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晶圆键合技术在LED应用中的研究进展(二)

发表时间:2023-04-13  |  点击率:244

1.2  金属键合


对于高亮度垂直LED(high-brightness vertical LED,HB-VLED)来说,键合界面必须具有高热导和高电导的性能,幸运的是大部分金属材料导热性能好的同时导电性能也较好,使金属键合技术成为目前LED产业中最常使用的键合技术,即以金属膜为中间层实现晶圆对的连接。金属键合技术提供了高热导、低电阻、电流分布均匀及光吸收少的键合界面,无论是对于AlInGaP红光LED还是对于InGaN蓝光LED,采用金属键合技术都能有效提高其热学、电学和光学性能,因此金属键合技术受到了研究者们的广泛关注。


金属晶圆键合法的一般工艺步骤与黏合剂键合法大同小异,不过将黏合剂中间层的旋涂替换为金属中间层的蒸镀(或溅射),工艺中要保证金属的均匀性。在基于金属键合法的HB-VLED制备技术中,金属中间层实际上是一种“多功能层",它应该包括接触层、反射层、阻挡层和键合层。接触层用来提高金属与外延层的黏附力并形成低比接触电阻率的欧姆接触,该层金属一般很薄,可以避免吸收过多光线。反射层金属能提高LED的光提取效率,常用的有对可见光反射率高的金属如Ag,Al,Au,Cu及这些金属的多层组合。阻挡层用来防止键合金属原子向反射层和器件有源层扩散,避免反射层和有源层质量下降造成器件出光效率的降低,常用的扩散阻挡层有Pt,Ti及Cu等。键合层则是由适当的金属体系在键合交界面发生原子互相扩散形成的致密连接层,金属晶圆键合技术通常有两种基本方法:共晶键合和热压键合。


1.2.1 共晶键合


共晶键合是有液态金属参与键合的通用术语,其金属体系很多,这些金属可以是一种纯金属,也可以是两元或三元合金。一定组分的键合金属在键合温度下,某种金属会转变成液态并在键合界面发生固-液扩散,进而形成一种或多种金属间化合物。在HB-VLED的制备工艺中,通常使用高温(400℃以上)退火的方法来加固电极,因此选择的共晶键合金属体系应该能够生成耐高温的中间产物。W.S.Wong等人使用Pb-In键合法,在200℃下将GaN外延片键合至Si衬底,键合层生成金属间化合物PbIn3,熔点为664℃。Y.J.Chen等人使用Cu-Sn-Ag体系完成垂直型GaN基LED的制备,150℃下键合30和60min的键合层如图4所示。键合30min后键合层仍能发现Sn,而60min后键合层全部转化为Cu6Sn5和Ag3Sn。最近,B.Zou等人使用Cu-Sn金属体系为键合层,体系还有Au-Sn,Au-In及Ag-In等。值得一提的是,E.Choi等人采用射频加热的方法代替传统的热阻加热法,缩短了Au-Sn键合时间,提高了键合效率。


(a)30min                                  (b)60min

图4  150℃下30min和60min Cu-Sn-Ag键合界面的SEM横截面图


1.2.2 热压键合


热压键合与共晶键合的区别在于键合过程中没有液态金属的参与,即在键合界面发生固态扩散,是一种没有中间产物的金属键合。在热压键合工艺中,两晶圆表面金属分子的扩散速率与金属种类、温度、压力和表面粗糙度的关系紧密,加热和加压都有助于提升扩散速率,越平坦的表面之间贴合越紧密,也有助于提高扩散速率,作用均匀的压力能提高键合良率。几乎所有的金属都是可以通过热压方式键合到一起的,然而所需要的温度和压力却不都在实际生产应用的范围之内。LED产业中常用的金属热压键合方法有Au-Au,Cu-Cu,Ag-Au和Al-Al键合,工艺温度一般在100~200℃,与HB-VLED制备工艺有很好的兼容性。Au是常用的理想键合金属,Au-Au键合的抗氧化能力和抗沾污能力十分突出。H.Kurotaki等人对Au-Au热压键合的研究表明,在100℃的低温条件下就能得到无空洞的约20MPa的Au-Au键合强度。C.L.Chang等人使用Ag-Au热压键合法在150℃低温条件下得到熔点超过950℃的键合界面。表1是部分共晶键合和热压键合的主要工艺特性对比。


生产应用当中应根据器件的生长衬底和键合目标衬底的性质(热膨胀系数差异及表面特性等)选择合适的金属键合方法,如共晶键合中由于有液相金属的参与,使得工艺对晶圆表面平坦度的要求较低,适合InGaN基LED的制备;而对于AlInGaPLED,因AlInGaP与GaAs生长衬底之间的晶格失配很小,外延薄膜表面较平坦,则Au-Au键合技术使用十分频繁。


