JP4836769B2 - Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a manufacturing method thereof.
近年、発光素子としてLEDを用いた半導体発光装置が普及してきており、光取り出し効率と耐久性のより一層の向上が求められている。半導体発光装置の一例として、特許文献1には、Si(シリコン)ウエハに異方性エッチングで形成したホーンの中に発光素子への給電のための金属膜が施されたLEDパッケージが開示されている。ホーンの中の金属膜は、給電のための電極用途だけでなく、発光素子から出射された光を効率よく上部に取り出すための反射膜としても用いられる。
In recent years, semiconductor light-emitting devices using LEDs as light-emitting elements have become widespread, and further improvement in light extraction efficiency and durability has been demanded. As an example of a semiconductor light emitting device,
すなわち、ホーンの中の金属膜は、Siウエハの表面に形成された絶縁膜としての酸化シリコン膜SiO2の上に、Ti(チタン)やCr(クロム)などのSiO2との密着層、その上に、Au(金)−Sn(スズ)共晶接合やハンダ接合等がSiウエハに拡散するのを防ぐためのNi(ニッケル),Pt(白金)等でできたバリアメタル層、そして最上層が高い反射率を有する反射層から構成されており、この構成により、LEDからの光束を効率よく外部に取り出すことが出来る。 That is, the metal film in the horn is formed on the silicon oxide film SiO 2 as an insulating film formed on the surface of the Si wafer, on an adhesion layer with SiO 2 such as Ti (titanium) or Cr (chromium), On top, a barrier metal layer made of Ni (nickel), Pt (platinum) or the like for preventing Au (gold) -Sn (tin) eutectic bonding or solder bonding from diffusing into the Si wafer, and the uppermost layer Is constituted by a reflective layer having a high reflectance, and with this configuration, the luminous flux from the LED can be efficiently extracted to the outside.
このように、シリコン基板にホーンを形成し、ホーンの中に金属膜を成膜し、この金属膜をエッチングもしくはリフトオフすることで電極パターンを形成することが出来る。ここで、ホーンの内部に成膜された金属膜は、上述したように、半導体発光素子から発する光を効率良く上部に取り出す反射膜の役割も兼ねる。 Thus, an electrode pattern can be formed by forming a horn on a silicon substrate, forming a metal film in the horn, and etching or lifting off the metal film. Here, as described above, the metal film formed inside the horn also serves as a reflection film that efficiently extracts light emitted from the semiconductor light emitting element to the upper part.
このように電極パターンを形成したシリコン基板に対し、半導体発光素子をダイボンディングした後にワイヤボンディングにて電気的に接続するか、バンプを介して電気的に接続した後に、樹脂封止することにより、半導体発光装置を作製することが出来る。
なお、上記半導体発光装置において、反射層には、金属の中でも特に反射率の高いものが用いられる。 In the semiconductor light emitting device, the reflective layer is made of a metal having a particularly high reflectance.
図1に、各金属の光の波長に対する反射率を表したグラフを示す。図1に示すように、Ag(銀)は、可視域の反射率が最も高く、LEDパッケージの主な反射膜兼電極材料として,すなわち反射層の材料として用いられている。反射層の材料としては、Agの他に、さらに、Alや後述のようにAg合金なども用いられる。 In FIG. 1, the graph showing the reflectance with respect to the wavelength of the light of each metal is shown. As shown in FIG. 1, Ag (silver) has the highest reflectance in the visible region, and is used as the main reflective film and electrode material of the LED package, that is, as the material of the reflective layer. As a material for the reflective layer, in addition to Ag, Al or an Ag alloy as described later is also used.
また、上述したように、密着層にはTiなどが用いられる。 Further, as described above, Ti or the like is used for the adhesion layer.
ところで、密着層にTiを用いる場合、Tiは熱履歴が加えられていない状態において、シリコン酸化膜との密着性が非常に高いが、熱履歴が加わると密着性が低下する。具体的な事例としては、大気中285℃で300秒間の加熱を行った後に、シリコン基板を金属膜ごとダイシングすると剥離が生じるという現象が見られる。このように、パッケージが実装されてから熱履歴を経た後にダイシングを行うと、金属膜の剥離が生じる可能性がある。またLEDのON/OFFの切り替えに伴う温度サイクルに起因して膜の密着性が低下し、剥離が生じることも考えられる。金属膜が剥離すると、電極パターンは断線し、半導体発光装置の不灯の原因となる。 By the way, when Ti is used for the adhesion layer, Ti has very high adhesion to the silicon oxide film in a state where no thermal history is applied, but the adhesion decreases when the thermal history is applied. As a specific example, there is a phenomenon in which peeling occurs when the silicon substrate is diced together with a metal film after being heated in the atmosphere at 285 ° C. for 300 seconds. As described above, when dicing is performed after a thermal history has been passed after the package is mounted, the metal film may be peeled off. It is also conceivable that the adhesion of the film is lowered due to the temperature cycle accompanying the ON / OFF switching of the LED, and peeling occurs. When the metal film is peeled off, the electrode pattern is disconnected, causing the semiconductor light emitting device to be unlit.
加熱がなされることによるTi密着層の密着性の低下について原因は明らかではないが、Tiの酸化,窒化,炭化による界面状態の変化や、格子の再配列を要因とした熱応力の蓄積などが、密着性を低下させる原因として予想される。 Although the cause of the decrease in the adhesion of the Ti adhesion layer due to heating is not clear, changes in the interface state due to oxidation, nitridation, and carbonization of Ti, and accumulation of thermal stress due to lattice rearrangement, etc. This is expected as a cause of lowering the adhesion.
本発明は、加熱がなされることによる密着層の密着性の低下を防止することの可能な半導体発光装置およびその製造方法を提供することを目的としている。 An object of this invention is to provide the semiconductor light-emitting device which can prevent the fall of the adhesiveness of the contact | adherence layer by heating, and its manufacturing method.
上記目的を達成するために、請求項1記載の発明は、所定の基板の表面に形成された絶縁膜と、
該絶縁膜上に形成された金属層と、
半導体発光素子とを有し、
前記金属層には、前記絶縁膜との密着性を図るための密着層と、該密着層の上方において反射層とが設けられ、
前記反射層は、前記半導体発光素子から出射された光に対する反射面としての機能を有しており、
前記密着層は、Ti−Ni合金で形成されていることを特徴とする半導体発光装置である。
In order to achieve the above object, an invention according to
A metal layer formed on the insulating film;
A semiconductor light emitting device,
The metal layer is provided with an adhesion layer for adhesion to the insulating film, and a reflective layer above the adhesion layer,
The reflective layer has a function as a reflective surface for the light emitted from the semiconductor light emitting element,
The adhesion layer is a semiconductor light emitting device formed of a Ti—Ni alloy.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の半導体発光装置において、前記Ti−Ni合金で形成された密着層は、Ti濃度範囲が25〜70at.%となっていることを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first aspect, the adhesion layer formed of the Ti-Ni alloy has a Ti concentration range of 25 to 70 at. It is characterized by%.
また、請求項3記載の発明は、請求項1または請求項2に記載の半導体発光装置において、前記反射層は、半導体発光素子から出射される光に対する反射率が前記密着層よりも高い材料からなることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the first or second aspect, the reflective layer is made of a material that has a higher reflectivity with respect to light emitted from the semiconductor light emitting element than the adhesive layer. It is characterized by becoming.
また、請求項4記載の発明は、請求項3記載の半導体発光装置において、前記金属層には、前記密着層上にバリアメタル層が設けられ、該バリアメタル層上に前記反射層が設けられ、該バリアメタル層は、Ni,PtまたはPdにより形成されていることを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the third aspect, the metal layer is provided with a barrier metal layer on the adhesion layer, and the reflective layer is provided on the barrier metal layer. The barrier metal layer is formed of Ni, Pt or Pd.
また、請求項5記載の発明は、請求項4記載の半導体発光装置において、前記Ti−Ni合金で形成された密着層は、厚さが15nm乃至2000nmの範囲のものとなっていることを特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to the fourth aspect, the adhesion layer formed of the Ti-Ni alloy has a thickness in the range of 15 nm to 2000 nm. It is said.
また、請求項6記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、前記反射層は、AgまたはAlまたはAg合金により形成されていることを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to fourth aspects, the reflective layer is formed of Ag, Al, or an Ag alloy. Yes.
