TWI524548B - Ｌｅｄ搭載用晶圓及其製造方法、及使用該晶圓之ｌｅｄ搭載構造體 - Google Patents

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Description

LED搭載用晶圓及其製造方法、及使用該晶圓之LED搭載構造體
本發明係關於一種LED搭載用晶圓及其製造方法、及使用該晶圓之LED搭載構造體。
發光二極體(LED)係一旦將順向電流流入半導體之pn接合時而進行發光之元件，使用GaAs、GaN等之III-V族半導體結晶所製造。近年來，隨著半導體磊晶成長技術與發光元件製程技術之進步，開發出轉換效率優異的LED，已被泛用於各式各樣之領域。
LED係由使III-V族半導體結晶磊晶成長於單晶成長基板上的p型層與n型層及被二者所挾住的光活性層所構成。一般而言，使III-V族半導體結晶磊晶成長於單晶藍寶石等之成長基板上之後，裝設電極等所形成(專利文獻1)。
使III-V族半導體結晶磊晶成長於單晶成長基板上之情形，由於單晶成長基板與III-V族半導體結晶之晶格常數不同，難以使良好之LED成長。因此，有人提案如下之方法：於低溫、在單晶成長基板上形成GaN等之緩衝層，使GaN成長於其上(專利文獻2)。
另一方面，單晶成長基板係具有熱傳導性不佳之課題。單晶藍寶石之情形，熱傳導係數約為40W/mK，無法將在III-V族半導體元件所發生的熱充分散熱。尤其，流通大電流的高輸出LED之情形，具有元件之溫度將上升而引起發光效率降低或元件壽命降低之課題。因此，有人提案如下之方法：使III-V族半導體結晶磊晶成長於單晶成長基板上之後，再使金屬層介於中間而接合高熱傳導性基板，其後，去除單晶成長基板(專利文獻3)。此情形下，雖然有人探討作為高熱傳導性基板係具優越之熱傳導性的銅等之材料，但是與III-V族半導體結晶之線熱膨脹係數差為大的，作為高輸出LED用則尚未充分滿足。
專利文獻1：日本專利特開2005-117006號公報
專利文獻2：日本專利特公平5-73252號公報
專利文獻3：日本專利特開2006-128710號公報
本發明之目的在於提供一種與LED之線熱膨脹係數差為小的、且具優越之熱傳導性的LED搭載用晶圓、此LED搭載用晶圓之製造方法、及使用此LED搭載用晶圓所製造的LED搭載構造體。
本發明係一種LED搭載用晶圓(以下，簡稱為「晶圓」。)6，其特徵為由含浸金屬的陶瓷複合體61與在其周圍所形成的保護層62所構成(參照第1圖)。
於本發明之晶圓中，較佳為下列之形態：含浸金屬的陶瓷複合體係含有由碳化矽、氮化鋁、氮化矽、鑽石及石墨之中所選出的一種以上，由在氣孔率為10～50體積%之多孔體或粉末成形體中含浸有金屬而成之物，板厚為0.05~0.5mm、表面粗糙度(Ra)為0.01~0.5μm、3點彎曲強度為50MPa以上、溫度25℃之熱傳導係數為150~500W/mK、溫度25℃~150℃之線熱膨脹係數為4~9×10-6/K、體積電阻係數(volume resistivity)為10-9~10-5Ω‧m。
另外，於本發明之晶圓中，較佳為下列之形態：保護層係由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W與Mo之中所選出的一種以上之金屬，或是由氣孔率為3%以下之氧化鋁、莫來石、氮化鋁及氮化矽之中所選出的一種以上之陶瓷所構成，保護層之厚度為3mm以下(不含0)、保護層之體積佔有率為20體積%以下(不含0)。
再者，於本發明之晶圓中，較佳為下列之形態：含浸金屬的陶瓷複合體61係在表面具有厚度為0.5~10μm之由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt與Sn之中所選出的一種以上之金屬的薄層63(參照第4圖)。金屬薄層的厚度較佳為0.5~10μm；若低於0.5μm時，耐藥品性之提高效果將缺乏；若超過10μm時，擔憂表面粗糙度將增大。金屬薄層之形成係藉由無電解電鍍、電解電鍍等之電鍍法、蒸鍍法等所進行。
另外，本發明之晶圓的製造方法，其特徵為在金屬製或陶瓷製之管狀體內部，填充由陶瓷多孔體、陶瓷粉末成形體及陶瓷粉末所選出的至少一種後，使金屬含浸於由此等之陶瓷多孔體、陶瓷粉末成形體及陶瓷粉末所選出的至少一種所具有的空隙部後，進行加工。
另外，本發明之晶圓的製造方法，其特徵為使金屬含浸於陶瓷多孔體或陶瓷粉末成形體的空隙部中之後，在其側面部形成金屬層後而進行加工，或是於加工後形成保護膜。
另外，本發明係一種LED搭載構造體，從本發明之晶圓之含浸金屬的陶瓷複合體61之部分所切割出，在由至少一片而成之LED搭載用基板5的至少一面上，依序具有金屬薄層51(或是金屬薄層51及反射層之金屬層31)、反射層3、LED 2與透明導電層4，在透明導電層4裝設有電極(未以圖示)所構成(參照第3圖、第6圖)。
若根據本發明之晶圓，提供了一種與LED之線熱膨脹係數差為小的晶圓。構成本發明晶圓之含浸金屬的陶瓷複合體，成為從其部分切割出至少一片而成為LED搭載用基板。而且，在此LED搭載用基板上搭載有LED而成為本發明之LED搭載構造體。另外，本發明之晶圓係具優越之對製造本發明之LED搭載構造體時所使用的酸及鹼之耐藥品性，而且，因為導電性大而使電極之形成等成為容易。另外，本發明之LED搭載構造體係具優越之散熱性、信賴性的高輸出者，使每單位面積之發生量的增加成為可能。若根據本發明之晶圓的製造方法，能夠容易製造本發明之晶圓。
[發明之實施形態]
