Led形成期間的襯底移除的製作方法

2023-07-18 04:03:51 1

專利名稱：Led形成期間的襯底移除的製作方法
技術領域：
本發明涉及發光二極體的製造。
背景技術：
半導體發光二極體(LED)是當前可用的最有效的光源之一。當前在能夠跨越可見光譜工作的高亮度發光裝置的製作中感興趣的材料體系包括III-V族半導體；例如鎵、鋁、銦、氮、磷和砷的二元、三元和四元合金。III-V族裝置發射跨越可見光譜的光。GaAs和GaP基裝置經常用於以諸如黃色至紅色的較長波長發射光，而III族氮化物裝置經常用於以諸如近紫外至綠色的較短波長發射光。 由於藍寶石的晶體結構類似於氮化鎵的晶體結構，氮化鎵LED典型地使用透明藍寶石生長襯底。 —些GaN LED形成為倒裝晶片，兩個電極位於同一表面上，其中LED電極不使用引線結合而結合到次載具(submount)上的電極。次載具提供LED和外部電源之間的接口。結合到LED電極的次載具上的電極可以延伸出LED或延伸到次載具的相反側以用於引線結合或表面貼裝到電路板。 圖1A-1D是安裝GaN LED 10到次載具12且移除藍寶石生長襯底24的處理的簡化剖面圖。次載具12可以由矽形成或可以是陶瓷絕緣體。如果次載具12是矽，則氧化層可以將次載具表面上的金屬圖案與矽絕緣，或者可以實現不同方案的離子注入以用於諸如靜電放電保護的附加功能。 在圖1A中可以看出，很多LED管芯10形成有薄GaN LED層18，該薄GaN LED層18形成在藍寶石生長襯底24上。在GaN層18中形成與n型和p型層電接觸的電極16。金釘頭凸點(stud bumps) 20布置在LED 10上的電極16之上或備選地布置在次載具12上的金屬焊盤14之上。金釘頭凸點20 —般是布置在LED電極16和次載具金屬焊盤14之間的各個點處的球狀金球。LED層18和電極16均形成在同一藍寶石襯底24上，該藍寶石襯底24然後被劃片以形成單獨LED管芯10。 如圖1B所示，將LED IO結合到襯底12，其中次載具12上的金屬焊盤14電結合到GaN層18上的金屬電極16。向LED結構施加壓力，同時超聲波換能器相對於次載具快速振動LED結構以在界面處產生熱。這導致金釘頭凸點的表面以原子級互擴散到LED電極和次載具電極內，以產生永久電連接。其他類型的結合方法包括錫焊、應用導電膠以及其他方法。 在LED層18和次載具12的表面之間存在很大的空隙，該空隙填充有環氧樹脂以提供機械支撐且密封該區域，如圖1C所示。所得的環氧樹脂被稱為底填料22。底填充是十分耗時的，因為每個LED管芯10必須被單獨底填充，且需要注入精確數量的底填充材料。底填充材料必須是足夠低的粘度，使得它可以在LED管芯10下流動而不捕獲任何將導致不良支撐區域的氣泡，其中該LED管芯10可包括電極的複雜幾何圖形，如區域22a所示。然而，底填充材料不應以不受控方式擴散到不希望的表面，諸如在22b處所示的LED裝置的頂面或者隨後必須應用引線結合的次載具上的焊盤。 藍寶石襯底24在LED管芯10結合到次載具12之後移除，且次載具12被分離成單獨元件以形成如圖1D所示的LED結構。因為LED層18極薄且易碎，底填料起到提供必要機械支撐以防止移除支撐襯底24時脆弱的LED層破碎的附加目的。由於金釘頭凸點20給定的有限形狀且它們彼此遠離，金釘頭凸點20本身不提供足夠的支撐來防止LED層的破碎。常用的底填充材料典型地由有機物質組成且擁有與金屬和半導體材料極其不同的熱膨脹屬性。這種不合邏輯的膨脹性能在大功率LED應用常見的高操作溫度尤其嚴重，其中底填充材料接近其玻璃轉化點且性能開始象彈性物質。這種熱膨脹性能失配的淨效果是在LED裝置上引入應力，這樣限制或減小了 LED裝置在大功率條件下的操作性。最後，底填充
材料具有低熱傳導屬性，這導致半導體裝置的不必要的高溫操作。 需要在襯底去除處理中用於機械支撐薄LED層的技術，其提供更加均勻和無空隙的支撐；為支撐提供更密切匹配的熱膨脹性能；為支撐提供不受有機材料的玻璃轉化點限制的高溫操作性；以及為支撐提供用於良好熱沉的改善的熱傳導。

