CN113314645B - 一种GaAs基LED手动键合的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种GaAs基LED手动键合的制作方法，属于半导体器件加工领域，包括：(1)材料准备：硅片作为永久衬底，GaAs基LED晶片作为临时衬底；(2)贴片：将永久衬底的金属粘附层面和临时衬底的反射镜层面手动粘附在一起，初步得到晶片；(3)压片：先用两块形状、面积与晶片相同的铝箔片放置在晶片上下两侧，后将与晶片形状、面积均相同的两块压板放置在铝箔片的上下两侧，使用压片夹具将压板压紧，分三次压片，逐次增加接触面积和扭矩大小；(4)高温键合；(5)衬底腐蚀及(6)管芯结构制作。本发明不使用键合机仅通过常用的设备工具实现了手动键合，且该键合方法可以大幅度提高管芯整体良率，降低了制作成本。

Description

一种GaAs基LED手动键合的制作方法
技术领域
本发明涉及一种GaAs基LED手动键合的制作方法，属于半导体器件加工技术领域。
背景技术
半导体发光二极管(LED)因为具有结构简单，性能稳定，体积较小，工作电流小，使用方便，成本低，节能环保，使用寿命较长等诸多优点，被广泛应用于通信、信息处理和照明等诸多方面。尤其在显示屏、交通信号灯、汽车用灯、液晶屏背光源、灯饰、照明光源等行业的使用越来越多，给人们的生活学习等带来了诸多便利。
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。目前三种常用的衬底材料为：蓝宝石(Al2O3)、硅(Si)、碳化硅(SiC)。蓝宝石的优点：1、生产技术成熟、器件质量较好；2、稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；3、机械强度高，易于处理和清洗。蓝宝石的不足：1、晶格失配和热应力失配，会在外延层中产生大量缺陷；2、蓝宝石是一种绝缘体，在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少；3、增加了光刻、蚀刻工艺过程，制作成本高。硅是热的良导体，所以器件的导热性能可以明显改善，从而延长了器件的寿命。碳化硅衬底(CREE公司专门采用SiC材料作为衬底)的LED芯片，电极是L型电极，电流是纵向流动的。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能都非常好，有利于做成面积较大的大功率器件。优点：碳化硅的导热系数为490W/m·K，要比蓝宝石衬底高出10倍以上。不足之处在于：碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。综合考虑，在红光发光二极管管芯倒装结构的制作中，通常选用硅片作为置换衬底使用。
置换衬底通常采用键合的方式实现，将生长有外延层的砷化镓临时衬底和硅衬底通过金属粘附，在高温作用下黏贴在一起，使用键合机完成整个键合过程。键合质量的好坏直接影响着整体管芯的良率和发光亮度等重要参数。硅片本身表面的粗糙程度相差较大，通过抛光或者热氧化处理的硅片，并不是理想的镜面，而总是有一定的起伏和表面粗糙度。同时在键合过程中，硅会发生弹性形变、高温下的金属的粘滞回流等，如果界面处残留气体较多，就会在键合的界面产生孔洞，这种孔洞在后续通过腐蚀方法对临时衬底去除时，会造成腐蚀液的钻蚀，产生大面积的外延层脱落现象，这种外观异常的键合纹引起的腐蚀脱落，会对整体良率产生较大的影响。
中国专利文件CN102569031A提出了一种用铟(In)进行外延片/硅片键合的方法，具体步骤如下：在沉积有反射镜层的外延片上蒸发金(Au)层，然后将两片相对(铟(In)层在中间)，放入键合机(bonding)中进行键合，可制备高效率、高亮度、低阻值、性能稳定的LED发光二极管器件。用这种方法进行外延片/硅片键合，键合区致密、无空洞，键合强度高，键合率高达98％以上。其制得的衬底片键合区不存在污染层、多晶层、氧化层。从而可使制得的二极管发光器件性能得到大大的提高。该发明专利中使用专门的键和机进行的键合，为现在较为传统的键合方法，但是键合机相对来说价格高昂，使整体制作成本较高。同时传统的键合方法，不可避免的会在键合界面处产生键合纹现象。
中国专利文件CN104518056 A提出了一种反极性AlGaInP红光LED芯片的制备方法，其中提到了晶片键合的方法，将GaAs衬底发光二极管的晶片与硅片键合在一起，此时的GaAs衬底发光二极管的晶片已经蒸镀好P型金属电极，硅片的抛光面蒸镀有TiAu或PtAu膜，TiAu或PtAu膜上蒸镀有Sn膜，但是在本发明中没有提及具体的制作方法。
鉴于此，针对现有的传统的键合方法的缺陷，有必要研究一种不使用键合机同样可以完成键合的方法，且该方法在键合不过程中不会产生键键合金属溢流、过度键合、键合不牢固、键合纹等异常现象，又可以大幅度提高芯片良率。