本發明之LED搭載構造體能夠進行例如以下的方式來經由下列步驟而製造：使LED磊晶成長於單晶成長基板之表面(甲步驟)、接合該表面與本發明之晶圓而製造接合體(乙步驟)、從此接合體而去除單晶成長基板之部分來製造中間構造體(丙步驟)、在此中間構造體中形成透明導電層與電極等而進行切斷(丁步驟)。以下，一面參照圖面，一面進行說明。
(甲步驟)此步驟係使LED磊晶成長於單晶成長基板表面之步驟。具體而言，於單晶成長基板1之表面上形成n型III-V族半導體的緩衝層11或無機化合物的表面塗布層12之後，使LED 2磊晶成長(參照第2圖、第5圖)。
單晶成長基板1係使用與LED之晶格常數差為小的，且缺陷少者。基於確保LED之結晶性與均一性，提高對於磊晶成長時之氣體環境的耐久性之觀點，單晶成長基板較佳為單晶藍寶石、單晶碳化矽、單晶GaAs、單晶Si中任一種。單晶成長基板之厚度較佳為0.1～1.0mm。另外，基於減低與LED的晶格常數的差之觀點，單晶成長基板1較佳為在其表面上具有由GaN、GaAs或GaP中任一種所構成的緩衝層11。緩衝層之厚度較佳為0.1～0.8μm。另外，為了使單晶成長基板的晶格常數盡可能接近LED本身，單晶成長基板1較佳為在其表面具有由AlN、SiC、GaN及GaAs所選出的至少一種無機化合物所構成的表面塗布層12。表面塗布層之厚度較佳為0.1～0.8μm。
LED 2通常為n型III-V族半導體層21、發光層22、p型III-V族半導體層23所構成，但是本發明並不受此構造所限定。如此之LED能夠藉由例如有機金屬氣相成長法(MOCVD法)、鹵化物氣相磊晶法(HVPE法)等而使其磊晶成長來形成。若根據MOCVD法，能夠使結晶性良好的LED成長；若根據HVPE法，因為結晶成長速度為快的，能夠效率佳地使LED成長。使其磊晶成長之LED係為了進一步使發光特性提高，也能夠蝕刻其表面或實施研磨等之處理。LED之厚度較佳為0.6～15μm。n型III-V族半導體層21、發光層22、p型III-V族半導體層23之厚度一般分別約為0.3～10μm、0.1～0.5μm、0.3～10μm。
(乙步驟)此步驟係進行如上方式而製造在單晶成長基板上使其磊晶成長之LED 2、與本發明之晶圓6的接合體之步驟。具體而言，於LED之p型III-V族半導體層23之表面上形成由金屬而成之反射層3(參照第2圖)之後，必要時，於此反射層3之表面上進一步形成金屬層31(參照第5圖)之後，與本發明之接合相接合。針對本發明之晶圓，敘述如後。接合係本發明晶圓之含浸金屬的陶瓷複合體61，或是在其表面所形成的金屬之薄層63的表面上，於形成由金屬而成之反射層3(或是反射層3與金屬層31)之後，使此反射層3之部分(或金屬層31之部分)、與上述反射層3或上述金屬層31面接觸而進行加熱。藉由加熱而使二片反射層3彼此(或二片金屬層31彼此)予以一體化，成為一片反射層3(或是一片反射層3與一片金屬層31)(參照第6圖)。加熱較佳於20MPa以下，一面加壓一面進行。加熱溫度係根據反射層3、反射層之金屬層31、金屬之薄層63的種類而定，從250～550℃之範圍來加以選擇。
反射層3與金屬之薄層63為由同種金屬所構成之時，反射層之金屬層31並無必要；由異種金屬所構成之時，在反射層3之表面上較佳具有金屬之薄層63與同種的反射層之金屬層31。針對反射層3、反射層之金屬層31之形成，採用蒸鍍法、濺鍍法等。此等層之金屬種較佳為銦、鋁、金、銀及此等之合金。尤其，反射層3與金屬之薄層63較佳為同種的金屬種所構成。因為反射層3、反射層之金屬層31之厚度係於極端厚時，具有黏著性降低之憂慮，較佳分別為0.5～10μm，尤以分別為0.5～2μm特別理想。即使於此等之厚度內，反射層3之厚度係與金屬之薄層63的厚度相同，或是較佳為10%以內之較厚或較薄者。金屬之薄層63的厚度係如上所述。
(丙步驟)此步驟係從上述接合體，去除單晶成長基板1、緩衝層11及表面塗布層12之步驟。單晶成長基板之去除係從單晶成長基板側，藉由雷射照射、研磨、蝕刻等所進行。緩衝層係藉由蝕刻等所去除，表面塗布層係藉由磨削加工等所去除。藉由此步驟，接合體係變成符號2、3(或是3與31)、6而成之中間構造物。
(丁步驟)此步驟係於表面加工上述中間構造物所露出的n型III-V族半導體層21之後，形成透明導電層4與在此透明導電層中之電極(未以圖示)之後，切斷成所期望形狀而製造本發明之LED搭載構造體(參照第6圖)。藉由此切斷，含浸金屬的陶瓷複合體61係成為LED搭載用基板5，金屬之薄層63係成為LED搭載用基板表面之金屬薄層51。
n型III-V族半導體層21之表面加工較佳為藉由ICP乾蝕刻等而進行，藉此，對適合於透明導電層形成之表面予以平坦化。透明導電層係用以分散電流所形成，藉由電子束蒸鍍法、濺鍍法等而形成0.05～0.8μm之厚度。透明導電層之材質較佳為由氧化銦錫、氧化鎘錫、氧化銦鋅、氧化鋁鋅、氧化錫鋅、氧化錫銻所選出的至少一種金屬。針對電極之形成，採用蒸鍍法、濺鍍法等。電極材料係由Au、Ag、Al等所選出。切斷係藉由雷射切割、切粒等所進行。
於本發明中，從含浸金屬的陶瓷複合體之部分最初預先切割出至少一片(亦即，LED搭載用基板5)，即使使用此基板而進行按照上述步驟之操作(但是，丁步驟之切斷操作成為不需要。)，能夠製造本發明之LED搭載構造體。但是基於生產性之觀點，較佳為依照上述步驟。
接著，針對本發明之晶圓與其製造方法加以說明。
本發明之晶圓6係由含浸金屬的陶瓷複合體61與在其周圍所形成的保護層62所構成。搭載有LED之基板係從上述含浸金屬的陶瓷複合體之部分所切割出的至少一片，亦即搭載用基板5。基於此觀點，本發明之晶圓係發揮作為LED搭載用基板之母材的功能。
