TWI383428B - 發光二極體陣列之製造系統與方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於半導體製造,尤有關於LEDs(發光二極體)陣列之製造方法與設備。
半導體產業發展最快的部分之一為多晶片模組(multi-chip modules,MCM)之製造,多晶片模組越來越常使用在形成PC晶片組之電腦中,或是例如數據機及手機等電信項目上。此外,像是手錶及計算機等消費性電子產品典型上亦包含多晶片模組。
在一多晶片模組中,未封裝LEDs(亦即晶片)係以黏接劑固定在基板上(例如印刷電路板),接著直接電連接(electrical connection)至每一LED上之焊墊(bond pads)及在基板上之電引線。
為了使成本降到最低,並使組合封裝之品質增至最高,一般來說需採取一些步驟來確保只有經發現具有功能性之LEDs才能相互進行組裝,因此,在LED黏接製程之前,LEDs及承載基板一般需經過光電缺陷、污染和其它不規則性之測試,於陣列中發現具有缺陷之LEDs一般以標記之方式與良好之構件區別。
因此,對於未封裝LEDs,半導體製造商需要提供經測試及證實為已知良品LED(known good LED,KGL)之LED陣列。換句話說,LEDs在我們日常生活中正扮演著越來越重要之角色。傳統上,LEDs常見於許多應用中,像是通訊及其他領域,例如行動電話、設備及其他電子裝置。最近,對於以氮化物(nitride)為基礎之半導體材料(例如包含氮化鎵(Gallium Nitride,GaN))應用在光電產品之需求已戲劇性般增加,例如視頻顯示器、光學儲存裝置、照明設備及醫療器材。習用藍光發光二極體係使用氮化物之半導體材料製成,例如氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)、氮化銦鎵(InGaN)和氮化鋁銦鎵(AlInGaN)。前面所提及之發光裝置的半導體層大部分係以磊晶之方式生成於不具導電性之藍寶石基板上。因為藍寶石基板為一電絕緣體,電極無法直接形成在該藍寶石基板上來驅動電流通過LEDs,取而代之,電極係各自直接接觸p型半導體層及n型半導體層,以完成LED裝置之製造。然而,此類電極配置及藍寶石基板之非導電本質呈現出此裝置在操作上之一重要侷限。舉例來說,半透明接點必需形成在p型半導體層上,以將電流自p電極散佈至n電極,而該半透明接點會因內部反射及吸收而降低由裝置所發出之光強度,並且,p電極及n電極會遮住光線且減少該裝置之發光面積。此外,該藍寶石基板係為一熱絕緣體,於裝置操作期間所產生的熱無法有效排除,因此限制了該裝置之可靠性。
圖1顯示出一種此類習用LED。如圖所示,基板係以1代表,該基板1通常為藍寶石,一緩衝層2係形成在該基板1上,用來降低基板1與GaN間之晶格錯置,該緩衝層2可以磊晶形式生長於該基板1上,且其可以是氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氮化鋁鎵(AlGaN)及氮化鋁銦鎵(AlInGaN);接著,依序形成一n型GaN基底層3、一多重量子井(multi-quantum well,MQW)層4及一p型GaN層5。利用蝕刻法在n型GaN基底層3上形成一暴露區域6;一導電半透明塗層7係設置在該p型GaN層5上;最後,n型電極9及p型電極8係形成於所選定之電極區域上,n型電極9需要與p型電極位於該裝置同一側,以將電子及電洞分別注入多重量子井活性層4中。在多重量子井活性層4中之電洞與電子之放射性重組會放出光。然而,此習用LED結構之限制包括:(1)在p型半導體層5上之半透明接點最多只有70%的透明度,且其可阻擋由多重量子井活性層4所放出的光;(2)由於電極的位置之故,自n型電極散佈至p型電極之電流並不一致;以及(3)因為藍寶石為一熱及電絕緣體,故於裝置操作期間熱會累積。
為了增加有效之照明面積,因而發展出垂直式LEDs。如圖2所示,一典型垂直式LED具有一基板10(一般來說為矽、砷化鎵(GaAs)或是鍺(Ge)),接著將一多重過渡金屬層12、一p型GaN層14、一多重量子井層16及一n型GaN層18形成於基板10上;之後將n型電極20與p型電極22形成於經選定作為電極之區域上。
美國專利申請案第20040135158顯示出一種藉由下列步驟實現垂直式LED結構的方法:(a)在藍寶石基板上形成一緩衝層;(b)在該緩衝層上形成複數個遮罩(mask),其中,該基板、該緩衝層及該複數個遮罩共同形成一基板單元;(c)在該複數個遮罩上形成一多層磊晶結構,其中,該多層磊晶結構包含一活性層;取出該多層磊晶結構;(d)移除在取出後與該多層磊晶結構之底側相黏合之剩餘遮罩;(e)在該多層磊晶結構之該底側上方塗佈一金屬反射層;(f)將一導電性基板黏合至該金屬反射層;(g)設置一p型電極於該多層磊晶結構之上表面上,並裝設一n型電極於該導電性基板之底側上。
