JP2012256810A - 集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法 - Google Patents

集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法 Download PDF

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Kwan-Neung Jin
陳冠能
Jeng Dar Ko
柯正達
Wei-Chung Lo
駱韋仲
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National Chiao Tung University NCTU
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Abstract

【課題】本発明は、放熱可能なだけでなく、電気通信上の接続を有し、高密度でマルチファンクションな応用を達成できる集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明が開示する集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法はまず、集積回路と発光ダイオードを提供する。集積回路の表面には少なくとも1つの第一導電ブロックと少なくとも1つの第一接合ブロックを設けて、第一導電ブロックと電気的接続する。発光ダイオードは相異なる両側の第一面と第二面を有し、第一面は少なくとも1つの第二導電ブロックと少なくとも1つの第二接合ブロックを設けて、第二導電ブロックと電気的接続する。そして、集積回路は、第一導電ブロックと第一接合ブロックをそれぞれ第二導電ブロックと第二接合ブロックに対応させて接合することで、発光ダイオードと相互結合するとともに、第一導電ブロックと第二導電ブロックを電気的接続して、製造は完成する。
【選択図】図2

Description

本発明は異種集積技術に関するものであって、特に集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法に関するものである。
発光ダイオード(Light Emitting Diode,LED)は一種の冷光発光素子であり、半導体材料中の電子と正孔の再結合によりエネルギーが光という形で放出されるものである。異なる材料の使用により、異なる波長の単色光を発することができる。主に、可視光発光ダイオードと不可視光(赤外線)発光ダイオードの2種類に分けることができ、発光ダイオードは従来の電球発光方式と比べて、省エネや耐震や速い閃光速度等の長所を有するため、日常生活には不可欠な重要コンポーネントとなっている。
図1a〜図1cは従来技術の放熱効果を有する発光ダイオード製造の各工程の構造断面図であり、図1aが示すように、まずサファイア基板10上に発光ダイオード12を堆積して作成し、次に図1bが示すように、金属接着(metal adhesive)層14と高熱伝導のシリコン基板16上を利用して接合を行い、最後に図1cが示すように、サファイア基板10の除去を行う。この発光ダイオード12とシリコン基板16の接合においては、主に高熱伝導のシリコン基板16を利用して放熱を促し、発光ダイオード12とシリコン基板16間にはいかなる電気的接続効果も無く、接合方式上は金属接着層14全層を利用して接合を行うことで、発光ダイオード12から生じる熱が下向きにシリコン基板16までスムーズに放熱できるようにする。従来の技術ではシリコン基板16を利用して放熱を行うが、発光ダイオード12の作成は高温下での作成工程であり、高いサーマルバジェット(thermal budget)と熱応力の発生は避けられない。また、この種の発光ダイオードは、機能的な集積回路と集積されていなかった。
このため、本発明は上述の問題に対して、公知技術が抱える欠点を克服すべく、集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法を提供する。
本発明の主な目的は、金属と接合ブロックの混合型接合(hybrid bonding)方式を利用して集積回路と発光ダイオードを堆積接続し、集積回路と発光ダイオードの間に放熱効果をもたらす以外に、電気通信上の接続効果を有し、高密度でマルチファンクションな異種集積技術の開発と応用を達成する集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造及びその製造方法を提供することである。
上述の目的を達成するために、本発明が提供する集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造は、集積回路を含み、その表面には少なくとも1つの接合構造と少なくとも1つの導電構造を設けることで、導電構造と電気的接続する。もう片方の発光ダイオードは、異なる両側の第一面と第二面を有し、発光ダイオードの第一面は接合構造と導電構造上に位置することで、集積回路と相互結合し、且つ発光ダイオードは導電構造と電気的接続する。また、発光ダイオード中に導電スルーホールを設けることで、導電構造と電気的接続し、且つ上述の第二面も導電ブロックを有することで、導電スルーホールと電気的接続し、発光ダイオード上にその他の応用構造を堆積することができる。