首先，針對含浸金屬的陶瓷複合體61加以說明。LED搭載用基板之必要的要件為：(a)具有經得起接合使LED磊晶成長的單晶成長基板與LED搭載用基板之際的強度；(b)在接合面無孔隙或污染物等之夾雜物，使接合面成為平坦；(c)散熱性良好；(d)具有適度之熱傳導係數與線熱膨脹係數。(a)係藉由使含浸金屬的陶瓷複合體之3點彎曲強度成為50MPa以上；(b)係藉由使含浸金屬的陶瓷複合體之表面粗糙度(Ra)成為0.01～0.5μm；(c)係藉由使含浸金屬的陶瓷複合體之板厚成為0.05～0.5mm；而且(d)係藉由使用含有由碳化矽、氮化鋁、氮化矽、鑽石及石墨之中所選出的1種以上，使金屬含浸於氣孔率為10～50體積%之陶瓷多孔體或陶瓷粉末成形體中所製造的含浸金屬的陶瓷複合體，而能夠使其滿足。
含浸金屬的陶瓷複合體之較佳含浸金屬的種類係以鋁作為主要成分之鋁合金，特別理想之3點彎曲強度為200～400MPa，特別理想之表面粗糙度(Ra)為0.01～0.2μm，特別理想之板厚為0.08～0.3mm，特別理想之上述陶瓷多孔體的氣孔率為15～35體積%。另外，含浸金屬的陶瓷複合體之較佳的熱傳導係數為150～500W/mK(溫度25℃)。另外，較佳的線熱膨脹係數為4～9×10-6/K(溫度25～150℃)，特別理想之線熱膨脹係數為4.5～8×10-6/K(溫度25～150℃)。另外，含浸金屬的陶瓷複合體之較佳的體積電阻係數為低於10-5Ω‧m。
若含浸金屬的陶瓷複合體之3點彎曲強度低於50MPa時，具有無法承受在製造LED搭載構造體之各步驟所產生的應力之憂慮。若表面粗糙度(Ra)低於0.01μm時，擔憂加工將成為困難，與成本增加有關；若超過0.5μm時，擔憂與LED之黏著性將降低。若板厚低於0.05mm時，在製造LED搭載構造體之各步驟的操作將變得困難；若超過0.5mm時，對最終形狀之加工費用將增加。若上述陶瓷多孔體之氣孔率低於10體積%(金屬低於10體積%)時，熱傳導係數將變小；若超過50體積%時(金屬超過50體積%)時，擔憂含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數將變大。
若含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數(溫度25～150℃)超過4～9×10-6/K之範圍時，擔憂因與LED之線熱膨脹係數差而於接合後發生彎曲，或是擔憂於作為LED搭載構造體使用之際，接合層中將剝離，甚至LED將裂開。另外，若熱傳導係數(溫度25℃)低於150W/mK時，無法充分散發在LED所發生的熱，尤其，必須流通大電流的高輸出LED之情形，擔憂LED之溫度將提高，引起發光效率的降低、伴隨於此之元件壽命的降低。雖然也可以超過500W/mK，但是晶圓將變得昂貴。若體積電阻係數為10-5Ω‧m以上時，擔憂引起發光效率之降低等，基於材料取得容易性之觀點，體積電阻係數之下限值較佳為10-9Ω‧m。
含浸金屬的陶瓷複合體之3點彎曲強度能夠根據碳化矽、氮化鋁、氮化矽、鑽石及石墨之粒度及其含量而使其增減，表面粗糙度(Ra)與板厚能夠根據加工條件而使其增減。熱傳導係數與線熱膨脹係數能夠根據上述陶瓷多孔體或上述陶瓷粉末成形體之氣孔率、金屬之種類與其含量等而使其增減。體積電阻係數能夠根據含浸金屬之種類與含量而使其增減。
因為含浸金屬的陶瓷複合體係其本身具有導電性而使LED中形成電極成為容易。在藍寶石基板等之單晶成長基板上，利用蝕刻等而去除LED之上部後，必須在同一面側形成電極，若使用從含浸金屬的陶瓷複合體所切割出的片狀基板(LED搭載用基板)，此操作變得不需要。其結果，能夠使LED之每單位面積的發光量增加。
除了上述要件(a)～(d)之外，LED搭載用基板(亦即，從本發明晶圓之含浸金屬的陶瓷複合體部分所切割出的片狀基板)5較佳為具優越之耐藥品性。於此，所謂耐藥品性係指1分鐘浸漬於溫度25℃之5當量濃度(N)的HCl水溶液中或溫度75℃之10當量濃度的NaOH水溶液中之時，相對於任一種藥品，每單位面積之質量減少量皆為0.2mg/cm2以下，尤其0.1mg/cm2以下特別理想。若質量減少量超過0.2mg/cm2時，於LED搭載構造體之製造步驟中，LED搭載用基板之金屬成分將溶出，熱傳導係數等將降低，於利用雷射切割、切粒等而切斷成既定形狀之際，擔憂缺口將發生，LED搭載構造體的良率將降低等之不當情形將發生。
耐藥品性之賦予能夠藉由在LED搭載用基板5中形成金屬薄層51而進行。另外，因為在晶圓6之側面具有保護層62，其保護層特別係由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W與Mo之中所選出的一種以上之金屬，或是由氧化鋁、莫來石、氮化鋁及氮化矽之中所選出的一種以上之氣孔率為3%以下之陶瓷，尤其氣孔率為3%以下之氧化鋁、莫來石之時，賦予更高的耐藥品性。
保護層62之厚度較佳為3mm以下(不含0)，保護層之體積佔有率較佳為20體積%以下(不含0)。針對保護層厚度之下限與體積佔有率之下限，並無特別之限制，最好為能夠保護來自加工含浸金屬的陶瓷複合體時的撞擊等之外在要因的厚度。另一方面，若厚度超過3mm或體積佔有率超過20體積%時，因為晶圓之含浸金屬的陶瓷複合體之部分將變少，擔憂本發明之LED搭載構造體的良率將降低，進一步根據含浸金屬的陶瓷複合體與保護層之線熱膨脹係數而發生剝離。特別理想的保護層之厚度為0.002～2mm，特別理想之體積佔有率為0.1～15體積%。
