專利名稱：從氮化物倒裝芯片激光去除藍(lán)寶石的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子學(xué)領(lǐng)域。它尤其涉及用于照明用途的III族氮化物倒裝芯片(flip-chip)連接的發(fā)光二極管，并且本發(fā)明特別針對(duì)于此加以描述。然而，本發(fā)明還發(fā)現(xiàn)了與其它類型的倒裝芯片連接的發(fā)光二極管相結(jié)合的應(yīng)用，以及在其它倒裝芯片連接的外延半導(dǎo)體器件，例如垂直腔表面發(fā)射激光二極管中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在倒裝芯片裝配構(gòu)造中，具有透光基片和前側(cè)面電極(front-side electrode)的發(fā)光二極管是“面朝下”連接到底座的連接凸起上，即，外延層緊接底座，而透光基片遠(yuǎn)離底座。倒裝芯片構(gòu)造具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括改善的散熱(緣于前側(cè)活性層緊鄰散熱基片)以及電極屏蔽損失的減少。
在倒裝芯片裝配構(gòu)造中，光從基片側(cè)引出。對(duì)于外延生長(zhǎng)的發(fā)光二極管，基片材料的選擇可能受到高度限制，這是因?yàn)榛倪x擇主要是為外延提供良好的基面。因此，基片的標(biāo)準(zhǔn)包括窄晶格常數(shù)范圍、用于外延成核的基本原子平面、在外延生長(zhǎng)溫度下的熱穩(wěn)定性、與外延過(guò)程的化學(xué)相容性等。
當(dāng)生長(zhǎng)基片在光發(fā)射的部分或所有光譜范圍內(nèi)顯著吸收光時(shí)，則在倒裝芯片構(gòu)造中可能產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題。在這種情況下，由于在基片中的光吸收的損失，從基片引出的光被減少。此外，即使可獲得適宜的光學(xué)透明的基片，如III族氮化物發(fā)光二極管就是這種情況，其可以生長(zhǎng)在透明藍(lán)寶石生長(zhǎng)基片上，但在基片和外延層之間的界面可能發(fā)生反射光的損失，這是由于折射率的突然不連續(xù)性。
一種已知的用于減少這些與基片有關(guān)的光學(xué)損失的方法是將外延層堆(epitaxial layer stack)從吸收光的生長(zhǎng)基底薄片(substratewafer)轉(zhuǎn)移到光學(xué)透明薄片上。通常，這涉及將外延層堆緊密連接到光學(xué)透明薄片上，然后通過(guò)蝕刻除去生長(zhǎng)基底薄片。在除去生長(zhǎng)基片以后，外延層堆仍然連接在透明薄片上，其然后被加工以制備器件，并切割成分開(kāi)的單個(gè)發(fā)光二極管芯片(die)。然而，實(shí)現(xiàn)外延層堆和透明基片之間的大面積緊密連接是困難的。在連接期間，由于在外延層堆和透明基片之間的界面形成氣泡或存在微粒，可能損害器件的成品率。此外，在外延層堆和透明基片之間缺少接近的折射率的匹配，因而在該層堆和透明薄片之間的界面處的反射可能引起光學(xué)損失。
另一種方法是利用粘結(jié)層(連接層)將外延層堆暫時(shí)固定到臨時(shí)支撐薄片上，接著使生長(zhǎng)基片變薄。然后將上面還粘有剩下的變薄的生長(zhǎng)基片的外延層堆與臨時(shí)支撐薄片分離，再進(jìn)行加工和切割以產(chǎn)生發(fā)光二極管芯片。具有變薄基片的該發(fā)光二極管芯片被倒裝芯片連接在底座上。然而，在生長(zhǎng)基片變薄后，該外延層堆和剩下的變薄生長(zhǎng)基片形成脆性結(jié)構(gòu)。這種變薄結(jié)構(gòu)的脆性使進(jìn)一步的加工、切割、以及倒裝芯片連接(倒裝焊)復(fù)雜化，進(jìn)而導(dǎo)致降低的器件成品率。此外，在該臨時(shí)支撐薄片和外延層堆之間的粘結(jié)內(nèi)的氣泡、微粒、或其它缺陷可以引起對(duì)變薄結(jié)構(gòu)的局部損傷，這同樣影響器件成品率。
本發(fā)明設(shè)想一種改善的裝置和方法，其可以克服上述限制和其它限制。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)一種具體實(shí)施方式
