作者:Sumant Sood, SUSS MicroTec Inc., Waterbury Center, VT , Ray Thomas, Sonoscan Inc., Elk Grove Village 日期:2009/4/22 來源:
半導體科技
晶圓在高亮度LED生產中的粘結
高亮度LED的主要用途包括車燈、信號燈以及背光顯示等。 雖然高亮度LED的成本較高,但其優越性使LED應用還是可以接受。高亮度發LED也具有用於普通照明的潛力。為使高亮度LED的成本降低到可用於居室、辦公室和停車場,有必要提高高亮度LED的製造的生產效率來達到降低單位元流明成本的目的。這樣高亮度LED就可代替現在還在生產的白熾燈和各種螢光燈。高亮度LED的一個顯著優點是其壽命是用數十年來衡量的。
多種高亮度LED的光子向各個方向發射,包括向基板方向的下方。如果基板有比LED發光區小的帶隙,基板會吸收大約一半的反射光,這就大大減少了光的輸出。如果把一片含有發光二極管的晶圓粘結到一片具有高反射率表面的基板晶圓上,基板晶圓還有能散熱,射向基板的光將被反射回並穿過發射區,這就大大提高了總光亮輸出。
許多材料,如矽,砷化鎵,氮化鎵,磷化鎵,和藍寶石等,可用來製作LED。在復合半導體上生長出光子層並轉移到矽或相似的材料的支撐晶圓上,並且晶圓的背面是暴露出來的。現在復合半導體只有大到4英寸。這就限制了LED晶圓與晶圓的結合的大小只有2到4英寸的直徑。另外一個問題就是兩個需要粘結的晶原有不同的熱膨脹係數而導致粘結過程非常緩慢。因爲每次只能粘結一對晶圓,這就限制了高亮度LED的生產率,單位成本也很高。這些限制可通過使用新開發的SUSS晶圓粘結裝置來突破,這個裝置可實現多對晶圓的同步粘結。
以氮化鎵為原料的高亮度LED生產有兩種方法:即金-金熱壓和金錫共熔粘結。在金-金熱壓粘結過程中,一層1至3微米厚的金和阻隔粘結層被塗在每片晶圓上。為了消除表面污染影響固態擴散機理,需進行幾個步驟的清洗(紫外臭氧或化學濕處理)。粘結時的溫度是250°to 400°,壓力是1至7 MPa,時間從幾分鐘到幾小時。低溫時需增加時間和壓力。如果時間和壓力不夠,通常晶圓與晶圓間只有局部的結合。
錫金共熔法是通過固體與液體的擴散而形成金屬間化合的合金來達到粘結的。一晶圓塗了一層薄金,而另一晶圓塗了一層厚度可達5微米的金錫。必要時可塗擴散阻隔層。為避免錫在高溫時氧化,晶圓粘合需在氣體中進行,如在氮氫混合氣(95% N2, 5% H2)中。這種方法只需低壓和用比熔點稍高的溫度,可在幾分鐘內完成粘結。
已開發出的用於多對晶圓同步粘結的裝置是根據8英寸晶圓平臺而來的。為提高產量,8英寸直徑平臺可一次接納八個2英寸,四個3英寸,或是三個4英寸晶圓(圖一),並可進行同步粘結。

