WO2022117708A1 - Trägeranordnung, verfahren für dessen herstellung und optoelektronisches halbleiterbauteil - Google Patents

Trägeranordnung, verfahren für dessen herstellung und optoelektronisches halbleiterbauteil Download PDF

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WO2022117708A1
WO2022117708A1 PCT/EP2021/083925 EP2021083925W WO2022117708A1 WO 2022117708 A1 WO2022117708 A1 WO 2022117708A1 EP 2021083925 W EP2021083925 W EP 2021083925W WO 2022117708 A1 WO2022117708 A1 WO 2022117708A1
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glass
carrier arrangement
structured metallization
substrate
ppm
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PCT/EP2021/083925
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Anna Kasprzak-Zablocka
Juergen Moosburger
Michael Fehrer
Roland Huettinger
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Ams-Osram International Gmbh
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C8/00—Enamels; Glazes; Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions
    • C03C8/24—Fusion seal compositions being frit compositions having non-frit additions, i.e. for use as seals between dissimilar materials, e.g. glass and metal; Glass solders
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    • H01L33/56—Materials, e.g. epoxy or silicone resin

Definitions

  • the present invention relates to a carrier arrangement for an optoelectronic semiconductor component, a method for the production of a carrier arrangement and an optoelectronic semiconductor component comprising this.
  • an epoxy resin casting compound may only be exposed to a limited temperature of a maximum of 150° C. during the production of the optoelectronic semiconductor component.
  • barrier layers are necessary if wet-chemical process steps are carried out, since otherwise liquids can penetrate into the potting compound. Further difficulties arise in the case of different thermal expansion coefficients of the materials within the carrier arrangement, with the result that wafer deflection at the temperatures customary for the production of an optoelectronic semiconductor component or during component operation cannot be ruled out.
  • EP 1 361 199 A1 discloses glass substrates and transparent electrodes applied thereto, which are embedded in a glass casting compound whose softening point is a maximum of 630.degree.
  • the starting point of the invention is a carrier arrangement for an optoelectronic semiconductor component, the carrier arrangement comprising a substrate, a structured metallization applied to the substrate, and a potting compound which is integrally connected to the structured metallization.
  • the inventors have recognized that a particularly low-melting glass with a softening point of below 300° C. is suitable as the casting compound, with a high-temperature filler being embedded in the glass.
  • the high temperature filler is defined herein as a solid that is thermally stable at least up to a temperature that exceeds the softening point of the glass used by more than 100°K.
  • the potting compound is designed in such a way that the glass forms a cohesive layer in which the structured metallization is embedded after application.
  • the glass and the high-temperature filler are coordinated in such a way that the difference between the thermal expansion coefficient of the casting compound and the thermal expansion coefficient of the metallization for a temperature range of 25 °C - 350 °C is less than 5 ppm/°K, preferably less than 3 ppm/°K and particularly preferably less than 1 ppm/°K and in particular less than 0.5 ppm/°K.
  • the particularly low softening temperature of below 300° C. selected for the layer-forming glass of the potting compound is still sufficient to withstand the process temperatures typically occurring in semiconductor manufacture, for example for component soldering, without softening.
  • thermally induced bending can be minimized for subsequent process steps and during component operation .
  • the substrate of the support assembly is sapphire. Furthermore, it is preferred to form the structured metallization from nickel, which has a thermal expansion coefficient of 13 ppm/°K in the relevant temperature range of 25° C.-350° C. Tellurite glass, bismuth glass, vanadate glass or a mixture of at least two of these glasses are preferred as low-melting glass with a softening point below 300° C. for the casting compound. Cordierite, eucryptite, silicon dioxide or a mixture of at least two of these high-temperature fillers is advantageously used for the high-temperature filler. Let it be this one Point noted that in particular the low-melting glasses by suitable fillers such as those mentioned above in their properties such. B. can be adapted to the thermal expansion coefficient.
  • the potting compound is preferably in a cohesive connection to the structured metallization and to the substrate.
  • the structured metallization is initially completely embedded, so that a contact surface of the structured metallization is ground free in a subsequent production step.
  • the structured metallization has a first contact socket, which is used in further processing to produce an optoelectronic semiconductor component, at least indirectly to electrically contact a p-doped semiconductor layer, and a second contact socket, which at least indirectly has an n-doped Contacted semiconductor layer, it being ensured by the shaping during the structuring that the contours of the ground-free areas of the first contact socket differ from those of the second contact socket.
  • the contact bases embedded within the potting compound are not separate elements, for example of a package, a PCB or the like. Rather, they are integral components that are formed during the manufacturing process of the component and can only be separated by damaging or destroying the component. In this way, the idea is realized, on the one hand to ensure a good thermal connection and on the other hand to reduce age-related delamination as much as possible, the latter in addition to the adapted thermal expansion coefficient also the complete formation of the component with the potting compound.
  • a casting compound is then applied to this, which comprises a glass with a softening point below 320° C., preferably below 310° C., particularly preferably below 300° C., and optionally a high-temperature filler, the glass and the high-temperature filler being matched in such a way that the difference between the thermal expansion coefficient of the potting compound and the thermal expansion coefficient of the metallization for a temperature range of 25 ° C - 350 ° C less than 5 ppm / ° K, preferably less than 3 ppm / ° K and particularly preferably less than 1 ppm / ° K and in particular is less than 0.5 ppm/°K.