，本發(fā)明提供了一種用于制備倒裝芯片發(fā)光二極管器件的方法。將外延層沉積在生長(zhǎng)基片上以產(chǎn)生外延片。在外延片上制造多個(gè)發(fā)光二極管器件。切割該外延片以產(chǎn)生器件芯片(device die)。將該器件芯片倒裝芯片連接于底座。該倒裝芯片連接包括通過(guò)將該器件芯片的至少一個(gè)電極連接到該底座的至少一個(gè)粘結(jié)墊(bonding pad)而將該器件芯片固定到底座上。在倒裝芯片連接之后，減少該器件芯片的生長(zhǎng)基片的厚度。
根據(jù)另一種具體實(shí)施方式
，本發(fā)明提供了一種用于改善倒裝芯片連接發(fā)光二極管器件的光發(fā)射的方法，其中該倒裝芯片連接發(fā)光二極管器件是倒裝芯片連接于底座。該發(fā)光二極管器件的生長(zhǎng)基片被變薄或移除。該倒裝芯片連接發(fā)光二極管器件的生長(zhǎng)基片被設(shè)置在該底座的遠(yuǎn)側(cè)。當(dāng)該發(fā)光二極管器件的外延層倒裝芯片連接到該底座時(shí)，進(jìn)行變薄或移除操作。在變薄或移除期間，倒裝芯片連接會(huì)影響該發(fā)光二極管器件固定到底座。
根據(jù)又一種具體實(shí)施方式
，本發(fā)明披露了一種倒裝芯片發(fā)光二極管器件。底座包括連接凸起。發(fā)光二極管器件芯片具有倒裝芯片連接在該底座的連接凸起上的器件層堆。底部填充材料(underfillmaterial)設(shè)置在該發(fā)光二極管器件芯片和該底座之間。該底部填充材料支撐該發(fā)光二極管器件芯片并防止該發(fā)光二極管器件芯片的破裂。
在閱讀和理解本說(shuō)明書(shū)以后，本發(fā)明的許多優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見(jiàn)的。


本發(fā)明可以采用各種元件以及元件組合的形式，以及各種工藝操作和工藝操作組合的形式。附圖僅用于說(shuō)明優(yōu)選的具體實(shí)施方式
而不應(yīng)認(rèn)為是限制本發(fā)明。在剖視圖中，為視覺(jué)上清晰起見(jiàn)，層厚度被放大，因而不是按比例繪制的。
圖1A示出了倒裝芯片連接于底座的兩個(gè)發(fā)光二極管芯片(dice)的剖視圖。
圖1B示出如在圖1A中的倒裝芯片連接于底座的兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的剖視圖，其是在這兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的基片變薄以后。
圖2繪出了具有碳化硅基片的III族氮化物倒裝芯片發(fā)光二極管芯片的計(jì)算的光射出(light extraction)分?jǐn)?shù)值，其被作為基片吸收系數(shù)和基片厚度的函數(shù)而計(jì)算。
圖3示出如在圖1A中的倒裝芯片連接于底座的兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的剖視圖，其是在除去這兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的基片以后。
圖4A示出在基片變薄和形成背面電極(back-side electrode)以前兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的剖視圖，其中這兩個(gè)發(fā)光二極管芯片具有垂直電流幾何結(jié)構(gòu)(vertical current flow geometry)并倒裝芯片連接于底座。
圖4B示出如在圖4A中的倒裝芯片連接于底座的兩個(gè)發(fā)光二極管芯片的剖視圖，其是在基片變薄、形成背面電極、以及將背面電極導(dǎo)線接合(wire-bonding)到底座的導(dǎo)線粘結(jié)墊(wiring bondingpad)以后。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1A，該圖示出兩個(gè)示范性倒裝芯片連接發(fā)光二極管器件芯片10，其以倒裝芯片方式安裝在底座12上。每個(gè)示范性發(fā)光二極管器件芯片10包括外延沉積在生長(zhǎng)基片16上的半導(dǎo)體器件層堆14。外延器件層堆14限定了發(fā)光二極管器件，如III族氮化物紫外或藍(lán)色發(fā)光二極管、III族磷化物可見(jiàn)發(fā)射發(fā)光二極管、III族砷化物垂直腔表面發(fā)射激光二極管、或類似二極管。