發明內容
使用在安裝LED到次載具之前沉積在LED或次載具上的底填料層來製造發光二極體(LED)。在安裝LED到次載具之前沉積底填料層提供更均勻和無空隙的支撐，且增加了允許改善熱特性的底填充材料選擇。在一個實施例中，底填料層可以沉積在LED上且用於在移除生長襯底期間支撐薄且易碎的LED層。生長襯底然後可以在安裝LED到次載具之前在晶片級移除。在其他實施例中，底填料層可以被構圖和/或往回拋光，使得僅LED和/或次載具的接觸區域露出。LED和次載具然後可以使用其間的底填料層來結合。經構圖的底填料層還可以用作引導以幫助裝置的分割(singulating)。


圖1A-1D是安裝LED到次載具且隨後注入底填料和移除藍寶石生長襯底的處理的簡化剖面圖。 圖2A-2E是根據本發明的一個實施例在晶片級從LED移除生長襯底且安裝LED到次載具的處理的簡化剖面圖。 圖3說明包括藍寶石生長襯底和GaN層的LED結構的一部分。 圖4A和4B說明在晶片級在LED的一部分之上沉積底填充材料。 圖5A-5C是安裝LED到次載具且在LED安裝到次載具之後移除生長襯底的簡化剖面圖。 圖6A-6E是安裝LED到具有底填料塗層的次載具的處理的簡化剖面圖。 圖7A-7D說明另一實施例，其中具有被構圖的底±真料層的晶片級LED被安裝到次載具。 圖8A-8G說明另一實施例，其中單獨LED管芯被安裝到其上已經沉積了底填料層
的次載具。
具體實施例方式
圖2A-2E是根據本發明的一個實施例安裝GaN LED到次載具且移除生長襯底的處
5理的簡化剖面圖。 圖2A說明包括生長襯底102的晶片級LED結構100的一部分，該生長襯底102可以是例如藍寶石，其上已經形成有薄GaN LED層104。例如，如通過引用結合於此的美國專利公報No. 2007/0096130中所述，GaN LED層104常規地可以生長在藍寶石襯底上。圖3說明包括藍寶石襯底102的晶片結構100的一部分，該藍寶石襯底上使用常規技術生長有n型GaN層104n。 GaN層104n可以是包括覆層的多層。GaN層104n可以包括Al、In和n型摻雜劑。有源層104a然後生長在GaN層104n上。有源層104n將典型地是多個GaN基層，且其組分(例如InxAlyGai—x—yN)依賴於所需的光發射波長和其他因素。有源層104a可以是常規的。P型GaN層104p然後生長在有源層104a上。GaN層104p可以是包括覆層的多層且也可以是常規的。GaN層104p可以包括Al、 In和p型摻雜劑。圖3的LED結構被稱為雙異質結構。 在一個實施例中，生長襯底約90微米厚，且GaN層104具有約4微米的組合厚度。
儘管在實例中使用了具有藍寶石生長襯底的GaN基LED,使用諸如SiC(用於形成InAlGaN LED)和GaAs(用於形成AlInGaP LED)的其他襯底的其他類型LED也可以從本發明獲益。 金屬結合層形成在晶片上以形成此處稱為接觸108的n接觸108n和p接觸108p。接觸108可以通過下述被構圖在不希望金屬接觸的位置處形成掩膜層，然後在整個晶片上沉積金屬接觸層，以及然後剝去掩膜層以剝離沉積在其上的金屬。金屬層也可以通過下述被負構圖沉積類似堆疊的毯狀金屬層，且然後使用掩膜方法選擇性地回蝕刻這些金屬層。接觸可以由諸如TiAu、Au、Cu、Al、Ni的一種或多種金屬或其他易延展材料或這些層的組合形成。例如可以是金的釘頭凸點110然後可以形成在接觸108之上。釘頭凸點110 —般是布置於接觸108上的各個點處的球狀金球。釘頭凸點110用作LED的接觸的一部分且用於結合LED到次載具。如有需要，其他類型的結合材料或結構諸如板材可以代替釘頭凸