在一實施態樣中,揭露出一種垂直式LED之製造系統與方法,包含:在一金屬基板上形成一LED陣列;評估該LED陣列之缺陷;破壞或移除其中一或多個有缺陷之LEDs,然後形成僅具有良品LEDs之陣列。這些僅具良品LEDs之陣列(包含在晶圓級下)接著可加以封裝,供多晶片動力LED裝置之用。
履行上述之實施態樣可包含下列一或多個步驟:該破壞包括汽化有缺陷之LEDs,或包含施加雷射光束於有缺陷之LEDs上,或利用雷射切割來切穿該金屬基板以將其移除;測試複數個LED中之每一個之電功能性,以鑑別符合需求之無缺陷LED,無缺陷LED接著係以可準備封裝(包含晶圓級封裝)之陣列之形式提供。
該系統可包含下列一或多個優點。上述系統提供了適合用於製造及測試在金屬基板上之未封裝垂直式LEDs之製程,然本發明之LED製造及檢測方法適用於老化(burn-in)測試及檢驗實際上所有種類之LEDs,特別是本發明所描述之金屬基板上的垂直式LED。本發明因為提供了最終構件製造前之測試,故極具經濟效益,使本發明相較於習用方法更具有高度可靠性。除了強化LEDs之標準製造測試外,該系統為在製造良品LEDs陣列方面之重要發展成果,此等改善處能夠提升封裝組合(packaging assembly)、篩選(screening)及組裝良率(assembly yield),大量地降低成本。此外,整體產品故障率也能顯著地降低,藉此改善系統與生命週期成本,使在系統整合內與晚期不合格構件相關聯之製程延遲及成本花費降至最低。
本發明這些或是其它實施例、實施態樣、優點及特徵將部分地記載於下列說明中,而有部份為熟悉此項技術之人士藉由參考本發明之下列說明與參考附圖或是實施本發明將可清楚明白者。本發明之實施態樣、優點及特徵係藉由隨附申請專利範圍中所特別指出的工具、步驟及組合予以實現。
在閱讀詳細說明時,可同時參考隨附圖示,並將該圖示視為該詳細說明之一部份。
參考圖3至圖8,於其中係說明了金屬基板上之垂直式LEDs之製造方法。在說明中,亦將於詳述本發明製造方法之步驟時使用賦予本發明之裝置之參考數字。
以下所描述之方法係關於起初生長在藍寶石基板上之氮化銦鎵(InGaN)LEDs之實施例。接著使用電化學電鍍或無電化學鍍來沉積一厚金屬基板,以用於所產生之LED裝置之電及熱傳導,電化學電鍍或無電化學鍍係用來取代晶圓黏合,可將該製程應用在任何利用黏合技術以將磊晶層貼附至新主要基板(host substrate)之光電裝置,以改善光、電及熱性質。
現回到圖式,圖3係顯示在承載基板40上之示範性氮化銦鎵(InGaN)LED之多層磊晶結構。在一實施例中,該承載基板40可為藍寶石基板。在藍寶石基板40上所生成之多層磊晶結構包含一n型GaN基底層42、一多重量子井活性層44和一p型GaN層46。舉例來說,該n型GaN基底層42具有大約4微米之厚度。
該多重量子井活性層44可以是一氮化銦鎵/氮化鎵(InGaN/GaN)(或氮化鋁銦鎵/氮化鎵(AlInGaN/GaN))活性層。一旦將電力饋入於n型GaN層42與p型GaN層46之間,該多重量子井活性層44將會受到激發並因此產生光,所產生之光具有250nm至600nm範圍之波長。該p型GaN層可以是一p+
型GaN基底層,像是p+
型GaN、p+型InGaN或p+型AlInGaN層,其厚度可為0.01至0.5微米。
接下來,如圖4所示,執行一台面定義製程,並在p型GaN層46上形成一p型接點(面)48。在多層磊晶結構上方之接點(面)48可以是氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、銀(Ag)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、金(Au)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、氮化鈦(TiN)、氮化鉭(TaN)、鉬(Mo)、鎢(W)、耐火金屬、或金屬合金、或上述材料之複合物(例如Ni/Au)。除此之外,亦可形成直接反射銀沉積,以作為金屬接點(面)。在圖4中,個別之LED裝置係形成於台面定義後。利用離子耦合電漿蝕刻以將GaN蝕刻成為獨立裝置;亦可使用其他台面定義製程,例如雷射、鋸切或噴射水刀法(water jet)。
其次,如圖5所示,沉積一鈍化層50並施行反射式金屬沉積,以在蝕刻進入鈍化層50之視窗中形成反射金屬52(例如Al、Ag、Ni、Pt及Cr等),而使該反射金屬52與p型GaN層46相接觸。該鈍化層50不具導電性;而該反射金屬52形成一鏡面;接點(面)48與反射金屬52可為包含一或多層金屬層(例如Ni/Ag/Ni/Au)之一層,其可形成於鈍化層50之前或之後。