含浸金屬的陶瓷複合體能夠藉由含浸法、粉末冶金法等之中任一種方法而製造。若根據含浸法，容易得到較高的熱傳導係數。含浸法也具有常壓下進行之方法、與高壓下進行之方法(高壓鍛造法)，其高壓鍛造法中具有熔融鍛造法與壓鑄法。如本發明的方式，針對在含浸金屬的陶瓷複合體之周圍形成保護層，熔融鍛造法特別理想。另外，熔融鍛造法係於高溫、高壓下，將陶瓷粉末、陶瓷粉末成形體或陶瓷多孔體裝填於高壓容器內，將鋁合金等之熔融金屬含浸於此等之空隙部中之方法。
以下，針對熔融鍛造法而更詳細加以說明。
基於熱傳導係數高、線熱膨脹係數小之觀點，陶瓷較佳為由碳化矽、氮化鋁、氮化矽、鑽石及石墨之中所選出的1種以上。能夠根據陶瓷之種類、金屬之種類、此等之構造比率而調整熱傳導係數與線熱膨脹係數。
陶瓷可以為粉末原狀態，也可以與金屬複合化，使用陶瓷粉末與例如甲基溶纖素、二氧化矽溶膠等之黏著劑而作成陶瓷粉末成形體，較佳為進一步燒結此陶瓷粉末成形體而作成氣孔率為10～50體積%之陶瓷多孔體。此等之形狀為板狀、圓柱狀等，並無特別之限制。陶瓷粉末成形體之成形方法能夠採用壓縮成形、澆鑄成形等之一般陶瓷粉末之成形方法。陶瓷多孔體之氣孔率的調整能夠根據陶瓷粉末之粒度、成形壓力、燒結條件等而進行。
接著，於將由陶瓷粉末、陶瓷粉末成形體、及陶瓷多孔體所選出的至少一種填充於金屬製或陶瓷製之管狀體內部後，利用脫模劑所塗布的夾具等以固定其填充物之一個或二個以上。例如，挾住塗布有脫模劑之例如不銹鋼板、陶瓷板等之脫模板而積層此等填充物之複數個，利用金屬製、陶瓷製等之螺栓-螺帽等而連結來作成積層體。針對脫模劑而使用石墨、氮化硼、氧化鋁等。
所得到的積層體係於溫度約600～800℃加熱後，於高壓容器內配置一個或二個以上，倒入已加熱至約熔點以上之熔融金屬，以30MPa以上之壓力進行加壓，使金屬含浸於具有由陶瓷粉末、陶瓷粉末成形體、及陶瓷多孔體所選出的至少一種之空隙部中。藉此而成為含浸金屬的陶瓷複合體。含浸金屬的陶瓷複合體也能夠進行退火處理而去除含浸時之歪斜。若加熱溫度低於溫度600℃、或是含浸時之壓力低於30MPa時，擔憂含浸金屬的陶瓷複合體之熱傳導係數將降低。另外，若溫度超過800℃時，擔憂將引起陶瓷之表面氧化，此又使熱傳導係數特性化。特別理想之含浸壓力為50～150MPa。
進行含浸金屬的陶瓷複合體之含浸的金屬較佳為鋁合金、鎂合金、銅合金、矽合金。特別理想為含有70質量%以上之鋁的鋁合金。若鋁之含量低於70質量%時，熱傳導係數未大幅提高。另外，為了使鋁合金充分滲透空隙內，熔點較佳為盡量的低。如此之鋁合金係例如含有5～25質量%之矽的鋁合金。另外，藉由使鎂含有5質量%以下，陶瓷與金屬之鍵結將變得更牢固而較佳。
使用旋轉盤、圓筒磨削盤等，另外必要時，使用鑽石磨石而使所得到的含浸品在含浸金屬的陶瓷複合體之周圍的管狀體加工成露出的圓柱狀。晶圓之構造也根據管狀體之內徑尺寸等而進行調整，利用此加工時之磨削量而調整圓柱體之外徑尺寸等，最終之晶圓形狀將被調整。亦即，決定保護層之厚度、體積佔有率。
上述方法係使用管狀體而使其形成保護層，此外，也可以首先使金屬含浸於陶瓷多孔體或陶瓷粉末成形體的空隙部中之後，在其側面形成保護層之方法。亦即，於600～800℃加熱陶瓷粉末成形體或陶瓷多孔體後，於高壓容器中配置一個或二個以上，置入已加熱至熔點以上之熔融金屬，以30MPa以上之壓力進行加壓，使金屬含浸於陶瓷粉末成形體或陶瓷多孔體之空隙部中。使用旋轉盤、圓筒磨削盤等，另外必要時，使用鑽石磨石而使所得到的含浸品加工成圓柱狀。之後，在其周圍(側面)，藉由電鍍、蒸鍍、濺鍍而形成由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W及Mo之中所選出的一種以上之保護層。
之後，藉由多線鋸機、內圈刀刃切斷機等而將利用上述任一種方法所製造的圓柱體切斷成較晶圓之最終形狀還厚約0.1～0.5mm的板厚之後，表面修飾後而成為本發明之晶圓。如上所述，本發明之晶圓也可以具有由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt及Sn之中所選出的一種以上之金屬的薄層63。於切斷方法中，並無特別之限定，較佳為切斷費用少、適合於量產性之多線鋸機。針對表面修飾，使用雙面磨削盤、旋轉磨削盤、平面磨削盤、拋光盤等之加工機，較佳進行面加工成板厚為0.05～0.5mm、表面粗糙度(Ra)為0.01～0.5μm。於LED搭載構造體之製造步驟中，將本發明之晶圓與LED接合後而進行研磨加工之情形，也具有僅在單面(接合面)予以面加工。
[實施例] 實施例1
＜晶圓之製造＞
利用攪拌混合機，30分鐘混合市售之碳化矽(SiC)粉末A(平均粒徑200μm)1800g、碳化矽粉末B(平均粒徑20μm)900g、碳化矽粉末C(平均粒徑2μm)300g、及成形黏著劑(甲基溶纖素、信越化學工業公司製、「Metolose」)150g後，以晶面壓力10MPa壓縮成形Φ55mm×110mm之尺寸的圓柱狀後，以成形壓力100MPa進行CIP成形而製造成形體。於一大氣壓中、溫度600℃，進行該成形體之2小時脫脂後，於氬氣環境中，於溫度2100℃燒結2小時之後，在機械加工中心，藉由鑽石製之磨石，使外形尺寸加工成Φ48.8mm×100mm之形狀而製造陶瓷多孔體(氣孔率：20%)。
