使用雷射激光剥离将LED晶粒从基板剥离至接收板件的制造方法与流程

使用雷射激光剥离将led晶粒从基板剥离至接收板件的制造方法
1.相关申请的交叉引用
2.本发明要求于2019年8月28日提交的申请号为62/892,644的美国临时专利申请为优先权，其内容通过引用整体并入本发明。
技术领域
3.本揭露内容是有关于半导体制造，且特别是有关于使用半导体制造技术来制造发光二极管(light emitting diode,led)晶粒。


背景技术：

4.在发光二极管(led)晶粒(dice)的制造中，使用例如蓝宝石的基板可制造出gan外延或外延(epitaxial)堆叠。譬如，垂直发光二极管(vertical light emitting diode,vled)晶粒可被形成于一蓝宝石基板上，而伴随着借由使用共晶金属而形成的连续的副基板，以接合副基板，或借由使用电镀技术将副基板沉积在此些外延或外延堆叠上。
5.图1a至图1c显示一种将发光二极管(led)晶粒10(图1c)制造于一基板12上的已知方法。图1a显示数个半导体结构14的形成，而半导体结构14包含一p-gan层16、多量子阱(multiple quantum well,mqw)层18及一n-gan层20。图1b显示多个开口部22的蚀刻(etching)以界定led晶粒10。图1c显示一绝缘层26形成于此些开口部22中，以及一连续的连接副基板24形成于led晶粒10上。图1c亦显示在基板12的激光剥离(laser lift-off,llo)以后的工艺，并显示led晶粒10的数个粗糙化的表面28。
6.在llo工艺期间产生的一项问题涉及位于与此基板12连接的接口(例如，gan/蓝宝石接口)的n-gan层20(图1c)的热分解。此种热分解会产生爆炸力，用以于led晶粒10中形成数个裂痕及微裂痕。这些裂痕及微裂痕亦可朝不可预测的方向扩散开来，借以产生不能使用的led晶粒10。此外，在llo期间由动量移转所导致的损坏导致装置漏流及可靠度议题。在已知技术中，连续的副基板24(图1c)可以在llo工艺之前被接合、沉积，或成长于此些半导体结构14上，用以将led晶粒10固持在一定位置。然而，在副基板24已被移除之后，由于副基板24将led晶粒10固持在一起，使得爆炸力也可能已对此些外延或外延层造成损坏。亦需要切割的附加步骤以在单一led晶粒10可被挑选之前，使每个单一的led晶粒10与邻近的晶粒分离。由于设备成本及良品率损失，所以使用一切割锯刀或激光切割的切割工艺是昂贵的。
7.本揭露内容是针对一种使用激光剥离(llo)从一基板剥离出数个半导体结构的方法，而不需要接合或形成一副基板，且不损坏此些半导体结构。此方法亦将此些半导体结构配置在一个准备好拾起的接收板件上，而不需要执行切割。


技术实现要素：

8.一种发光二极管(led)晶粒的制造方法包含提供一基板及形成多个具有晶粒尺寸的半导体结构于基板上的初始步骤。此些半导体结构的配置将取决于被制造的led晶粒的
型式。譬如，此方法可被使用来制造垂直发光晶粒(vled)或覆晶发光晶粒(flipchip light emitting dice,fcled)。
9.此方法亦包含下述步骤：提供一接收板件，此接收板件具有一弹性体聚合物层，此弹性体聚合物层具有粘着剂特征；及安装此基板与此接收板件，以与由弹性体聚合物层施加的一粘着力呈物理接触。在例示实施例中，弹性体聚合物层包含一可固化压敏可固化粘着剂。
10.此方法亦包含执行一llo工艺的步骤，借由导引一均匀激光光束通过基板而到达位于与基板连接的一接口处的半导体层，以剥离此些半导体结构至弹性体聚合物层之上。在llo工艺期间，激光光束依序是一次一发聚焦于此些半导体结构上，以移除该基板上的所有半导体结构或只有选择的半导体结构。此外，激光光束具有大于单一半导体结构之占据面积(footprint)的轮廓外形，用以形成大于此些半导体结构的面积的数个llo面积。此外，在llo工艺期间，接收板件上的弹性体聚合物层作为一冲击吸收器，以经由动量能量转移而从此些半导体结构吸收动能。
