CN102881662A - 光器件晶片的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光器件晶片的加工方法，在将移设基板接合到隔着缓冲层层叠在蓝宝石基板表面的光器件层后，从蓝宝石基板的背面侧向缓冲层照射激光光线，从而能够可靠地破坏缓冲层而不损伤光器件层并可靠地剥离蓝宝石基板。该方法用于将蓝宝石基板从光器件晶片剥离，其包括：将移设基板接合于光器件层的表面的移设基板接合工序；从蓝宝石基板侧照射脉冲激光光线来破坏缓冲层的缓冲层破坏工序；以及将所述光器件晶片的蓝宝石基板剥离并将光器件层转移到移设基板的蓝宝石基板剥离工序，将脉冲激光光线的波长设定为比蓝宝石基板的吸收限长且比缓冲层的吸收限短，并且将所述脉冲激光光线的脉冲宽度设定为使得热扩散长度在200nm以下。
Description
技术领域
本发明涉及光器件晶片的加工方法，该光器件晶片的加工方法用于将蓝宝石基板从光器件晶片剥离，所述光器件晶片在蓝宝石基板的表面隔着缓冲层层叠有由n型氮化镓半导体层及p型氮化镓半导体层等构成的光器件层。
背景技术
在光器件制造工序中，在大致圆板形状的蓝宝石基板的表面隔着缓冲层层叠有由n型半导体层及p型半导体层构成的光器件层，并且在由呈格子状地形成的多个间隔道划分开的多个区域形成有发光二极管、激光二极管等光器件，从而构成光器件晶片。接着，将光器件晶片沿间隔道分割，从而制造出一个个的光器件。（例如，参照专利文献1。）
而且，作为提高光器件的冷却效果及亮度的技术，在下述专利文献2中公开了下述被称作提离（リフトオフ）的制造方法：将钼（Mo）、铜（Cu）、硅（Si）等移设基板隔着金（Au）、铂（Pt）、铬（Cr）、铟（In）、钯（Pd）等接合金属层接合到光器件层，通过从蓝宝石基板的背面侧向缓冲层照射光线来剥离蓝宝石基板，将光器件层转移至移设基板，所述光器件层由隔着缓冲层层叠在构成光器件晶片的蓝宝石基板的表面的n型半导体层及p型半导体层构成。
专利文献1：日本特开平10-305420号公报
专利文献2：日本特表2004-72052号公报
不过，由于所述缓冲层的厚度为很薄的1μm左右并且是由与n型半导体层及p型半导体层所形成的光器件层相同的半导体层形成的，所以难以做到照射激光光线而仅破坏缓冲层，并且由于剥离了蓝宝石基板后的缓冲层的表面存在250nm以上的凹凸而变得粗糙，因此存在着需要对该缓冲层的表面进行研磨的问题。
而且，如果在缓冲层侧装配有金属基板的话则会整体地发生翘曲，存在着难以将激光光线的聚光点准确地定位于缓冲层的问题。
发明内容
本发明正是鉴于所述事实而完成的，其主要的技术课题就是提供一种光器件晶片的加工方法，对于隔着缓冲层层叠在构成光器件晶片的蓝宝石基板的表面的光器件层，在将移设基板接合于所述光器件层后，能够通过从蓝宝石基板的背面向缓冲层照射激光光线来可靠地破坏缓冲层而不会使光器件层受到损伤，从而能够可靠地将蓝宝石基板剥离。
为了解决所述主要的技术课题，根据本发明，提供一种光器件晶片的加工方法，该光器件晶片的加工方法用于从光器件晶片剥离蓝宝石基板，所述光器件晶片在蓝宝石基板的表面隔着缓冲层层叠有由n型半导体层及p型半导体层构成的光器件层，所述光器件晶片的加工方法包括下述工序：移设基板接合工序，在该工序中，将移设基板接合于光器件层的表面；缓冲层破坏工序，在该工序中，从接合有移设基板的光器件晶片的蓝宝石基板侧向光器件层的表面照射脉冲激光光线从而破坏缓冲层；以及蓝宝石基板剥离工序，在该工序中，将缓冲层被破坏了的光器件晶片的蓝宝石基板剥离并将光器件层转移至移设基板，将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定得比蓝宝石基板的吸收限（吸収端）长且比缓冲层的吸收限短，将所述脉冲激光光线的脉冲宽度设定成使得热扩散长度在200nm以下。
优选的是，所述缓冲层是氮化镓（GaN），将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的脉冲宽度设定在200ps以下，更为优选的是，将所述脉冲激光光线的脉冲宽度设定在100ps以下。
