CN109075231B - 光半导体装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种光半导体装置(10)的制造方法，包括：在含有氧(O2)的第1气体气氛中，在收纳有光半导体元件(20)的封装基板(30)上夹着含有金锡(AuSn)的接合材料(56)地载置具有透光性的盖体(40)的工序；在通过从被载置在封装基板(30)上的盖体(40)上方施加负荷而进行预密封的状态下，为了使气氛中含有的氧浓度下降而将气氛气体更换成第2气体的工序；以及在更换成第2气体的工序开始后，对接合材料(56)进行加热熔融，将封装基板(30)与盖体(40)之间接合的工序。

Description

光半导体装置的制造方法
技术领域
本发明涉及光半导体装置，尤其涉及具有光半导体元件的光半导体装置。
背景技术
近年来，用于输出蓝色光的发光二极管或激光二极管等半导体发光元件已被实用化，进一步地，正在推进研发用于输出波长较短的深紫外光的发光元件。因为深紫外光具有较高的杀菌能力，故能够输出深紫外光的半导体发光元件作为医疗或食品加工现场的无汞的杀菌用光源正受到关注。
发光元件被收纳在用于保护元件不受外部环境损害的封装体内。已知在可输出深紫外光的氮化物半导体的情况下，通过密封于含有氧的气氛气体中，能够抑制半导体层的劣化，例如，用含有氧(O2)和氮(N2)的气体来密封发光元件(例如参照专利文献1)。另外，提出有通过使用金锡(AuSn)的共晶接合来以较高的可靠性密封深紫外光用的发光元件的技术(例如参照专利文献2)。
[在先技术文献]
[专利文献]
专利文献1：日本特开2007－67373号公报
专利文献2：日本特开2015－18873号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
将金锡作为密封材料时，若密封工序时的气氛气体中含有氧，则可能会因为在加热熔融时金锡氧化妨碍到熔融，而无法进行可靠性较高的密封。相反地，若密封气体中不含有氧，则光半导体元件会变得容易劣化，从而光半导体装置的可靠性会降低。
本发明是鉴于这样的问题而研发的，其例示性目的之一在于提供一种可提高光半导体装置的可靠性的技术。
[用于解决问题的手段]
为解决上述问题，本发明的一个实施方式中的光半导体装置的制造方法包括：在含有氧(O2)的第1气体气氛中，在收纳有光半导体元件的封装基板上夹着含有金锡(AuSn)的接合材料地载置具有透光性的盖体的工序；在从被载置在封装基板上的盖体上方施加负荷而进行预密封的状态下，为了使气氛中含有的氧浓度下降而将气氛气体更换成第2气体的工序；以及在用于更换成第2气体的工序开始后，对接合材料进行加热熔融，将封装基板与盖体之间接合的工序。
根据该实施方式，通过在含有氧的第1气体气氛中载置盖体，能够使封装体内的密封气体中含有氧。另外，通过对盖体施加负荷而进行预密封，并使气氛中的氧浓度下降，能够既抑制从封装体内向外的氧泄漏、以使氧留在封装体内，又在气氛中的氧浓度较低的状态下对金锡接合材料进行加热熔融、以合适地形成共晶接合。因此，根据本实施方式，能够兼顾因为封入氧而导致光半导体元件的劣化和防止金锡接合材料的氧化地制造可靠性较高的光半导体装置。
该方法还可以具有在第2气体气氛中一边保持从接合在封装基板上的盖体上方施加负荷的状态不变一边对接合部进行冷却的工序。
第1气体的氧(O2)含有率可以是10体积％以上，第2气体的氧(O2)含有率可以是0.01体积％以下。
可以在封装基板内部的氧浓度降低至1体积％以下之前开始进行针对接合材料的加热熔融。
可以在封装基板外部的氧浓度降低至0.1体积％以下后开始进行接合材料的加热熔融。
[发明效果]
根据本发明，能够提高光半导体装置的可靠性。
附图说明
图1是简要地示出实施方式所涉及的光半导体装置的剖面图。
图2是简要地示出光半导体装置的制造工序的图。