在圖1A中，半導(dǎo)體層堆14具有兩個(gè)示范性層，其相應(yīng)于簡(jiǎn)單p/n二極管；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了，可以采用更復(fù)雜的半導(dǎo)體層堆。例如，在垂直腔表面發(fā)射激光二極管中，該層堆可以包括許多層，這些層限定了布拉格反射器(Bragg reflector)、包層、以及復(fù)合多量子阱活性區(qū)(complex multi-quantum well activeregion)。對(duì)于具有p-on-n取向的III族氮化物紫外或藍(lán)色發(fā)光二極管，該層堆通常包括氮化鋁或另一種材料的外延生長(zhǎng)緩沖層(buffer)、n型氮化鎵基層、氮化銦鎵的活性區(qū)(acitve region)、p型氮化鎵層、以及可選的形成在p型氮化鎵層上的接觸層。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地構(gòu)造適合于特定光學(xué)用途的其它半導(dǎo)體外延層堆。
生長(zhǎng)基片16由晶體材料制成，該晶體材料適合于所選半導(dǎo)體層堆14的外延生長(zhǎng)。對(duì)于III族氮化物的外延，生長(zhǎng)基片適宜是碳化硅(SiC；例如，傳導(dǎo)性SiC、無(wú)摻雜6H-SiC、或無(wú)摻雜4H-SiC)、氮化鎵、或藍(lán)寶石。對(duì)于III族磷化物的外延，生長(zhǎng)基片適宜是砷化鎵或磷化銦。對(duì)于III族砷化物的外延，基片適宜是砷化鎵。這些實(shí)例并不是窮舉的；相反地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地選擇生長(zhǎng)基片，這些基片具有適宜的表面晶格常數(shù)、大面積的平面、以及適當(dāng)?shù)臒岷突瘜W(xué)特性，用于促進(jìn)所選半導(dǎo)體層堆14的高質(zhì)量、優(yōu)選晶格匹配的外延生長(zhǎng)?？蛇x地，生長(zhǎng)基片16相對(duì)于主晶向(principle crystal direction)被偏離切割(off-cut)。例如，同軸(on-axis)(即，沒(méi)有偏離切割(no offcut))或以4°或8°偏離切割的4H-SiC基片可獲自Cree Materials(Durham，North Carolina)。
半導(dǎo)體層堆14在所選生長(zhǎng)基片16上的外延沉積優(yōu)選通過(guò)金屬-有機(jī)化學(xué)汽相淀積(MOCVD；在本技術(shù)領(lǐng)域也稱作金屬有機(jī)物汽相外延，OMVPE，以及類似術(shù)語(yǔ))、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)、或別的適宜的外延生長(zhǎng)技術(shù)。正如生長(zhǎng)基片16的情況一樣，外延生長(zhǎng)技術(shù)的選擇是基于要生長(zhǎng)的外延層堆14的類型。
外延沉積是在大面積的基底薄片上進(jìn)行的。例如，用于外延的碳化硅薄片可通常作為直徑約5cm至8cm的圓盤形薄片獲得。對(duì)于砷化鎵和藍(lán)寶石可作為更大直徑的圓盤形薄片獲得。其上沉積有外延層堆14的大面積的基底薄片在本文中稱作外延片。利用適宜的制備工序?qū)ν庋悠M(jìn)行處理，其中該制備工序包括子工序(sub-process)如薄片清潔工序、光刻工序、蝕刻工序、電介質(zhì)沉積工序、敷金屬(金屬化)工序、以及類似工序，以在薄片上限定多個(gè)發(fā)光二極管器件。在一種典型的方式中，制備工序包括最初的薄片清潔、光刻限定和器件臺(tái)面的蝕刻、以及n型和p型電極的光刻限定和形成。
繼續(xù)參照?qǐng)D1A，發(fā)光二極管器件芯片10是橫向電流幾何結(jié)構(gòu)(lateral current flow geometry)器件，并且包括設(shè)置在器件臺(tái)面上的p型電極20以及設(shè)置在偏離器件臺(tái)面的場(chǎng)區(qū)域(field area)內(nèi)的n型電極22。在此具體實(shí)施方式
中，電極20、22都是前側(cè)面電極。通常，電極20、22由金制成或具有金涂層，用于促進(jìn)低電阻電接觸。
