CN102694089A

CN102694089A - Led芯片键合方法及led芯片

Info

Publication number: CN102694089A
Application number: CN2012101868402A
Authority: CN
Inventors: 封飞飞; 张昊翔; 金豫浙; 万远涛; 李东昇; 江忠永
Original assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Silan Azure Co Ltd
Priority date: 2012-06-06
Filing date: 2012-06-06
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2032-06-06
Also published as: CN102694089B

Abstract

本发明提供了一种LED芯片键合方法及LED芯片，其中，所述LED芯片键合方法包括：提供衬底，所述衬底上顺次形成有外延层、欧姆接触层、第一粘结层、第一钎料阻挡层及第一键合层；提供基板，所述基板上顺次形成有第二粘结层、第二钎料阻挡层及第二键合层；在第一键合层表面和/或第二键合层表面形成钎料层，所述钎料层的材料为金属或者合金；将所述衬底与基板贴合，其中，所述钎料层的表面为贴合面，直至所述钎料层完全扩散至所述第一键合层及第二键合层。通过避免Au-Au固相扩散键合或Au-Sn共晶键合，即避免或减少了贵金属的使用，从而降低了LED芯片制造成本。

Description

LED芯片键合方法及LED芯片

技术领域

本发明涉及半导体光电器件制造技术领域，特别涉及一种LED芯片键合方法及LED芯片。

背景技术

在当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题。在照明领域，LED（Light Emitting Diode，发光二级管）的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

LED的应用中，LED芯片的制造是其中最为关键的一个步骤，而芯片键合是LED芯片制造过程中优选的一个工艺过程。芯片键合主要是指：在两种衬底/基板上生长相应的金属层，然后通过一定的外界条件使两种衬底上生长的金属层粘合在一起。

目前，对于GaN基外延层都是在同质或异质衬底上通过外延工艺生长，然而若不将外延层转移到其它衬底上，则无论从应力的释放、光的吸收、散热等方面都会对器件造成影响，使其发光效率较低。若将GaN基外延层通过芯片键合转移到散热性好，膨胀系数相近的基板上，不仅能提高器件的可靠性，还能避免异质衬底对光的吸收，显著提高光强，更利于满足固态照明对LED可靠性和光强的需求。

目前，LED芯片转移方式大多采用固态Au-Au扩散键合或者Au-Sn共晶键合，且Au层的厚度至少需要1微米，而Au-Sn共晶键合的共晶温度需要280℃左右，这样后面LED芯片的制造工艺和焊线都不能超过这个温度，导致工艺窗口狭窄。以上无论采用固相Au-Au扩散键合或者Au-Sn共晶键合，所使用的Au含量至少70%以上，而Au作为贵金属，会大幅度增加制造成本，阻碍LED进入照明领域。

针对以上问题，有必要寻找一种更适合的键合方式解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LED芯片键合方法及LED芯片，以解决现有技术的芯片键合方法中制造成本高或者工艺窗口狭窄的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种LED芯片键合方法，包括：

提供衬底，所述衬底上顺次形成有外延层、欧姆接触层、第一粘结层、第一钎料阻挡层及第一键合层；

提供基板，所述基板上顺次形成有第二粘结层、第二钎料阻挡层及第二键合层；

在第一键合层表面和/或第二键合层表面形成钎料层，所述钎料层的材料为金属或者合金；

将所述衬底与基板贴合，其中，所述钎料层的表面为贴合面，直至所述钎料层完全扩散至所述第一键合层及第二键合层。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述钎料层的材料为熔点小于等于400℃的金属或者含熔点小于400℃金属的合金。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述钎料层的材料为Sn、In、Pb、Bi、Sn_xCu_1-x、Sn_xPb_1-x、Bi_xSn_1-x、Pb_xSb_ySn_1-x-y、Sn_xAg_1-x或Sn_xAg_yCu_1-x-y。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述钎料层扩散至所述第一键合层及第二键合层后，形成混合层，所述混合层在600℃以下物化性能稳定。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述混合层的材料为合金。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述混合层的材料为Ni_xSn_1-x、Ni_xIn_1-x、Cu_xSn_1-x、Cr_xIn_1-x或Ti_xIn_1-x。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述第一键合层及第二键合层的材料为Pt、Ni、Ti、Cu和Cr中的一种。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料为Pt、Ni、TiW、W、TiN和TiWN中的一种或组合。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述第一粘结层和第二粘结层的材料为Ti、Cr或Ni。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，在所述欧姆接触层和第一粘结层之间还形成有反射镜层和/或反射镜阻挡层。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述钎料层、第一键合层、第二键合层、第一钎料阻挡层、第二钎料阻挡层、第一粘结层及第二粘结层均通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