  • the sealing compound is pressed at a temperature below 400° C. and the sealing compound is vitrified below the softening temperature; and a contact surface of the structured metallization is ground free.
  • the glass is melted and applied in molten form to the patterned metallization.
  • the casting compound is applied to the structured metallization in the form of a suspension containing powdered glass.
  • an intermediate step is carried out, with the casting compound first being applied to an auxiliary glass carrier.
  • a flexible, ultra-thin glass material is preferred as the glass auxiliary carrier for this purpose. Then the auxiliary glass carrier with the casting compound coating and the substrate with the structured metallization are pressed together.
  • auxiliary glass carrier it is expedient here to degas the sealing compound coating on the auxiliary glass carrier before pressing by tempering and/or a vacuum treatment. Furthermore, it is advantageous to temper the coated auxiliary glass carrier and/or the substrate with the structured metallization before pressing, in particular to a temperature above the softening point of the glass of the casting compound, it being particularly preferred to heat the auxiliary glass carrier to a higher temperature before pressing than heating the substrate to ensure good wetting between the glass and the patterned metallization.
  • a further tempering treatment should be performed to reduce stress and heal any imperfections .
  • the auxiliary glass carrier is then lifted off and a uniformly glazed layer is formed, followed by a grinding step Exposure of the contact surfaces of the structured metallization.
  • Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the carrier arrangement according to the invention in a side sectional view.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an optoelectronic semiconductor component according to the invention in a side sectional view with the carrier arrangement from FIG.
  • Fig. 3 shows a pressing and temperature control device for applying a sealing compound to a carrier arrangement according to the invention by means of a sealing compound coating on a glass carrier.
  • Fig. 4 shows the procedure for applying a sealing compound by means of a sealing compound coating on a glass substrate.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the carrier arrangement 1 according to the invention with a substrate 2 on which a structured metallization 3 made of nickel is applied, with a first contact base 4 and a second contact base 5 with ground-free contact surfaces 10 being schematically simplified.
  • 1 , 10 . 2 are shown.
  • Not shown in this embodiment are further layers of a semiconductor component that are electrically connected to the contact areas, so that these form an integral part of the component.
  • potting compound 6 which is a glass 7 with a softening point of below 300° C., the glass 7 forming a continuous layer 8 and a high-temperature filler 9 (see FIG. 2) being embedded in the glass 7 .
  • the glass 7 consists of TeO2-V2Ü5 and the high-temperature filler 9 comprises cordierite, eucryptite, silicon dioxide or a mixture of at least two of these high-temperature fillers in granular form with an average particle diameter of 100 nm to 25 ⁇ m.
  • the potting compound 6 of the carrier arrangement 1 according to the invention withstands process temperatures up to the softening point and proves to be compatible with the typical semiconductor manufacturing processes. Furthermore, a high aging stability results.
  • the carrier arrangement 1 is part of an optoelectronic semiconductor component 11 which is shown in a schematically simplified sectional view in FIG.
  • the same reference symbols are used for the components that are identical to those in FIG.
  • the first contact base 4 has a p-doped semiconductor layer as an integral part of the component 12 is electrically contacted via a p-metal electrode 16 .
  • a mirror layer 17 made of Ag/ZnO is arranged between the p-doped semiconductor layer 12 and the p-metal electrode 16 in the direction of the semiconductor stack.
  • the second contact base 5 is electrically insulated from the first contact base 4 by the casting compound 6 and an insulation layer 18 made of SiN x /SiO 2 .
  • the second contact base 5 is used for making electrical contact with an n-doped semiconductor layer 13 via a metal layer 19 made of nickel.
  • a corresponding insulating layer is also located between the metal layer 19 and the p-metal electrode 16 .
  • the potting compound 6 of the carrier arrangement 1 according to the invention is applied in molten form to the structured metallization 3 during the production process, so that the bases 4 and 5 are completely enclosed.
  • powdered TeO2-V2Os glass is melted in a crucible made of Al 2 O 3 , platinum or porcelain at a temperature above the softening point, for example 400 to 500° C., until a flowable viscosity is reached.
  • the high-temperature filler 9 is added and mixed.
  • the structured metallization 3 is then encapsulated on a preferably preheated substrate, compacted by means of a pressing tool and the contact surfaces 10 are ground free. 1 , 10 . 2 of the structured metallization 3 after the casting compound 6 has cooled and vitrified.
  • the material application of the potting compound is carried out with glass in powder form.
  • a suspension with glass 7 as a powder, high-temperature filler 9 in granular form, distilled water, alcohol and optionally an additional organic binder is first produced.
  • the suspension is printed with the help of a printing process, such as doctor blades or screen printing, applied to the structured metallization 3 .
  • a drying process and expulsion of the binder and vitrification through the application of a temperature process.
  • grinding free and calibrating the height of the contact surfaces 10 . 1 , 10 . 2 of the structured metallization 3 made.