发明内容
针对现有GaAs基LED键合方法，本发明提出一种GaAs基LED手动键合的制作方法，不使用键合机仅通过常用的设备工具实现了手动键合，且该键合方法可以大幅度提高管芯整体良率，降低了制作成本。
本发明采用以下技术方案：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，包括以下步骤：
(1)材料准备：硅片作为永久衬底，GaAs基LED晶片作为临时衬底；其中，硅片上蒸镀有反射镜层和金属粘附层；GaAs基LED晶片表面生长有欧姆接触层、电流阻挡层和反射镜层；金属粘附层可采用铟、锡等材料；
(2)贴片：将步骤(1)完成的永久衬底的金属粘附层面和临时衬底的反射镜层面进行手动粘附在一起，初步得到晶片；
此处直接手动粘贴在一起即可，进行初步粘附；
(3)压片：将步骤(2)得到的晶片进行分阶段压片，首先使用两块形状、面积与晶片均相同的铝箔片放置在晶片上下两侧，然后将与晶片形状、面积均相同的两块压板放置在铝箔片的上下两侧，使用压片夹具将压板压紧，使用扭力扳手，通过压板使晶片进一步压紧，该步骤分三次完成，逐次增加压片夹具与压板的接触面积和扭力扳手的扭矩大小，第三次完成压片后压片夹具固定住晶片，键合前不再取下；
(4)高温键合：将步骤(3)完成的晶片放置在高温烤箱内进行高温加热，完成键合；
(5)衬底腐蚀：将步骤(4)的晶片冷却至常温(25±2℃)，使用腐蚀液将临时衬底的GaAs衬底腐蚀掉，露出N型GaAs；
优选的，腐蚀液可选用氨水和双氧水的混合溶液，也可使用其他常规腐蚀液，不影响本发明的实施；
(6)管芯结构制作：将步骤(5)完成的晶片，依次进行扩展电极、P面电极、表面粗化刻槽、硅片减薄、硅片N面电极、管芯切割，完成管芯的制作。
优选的，步骤(1)中，所述的GaAs基LED晶片结构从下往上依次为GaAs衬底、N型GaAs欧姆接触层、N型限制层、MQW量子阱有源层、P型限制层、P型GaAs欧姆接触层和电流扩展层；
优选的，步骤(1)中，硅片上的反射镜层为TiAu，金属粘附层为Sn；GaAs基LED晶片上的欧姆接触层为AuBe/Au，电流阻挡层为SiN，反射镜层为TiPtAu。
优选的，步骤(3)中铝箔片的厚度为3-5mm，以保证压力缓冲，压板的厚度优选为3-5mm，以保证足够的导热和压力。
优选的，所述压板为不锈钢板、铁板、铜板等，也可以使用其它导热性能好，硬度好的材料替代。
优选的，所述压片夹具为C型夹，包括固定件和紧固件，所述固定件呈C型，固定件一端为夹持端A，用于夹持压板，另一端设置有固定孔，固定孔内设置有内螺纹，所述紧固件为一螺纹杆，螺纹杆与固定孔的内螺纹配合，螺纹杆一端为夹持端B，用于压紧压板，另一端设置有扭力把手，方便扭力扳手用力扭动；夹持端A和夹持端B的面积相等。使用时，扭力扳手作用于扭力把手上，扭力扳手上可显示扭矩的数值。
优选的，步骤(3)中，使用压片夹具分三次将晶片压紧的过程具体为：
先将晶片、铝箔片和压板放置好，压片夹具包括三个，分别为压片夹具A、压片夹具B和压片夹具C，且其夹持端A/夹持端B的面积依次增大；
将压片夹具A固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具A；将压片夹具B固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具B；最后将压片夹具C固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧完成压片，其中，压片夹具A与压板的接触面积(即夹持端A/夹持端B的面积)为晶片面积的10-15％，扭力扳手的扭矩为8-10N.m；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的30-40％，扭力扳手的扭矩为10-12N.m；压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的60-70％，扭力扳手的扭矩为12-15N.M。
本发明中，压片夹具与压板的接触面积，即为夹持端A/夹持端B的面积，则压片夹具A的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的10-15％，压片夹具B的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的30-40％，压片夹具C的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的60-70％。
优选的，三次压片过程中，夹持端A和夹持端B均压在压板中心，夹持端A/夹持端B只要是硬质材料不变形即可，如不锈钢等。
优选的，步骤(4)中高温键合时，温度优选为230-240℃，加热时间为30-40min。