底座12包括用來(lái)與p型電極20連接的第一粘結(jié)墊26，以及用來(lái)與n型電極22連接的第二粘結(jié)墊28。多個(gè)連接凸起(bondingbump)30設(shè)置在粘結(jié)墊26、28上。發(fā)光二極管器件芯片10被倒裝芯片連接在底座12的粘結(jié)墊26、28上，并且更準(zhǔn)確地說(shuō)，是連接在連接凸起30上。倒裝芯片連接可以通過(guò)焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，連接凸起30是焊料凸起(solder bump)?？商鎿Q地，倒裝芯片連接可以通過(guò)熱聲波連接(熱超聲焊)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，凸起優(yōu)選為以金涂布的銅凸起，其通過(guò)加熱和注入超聲能量的結(jié)合而被連接在電極20、22的金上。也可以采用其它連接方法。
繼續(xù)參照?qǐng)D1A，倒裝芯片連接的發(fā)光二極管芯片10具有相對(duì)較厚的基片16。直徑通常至少幾厘米或其它橫向尺寸的生長(zhǎng)基底薄片被切割以產(chǎn)生單個(gè)發(fā)光二極管芯片10，其被倒裝芯片連接于底座12。因此，圖1A的基片16具有相當(dāng)于最初的生長(zhǎng)基底薄片的厚度的厚度d。例如，可獲自Cree Materials(Durham，North Carolina)的用于III族氮化物外延的標(biāo)準(zhǔn)圓盤形碳化硅薄片具有典型的約5.0cm至7.6cm的薄片直徑，并且具有規(guī)定為254±25.4微米的薄片厚度。
此外，對(duì)于典型III族氮化物發(fā)光二極管器件的紫外至藍(lán)光發(fā)射，碳化硅是吸收的。在此倒裝芯片連接構(gòu)造中，光射出(extraction)通常通過(guò)基片側(cè)，并且由于基片吸收而衰減。在圖1A中，引出(extracted)的光用錐形箭頭34示意性表示。當(dāng)通過(guò)相對(duì)較厚光吸收基片16時(shí)，箭頭34的快速變細(xì)表示由光吸收引起的光損失。雖然參照碳化硅基片加以描述，但應(yīng)當(dāng)明了，吸收由半導(dǎo)體層堆發(fā)射的光的其它基片將類似地吸收光并降低器件的外部的光輸出。
繼續(xù)參照?qǐng)D1A并進(jìn)一步參照?qǐng)D1B，示于圖1A中的基片16在倒裝芯片連接以后被變薄以產(chǎn)生改進(jìn)的發(fā)光二極管芯片10′，其具有變薄的基片16′，如圖1B所示。變薄的基片16′具有在圖1B中所示的厚度d′，其顯著小于未變薄基片16的厚度d?？梢酝ㄟ^(guò)機(jī)械研磨、機(jī)械拋光、機(jī)械磨削、或類似方式來(lái)使基片變薄。在另一種方式中，該薄片變薄是利用適宜的蝕刻劑并通過(guò)濕法蝕刻或干法化學(xué)蝕刻或等離子蝕刻來(lái)進(jìn)行。在又一種方式中，激光燒蝕用來(lái)使基片變薄。變薄基片16′的減小的厚度d′允許更多的光射出發(fā)光二極管芯片10′，如示于圖1B中的較少變細(xì)的，即，更寬的箭頭34′所示。
優(yōu)選的變薄程度，即，優(yōu)選的最終厚度d′是基于幾個(gè)因素確定的。當(dāng)光吸收基片變薄時(shí)，它通常變得更加透光。因此，較小的厚度d′通常促進(jìn)光射出。然而，最終厚度d′越小意味著在變薄工藝中承受力越小。換言之，對(duì)于更小的最終厚度d′，應(yīng)更精確控制基片變薄過(guò)程以避免一方面，留下太多的基片材料，或另一方面，除去太多的材料并可能損害下面的外延層堆14。
參照?qǐng)D2，其示出在不同厚度和吸收特性的碳化硅基片上的典型III族氮化物器件結(jié)構(gòu)的計(jì)算的光射出值。在圖2的曲線圖中，橫坐標(biāo)是以微米為單位的基片厚度，而縱坐標(biāo)是光射出分?jǐn)?shù)。示出了計(jì)算結(jié)果，其是從254微米的典型碳化硅生長(zhǎng)薄片厚度一直到高度變薄的約25.4微米的基片厚度。示出了若干曲線，每條曲線對(duì)應(yīng)于不同的基片吸收系數(shù)α，其分布在從α＝0.0cm-1到α＝20.0cm-1的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將明了，吸收系數(shù)依賴于波長(zhǎng)，并且在碳化硅的情況下還依賴于碳化硅材料的多形性(polymorph)、摻雜、以及其它特性。繪制在圖2中的吸收系數(shù)的范圍表示了對(duì)于典型III族氮化物發(fā)光二極管器件發(fā)射波長(zhǎng)以及對(duì)于典型碳化硅基片材料的基片吸收特性。
