专利名称：半导体外延片的压焊方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体外延片的压焊方法。
技术背景铟镓铝氮半导体发光器件广泛的用于全色大屏幕显示、交通信号灯、背光 源、固体照明等。铟镓铝氮半导体发光材料常用的衬底材料是蓝宝石、碳化硅 和硅等材料。将原始衬底上生长的铟镓铝氮薄膜做成发光器件时，会存在以下 缺点发光材料利用率低、散热差、P型透明导电层对光有一定的吸收作用，因而对器件的光电性能存在一定的影响。利用外延片压焊(waferbonding)和湿法 剥离或激光剥离相结合的技术将原始衬底上生长的铟镓铝氮薄膜转移到新衬底 上制备上下电极结构的发光器件，将可以改善出光效率、提高芯片利用率和降 低LED的串连电阻。所以，近年来铟镓铝氮外延片的压焊(wafer bonding)技 术被广泛采用。目前的铟镓铝氮外延片的压焯一般采用Au或AuSn等塑性比较好或熔点比 较低的金属作为压焊金属，加热方式一般采用传导加热方式，即加热方式是热 阻加热。要实现外延片的压焊一般需要在一定的温度和压力情况下完成，加热 器要同时承担传递压力和传递温度的作用，所以目前外延片压焊的加热器多半 采用具有一定强度和厚度的金属制作。然而金属比热容较大，所以它的升温速 率慢、升温时间长，这使得压焊金属容易扩散到GaN的表面破坏外延片的欧姆 接触性能。对于降温，如果采用气体冷却或液体冷却会使得金属加热器产生很 大的内应力，引起变形；如果不采用气体冷却或液体冷却，则降温时间会很长， 它不但影响欧姆接触，而且影响生产效率。金属加热器反复加热会引起热疲劳使得加热器变形和产生裂纹。 发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种半导体外延片的压焊方法，该方法不 需要通过热阻加热方式给压焊金属加热，可以防止热阻加热方式中的压焊金属 由于热扩散而影响外延片的欧姆接触性能，该方法可最大程度的避免热阻加热 方式给外延片造成的品质劣化。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案 一种半导体外延片的 压焊方法，包括如下步骤定位步骤将待焊接的外延片和基板置于夹合装置上的工作台上，使外延 片和基板的焊接面通过定位装置进行定位对接；电磁焊接步骤接通电磁线圈，并通过焊接机构上的夹合装置对外延片和 基板施加夹合压力，通过电磁线圈发出的电磁波来加热外延片或基板上的压焊 金属，使外延片和基板压焊在一起。优选地，所述定位步骤包括将待焊接的外延片和基板置于工作台上的定 位环的孔内。在焊接机构包括定位盘的情况下，进一步改进是将待焊接的基 板置于工作台上的定位环孔底部的下定位盘上，或者直接将待焊接的基板置于 工作台上的定位孔底部；再将外延片置于基板上；最后将上定位盘置于外延片 上。上述优选方式需要手工完成。当然，外延片和基板也可以采用电脑自控方 式对接，即让机械手通过电脑精确的计算和控制辅以感应器的定位来实现外延 片和基板的对接。优选地 一个外延片和一个基板组成一对焊接体，多对所述焊接体层叠起 来置于所述工作台上进行压焊。 一次将多对焊接体进行焊接的方式，可以大大提高焊接效率。优选地所述外延片和所述基板中至少其中一个的焊接面上有焊接金属。 优选地所述电磁线圈发出的加热电磁波的频率范围是高频或者中频。优选地所述电磁线圈内有用于冷却的冷却管，在对外延片和基板焊接过 程中，焊接机构中的冷却装置同时工作，冷却装置通过冷却管给电磁线圈进行 冷却；冷却方式为液体冷却或者气体冷却。对电磁线圈的冷却，可以延长电磁 线圈的寿命，当然，主要还是使工作环境处于一个较为低温的环境下，这样可 以尽量避免外延片和基板的劣化。