可选的，在所述的LED芯片键合方法中，所述LED芯片的结构为垂直结构或者倒装结构。

本发明还提供一种LED芯片，包括：

衬底；

位于所述衬底上的外延层、欧姆接触层、第一粘结层、第一钎料阻挡层及混合层；

位于所述混合层上的第二钎料阻挡层、第二粘结层及基板。

可选的，在所述的LED芯片中，所述混合层在600℃以下物化性能稳定。

可选的，在所述的LED芯片中，所述混合层的材料为合金。

可选的，在所述的LED芯片中，所述混合层的材料为Ni_xSn_1-x、Ni_xIn_1-x、Cu_xSn_1-x Cr_xIn_1-x或Ti_xIn_1-x。

可选的，在所述的LED芯片中，所述第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料为Pt、Ni、TiW、W、TiN和TiWN中的一种或组合。

可选的，在所述的LED芯片中，所述第一粘结层和第二粘结层的材料为Ti、Cr或Ni。

可选的，在所述的LED芯片中，在所述欧姆接触层和第一粘结层之间还形成有反射镜层和/或反射镜阻挡层。

可选的，在所述的LED芯片中，所述第一钎料阻挡层、第二钎料阻挡层、第一粘结层及第二粘结层均通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

可选的，在所述的LED芯片中，所述LED芯片的结构为垂直结构或者倒装结构。

与现有技术相比，在本发明提供的LED芯片键合方法及LED芯片中，避免了Au-Au固相扩散键合或Au-Sn共晶键合，即避免或减少了贵金属的使用，从而降低了LED芯片制造成本。

此外，在发明提供的LED芯片键合方法及LED芯片中，通过钎料层完全熔化，扩散至第一键合层及第二键合层进行键合，即利用了液相扩散焊，由此能够在较低的温度下使钎料层熔化、扩散，与第一、第二键合层形成稳定的混合层，获得较佳的键和界面。

附图说明

图1是本发明实施例的LED芯片键合方法的流程示意图；

图2a~2e是本发明实施例一的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图；

图3是本发明实施例二的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图；

图4是本发明实施例三的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的LED芯片键合方法及LED芯片作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图1，其为本发明实施例的LED芯片键合方法的流程示意图。如图1所示，所述LED芯片键合方法包括如下步骤：

S10：提供衬底，所述衬底上顺次形成有外延层、欧姆接触层、第一粘结层、第一钎料阻挡层及第一键合层；

S11：提供基板，所述基板上顺次形成有第二粘结层、第二钎料阻挡层及第二键合层；

S12：在第一键合层表面和/或第二键合层表面形成钎料层，所述钎料层的材料为金属或者合金；

S13：将所述衬底与基板贴合，其中，所述钎料层的表面为贴合面，直至所述钎料层完全扩散至所述第一键合层及第二键合层。

其中，该LED芯片键合方法既可用于垂直结构的LED芯片制造，形成垂直结构的LED芯片；也可用于倒装结构的LED芯片制造，形成倒装结构的LED芯片。接着，将通过如下三个实施例予以进一步说明。

【实施例一】

请参考图2a~2e，其为是本发明实施例一的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图。

首先，如图2a所示，提供衬底20，所述衬底20上顺次形成有外延层20a、欧姆接触层20b、第一粘结层20c、第一钎料阻挡层20d及第一键合层20e。优选的，所述衬底20的材料为GaN，所述外延层20a为GaN基外延层，所述外延层20a通过外延工艺形成。在本发明的其他实施例中，所述衬底20的材料也可以为硅、碳化硅、GaAs、AlN或者ZnO等。

