DE102004036295A1

DE102004036295A1 - Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelemente mit Substraten, deren Dicke verringert wurde oder die entfernt wurden

Info

Publication number: DE102004036295A1
Application number: DE102004036295A
Authority: DE
Inventors: Ivan Eliashevich; Boris Beachwood Kolodin; Emil P. Stefanov
Original assignee: Gelcore LLC
Current assignee: Current Lighting Solutions LLC
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2005-03-03
Also published as: US20050023550A1; US7456035B2; JP2005051255A

Abstract

In einem Verfahren zum Herstellen eines Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelements werden Epitaxialschichten (14, 114) auf ein Wachstumssubstrat (16, 116) aufgebracht, um einen Epitaxialwafer herzustellen. Mehrere Leuchtdioden-Bauelemente werden auf dem Epitaxialwafer hergestellt. Der Epitaxialwafer wird in Chips zerschnitten, um einen Bauelementchip (10, 110) zu erzeugen. Der Bauelementchip (10, 110) wird nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger (12, 112) gebondet. Das Flip-Chip-Bonden enthält das Befestigen des Bauelementchips (10, 110) an den Träger (12, 112), indem wenigstens eine Elektrode (20, 22, 120) des Bauelementchips (10, 110) an wenigstens eine Bondfläche (26, 28, 126) des Trägers (12, 112) gebondet wird. Nach dem Flip-Chip-Bonden wird die Dicke des Wachstumssubstrats (16, 116) des Bauelementchips (10, 110) verringert.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektronik. Sie betrifft insbesondere nach dem Flip-Chip-Verfahren (Flip-Chip, kopfüber kontaktiertes Bauelement) gebondete Gruppe-III-Nitrid-Leuchtdioden für Beleuchtungsanwendungen und wird unter spezieller Bezugnahme darauf beschrieben. Die Erfindung findet jedoch außerdem Anwendung in Verbindung mit weiteren Typen von nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdioden sowie in weiteren nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Epitaxial-Halbleitervorrichtungen, wie etwa Flächenemitter-Laserdioden mit vertikalem Hohlraum.
Bei der Konfiguration der Flip-Chip-Montage wird eine Leuchtdiode mit einem lichtdurchlässigen Substrat und an der Vorderseite vorgesehenen Elektroden "mit der Vorderseite nach unten", d. h. die Epitaxialschichten sind nahe am Träger und das lichtdurchlässige Substrat befindet sich entfernt vom Träger, an Bondhöcker eines Trägers gebondet. Die Flip-Chip-Anordnung besitzt mehrere Vorteile, die eine verbesserte Wärmeableitung infolge der Nähe der aktiven Schichten der Vorderseite zu dem Wärmeableitungssubstrat und eine Verringerung der Abschattungsverluste durch Elektroden enthalten.
Bei der Konfiguration der Flip-Chip-Montage wird Licht an der Substratseite ausgekoppelt. Bei epitaxial gezogenen Leuchtdioden kann die Auswahl des Substratmaterials stark eingeschränkt sein, da das Substrat so ausgewählt wird, dass es eine gute Basis für die Epitaxie darstellt. Deswegen enthalten die Substratkriterien einen engen Bereich der Gitterkonstante, eine im Wesentlichen atomar ebene Oberfläche für die Kristallisationskernbildung der Epitaxie, thermische Stabilität bei Epitaxie-Temperaturen, chemische Kompatibilität mit dem Epitaxie-Prozess usw.
Ein Problem kann bei der Flip-Chip-Konfiguration auftreten, wenn das Wachstumssubstrat im Wesentlichen über einen bestimmten oder den gesamten Spektralbereich der Lichtemission lichtabsorbierend ist. In diesem Fall ist die Lichtauskopplung von dem Substrat infolge von Lichtabsorptionsverlusten in dem Substrat eingeschränkt. Selbst wenn ein geeignetes optisch durchlässiges Substrat zur Verfügung steht, wie etwa bei Leuchtdioden mit Gruppe III-Nitriden, die auf einem durchlässigen Saphir-Wachstumssubstrat gezogen werden können, können darüber hinaus optische Reflexionsverluste an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und der Epitaxialschichten infolge einer abrupten Diskontinuität des Brechungsindexes auftreten.

Ein bekannter Lösungsansatz zum Verringern dieser substratbezogenen optischen Verluste besteht darin, den Stapel aus Epitaxialschichten von dem Wafer mit lichtabsorbierendem Wachstumssubstrat auf einen lichtdurchlässigen Wafer zu übertragen. Das enthält typischerweise das enge Bonden des Stapels aus Epitaxialschichten an den lichtdurchlässigen Wafer und das anschließende Entfernen des Wachstumssubstrat-Wafers durch Ätzen. Nach dem Entfernen des Wachstumssubstrats bleibt der Stapel aus Epitaxialschichten an den durchlässigen Wafer gebondet, der anschließend bearbeitet wird, um Bauelemente herzustellen, und in Chips zerschnitten wird, um einzelne Leuchtdiodenchips abzutrennen. Das Erreichen einer intensiven Bondverbindung zwischen dem Stapel aus Epitaxialschichten und dem durchlässigen Substrat über große Flächen ist jedoch schwierig. Die Ausbeute an Bauelementen kann infolge der Bildung von Luftblasen oder des Vorhandenseins von Partikeln an der Grenzfläche zwischen dem Stapel aus Epitaxialschichten und dem durchlässigen Substrat während des Bondens eingeschränkt sein. Darüber hinaus können beim Fehlen einer engen Übereinstimmung des Brechungsindexes zwischen dem Stapel aus Epitaxialschichten und dem durchlässigen Substrat Reflexionen an der Grenzfläche zwischen dem Stapel aus Epitaxialschichten und dem durchlässigen Wafer Lichtverluste einführen.

