半導體外延片的壓焊方法

2023-05-01 09:29:21 1

專利名稱：半導體外延片的壓焊方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體外延片的壓焊方法。
技術背景銦鎵鋁氮半導體發光器件廣泛的用於全色大屏幕顯示、交通信號燈、背光 源、固體照明等。銦鎵鋁氮半導體發光材料常用的襯底材料是藍寶石、碳化矽 和矽等材料。將原始襯底上生長的銦鎵鋁氮薄膜做成發光器件時，會存在以下 缺點發光材料利用率低、散熱差、P型透明導電層對光有一定的吸收作用，因而對器件的光電性能存在一定的影響。利用外延片壓焊(waferbonding)和溼法 剝離或雷射剝離相結合的技術將原始襯底上生長的銦鎵鋁氮薄膜轉移到新襯底 上製備上下電極結構的發光器件，將可以改善出光效率、提高晶片利用率和降 低LED的串連電阻。所以，近年來銦鎵鋁氮外延片的壓焊(wafer bonding)技 術被廣泛採用。目前的銦鎵鋁氮外延片的壓焯一般採用Au或AuSn等塑性比較好或熔點比 較低的金屬作為壓焊金屬，加熱方式一般採用傳導加熱方式，即加熱方式是熱 阻加熱。要實現外延片的壓焊一般需要在一定的溫度和壓力情況下完成，加熱 器要同時承擔傳遞壓力和傳遞溫度的作用，所以目前外延片壓焊的加熱器多半 採用具有一定強度和厚度的金屬製作。然而金屬比熱容較大，所以它的升溫速 率慢、升溫時間長，這使得壓焊金屬容易擴散到GaN的表面破壞外延片的歐姆 接觸性能。對於降溫，如果採用氣體冷卻或液體冷卻會使得金屬加熱器產生很 大的內應力，引起變形；如果不採用氣體冷卻或液體冷卻，則降溫時間會很長， 它不但影響歐姆接觸，而且影響生產效率。金屬加熱器反覆加熱會引起熱疲勞使得加熱器變形和產生裂紋。 發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種半導體外延片的壓焊方法，該方法不 需要通過熱阻加熱方式給壓焊金屬加熱，可以防止熱阻加熱方式中的壓焊金屬 由於熱擴散而影響外延片的歐姆接觸性能，該方法可最大程度的避免熱阻加熱 方式給外延片造成的品質劣化。為了解決上述技術問題，本發明採用如下技術方案 一種半導體外延片的 壓焊方法，包括如下步驟定位步驟將待焊接的外延片和基板置於夾合裝置上的工作檯上，使外延 片和基板的焊接面通過定位裝置進行定位對接；電磁焊接步驟接通電磁線圈，並通過焊接機構上的夾合裝置對外延片和 基板施加夾合壓力，通過電磁線圈發出的電磁波來加熱外延片或基板上的壓焊 金屬，使外延片和基板壓焊在一起。優選地，所述定位步驟包括將待焊接的外延片和基板置於工作檯上的定 位環的孔內。在焊接機構包括定位盤的情況下，進一步改進是將待焊接的基 板置於工作檯上的定位環孔底部的下定位盤上，或者直接將待焊接的基板置於 工作檯上的定位孔底部；再將外延片置於基板上；最後將上定位盤置於外延片 上。上述優選方式需要手工完成。當然，外延片和基板也可以採用電腦自控方 式對接，即讓機械手通過電腦精確的計算和控制輔以感應器的定位來實現外延 片和基板的對接。優選地 一個外延片和一個基板組成一對焊接體，多對所述焊接體層疊起 來置於所述工作檯上進行壓焊。 一次將多對焊接體進行焊接的方式，可以大大提高焊接效率。優選地所述外延片和所述基板中至少其中一個的焊接面上有焊接金屬。 優選地所述電磁線圈發出的加熱電磁波的頻率範圍是高頻或者中頻。優選地所述電磁線圈內有用於冷卻的冷卻管，在對外延片和基板焊接過 程中，焊接機構中的冷卻裝置同時工作，冷卻裝置通過冷卻管給電磁線圈進行 冷卻；冷卻方式為液體冷卻或者氣體冷卻。對電磁線圈的冷卻，可以延長電磁 線圈的壽命，當然，主要還是使工作環境處於一個較為低溫的環境下，這樣可 以儘量避免外延片和基板的劣化。