繼續(xù)參照?qǐng)D2，對(duì)于α＝5.0cm-1，從254微米的基片厚度變薄到50.8微米的基片厚度可提供約10.2％的相對(duì)光射出的提高(從0.2224的光射出分?jǐn)?shù)至0.2451的光射出)。對(duì)于更高吸收基片，提高會(huì)更大。例如，在α＝20.0cm-1的情況下，對(duì)于254微米基片光射出分?jǐn)?shù)是0.1212，而對(duì)于25.4微米基片則增加到0.1918。因此，在α＝20.0cm-1的情況下，從254微米變薄到25.4微米可提供約58.3％的相對(duì)光射出的提高。
回過(guò)來(lái)參照?qǐng)D1A和圖1B，在倒裝芯片連接以后而不是在切割以前(如過(guò)去通常所做的)使基片16變薄，可能引起機(jī)械穩(wěn)定性困難，尤其對(duì)于具有約50微米或更小厚度d′的變薄基片16′。由連接或由基片變薄過(guò)程引起的應(yīng)力可導(dǎo)致一些、大多數(shù)、或所有發(fā)光二極管器件10′在操作上性能降低或不起作用。例如，一些、大多數(shù)、或所有發(fā)光二極管器件10′在變薄過(guò)程中可能會(huì)破裂，這是由于在對(duì)應(yīng)連接凸起30的不連續(xù)的連接區(qū)域所引起的應(yīng)力的緣故。這樣的應(yīng)力可以被發(fā)光二極管芯片10所承受(這得益于其較厚的基片16以及相應(yīng)的機(jī)械強(qiáng)度)，但可能不被發(fā)光二極管芯片10′的所承受，這是由于其變薄基片16′的脆性。
為了在變薄期間和以后機(jī)械支撐和穩(wěn)定發(fā)光二極管器件，在基片變薄之前，優(yōu)選將底部填充材料38放置在發(fā)光二極管器件10和底座12之間。底部填充材料38在發(fā)光二極管器件10、10′和底座12之間提供粘接，其幫助固定器件10、10′。底部填充材料38還為變薄的發(fā)光二極管器件10′提供機(jī)械支撐以降低破裂或其它與應(yīng)力相關(guān)的損傷的可能性。由底部填充材料38提供的支撐橫過(guò)發(fā)光二極管器件10、10′的區(qū)域分布，以在或接近局部應(yīng)力區(qū)域(如在連接凸起30處或附近)提供支撐。
底部填充材料38優(yōu)選提供其它益處，如保護(hù)和密封半導(dǎo)體層堆14和電極20、22。如果底部填充材料38是導(dǎo)熱的，則它有利地提供另外的散熱途徑。
為了保證基片的變薄，底部填充材料38優(yōu)選基本上不包覆基片16，盡管底部填充材料38可以可選地部分(part-way)達(dá)到基片16的側(cè)面。在一些設(shè)想的具體實(shí)施方式
中，底部填充材料確實(shí)包覆基片16，而包覆基片16的多余材料在基片變薄過(guò)程中被除去。底部填充材料38適宜作為液態(tài)加以使用，然后在連接之前或之后固化或干燥。底部填充材料38適宜是環(huán)氧樹(shù)脂、硅樹(shù)脂、光刻膠、或其它材料，其可以以液態(tài)或可流動(dòng)形式加以使用，然后固化或干燥。雖然優(yōu)選包括底部填充材料38，但如果變薄基片的厚度d′大于約50微米、或如果外延層堆14具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來(lái)抵抗與應(yīng)力相關(guān)的損傷，則底部填充材料38可選地省去。
在發(fā)射藍(lán)光或紫外光的III族氮化物發(fā)光二極管器件的情況下，可以將波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化磷光體加入底部填充材料38，以將藍(lán)或紫外光轉(zhuǎn)化成白光或具有其它所選光譜特性的光。這樣的磷光體加入在采用橫向電流幾何結(jié)構(gòu)的器件中是最有利的，如發(fā)光二極管器件芯片10、10′，因?yàn)樵谶@種幾何結(jié)構(gòu)中，顯著量的光通過(guò)蝕刻臺(tái)面的側(cè)壁漏向底座12。
參照?qǐng)D3，不同于變薄圖1A的基片16，如圖3所示，可以完全除去基片16，以產(chǎn)生改善的倒裝芯片發(fā)光二極管芯片10″。在透明基片的情況下，如在III族氮化物外延中使用的藍(lán)寶石基片，可歸因于基片的光損失是緣于反射損失而不是吸收損耗。因此，應(yīng)完全除去藍(lán)寶石以消除反射光損失。在一種適當(dāng)?shù)?b>具體實(shí)施方式
