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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer polychromatisierenden Schicht auf einem Halbleiter-Substrat, ein Halbleiter-Substrat, sowie eine Leuchtdiode mit dem Halbleiter-Substrat. Druckschrift
US 2009/0142876 A1 offenbart eine Tintenzusammensetzung mit einem Farbenkonversionsfilm. Druckschrift
WO 2006/088877 A1 offenbart eine LED mit einer Vielzahl von Halbleiternanokristallen. Druckschrift
US 2006/0152150 A1 offenbart eine elektrolumineszente Anzeigevorrichtung. Druckschrift
US 2003/0152703 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von strukturierten zusammengesetzten Strukturen. Druckschrift
US 2005/0263025 A1 offenbart ein Mikro-Kontakt-Druckverfahren.
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Ein optoelektronisches Bauelement, kurz Leuchtdiode oder auch nur LED (für Englisch „light-emitting diode“) genannt, enthält herkömmlich eine epitaktisch gewachsene Schichtenfolge, die eine zur Lichtemission geeignete Teilschicht umfasst, sowie eine Konversionsschicht mit einem Lichtkonversionsmaterial.
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Dabei emittiert im Betrieb der Leuchtdioden der Halbleiter der Teilschicht der epitaktisch gewachsenen Schichtenfolge aufgrund seiner Bandstruktur Licht in einem begrenzten Spektralbereich, wobei das Licht zumindest nahezu monochromatisch ist oder einen sehr engen Wellenlängenbereich besitzt.
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Das Lichtkonversionsmaterial dient dazu, das von der Teilschicht emittierte Licht hinsichtlich seiner Wellenlänge zu wandeln. Dieses Licht trifft auf das Lichtkonversionsmaterial, das die Wellenlänge des ursprünglichen Lichts zu einer anderen Wellenlänge wandelt. Teilweise abhängig davon, welcher Mechanismus genau der Umwandlung der Wellenlänge zugrunde liegt, wird das Lichtkonversionsmaterial Lumineszenzstoff, photolumineszierendes Material, Fluoreszenzfarbstoff oder einfach Leuchtstoff genannt. Im Folgenden wird nicht zwischen den einzelnen Mechanismen unterschieden, und die eben genannten Bezeichnungen für Lumineszenzstoffe werden nebeneinander benutzt ohne durch die Verwendung eines speziellen Begriffs den Umfang der Offenbarung einzuschränken. Prinzipiell kann jedoch ein Leuchtstoff ein erstes Licht hoher Frequenz stets nur in zweites Licht geringerer Frequenz umwandeln. Dieser Effekt der Frequenzverschiebung ist unter dem Namen Stokes-Shift bekannt.
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Der Leuchtstoff sendet durch das monochromatische Licht angeregt in der Regel einen breiteren Spektralbereich als der Leuchtdiodenchip selbst aus. Es können auch statt eines breiteren Spektralbereichs mehrere schmalbandige Spektralbereiche erzeugt werden. Dies lässt sich insbesondere bei Einsatz mehrerer verschiedener Lichtkonversionsmaterialien erzielen. Die Leuchtdiode strahlt letztendlich eine Kombination des Lichts der ersten Wellenlänge und der zweiten Wellenlänge beziehungsweise der zweiten Wellenlängen aus. Durch gezielte Auswahl eines Halbleitermaterials der lichtemittierenden Teilschicht und des Lumineszenzstoffs kann so ein gezieltes Strahlungsspektrum der Leuchtdiode erzielt werden. Beispielsweise lässt sich ein blau emittierender Leuchtdiodenchip mit Cerdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) als Lumineszenzstoff kombinieren, der das blaue Licht teilweise in gelbes Licht umwandelt. Zusammen ergibt sich ein weißes Licht. Da der Leuchtstoff das monochromatische Licht in ein breiteres oder zumindest breiteres Strahlungsspektrum umwandelt, wird er auch als polychromatisierend bezeichnet.
