CN103311385B - 一种直接贴焊的半导体发光共晶晶片的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体发光DA（Direct Attach直接贴焊）共晶晶片的制造方法，包括：对透明体衬底的正面和背面都进行图形化处理；在图像化处理后的透明体衬底上进行外延生长（EPI：Epitaxy）得到外延片；对得到的外延片进行前段工序，在前段工序中对外延片进行金属光刻，用光刻胶在外延片上形成电极图形，以及对外延片进行金属蒸镀，沉积Cr，Ni，Au，Ti，Sn后最外层为AuSn合金层，得到具有电极的外延片；然后对外延片进行倒模处理；对倒膜处理后的外延片进行激光切割得到半导体发光共晶晶片。本发明省去了很多传统工序，在产品的稳定性，信赖性，可靠性等方面和传统MTBF指标方面都会提高10倍以上，是半导体发光产品家用化和高品质规模化生产的最基本的基础保证。

Description

一种直接贴焊的半导体发光共晶晶片的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种直接贴焊的(Direct Attach,DA)的半导体发光共晶晶片的制造方法。
背景技术
传统的半导体发光晶片的制作工艺，也就是要通过MOCVD先生成外延片，然后后工序做电极，再通过切割分级就可以交给下游应用，下游应用前要先做“封装”(PACKAGE)然后再固定在应用产品的电路载体(PCB)上去实现相关的电性连接和功能。
在晶片后工序的电极制作里，主要是制作出为下游使用时通过能用超声波焊接金线或铝线的电极。
在下游应用前要先做“封装”，主要是在合理的支架(FRAME)上用有导电性的银胶固定(工艺名：固晶)安装稳妥其中的一个电极并实现电性连接，然后再通过超声波焊线机把晶片的另一电极用金线或铝线焊接并连接到支架的另一独立电性引脚，最后再用透明环氧树脂把晶片，支架的一部分和连接她们的金线或铝线一起用预先做过光学透镜设计的模粒(也叫浇注模)浇注密封起来。有部分电性支架的引脚是外露的，是作为与其他电子器件配套使用时做SMT连接或DIP(插件)安装之于应用产品的电性载体(PCB)之上之用。
在做“封装”这道工序里，由于一定要焊线，必然在发光面上留下不透明的金或铝线熔焊点遮住了部分的光射出方向，而且会在单独的点光源的光斑里留下枯空的“黑”心点，而不是理想的点光源均匀的光斑。
在半导体发光应用日于趋向性价比的市场环境的要求下，对半导体发光的供应成本提出了巨大的降低价格要求。
另外，传统工艺在小间距高密度的使用场合里已经走到了尽头，无法在间距(PITCH)1.0毫米以下去实现直接应用了。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片的制造方法。
本发明提供了一种种半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片制造方法，包括：对衬底的正面和背面都进行图形化处理；在图像化处理后的衬底上进行外延生长(EPI：Epitaxy)得到外延片；对得到的外延片进行前段工序，在所述前段工序中对外延片进行金属光刻，用光刻胶在外延片上形成电极图形，以及对外延片进行金属蒸镀，沉积Cr，Ni，Au，Ti，Sn，金属蒸镀后的沉积的最外层为AuSn合金层，得到具有电极的外延片；对经前段工序处理后的外延片进行倒模处理；对倒模处理后的外延片进行激光切割得到半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片。
优选地，所述外延生长采用金属有机物化学气相淀积MOCVD的方式。
优选地，所述衬底是蓝宝石(AL2O3)或碳化硅(SiC)，所述图形化处理采用图像化蓝宝石(AL2O3)或碳化硅(SiC)衬底PSS工艺。
优选地，所述前段工序在所述金属光刻之前还包括：利用光刻胶和具有预定图案的掩膜板对外延片表面进行光刻；对光刻后的外延片进行蚀刻；对蚀刻后的外延片进行电流阻挡层CBL沉积；对电流阻挡层沉积后的外延片进行CBL光刻；对CBL光刻后的外延片进行CBL蚀刻；对CBL蚀刻后的外延片采用纳米铟锡氧化物ITO进行电流扩散层沉积；对电流扩散层沉积后的外延片进行ITO光刻；对ITO光刻后的外延片进行ITO蚀刻；对ITO蚀刻后的外延片进行预退火处理；
优选地，所述前段工序在所述金属光刻之后和所述金属蒸镀之前还包括：对金属光刻后的外延片进行灰化处理。
优选地，所述前段工序在所述金属蒸镀之后还包括：对外延片进行剥离，将电极以外的金属剥离掉；对剥离后的外延片采用等离子增强化学汽相沉积进行钝化层沉积；对钝化层沉积后的外延片进行快速退火处理。
优选地，所述前段工序还包括：在快速退火处理后对外延片进行焊接性模拟测试WST。
优选地，在所述前段工序之后和所述倒模处理之前，对外延片表面进行研磨减薄
