JP6100789B2 - スロット付き基板を用いることによる低い反りのウエハ接合 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造、特にウエハスケール接合の分野に関する。

ウエハ接合は、個片化（ｓｉｎｇｕｌａｔｉｏｎ）（ダイシング）の前に、種々異なるウエハ上に素子を結合させるためにますます普及している。直径４"−８"のウエハは、何百又は何千ものデバイスを含み、２つのウエハの接合は、これらの何百又は何千ものデバイスそれぞれの従来の個別の接合に取って替わることができる。

発光デバイス（ＬＥＤ）の従来の製造において、例えば、半導体デバイスを含むウエハがダイシングされ、個々のデバイスは、構造的支持体と、外部電源又は他の回路に結合するための手段と、を提供するサブマウントにその後接合される。一般に、サブマウントは、例えばプリント回路基板の上に実装する、又は器具への配置など、その後の製造プロセスを容易にするための大きさにサイズ化される。ＬＥＤのサイズがサブマウントのサイズより大幅に小さい場合、このプロセスはかなり効率的である。

しかしながら、特にＬＥＤの分野で、例えば発光素子の領域の増大、又は単一デバイスにおける複数の発光素子の包含に起因して、個々のデバイス（チップ）のサイズは、増大している。従って、パッケージ（実装）されたデバイスの全体のサイズが、チップよりも著しく大きくないチップスケール・パッケージングは、かなり一般的になっていきている。このような場合には、チップのサイズは、サブマウントのサイズと同じくらいであり、ＬＥＤのウエハをサブマウントのウエハに接合することは、非常に効率的な製造プロセスを提供する。

しばしば、種々異なるウエハに使用される材料は、種々異なる材料であり、１つのウエハの材料は、半導体デバイスの製造を容易にするために選択され、他のウエハの材料は、構造的に、且つ、電気的に堅固なパッケージを容易にするために選択される。発光デバイスの例において、半導体ウエハは、しばしば、サファイア成長基板の上に、例えばＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＮなどのＧａＮベース又はＧａＰ材料の厚い層を含むが、サブマウント・ウエハは、通常は、シリコン基板の上に一つ以上の金属層を含む。

種々異なる材料が、半導体を形成し、サブマウントを形成するために、一般に用いられるので、ウエハ接合の実現可能性は、多くのチャレンジの対象である。特に、比較的高い温度が接合を達成するために用いられるときに、２つのウエハ間、又は組み合わされる他の層の間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の違いは、アセンブリの後の反りの原因となる。接合プロセスの間に生じる課題に加え、結果として生じる反ったパッケージは、例えば層を除去することや、表面をテクスチャ加工することのために用いられるプロセスなどのその後のプロセスに課題を導入し、また、これらの反ったパッケージがプリント回路基板又は他の器具に実装されるときに、信頼性の問題をもたらす。

従来は、反りを減らす１つの方法は、接合される材料のうちの一方が他方の材料よりも実質的に薄いことを保証することであり、厚い方の材料が、ある一定の平坦さを強いる。しかしながら、半導体パッケージングの場合、成長基板及びサブマウント基板は、通常は同等の厚さである。成長基板は、製造プロセスをサポートするのに十分に厚くなければならず、サブマウント基板は、構造的支持体を完成したパッケージに提供するのに十分に厚くなければならない。

反りの可能性が減るように、種々異なる材料のウエハを接合することが可能であることは有利である。パッケージされたデバイスの構造的完全性を依然として維持しながら、これらのウエハを接合することが可能であることも有利である。

これらの懸念の１つ以上により良く対処するために、本発明の実施形態では、サブマウント・ウエハは、半導体ウエハとの接合の前に、溝が付けられる。サブマウント・ウエハにスロットを作ることにより、接合の間のウエハの特性は、より薄いウエハの特性に類似する。好ましくは、スロットは、個片化されたパッケージの中に存在しないように、ダイシングパターンと一致するように作られ、これによって、完全な厚さのサブマウント・ウエハの構造的特性を保持する。

