CN102709204B - 一种led芯片的键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种LED芯片的键合方法，包括如下步骤：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽；所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。本发明提出的一种LED芯片的键合方法，提高了LED芯片制造过程中的产品良率和改善散热效果。

Description

一种LED芯片的键合方法

技术领域

本发明涉及半导体光电芯片制造领域，尤其涉及一种LED芯片的键合方法，实现高可靠性以及高良率的LED芯片键合。

背景技术

照明发光二极管(light-emitting diode，LED)根据发光材料的不同可以发射不同颜色的光。1993年，蓝色氮化镓(GaN)LED技术获得突破，在此基础上1996年实现了无机LED白光发射。由于LED具有低电压驱动、全固态、低功耗、无频闪、高可靠性等优点，作为新一代照明用光源而备受瞩目，为适应其照明的需求，要求进一步提高LED发光效率以及取得更好的散热效果。

LED通过制备LED芯片而获得，而芯片键合是LED芯片制造中关键的步骤，即两种衬底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。芯片键合被广泛应用于垂直结构、倒装结构、平面结构的芯片制作中，其中在垂直结构的芯片制作中尤为广泛。现有的芯片键合多采用蒸镀方法在所述的两种衬底上分别生长相应的金属层，然后通过热压的方法键合。因为在热压的过程中，该方法形成的键合表面的局部区域由于金属挤压的不均匀性会导致有些区域凸起或凹陷，不仅影响产品的良率，而且其散热效果并不足够理想。

为了解决上述问题，有必要设计一种键合方法用以LED芯片的制造来提高LED产品的良率及相应的散热性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种LED芯片的键合方法，以提高LED芯片制造过程中的产品良率和改善散热效果。

为解决上述问题，本发明提供了一种LED芯片的键合方法，包括如下步骤：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽；所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层

进一步的，所述凹槽的形成方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、纳米压印、剥离中的任何一种或者几种方法的组合。

进一步的，形成所述凹槽的俯视形状为圆形、弧形、矩形、规则多边形或者不规则多边形的一种或者多种。

进一步的，所述凹槽的俯视形状为圆形，圆形的直径为0.1μm-100μm，相邻凹槽的间隔为0.1μm-150μm，凹槽的深度为0.1μm-2μm。

进一步的，所述凹槽的俯视形状为矩形，矩形的长为0.1μm-100μm，矩形的宽为0.1μm-100μm，相邻凹槽的间隔为0.1μm-150μm，凹槽的深度为0.1μm-2μm。

进一步的，所述转移衬底使用的材料为砷化镓、氮化镓、氮化铝、氮化铝家、玻璃、氧化锌、硅或者铝与硅两种材料的合金，或铜、钼、钨、镍四种金属中至少两种金属的组合。

进一步的，所述的第一金属层和第二金属层使用的材料为金、锡、铂、镍、钛、铝、银、钯、铅、铟中的一种或者多种。

进一步的，所述的第一金属层和第二金属层分别采用蒸发、溅射、电镀或者喷涂的方法形成。

进一步的，所述键合方法为热压键合、热声键合、超声键合中的任意一种方法或者两种方法。

进一步的，所述LED芯片的结构为垂直结构、倒装结构或平面结构中的一种。

由上述技术方案可见，与现有的芯片键合相比，本发明公开的LED芯片的键合方法，由于通过在转移衬底表面和异质衬底表面分别形成相应的第一和第二金属层之后，在所述转移衬底的第一金属层或在所述异质衬底的第二金属层或是同时在所述转移衬底的第一金属层和所述异质衬底的第二金属层上形成一些凹槽，再通过键合方法将所述转移衬底上形成的第一金属层，或所述异质衬底上形成的第二金属层，或在所述转移衬底上形成的第一金属层和在所述异质衬底上形成的第二金属层进行键合形成第三金属层，金属挤压时，正好将凹槽填满，由此避免了第一和第二金属层在热压的过程中，由于金属挤压而造成的键合表面的局部因金属过多而出现凸起或者凹陷的现象，因此提高了形成在两种衬底上的表面金属的键合强度，进而改善了散热效果以及提高了芯片的成品率。

附图说明

图1是本发明一种LED芯片的键合方法流程图；

图2A至图2N是本发明一种LED芯片的键合方法的剖面示意图；

图3是本发明一种LED芯片的键合方法中形成有凹槽的键合金属层的俯视图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参见图3，本发明所提供的一种LED芯片的键合方法流程为：