點iio而被使用。 如圖2所示，底填料120然後沉積在GaN層104、接觸108和凸點110之上。因為在結合LED到次載具之前應用底填料120，因此任何合適的材料可用於底填料120，而不依賴於流動特性，該流動特性在常規底填料的情況下是需要的。例如，具有高玻璃轉化溫度的聚合物聚醯亞胺基材料可用作底填料層120。使用聚醯亞胺材料，溶劑可用於調節粘度到400-1000Pa * s以幫助材料的沉積。諸如小顆粒Si02的填料粉末例如可以以50%到90%的數量添加到聚醯亞胺材料以匹配CTE(熱膨脹係數)。在沉積過程中，LED和聚醯亞胺材料可以在玻璃轉化溫度之下被加熱，然後允許冷卻以固化。這種材料將幫助裝置承受高溫/高電流條件，而沒有薄LED的變形。底填充材料可以是雙階段固化材料，使用低溫固化以用於負責第一階段固化的底填充材料中添加劑例如環氧樹脂添加劑的交聯。底填充材料應具有B階段固化屬性以粘合到LED和支撐晶片表面。 圖4A和4B說明了在晶片100的一部分上沉積底填料120材料。如圖4A所示，底填料120可以毯狀沉積在GaN層104的表面之上。在一個實施例中，底填料120例如使用絲網印刷或網孔印刷構圖，使得區域122諸如LED管芯將被分離處的區域沒有底填料120。例如，所述材料可以例如使用絲網印刷技術以粘膠的形式沉積。不希望底填料的區域，例如LED周圍存在引線結合的區域，被掩膜保護。掩膜中的開孔允許底填料沉積在所需區域中。在例如通過絲網印刷沉積之後，底填料層在例如120°C -130°C的低溫固化，直到它足夠硬能夠被拋光為止。如圖4B所示，底填料120然後被往回拋光，直到金屬連接即凸點110露出。在一個實施例中，底填料120具有30 ii m的最終厚度。 底填料120優選地用作GaN層104的支撐層，且相應地，生長襯底102可以移除，如圖2C所示。使用透過透明藍寶石襯底102發射且蒸發n-GaN層104n的頂層的準分子雷射束，襯底102可以通過例如雷射剝離來移除。襯底102的移除在襯底/n-GaN層104n界面產生巨大壓力。該壓力迫使襯底102從n-GaN層104n脫離，且襯底102被移除。底填料120提供的支撐防止在襯底剝離期間的高壓力使得薄且易碎的LED層104破裂。另外，如果需要，例如使用光電化學蝕刻或者通過小規模壓印或研磨露出的n層104n(如圖3所示)可以被粗糙化以用於增強光提取。備選地，粗糙化可以包括在表面上形成稜鏡或其他光學元件以用於增強光提取和改善輻射模式的控制。 在移除襯底之後，具有底填料120的GaN層104被劃片且分離成單獨LED元件。劃片和分離例如可以使用鋸實現，該鋸使用底填料120中的區域122作為引導。備選地，可以使用雷射劃片處理。在分離之前，LED的晶片粘合到可延展塑料薄片，且在晶片沿著劃片線破裂之後，該薄片延展以在管芯保持粘合到可延展薄片上的同時分離管芯。自動拾放裝置然後從薄片移除每個管芯125，且安裝管芯125到次載具130上，如圖2D所示。LED管芯125上的結合金屬即凸點110被直接超聲波或熱超聲焊接到次載具130上的相應結合金屬圖案132，該金屬圖案例如可以是金或其他合適材料。次載具130可以由矽或陶瓷絕緣體形成。如果陶瓷130是矽，則氧化層可以將次載具表面上的金屬圖案與矽絕緣，或者可以實現不同的離子注入方案以用於附加功能，諸如用於放電保護的齊納二極體。如果次載具是陶瓷而不是矽，則金屬圖案可以直接形成在陶瓷表面上。 超聲波換能器(熱超聲金屬到金屬互擴散處理)可用於應用向下的壓力到管芯125且相對於次載具130快速振動管芯125，使得來自相對結合金屬的原子混合以形成管芯125和次載具130之間的電學和機械連接。也可以使用LED管芯到次載具互連的其他方法，諸如使用焊接層。在例如使用Au-Au互連的管芯附接工藝中，襯底溫度維持在玻璃轉化溫度Tg以上(例如40-50°C )，這導致底填充材料處於彈性階段以軟化和順從LED且防止空隙的產生。隨後，底填料層允許在約玻璃轉化溫度例如20(TC固化l-2小時以變硬。次載具130然後可以被劃片和分割以形成LED 140，如圖2E所示。 在另一實施例中，直到晶片被分離成單獨管芯且安裝到次載具130之後，生長襯底102才被移除，如圖5A、5B和5C所示。如圖5A所示，具有LED GaN層104的藍寶石襯底102被劃片且分離成單獨管芯150。劃片和分離可以使用例如鋸完成，該鋸使用底填料120中的區域122作為引導來切割藍寶石襯底102。