Ein weiterer Lösungsansatz besteht darin, den Stapel aus Epitaxialschichten an einem provisorischen Trägerwafer unter Verwendung einer Klebstoffschicht vorübergehend zu befestigen, woraufhin eine Dickenverringerung des Wachstumssubstrats folgt. Der Stapel aus Epitaxialschichten mit dem darauf anhaftenden restlichen in der Dicke verringerten Wachstumssubstrat wird anschließend von dem provisorischen Trägerwafer gelöst und bearbeitet und in Chips zerschnitten, um Leuchtdiodenchips herzustellen. Die Leuchtdiodenchips, die in der Dicke verringerte Substrate enthalten, werden anschließend nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet. Die Stapel aus Epitaxialschichten und das restliche in der Dicke verringerte Wachstumssubstrat bilden jedoch nach der Dickenverringerung des Wachstumssubstrats eine zerbrechliche Struktur. Die Zerbrechlichkeit dieser in der Dicke verringerten Struktur verkompliziert die weitere Bearbeitung, das Zerschneiden in Chips und das Flip-Chip-Bonden, was eine geringere Ausbeute an Bauelementen zur Folge hat. Darüber hinaus können Luftblasen, Partikel oder weitere Unzulässigkeiten bei der Adhäsion zwischen dem provisorischen Trägerwafer und dem Stapel aus Epitaxialschichten lokale Schäden an der Struktur mit verringerter Dicke einführen, die ebenfalls die Ausbeute an Bauelementen beeinflussen.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren vor, die die oben erwähnten sowie weitere Einschränkungen überwinden.

KURZZUSAMMENFASSUNG

Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelements geschaffen. Epitaxialschichten werden auf einem Wachstumssubstrat aufgebracht, um einen Epitaxialwafer herzustellen. Auf dem Epitaxialwafer werden mehreren Leuchtdioden-Bauelemente hergestellt. Der Epitaxialwafer wird in Chips zerschnitten, um einen Bauelementchip herzustellen. Der Bauelementchip wird nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet. Das Flip-Chip-Bonden enthält das Befestigen des Bauelementchips an dem Träger, indem wenigstens eine Elektrode des Bauelementchips an wenigstens eine Bondfläche des Trägers gebondet wird. Nach dem Flip-Chip-Bonden wird die Dicke des Wachstumssubstrats des Bauelementchips verringert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zum Verbessern der Lichtemission eines nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdioden-Bauelements, das nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet ist, geschaffen. Ein Wachstumssubstrat des Leuchtdioden-Bauelements wird in der Dicke verringert oder entfernt. Das Wachstumssubstrat des nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdioden-Bauelements ist distal von dem Träger angeordnet. Die Dickenverringerung oder das Entfernen wird ausgeführt, während Epitaxialschichten des Leuchtdioden-Bauelements nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet sind. Das Flip-Chip-Bonden bewirkt eine Befestigung des Leuchtdioden-Bauelements an dem Träger während der Dickenverringerung oder des Entfernens.

Gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform wird ein Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelement offenbart. Ein Träger enthält Bondhöcker. Ein Leuchtdioden-Bauelementchip weist einen Stapel aus Bauelementschichten auf, der nach dem Flip-Chip-Verfahren an die Bondhöcker des Trägers gebondet wird. Ein Unterfüllungsmaterial ist zwischen dem Leuchtdioden-Bauelementchip und dem Träger angeordnet. Das Unterfüllungsmaterial trägt den Leuchtdioden-Bauelementchip und verhindert ein Zerbrechen des Leuchtdioden-Bauelementchips.

Zahlreiche Vorteile und Nutzen der vorliegenden Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet deutlich, wenn er die vorliegende Beschreibung liest und versteht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung kann die Form von verschiedenen Komponenten und Anordnungen aus Komponenten sowie von verschiedenen Verarbeitungsoperationen und Anordnungen aus Verarbeitungsoperationen annehmen. Die Zeichnung dient lediglich für Zwecke der Veranschaulichung bevorzugter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht einschränken. In den Schnittansichten sind die Schichtdicken zur optischen Klarheit vergrößert und sind daher nicht maßstabsgerecht gezeichnet.

1A zeigt eine Schnittansicht von zwei Leuchtdioden-Bauelementchips, die nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet wurden.

1B zeigt eine Schnittansicht von zwei Leuchtdioden-Bauelementchips, die wie in 1 nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet wurden, nachdem die Substrate der beiden Leuchtdioden-Bauelementchips in der Dicke verringert wurden.

2 stellt berechnete Anteile der Lichtauskopplung eines Flip-Chip-Leuchtdiodenchips mit einem Siliciumcarbid-Substrat dar, die als eine Funktion des Absorptionskoeffizienten des Substrats und der Substratdicke berechnet wurden.

3 zeigt eine Schnittansicht von zwei Leuchtdioden-Bauelementchips, die wie in 1 nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet wurden, nachdem die Substrate der beiden Leuchtdioden-Bauelement chips entfernt wurden.

4A zeigt eine Schnittansicht der zwei Leuchtdioden-Bauelementchips, die eine vertikale Stromflussgeometrie aufweisen, vor der Dickenverringerung des Substrats und der Bildung einer Rückseitenelektrode.