S100：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽；

S101：所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

下面以图1所示的方法流程为例，结合附图2A至2N和图3，对一种LED芯片的键合方法的制作工艺进行详细描述。

【实施例一】

S100：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层同时形成有凹槽。

首先，参见图2A，提供一异质衬底氮化物半导体结构30。其中，所述异质衬底氮化物半导体结构30形成的过程为：在异质衬底20上由下至上依次生长氮化镓(GaN)缓冲层22、N型氮化物半导体24、发光层26、P型氮化物半导体28，形成所述异质衬底氮化物半导体结构30，所述异质衬底20为蓝宝石衬底。

其次，参见图2B，提供一转移衬底32。其中，所述转移衬底32使用的材料为砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氮化铝镓(GaAlN)、玻璃、氧化锌(ZnO)、硅(Si)，或者铝(Al)与硅(Si)两种材料的合金，或铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、镍(Ni)四种金属中至少两种金属的组合。

再次，参见图2C，在所述转移衬底32的表面形成第一金属层34。

于是，参见图2D，在所述P型氮化物半导体30的表面上形成第二金属层36。所述第一金属层和第二金属层的厚度为0.5μm以上，可以保证键合的强度。其中，采用蒸发、溅射、电镀或者喷涂的方法形成所述第一金属层34和第二金属层36，优选的，采用电子束蒸发的方式蒸镀，其蒸发速度快；所述第一金属层34和第二金属层36使用的材料为金(Au)、锡(Sn)、铂(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)、铝(Al)、银(Ag)、钯(Pd)、铅(Pb)、铟(In)中的一种或者多种。

优选的，所述第一金属层34和第二金属层36使用的材料为Au，便于通过分子间的作用力进行键合，有益于提高键合强度以及不会发生互扩散，且制成的工艺窗口宽，有利于后续在高温下进行键合。

优选地，所述第一金属层34和第二金属层36使用的材料为Au-Sn(金锡合金)，可以降低成本。

接着，参见图2E，在所述第一金属层34的表面上采用但不限于电子束蒸镀的方式均匀涂覆光刻胶38，通过掩膜、曝光、显影等工艺步骤，在所述第一金属层34上形成图形化的光刻胶38，所述图形可以为圆形、弧形、矩形、规则多边形或者不规则多边形的一种或者多种；所述图形的间隔为0.1μm-150μm(也为后续相邻凹槽40’的间隔)，优选的，所述图形的间隔为0.65μm；所述图形40为圆形时，圆形40的直径(CD)为0.1μm-100μm，优选的，圆形的直径为0.65μm；所述图形40为矩形时，矩形40的长为0.1μm-100μm，矩形40的宽为0.1μm-100μm，优选的，矩形的长为0.65μm，矩形的宽为0.65μm，有益于应力释放以及金属的均匀分布提高材料的热传导性能。其他图形的关键尺寸根据需要可以进行选取。

此后，参见图2F，以所述图形化的光刻胶38为掩膜，采用湿法腐蚀、干法刻蚀、纳米压印、剥离中的任何一种或者几种方法的组合在所述转移衬底32的上形成有图形化的第一金属层34’。优选的，采用湿法腐蚀利用金腐蚀液对图形化的第一金属层34’进行腐蚀，在第一金属层34’对应于图形的部位形成有相应凹槽的，形成所述凹槽的俯视形状以形成图形化的光刻胶38的图形为依据。优选的，腐蚀后得到的图形40的深度(凹槽40’的深度)为0.1μm-2μm，优选的，图形40的深度为0.2μm。最后去除图形化的光刻胶38，再通过烘干、等离子体打胶处理具有凹槽的第一金属层34’表面，如图3所示，当凹槽的俯视形状为圆形时，键合金属层的俯视图。

S101：所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

参见图2G，将具有凹槽40’的第一金属层34’的转移衬底32放置在石墨盘(图中未示)上，将具有凹槽40’的第一金属层34’的表面朝上；将在所述异质衬底氮化物半导体结构30的P型氮化物半导体28上形成的第二金属层36的表面朝下；此后，采用键合方法将具有凹槽的第一金属层34’和第二金属层36的表面键合形成第三键合层42，所述键合方法可以采用热压键合、热声键合、超声键合中的任意一种方法或者两种方法。优选的，所述键合方法采用热压键合，即在温度为200摄氏度以上，压力在5吨的条件下，键合的时间为10分钟。由于具有凹槽的第一金属层34’的表面存在一定的间隙，在一定温度以及压力的条件下，位于具有凹槽40’的第一金属层34’的表面上的第二金属层36会通过挤压的方式填充其下的第一金属层34’的凹槽40’，实现良好的金属键合表面，从而提高了LED芯片制造过程中的产品良率和改善散热效果。