また、請求項7記載の発明は、請求項6記載の半導体発光装置において、前記Ag合金は、Bi,Au,Pd,Cu,Pt,Ndの中の少なくとも1種を含有する合金であることを特徴としている。 The invention according to claim 7 is the semiconductor light-emitting device according to claim 6, wherein the Ag alloy is an alloy containing at least one of Bi, Au, Pd, Cu, Pt, and Nd. It is a feature.
また、請求項8記載の発明は、(a)シリコン基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記絶縁膜上に、Ti−Ni合金を材料とした密着層を形成する工程と、
(c)前記密着層上に、NiまたはPtまたはPdを材料としたバリアメタル層を形成する工程と、
(d)前記バリアメタル層上に、AgまたはAlまたはAg合金を材料とした反射層を形成する工程と、
(e)前記反射層に半導体発光素子を電気的に接続する工程と、
を有していることを特徴とする半導体発光装置の製造方法である。
The invention according to claim 8 includes: (a) a step of forming an insulating film on the surface of the silicon substrate;
(B) forming an adhesion layer made of a Ti-Ni alloy as a material on the insulating film;
(C) forming a barrier metal layer made of Ni, Pt or Pd on the adhesion layer;
(D) forming a reflective layer made of Ag, Al, or an Ag alloy on the barrier metal layer;
(E) electrically connecting a semiconductor light emitting element to the reflective layer;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
また、請求項9記載の発明は、請求項8記載の半導体発光装置の製造方法において、前記Ti−Ni合金を材料とした密着層を、Ti−Ni合金ターゲットによるスパッタリング、または、Tiターゲット及びNiターゲットによる二元同時スパッタリング、または、Ti蒸着材及びNi蒸着材による二元同時蒸着、または、スパッタリング,蒸着,CVDのいずれかを用いたTi膜,Ni膜の交互成膜後の熱処理による合金化、のいずれかの手法で形成することを特徴としている。 The invention according to claim 9 is the method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the adhesion layer made of the Ti—Ni alloy is formed by sputtering with a Ti—Ni alloy target, or a Ti target and Ni. Binary simultaneous sputtering with target, binary simultaneous vapor deposition with Ti vapor deposition material and Ni vapor deposition material, or alloying by heat treatment after alternating film formation of Ti film and Ni film using any of sputtering, vapor deposition and CVD It is characterized in that it is formed by one of the methods.
また、請求項10記載の発明は、請求項8記載の半導体発光装置の製造方法において、前記工程(a)は、
(a−1)シリコン基板に異方性エッチングを行うことにより、(100)面の底面と4つの(111)面の傾斜側面からなるホーンを形成する工程と、
(a−2)前記ホーンが形成されたシリコン基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
を有していることを特徴としている。
The invention described in
(A-1) forming a horn composed of a bottom surface of (100) plane and four inclined sides of (111) plane by performing anisotropic etching on the silicon substrate;
(A-2) forming an insulating film on the silicon substrate surface on which the horn is formed;
It is characterized by having.
請求項1乃至請求項10記載の発明によれば、所定の基板の表面に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された金属層と、半導体発光素子とを有し、前記金属層には、前記絶縁膜との密着性を図るための密着層が設けられており、該密着層はTi−Ni合金で形成されているので、加熱がなされることによる密着層の密着性の低下を防止することができる。
According to invention of
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図2は本発明に係る半導体発光装置(例えば、LEDパッケージやLEDランプ等)の構成例を示す図である。図2を参照すると、この半導体発光装置は、所定の基板(例えばシリコン基板)3aの表面に形成された絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)3bと、該絶縁膜3b上に形成された金属層5と、半導体発光素子4(例えばLEDチップ等)とを有し、前記金属層5には、前記絶縁膜3bとの密着性を図るための密着層3cと、該密着層3cの上方において反射層3eとが設けられ、前記反射層3eは、前記半導体発光素子4から出射された光に対する反射面としての機能を有しており、前記密着層3cは、Ti−Ni合金で形成されていることを特徴としている。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting device (for example, an LED package or an LED lamp) according to the present invention. Referring to FIG. 2, the semiconductor light emitting device includes an insulating film (eg, silicon oxide film) 3b formed on the surface of a predetermined substrate (eg, silicon substrate) 3a, and a
ここで、半導体発光素子4と金属層5とを電気的に接続させることもでき(すなわち、後述のように、半導体発光素子4と反射層3eとを電気的に接続させることもでき)、この場合、金属層5(反射層3e)を半導体発光素子4の電極としても機能させることができる。すなわち、この場合、反射層3eは、半導体発光素子4に対する反射膜兼電極として機能するようになっている。
Here, the semiconductor
図3は本発明の半導体発光装置のより具体的な構成例を示す図である。図3を参照すると、この半導体発光装置は、図2の構成において、金属層5には、密着層3c上にバリアメタル層3dが設けられ、バリアメタル層3d上に半導体発光素子4から出射された光に対する反射面として機能する反射層3eが設けられている。
FIG. 3 is a diagram showing a more specific configuration example of the semiconductor light emitting device of the present invention. Referring to FIG. 3, in the semiconductor light emitting device, in the configuration of FIG. 2, the
ここで、所定の基板(例えばシリコン基板)3aの表面は、図2,図3では図示しないが、後述のように例えばホーンの形状に加工されており、ホーンの表面に、絶縁膜3b,密着層3c,バリアメタル層3d,反射層3eが形成される。
Here, the surface of a predetermined substrate (for example, a silicon substrate) 3a is not illustrated in FIGS. 2 and 3, but is processed into a horn shape, for example, as will be described later. A
また、図2,図3の構成例において、前記Ti−Ni合金で形成された密着層3cは、Ti濃度範囲(Tiの組成範囲)が25〜70at.%となっている。
2 and 3, the
また、前記Ti−Ni合金で形成された密着層3cは、厚さが15nm乃至2000nmの範囲のものとなっている。
Further, the
また、図3の構成例において、バリアメタル層3dは、Au(金)−Sn(スズ)共晶接合やハンダ接合等がシリコン基板3aに拡散するのを防止するために設けられ、Ni,PtまたはPdにより形成されている。
In the configuration example of FIG. 3, the
また、図3の構成例において、反射層3eは、高い反射率を有しているとともに、さらに導電性を有しており、導電性を有している場合には、半導体発光素子4を反射層3eと電気的に接続することで、反射層3eは、半導体発光素子4に対する反射膜兼電極として機能するようになっている。
In the configuration example of FIG. 3, the
具体的に、反射層3eは、AgまたはAlまたはAg合金により形成されている。
Specifically, the
上記Ag合金は、Bi,Au,Pd,Cu,Pt,Ndの中の少なくとも1種を含有する合金である。具体的に、Ag合金としては、例えばBiを0.05〜0.15at.%含有し、Au,Pd,Cu,Pt,Ndの中の少なくとも1種をBiよりも多く含有する合金が耐久性の観点より望ましい。 The Ag alloy is an alloy containing at least one of Bi, Au, Pd, Cu, Pt, and Nd. Specifically, as an Ag alloy, for example, Bi is 0.05 to 0.15 at. %, And an alloy containing at least one of Au, Pd, Cu, Pt, and Nd more than Bi is desirable from the viewpoint of durability.
上記のように、反射層3eは、AgまたはAlまたはAg合金により形成できるが、この中でもAg合金で形成されるのが好ましい。すなわち、Agは可視光領域において反射率が最も高い金属であり、光を効率良く取り出すことができるという点で半導体発光装置の反射膜(反射層)に最適な金属である。しかし、Agは化学的に活性な金属であり、硫化をはじめとした耐食性に劣り、加熱による凝集が容易に起こるという欠点を有する。これに対し、反射層3e(反射膜兼電極)をAg合金とすることにより(Agに合金元素を添加することにより)、耐食性及び耐熱性を高めることができる。
As described above, the
また、図2,図3の構成例では、密着層3cがTi−Ni合金で形成されていることにより、加熱がなされることによる密着層3cの密着性の低下を防止することができる。
In the configuration examples of FIGS. 2 and 3, since the
具体的には、TiとNiからなる適切な組成範囲のTi−Ni合金を密着層3cとして用いることにより、Tiに比べて著しく密着性を向上させることが可能となる。また、もともと密着層としてTiを用い、バリアメタル層としてNiを用いていた半導体発光装置においては、同時蒸着や同時スパッタリングの手法により、従来の成膜装置および成膜材料をそのまま利用することができ、追加設備や追加材料の必要が無く、産業応用上極めて有利である。このように、本発明によるTi−Ni密着層3cは、簡便かつ低コストで、電子デバイスとして極めて高い信頼性の半導体発光装置の提供に寄与することができる。
Specifically, by using a Ti—Ni alloy composed of Ti and Ni in an appropriate composition range as the
本発明の半導体発光装置は、例えば以下の工程によって作製される。 The semiconductor light-emitting device of the present invention is manufactured, for example, by the following steps.
