JP2014232866A - 発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】発光素子および光学部材を有して成る発光装置の製造方法が提供される。本発明に係る発光装置の製造方法は、(i)原子層堆積法によって発光素子および光学部材のそれぞれの接合面に水酸基膜を形成する工程、ならびに、(ii)水酸基膜が形成された接合面を互いに接合させる工程を含んで成り、工程(i)では、少なくとも第1原料ガスおよび第2原料ガスを接合面に順次供給するサブ工程を少なくとも1回繰り返し、工程(ii)では、加熱処理せずに接合を実施することを特徴としている。
【選択図】図4
Description
● 透光性部材や蛍光体などの光学部材を発光素子の成長基板などに接合するには、樹脂接着剤が従来から用いられている。しかしながら、発光素子の半導体材料として用いられる窒化物半導体や、その半導体材料の成長基板として用いられるサファイア基板などは、いずれも樹脂接着剤に比べて屈折率が高い場合が多いので、発光素子と樹脂接着剤との界面で全反射が起きやすい。それゆえ、発光素子から光学部材への光の伝播率が低くなり、結果として発光装置からの光取り出し効率が低くなってしまう。
● 接着剤を用いずに発光素子と光学部材とを直接接合することも考えられる。直接接合する方法としては、表面活性化接合法や原子拡散接合法が知られている(例えば、特許文献1および特許文献2の発光装置は、発光素子と光学部材とを表面活性化接合法で直接接合して製造されるものである。また、例えば特許文献3には、2つの基体のそれぞれの平滑面に金属薄膜を形成し、それら平滑面を重ね合わせて薄膜の原子拡散を生じさせて基体を接合する原子拡散接合法が開示されている)。しかしながら、表面活性化接合法や原子拡散接合法は、超高真空装置を用いる必要があるので、生産のスループットが低く、接合のための装置自体が高価なものとなる。特に表面活性化接合法は、一般的にSiO2等のSi系酸化物の接合ができないという制約がある。すなわち、レンズなどの材料として用いられるSi系酸化物を含有したガラス材料につき接合が制約されてしまう。一方、原子拡散接合法は、接合のために用いられる金属による光吸収の影響が懸念され、この金属の光吸収により光取り出し効率が低下する虞がある。
● 発光装置における構成要素の接合には特に用いられていないものの、直接接合する一般的な方法としては、水酸基接合法(例えば、非特許文献1参照)がある。しかしながら、かかる水酸基接合法では、接合に際して熱処理を行う必要があるので、付加的なプロセスを要する点でコスト的・時間的には望ましいといえず、また、かかる熱処理自体が発光装置の構成要素に熱負荷をもたらし得る。また、水酸基結合法では、接合面に対して水酸基を均一に形成することが、良好な接合を行う上で重要となり得る。この点、例えば接合面にプラズマ処理を行った後に水で洗浄する水処理を行うことで水酸基を形成することができる。しかしながら、かかる水洗浄によって水酸基を形成する親水化処理は、必ずしも信頼性が高くなく、また、定量的に水酸基を形成することも難しい。更には、水洗浄後に接合面においてウォータ・マークなどとして残る汚れが接合性に与える悪影響も懸念される。
発光素子および光学部材を有して成る発光装置の製造方法であって、
(i)原子層堆積法によって発光素子および光学部材のそれぞれの接合面に水酸基膜を形成する工程、ならびに
(ii)水酸基膜が形成された接合面を互いに接合させる工程
を含んで成り、
工程(i)では、少なくとも第1原料ガスおよび第2原料ガスを接合面に対して順次供給するサブ工程を少なくとも1回繰り返し、それによって接合面に水酸基膜を形成し
工程(ii)では、加熱処理せずに接合を実施することを特徴とする。
まず、図1を参照して、本発明の製造方法で得られる発光装置の構成について説明する。図1(a)に示すように、発光装置1は、発光素子10と光学部材20とが互いに接合された構成を有している。例えば、発光素子10としてはLEDチップが用いられ、光学部材20としては透光性の板状部材が用いられる。図1(b)に示す発光装置1はパッケージ形態を有している。即ち、図示するように、発光装置は実装基板30に実装され、封止部材40で封止されている(パッケージ形態の発光装置は参照番号“1A”として示される)。