4B zeigt eine Schnittansicht der zwei Leuchtdioden-Bauelementchips, die wie in 4A nach dem Flip-Chip-Verfahren an den Träger gebondet wurden, nach der Dickenverringerung der Substrate, dem Bilden der Rückseitenelektroden und dem Drahtbonden der Rückseitenelektroden an Drahtbondflächen des Trägers.

GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In 1A sind zwei beispielhafte, nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondete Leuchtdioden-Bauelementchips 10 gezeigt, die nach dem Flip-Chip-Verfahren an einem Träger 12 montiert sind. Jeder beispielhafte Leuchtdioden-Bauelementchip 10 enthält einen Stapel 14 aus Halbleiterbauelementschichten, der auf ein Wachstumssubstrat 16 expitaktisch aufgebracht ist. Der Stapel 14 aus Halbleiterbauelementschichten definiert ein Leuchtdioden-Bauelement, wie etwa eine ultraviolett oder blau leuchtende Leuchtdiode mit einem Gruppe III-Nitrid, eine sichtbares Licht aussendende Leuchtdiode mit einem Gruppe III-Phosphid, eine Flächenemitter-Laserdiode mit vertikalem Hohlraum mit einem Gruppe III-Arsenid oder dergleichen.

In 1A besitzt der Stapel 14 aus Halbleiterschichten zwei beispielhafte Schichten, die einer einfachen p/n-Diode entsprechen; ein Fachmann wird jedoch anerkennen, dass Stapel aus komplexeren Halbleiterschichten verwendet werden können. Bei einer Flächenemitter-Laserdiode mit vertikalem Hohlraum können die Schichten z. B. Dutzende Schichten enthalten, die Bragg-Reflektoren, Plattierungen und einen komplexen Bereich mit Mehrquantenquelle definieren. Bei einer ultraviolett oder blau leuchtenden Leuchtdiode mit einem Gruppe III-Nitrid mit einer p-on-n-Orientierung enthalten die Schichtenstapel typischerweise einen Epitaxialwachstumspuffer aus Aluminiumnitrid oder einem anderen Material, eine n-Galliumnitrid-Basisschicht, einen aktiven Bereich aus Indium-Galliumnitrid, eine p-Galliumnitridschicht und wahlweise eine Kontaktschicht, die auf der p-Galliumnitridschicht ausgebildet ist. Ein Fachmann kann leicht weitere Stapel aus Halb leiter-Epitaxialschichten konstruieren, die für spezielle optische Anwendungen geeignet sind.

Das Wachstumssubstrat 16 ist aus einem kristallinen Material hergestellt, das für ein Epitaxialwachstum des ausgewählten Stapels 14 aus Halbleiterschichten geeignet ist. Für die Epitaxie von Gruppe III-Nitriden ist das Wachstumssubstrat vorteilhaft Siliciumcarbid (SiC; z. B. leitendes SiC, undotiertes 6H-SiC oder undotiertes 4N-SiC), Galliumnitrid oder Saphir. Für die Epitaxie von Gruppe III-Phosphid ist das Wachstumssubstrat vorteilhaft Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Diese Beispiel sind nicht erschöpfend, statt dessen kann ein Fachmann leicht ein Wachstumssubstrat auswählen, das eine geeignete Oberflächengitterkonstante, eine großflächige ebene Oberfläche und geeignete thermische und chemische Charakteristiken besitzt, um ein hochwertiges vorzugsweise gitterangepasstes Epitaxialwachtum des ausgewählten Stapels 14 aus Halbleiterschichten zu unterstützen. Das Wachstumssubstrat 16 ist wahlweise relativ zu einer Hauptkristallrichtung angeschnitten. Zum Beispiel stehen 4N-SiC-Substrate, die achsenparallel (d. h. kein Anschnitt) oder unter einem Winkel von 4° oder 8° angeschnitten sind, von Cree Materials (Durham, North Carolina) zu Verfügung.

Eine Epitaxialablagerung des Stapels 14 aus Halbleiterschichten auf dem ausgewählten Wachstumssubstrat erfolgt vorzugsweise durch metallorganisches chemisches Bedampfen (MOCVD, in der Technik auch als organometallische Dampfphasen-Epitaxie, OMVPE und mit ähnlichen Bezeichnungen bekannt), Molekularstrahl-Epitaxie (MBE), Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) oder andere geeignete Techniken des Epitaxialwachstums. Wie bei dem Wachstumssubstrat 16 erfolgt die Wahl der Technik des Epitaxialwachstums anhand des Typs des Stapels 14 aus Epitaxialschichten, der gezogen werden soll.

Die Epitaxialablagerung erfolgt über einem Wafer mit großflächigem Substrat. Es stehen z. B. Siliciumcarbid-Wafer als im Allgemeinen scheibenförmige Wafer mit einem Durchmesser von etwa 5 bis 8 cm zur Verfügung. Galliumarsenid und Saphir sind als scheibenförmige Wafer mit größerem Durchmesser verfügbar. Der Wafer mit großflächigem Substrat mit dem darauf aufgebrachten Stapel 14 aus Epitaxialschichten wird hier nachfolgend als Epitaxialwafer bezeichnet. Der Epitaxialwafer wird unter Verwendung eines geeigneten Herstellungsprozesses, der Unterprozesse enthält, wie etwa Wafer-Reinigungsprozesse, Lithographieprozesse, Ätzprozesse, Prozesses der dielektrischen Ablagerung, Metallisierungspro zesse und dergleichen, bearbeitet, um auf dem Wafer mehrere Leuchtdioden-Bauelemente zu definieren. In einem typischen Lösungsansatz enthält der Herstellungsprozess die anfängliche Waferreinigung, die lithographische Definition und das Ätzen von Bauelementflächen und die lithographische Definition und das Ausbilden von n- und p-Elektroden.