將此陶瓷多孔體插入氧化鋁管(外徑尺寸：Φ52.3mm×100mm、內徑尺寸：Φ49mm×100mm)後，插入塗布有氮化硼製脫模劑的筒狀石墨夾具(外形尺寸：70mm×70mm×100mm、內徑尺寸：Φ52.5mm×100mm)中而作成構造體。挾住脫模板(70mm×100mm×0.8mm之不銹鋼板上塗布有石墨製脫模劑之物)而積層4個此構造體，將12mm厚之鐵板配置於兩側，利用8支螺栓連接而作成一個積層體(140.8mm×140.8mm×100mm)。
於電爐內，將此積層體已預熱至溫度700℃之後，收納於已預先加熱的壓縮模具(內徑Φ400mm×300mm)內，注入熔融的鋁合金(合金組成：Si 12質量%、Mg 1質量%、Al 87質量%、溫度：800℃)，於100MPa之壓力下，加壓25分鐘而含浸鋁合金。冷卻直到室溫之後，利用濕式帶狀鋸機而順著脫模板之形狀來剝離脫模板，利用旋轉盤而去除石墨夾具部分之後，於530℃之溫度，進行3小時退火處理而去除歪斜來製造含浸品(Φ52mm×100mm之圓柱體)。
從此含浸品，藉由磨削加工而切割出線熱膨脹係數測定用試驗體(Φ3mm×10mm)、熱傳導係數測定用試驗體(25mm×25mm×1mm)、3點彎曲強度測定用試驗體(3mm×4mm×40mm)、體積電阻係數測定用試驗體(40mm×40mm×5mm)；藉由熱膨脹計(Seiko電子工業公司製；TMA300)而測定溫度25℃～150℃之線熱膨脹係數；藉由雷射閃光法(ULVAC公司製；TC3000)而測定在溫度25℃之熱傳導係數；藉由彎曲強度測試機而測定3點彎曲強度；藉由4端子法(依照JIS R1637)而測定體積電阻係數。其結果，線熱膨脹係數為5.1×10-6/K、熱傳導係數為250W/mK、3點彎曲強度為350MPa、體積電阻係數為8×10-7Ω‧m(表1)。
利用圓筒磨削盤，藉由鑽石之磨石而將上述含浸品進行外圍加工成Φ50.8mm×100mm之形狀後，利用多線鋸機，使用鑽石磨粒，以切斷切入速度0.2mm/min，切斷成板厚0.3mm之圓盤。將此圓盤，利用雙面磨削盤，使用＃600之鑽石磨石而進行磨削加工成板厚0.22mm之後，且利用拋光盤，使用鑽石磨石進行研磨加工直到板厚成0.2mm之後，於純水中，接著於異丙醇中進行超音波洗淨，乾燥後而製造本發明之晶圓(參照第1圖)。
＜晶圓之特性＞
此晶圓6之中心部分為含浸金屬的陶瓷複合體61，其周圍係由氧化鋁之保護層62而成者(參照第1圖)。利用表面粗糙度計所測出的表面粗糙度(Ra)為0.08μm，利用工廠顯微鏡所測出的氧化鋁之保護層厚度為0.9mm，保護層之體積佔有率為7.0%。
另外，在晶圓之上下面，藉由蒸鍍法而形成金屬之薄層63(厚度為0.5μm之Au層)(參照第4圖)，評估耐藥品性。耐藥品性係於溫度25℃之5當量濃度的HCl水溶液中浸漬1分鐘後，利用蒸餾水水洗後，進一步於溫度75℃之10N的NaOH水溶液中浸漬1分鐘後，利用蒸餾水水洗後而測定質量，算出每單位面積之質量減少量而進行。其結果，為0.01mg/cm2。
＜LED搭載構造體之製造＞
如第2圖所示，於板厚0.5mm之單晶成長基板(單晶藍寶石基板)1上，使用氨氣與三甲基鎵，將氫與氮之混合氣體作為載氣使用，藉由在溫度1100℃之MOCVD法，形成0.3μm之n型III-V族半導體的緩衝層(n型GaN緩衝層)11之後，磊晶成長4.1μm之LED 2。LED係由2μm之n型III-V族半導體層(n型GaN半導體層)21、0.1μm之發光層(GaN發光層)22、及2μm之p型III-V族半導體層(p型GaN半導體層)23所構成。
接著，在各別的LED2之p型GaN半導體層23之表面、與上述所製造的本發明之晶圓6的表面上，真空蒸鍍成厚度2μm之銀/錫合金(Ag 3.5質量%、Sn 96.5質量%)之金屬層之反射層3。
使上述反射層3彼此面接觸而積層，於溫度400℃、5MPa之加壓下保持5分鐘。二片反射層係被熔融而成為一片反射層3。由所得到的接合體，從單晶成長基板(單晶藍寶石基板)側，照射輸出40MW/cm2之氮氣雷射而剝離單晶藍寶石基板1。另外，藉由此雷射照射，n型GaN緩衝層11被分解成Ga與氮，因所發生的氮氣而造成單晶藍寶石基板剝離。藉由此步驟，接合體變成由符號2、3、6而成之中間構造體。
其後，藉由蝕刻而去除所露出的n型GaN緩衝層11之後，在LED 2之表面上，使氧化銦錫(Sn 4.5質量%)之透明導電層4形成0.4μm之厚度。其後，在此透明導電層上蒸鍍Au而作為n型電極之後，藉由切粒而切斷成1mm×1mm來製造本發明之LED搭載構造體(參照第3圖，但是電極未以圖示)。
實施例2～5、比較例1～3
實施例2、3及比較例1、2係除了變更多線鋸機加工時之切斷寬度、變更各種板厚以外，進行相同於實施例1的方式來製造晶圓。另外，實施例4、5及比較例3係除了變更拋光盤加工時之鑽石的研磨粒粒度、變更表面粗糙度以外，進行相同於實施例1的方式來製造晶圓。將此等之結果顯示於表1。
實施例6～13
在實施例1所製造的晶圓上，利用顯示於表2之方法而形成各種的金屬之薄層63(參照第4圖)、評估耐藥品性。將此等之結果顯示於表2。
實施例14～22
在機械加工中心，使用鑽石製之磨石，將實施例1所製造的陶瓷多孔體(氣孔率：20%)加工成表3所示之外徑尺寸。將此等各自的陶瓷多孔體插入金屬製或陶瓷製之管狀體(外徑尺寸：Φ52.3mm×100mm、內徑尺寸：表3)後，使用氮化硼製脫模劑，置入筒狀之石墨夾具(外形尺寸：70mm×70mm×100mm、內徑尺寸：Φ52.5mm×100mm)而作成構造體。以後，進行相同於實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。之後，從此含浸金屬的陶瓷複合體，進行相同於實施例1的方式來以Φ50.8mm×0.2mm之形狀而製造在其周圍具有對應於金屬製或陶瓷製管狀體之保護層材質的晶圓。將此等之結果顯示於表3。