本発明は、添付の図面を参照して、より詳細に、及び例として説明される。

図１は、２つのウエハの接合の例を図示する。 図２は、基板の溝付けの例を図示する。 図３は、溝付けピッチの関数として実効ウエハの厚さのプロットの例を図示する。 図４は、実効ウエハの厚さの関数として実効ウエハの反りのプロットの例を図示する。 図５は、ウエハ基板の溝付けに関連するパラメータを決定するためのフロー図の例を図示する。

図面全体を通して、同一の参照符号は、同様の又は対応する特徴又は機能を指す。図面は、例示目的のために含まれ、本発明の範囲を限定することを意図していない。

以下の説明では、限定よりもむしろ説明の目的で、具体的な詳細、例えば特定のアーキテクチャ、インタフェース、技術などが、本発明の概念の完全な理解を提供するために、記述されている。しかしながら、本発明が、これら具体的な詳細から離れて他の実施形態において実行され得ることは当業者にとって明らかであろう。同様に、この説明の文章は、図において例示される実施形態の例に向けたものであり、明確に請求項に含まれる限定を越えて、特許が請求される発明を限定することを意図していない。平易及び明瞭さのために、よく知られた装置、回路、及び方法の詳細な説明は、不必要な細部で本発明の説明を曖昧にしないために省略されている。

図１は、第１のウエハ１００と第２のウエハ２００との接合の例を例示する。第１のウエハ１００は、基板１１０の上に形成される機能的な構造体１２０を含む。機能的な構造体１２０は、例えば成長基板１１０の上に成長する複数の半導体デバイス１２５を含む。半導体発光デバイスの分野では、例えばデバイス１２５は、サファイア基板１１０の上に成長する一連のｎ型及びｐ型層により形成される１つ以上の発光素子を有する。領域１２６は、デバイス１２５を分離する又は隔離する働きをし、ウエハ１００を個々のデバイス１２５に個片化／ダイシングするのを容易にする機能を提供する。

当該分野で知られているように、光抽出効率は、サファイア基板１１０を除去し、通常はｎ型ＧａＮ層である第１の成長層を粗化することにより改善される。光は、その後、粗化された層、図１では、構造体１２０の最上層から抽出される。構造体１２０の最下層で、導電層は形成され、各発光デバイス１２５を外部電源に結合させるのを容易にするパッド、又はコンタクト１３５を提供するようにパターン化される。

構造体１２０は、例えば半導体、金属、及び誘電体などのいくつかのかなり硬質な層を含むにもかかわらず、構造体１２０、及び特にデバイス１２５は、構造体１２０又はデバイス１２５がその後の製造プロセスで扱われる及び／又は製造プロセスを受けることを可能にする構造的完全性を有しないことがある。従って、基板１１０が除去される前に、構造体１２０は別の基板に実装され、この別の基板が必要な構造的完全性を提供する。ウエハ２００の基板２１０は、デバイス１２５を外部電源又は他の回路に結合させることを提供するだけでなく、この構造的完全性も提供する。上記結合は、サブマウントとして用いられる第２のウエハ２００の一部により提供される。

例示的な実施形態では、第１のウエハ１００の上のデバイス１２５及び第２のウエハ２００のセクションは、デバイス／サブマウントの矩形グリッドに配列される。各デバイスは、単一のサブマウントと合わせてもよいが、例えば単一のサブマウント上の複数のデバイス、又は複数のサブマウント上の単一のデバイスなどの他の配置も、本発明の範囲内に予期され、含まれる。

