TWI528593B - 無封裝發光二極體晶粒中控制邊緣發光 - Google Patents
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Description
本發明係關於發光二極體(LED)，且更特定而言，係關於無封裝LED晶粒。
本申請案係2009年5月1日申請之題為「無封裝發光二極體中控制邊緣發光(Controlling Edge Emission in Package-Free LED Die)」的美國專利第12/433,972號之部分接續申請案，該案以引用之方式共同受讓並併入此文中。本申請案係關於2008年7月24日申請之題為「包含一窗層及一導光結構的半導體發光裝置(Semiconductor Light Emitting Device Including a Window Layer and a Light-Directing Structure)」的美國專利申請案第12/178,902號，其藉由引用方式共同受讓並併入此文中。
半導體LED係當前可購得之最有效的光源之一。在適於跨越可見光譜而操作的高亮度發光裝置之製造中，當前受關注的材料系統包含III-V族半導體；例如鎵、鋁、銦、氮、磷及砷之二元、三元及四元合金。III-V裝置發出橫跨可見光譜的光。基於GaAs及GaP的裝置通常被用於發出更長波長的光，例如從黃光到紅光，而III-氮化物裝置通常被用於發出更短波長的光，例如近UV光到綠光。
氮化鎵LED一般使用一透明藍寶石生長基板，因為藍寶石之晶體結構與氮化鎵之晶體結構相似。
一些GaN LED被形成為覆晶，其兩個電極都在相同表面上，其中該等LED電極結合至一次黏著基台而不使用引線結合。在此一情況下，光經由該透明藍寶石基板而傳送，且該等LED層與該次黏著基台相對。一次黏著基台提供一在該LED及一外部電源之間的介面。在該次黏著基台上結合至該等LED電極的電極可延伸超過該LED或延伸至該次黏著基台之相對側以便引線結合或表面安裝至一電路板。
在本發明的一些實施例中，在一裝置晶圓上的發光二極體(LED)晶粒被分離以便在該等LED晶粒之間產生空間，且一反射塗層被塗佈於該等LED晶粒之上以及該等LED晶粒之間的該等空間中。當該等LED晶粒被再次分離時，該反射塗層之若干部分保留於該等LED晶粒之橫側上。在該等LED晶粒之橫側上的反射塗層可控制邊緣發光、改善角度顏色(color-over-angle)均勻性並改善亮度。該反射塗層可為具有反射顆粒的一聚合物或一樹脂，或者為一金屬薄膜。
在不同圖式中使用相同參考數字表示類似或相同元件。
圖1為一種在本發明的一些實施例中以晶圓尺度製造發光二極體(LED)的方法100之一流程圖，該方法100使用一發射塗層以控制來自LED晶粒的邊緣發光。方法100包含製程102到130。
在製程102，示例LED晶粒200被形成於一生長晶圓上。由於簡潔性，圖2顯示一單個LED晶粒200。LED晶粒200包含一生長晶圓202、一磊晶生長於該生長晶圓之上的n型層204、一磊晶生長於該n型層上的發光層206(通常亦被稱為「主動層」)、一磊晶生長於該發光層之上的p型層208、一形成於該p型層之上的導電反射層210以及一形成於該導電反射層之上的防護金屬層212。一電介質214被形成於該等結構上。開口被形成於各層中以便使p型層208可進入n型層204及導電反射層210。一個或多個n型結合墊216被形成以便電接觸n型層204，且一個或多個p型結合墊218被形成以便電接觸導電反射層210。除了LED晶粒200，方法100亦可應用於其他類型之LED晶粒或其他具有邊緣發光的發光裝置。製程102之後為製程104。
