DE102004021231A1

DE102004021231A1 - Verfahren zum Abscheiden eines Lumineszenzkonversionsmaterials

Info

Publication number: DE102004021231A1
Application number: DE200410021231
Authority: DE
Inventors: Magnus Ahlstedt
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: DE102004021231B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials (5) auf einen Körper (1, 2), wobei während des Abscheidens zwischen Material (5) und Körper (1, 2) elektrostatische Kräfte wirken und das Material (5) wenigstens ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält. Das Verfahren eignet sich dabei insbesondere zum Beschichten von optoelektronischen Bauteilen mit einer Konverterschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines Lumineszenzkonversionsmaterials auf einen Körper. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein optoelektronisches Bauteil, das gemäß dieses Verfahrens hergestellt ist.

Die Druckschrift DE 103 31 698 A1 beschreibt ein oberflächenmontierbares strahlungsemittierendes Bauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Bei diesem Bauteil ist der strahlungsemittierende Chip mit einer Formmasse umhüllt, die auf der Basis eines Harzes gebildet ist. Bevorzugt wird der Formmasse ein Lumineszenzkonversionsmaterial beigemischt, das beispielsweise durch ein anorganisches Leuchtstoff- Pigmentpulver gegeben sein kann. Die Druckschrift DE 103 31 698 A1 gibt darüber hinaus ein Verfahren an, ein solches Pulver mit mittleren Korndurchmessern zwischen 2 und 20 μm herzustellen.

Die Druckschrift DE 100 10 638 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Licht abstrahlenden Halbleiterkörpers mit einem Lumineszenzkonversionsmaterial. Dabei wird das Lumineszenzkonversionsmaterial direkt auf den Halbleiterkörper aufgebracht. Bei einem ersten Verfahren wird eine Suspension, die einen Haftvermittler und mindestens einen Leuchtstoff enthält, schichtartig auf den Halbleiterkörper aufgebracht. Im nächsten Verfahrensschritt entweicht ein Lösungsmittel aus der Suspension, so dass nur noch der Leuchtstoff mit dem Haftvermittler auf dem Halbleiterkörper verbleibt. In einem zweiten Verfahren wird der Halbleiterkörper mit einer Haftschicht versehen, auf die der Leuchtstoff unmittelbar aufge bracht wird. Dazu wird der Leuchtstoff beispielsweise auf den Haftvermittler gestreut, aufgeblasen oder aufgestäubt.

Es ist Aufgabe der Vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden eines Lumineszenzkonversionsmaterials auf einen Körper anzugeben, das eine besonders gleichmäßige Schicht aus Lumineszenzkonversionsmaterial auf dem Körper erzeugt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein optoelektronisches Bauteil anzugeben, das mittels solch eines Verfahrens hergestellt ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und ferner durch ein optoelektronisches Bauteil nach Patentanspruch 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Es wird ein Verfahren zum Abscheiden eines Materials auf einen Körper angegeben, unter Ausnutzung elektrostatischer Kräfte zwischen Material und Körper, wobei das Material wenigstens ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält.

Unter Lumineszenzkonversionsmaterialien werden hierbei Stoffe oder Stoffgemische verstanden, die elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge in elektromagnetische Strahlung einer anderen Wellenlänge umwandeln.

Als Lumineszenzkonversionsmateriale finden dabei bevorzugt anorganische Phosphore, dotierte Granate, Ce- oder Tb- aktivierte Granate (wie beispielsweise YAG:Ce, TAG:Ce, TbY-AG:Ce), Erdalkalisulfate oder organische Farbstoffe Verwendung. Geeignete Lumineszenz-Konversionsmaterialien sind beispielsweise in der Druckschrift WO98/12757 beschrieben, deren Inhalt insofern hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.

Das hier angegebene Verfahren macht sich die Idee zunutze unter Ausnutzung elektrostatischer Anziehung ein Material auf einen Körper abzuscheiden. Besonders vorteilhaft ergibt sich dabei, dass durch dieses Verfahren das Material in einer sehr gleichmäßigen Schicht auf den Körper aufgebracht werden kann. Das heißt die Schicht weißt an jeder Stelle ungefähr die gleiche Dicke und Zusammensetzung auf.

