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降低高亮度LED大规模生产成本的晶圆粘结

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来源: 作者: 2018-10-23 10:29:51

降低高亮度LED大规模生产成本的晶圆粘结及检测

导读:

高亮度LED的主要用途包括车灯、信号灯以及背光显示等。 虽然高亮度LED的成本较高,但其优越性使LED应用还是可以接受。高亮度发LED也具有用于普通照明的潜力。为使高亮度LED的成本降低到可用于居室、办公室和停车场,有必要提高高亮度LED的制造的生产效率来达到降低单比特流明成本的目的。

作者:Sumant Sood, SUSS MicroTec Inc., Waterbury Center, VT , Ray Thomas, Sonoscan Inc., Elk Grove Village 晶圆在高亮度LED生产中的粘结高亮度LED的主要用途包括车灯、信号灯以及背光显示等。 虽然高亮度LED的成本较高,但其优越性使LED应用还是可以接受。高亮度发LED也具有用于普通照明的潜力。为使高亮度LED的成本降低到可用于居室、办公室和停车场,有必要提高高亮度LED的制造的生产效率来达到降低单比特流明成本的目的。这样高亮度LED就可代替现在还在生产的白炽灯和各种荧光灯。高亮度LED的一个显著优点是其寿命是用数十年来衡量的。多种高亮度LED的光子向各个方向发射,包括向基板方向的下方。如果基板有比LED发光区小的带隙,基板会吸收大约一半的反射光,这就大大减少了光的输出。如果把一片含有发光二极管的晶圆粘结到一片具有高反射率表面的基板晶圆上,基板晶圆还有能散热,射向基板的光将被反射回并穿过发射区,这就大大提高了总光亮输出。许多材料,如硅,砷化镓,氮化镓,磷化镓,和蓝宝石等,可用来制作LED。在复合半导体上生长出光子层并转移到硅或相似的材料的支撑晶圆上,并且晶圆的背面是暴露出来的。现在复合半导体只有大到4英寸。这就限制了LED晶圆与晶圆的结合的大小只有2到4英寸的直径。另外一个问题就是两个需要粘结的晶原有不同的热膨胀系数而导致粘结过程非常缓慢。因为每次只能粘结一对晶圆,这就限制了高亮度LED的生产率,单位成本也很高。这些限制可通过使用新开发的SUSS晶圆粘结装置来突破,这个装置可实现多对晶圆的同步粘结。以氮化镓为原料的高亮度LED生产有两种方法:即金-金热压和金锡共熔粘结。在金-金热压粘结过程中,一层1至3微米厚的金和阻隔粘结层被涂在每片晶圆上。为了消除表面污染影响固态扩散机理,需进行几个步骤的清洗(紫外臭氧或化学湿处理)。粘结时的温度是250to 400,压力是1至7 MPa,时间从几分钟到几小时。低温时需增加时间和压力。如果时间和压力不够,通常晶圆与晶圆间只有局部的结合。锡金共熔法是通过固体与液体的扩散而形成金属间化合的合金来达到粘结的。一晶圆涂了一层薄金,而另一晶圆涂了一层厚度可达5微米的金锡。必要时可涂扩散阻隔层。为避免锡在高温时氧化,晶圆粘合需在气体中进行,如在氮氢混合气(95% N2, 5% H2)中。这种方法只需低压和用比熔点稍高的温度,可在几分钟内完成粘结。已开发出的用于多对晶圆同步粘结的装置是根据8英寸晶圆平台而来的。为提高产量,8英寸直径平台可一次接纳八个2英寸,四个3英寸,或是三个4英寸晶圆(图一),并可进行同步粘结。图一:SUSS Microtec 开发的三对4英寸晶圆同步粘结的装置。这个装置有一空腔,空腔有可加热和加压,并可插入固定装置。固定装置是由碳化硅制成的上下板组成。上板是可以装卸的,下板有热耦可以控制温度。每块板的平整度要求在2微米之内。两板间的平面啮合度要求在200mm 范围里不超过20微米。将要粘结的两个晶圆先放固定装置的上下板之间,然后通过手动或气动使两晶圆对准。一层易啮合的材料,如石墨,可能放在晶圆与上板之间来达到最佳压力分布(图二)。