TWI467796B - 在發光二極體形成期間之基板移除 - Google Patents

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Description

在發光二極體形成期間之基板移除
本發明涉及到一發光二極體的製造。
半導體發光二極體(LED)是當前可用的最有效的光源之一。在可跨可見光譜操作之高亮度發光裝置的製造中，目前感興趣的材料系統包含：III－V族半導體；例如，鎵、鋁、銦、氮、磷、與砷的二元、三元及四元合金。III－V裝置跨可見光譜發射光。基於GaAs與GaP的裝置經常被用於以較長波長發射諸如黃色至紅色的光，而III族氮化物裝置經常被用於以較短波長發射諸如近UV至綠色的光。
由於藍寶石的晶體結構與氮化鎵的晶體結構相似，氮化鎵LED通常使用一透明的藍寶石生長基板。
一些GaN LED作為倒裝晶片而形成，其等有兩個電極在同一表面上，LED電極在這個表面上不使用引線接合法而被接合至在一子基板上的電極。一子基板提供在LED與一外部電源供應器之間的一介面。子基板上接合至LED電極的電極可延伸超過LED或延伸至子基板的相反側以用於引線接合或表面安裝至一電路板。
圖1A－1D是安裝GaN LED 10至一子基板12並移除藍寶石生長基板24的過程的簡化橫截面圖。該子基板12可由矽形成或可為一陶瓷絕緣體。如果子基板12是矽，一氧化層可使在子基板表面上的金屬圖案與矽絕緣，或不同方案的離子植入可被實現用於附加的功能諸如靜電放電保護。
如圖1A中可看到的，若干LED晶粒10被形成有在一藍寶石生長基板24上形成的一薄GaN LED層18。電極16經形成而電接觸於GaN層18中的n型與p型層。金柱凸塊20被放置在LED 10上的電極16上或另一選擇是放置在子基板12上的金屬襯墊14上。該等金柱凸塊20一般是被放置在LED電極16與子基板金屬襯墊14之間的不同點上的球形金球狀物。LED層18與電極16都是在同一藍寶石基板24上形成的，該藍寶石基板24其後被切成方塊以形成個體LED晶粒10。
如圖1B中圖解的，LED 10被接合至基板12，其中子基板12上的金屬襯墊14被電接合至GaN層18上的金屬電極16。當一超音波換能器相對於子基板迅速地振動LED結構時，壓力被施加至LED結構以在介面上生熱。這引起該金柱凸塊的表面以原子級互相擴散進入LED電極與子基板電極以建立一永久電連接。其他類型的接合方法包含焊接、應用一導電膠、及其他方法。
在LED層18與子基板12的表面之間有一大的空隙，其充填著一環氧樹脂以提供機械支撐且密封該區域，就像圖1C中圖解的。由此產生的環氧樹脂被稱為一側填滿22。由於每個LED晶粒10必須是個別地底部填充的，底部填充是非常耗時的，且需要注入一精確量的側填滿材料。側填滿材料必須是一足夠低的黏性才可以在LED晶粒10下流動，晶粒10包含複雜幾何形狀的電極，沒有形成任何可導致不良支撐區域的氣泡，如作為區域22a圖解的。然而，該側填滿材料不得以一未受控制的方式伸展至不需要的表面上， 諸如LED裝置的頂部，就像以22b圖解的，或其後將施加引線接合之子基板上的襯墊上。
藍寶石基板24在LED晶粒10被接合至子基板12之後被移除且該子基板12被分成個體元件以形成圖1D圖解的LED結構。由於LED層18是非常薄且易碎的，側填滿供應附加的用途以提供必要的機械支撐以防止當支撐基板24被移除時易碎LED層的破裂。金柱凸塊20本身不提供足夠的支撐以防止LED層的破裂，因為其等形狀受限且被隔開離得很遠。習知地使用的側填滿材料通常由有機物質組成並擁有非常不同於金屬與半導體材料的熱膨脹特性。這樣的假性膨脹行為在高操作溫度(高功率LED應用所常見)下尤其惡化，其中側填滿材料接近其玻璃轉變點並開始表現為彈性的物質。在熱膨脹行為中這樣失配的最終效應將引起LED裝置上的壓力，因此限制或減少其在高功率條件下的可操作性。最後，側填滿材料有低熱傳導特性，其導致用於半導體裝置的不必要的高溫操作。
