CN101904021B - 用于以薄膜技术制造光电子器件的方法 - Google Patents
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Abstract
在外延衬底(1)上制造对于发光二极管或者其它光电子器件以薄膜技术设置的层结构(5，6，7)，并且该层结构(5，6，7)被配备有第一连接层(2)，该第一连接层(2)包括一种或者更多种焊接材料。在支承体(10)上整面地涂敷第二连接层(3)，并且该第二连接层(3)通过焊接工艺持久地与第一连接层(2)相连。
Description
本专利申请要求德国专利申请10 2007 061 471.5和10 2008 026839.9的优先权，所述德国专利申请的公开内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及一种用于将光电子器件的薄膜结构、尤其是薄膜LED结构从外延衬底转移到支承体上的方法。
背景技术
在制造薄膜LED(以薄膜技术制造的发射光的二极管或者发光二极管)时，外延地在外延衬底上制造对此设置的层结构。外延衬底例如是蓝宝石，但是也可以是(针对AlGaInN层结构的生长的)GaN、SiC、硅、AlN或者对应物，可以是(针对AlGaInP层结构或者AlGaAs层结构的生长的)GaAs、Ge或者对应物或者(针对InGaAsP层结构的生长的)InP。薄膜LED结构被转移到支承体上(例如由锗构成的支承体)，其方式是LED结构的通常通过由Ti/Pt/Au构成的层形成的连接接触面被焊在支承体的相对应的接触面上。外延衬底接着可以被去除。薄膜LED接着持久地被固定在支承体上并且由此形成器件，该器件以所设置的方式例如可以被安装在壳体中。
在外延衬底上制造多个单个的LED。薄膜LED的层结构因而必须被再分成多个单个LED。为此目的，沟被刻蚀到外延层中，使得保留所谓的台地，这些台地分别与要制造的LED相关联。为了将台地的连接接触面与支承体的上侧相连，通常将焊接层整面地涂敷到支承体上。在这样的焊接工艺中，焊接材料基本上被涂敷在两个彼此待连接的接触面上。
在焊接期间，支承体和外延衬底用朝向彼此的接触面向彼此挤压。在此，焊料以不希望的方式侵入台地之间的沟中并且在那里形成不规则的隆起部。制造中的不规则性造成在高效的器件的产出方面的损失并且造成提高在控制台地制造中的开销，这提高了制造成本。这些困难例如可以通过台地在与支承体相连之后才被刻蚀来避免。代替于此也可能的是，根据LED台地来结构化支承体并且以这种方式无焊剂地保持台地之间的沟；然而这要求对外延衬底上的支承体的精确校准。
适于电子部件的焊接的、等温凝结的材料和方法在R.Y.Lin等人(eds.)的“Design Fundamentals of High Temperature Composites，Intermetallics，and Metal-Ceramics Systems”(The Minerals，Metals&Materials Society，1995年，第75至98页)中的RainerSchmid-Fetzer的文章：“Fundamentals of Bonding by IsothermalSolidification for High Temperature SemiconductorApplications”中进行了详细描述。
在DE 10 2007 030 129中说明了一种用于制造多个光电子器件的方法。该方法包括提供连接支承体复合结构以及半导体本体支承体，该连接支承体复合结构具有多个器件区域，在所述器件区域中分别设置有至少一个电连接区域，在该半导体本体支承体上布置有多个分开的并且与该半导体本体支承体相连的半导体本体，其中半导体本体分别具有带有有源区的半导体层序列。该连接支承体复合结构和半导体本体支承体相对于彼此对齐，使得半导体本体朝向所述器件区域。多个半导体本体与连接支承体复合结构在与相应的半导体本体相关联的器件区域的安装区域中以机械方式相连，并且相应的半导体本体与同该半导体本体相关联的器件区域的连接区域导电地相连。与该连接支承体复合结构相连的半导体本体与半导体本体支承体分离，并且连接支承体复合结构被划分成多个分开的光电子器件，所述多个分开的光电子器件分别具有连接支承体以及被布置在连接支承体上的并且与连接区域导电连接的半导体本体，该连接支承体具有器件区域。
发明内容
本发明的任务是给出一种用于将被设置用于薄膜LED或者其它以薄膜技术制造的光电子器件的外延层转移到支承体上的改进的方法。
该任务利用具有权利要求1的特征的方法来解决。改进方案由从属权利要求得到。