在製程104中，一載體晶圓302被暫時結合至裝置晶圓220。「裝置晶圓220」在此後涉及在一製程中包含LED晶粒200的晶圓尺度結構。一可移除黏接劑304被首先塗佈於裝置晶圓220之頂部上，然後載體晶圓302被結合至該裝置晶圓之頂部，如圖3所示。黏接劑304可為一種熱、溶劑或曝光釋放黏接劑。可移除黏接劑302可以一旋塗製程、一刷塗製程、一噴塗製程或其他適當製程塗佈。製程104之後為製程106。
在製程106中，裝置晶圓220被倒裝且生長晶圓202被移除，如圖4所示。生長晶圓202可藉由一雷射剝離製程移除。製程106之後為製程108。
在製程108中，n型層204被粗糙化以改善光提取，如圖5。N型層204可以一種物理製程(例如碾磨或研磨)或一化學製程(例如蝕刻)粗糙化。舉例來說，n型層204可藉由光電化學蝕刻而粗糙化。製程108之後為製程110。
在製程110中，一窗晶圓602被結合至裝置晶圓220，如圖6。一透明黏接劑604首先被塗佈於裝置晶圓220之頂部上，然後窗晶圓602被黏接至該裝置晶圓之頂部。
透明黏接劑604可為聚矽氧、環氧樹脂或其他適用材料。透明黏接劑604可藉由旋塗、刷塗、噴塗或其他適當製程塗佈。透明黏接劑604可具有一等於或大於1.4的折射指數。
如果窗晶圓602包括或包含一氧化物玻璃、陶瓷或其他相似的介電材料，透明黏接劑604可由一氧化物、一玻璃或其他塗佈至裝置晶圓220之粗糙化表面的適當介電結合層替代。在一個或多個實施例中，該結合層可為二氧化矽或氮氧化矽。在一個或多個實施例中，該結合層可為任何揭示於2009年9月17日申請的美國專利申請案第12/561,342號，代理案號PH012893US1中的透明結合材料，例如氧化鋁、氧化銻、氧化砷、氧化鉍、氧化硼、溴化鉛、氯化鉛、氧化鉛、氧化鋰、氧化磷、硫化鉀、氧化鉀、氧化矽、氧化鈉、氧化碲、氧化鉈、氧化鎢、硫化鋅及氧化鋅。美國專利申請案第12/561,342號被共同擁有並以引用方式併入本文。
該結合層可經由化學汽相沉積(CVD)、電漿增強CVD(PECVD)或其他適當的沉積技術而塗佈至裝置晶圓220。該結合層及/或窗晶圓表面可經由化學機械平坦化(CMP)或其他適當的拋光技術拋光。然後窗晶圓602可利用直接分子結合、融合結合或陽極結合而結合至裝置晶圓220。
窗晶圓602提供裝置晶圓220機械強度用於隨後的處理。窗晶圓602可包含一用於修改發光頻譜的波長轉換結構以便提供一理想的顏色，例如用於信號光的琥珀色或用於一白光發射器的多個顏色。該結構可為一陶瓷磷光體、一適當的透明基板或載體，例如一藍寶石或玻璃層或一諸如一分佈布拉格(Bragg)反射器的濾光器。該陶瓷磷光體結構被詳細描述於美國專利第7,361,938號中，其被共同受讓並以引用方式併入本文。製程110之後為製程112。
在製程112中，從裝置晶圓220移除載體晶圓302，如圖7。載體晶圓302可藉由施加熱量以軟化、藉由塗佈溶劑以溶解或藉由施加光以光化學改質該黏接劑而被移除。任何暫留黏接劑304可藉由一適當的溶劑而移除。製程112之後為製程114。
在製程114中，裝置晶圓220從底側被安裝至一拉伸膜802，如圖8所示。拉伸膜802可為一藍膠帶、一白膠帶、一UV膠帶或其他允許黏接至一撓性(可擴展)基板的適當材料。製程114之後為製程116。拉伸膜可從例如Furukawa Electric Co.及Semiconductor Equipment Corp購得。
在製程116中，裝置晶圓220中的LED晶粒200被單顆化為單獨的晶粒。LED晶粒200可利用一雷射、一劃線或一切割單顆化。就此點而言，LED晶粒200為可用於測試的基本上完成之裝置。然而，LED晶粒200可具有降低角度顏色均勻性的邊緣發光。製程116之後為製程118。