圖6顯示出一薄金屬層或一多金屬層53(Cr、Pt、Pd、Pt/Au、Cr/Au、Ni/Au、Ti/Au、TaN/Au等)沉積在該結構上,作為電化學電鍍或無電化學鍍製程中之阻擋層或種晶層(barrier/seed layer)。不過,若使用無電化學製程、濺鍍或磁控濺鍍製程來取代電鍍,則不需要沉積操作。有一金屬基板層60沉積於其上。
現參考圖7,利用如電化學電鍍或無電化學鍍等技術而使多層磊晶結構上塗佈一金屬電鍍層60。使用無電化學鍍時,藍寶石基板40係利用可輕易移除而不會傷害藍寶石或相當厚層之無電化學鍍金屬的有機層、高分子層或塗層加以保護,例如Ni、Cu、Ag、W、MO、Pd、Pt等。
接著移除藍寶石基板40。在圖8所示之一實施例中,將一雷射剝除(laser lift- off,LLO)操作施加於藍寶石基板40,利用雷射剝除來移除藍寶石基板係為大家所熟知之技術,參考Cheung等人於2000年6月6日公告之美國專利第6,071,795號,發明名稱為「以選擇性光學處理由透明基板分離薄膜」;以及Kelly等人發表於Physica Status Solidi(a)vol.159,1997,pp.R3-R4的論文「第三族氮化物薄膜之光學剝除製程」。此外,相當有利於在藍寶石(或是其它絕緣或堅硬)基板製造GaN半導體層的方法係教示於美國專利申請案第10/118,317號中,該申請案於2002年4月9日由Myung Cheol Yoo提出申請,發明名稱為「利用金屬支撐薄膜製造垂直式裝置之方法」;以及美國專利申請案第10/118,316號中,該申請案於2002年4月9日由Lee等人提出申請,發明名稱為「製造垂直式結構之方法」。除此之外,GaN及藍寶石(或其它材料)之蝕刻方法係教示於美國專利申請案第10/118,318號中,該申請案於2002年4月9日由Yeom等人提出申請,發明名稱為「改良性GaN基底發光二極體之光輸出方法」。所有上述資料均以提及方式併入於此,如同完整記載於此說明書中。如圖8所示,將一n型電極70(例如Cr/Ni、Cr或 Ni)圖案化於n型GaN層42上方,如此便完成垂直式LED之製造。
在此階段,所有位在金屬基板上之LEDs需要詳細檢查並勘測缺陷。實施晶圓映射(Wafer mapping),以測試位在晶圓上之LEDs之總功能性,一般對於每一LED來說,波長、亮度、在某一驅動電流下之正向電壓及在某一逆偏壓下之漏電流均記錄於映射資料中;而功能喪失之LEDs則機械式地加以標記或映射於軟體中。每一不良品LED的位置可加以查明,以便將其移除而進行後續分離成為僅有已知良品LED陣列。
使用雷射來破壞無功能之LEDs。如圖9之例子所示,中間的LED具有缺陷,在進入下一操作之前先以雷射燒除中間的LED結構。該雷射可以是例如UV二極體激發固態(UV-Diode Pump Solid State,DPSS)雷射或波長266nm、355nm或248nm之準分子雷射(excimer Laser)。基本上,只要是能夠被GaN及任何作為金屬基板之金屬強烈吸收之雷射波長皆能夠使用。
此吸收導致能量由雷射脈波轉移到缺陷之LED上,且將其溫度提升到高於GaN之汽化溫度。在燒除晶圓級之缺陷LED時,發射雷射脈波,並重複直到LED完全汽化為止。
一不良品LED或一群不良品LEDs的第二種移除方法為使用雷射光束以將LED自金屬基板切除。在此例中,該雷射經引導而沿著形成LED邊界之截口,然而當金屬基板移動以達成相同效果時,雷射光束可保持靜止。一不良品LED或一群不良品LEDs的第三種移除方法為使用鑽石鋸刀切割。除了執行上述功用之外,該系統可包含能夠監測、控制及收集處理資料之電腦硬體及軟體。此資料收集能力提供了製程監控且允許裝置之可即時追蹤,此允許產生裝置性能特有之更快速內部製程回饋,而不會造成最終封裝製程變異。
已知良品LED陣列係具有兩個或多個已知良品LEDs。如圖11所示,此良品LED陣列之範例具有四已知良品LEDs 201及兩電極:n型電極70,電耦合於n型GaN層42;及p型電極,電耦合於p型GaN層46。KGL陣列之已知良品LEDs之p型電極52係藉由金屬基板層60而加以電連接;KGL陣列之已知良品LEDs之n型電極在封裝前係彼此電隔離。在封裝製程期間,KGL陣列之已知良品LEDs之n型電極係透過黏合引線300而電連接。
結合金屬基板上之垂直式LED,本發明可用來製造準備好進行晶圓級封裝之已知良品LED(KGL)陣列。
雖然本發明已參照某些較佳實施例來作描述,但熟知此項技術之人士應瞭解:在不離開本發明之範圍下,當可對其進行某些變化及修改。本發明之範圍係由隨附之申請專利範圍來定義。
1...基板
2...緩衝層
3...n型GaN層
4...多重量子井活性層
5...p型GaN層
6...n型GaN層上之暴露區域
7...導電半透明塗層
8...p型電極