需要的是在一基板移除過程期間用於機械地支撐薄LED層的技術，該技術提供一更均勻且無空隙的支撐；對支撐提供更相匹配的熱膨脹行為，對一支撐提供一高溫可操作性，不受有機材料的玻璃轉變點限制；並對一支撐提供用於優異散熱的改良的熱傳導性。
一發光二極體(LED)是使用在安裝LED至一子基板之前沈積在LED或子基板上的側填滿層製造的。在安裝LED至 子基板之前的側填滿層的沈積提供用於一更均勻且無空隙的支撐，並增加側填滿材料的選擇性以允許改良的熱特性。在一實施例中，側填滿層可被沈積在LED上且在生長基板的移除期間用於支撐薄且易碎的LED層。基板其後在安裝LED至子基板之前可先以晶圓級移除生長基板。在其他實施例中，側填滿層可被往回圖案化及/或拋光，致使僅曝露LED及/或子基板的接觸件區域。其後，LED與子基板可與其等之間的側填滿層接合。圖案化側填滿層也可被用作一引導以輔助裝置的單分切割。
圖2A-2E是按照本發明的一實施例安裝GaN LED至一子基板並移除生長基板的一過程的簡化橫截面圖。
圖2A圖解包含一生長基板102的一晶圓級LED結構100的一部分，生長基板102可為例如藍寶石，在其上已經形成薄GaN LED層104。可在藍寶石基板上習知地生長GaN LED層104，例如，如在美國公開案第2007/0096130號中描述的，該案以引用的方式併入本文中。圖3圖解晶圓結構100的一部分，其包含一藍寶石基板102，在該藍寶石基板102上使用習知的技術生長一n型GaN層104n。GaN層104n可為包含一包覆層的多個層。該GaN層104n可包含Al、In、與一n型摻雜物。其後在GaN層104n上生長一作用層104a。作用層104a將通常是多個基於GaN的層且其組合物(例如，Inx Aly Ga1-x-y N)取決於發射光的需要的波長與其他因素。作用層104a可為習知的。其後在作用層104a上生長 一p型GaN層104p。GaN層104p可為包含一包覆層的多個層且也可為習知的。GaN層104p可包含Al、In、與一p型摻雜物。圖3的LED結構被稱為一雙異質結構。
在一實施例中，生長基板大約是90微米厚，且GaN層104有一大約4微米的組合厚度。
儘管在本實例中使用具有一藍寶石生長基板的一基於GaN的LED，但是使用其他基板(諸如SiC(用於形成一InAlGaN LED)與GaAs(用於形成一AlInGaP LED))之其他類型的LED可受益於本發明。
金屬接合層形成在晶圓上面以形成n－接觸件108n與p－接觸件108p，在此稱為接觸件108。可藉由在不需要金屬接觸件的位置形成一遮罩層而圖案化接觸件108，其後在整個晶圓上沈積金屬接觸層，及其後除去遮罩層以剝離在其上沈積的金屬。也可以藉由沈積相似的堆疊毯覆性金屬層且其後使用一遮罩方案選擇性地將其回蝕而負向圖案化金屬層。接觸件可自一或多種金屬形成，諸如TiAu、Au、Cu、Al、Ni或其他易延性材料，或此等層的一組合。其後，在接觸件108上面形成柱凸塊110，其可為例如金。柱凸塊110一般是放置在接觸件108上不同的點的球形的金球狀物。柱凸塊110作為用於LED的接觸件的部分且被用於接合LED至一子基板。如果需要，其他類型的接合材料或諸如板的結構可被用於代替柱凸塊110。