また、本発明が提供する集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法は、まず、集積回路と発光ダイオードを提供し、集積回路の表面には少なくとも1つの第一導電ブロックと少なくとも1つの第一接合ブロックを設けることで、第一導電ブロックと電気的接続し、発光ダイオードは相異なる両側の第一面と第二面を有し、第一面には少なくとも1つの第二導電ブロックと少なくとも1つの第二接合ブロックを設けることで、第二導電ブロックと電気的接続する。次に、集積回路は第一導電ブロックと第一接合ブロックをそれぞれ、第二導電ブロックと第二接合ブロックに対応させて接合することで、発光ダイオードと相互結合するとともに、第一、第二導電ブロックと電気的接続する。更に、発光ダイオード中には導電構造と接続する導電スルーホールを設け、且つ第二面には導電ブロックを設けて、導電スルーホールと電気的接続する。集積回路と発光ダイオードが結合するとき、発光ダイオード上に堆積する異種集積構造が形成される。
本発明は、放熱効果を有するだけでなく、電気通信上の接続効果を更に有し、高密度でマルチファンクションな異種集積技術に応用できる。
従来技術の放熱効果を有する発光ダイオード製造の各工程の構造断面図。 従来技術の放熱効果を有する発光ダイオード製造の各工程の構造断面図。 従来技術の放熱効果を有する発光ダイオード製造の各工程の構造断面図。 本発明第一実施例の構造断面図。 本発明第一実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第一実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第一実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第一実施例で行う切断分割工程を示す図。 本発明の第二実施例の構造断面図。 本発明第二実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第二実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第二実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第二実施例の各製造工程の構造断面図。 本発明第二実施例で行う切断分割工程を示す図。
本発明の構造的特徴と達成する効果の更なる理解と認識のために、好ましい実施例と図をもとに、以下に詳しく説明する。
まず、以下に本発明の第一実施例を紹介する。図2を参照されたい。本発明は集積回路18を含み、その表面には少なくとも1つの接合構造20と少なくとも1つの導電構造22を設けるとともに、集積回路18と導電構造22は電気的接続する。もう片方の発光ダイオード24は、相異なる両側の第一面と第二面を有し、発光ダイオード24の第一面は接合構造20と導電構造22上に位置することで、集積回路18と相互結合し、且つ発光ダイオード24は導電構造22と電気的接続する。上述の構造中では、集積回路18はマルチファンクションを有する。例えば、発光ダイオード24に電源供給できる、或いはロジックコントローラー、メモリー、補助型MOS(CMOS)画像センサー、高周波集積回路等の機能である。従来技術に対して、本発明は集積回路18によってシリコン基板を代替する。このため、本発明は、集積回路18と発光ダイオード24の間の放熱以外にも、電気通信上の接続を更に有し、高密度でマルチファンクションな異種集積技術の開発と応用を達成する。
接合構造20は、更に第一接合ブロック26と第二接合ブロック28を含み、その材質は250℃以下で適用できるエポキシ樹脂ベースのフォトレジスト(SU−8)のような高分子材料を選ぶ。第一接合ブロックは集積回路18の表面上に設けられ、第二接合ブロック28は発光ダイオード24の第一面上に設けられ、第一接合ブロック26と相互接合する。導電構造22は、金属材質の第一導電ブロックと第二導電ブロック30を更に含み、第一導電ブロックは集積回路18の表面上に設けられることで、集積回路18と電気的接続し、第二導電ブロック30は発光ダイオード24の第一面上に設けられることで、発光ダイオード24と電気的接続し、且つ第二導電ブロック30と第一導電ブロックは相互接合するとともに、電気的接続する。第一導電ブロックは2つの構造を含み、その1つは集積回路18の表面上に設けられることで集積回路18と電気的接続する高温接合金属ブロック32であり、もう1つは高温接合金属ブロック32と第二導電ブロック30を接合することで電気的接続する低温接合金属ブロック34である。中でも低温接合金属ブロック34の材質は250℃以下で適用できる錫(Sn)或いはインジウム(In)等の金属材料を選ぶ。言い換えれば、集積回路18と発光ダイオード24の接続は金属及び高分子材料の混合型接合(hybrid bonding)方式を採用し、その金属部分は電気通信接続を提供し、高分子部分は構造補強を提供し、その技術特徴は、金属も高分子も接合材料だということである。これにより、集積回路18と発光ダイオード24の電気的接続とマイクロスペース高分子充填の効果を同時に達成し、集積回路18と発光ダイオード24の接合強度を増し堆積コンポーネントの使用上の信頼性を高める。