进一步优选的，本发明中使用的所有蒸镀金属的纯度均为4N级及以上。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
本发明的有益效果为：
1、本发明中选择适合厚度的铝箔片，既可以起到良好导热的效果，又可以缓解在压片时有一定的缓冲作用，保持晶片不裂片；压板选择适合的厚度，既可以提供足够的压力又有良好的导热性能。
2、键合纹的出现主要原因为键合层面气体残留和金属粘附层在键合过程中压力不均匀导致的金属分布不均匀，本发明中使用逐次增加压片夹具与压板的接触面积及扭力扳手的扭矩大小，且全部从晶片中心位置逐步向外扩散式压片，能够将键合层中的气体最大限度的赶出，且力度恰当，使晶片贴合的界面粘附金属的分布均匀，键合时力度均匀，整体键合层面金属层不会出现溢流现象，杜绝键合纹的出现。
本发明采用特殊的压片方式，压片夹具A与压板的接触面积和扭力扳手的扭矩大小两个参数的配合是完成晶片贴合紧密的关键，采用两个参数的配合，才能得到最佳效果，可以完全杜绝键合纹的出现，大大减少粘附金属溢流。
3、本发明中使用铝箔片、压板、三个压片夹具、扭力扳手即可完成键合的制作，完全杜绝了键合机的使用，使键合成本大幅度降低。
4、本发明中，通过手动键合方式完成了整个过程，该发明方法适用于所有LED晶片的键合制程，且成本低廉，质量稳定。
附图说明
图1为本发明中键合放置顺序示意图；
图2为本发明中的一种压片夹具结构示意图；
图中，001-晶片，002-铝箔片，003-不锈钢板，004-固定件，005-紧固件，006-夹持端A，007-固定孔，008-夹持端B，009-扭力把手。
具体实施方式：
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
实施例1：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，如图1-2所示，包括以下步骤：
(1)材料准备：硅片作为永久衬底，GaAs基LED晶片为临时衬底；其中，硅片上蒸镀有反射镜层和金属粘附层；GaAs基LED晶片表面生长有欧姆接触层、电流阻挡层和反射镜层；
GaAs基LED晶片结构从下往上依次为GaAs衬底、N型GaAs欧姆接触层、N型限制层、MQW量子阱有源层、P型限制层、P型GaAs欧姆接触层和电流扩展层；
硅片上的反射镜层为TiAu，金属粘附层为Sn；GaAs基LED晶片上的欧姆接触层为AuBe/Au，电流阻挡层为SiN，反射镜层为TiPtAu。
(2)贴片：将步骤(1)完成的永久衬底的金属粘附层面和临时衬底的反射镜层面进行手动粘附在一起，初步得到晶片001；
(3)压片：将步骤(2)得到的晶片001进行分阶段压片，首先使用两块形状、面积与晶片均相同的铝箔片002放置在晶片001上下两侧，然后将与晶片001形状、面积均相同的两块压板(本实施例中为不锈钢板003)放置在铝箔片002的上下两侧，使用压片夹具将不锈钢板003压紧，使用扭力扳手，通过不锈钢板003使晶片001进一步压紧，该步骤分三次完成，逐次增加压片夹具与不锈钢板003的接触面积和扭力扳手的扭矩大小，第三次完成压片后压片夹具固定住晶片，键合前不再取下；
铝箔片002的厚度为4mm，以保证压力缓冲，不锈钢板003的厚度为4mm，以保证足够的导热和压力；
(4)高温键合：将步骤(3)完成的晶片001放置在高温烤箱内进行高温加热，温度为230-240℃，加热时间为30-40min，完成键合；
(5)衬底腐蚀：将步骤(4)的晶片冷却至常温(25±2℃)，使用腐蚀液将临时衬底的GaAs衬底腐蚀掉，露出N型GaAs；
(6)管芯结构制作：将步骤(5)完成的晶片，依次进行扩展电极、P面电极、表面粗化刻槽、硅片减薄、硅片N面电极、管芯切割，完成管芯的制作。
实施例2：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，如图2所示，压片夹具为C型夹，包括固定件004和紧固件005，固定件004呈C型，固定件004一端为夹持端A 006，用于夹持压板，另一端设置有固定孔007，固定孔007内设置有内螺纹，紧固件005为一螺纹杆，螺纹杆与固定孔007的内螺纹配合，螺纹杆一端为夹持端B 008，用于压紧压板，另一端设置有扭力把手009，方便扭力扳手用力扭动；夹持端A 006和夹持端B 008的面积相等，使用时，扭力扳手作用于扭力把手上。
步骤(3)中，使用压片夹具分三次将晶片压紧的过程具体为：
先将晶片001、铝箔片002和压板放置好，压片夹具包括三个，分别为压片夹具A、压片夹具B和压片夹具C，且其夹持端A/夹持端B的面积依次增大；