在本实施例中，所述第一粘结层20c的材料为Ti，其厚度为30nm~70nm，优选的，所述第一粘结层20c的厚度为50nm。所述第一钎料阻挡层20d的材料为Pt，其厚度为150nm~250nm，优选的，所述第一钎料阻挡层20d的厚度为200nm。所述第一键合层20e的材料为Ni，其厚度为0.8微米~1.2微米，优选的，所述第一键合层20e的厚度为1微米。

其中，所述欧姆接触层20b、第一粘结层20c、第一钎料阻挡层20d及第一键合层20e均可通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。所述外延层20a可通过MOCVD（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，金属有机化合物化学气相沉积）工艺形成。

接着，如图2b所示，提供基板21，所述基板21上顺次形成有第二粘结层21a、第二钎料阻挡层21b及第二键合层21c。在本实施例中，所述第二粘结层21a的材料为Ti，其厚度为30nm~70nm，优选的，所述第一粘结层20c的厚度为50nm。所述第二钎料阻挡层21b的材料为Pt，其厚度为150nm~250nm，优选的，所述第一钎料阻挡层20d的厚度为200nm。所述第二键合层21c的材料为Ni，其厚度为0.8微米~1.2微米，优选的，所述第一键合层20e的厚度为1微米。

其中，所述第二粘结层21a、第二钎料阻挡层21b及第二键合层21c均可通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

接着，如图2c所示，在所述第一键合层20e表面形成钎料层22，在此，所述钎料层22的材料为Sn，其厚度为300nm~700nm，优选的，所述钎料层22的厚度为500nm。该钎料层22可通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

接着，如图2d所示，将所述衬底20与基板21贴合，其中，所述钎料层22的表面为贴合面。即，在此将所述钎料层22的表面与所述第二键合层21c的表面贴合。具体的，在Sn（钎料层22的材料）的熔点温度之上执行该工艺步骤。优选的，在280℃下，真空环境中，1T的压力下执行该工艺步骤。该工艺步骤将持续一定时间，直至所述钎料层22完全扩散至所述第一键合层20e及第二键合层21c。

如图2e所示，最终，所述钎料层22将完全扩散至所述第一键合层20e及第二键合层21c，由此，便完成了键合工艺。在所述钎料层22完全扩散至所述第一键合层20e及第二键合层21c之后，将形成新的膜层—混合层23。该混合层23的材料为合金（具体在此为Ni_xSn_1-x），其具有很高的稳定性，通常，在室温至600℃（或者说600℃以下），其能够保持稳定的物化性能（即物理化学性能稳定）。

由于通过该LED芯片键合工艺所形成的键合截面（混合层23）稳定，其能够为后续工艺提供很宽的工艺窗口，便于安全、可靠地执行后续工艺。此外，通过该LED芯片键合工艺无需使用昂贵的Au，在此，仅使用了价格更为低廉的Sn，由此，极大地降低了制造成本。

在此，对于钎料层22、第一键合层20e及第二键合层21c的材料优选为具有很好浸润性能的材料，由此，可提高钎料层22与第一键合层20e的粘结性能，以及后续钎料层22扩散至第一键合层20e及第二键合层21c，并形成性能稳定的混合层23。

在本实施例中，通过所述第一钎料阻挡层20d及第二钎料阻挡层21b可在钎料层22扩散的过程中，阻止钎料层22往第一粘结层20c及其下膜层，第二粘结层21a及其下膜层扩散，从而提高所形成的LED芯片的可靠性。同时，通过所述第一粘结层20c及第二粘结层21a可很好的粘结其上下膜层，进一步提高LED芯片的可靠性。

具体的，在本实施例中，钎料层22的Sn会熔化，接着扩散到第一键合层20e及第二键合层21c当中与之形成稳定合金，而第一钎料阻挡层20d及第二钎料阻挡层21b的Pt的作用是阻挡钎料层22的Sn扩散到第一粘结层20c及第二粘结层21a中与之形成有害相，破坏器件稳定性，进而提高所形成的器件的可靠性。