优选地所述夹合装置工作时，夹合装置通过设在夹合装置上的冷却装置 冷却；冷却方式为液体冷却或者气体冷却。优选地所述压焊过程在大气环境下进行；或者在所述电磁焊接步骤前， 将焊接机构置于真空装置中，将真空装置内的空气抽出，使压焊过程在真空环 境下进行。将夹合装置及其工作台设于真空装置内，真空环境可以使整个倒封 装工艺出于无尘的工作环境下，有利于提高外延片的加工质量。另外也可以出 于成本考虑将夹合装置置于空气中，使整个工作环境置于自然条件下。优选地，所述电磁焊接步骤包括接通电磁线圈后，加热外延片至20(TC 1063°C，然后再用夹合装置给外延片施加压力，再保温一定的时间至外延片和 基板通过压焊金属层压焊在一起；电磁焊接步骤完成后，停止感应加热和撤除 压力。加热温度由压焊金属的熔点决定，常用的压焊金属Sn的熔点在231.89 °C，而Au的熔点是1063°C，而AuSn的熔点是280。C。 本发明的有益效果如下相比现有技术，本发明采用了电磁感应加热方式，通过在所述工作台周围设 置电磁线圈，来实现对所述压焊金属的熔化，使外延片和基板焊接在一起。本发明这种焊接方式中由电磁线圈产生的电磁感应只会对压焊金属和基板等具有 导电性的物质有加热作用，而对传递压力的夹合构件没有加热作用。因而实现 同样的温度压焊，压焊装置里的热容将大大降低，这样可以获得更快的升温速 率。由于夹合构件不产生热或产生较少的热，所以整个压焊装置的升温速率和 降温速率很快，这样对保护外延片的欧姆接触不被破坏很有好处。由于升温速 率和降温速率很快，这样可以明显提高生产速率。
图1是本发明涉及的构造实施例一的结构示意图。图2是本发明涉及的构造实施例二的结构示意图。 图3是本发明涉及的构造实施例三的结构示意图。 图4是本发明涉及的构造实施例四的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种半导体外延片的压焊方法。该方法涉及的焊接机构的压焊 结构包括设于工作台旁的电磁线圈，外延片和基板处于在电磁线圈的电磁场可 以作用的范围内。通过电磁线圈给压焊金属加热，使外延片和基板实现倒装焯 接。本发明的实施方式以铟镓铝氮外延片与基板之间的倒封装压焊为例。本发 明采用电磁感应加热，对外延片和基板进行压焊，具有升温速率快、不易破坏 外延片的欧姆接触的特点。构造实施例一，参看图1所示。首先在铟镓铝氮外延片101上制备欧姆接 触层和金属压焊层(即待压焊的压焊金属)，并在基板102上制备欧姆接触层和 金属压焊层。如果基板102是金属的，则基板102上没有必要制备欧姆接触层。 当然，也可以是仅有外延片上或基板的其中一个的焊接面上具有压焊金属层。 对外延片101和基板102施加压力的夹合装置包括施压构件107和承压构件106。施压构件107其压力的来源可以是气压传递的压力，也可以是液压传递的压力。 为了获得高质量的焊接产品，施压构件107和压力源构件之间的联接必须是诸 如万向节之类的活动联接，以使得外延片101上能获得均匀的压力。承压构件 106要求是固定的，不活动。施压构件107和承压构件106之间形成焊接外延片 101和基板102的工作台。施压构件107和承压构件106的端面要求是经过了研 磨抛光的端面，且具有一定的平整度和平面度。另外可以考虑给施压构件107 和承压106构件进行冷却，即在两个夹合构件中至少一个夹合构件中设置液体 或气冷管装置。通过将外延片101和基板102之间的压焊金属融化来焊接外延片和基板的 加热装置主体为电磁线圈108。电磁线圈108通过电磁感应来加热压焊金属，电 磁线圈108设于工作台外围。电磁线圈108是圆柱状的螺旋电磁线圈。