专利名称：发光二极管阵列的制造系统与方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造，尤其涉及LEDs(发光二极管)阵列的制造方法与设备。
背景技术：
半导体产业发展最快的部分之一为多芯片模块(multi-chip modules，MCM)的制造，多芯片模块越来越常使用在形成PC芯片组的计算机中，或是例如调制解调器及手机等电信项目上。此外，像是手表及计算器等消费性电子产品上典型地也包含多芯片模块。
在一多芯片模块中，未封装LEDs(即芯片)以黏接剂固定在基板上(例如印刷电路板)，接着直接电连接(electrical connection)至每一LED上的焊垫(bond pads)及在基板上的电引线。
为了使成本降到最低，并使组合封装的质量增至最高，一般来说需采取一些步骤来确保只有经发现具有功能性的LEDs才能相互进行组装，因此，在LED黏接制程之前，LEDs及承载基板一般需经过光电缺陷、污染和其它不规则性测试，于阵列中发现具有缺陷的LEDs一般以标记的方式与良好的构件相区别。
因此，对于未封装LEDs，半导体制造商需要提供经测试及证实为已知良品LED(known good LED，KGL)的LED阵列。换句话说，LEDs在我们日常生活中正扮演着越来越重要的角色。传统上，LEDs常见于许多应用中，像通信及其它领域，例如行动电话、设备及其它电子装置。最近，对于以氮化物(nitride)为基础的半导体材料(例如包含氮化镓(Gallium Nitride，GaN))应用于光电产品的需求已戏剧性地增加，例如视频显示器、光学储存装置、照明设备及医疗器材。常规的蓝光发光二极管使用氮化物的半导体材料制成，例如氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)、氮化铟镓(InGaN)和氮化铝铟镓(AlInGaN)。前面所提及的发光装置的半导体层大部分以磊晶的方式生成于不具导电性的蓝宝石基板上。因为蓝宝石基板为电绝缘体，电极无法直接形成在该蓝宝石基板上来驱动电流通过LEDs，取而代之，电极各自直接接触p型半导体层及n型半导体层，以完成LED装置的制造。然而，此类电极配置及蓝宝石基板的非导电本质呈现出此装置在操作上的一个重要局限。例如，半透明接点必需形成在p型半导体层上，以将电流自p电极散布至n电极，而该半透明接点会因内部反射及吸收而降低装置所发出的光强度，并且，p电极及n电极会遮住光线且减少该装置的发光面积。此外，该蓝宝石基板为热绝缘体，在装置操作期间所产生的热无法有效排除，因此限制了该装置的可靠性。
图1显示出一种这样的常规LED。如图所示，基板以1代表，该基板1通常为蓝宝石，缓冲层2形成在该基板1上，用来降低基板1与GaN间的晶格错置，该缓冲层2可以磊晶形式生长于该基板1上，且其可以是氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlGaN)及氮化铝铟镓(AlInGaN)；接着，依顺序形成n型GaN基底层3、多量子阱(multi-quantum well，MQW)层4及p型GaN层5。利用蚀刻法在n型GaN基底层3上形成暴露区域6；导电半透明涂层7设置在该p型GaN层5上；最后，n型电极9及p型电极8形成于所选定的电极区域上，n型电极9需要与p型电极位于该装置同一侧，以将电子及空穴分别注入多量子阱活性层4中。在多量子阱活性层4中的空穴与电子的放射性重组会放出光。然而，此常规LED结构的限制包括(1)在p型半导体层5上的半透明接点最多只有70％的透明度，且其可阻挡由多量子阱活性层4所放出的光；(2)由于电极的位置，从n型电极散布至p型电极的电流并不一致；以及(3)因为蓝宝石为热和电的绝缘体，故于装置操作期间热会累积。
为了增加有效的照明面积，因而发展出垂直式LEDs。如图2所示，典型垂直式LED具有基板10(一般来说为硅、砷化镓(GaAs)或是锗(Ge))，接着将多重过渡金属层12、p型GaN层14、多量子阱层16及n型GaN层18形成于基板10上；之后将n型电极20与p型电极22形成于经选定作为电极的区域上。
美国专利申请20040135158显示出一种通过下列步骤实现垂直式LED结构的方法(a)在蓝宝石基板上形成缓冲层；(b)在该缓冲层上形成多个掩膜(mask)，其中，该基板、该缓冲层及该多个掩膜共同形成基板单元；(c)在该多个掩膜上形成多层磊晶结构，其中，该多层磊晶结构包含活性层；取出该多层磊晶结构；(d)移除在取出后与该多层磊晶结构的底侧相接合的剩余掩膜；(e)在该多层磊晶结构的该底侧上方涂布金属反射层；(f)将导电性基板接合至该金属反射层；(g)设置p型电极于该多层磊晶结构的上表面上，并装设n型电极于该导电性基板的底侧上。
