚀中不同像素大小和腐蚀时间的关系图，

图4是实施例中湿法腐蚀后阵列基板的扫描电镜图，

图5是实施例中键合转移后阵列基板的扫描电镜图，

图6是实施例中键合转移后第二基板的扫描电镜图。

附图标记说明：

1.第一基板，2.阵列基板，3.第二基板，4.复合基板，5.Micro-LED预制件，6.Micro-LED成品，11.第一衬底，12.发光外延层，13.第一键合层，31.第二衬底，32.第二键合层，61透明电极层，200.发光阵列。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示的流程示意图，本申请提供的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法，包括以下步骤：

S1、制作第一基板1，第一基板1包括第一衬底11、发光外延层12和第一键合层13；

S2、根据发光器件结构，对第一基板1进行图形刻蚀，得到具有发光阵列图形的阵列基板2，其中，图形刻蚀深度至第一衬底11；

S3、对阵列基板2进行刻蚀，在阵列基板2上的第一衬底11上刻蚀出直角凹槽，第一衬底11形成倒T形结构；

S4、制作第二基板3，第二基板3包括第二衬底31和第二键合层32；

S5、阵列基板2上的第一键合层13与第二基板3上的第二键合层32键合，得到复合基板4；

S6、去除复合基板4上的第一衬底11，形成结构依次为发光外延层12-第一键合层13-第二键合层32-第二衬底31的Micro-LED预制件5；

S7、在Micro-LED预制件5的发光外延层12上附着透明电极层61，制成Micro-LED成品6。

下面用具体实施方式对上述方法进行说明：

如图2所示，首先，提供<111>面水平放置的单晶硅作为第一衬底11，在第一衬底11上依次附着发光外延层12和第一键合层13制成结构依次为第一键合层13-发光外延层12-第一衬底11的第一基板1。发光外延层12包括N型半导体层，量子阱层和P型半导体层；第一键合层13包括和半导体层形成欧姆接触的金属层、金属反射层和键合金属层；其中，键合金属层可以为Au、AgSn或者其他金属；发光外延层12和第一键合层13的附着方式可以采用MOCVD(金属有机物化学气相沉积工艺)自行生长。为了便于在第一基板1上制作发光阵列以及在后续刻蚀步骤中更好地保护第一基板1上的发光外延层12和第一键合层13，在第一键合层13上沉积一层掩膜层，再在掩膜层上均匀旋涂一层光刻胶，根据发光器件结构，按照设计的发光阵列，对光刻胶进行曝光，在光刻胶上形成发光阵列，然后依照光刻胶上的发光阵列图形，用ICP(电感耦合等离子刻蚀系统)或IBE(离子刻蚀技术)等干法刻蚀方式对掩膜层、第一键合层13以及发光外延层12进行完全刻蚀；通过上述刻蚀方式，第一基板1上除发光阵列图形下的之外第一键合层13和发光外延层12得以保留，多余的第一键合层13和发光外延层12被完全去除；然后再用干法刻蚀方式对第一衬底11进行部分刻蚀，即将第一衬底11按照发光阵列图形竖直向下开槽至一定深度，使得<111>面水平放置的单晶硅竖直面的晶面暴露出来，如图2中S2所示；至此，第一基板1上的发光阵列刻蚀完成。再将残留在第一基板1的光刻胶和掩膜层去除，最后得到具有发光阵列图形的阵列基板2。