电磁线 圈108为多圈的螺旋状柱形，它将整个工作台、施压构件107的工作前端和承 压构件106的工作前端环包起来。电磁线圈108为中空线圈，其中空腔体为冷 却管，冷却管与液冷或气冷装置连接，这样的冷却结构可以给工作中的电磁线 圈108冷却降温，以使其保持良好的工作状态。包括本发明的压焊结构的整个压焊(或焊接)机构可以设置在一个真空装 置里面，也可以是暴露在大气中。也可以是除电磁线圈之外的其它部件处在真 空腔体里面，而电磁线圈在腔体外面，此时真空腔体靠近电磁线圈的部位其材 料要求是诸如石英之类的绝缘材料。本实施例的定位装置主要由对外延片和基板进行定位的定位环104、上定位 盘105和下定位盘103构成。上定位盘105和下定位盘103是对外延片和基板 进行上下方向定位的，其由比热容小于中碳钢的陶瓷构成。下定位盘10置于承 压构件106上的与基板接触的部位上，定位环104置于下定位盘103上。基板102置于下定位盘103上，外延片101置于基板102上，上定位盘105置于外延 片101上，施压构件107置于上定位盘105上。定位环104其材料优选为陶瓷 或石英等绝缘的非金属材料，并且定位环的内孔和上定位盘105之间有时当的 间隙。上定位盘105和下定位盘103均是经过双面研磨抛光并且具有一定平面 度和厚度一致性的陶瓷构件，也可以是石英等比热容比较小的其它非金属材料， 其总厚度变化一般不易太大。为了保证上定位盘和下定位盘具有一定的机械强 度，要求上定位盘和下定位盘的厚度不能太小，同时为使其热容量比较小，其 厚度也不能太大。本实施例适合于一个外延片和一个基板的压焊。该结构电磁线圈108设于 工作台外围。如果将电磁线圈整合到定位环104中，则此时，电磁线圈设于工 作台上。压焊前，将外延片101和基板102之间的压焊金属层叠放在一起，放置在 定位盘(上定位盘105和下定位盘103)内。将叠放在一起的外延片101和基板 102放入定位盘时，外延片可以朝上，也可以朝下。基板至少有一个面是经过抛 光的，其压焊面是抛光面。基板和外延片的衬底其总厚度变化均要求小于10微 米。压焊过程在大气环境下进行。如果将压焊机构置于真空中压焊的话，则在电磁焊接步骤前，需将焊接机 构置于真空装置中，将真空装置内的空气抽出，使压焊过程在真空环境下进行。压焊时，先通过电磁感应加热外延片至20(TC以上，然后再给外延片施加压 力。加热温度视压焊金属的成分而定如果压焊金属是AuSn，其熔点是28(TC， 加热温度一般控制在两百多度即可；如果是熔点为1063。C的纯Au，则加热温度 相对要高很多。所以加热外延片的温度范围一般在20(TC 1063'C之间。加温后，然后保温一定时间，使得外延片和基板通过压焊金属层压焊在一起，最后停止 感应加热和撤除压力。这样就完成了外延片和基板之间的压焊。电磁线圈发出 的加热电磁波的频率范围是高频或者中频，频率越高，可以给压焊金属提供的 加热能量也越多，压焊金属所升的温度也越高。频率的选择根据实际压焊金属 来确定。电磁线圈内有用于冷却的冷却管，在对外延片和基板焊接过程中，焯 接机构中的冷却装置同时工作，冷却装置通过冷却管给电磁线圈进行冷却。冷 却方式为液体冷却或者气体冷却。如果夹合装置内安置有冷却装置，夹合装置 工作时，夹合装置也可以通过设在夹合装置上的冷却装置冷却。由于感应加热时除外延片和基板会产生感生电流外，其余构件由于是绝缘 的不会产生感生电流，所以外延片和基板可以达到较高的升温速率，也具有较 快的降温速率。完成外延片和基板的焊接后，最后将外延衬底去除，就实现了 铟镓铝氮薄膜从外延衬底到新基板的转移，它可以制备成上电极和下电极结构 的发光器件。压焊的需要的电磁波是根据实际需要进行控制选取的，电磁波的频率范围 可以是高频，也可以是中频。