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Der Leuchtstoff wird herkömmlich durch Schleuderbeschichten (in der Halbleiterindustrie besser bekannt unter dem Namen „Spin Belacken“ oder „Spin Coating“) oder Sprühbelackungsverfahren ganzflächig auf Halbleiterwafer aufgebracht. Dabei wird eine sich über einen gesamten Wafer erstreckende Lichtkonversionsschicht hergestellt. Diese beiden Verfahren haben eine Reihe von Nachteilen. So geht durch Abschleudern beim Schleuderbeschichten eine hohe Menge an Lumineszenzstoff verloren, wie auch bei anderen herkömmlichen ganzflächigen Beschichtungsverfahren. Des Weiteren lassen sich mit diesen Verfahren ausschließlich vollflächige Schichten herstellen. Die Schichtdicke der sich ergebenden Lichtkonversionsschichten ist nicht homogen. Zu lokalen Dickenschwankungen treten noch Fehler hinzu, die sich entlang der gesamten Waferoberfläche ergeben. Diese Inhomogenität der Schichtdicke führt zu einer Farbvariation von LEDs untereinander, die unter dem Begriff „Binning“ bekannt ist. Beispielsweise ist der Weißton der LEDs nicht konstant der gleiche.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren anzugeben, mit dem die vorgenannten Nachteile des Stands der Technik behoben werden, mit dem insbesondere LEDs gleichbleibender Konversionsschichtdicke und somit gleichbleibender Farbspektren hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 14 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufbringen einer zumindest einen Lumineszenzstoff enthaltenden polychromatisierenden Schicht auf einem Substrat, das eine zur Emission monochromatischen Lichts geeignete Teilschicht umfasst, wird die polychromatisierende Schicht mit einem Mikro-Kontakt-Druckverfahren aufgebracht.
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Dabei ist im Rahmen der Erfindung monochromatisches Licht nicht ausschließlich als eine einzige Wellenlänge aufweisend zu sehen, sondern lediglich als einen schmalen Spektralbereich besitzend, wie er bei Leuchtdioden ohne Lumineszenzmittel herkömmlich üblich ist.
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Eine polychromatisierende Schicht im Sinne der Erfindung ist eine Schicht, die Licht der einen Wellenlänge oder des Spektralbereichs, wie sie von der zur Emission monochromatischen Lichts geeigneten Teilschicht ausgesandt wird, zumindest teilweise zu zumindest einer oder mehreren zweiten Wellenlängen umwandelt, wobei für die Erfindung unerheblich ist, durch welchen Mechanismus dies geschieht. Licht dieser zweiten Wellenlänge erzeugt zusammen mit dem monochromatischen Licht der zur Emission monochromatischen Lichts geeigneten Teilschicht Licht mehrerer verschiedener Wellenlängen, was somit als polychromatisch bezeichnet wird. Dabei ist der Begriff polychromatisch nicht beschränkend in dem Sinne zu sehen, dass notwendigerweise eine Vielzahl verschiedener Wellenlängen erzeugt wird. Auch im Falle, dass Licht einer einzigen Wellenlänge durch die polychromatisierende Schicht zu einer einzigen anderen Wellenlänge umgewandelt wird, wird die entstehende Kombination aus Licht zweier Wellenlängen im Rahmen der Erfindung als polychromatisch bezeichnet.
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Im Folgenden wird das Substrat, das eine zur Emission monochromatischen Lichts geeignete Teilschicht umfasst, nur noch kurz als Substrat bezeichnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht im Gegensatz zu den herkömmlichen Beschichtungsverfahren, eine Schichtdicke der polychromatisierenden Schicht einzuhalten, die eine sehr niedrige Toleranz sowohl innerhalb einer polychromatisierenden Schicht als auch bezogen auf polychromatisierende Schichten einer Charge, wie etwa einer Waferserie, untereinander besitzt. Somit lassen sich Leuchtdioden herstellen, deren Emissionsspektrum stets das gleiche oder zumindest nahezu das gleiche ist. Damit ist vor allem gemeint, dass im Intensitäts-Wellenlängenspektrum die Verschiebung der Intensitätsmaxima bezüglich der Wellenlänge, bzw. die Änderung der Intensität, für unterschiedliche erfindungsgemäße LED Chips verschwindend gering ist. Mit Vorzug ist die Standardabweichung der Positionen der Intensitätsmaxima unterschiedlicher Proben kleiner als 10nm, mit Vorzug kleiner als 7nm, mit größerem Vorzug kleiner als 5nm, mit größtem Vorzug kleiner als 2nm, mit allergrößtem Vorzug kleiner als Inm. Mit Vorzug ist die Standardabweichung der Intensitätsmaxima unterschiedlicher Proben kleiner als 5%, mit Vorzug kleiner als 1%, mit größerem Vorzug kleiner als 0,1%, mit größtem Vorzug kleiner als 0,01%, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 10-5%.
Somit tritt bei Leuchtdioden, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, vorteilhafterweise kein Binning auf.
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Mit Vorteil ist die Abweichung der Schichtdicke an unterschiedlichen Positionen innerhalb einer einzelnen polychromatisierenden Schicht kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 5%, mit Vorzug kleiner als 1%, mit größerem Vorzug kleiner 0,1%, mit größtem Vorzug kleiner als 0,01%, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 0,001% in Bezug auf die mittlere Schichtdicke.
