JP2011501428A - 基板リフトオフに関する強固なｌｅｄ構造 - Google Patents

Abstract

エッチングステップが、基板ウェハにおける各ＬＥＤの周囲全体においてＬＥＤエピタキシャル層を通じるエッチングをするために、ＬＥＤ／基板ウェハに実行され、これにより、ウェハにおける各ＬＥＤ間において間隙を形成する。基板はエッチングされない。ＬＥＤ／基板が分割される場合に、各基板の縁部は、ＬＥＤダイの縁部を越えて延在する。ＬＥＤはフリップチップされ、そしてサブマウントに装着され、ＬＥＤダイはサブマウントと基板との間にあるようにされる。絶縁アンダーフィル材料は、ＬＥＤダイの下に注入され、ＬＥＤダイ及び「増大された」基板の側面をも覆う。その後、基板は、レーザリフトオフにより除去される。増大された基板の縁部に沿ってあったアンダーフィルの***された壁は、ＬＥＤダイの縁部から横方向に離間され、これにより、蛍光体板は、緩和された位置決め許容範囲でＬＥＤダイの上に容易に配置され得るようにされる。

Description

本発明は、フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）、特に、成長基板の除去に関してＬＥＤを準備し、そしてその場所に光学要素を追加する工程に関する。

Philips Lumileds Lighting Company, LLCは、ＬＥＤがフリップチップとして形成され、フリップチップがサブマウントに装着された後に成長基板が除去される、高効率ＬＥＤを形成する技術を開発している。フリップチップにおいて、ｎ及びｐ接触部は、成長基板側の反対側における、ＬＥＤダイの同一側に形成される。

従来技術の図１〜３は、一般的な基板リフトオフ工程と除去された基板の位置に光学要素を加えることに関連付けられる課題とを例示する。更なる詳細は、出願人の米国特許出願公報第2006/0281203A1号及び第2005/0269582A1号において参照され、ともに参照として本文書に組み込まれる。

図１において、ｎ層、活性層及びｐ層を含むＬＥＤ半導体エピタキシャル層１０が、サファイア基板などの成長基板に成長されている。例において、層１０は、GaNベースであり、活性層は青色光を発する。

ｐ層と電気的に接続する金属電極１４が形成され、ｎ層と電気的に接続される金属電極１６が形成される。例において、電極は、アノード及びカソード金属パッド１８及び２０並びにセラミックサブマウント２２へ超音波溶接される金バンプである。サブマウント２２は、プリント回路基板へ結合するための底部金属パッド２６及び２８へと続く伝導性ビア２４を有する。

アンダーフィル材料３０は、その後、空気間隙を満たし且つ汚染物からチップを保護するために、ＬＥＤの下及び周りに構造支持用に注入される。アンダーフィル材料３０は、その後に硬化するためにキュアされる液体シリコーンであり得る。

基板１２は、その後、レーザリフトオフ工程を用いて除去される。レーザ（例えばエキシマレーザ）のフォトンエネルギは、ＬＥＤ材料のバンドギャップより上であり、サファイア基板の吸収エッジ（例えば3.44eV及び6eV）より下であるように選択される。サファイアを通ずるレーザからのパルスは、ＬＥＤ材料の最初の100nm内において熱エネルギへ変換される。生成される温度は、1000℃を越え、ガリウムと窒素を解離させる。生じる高いガス圧は、基板をエピタキシャル層から遠ざけるように押し出し、そして層を基板から解放し、緩んだ基板は、その後、ＬＥＤ基板から簡単に除去される。アンダーフィルは、薄いＬＥＤ層が高圧下において破損するのを防ぐ役目を果たす。

成長基板は、代わりに、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）などのエッチングによって除去され得る。他の技術も、ＬＥＤ及び基板の種類に依存して使用され得る。一つの例において、基板は、Siに基づき、基板とＬＥＤ材料との間の絶縁材料は、基板を除去するためにウェットエッチ技術によってエッチング除去される。

露出されるＬＥＤ材料は、光出力を向上させるために、損傷をうけた材料を除去しそしてＬＥＤを薄くするように、更にエッチングされ得る。図２は、生じる構造を示す。

アンダーフィル３０は、基板１２の側面を元々覆っていたので、基板が除去された後に、アンダーフィルの縁部は残留し、ＬＥＤ層１０の周りに実質的に壁を形成する。基板に接触することなくＬＥＤ層の下及び周りのみを満たすように正確な量のアンダーフィルを供給することは、極端に困難であり、したがって、図２の構造は一般的である。アンダーフィル３０は、通常、実際の装置において図に示されるよりも更に横方向へ延在する。