優選地所述夾合裝置工作時，夾合裝置通過設在夾合裝置上的冷卻裝置 冷卻；冷卻方式為液體冷卻或者氣體冷卻。優選地所述壓焊過程在大氣環境下進行；或者在所述電磁焊接步驟前， 將焊接機構置於真空裝置中，將真空裝置內的空氣抽出，使壓焊過程在真空環 境下進行。將夾合裝置及其工作檯設於真空裝置內，真空環境可以使整個倒封 裝工藝出於無塵的工作環境下，有利於提高外延片的加工質量。另外也可以出 於成本考慮將夾合裝置置於空氣中，使整個工作環境置於自然條件下。優選地，所述電磁焊接步驟包括接通電磁線圈後，加熱外延片至20(TC 1063°C，然後再用夾合裝置給外延片施加壓力，再保溫一定的時間至外延片和 基板通過壓焊金屬層壓焊在一起；電磁焊接步驟完成後，停止感應加熱和撤除 壓力。加熱溫度由壓焊金屬的熔點決定，常用的壓焊金屬Sn的熔點在231.89 °C，而Au的熔點是1063°C，而AuSn的熔點是280。C。 本發明的有益效果如下相比現有技術，本發明採用了電磁感應加熱方式，通過在所述工作檯周圍設 置電磁線圈，來實現對所述壓焊金屬的熔化，使外延片和基板焊接在一起。本發明這種焊接方式中由電磁線圈產生的電磁感應只會對壓焊金屬和基板等具有 導電性的物質有加熱作用，而對傳遞壓力的夾合構件沒有加熱作用。因而實現 同樣的溫度壓焊，壓焊裝置裡的熱容將大大降低，這樣可以獲得更快的升溫速 率。由於夾合構件不產生熱或產生較少的熱，所以整個壓焊裝置的升溫速率和 降溫速率很快，這樣對保護外延片的歐姆接觸不被破壞很有好處。由於升溫速 率和降溫速率很快，這樣可以明顯提高生產速率。


圖1是本發明涉及的構造實施例一的結構示意圖。圖2是本發明涉及的構造實施例二的結構示意圖。 圖3是本發明涉及的構造實施例三的結構示意圖。 圖4是本發明涉及的構造實施例四的結構示意圖。
具體實施方式
本發明提供一種半導體外延片的壓焊方法。該方法涉及的焊接機構的壓焊 結構包括設於工作檯旁的電磁線圈，外延片和基板處於在電磁線圈的電磁場可 以作用的範圍內。通過電磁線圈給壓焊金屬加熱，使外延片和基板實現倒裝焯 接。本發明的實施方式以銦鎵鋁氮外延片與基板之間的倒封裝壓焊為例。本發 明採用電磁感應加熱，對外延片和基板進行壓焊，具有升溫速率快、不易破壞 外延片的歐姆接觸的特點。構造實施例一，參看圖1所示。首先在銦鎵鋁氮外延片101上製備歐姆接 觸層和金屬壓焊層(即待壓焊的壓焊金屬)，並在基板102上製備歐姆接觸層和 金屬壓焊層。如果基板102是金屬的，則基板102上沒有必要製備歐姆接觸層。 當然，也可以是僅有外延片上或基板的其中一個的焊接面上具有壓焊金屬層。 對外延片101和基板102施加壓力的夾合裝置包括施壓構件107和承壓構件106。施壓構件107其壓力的來源可以是氣壓傳遞的壓力，也可以是液壓傳遞的壓力。 為了獲得高質量的焊接產品，施壓構件107和壓力源構件之間的聯接必須是諸 如萬向節之類的活動聯接，以使得外延片101上能獲得均勻的壓力。承壓構件 106要求是固定的，不活動。施壓構件107和承壓構件106之間形成焊接外延片 101和基板102的工作檯。施壓構件107和承壓構件106的端面要求是經過了研 磨拋光的端面，且具有一定的平整度和平面度。另外可以考慮給施壓構件107 和承壓106構件進行冷卻，即在兩個夾合構件中至少一個夾合構件中設置液體 或氣冷管裝置。通過將外延片101和基板102之間的壓焊金屬融化來焊接外延片和基板的 加熱裝置主體為電磁線圈108。電磁線圈108通過電磁感應來加熱壓焊金屬，電 磁線圈108設於工作檯外圍。電磁線圈108是圓柱狀的螺旋電磁線圈。電磁線 圈108為多圈的螺旋狀柱形，它將整個工作檯、施壓構件107的工作前端和承 壓構件106的工作前端環包起來。