In einer Ausführungsform des Verfahrens weißt das Material zusätzlich zum Lumineszenzkonversionsmaterial wenigstens einen Haftvermittler auf. Dieser Haftvermittler hat die Aufgabe die Haftung des Materials auf den Körper nach Abschluss des Verfahrens zu gewährleisten. So kann der Haftvermittler ein Harz, beispielsweise ein Trockenmatrix-Polymerharz (Thermoplast) sein. Nach dem Abscheiden des Materials auf den Körper findet dann ein zusätzlicher Einbrenn- und Aushärteprozess, beispielsweise durch Erhitzen der Anordnung aus Körper und abgeschiedenen Material über den Schmelzpunkt des verwendeten Harzes und anschließendes Abkühlen der Anordnung, statt. Das Erhitzen der Anordnung kann dabei beispielsweise in einem atmosphärenkontrollierten Ofen stattfinden. Dadurch entsteht eine gleichmäßige Schicht aus Haftvermittler und Lumineszenzkonversionsmaterial auf dem Körper, die dauerhaft und stabil auf dem Körper haftet. Handelt es sich bei dem Körper um ein elektromagnetische Strahlung erzeugendes Bauteil so ist der Haftvermittler vorteilhaft transparent für die erzeugte Strahlung. Bevorzugt ist der Haftvermittler auch beständig gegenüber elektromagnetischer Strahlung, so dass durch den Betrieb des Bauteils seine Eigenschaften nicht nachteilig beeinflusst werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Material dabei als ein Pulver gegeben. Das heißt so wohl das Lumineszenzkonversionsmaterial als auch andere beigemischte Stoffe wie ein Haftvermittler sind in Pulverform gegeben. Bevorzugt werden die Pulver der verschiedenen Stoffe dabei vor dem Abscheiden gleichmäßig in einem bestimmten Mischverhältnis zueinander vermischt.

Bevorzugt beträgt die mittlere Korngröße des Lumineszenzkonversionsmaterials bei dem verwendeten Pulver maximal 30 μm. Besonders vorteilhaft erweist sich dabei eine mittlere Korngröße, zwischen 2 und 6 μm. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei dieser Korngröße die Lumineszenzkonversion besonders effizient erfolgen kann. Die Korngröße des Haftvermittlers hängt von den dielektrischen Eigenschaften des verwendeten Haftvermittlers ab. Bevorzugt wird die Korngröße des Haftvermittlers so optimiert, dass die Partikel des Lumineszenzkonversionsmaterials und des Haftvermittlers ungefähr die gleiche Ladung tragen.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens enthält der Körper ein Halbleitermaterial. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Körper eine Vielzahl von optoelektronischen Bauteilen im Wafer-Verbund. Das heißt auf einen Substrat-Wafer sind mehrere optoelektronische Bauteile, wie beispielsweise Leuchtdioden oder Diodenlaser, zum Beispiel epitaktisch abgeschieden. Das Material wird dann auf die Oberfläche dieser Bauteile, die dem Substrat-Wafer gegenüberliegt, unter Ausnutzung elektrostatischer Anziehung abgeschieden. Dabei ist es möglich, dass nicht die gesamte Oberfläche mit dem Material bedeckt wird, sondern ausgewählte Stellen der Oberfläche vom Material unbedeckt bleiben. Dies erweist sich beispielsweise als besonders vorteilhaft, wenn sich auf der Oberfläche Anschlussstellen zum elektrischen Kontaktieren der Bauteile befinden. Diese Anschlussstellen werden bevorzugt nicht vom Material bedeckt.

Es ist aber auch möglich das beschriebene Abscheide-Verfahren auf einzelne Bauteile, beispielsweise einzelne Leuchtdioden oder Diodenlaser, anzuwenden um sie auf diese Weise mit einer Lumineszenzkonversionsschicht zu versehen.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahren ist der Körper auf dem das Material abgeschieden wird elektrisch leitend.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der Körper vor dem Abscheiden des Materials zumindest stellenweise mit einem Isolator bedeckt. Besonders bevorzugt wird der Isolator während des Abscheidens elektrisch geladen. Auch das Material kann elektrisch geladen sein. Die elektrische Ladung ist dann bevorzugt ungleichnamig zur Ladung des Isolators. Der Körper wird während des Abscheide-Vorgangs bevorzugt geerdet.