圖一:SUSS Microtec 開發的三對4英寸晶圓同步粘結的裝置。
這個裝置有一空腔,空腔有可加熱和加壓,並可插入固定裝置。固定裝置是由碳化矽製成的上下板組成。上板是可以裝卸的,下板有熱耦可以控制溫度。每塊板的平整度要求在2微米之內。兩板間的平面嚙合度要求在200mm 範圍裏不超過20微米。
將要粘結的兩個晶圓先放固定裝置的上下板之間,然後通過手動或氣動使兩晶圓對準。一層易嚙合的材料,如石墨,可能放在晶圓與上板之間來達到最佳壓力分佈(圖二)。裝置的上板向下靠攏晶圓並將兩晶圓位置固定,定位裝置被裝載器插入空腔內部,下板向上靠攏定位裝置,使讓裝載器可以移走,裝置內腔密封後,粘結的過程就開始了。
圖二:8個2英寸與上板間的壓力紙揭示了粘結過程中壓力分佈是很均勻的。
LED晶圓粘結的最佳時間,溫度和壓力參數是以滿足金屬和器件的要求而由製程決定的,成功開發出的製程和把技術轉換為生產的關鍵是快速準確地使晶圓的結合面以圖像顯現出來,用圖像來發現氣孔及裂紋起始的部位。
用聲學顯微鏡檢測高亮度LED 晶圓的粘結
粘結的晶圓可用實驗室用的手動超聲顯微鏡或產線上使用的高效自動係統檢測。Sonoscan供應這兩款具有相似解析度的超聲顯微系統。自動系統通過機器手取出粘結好的晶圓,經檢測分析,乾燥後再放回晶圓盒內。圖像資料可儲存於資料庫,圖像參數可用來控制超聲參數從而調整樣品的圖像。
超聲傳感器來回在晶圓表面掃描,掃描時傳感器以每秒幾千次的頻率發射脈衝波到兩粘結好的晶圓內,並接收反射回來的回聲聲波,每一個脈衝回聲就成為聲像中的一個圖元。
脈衝超聲在均質材料中傳播時是沒有反射的,但碰到介面時會部分或全部反射回來。介面反射回聲的振幅取決於介面兩種材料的聲學性能(聲速,密度)。當兩高亮度LED晶圓通過金-金熱壓粘結時,超聲遇到的第一個介面是矽-金介面。超聲一部分被反射,反射的程度取決於兩種固體的聲學性能。
從矽金介面反射回的像點具有從零(沒有信號)到全反射(接近100%)信號強度。實際上由氣體充滿分層或孔隙中的空氣或其他氣體會使超聲全部反射會去。假設,兩金層間沒有粘結,而被空氣或其他氣體分離開來。氣體與固體間聲學性能有很的的差異,使聲波幾乎全部被反射,造成高振幅的像點。超聲對聲學性能的差異敏感度解釋了為什麼聲學顯微鏡能使微小的異常精確成像。通常圖像的解析度隨傳感器的頻率提高而增加。高亮度LED粘結晶圓通常用高頻率傳感器(達400兆赫玆)而獲得高解析度的圖像。

圖三:Sonoscan 的D-9000傳感器聚焦在粘結面的超聲圖像。孔隙(黃色箭頭)出現在粘結介面上。
圖三是一個為生產高亮度LED的2英寸矽晶圓與另一2英寸砷化鎵晶圓粘結介面的聲像圖。如果沒有超聲圖像提供粘結介面和材料內部的缺陷的深度解析,存在的缺陷會延續到下一道工序而沒被發現,這將會導致可怕而且耗時的失效。這張圖像是把超聲聚焦在下面的砷化鎵晶圓的背面而得到的。圖中的直線特徵(紅箭頭)是易碎的砷化鎵晶圓的裂紋。這些裂紋是由於粘結後冷卻太快所產生的內部應力導致的。兩晶圓是在攝氏300°C條件下粘結起來的。
圖三中橢圓或圓形的特徵(黃箭頭)是金-金粘結介面上的孔隙。圖四是聚焦在同一個粘結好的晶圓介面的聲像,並顯示出孔隙的細節。因為砷化鎵中微細裂紋是在粘結介面以下的材料中,所以在介面圖中並沒有顯示出來。

圖四:聚焦在粘結面的超聲揭示孔隙的細節。

圖五:4英寸鍺晶圓與砷化鎵晶圓通過金錫粘結的超聲圖像。整個晶圓粘結的質量由於介面的有機污染而有很大變化,只有深藍色的區域是粘結完好的。
圖五是一4英寸鍺晶園與另一4英寸砷化鎵晶圓通過金錫粘結的介面超聲圖像。就像其他超聲圖像一樣,這張超聲高亮度LED聲圖是用D-9000掃描超聲顯微鏡的C模式獲得的。因為產品的效益取決於晶圓粘結的質量,圖像顯示的超聲顯微圖像能發現粘結層細微的變化,這對高亮度LED的生產就很重要。
深藍色是粘結完好的區域。粘結後的晶圓的外圍以及中心區域很大一部分都沒有粘結(紅色區域)。也有幾個近似圓形的小孔隙(紅色),中心也有幾小的個圓形區域是粘結的。在藍色區域也是有明顯變化的,這些信號振幅的變化代表粘結的質量的變化。粘結的質量對高亮度LED的生產效益影響很大。作為比較,圖六是一個鍺晶圓與砷化鎵晶圓通過金錫粘結的4英寸晶圓,其整個介面都很均勻完地粘結在一起。
圖七是一個2英寸矽晶圓與一個2英寸藍寶石晶圓通過金錫粘結後的介面超聲圖像。晶圓被分隔道分成一個個粘結好的器件。SST-AP/Taiwan

圖六:類似的晶圓對,但邊緣閒的粘結是均勻的。

圖七:是2英寸格狀藍寶石晶圓與2英寸矽晶圓通過金錫粘結的聲像圖。淺灰色的區域是粘結好的器件,黑色條紋切割器件的分隔道。
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