すなわち、本発明の半導体発光装置は、
(a)所定の基板(例えばシリコン基板)3aの表面に絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)3bを形成する工程と、
(b)前記絶縁膜3b上にTi−Ni合金を材料とした密着層3cを形成する工程と、
(c)前記密着層3c上にNiまたはPtまたはPdを材料としたバリアメタル層3dを形成する工程と、
(d)前記バリアメタル層3d上にAgまたはAlまたはAg合金を材料とした反射層3eを形成する工程と、
(e)前記反射層3eに半導体発光素子4を電気的に接続する工程と、
によって作製することができる。
That is, the semiconductor light emitting device of the present invention is
(A) forming an insulating film (eg, silicon oxide film) 3b on the surface of a predetermined substrate (eg, silicon substrate) 3a;
(B) forming an
(C) forming a
(D) forming a
(E) electrically connecting the semiconductor
Can be produced.
ここで、前記Ti−Ni合金を材料とした密着層3cは、Ti−Ni合金ターゲットによるスパッタリング、または、Tiターゲット及びNiターゲットによる二元同時スパッタリング、または、Ti蒸着材及びNi蒸着材による二元同時蒸着、または、スパッタリング,蒸着,CVDのいずれかを用いたTi膜,Ni膜の交互成膜後の熱処理による合金化、のいずれかの手法で形成することができる。
Here, the
また、バリアメタル層3d、反射層3eは、スパッタリングまたは蒸着またはCVDによって形成することができる。
The
また、前記工程(a)は、具体的には、例えば、
(a−1)シリコン基板3aに異方性エッチングを行うことにより、(100)面の底面と4つの(111)面の傾斜側面からなるホーンを形成する工程と、
(a−2)前記ホーンが形成されたシリコン基板3aの表面に絶縁膜3bを形成する工程と、
を含むものにすることができる。
In addition, the step (a) specifically includes, for example,
(A-1) performing anisotropic etching on the
(A-2) forming an insulating
Can be included.
あるいは、前記工程(a)は、例えば、
(a−1)シリコン基板3aに異方性エッチングを行うことにより、(100)面の底面と4つの(111)面の傾斜側面からなるホーンを形成する工程と、
(a−2)前記ホーンの傾斜側面を等方性エッチングして該ホーンの角度に丸みを持たせる工程と、
(a−3)前記ホーンが形成されたシリコン基板3aの表面に絶縁膜3bを形成する工程と、
を含むものにすることができる。
Alternatively, the step (a) includes, for example,
(A-1) performing anisotropic etching on the
(A-2) a step of isotropically etching the inclined side surface of the horn to round the angle of the horn;
(A-3) forming an insulating
Can be included.
ここで、(100)面の底面と4つの(111)面の傾斜側面からなるホーンを形成する工程は、例えば、結晶性シリコン基板をKOHやTMAH等のアルカリ性溶液にて、結晶異方性エッチング加工することによってなされる。この場合、結晶性シリコン基板をKOHやTMAH等のアルカリ性溶液にて、結晶異方性エッチング加工すると、{100}に平行な底面と、底面54.7°の角度を有する{111}に平行な4つの斜面からなるホーンが形成される。 Here, the step of forming a horn composed of a bottom surface of (100) plane and four (111) inclined side surfaces is performed by, for example, crystal anisotropic etching of a crystalline silicon substrate with an alkaline solution such as KOH or TMAH. Made by processing. In this case, when the crystalline silicon substrate is subjected to crystal anisotropic etching with an alkaline solution such as KOH or TMAH, the bottom surface parallel to {100} and the parallel to {111} having an angle of 54.7 ° at the bottom surface. A horn composed of four slopes is formed.
本発明では、TiとNiからなる適切な組成範囲のTi−Ni合金を密着層3cとして用いることにより、Tiに比べて著しく密着性を向上させることが可能となる。また、もともと密着層としてTiを用い、バリアメタル層としてNiを用いていた半導体発光装置においては、同時蒸着や同時スパッタリングの手法により、従来の成膜装置および成膜材料をそのまま利用することができ、追加設備や追加材料の必要が無く、産業応用上極めて有利である。このように、本発明によるTi−Ni密着層3cは、簡便かつ低コストで、電子デバイスとして極めて高い信頼性の半導体発光装置の提供に寄与することができる。
In the present invention, by using a Ti—Ni alloy composed of Ti and Ni in an appropriate composition range as the
図4に、半導体発光装置の一例として、平板状のサブマウントを用いて半導体発光素子を実装したLEDパッケージを示す。図4に示すように、2つのリードを有するリードフレーム2が取り付けられた樹脂ハウジング1内の一方のリード上にシリコンサブマウント3を銀ペーストでダイボンディングする。
FIG. 4 shows an LED package on which a semiconductor light emitting element is mounted using a flat submount as an example of the semiconductor light emitting device. As shown in FIG. 4, the
図5に、平板状のシリコンサブマウント3の断面図を示す。平板状のシリコンサブマウント3を形成するための基体として、シリコン基板3aを用いる。シリコン基板3aの表面は光学研磨処理によって平坦化されている。まず、シリコン基板3aの表面全体に、拡散炉を用いて熱酸化により絶縁膜としての酸化シリコン膜3bを形成する。これにより、リードにシリコンサブマウント3をダイボンドしても、シリコンサブマウント3とリードとの絶縁を保つ。次に、酸化シリコン膜3bで覆われたシリコン基板3aの上面に、前述したような金属膜3c,3d,3eを積層する。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the
上記のような構成のシリコンサブマウント3を一方のリードの上にダイボンドした後、シリコンサブマウント3の上に半導体発光素子4をこれもダイボンディングする。
After the
図6に、半導体発光素子4の構成例を示す。半導体発光素子4は、赤(R)、緑(G)又は青(B)の発光色を有する単色LEDである。例えば、赤色の場合、半導体層のアルミガリウム砒素(AlGaAs)を用いる。緑色の場合はガリウムリン(GaP)、青色の場合はガリウムナイトライド(GaN)等が用いられる。赤色の場合、例えば、図9に示すように、ガリウム砒素(GaAs)基板4bの上に、半導体層4cが形成される。半導体層4cは、p型半導体層4d、発光層4e、n型半導体層4fが積層している。さらに、最下部と最上部に金属電極4a、4gが設けられる。緑色の場合は、例えば基板にGaP等を用い、赤色の場合と同じように、GaP基板の上に半導体層を積層し、最下部と最上部に金属電極を設ける。青色の場合は、例えば特願2005−167319号公報中の図1および段落「0017」〜「0023」に記載の構成からなっている。
FIG. 6 shows a configuration example of the semiconductor
上記のような構成の半導体発光素子4の下部電極をシリコンサブマウント3とダイボンディングすると、シリコンサブマウント3上の反射層3eと半導体発光素子4の下部は電気的機械的に接続される。続いて、半導体発光素子4の下面に接続されているシリコンサブマウント3上の反射層3eと、シリコンサブマウント3をダイボンディングしていない側のリードとをワイヤボンディングする。そして、半導体発光素子4の上面の電極と、シリコンサブマウント3をダイボンディングしている側のリードとをワイヤボンディングする。最後に、樹脂ハウジング内に透明又は蛍光体入りの樹脂を充填して、LEDパッケージが完成する。
When the lower electrode of the semiconductor
図7に、LEDパッケージの他の構成例を示す。すなわち、図7は、シリコンサブマウント3として、ホーンタイプのシリコンサブマウントを用いて半導体発光素子4を実装したLEDパッケージを示す。図7に示すように、構成は図4に示すような平板状のシリコンサブマウント3を用いた場合とほとんど同じである。ホーン付のシリコンサブマウント3を一方のリードにダイボンディングする。シリコンサブマウント3のホーンを含む上面には、金属膜3c,3d,3eが積層している。このシリコンサブマウント3のホーン底部に半導体発光素子4をダイボンドし、半導体発光素子4の下面とシリコンサブマウント3上の金属膜とを電気的機械的に接続する。次に、半導体発光素子4下面に電気的に接続されたシリコンサブマウント3表面上の金属膜と、シリコンサブマウント3がダイボンディングされていない方のリードとをワイヤボンディングする。続いて、半導体発光素子4の上面と、シリコンサブマウント3がダイボンドされている方のリードとをワイヤボンディングする。最後に、樹脂ハウジング内に透明又は蛍光体入りの樹脂を充填して、LEDパッケージが完成する。
FIG. 7 shows another configuration example of the LED package. That is, FIG. 7 shows an LED package in which the semiconductor
図8に、ホーンタイプのシリコンサブマウント3の断面図を示す。ホーンタイプのシリコンサブマウント3を形成するための基体として、(100)シリコン基板3aを用いる。シリコン基板3aの表面は光学研磨処理によって平坦化されている。まず、シリコン基板3aにホーン22を形成する。ホーン22が形成されたシリコン基板3aの表面全体に、拡散炉を用いて熱酸化により絶縁膜としての酸化シリコン膜3bを形成する。これにより、リードにダイボンドしてもシリコンサブマウント3とリードとの絶縁を保つ。次に、酸化シリコン膜3bで覆われたシリコン基板3aの上面に、平板状のシリコンサブマウント3を形成したのと同様に金属膜3c,3d,3eを積層する。
FIG. 8 shows a cross-sectional view of the horn
図9は本発明の半導体発光装置の具体的な製造工程例を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing an example of a specific manufacturing process of the semiconductor light emitting device of the present invention.