次に、本発明に係る発光装置の製造方法を説明する。本発明は、発光素子および光学部材を有して成る発光装置の製造方法であって、(i)原子層堆積法によって発光素子および光学部材のそれぞれの接合面に水酸基膜を形成する工程、ならびに、(ii)水酸基膜が形成された接合面同士を互いに接合させる工程を含んで成る。
次に、図4を参照して、本発明の製造方法に係る1つの好適な具体的な実施態様について説明する。なお、製造する発光装置としては、図1(b)に示した構成を有する発光装置1Aを例にとる(半導体材料としては、窒化物半導体を例にとる)。
発光素子準備工程S11は、個片化された状態の発光素子10を準備する工程である。即ち、図1(a)に示されるような構成を有する発光素子10を得る工程である。
光学部材準備工程S12は、光学部材20を準備・作製する工程である。光学部材20がサファイアから成る板状部材である場合、かかる板状部材として、上述した発光素子準備工程S11で用いた成長基板11と同じサファイア基板を用いてよく、あるいは、それから厚さまたはサイズなどを変更したウエハ状態のサファイア基板を用いてもよい。また、所定厚さとなるように、ウエハ状態のサファイア基板の裏面に研磨処理を施してもよい。
平坦化工程S13は、発光素子準備工程S11で得られた発光素子10、および、光学部材準備工程S12で得られた光学部材20に対して、それら接合面が所定の表面粗さとなるように平坦化する工程である。
次いで、工程(i)として、水酸基形成工程S14を実施する。かかる水酸基形成工程S14では、発光素子10の接合面および光学部材20の接合面のそれぞれに水酸基を導入する。
て、水酸基膜、即ち、「水酸基で終端された膜」を形成する。かかる水酸基形成工程S14の詳細については後述する。
次いで、冷却工程S15において、ALD法による水酸基形成工程S14で加熱された発光素子10および光学部材20を冷却する。好ましくは水酸基形成工程S14における処理温度よりも低い温度にまで、より好ましくは常温にまで発光素子10および光学部材20を冷却する。かかる冷却工程S15は、水酸基形成工程S14を行うための反応容器から発光素子10および光学部材20を取り出し、常温下の室内に放置して放冷に付すことによって行ってよい。
次いで、工程(ii)として接合工程S16を実施する。かかる接合工程S16では、冷却工程S15によって常温にまで冷却された発光素子10および光学部材20の接合面を互いに対向させ、それら接合面を接触させる。つまり、常温接触処理によって工程(ii)の接合を行う。特定の理論に拘束されるわけではないが、かかる常温接触処理によって、互いの接合面に形成された水酸基間に水素結合が生じ、それによって、発光素子10と光学部材20とが接合する。上述したように、本発明では、原子層堆積法に起因して水酸基膜がその表面にてより均一に分布した水酸基を備えるので、仮にかかる水素結合であっても、発光素子10と光学部材20とが好適に接合され得る。
次いで、個片化工程S17を実施する。つまり、ダイシング法またはスクライブ法などにより、ウエハ状態の光学部材20を発光素子10の配列の間隙で割断する。これにより、発光素子10と光学部材20とが接合した発光装置1(図1(a)参照)が個片化される。
次いで、実装工程S18において、個片化された発光装置1を実装基板30へとフェイスダウン実装する。この際、発光装置1のn側電極13nの電気接続は実装基板30の配線用電極32nおよびバンプ33nを介してなされると共に、発光装置1のp側電極13pの電気接続は、実装基板30の配線用電極32pおよびバンプ33pを介してなされる。
次いで、封止工程S19において、実装基板30に実装された発光装置1の外周を封止部材40で封止する。封止部材40としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂材料、ガラスなどの無機材料などを適宜に用いることができる。封止方法は特に限定されるものではないが、例えば、金型を用いた圧縮成形法やトランスファー成形法を利用してよい。また、実装基板30の外縁に土手を設け、適度な粘性を有する封止部材40の材料を滴下するポッティング法を用いて封止処理を行ってもよい。