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Da ein bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzter Druckstempel im Wesentlichen nur die Menge an Lumineszenzstoff aufnimmt, die auf das Substrat aufgedruckt wird, findet im Gegensatz zu herkömmlichen Beschichtungsverfahren kein oder zumindest kaum Verlust an Lumineszenzstoff statt.
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Der Druckstempel kann vorteilhaft eine Druckmatrize besitzen, die geeignet ist, zu druckenden Lumineszenzstoff aufzunehmen und bei einem Druckschritt an das Substrat abzugeben.
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Erfindungsgemäß umfasst das Druckverfahren ein Mikro-Kontakt-Druckverfahren. Insbesondere stellt das Mikro-Kontakt-Druckverfahren das Druckverfahren dar.
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Das Mikro-Kontakt-Druckverfahren ermöglicht ein besonders exaktes Bedrucken eines Substrats. Die Schichtdicke der polychromatisierenden Schicht lässt sich somit besonders leicht exakt einstellen. Somit ergeben sich besonders hohe Homogenitäten der Schichtdicke und damit der Farbspektren der Leuchtdioden mit dem bedruckten Substrat.
Das Mikro-Kontakt-Druckverfahren ist aus anderen Bereichen an sich bekannt und wird daher an dieser Stelle nur kurz erläutert. Ein Druckstempel mit beispielsweise einer Silicongummi-Matrize einer zu übertragenden Fläche oder Struktur wird mit einer zu druckenden Substanz versehen und auf die zu bedruckende Fläche, in diesem Fall eine Hauptfläche des Substrats, gebracht. Dabei wird der Druckstempel dem Substrat angenähert, bis die Flüssigkeit auf dem Stempel in Kontakt mit dem Substrat kommt und dadurch auf das Substrat übertragen wird. In welcher Form der Lumineszenzstoff zum Bedrucken verwendet wird, hängt von dem jeweiligen Lumineszenzstoff, dem Matrizenmaterial des Druckstempels und weiteren Parametern des Druckverfahrens ab, wie etwa der angestrebten Schichtdicke oder der Drucktemperatur, und wird vom Fachmann je nach Wunsch oder Bedarf gewählt, ohne erfinderisch tätig zu werden. Zum Aufbringen einer polychromatisierenden Schicht auf ein eine zur Emission monochromatischen Lichts geeignete Teilschicht umfassendes Substrat wurde das Mikro-Kontakt-Druckverfahren noch nie angewandt. Überraschenderweise lässt sich dieses nicht speziell für Substratoberflächen und insbesondere die Bedruckung der Substratoberflächen mit Lumineszenzmaterial entwickelte Druckverfahren auf Substraten anwenden. Dies ist insbesondere deshalb überraschend, da Mikro-Kontakt-Druckverfahren bisher in erster Linie Einsatz beim Übertragen von sehr dünnen, vorzugsweise Monolagen von Material, insbesondere von homogenen Materialien auf Zieloberflächen fanden. Bisher waren diese Zieloberflächen häufig Oberflächen mit sehr hoher Qualität hinsichtlich Ebenheit, Oberflächenrauhigkeit und Defekten und von besonderer Beschaffenheit, beispielsweise mit Goldbeschichtung. Die Eigenschaften der gemäß der Erfindung zu bedruckenden Substrate sind bezügliche diesen Qualitätskriterien signifikant unterschiedlich. So weisen diese Oberflächen häufig Defekte wie hervorstehende Spitzen, die vom epitaktischen Wachstum der Schichtstruktur herrühren („growth spikes“).
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Nach einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die polychromatisierende Schicht strukturiert aufgebracht. Dies wird erst durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Mikro-Kontakt-Druckverfahrens möglich. Je nach gewünschter Struktur der polychromatisierenden Schicht wird ein Druckstempel mit einer der Struktur der polychromatisierenden Schicht entsprechenden Struktur der Druckmatrize auf dem Druckstempel bereitgestellt. Der Einsatz einer Struktur der polychromatisierenden Schicht kann vorteilhafte Effekte bewirken. So kann eine Auskopplung des Lichts aus der polychromatisierenden Schicht gezielt gefördert werden. Auch kann eine Einstellung von Farbspektren gezielt stattfinden.
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Ein strukturiertes Bedrucken ist besonders gut mit dem Mikro-Kontakt-Druckverfahren möglich, da mit diesem auch komplizierte oder sehr feine Strukturen mit hoher Genauigkeit gedruckt werden können.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die strukturiert aufgebrachte polychromatisierende Schicht Einzelelemente auf, die Rechtecke, Quadrate, Kreise, Dreiecke, gefüllte Polygone und ähnliche Einzelelemente umfassen. Dies ist durch entsprechend strukturierte Erhebungen und Vertiefungen auf der Druckmatrize des verwendeten Druckstempels möglich.