この製造工程例では、まず、図9(A)に示すように、鏡面シリコンウエハ3aの表面に拡散炉を用いて厚さ500nmの熱酸化シリコン膜21を作製する。次に、フォトリソグラフィー技術によってレジストパターンを形成し、バッファードフッ酸(BHF)によって熱酸化シリコン膜21をエッチング除去することで、図9(B)に示すような酸化シリコン膜21のパターンを形成する。パターニングされた酸化シリコン膜21をマスクとして、例えば20%TMAH溶液による結晶異方性エッチングによって、図9(C−1)に示すようなホーン22を作製する。得られたホーン22について、レジストスプレーコーティングを用いてホーン底部を酸化膜で保護し、例えばフッ酸,硝酸,水の混合溶液によってホーンの傾斜のみ等方性エッチング処理をすることによって、図9(C−2)に示すような楕円錘状の傾斜面を作製することも出来る。
In this example of the manufacturing process, first, as shown in FIG. 9A, a thermal
ホーン22を作製した後、BHF溶液によって一旦すべての熱酸化シリコン膜21を除去し、図9(D)に示すように再びシリコン基板表面に拡散炉を用いて厚さ500nmの熱酸化シリコン膜3bを作製する。続いて、立体形状へのレジスト塗布技術であるレジストスプレーコーティングによってレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術によって熱酸化シリコン膜3b上に図9(E)に示すようなレジストパターン23を形成する。
After the
次に酸化シリコン膜3b上にレジストパターン27が形成されたシリコン基板に、3層積層の金属膜(3c,3d,3e)を図9(F)に示すように表面,裏面にそれぞれ形成する。まず熱酸化シリコン膜3b上に密着層3cとしてTi−Ni合金膜を作製する。合金薄膜を作製する方法としては、(1)Tiターゲット及びNiターゲットによる二元同時スパッタリング、(2)合金ターゲットを用いたスパッタリング、(3)二元同時蒸着、(4)スパッタリングまたは蒸着またはCVDを用いたTi膜,Ni膜の交互成膜後の熱処理による合金化、などの手法を用いることが出来る。いずれの方法を用いても、Ti−Ni合金膜の組成及び膜厚に関しては任意に決定することが可能である。Ti−Ni薄膜を作製した後、連続的にバリアメタル層3dとしてNiまたはPtまたはPd膜を成膜し、反射層3eとしてAgまたはAlまたはAg合金膜を成膜する。
Next, a three-layer metal film (3c, 3d, 3e) is formed on the front surface and the back surface of the silicon substrate on which the resist pattern 27 is formed on the
このようにして反射層3eを形成した後、続いて、図9(G)に示すように3層積層の金属膜(3c,3d,3e)をリフトオフすることで、半導体発光装置の反射膜を兼ねた電極パターンを作製することが出来る。なお、図9ではリフトオフプロセスによる電極パターニングの例を示したが、酸・アルカリ溶液によるウエットエッチングや、RIEのようなドライエッチングプロセスにより電極をパターニングすることももちろん可能である。
After forming the
このように電極パターンを作製したシリコン基板に対し、図10(H−1)に示すように、半導体発光素子4(例えばLEDチップ等)をダイボンディングした後にワイヤボンディング25にて電気的に接続するか、あるいは、図10(H−2)に示すように、半導体発光素子4(例えばLEDチップ等)に搭載されたバンプを介して電気的に接続することにより、半導体発光装置を作製することが出来る。特に青色半導体発光素子をボンディングし、図10(I)に示すように蛍光体などの波長変換材料が分散したような透明樹脂26でホーン内を封止することによって、白色半導体発光装置が得られる。
As shown in FIG. 10 (H-1), the semiconductor light emitting element 4 (for example, an LED chip) is die-bonded to the silicon substrate on which the electrode pattern has been formed, and then electrically connected by
以下、本発明の実施例を説明する。 Examples of the present invention will be described below.
実施例1では、純Tiと比較してのTi−Ni合金薄膜の密着性評価、及びTi−Ni合金の最適な組成範囲の検討のため、酸化膜付き平面シリコン基板上に金属膜を成膜し、碁盤目状にダイシングすることで剥離の有無を観察することで、密着性評価を行った。 In Example 1, a metal film was formed on a planar silicon substrate with an oxide film in order to evaluate the adhesion of a Ti—Ni alloy thin film compared to pure Ti and to examine the optimum composition range of the Ti—Ni alloy. Then, the adhesiveness was evaluated by observing the presence or absence of peeling by dicing into a grid pattern.
3cm角の酸化膜付きシリコン基板に密着層として純TiまたはTi−Ni薄膜を、それぞれ、Tiターゲット単独のスパッタリング、TiターゲットとNiターゲットによる二元同時スパッタリングによって作製した。Ti−Ni合金組成比の調節はスパッタ時のDC出力比を変化させることによって行った。両者ともに、密着層の厚さは25nmであり、アルゴン圧は1.0Paである。密着層の上部にNi膜をアルゴン圧0.2Pa,DC出力1kWで250nmの厚さに、また、Ag合金膜をアルゴン圧1.0Pa,DC出力500Wで300nmの厚さに、それぞれスパッタリングで成膜することで、金属膜を作製した。Ag合金は、Ag−Bi−Auを用いたが、Ag−Pd−Cuや、Ag−Bi−Ndのように、Bi,Au,Pd,Cu,Pt,Ndの中から少なくとも1種を含有するものであればよい。また、Ag,Alのような高反射な金属も好ましく用いられる。金属膜付きシリコン基板を5nm/secで1mm角の格子状にダイシングし、目視もしくは光学顕微鏡により剥離の有無について観察を行った。また、金属膜付きシリコン基板を300℃のホットプレートに乗せ、室温大気中で300秒加熱を行った後に、同様にダイシングによる剥離観察を行った。 A pure Ti or Ti—Ni thin film was produced as an adhesion layer on a 3 cm square silicon substrate with an oxide film by sputtering with a Ti target alone, or by binary simultaneous sputtering with a Ti target and a Ni target, respectively. The Ti—Ni alloy composition ratio was adjusted by changing the DC output ratio during sputtering. In both cases, the thickness of the adhesion layer is 25 nm, and the argon pressure is 1.0 Pa. A Ni film is formed on the adhesion layer by sputtering to a thickness of 250 nm at an argon pressure of 0.2 Pa and a DC output of 1 kW, and an Ag alloy film is formed to a thickness of 300 nm at an argon pressure of 1.0 Pa and a DC output of 500 W by sputtering. The metal film was produced by forming a film. Ag-Bi-Au was used as the Ag alloy, but it contains at least one of Bi, Au, Pd, Cu, Pt, and Nd, such as Ag-Pd-Cu and Ag-Bi-Nd. Anything is acceptable. A highly reflective metal such as Ag or Al is also preferably used. The silicon substrate with a metal film was diced into a 1 mm square lattice at 5 nm / sec, and the presence or absence of peeling was observed visually or with an optical microscope. Further, the silicon substrate with a metal film was placed on a 300 ° C. hot plate, heated for 300 seconds in the air at room temperature, and then similarly peeled by dicing.