Weiterhin in 1A sind die Leuchtdioden-Bauelementchips 10 Bauelemente mit seitlicher Stromflussgeometrie und enthalten eine p-Elektrode 20, die an der Bauelementfläche angeordnet ist, und eine n-Elektrode 22, die in einem Feldbereich außerhalb der Bauelementfläche angeordnet ist. In dieser Ausführungsform sind beide Elektroden Vorderseitenelektroden. Die Elektroden 20, 22 sind vorzugsweise aus Gold hergestellt oder weisen eine Goldbeschichtung auf, um einen niederohmigen elektrischen Kontakt zu ermöglichen.

Der Träger 12 enthält eine erste Bondfläche 26, die für eine Verbindung mit der p-Elektrode 20 angeordnet ist, und eine zweite Bondfläche 28, die für eine Verbindung mit der n-Elektrode 22 angeordnet ist. Auf den Bondflächen 26, 28 sind mehrere Bondhöcker 30 angeordnet. Die Leuchtdioden-Bauelementchips 10 sind nach dem Flip-Chip-Verfahren an die Bondflächen 26, 28 des Trägers 12 gebondet und sind insbesondere an die Bondhöcker 30 gebondet. Das Flip-Chip-Bonden kann durch Löten erreicht werden, wobei die Bondhöcker 30 in diesem Fall Lötmittelhöcker sind. Alternativ kann das Flip-Chip-Bonden kann durch Ultraschallbonden erreicht werden, wobei die Bondhöcker 30 in diesem Fall vorzugsweise goldbeschichtete Kupferhöcker sind, die durch eine Kombination aus Erwärmen und Einleiten von Ultraschallenergie an das Gold der Elektroden 20, 22 gebondet werden. Weitere Bondverfahren können außerdem verwendet werden.

Weiterhin in 1A besitzen die nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdiodenchips 10 Substrate 16, die verhältnismäßig dick sind. Der Wachstumssubstrat-Wafer, der typischerweise einen Durchmesser von höchstens wenigen Zentimetern oder eine andere seitliche Abmessung besitzt, wird in Chips zerschnitten, um die einzelnen Leuchtdiodenchips 10 herzustellen, die nach dem Flip-Chip-Verfahren an den Träger 12 gebondet werden. Somit besitzen die Substrate 16 von 1A eine Dicke d, die der Dicke des ursprünglichen Wachstumssubstrat-Wafers entspricht. Scheibenförmige Siliciumcarbid-Normwafer für die Epitaxie von Gruppe III-Nitrid, die von Cree Materials (Durham, North Carolina) verfügbar sind, besitzen z. B. typische Waferdurchmesser von etwa 5,0 bis 7,6 cm und Waferdicken, die mit 254±25,4 μm festgelegt sind.

Darüber hinaus absorbiert Siliciumcarbid das ausgesendete ultraviolette und blaue Licht von typischen Leuchtdioden-Bauelementen mit einem Gruppe III-Nitrid. Bei der Flip-Chip-Bondanordnung erfolgt die Lichtauskopplung typischerweise durch die Substratseite und wird durch Substratabsorption gedämpft. In 1A ist ausgekoppeltes Licht schematisch durch sich verjüngende Pfeile 34 angegeben. Eine rasche Verjüngung der Pfeile 34, wenn sie durch das verhältnismäßig dicke Licht absorbierende Substrat 16 verlaufen, zeigt den Lichtverlust infolge der Lichtabsorption an. Obwohl die Beschreibung unter Bezugnahme auf ein Siliciumcarbid-Substrat erfolgt, wird anerkannt werden, dass andere Substrate, die von dem Stapel aus Halbleiterschichten ausgesendetes Licht absorbieren, in ähnlicher Weise Licht absorbieren und die Lichtabgabe des Bauelements nach außen verringern werden.

Weiter in 1A sowie in 1B wird das Substrat 16, das in 1A gezeigt ist, nach dem Flip-Chip-Bonden in der Dicke verringert, um die modifizierten Leuchtdiodenchips 10' herzustellen, die Substrate 16' mit verringerter Dicke aufweisen, wie in 1B gezeigt ist. Das in der Dicke verringerte Substrat 16' besitzt eine Dicke d', wie in 1B angegeben ist, die wesentlich kleiner ist als die Dicke d des nicht in der Dicke verringerten Substrats 16. Die Dickenverringerung des Substrats kann durch mechanisches Läppen, mechanisches Polieren, mechanisches Schleifen oder dergleichen ausgeführt werden. In einem weiteren Lösungsansatz wird die Dickenverringerung des Wafers durch Nassätzen oder trockenes chemisches Ätzen oder Plasmaätzen unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels ausgeführt. In einem weiteren Lösungsansatz wird Laserabschmelzen verwendet, um die Dicke des Substrats zu verringern. Die geringere Dicke d' des Substrats 16' mit verringerter Dicke ermöglicht, dass mehr Licht aus den Leuchtdiodenchips 10' austritt, wie durch sich in geringem Maße verjüngende, d. h. breitere Pfeile 34' in 1B gezeigt ist.