在该制造方法中，由一种或者更多种焊接材料构成的焊剂被涂敷在器件(例如LED)的台地结构上并且接触涂层被涂敷在支承体上。在焊接材料和接触涂层的材料之间建立焊接连接之后将台地结构持久地并且必要时导电地固定在支承体的连接接触面上，使得器件被转移到支承体上。在这种情况下，焊接材料被理解为如下材料：该材料在对于半导体材料尚允许的上边界温度以下可以熔融并且可以合铸(einlegieren)到熔点较高(即在较高的温度下熔融)的接触材料中。
在所述焊接工艺中，低熔点的组成部分被用作焊接材料而高熔点的组成部分被用作接触涂层。焊接可以是无需提高接合过程之后的熔点的共晶键合或者是等温凝结。在借助等温凝结进行焊接之后，这样制造的合金比焊接连接的组成部分具有更高的熔点。作为低熔点的组成部分例如可以考虑纯的锡、纯的铟或者纯的镓，但是也可以考虑共晶混合物、譬如重量百分比为80∶20的金和锡。利用材料的共晶化合实现了熔融温度的明显降低，使得工艺温度可以尽可能远地保持在各个组成部分的熔融温度之下。
焊接材料的气相淀积(PVD，物理气相淀积(physical vapordeposition))允许应用剥离(Lift-Off)工艺来结构化在LED的台地上的焊接层，而所使用的漆的溶解性不受过高的工艺温度影响。因此，也可以良好质量来结构化含有铂的层。作为焊接材料可以代替均匀的合金优选地涂敷如下层序列：该层序列在焊接工艺期间形成材料的混合物。
附图说明
以下是参照所附的附图对该方法的例子的更为详细的说明。
图1以横截面示出了具有涂敷到其上的层的支承体和外延衬底的装置。
图2以横截面示出了根据图1的在组成部分并合在一起之后的装置；
图3以横截面示出了根据图1的针对另一实施例的装置。
图4示出了根据图3的在剥离所焊的器件的一部分之后的横截面。
图5示出了根据图4的具有另一支承体的装置的横截面。
具体实施方式
图1以横截面示出了衬底1，该衬底1具有以薄膜技术制造的光电子半导体器件(诸如薄膜LED、薄膜IRED或者薄膜激光二极管)的在该衬底1上产生的、特别是外延生长的层，因此衬底1以下被称作外延衬底以区分支承体。外延衬底1例如是蓝宝石、GaN、SiC、硅、AlN、GaAs、Ge或者InP。在该衬底上存在半导体层5，该半导体层5形成器件的主要半导体部分并且例如是GaN，其尤其是被用于发射蓝色光的薄膜LED。通常设置有反射层6，以便在为耦合输出而设置的方向上反射所产生的光，并且可以是金属的(并且例如包括Ag、Al或者Au)，是介电的(例如SiOx、SiNx等等)，是金属且介电的(组合地并且例如配备有横向的结构化部)或者也以TCO(透明导电氧化物(transparentconductive oxide))来制造。其上应涂敷阻挡层7，该阻挡层7防止层堆叠的垂直混合(Durchmischung)并且例如可以是Ti/Pt/Au或者可以包含钼、TiN、TiW(N)等等。该层结构通过沟被结构化为多个台地，其中每个台地形成一个器件，在该例子中形成薄膜LED。在图1中示出了两个台地的左边和右边的部分。在台地之间存在中间空间4，所述中间空间4通过所刻蚀的沟形成。台地的边缘可以配备有钝化层8、例如由SiNx构成的钝化层。
第一连接层2涂敷到该结构上，该第一连接层2在根据本发明的方法中包括一种或者更多种焊接材料。例如可以是锗的支承体10整面地配备有第二连接层3。第二连接层3被设置为焊接接触涂层并且例如可以是Ti/Pt/Au。外延衬底1和支承体10以所示的方式彼此对齐，使得第一连接层2和第二连接层3彼此对置地布置。这些连接层接着被向彼此挤压并且通过建立焊接连接而持久地且必要时导电地相互连接。为此目的，连接层的材料可以选择为是导电的，此外这些材料优选地应是导热的。
图2示出了根据图1的在第一连接层2和第二连接层3连接之后的装置。在台地之上的区域中，由第一连接层2的焊接材料和第二连接层3的接触材料分别形成第三连接层31，而在中间空间4上剩余第二连接层3的剩余部分32。在第三连接层31中，第一连接层2的焊接材料被合铸到第二连接层3的接触材料中。外延衬底1接着可以被去除，并且LED可以被隔离而且以常用的方式被进一步处理。
以下是对一系列实施例的进一步描述。
第一连接层2的实施形式设置有层序列，该层序列在阻挡层上相继地包括材料钛、铂、锡、钛和金。第二连接层3在该例子中是Ti/Pt/Au。优选地，金和锡的比例被选择为使得在焊接工艺中形成由ζ-(Au5Sn)+δ-AuSn构成的80/20共晶体(Au和Sn约按80∶20的重量百分比的比例)。为此目的，例如50nm的钛、100nm的铂、1000nm的锡、10nm的钛并且接着是100nm的金被涂敷到阻挡层7上，并且通过刻蚀或者以剥离技术(lift-off)根据LED台地被结构化。在该实施形式中，因而例如在图1中用阴影线绘制的、第一连接层2的部分9被去除。作为第二连接层3，例如100nm的钛、100nm的铂和接着1400nm的金被涂敷在支承体10上。该例子的主要部分(即在LED结构上的锡和支承体上的金)在焊接工艺中形成所设置的共晶体，该共晶体比其组成部分具有明显更低的熔点。代替金和锡构成的(优选为共晶的)混合物也可以设置由铅和锡构成的混合物、铋和锡构成的混合物、铟和锡构成的混合物或者连同锡一起的其它金属构成的混合物。