在製程118中，拉伸膜802被擴張以便橫向分離LED晶粒200並在其之間產生空間，如圖9。在一替代實施例中，LED晶粒200從拉伸膜802轉移到一剛性載體晶圓。LED晶粒200可被膠帶轉移或拾取並放置於該剛性載體晶圓上一邊在該等LED晶粒之間產生空間。當LED晶粒200被膠帶轉移時，拉伸膜802被擴張以便在轉移該等LED晶粒至該剛性載體晶圓之前在該等LED晶粒之間產生該等空間。製程118之後為製程120。
在製程120中，一反射塗層被塗佈於LED晶粒200頂部以及其之間的該等空間中。在該反射塗層被塗佈之前，一介電質可被沉積於LED晶粒200之頂部及/或側面以增強反射率及/或防止該反射塗層使該等LED晶粒短路。該介電質具有抗反射屬性且可為一例如二氧化矽(SiO2)、硫化鎂(MgF2)、氮化矽(Si3N4或SiNx)薄膜等。
視實施例，該反射塗層可為一具有反射顆粒的聚合物或樹脂1002(此後一同被稱為「反射塗層1002」)，如圖10，或者一金屬薄膜1402，如圖14。製程120到130首先被描述用於使用如圖10到13之反射塗層1002的實施例，然後被描述用於使用如圖14到17之金屬薄膜1402的實施例。
參考圖10，反射塗層1002可被塗佈於LED晶粒200之頂部之上。反射塗層1002中的下凹半月形可形成於LED晶粒200之間的空間中。反射塗層1002可為聚矽氧、環氧樹脂、丙烯酸等。反射塗層1002中的該等反射顆粒可為氧化鈦、氧化鋅、氧化矽、氧化鋁或氧化鋯。反射塗層1002可藉由一溶膠凝膠製程、一刷塗製程或一旋塗製程而塗佈。
反射塗層1002亦可利用一模塑製程而僅被塗佈於LED晶粒200之間的空間中。在該模塑製程中，LED晶粒200被放置於一模型中，在該處模型半部頂著該等LED晶粒之頂部及底部而擱置使得僅該等LED晶粒之間的空間成為該反射塗層材料的通道。然後該反射塗層材料被導入該模型中並被迫使穿過LED晶粒200之間的該等空間。製程120之後為製程122。
在製程122中，在LED晶粒200之間之空間中的反射塗層1002(不管是否具有用於增強反射率及/或短路保護的介電塗層)視情況而被打斷或弱化(例如分解)。在LED晶粒200之間之空間中的反射塗層1002可藉由一雷射、劃線或切割而被打斷或弱化。如果反射塗層1002為脆性，則一桿斷裂製程可被使用，其中LED晶粒200在一圓形桿之上傳遞以便打斷或弱化在該等LED晶粒之間之空間中的反射塗層。如果弱化反射塗層1002的下凹半月形被自動形成於在LED晶粒200之間的空間中，則可無需打斷或弱化反射塗層1002。製程122之後為製程124。
在製程124中，拉伸膜802被再次擴張以便進一步橫向分離LED晶粒200，如圖11所示。此製程在製程118之一使用一剛性載體晶圓的替代實施例中不執行。製程124之後為製程126。
在製程126中，反射塗層1002在LED晶粒200之頂部上的任意部分可被移除，如圖12。之後僅保留反射塗層1002在LED裝置200之橫側上的部分。反射塗層1002在LED晶粒200之橫側上的部分可控制邊緣發光、改善角度顏色均勻性並改善亮度。反射塗層1002在LED晶粒200之頂部上的部分可藉由一剝離製程、蝕刻、雷射剝蝕或磨砂噴入而被移除。用於該剝離製程的犧牲層可在反射塗層1002被形成於LED晶粒200之上之前在製程120中沉積。製程126之後為製程128。
在製程128中，LED晶粒200被倒裝並轉移至另一個拉伸膜1302，如圖13。LED晶粒200從底側安裝至拉伸膜1302然後拉伸膜802被移除，因此該等LED晶粒之n型結合墊216及p型結合墊218(未顯示於圖13)在該頂側上暴露以便進行測試。如果結合墊216及218可經由第一拉伸膜802而使用，則LED晶粒200可被測試而無需將其轉移至一第二拉伸膜1302。製程128之後為製程130。
在製程130中，該等單獨的LED晶粒200可在被固定於拉伸膜1302上時被測試。
現在製程120到130將為使用如圖14到17之金屬薄膜1402的實施例而被描述。