优选地，经所述外延生长得到的外延片为氮化镓GaN(两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)，其P型层为P-GaN(两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)，N型层为N-GaN(两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)。
优选地，所述电流阻挡层沉积采用二氧化硅SiO2作为隔离介质层。
在本发明的制造工艺流程里，首先会在MOCVD间段制作出适合本发明里的后工序使用的外延片，就是本发明里述及的第一个要点“透明基板”和“双面图形化”制作，这是为了后工序完成后实现“倒装”的基础。而且不会有任何杂质随附产生出光不均匀的现象或遮光产生枯空的“黑”心点的光斑现象。本发明省去了很多传统的加工工序，在产品的稳定性，信赖性，可靠性等方面和传统MTBF衡量指标方面都会提高10倍以上，是半导体发光应用产品家用化和高品质规模化生产的最基本的基础保证。
附图说明
图1是根据本发明实施例的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片制造方法的流程图；
图2是根据本发明实施例制造的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片的示意图；
图3是根据本发明实施例的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片的物理特性变化曲线；
图4是根据本发明实施例制造的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊共晶晶片的光强和发光角度的示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
图1是根据本发明实施例的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊共晶晶片制造方法的流程图。
1.在透明体的衬底材料上进行磊晶生长(EPI：Epitaxy)得到外延片，具体如下所述。
一般来说，可以采用蓝宝石或碳化硅SiC做衬底，其中，蓝宝石的主要成分是三氧化二铝AI2O3。目前，蓝宝石或碳化硅SiC是GaN(两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)异质外延最常用的衬底材料。
首先，采用图形化蓝宝石(AL2O3)或碳化硅(SiC)衬底(Pattern Sapphire Substrate,PSS)工艺对衬底进行图形化处理。优选地，所述图形化处理对衬底的正面和背面都进行图形化处理。经过PSS处理后，衬底的图形化正面和背面是为了后工序完成后切割晶片激光刀具能对齐，不会伤害到晶片本体。
接下来，对图形化衬底进行外延生长，优选地，可以按照气相耦合生成制程(Inductive Coupled Plasma,ICP)进行外延层的生长。具体地，通过就是在单晶或化合物的衬底材料上淀积多层薄的单晶或化合物，淀积所形成的这层被称为外延层，而淀积有外延层的衬底被称为外延片。外延生长可以采用金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)的方式进行。具体地，MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长的原材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。例如，通过MOCVD，可以在图形化衬底的正面淀积形成PN结，即形成相邻的P型层和N型层。取决于所采用的原材料，外延层可以形成为氮化镓(GaN)两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)，其P型层为P-GaN(两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)，N型层为N-GaN两元素)或InGaN(三元素)或InGaAlP(四元素)。
最后，通过各种各样的方法，对外延片进行清洗，清除掉外延片表面的颗粒物质和金属离子。
2.对利用磊晶生长得到的外延片进行前段工序，具体如下所述。
首先，利用光刻胶(Optical Resist,PR)和具有预定图案的掩膜板对对外延层表面进行光刻，从而使外延层表面的光刻胶形成该预定图案。该图案表现为多个晶片图案的阵列，阵列中的每个图案镂空处为N电极的位置，非镂空处为P型区/发光区，每个图案之间是切割道。
接下来，对光刻后的外延片进行蚀刻处理，无光刻胶的地方被刻蚀到N型层，从而露出N电极位置的外延层。