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Vorteilhaft können die Einzelelemente eine Strukturbreite besitzen, die kleiner als 100 µm, insbesondere kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 1 µm ist. Die Strukturbreite ist im Falle von Quadraten die Kantenlänge, im Falle von Kreisen der Durchmesser und bei allen anderen geometrischen Formen der Einzelelemente deren größte Gesamterstreckung, was bei einem Dreieck beispielsweise die größtmögliche Höhe des Dreiecks ist. Durch derart kleine Strukturelemente ist die Homogenität der erzielten Farbspektren besonders hoch, und es lassen sich besonders gezielt Farbspektren einstellen.
Es kann vorteilhaft sein, dass die polychromatisierende Schicht mit einer Schichtdicke (D) gedruckt wird, die kleiner als 100 µm, insbesondere kleiner als 10 µm, insbesondere kleiner als 1 µm ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird selbst bei derart geringen Schichtdicken eine hohe Homogenität der Schichtdicke erzielt.
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Nach einer bevorzugten Variante der Erfindung wird als Substrat ein Wafer bedruckt. So lässt sich das erfindungsgemäße Aufbringen einer polychromatisierenden Schicht problemlos in einen Waferprozess integrieren, in dem beispielsweise andere herkömmliche Verfahrensschritte zur Herstellung von Leuchtdioden stattfinden.
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Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem Druckschritt ein Druckstempel verwendet, dessen Größe zumindest weitgehend der Größe des Substrats entspricht, so dass das Mikro-Kontakt-Druckverfahren einen einzigen Druckschritt umfasst. Bei Bedrucken eines Wafers als Substrat entspricht die Größe des Druckstempels zumindest weitgehend der Größe des Substrates.
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Nach einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Größe des Druckstempels kleiner als die Größe des Substrats, derart, dass die polychromatisierende Schicht durch eine Mehrzahl von Druckschritten aufgebracht wird. Dieses schrittweise Kopieren einer Teilstruktur ist auch unter dem Begriff „Step-and-Repeat-Verfahren“ bekannt. Es wird bisher in anderen Bereichen der Halbleitertechnologie eingesetzt und wird daher hier nur kurz bezogen auf das erfindungsgemäße Verfahren erläutert. Ein Druckstempel wird mit der zu druckenden Flüssigkeit bzw. Masse versehen, und mit diesem an einem Startpunkt auf dem Substrat eine Teilbereichsschicht auf das Substrat gedruckt. Beispielsweise nach Art von Reihen und Spalten wird neben dieser ersten Teilbereichsschicht eine Mehrzahl von Teilbereichsschichten aufgedruckt, die eine Schicht ergeben, die beispielsweise das gesamte Substrat bedeckt. Besitzt der Druckstempel eine Druckmatrize mit Erhebungen und Vertiefungen, die auf dem Substrat eine strukturierte Teilbereichsschicht ergeben, lassen sich die Teilbereichsschichten vorteilhafterweise derart nebeneinander drucken, dass eine Gesamtstruktur entsteht, die mit einer Struktur eines einzigen großen Druckstempels identisch ist, die durch einen einzigen Druckschritt aufgebracht wird.
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Alternativ können Teilbereichsschichten nebeneinander gedruckt werden, die sich nicht zu einer Gesamtstruktur ergänzen. In diesem Fall lässt sich in einem späteren Verfahrensschritt das Substrat zwischen den einzelnen Teilschichten so trennen, dass eine sich ergebende Leuchtdiode jeweils eine Teilbereichsschicht aufweist.
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Das Aufbringen des Prägematerials auf die Erhebungen des Druckstempels kann durch mehrere Verfahren realisiert werden. Die Erhebungen des Druckstempels können beispielsweise kontrolliert in eine Prägematerialflüssigkeit eintauchen. Durch die Adhäsionskraft wird das Prägematerial an den Erhebungen haften. Danach wird der Druckstempel einfach aus der Prägematerialflüssigkeit gezogen und zum Wafer bewegt. In einer anderen Variante werden durch Tröpfchenabscheidung am Wafer kleine, genau portionierte Mengen an Prägematerial aufgebracht. Die Tropfenpositionen müssen deckungsgleich mit den Positionen der Erhebungen am Stempel sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Druckstempel auf den Kopf gestellt werden, sodass die Erhebungen entgegen der Schwerkraft, nach oben zeigen. Danach wird der Druckstempel mit einem Sprühverfahren mit dem Prägematerial beschichtet. An der Oberfläche der Erhebungen bleiben Prägematerialtropfen übrig. Durch eine Relativbewegung zwischen Prägestempel und Wafer können beide in Position gebracht werden. Danach erfolgt eine Art „Über-Kopf-Prägen“ durch ein Aufeinander zu bewegen zwischen Prägestempel und Wafer. Für einen Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass die Art und Weise, wie die Prägematerialflüssigkeit auf die Erhöhungen des Stempels gelangt, nicht ausschlaggebend für die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist.