图3是示出光半导体装置的制造方法的流程图。
图4是示意性地示出气氛气体更换时的封装体内外的氧浓度的变化的图表。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明用于实施本发明的具体实施方式。说明中，对相同要素赋予相同标号，并适当省略重复的说明。为帮助对说明的理解，各附图中的各构成要素的尺寸比例并非一定与实际的装置尺寸比例一致。
图1是简要地示出实施方式所涉及的光半导体装置10的剖面图。光半导体装置10包括光半导体元件20、封装基板30、盖体40、以及密封构造50。
光半导体元件20是被构成为能够发出中心波长λ为大约360nm以下的“深紫外光”的LED(Light Emitting Diode：发光二极管)芯片。为了输出具有这样的波长的深紫外光，光半导体元件20由带隙为大约3.4eV以上的氮化铝镓(AlGaN)类半导体材料构成。在本实施方式中，尤其示出了发出中心波长λ为大约240nm～350nm的深紫外光的情况。
光半导体元件20具有半导体层叠构造22、光出射面24、第1元件电极26、以及第2元件电极27。
半导体层叠构造22包含：模板层，层叠于成为光出射面24的基板上；n型包层；活性层；以及p型包层等。光半导体元件20被构成为能够输出深紫外光时，作为将成为光出射面24的基板，使用蓝宝石(Al2O3)基板，作为半导体层叠构造22的模板层，使用氮化铝(AlN)层。另外，半导体层叠构造22的包层、活性层由AlGaN类半导体材料构成。
第1元件电极26及第2元件电极27是用于向半导体层叠构造22的活性层提供载流子的电极，且分别是阳极电极或者阴极电极。第1元件电极26及第2元件电极27设于与光出射面24相反的一侧。第1元件电极26安装在封装基板30的第1内侧电极36，第2元件电极27安装于封装基板30的第2内侧电极37。
封装基板30是具有上表面31和下表面32的矩形状的部件。封装基板30是含有氧化铝(Al2O3)或者氮化铝(AlN)等的陶瓷基板，是所谓的高温共烧陶瓷多层基板(HTCC、HighTemperature Co-fired Ceramic：高温共烧陶瓷)。
在封装基板30的上表面31上，设有用于收纳光半导体元件20的凹部34。在凹部34的底面上，设有用于安装光半导体元件20的第1内侧电极36及第2内侧电极37。在封装基板30的下表面32上，设有用于将光半导体装置10安装于外部基板等的第1外侧电极38及第2外侧电极39。
盖体40是被设置成能够覆盖凹部34的开口的板状保护部件。盖体40由能够透过光半导体元件20所发出的紫外光的材料构成，例如能够使用玻璃、石英、水晶、蓝宝石等。盖体40尤其优选由深紫外光透射率较高，且耐热性及气密性也较高的材料构成。作为具备这样的特性的材料，优选将石英玻璃用作盖体40。光半导体元件20所发出的紫外光介由盖体40从盖体40的外表面43向封装体的外部输出。
密封构造50具有第1金属层51、第2金属层52、以及金属接合部53。
第1金属层51呈框状并设于封装基板30的上表面31上。第1金属层51具有与矩形的封装基板30对应的矩形框形状。第1金属层51的四角可以被实施R倒角。第1金属层51例如通过针对陶瓷基板的金属化处理而形成。第1金属层51是在含有钨(W)或者钼(Mo)等的基体材料上镀镍(Ni)和金(Au)等而形成的，例如具有W/Ni/Au的层叠构造。第1金属层51与金属接合部53接合。
第2金属层52呈框状并设于盖体40的内表面44。第2金属层52具有与矩形的盖体40对应的矩形框形状。第2金属层52的四角可以被实施R倒角。第2金属层52通过真空蒸镀或者溅射等方法而形成。第2金属层52是在盖体40的内表面44上依次层叠钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)而成的多层膜。另外，可以使用铬(Cr)来代替钛，也可以使用铜(Cu)及镍(Ni)来代替铂(Pt)。第2金属层52与金属接合部53接合。