まず、プラズマ処理工程S101において、発光素子10の接合面である成長基板11の第2主面および光学部材20の接合面に対してプラズマ処理を施す。プラズマ処理に用いるプラズマ種としては、アルゴン・プラズマ、酸素プラズマおよび/または窒素プラズマなどを適宜用いることができる。プラズマ処理は、接合面に付着している油膜などの汚れや、その他の不要元素を除去するとともに、表面を改質して、次工程の水接触で接合面に水酸基を付与しやすくするための処理である。
次いで、水処理工程S102として、プラズマ処理された接合面を、ディッピングや噴霧などにより水洗浄する。即ち、接合面を水に晒すことにより親水化させる。これにより、接合面に水酸基が付与され、ALD法の成膜プロセスのための初期状態が準備される。
次いで、プリベーク工程S103として、発光素子10および光学部材20の接合面を、オーブンを用いて加熱するベーキング処理を行う。本実施態様では、TMAを第1原料ガスとし、水蒸気を第2原料ガスとして用いることによって、「終端が水酸基となる膜」を形成する。良好に成膜を行うためには、成膜前の接合面に吸着している余剰な水分などをできる限り蒸発除去することが好ましい。
次いで、試料設置工程S104として、水酸基膜の成膜を行うために、試料を反応容器(不図示)に投入する。この反応容器には、第1原料ガス供給ライン、第2原料ガス供給ライン、窒素ガス供給ラインおよび真空ライン(何れも不図示)などが接続されている。
次いで、成膜前保管工程S105として、試料を保管した反応容器内を、例えばロータリーポンプが接続された真空ラインを介して低圧状態にし、反応容器内の状態を安定化させる。また、この際、反応容器内に窒素ガスを導入し、空気などの不要物を反応容器から排気する。
次いで、第1原料ガス供給工程S106として、TMAを反応容器に導入する。TMAは、第1原料ガスとして常温の蒸気として導入する。TMAを導入後、導入したTMAが試料の全面に行き渡るまで所定の時間待機して、試料の全面で反応させる。なお、第1原料ガス供給工程S106の所要時間に対して、TMAの蒸気は例えば0.001〜1秒などの短時間で反応容器に導入する。
次いで、第1排気工程S107を実施する。具体的には、反応容器と真空ラインとを連通させると共に、窒素ガスを導入し、反応に寄与しなかった過剰のTMAおよび副生成物を反応容器から排気する。なお、本工程における副生成物とはメタンガスである。
次いで、第2原料ガス供給工程S108として、水(H2O)を反応容器に導入する。水は、常温の蒸気として気体状態で導入する。水導入後、導入した水が試料の全面に行き渡るまで、所定の時間待機する。なお、水の導入は、TMAの導入と同様に行うことができる。
次いで、第2排気工程S109を実施する。具体的には、反応容器と真空ラインとを連通させると共に、窒素ガスを導入し、反応に寄与しなかった過剰の水および副生成物を反応容器から排気する。
本実施例では、発光素子に相当する部材として、3インチのサファイアウエハを用いた。また、光学部材に相当する部材として、同サイズのサファイアウエハ及び直径3mmのサファイアレンズを用いた。また、TMA及び水を原料として、ALD法により1サイクルの成膜プロセスを実施して、各部材の接合面に水酸基を形成した。ALD法による成膜時の部材温度は約100℃とした。また、ALD法による成膜後に室温にまで冷却してから接合を行った。つまり、常温接触処理によって接合を実施した。
本発明の製造方法に従って、図1(b)に示すような構成を有する発光装置を作製した。
チップ化したLEDを、チップ仮配列用の治具基板上に、サファイア基板を上向きにして配列した。なお、接合面は、Raが1nm以下の表面粗さとなるようにCMP法により研磨した。
構造体として、サファイアからなる平板を準備した。なお、接合面は、算術平均粗さRaが1nm以下の表面粗さとなるようにCMP法により研磨した。
LEDチップ及び構造体をALD装置に投入し、少なくとも1サイクルの成膜を実施した。
ADL装置からLEDチップ及び構造体を取り出し、室温まで放冷した。
治具基板上に配列したLEDチップのサファイア面と、平板であるサファイアの接合面とを対向させ、両面を常温下で接合させた。接合の際、プレス装置を用いて均一に加重をかけた。
サファイア平板に接合されたLEDチップから治具基板を剥離した。