図３に示されるように、透明接着材料３２（例えば、シリコーン）は、晒されるＬＥＤ表面層に沈着される。プリフォームされる蛍光体板３４は、ＬＥＤに覆うように正確に位置され、ＬＥＤの上部表面へ糊付けされるように意図される。板３４のいずれかの位置ズレがあると、板３４が、ＬＥＤの周囲の***されたアンダーフィル壁が原因によりＬＥＤにおいて適切に配置することを可能にさせない。蛍光体板３４は、焼結される又は透明結合剤のいずれかにより、YAG蛍光体により形成され得る。YAG蛍光体は、青色ＬＥＤによって活性化される場合に黄色−緑色光を発する。板３４を通じて漏れる青色光と組み合わせられる黄色−緑色光は、白色光を形成する。適切に配置しない板３４の結果として、ＬＥＤの光放射特性は、最適でなくあり得、板３４は、ＬＥＤから容易にはく離し得る。

必要とされるのは、除去基板の代わりにＬＥＤの表面へ蛍光体板又は他の光学要素を貼付する場合の上述の位置合わせの課題を回避する改善された技術である。

基板が除去された後に、ＬＥＤチップの上部表面へ蛍光体板又は他の光学要素を貼付するためのより大きな許容範囲を提供するＬＥＤ構造が開示される。

追加的なエッチングステップが、ＬＥＤ／基板が分割及びサブマウントに装着される前に、ＬＥＤ／基板ウェハに実行される。エッチングステップは、基板ウェハにおける各ＬＥＤの周囲全体的にＬＥＤエピタキシャル層を通ずるエッチングをし、これにより、ウェハにおける各ＬＥＤ間において間隙を形成する。基板はエッチングされない。ＬＥＤは、その後、ＬＥＤ間のエッチングされた間隙間のおおよそ半分において基板ウェハを切断（又は割る）することによって分割（個別化）され、これにより、各ＬＥＤは、少量だけ（例えば、0.1〜0.25mm）だけＬＥＤの縁部を越えて外側に延在する。各ＬＥＤに関する基板は、従来技術と比較されて増大された基板として見える。ＬＥＤはフリップチップｎ型電極を形成するために、n層を露出するようにエッチングを経ているので、追加的なエッチングステップは、ＬＥＤの追加的な取り扱いを必要とせず、追加的なマスキング及びエッチングステップのみである。

各個別化されたＬＥＤ／基板は、その後、サブマウントに装着される。絶縁アンダーフィル材料が沈着及びキュアされた後に、アンダーフィルは、ＬＥＤダイの下を満たし、「増大された」基板の側面の少なくとも一部を覆う。基板が除去される場合に、ＬＥＤの周囲のアンダーフィルの壁及びＬＥＤ自体の間における間隙が存在する。この間隙は、増大された基板の縁部に沿ってあったアンダーフィルの***された壁は、ＬＥＤの上部において蛍光体板を配置する際の許容範囲を緩和し、これにより、板は、ＬＥＤの表面へ、平坦に固定される。追加的に、蛍光体板は、ＬＥＤからの青色側部放射が板の縁部の周囲を通ずるのを避けるために、ＬＥＤ表面より大きく形成され得る。これにより、生じる光の色は、より均一になる。

個別化ステップが、ＬＥＤがサブマウントウェハに装着された後に実行されるなどの、この技術の変更態様も、説明される。

蛍光体板の代わりに、レンズ、反射板、又は他の光学的要素も、本発明によって提供される増加される許容範囲からの利益を受ける。

同一又は等価な要素は、同一の参照符号を用いて記される。

図１は、ＬＥＤ及び基板の下及び周囲にアンダーフィルを有する基板に装着された従来技術のフリップチップＬＥＤ／基板の断面図である。 図２は、基板が除去された図１の構造を例証する。 図３は、光学要素が露出ＬＥＤの上部表面に直接固定されることを意図されているが、ある程度の位置ズレが存在する場合における、図２の構造の課題を例示する。 図４は、単一基板に形成される多くのＬＥＤを含むウェハの上面図である。 図５は、本発明の一つの実施例に従い使用される追加的なエッチングステップを例示する、図４のウェハの小部分の断面図である。 図６は、ＬＥＤ及び基板の下及び周囲にアンダーフィルを有するサブマウントに装着された「増大された」基板を有する個別分割化フリップチップＬＥＤ／基板の断面図である。 図７は、アンダーフィル壁と露出ＬＥＤ表面との間の間隙が存在する、基板が除去された図６の構造を例示する。 図８は、光学要素がＬＥＤに配置され、ＬＥＤの上部表面に直接固定される場合に得られる増加された許容範囲を例示する。