9...n型電極
10...基板
12...多重過渡金屬層
14...p型GaN層
16...多重量子井活性層
18...n型GaN層
20...n型電極
22...p型電極
40...藍寶石基板
42...n型GaN層
44...多重量子井活性層
46...p型GaN層
48...接點(面)
50...鈍化層
52...反射金屬層
53...一金屬層或多金屬層
60...金屬基板層
70...n型電極
為了更加瞭解本發明之其它特徵、技術概念及目的,吾人可清楚地閱讀以下較佳實施例及附圖的說明,其中:圖1顯示先前技術之習知LED。
圖2顯示先前技術之垂直式LED。
圖3至圖8顯示在金屬基板上之垂直式LED之示範製程中的操作。
圖9顯示利用雷射光束移除一不良品LED之方法。該不良品LED係藉由沿著形成缺陷LED邊界之截口切穿金屬基板加以汽化或移除。
圖10顯示不良品LED於移除前所在位置之未佔用空間。
圖11顯示已知良品LED陣列,其中已知良品LEDs係藉由在金屬基板上之全部四已知良品LEDs中之n型電極與p型電極所用的黏合引線來電耦合。
42...n型氮化鎵(GaN)層
44...多重量子井活性層
46...p型氮化鎵(GaN)層
50...鈍化層
52...反射金屬層
53...一金屬層或多金屬層
60...金屬基板層
70...n型電極
Claims (26)
- 一種已知良品LED(known good LEDs)陣列的製造方法,包含:在一金屬基板上形成LEDs;評估該LEDs之缺陷,包括與預設定標準相較之光學及電學功能喪失(non-functionality);以及沿著一或多個有缺陷LED之截口施加雷射光束並切穿該金屬基板以移除該一或多個有缺陷LED,並留下良品LEDs。
- 如申請專利範圍第1項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該移除包含利用雷射汽化一有缺陷LED結構,以使該LED之溫度升高至其汽化溫度以上。
- 如申請專利範圍第1項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該評估包含在該複數LED中之每一個上施行光學及電學功能性測試,以鑑別一符合要求之無缺陷LED陣列。
- 如申請專利範圍第1項之已知良品LED陣列的製造方法,更包含在晶圓級下封裝一無缺陷LED陣列。
- 如申請專利範圍第1項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該LED之多層磊晶結構包含:一n型半導體層,由氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)構成;一或多個具有InAlGaN/GaN層之量子井;以及一p型半導體層,由氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)構成。
- 如申請專利範圍第1項之已知良品LED陣列的製造方法, 其中,在該LED之多層磊晶結構上方之該一或多層金屬層包含下列其中之一:氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、銀(silver)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、金(Au)、鉬(Mo)、鎢(W)、耐火金屬、及其金屬合金。
- 一種已知良品LED陣列的製造方法,包含:在一金屬基板上形成一LED陣列;評估該LED陣列之缺陷,包括與預設定標準相比較;以及沿著一或多個有缺陷LED之截口施加雷射光束並切穿該金屬基板以移除該一或多個有缺陷LED。
- 如申請專利範圍第7項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該移除製程包含利用雷射汽化一有缺陷LED結構,以將該LED之溫度提升至高於汽化溫度。
- 如申請專利範圍第7項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該評估製程包含在該複數LEDs中之每一個上施行光學及電學功能性測試,以鑑別一符合要求之無缺陷LED陣列。
- 如申請專利範圍第7項之已知良品LED陣列的製造方法,更包含在晶圓級下封裝一無缺陷LED陣列。
- 如申請專利範圍第7項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,該LED之多層磊晶結構包含:一n型半導體層,由氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)構成;一或多層量子井,具有AlInGaN/GaN層;以及一p型半導體層,由氮化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)構成。