  • a casting compound coating 15 is first formed on a separate auxiliary glass carrier 14, which consists of an ultra-thin, flexible glass.
  • the casting compound 6 can be applied to the auxiliary glass carrier 14 either in molten form or by means of a suspension containing glass in powder form. Then the coated auxiliary glass carrier 14 and the substrate 2 with the structured metallization 3 are pressed using temperature control.
  • the apparatus shown schematically in FIG. 3 is used for this purpose.
  • a first pressing and tempering device 19 is sketched, which accommodates the auxiliary glass carrier 14 with the casting compound coating 15 and a second pressing and tempering device 20 on which the substrate 2 with the structured metallization 3 (not shown in detail) rests.
  • the procedure for transferring the casting compound to the structured metallization 3 is shown in FIG.
  • the ambient pressure profile 21 shows a pressure drop in the heating-up phase before contacting, which is used for degassing the casting compound coating 15 .
  • the sealing compound coating 15 is already temperature-controlled during degassing and reaches a higher temperature than the substrate 2 before contact is made, with the temperatures of the parts to be contacted before being pressed being respectively above the softening point Tg of the glass lie in the potting compound coating 15 .
  • a tempering treatment 25 is provided for the further temperature control up to the glazing. The subsequent removal of the glass carrier 14 and the grinding free of the contact surfaces of the structured metallization 3 are not shown in detail.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil, umfassend ein Substrat (2); eine auf dem Substrat aufgebrachte, strukturierte Metallisierung (3); eine mit der strukturierten Metallisierung stoffschlüssig verbundene Vergussmasse (6), wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vergussmasse Glas (7) mit einer Erweichungstemperatur von unter 300°C umfasst, wobei das Glas eine zusammenhängende Schicht (8) bildet und in das Glas ein Hochtemperaturfüllstoff eingebettet ist; und wobei das Glas und der Hochtemperaturfüllstoff (9) so abgestimmt sind, dass die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse (6) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metallisierung (3) für einen Temperaturbereich von 25°C - 350°C weniger als 5 ppm/°K, bevorzugt weniger als 3 ppm/°K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/°K und insbesondere weniger als 0,5 ppm/°K beträgt.

Description

TRÄGERANORDNUNG , VERFAHREN FÜR DESSEN HERSTELLUNG UND OPTO¬
ELEKTRONISCHES HALBLEITERBAUTEIL
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung Nr . 10 2020 132 356 . 5 vom 04 . Dezember 2020 , deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung auf genommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Trägeranordnung für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil , ein Verfahren für die Herstellung einer Trägeranordnung und ein diese umfassendes optoelektronisches Halbleiterbauteil .
Trägeranordnungen für optoelektronische Halbleiterbauteile mit einem Substrat , einer darauf angelegten, Leiterbahnen bildenden strukturierten Metallisierung und eine diese einbettende Ver- gussschicht sind bekannt . Dabei bildet die strukturierte Metallisierung typischerweise über 100 pm bis 150 pm hohe Kontaktsockel , die p-dotierte oder n-dotierte Funktionsschichten einer darüber liegenden Halbleiterschichtfolge wenigstens mittelbar elektrisch kontaktieren, wobei die Vergussmasse insbesondere den Bereich zwischen den Kontaktsockeln dichtend ausfüllt .
Die Vergussmasse der Trägeranordnung dient zur elektrischen Isolierung, zur Nivellierung und zum Schutz der strukturierten Metallisierung bei der Prozessierung . Ein bekanntes Materialsystem für die Vergussmasse stellt hochgefülltes Epoxidharz dar, das durch Formpressen stoff schlüssig mit der strukturierten Metallisierung verbunden und anschließend zur Freilegung der Kontaktsockel angeschliffen wird . Als Füllung der Epoxidharzvergussmasse werden Glaspartikel mit einem Volumenanteil bis 85 % verwendet , die den thermischen Expansionskoeffizienten der Vergussmasse verringern . Nachteilig an einem auf Epoxidharz basierenden Vergussmaterial ist dessen begrenzte Alterungsbeständigkeit . Neben der thermischen Belastung beim Betrieb führt die von einem optoelektronischen Halbleiterbauteil erzeugte Lichtstrahlung zu einer Degradation der für die Bindung der gläsernen Füllstoffe essentiellen Expoxidkomponente . Des Weiteren darf eine Epoxidharzvergussmasse bei der Herstellung des optoelektronischen Halbleiterbauteils nur einer begrenzten Temperatur von maximal 150 ° C ausgesetzt werden . Zusätzlich sind Barriereschichten notwendig, wenn nasschemische Prozessschritte ausgeführt werden, da ansonsten Flüssigkeiten in die Vergussmasse eindringen können . Weitere Schwierigkeiten ergeben sich bei unterschiedlichen thermischen Expansionskoeffizienten der Materialien innerhalb der Trägeranordnung , sodass eine Waferdurchbiegung bei den für die Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils üblichen Temperaturen oder beim Bauteilbetrieb nicht ausgeschlossen werden kann .