予備的な事項として、従来のＬＥＤは、成長基板に形成される。使用される例において、ＬＥＤは、例えば青色光を生成するAlInGaN又はInGaNのＬＥＤなどの、GaNに基づくＬＥＤである。通常、相対的に厚いｎ型GaN層は、従来技術を用いてサファイア成長基板に成長される。相対的に厚いGaN層は、通常、ｎ型クラッド層及び活性層に関する低欠陥格子構造を提供するために、低温核生成層及び１つ以上の追加的な層を含む。１つ以上のｎ型クラッド層は、この場合、厚いｎ型GaN層において形成され、その後、活性層、１つ以上のp型クラッド層、及びp型接触層（金属化に関して）が続く。

フリップチップに関して、p層及び活性層の一部は、金属化に関するn層を露出するためにエッチング除去される。このようにして、p接触部及びn接触部は、チップの同一側にあり、サブマウント接触パッドに直接電気的に取付けられ得る。n金属接触部からの電流は、n層を通じて横方向へ流れる。

本発明において使用され得る他の種類のＬＥＤは、赤色から黄色範囲の光を生成し得るAlInGaPのＬＥＤを含む。

ＬＥＤを形成する例は、米国特許第6,649,440及び第6,274,399号、並びに米国特許出願公報第2006/0281203A1号及び第2005/0269582A1号に記載され、これらは全てPhilips Lumiledsにより出願され、参照として組み込まれる。

図４は、エピタキシャルＬＥＤ層が形成される、サファイア成長基板などの基板を含むウェハ３６の上面見下げ図である。ＬＥＤ層は、n層、活性層及びp層を含む。光は、活性層において生成される。ウェハ３６は、個別のＬＥＤ４０の境界を示すために、平行模様にされる。実際の例において、単一のウェハにおいて数百又は数千のＬＥＤが形成される。

図５は、ウェハ３６の小部分の断面図である。ＬＥＤ層は、マスキングされ、各ＬＥＤ４０の周囲全体に狭い間隙４４を生成するために、エピタキシャル層を通じてエッチングするために、ＲＩＥなどのドライエッチング４２を受ける。マスキング及びエッチングは、特定のＬＥＤ材料及び基板４６に適用可能な従来技術を用いて実行される。基板４６は、エッチングされない。ＬＥＤ４０は、1mm²又はそれ以下のオーダの上部表面領域を有し得る。間隙４４は、例えば0.1mm〜0.5mmなどの、いずれかの適切な幅を有し得る。上述される、n電極に関するn層へのアクセスを得るためのエッチングステップは、図５に示されるエッチングステップの前に、後に、又はその一部として実行され得る。

様々な金属化ステップが、この場合に、図１に対して説明される、ＬＥＤの表面における金属接続部及び電極を生成するために実行される。

基板４６が個別分割化に関して最終的に割られる又は切断される位置は、点線４８を用いて示される。線４８は、間隙４４の中央をほぼ通ずる。このようにして、基板４６は、ウェハにおける隣接するＬＥＤ間の間隙の約半分（例えば、0.05mm〜0.25mm）だけ個別分割化されたＬＥＤダイの各縁部を越えて延在する。

一つの実施例において、ウェハ３６におけるＬＥＤは、個別分割化の前に同時にサブマウントウェハにおける対応するパッドに全てボンディングされる。ボンディングは、上述されるように、超音波溶接により得る。この場合、構造は、サブマウントに装着される個別のＬＥＤを生成するために、ソーイング又はスクライビング／破断することによって、個別分割化される。代替的に、図５の基板４６は、線４８に沿って破断され、個別分割化されたＬＥＤ／基板は、その後、対応するサブマウントへ個別に装着される。

ＬＥＤ層は、5〜20ミクロンの間の厚さを一般的に有し、基板46は、100ミクロンより大きい厚さを有する。

図６は、図１に関して説明されるような、従来型のサブマウント２２へ装着された後に生じるＬＥＤ４０及び基板４６を例示する。サブマウントは、アンダーフィル工程に関してＬＥＤ４０へのアクセスを得るために個別分割化される。絶縁アンダーフィル５２は、空気間隙を満たし且つ汚染物からチップを保護するために、ＬＥＤ４０の下及び周りに構造支持用に注入される。アンダーフィル５２は、その後に硬化するためにキュアされる液体シリコーンであり得る。アンダーフィル５２は、アンダーフィル５２の適切な被覆を保証するために、基板４６の側部に接触する。