为了实现在反射层6的金属和第一连接层2的金属之间的足够良好的阻挡，例如在阻挡层7中附加地可以设置钼，其与金和锡一同形成三元相平衡。代替于此，可以在阻挡层7中设置由Ti:N、TiW:N等等构成的阻挡。在所描述的实施例中，锡被用作焊接材料的主要成分。但是，本发明并不限于使用含有锡的连接层，如以下所描述的实施例表明的那样。
另一实施例将铋层用作第一连接层2，该铋层以薄的Ti/Au层或者Au层来覆盖。铋可以通过以热硫酸或者5％的硝酸银溶液进行刻蚀来结构化。可能的层结构例如是100nm的钛/1000nm的铋/100nm的金作为第一连接层2，而50nm的铂/200nm的TiW:N/1000nm的金作为第二连接层3。
在另一实施例中，涂敷由金构成的足够厚的第一连接层2，并且为了构造金-锗共晶体而使用带有由金构成的薄的第二连接层3的、由锗构成的支承体10。支承体10可以是锗晶片或者也可以仅包括由锗构成的层。代替锗可以使用硅。在这种情况下也可能的是，将硅晶片用作支承体10或者使用带有足够厚的硅层的支承体。在使用锗的情况下，作为第一连接层2例如会涂敷由100nm的钛、100nm的铂和1000nm的金构成的层序列。在支承体上的第二连接层3例如会是50nm的金的层。在硅支承体的情况下，例如会将约100nm的金涂敷在硅上作为第二连接层3，并且作为第一连接层2制造由100nm的钛、100nm的铂和2000nm的金构成的层序列。
当该方法例如如下改变时，可以省去用于根据LED台地结构化第一连接层2的剥离技术。作为阻挡层7例如会设置有由TiW:N、铂和金构成的层序列。其上优选地可以涂敷有合适的润湿层，该润湿层包括例如50nm的铂并且其上包括50nm的金。接着，中间空间4被刻蚀为沟，以便构造LED的台地。台地边缘被配备有钝化层8、例如由SiNx构成的钝化层8。
接着构造第一连接层2，其方式是整面地涂敷厚度通常为约800nm的锡。该层以10nm的钛和其上100nm的金作为对锡的氧化和扩散的保护物被覆盖。支承体例如可以是锗，该锗优选地在上侧被配备有阻挡层。作为第二连接层3涂敷金，例如以约1060nm的通常的厚度来涂敷金。
在焊接时，锡层熔融并且从钝化层8的表面退回到含Au/Pt的层上或者在钝化层8上构成珠状物，这些珠状物稍后例如可以利用FeCl3溶液或者利用HNO3/C2H5OH(1∶49)被刻蚀掉。由此，引起第一连接层2在阻挡层7上的一种自校准(Selbstjustage)，使得可以省去对在图1中用阴影线突出的部分9的去除。
作为钝化层8也可以考虑其它含有硅的化合物，诸如SiOx、SiNOx、SiC等等。钝化层8的材料对于该实施例被选择为使得其不被锡或者含有锡的熔融物润湿。反应性的焊接工艺(如在本例具有锡、金和铂的焊接工艺)能够实现关于已进行化学反应的焊接材料方面选择性地刻蚀掉在钝化层8上形成的焊接珠状物。
焊接材料的组成部分与层厚度的所说明的关系在本发明的范围中可以变化。尤其是，二元共晶体的形成可以变化，这样例如在金和锡的体系中可以变化，其方式是例如ζ-(Au5Sn)相被设置为焊剂的主要成分。在本实施例中，会选择较大的Au∶Sn比例并且在支承体上的金层的厚度例如通常被选择为大约2900nm。
不必的是相同地为所有存在的台地配备有用于第一连接层的焊接材料。代替于此也可能的是，逐步地分别仅将选择的台地通过焊接转移到支承体上，例如在每个台地串中仅仅每两个台地被转移。所涉及的器件的层在对支承体再分之后从外延衬底被剥离，而剩余的器件还作为外延层构成的台地保留在外延衬底上。接着，使用带有另外的第二连接层的另一支承体并且再次执行焊接工艺，使得进一步选择的器件(例如已将所有剩余的器件)从外延衬底转移到支承体上。转移的过程必要时可以在使用多个支承体的情况下以多个步骤执行，其中始终仅转移器件的确定的部分。台地从外延衬底的剥离例如可以借助激光辐射来进行，所述激光辐射尤其是在制造GaN二极管时能够实现将GaN层从外延衬底局部受限地剥离。在该方法步骤中，可以类似地采用开头所说明的现有技术中的制造方法。