发明内容
在一方面，公开了一种垂直式LED的制造系统与方法，包含在金属基板上形成LED阵列；评估该LED阵列的缺陷；破坏或移除其中一或多个有缺陷的LEDs，然后形成仅具有良品LEDs的阵列。这些仅具良品LEDs的阵列(包含在晶圆级下)接着可加以封装，供多芯片动力LED装置使用。
实现上述方面可包含下列一或多个步骤该破坏包括汽化有缺陷的LEDs，或包含施加激光束于有缺陷的LEDs，或利用激光切割来切穿该金属基板以将其移除；测试多个LED中的每一个的电功能性，以识别符合需求的无缺陷LED，无缺陷LED接着以可准备封装(包含晶圆级封装)的阵列形式提供。
该系统可包含下列一或多个优点。上述系统提供了适用于制造及测试在金属基板上的未封装垂直式LEDs的制程，本发明的LED制造及检测方法适用于老化(burn-in)测试及检验实际上所有种类的LEDs，特别是本发明所描述的金属基板上的垂直式LED。因为本发明提供了最终构件制造前的测试，故极具经济效益，使本发明相较于常规方法更具有高度可靠性。除了强化了LEDs的标准制造测试外，该系统是在制造良品LEDs阵列方面的重要发展成果，这些改善能够提升封装组合(packaging assembly)、筛选(screening)及组装成品率(assembly yield)，大量地降低成本。此外，整体产品故障率也能显著地降低，因此改善了系统与生命周期成本，使在系统整合内与晚期不合格构件相关联的制程延迟和成本降至最低。
本发明这些或是其它实施例、方面、优点及特征将部分地记载于下列说明中，而有部分为本领域技术人员通过参考本发明的下列说明与附图或通过实践本发明可以明白的。本发明的方面、优点及特征通过随附权利要求中所特别指出的工具、步骤及组合予以实现。
为了更加了解本发明的其它特征、技术概念及目的，可清楚地阅读以下优选实施例及附图的说明，其中 图1显示现有技术的已知LED； 图2显示现有技术的垂直式LED； 图3至图8显示在金属基板上的垂直式LED的示范制程中的操作； 图9显示利用激光束移除不良品LED的方法。该不良品LED通过沿着形成缺陷LED边界的截口切穿金属基板加以汽化或移除； 图10显示不良品LED于移除前所处位置的未占用空间； 图11显示已知良品LED阵列，其中已知良品LEDs通过在金属基板上的全部四个已知良品LEDs中的n型电极与p型电极所用的接合引线来电耦合。
主要组件符号说明
1～基板 2～缓冲层 3～n型GaN层 4～多量子阱活性层 5～p型GaN层 6～n型GaN层上的暴露区域 7～导电半透明涂层 8～p型电极 9～n型电极 10～基板 12～多重过渡金属层 14～p型GaN层 16～多量子阱活性层 18～n型GaN层 20～n型电极 22～p型电极 40～蓝宝石基板 42～n型GaN层 44～多量子阱活性层 46～p型GaN层 48～接点(面) 50～钝化层 52～反射金属层 53～一金属层或多金属层 60～金属基板层 70～n型电极
具体实施例方式 在阅读详细说明时，可同时参考随附图标，并将该图标视为该详细说明的一部份。
参考图3至图8，于其中说明了金属基板上的垂直式LEDs的制造方法。在说明中，也将在详述本发明制造方法的步骤时，使用赋予本发明的装置的参考数字。
以下所描述的方法关于起初生长在蓝宝石基板上的氮化铟镓(InGaN)LEDs的实施例。接着使用电化学电镀或无电化学镀来沉积一厚金属基板，以用于所产生的LED装置的电传导和热传导，电化学电镀或无电化学镀用来取代晶圆接合，可将该制程应用在任何利用接合技术以将磊晶层贴附至新主要基板(host substrate)的光电装置，以改善光、电及热性质。
现回到图示，图3显示在承载基板40上的示范性氮化铟镓(InGaN)LED的多层磊晶结构。在一个实施例中，该承载基板40可为蓝宝石基板。在蓝宝石基板40上所生成的多层磊晶结构包含n型GaN基底层42、多量子阱活性层44和p型GaN层46。例如，该n型GaN基底层42具有大约4微米的厚度。
该多量子阱活性层44可以是氮化铟镓/氮化镓(InGaN/GaN)(或氮化铝铟镓/氮化镓(AlInGaN/GaN))活性层。一旦将电能馈入n型GaN层42与p型GaN层46之间，该多量子阱活性层44将会受到激发并因此产生光，所产生的光具有250nm至600nm范围的波长。该p型GaN层可以是p+型GaN基底层，如p+型GaN、p+型InGaN或p+型AlInGaN层，其厚度可在0.01至0.5微米之间。