接下来，对阵列基板2的第一衬底11进行刻蚀形成倒T字形结构，在阵列基板2的第一衬底11上采用不同的刻蚀方法刻蚀出直角凹槽，第一衬底11形成倒T字形弱化结构，如图2中S3所示。其中，不同的刻蚀方法包括干法刻蚀和湿法刻蚀；干法刻蚀可采用ICP对第一衬底11进行刻蚀；湿法刻蚀可采用硅各向异性腐蚀剂如KOH溶液、NaOH溶液、EPW腐蚀液(乙二胺、邻苯二芬和水)、T M A H溶液(Tetramethylammonium Hydroxide四甲基氢氧化氨)腐蚀液对第一衬底11进行刻蚀；上述硅各向异性腐蚀剂对单晶硅进行刻蚀时，在不同的晶面<111>面、<110>面和<100>面上有不同的腐蚀速率，在不同的实验条件下，控制硅各向异性腐蚀剂在单晶硅不同晶面上的腐蚀速率，在第一衬底11上形成倒T字形弱化结构，削弱硅衬底和外延层的结合力，在后续键合转移过程中能够以较小的力剥离硅衬底，避免剥离过程对基板的破坏，提高Micro-LED良品率。在一些实施方式中，使用KOH溶液为硅各向异性腐蚀剂，控制KOH溶液中KOH的质量百分比45-60％，蚀刻温度65-80℃，蚀刻时间30-40min，对第一衬底11进行湿法各向异性刻蚀，由于在<111>面腐蚀速率最慢，将单晶硅<111>面水平放置作为第一衬底11，KOH溶液对第一衬底进行湿法刻蚀时，湿法刻蚀反应在水平面的<111>面最慢，在<110>面和<100>面上腐蚀速率非常快，在一定的反应条件下，<110>面和<111>面蚀刻各向异性大于600∶1，相较而言，水平面<111>面上腐蚀速率非常慢，接近零，而对于竖直面来说，腐蚀速率非常快，在硅衬底上腐蚀出的凹槽形成垂直侧壁，因此，第一衬底11上刻蚀出直角凹槽，第一衬底11形成倒T形弱化结构；倒T形弱化结构中竖直方向所剩余的第一衬底11的宽度与发光阵列中像素尺寸的比例必须保持在一个合适的范围，该比例不能过小，避免湿法刻蚀后剩余第一衬底11的倒T形结构在后续键合过程中支撑力不足发生断裂，剩余的硅宽度与像素尺寸的比例也不能过大，防止在键合成功后，第一衬底11和发光外延层12直接结合力过大，使得第一衬底11难以从发光外延层12剥离下来；优选地，竖直方向所剩余的第一衬底11的宽度与像素尺寸的比例保持在1:3，对于不同像素大小尺寸，用不同的腐蚀时长控制剩余第一衬底11的宽度，使得竖直方向所剩余的第一衬底11宽度与像素尺寸的比例保持在1:3，不同像素大小和腐蚀时间的关系如图3所示。

清洗干燥湿法刻蚀后所得的阵列基板2；接下来制作第二基板3，第二基板3包括第二衬底31和第二键合层32；然后将阵列基板2上的第一键合层13与第二基板3上的第二键合层32进行键合，得到复合基板4；剥离去除复合基板4上的第一衬底11，由于第一衬底11以T形结构与发光外延层12结合，能够轻易将第一衬底11自发光外延层12上剥离，再将剩余的第一衬底11去除，得到结构依次为发光外延层12-第一键合层13-第二键合层32-第二衬底31的Micro-LED预制件5；在Micro-LED预制件5的发光外延层12上附着透明电极层61，制成Micro-LED成品6。

具体的，在一个实施例中，采用<111>面水平放置的四寸单晶硅衬底制作第一基板1，单晶硅衬底上依次附着GaN外延层和NiAg反射镜层和AuSn键合层得到第一基板1，在AuSn键合层上沉积一层SiO

采用湿法刻蚀的方法对阵列基板2进行二次刻蚀，配置质量百分比为45％的KOH溶液为硅各向异性腐蚀剂，腐蚀温度为65℃，KOH溶液对垂直方向的硅腐蚀速率为

清洗干燥湿法刻蚀后所得的阵列基板2；接下来制作第二基板3，第二基板3包括硅衬底和AuSn键合层；然后将阵列基板2上的AuSn键合层与第二基板3上的AuSn键合层进行键合，得到复合基板4；剥离复合基板4上的硅衬底，由于硅衬底以尺寸比例为1:3的T形弱化结构与GaN外延层结合，只需使用较小的拉力即可使硅衬底自GaN外延层上剥离，得到键合转移后的第二基板如图6所示，再将剩余的硅衬底去除，得到结构依次为GaN外延层-NiAg反射镜层-AuSn键合层-AuSn键合层-硅衬底的Micro-LED预制件5；最后，在Micro-LED预制件5的GaN外延层上附着ITO(氧化铟锡)作为透明电极层，制成Micro-LED成品6。

以上对本发明所提供的一种基于Micro-LED的键合去硅转移方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。