【实施例二】

S100：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽。

首先，参见实施例一中的图2A至图2D，在此不再一一赘述。

其次，参见实施例一中的图2E，在此不再一一赘述。其中，本步骤与实施例一中图2E不同之处在于：在所述第一金属层34的表面上采用但不限于蒸镀工艺形成掩膜层38，在所述第一金属层34上通过光刻工艺形成图形化的掩膜层38，优选的，掩膜层38使用的材料可以但不限于光刻胶，优选的，所述掩膜层38的厚度为1um以上，可以保证后续刻蚀过程中金属刻完之前，还存在掩膜层。

然后，参见图2F，以图形化的掩膜层38为掩模，在刻蚀机中对不存在掩膜层38的部位采用刻蚀方法，在第一金属层34’对应于图形的部位形成有相应凹槽的，形成所述凹槽的俯视形状以形成图形化的光刻胶38的图形为依据。优选的，腐蚀后得到的图形的深度(凹槽的深度)为0.1μm-2μm，优选的，图形40的深度为0.2μm。最后去除图形化的掩膜层38’，再通过烘干、等离子体打胶处理具有凹槽的第一金属层34’表面，如图3所示，当凹槽的俯视形状为圆形时，键合金属层的俯视图。

S101：所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

参见实施例一步骤S101中的图2G的内容，在此不再一一赘述。

【实施例三】

S100：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽。

首先，参见实施例一步骤S100的图2A和图2B的内容，在此不再一一赘述。

其次，参见实施例一步骤S100的图2C和图2D中有关第一金属层34的内容，在此不再一一赘述。

再次，参见图2H，在第一金属层34的表面上均匀涂覆光刻胶38，通过掩膜、曝光、显影等工艺步骤，形成图形化的光刻胶38。所述图形可以为圆形、弧形、矩形、规则多边形或者不规则多边形的一种或者多种；所述图形的间隔(也为后续相邻凹槽40’的间隔)为0.1μm-150μm，优选的，所述图形的间隔为0.65μm；所述图形40为圆形时，圆形40的直径(CD)为0.1μm-100μm，优选的，圆形的直径为0.65μm，所述图形40为矩形时，矩形40的长为0.1μm-100μm，矩形40的宽为0.1μm-100μm，优选的，矩形的长为0.65μm，矩形的宽为0.65μm，有益于应力释放以及金属的均匀分布提高材料的热传导性能。

于是，参见图2I，在第一金属层34的表面和图形化的光刻胶的表面上采用蒸发、溅射、电镀或者喷涂的方法形成一层与第一金属层34的材料一样的金属层35。

然后，参见图2J，再将存有图形化的光刻胶38及以上的金属层35移除后的相应部位形成具有凹槽的第一金属层34’，所述第一金属层34’由第一金属层34和在第一金属层34上存有的金属层35构成，形成所述凹槽的俯视形状以形成图形化的光刻胶38的图形为依据。图形40的深度(凹槽40’的深度)为0.1μm-2μm，优选的，图形40的深度(凹槽的深度)为0.2μm，有益于金属表面应力的释放以及金属通过互扩散填平凹槽，具有很高的键合强度。最后通过烘干、等离子体打胶处理具有凹槽的第一金属层34’表面，如图3所示，当凹槽的俯视形状为圆形时，键合金属层的俯视图。

最后，在所述异质衬底氮化物半导体结构30上生长第二金属层制作工艺参见实施例一步骤S100的图2D的内容，在此不再一一赘述。

S101：所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

参见图2K，制造工艺参见实施例一步骤S101中的图2G中的内容，在此不再一一赘述。

【实施例四】

S100：提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽。

首先，参见实施例一中的图2A至图2D，在此不再一一赘述。

其次，参见图2L，在所述第二金属层36的表面上采用但不限于电子束蒸镀的方式均匀涂覆光刻胶38，通过掩膜、曝光、显影等工艺步骤，形成图形化的光刻胶38，所述图形可以为圆形、弧形、矩形、规则多边形或者不规则多边形的一种或者多种；所述图形的间隔为0.1μm-150μm，优选的，所述图形的间隔(也为后续相邻凹槽的间隔)为0.65μm；所述图形40为圆形时，圆形40的直径(CD)为0.1μm-100μm，优选的，圆形的直径为0.65μm，所述图形40为矩形时，矩形40的长为0.1μm-100μm，矩形40的宽为0.1μm-100μm，优选的，矩形的长为0.65μm，矩形的宽为0.65μm，有益于应力释放以及金属的均匀分布提高材料的热传导性能。