中，使用了化學(xué)蝕刻，其選擇性地除去在相鄰?fù)庋訉拥牟牧现系幕牧稀Ｔ谶@種情況下，外延層堆14的外延層(其相鄰于基片16)起到蝕刻阻擋的作用，并且當(dāng)它到達(dá)蝕刻阻擋層時(shí)化學(xué)蝕刻有利地終止或大大放慢。
在另一種具體實(shí)施方式
中，準(zhǔn)分子激光器用來(lái)從倒裝芯片安裝的LED芯片除去藍(lán)寶石基片16。藍(lán)寶石基片的激光去除(lift-off)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)更好的光射出。另外，得到的更低外形可為進(jìn)一步的封裝提供更多的選擇。倒裝芯片安裝的過(guò)程可能涉及相對(duì)大量的可能傾向于損傷芯片的力。因此，在已倒裝芯片方式安裝芯片以后(與在安裝之前相反)除去基片可有助于在安裝過(guò)程中防止對(duì)芯片造成損傷，因?yàn)槟菚r(shí)完整的基片可提供另外的結(jié)構(gòu)支撐和/或完整性。此外，由于在藍(lán)寶石基片和器件層之間的晶格失配，在器件層中存在積累的應(yīng)力，其可以在除去基片后引起薄片“卷曲”。這取決于芯片的大小和卷曲程度，在除去藍(lán)寶石基片以前，對(duì)芯片施加應(yīng)力消除劑如底部填充材料38。如果在除去基片以后在器件層中存在相對(duì)很小的卷曲，則可選地使用另一種制劑來(lái)防止外部損傷。
從器件的活性區(qū)或外延層14除去藍(lán)寶石基片面臨一些挑戰(zhàn)。一旦除去藍(lán)寶石，芯片的完整性和堅(jiān)韌性可能比較低，因?yàn)榕c100-600μm的基片相比剩余的器件僅在10μm厚的數(shù)量級(jí)。由于激光去除過(guò)程的性質(zhì)的緣故，與在更大薄片水平除去整個(gè)基片相比，從單個(gè)(singlated)器件除去基片證明是更有利的方法。適當(dāng)?shù)?，紫外激光通過(guò)透明藍(lán)寶石基片照射在外延層14的背面或基片側(cè)表面上。激光會(huì)降解藍(lán)寶石和低質(zhì)量AlGaN或GaN氮化物成核層之間的界面，其中形成該成核層是為了減小材料之間的晶格失配。在此降解過(guò)程中，鎵金屬和氮被釋放。然后，在稍高的溫度，鎵熔化并使得藍(lán)寶石被除去。然后清除表面上的任何剩余鎵。
如已經(jīng)所描述的，在激光去除過(guò)程以前，可以將芯片固定到下底座(submount)或下面的支撐結(jié)構(gòu)，其中借助底部填充的環(huán)氧樹(shù)脂或其它材料，例如，不是電活性(electrically active)但在除去基片后可以給芯片提供支撐的材料。如果芯片和下面的支撐結(jié)構(gòu)之間的距離很小，則可選地用后來(lái)可以除去的涂層材料來(lái)提供臨時(shí)支撐。這也可以是環(huán)氧樹(shù)脂，但它無(wú)需在芯片底下流動(dòng)、只要在邊緣周圍流動(dòng)即可。當(dāng)然，在去除后，有更多的選擇來(lái)處理倒裝芯片安裝的芯片，從而既提供額外的強(qiáng)度又增強(qiáng)了器件的性能，例如，可以用抗反射涂層來(lái)增強(qiáng)從器件的光輸出；在芯片上沉積指數(shù)級(jí)膜(指數(shù)級(jí)配的膜)(index-graded film)，其將改變總內(nèi)反射以及便于更多的光輸出，值得注意地，GaN具有約2.3的折射率而環(huán)氧樹(shù)脂具有約1.5的折射率，因此折射指數(shù)或折射率(indicies or refraction)在兩者之間的材料可以適用；可選地在芯片的背面放上微透鏡；可選地將芯片的背面粗糙化或蝕刻成透鏡或其它結(jié)構(gòu)；可以進(jìn)行注射傳遞模塑工藝(injection transfer molding process)以在芯片上形成大的透鏡(例如，可選地，透鏡最初是液體，其被硬化，或可替換地透鏡可以最初是固體)；等等。
通常，與保留變薄的基片16′相比，完全除去基片16可提供改善的光射出效率。然而，如果基片16′提供良好的匹配外部環(huán)境的折射率，則與完全基片除去相比，變薄的基片16′可提供更好的總光射出效率。此外，完全基片除去會(huì)留下暴露于環(huán)境的外延層堆14的層。在某些情況下，這可能是不希望有的。例如，在生長(zhǎng)在砷化鎵基片上的III族砷化物器件中，如果該暴露的外延層具有高的鋁含量，則它易于氧化。因此，在這樣的情況下，可能優(yōu)選的是，保留薄薄一部分的砷化鎵基片以覆蓋高鋁含量的外延層。更進(jìn)一步地，在缺少蝕刻阻擋層或者厚的非臨界基底外延層的情況下，完全除去基片16則涉及非常精確地控制蝕刻過(guò)程，以避免蝕刻入和損壞薄的外延層堆14。