夹合构件上的与外延片和基板基础的基础部位，优选为陶瓷或石英等材质。 也可以选用受电磁波影响较小、工作状态下发热较少的半导体、其它绝缘体材 料或者某些金属物质。构造实施例二，如图2所示。 一个外延片和一个基板组成一对焯接体，本 实施例结构是为了提高生产效率，在构造实施例一结构上的改进结构，它可以 一次对多个焊接体进行焊接。这种结构需要加长定位环204和加厚的上定位盘 205和下定位盘203。施压构件207、承压构件206和电磁线圈208同实施例一 结构。外延片201和基板202组成的焊接体层叠起来置于工作台上进行焊接即可，因为是电磁线圈的感应电流加热外延片和基板，所以所有的外延片和基板 具有一致的升温速率，其生产效果和实施例单一焊接效果一样优良，这样来大 大提高焊接的效率。构造实施例三，参看图3所示。相比构造实施例一的结构，本构造实施例 的定位装置没有定位盘，而只有定位环303。定位环303置于由施压构件305和 承压构件304夹合而成的工作台上。定位环303固定在承压构件304的上端面 上。外延片301和基板302置于定位环303的孔内。另外，本发明涉及的构造实施例还可以不包括定位装置的结构。此时，外 延片和基板最好采用电脑自控方式对接，即让机械手通过电脑精确的计算和控 制辅以感应器的定位来实现外延片和基板的焊接点对接。在没有定位装置的情 况的这种结构，万向节可以安装在承压构件上，而不安装在施压构件上，使承 压构件顺应施压构件进行角度调整，这种结构要求承压构件不宜有较大的转动 范围，否则，外延片和基板不宜固定在定位环内。除此以外，还可以在施压构 件和承压构件上同时安装万向节，前提是，承压构件不能有太大的转动范围。构造实施例四，如图4所示。相比构造实施例一，本构造实施例结构的承 压构件403下方设有平面状线圈407。且定位环404较厚，以实现多组焊接体的 同时焊接。而且定位装置由定位环404和上定位盘405构成，没有下定位盘。 焊接体的外延片401和基板402叠加在定位环404的孔内，定位环404置于承 接构件403上。在焊接体上置有上定位盘405。上定位体405上为施压构件406。 由于电磁感应的感生电流具有趋肤效应，焊接体内的温度具有一致性，焊接效 果也非常理想。另外，平面状线圈407还可以设于承压构件403内。如果该结 构包括下定位盘，则平面状线圈407还可以设于下定位盘内，这样平面状线圈 置于工作台上了。当然，这种平面状的电磁线圈还可以设于承压构件或施压构件内部。本发明通过电磁线圈给外延片和基板上的压焊金属加热，来完成焊接。电 磁线圈设于工作台上或工作台外围，所谓的工作台上或者工作台外围指的是电 磁线圈的电磁感应可以作用到压焊金属的范围。电磁线圈结构和位置并不局限 于上述实施例的结构和位置关系。另外，电磁线圈的电磁场可以作用的有效范 围内，本发明涉及的结构包括的施压构件、承压构件、定位装置上均不含有可 以产生明显有千扰作用的涡流发热材料，即本发明结构上的各部件所含有的金 属、非金属部分是根据实际需要选用的、在额定电磁频率下无明显涡流热效应 的物质。非金属材料可以为绝缘体或者半导体。绝缘体优选为陶瓷或石英。这 是出于成本和取材难易程度上的考虑，另外，除了陶瓷和石英以外，还可以采 用其它的材料，诸如岩石、有机绝缘体甚至具有特殊结构的半导体材料，当然 不是所有半导体材料都合适本发明，只有没有明显涡流热效应的半导体才可以 适合本发明。包括电磁线圈设于真空装置外部情况，真空装置接近电磁线圈部 位也需为上述没有明显涡流热效应的物质。以避免造成不必要的高温环境和电 能的浪费。
权利要求