継続中の米国特許出願６１／５２１，７８３「キャリアウエハを用いるＬＥＤのウエハレベル処理（ＷＡＦＥＲ ＬＥＶＥＬ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ ＯＦ ＬＥＤＳ ＵＳＩＮＧ ＣＡＲＲＩＥＲ ＷＡＦＥＲ）」は、Ｍａｒｋ ｄｅ Ｓａｍｂｅｒ及びＥｒｉｃ ｖａｎ Ｇｒｕｎｓｖｅｎによって、２０１１年８月１０日に出願され、成長基板のＬＥＤ構造体の上にある対応するコンタクトエリアに整列する貫通穴（ビア）を備えるサブマウント・ウエハの使用を開示しており、これは参照することにより、本願明細書に組み込まれる。２つのウエハを一つに接合した後、導体がこれらビアに形成されることができるように、この組み合わせは処理され、これにより、これらの導体は、ビアを通してコンタクトをＬＥＤ構造体まで延ばす。

この例に限定されないが、サブマウント・ウエハ２００の基板２１０は、シリコンである。ビア２３５は、デバイス１２５に電気的に接続しているコンタクト１３５に合わせるように、基板２１０に位置する。通常は接着性接合層を用いて、ウエハ１００をウエハ２００に接合した後、任意の残留する接合材料は、ビア２３５から除去され、例えば銅などの導電材料が、ビア２３５を埋めるために用いられ、基板２１０の下位表面上にパッド（不図示）を形成し、デバイス１２５への外部接続を容易にする。

上述の通り、ウエハ１００、２００を接合した後、最初の成長層１１０は除去され、成長した構造体１２０の最上層は、効率的な光抽出を容易にするために処理される。これらのプロセスは、他と同様に、接合されたウエハの任意の反りにより悪影響を受ける。

潜在的な反りを減らすために、構造的な支持体をデバイス１２５に提供しながら、サブマウント・ウエハは、スロット２５０で溝が付けられる。サブマウント基板２１０の溝付けは、その全体の剛性を減少させ、必要に応じて、基板１１０、２１０間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の違いに起因する、又は、他の処理効果に起因する張力のいくらかを軽減するために屈曲できるようにする。

図１に図示されるように、デバイス１２５が個片化されるときに、スロット２５０がデバイス１２５の下部に無いように、スロット２５０が位置されることが好ましい。従って、スロット２５０は、デバイスを個片化するために使用されるのと同じラインに沿って、通常は、デバイス１２５間の境界エリア１２６の直下に位置される。よって、スロットは、デバイス／サブマウントの「グリッド（ｇｒｉｄ）」に合わせる。

図１は、４つのデバイス１２５により間隔をおいて配置されているスロット２５０を図示するが、破線の潜在的スロット２５０´で示されるように、スロット２５０は、より近接した間隔、又はより離れた間隔を置いて配置されてもよい。図２乃至４において説明されるように、特定の間隔、又はピッチは、各スロットを作ることに関連するコスト及びスロットの特定の特性を含む様々な要素に基づいて選択される。

図２は、ピッチＰだけ離隔された２つのスロット２５０を図示し、通常は、このピッチは、スロット間のデバイスの整数個として規定される。ピッチＰが大きければ大きい程、より少ない数のスロットが所定のウエハサイズに対して必要になる。通常は、ピッチＰは、デバイス／サブマウントのグリッドに対して水平及び垂直方向の両方において同じであり、デバイスの正方形を形成するが、このような均一性は必要とされない。同様に、ウエハにわたって均一なピッチは必要でなく、スロットは一方向にのみ向けられてもよい。参照及び理解を容易にするために、両方向にある等しいピッチが、図３及び図４の
分析のために想定される。

基板２１０にスロットを作ることにより、基板２１０の「実効厚さ（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）」が、スロット位置でその最初の厚さＴから減少する。変更されたウエハの「実効厚さ」は、変更された（スロット付き）ウエハと同じ剛性を提供する変更されていない（スロット無し）ウエハの厚さとして一般に定義される。例えば『最大』剛性、又は『平均』剛性などの任意の様々な統計値は、この同等を規定するために用いられる。