如圖2中圖解的，其後，側填滿120被沈積在GaN層104、接觸件108與凸塊110上。因為在接合LED至一子基 板之前施用側填滿120，所以所有適當的材料可被用於側填滿120而不取決於在傳統側填滿的情況下需要的流動特性。比如，一基於高分子聚醯亞胺的材料，其有高玻璃轉變溫度，可被用作側填滿層120。隨著聚醯亞胺材料的使用，一溶劑可被用於調整黏性至400－1000 Pa＊ s以輔助材料的沈積。一裝填物粉末(諸如微粒SiO2 )可被添加至聚醯亞胺材料，例如，50%至90%的量，以便匹配CTE(熱膨脹的係數)。在沈積期間，LED與聚醯亞胺材料可在低於玻璃轉變溫度下被加熱，且其後允許被冷卻至固化。這樣的材料將幫助裝置耐受高溫/高電流條件而不會使薄LED變形。側填滿材料可為一種雙階段固化材料，在用於第一階段固化可靠的側填滿材料中，使用用於添加劑(例如，環氧添加劑)的交聯的一低溫固化。側填滿材料應該有B－階段固化特性，以黏附至LED又支撐晶圓表面。
圖4A與4B圖解在晶圓100的一部分上側填滿120材料的沈積。就像圖4A中顯示的，側填滿120可為毯覆性沈積在GaN層104的表面上。在一實施例中，側填滿120被圖案化，例如，使用模板印刷術或網版印刷術，因此區域122，諸如LED晶粒被分開的區域，沒有側填滿120。比如，材料可使用例如模板印刷技術以一黏性膠的形式而沈積。不需要側填滿的區域，例如，圍繞LED有引線接合的區域，藉由一遮罩保護。遮罩中的開口允許側填滿材料被沈積在需要的區域。沈積後，例如，藉由絲網印刷術，側填滿層在低溫被固化，例如，120°－130℃，直到它足夠硬 以拋光。就像圖4B中顯示的，其後，側填滿120被往回拋光直到曝露金屬連接，也就是，凸塊110。在一實施例中，側填滿120有一最終厚度30 μm。
側填滿120有利地作為用於GaN層104的一支撐層，因此，生長基板102可被移除，就像圖2C中圖解的。基板102可被移除，例如，藉由使用傳輸通過透明的藍寶石基板102的一受激準分子雷射束雷射剝離且蒸發n－GaN層104n的一頂層。基板102的移除在基板/n－GaN層104n介面上產生巨大的壓力。該壓力迫使基板102離開n－GaN層104n，且基板102被移除。由側填滿120提供的支撐在基板剝離期間防止高壓使該薄易碎的LED層104破裂。另外，如果需要，曝露的n層104n(圖3中顯示的)可被粗糙化以增加光提取，例如，使用光電化學蝕刻，或藉由小規模壓印或研磨。另一選擇是，粗糙化可包含在表面上形成棱鏡或其他光學元件用於增加光提取與輻射圖案的改良的控制。
在基板移除後，有側填滿120的GaN層104被劃線且被分成個體LED元件。劃線與分開可使用，例如，使用側填滿120中區域122作為一引導的一鋸而完成。另一選擇是，一雷射劃線過程可被使用。在分開之前，LED的晶圓被黏附至一可伸展的塑膠薄片，且在晶圓順著劃線斷裂後，薄片被伸展以分開晶粒而晶粒依舊黏附至可伸展的薄片。其後，一自動挑選與放置裝置自薄片移除每一個晶粒125，並就像圖2D中圖解的在一子基板130上安裝晶粒125。接合金屬，也就是LED晶粒125上的凸塊110，直接地超音波或 超音波熱銲至子基板130上相應的接合金屬圖案132，金屬圖案可為，例如，金或其他適當的材料。子基板130可由矽形成或為一陶瓷絕緣體。如果子基板130是矽，一氧化層可將子基板表面上金屬圖案與矽絕緣，或不同的離子植入方案可實現用於附加的功能性，諸如用於放電保護的穩壓(Zener)二極體。如果子基板是一陶瓷而不是矽，金屬圖案可被直接地形成在陶瓷表面上。
