一種用于垂直結構LED芯片的多層鍵合方法與流程

本發明屬于led芯片領域，涉及一種用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法。

背景技術：

傳統的led芯片是在藍寶石襯底上生長外延，然后通過微加工技術得到的。藍寶石襯底具有質量好，價格便宜，熱穩定性好等特點。但藍寶石的缺點限制了led性能的進一步提高。主要有以下幾個方面：首先，藍寶石導電性能差，因此傳統的led正裝芯片將p、n電極置于同側，通過將部分外延刻蝕至n型氮化鎵面，一方面會損失掉一部分的出光面積，另一方面會導致電流擁擠效應，使得pn結溫升高從而導致led的穩定性下降。其次，藍寶石的熱傳導性能差，也會導致led的節溫升高，這在大功率大面積器件中更加嚴重。

針對藍寶石襯底的不足，垂直結構led采用鍵合工藝將led芯片轉移至導熱和導電性能更好的襯底上，然后再通過剝離藍寶石襯底，得到電極分布在上下兩面的垂直結構。垂直結構有利于電流擴展，使得led發光更均勻，提高載流子的注入效率。其次，垂直結構省去了表面制作n電極的空間，因此單位發光面積比正裝結構大，提高了外延的利用效率。最后，鍵合上熱導率高的襯底使得器件散熱性能好，提高了可靠性。

在晶片鍵合過程中，一般采用熱壓鍵合等，保證led器件轉移至目標襯底時，需要綜合考慮鍵合溫度、壓力、時間等因素對鍵合質量的影響。鍵合溫度高低一方面對晶片的應力分布有直接的影響，同時對后續加工過程中的其他工藝如切割、劈裂等產生重要影響。因此，高效、穩定的鍵合工藝對垂直結構led芯片的加工至關重要。

目前，市場上垂直結構芯片的鍵合工藝主要采用金屬共晶鍵合，晶片擺法一般為單層結構，如圖1所示，顯示為現有技術中單層鍵合工藝示意圖，其中，一次只將一片晶片101和一片目標襯底102鍵合在一起，其中，晶片101上方為上加熱基板103，目標襯底102下方為下加熱基板104。在共晶鍵合過程中，兩種金屬熔合為合金并固化。可用于共熔晶鍵合的金屬材料有ausi、ausn、auge、cusn、alge，以及其它一些不常用的合金材料。共晶鍵合過程中，基片上的金屬層在被稱為共熔溫度te的特定溫度下相互熔合。金屬共晶冷卻后發生了數個重要的工藝變化。其中最顯著的變化為晶片的翹曲度將極大地升高，而翹曲的升高會提高后續工藝的難度。目前單層鍵合工藝的缺點就在于：晶片的翹曲度不可控，并且鍵合效率低。

因此，如何提供一種新的用于垂直結構led芯片的鍵合方法，以控制晶片的翹曲度、提 高生產效率，成為本領域技術人員亟待解決的一個重要技術問題。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法，用于解決現有技術中晶片的翹曲度不可控，并且鍵合效率低的問題。

為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法，所述鍵合方法包括如下步驟：

s1：在鍵合機的下加熱基板與上加熱基板之間疊放至少兩組待鍵合結構；所述待鍵合結構包括目標襯底及疊放于所述目標襯底上的晶片；所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面中至少有一個表面形成有用于鍵合的鍵合材料層；

s2：通過所述上加熱基板及所述下加熱基板對所述待鍵合結構施加壓力，并將所述待鍵合結構加熱到預設溫度，使每一組待鍵合結構中的所述目標襯底及晶片通過所述金屬層鍵合，得到至少兩組鍵合結構。

可選地，于所述步驟s1中，在鍵合機的下加熱基板與上加熱基板之間疊放2-10組待鍵合結構。

可選地，于所述步驟s2中，當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數不同時，在升降溫過程中，上、下加熱基板的溫度不同，且所述目標襯底與所述晶片中熱膨脹系數較大的一個與溫度較低的加熱基板接觸；當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數相同時，在升降溫過程中，上、下加熱基板的溫度相同。

可選地，所述目標襯底為si襯底，于所述步驟s1中，所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面中僅所述晶片表面形成有所述鍵合材料層，且所述鍵合材料層選用au層或ausi層。