如上所述，分離的管芯150然後安裝到次載具130。 一旦管芯150安裝到次載具130，藍寶石襯底102可以如上所述且如圖5B所示剝離。次載具130然後分割以形成LED140，如圖5C所示。 在另一實施例中，底填料可以沉積在次載具而不是GaN層上。圖6A-6E是安裝GaNLED到具有底填料塗層的次載具的處理的簡化剖面圖。 圖6A說明次載具202的一部分，該次載具202具有含有凸點206的結合金屬圖案204。舉例而言，可以使用具有Au結合金屬圖案204和Au凸點206的矽次載具202。備選地，如有需要可以使用其他材料。底填料層210沉積在次載具202、結合金屬圖案204和凸點206之上。如上所述，底填料層210可以例如使用絲網印刷或網孔印刷來構圖，使得諸如LED管芯將被分離的區域的這樣區域沒有底填料材料。因為在結合LED到次載具之前應用底填料210，所以任意合適的材料可用於底填料210而不依賴於流動特性，該流動特性在常規底填料的情況下是需要的。例如，具有高玻璃轉化溫度的聚合物聚醯亞胺基材料可用作底填料層120。這種材料將幫助裝置承受高溫/高電流條件，而沒有薄LED的變形。底填充材料應具有B階段固化屬性以粘合到LED和支撐晶片表面。此外，如有需要可以使用無機電介質材料。如圖6B所示，底填料層210被往回拋光，直到金屬連接即凸點206露出。
具有LED GaN層232和接觸234的生長襯底230被分離成單獨的LED管芯235，該LED管芯235然後安裝到具有底填料層210的次載具202，如圖6C所示。LED管芯234上的接觸被直接超聲波或熱超聲焊接到次載具130上的相應結合凸點206，如上所述。 一旦安裝，例如使用雷射剝離工藝移除生長襯底230，得到如圖6D所示的結構。次載具202然後被分割以形成LED 240，如圖6E所示。 圖7A-7D說明根據另一實施例被安裝到次載具的具有構圖的底填料層的晶片級LED。 圖7A為具有構圖的底填料層310的晶片級LED 300的部分的簡化剖面圖，且圖7B是晶片級LED 300的底面沿著圖7A的線AA的平面圖。晶片級LED 300包括生長襯底302以及LED層304和接觸306。底填料層310例如使用絲網印刷或網孔印刷來沉積，以形成露出LED層304底面上的接觸306的圖案且被固化。在圖7C中可以看出，底填料圖案匹配次載具320上存在的接觸322的圖案，使得僅附接LED的區域露出。 如圖7C和7D所述，晶片級LED 300在晶片級安裝到具有接觸322的次載具320。如上所述，晶片級LED 300例如超聲波或熱超聲地安裝到次載具320以結合LED層304上的接觸306與次載具320上的接觸322。生長襯底302然後可以使用雷射剝離工藝剝離，且LED被分割成單獨管芯。 圖8A-8G說明另一實施例，其中單獨LED管芯安裝到其上已經沉積了底填料層的
次載具。圖8A是具有接觸404的次載具402的部分的簡化剖面圖。圖8B是次載具402的
頂面沿著圖8A的線BB的平面圖。如圖8C所示，底填料層410沉積在次載具402之上，且
尤其被構圖以覆蓋接觸404。 一旦底填料層410固化，底填料層410被往回拋光以露出接觸
404，如圖8D和8E所示，圖8D和8E說明了次載具402的另一平面圖。 每一個均包括生長襯底422 、 LED層424和LED層424底面上的接觸426的LED管
芯420然後被分別安裝到次載具402，如圖8F所示。 一旦安裝，生長襯底422可以被剝離，
如圖8G所示，且次載具402可以分割以形成單獨LED元件，如上文所述。 儘管用於教導目的，結合特定實施例說明了本發明，但本發明不限於此。可以在不
偏離本發明的範圍的條件下做出各種調適和修改。因此，所附權利要求書的精神和範圍將
不限於上述描述。
權利要求
一種製造發光二極體(LED)結構的方法，包括在生長襯底上形成包括n型層、有源層和p型層的LED層；在該LED層的底面上形成金屬接觸；提供在頂面具有金屬接觸的次載具；在該LED層的底面上沉積底填料層；從該LED層移除該生長襯底；以及安裝該LED層到該次載具，該LED層的底面上的金屬接觸與該次載具的頂面上的金屬接觸相接觸，且該底填料層位於該LED層的底面和該次載具的頂面之間。