接下来，如图4所示，执行台面定义制程，并在p型GaN层46上形成p型接点(面)48。在多层磊晶结构上方的接点(面)48可以是氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)、银(Ag)、铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、金(Au)、铂(Pt)、钯(Pd)、钛(Ti)、钽(Ta)、氮化钛(TiN)、氮化钽(TaN)、钼(Mo)、钨(W)、耐火金属、或金属合金、或上述材料的组合物(例如Ni/Au)。除此之外，亦可形成直接反射银沉积，以作为金属接点(面)。在图4中，个别LED装置形成于台面定义后。利用离子耦合电浆蚀刻以将GaN蚀刻成为独立装置；亦可使用其它台面定义制程，例如激光、锯切或喷射水刀法(water jet)。
其次，如图5所示，沉积钝化层50并施行反射式金属沉积，以在蚀刻进入钝化层50的窗口中形成反射金属52(例如Al、Ag、Ni、Pt及Cr等)，而使该反射金属52与p型GaN层46相接触。该钝化层50不具导电性；而该反射金属52形成镜面；接点(面)48与反射金属52可为包含一个或多个层金属层(例如Ni/Ag/Ni/Au)的一层，其可形成于钝化层50之前或之后。
图6显示出薄金属层或多金属层53(Cr、Pt、Pd、Pt/Au、Cr/Au、Ni/Au、Ti/Au、TaN/Au等)沉积在该结构上，作为电化学电镀或无电化学镀制程中的阻挡层或种晶层(barrier/seed layer)。不过，若使用无电化学制程、溅镀或磁控溅镀制程来取代电镀，则不需要沉积操作。有金属基板层60沉积于其上。
现参考图7，利用如电化学电镀或无电化学镀等技术而使多层磊晶结构上涂布金属电镀层60。使用无电化学镀时，蓝宝石基板40利用可轻易移除而不会伤害蓝宝石或相当厚的无电化学镀金属的有机层、高分子层或涂层加以保护，例如Ni、Cu、Ag、W、Mo、Pd、Pt等。
接着移除蓝宝石基板40。在图8所示的一个实施例中，将激光剥除(laserlift-off，LLO)操作施加于蓝宝石基板40，利用激光剥除来移除蓝宝石基板为大家所熟知的技术，参考Cheung等人于2000年6月6日公告的美国专利6,071,795，发明名称为「通过选择性光学处理从透明基板分离薄膜」；以及Kelly等人发表于Physica Status Solidi(a)vol.159，1997，pp.R3-R4的论文「第三族氮化物薄膜的光学剥除制程」。此外，相当有利于在蓝宝石(或是其它绝缘或坚硬)基板上制造GaN半导体层的方法教示于美国专利申请10/118,317中，该申请于2002年4月9日由Myung Cheol Yoo提出申请，发明名称为「利用金属支撑薄膜制造垂直式装置的方法」；以及美国专利申请10/118,316中，该申请于2002年4月9日由Lee等人提出申请，发明名称为「制造垂直式结构的方法」。除此之外，GaN及蓝宝石(或其它材料)的蚀刻方法教示于美国专利申请10/118,318中，该申请于2002年4月9日由Yeom等人提出申请，发明名称为「改良性GaN基底发光二极管的光输出方法」。所有上述数据均以提及方式于此并入，如同完整记载于本说明书中的。如图8所示，将n型电极70(例如Cr/Ni、Cr或Ni)图案化于n型GaN层42上方，如此便完成垂直式LED的制造。
在此阶段，所有位于金属基板上的LEDs需要详细检查并勘测缺陷。实施晶圆映射(Wafer mapping)，以测试位于晶圆上的LEDs的总功能性，一般对于每一LED来说，波长、亮度、在某一驱动电流下的正向电压及在某一逆偏压下的漏电流均记录于映射数据中；而功能丧失的LEDs则机械式地加以标记或映射于软件中。每一不良品LED的位置可加以查明，以便将其移除而进行后续分离成为仅有已知良品LED的阵列。
使用激光来破坏无功能的LEDs。如图9的例子所示，中间的LED具有缺陷，在进入下一操作之前先以激光烧除中间的LED结构。该激光可以是例如UV二极管激发固态(UV-Diode Pump Solid State，DPSS)激光或波长266nm、355nm或248nm的准分子激光(excimer Laser)。基本上，只要是能够被GaN及任何作为金属基板的金属强烈吸收的激光波长都能够使用。
此吸收导致能量由激光脉冲转移到缺陷的LED上，且将其温度提升到高于GaN的汽化温度。在烧除晶圆级的缺陷LED时，发射激光脉冲，并重复直到LED完全汽化为止。
一不良品LED或一群不良品LEDs的第二种移除方法为使用激光束以将LED从金属基板切除。在此例中，该激光经引导而沿着形成LED边界的截口，然而当金属基板移动以达成相同效果时，激光束可保持静止。一不良品LED或一群不良品LEDs的第三种移除方法为使用钻石锯刀切割。除了执行上述功用之外，该系统可包含能够监测、控制及收集处理数据的计算机硬件及软件。此数据收集能力提供了制程监控且允许装置的实时追踪，这允许产生装置性能特有的更快速的内部制程回馈，而不会造成最终封装制程的变异。