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Während des Prägevorgangs wird der Abstand zwischen Druckstempel und Wafer vorzugsweise gemessen und/oder aktiv kontrolliert, sodass die Schichtdicke der Schichtelemente kontrolliert eingestellt werden kann.
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Der Prägestempel kann auch eine dicke elastische Schicht besitzen, der den Erhöhungen vorgeht. Diese dicke elastische Schicht dient der Kompensation von Unebenheiten des Wafers. Dadurch werden verbesserte, homogenere Druckeigenschaften erzielt. Insbesondere bei extrem starren Stempeln wäre ein Prägen mehrerer Schichtelemente auf einem unebenen Wafer nur schlecht oder gar nicht realisierbar. Es wird daher auch ein Multilayer Stempel offenbart, also ein Stempel, der aus unterschiedlichen Materialschichten besteht, die normal auf die Prägerichtung in einem Seriellverbund aneinandergereiht sind.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die Stempelelemente auf einer steifen aber dehnbaren Membran aufgebracht. Die Membran ist konvex formbar, mit Vorzug über einen hinter der Membran aufgebrachten Überdruck, der in einer Kammer aufgebaut werden kann. Diese Art des Stempels dient der Beaufschlagung der Membran und damit der Stempel mit einem isostatischen (Gas)druck.
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Statt als strukturierte Schicht lässt sich die polychromatisierende Schicht nach einer Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens vollflächig auf das Substrat aufbringen. Auch ohne die polychromatisierende Schicht strukturiert aufzubringen, hat das erfindungsgemäße Verfahren Vorteile gegenüber dem Stand der Technik, denn eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrachte vollflächige polychromatisierende Schicht weist eine deutlich homogenere Schichtdicke sowohl innerhalb der Schicht auf einem bedruckten Substrat als auch innerhalb einer Charge, wie einer Waferserie, auf.
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Ein weiterer Vorteil, der auch bei der vollflächigen Aufbringung auf das Substrat von signifikantem wirtschaftlichem Nutzen ist, besteht in der, gegenüber dem Stand der Technik enorm gesteigerten Materialeffizienz. Bei Schleuderbeschichtungsverfahren ist es üblich, dass mehr als 50% des, ursprünglich eingesetzten Materials während dem Schleudervorgang vom Substrat abgeschleudert werden. Dieses Material kann dann aufgrund von Kontaminationsrisiko nicht mehr verwendet werden und ist Abfall. Im Gegensatz dazu ermöglicht es das Mikro-Kontakt-Druckverfahren, den Materialverlust auf <15%, häufig auf <10%, bei optimierten Verfahren sogar auf <5% zu reduzieren. Dabei ist es unerheblich, ob das Verfahren so eingestellt ist, dass bei jedem einzelnen Druckschritt immer ein vollständiger Transfer des, am Stempel anhaftenden Lumineszenzmaterials auf das Substrat erfolgt, da das Restmaterial, welches bei unvollständigem Transfer am Stempel haften bleibt nicht verloren geht, sondern beim nächsten Druckschritt wieder Einsatz findet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich für die Beschichtung aller Halbleitermaterialien einsetzen, beispielsweise für Halbleitersubstrate aus Si, GaAs, GaN etc. Entsprechend den gewählten Halbleitermaterialien werden im Betrieb charakteristische Farbspektren vom Substrat emittiert. Die Wahl des zumindest einen Lumineszenzstoffes der polychromatisierenden Schicht hängt von diesem Farbspektrum ab, sowie davon, welches Farbspektrum die herzustellende Leuchtdiode letztendlich abstrahlen soll, bzw. in welche Wellenlängen das ursprünglich emittierte Licht umgewandelt werden soll. Der Fachmann ist in der Lage, die geeignete Kombination aus Halbleitermaterial und Lumineszenzstoff zu definieren, um ein gewünschtes Wellenlängenspektrum zu erreichen, ohne dabei erfinderisch tätig zu werden. Die Luminiszenzstoffe sind von einem Matrixmaterial umgeben. Als Luminiszenzstoff wird vorwiegend Phosphor verwendet. Es seien außerdem alle Materialien offenbart, die fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Eigenschaften aufweisen. Als Matrixmaterialien werden, aber nicht abschließend, folgende Materialien verwendet:
- • Silikone
- • Polymere
- • Polyimide
- • Gläser
- • allgemein, alle Materialien, die in der Lage sind, lumineszierende Materialien zu lösen und transparent für die durch Lumineszenz emittierte elektromagnetische Strahlung sind.