Ein bevorzugter Betrag der Dickenverringerung, d. h. eine bevorzugte Enddicke d' wird anhand von mehreren Faktoren bestimmt. Wenn ein Licht absorbierendes Substrat in der Dicke verringert wird, wird es im Allgemeinen stärker lichtdurchlässig. Somit unterstützt eine geringere Dicke d' typischerweise die Lichtauskopplung. Eine geringere Enddicke d' bedeutet jedoch eine kleinere Toleranz in dem Prozess der Dickenverringerung. Mit anderen Worten, für eine geringere Enddicke d' sollte der Prozess zur Dickenverringerung des Substrats genauer gesteuert werden um zu vermeiden, dass einerseits zu viel Substratmaterial verbleibt, oder dass andererseits zu viel Material entfernt und möglicherweise der darunter liegende Stapel 14 aus Epitaxialschichten beschädigt wird.

In 2 sind berechnete Werte der Lichtauskopplung für eine typische Bauelementstruktur mit einem Gruppe III-Nitrid auf Siliciumcarbid-Substraten mit unterschiedlichen Dicken und Absorptionscharakteristiken gezeigt. In der Darstellung von 2 ist die Abszisse die Substratdicke in Mikrometern und die Ordinate ist der Anteil der Lichtauskopplung. Die gezeigten Berechnungen reichen von einer typischen Dicke eines Siliciumcarbid-Wachstumswafers von 254 μm bis zu einer stark verringerten Dicke von 25,4 μm. Es sind mehrere Kurven gezeigt, wovon jede einem anderen Substrat-Absorptionskoeffizienten ⎕ entspricht, der von ⎕ = 0,0 cm^–1 bis ⎕ = 20,0 cm^–1 reicht. Ein Fachmann wird anerkennen, dass der Absorptionskoeffizient wellenlängenabhängig ist und im Fall von Siliciumcarbid außerdem von der Polymorphie, der Dotierung und anderen Charakteristiken des Siliciumcarbid-Materials abhängt. Der Bereich der Absorptionskoeffizienten, die in 2 dargestellt ist, ist für Substrat-Absorptionscharakteristiken für typische Emissionswellenlängen von Leuchtdioden-Bauelementen mit einem Gruppe III-Nitrid repräsentativ.

Weiter in 2 bewirkt eine Verringerung von einer Substratdicke von 254 μm auf eine Substratdicke von 50,8 μm für α = 5,0 cm^–1 eine relative Verbesserung der Lichtauskopplung von etwa 10,2 % (von einer Anteil der Lichtauskopplung von 0,2224 auf eine Lichtauskopplung von 0,2451). Für ein stärker absorbierendes Substrat ist die Verbesserung größer. Für α = 20,0 cm^–1 beträgt der Anteil der Lichtauskopplung 0,1212 bei einem Substrat der Dicke 254 μm und erhöht sich auf 0,1918 bei einem Substrat der Dicke 25,4 μm. Somit bewirkt bei α = 20,0 cm^–1 die Verringerung der Dicke von 254 μm auf 25,4 μm eine relative Verbesserung der Lichtauskopplung von etwa 58,3 %.

Wieder in den 1A und 1B kann eine Dickenverringerung des Substrats 16 nach dem Flip-Chip-Bonden anstatt vor dem Zerschneiden in Chips, was typischerweise in der Vergangenheit erfolgte, Probleme der mechanischen Stabilität bewirken, insbesondere bei in der Dicke verringerten Substraten 16' mit Dicken d' von etwa 50 μm und darunter. Spannungen, die durch das Bonden oder durch den Prozess der Dickenverringerung des Substrats eingeführt werden, können zur Folge haben, dass einige, die meisten oder alle Leuchtdioden-Bauelemente 10' funktionsmäßig verschlechtert oder nicht betriebsfähig sind. Zum Beispiel können einige, die meisten oder alle Leuchtdioden-Bauelemente 10' während des Prozesses der Dickenverringerung infolge von Spannungen, die an diskreten Bondbereichen, die den Bondhöckern 30 entsprechen, eingeleitet werden, brechen. Derartige Spannungen können durch den Leuchtdiodenchip 10 auf Grund seines dicken Substrats 16 und der entsprechenden mechanischen Robustheit aufgenommen werden, sie können jedoch von dem Leuchtdiodenchip 10' wegen der Zerbrechlichkeit seines in der Dicke verringerten Substrats 16' nicht aufgenommen werden.

Um die Leuchtdioden-Bauelemente während und nach der Dickenverringerung mechanisch zu unterstützen und zu stabilisieren, wird vor der Dickenverringerung des Substrats vorzugsweise ein Unterfüllungsmaterial 38 zwischen dem Leuchtdioden-Bauelement 10 und dem Träger 12 angeordnet. Das Unterfüllungsmaterial 38 schafft eine Klebeverbindung zwischen dem Leuchtdioden-Bauelement 10 und dem Träger 12, die die Befestigung der Bauelemente 10, 10' unterstützt. Das Unterfüllungsmaterial 38 schafft außerdem eine mechanische Unterstützung für das in der Dicke verringerte Leuchtdioden-Bauelement 10', um die Wahrscheinlichkeit des Brechens oder anderer spannungsbezogener Beschädigungen zu verringern. Die durch das Unterfüllungsmaterial 38 geschaffene Unterstützung wird über die Fläche des Leuchtdioden-Bauelements 10, 10' verteilt, um eine Unterstützung an lokalen Spannungsbereichen oder in deren Nähe zu schaffen, wie etwa an den Bondhöckern 30 oder um diese herum.

Das Unterfüllungsmaterial 38 schafft vorzugsweise weitere Vorteile, wie etwa den Schutz und die Einkapselung des Stapels 14 aus Halbleiterschichten und der Elektroden 20, 22. Wenn das Unterfüllungsmaterial 38 wärmeleitend ist, bildet es einen zusätzlichen Wärmeableitungsweg.