请继续参考图2e，通过上述LED芯片键合方法可形成一LED芯片，其包括：

衬底；

位于所述衬底上的外延层20a、欧姆接触层20b、第一粘结层20c、第一钎料阻挡层20d及混合层23；

位于所述混合层23上的第二钎料阻挡层21b、第二粘结层21a及基板21。

当然，在完成LED芯片键合工艺及由此形成了一器件之后，还可继续后续工艺，如将衬底20剥离等，此为现有工艺，本申请对此不再赘述。

【实施例二】

请参考图3，其为本发明实施例二的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图。

如图3所示，在本实施例中，提供衬底30，所述衬底30上顺次形成有外延层30a、欧姆接触层30b、反射镜层30c、反射镜阻挡层30d、第一粘结层30e、第一钎料阻挡层30f及第一键合层30g。其中，所述第一粘结层30e的材料为Ti，其厚度优选为50nm；所述第一钎料阻挡层30f的材料为TiW，其厚度优选为200nm；所述第一键合层30g的材料为Ni，其厚度优选为1微米。

请继续参考图3，提供基板31，所述基板31上顺次形成有第二粘结层31a、第二钎料阻挡层31b、第二键合层31c及钎料层32。其中，所述第二粘结层31a的材料为Ti，其厚度优选为50nm；所述第二钎料阻挡层31b的材料为TiW，其厚度优选为200nm；所述第二键合层31c的材料为Ni，其厚度优选为1微米；所述钎料层32的材料为Sn_xCu_1-x，其厚度优选为500nm。

接着，可参考实施例一，将所述衬底30与基板31贴合，其中，所述钎料层32的表面为贴合面，在本实施例中，即指钎料层32的表面与第一键合层30g表面贴合，直至所述钎料层32完全扩散至所述第一键合层30g及第二键合层31c，最终完成键合。

具体的，在280℃下，真空环境中，1T的压力下进行贴合，直至钎料层32完全扩散。本实施例中钎料层32的Sn_xCu_1-x合金中的Sn会熔化，接着扩散到第一键合层30g和第二键合层31c当中与之形成稳定合金，而第一钎料阻挡层30f和第二钎料阻挡层31b的TiW的作用是阻挡Sn扩散到第一粘结层30e和第二粘结层31a中与之形成有害相，破坏器件稳定性，进而提高所形成的器件的可靠性。

本实施例与实施例一的差别在于：在实施例一中，钎料层形成于第一键合层之上，而在本实施例中钎料层形成于第二键合层之上；此外，所述钎料层、第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料也与实施例一的不同。但是，在本实施例提供的LED芯片键合方法中，同样能够实现实施例一所提到有益效果。同时，本实施例未提及的工艺步骤可相应参考实施例一。

【实施例三】

请参考图4，其为本发明实施例三的LED芯片键合方法中的器件剖面示意图。

如图4所示，在本实施例中，提供衬底40，所述衬底40上顺次形成有外延层40a、欧姆接触层40b、反射镜层40c、反射镜阻挡层40d、第一粘结层40e、第一钎料阻挡层40f、第一键合层40g、第一钎料层42。其中，所述第一粘结层40e的材料为Ti，其厚度优选为50nm；所述第一钎料阻挡层40f的材料为TiW，其厚度优选为200nm；所述第一键合层40g的材料为Ni，其厚度优选为1微米；所述第一钎料层42的材料为Sn_xCu_1-x，其厚度优选为250nm。

请继续参考图4，提供基板41，所述基板41上顺次形成有第二粘结层41a、第二钎料阻挡层41b、第二键合层41c及第二钎料层42’。其中，所述第二粘结层41a的材料为Ti，其厚度优选为50nm；所述第二钎料阻挡层41b的材料为TiW，其厚度优选为200nm；所述第二键合层41c的材料为Ni，其厚度优选为1微米；所述第二钎料层42’的材料为Sn_xCu_1-x，其厚度优选为250nm。

本实施例与实施例二的差别在于，钎料层分为第一钎料层42及第二钎料层42’，分别形成于第一键合层40g及第二键合层41c上。其同样能够实现相应的有益效果，同时，本实施例未提及的工艺步骤可相应参考实施例一及实施例二。