スロット付きウエハの『剛性』挙動は、より薄いウエハの挙動に類似するため、ピッチＰを減少させることは、実効厚さを減少させる。同様に、実効厚さは、その幅Ｗだけでなく、スロットの深さＤにも依存する。深さＤ又は幅Ｗのいずれかを増大させることは、実効厚さを減少させる。実施形態の例において、ウエハ厚Ｔは２００ｕｍ、スロットの深さＤは１５０ｕｍ、及びスロットの幅Ｗは１００ｕｍである。通常、深さＤは、厚さＴの４０％から８０％に及び、幅Ｗはデバイスの幅の５％から２０％に及ぶ。

有限要素分析（ＦＥＡ）は、材料の形状及び他の特性に基づいて材料の性能の変化を評価するために一般に用いられる。図３は、上記のスロット寸法（Ｔ＝２００ｕｍ、Ｄ＝１５０ｕｍ、Ｗ＝１００ｕｍ）及び１ｍｍｘ１ｍｍのデバイスサイズの例を使用して、スロットのピッチＰの関数としてシリコン基板２１０の実効厚さのグラフ３００を図示する。

図３に図示されるように、スロットのピッチＰが、各デバイス間にスロットが１つ有る（ｐｉｔｃｈ＝１）ように存在する場合、実効厚さ３１０は、実際のウエハ厚Ｔの半分未満である。スロットのピッチが、デバイス１０個毎の間にスロットが１つある（ｐｉｔｃｈ＝１0）ように存在する場合、実効厚さ３２０は、実際のウエハ厚の約８０％である。当業者は、実効厚さの同様のグラフが、他のスロット及び基板寸法それぞれの関数として生成されることを理解するであろう。

図４は、実効ウエハ厚の関数として実効ウエハ反りのグラフを図示する。実効ウエハ反りは、実効ウエハ厚に等しい厚さを持つ変更されていない（スロット無しの）ウエハで起こるであろう、例えば最大の反り又は平均的な反りなどのウエハ反りに関する任意の統計値でもよい。

プロット線４１０、４２０は、２００ｕｍのシリコン基板２１０の例が、２つの異なる温度で接合プロセスを用いて約１．３ｍｍの厚さを持つ上述のサファイア基板に接合されるときに受ける実効反りを図示する。プロット線４１０は、２００℃でのＢＣＢ（ベンゾシクロブテン Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎ）ボンド層の使用例に対応し、プロット線４２０は、１５０℃でのＥｐｏｔｅｋ ３７７ボンド層の使用例に対応する。このようなプロットは、所定の最大のウエハ反りを達成するために、最大の実効サブマウント厚を決定するために用いられ、この逆もまた成立する。

例えば、図４のライン４３０により示されるように、この例における最大のウエハ反りが２５０ｕｍである場合、ＢＣＢ接合シリコン基板の実効厚さは、約１２５ｕｍ（４１５）を超えることができず、Ｅｐｏｔｅｋ ３７７接合基板２１０の実効厚さは、約１６５ｕｍ（４２５）を超えることができない。

更に、図４に図示されるのは、図３のウエハの例に関して、上記の２つのピッチに対応する垂直線４４０、４５０である。垂直線４４０は、約９０ｕｍ（２００ｕｍの４５％）の実効厚さを提供する１つのピッチに対応する。Ｅｐｏｔｅｋ ３７７接合の基板がこのピッチで使用される場合、実効ウエハ反りは、約１５０ｕｍ（４４５）であり、これは、上述の最大のウエハ反り２５０ｕｍ（４３０）以下である。同様に、ＢＣＢ接合基板がこのピッチで使用される場合、実効ウエハ反りは、約２００ｕｍ（４４６）であり、これも最大のウエハ反り２５０ｕｍ（４３０）より下である。