Für die Dickenverringerung des Substrats bedeckt das Unterfüllungsmaterial 38 vorzugsweise im Wesentlichen das Substrat 16 nicht, obwohl sich das Unterfüllungsmaterial 38 wahlweise an den Seiten des Substrats 16 teilweise nach oben erstrecken kann. In einigen betrachteten Ausführungsformen bedeckt das Unterfüllungsmaterial 38 das Substrat 16 und das überschüssige Material, das das Substrat 16 bedeckt, wird während des Prozesses zur Dickenverringerung des Substrats entfernt. Das Unterfüllungsmaterial 38 wird vorteilhaft als ein Fluid aufgebracht und dann vor oder nach dem Bonden gehärtet oder getrocknet. Das Unterfüllungsmaterial 38 ist vorteilhaft ein Epoxy, Silicon, Photoresist oder ein anderes Material, das in einer flüssigen oder fließfähigen Form aufgebracht und anschließend gehärtet oder getrocknet werden kann. Obwohl die Verwendung des Unterfüllungsmaterials 38 bevorzugt ist, wird das Unterfüllungsmaterial 38 wahlweise weggelassen, wenn die Dicke d' des in der Dicke verringerten Substrats über etwa 50 μm liegt oder wenn der Stapel 14 aus Epitaxialschichten ausreichend mechanisch fest ist, um Beschädigungen auf Grund von Spannungen zu widerstehen.

Bei Leuchtdioden-Bauelementen mit einem Gruppe III-Nitrid, die blaues oder ultraviolettes Licht aussenden, kann ein Leuchtstoff zur Wellenlängenumsetzung in dem Unterfüllungsmaterial 38 enthalten sein, um das blaue oder ultraviolette Licht in weißes Licht oder in Licht mit anderen ausgewählten Spektralcharakteristiken umzusetzen. Ein derartiger Leuchtstoffzusatz ist in Bauelementen sehr nützlich, die eine seitliche Stromflussgeometrie verwenden, wie etwa der Leuchtdioden-Bauelementchip 10, 10', da bei dieser Geometrie eine bedeutende Menge Licht durch die Seitenwände des geätzten Körpers zum Träger 12 durchgelassen wird.

In 3 kann das Substrat 16 anstelle der Verringerung der Dicke des Substrats 16 von 1A vollständig entfernt werden, wie in 3 gezeigt ist, um den modifizierten Flip-Chip-Leuchtdiodenchip 10'' herzustellen. Bei einem durchlässigen Substrat, wie etwa ein Saphirsubstrat, das bei der Epitaxie mit einem Gruppe III-Nitrid verwendet wird, erfolgen Lichtverluste, die dem Substrat zuzuordnen sind, infolge von Reflexionsverlusten anstelle von Absorptionsverlusten. Deswegen sollte der Saphir vollständig entfernt werden, um die Lichtverluste durch Reflexion zu vermeiden. In einer geeigneten Ausführungsform wird ein chemisches Ätzen verwendet, das das Substratmaterial selektiv über dem Material der angrenzenden Epitaxialschicht entfernt. In diesem Fall dient die Epitaxialschicht des Stapels 14 aus Epitaxialschichten, die an das Substrat 16 angrenzt, als eine Ätzbarriere und das chemische Ätzen endet vorteilhaft oder verlangsamt sich stark, wenn es die Schicht der Ätzbarriere erreicht.

Das vollständige Entfernen des Substrats 16 schafft typischerweise einen besseren Wirkungsgrad der Lichtauskopplung bei Beibehaltung des in der Dicke verringerten Substrats 16'. Wenn das Substrat 16' jedoch einen günstigen Brechungsin dex aufweist, der mit der äußeren Umgebung übereinstimmt, kann das in der Dicke verringerte Substrat 16' einen besseren Wirkungsgrad der Lichtauskopplung als bei der vollständigen Substratentfernung schaffen. Darüber hinaus hinterlässt die vollständige Substratentfernung eine Schicht des Stapels 14 aus Epitaxialschichten, die der Umgebung ausgesetzt ist. Das kann in bestimmten Fällen unerwünscht sein. Wenn z. B. in einem Bauelement aus einem Gruppe III-Arsenid, das auf einem Galliumarsenid-Substrat gezogen wurde, die freiliegende Epitaxialschicht einen hohen Aluminiumgehalt aufweist, ist sie auf Oxidation anfällig. Es kann somit in einem solchen Fall vorzuziehen sein, einen dünnen Abschnitt des Galliumarsenid-Substrats zu behalten, um die Epitaxialschicht mit hohem Aluminiumgehalt einzukapseln. Beim Fehlen einer Ätzbarrierenschicht oder einer dicken Epitaxialschicht mit nicht kritischer Basis erfordert das vollständige Entfernen des Substrats 16 ferner eine sehr genaue Steuerung des Ätzprozesses, um ein Ätzen in den dünnen Stapel 14 aus Epitaxialschichten und seine Beschädigung zu vermeiden.

Beim Entfernen oder bei einer wesentlichen Verringerung der Dicke des Substrats 16 kann das resultierende Leuchtdioden-Bauelement 10', 10'' so zerbrechlich sein, dass es keine frei stehende Komponente sein kann. Das heißt, bei einer extremen Verringerung der Dicke oder beim Entfernen des Substrats 16 verhindert das Unterfüllungsmaterial 38 vorteilhaft ein Zerbrechen des Leuchtdioden-Bauelements 10', 10''. Ob das modifizierte Leuchtdioden-Bauelement 10', 10'' so zerbrechlich ist, dass das Unterfüllungsmaterial 38 sein Zerbrechen verhindert, anstatt lediglich eine zusätzliche mechanische Unterstützung zu schaffen, hängt von der Dicke des Stapels 14 aus Epitaxialschichten, von der Dicke d' des in der Dicke verringerten Substrats 16' bei der unvollständigen Substratentfernung und von den mechanischen Eigenschaften der Materialien ab, die das Leuchtdioden-Bauelement 10', 10'' bilden.