接下来，进行电流阻挡层(Current Blocking Layer,CBL)沉积，CBL一般采用二氧化硅SiO2作为隔离介质层。这样，可以让不能出光/挡光之处(PN结)不发光，提高了电流有效注入。
接下来，在CBL沉积后的外延片上进行CBL光刻。
接下来，进行CBL蚀刻，将没有光刻胶保护的地方的SiO2蚀刻掉。
接下来，在CBL蚀刻后的外延片上进行电流扩散层沉积，电流扩散层的沉积一般采用纳米铟锡氧化物(Indium Tin Oxides，ITO)来进行。
接下来，进行ITO光刻，将需要ITO的区域用光刻胶保护住，为下一步的ITO蚀刻做出图形。
接下来，进行ITO蚀刻，将没有光刻胶保护的地方的ITO和SiO2蚀刻掉。
接下来，进行预退火。换言之，即进行高温热处理，其结果是可以降低晶片的正向电压，有利于电流扩散层表面接触的形成，提高了表面电流匀度。
接下来，对外延片进行Metal光刻，即用光刻胶形成电极图形。
接下来，对外延片进行灰化(ashing)处理。灰化可以采用等离子去胶的方式。具体地，利用氧气，氮气清洁晶片，使得晶片的光刻胶表面更加平整。灰化处理还可以去除电极处的负胶，从而提高了电极粘附性。
接下来，对外延片进行Metal蒸镀，沉积Cr，Ni，Au，Ti，Sn。蒸镀后的沉积的最外层为AuSn合金层。
接下来，对外延片进行剥离(lift-off)，从而将电极以外的金属剥离掉。
接下来，对外延片进行钝化层沉积。具体地，可以采用等离子增强化学汽相沉积(Plasma Enchanted Chemical Vapor Deposition，PECVD)进行钝化层沉积，可以采用SiO2薄膜做钝化层来防止短路，避免杂质原子对芯片表面的吸附，保护ITO膜，提高发光效率。
接下来，对外延片进行快速退火处理。通过快速退火的高温热处理，可以模拟客户使用环境对晶片进行一次筛选。
最后，进行焊接性模拟测试(Weldability Simulation Test，WST)，以测试焊接中电极的粘附性。
3.对前段工序得到的外延片进行后工序处理，具体如下所述。
首先对芯片表面进行研磨减薄，接下来进行倒模处理，最后进行激光切割，LED晶片经切割成型。最后，经过自动目检，分类，包装后就可以出货了。
图2是根据本发明实施例制造的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊共晶晶片的示意图。
结合下表，可以得到该共晶晶片的具体参数。
结构尺寸：
描述 尺寸 偏差
P-N结面积(μm) 196X266～50X80 ±35～14
晶片底面面积(μm) 240X320～80X100 ±35～14
晶片顶面面积(μm) 108X188～45X71 ±35～14
晶片厚度(μm) 140～60 ±15
正极AuSn或铜焊盘宽(μm) 80～20 ±15
正极AuSn或铜焊盘长(μm) 196～50 ±35～14
负极AuSn或铜焊盘宽(μm) 120～20 ±35～14
负极AuSn或铜焊盘长(μm) 196～50 ±35～14
焊盘间结缘距离(μm) 100～20 ±15
焊盘上AuSn或铜的厚度(μm) 3 ±0.5
根据本发明实施例的直接焊装(DA)晶片用高发光效率的氮化镓(GaN)两元素)或InGaN(三元素)或铝铟镓磷磷四元素(AlInGaP)材料和碳化硅基板(SiC)或蓝宝石基板(Al2O3)制成，为高亮度顶部出光的倒模倒装结构，具有低驱动电压，高光效等特性。直接与载体板电路贴装或焊装的焊盘，焊盘所用材料可以为AuSn合金实现共晶焊装或普通铜锡合金用LEP贴装，完成后工序集成之便。
图3是根据本发明实施例的半导体发光共晶晶片的物理特性变化曲线。
结合下表，可以得知其主要的物体特性。
主要物理特性 参数
波长(nm) 450-640
功率(mw) 80≦
电气特性Ta＝25℃ 参数
波长(nm) 450-470
功率(mw) 80≦
正向电压(V) 1.85～3.6
正向电流(mA) 1-20
峰值正向电流(mA) 10-30
反向电压(V) 5
反向电流(μA) 2
半波宽度(nm) 20
工作温度(℃) -40-+100
存储温度(℃) -40-+100
静电负荷阈值(HBM)(V) 1000
静电负荷级别(MIL-STD-883E) 2
亮度级别(MCD)
M N P Q
3.6-6.4 6.4-9.2 12.8-18.4 25.6-36.8
图4是根据本发明实施例制造的共晶晶片的光强和发光角度的示意图。
本发明包括但不仅限于最常见的红光，绿光，蓝光的半导体发光DA(Direct Attach直接贴焊)共晶晶片的制造方法。
在本制造工艺流程里，首先会在MOCVD间段制作出适合本发明里的后工序使用的外延片，就是本发明里述及的第一个要点“透明基板”和“双面图形化”制作，这是为了后工序完成后实现“倒装”的基础。而且不会有任何杂质随附产生出光不均匀的现象或遮光产生枯空的“黑”心点的光斑现象。