實施例23
除了於一大氣壓中、溫度600℃，進行實施例1之CIP成形體之2小時脫脂後，於氬氣環境中，於溫度2100℃燒結8小時之後，製造氣孔率為10%之陶瓷多孔體以外，進行相同於實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。其結果，含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為4.6×10-6/K、熱傳導係數為270W/mK、3點彎曲強度為320MPa、體積電阻係數為1.6×10-6Ω‧m。之後，從此含浸金屬的陶瓷複合體，進行相同於實施例1的方式來製造晶圓後，晶圓之表面粗糙度(Ra)為Ra 0.06μm、氧化鋁保護層的厚度為0.9mm、體積佔有率為7.0%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
實施例24
以晶面壓力30MPa來壓縮成形碳化矽粉末D(市售品：平均粒徑10μm)2000g、二氧化矽溶膠(日產化學公司製：Snowtex)300g之混合粉末成Φ52mm×100mm之尺寸的圓柱狀而製造成形體。除了於溫度120℃、乾燥1小時所得到的成形體後，於氮氣環境中，於溫度1400℃、燒結2小時而製造氣孔率為50%之陶瓷多孔體以外，進行相同於實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。其結果，含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為9.5×10-6/K、熱傳導係數為180W/mK、3點彎曲強度為500MPa、體積電阻係數為3×10-7Ω‧m。之後，從此含浸金屬的陶瓷複合體，進行相同於實施例1的方式來製造晶圓後，晶圓之表面粗糙度(Ra)為Ra 0.09μm、氧化鋁之保護層的厚度為0.9mm、體積佔有率為7.0%、耐藥品性為0.02mg/cm2。
實施例25
除了將碳化矽粉末D 138g、碳化矽粉末E(市售品：平均粒徑150μm)255g之混合粉末填充於氧化鋁管(外形尺寸：Φ52.3mm×100mm、內徑尺寸：Φ49mm×100mm)而作成陶瓷粉末成形體(氣孔率：35%)之後，插入筒狀石墨夾具而作成構造體以外，進行相同於實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。其結果，含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為7.5×10-6/K、熱傳導係數為210W/mK、3點彎曲強度為400MPa、體積電阻係數為5×10-7Ω‧m。之後，從此含浸金屬的陶瓷複合體，進行相同於實施例1的方式來製造晶圓後，表面粗糙度(Ra)為0.08μm、氧化鋁之保護層的厚度為0.9mm、體積佔有率為7.0%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
實施例26
(晶圓之製造)
在機械加工中心，使用鑽石磨石，將實施例1所製造的陶瓷多孔體之外形尺寸加工成Φ52mm×100mm之形狀後，塗布氮化硼之脫模劑，插入筒狀鐵製夾具(外形尺寸：70mm×70mm×100mm、內徑尺寸：Φ52.5mm×100mm)而作成構造體。挾住脫模板(70mm×70mm×0.8mm之不銹鋼板上塗布有石墨製脫模劑之物)而積層4個此構造體後成為積層體(140.8mm×140.8mm×100mm)，在此兩側挾住陶瓷板(厚度10mm)而配置鐵板(厚度12mm)，利用螺栓連結。以後，進行相同於實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。
利用圓筒磨削盤，使用鑽石之磨石而將所得到的含浸金屬的陶瓷複合體進行外圍加工成Φ50.8mm×100mm之圓柱形狀後，洗淨表面後，藉由NaOH溶液而蝕刻去除表面之鋁合金部，進行無電解電鍍，形成厚度10μm之Ni-P電鍍層。之後，利用多線鋸機，使用鑽石磨粒，以切斷切入速度0.2mm/min，進行圓柱狀之含浸金屬的陶瓷複合體切斷成板厚0.3mm之圓板狀。利用雙面磨削盤，使用#600之鑽石磨石而將圓板狀之含浸金屬的陶瓷複合體進行磨削加工成板厚0.22mm後，利用拋光盤，使用鑽石磨粒，直到板厚0.2mm為止進行研磨加工，於純水中，接著於異丙醇中進行超音波洗淨，乾燥後而製作中心部分為含浸金屬的陶瓷複合體61、其周圍為由金屬層(Ni)之保護層62所構成的晶圓6(參照第1圖)。此晶圓之表面粗糙度(Ra)為Ra 0.09μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
(LED搭載構造體之製造)
如第5圖所示，於板厚為0.5mm之單晶成長基板(單晶藍寶石基板)1上，利用CVD法而形成2μm之由SiC而成之表面塗布層12之後，使用氨氣與氯化鎵，將氫氣作為載氣使用，藉由在溫度1050℃之HVPE法，磊晶成長厚度4.1μm之LED 2。LED 2係由2μm之n型III-V族半導體層(n型GaN半導體層)21、0.1μm之發光層(GaN發光層)22、及2μm之p型III-V族半導體層(p型GaN半導體層)23所構成。