剥離を観察した結果を次表(表1)に示す。 The results of observation of peeling are shown in the following table (Table 1).
表1から、大気加熱した際に純Tiを用いた金属膜では剥離が観察されたのに対し、Ti濃度を25〜70at.%の範囲としたTi−Ni合金膜では剥離が観察されず密着性の向上が見られた。Ti−Ni合金中のTi濃度は小さすぎても密着性は低下し、多すぎても密着性は低下する。 From Table 1, peeling was observed in the metal film using pure Ti when heated to the atmosphere, whereas the Ti concentration was 25 to 70 at. In the Ti—Ni alloy film in the range of%, no peeling was observed, and the adhesion was improved. If the Ti concentration in the Ti-Ni alloy is too small, the adhesion is lowered, and if too much, the adhesion is lowered.
実施例2では、Ti−Ni合金膜の最適膜厚を検討するため、実施例1と同様の方法を用いて、ダイシングによる密着性評価を行った。 In Example 2, in order to examine the optimum film thickness of the Ti—Ni alloy film, adhesion evaluation by dicing was performed using the same method as in Example 1.
3cm角の酸化膜付きシリコン基板に密着層としてTi−Ni薄膜を、Tiターゲット,Niターゲットによる二元同時スパッタリングによって作製した。密着層の厚さは10〜25nmとした。Ti−Ni合金中のTi濃度は32at.%、アルゴン圧は1.0Paである。密着層の上部に、Ni膜をアルゴン圧0.2Pa,DC出力1kWで250nmの厚さに、また、Ag膜をアルゴン圧1.0Pa,DC出力500Wで300nmの厚さに、それぞれスパッタリングで成膜することで、金属膜を作製した。金属膜付きシリコン基板を5nm/secで1mm角の格子状にダイシングし、目視もしくは光学顕微鏡により剥離の有無について観察を行った。また、金属膜付きシリコン基板を300℃のホットプレートに乗せ、室温大気中で300秒加熱を行った後に、同様にダイシングによる剥離観察を行った。 A Ti—Ni thin film as an adhesion layer was formed on a 3 cm square silicon substrate with an oxide film by a dual simultaneous sputtering using a Ti target and a Ni target. The thickness of the adhesion layer was 10 to 25 nm. The Ti concentration in the Ti—Ni alloy is 32 at. %, The argon pressure is 1.0 Pa. On top of the adhesion layer, a Ni film is formed by sputtering to a thickness of 250 nm at an argon pressure of 0.2 Pa and a DC output of 1 kW, and an Ag film is formed to a thickness of 300 nm at an argon pressure of 1.0 Pa and a DC output of 500 W, respectively. The metal film was produced by forming a film. The silicon substrate with a metal film was diced into a 1 mm square lattice at 5 nm / sec, and the presence or absence of peeling was observed visually or with an optical microscope. Further, the silicon substrate with a metal film was placed on a 300 ° C. hot plate, heated for 300 seconds in the air at room temperature, and then similarly peeled by dicing.
剥離を観察した結果を次表(表2)に示す。 The results of observation of peeling are shown in the following table (Table 2).
表2から、Ti−Niの膜厚が10nmと非常に薄い場合に剥離が見られた。よって、Ti−Niを密着層として用いる際の膜厚としては15nm乃至2000nmの範囲のものが望ましいと考えられる。 From Table 2, peeling was seen when the film thickness of Ti—Ni was as thin as 10 nm. Therefore, it is considered that the film thickness in the range of 15 nm to 2000 nm is desirable when Ti—Ni is used as the adhesion layer.
すなわち、Ti−Niの膜厚として2000nmを形成しても20nmの場合と反射率特性に大きな変化は見られなかった。厚く形成すると膜形成時間が長くかかる等の実用上の問題があるので、バリアメタル層を形成する場合には密着層の膜厚は15〜2000nmの範囲、特に20〜300nmの範囲が好適と考えられる。 That is, even if the Ti—Ni film thickness was 2000 nm, no significant change was observed in the reflectance characteristics compared to the case of 20 nm. If the barrier metal layer is formed, the adhesion layer has a thickness of 15 to 2000 nm, particularly 20 to 300 nm. It is done.
上述の例では、密着層(Ti−Ni合金)上にNi膜からなるバリアメタル層を設けたが、密着層(Ti−Ni合金)の上部にNi膜を設けずにAg合金反射層を設けた場合においても、剥離観察の結果は同様のものとなる。すなわち、密着層(Ti−Ni合金)とは別途にNiバリアメタル層を設けるかわりに、Ti−Ni合金からなる密着層兼用バリアメタル層とすることもでき、この場合、Ti−Ni合金からなる密着層兼用バリアメタル層上に反射層が形成される構造となる。 In the above example, the barrier metal layer made of the Ni film is provided on the adhesion layer (Ti—Ni alloy), but the Ag alloy reflection layer is provided on the adhesion layer (Ti—Ni alloy) without providing the Ni film. Even in this case, the result of the peeling observation is the same. That is, instead of providing the Ni barrier metal layer separately from the adhesion layer (Ti—Ni alloy), it can also be an adhesion layer / barrier metal layer made of Ti—Ni alloy. In this case, it is made of Ti—Ni alloy. A reflection layer is formed on the adhesion layer / barrier metal layer.
このように本発明によれば、以下のことが確認された。すなわち、
(1)金属膜の密着層3cとしてTi膜の代わりにTi−Ni合金膜を用いることで、絶縁膜(具体的には、例えば酸化シリコン膜)3bとの密着性が向上する。Ti−Ni合金膜のTi濃度は25at.%〜70at.%の範囲が望ましく、膜厚は15nm乃至2000nmの範囲のものが望ましい。
(2)金属膜の従来構造に用いるTi,Niを使用して密着層3cを形成するので、新たな設備導入の必要が無く、新たなターゲット及び蒸着材を導入する必要が無い(合金スパッタリング法を採用した場合は、新たに合金ターゲットが必要となる)。結果として、従来よりも工程を追加することなく密着性を著しく向上させることが出来る。
Thus, according to the present invention, the following was confirmed. That is,
(1) By using a Ti—Ni alloy film instead of the Ti film as the metal
(2) Since the
なお、反射層3eをAg合金層で形成する場合について詳述する。なお、Ag合金としてAg−Bi系合金を用いるとする。
The case where the
まず、Ag−Bi(0.07原子%、0.14原子%)−Nd(ネオジウム)膜(膜厚0.1μm)の2種類のサンプルについて耐久試験を行った。なお、双方のサンプルともNdの含有量は0.2原子%、Agは99原子%以上である。測定はn&kテクノロジ社(米国)製のn&kアナライザを用い、特許技術であるn&k法(A.R.Furouhi and I.Bloomer,Method and Apparatus for Determing Optical Constants of Materials;U.S.Patent No.4,905,170;1990参照)に基づいて行った。 First, an endurance test was performed on two types of samples, Ag-Bi (0.07 atomic%, 0.14 atomic%)-Nd (neodymium) film (film thickness: 0.1 μm). In both samples, the Nd content is 0.2 atomic% and Ag is 99 atomic% or more. The measurement was performed using an n & k analyzer manufactured by n & k Technology, Inc. (US), and the patented n & k method (AR Furouhi and I. Bloomer, Method and Apparatus for Measuring Optical Constants of Materials. U.S. 4). , 905, 170; 1990).
図11AにAg−Bi(0.07原子%)−Ndの時間経過後の垂直反射率を、図11BにAg−Bi(0.14原子%)−Ndの時間経過後の垂直反射率を示す。図11A,図11Bに示すように、Agに含有させるBiの含有率が大きいほど耐久性は良いことが判った。 FIG. 11A shows the vertical reflectance after the lapse of time of Ag-Bi (0.07 atomic%)-Nd, and FIG. 11B shows the vertical reflectance after the lapse of time of Ag-Bi (0.14 atomic%)-Nd. . As shown to FIG. 11A and FIG. 11B, it turned out that durability is so good that the content rate of Bi contained in Ag is large.