1. 一种半导体外延片的压焊方法，包括如下步骤定位步骤将待焊接的外延片和基板置于夹合装置上的工作台上，使外延片和基板的焊接面通过定位装置进行定位对接；电磁焊接步骤接通电磁线圈，并通过焊接机构上的夹合装置对外延片和基板施加夹合压力，通过电磁线圈发出的电磁波来加热外延片或基板上的压焊金属，使外延片和基板压焊在一起。
2、 根据权利要求1所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于所述定位 步骤包括将待焊接的外延片和基板置于工作台上的定位环的孔内。
3、 根据权利要求2所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于将待焊 接的基板置于工作台上的定位环孔底部的下定位盘上，或者直接将待焊接的基 板置于工作台上的定位孔底部；再将外延片置于基板上；最后将上定位盘置于 外延片上。
4、 根据权利要求2所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于 一个外 延片和一个基板组成一对焊接体，多对所述焊接体层叠起来置于所述工作台上 进行压焊。
5、 根据权利要求1或2或4所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于-所述外延片和所述基板中至少其中一个的焊接面上有焊接金属。
6、 根据权利要求1所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于所述电 磁线圈发出的加热电磁波的频率范围是高频或者中频。
7、 根据权利要求1或2或3或4或6所述的半导体外延片的压焊方法，其 特征在于所述电磁线圈内有用于冷却的冷却管，在对外延片和基板焊接过程中，焊接机构中的冷却装置同时工作，冷却装置通过冷却管给电磁线圈进行冷却；冷却方式为液体冷却或者气体冷却。
8、 根据权利要求1所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于所述夹 合装置工作时，夹合装置通过设在夹合装置上的冷却装置冷却；冷却方式为液 体冷却或者气体冷却。
9、 根据权利要求1或2或3或4所述的半导体外延片的压焊方法，其特征 在于所述压焊过程在大气环境下进行；或者在所述电磁焊接步骤前，将焊接 机构置于真空装置中，将真空装置内的空气抽出，使压焊过程在真空环境下进 行。
10、 根据权利要求1所述的半导体外延片的压焊方法，其特征在于所述电 磁焊接步骤包括接通电磁线圈后，加热外延片至20(TC 1063'C，然后再用夹 合装置给外延片施加压力，再保温一定的时间至外延片和基板通过压焊金属层 压焊在一起；电磁悍接步骤完成后，停止感应加热和撤除压力。
全文摘要
本发明公开了一种半导体外延片的压焊方法，该方法不需要通过热阻加热方式给压焊金属加热，可以防止热阻加热方式中的压焊金属由于热扩散而影响外延片的欧姆接触性能，该方法可最大程度的避免热阻加热方式给外延片造成的品质劣化一种。本发明包括如下步骤定位步骤将待焊接的外延片和基板置于夹合装置上的工作台上，使外延片和基板的焊接面通过定位装置进行定位对接；电磁焊接步骤接通电磁线圈，并通过焊接机构上的夹合装置对外延片和基板施加夹合压力，通过电磁线圈发出的电磁波来加热外延片或基板上的压焊金属，使外延片和基板压焊在一起。本发明由于升温速率和降温速率很快，可以明显提高生产速率。
文档编号H01L33/00GK101267012SQ20081010683
公开日2008年9月17日 申请日期2008年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者江风益, 熊传兵, 立 王, 王古平, 章少华 申请人:晶能光电(江西)有限公司