接著，在LED 2之p型GaN半導體層23之表面上，利用真空蒸鍍法，蒸鍍成厚度0.5μm之銀而形成反射層3後，蒸鍍成厚度1.5μm之Au/錫合金(Au 80質量%、Sn 20質量%)而形成金屬層31。上述所製造的晶圓6之表面上，也利用同樣的方法，蒸鍍成厚度1.5μm之Au/錫合金而形成金屬層31。使二片之金屬層31面接觸而積層，於溫度500℃、5MPa之加壓下保持5分鐘而製造接合體。藉此，二片之金屬層31係熔融而成為一片金屬層31。
酸處理所得到的接合體而蝕刻去除單晶成長基板(單晶藍寶石基板)1之後，藉由磨削加工而完全去除表面塗布層12。接著，藉由蝕刻而使所露出的LED 2之表面予以表面粗糙化之後，使氧化銦錫(Sn 4.5質量%)之透明導電層4形成0.2μm之厚度。其後，蒸鍍Au而作為n型電極，進行雷射加工而製造LED搭載構造體(參照第6圖，但是電極未以圖示)。
實施例27
除了將等方向性石墨成形體(東海碳公司製：G458、氣孔率：13體積%、尺寸：100mm×100mm×100mm)作為陶瓷多孔體使用，另外，將石墨脫模材所塗布的不銹鋼板(100mm×100mm×0.8mm)作為脫模板使用以外，進行依照實施例1的方式來進行直到退火處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。此含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為5.5×10-6/K、熱傳導係數為250W/mK、3點彎曲強度為60MPa、體積電阻係數為1.5×10-7Ω‧m。
利用鑽石鋸機而切斷加工此含浸金屬的陶瓷複合體之後，利用圓筒磨削盤，使用鑽石之磨石而進行外圍加工成直徑50.8mm×100mm之圓柱狀，進行相同於實施例26的方式來製造其周圍具有金屬層(Ni)之保護層的晶圓。此晶圓之表面粗糙度(Ra)為0.15μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.02mg/cm2。
實施例28
以晶面壓力10MPa壓縮成形氮化鋁粉末(平均粒徑2μm)2880g、三氧化二釔粉末(平均粒徑1μm)120g、成形黏著劑(甲基溶纖素)150g、及純水150g之混合粉末後，進一步以成形壓力100MPa進行CIP成形而製造CIP成形體(直徑55mm×110mm)。於一大氣壓中、溫度600℃，進行該成形體之2小時脫脂處理後，於氮氣環境中，於溫度1780℃燒結4小時而製造燒結體後，在機械加工中心，使用鑽石磨石，製造氣孔率為22%之陶瓷多孔體(直徑52mm×100mm)。除了使用此陶瓷多孔體、及使用純鋁以取代鋁合金以外，依照實施例1來進行直到徐冷處理之操作而製造含浸金屬的陶瓷複合體。此含浸金屬的陶瓷複合體之線熟膨脹係數為5.3×10-6/K、熱傳導係數為180W/mK、3點彎曲強度為420MPa、體積電阻係數為7.5×10-7Ω‧m。之後，從此含浸金屬的陶瓷複合體，進行相同於實施例27的方式來製造晶圓。晶圓之表面粗糙度(Ra)為0.07μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
實施例29
除了使用氮化矽粉末(平均粒徑1μm)2790g、三氧化二釔粉末(平均粒徑1μm)150g、及氧化鎂粉末(平均粒徑1μm)60g之混合物以外，進行相同於實施例28的方式來製造CIP成形體。於0.9MPa之氮氣加壓氣體環境中、溫度1880℃，燒結此CIP成形體4小時而製造燒結體後，在機械加工中心，使用鑽石磨石，製造氣孔率為13%之陶瓷多孔體(直徑52mm×100mm)。以下，進行相同於實施例28的方式來製造含浸金屬的陶瓷複合體及晶圓。含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為4.0×10-6/K、熱傳導係數為150W/mK、3點彎曲強度為450MPa、體積電阻係數為1.1×10-6Ω‧m。另外，晶圓之表面粗糙度(Ra)為Ra0.09μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
實施例30
利用氧化鋁製之研鉢，10分鐘混合鑽石粉末A(Diamond Innovations公司製、MBG-600、平均粒徑：120μm)7g、鑽石粉末B(Diamond Innovations公司製、MBG-600、平均粒徑：15μm)3g。插入石墨夾具X(外形尺寸：70mm×70mm×20mm、內徑尺寸：直徑52.5mm×20mm)、筒狀石墨夾具Y(外形尺寸：直徑52.4mm×9mm)後，填充上述鑽石混合粉末10g，進一步將石墨夾具Y插入鑽石混合粉末之上面，作成氣孔率為35%之陶瓷粉末成形體。依照實施例1而將此陶瓷粉末成形體作成積層體，實施含浸處理而製造利用筒狀石墨夾具所包圍的含浸金屬的陶瓷複合體(70mm×70mm×20mm)。此含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為7.5×10-6/K、熱傳導係數為500W/mK、3點彎曲強度為320MPa、體積電阻係數為5×10-7Ω‧m。