電磁線圈108為中空線圈，其中空腔體為冷 卻管，冷卻管與液冷或氣冷裝置連接，這樣的冷卻結構可以給工作中的電磁線 圈108冷卻降溫，以使其保持良好的工作狀態。包括本發明的壓焊結構的整個壓焊(或焊接)機構可以設置在一個真空裝 置裡面，也可以是暴露在大氣中。也可以是除電磁線圈之外的其它部件處在真 空腔體裡面，而電磁線圈在腔體外面，此時真空腔體靠近電磁線圈的部位其材 料要求是諸如石英之類的絕緣材料。本實施例的定位裝置主要由對外延片和基板進行定位的定位環104、上定位 盤105和下定位盤103構成。上定位盤105和下定位盤103是對外延片和基板 進行上下方向定位的，其由比熱容小於中碳鋼的陶瓷構成。下定位盤10置於承 壓構件106上的與基板接觸的部位上，定位環104置於下定位盤103上。基板102置於下定位盤103上，外延片101置於基板102上，上定位盤105置於外延 片101上，施壓構件107置於上定位盤105上。定位環104其材料優選為陶瓷 或石英等絕緣的非金屬材料，並且定位環的內孔和上定位盤105之間有時當的 間隙。上定位盤105和下定位盤103均是經過雙面研磨拋光並且具有一定平面 度和厚度一致性的陶瓷構件，也可以是石英等比熱容比較小的其它非金屬材料， 其總厚度變化一般不易太大。為了保證上定位盤和下定位盤具有一定的機械強 度，要求上定位盤和下定位盤的厚度不能太小，同時為使其熱容量比較小，其 厚度也不能太大。本實施例適合於一個外延片和一個基板的壓焊。該結構電磁線圈108設於 工作檯外圍。如果將電磁線圈整合到定位環104中，則此時，電磁線圈設於工 作臺上。壓焊前，將外延片101和基板102之間的壓焊金屬層疊放在一起，放置在 定位盤(上定位盤105和下定位盤103)內。將疊放在一起的外延片101和基板 102放入定位盤時，外延片可以朝上，也可以朝下。基板至少有一個面是經過拋 光的，其壓焊面是拋光面。基板和外延片的襯底其總厚度變化均要求小於10微 米。壓焊過程在大氣環境下進行。如果將壓焊機構置於真空中壓焊的話，則在電磁焊接步驟前，需將焊接機 構置於真空裝置中，將真空裝置內的空氣抽出，使壓焊過程在真空環境下進行。壓焊時，先通過電磁感應加熱外延片至20(TC以上，然後再給外延片施加壓 力。加熱溫度視壓焊金屬的成分而定如果壓焊金屬是AuSn，其熔點是28(TC， 加熱溫度一般控制在兩百多度即可；如果是熔點為1063。C的純Au，則加熱溫度 相對要高很多。所以加熱外延片的溫度範圍一般在20(TC 1063'C之間。加溫後，然後保溫一定時間，使得外延片和基板通過壓焊金屬層壓焊在一起，最後停止 感應加熱和撤除壓力。這樣就完成了外延片和基板之間的壓焊。電磁線圈發出 的加熱電磁波的頻率範圍是高頻或者中頻，頻率越高，可以給壓焊金屬提供的 加熱能量也越多，壓焊金屬所升的溫度也越高。頻率的選擇根據實際壓焊金屬 來確定。電磁線圈內有用於冷卻的冷卻管，在對外延片和基板焊接過程中，焯 接機構中的冷卻裝置同時工作，冷卻裝置通過冷卻管給電磁線圈進行冷卻。冷 卻方式為液體冷卻或者氣體冷卻。如果夾合裝置內安置有冷卻裝置，夾合裝置 工作時，夾合裝置也可以通過設在夾合裝置上的冷卻裝置冷卻。由於感應加熱時除外延片和基板會產生感生電流外，其餘構件由於是絕緣 的不會產生感生電流，所以外延片和基板可以達到較高的升溫速率，也具有較 快的降溫速率。完成外延片和基板的焊接後，最後將外延襯底去除，就實現了 銦鎵鋁氮薄膜從外延襯底到新基板的轉移，它可以製備成上電極和下電極結構 的發光器件。壓焊的需要的電磁波是根據實際需要進行控制選取的，電磁波的頻率範圍 可以是高頻，也可以是中頻。夾合構件上的與外延片和基板基礎的基礎部位，優選為陶瓷或石英等材質。 