2. 根據權利要求1所述的方法，還包括在安裝該LED層到該次載具之前，將該LED層分 離成單獨管芯。
3. 根據權利要求1所述的方法，還包括將安裝到該次載具的該LED層分割以形成多個 單獨元件。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中在該LED層的底面上沉積底填料層包括在該LED 層的底面上的金屬接觸之上沉積該底填料層，且往回拋光該底填料層直到該LED層的底面 上的金屬接觸的至少一部分露出。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中該底填料層包括聚醯亞胺基材料。
6. —種製造發光二極體(LED)結構的方法，包括 在生長襯底上形成包括n型層、有源層和p型層的LED層； 在該LED層的底面上形成金屬接觸； 提供在頂面具有金屬接觸的次載具；在該LED層的底面和該次載具的頂面其中至少之一上沉積構圖的底填料層；以及 安裝該LED層到該次載具，該LED層的底面上的金屬接觸與該次載具的頂面上的金屬 接觸相接觸，且該底填料層位於該LED層的底面和該次載具的頂面之間。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中使用絲網印刷和網孔印刷之一沉積該底填料層以 對該底填料層進行構圖。
8. 根據權利要求6所述的方法，其中該底填料層沉積在該LED層的底面上，該方法還包 括在安裝該LED層到該次載具之前從該LED層移除該生長襯底。
9. 根據權利要求6所述的方法，其中該底填料層包括聚醯亞胺基材料。
10. —種製造發光二極體(LED)結構的方法，包括 在生長襯底上形成包括n型層、有源層和p型層的LED層； 在該LED層的底面上形成金屬接觸； 提供在頂面具有金屬接觸的次載具；在該LED層的底面和該次載具的頂面其中至少之一上沉積底填料層，該底填料層覆蓋 與該LED層的底面和該次載具的頂面其中至少一個相關的金屬接觸； 往回拋光該底填料層，直到被覆蓋金屬接觸的至少一部分露出；安裝該LED層到該次載具，該LED層的底面上的金屬接觸與該次載具的頂面上的金屬 接觸相接觸，且該底填料層位於該LED層的底面和該次載具的頂面之間。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其中該底填料層沉積在該LED層的底面上，該方法還 包括在安裝該LED層到該次載具之前從該LED層移除該生長襯底。
12. 根據權利要求10所述的方法，還包括在安裝該LED層到該次載具之前將該LED層 分離成單獨管芯。
13. 根據權利要求10所述的方法，還包括將安裝到該次載具的LED層分割以形成多個 單獨元件。
14. 根據權利要求IO所述的方法，其中在該LED層的底面上沉積底填料層包括對該 LED層的底面上的該底填料層進行構圖。
15. 根據權利要求14所述的方法，其中使用絲網印刷和網孔印刷之一沉積該底填料層 以對該底填料層進行構圖。
全文摘要
使用在安裝發光二極體(LED)到次載具之前沉積在LED或次載具上的底填料層來製造LED。在安裝LED到次載具之前沉積底填料層，這提供更均勻和無空隙的支撐，且增加了底填充材料選擇以允許改善熱特性。底填料層可以在安裝LED到次載具之前在移除生長襯底期間用作薄且易碎的LED層的支撐。另外，底填料層可以被構圖和/或往回拋光，使得僅LED和/或次載具的接觸區域露出。底填料層中的圖案還可以用作引導以幫助裝置的分割。
文檔編號H01L33/00GK101743648SQ200880024137
公開日2010年6月16日 申請日期2008年7月3日 優先權日2007年7月9日
發明者G·巴辛, P·S·馬丁, R·S·韋斯特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司;飛利浦拉米爾德斯照明設備有限責任公司