金属接合部53设于第1金属层51与第2金属层52之间，用于在封装体的外周部将封装基板30与盖体40之间接合密封。金属接合部53被构成为填充第1金属层51与第2金属层52之间。金属接合部53由低熔点的金属材料构成，例如含有金锡(AuSn)合金。金属接合部53在熔融状态下向第1金属层51与第2金属层52之间延展而形成共晶接合。关于金属接合部53，为具备较高的密封可靠性且熔融温度为300℃以下的低温，优选由锡(Sn)的含量为20重量％～24重量％的金锡构成。
在用于收纳光半导体元件20的封装体的内部封入含有氧(O2)的气体。通过在封入气体中包含氧，能够防止光半导体元件20的劣化，与封入实质上不含氧的气体时相比，能够使得光半导体装置10更长寿命化。作为封入气体，例如能够使用向氮(N2)等惰性气体中混入一定程度的氧而成的结构。封入气体中所含有的氧浓度优选为1体积％以上，更优选为3体积％。
对金锡接合材料进行加热熔融，以形成金属接合部53时，若气氛中含有氧，则可能会因为发生氧化而导致妨碍到金锡的熔融，密封的可靠性下降。一般而言，为了防止金锡的氧化，需要氧浓度为0.1体积％以下，优选使其变成0.04体积％以下。另外，因为封入气体中的氧浓度优选为1体积％以上，故若在这样的封入气体气氛下对金锡接合材料进行加热熔融，则金锡会发生氧化。因此，在本实施方式中，在光半导体装置10的封装体内含有一定量以上的氧且光半导体装置10的封装体外实质上不含有氧这样的环境中进行金锡接合工序。下面，针对用于实行这样的接合工序的光半导体装置10的制造方法进行说明。
图2是简要性地示出光半导体装置10的制造工序的图，表示用于光半导体装置10的密封工序的制造装置60的一个例子。制造装置60具有腔室62、载置台64、加热冷却机构66、盖体搬送部68、第1气体供给口72、第2气体供给口74、以及气体排出口76。
腔室62是进行光半导体装置10的密封工序的容器。在腔室62，设有第1气体供给口72、第2气体供给口74、以及气体排出口76。第1气体供给口72连接于第1气体供给部82，用于将氧浓度为10体积％以上的第1气体导入到腔室62内。第2气体供给口74连接于第2气体供给部84，用于将氧浓度为0.01体积％以下的第2气体导入到腔室62内。气体排出口76在腔室62内的气氛气体更换时被开放，将作为更换对象的气体向腔室62的外部排出。
载置台64设于腔室62的内部，用于载置作为密封工序对象的封装基板30。在载置台64上设有加热冷却机构66。加热冷却机构66具有用于加热封装基板30的加热器和用于冷却封装基板30的风冷机构或者水冷机构，能够进行针对封装基板30的加热和冷却。加热冷却机构66可以仅具备加热功能，也可以通过自然散热来冷却封装基板30。
在载置台64的上方设有盖体搬送部68。盖体搬送部68将盖体40搬运到封装基板30的上部，使盖体40载置于封装基板30上。盖体搬送部68对被载置于封装基板30上的盖体40施加负荷，使封装基板30与盖体40之间成为预密封。金属接合材料56可以预先临时固定在封装基板30或者盖体40的任一者上，也可以在盖体40搬送之前通过盖体搬送部68等载置于封装基板30上。
图3是用于示出实施方式所涉及的光半导体装置10的制造方法的流程图。首先，在含有氧的第1气体气氛中将盖体40载置于收纳有光半导体元件20的封装基板30上(S10)。第1气体的氧浓度为10体积％以上且优选其氧浓度为20体积％以上。第1气体可以是含有氮(N2)和氧的干燥空气。此时，使封装基板30的上表面31与盖体40的内表面44之间夹入金锡的金属接合材料56。金属接合材料56例如是与框状的第1金属层51对应的框形状的预成型体。金属接合材料56可以预先安装在封装基板30的第1金属层51上或者安装在盖体40的第2金属层52上。