Als Alternative zur Verwendung von Epoxidharzvergussmassen für gattungsgemäße Trägeranordnungen sind gläserne Vergussschichten bekannt . Zur Anwendung für Plasmabildschirme offenbart EP 1 361 199 Al Glassubstrate und darauf aufgebrachte transparente Elektroden, die in eine gläserne Vergussmasse eingebettet sind, deren Erweichungstemperatur maximal 630 ° C beträgt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , eine Trägeranordnung für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit einer verbesserten Alterungsstabilität anzugeben, das zusätzlich ein hohes Maß an Kompatibilität mit den typischen Halbleiterfertigungsprozessen aufweist . Des Weiteren sind ein optoelektronisches Halbleiterbauteil mit einer solchen Trägeranordnung und ein Herstellungsverfahren für die Trägeranordnung zu nennen . Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Trägeranordnung gemäß Anspruch 1 , das optoelektronische Halbleiterbauteil nach Anspruch 8 und das Herstellungsverfahren nach Anspruch 9 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen .
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Trägeranordnung für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil , wobei die Trägeranordnung ein Substrat , eine auf dem Substrat aufgebrachte , strukturierte Metallisierung und eine mit der strukturierten Metallisierung stoff schlüssig verbundene Vergussmasse umfasst . Dabei haben die Erfinder erkannt , dass als Vergussmasse ein besonders tief schmelzendes Glas mit einer Erweichungstemperatur von unter 300 ° C geeignet ist , wobei in das Glas ein Hochtemperaturfüllstoff eingebettet wird . Der Hochtemperaturfüllstoff ist vorliegend als Feststoff definiert , der mindestens bis zu einer Temperatur thermisch stabil ist , die die Erweichungstemperatur des verwendeten Glases um mehr als 100 ° K übersteigt .
Dabei ist die Vergussmasse so ausgebildet , dass das Glas eine zusammenhängende Schicht bildet , in die die strukturierte Metallisierung nach dem Auftrag eingebettet ist . Dabei sind das Glas und der Hochtemperaturfüllstoff so aufeinander abgestimmt , dass die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse und dem thermischen Ausdehnungs koeffizienten der Metallisierung für einen Temperaturbereich von 25 ° C - 350 ° C weniger als 5 ppm/ ° K, bevorzugt weniger als 3 ppm/ ° K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/ ° K und insbesondere weniger als 0 , 5 ppm/ ° K beträgt .
Die besonders tief gewählte Erweichungstemperatur von unter 300 ° C für das schichtbildende Glas der Vergussmasse ist noch ausreichend, um den bei der Halbleiterfertigung typischerweise auftretenden Prozesstemperaturen, beispielsweise für das Bauteillöten, standzuhalten ohne zu erweichen . Bevorzugt wird eine Untergrenze von 150 ° C für die Erweichungstemperatur des Glases der Vergussmasse gewählt . Zugleich ist die Ausformung und Verglasung der Vergussmasse , die eine stoff schlüssig an die strukturierte Metallisierung anschließende Schicht mit geringer Permeabilität bildet , vereinfacht und erweist sich als kompatibel zu den typischen Halbleiterfertigungsprozessen .
Im Hinblick auf die voranstehend genannte Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben die Erfinder erkannt , dass die thermomechanischen Eigenschaften der Trägeranordnung wesentlich durch das Material der strukturierten Metallisierung bestimmt wird . Entsprechend wird das Materialsystem der gläsernen Vergussmasse durch die Wahl des Glases und der darin aufgenommenen Hochtemperaturfüllstoffe an die Metallisierung angepasst . Relevant ist dabei ein Temperaturbereich von 25 ° C - 350 ° C , der von der Raumtemperatur bis zu den Temperaturen reicht , die beim Herstellungsprozess und beim Bauteilbetrieb auf treten können . Durch die gering gewählte Differenz der thermischen Ausdehnungs koeffizienten von Vergussmasse und der strukturierten Metallisierung von weniger als 5 ppm/ ° K, bevorzugt weniger als 3 ppm/ ° K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/ ° K und insbesondere weniger als 0 , 5 ppm/ ° K kann ein thermisch bedingtes Verbiegen für nachfolgende Prozessschritte und beim Bauteilbetrieb minimiert werden .
Für eine Ausführung besteht das Substrat der Trägeranordnung aus Saphir . Des Weiteren wird bevorzugt , die strukturierte Metallisierung aus Nickel aus zubilden, das im relevanten Temperaturbereich von 25 ° C - 350 ° C einen thermischen Ausdehnungs koeffizient von 13 ppm/ ° K aufweist . Als tief schmelzendes Glas mit einer Erweichungstemperatur von unter 300 ° C für die Vergussmasse sind Telluritglas , Bismutglas , Vanadatglas oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Gläser bevorzugt . Für den Hochtemperaturfüllstoff wird vorteilhafterweise Cordierit , Eukryptit , Siliziumdioxid oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Hochtemperaturfüllstoffe verwendet . Es sei an dieser Stelle festgehalten, dass insbesondere die tief schmelzendes Gläser durch geeignete Füllstoffe wie die oben genannten in ihren Eigenschaften wie z . B . den thermischen Ausdehnungs koeffizienten angepasst werden können .