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Davon abhängig wird der Fachmann den zumindest einen Lumineszenzstoff auswählen und aus diesem eine druckbare Flüssigkeit oder Masse herstellen bzw. bereitstellen, die als polychromatisierende Schicht gedruckt werden kann. Dies kann beispielsweise eine Lösung oder eine Dispersion sein. Als Dispersion wird beispielsweise ein herkömmlicher Lack genutzt, wie er auch für das Schleuderbeschichten von Wafern genutzt. Um selbst bei geringen Schichtdicken der polychromatisierenden Schicht eine hohe Homogenität zu erzielen, wird bevorzugt ein dispergierter Lumineszenzstoff mit einer Partikelgröße von vorzugsweise kleiner als 50 µm, bevorzugter kleiner als 10µm, noch bevorzugter kleiner als 100nm, am Bevorzugtesten kleiner als 10nm, am aller Bevorzugtesten kleiner als 1nm zum Bedrucken des Substrats genutzt. Neben den Verfahren zum Aufbringen der Lumineszenzschicht auf die Substrate unterliegen auch die Lumineszenzstoffe selbst einer ständigen Weiterentwicklung. Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine hohe Toleranz hinsichtlich der verwendeten Partikelgröße auf. Daher sind die hier zuvor genannten Partikelgrößen exemplarisch anzusehen und nicht als Einschränkung für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Der zumindest eine Lumineszenzstoff kann beispielsweise, aber nicht abschließend, aus einer der folgenden Gruppen ausgewählt werden:
- • weißer Phosphor
- • phosphoreszierende Reinkomponenten, also Elemente oder Moleküle
- • phosphoreszierende Flüssigkeiten, wie beispielsweise Lacke
- • alle Arten von Kristallen, die durch die Störung der Gitterstruktur Phosphoreszenz erzeugen können, vor allem Sulfide der Erdalkalimetalle und des Zinks, die mit Schwermetallsalzen versetzt wurden
- • alle Arten von lumineszierenden Materialien, die in einer Matrix gelöst werden können, die transparent für die durch Lumineszenz erzeugte Strahlung ist.
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Welche Wellenlängen durch einen Halbleiter des Substrats erzeugt werden und zu welchen Wellenlängen dieses Licht umgewandelt wird, hängt vom Material des Substrats und der polychromatisierenden Schicht ab. Der Fachmann kennt Substratmaterialien und Materialien polychromatisierender Schichten und kann diese je nach Wunsch oder Bedarf für eine gewünschte LED einsetzen und kombinieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf bestimmte Substratmaterialien oder polychromatisierende Schichten beschränkt.
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Nach einer Variante der Erfindung kann eine die polychromatisierende Schicht bildende Flüssigkeit und/oder druckbare Masse mit dem Mikro-Kontakt-Druckverfahren aufgebracht werden. Im Falle einer Lösung als Flüssigkeit muss ein Lösungsmittel der Lösung trocknen, so dass sich die polychromatisierende Schicht bildet. Im Falle geschmolzener Massen müssen diese zu einer polychromatisierenden Schicht erstarren. Welcher Weg gewählt wird, hängt maßgeblich von der Art des Lumineszenzstoffes ab.
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Vorteilhaft wird als Flüssigkeit und/oder druckbare Masse eine Flüssigkeit oder druckbare Masse aus der Gruppe der Lösungen, Dispersionen und Lacke gedruckt.
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Nach dem Bedrucken wird die gedruckte Masse durch Verfahren, die dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt sind, behandelt. Diese Behandlung kann thermische und/oder optische, und/oder elektrische und/oder chemische Aushärteverfahren beinhalten, die dafür sorgen, dass die Masse aushärtet, daher formstabil bleibt. Mit Vorzug wird hierzu die sich unter der Masse befindende LED verwendet, um das Aushärten durch thermische und/oder optische Vorgänge zu bewerkstelligen, indem man die LED nach dem Druckverfahren aktiviert.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Dabei zeigen:
- 1a: eine Draufsicht auf einen zu bedruckenden Wafer
- 1b: eine Schnittansicht des Wafers von 1a auf einem Waferträger
- 2a: eine schematische Draufsicht auf einen mit einem erfindungsgemäßen Verfahren bedruckten Wafer
- 2b: eine schematische Schnittansicht des Wafers von 2a
- 3a: eine schematische Schnittansicht eines Druckstempels für das erfindungsgemäße Verfahren
- 3b: eine schematische Schnittansicht des mit einer Dispersion benetzten Druckstempels über einem zu bedruckenden Wafer
- 3c: eine schematische Schnittansicht des Druckstempels von 3b in Kontakt mit dem Wafer
- 3d: eine schematische Schnittansicht des Wafers und des Druckstempels nach dem Druckschritt
- 4a: eine Draufsicht einer quadratischen Erhebung einer Druckmatrize
- 4b: eine Draufsicht einer kreisrunden Erhebung einer Druckmatrize
- 4c: eine Draufsicht eines gedruckten quadratischen Schichtelements mit Aussparungen und Kontaktierungen.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wafer 1 bedruckt, der ein Substrat 2 aufweist, das von einem Träger 3 gestützt wird (s. 1a und 1b). Das Substrat 2 weist eine monochromatisches Licht emittierende Teilschicht auf (nicht dargestellt), die Gallium-Arsenid-basiert ist. Im Folgenden wird das eine monochromatisches Licht emittierende GaAs-Teilschicht aufweisende Substrat 2 der Einfachheit halber als GaAs-Substrat 2 bezeichnet. Das GaAs-Substrat 2 besitzt eine erste Hauptfläche 2a, die vom Träger 3 abgewandt ist, und eine zweite Hauptfläche 2b, die dem Träger 2 zugewandt ist. Das GaAs-Substrat 2 ist auf den Träger 3 epitaktisch aufgewachsen.