參考圖14，金屬薄膜1402被形成於LED晶粒200之頂部及側面之上以及其之間的空間中。金屬薄膜1402可為任何反射性金屬或合金，例如鋁(Al)、銀(Ag)、鉻(Cr)、金(Au)、鎳(Ni)、釩(V)、鉑(Pt)、鈀(Pd)等以及其組合。金屬薄膜1402可藉由蒸鍍或濺鍍而形成。製程120之後為製程122。
在製程122中，在LED晶粒200之間之空間中的金屬薄膜1402視情況而被打斷或弱化(例如分解)。在LED晶粒200之間之空間中的反射塗層1402可藉由一雷射、劃線或切割而被打斷或弱化。如果反射塗層1402為脆性，則一桿斷裂製程可被使用，其中LED晶粒200在一圓形桿之上傳遞以便實體打斷或弱化在LED晶粒之間之空間中的反射塗層。在製程118之使用一剛性載體晶圓的替代實施例中，在LED晶粒200之間之空間中的金屬薄膜1402可被蝕刻。製程122之後為製程124。
在製程124中，拉伸膜802被再次擴張以便進一步橫向分離LED晶粒200，如圖15。在製程118之使用一剛性載體晶圓的替代實施例中，此製程不被執行。製程124之後為製程126。
在製程126中，金屬薄膜1402在LED晶粒200之頂部上的部分被移除，如圖16。之後僅保留金屬薄膜1402在LED裝置200之橫側上的部分。在LED晶粒200之該等橫側上的金屬薄膜1402可控制邊緣發光、改善角度顏色均勻性並改善亮度。金屬薄膜1402在LED晶粒200之頂部上的部分可藉由一剝離製程、蝕刻、雷射剝蝕或磨砂噴入而移除。用於該剝離製程的犧牲層可在反射塗層1402被形成於LED晶粒200之上之前在製程120中沉積。在製程118使用一剛性載體晶圓的替代實施例中，製程122及126可被組合成一單一蝕刻。製程126之後為製程128。
在製程128中，LED晶粒200被倒裝並轉移至另一個拉伸膜1302，如圖17所示。LED晶粒200從底側安裝至拉伸膜1302，然後拉伸膜802被移除使得該等LED晶粒之n型結合墊216及p型結合墊218暴露於該頂側以便進行測試。如果可經由該第一拉伸膜802而接近結合墊216及218，則LED晶粒200可被測試而不需將其轉移至一第二拉伸膜1302。製程128之後為製程130。
在製程130中，該等單獨的LED晶粒200可在其被固定於拉伸膜1302上時被測試。所揭示之該等實施例的特徵之各種其他調適及組合處於本發明之範圍內。舉例來說，當該反射塗層為一載有發射顆粒的聚合樹脂時，一極薄層可被保留於LED晶粒200之頂部以充當一光學漫射器或使該等晶粒之頂部呈現與該等反射顆粒相同的顏色(例如白色)。如下之申請專利範圍包含多個實施例。
100．．．方法
200．．．LED晶粒
202．．．生長晶圓
204．．．n型層
206．．．發光層
208．．．p型層
210．．．導電反射層
212．．．防護金屬層
214．．．電介質
216．．．n型結合墊
218．．．p型結合墊
220．．．裝置晶圓
302．．．載體晶圓
304．．．黏接劑
602．．．窗晶圓
604．．．透明黏接劑
802．．．拉伸膜
1002．．．反射塗層
1302．．．拉伸膜
1402．．．金屬薄膜
圖1為一種以晶圓尺度製造發光二極體(LED)的方法之一流程圖，該方法使用一反射塗層以控制來自LED晶粒的邊緣發光；
圖2到13顯示當該反射塗層為一具有反射顆粒之聚合物或樹脂時在圖1之方法中的製程截面圖；
圖14到17顯示當該反射塗層為一金屬薄膜時在圖1之方法中的製程截面圖，其所有均係根據本發明之實施例而配置。
100．．．方法
Claims (21)