- 如申請專利範圍第7項之已知良品LED陣列的製造方法,其中,在該LED之多層磊晶結構上方之該一或多層金屬層包含下列其中之一:氧化銦錫(Indium Tin Oxide,ITO)、銀(silver)、鋁(Al)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、鎳(Ni)、金(Au)、鉬(Mo)、鎢(W)、耐火金屬、及其金屬合金。
- 一種在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,包含:裝設一承載基板;在該承載基板上方沉積一n型GaN層;在該n型GaN層上方沉積一活性層;在該活性層上方沉積一p型GaN層;沉積一或多層金屬層;施加一遮罩層;蝕刻該金屬層、p型GaN層、活性層及n型GaN層;移除該遮罩層;沉積一鈍化層;移除位在該p型GaN層頂部上之該鈍化層之部分,使該金屬層暴露出來;沉積一或多層金屬層;沉積一金屬基板;移除該承載基板,使該n型GaN層表面暴露出來;利用映射(mapping)來評估每一LED位置上之缺陷;移除一或多個有缺陷LEDs。
- 如申請專利範圍第13項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除製程包含利用雷射汽化一有缺陷LED結構,以將該LED之溫度提升至高於汽化溫度。
- 如申請專利範圍第13項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除該一或多個有缺陷LEDs的製程包含沿著有缺陷LED之截口施加雷射光束,並切穿該金屬基板。
- 如申請專利範圍第13項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除該一或多個有缺陷LEDs的製程包含使用一鋸刀沿著有缺陷LED之截口切割,並切穿該金屬基板。
- 如申請專利範圍第13項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該金屬基板係由下列其中之一所組成:銅、鎳、銀、鉑、鋁、鉬、鎢。
- 如申請專利範圍第13項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中形成該金屬基板包含使用以下方法其中之一來沈積銅:電鍍、無電電鍍。
- 一種在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,包含:設置一承載基板;在該承載基板上方沉積一n型GaN層;在該n型GaN層上方沉積一活性層;在該活性層上方沉積一p型GaN層;沉積一或多層金屬層;施加一遮罩層;蝕刻該金屬層、p型GaN層、活性層及n型GaN層;移除該遮罩層;沉積一鈍化層;移除位在該p型GaN層頂部上之該鈍化層之部分,使該金屬層暴露出來;沉積一或多層金屬層; 沉積一金屬基板;移除該承載基板,使該n型GaN層表面暴露出來;在n型GaN層表面頂端形成一金屬電極;利用映射來評估每一LED位置上之缺陷;移除一或多個有缺陷LEDs。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除製程包含利用雷射汽化一有缺陷LED的結構,以將該LED之溫度提升至高於汽化溫度。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除該一或多個有缺陷LEDs的製程包含沿著有缺陷LED之截口施加雷射光束,並切穿該金屬基板。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該移除該一或多個有缺陷LEDs的製程包含使用一鋸刀沿著有缺陷LED之截口切割,並切穿該金屬基板。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該金屬基板係由下列其中之一所構成:銅、鎳、銀、鉑、鋁、鉬、鎢。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中製造該金屬基板包含使用以下方法其中之一來沈積銅:電鍍、無電電鍍。
- 如申請專利範圍第19項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該LED陣列包含兩個或多個已知良品TEDs。
- 如申請專利範圍第25項之在金屬基板上製造垂直式LED陣列之方法,其中,該已知良品LEDs藉由黏合引線而相互導電連接。
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