以下に第一実施例の製造方法を紹介する。図3a〜図3dを参照されたい。まず図3aが示すように、集積回路18の表面上に高温接合金属ブロック32を形成して、高温接合金属ブロック32と集積回路18を電気的接続する。そして低温接合金属ブロック34を高温接合気金属ブロック32上に形成しすることで、高温接合金属ブロック32と電気的接続し、この高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34は第一導電ブロック36を構成する。同時に、発光ダイオード24の第一面上に第二導電ブロック30を形成することで、発光ダイオード24と電気的接続する。そこでリソグラフィーや電気めっきやエッチングによって製造工程が進められる高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34と第二導電ブロック30を形成する。次に、図3bが示すように、集積回路18の表面と発光ダイオード24の第一面にそれぞれ第一接合ブロック26と第二接合ブロック28を形成し、且つリソグラフィーの形成方式によって製造工程が進められる。更に図3cが示すように、発光ダイオード24は低温製造工程により適しており、且つ接合及び導電材料も低温製造が可能なので、第一接合ブロック26・第二接合ブロック28と第一導電ブロック30・第二導電ブロック36に対しては250℃〜25℃の低温を適用し、集積回路18が第一導電ブロック36の低温接合金属ブロック34と第一接合ブロック26をそれぞれ第二導電ブロック30と第二接合ブロック28に対応させて接合することで、発光ダイオード24と相互結合するとともに、低温接合金属ブロック34と第二導電ブロック30を電気的接続し、低温接合の異種集積構造38は完成する。最後に、図3dが示すように、切断分割工程を実行する。集積回路18と発光ダイオード24が構成する異種集積構造38に対して切断分割を行う。図3cでは破線によって複数の異種集積ユニット40を示す。
上述の手順では、図3dの工程は省略できる。また、図3aの工程では、高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34を集積回路18上に形成する工程は、高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34を含む第一導電ブロック36を集積回路18の表面上に直接形成する工程によって代替でき、そこでは、高温接合金属ブロック32が低温接合金属ブロック34と集積回路18の間に位置する必要がある。更に、図3a〜図3cの工程の手順においては、図3a〜図3bの工程を単一工程によって代替できる。即ち、集積回路18と発光ダイオード24を直接提供し、且つ集積回路18の表面には少なくとも1つの第一導電ブロック36と少なくとも1つの第一接合ブロック26を設けることで、第一導電ブロック36と電気的接続し、発光ダイオード24は相異なる両側の第一面と第二面を有し、第一面は少なくとも1つの第二導電ブロック30と少なくとも1つの第二接合ブロック28を設けることで、第二導電ブロック30と電気的接続する。その図は図3bと同じである。続いて、図3cの工程に進む。
以下に本発明の第二実施例を紹介する。図4を参照されたい。第二実施例と第一実施例の差異は、第二実施例の発光ダイオード24は少なくとも1つの導電スルーホール42を更に設け、導電構造22の第二導電ブロック30と電気的接続し、且つ発光ダイオード24の第二面には少なくとも1つの金属材質の第三導電ブロック44を設けて、導電スルーホール42と電気的接続する点である。
以下に第二実施例の製造方法を紹介する。図5a〜図5eを参照されたい。まず図5aが示すように、集積回路18の表面上に高温接合金属ブロック32を形成し、高温接合金属ブロック32と集積回路18を電気的接続する。そして、高温接合金属ブロック32上に低温接合金属ブロック34を形成することで、高温接合金属ブロック32と電気的接続する。この高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34は第一導電ブロック36を形成する。同時に、発光ダイオード24の第一面上に第二導電ブロック30を形成することで、発光ダイオード24と電気的接続する。中でも高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34と第二導電ブロック30はリソグラフィーや電気めっきやエッチングによって製造工程が進められる。次に、図5bが示すように、発光ダイオード24中に導電スルーホール42を形成することで、第二導電ブロック30と電気的接続する。続いて、リソグラフィーや電気めっきやエッチングによって、発光ダイオード24の第二面に第三導電ブロック44を形成するともに、導電スルーホール42と電気的接続することで、発光ダイオード24の設置或いはその他のコンポーネントの堆積を便利にする。更に、図5cが示すように、集積回路18の表面と発光ダイオード24の第一面にそれぞれ第一接合ブロック26と第二接合ブロック28を形成し、それはリソグラフィーの形成方式によって製造工程が進められる。続いて、図5dが示すように、第一実施例の方式と類似するが、第一接合ブロック26・第二接合ブロック28と第一導電ブロック36・第二導電ブロック30に対しては250℃〜25℃の低温を適用し、集積回路18が第一導電ブロック36の低温接合金属ブロック34と第一接合ブロック26をそれぞれ第二導電ブロック30と第二接合ブロック28に対応させて接合することで、発光ダイオード24と相互結合するとともに、低温接合金属ブロック34と第二導電ブロック30を電気的接続し、低温接合の異種集積構造46は完成する。最後に、図5eが示すように、切断分割工程を実行する。集積回路18と発光ダイオード24が構成する異種集積構造46に対して切断分割を行う。図5dでは破線によって複数の異種集積ユニット48を示す。