- 一種用於以晶圓尺度(scale)製造多個發光二極體(LED)裝置的方法，其包括：在一生長晶圓之上形成該等LED裝置以形成該裝置晶圓，該等LED裝置包括一在該生長晶圓之上的n型層、一在該n型層之上的發光層以及一在該發光層之上的p型層；結合一載體晶圓至該裝置晶圓之一p側，該裝置晶圓之p側為一比該n型層更靠近該p型層的側面；從該裝置晶圓之一n側移除該生長晶圓，該裝置晶圓之n側為一比該p型層更靠近該n型層的側面；結合一窗晶圓(window wafer)至該裝置晶圓之n側；從該裝置晶圓之p側移除該載體晶圓；單顆化(singulating)該裝置晶圓為多個LED晶粒；分離該等LED晶粒以便在該等LED晶粒之間產生空間；在該等LED晶粒之間的該等空間中塗佈一反射塗層；及打斷(breaking)或分離在該等LED晶粒之間之該等空間中的該反射塗層，其中該反射塗層之若干部分保留於該等LED晶粒之橫側(lateral sides)上以控制邊緣發光。
- 如請求項1的方法，其中：結合該載體晶圓包括使用一熱、溶劑或曝光釋放黏接劑以便將該載體晶圓結合至該裝置晶圓之p側；及 移除該載體晶圓包括施加熱、溶劑或光以便從該裝置晶圓釋放該載體晶圓。
- 如請求項1的方法，其中移除該生長晶圓包括使用雷射剝離以便從該裝置晶圓釋放該生長晶圓。
- 如請求項1的方法，其進一步包括在將該窗晶圓結合至該裝置晶圓之n側之前粗糙化該n型層。
- 如請求項1的方法，其中將該窗晶圓結合至該裝置晶圓之n側包括塗佈一聚矽氧或環氧樹脂至該裝置晶圓之n側以便將該窗晶圓結合至該裝置晶圓之n側。
- 如請求項1的方法，其中將該窗晶圓結合至該裝置晶圓之n側包括使用直接分子、融合或陽極結合。
- 如請求項6的方法，其進一步包括在將該窗晶圓結合至該裝置晶圓之n側之前在該裝置晶圓之n側上形成一氧化物或一玻璃層。
- 如請求項1的方法，其中該等LED裝置進一步包括在該p型層上的結合墊，各個結合墊被電耦合至該n型層或p型層。
- 如請求項1的方法，其中該反射塗層為具有反射顆粒的一聚合物或一樹脂。
- 如請求項9的方法，其中該反射塗層為聚矽氧、環氧樹脂或丙烯酸，且該等反射顆粒為氧化鈦、氧化鋅、氧化矽、氧化鋁或氧化鋯。
- 如請求項9的方法，其中在該等LED晶粒之間的該等空間中塗佈該反射塗層包括以一溶膠凝膠製程、一刷塗製 程、一旋塗製程或一模塑製程塗佈該反射塗層。
- 如請求項1的方法，其中該反射塗層為一金屬薄膜。
- 如請求項12的方法，其中該反射塗層為鋁、銀、鉻、金、鎳、釩、鉑、鈀或其一組合。
- 如請求項12的方法，其中在該等LED晶粒之間的該等空間中塗佈該反射塗層包括藉由蒸鍍或濺鍍塗佈該反射塗層。
- 如請求項1的方法，其進一步包括：在該裝置晶圓中單顆化該等LED晶粒之前，將具有該等LED晶粒的該裝置晶圓安裝至一拉伸膜；其中分離該等LED晶粒包括將該等LED晶粒從該拉伸膜轉移至一載體晶圓以便在該等LED晶粒之間產生該等空間。
- 如請求項1的方法，其進一步包括：在該裝置晶圓中單顆化該等LED晶粒之前，將具有該等LED晶粒的該裝置晶圓安裝至一拉伸膜；其中分離該等LED晶粒包括在將該反射塗層塗佈於該等LED晶粒之上以及該等LED晶粒之間的該等空間中之前擴張該拉伸膜以便橫向分離該等LED晶粒。
- 如請求項16的方法，其中打斷或分離在該等LED晶粒之間之該等空間中的反射塗層包括：弱化或打斷在該等LED晶粒之間之該等空間中的反射塗層；及再次擴張該拉伸膜以便進一步分離該等LED晶粒。
- 如請求項16的方法，其進一步包括：從該等LED晶粒之頂部移除任何反射塗層。
- 如請求項18的方法，其中從該等LED晶粒之頂部移除該反射塗層包括一剝離製程、蝕刻、雷射剝蝕或磨砂噴入。
- 如請求項18的方法，其進一步包括：從該等LED晶粒的其他側面安裝該等LED晶粒至一其他拉伸膜；及從該等LED晶粒移除該拉伸膜。
- 如請求項20的方法，其進一步包括：在從該等LED晶粒之其他側面安裝該等LED晶粒至該其他拉伸膜之後測試該等LED晶粒。
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