Falls das Material elektrisch polarisierbar ist, ist vorteilhafterweise ein elektrisches Laden des Materials nicht notwendig. Besonders vorteilhaft ergibt sich bei dieser Ausführungsform des Verfahrens, dass Teile des Körpers, die von Isolator ungedeckt sind keine elektrostatische Anziehung auf das Material ausüben und so im Wesentlichen unbedeckt vom Material bleiben. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Strukturierung von Konversionsmaterial auf der Oberfläche des Körpers möglich.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Abscheiden eines Materials auf einen Körper wird der Kör per geerdet und das Material elektrisch geladen. Stellen des Körpers, die nicht vom Material bedeckt werden sollen können in diesem Fall von einem Isolator bedeckt werden. So können beispielsweise im Fall von optoelektronischen Bauteilen die Anschlussstellen mit einem isolierenden Photolack bedeckt werden. Das Material wird auf den Körper abgeschieden und der Photolack nach dem Abscheidevorgang durch ein geeignetes Abhebeverfahren (lift-off Technik) wieder entfernt. Besonders vorteilhaft ergibt sich bei dieser Ausführungsform des Verfahrens, dass die Dicke der Materialschicht selbstbegrenzend ist und größtenteils durch die Ladung der Teilchen des Materials bestimmt wird. Es lässt sich also die Schichtdicke mittels der Ladung des Materials einstellen. Beispielsweise bei optoelektronischen Bauteilen wird dadurch eine besonders effiziente und definierte Konversion der erzeugten elektromagnetischen Strahlung ermöglicht, die sich den Einsatzerfordernissen des Bauteils anpassen lässt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird an den Körper eine kleine Spannung angelegt, die ungleichnamig zur Ladung der Material-Teilchen ist. Dadurch wird die elektrostatische Anziehung zwischen Material und Körper verbessert.

Es wird darüber hinaus ein optoelektronisches Bauteil angegeben, das gemäß einer Ausführungsform des vorgestellten Verfahrens gefertigt ist. Bevorzugt handelt es sich bei dem Bauteil um eine Leuchtdiode oder einen Diodenlaser. Die vom Bauteil erzeugte elektromagnetische Strahlung wird in der, mittels des beschriebenen Abscheideverfahrens, aufgebrachten Lumineszenzkonversionsschicht zu Strahlung einer anderen Wellenlänge umgewandelt. Strahlt das Bauteil beispielsweise Licht im blauen oder ultravioletten Bereich ab, so kann mit geeigneten Lumineszenzkonversionsmaterialien Licht anderer Farben auf diese Weise erzeugt werden.

Mit besonderem Vorteil kann das beschriebene Verfahren auch zur Herstellung von Weißlichtleuchtdioden verwendet werden. Hierbei sind der Leuchtstoff und der Halbleiterkörper so aufeinander abgestimmt, dass die Farbe des vom Bauteil erzeugten Primärlichts und das Fluoreszenzlicht des Konversionsmaterials zueinander komplementär sind. Durch additive Farbmischung wird der Eindruck von weißem Licht hervorgerufen.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, dass die mittels eines beschriebenen Abscheideverfahrens aufgebrachte Konversionsschicht von besonders gleichmäßiger Dicke und Zusammensetzung ist. Durch die Gleichmäßigkeit der Konversionsschicht wird eine besonders gleichmäßige Abstrahlcharakteristik der abgegebenen Strahlung erreicht. Die Dicke der Konversionsschicht beträgt bevorzugt zwischen 15 und 25 μm.