装置的上板向下靠拢晶圆并将两晶圆位置固定,定位装置被装载器插入空腔内部,下板向上靠拢定位装置,使让装载器可以移走,装置内腔密封后,粘结的过程就开始了。图二:8个2英寸与上板间的压力纸揭示了粘结过程中压力分布是很均匀的。LED晶圆粘结的最佳时间,温度和压力参数是以满足金属和器件的要求而由制程决定的,成功开发出的制程和把技术转换为生产的关键是快速准确地使晶圆的结合面以图像显现出来,用图像来发现气孔及裂纹起始的部位。用声学显微镜检测高亮度LED 晶圆的粘结粘结的晶圆可用实验室用的手动超声显微镜或产使用的高效自动系统检测。Sonoscan供应这两款具有相似分辨率的超声显微系统。自动系统通过机器手取出粘结好的晶圆,经检测分析,干燥后再放回晶圆盒内。图像数据可储存于数据库,图像参数可用来控制超声参数从而调整样品的图像。超声传感器来回在晶圆表面扫描,扫描时传感器以每秒几千次的频率发射脉冲波到两粘结好的晶圆内,并接收反射回来的回声声波,每一个脉冲回声就成为声像中的一个像素。脉冲超声在均质材料中传播时是没有反射的,但碰到接口时会部分或全部反射回来。接口反射回声的振幅取决于接口两种材料的声学性能(声速,密度)。当两高亮度LED晶圆通过金-金热压粘结时,超声遇到的第一个接口是硅-金接口。超声一部分被反射,反射的程度取决于两种固体的声学性能。从硅金界面反射回的像点具有从零(没有信号)到全反射(接近100%)信号强度。实际上由气体充满分层或孔隙中的空气或其它气体会使超声全部反射会去。假设,两金层间没有粘结,而被空气或其它气体分离开来。气体与固体间声学性能有很的的差异,使声波几乎全部被反射,造成高振幅的像点。超声对声学性能的差异敏感度解释了为什么声学显微镜能使微小的异常精确成像。通常图像的分辨率随传感器的频率提高而增加。高亮度LED粘结晶圆通常用高频率传感器(达400兆赫兹)而获得高分辨率的图像。图三:Sonoscan 的D-9000传感器聚焦在粘结面的超声图像。孔隙(黄色箭头)出现在粘结接口上。图三是一个为生产高亮度LED的2英寸硅晶圆与另一2英寸砷化镓晶圆粘结界面的声像图。如果没有超声图像提供粘结接口和材料内部的缺陷的深度解析,存在的缺陷会延续到下一道工序而没被发现,这将会导致可怕而且耗时的失效。这张图像是把超声聚焦在下面的砷化镓晶圆的背面而得到的。图中的直线特征(红箭头)是易碎的砷化镓晶圆的裂纹。这些裂纹是由于粘结后冷却太快所产生的内部应力导致的。两晶圆是在摄氏300C条件下粘结起来的。图三中椭圆或圆形的特征(黄箭头)是金-金粘结界面上的孔隙。图四是聚焦在同一个粘结好的晶圆接口的声像,并显示出孔隙的细节。因为砷化镓中微细裂纹是在粘结界面以下的材料中,所以在接口图中并没有显示出来。图四:聚焦在粘结面的超声揭示孔隙的细节。图五:4英寸锗晶圆与砷化镓晶圆通过金锡粘结的超声图像。整个晶圆粘结的质量由于接口的有机污染而有很大变化,只有深蓝色的区域是粘结完好的。图五是一4英寸锗晶园与另一4英寸砷化镓晶圆通过金锡粘结的接口超声图像。就像其它超声图像一样,这张超声高亮度LED声图是用D-9000扫描超声显微镜的C模式获得的。因为产品的效益取决于晶圆粘结的质量,图像显示的超声显微图像能发现粘结层细微的变化,这对高亮度LED的生产就很重要。深蓝色是粘结完好的区域。粘结后的晶圆的外围以及中心区域很大一部分都没有粘结(红色区域)。也有几个近似圆形的小孔隙(红色),中心也有几小的个圆形区域是粘结的。在蓝色区域也是有明显变化的,这些信号振幅的变化代表粘结的质量的变化。粘结的质量对高亮度LED的生产效益影响很大。作为比较,图六是一个锗晶圆与砷化镓晶圆通过金锡粘结的4英寸晶圆,其整个界面都很均匀完地粘结在一起。图七是一个2英寸硅晶圆与一个2英寸蓝宝石晶圆通过金锡粘结后的接口超声图像。晶圆被分隔道分成一个个粘结好的器件。SST-AP/Taiwan图六:类似的晶圆对,但边缘闲的粘结是均匀的。图七:是2英寸格状蓝宝石晶圆与2英寸硅晶圆通过金锡粘结的声像图。浅灰色的区域是粘结好的器件,黑色条纹切割器件的分隔道。

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