11.此方法亦可包含选择一激光波长及功率的步骤，以在llo工艺期间，使激光光束可传输通过基板并被位于与基板连接的接口处的半导体层吸收。此外，借由选择激光波长及功率，激光光束携带远低于基板的一吸收阈值的一能量密度，借以允许其传输通过基板。相较之下，激光能量密度高到足以导致位于与基板连接的接口处的半导体层光诱导分解，其允许位于接口处的半导体层的解耦合(debonding)。然而，接收板件借由动量移转避免对此些半导体结构有任何损坏，且弹性体聚合物材料将此些具有晶粒尺寸的半导体结构支撑在接收板件上的一定位置。此方法可制造具有一期望厚度的led晶粒，其是与外延或外延层和金属层的厚度一样薄，因为不需要副基板。所产生的厚度可以是小于50μm且与10μm一样薄。此方法对于具有小于200μm的宽度及长度的迷你或微型led晶粒特别好。
12.在llo步骤以后，此方法亦可包含从接收板件移除此些具有晶粒尺寸的半导体结构的步骤。此种步骤的执行可凭借着使用已知技术，例如供半导体晶粒用的一夹入机构，或一压印器(stamp)，压印器具有一比弹性体聚合物层更佳的粘着力，弹性体聚合物层将半导体晶粒保持在接收板件上的一定位置。因为此些具有晶粒尺寸的半导体结构是在不需要llo与副基板之前与邻近的半导体结构分开，所以可消除借由使用激光切割的一晶粒切割机(die saw)使每个单一的半导体结构与邻近的结构分开的步骤，借以导致较低的成本及较高的良品率。
附图说明
13.图1a至图1c为显示使用连接基板而执行的已知技术剥离(laser lift-off,llo)工艺的放大概要剖面图；
14.图2a为基板及形成于基板上的半导体结构的概略平面图；
15.图2b为沿着图2a的剖面线2b的基板的放大部分；
16.图2c为与图2b相当但从基板的对向侧而看来的底视图；
17.图2d为显示在此方法的llo步骤期间，聚焦于此些半导体结构的其中一个的一激光光束的概略平面图；
18.图2e为显示在此基板上的此些半导体结构的放大的概要剖面图；
19.图3为显示在以物理接触方式被设置之前的一接收板件与基板的概要透视图；
20.图4为显示以与由弹性体聚合物层施加的一粘着力呈物理接触的基板与接收板件的放大的概要剖面图；
21.图5为显示用以安装处于物理接触状态的基板与接收板件的例示顺序的概要流程图；
22.图6为显示处于物理接触状态的基板与接收板件的概要的剖面图；
23.图7为显示此方法的llo步骤的概要剖面图；
24.图8为显示供llo用且具有一旋涂式弹性体聚合物层的接收板件的例示特征的概要剖面图；
25.图9a为显示此方法的llo步骤的特征的概要剖面图，其中此些半导体结构可被选择性地举升离开接收板件；
26.图9b为在此方法的llo步骤之后的概要剖面图，其中基板包含数个非llo区域，于此具有晶粒尺寸的半导体结构被装设至基板及llo区域，于此具有晶粒尺寸的半导体结构已被升高至接收板件的一弹性体层之上；及
27.图10为以一覆晶发光二极管(fcled)晶粒的型式存在的一完成的半导体结构的概要剖面图。
具体实施方式
28.参见图2a-图2e，发光二极管(led)晶粒的制造方法中的一第一步骤包含：提供一基板30(图2a)及形成多个具有晶粒尺寸的半导体结构32(图2e)于基板30上的步骤。在一例示的实施例中，基板30包含一蓝宝石晶圆(wafer)，而此些半导体结构32具有一晶粒尺寸，并包含形成于基板30上的不同层的化合物半导体材料。
29.此些具有晶粒尺寸的半导体结构32可借由使用已知的半导体制造技术而形成，且借由蚀刻十字相交开口部38(图2b)的图案到达基板30的表面而于实体上被分开。然而，此些半导体结构32的正确构造将取决于被制造的led晶粒的型式。