将压片夹具A固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具A；将压片夹具B固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具B；最后将压片夹具C固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧完成压片，其中，压片夹具A与压板的接触面积为晶片面积的12％，扭力扳手的扭矩为8N.m；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的35％，扭力扳手的扭矩为11N.m；压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的65％，扭力扳手的扭矩为14N.M。
本发明中，压片夹具与压板的接触面积，即为夹持端A/夹持端B的面积，则压片夹具A的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的12％，压片夹具B的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的35％，压片夹具C的夹持端A和夹持端B的面积均为晶片面积的65％；
三次压片过程中，夹持端A和夹持端B均压在压板中心。
对比例1：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，分两次压片，第一次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的12％，扭力扳手的扭矩为8N.m；第二次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的35％，扭力扳手的扭矩为11N.m。
对比例2：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，分四次压片，第一次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的12％，扭力扳手的扭矩为8N.m；第二次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的35％，扭力扳手的扭矩为11N.m，第三次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的65％，扭力扳手的扭矩为14N.M，第四次时，压片夹具与压板的接触面积为晶片面积的75％，扭力扳手的扭矩为17N.M。
对比例3：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，分三次压片，但压片过程相反，即先采用较大的接触面积和扭矩，依次减少，具体如下：
将压片夹具C固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具C；将压片夹具B固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具B；最后将压片夹具A固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧完成压片，其中，压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的65％，扭力扳手的扭矩为14N.M；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的35％，扭力扳手的扭矩为11N.m；压片夹具A与压板的接触面积为晶片面积的12％，扭力扳手的扭矩为8N.m。
对比例4：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，分三次压片，压片夹具A与压板的接触面积为晶片面积的6％，扭力扳手的扭矩为5N.m；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的18％，扭力扳手的扭矩为7N.m；压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的45％，扭力扳手的扭矩为9N.M。
对比例5：
一种GaAs基LED手动键合的制作方法，步骤与实施例1相同，所不同的是，分三次压片，压片夹具A与压板的接触面积为晶片面积的12％，扭力扳手的扭矩为15N.m；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的35％，扭力扳手的扭矩为20N.m；压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的65％，扭力扳手的扭矩为24N.M。
取实施例2以及对比例1～5键合得到的晶片各200件，在同等条件下进行性能测试，结果如表1所示。
表1：性能测试表
键合纹比例(％) 金属溢流比例(％) 整体良率(％)