Weitere Merkmale und Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 4.
1a bis 1d zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen Verfahrens anhand von Prinzipskizzen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen Verfahrens.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des hier beschriebenen Verfahrens.
4 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt von optoelektronischen Bauteilen im Wafer-Verbund.
In den Ausführungsbeispielen und Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr sind einige Details der Figuren zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt.
1a zeigt auf einem Wafer 1 angeordnete Bauteile 2. 4 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt der im Wafer-Verbund angeordneten Bauteile 2. Die Bauteile können beispielsweise optoelektronische Bauteile wie Leuchtdiode oder Diodenlaser sein. An der dem Substrat-Wafer 1 gegenüberliegenden Oberfläche des Bauteils 2 befindet sich ein Bondpad zum elektrischen Anschließen des Bauteils, beispielsweise mittels Wire-Bonden.
1b zeigt einen Isolator 4, der auf die Oberfläche der Bauteile 2 aufgebracht ist. Der Isolator 4 wird dabei durch eine geeignete Depositionsmethode auf die Bauteile 2 aufgebracht, welche die Bauteile 2 nicht beschädigt. Der Isolator kann beispielsweise aufgesprüht, aufgerakelt, aufgedruckt oder mittels CVD- oder PVD-Techniken aufgebracht werden. Bevorzugt ist der Isolator 4 für die vom optoelektronischen Bauteil 2 erzeugte Strahlung transparent.
Als Materialien für den Isolator eignen sich beispielsweise transparente Elektrete oder anorganische Verbindungen wie Siliziumnitrid.
Vorteilhaft kann der Isolator 4 durch phototechnische Behandlung strukturiert werden, so dass nur gewünschte Stellen der Bauteiloberfläche vom Isolator 4 bedeckt werden. So ist es, je nach den späteren Anforderungen an das Bauteil 2 möglich den Isolator 4 in bestimmten Mustern auf das Bauteil 2 aufzubringen. Die Bondpads 3 bleiben vom Isolator 4 bevorzugt ungedeckt. Nach der gewünschten Strukturierung des Isolators 4 wird der Isolator beispielsweise mittels eines Korona-, eines Korona-Trioden-, eines Tribo-Ladegrätes oder einer anderen geeigneten Methode elektrisch geladen. Die angelegte Spannung beträgt dabei bevorzugt zwischen 30 kV und 100 kV. Der Verbund von Substrat-Wafer 1 und Bauteilen 2 wird geerdet.
1d zeigt wie das Material 5, welches wenigstens ein Lumineszenzkonversionsmaterial und wenigstens einen Haftvermittler enthält, die jeweils in Pulverform vorliegen, auf die Bauteile 2 abgeschieden wird. Das elektrisch polarisierbare Material 5 wird auf die Bauteile 2 aufgestäubt, aufgestreut oder als Aerosol aufgeblasen.
Als besonders vorteilhaft ergibt sich bei diesem Ausführungsbeispiel, dass das Material 5 nur vom Isolator 4 elektrostatisch angezogen wird. Die elektrostatische Anziehung wirkt in Richtung der Pfeile 6. Das Material 5 wird damit lediglich auf vom Isolator 4 bedeckten Stellen des Bauteils 2 abgeschieden. Die Bondpads 3 und alle anderen Stellen der Bauteile 2, auf die kein Isolator 4 aufgebracht ist bleiben so, ohne dass zusätzliche Maßnahmen notwendig sind, unbedeckt.
Das Verfahren ermöglicht also eine schnelle und gezielte Beschichtung der Bauteile mit Konvertermaterial.
1d zeigt die Wafer-Anordnung, bestehend aus Substrat-Wafer 1 und Bauteilen 2, nach dem Aushärten des Materials 5 zu einer Konversionsschicht 7. Das Aushärten kann dabei beispielsweise durch Erhitzen der Anordnung über den Schmelzpunkt des Haftvermittlers erfolgen. Nach diesem Aushärte- Schritt kann dann eine Vereinzelung der Anordnung in einzelne Bauteile 2 zum Beispiel durch Sägen oder Brechen erfolgen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens. Hierbei sind die Bondpads 3 von einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise einem geeigneten Photolack bedeckt. Der Substrat-Wafer 1 und die Bauteile 2 sind elektrisch leitend und werden geerdet. Das Material 5 wird elektrisch geladen und auf die Bauteile 2 gesprüht. Das Material 5 kann beispielsweise dadurch geladen werden, dass es als Aerosol durch ein