他方では、垂直線４５０は、図３のウエハの例における１０のピッチに対応し、これは約１６０ｕｍ（２００ｕｍの８０％）の実効厚さを提供する。Ｅｐｏｔｅｋ ３７７接合基板（４２０）がこのピッチで使用される場合、実効反りは、最大のウエハ反り２５０ｕｍ（４３０）弱（４５５）である。しかしながら、ＢＣＢ接合基板（４１０）上の１０のピッチの使用は、実効反り約３４０ｕｍ（４５６）をもたらし、これは最大限度２５０ｕｍ（４３０）を上回る。選択されたウエハ材料及びピッチが具体的な最大の実効ウエハ反りを満たすことを確認するために、同様の分析を、種々異なるピッチ及び種々異なるウエハ基板に適用することができる。

基板に溝を付けるのに好ましいパラメータを決定するためのフロー図の例が、図５に示される。

図１及び図２に関して、スロット２５０は、デバイス１２５の境界に実質的に位置され、デバイス１２５の領域内で生じないため、各デバイス１２５に関する基板２１０の実効厚さは減少されず、サブマウント基板２１０の最初の厚さＴのままである点に留意することは重要である。従って、図５のフロー図の例に図示されるように、本発明の典型的な実施形態において、任意の製造プロセス及び製造後プロセスの間に、デバイス１２５に提供される必要がある構造的支持体に基づいて、ステップ５１０で、所定の材料でできたサブマウント基板２１０の厚さＴが選択される／決定される。加えて、ステップ５２０で、通常、任意の個別の製造プロセスで考慮に入れる許容誤差に基づいて、個片化の前の最大の許容反りも規定される。

例えば予想される接合温度などの他のパラメータと同様に、これらのパラメータ（選択された基板材料及び厚さ、最大許容反り）が与えられると、基板の最大の実効厚さは、ステップ５３０で、例えば図４のプロット線４１０、４２０、４３０を用いて決定することができる。すなわち、最大の反りが２５０ｕｍの場合、ＢＣＢ接合基板が使用されることになり、その結果、最大の実効反り厚は、約１２５ｕｍ（４１５）であり、Ｅｐｏｔｅｋ ３７７接合基板が使用されることになっている場合は、その結果、最大の実効反り厚は、約１６５ｕｍ（４２５）である。

ステップ５４０で、選択された基板２１０の厚さＴが、この最大の実効厚さより下である場合、スロットは基板２１０に必要ではない。

しかしながら、ステップ５４０で、基板２１０の所定の厚さＴが、最大の実効厚さより大きい場合、基板２１０の実効厚さは、溝付けにより減少され得る。このような場合、ステップ５５０で、決定された最大の実効厚さを下回るまで、基板２１０の実効厚さを減らすのに役に立つスロットのピッチ、深さ、及び幅の適切な選択を決定するために、ＦＥＡ又は類似の分析が実行される。

ステップ５６０で、スロットは、基板２１０に作られる。上述の通り、スロットの選択されたピッチは、好ましくは、所与の次元に沿ったデバイス１２５の幅の整数倍であり、スロットは、デバイス１２５間の境界に整列し、これによって、デバイス１２５のそれぞれを支持する基板２１０の全体の厚さＴを保持する。

本発明は、図面及び前述の記述において例示され、説明されているが、このような図示及び上記記述は、実例及又は解説のためであり、限定するためではなく、本発明は、開示された実施形態に限定されない。

例えば、スロットの特性の正式な分析が行われない実施形態においても、本発明を実施することは可能である。例えば、スロットを加えることは、その後のプロセスを容易にし、及び／又は、その後のパッケージされたデバイスの信頼性を改善することを認識するので、デバイスを生産することに関連するコスト制約の範囲内で可能な限り多くのスロットを加えてもよい。同様に、例えば「各次元に１つのスロット」などの最小のコスト・オプションが全ての接合ウエハの基準として設定され、追加の解析的分析により追加のスロットが正当化されてもよい。