接下来，在封装基板30上载置有盖体40的状态下，为使得气氛中的氧浓度下降而将气氛气体更换成第2气体(S12)。第2气体是实质上不含有氧的惰性气体，例如是纯氮气。第2气体的氧浓度为0.01体积％以下，优选氧浓度为0.005体积％以下。通过将气氛气体更换成这样的实质上不含有氧的第2气体，能够使得封装基板30的外部气氛中的氧浓度降低。此时，为抑制封装基板30的内部的氧向外部泄漏而导致封装基板30的内部氧浓度降低，优选从盖体40上方施加负荷，以使得封装基板30与盖体40之间被预密封。在此，预密封是指虽不具有完全的密闭性，但通过缩小封装基板30与盖体40之间的空隙而提高封装基板30的内部气密性的方式。
然后，在将气氛气体更换成第2气体的工序开始后，在从盖体40上方施加了负荷的状态下对金锡接合材料56进行加热熔融(S14)。由此，在封装基板30的第1金属层51与盖体40的第2金属层52之间形成金锡的共晶接合。对金锡接合材料进行加热的时机并非是等到气氛气体完全更换成第2气体，而是优选与第2气体的更换工序并行进行。尤其优选在封装基板30的内部氧浓度为1体积％以上、优选为3体积％以上、且封装基板30的外部氧浓度为0.1体积％以下、优选为0.04体积％以下的时刻(timing)进行。通过在这样的条件下进行加热熔融，能够既使封装基板30的内部含有1体积％以上的氧，又在氧浓度为0.1体积％以下的气氛下进行金锡的加热熔融。
然后，在保持从盖体40上方施加负荷的状态下在第2气体气氛中冷却金属接合部53(S16)。通过将加热熔融后的金属接合材料56放置在实质上不含有氧的第2气体气氛中直至冷却凝固，能够防止金属接合部53的氧化地形成可靠性较高的共晶接合部。由此，完成图1所示的光半导体装置10。
图4是示意性地表示气氛气体更换时的封装体内外的氧浓度变化的图表。图表的曲线A表示封装基板30的内部氧浓度的变化，图表的曲线B表示封装基板30的外部氧浓度的变化。图表所示的例子中，第1气体中的氧浓度为20体积％，第2气体中的氧浓度为0.005体积％。图表表示从第2气体更换开始时刻起的时间经过，纵轴的氧浓度“体积％”是对数标记。如曲线B所示，封装基板30的外部氧浓度随着实质上不含有氧的第2气体的注入而急速下降。例如，封装体外的气氛的氧浓度在时刻t1时变成0.1体积％，在时刻t2时变成0.04体积％。另外，封装基板30的内部氧浓度的降低比封装基板30的外部慢。例如，封装体内的氧浓度在比时刻t2晚的时刻t3变成3体积％，在时刻t4变成1体积％。
由图示的图表可知，若在第2气体更换开始后的时刻t1～t4期间进行金属接合材料56的加热熔融，则能够在封装体外的氧浓度为0.1体积％以下且封装体内的氧浓度为1体积％以上的条件下进行金锡接合。另外，若在时刻t2～t3的期间进行金属接合材料56的加热熔融，则能够在封装体外的氧浓度为0.04体积％以下且封装体内的氧浓度为3体积％以上的合适的条件下进行金锡接合。封装体内外的氧浓度的变化取决于腔室62的容积、第2气体的流动速率、封装基板30与盖体40之间的预密封的程度等。在一个实施例中，时刻t1为1～5秒后，时刻t2为5～10秒后，时刻t3为10～15秒后，时刻t4为20～30秒后。因此，通过在开始进行第2气体的更换后等待5～15秒左右，例如等待10秒左右，再进行金属接合材料56的加热熔融，从而能够在合适的氧浓度条件下形成金属接合部53。
根据本实施方式，在金属接合材料56的加热熔融时能够至少防止位于封装体外周的金属接合材料56的氧化，故能够加强封装体外周的接合性。由此，能够提高密封构造50的可靠性。此外，因为封装体内部会残留有一定比例以上的氧，故能够合适地防止因为氧浓度较低而导致的半导体层叠构造22的劣化。由此，能够实现光半导体元件20的长寿命化，提高光半导体装置10的可靠性。
至此，基于实施方式说明了本发明。本发明并非限定于上述实施方式，本领域技术人员当然明白能够进行各种设计变更，能够有各种变形例，且这样的变形例也包括在本发明的范围内。