一超音波換能器(超音波熱金屬至金屬交互擴散過程)可被用於施加一向下的壓力至晶粒125並相對於子基板130迅速地振動晶粒125，致使自反向的接合金屬的原子合併以在晶粒125與子基板130之間建立一電力與機械連接。用於LED晶粒至子基板互相連接的其他方法也可以被使用，諸如使用一焊接層。在晶粒附接過程期間，例如，一Au－Au互相連接的情況，基板溫度被維持在玻璃轉變溫度Tg之上(例如，40－50℃)，其引起側填滿材料將會在彈性狀態以柔軟化且順應LED及防止空隙的形成。隨後，側填滿層被允許在大約玻璃轉變溫度(例如，200℃)固化約1－2小時以使其硬化。其後，子基板130可被劃線並單分切割以形成就像圖2E中圖解的LED 140。
在另一實施例中，生長基板102直到晶圓被分成個別晶粒且被安裝至子基板130後才被移除，就像圖5A、5B、與5C中圖解的。就像圖5A中顯示的，有LED GaN層104的藍寶石基板102被劃線並被分成個體晶粒150。劃線與分開可使用例如使用側填滿120中區域122作為引導而切割穿過藍 寶石基板102的一鋸而完成。其後，個別晶粒150被安裝至子基板130，就像上面描述的。一旦晶粒150被安裝至子基板130，藍寶石基板102可被上面的描述剝離且就像圖5B中圖解的。其後，子基板130被單分切割以形成LED 140，就像圖5C中圖解的。
在另一實施例中，側填滿可被沈積在子基板上而不是GaN層上。圖6A－6E係安裝GaN LED至有一側填滿塗佈的一子基板的一過程的簡化橫截面圖。
圖6A圖解一子基板202的一部分，其有含凸塊206的接合金屬圖案204。作為例子，有Au接合金屬圖案204與Au凸塊206的一矽子基板202可被使用。另一選擇是，如果需要，可使用其他材料。一側填滿層210被沈積在子基板202、接合金屬圖案204與凸塊206上。就像上面討論的，側填滿層210可被圖案化，例如，使用模板印刷術或網版印刷術，因此區域，諸如LED晶粒被分開的區域，沒有側填滿材料。由於側填滿210在接合LED至子基板之前被施加，所有適當的材料可被使用於側填滿210而不取決於在傳統側填滿情況下需要的流動特性。比如，一基於高分子聚醯亞胺的材料，其有高玻璃轉變溫度，可被用作側填滿層210。這樣的材料將幫助裝置耐受高溫/高電流條件而不會使薄LED變形。側填滿材料應該有B－階段固化特性以便既黏附至LED又支撐晶圓表面。此外，如果需要，可使用一無機絕緣體材料。就像圖6B中圖解的，側填滿層210被往回拋光直到曝露金屬連接，例如，凸塊206。
具有一LED GaN層232與若干接觸件234的一生長基板230被分成個別LED晶粒235，其等其後被安裝在有側填滿層210的子基板202上，就像圖6C中圖解。LED晶粒234上的接觸件被直接地超音波或超音波熱焊至子基板130上相應的接合凸塊206，就像上面描述的。一旦安裝好，生長基板230被移除，例如，使用一雷射剝離過程，導致圖6D中顯示的圖解結構。其後，子基板202被單分切割以形成LED 240，就像圖6E中圖解的。
圖7A－7D圖解按照另一實施例被安裝至一子基板的有一圖案化側填滿層的晶圓級LED。
圖7A是有一圖案化側填滿層310的晶圓級LED 300的部分的一簡化橫截面圖，及圖7B是晶圓級LED 300的底部表面順著圖7A中顯示的線AA的一平面圖。晶圓級LED 300包含一生長基板302連同LED層304與接觸件306。例如，使用模板印刷術或網版印刷術沈積側填滿層310，以形成一曝露LED層304的底部表面上的接觸件306的圖案並被固化。側填滿圖案匹配在子基板320上存在的接觸件322的圖案，就像可在圖7C中看到的，因此僅有LED將被附接的區域是曝露的。
如圖7C與7D中圖解的，晶圓級LED 300以晶圓級被安裝於有接觸件322的一子基板320。晶圓級LED 300被例如以超音波或超音波熱的方式安裝至子基板320，以接合LED層304上接觸件306與子基板320上的接觸件322，就像上面描述的。其後，生長基板302可被剝離，例如，使用一雷 射剝離過程，且LED單分切割成個體晶粒。