Die Vergussmasse steht bevorzugt in stoff schlüssiger Verbindung zur strukturierten Metallisierung und zum Substrat . Nach dem Aufbringen der Vergussmasse und der Verglasung ist die strukturierten Metallisierung zunächst vollständig eingebettet , sodass in einem nachfolgenden Herstellungsschritt eine Kontaktfläche der strukturierten Metallisierung freigeschliffen wird . Dabei weist die strukturierte Metallisierung nach dem Schleifschritt einen ersten Kontaktsockel , der bei einer weiteren Pro- zessierung zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterbauteils dazu dient , wenigstens mittelbar eine p-dotierte Halbleiterschicht elektrisch zu kontaktieren, und einen zweiten Kontaktsockel , der wenigstens mittelbar eine n-dotierte Halbleiterschicht kontaktiert , auf , wobei durch die Formgebung bei der Strukturierung sichergestellt ist , dass sich die Konturen der freigeschliffenen Bereiche des ersten Kontaktsockels von j ener des zweiten Kontaktsockels unterscheiden . In diesem Zusammenhang sind in einigen Aspekten die Kontaktsockel zumindest bis auf die Kontaktflächen vollständig von der Vergussmasse umschlossen . Dies kann zum Einen wie oben beschrieben erfolgen, in dem die Vergussmasse zunächst die Metallisierung vollständig einschließt , aber auch durch ein Auffüllen von Zwischenräumen um die Metallisierung bis hin zu einer die Kontaktfläche bildenden Oberfläche .
In einigen weiteren Aspekten sind die innerhalb der Vergussmasse eingebetteten Kontaktsockel nicht separate Elemente , beispielsweise eines Packages , eines PCBs oder ähnlichem. Vielmehr handelt es sich um integrale Bestandteile , die während des Fertigungsprozesses des Bauelements ausgebildet werden und nur unter Beschädigung oder Zerstörung des Bauelements zu trennen sind . Auf diese Weise wird der Gedanke verwirklicht , zum einen eine gute thermischen Anbindung zu gewährleisten und zum anderen eine alterungsbedingte Delamination möglichst zu verringern, letztere neben dem angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auch die komplette Ausbildung des Bauelements mit der Vergussmasse .
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Trägeranordnung umfasst folgende Verfahrensschritte : Zunächst wird eine strukturierte Metallisierung auf einem Substrat hergestellt . Dabei kann dieser Schritt auch ein Herstellen eines Halbleiterbauelements aus mehreren Schichten ( einschließlich aktiver Schichten) sowie eine strukturierte Metallisierungsschicht umfassen . Sodann wird auf diese eine Vergussmasse aufgebracht , die ein Glas mit einer Erweichungstemperatur unter 320 ° C , bevorzugt unter 310 ° C, besonders bevorzugt unter 300 ° C und gegebenenfalls einen Hochtemperaturfüllstoff umfasst , wobei das Glas und der Hochtemperaturfüllstoff so abgestimmt sind, dass die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse und dem thermischen Ausdehnungs koeffizienten der Metallisierung für einen Temperaturbereich von 25 ° C - 350 ° C weniger als 5 ppm/ ° K, bevorzugt weniger als 3 ppm/ ° K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/ ° K und insbesondere weniger als 0 , 5 ppm/ ° K beträgt . Des Weiteren erfolgt ein Verpressen der Vergussmasse bei einer Temperatur unter 400 ° C und ein Verglasen der Vergussmasse unterhalb der Erweichungstemperatur; und ein Freischleifen einer Kontaktfläche der strukturierten Metallisierung .
Für das Aufbringen der Vergussmasse können unterschiedliche Verfahrensvarianten gewählt werden . Für eine erste Ausführung wird das Glas auf geschmolzen und schmelzflüssig auf die strukturierte Metallisierung aufgebracht . Für eine zweite Ausführung erfolgt der Auftrag der Vergussmasse auf die strukturierte Metallisierung in Form einer pulverförmiges Glas enthaltenden Suspension . Für eine dritte Variante wird ein Zwischenschritt ausgeführt , wobei die Vergussmasse zunächst auf einen Glashilfsträger aufgebracht wird . Bevorzugt wird hierfür ein biegbares , ultradünnes Glasmaterial als Glashilfsträger . Sodann werden der Glashilfsträger mit der Vergussmassebeschichtung und das Substrat mit der strukturierten Metallisierung miteinander verpresst .
Dabei ist es zweckmäßig , die Vergussmassebeschichtung auf dem Glashilfsträger vor dem Verpressen durch Temperieren und/oder eine Unterdruckbehandlung zu entgasen . Des Weiteren ist es vorteilhaft , den beschichteten Glashilfsträger und/oder das Substrat mit der strukturierten Metallisierung vor dem Verpressen zu temperieren, insbesondere auf eine Temperatur über der Erweichungstemperatur des Glases der Vergussmasse , wobei besonders bevorzugt ist , den Glashilfsträger vor dem Verpressen auf eine höhere Temperatur als das Substrat aufzuheizen, um eine gute Benetzung zwischen Glas und der strukturierten Metallisierung sicherzustellen . Durch die höhere Temperatur des Glashilfsträgers wird eine höhere Vis kosität und damit Verformbarkeit des Glases gewährleistet ; demgegenüber sollte die Temperatur der strukturierten Metallisierung ( also des Halbleiterkörpers mit der Metallisierung ) möglichst niedrig wegen Reduktion thermischer Schädigung, j edoch nicht zu niedrig , um zu hohe Spannungen im Glas während des Aufbringens aufgrund zu hoher Temperaturdifferenzen zu vermeiden .