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Auf das GaAs-Substrat 2 wird, wie in den 3a bis 3d gezeigt, eine polychromatisierende Schicht 4 mit einem Druckstempel 5 aufgebracht. Der Druckstempel 5 weist eine Struktur 6 auf, die in einer Druckmatrize 7o eingebracht ist, die Erhebungen 7 und Vertiefungen 7' besitzt.
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Der Stempel 5 wird derart mit einer Dispersion, in der Partikel aus Cerdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) dispergiert sind, versehen, dass die Erhebungen 7 mit einem Film 8 aus dieser Dispersion benetzt sind. Jede einzelne Erhebung 7 ist mit einem Filmelement 8' benetzt. Durch Absenken des Druckstempels 5 auf das Substrat 2 (3b und 3c) nähert sich der Film 8 dem Substrat 2 solange, bis durch Kontakt des Films 8 mit dem Substrat 2 der Film 8 auf das Substrat 2 übertragen wird. Nach Entfernen des Druckstempels 5 bleibt der Film 8 als Schicht 4 auf dem Substrat 2 zurück (3d). Die Schicht 4 besitzt dabei eine Mehrzahl einzelner Schichtelemente 4', die bezüglich ihrer Geometrie und vorzugsweise Dicke zumindest weitgehend der Geometrie und Dicke der einzelnen Filmelemente 8' entsprechen.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch denkbar, dass die Filmelemente 8' hinsichtlich ihrer Dicke nur teilweise auf das Substrat 2 übertragen werden. Das heißt dass nach dem Entfernen des Druckstempels 5 nur ein Teil des Films 8 als Schicht 4 auf dem Substrat 2 zurück bleibt. Der dabei nicht auf das Substrat übertragene Teil der Schicht 8 bleibt am Druckstempel 5 zurück und kann beim Bedrucken eines nächsten Substrates 2 verwendet werden. Dabei ist es erfindungsgemäß mit Vorzug vorgesehen, den Film 8 hinsichtlich seiner Dicke wieder aufzufüllen, so dass bei einem nächsten Druckvorgang identische Ausgangsverhältnisse wie beim vorhergehenden Druckvorgang vorliegen. Damit kann eine gute Wiederholbarkeit des Verfahrens erreicht werden. Das Dickenverhältnis zwischen, auf das Substrat 2 übertragener Schicht 4 und des am Stempel zurück bleibenden Restes der Schicht 8 hängt von Parametern wie Stempelmaterial, der Interaktion des Stempelmaterials mit dem Lumineszenzmaterial, der Interaktion des Lumineszenzmaterials mit der Substratoberfläche des Substrates 2, Viskosität des Lumineszenzmaterials, etc. ab. Häufig werden >50% der Schichtdicke der Schicht 8 auf das Substrat 2 übertragen. Mit Vorzug liegt dieser Wert bei >70%, bei optimierten Verfahren bei >80%, mit noch größerem Vorzug bei >90%.
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Der Druckstempel 5 ist im vorliegenden Beispiel ein Mikro-Kontakt-Druckstempel, dessen Silicongummi-Druckmatrize 7o mit einer feinen Struktur 6 versehen ist, die quadratische Einzelelemente 9 umfasst, deren Breite B 50 µm beträgt. Entsprechend weisen die einzelnen Filmelemente 8' und somit die Schichtelemente 4' ebenfalls Breiten B von 50 µm auf.