エキシマレーザビーム５４は、基板４６を除去するために、図１に関して説明されるように、サファイア基板４６の表面へ印加される。基板４６は、上述の方法の何れかにより除去され得る。基板が除去された後に、改善された光抽出に関して、除去された損傷を受けた材料を除去し、そして、ＬＥＤを薄くするために、ＬＥＤエピタキシャル層はエッチングされ得る。ＬＥＤ４０は、除去される基板４６に対する寸法を除いては、図１及び２に関して説明されるＬＥＤ１０とは類似し得る。

図７において確認されるように、蛍光体板又は何れかの他の光学的要素に関する許容可能領域は、アンダーフィル５２の壁がＬＥＤ４０の縁部から離されているので、図３に示される領域よりも広い。このことは、板又は光学要素の位置決めが図３において必要とされる位置決めと比較されてあまり厳格でない許容範囲を有することを可能にさせる。

図８に示されるように、適切な透明接着剤５６が、ＬＥＤにわたり注入、噴霧、又は沈着される。この場合、蛍光体板、フラネルレンズ、又は他の種類のレンズ若しくは反射器などの光学要素５８は、従来技術の自動化ピックアンドプレース装置を用いて、ＬＥＤ４０において配置される。要素５８は、その後、下方圧力を与えられ、接着剤５６はキュアされる。

要素５８を位置決めするためのより大きな許容可能領域は、要素５８が、ＬＥＤ４０自体より幅広いことを可能にする。したがって、ＬＥＤの側部から発されるいかなる上方光も、光学要素によってなお変換される。許容可能配置領域は、ピックアンドプレースステップから望ましい歩留まりを得るために、いずれかの適切なサイズであり得る。配置領域のサイズとエッチングにより失われるＬＥＤ材料との間においてトレードオフが存在する。

一つの実施例において、ＬＥＤ４０ダイは、青色光を発し、青色光と組み合わせて蛍光体板からの蛍光体放射は、白色光が生成されるようにさせる。例えば、蛍光体板は、白色光を生成するために、青色光へ黄色成分又は赤及び緑色成分を寄与し得る。１つのこのような適切な蛍光体は、YAG蛍光体である。

本発明の特定の実施例が示され、説明されてきたが、当業者にとって、変更態様及び修正態様は、本発明から逸脱することなく、その広い範囲において実行され得、したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神及び範囲に含まれる全てのこのような変更態様及び修正態様を包含するものである。

Claims (20)