Nach dem Verpressen und Verglasen der Vergussmasse sollte eine weitere Temperbehandlung ausgeführt werden, um Spannungen zu reduzieren und mögliche Fehler auszuheilen . Sodann erfolgt das Abheben des Glashilfsträgers und die Ausbildung einer einheitlich verglasten Schicht , gefolgt von einem Schleif schritt zur Freilegung der Kontaktflächen der strukturierten Metallisierung .
Nachfolgend sind beispielhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung im Zusammenhang mit Figurendarstellungen erläutert . Diese zeigen, j eweils schematisch, Folgendes :
Fig . 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Trägeranordnung in seitlicher Schnittansicht .
Fig . 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Halbleiterbauteils in seitlicher Schnittansicht mit der Trägeranordnung aus Figur 1 .
Fig . 3 zeigt eine Press- und Temperiervorrichtungen für einen Vergussmasseauf trag auf eine erfindungsgemäße Trägeranordnung mittels einer Vergussmasse-beschich- tung auf einem Glasträger .
Fig . 4 zeigt die Verfahrensführung für einen Vergussmasse- auftrag mittels einer Vergussmasse-beschichtung auf einem Glasträger .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Trägeranordnung 1 mit einem Substrat 2 , auf dem eine strukturierte Metallisierung 3 aus Nickel angelegt ist , wobei schematisch vereinfacht ein erster Kontaktsockel 4 und ein zweiter Kontaktsockel 5 mit freigeschliffenen Kontaktflächen 10 . 1 , 10 . 2 dargestellt sind . Nicht dargestellt sind in dieser Ausführung weitere Schichten eines Halbleiterbauelements , die elektrisch mit den Kontaktflächen in Verbindung stehen, so dass diese einen integralen Teil des Bauelements bilden . Des Weiteren liegt eine stoff schlüssig mit der strukturierten Metallisierung 3 und dem Substrat 2 verbundene Vergussmasse 6 vor, die ein Glas 7 mit einer Erweichungstemperatur von unter 300 ° C umfasst , wobei das Glas 7 eine zusammenhängende Schicht 8 bildet und in das Glas 7 ein Hochtemperaturfüllstoff 9 ( siehe Figur 2 ) eingebettet ist . Für das vorliegende Ausführungsbeispiel besteht das Glas 7 aus TeO2-V2Ü5 und der Hochtemperaturfüllstoff 9 umfasst Cordierit , Eukryptit , Siliziumdioxid oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Hochtemperaturfüllstoffe in granulärer Form mit einem mittleren Partikeldurchmesser von l OOnm bis 25 pm .
Das Glas 7 und der Hochtemperaturfüllstoff 9 sind so ausgewählt und bezüglich der j eweiligen Volumenanteile derart angepasst , dass die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse 6 und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der strukturierten Metallisierung 3 , vorliegend aus Nickel , für einen Temperaturbereich von 25 ° C - 350 ° C weniger als 5 ppm/ ° K, bevorzugt weniger als 3 ppm/ ° K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/ ° K und insbesondere weniger als 0 , 5 ppm/ ° K beträgt .
Daraus folgt eine Verringerung der thermischen Spannungen bei der Prozessierung und für den Betrieb des Bauteils . Des Weiteren werden thermisch induzierte Verformungen vermieden, sodass die Fertigungspräzision verbessert ist . Zusätzlich hält die Vergussmasse 6 der erfindungsgemäßen Trägeranordnung 1 Prozesstemperaturen bis zur Erweichungstemperatur aus und erweist sich als kompatibel mit den typischen Halbleiter-Fertigungsprozessen . Des Weiteren resultiert eine hohe Alterungsstabilität .
Für eine Weiterführung der Erfindung ist die Trägeranordnung 1 Teil eines optoelektronischen Halbleiterbauteils 11 , das in schematisch vereinfachter Schnittansicht in Figur 2 dargestellt ist . Für die mit der Ausführung von Figur 1 identischen Komponenten werden übereinstimmende Bezugs zeichen verwendet . Ersichtlich ist , dass der erste Kontaktsockel 4 als integraler Bestandteil des Bauelements eine p-dotierte Halbleiterschicht 12 über eine p-Metallelektrode 16 elektrisch kontaktiert . Zwischen der p-dotierten Halbleiterschicht 12 und der p-Metall- elektrode 16 ist in Halbleiterstapelrichtung eine Spiegelschicht 17 aus Ag/ZnO angeordnet . Der zweiten Kontaktsockel 5 ist durch die Vergussmasse 6 und eine Isolationsschicht 18 aus SiNx/SiO2 vom ersten Kontaktsockel 4 elektrisch isoliert . Der zweite Kontaktsockel 5 dient zur elektrischen Kontaktierung einer n-dotierten Halbleiterschicht 13 über eine Metallschicht 19 aus Nickel . Eine entsprechende Isolationsschicht befindet sich auch zwischen der Metallschicht 19 und der p-Metallelektrode 16 .