30.gan层34(图2e)可借由使用本技艺已知的技术而被异质-外延性成长于基板30(图2e)上。请注意，在蚀刻工艺以后，在此些开口部38中不存在有gan材料。为了促进gan晶体成长，可于一相当低的温度(小于800℃)下沉积一初始gan层，导致初始gan层由于一大型晶格失配而含有高密度的各种缺陷。例如错位、纳米管及反转域的晶体缺陷，提升表面能，导致更高的激光光束吸收。在后来的激光-剥离(llo)步骤期间，gan将快速地分解成镓金属蒸汽及氮气，产生作用在此些半导体结构32与基板30上的爆炸力。相较于基板30，此些具有晶粒尺寸的半导体结构32在重量和尺寸上都小得多，以使每个半导体结构32将具有巨大的力量作用在其上。在此例示的实施例中，以微米尺度测量此些半导体结构32且以公厘尺度测量基板30。又如图2e所显示的，用于后来的激光剥离(llo)步骤的一激光光束40具有一轮廓外形，其大于一个想要剥离(llo)的此些具有晶粒尺寸的半导体结构32的占据面积。此外，可以借由改变激光光束40的尺寸而一次剥离一个以上的具有晶粒尺寸的半导体结构，如图9a与图9b所示。
31.参见图3，发光二极管(led)晶粒的制造方法亦包含提供涂布有一弹性体聚合物层44的一接收板件42的步骤。一种关于接收板件的较佳材料包含石英。关于弹性体聚合物层
44的例示材料包含硅酮(silicone)、硅氧烷(siloxane)、橡胶或其他弹性体材料。如图3所示，接收板件42可具有的尺寸及形状相当于但略大于基板30的尺寸及形状。譬如，如果基板30包含一圆形晶圆，则接收板件42可包含略大于圆形晶圆的一圆形板件。
32.参见图4，led晶粒的制造方法亦包含以下步骤：安装基板30与接收板件42，以与由弹性体聚合物层44施加的一粘着力呈物理接触。如图4所示，此些半导体结构32可具有垂直发光二极管(vled)晶粒的配置，以使数个焊垫电极36提供在此些半导体结构32与弹性体聚合物层44之间的间距z1。此外，借由弹性体聚合物层44将一粘着力f施加至此些焊垫电极36。具有晶粒尺寸的半导体结构32仍然在物理上连接至基板30，但物理上与邻近的半导体结构分开。
33.例1。参见图5及图6，一例示的安装步骤使用一个四寸直径的圆形基板30及一个六寸的正方形接收板件42s。于此例子中，弹性体聚合物层44包含配置成施加粘着力的一可固化硅酮压敏胶粘剂。关于弹性体聚合物层44的其他适当的材料包含sorbothane及氯丁橡胶(neoprene)。一种适当的粘着剂是揭露于日本专利申请号2020-016200，申请日为2020年2月3日，名称为“添加可固化硅酮压敏胶粘剂成分及其固化产品(addition curable silicone pressure-sensitive adhesive composition andcured product thereof)”，其并入作参考。
34.如图5所示，安装步骤可包含安装处于物理接触状态的基板30与接收板件42s的第一步骤，施加一配重48及使用配重48固化弹性体聚合物层44的第二步骤，以及移除配重48的第三步骤。譬如，弹性体聚合物层44可具有0.08mpa以上，《70的a型硬度，及抗拉强度》.01mpa的粘着力。
35.表1确认由硅酮所构成的一种旋涂式弹性体聚合物层44的某些特征。
36.表1
[0037][0038][0039]
参见图7及图8，发光二极管(led)晶粒的制造方法亦包含执行一激光剥离(llo)工艺的步骤。在激光剥离工艺期间，一均匀激光光束40通过基板30而被导引而到达位于与基板30连接的接口处的一接口半导体层50之上，以剥离此些具有晶粒尺寸的半导体结构32至接收板件42之上。在激光剥离(llo)工艺期间，借由接口半导体层50的分解而将每个半导体结构32个别地推压至接收板件42。譬如，利用包含gan的接口半导体层50，分解将变成呈气态形式的镓(g)及氮(n2)。于图7中，此种爆炸力是以爆炸箭号52表示，爆炸箭号52通过半导体结构32并被接收板件42上的弹性体聚合物层44所吸收。弹性体聚合物层44作为一软性缓