Biの好ましい含有率を導くために、以下のような実験を行った。ガラス基板上に、次の5種類の膜をターゲット材料を変えてスパッタ成膜した。なお、いずれのサンプルも膜厚は0.1μmとした。 In order to derive a preferable content of Bi, the following experiment was performed. On the glass substrate, the following five types of films were formed by sputtering while changing the target material. In all samples, the film thickness was 0.1 μm.
サンプルA Ag−Bi−Nd 合金膜 (Bi原子%=0.07)
サンプルB Ag−Bi−Nd 合金膜 (Bi原子%=0.14)
サンプルC Ti/Ag−Bi−Nd 合金膜 (Bi原子%=0.14、Ti膜厚:0.05μm)
サンプルD Ti/Ag−Bi−Nd 合金膜 (Bi原子%=0.22、Ti膜厚:0.05μm)
サンプルE Ti/Ag−Bi−Nd 合金膜 (Bi原子%=0.24、Ti膜厚:0.05μm)
上記5種類をそれぞれ成膜したサンプルの初期垂直反射率をn&kアナライザを用いて測定した。
Sample A Ag—Bi—Nd alloy film (Bi atomic% = 0.07)
Sample B Ag—Bi—Nd alloy film (Bi atomic% = 0.14)
Sample C Ti / Ag—Bi—Nd alloy film (Bi atomic% = 0.14, Ti film thickness: 0.05 μm)
Sample D Ti / Ag—Bi—Nd alloy film (Bi atomic% = 0.22, Ti film thickness: 0.05 μm)
Sample E Ti / Ag—Bi—Nd alloy film (Bi atomic% = 0.24, Ti film thickness: 0.05 μm)
The initial vertical reflectivity of each of the five samples was measured using an n & k analyzer.
図12に上記サンプルの初期垂直反射率を表したグラフを示す。図12に示すように、Biの含有量が増えるほど初期垂直反射率は悪くなる。反射膜として用いるために好ましくはBiの含有率を0.14原子%以下とするのが良いことが判った。 FIG. 12 shows a graph representing the initial vertical reflectance of the sample. As shown in FIG. 12, as the Bi content increases, the initial vertical reflectance deteriorates. It has been found that the Bi content is preferably 0.14 atomic% or less for use as a reflective film.
上記の二つの実験により、Biの含有率は0.07原子%より大きく、0.14原子%以下の範囲とすると、LEDパッケージとして実用的な初期反射率を高い水準にし、かつ耐久性を確保することができることが判った。半導体発光装置における銀合金層としてはBiの含有量が0.05〜0.15原子%の範囲が好適と考えられる。 As a result of the above two experiments, when the Bi content is greater than 0.07 atomic% and within a range of 0.14 atomic% or less, the practical initial reflectance as an LED package is set to a high level and durability is ensured. It turns out that you can. As the silver alloy layer in the semiconductor light emitting device, it is considered that the Bi content is preferably in the range of 0.05 to 0.15 atomic%.
このAg−Bi系合金には、添加元素としてAu,Pd,Pt,Cu(銅)のうち1種以上が添加される。合計の添加量としては0.5〜5.0原子%が望ましく、さらに好ましくは1.0〜2.0原子%が望ましい。また、添加元素として、希土類元素を添加しても良い。例えばNdを添加した場合には添加量は0.1〜1.0原子%とすることが望ましい。さらに好ましくは0.1〜0.5原子%とすることが望ましい。これらの添加量よりも多くなると初期反射率および電気抵抗率が低下するからである。また、上記した好適な範囲のBiを含有するAg−Bi系合金においてはBi添加量の原子%よりも多い原子%のAu,Pd,Cu,Pt,Ndの中の少なくとも1種を添加したほうが好適な傾向を示した。なお、上記したAg合金におけるAgの含有量は原子%で94%以上である。 One or more of Au, Pd, Pt, and Cu (copper) are added as additive elements to the Ag—Bi alloy. The total addition amount is preferably 0.5 to 5.0 atomic%, more preferably 1.0 to 2.0 atomic%. Further, a rare earth element may be added as an additive element. For example, when Nd is added, the addition amount is preferably 0.1 to 1.0 atomic%. More preferably, the content is 0.1 to 0.5 atomic%. This is because the initial reflectivity and the electrical resistivity are lowered when the amount is larger than these addition amounts. In the Ag-Bi alloy containing Bi in the above preferred range, it is better to add at least one of Au, Pd, Cu, Pt, and Nd with an atomic percentage higher than the atomic percentage of the Bi addition amount. A favorable trend was shown. Note that the Ag content in the above-described Ag alloy is 94% or more in atomic%.
成膜したAg−Bi系合金の反射率の、成膜時の雰囲気の圧力に対する依存性を表したグラフを図13に示す。図13はAg−Bi−Au(膜厚0.1μm)をシリコン基板上に成膜した例で、縦軸に反射率、横軸に光の波長をとっている。成膜時の雰囲気が0.5Paの場合は、可視域の反射率が100%に近いのに対し、1Paの場合は、可視域でも波長が短くなるに従って反射率が低下している。したがって成膜時の雰囲気の圧力は少なくとも1Paより低いことが望ましい。 FIG. 13 is a graph showing the dependence of the reflectance of the deposited Ag—Bi alloy on the pressure of the atmosphere during film formation. FIG. 13 shows an example in which Ag—Bi—Au (thickness: 0.1 μm) is formed on a silicon substrate. The vertical axis represents reflectance and the horizontal axis represents light wavelength. When the atmosphere during film formation is 0.5 Pa, the reflectance in the visible region is close to 100%, whereas in the case of 1 Pa, the reflectance decreases as the wavelength becomes shorter even in the visible region. Therefore, it is desirable that the pressure of the atmosphere during film formation is lower than at least 1 Pa.
上記の条件で、反射層としてAg合金を成膜する。なお、その膜厚は0.1〜0.6μmが好ましい。 Under the above conditions, an Ag alloy is formed as the reflective layer. The film thickness is preferably 0.1 to 0.6 μm.
次に、バリアメタル層の厚み範囲、成膜条件について述べる。例えば、バリアメタル層としてNiを用いた場合、Niの膜厚はダイボンディングで用いるハンダの拡散防止機能とAg−Bi系合金の高反射率維持の両立が可能な厚さが好ましい。 Next, the thickness range of the barrier metal layer and the film forming conditions will be described. For example, when Ni is used as the barrier metal layer, the thickness of Ni is preferably a thickness that can achieve both the function of preventing the diffusion of solder used in die bonding and the maintenance of the high reflectivity of the Ag-Bi alloy.
ハンダの拡散を防ぐための必要最低限の膜厚を調べるために以下のような実験を行った。まず、酸化シリコン膜付のシリコンウエハの上に下記を順に成膜した。なお、以下では、説明の便宜上、密着層がTiで形成されるとした。
Ti(厚さ0.1μm)/Ni(厚さ0.5μm)/Ag−Bi−Nd(厚さ0.1μm)
そして上記の膜の上にAg−Sn−Cuの鉛フリーハンダをポッティングした後、リフロー炉を用いて鉛フリーハンダを溶かし、この時、鉛フリーハンダがバリア層であるNiに対してどのくらいの深さまで拡散したかを二次イオン質量分析計(SIMS)によって観察した。
In order to investigate the minimum film thickness necessary for preventing the diffusion of solder, the following experiment was conducted. First, the following were sequentially formed on a silicon wafer with a silicon oxide film. In the following, for convenience of explanation, it is assumed that the adhesion layer is formed of Ti.
Ti (thickness 0.1 μm) / Ni (thickness 0.5 μm) / Ag—Bi—Nd (thickness 0.1 μm)
And after potting Ag-Sn-Cu lead-free solder on the above film, the lead-free solder is melted by using a reflow furnace. At this time, how deep the lead-free solder is with respect to Ni as a barrier layer. It was observed by a secondary ion mass spectrometer (SIMS) whether it was diffused.
その結果、拡散距離は0.5μm程度であることが判った。従って、Ni層の厚さは0.5μm以上であることが好ましい。 As a result, it was found that the diffusion distance was about 0.5 μm. Therefore, the thickness of the Ni layer is preferably 0.5 μm or more.
また、同様の実験をAu−Sn共晶ハンダに対して行ったところ、Ni層の厚さは0.1μm以上あれば十分であることが判った。 Further, when a similar experiment was performed on Au—Sn eutectic solder, it was found that the Ni layer had a thickness of 0.1 μm or more.