Die Vergussmasse 6 der erfindungsgemäßen Trägeranordnung 1 wird während des Herstellungsprozesses schmelzflüssig auf die strukturierte Metallisierung 3 aufgebracht , so dass die Sockel 4 und 5 vollständig umschlossen sind . Für das dargestellte Ausführungsbeispiel wird pulverförmiges TeO2-V2Os-Glas in einem Schmelztiegel aus A12O3, Platin oder Porzellan bei einer Temperatur über der Erweichungstemperatur, beispielsweise 400 bis 500 ° C , auf geschmolzen, bis eine fließfähige Viskosität erreicht ist . Als nächster Schritt wird der Hochtemperaturfüllstoff 9 hinzugegeben und vermischt . Sodann erfolgt der Verguss der strukturierten Metallisierung 3 auf einem bevorzugt vorgeheizten Substrat , ein Kompaktieren mittels eines Presswerkzeugs und ein Freischleifen der Kontaktflächen 10 . 1 , 10 . 2 der strukturierte Metallisierung 3 nach dem Erkalten und Verglasen der Vergussmasse 6 .
Für ein alternatives Herstellungsverfahren wird der Materialauftrag der Vergussmasse mit Glas in Pulverform ausgeführt . Hierzu wird zunächst eine Suspension mit Glas 7 als Pulver, Hochtemperaturfüllstoff 9 in granulärer Form, destilliertem Wasser, Alkohol und optional einem zusätzlichen organischen Binder hergestellt . Die Suspension wird mit Hilfe eines drucktechnischen Verfahrens , beispielsweise Rakeln oder Siebdruck, auf die strukturierte Metallisierung 3 aufgetragen . Dann folgt ein Trocknungsprozess und ein Austreiben des Bindemittels sowie eine Verglasung durch die Anwendung eines Temperaturprozesses . In einem weiteren Verfahrensschritt werden das Freischleifen und die Höhenkalibrierung der Kontaktflächen 10 . 1 , 10 . 2 der strukturierten Metallisierung 3 vorgenommen .
Für eine weiter Ausführungsvariante wird zunächst eine Verguss- massebeschichtung 15 auf einem separaten Glashilfsträger 14 ausgebildet , der aus einem ultradünnen, biegbaren Glas besteht . Hierzu kann der Auftrag der Vergussmasse 6 auf den Glashilfsträger 14 wiederum entweder schmelzflüssig oder mittels einer Glas in Pulverform enthaltenden Suspension erfolgen . Dann erfolgt ein Verpressen des beschichteten Glashilfsträgers 14 und des Substrats 2 mit der strukturierte Metallisierung 3 unter Anwendung einer Temperaturführung . Hierzu dient die schematisch in Figur 3 gezeigten Apparatur . Skizziert ist eine erste Press- und Temperiervorrichtung 19 , die den Glashilfsträger 14 mit der Vergussmassebeschichtung 15 aufnimmt und eine zweite Press- und Temperiervorrichtung 20 auf der das Substrat 2 mit der im Einzelnen nicht dargestellten strukturierte Metallisierung 3 aufliegt .
Die Verfahrensführung für den Transfer der Vergussmasse auf die strukturierte Metallisierung 3 ist in Figur 4 dargestellt . Der Umgebungsdruckverlauf 21 zeigt in der Aufheizphase vor der Kontaktierung einen Druckabfall , der zur Entgasung der Vergussmassebeschichtung 15 dient . Aus dem vergussmasseseitigen Temperaturverlauf 22 und dem substratseitigen Temperaturverlauf 23 ist ferner ersichtlich, dass die Vergussmassebeschichtung 15 bereits während der Entgasung temperiert wird und vor der Kontaktierung eine höhere Temperatur als das Substrat 2 erreicht , wobei die Temperaturen der zu kontaktierenden Teile vor dem Anpressen j eweils über der Erweichungstemperatur Tg des Glases in der Vergussmassebeschichtung 15 liegen . Im Verlauf der Kontaktierung und Press kraftbeaufschlagung , die durch den Anpressdruckverlauf 24 verdeutlicht wird, erfolgt eine weitgehende Temperaturangleichung . Für die weitere Temperaturführung bis zur Verglasung ist eine Temperbehandlung 25 vorgesehen . Die nachfolgende Abnahme des Glasträgers 14 und das Freischleifen der Kontaktflächen der strukturierten Metallisierung 3 ist im Einzelnen nicht dargestellt .