在本发明里的后工序里制造的电极是共晶电极，是五元素电极，是直接可以在应用产品之电性载体(PCB)上做共晶焊接工艺或LEP贴装来完成与其他电子元器件的电性连接和相关的。省去传统的“封装”加工工序(这道工序里除了要用的金线，支架，胶料等料成本外，设备的加工《固晶，焊线，自动线浇注烘烤等》成本和人工成本，以及这个工序加工必然要附加的25-30％的利税成本。可以为半导体发光供应省去原成本的一倍)。
在本发明里述及的倒装为梯形结构的光学设计是在传统出光率的晶片基础上提高10％的出光效率。
在本发明里，由于省去了传统的应用产品的SMT工艺(这里有助焊剂，回流机大锡炉等耗电耗材)，而是在后工序电极制作时就制作出共晶焊的金锡导电层，然后利用共晶焊接设备直接焊接(DA：Direct Attach)LEP贴装晶片在应用产品的电性载体(PCB)上。所以应用加工程序大幅度简化。
本发明中突破了半导体发光晶片在小间距(PITCH)1.0毫米一下的应用限制，因为不会再受限于半导体发光体因后加工(封装)带来的额外体积的限制。可以制作任意尺寸的共晶器件。可以实现更广阔的半导体发光的应用。
在本发明中由于省去了很多传统应用产品的加工工序，在产品的稳定性，信赖性，可靠性等方面和传统MTBF(Mean Time Between Failure：1000小时连续运行无故障)衡量指标方面都会提高10倍以上。是半导体发光应用产品家用化和高品质规模化生产的最基本的基础保证。
本发明还将带来其它相关半导体产品应用的材料革命，我们可以配套使用成本和稳定性品质，机械强度性能更稳定的材料(譬如玻璃基板)(或积层基板，或硅板)来做电路载体。
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种直接贴焊的半导体发光共晶晶片的制造方法，包括：
对透明体衬底的正面和背面都进行图形化处理；
在图像化处理后的透明体衬底上进行外延生长得到外延片；
对得到的外延片进行前段工序，在所述前段工序中对外延片进行金属光刻，用光刻胶在外延片上形成电极图形，以及对外延片进行金属蒸镀，沉积Cr，Ni，Au，Ti，Sn，金属蒸镀后的沉积的最外层为AuSn合金层，得到具有电极的外延片；
对经前段工序处理后的外延片进行倒模处理；
对倒模处理后的外延片进行激光切割得到直接焊接的半导体发光共晶晶片；
其中，所述前段工序在所述金属光刻之前还包括：
利用光刻胶和具有预定图案的掩膜板对外延片表面进行光刻；
对光刻后的外延片进行蚀刻；
对蚀刻后的外延片进行电流阻挡层沉积；
对电流阻挡层沉积后的外延片进行电流阻挡层光刻；
对电流阻挡层光刻后的外延片进行电流阻挡层蚀刻；
对电流阻挡层蚀刻后的外延片采用纳米铟锡氧化物ITO进行电流扩散层沉积；
对电流扩散层沉积后的外延片进行ITO光刻；
对ITO光刻后的外延片进行ITO蚀刻；
对ITO蚀刻后的外延片进行预退火处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述外延生长采用金属有机物化学气相淀积MOCVD的方式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底是蓝宝石AL2O3或碳化硅SiC，所述图形化处理采用图像化蓝宝石衬底PSS工艺。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前段工序在所述金属光刻之后和所述金属蒸镀之前还包括：
对金属光刻后的外延片进行灰化处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述前段工序在所述金属蒸镀之后还包括：
对外延片进行剥离，将电极以外的金属剥离掉；
对剥离后的外延片采用等离子增强化学汽相沉积进行钝化层沉积；
对钝化层沉积后的外延片进行快速退火处理。
6.根据权利要求1所述的方法，所述前段工序还包括：
在快速退火处理后对外延片进行焊接性模拟测试。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述前段工序之后和所述倒模处理之前，对外延片表面进行研磨减薄。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，经所述外延生长得到的外延片为氮化镓GaN或InGaN或，其P型层对应地为P-GaN或InGaN或InGaAlP，N型层对应地为N-GaN或InGaN或InGaAlP。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流阻挡层沉积采用二氧化硅SiO2作为隔离介质层。
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