在基片16被除去或顯著變薄的情況下，所獲得的發(fā)光二極管器件10′、10″可以是非常易于損壞，以致不能是無(wú)支撐的部件。就是說(shuō)，在基片16極端變薄或被除去的情況下，底部填充材料38有利地防止發(fā)光二極管器件10′、10″的破裂。是否改善的發(fā)光二極管器件10′、10″如此易損壞以致底部填充材料38防止其破裂，而不是僅僅提供另外的機(jī)械支撐，要取決于外延層堆14的厚度、在不完全除去基片情況下的變薄基片16′的厚度d′、以及形成發(fā)光二極管器件10′、10″的材料的機(jī)械性能。
繼續(xù)參照?qǐng)D3，在除去基片16以后，(折射)率匹配材料、環(huán)氧樹(shù)脂透鏡、離散的微透鏡、或其它光學(xué)元件42可以施加于外延層堆14。在環(huán)氧樹(shù)脂透鏡42的情況下，通常以液體或可流動(dòng)形式施加環(huán)氧樹(shù)脂，然后干燥或固化。雖然未示出，但應(yīng)當(dāng)明了，這樣的光學(xué)元件也可以設(shè)置在圖1B的變薄基片16′上。
參照?qǐng)D4A，其圖解說(shuō)明了一種采用具有垂直電流幾何結(jié)構(gòu)的器件的具體實(shí)施方式
。在圖4A中示出發(fā)光二極管芯片100，其倒裝芯片方式連接于底座112。發(fā)光二極管芯片100具有設(shè)置在基片116上的外延半導(dǎo)體器件層堆114。第一電極120形成在器件層堆114上。不同于圖1A、圖1B、以及圖3的橫向電流幾何結(jié)構(gòu)，僅單個(gè)前側(cè)面電極120形成在外延層堆114上。借助連接凸起130，第一電極120倒裝芯片方式連接于第一粘結(jié)墊126。第二粘結(jié)墊128沒(méi)有通過(guò)倒裝芯片連接與發(fā)光二極管芯片100連接。因此，在示于圖4A的制備位置，發(fā)光二極管芯片100不起作用，因?yàn)闆](méi)有第二電極或?qū)ζ涞碾娸斎雭?lái)驅(qū)動(dòng)二極管器件。
繼續(xù)參照?qǐng)D4A以及進(jìn)一步參照?qǐng)D4B，底部填充材料138優(yōu)選設(shè)置在發(fā)光器件芯片100和底座112之間，以提供機(jī)械支撐、改善的器件芯片100固定于底座112，以及提供可選的密封和改善的散熱。通過(guò)機(jī)械磨削、激光燒蝕、濕法化學(xué)蝕刻、干法蝕刻、或類似方法來(lái)使示于圖4A中的基片116變薄，以產(chǎn)生變薄的基片116′。第二電極122(其是背面電極)形成在變薄的基片116′上，其是導(dǎo)電基片。在此示出的具體實(shí)施方式
中，第二電極122是環(huán)形電極，該環(huán)形電極限定了每個(gè)改善發(fā)光二極管芯片100′的中心光孔140。第二電極122通過(guò)導(dǎo)線連接142與是導(dǎo)線粘結(jié)墊的第二粘結(jié)墊128電連接。當(dāng)由電極120、122被供能時(shí)，改善的發(fā)光二極管芯片100′穿過(guò)光孔140內(nèi)的變薄基片116′發(fā)射光134。
在圖4B的示范性具體實(shí)施方式
中，變薄的基片116′是導(dǎo)電的以使垂直電流構(gòu)造成為可能。然而，如果該基片是電絕緣的，例如III族氮化物發(fā)光二極管芯片的藍(lán)寶石基片，那么類似于圖3的具體實(shí)施方式
可以完全除去基片，接著在半導(dǎo)體層堆114的一層(其由于除去基片116而暴露)上形成背面接觸。
通過(guò)在倒裝芯片連接后除去基片，相對(duì)于過(guò)去的在倒裝芯片連接之前進(jìn)行薄片變薄的制造方法而言可以實(shí)現(xiàn)許多優(yōu)點(diǎn)。用于制造單個(gè)發(fā)光二極管器件芯片的制造工藝是在具有較厚基底薄片的外延片上進(jìn)行的。這可以避免在處理薄片器件過(guò)程中的損壞，因而改善器件成品率。此外，在借助蝕刻阻擋通過(guò)各向同性蝕刻除去基片的情況下，在切割和倒裝芯片連接以后進(jìn)行這樣的各向同性蝕刻使各向同性蝕刻過(guò)程可以同時(shí)從基底薄片16、116的背面和側(cè)面除去材料。這可以提供更快的基片去除，尤其在小面積器件的情況下。此外，支撐性的底部填充材料38、138的引入可以在基片變薄或去除過(guò)程期間和以后提供改善的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時(shí)又增加成品率。在一些具體實(shí)施方式