次に、高反射率維持のための膜厚の範囲を調べるために、以下のような実験を行った。酸化シリコン膜付のシリコンウエハの上に下記の金属膜をNiの3種類の膜厚についてそれぞれ成膜し、n&kアナライザを用いて垂直反射率を測定した。 Next, in order to investigate the range of film thickness for maintaining high reflectance, the following experiment was conducted. On the silicon wafer with the silicon oxide film, the following metal films were formed for each of three types of Ni film thickness, and the vertical reflectance was measured using an n & k analyzer.
サンプル:Ti(厚さ0.1μm)/Ni(厚さ0.1μm、0.5μm、2μm)/Ag−Bi−Nd(厚さ0.1μm)
図14に上記金属膜の反射率を表したグラフを示す。図14に示すように、Niが0.1μmと0.5μmとでは反射率がほとんど変わらないが、2μmの場合反射率が低下することが判った。
Sample: Ti (thickness 0.1 μm) / Ni (thickness 0.1 μm, 0.5 μm, 2 μm) / Ag-Bi-Nd (thickness 0.1 μm)
FIG. 14 is a graph showing the reflectance of the metal film. As shown in FIG. 14, the reflectance hardly changed when Ni was 0.1 μm and 0.5 μm, but the reflectance was lowered when Ni was 2 μm.
LEDチップとして赤色や緑色を発するLEDを用いる場合はNiの膜厚が2μmでも構わないが、短波長領域での使用を考慮すると、好ましくは2μmよりも薄い方が良いことが判った。 When an LED that emits red or green is used as the LED chip, the Ni film thickness may be 2 μm. However, in consideration of use in a short wavelength region, it has been found that it is preferably thinner than 2 μm.
上記の実験から好ましいNi層の厚み範囲は0.1〜2μmであることが判った。 From the above experiment, it was found that the preferable thickness range of the Ni layer was 0.1 to 2 μm.
続いて、Ni層の成膜時の雰囲気圧力の条件について記述する。当該条件を調べるために以下の実験を行った。 Subsequently, the conditions of the atmospheric pressure when forming the Ni layer will be described. The following experiment was conducted to examine the conditions.
酸化シリコン膜付のシリコンウエハ上に下記の金属膜をスパッタ成膜した。その際、Niの成膜条件であるアルゴンの圧力を0.2Paと1.0Paの2種類の場合について成膜した。このサンプルの垂直反射率をn&kアナライザを用いて測定した。 The following metal film was formed by sputtering on a silicon wafer with a silicon oxide film. At that time, the film was formed in two cases where the pressure of argon, which is the film forming condition of Ni, was 0.2 Pa and 1.0 Pa. The vertical reflectance of this sample was measured using an n & k analyzer.
サンプル:Ti(膜厚0.1μm)/Ni(膜厚0.2μm)/Ag−Bi−Au(膜厚0.1μm)
図15に上記サンプルの垂直反射率を表したグラフを示す。比較のために、純Agの垂直反射率のデータも示す。図15に示すように、アルゴン圧力が0.2Paの場合、形成された膜は純Agとほぼ同様の反射率であった。また、アルゴン圧力が1Paであっても、400nm以下の反射率は低下するが、波長450nm〜1000nmの範囲であれば反射率が90%以上であり、反射幕として使用可能であることが判る。よって好ましいNi成膜時のアルゴン圧力の範囲は0.2〜1Paである。
Sample: Ti (film thickness 0.1 μm) / Ni (film thickness 0.2 μm) / Ag—Bi—Au (film thickness 0.1 μm)
FIG. 15 shows a graph representing the vertical reflectance of the sample. For comparison, pure Ag vertical reflectivity data is also shown. As shown in FIG. 15, when the argon pressure was 0.2 Pa, the formed film had substantially the same reflectance as that of pure Ag. Further, even when the argon pressure is 1 Pa, the reflectance of 400 nm or less decreases, but it can be seen that if the wavelength is in the range of 450 nm to 1000 nm, the reflectance is 90% or more and it can be used as a reflective curtain. Therefore, the preferable range of the argon pressure during Ni film formation is 0.2 to 1 Pa.
こうして成膜したバリアメタル層は反射層としてのAg合金層の高温多湿下における信頼性を向上させる。その効果を確かめるために、シリコン基板の上にTi(0.05μm)/Ag−Bi−Nd(0.1μm)を積層した膜と、Ti(0.05μm)/Ni(2μm)/Ag−Bi−Nd(0.1μm)を積層した膜の2種類を成膜した。そして、60℃90RH%下で放置して、放置時間と反射率の関係を測定した。 The barrier metal layer thus formed improves the reliability of the Ag alloy layer as the reflective layer under high temperature and high humidity. In order to confirm the effect, a film in which Ti (0.05 μm) / Ag—Bi—Nd (0.1 μm) is laminated on a silicon substrate, and Ti (0.05 μm) / Ni (2 μm) / Ag—Bi Two kinds of films in which —Nd (0.1 μm) was laminated were formed. And it left to stand under 60 degreeC90RH%, and measured the relationship between leaving time and a reflectance.
図16に、上記成膜条件で成膜したAg合金の反射率を示す。測定開始直後、波長500〜1000nmの範囲で反射率は各々95%以上あったが、その後、Ni層の無い膜は360時間経過後約70%に低下した。それに対し、Ni層のある膜は1000時間経過後も反射率90%以上を維持していた。 FIG. 16 shows the reflectance of the Ag alloy formed under the above film forming conditions. Immediately after the start of measurement, the reflectivity was 95% or more in the wavelength range of 500 to 1000 nm, but after that, the film without the Ni layer decreased to about 70% after 360 hours. On the other hand, the film having the Ni layer maintained a reflectance of 90% or more even after 1000 hours.
続いて密着層の厚み範囲、成膜条件について述べる。密着層として、例えばTiを用いる。バリアメタル(Ni)層及びAg合金層がシリコン基板から剥離するのを防止するためのTiの膜厚を調べるために、以下の実験を行った。 Subsequently, the thickness range of the adhesion layer and the film forming conditions will be described. For example, Ti is used as the adhesion layer. In order to examine the thickness of Ti for preventing the barrier metal (Ni) layer and the Ag alloy layer from peeling from the silicon substrate, the following experiment was conducted.
まず、酸化シリコン膜付のシリコンウエハ上に次の金属膜を、Ti成膜時の雰囲気圧力を0.5Paと1Paの2種類に設定しスパッタ成膜した。そして、それぞれのサンプルに対しスコッチテープを用いて剥離テストを行った。
Ti(0.05μm)/Ni(0.5μm)/Ag−Bi−Nd(0.1μm)
Ti層成膜時の雰囲気圧力が0.5Paの場合は金属膜に剥離が生じたが、1Paでは剥離しなかった。
First, the following metal film was sputter-deposited on a silicon wafer with a silicon oxide film by setting the atmospheric pressure during Ti film formation to two types of 0.5 Pa and 1 Pa. Then, a peel test was performed on each sample using a scotch tape.
Ti (0.05 μm) / Ni (0.5 μm) / Ag-Bi-Nd (0.1 μm)
When the atmospheric pressure at the time of forming the Ti layer was 0.5 Pa, the metal film was peeled off, but at 1 Pa, it was not peeled off.
次に、Ti成膜時の雰囲気圧力を1Paとし、上記金属膜のうちNi層の厚さを2μmに変更して剥離実験を行ったところ、金属膜を剥離してしまった。 Next, a peeling experiment was performed by changing the thickness of the Ni layer of the metal film to 2 μm while setting the atmospheric pressure during Ti film formation to 1 Pa. As a result, the metal film was peeled off.
そこで、Tiの膜厚を0.1μmとして剥離実験を行ったところ、金属膜は剥離しなかった。 Therefore, when a peeling experiment was performed with a Ti film thickness of 0.1 μm, the metal film did not peel off.
上記の結果から、Ti密着層の膜厚は0.05μm以上で、スパッタ成膜時の圧力は0.5Paよりも大きい方が好ましいことが判った。さらに、表面粗さを考慮すると、圧力は1Pa以下が好ましい。 From the above results, it was found that the thickness of the Ti adhesion layer is 0.05 μm or more, and the pressure during sputtering film formation is preferably larger than 0.5 Pa. Furthermore, considering the surface roughness, the pressure is preferably 1 Pa or less.