可選地，于所述步驟s1中，所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面均形成有所述鍵合材料層。

可選地，所述目標襯底選自si、mo及cumocu襯底中的任意一種。

可選地，所述晶片包括基片及生長于所述基片上的氮化鎵外延層；所述基片選自藍寶石、si、sic及氮化鎵襯底中的任意一種。

可選地，所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面上的鍵合材料層選自以下任意一種組合：au層-si層、au層-sn層、cu層-sn層、al層-ge層、ausi層-ausi層、ausn層-ausn層、cusn層-cusn層、alge層-alge層、au層-ausi層、au層-ausn層、cu層-cusn層、al層-alge層、ausi層-si層、ausi層-sn層、cusn層-sn層、alge層-ge層。

可選地，通過蒸鍍法形成所述鍵合材料層。

可選地，鍵合完畢后，位于上層的鍵合結構的翹曲度小于位于下層的鍵合結構的翹曲度。

如上所述，本發明的一種用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法，具有以下有益效果：本發明的用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法將兩對或多對晶片以層疊的方式置入鍵合機中，通過控制壓力以及上下基板的溫度，將晶片與導熱和導電性能良好的目標襯底鍵合在一起，該工藝不但可獲得穩定且良好的鍵合質量，并且可以通過調整升降溫過程中上下基板的溫度差來控制晶片的翹曲度。同時，極大地提高了生產效率，用該工藝制備的垂直結構led芯片可廣泛應用于背光顯示和照明等各種領域。

附圖說明

圖1顯示為現有技術中單層鍵合工藝示意圖。

圖2顯示為本發明的用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法的工藝流程圖。

圖3顯示為本發明的用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法的工藝示意圖。

元件標號說明

101晶片

102目標襯底

103上加熱基板

104下加熱基板

s1～s2步驟

201下加熱基板

202上加熱基板

203目標襯底

204晶片

205鍵合材料層

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖2至圖3。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明 的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。

本發明提供一種用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法，請參閱圖2，顯示為該方法的工藝流程圖，包括如下步驟：

s1：在鍵合機的下加熱基板與上加熱基板之間疊放至少兩組待鍵合結構；所述待鍵合結構包括目標襯底及疊放于所述目標襯底上的晶片；所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面中至少有一個表面形成有用于鍵合的鍵合材料層；

s2：通過所述上加熱基板及所述下加熱基板對所述待鍵合結構施加壓力，并將所述待鍵合結構加熱到預設溫度，使每一組待鍵合結構中的所述目標襯底及晶片通過所述金屬層鍵合，得到至少兩組鍵合結構。

如圖3所示，首先執行步驟s1，在鍵合機的下加熱基板201與上加熱基板202之間疊放至少兩組待鍵合結構，本實施例中，在鍵合機的下加熱基板201與上加熱基板202之間疊放n組待鍵合結構，其中，n的范圍是2-10。

需要指出的是，由于熱傳導距離有限，n的數值不宜太大，本實施例中，n的數值優選為3。

具體的，所述待鍵合結構包括目標襯底203及疊放于所述目標襯底203上的晶片204，且所述目標襯底203與所述晶片204相對的一對表面中至少有一個表面形成有用于鍵合的鍵合材料層5。作為示例，所述鍵合材料層205可采用蒸鍍法形成。

作為示例，所述目標襯底203為導電導熱性能良好的半導體或金屬，包括但不限于si、mo及cumocu襯底中的任意一種。所述晶片204包括基片及生長于所述基片上的氮化鎵外延層；所述基片選自藍寶石、si、sic及氮化鎵襯底中的任意一種，其中，在每一組待鍵合結構中，所述晶片204具有所述氮化鎵外延層的一面朝向所述目標襯底203。

當選用ausi共晶鍵合時，若所述目標襯底203選用si襯底，則所述目標襯底203與所述晶片204相對的一對表面中可僅僅是所述晶片204表面形成有所述鍵合材料層205，且所述鍵合材料層選用au層或ausi層。此處，ausi層指的是包含au層及si層的復合層。