已知良品LED阵列具有两个或多个已知良品LEDs。如图11所示，此良品LED阵列的范例具有四个已知良品LEDs 201及两个电极n型电极70，电耦合于n型GaN层42；及p型电极，电耦合于p型GaN层46。KGL阵列的已知良品LEDs的p型电极52通过金属基板层60加以电连接；KGL阵列的已知良品LEDs的n型电极在封装前彼此电隔离。在封装制程期间，KGL阵列的已知良品LEDs的n型电极透过接合引线300而电连接。
结合金属基板上的垂直式LED，本发明可用来制造准备好进行晶圆级封装的已知良品LED(KGL)阵列。
虽然本发明已参照某些优选实施例被描述，但本领域技术人员应了解在不离开本发明的范围下，当可对其进行某些变化及修改。本发明的范围由所附权利要求来定义。
权利要求
1.一种已知良品LED阵列的制造方法，包含
在金属基板上形成LEDs；
评估该LEDs的缺陷，包括与预定标准相比较的光学及电学功能丧失；以及
从该金属基板上移除一个或多个有缺陷的LEDs，并留下良品LEDs。
2.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该移除包含利用激光汽化有缺陷的LED结构，以使该LED的温度升高至使其汽化的温度以上。
3.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该移除一个或多个有缺陷的LEDs的制程包含沿着该有缺陷的LED的截口施加激光束并切穿该金属基板。
4.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该评估包含在该多个LED中的每一个上进行光学及电学功能性测试，以鉴别符合要求的无缺陷LED阵列。
5.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，还包含在晶圆级下封装无缺陷LED阵列。
6.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该多层磊晶结构包含
n型半导体层，由氮化镓(GaN)或氮化铝镓(AlGaN)构成；
一个或多个具有InAlGaN/GaN层的量子阱；以及
p型半导体层，由氮化镓(GaN)或氮化铝镓(AlGaN)构成。
7.如权利要求1所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，在该多层磊晶结构上方的该一个或多个金属层包含下列其中之一氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)、银(silver)、铝(Al)、铬(Cr)、铂(Pt)、镍(Ni)、金(Au)、钼(Mo)、钨(W)、耐火金属、及其金属合金。
8.一种已知良品LED阵列的制造方法，包含
在金属基板上形成LED阵列；
评估该LED阵列的缺陷，包括与预定标准相比较；以及
从该金属基板上移除一个或多个有缺陷的LEDs。
9.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该移除制程包含利用激光汽化有缺陷的LED结构，以将该LED的温度提升至高于汽化温度的温度。
10.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该移除一个或多个有缺陷的LEDs的制程包含沿着缺陷LED的截口施加激光束并切穿该金属基板。
11.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该评估制程包含在该多个LEDs中的每一个上进行光学及电学功能性测试，以鉴别符合要求的无缺陷的LED阵列。
12.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，还包含在晶圆级下封装无缺陷的LED阵列。
13.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，该多层磊晶结构包含
n型半导体层，由氮化镓(GaN)或氮化铝镓(AlGaN)构成；
一个或多个量子阱，具有AlInGaN/GaN层；以及
p型半导体层，由氮化镓(GaN)或氮化铝镓(AlGaN)构成。
14.如权利要求8所述的已知良品LED阵列的制造方法，其中，在该多层磊晶结构上方的该一个或多个金属层包含下列其中之一氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)、银(silver)、铝(Al)、铬(Cr)、铂(Pt)、镍(Ni)、金(Au)、钼(Mo)、钨(W)、耐火金属、及其金属合金。