接著，直到露出含浸金屬的陶瓷複合體為止，從兩主要面側(70mm×70mm)，使用鑽石磨石，利用平面磨削盤而進行磨削加工，加工成板狀物(70mm×70mm×3mm)。之後，利用濕式噴注加工機，進行外圍加工成圓板(直徑50.8mm×3mm)形狀，洗淨表面後，藉由NaOH溶液而蝕刻去除表面之鋁合金部，進行無電解電鍍處理，形成厚度10μm之Ni-P電鍍層後，利用平面磨削盤，使用鑽石磨石而進行含浸金屬的陶瓷複合體兩主要面之磨削加工，製造周圍具有金屬層(Ni)之保護層的晶圓。晶圓之表面粗糙度(Ra)為0.3μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.01mg/cm2。
實施例31
將實施例1之陶瓷多孔體(外形尺寸：直徑52mm×高100mm、氣孔率：20%)，在機械加工中心，使用鑽石磨石，加工成外形尺寸為直徑52mm×20mm之圓盤，將此圓盤與塊狀之矽置入塗布有BN粉之石墨坩堝中，置於電爐內。將爐內抽真空，於1650℃保持8小時後，使矽含浸於圓盤中。冷卻直到室溫之後，利用圓筒磨削盤以去除矽而製造含浸金屬的陶瓷複合體。此含浸金屬的陶瓷複合體之線熱膨脹係數為4.3×10-6/K、熱傳導係數為210W/mK、3點彎曲強度為250MPa、體積電阻係數為1×10-5Ω‧m。之後，進行相同於實施例26的方式來製造晶圓。晶圓之表面粗糙度(Ra)為0.15μm、Ni之保護層的厚度為0.01mm、體積佔有率為0.04%、耐藥品性為0.005mg/cm2。
1．．．單晶成長基板
11．．．單晶成長基板1表面之n型III-V族半導體的緩衝層
12．．．單晶成長基板1表面之無機化合物的表面塗布層
2．．．LED
21．．．LED 2之n型III-V族半導體層
22．．．LED 2之發光層
23．．．LED 2之p型III-V族半導體層
3．．．反射層
31．．．反射層3表面之金屬層
4．．．透明導電層
5．．．LED搭載用基板
51．．．LED搭載用基板5表面之金屬薄層
6．．．晶圓
61．．．晶圓6之含浸金屬的陶瓷複合體
62．．．晶圓6之保護層
63．．．含浸金屬的陶瓷複合體61表面之金屬薄層
第1圖係實施例1所製造的本發明之晶圓的說明圖。
第2圖係含有第1圖的晶圓與LED之接合體的說明圖。
第3圖係由第2圖的接合體所製造的本發明之LED搭載構造體的說明圖。
第4圖係實施例26所製造的本發明之晶圓的說明圖。
第5圖係含有第4圖的晶圓與LED之接合體的說明圖。
第6圖係由第5圖的接合體所製造的本發明之LED搭載構造體的說明圖。
6．．．晶圓
61．．．晶圓6之含浸金屬的陶瓷複合體
62．．．晶圓6之保護層
63．．．含浸金屬的陶瓷複合體61表面之金屬薄層

Claims (8)

  1. 一種LED搭載用晶圓(6)，其特徵為由含浸金屬的陶瓷複合體(61)與僅在其外圓周面上所形成的保護層(62)所構成。
  2. 如申請專利範圍第1項之LED搭載用晶圓，其中含浸金屬的陶瓷複合體係含有由碳化矽、氮化鋁、氮化矽、鑽石及石墨之中所選出的一種以上，由在氣孔率為10~50體積%之多孔體或粉末成形體中含浸有金屬而成之物，板厚為0.05~0.5mm、表面粗糙度(Ra)為0.01~0.5μm、3點彎曲強度為50MPa以上、溫度25℃之熱傳導係數為150~500W/mK、溫度25℃~150℃之線熱膨脹係數為4~9×10-6/K、體積電阻係數(volume resistivity)為10-9~10-5Ω‧m。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之LED搭載用晶圓，其中保護層係由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt、Ti、W與Mo之中所選出的一種以上之金屬，或是由氣孔率為3%以下之氧化鋁、莫來石、氮化鋁及氮化矽之中所選出的一種以上之陶瓷所構成，保護層之厚度為3mm以下(不含0)、保護層之體積佔有率為20體積%以下(不含0)。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之LED搭載用晶圓，其中含浸金屬的陶瓷複合體(61)係在表面具有厚度為0.5~10μm之由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt與Sn之中所選出的一種以上之金屬的薄層(63)所構成。
  5. 如申請專利範圍第3項之LED搭載用晶圓，其中含浸金 屬的陶瓷複合體(61)係在表面具有厚度為0.5~10μm之由Ni、Co、Pd、Cu、Ag、Au、Pt與Sn之中所選出的一種以上之金屬的薄層(63)所構成。
  6. 一種如申請專利範圍第1至5項中任一項之LED搭載用晶圓的製造方法，其特徵為在金屬製或陶瓷製之管狀體的內部，填充由陶瓷多孔體、陶瓷粉末成形體及陶瓷粉末所選出的至少一種後，使金屬含浸於由此等之陶瓷多孔體、陶瓷粉末成形體及陶瓷粉末所選出的至少一種所具有的空隙部後，進行加工。
  7. 如申請專利範圍第6項之LED搭載用晶圓的製造方法，其中將使金屬含浸於陶瓷多孔體、陶瓷粉末成形體所具有的空隙部中之含浸金屬的陶瓷複合體加工成圓柱狀後，藉由電鍍、蒸鍍、濺鍍而在側面部形成金屬層來進行加工。
  8. 一種LED搭載構造體，其係從如申請專利範圍第1至5項中任一項之LED搭載用晶圓(6)之含浸金屬的陶瓷複合體(61)之部分所切割出，在由至少一片而成之LED搭載用基板(5)的至少一面上，依序具有金屬薄層(51)或是金屬薄層(51)及反射層(3)之金屬層(31)、反射層(3)、LED(2)與透明導電層(4)，在透明導電層(4)裝設有電極(未以圖示)所構成。
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