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Die Struktur 6 und damit unter anderem die Erhebungen 7 und die Schichtelemente 4' sind in den Figuren nicht maßstäblich dargestellt. Entsprechend ist die Anzahl der Schichtelemente 4' der polychromatisierenden Schicht 4 um ein Vielfaches größer als schematisch dargestellt. In den 3a bis 3d ist angedeutet, dass die Schicht 4 in 2a und 2b in einem einzigen Druckschritt auf den Wafer 1 als Substrat 2 gedruckt wird. In diesem Fall ist die Länge L des Druckstempels 5 im Wesentlichen genauso groß wie der Durchmesser D des Wafers 1. In einer Variante des Ausführungsbeispiels wird in einem Druckschritt nur eine Teilbereichsschicht 10 bestehend aus einer kleineren Anzahl an Schichtelementen 4' auf das Substrat 2 aufgebracht, wie sie in 2a schraffiert dargestellt sind. In diesem Fall ist die Länge L des Druckstempels deutlich kleiner als der Durchmesser D des Wafers 1. Durch einen Step-and-Repeat-Prozess wird ein Druckstempel 5, der eine Druckmatrize mit einer der Teilbereichsschicht 10 entsprechenden Struktur besitzt (nicht dargestellt), jeweils mit der Dispersion benetzt und schrittweise über dem Wafer 1 positioniert und auf ihn abgesenkt. Durch die hohe Genauigkeit des Step-and-Repeat-Prozesses lässt sich eine Schicht 4 mit derselben Struktur 6 erzeugen, wie sie durch einen einzigen Druckschritt bei entsprechend größerem Druckstempel 5 erzeugt wird. Die Schichtdicke liegt bei dem Ausführungsbeispiel bei 5 µm.
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Vor dem Drucken wird ein Keilfehlerausgleich durchgeführt. Bei der Variante des Step-and-Repeat-Prozesses kann der Keilfehlerausgleich vorzugsweise einmal pro Wafer oder sogar nur einmal pro Waferserie.
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In einer Variante des Ausführungsbeispiels ist die Druckmatrize 7o nicht strukturiert, sondern vollflächig ausgebildet (nicht dargestellt), so dass der Film 8 auf dem Druckstempel 5 und somit auch die auf das Substrat 2 gedruckte polychromatisierende Schicht 4 vollflächig ist.
Außer dem quadratischen Querschnitt 7o' der Erhebungen 7 (s. 4a) und damit des Schichtelements 4' sind in einer weiteren Variante des Ausführungsbeispiels Erhebungen 7 mit kreisförmigem Querschnitt 7o" vorgesehen (s. 4b).
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Durch den Vorteil der Erfindung, mit dem Mikro-Kontakt-Druckverfahren auch komplizierte Strukturen 6 zu drucken, ist es gemäß einer weiteren Variante der Erfindung möglich, einen quadratischen Querschnitt der Erhebungen 7 so zu modifizieren, dass, wie in 4c dargestellt, ein Schichtelement 4' mit einem Querschnitt 4o' gedruckt wird, das Aussparungen 11 aufweist. In dieser Variante der Erfindung wird pro Leuchtdiode ein einziges Schichtelement 4' gedruckt, und die Aussparungen 11 werden als Kontaktierungsbereiche der LED mit Verbindungselementen 12, beispielsweise Bonddrähten, aufgedampften Leiterbahnen oder jedem anderen Verbindungselement 12 genutzt.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit polychromatisierenden Schichten 4 bedruckten Substrate 2 werden mit herkömmlichen Methoden zu Leuchtdioden komplettiert und in Betrieb gesetzt. Sie besitzen eine sehr hohe Homogenität in der Schichtdicke der polychromatisierenden Schicht 4 und damit eine gleichbleibende Qualität der sich ergebenden Farbspektren im Betrieb der Leuchtdioden. Das blaue Licht des Substrats 2 wird durch die polychromatisierende Schicht 4 teilweise in gelbes Licht umgewandelt, die zusammen als weißes Licht von der Leuchtdiode abgestrahlt werden. Es tritt kein Binning auf, sondern der Weißton der Leuchtdioden ist von homogener und innerhalb einer Waferserie gleichbleibender Qualität.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wafer
- 2
- Substrat
- 2a
- Erste Hauptfläche
- 2b
- Zweite Hauptfläche
- 3
- Träger
- 4
- Schicht
- 4'
- Schichtelemente
- 4o'
- Querschnitt
- 5
- Druckstempel
- 6
- Struktur
- 7
- Erhebung
- 7'
- Vertiefung
- 7o
- Druckmatrize
- 7o'
- Quadratischer Querschnitt
- 7o"
- Kreisförmiger Querschnitt
- 8
- Film
- 8'
- Filmelement
- 9
- Quadratische Einzelelemente
- 10
- Teilbereichsschicht
- 11
- Aussparungen
- 12
- Verbindungselemente
- B
- Breite