也可以選用受電磁波影響較小、工作狀態下發熱較少的半導體、其它絕緣體材 料或者某些金屬物質。構造實施例二，如圖2所示。 一個外延片和一個基板組成一對焯接體，本 實施例結構是為了提高生產效率，在構造實施例一結構上的改進結構，它可以 一次對多個焊接體進行焊接。這種結構需要加長定位環204和加厚的上定位盤 205和下定位盤203。施壓構件207、承壓構件206和電磁線圈208同實施例一 結構。外延片201和基板202組成的焊接體層疊起來置於工作檯上進行焊接即可，因為是電磁線圈的感應電流加熱外延片和基板，所以所有的外延片和基板 具有一致的升溫速率，其生產效果和實施例單一焊接效果一樣優良，這樣來大 大提高焊接的效率。構造實施例三，參看圖3所示。相比構造實施例一的結構，本構造實施例 的定位裝置沒有定位盤，而只有定位環303。定位環303置於由施壓構件305和 承壓構件304夾合而成的工作檯上。定位環303固定在承壓構件304的上端面 上。外延片301和基板302置於定位環303的孔內。另外，本發明涉及的構造實施例還可以不包括定位裝置的結構。此時，外 延片和基板最好採用電腦自控方式對接，即讓機械手通過電腦精確的計算和控 制輔以感應器的定位來實現外延片和基板的焊接點對接。在沒有定位裝置的情 況的這種結構，萬向節可以安裝在承壓構件上，而不安裝在施壓構件上，使承 壓構件順應施壓構件進行角度調整，這種結構要求承壓構件不宜有較大的轉動 範圍，否則，外延片和基板不宜固定在定位環內。除此以外，還可以在施壓構 件和承壓構件上同時安裝萬向節，前提是，承壓構件不能有太大的轉動範圍。構造實施例四，如圖4所示。相比構造實施例一，本構造實施例結構的承 壓構件403下方設有平面狀線圈407。且定位環404較厚，以實現多組焊接體的 同時焊接。而且定位裝置由定位環404和上定位盤405構成，沒有下定位盤。 焊接體的外延片401和基板402疊加在定位環404的孔內，定位環404置於承 接構件403上。在焊接體上置有上定位盤405。上定位體405上為施壓構件406。 由於電磁感應的感生電流具有趨膚效應，焊接體內的溫度具有一致性，焊接效 果也非常理想。另外，平面狀線圈407還可以設於承壓構件403內。如果該結 構包括下定位盤，則平面狀線圈407還可以設於下定位盤內，這樣平面狀線圈 置於工作檯上了。當然，這種平面狀的電磁線圈還可以設於承壓構件或施壓構件內部。本發明通過電磁線圈給外延片和基板上的壓焊金屬加熱，來完成焊接。電 磁線圈設於工作檯上或工作檯外圍，所謂的工作檯上或者工作檯外圍指的是電 磁線圈的電磁感應可以作用到壓焊金屬的範圍。電磁線圈結構和位置並不局限 於上述實施例的結構和位置關係。另外，電磁線圈的電磁場可以作用的有效範 圍內，本發明涉及的結構包括的施壓構件、承壓構件、定位裝置上均不含有可 以產生明顯有千擾作用的渦流發熱材料，即本發明結構上的各部件所含有的金 屬、非金屬部分是根據實際需要選用的、在額定電磁頻率下無明顯渦流熱效應 的物質。非金屬材料可以為絕緣體或者半導體。絕緣體優選為陶瓷或石英。這 是出於成本和取材難易程度上的考慮，另外，除了陶瓷和石英以外，還可以採 用其它的材料，諸如巖石、有機絕緣體甚至具有特殊結構的半導體材料，當然 不是所有半導體材料都合適本發明，只有沒有明顯渦流熱效應的半導體才可以 適合本發明。包括電磁線圈設於真空裝置外部情況，真空裝置接近電磁線圈部 位也需為上述沒有明顯渦流熱效應的物質。以避免造成不必要的高溫環境和電 能的浪費。
權利要求
1. 一種半導體外延片的壓焊方法，包括如下步驟定位步驟將待焊接的外延片和基板置於夾合裝置上的工作檯上，使外延片和基板的焊接面通過定位裝置進行定位對接；電磁焊接步驟接通電磁線圈，並通過焊接機構上的夾合裝置對外延片和基板施加夾合壓力，通過電磁線圈發出的電磁波來加熱外延片或基板上的壓焊金屬，使外延片和基板壓焊在一起。