在其它實施例中，所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面也可均形成有所述鍵合材料層205。作為示例，所述目標襯底203與所述晶片204相對的一對表面上的鍵合材料層205選自以下任意一種組合：au層-si層、au層-sn層、cu層-sn層、al層-ge層、ausi層-ausi層、ausn層-ausn層、cusn層-cusn層、alge層-alge層、au層-ausi層、au層-ausn層、cu層-cusn層、al層-alge層、ausi層-si層、ausi層-sn層、cusn層-sn層、alge層-ge 層，其中，對于每一種組合，兩面上的鍵合材料層205均可互換。例如，對于au層-sn層組合，可以是所述目標襯底203的表面具有au層鍵合材料層、所述晶片204表面具有sn層鍵合材料層，也可以是所述目標襯底203的表面具有sn層鍵合材料層、所述晶片204表面具有au層鍵合材料層，此處不應過分限制本發明的保護范圍。

然后執行步驟s2：通過所述上加熱基板202及所述下加熱基板201對所述待鍵合結構施加壓力，并將所述待鍵合結構加熱到預設溫度，使每一組待鍵合結構中的所述目標襯底203及晶片204通過所述金屬層205鍵合，得到至少兩組鍵合結構。

此處，所述預設溫度高于所述目標襯底與所述晶片相對的一對表面上的鍵合材料層的共晶溫度。本實施例中，所述預設溫度的范圍優選為高于兩表面鍵合材料層共晶溫度20～30℃。例如，對于au-sn鍵合材料層，其共晶溫度為278℃，則相應的所述預設溫度在298～308℃范圍內。

特別的，本發明中同時鍵合多組待鍵合結構，多層堆疊的方式使得熱傳導速率降低，減少了目標襯底與晶片的適配度，從而獲得良好的鍵合質量，有效降低所述鍵合結構的翹曲率。并且，本發明同時鍵合得到多組鍵合結構，可以極大地提高生產效率。

進一步的，本發明還可以根據所述目標襯底203與晶片204的熱導率和熱膨脹系數的差異性，通過調整升降溫過程中上下基板的溫度差，來進一步降低鍵合結構的翹曲率。

具體的，當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數不同時，在升降溫過程中，上、下加熱基板的溫度不同，且所述目標襯底與所述晶片中熱膨脹系數較大的一個與溫度較低的加熱基板接觸；當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數相同時，在升降溫過程中，上、下加熱基板的溫度相同。

作為示例，以金錫鍵合為例，當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數差異大于5×10^-6/℃時，將升降溫過程中上、下加熱基板的溫度差控制在50℃-80℃范圍內，并保證膨脹系數較大的一方與溫度較低的加熱基板接觸；當所述目標襯底與所述晶片的熱膨脹系數差異小于5×10^-6/℃時，將升降溫過程中上、下加熱基板的溫度差控制在20℃-50℃范圍內，并保證膨脹系數較大的一方與溫度較低的加熱基板接觸；當所述目標襯底與所述晶片膨脹系數相同時(例如所述目標襯底與所述晶片為同一種材料)，則保證上、下加熱基板無溫差。在以上三種情形中，都需保證每組鍵合結構中的所述目標襯底與所述晶片的相對位置保持一致。

至此，采用本發明的鍵合方法一次鍵合得到了多組鍵合結構，需要指出的是，由于降溫過程中冷卻液及氣體流通更靠近所述下加熱基板201，因此下加熱基板201的降溫速率要大于上加熱基板202的加熱速率，使得鍵合完畢后，位于上層的鍵合結構的翹曲度小于位于下層的鍵合結構的翹曲度，雖然具有一定的不均勻性，但均在合格范圍內。作為示例，鍵合完 畢后，自下而上的鍵合結構的翹曲度依次300微米左右、280微米左右、260微米左右。

綜上所述，本發明的用于垂直結構led芯片的多層鍵合方法將兩對或多對晶片以層疊的方式置入鍵合機中，通過控制壓力以及上下基板的溫度，將晶片與導熱和導電性能良好的目標襯底鍵合在一起，該工藝不但可獲得穩定且良好的鍵合質量，并且可以通過調整升降溫過程中上下基板的溫度差來控制晶片的翹曲度。同時，極大地提高了生產效率，用該工藝制備的垂直結構led芯片可廣泛應用于背光顯示和照明等各種領域。所以，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。