上記のように、ダイボンド時の接合によって膜が剥離せずに、反射膜として高い反射率を維持するための、バリアメタル層及び密着層の開発を行った結果、反射膜として優れたAg−Bi系合金を半導体発光素子のダイボンド用の電極兼反射膜として使用することを可能にした。これにより、従来のLEDパッケージよりも3〜5割光取り出し効率の高いシリコンパッケージを実現することができた。このパッケージは高反射率に加えて熱伝導性が良いため1W超級のパワーLEDパッケージとしても優れた特性を発揮する。しかもAg−Bi系合金の高耐久性を促進するバリアメタル層及び密着層の導入により、経時変化による反射膜の劣化のない極めて実用上安定なLEDパッケージを供給することが可能となった。 As described above, as a result of developing the barrier metal layer and the adhesion layer for maintaining high reflectivity as a reflective film without peeling off the film by bonding at the time of die bonding, Ag-Bi excellent as a reflective film It has become possible to use a base alloy as an electrode and reflection film for die bonding of a semiconductor light emitting device. As a result, a silicon package having 30 to 50% higher light extraction efficiency than the conventional LED package could be realized. Since this package has good thermal conductivity in addition to high reflectivity, it exhibits excellent characteristics as a power LED package exceeding 1 W. Moreover, by introducing a barrier metal layer and an adhesion layer that promote high durability of the Ag-Bi alloy, it has become possible to supply an LED package that is extremely practically stable and does not deteriorate the reflective film due to aging.
本発明により作製されるLEDパッケージは、種々の発光装置として用いることができ、例えば図17のように使用できる。すなわち、図17では、LED発光体31に作製したLEDパッケージが使用され、スイッチ32でLEDパッケージへの給電を制御する。柄33を持ってLED発光体31を所望の方向に向けることができる。
The LED package manufactured according to the present invention can be used as various light emitting devices, for example, as shown in FIG. That is, in FIG. 17, the LED package produced for the
以上、本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。 As mentioned above, although this invention was demonstrated, this invention is not restrict | limited to these.
例えば、反射層3eを複数の領域に分割し、これらを反射部と呼ぶこととする。そして反射部の各々の領域を半導体発光素子4と電気的に接続することにより、例えばRGB混色の半導体発光装置を作成することもできる。
For example, the
また、半導体発光素子4は、反射層3e上に搭載することに限定されるものではなく、例えば絶縁材料に半導体発光素子4を搭載し、ワイヤーで周辺の電極と接続するという形態も可能である。すなわち、上述した説明では、反射層3eは、反射膜兼電極としての機能を有しているとしたが、反射膜としての機能のみを有するものであっても良い。
Further, the semiconductor
さらに、シリコン基板3aにホーンを形成する際、ホーンの角部に丸みを持たせる工程を説明したが、丸みを持たせないホーンの形態も実用上あり得る形態である。
Furthermore, when the horn is formed on the
さらに、図18に示すように、反射層3e上に反射層3eよりも薄い厚さとしたTiコート層3fを形成しても良い。ここで、Tiコート層3fは、Tiで形成されているが、その一部にTiが酸化,窒化,あるいは炭化した薄い膜厚の場合もTiコート層3fに含まれる。すなわち、Tiコート層3fは、Tiにより形成されたものであるか、または、Tiと酸素,窒素,炭素のうちの少なくとも1つとのTi化合物(例えば、TiOxやTiOxNyなど)をTiの一部に含むものである。
Further, as shown in FIG. 18, a
また、Tiコート層3fは、具体的には、厚さが0.35nm〜2nm程度の薄い膜厚のものである。
The
このように、Tiコート層3fが、反射層3eよりも薄い膜厚のものとなっていることにより、Tiコート層3fは、半導体発光素子4からの光に対する反射層3eの反射率に影響を及ぼさず(すなわち、Tiコート層3fの光の透過性を高く維持でき、半導体発光素子4からの光に対する反射層3eの反射率を低下させず)、かつ、電極としての高い導電性(小さな抵抗値)をも有しており、さらに、Tiコート層3fが設けられることによって、反射層3eの表面を保護することができる。すなわち、Tiコート層3fは、硫化や熱などによる反射層3eの反射率の低下を防止する表面保護層として機能する。より詳細に、AgまたはAg合金を反射層3eの材料として用いた場合、Tiコート層3fが設けられていないときには、AgまたはAg合金は硫化や熱などによって反射率が低下してしまうが、Tiコート層3fが用いられることによって、AgまたはAg合金の硫化や熱などによる反射率の低下を防止できる。また、Alが反射層3eの材料として用いられる場合、AlはAgに比べれば硫化や熱などによる反射率の低下は少ないが、それでも、Tiコート層3fが用いられることによって、Alの硫化や熱などによる反射率の低下を防止できる。
As described above, since the
また、図18の構成例において、Tiコート層3fおよび反射層3eと半導体発光素子4とを電気的に接続することができ、反射層3eを、半導体発光素子4に対する反射膜兼電極として機能させることができる。具体的には、例えば、半導体発光素子4をTiコート層3fを介して反射層3eと電気的に接続することもできる(半導体発光素子4をTiコート層3fにボンディング(ワイヤボンディングやダイボンディング等)する構造にすることもできる)し(具体例として、裏面電極を有する半導体発光素子をTiコート層3fに直接ダイボンディングすることなどもできるし))、あるいは、例えばTiコート層3fの一部に開口部を設けるなどして、半導体発光素子4を反射層3eと直接ワイヤボンディングする構造(反射層3eと直接電気的に接続する構造)にすることもできる。
In the configuration example of FIG. 18, the
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.
本発明は、単色LED、蛍光体励起型白色LED(一般照明,ストロボ,バックライトなど)、RGB混色型白色LED、調光回路搭載LED、受発光一体型フォトセンサ,フォトインターラプタ,フォトカプラなどに利用可能である。
The present invention includes a single color LED, a phosphor-excited white LED (general illumination, strobe, backlight, etc.), an RGB mixed color white LED, a dimming circuit mounted LED, a light receiving / emitting integrated photo sensor, a photo interrupter, a photo coupler, etc. Is available.
3a 基板
3b 絶縁膜
3c 密着層
3d バリアメタル層
3e 反射層
3f Tiコート層
4 半導体発光素子
22 ホーン
Claims (10)
該絶縁膜上に形成された金属層と、
半導体発光素子とを有し、
前記金属層には、前記絶縁膜との密着性を図るための密着層と、該密着層の上方において反射層とが設けられ、
前記反射層は、前記半導体発光素子から出射された光に対する反射面としての機能を有しており、
前記密着層は、Ti−Ni合金で形成されていることを特徴とする半導体発光装置。 An insulating film formed on the surface of a predetermined substrate;
A metal layer formed on the insulating film;
A semiconductor light emitting device,
The metal layer is provided with an adhesion layer for adhesion to the insulating film, and a reflective layer above the adhesion layer,
The reflective layer has a function as a reflective surface for the light emitted from the semiconductor light emitting element,
The adhesion layer is formed of a Ti—Ni alloy.
(b)前記絶縁膜上に、Ti−Ni合金を材料とした密着層を形成する工程と、
(c)前記密着層上に、NiまたはPtまたはPdを材料としたバリアメタル層を形成する工程と、
(d)前記バリアメタル層上に、AgまたはAlまたはAg合金を材料とした反射層を形成する工程と、
(e)前記反射層に半導体発光素子を電気的に接続する工程と、
を有していることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 (A) forming an insulating film on the surface of the silicon substrate;
(B) forming an adhesion layer made of a Ti-Ni alloy as a material on the insulating film;
(C) forming a barrier metal layer made of Ni, Pt or Pd on the adhesion layer;
(D) forming a reflective layer made of Ag, Al, or an Ag alloy on the barrier metal layer;
(E) electrically connecting a semiconductor light emitting element to the reflective layer;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
(a−1)シリコン基板に異方性エッチングを行うことにより、(100)面の底面と4つの(111)面の傾斜側面からなるホーンを形成する工程と、
(a−2)前記ホーンが形成されたシリコン基板表面に絶縁膜を形成する工程と、
を有していることを特徴とする半導体発光装置の製造方法。 9. The method of manufacturing a semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein the step (a) includes:
(A-1) forming a horn composed of a bottom surface of (100) plane and four inclined sides of (111) plane by performing anisotropic etching on the silicon substrate;
(A-2) forming an insulating film on the silicon substrate surface on which the horn is formed;
A method of manufacturing a semiconductor light emitting device, comprising:
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