2、 根據權利要求1所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於所述定位 步驟包括將待焊接的外延片和基板置於工作檯上的定位環的孔內。
3、 根據權利要求2所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於將待焊 接的基板置於工作檯上的定位環孔底部的下定位盤上，或者直接將待焊接的基 板置於工作檯上的定位孔底部；再將外延片置於基板上；最後將上定位盤置於 外延片上。
4、 根據權利要求2所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於 一個外 延片和一個基板組成一對焊接體，多對所述焊接體層疊起來置於所述工作檯上 進行壓焊。
5、 根據權利要求1或2或4所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於-所述外延片和所述基板中至少其中一個的焊接面上有焊接金屬。
6、 根據權利要求1所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於所述電 磁線圈發出的加熱電磁波的頻率範圍是高頻或者中頻。
7、 根據權利要求1或2或3或4或6所述的半導體外延片的壓焊方法，其 特徵在於所述電磁線圈內有用於冷卻的冷卻管，在對外延片和基板焊接過程中，焊接機構中的冷卻裝置同時工作，冷卻裝置通過冷卻管給電磁線圈進行冷卻；冷卻方式為液體冷卻或者氣體冷卻。
8、 根據權利要求1所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於所述夾 合裝置工作時，夾合裝置通過設在夾合裝置上的冷卻裝置冷卻；冷卻方式為液 體冷卻或者氣體冷卻。
9、 根據權利要求1或2或3或4所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵 在於所述壓焊過程在大氣環境下進行；或者在所述電磁焊接步驟前，將焊接 機構置於真空裝置中，將真空裝置內的空氣抽出，使壓焊過程在真空環境下進 行。
10、 根據權利要求1所述的半導體外延片的壓焊方法，其特徵在於所述電 磁焊接步驟包括接通電磁線圈後，加熱外延片至20(TC 1063'C，然後再用夾 合裝置給外延片施加壓力，再保溫一定的時間至外延片和基板通過壓焊金屬層 壓焊在一起；電磁悍接步驟完成後，停止感應加熱和撤除壓力。
全文摘要
本發明公開了一種半導體外延片的壓焊方法，該方法不需要通過熱阻加熱方式給壓焊金屬加熱，可以防止熱阻加熱方式中的壓焊金屬由於熱擴散而影響外延片的歐姆接觸性能，該方法可最大程度的避免熱阻加熱方式給外延片造成的品質劣化一種。本發明包括如下步驟定位步驟將待焊接的外延片和基板置於夾合裝置上的工作檯上，使外延片和基板的焊接面通過定位裝置進行定位對接；電磁焊接步驟接通電磁線圈，並通過焊接機構上的夾合裝置對外延片和基板施加夾合壓力，通過電磁線圈發出的電磁波來加熱外延片或基板上的壓焊金屬，使外延片和基板壓焊在一起。本發明由於升溫速率和降溫速率很快，可以明顯提高生產速率。
文檔編號H01L33/00GK101267012SQ20081010683
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月30日 優先權日2008年4月30日
發明者江風益, 熊傳兵, 立 王, 王古平, 章少華 申請人:晶能光電(江西)有限公司