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Trägeranordnung
2 Substrat
3 strukturierte Metallisierung
4 erster Kontaktsockel
5 zweiter Kontaktsockel
6 Vergussmasse
7 Glas
8 zusammenhängende Schicht
9 Hochtemperaturfüllstoff
10 . 1 , 10 . 2 Kontaktfläche
11 optoelektronisches Halbleiterbauteil
12 p-dotierte Halbleiterschicht
13 n-dotierte Halbleiterschicht
14 Glasträger
15 Vergussmassebeschichtung
16 p-Metallelektrode
17 Spiegelschicht
18 Isolationsschicht
19 erste Press- und Temperiervorrichtung
20 zweite Press- und Temperiervorrichtung
21 Umgebungsdruckverlauf
22 vergussmasseseitiger Temperaturverlauf
23 substratseitiger Temperaturverlauf
24 Anpressdruckverlauf
25 Temperbehandlung

Claims

PATENTANS PRÜCHE Trägeranordnung für ein optoelektronisches Halbleiterbauteil (11) , umfassend ein Substrat (2) ; eine auf dem Substrat
(2) aufgebrachte, strukturierte Metallisierung (3) welche wenigstens zwei Kontaktsockel (4, 5) umfasst; eine mit der strukturierten Metallisierung (3) stoffschlüssig verbundene Vergussmasse (6) welche die Kontaktsockel (4, 5) bis auf ihre Kontaktflächen umschließt; wobei die Vergussmasse (6) ein Glas (7) mit einer Erweichungstemperatur von unter 320°C, insbesondere unter 310°C, und bevorzugt unter 300°C umfasst, wobei das Glas (7) eine zusammenhängende Schicht (8) bildet und optional in das Glas (7) ein Hochtemperaturfüllstoff (9) eingebettet ist; und wobei das Glas (7) und der Hochtemperaturfüllstoff (9) so abgestimmt sind, dass die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse (6) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der strukturierten Metallisierung
(3) für einen Temperaturbereich von 25 °C - 350°C weniger als 5 ppm/°K, bevorzugt weniger als 3 ppm/°K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/°K und insbesondere weniger als 0,5 ppm/°K beträgt. Trägeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas (7) ein Telluritglas , ein Bismutglas, ein Vanadatglas oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Gläser ist. Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturfüllstoff (9) Cor- dierit, Eukryptit, Siliziumdioxid oder eine Mischung aus mindestens zwei dieser Hochtemperaturfüllstoffe ist.
4. Trägeranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus Saphir besteht .
5. Trägeranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Metallisierung (3) aus Nickel besteht.
6. Trägeranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse (6) stoffschlüssig mit dem Substrat (2) verbunden ist.
7. Trägeranordnung nach einem der vorausgehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Metallisierung (3) eine freigeschliffene Kontaktfläche (10.1, 10.2) umfasst .
8. Optoelektronisches Halbleiterbauteil mit einer Trägeranordnung (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die strukturierte Metallisierung (3) einen ersten Kontaktsockel (4) , der wenigstens mittelbar eine p-dotierte Halbleiterschicht (12) elektrisch kontaktiert, und einen zweiten Kontaktsockel (5) , der wenigsten mittelbar eine n- dotierte Halbleiterschicht (13) kontaktiert, umfasst.
9. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 - 8, umfassend die Verfahrensschritte :
Herstellung einer strukturierten Metallisierung (3) auf einem Substrat (2) ; und
Aufbringen einer Vergussmasse (6) , umfassend ein Glas (7) mit einer Erweichungstemperatur unter 320°C, insbesondere unter 310°C, und insbesondere bevorzugt unter 300°Cund optional einen Hochtemperaturfüllstoff (9) , auf die strukturierte Metallisierung (3) , wobei das Glas (7) und optional der Hochtemperaturfüllstoff (9) so abgestimmt sind, dass - 16 - die Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Vergussmasse (6) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der strukturierten Metallisierung (3) für einen Temperaturbereich von 25°C - 350°C weniger als 5 ppm/°K, bevorzugt weniger als 3 ppm/°K und besonders bevorzugt weniger als 1 ppm/°K und insbesondere weniger als 0,5 ppm/°K beträgt; und
Verpressen der Vergussmasse (6) bei einer Temperatur unter 400°C; und
Verglasen der Vergussmasse (6) unterhalb der Erweichungstemperatur; und Freischleifen einer Kontaktfläche (10.1, 10.2) der strukturierten Metallisierung (3) . Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach Anspruch 9, wobei die Vergussmasse (6) schmelzflüssig auf die strukturierte Metallisierung (3) aufgebracht wird. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach Anspruch 9, wobei die Vergussmasse (6) als eine ein pulverförmiges Glas (7) enthaltende Suspension auf die strukturierte Metallisierung (3) aufgebracht wird. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach Anspruch 9, wobei die Vergussmasse (6) auf einen Glasträger (14) zur Ausbildung einer Vergussmassebeschichtung (15) aufgebracht wird; und der Glasträger (14) mit der Vergussmassebeschichtung (15) und das Substrat (2) mit der strukturierten Metallisierung (3) verpresst werden. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach Anspruch 12, wobei die Vergussmassebeschichtung (15) vor dem Verpressen durch Temperieren und/oder eine Unterdruckbehandlung entgast wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Glasträger (14) und/oder das Substrat (2) vor dem Verpressen temperiert werden.
15. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach Anspruch 14, wobei der Glasträger (14) vor dem Verpressen eine höhere Temperatur als das Substrat (2) aufweist.
16. Verfahren zur Herstellung einer Trägeranordnung nach einem der Ansprüche 9 - 15, wobei nach dem Verpressen und Verglasen der Vergussmasse (6) eine Temperbehandlung ausgeführt wird.
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