此后，参见图2M，以所述图形化的光刻胶38为掩膜，采用湿法腐蚀、干法刻蚀、纳米压印、剥离中的任何一种或者几种方法的组合在所述P型氮化物半导体28的表面上形成有图形化的第二金属层36’。优选的，采用湿法腐蚀利用金腐蚀液对图形化的第二金属层36’进行腐蚀，在第二金属层36’对应于图形的部位形成有相应凹槽的，形成所述凹槽的俯视形状以形成图形化的光刻胶38的图形为依据。优选的，腐蚀后得到的图形的深度(凹槽的深度)为0.1μm-2μm，优选的，图形40的深度为0.2μm。最后去除图形化的光刻胶38，再通过烘干、等离子体打胶处理具有凹槽的第二金属层36’表面，如图3所示，当凹槽的俯视形状为圆形时，键合金属层的俯视图。

S101：所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

参见图2N，制作工艺参见实施例一中的图2G的内容，在此不再一一赘述。其中，本步骤与实施例一中图2G不同之处在于：将具有凹槽的第二金属层36’的异质衬底氮化物半导体结构30放置在石墨盘(图中未示)上，将具有凹槽的第二金属层36’的表面朝上；将在所述转移衬底28上形成的第一金属层34的表面朝下；此后，采用键合方法将具有凹槽的第二金属层36’和第一金属层34的表面键合形成第三键合层38，所述键合方法可以采用热压键合、热声键合、超声键合中的任意一种方法或者两种方法的组合。优选的，所述键合方法采用热压键合，即在温度为200摄氏度以上，压力在5吨的条件下，键合的时间为10分钟。由于具有凹槽的第二金属层36’表面存在一定的间隙，在一定温度以及压力的条件下，位于具有凹槽的第二金属层36’表面上的第一金属层34会通过挤压的方式填充其下的第二金属层36’的凹槽，实现良好的金属键合表面，从而提高了LED芯片制造过程中的产品良率和改善散热效果。

上述不同实施例中的LED芯片的键合方法所形成的LED芯片的结构还可以同时形成有凹槽的第一金属层34’和有凹槽的第二金属层36’，形成具有凹槽的第一金属层34’的方法分别参见实施例一至实施例三，形成具有凹槽的第二金属层36’参见实施例四，然后通过键合的方法形成第三键合层42。

上述不同实施例中的LED芯片的键合方法所形成的LED芯片的结构不仅可以为垂直结构，还可以为倒装结构或平面结构。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种LED芯片的键合方法，其特征在于，包括步骤：

提供一转移衬底和一异质衬底氮化物半导体结构，在所述转移衬底上生长第一金属层，在所述异质衬底氮化物半导体结构上生长第二金属层，其中，所述第一金属层、或所述第二金属层、或者所述第一金属层和所述第二金属层均形成有凹槽，所述凹槽的形成方法为湿法腐蚀、干法刻蚀、纳米压印、剥离中的任何一种或者几种方法的组合；

所述的第一金属层和第二金属层通过键合方法形成第三金属层。

2.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：形成所述凹槽的俯视形状为圆形、弧形、矩形、规则多边形或者不规则多边形的一种或者多种。

3.根据权利要求2所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述凹槽的俯视形状为圆形，圆形的直径为0.1μm-100μm，相邻凹槽的间隔为0.1μm-150μm，凹槽的深度为0.1μm-2μm。

4.根据权利要求2所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述凹槽的俯视形状为矩形，矩形的长为0.1μm-100μm，矩形的宽为0.1μm-100μm，相邻凹槽的间隔为0.1μm-150μm，凹槽的深度为0.1μm-2μm。

5.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述转移衬底使用的材料为砷化镓、氮化镓、氮化铝、氮化铝家、玻璃、氧化锌、硅或者铝与硅两种材料的合金，或铜、钼、钨、镍四种金属中至少两种金属的组合。

6.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述的第一金属层和第二金属层使用的材料为金、锡、铂、镍、钛、铝、银、钯、铅、铟中的一种或者多种。

7.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述的第一金属层和第二金属层分别采用蒸发、溅射、电镀或者喷涂的方法形成。

8.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述键合方法为热压键合、热声键合、超声键合中的任意一种方法或者两种方法。

9.根据权利要求1所述的LED芯片的键合方法，其特征在于：所述LED芯片的结构为垂直结构、倒装结构或平面结构中的一种。