1. 発光素子を加工する方法であって、
   フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを基板に設けるステップであって、前記ＬＥＤダイは、サブマウントに、前記ＬＥＤダイが前記サブマウントと前記基板との間にあるように装着され、前記基板は、前記基板の縁部が前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在するように、前記ＬＥＤダイよりも幅広く且つ長いものである、設けるステップと、
   前記ＬＥＤダイ及び前記サブマウントの間に、並びに前記ＬＥＤダイ及び基板の縁部の周囲に、絶縁アンダーフィルを設けるステップと、
   前記ＬＥＤダイから基板を除去するステップであって、前記基板の前記縁部の周りにあった前記アンダーフィルの部分により、壁が、前記ＬＥＤダイの周囲に形成され、前記壁の内部境界が前記ＬＥＤダイの前記縁部から横方向へ離されている、除去するステップと、
   前記基板が除去された後に光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップであって、前記光学要素の縁部の少なくとも一部が前記アンダーフィルの前記壁の内側にある、配置するステップと、
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記基板を除去するステップが、レーザリフトオフ技法を使用して前記基板を除去するステップを含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、ＬＥＤダイを基板に設けるステップが、
   基板ウェハにおいて形成されるＬＥＤ層を有するウェハを提供するステップと、
   ＬＥＤ領域の周りのＬＥＤ材料のエピタキシャル層を、前記ＬＥＤ領域の側面縁部に沿って前記基板の部分を露出させるために、エッチングするステップと、
   前記基板の前記縁部が前記ＬＥＤダイの前記縁部を越えて延在するように前記基板に前記ＬＥＤダイを形成させるために、前記ウェハから前記ＬＥＤ領域を分離するステップと、
   を含む方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記基板が成長基板である、方法。
5. 請求項４に記載の方法であって、前記基板がサファイアである、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記ＬＥＤがサブマウントに装着される、ＬＥＤダイを基板に設けるステップが、前記ＬＥＤダイの表面における電極を前記サブマウントの表面における対応する電極へボンディングするステップを含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、絶縁アンダーフィルを設けるステップが、前記ＬＥＤダイ及び前記サブマウントの間に、並びに前記ＬＥＤダイ及び基板の縁部の周囲に、アンダーフィルを注入するステップを含む、方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記基板の縁部が、少なくとも0.05mmだけ前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在する、方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記基板の縁部が、少なくとも0.1mmだけ前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在する、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップが、前記ＬＥＤダイの前記露出表面に蛍光体板を配置するステップを含む、方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップが、前記ＬＥＤダイの前記露出表面に前記光学要素を接着固定するステップを含む、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップが、前記ＬＥＤダイの表面寸法より大きい表面寸法を有する光学要素を、前記ＬＥＤダイの前記露出表面に、前記光学要素の少なくとも１つの縁部が前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在するように、配置するステップを含む、方法。
13. 請求項１に記載の方法であって、光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップが、レンズを、前記ＬＥＤダイの前記露出表面に配置するステップを含む、方法。
14. 基板除去ステップの前の中間段階発光素子であって、
    基板におけるフリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    前記ＬＥＤダイが前記サブマウントと前記基板との間にあるように前記ＬＥＤダイが装着されるサブマウントであって、前記基板は、前記基板の縁部が前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在するように、前記ＬＥＤダイよりも幅広く且つ長い、サブマウントと、
    前記ＬＥＤダイ及び前記サブマウントの間に、並びに前記ＬＥＤダイ及び基板の縁部の周囲における、絶縁アンダーフィルと、
    を含む、中間段階発光素子。
15. フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイであって、前記ＬＥＤダイは、前記ＬＥＤダイから除去された基板において形成されていた、フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイと、
    前記ＬＥＤダイが装着されるサブマウントと、
    前記ＬＥＤダイ及び前記サブマウントの間に、並びに前記ＬＥＤダイの縁部の周囲における、絶縁アンダーフィルであって、前記アンダーフィル材料の壁が前記ＬＥＤの露出表面より上において及び周囲に延在し、前記壁の内部境界が、前記ＬＥＤダイの縁部から横方向に離されている、絶縁アンダーフィルと、
    前記ＬＥＤダイの前記露出表面における光学要素であって、当該光学要素の縁部の少なくとも部分が、前記アンダーフィルの前記壁の前記内部境界の内側にある、発光素子。
16. 請求項１５に記載の素子であって、前記光学要素は、前記ＬＥＤダイの前記露出表面へ固定される蛍光体板である、素子。
17. 請求項１５に記載の素子であって、前記光学要素は、前記ＬＥＤダイの前記露出表面へ固定されるレンズである、素子。
18. 請求項１５に記載の素子であって、前記光学要素は、前記光学要素の少なくとも１つの縁部が前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在するように、前記ＬＥＤダイの前記露出表面の表面寸法より大きい表面寸法を有する、素子。
19. 請求項１５に記載の素子であって、前記壁の内部境界が、少なくとも0.05mmだけ前記ＬＥＤダイの縁部から横方向に離されている、素子。
20. フリップチップ発光ダイオード（ＬＥＤ）ダイを基板に設けるステップであって、前記ＬＥＤダイは、サブマウントに、前記ＬＥＤダイが前記サブマウントと前記基板との間にあるように装着され、前記基板は、前記基板の縁部が前記ＬＥＤダイの縁部を越えて延在するように、前記ＬＥＤダイよりも幅広く且つ長い、設けるステップと、
    前記ＬＥＤダイ及び前記サブマウントの間に、並びに前記ＬＥＤダイ及び基板の縁部の周囲に、絶縁アンダーフィルを設けるステップと、
    前記ＬＥＤダイから基板を除去するステップであって、前記基板の前記縁部の周りにあった前記アンダーフィルの部分により、壁が、前記ＬＥＤダイの周囲に形成され、前記壁の内部境界が前記ＬＥＤダイの前記縁部から横方向へ離されている、除去するステップと、
    前記基板が除去された後に光学要素を前記ＬＥＤダイの露出表面へ配置するステップであって、前記光学要素の縁部の少なくとも一部が前記アンダーフィルの前記壁の内部にある、配置するステップと、
    を含む方法を用いて形成される発光素子。

Images