Weiterhin in 3 kann ein Material zur Indexanpassung, eine Epoxy-Linse, eine diskrete Mikrolinse oder ein anderes optisches Element 42 nach dem Entfernen des Substrats 16 auf den Stapel 14 aus Epitaxialschichten aufgebracht werden. Bei einer Epoxy-Linse 42 wird das Epoxy typischerweise in flüssiger oder fließfähiger Form aufgebracht und anschließend getrocknet oder gehärtet. Obwohl nicht gezeigt, wird jedoch anerkannt werden, dass derartige optische Elemente außerdem auf dem in der Dicke verringerten Substrat 16' von 1B angeordnet sein können.

In 4A ist eine Ausführungsform, die Bauelemente mit einer vertikalen Stromflussgeometrie verwendet, beschrieben. Leuchtdiodenchips 100 sind in 4A gezeigt, die nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger 112 gebondet sind. Die Leuchtdiodenchips 100 weisen einen Stapel 114 aus Epitaxialschichten mit Halbleiterbauelementen auf, der auf einem Substrat 116 angeordnet ist. Eine erste Elektrode 120 ist auf dem Stapel 114 aus Bauelementschichten gebildet. Im Unterschied zu der seitlichen Stromflussgeometrie der 1A, 1B und 3 ist auf dem Stapel 114 aus Epitaxialschichten lediglich eine einzelne Vorderseitenelektrode 120 gebildet. Die erste Elektrode 120 ist über Bondhöcker 130 nach dem Flip-Chip-Verfahren an eine erste Bondfläche 126 gebondet. Eine zweite Bondfläche 128 ist nicht durch Flip-Chip-Bonden mit dem Leuchtdiodenchip 100 verbunden. Somit sind die Leuchtdiodenchips 100 zu dem Herstellungszeitpunkt, der in 4A gezeigt ist, nicht betriebsfähig, da keine zweite Elektrode oder kein elektrischer Eingang vorhanden ist, um das Diodenbauelement anzusteuern.

Weiterhin in 4A und ferner in 4B ist ein Unterfüllungsmaterial 138 vorzugsweise zwischen dem Leuchtdioden-Bauelementchip 100 und dem Träger 112 angeordnet, um eine mechanische Unterstützung, eine bessere Befestigung des Bauelementchips 100 an dem Träger 112 und wahlweise eine Einkapselung und eine bessere Wärmeableitung zu schaffen. Das Substrat 116, das in 4A gezeigt ist, wird durch mechanisches Schleifen, Laserabschmelzen, chemisches Nassätzen, Trockenätzen oder dergleichen in der Dicke verringert, um das in der Dicke verringerte Substrat 116' herzustellen. Eine zweite Elektrode 122, die eine Rückseitenelektrode ist, wird auf dem in der Dicke verringerten Substrat 116' gebildet, das ein elektrisch leitendes Substrat ist. In der erläuterten Ausführungsform ist die zweite Elektrode 122 eine Ringelektrode, die eine mittige Lichtöffnung 140 jedes modifizierten Leuchtdiodenchips 100' definiert. Die zweite Elektrode 122 ist mit der zweiten Bondfläche 128, die eine Drahtbondfläche ist, durch einen Bonddraht 142 elektrisch verbunden. Bei Anregung über die Elektroden 120, 122 sendet der modifizierte Leuchtdiodenchip 100' Licht 134 aus, das durch das in der Dicke verringerte Substrat 116' in der Lichtöffnung 140 hindurchgeht.

In der beispielhaften Ausführungsform von 4B ist das in der Dicke verringerte Substrat 116' elektrisch leitend, um eine Konfiguration mit vertikalem Stromfluss zu ermöglichen. Wenn das Substrat jedoch elektrisch isolierend ist, z. B. ein Sa phirsubstrat eines Leuchtdiodenchips mit einem Gruppe III-Nitrid, kann das Substrat analog zu der Ausführungsform von 3 vollständig entfernt werden, woraufhin die Bildung des Rückseitenkontakts auf einer Schicht des Stapels 114 aus Halbleiterschichten, die durch das Entfernen des Substrats 116 freiliegt, folgt.