实施例2 0 0 100
对比例1 2.9 0.8 96.5
对比例2 3.6 1.4 95.6
对比例3 80.2 44 2
对比例4 3.2 0.2 97
对比例5 3.8 5.2 92
从表1中可以看出，只有采用实施例2的三次压片，以及特定的压片顺序、压片力度才可达到最好的效果。
压片次数少于三次达不到减少金属溢流的效果，键合纹出现比例仍然较高，四次甚至更多，会使晶片边缘的金属逸出，边缘键合效果较差；
压力面积和大小不同，键合纹出现的比例均会增加；
如果先使用较大面积或者较大的力，相当于减少了一次压片，再使用较小的面积和力，几乎不起作用，效果较差。
综上，键合力度过大、过小均会产生键合纹；键合力度过大压得次数较多容易出现金属溢流。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)材料准备：硅片作为永久衬底，GaAs基LED晶片作为临时衬底；其中，硅片上蒸镀有反射镜层和金属粘附层；GaAs基LED晶片表面生长有欧姆接触层、电流阻挡层和反射镜层；
(2)贴片：将步骤(1)完成的永久衬底的金属粘附层面和临时衬底的反射镜层面进行手动粘附在一起，初步得到晶片；
(3)压片：将步骤(2)得到的晶片进行分阶段压片，首先使用两块形状、面积与晶片相同的铝箔片放置在晶片上下两侧，然后将与晶片形状、面积均相同的两块压板放置在铝箔片的上下两侧，使用压片夹具将压板压紧，使用扭力扳手，通过压板使晶片进一步压紧，该步骤分三次完成，逐次增加压片夹具与压板的接触面积和扭力扳手的扭矩大小，第三次完成压片后压片夹具固定住晶片，键合前不再取下；
(4)高温键合：将步骤(3)完成的晶片放置在高温烤箱内进行高温加热，完成键合；
(5)衬底腐蚀：将步骤(4)的晶片冷却至常温，使用腐蚀液将临时衬底的GaAs衬底腐蚀掉，露出N型GaAs；
(6)管芯结构制作：将步骤(5)完成的晶片，依次进行扩展电极、P面电极、表面粗化刻槽、硅片减薄、硅片N面电极、管芯切割，完成管芯的制作；
所述压片夹具为C型夹，包括固定件和紧固件，所述固定件呈C型，固定件一端为夹持端A，用于夹持压板，另一端设置有固定孔，固定孔内设置有内螺纹，所述紧固件为一螺纹杆，螺纹杆与固定孔的内螺纹配合，螺纹杆一端为夹持端B，用于压紧压板，另一端设置有扭力把手，方便扭力扳手用力扭动；夹持端A和夹持端B的面积相等；
步骤(3)中，使用压片夹具分三次将晶片压紧的过程具体为：
先将晶片、铝箔片和压板放置好，压片夹具包括三个，分别为压片夹具A、压片夹具B和压片夹具C，且其夹持端A/夹持端B的面积依次增大；
将压片夹具A固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具A；将压片夹具B固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧，然后松开压片夹具B；最后将压片夹具C固定在压板两侧，使用扭力扳手进行压紧完成压片，其中，压片夹具A与压板的接触面积为晶片面积的10-15％，扭力扳手的扭矩为8-10N.m；压片夹具B与压板的接触面积为晶片面积的30-40％，扭力扳手的扭矩为10-12N.m；压片夹具C与压板的接触面积为晶片面积的60-70％，扭力扳手的扭矩为12-15N.M；
三次压片过程中，夹持端A和夹持端B均压在压板中心。
2.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的GaAs基LED晶片结构从下往上依次为GaAs衬底、N型GaAs欧姆接触层、N型限制层、MQW量子阱有源层、P型限制层、P型GaAs欧姆接触层和电流扩展层。
3.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，步骤(1)中，硅片上的反射镜层为TiAu，金属粘附层为Sn；GaAs基LED晶片上的欧姆接触层为AuBe/Au，电流阻挡层为SiN，反射镜层为TiPtAu。
4.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，步骤(3)中铝箔片的厚度为3-5mm，压板的厚度为3-5mm。
5.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，所述压板为不锈钢板、铁板或铜板。
6.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，步骤(4)中高温键合时，温度为230-240℃，加热时间为30-40min。
7.根据权利要求1所述的GaAs基LED手动键合的制作方法，其特征在于，发明中使用的所有蒸镀金属的纯度均为4N级及以上。
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