参照图3至图5描述了这种方法的实施例，在这些附图中以横截面图分别示出了根据图1和图2的改变过的装置。在图3中示出了外延衬底1上的通过台地中的中间空间4再分的半导体层5的装置。在该横截面中可看到的台地串的每两个台地被配备有由一种或者更多种焊接材料构成的第一连接层2。这些台地与支承体上的第二连接层3焊接在一起。半导体层5例如可以被设置用于制造UV发光二极管(UV-LED)并且可以是AlGaN，在AlN构成的衬底1上外延地生长。在涂上电接触涂层和光学反射涂层之后，涂敷阻挡层，这可以如在传统方法中进行的那样并且在图3中未示出。台地的再分可以通过光刻技术来进行；中间空间4可以通过沟刻蚀来制造。相对低熔点的第一连接层2此处例如可以是50nm的Ti/2000nm的Bi/150nm的Au，而由较高熔点的接触材料构成的第二连接层3可以整面地是例如400nm的TiW/2000nm的Au。在焊接之后，支承体10在图3中通过点划线的切割线11标记的部位上被再分，并且所焊的器件从外延衬底1剥离。这可以借助选择性的激光剥离方法来进行，利用该激光剥离方法分别将所涉及的器件的半导体层5从外延衬底1剥离。
图4示出了在剥离所焊接的器件12之后的装置。在该横截面中可以看到的是，尚未焊接的器件作为台地保留在外延衬底1上并且这样与外延衬底1保持复合。剩余的台地在其它的方法步骤中同样可以被转移到支承体上。
图5示出了由带有半导体层5的剩余部分的外延衬底1构成的装置，半导体层5的这些剩余部分现在被配备有由熔点相对低的焊接材料构成的另外的第一连接层2。也为了转移这些器件，使用另一支承体10a，该另一支承体10a带有由熔点较高的接触材料构成的另外的第二连接层3a。从这里开始，其余的方法步骤对应于前面所描述的实施例。
Claims (14)
1.一种以薄膜技术制造光电子器件的方法，其中，
-在外延衬底(1)上制造针对光电子器件所设置的层结构，
-根据所设置的将台地划分成单个器件来结构化层结构，
-第一连接层(2)被涂敷到台地的上侧上，
-第二连接层(3)被涂敷在支承体(10)上，
-第一连接层(2)和第二连接层(3)彼此接触并且持久地彼此相连，以及
-外延衬底(1)被去除，
-第一连接层(2)包括一种焊接材料或者更多种焊接材料，
其特征在于，
第一连接层(2)仅仅在选择的台地上被制造并且在将第一连接层(2)和第二连接层(3)彼此连接之后仅仅将这样连接的台地从外延衬底(1)去除。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第二连接层(3)包括与焊接材料相比熔点更高的材料。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，焊接材料是共晶混合物。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一连接层(2)借助剥离技术根据台地被结构化。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一连接层(2)包含锡。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，第一连接层(2)包含金和锡。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一连接层(2)包括金和铋。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，支承体(10)是锗，并且第一连接层(2)和第二连接层(3)包括金。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，支承体(10)是硅，并且第一连接层(2)和第二连接层(3)包括金。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一连接层(2)被 涂敷在阻挡层上，并且该阻挡层包含Ti或者TiW。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第二连接层(3)包括Ti/Pt/Au。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，台地的边缘用含有硅的钝化层(8)来覆盖。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，保留在外延衬底(1)上的台地的整体或者保留在外延衬底(1)上的进一步选择的台地事后被配备有另外的第一连接层并且被转移到配备有另外的第二连接层(3a)的另外的支承体(10a)。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中，转移到支承体(10)上的台地借助激光剥离方法从外延衬底(1)被剥离。
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