冲垫或冲击吸收器，以经由动量能量转移而从半导体结构32吸收动能。半导体结构32停靠在未被损害的弹性体聚合物层44上，并停留在接收板件42上的期望位置。
[0040]
例2。一例示的激光剥离(llo)工艺使用248nm的激光光束40，例如具有λ＝248nm的波长及25ns的脉冲宽度的krf准分子激光。激光输出能量可从10nj改变至50mj。借由使用一特殊光学系统而将激光光束被重新塑形及均匀化以形成一均匀光束轮廓，最好是小于10％rms。llo工艺光束通过一投影系统，然后聚焦至具有一光点尺寸(例如0.9*0.9mm2)的晶圆/样品之上。可使用其他尺寸及形状的激光光束。准分子激光并未受限于krf(248nm)。譬如，准分子激光可以是从f2准分子激光(155nm)到arf准分子激光(198nm)。准分子激光一般使用惰性气体(氩气、氪或氙)及活性气体(氟或氯)的组合。接收板件42最好是大于基板30。此外，接收板件42最好是平坦的，具有小于《5μm的总厚度变动(total thickness variation,ttv)，但更好是小于《2um，用于在激光剥离(llo)工艺以后避免此些半导体结构32的翻转、倾斜、旋转和产生裂痕。此外，接收板件42可包含一个或多个对准压印器，用以使此些半导体结构32对准在基板30上。在激光剥离(llo)工艺以后，适当的对准亦确保半导体结构32适当地配置在接收板件42上(亦即，接收板件42上的期望的座标)。此外，接收板件42可包含一个或多个凹槽或平面以供预先对准用。
[0041]
例3。参见图9a及图9b，于此例子中，接收板件42包含一旋涂式弹性体聚合物层44，其包含一可固化硅酮压敏胶粘剂成分。又于此例子中，基板30包含四寸直径晶圆，而接收板件42包含六寸直径圆形板件。又，接收板件42具有《5μm的总厚度变动(ttv)。为了形成弹性体聚合物层44，可借由使用一旋转涂布机而将弹性体分配在接收板件42的中心上以提供一选择的厚度t(例如，～20μm)。关于一旋涂式工艺，弹性体聚合物层44的厚度t将是旋转速度、旋涂液体粘度及其他因子的函数。通常，厚度t是径向依赖的。为了提供最佳的厚度均匀性，将使用较大直径的接收板件42。亦可借由气相沉积、刮刀片或网版印刷(而非旋转涂布)而涂敷弹性体聚合物层44。
[0042]
如图9a所示，可借由适当的聚焦激光光束40以举升所选择的半导体结构32至接收板件42之上，而选择性地设置一激光剥离区域54。借由使用接收板件42，可选择性地移除某些半导体结构32，而不需要与已知技术副基板24(图1c)一样，在整个基板30上执行激光剥离(llo)。在llo步骤以后，此方法亦可包含清洗及或蚀刻接收板件42上的半导体结构32的表面的步骤。可对位于接收板件42上的半导体结构32进行蚀刻以建构粗糙表面，借以改善其性能，例如光萃取、输出、处理。
[0043]
利用放置在接收板件42的弹性体聚合物层44的表面上的具有晶粒尺寸的半导体结构32，此方法亦可包含从接收板件42移除此些半导体结构32的步骤。此种步骤可借由使用已知技术(例如供半导体晶粒用的一夹入机构)而执行。
[0044]
参见图10，一个已与接收板件42分离的完成的半导体结构包含一覆晶发光二极管(fcled)晶粒32fcled。覆晶发光二极管(led)晶粒32fcled包含一外延堆叠57，其包含一p型限制层(p-层)64；一n型限制层(n-层)60；一个配置成发光且在此些限制层之间的活性层(多量子阱(mqw)层)62；与p型限制层(p-层)64接触的多个p-金属层66、一反射镜层68及一隔离层72；以及一个与n型限制层(n-层)60接触的n-电极70。
[0045]
尽管上面已经讨论了许多示例性实施样态和实施例，但是本领域技术人员将可认知到其某些修改、置换、添加和子组合。因此，本揭露内容旨在将所附权利要求和此后引入
的权利要求解释为涵盖在其真实精神和范畴内的所有这样的修改、置换、添加和子组合。