上述の手順では、図5eの工程は省略できる。また、図5aの工程では、高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34を集積回路18上に形成する工程は、高温接合金属ブロック32と低温接合金属ブロック34を含む第一導電ブロック36を集積回路18の表面上に直接形成する工程によって代替でき、そこでは、高温接合金属ブロック32が低温接合金属ブロック34と集積回路18の間に位置する必要がある。更に、図5a〜図5dの手順においては、図5a〜図5cの工程を単一工程によって代替できる。即ち、集積回路18と発光ダイオード24を直接提供し、且つ集積回路18の表面には少なくとも1つの第一導電ブロック36と少なくとも1つの第一接合ブロック26を設けることで、第一導電ブロック36と電気的接続し、発光ダイオード24は相異なる両側の第一面と第二面を有し、第一面は少なくとも1つの第二導電ブロック30と少なくとも1つの第二接合ブロック28を設けることで、第二導電ブロック30と電気的接続する。発光ダイオオード24は少なくとも1つの導電スルーホール42を更に設けて、第二導電ブロック30と電気的接続し、且つ発光ダイオード24の第二面には少なくとも1つの第三導電ブロック44を更に設けて、導電スルーホール42と電気的接続する。その図は図5cと同じである。続いて、図5dの工程に進む。
以上に述べた内容は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。したがって、本願の特許請求の範囲に記載された形状、構造、特徴、精神に基づいた変更や潤色は全て、本発明の特許請求の範囲内に属するものとする。
10 サファイア基板
12 発光ダイオード
14 金属接着層
16 シリコン基板
18 集積回路
20 接合構造
22 導電構造
24 発光ダイオード
26 第一接合ブロック
28 第二接合ブロック
30 第二導電ブロック
32 高温接合金属ブロック
34 低温接合金属ブロック
36 第一導電ブロック
38 異種集積構造
40 異種集積ユニット
42 導電スルーホール
44 第三導電ブロック
46 異種集積構造
48 異種集積ユニット

Claims (20)

  1. 集積回路と、
    前記集積回路の表面に設けられた少なくとも1つの接合構造と、
    前記表面に設けられるとともに、前記集積回路と電気的接続する少なくとも1つの導電構造と、
    発光ダイオードであり、相異なる両側の第一面と第二面を有し、前記発光ダイオードの前記第一面が前記接合構造と前記導電構造上に位置するこことで、前記集積回路と相互結合し、且つ前記発光ダイオードは前記導電構造に電気的接続する発光ダイオードと、
    を含むことを特徴とする集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  2. 前記接合構造は、
    前記表面上に設けられた第一接合ブロックと、
    前記第一面上に設けられるとともに、前記第一接合ブロックと相互接合する第二接合ブロックと、
    を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  3. 前記第一、第二接合ブロックの材質は、エポキシ樹脂ベースのフォトレジスト(SU−8)であることを特徴とする、請求項2に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  4. 前記導電構造は、
    前記表面上に設けられることで前記集積回路と電気的接続する第一導電ブロックと、
    第二導電ブロックであり、前記第一面上に設けられることで前記発光ダイオードと電気的接続し、且つ前記第二導電ブロックと前記第一導電ブロックが相互接合するとともに、電気的接続する第二導電ブロックと、を更に含むことを特徴とする、請求項1に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  5. 前記第一、第二導電ブロックは金属材質であることを特徴とする、請求項4に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  6. 前記第一導電ブロックは、
    前記表面上に設けられることで前記集積回路と電気的接続する高温接合金属ブロックと、
    前記高温接合金属ブロックと前記第二導電ブロックに接合することで電気的接続する低温接合金属ブロックと、
    を更に含むことを特徴とする、請求項4に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  7. 前記低温接合金属ブロックの材質は錫(Sn)或いはインジウム(In)であることを特徴とする、請求項6に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  8. 前記発光ダイオードは、少なくとも1つの導電スルーホールを設けて前記導電構造と電気的接続し、且つ前記第二面には少なくとも1つの第三導電ブロックを設けて、前記導電スルーホールと電気的接続することを特徴とする、請求項1に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  9. 前記第三導電ブロックは金属材質であることを特徴とする、請求項8に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造。