加えて、本発明は、接合する前に基板に溝を付けるという内容に示されているが、当業者は、溝付けは、接合の後であるが、反りが導入されやすいいくつかのその後のプロセスの前に、生じてもよいことを理解するであろう。

同様に、本発明はサブマウント基板を溝付けする内容で示されているが、当業者は、同様の利点が、成長基板を溝付けすることにより達成されることを理解するであろう。成長基板を溝付けする利点は、成長基板がその後除去されることになっている場合、スロットがデバイスの境界に整列される必要がないということである。当業者は、両方の基板を溝付けすることが、例えば１つの基板のみを溝付けすることによっては容易に達成できない目標を達成するために用いられることも理解するであろう。

図面、開示及び添付の請求の範囲の検討から、開示された実施形態に対する他のバリエーションは、特許を請求する発明を実施する際に当業者により理解され、遂行されることができる。請求項において、単語「を有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、他の要素又はステップを除外せず、不定冠詞「ａ」、又は「ａｎ」は、複数を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットは、請求項において述べられる幾つかの項目の機能を満たす。特定の手段が相互に異なる従属請求項において述べられるという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に用いられることができないことを示さない。コンピュータプログラムは、例えば他のハードウェアと共に、又はその一部として供給される光学記憶媒体又はソリッドステートの媒体などの適切な媒体上に記憶され／配布され、また、例えばインターネット、若しくは他の有線又は無線通信システムを介してなどの他の形式で配布される。請求項における任意の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈するべきではない。

Claims (12)

1. 複数の半導体デバイスを含む第１の半導体ウエハと、
   前記第１のウエハに接合される第２のウエハであり、前記第１のウエハの接合面及び当該第２のウエハの接合面を介して接合された第２のウエハと
   を有する構造体であって、前記第１のウエハ及び第２のウエハのうちの少なくとも一つが、該ウエハの前記接合面とは反対側の表面で、接合された前記構造体の反りを減らすように構成された複数のスロットで溝付けされており、前記複数のスロットは、前記半導体デバイスの下部に無いように前記半導体デバイス間の境界に位置合わせされている、
   構造体。
2. 前記半導体デバイスは、発光デバイスを含む、請求項１に記載の構造体。
3. 前記第２のウエハは、前記複数のスロットで溝付けされたサブマウント基板を含む、請求項１に記載の構造体。
4. 前記サブマウント基板は、厚さＴを有し、前記スロットは、前記厚さＴの４０〜８０パーセントの間の深さＤを有する、請求項３に記載の構造体。
5. 前記半導体デバイスは、デバイス幅を有し、前記スロットは、前記デバイス幅の５〜２０パーセントの間のスロット幅を有する、請求項３に記載の構造体。
6. 成長基板を含む第１のウエハ上に複数の半導体デバイスを作るステップと、
   前記第１のウエハを、サブマウント基板を含む第２のウエハに、前記第１のウエハの接合面及び該第２のウエハの接合面を介して接合するステップと、
   を有し、
   接合された構造体の反りを減らすため、前記成長基板又は前記サブマウント基板のうちの少なくとも一つが、そのウエハの前記接合面とは反対側の表面で複数のスロットで溝付けされており、前記複数のスロットは、前記半導体デバイスの下部に無いように前記半導体デバイス間の境界に位置合わせされている、方法。
7. 前記少なくとも一つの基板を溝付けするステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記半導体デバイスは、発光デバイスを含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記サブマウント基板が、前記複数のスロットで溝付けされる、請求項６に記載の方法。
10. 前記サブマウント基板は、厚さＴを有し、前記スロットは、前記厚さＴの４０〜８０パーセントの間の深さＤを有する、請求項６に記載の方法。
11. 前記半導体デバイスは、デバイス幅を有し、前記スロットは、前記デバイス幅の５〜２０パーセントの間のスロット幅を有する、請求項６に記載の方法。
12. 前記成長基板は、サファイアを含み、前記サブマウント基板は、シリコンを含む、請求項６に記載の方法。