上述实施方式及变形例中，示出了光半导体装置的封装体内仅含有光半导体元件的情况。在进一步的变形例中，可以为了使具有附加性的功能而将除光半导体元件外的电子零件组装到封装体内。例如，可以将用于避免使光半导体元件受到过压的齐纳二极管组装到壳体内。另外，还可以组装入用于变换光半导体元件所输出的光的波长的荧光体、可以组装入用于控制光半导体元件所发出的光的取向的光学元件。
上述实施方式及变形例中，示出了在封装体内密封有发光元件的光半导体装置。在进一步的变形例中，可以为了密封受光元件而使用上述密封构造。例如，可以在密封用于接受深紫外光的受光元件时使用上述封装体结构。即，可以将上述封装体用于密封光半导体元件。
上述实施方式及变形例中，示出了作为基板的材料而使用了高温共烧陶瓷多层基板(HTCC)的情况。在进一步的变形例中，作为陶瓷材料，也可以使用含有二氧化硅(SiO2)、氧化钙(CaO)、氧化硼(B2O3)等的低温共烧陶瓷多层基板(LTCC、Low Temperature Co-firedCeramic：低温共烧陶瓷)。此时，作为形成于基板上的电极、金属层，可以使用铜(Cu)、银(Ag)等熔点较低的金属材料来代替钨、钼等高熔点材料的基体材料，并在其上形成Ni/Au材质的多层膜。
[标号说明]
10…光半导体装置、20…光半导体元件、30…封装基板、40…盖体、53…金属接合部、56…金属接合材料。
[工业可利用性]
根据本发明，能够提高光半导体装置的可靠性。

Claims (8)

1.一种光半导体装置的制造方法，其特征在于，包括：
在含有氧(O2)的第1气体气氛中，在收纳有光半导体元件的封装基板上夹着含有金锡(AuSn)的接合材料地载置具有透光性的盖体的工序，
在通过从被载置在上述封装基板上的上述盖体上方施加负荷而进行预密封的状态下，为了使气氛中含有的氧浓度下降而将气氛气体更换成第2气体的工序，以及
在更换成上述第2气体的工序开始后，对上述接合材料进行加热熔融，将上述封装基板与上述盖体之间接合的工序。
2.如权利要求1所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，还包括：
在上述第2气体气氛中，一边保持从接合在上述封装基板上的上述盖体上方施加负荷的状态，一边对接合部进行冷却的工序。
3.如权利要求1或者2所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
上述第1气体的氧(O2)的含有率为10体积％以上，上述第2气体的氧(O2)的含有率为0.01体积％以下。
4.如权利要求1或2所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述封装基板内部的氧浓度降低至1体积％以下之前，开始进行上述接合材料的加热熔融。
5.如权利要求1或2所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述封装基板外部的氧浓度降低至0.1体积％以下之后，开始进行上述接合材料的加热熔融。
6.如权利要求3所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述封装基板内部的氧浓度降低至1体积％以下之前，开始进行上述接合材料的加热熔融。
7.如权利要求3所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述封装基板外部的氧浓度降低至0.1体积％以下之后，开始进行上述接合材料的加热熔融。
8.如权利要求4所述的光半导体装置的制造方法，其特征在于，
在上述封装基板外部的氧浓度降低至0.1体积％以下之后，开始进行上述接合材料的加热熔融。
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