Cross-Korona-Trioden-Ladegerät, ein Co-Flow-Korona-Trioden-Ladegerät oder ein Tribo-Ladegerät geblasen wird. Das Material-Pulver wird von den geerdeten Bauteilen 2 elektrostatisch angezogen und lagert sich auf den Bauteilen ab. Die elektrostatische Anziehung zwischen Material 5 und Bauteilen 2 wirkt in Richtung der Pfeile 6. Die mit einem Isolator 4 bedeckten Bondpads 3 bleiben von Material 5 unbedeckt. Nach Abschluss des Abscheideverfahrens wird der Photolack auf den Bondpads 3 durch ein geeignetes Abhebeverfahren entfernt. Die abschließenden Aushärte- und Vereinzelungsschritte erfolgen dann wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich besonders vorteilhaft, dass die Dicke der entstehenden Konversionsschicht 7 von der Ladung der Material-Teilchen abhängt. Das heißt über die Ladung des Materials lässt sich die gewünschte Dicke der späteren Konversionsschicht 7 einstellen. Je größer die elektrische Ladung ist, die die Material-Teilchen tragen, desto mehr Material-Teilchen lagern sich auf dem Bauteil übereinander an und desto dicker wird die Konversionsschicht 7. Bevorzugt lagern sich dabei zwischen 3 und 5 Material-Teilchen übereinander an, so dass eine Konversionsschicht 7 mit einer Dicke zwischen 15 und 25 μm entsteht.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des beschriebenen Verfahrens. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Anordnung aus Wafer 1 und Bauteilen 2 beispielsweise in einer Haltevorrichtung eingespannt und in Richtung des Pfeils 9 mit einer bestimmten Geschwindigkeit über ein Fließbett 8 gezogen. Im Fließbett 8 befinden sich die Konverterteilchen 5, die mittels beispielsweise ionisierter Luft 8 elektrisch geladen und fluidisiert werden. Die Bauteile 2 sind dabei entweder geerdet, oder es wird eine kleine Spannung (einige Volt) ungleichnamig zur elektrischen Ladung an die Bauteile angelegt. Die elektrostatische Anziehung zwischen Material 5 und Bauteilen 2 wirkt in Richtung der Pfeile 6, so dass sich das Material auf den Bauteilen ablagert. Die Bondpads 3 sind wiederum durch einen Isolator 4 abgedeckt, der nach Abschluss der Beschichtung der Bauteile durch ein Lift-Off Verfahren entfernt wird. Die abschließenden Aushärte- und Vereinzelungsschritte erfolgen dann wie im ersten Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Konversionsschicht 7 durch die Ladung des Materials 5, die Spannung die an die Bauteile 2 angelegt ist und durch die Geschwindigkeit mit der die Anordnung aus Wafer 1 und Bauteilen 2 über das Fließbett 8 gezogen werden gegeben.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zum Abscheiden eines Materials (5) auf einen Körper (1, 2), unter Ausnutzung von elektrostatischen Kräften zwischen Material (5) und Körper (1, 2), wobei das Material (5) wenigsten ein Lumineszenzkonversionsmaterial enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material (5) wenigstens einen Haftvermittler enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Material (5) ein Pulver ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine mittlere Korngröße des Lumineszenzkonversionsmaterials maximal 30 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die mittlere Korngröße des Lumineszenzkonversionsmaterials zwischen 2 und 6 μm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Körper ein Halbleitermaterial enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Körper eine Vielzahl von optoelektronischen Bauteilen im Wafer-Verbund enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Körper elektrisch leitend ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei auf den Körper vor dem Abscheiden zumindest stellenweise ein Isolator aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Isolator elektrisch geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Körper geerdet und das Material elektrisch geladen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei an dem Körper eine elektrische Spannung angelegt und das Material ungleichnamig zu der Spannung elektrisch geladen wird.
Optoelektronisches Bauteil, hergestellt mittels eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.