圖8A－8G圖解另一實施例，其中個體LED晶粒被安裝至一側填滿層已被沈積於其上的一子基板。圖8A是有接觸件404的一子基板402的部分的一簡化橫截面圖。圖8B是子基板402的頂部表面順著圖8A中顯示的線BB的一平面圖。就像圖8C中圖解的，一側填滿層410被沈積在子基板402上面且尤其是被圖案化以覆蓋接觸件404。一旦側填滿層410固化，側填滿層410被往回拋光以曝露接觸件404，就像圖8D與8E中圖解的，圖8E圖解子基板402的另一平面圖。
LED晶粒420，每個都包含一生長基板422、LED層424與LED層424的底部表面上的接觸件426，其後個體地被安裝至子基板402，就像如8F中圖解的。一旦安裝好，生長基板422可被剝離，就像圖8G中圖解的，且子基板402可被單分切割以形成就像上面描述的個體LED元件。
儘管本發明為了指導目的結合特定實施例而說明，但本發明並不限制於此。在不脫離本發明的範疇下可做出不同的調適與修飾。因此，附加請求項的精神與範疇不應限制於前面的描述。
10‧‧‧GaN LED
12‧‧‧子基板
14‧‧‧金屬襯墊
16‧‧‧電極
18‧‧‧LED層
20‧‧‧金柱凸塊
22‧‧‧側填滿
22a‧‧‧區域
22b‧‧‧LED裝置頂部
24‧‧‧生長基板
100‧‧‧晶圓級LED結構
102‧‧‧生長基板
104‧‧‧GaN LED層
104a‧‧‧作用層
104p‧‧‧p型GaN層
104n‧‧‧n型GaN層
108‧‧‧接觸件
108n‧‧‧n－接觸件
108p‧‧‧p－接觸件
110‧‧‧柱凸塊
120‧‧‧側填滿
122‧‧‧區域
125‧‧‧晶粒
130‧‧‧子基板
132‧‧‧金屬圖案
140‧‧‧LED
150‧‧‧晶粒
202‧‧‧子基板
204‧‧‧金屬圖案
206‧‧‧凸塊
210‧‧‧側填滿層
230‧‧‧生長基板
232‧‧‧LED GaN層
234‧‧‧接觸件
235‧‧‧LED晶粒
240‧‧‧LED
300‧‧‧晶圓級LED
302‧‧‧生長基板
304‧‧‧LED層
306‧‧‧接觸件
310‧‧‧側填滿層
320‧‧‧子基板
322‧‧‧接觸件
402‧‧‧子基板
404‧‧‧接觸件
410‧‧‧側填滿層
420‧‧‧LED晶粒
422‧‧‧生長基板
424‧‧‧LED層
426‧‧‧接觸件
圖1A－1D是安裝LED至一子基板，接著注入一側填滿並移除藍寶石生長基板之過程的簡化橫截面圖。
圖2A－2E是按照本發明的一實施例自晶圓級的LED移除生長基板並安裝LED至一子基板的一過程的簡化橫截面圖。
圖3圖解包含一藍寶石生長基板與GaN層的LED結構的一部分。
圖4A與4B圖解在晶圓級之LED的一部分上面的側填滿材料的沈積。
圖5A－5C是安裝LED至一子基板並在LED被安裝至子基板後移除該生長基板的簡化橫截面圖。
圖6A－6E是安裝LED至有一側填滿塗佈之一子基板的一過程的簡化橫截面圖。
圖7A－7D圖解另一實施例，其中有一圖案化側填滿層的晶圓級LED被安裝至一子基板。
圖8A－8G圖解另一實施例，其中個體LED晶粒被安裝至一側填滿層已經被沈積於其上的一子基板。
100‧‧‧晶圓級LED結構
102‧‧‧生長基板
104‧‧‧GaN LED層
108‧‧‧接觸件
108n‧‧‧n－接觸件
108p‧‧‧p－接觸件
110‧‧‧柱凸塊
120‧‧‧側填滿
125‧‧‧晶粒
130‧‧‧子基板
132‧‧‧金屬圖案
140‧‧‧LED

Claims (13)