中，支撐性的底部填充材料38、138可防止機(jī)械損壞，并使得基片變薄或除去以便產(chǎn)生本不能作為無(wú)支撐部件生產(chǎn)出的的器件。
已參照優(yōu)選具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。顯然，在閱讀和理解前面的詳細(xì)描述以后，可以進(jìn)行改進(jìn)和變化。在改進(jìn)和變化在所附權(quán)利要求或其等效替換的范圍內(nèi)的情況下，應(yīng)認(rèn)為本發(fā)明包括所有這樣的改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于制造倒裝芯片發(fā)光二極管器件的方法，所述方法包括(a)將外延層沉積在生長(zhǎng)基片上以產(chǎn)生外延片；(b)在所述外延片上制備多個(gè)發(fā)光二極管器件；(c)切割所述外延片以便由所述外延片產(chǎn)生至少一個(gè)分開(kāi)的器件芯片，所述器件芯片包括多個(gè)所述發(fā)光二極管器件中的至少一個(gè)以及所述生長(zhǎng)基片的一部分；(d)將所述器件芯片倒裝芯片連接于底座，所述倒裝芯片連接包括通過(guò)將所述器件芯片的電極連接到所述底座的粘結(jié)墊上而將所述器件芯片固定到所述底座；以及(e)在步驟(d)之后，從所述器件芯片除去至少部分所述生長(zhǎng)基片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括(f)在步驟(e)之前，提供支撐材料，所述支撐材料相對(duì)于所述底座支撐所述器件芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，步驟(f)包括提供可流動(dòng)形式的所述支撐材料，所述支撐材料接觸所述器件芯片和所述底座；以及將所述支撐材料硬化成非流動(dòng)形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括(g)在步驟(e)之后，除去所述支撐材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述支撐材料不是電活性的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(e)包括從所述器件芯片基本上除去所述生長(zhǎng)基片的所有部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中步驟(e)包括用激光照射包括在所述器件芯片上的部分所述生長(zhǎng)基片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述生長(zhǎng)基片由藍(lán)寶石制成，并且所述激光是紫外激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(e)包括從所述器件芯片除去少于全部的部分所述生長(zhǎng)基片。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，步驟(e)之后在所述器件芯片上的所述生長(zhǎng)基片的厚度小于步驟(e)之前的厚度。
全文摘要
在一種用于制備倒裝芯片發(fā)光二極管器件的方法中，外延層沉積在藍(lán)寶石生長(zhǎng)基片上以產(chǎn)生外延片。將多個(gè)發(fā)光二極管器件制備在該外延片上。切割該外延片以產(chǎn)生器件芯片。該器件芯片以倒裝芯片方式連接于底座。該倒裝芯片連接包括通過(guò)將該器件芯片的至少一個(gè)電極連接到該底座的至少一個(gè)粘結(jié)墊上而將器件芯片固定到底座。在倒裝芯片連接之后，通過(guò)施加激光除去該器件芯片的生長(zhǎng)基片。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1918691SQ200480041729
公開(kāi)日2007年2月21日 申請(qǐng)日期2004年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者布里翁·S·謝爾頓, 塞巴斯蒂安·利博, 伊萬(wàn)·埃利亞舍維奇 申請(qǐng)人:吉爾科有限公司