  10. 集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法であり、
    集積回路と発光ダイオードを提供し、前記集積回路の表面は少なくとも1つの第一導電ブロックと少なくとも1つの第一接合ブロックを設けることで、前記第一導電ブロックと電気的接続し、前記発光ダイオオードは相異なる両側の第一、第二面を有し、前記第一面には少なくとも1つの第二導電ブロックと少なくとも1つの第二接合ブロックを設けることで前記第二導電ブロックと電気的接続する工程、
    前記集積回路が前記第一導電ブロックと前記第一接合ブロックをそれぞれ前記第二導電ブロックと前記第二接合ブロックに対応させて接合することで、前記発光ダイオードと相互結合するとともに、前記第一、第二導電ブロックを電気的接続する工程、
    を含むことを特徴とする、集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  11. 前記第一導電ブロックと前記第一接合ブロックを設けた前記集積回路を提供する工程は更に、
    前記表面に前記第一導電ブロックを形成することで、前記集積回路と電気接続する工程、
    前記表面に前記第一接合ブロックを形成する工程、
    を含むことを特徴とする、請求項10に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  12. リソグラフィーや電気めっきやエッチングによって製造工程が進められる第一導電ブロックを形成し、リソグラフィーによって製造工程が進められる第一接合ブロックを形成することを特徴とする、請求項11に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  13. 前記表面上に前記第一導電ブロックを形成する工程は、
    前記表面上に高温接合金属ブロックを形成して、前記集積回路と電気接続する工程、
    前記高温接合金属ブロック上に低温接合金属ブロックを形成して、前記高温接合金属ブロックと電気的接続する工程
    を更に含むことを特徴とする、請求項11に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  14. 前記第二導電ブロックと前記第二接合ブロックを設けた前記発光ダイオードを提供する工程は、
    前記第一面に前記第二導電ブロックを形成して、前記発光ダイオードと電気的接続する工程、
    前記第一面に前記第二接合ブロックを形成する工程、
    を更に含むことを特徴とする、請求項10に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  15. リソグラフィーや電気めっきやエッチングによって製造工程が進められる第二導電ブロックを形成し、リソグラフィーによって製造工程が進められる第二接合ブロックを形成することを特徴とする、請求項14に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  16. 前記集積回路と前記発光ダイオードの相互結合工程において、前記第一、第二接合ブロックと前記第一、第二導電ブロックに対し250℃〜25℃で低温接合を行うことを特徴とする、請求項10に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  17. 前記第二導電ブロックと前記第二接合ブロックを設けた前記発光ダイオードを提供する工程において、前記発光ダイオードは少なくとも1つの導電スルーホールを更に設けて、前記第二導電ブロックと電気的接続し、且つ前記第二面に少なくとも1つの第三導電ブロックを設けて前記導電スルーホールと電気的接続することを特徴とする、請求項10に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  18. 前記第二導電ブロックと第二接合ブロックと前記導電スルーホールと前記第三導電ブロックを設けた前記発光ダイオードを提供する工程において、
    前記第一面に前記第二導電ブロックを形成して、前記発光ダイオードと電気的接続する工程、
    前記発光ダイオード中に前記導電スルーホールを形成して、前記第二導電ブロックと電気的接続する工程、
    前記第二面に前記第三導電ブロックを形成するとともに、前記導電スルーホールと電気的接続する工程、
    前記第一面に前記第二接合ブロックを形成する工程、
    を更に含むことを特徴とする、請求項17に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  19. リソグラフィーや電気めっきやエッチングによって製造工程が進められる前記第二、第三導電ブロックを形成し、リソグラフィーによって製造工程が進められる第二接合ブロックを形成することを特徴とする、請求項18に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
  20. 前記集積回路と前記発光ダイオードに対して切断分割を行うことで、複数の異種集積ユニットとする切断分割工程を更に含むことを特徴とする、請求項10に記載の集積回路と発光ダイオードを備えた異種集積構造の製造方法。
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