需说明的是，钎料层、第一键合层、第二键合层、第一钎料阻挡层、第二钎料阻挡层、第一粘结层、第二粘结层的材料并不限定于上述提及的各种材料。例如，所述钎料层的材料可以为Sn、In、Pb、Bi、Sn_xCu_1-x、Sn_xPb_1-x、Bi_xSn_1-x、Pb_xSb_ySn_1-x-y、Sn_xAg_1-x或Sn_xAg_yCu_1-x-y，优选的，所述钎料层的材料为熔点小于等于400℃的金属或者含熔点小于400℃金属的合金；所述第一键合层及第二键合层的材料可以为Pt、Ni、Ti、Cu和Cr中的一种；所述第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料可以为Pt、Ni、TiW、W、TiN和TiWN中的一种或组合；所述第一粘结层和第二粘结层的材料可以为Ti、Cr或Ni。此外，根据不同的钎料层材料及不同的第一键合层、第二键合层材料，所述混合层也将由不同的材料形成，例如：Ni_xSn_1-x、Ni_xIn_1-x、Cu_xSn_1-x、Cr_xIn_1-x或Ti_xIn_1-x等。当然，并不限定于上述所列举的材料，各膜层也可以通过其他材料形成，其只需满足实施例一中所提及的功能即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种LED芯片键合方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述钎料层的材料为熔点小于等于400℃的金属或者含熔点小于400℃金属的合金。

3.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述钎料层的材料为Sn、In、Pb、Bi、Sn_xCu_1-x、Sn_xPb_1-x、Bi_xSn_1-x、Pb_xSb_ySn_1-x-y、Sn_xAg_1-x或Sn_xAg_yCu_1-x-y。

4.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述钎料层扩散至所述第一键合层及第二键合层后，形成混合层，所述混合层在600℃以下物化性能稳定。

5.如权利要求4所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述混合层的材料为合金。

6.如权利要求5所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述混合层的材料为Ni_xSn_1-x、Ni_xIn_1-x、Cu_xSn_1-x、Cr_xIn_1-x或Ti_xIn_1-x。

7.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述第一键合层及第二键合层的材料为Pt、Ni、Ti、Cu和Cr中的一种。

8.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料为Pt、Ni、TiW、W、TiN和TiWN中的一种或组合。

9.如权利要求1所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述第一粘结层和第二粘结层的材料为Ti、Cr或Ni。

10.如权利要求1至9中的任一项所述的LED芯片键合方法，其特征在于，在所述欧姆接触层和第一粘结层之间还形成有反射镜层和/或反射镜阻挡层。

11.如权利要求1至9中的任一项所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述钎料层、第一键合层、第二键合层、第一钎料阻挡层、第二钎料阻挡层、第一粘结层及第二粘结层均通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

12.如权利要求1至9中的任一项所述的LED芯片键合方法，其特征在于，所述LED芯片的结构为垂直结构或者倒装结构。

13.一种LED芯片，其特征在于，包括：

衬底；

位于所述混合层上的第二钎料阻挡层、第二粘结层及基板。

14.如权利要求13所述的LED芯片，其特征在于，所述混合层在600℃以下物化性能稳定。

15.如权利要求13所述的LED芯片，其特征在于，所述混合层的材料为合金。

16.如权利要求15所述的LED芯片，其特征在于，所述混合层的材料为Ni_xSn_1-x、Ni_xIn_1-x、Cu_xSn_1-x、Cr_xIn_1-x或Ti_xIn_1-x。

17.如权利要求13所述的LED芯片，其特征在于，所述第一钎料阻挡层及第二钎料阻挡层的材料为Pt、Ni、TiW、W、TiN和TiWN中的一种或组合。

18.如权利要求13所述的LED芯片，其特征在于，所述第一粘结层和第二粘结层的材料为Ti、Cr或Ni。

19.如权利要求13至18中的任一项所述的LED芯片，其特征在于，在所述欧姆接触层和第一粘结层之间还形成有反射镜层和/或反射镜阻挡层。

20.如权利要求13至18中的任一项所述的LED芯片，其特征在于，所述第一钎料阻挡层、第二钎料阻挡层、第一粘结层及第二粘结层均通过热蒸发、电子束蒸发、溅射、电镀或喷涂的方式形成。

21.如权利要求13至18中的任一项所述的LED芯片，其特征在于，所述LED芯片的结构为垂直结构或者倒装结构。