Durch das Entfernen des Substrats nach dem Flip-Chip-Bonden werden mehrere Vorteile gegenüber früheren Herstellungsverfahren realisiert, bei denen eine Dickenverringerung des Wafers vor dem Flip-Chip-Bonden ausgeführt wurde. Herstellungsprozesse zum Herstellen des einzelnen Leuchtdioden-Bauelementchips werden an einem Epitaxialwafer ausgeführt, der einen Wafer mit dickem Substrat enthält. Das verhindert Beschädigungen während der Handhabung von Bauelementen mit dünnem Wafer und verbessert die Ausbeute an Bauelementen. Bei einer Substratentfernung durch isotropes Ätzen mit einer Ätzbarriere ermöglicht darüber hinaus das isotrope Ätzen nach dem Zerschneiden in Chips und dem Flip-Chip-Bonden, dass der isotrope Ätzvorgang gleichzeitig Material sowohl von der Rückseite als auch von den Seiten des Substratwafers 16, 116 entfernt. Das kann eine schnellere Substratentfernung bewirken, insbesondere bei kleinflächigen Bauelementen. Die Verwendung eines unterstützenden Unterfüllungsmaterials 38, 138 schafft darüber hinaus eine bessere strukturelle Festigkeit während und nach dem Prozess der Dickenverringerung oder der Entfernung des Substrats, wodurch wiederum die Ausbeute verbessert wird. In bestimmten Ausführungsformen verhindert das unterstützende Unterfüllungsmaterial 38, 138 einen mechanischen Ausfall und ermöglicht die Dickenverringerung oder die Entfernung des Substrats, um Bauelemente herzustellen, die nicht als frei stehende Komponenten erzeugt werden können.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Anderen Personen werden beim Lesen und Verstehen der vorhergehenden genauen Beschreibung offensichtlich Modifikationen und Veränderungen erscheinen. Die Erfindung soll so betrachtet werden, dass sie alle derartigen Modifikationen und Veränderungen einschließt, soweit sie im Umfang der beigefügten Ansprüche oder von deren Entsprechungen liegen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelements, wobei das Verfahren umfasst: Ablagern von Epitaxialschichten auf einem Wachstumssubstrat, um einen Epitaxialwafer herzustellen; Herstellen von mehreren Leuchtdioden-Bauelementen auf dem Epitaxialwafer; Zerschneiden des Epitaxialwafers in Chips, um einen Bauelementchip herzustellen; Flip-Chip-Bonden des Bauelementchips an einen Träger, wobei das Flip-Chip-Bonden das Befestigen des Bauelementchips an dem Träger enthält, indem wenigstens eine Elektrode des Bauelementchips an wenigstens eine Bondfläche des Trägers gebondet wird; und nach dem Flip-Chip-Bonden Verringern der Dicke des Wachstumssubstrats des Bauelementchips.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verringern der Dicke des Wachstumssubstrats nach dem Flip-Chip-Bonden umfasst: Verringern der Dicke oder Entfernen des Wachstumssubstrats nach dem Flip-Chip-Bonden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das ferner umfasst: Anordnen eines Unterfüllungsmaterials wenigstens zwischen dem Träger und dem nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Bauelementchip.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Anordnen des Unterfüllungsmaterials umfasst: Anordnen des Unterfüllungsmaterials auf dem Träger vor dem Flip-Chip-Bonden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, ferner umfassend: Anordnen eines Leuchtstoffs in dem Unterfüllungsmaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verringern der Dicke des Wachstumssubstrats das Verringern der Dicke oder das Entfernen des Wachstumssubstrats umfasst, wobei das Verfahren ferner umfasst: nach dem Verringern der Dicke oder dem Entfernen des Wachstumssubstrats Bilden einer Rückseitenelektrode an dem Wachstumssubstrat mit verringerter Dicke oder an einer Epitaxialschicht, die durch das Entfernen des Wachstumssubstrats freiliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verringern der Dicke des Wachstumssubstrats umfasst: chemisches Ätzen des Wachstumssubstrats unter Verwendung eines chemischen Ätzmittels oder mechanisches Abschleifen wenigstens eines Abschnitts des Wachstumssubstrats oder Verringern der Dicke oder Entfernen des Wachstumssubstrats durch Laserabschmelzen.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das chemische Ätzen umfasst: Auswählen eines chemischen Ätzmittels, das das Wachstumssubstrat vorzugsweise über einer Ätzbarrieren-Epitaxialschicht der aufgebrachten Epitaxialschichten ätzt, wodurch das chemische Ätzen im Wesentlichen an der Ätzbarrieren-Epitaxialschicht endet.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das chemische Ätzmittel ein im Wesentlichen isotropes chemisches Ätzen erzeugt, das gleichzeitig Material von einer Oberseite und den Seiten des Wachstumssubstrats entfernt.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner umfasst: nach dem Flip-Chip-Bonden und vor dem chemischen Ätzen Anordnen eines Unterfüllungsmaterials, um die Epitaxialschichten einzukapseln, während die Oberseite und die Seiten des Wachstumssubstrats ungekapselt bleiben, wobei das im Wesentlichen isotrope chemische Ätzen für das Ätzen des einkapselnden Unterfüllungsmaterials unwirksam ist.
Verfahren zum Verbessern der Lichtemission eines nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdioden-Bauelements, das nach dem Flip-Chip-Verfahren an einen Träger gebondet ist, wobei das Verfahren umfasst: Verringern der Dicke oder Entfernen eines Wachstumssubstrats des Leuchtdioden-Bauelements, wobei das Wachstumssubstrat des nach dem Flip-Chip-Verfahren gebondeten Leuchtdioden-Bauelements entfernt vom Träger angeordnet ist, wobei das Verringern der Dicke oder das Entfernen ausgeführt wird, während die Epitaxialschichten des Leuchtdioden-Bauele ments nach dem Flip-Chip-Verfahren auf den Träger gebondet sind, wobei das Flip-Chip-Bonden ein Befestigen des Leuchtdioden-Bauelements an dem Träger während des Verringerns der Dicke oder des Entfernens bewirkt.
Flip-Chip-Leuchtdioden-Bauelement, das umfasst: einen Träger mit Bondhöckern; einen Leuchtdioden-Bauelementchip mit einem Stapel aus Bauelementschichten, der nach dem Flip-Chip-Verfahren an die Bondhöcker des Trägers gebondet ist; und ein Unterfüllungsmaterial, das zwischen dem Leuchtdioden-Bauelementchip und dem Träger angeordnet ist, wobei das Unterfüllungsmaterial den Leuchtdioden-Bauelementchip unterstützt und ein Zerbrechen des Leuchtdioden-Bauelementchips verhindert.