然而,金属键合存在引入应力较大的问题,使晶片易在键合过程中受损,同时会为后续剥离工艺带来负面影响。而且,为了保证键合质量,通常使用的键合层较厚,增加了金属键合的应用成本。因此,还需寻找有 效的辅助键合方法和新的金属体系,来减少应力并降低应用成本。


表1    共晶键合和热压键合主要工艺特性对比


1.3  直接键合


直接键合是在待键合表面之间形成强化学键的键合技术,广 泛应用于创新性结构工程。优点在于无需加入中间介质层,且通过对待键合表面的活化处理,能显著降低键合温度,减少不同材料热失配带来的影响。表2给出的是在半导体器件制造中的典型直接键合技术的实例。因在HB-VLED制备当中常常在GaN外延层上积淀金属反射层来提高光效,所以在LED领域人们更关注金属与衬底材料的直接键合。


表2 半导体器件制造中的典型直接键合技术


其中阳极键合用于碱玻璃与其他材料的键合,本文不多作介绍。对于化合物半导体的熔融键合在20世纪90年代便得到了应用,包括使用对发射波长透明的衬底替换Si衬底来提高光效的AlGaInP/GaPLED。熔融键合的工艺过程:首先对待键合表面作亲水处理,引入大量亲水基团(-OH),然后在空气中两晶圆能依靠表面自由羟基及水分子间的氢键作用而完成预键合,然而这个键合强度在没有后续处理的情况下是不够的。因此,早期的熔融键合都需要通过高温热处理来形成高强度的化学键,W.L.Goh等人在800℃以上的温度条件下完成Ti-Si体系的熔融晶圆键合;后来由J.Yu等人改进键合技术,在真空环境下完成了基于固态非晶化的Ti-Si键合,将键合温度降低到了400℃,键合时间为2h。


等离子体活化键合的研究发展是为了降低后续退火温度,研究发现通过O,N或Ar等离子体辐射晶圆表面,结合湿法化学处理能有 效地将退火温度降低至150~400℃而得到高强度的键合,一种解释是等离子体活化提高了晶圆表面的亲水性,使晶圆最初互相接触时的键能比未经等离子体活化时大2~3倍。许维等人使用Ar等离子体分别对Si晶圆和积淀有Ni的Si晶圆表面进行活化,随后在温度400℃、压强0.5MPa的条件下进行2英寸(1英寸=2.54cm)晶圆的Ni-Si键合,反应生成NixSiy化合物。键合界面空洞的数量随Ar气体流量的增大而减少,表明Ar等离子体的活化有助于提高Ni-Si键合的质量,但键合空洞并不能WAN QUAN消除,这是由于退火过程极易形成键合空洞,因此,研究低温下的键合技术是极其必要的。


表面活化键合是一种全程在超真空条件下进行的改进技术,也是ZUI有发展前景的键合技术。采用Ar离子束轰击待键合表面,以去除惰性层如自然氧化层和有机物沾污,使晶圆表面活性增强,甚至在室温下也能自发地形成化学键。为提高键合良率,工艺当中应对晶圆进行充分的预处理,同时避免来自环境或药品的沾污。采用表面活化键合已经成功实现金属、Si以及III-V族半导体的键合,但该方法对晶圆表面的清洁度和粗糙度要求很高,使键合前的清洗工艺十分复杂,要达到大尺寸、无空洞的键合仍然十分困难。因此,工艺优化及降低键合温度将是今后研究工作的重点。


2  结语


新型垂直结构LED以其优越的性能突破传统结构LED的发展瓶颈,满足光电器件大功率化的需求。晶圆键合技术作为HB-VLED器件制备工序的第一步,直接影响产品的性能和良率。黏合剂键合法工艺简便、生产成本低,适合大规模生产应用,且黏合剂材料模量小,可在柔性衬底LED中发挥很好作用,但其键合可靠性还有待提高。金属键合法能提供高热导、高电导和高强度的键合界面,与HB-VLED制备工序兼容性好,但键合过程引入的应力较大,易造成晶圆损坏。因此,还需研发室温下的晶圆键合技术来减少晶圆损伤,同时通过省去加热和冷却的时间来提高产能,而直接键合技术中的表面活化键合技术有望实现室温键合,但仍难以得到大尺寸的无空洞键合。相信通过科研人员的努力,表面活化键合技术会在新型LED工业生产中大展身手。