15.一种在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，包含
装设承载基板；
在该承载基板上方沉积n型GaN层；
在该n型GaN层上方沉积活性层；
在该活性层上方沉积p型GaN层；
沉积一个或多个金属层；
施加掩膜层；
蚀刻该金属层、p型GaN层、活性层及n型GaN层；
移除该掩膜层；
沉积钝化层；
移除位于该p型GaN层顶部上的该钝化层的部分，使该金属层暴露出来；
沉积一个或多个金属层；
沉积金属基板；
移除该承载基板，使该n型GaN层表面暴露出来；
利用映射来评估每一LED位置上的缺陷；
移除一个或多个有缺陷的LEDs。
16.如权利要求15所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除制程包含利用激光汽化有缺陷的LED结构，以将该LED的温度提升至高于汽化温度。
17.如权利要求15所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除一个或多个有缺陷的LEDs的制程包含沿着有缺陷的LED的截口施加激光束，并切穿该金属基板。
18.如权利要求15所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除一个或多个有缺陷的LEDs的制程包含使用锯刀沿着有缺陷的LED的截口切割，并切穿该金属基板。
19.如权利要求15所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该金属基板由下列其中之一组成铜、镍、银、铂、铝、钼、钨。
20.如权利要求15所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中形成该金属基板包含使用以下方法其中之一来沉积铜电镀、无电电镀。
21.一种在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，包含
设置承载基板；
在该承载基板上方沉积n型GaN层；
在该n型GaN层上方沉积活性层；
在该活性层上方沉积p型GaN层；
沉积一个或多个金属层；
施加掩膜层；
蚀刻该金属层、p型GaN层、活性层及n型GaN层；
移除该掩膜层；
沉积钝化层；
移除位于该p型GaN层顶部上的该钝化层的部分，使该金属层暴露出来；
沉积一个或多个金属层；
沉积金属基板；
移除该承载基板，使该n型GaN层表面暴露出来；
在n型GaN层表面顶端形成金属电极；
利用映射来评估每一LED位置上的缺陷；
移除一个或多个有缺陷的LEDs。
22.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除制程包含利用激光汽化有缺陷的LED结构，以使该LED的温度提升至高于汽化温度。
23.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除一个或多个有缺陷的LEDs的制程包含沿着有缺陷的LED的截口施加激光束，并切穿该金属基板。
24.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该移除一或多个有缺陷的LEDs的制程包含使用锯刀沿着有缺陷的LED的截口切割，并切穿该金属基板。
25.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该金属基板由下列其中之一组成铜、镍、银、铂、铝、钼、钨。
26.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中制造该金属基板包含使用以下方法其中之一来沉积铜电镀、无电电镀。
27.如权利要求21所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该LED阵列包含两个或多个已知良品LEDs。
28.如权利要求27所述的在金属基板上制造垂直式LED阵列的方法，其中，该已知良品LEDs通过接合引线而相互导电连接。
全文摘要
一种在金属基板上制造垂直式LED(发光二极管)阵列的系统与方法；评估该LED阵列的缺陷；破坏一个或多个有缺陷的LEDs；形成适合晶圆级封装的仅具良品LEDs的LED阵列。
文档编号H02B1/056GK101103499SQ200680002143
公开日2008年1月9日 申请日期2006年1月9日 优先权日2005年1月11日
发明者忠 段, 陈长安 申请人:美商旭明国际股份有限公司