サファイア平板を、配列しているLEDチップの間で割断した。これによって、サファイアからなる構造体が接合されたLEDチップを得ることができた。
サファイアからなる構造体が接合されたLEDチップを実装基板にフェイスダウン実装し、更に樹脂モールドを行ってLEDチップを封止した。
Claims (14)
- 発光素子および光学部材を有して成る発光装置の製造方法であって、
(i)原子層堆積法によって前記発光素子および前記光学部材のそれぞれの接合面に水酸基膜を形成する工程、ならびに
(ii)前記水酸基膜が形成された前記接合面を互いに接合させる工程
を含んで成り、
前記工程(i)では、少なくとも第1原料ガスおよび第2原料ガスを前記接合面に対して順次供給するサブ工程を少なくとも1回繰り返し、
前記工程(ii)では、加熱処理せずに前記接合を実施することを特徴とする、発光装置の製造方法。 - 前記工程(i)と前記工程(ii)との間において、前記発光素子および前記光学部材を常温にまで冷却することを特徴とする、請求項1に記載の発光装置の製造方法。
- 前記発光素子および前記光学部材の前記接合面を常温下で互いに接触させて接合させる常温接触処理によって、前記工程(ii)の前記接合を行うことを特徴とする、請求項1または2に記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1原料ガスとして、前記接合面に予め導入された水酸基に対して反応性を呈するガスを用いる一方、
前記第2原料ガスとして、前記接合面の前記水酸基と反応した前記第1原料ガスの官能基に対して置換反応性を呈するガスを用いることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の発光装置の製造方法。 - 前記工程(i)の前記原子層堆積法に先立って、前記発光素子および前記光学部材の少なくとも一方の前記接合面をプラズマ処理に付して水に晒すことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記工程(i)の前記水酸基膜として厚さ1〜5nmの膜を形成することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記光学部材が透光性を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1原料ガスとして、TMA(トリメチルアルミニウム)、TEOS(テトラエトキシシラン)、TDMAS(トリスジメチルアミノシラン)、TEMAH(テトラキスエチルメチルアミノハフニウム)、TEMAZ(テトラキスエチルメチルアミノジルコニウム)およびTDMAT(テトラキスジメチルアミノチタン)から成る群から選択される少なくとも1種を気体状態で用いることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記第2原料ガスとして、水、過酸化水素およびオゾンから成る群から選択される少なくとも1種を気体状態で用いることを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記第1原料ガスとして前記TMAを用いる一方、前記第2原料ガスとして前記水を用いることを特徴とする、請求項8に従属する請求項9に記載の発光装置の製造方法。
- 前記工程(i)に先立って、前記発光素子および前記光学部材の少なくとも一方の前記接合面に対して平坦化処理を施すことを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記接合面の算術平均粗さRaが1nm以下となるように前記平坦化処理を施すことを特徴とする、請求項11に記載の発光装置の製造方法。
- 前記発光素子は、サファイア基板を備えた半導体層から構成され、該サファイア基板が前記接合面を有することを特徴とする、請求項1〜12のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
- 前記光学部材は、前記発光素子が発光する光の波長と異なる波長の光へと変換する波長変換部材となっていることを特徴とする、請求項1〜13のいずれかに記載の発光装置の製造方法。
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