  1. 一種製造一發光二極體(LED)結構的方法，其包括：在一生長(growth)基板上形成複數個LED層，該等LED層包含一n型層、一作用層、及一p型層；在該等LED層的一底部表面上形成複數個金屬接觸件；在該等LED層的該底部表面上沈積一側填滿(underfill)層；自該等LED層移除該生長基板，其中該側填滿層係該等LED層之主要支撐；及於移除該生長基板之後，安裝該等LED層至一子基板，其中該子基板在一頂部表面上具有金屬接觸件，其中該等LED層之該底部表面上之該等金屬接觸件與該子基板之該頂部表面上的該等金屬接觸件接觸，且該側填滿層係在該等LED層之該底部表面與該子基板之該頂部表面之間。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括在安裝該等LED層至該子基板之前將該等LED層分成個體晶粒。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包括單分切割安裝至該子基板的該等LED層以形成複數個個體元件。
  4. 如請求項1之方法，其中沈積一側填滿層在該等LED層的該底部表面上包括：沈積該側填滿層在該等LED層的該底部表面上的該等金屬接觸件上面，並往回拋光該側填滿層直到曝露該等LED層的該底部表面上該等金屬接觸 件的至少一部分。
  5. 如請求項1之方法，其中該側填滿層包括一基於聚醯亞胺的材料。
  6. 一種製造一發光二極體(LED)結構的方法，其包括：在一生長基板上形成包含一n型層、一作用層、及一p型層的複數個LED層；在該等LED層的一底部表面上形成複數個金屬接觸件；沈積一圖案化側填滿層在該等LED層的該底部表面與一子基板的該頂部表面的至少一者上；自該等LED層移除該生長基板，其中該側填滿層係該等LED層之主要支撐；及於移除該生長基板之後，安裝該等LED層至該子基板，其中該子基板在一頂部表面上具有金屬接觸件，其中該等LED層之該底部表面上之該等金屬接觸件與該子基板之該頂部表面上的該等金屬接觸件接觸且該側填滿層係在該等LED層之該底部表面與該子基板之該頂部表面之間。
  7. 如請求項6之方法，其中使用模板印刷術與網版印刷術之一者沈積該側填滿層，以圖案化該側填滿層。
  8. 如請求項6之方法，其中該側填滿層包括一基於聚醯亞胺的材料。
  9. 一種製造一發光二極體(LED)結構的方法，其包括：在一生長基板上形成包含一n型層、一作用層、及一p 型層的複數個LED層；在該等LED層的一底部表面上形成複數個金屬接觸件；在該等LED層的該底部表面上沈積一側填滿層，該側填滿層覆蓋與該等LED層的該底部表面關聯的該等金屬接觸件；往回拋光該側填滿層直到曝露該等覆蓋的金屬接觸件的至少一部分；自該等LED層移除該生長基板，其中該側填滿層係該等LED層之主要支撐；及於移除該生長基板之後，安裝該等LED層至該子基板，其中該子基板在一頂部表面上具有金屬接觸件，其中該等LED層之該底部表面上之該等金屬接觸件與該子基板之該頂部表面上的該等金屬接觸件接觸且該側填滿層係在該等LED層之該底部表面與該子基板之該頂部表面之間。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包括在安裝該等LED層至該子基板之前將該等LED層分成個體晶粒。
  11. 如請求項9之方法，其進一步包括單分切割安裝至該子基板的該等LED層以形成複數個個體元件。
  12. 如請求項9之方法，其中沈積一側填滿層在該等LED層的該底部表面上包括：將該等LED層的該底部表面上的該側填滿層圖案化。
  13. 如請求項12之方法，其中使用模板印刷術與網版印刷術 之一者沈積該側填滿層，以將該側填滿層圖案化。
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