而且，优选的是，将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为150～355nm，更为优选的是，将所述脉冲激光光线的波长设定为150～250nm。
根据本发明的光器件晶片的加工方法，由于将在缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为比蓝宝石基板的吸收限长且比缓冲层的吸收限短，并且将所述脉冲激光光线的脉冲宽度设定成使得热扩散长度在200nm以下，因此脉冲激光光线的能量被缓冲层消耗，不会对光器件层造成损伤。而且，热扩散长度为很短的200nm，因而脉冲激光光线的能量在热扩散长度的范围内沿缓冲层与蓝宝石基板的交界面被吸收，因此，即使能量是高斯分布也能进行与高帽形状分布同等的加工。并且，因为热扩散长度为很短的200nm，因而脉冲激光光线在到达缓冲层的瞬间就在热扩散长度的范围内被吸收，因此即使蓝宝石基板存在翘曲，脉冲激光光线的聚光点偏离缓冲层，也能够可靠地仅破坏缓冲层。而且，由于在剥离了蓝宝石基板后的缓冲层的表面粗糙度为能够容许的100nm以下的凹凸，因而不需要研磨等后续处理。
附图说明
图1是通过本发明的光器件晶片的加工方法加工的光器件晶片的立体图以及将主要部分放大示出的剖视图。
图2是本发明的光器件晶片的加工方法的移设基板接合工序的说明图。
图3是本发明的光器件晶片的加工方法的移设基板粘贴工序的说明图。
图4是本发明的光器件晶片的加工方法的用于实施缓冲层破坏工序的激光加工装置的主要部分立体图。
图5是本发明的光器件晶片的加工方法的缓冲层破坏工序的说明图。
图6是本发明的光器件晶片的加工方法的蓝宝石基板剥离工序的说明图。
图7是示出蓝宝石和氮化镓（GaN）的光透射曲线的图。
图8是示出氮化镓（GaN）的热扩散长度与脉冲宽度的关系的说明图。
标号说明
2：光器件晶片；
20：蓝宝石基板；
21：光器件层；
22：缓冲层；
3：移设基板；
4：接合金属层；
5：激光加工装置；
51：激光加工装置的卡盘工作台；
52：激光光线照射构件；
522：聚光器；
F：环状框架；
T：粘贴带。
具体实施方式
下面，参照附图详细地说明本发明的光器件晶片的加工方法的优选的实施方式。
图1是通过本发明的光器件晶片的加工方法加工的光器件晶片的立体图以及将主要部分放大示出的剖视图。
图1所示的光器件晶片2在大致圆板形状的蓝宝石基板20的表面20a通过外延生长法形成有由n型氮化镓半导体层211及p型氮化镓半导体层212构成的光器件层21。另外，当在蓝宝石基板20的表面通过外延生长法层叠由n型氮化镓半导体层211及p型氮化镓半导体层212构成的光器件层21时，在蓝宝石基板20的表面20a与形成光器件层21的n型氮化镓半导体层211之间形成缓冲层22。另外，光器件层21不限于由氮化镓（GaN）形成，还可以由磷化镓（GaP）、磷化铟镓（GaInP）、砷化铟镓（GaInAs）、磷砷化铟镓（GaInAsP）、磷化铟（InP）、氮化铟（InN）、砷化铟（InAs）、氮化铝（AlN）、砷化铝镓（AlGaAs）等形成。而且，缓冲层22由与光器件层同种的半导体形成。如此构成的光器件晶片2在图示的实施方式中形成为蓝宝石基板20的直径是50mm且厚度是600μm、缓冲层22的厚度是1μm、光器件层21的厚度是10μm。另外，如图1的（a）所示，光器件层21在由呈格子状地形成的多个间隔道23划分开的多个区域形成有光器件24。
如上所述，为了将光器件晶片2中的蓝宝石基板20从光器件层21剥离并将光器件层21转移到移设基板，实施将移设基板接合到光器件层21的表面21a的移设基板接合工序。即，如图2的（a）和图2的（b）所示，将由铜基板构成的移设基板3隔着由金锡构成的接合金属层4接合于光器件层21的表面21a，所述光器件层21形成于构成光器件晶片2的蓝宝石基板20的表面20a。该移设基板接合工序是通过在形成于蓝宝石基板20的表面20a的光器件层21的表面21a或者移设基板3的表面3a蒸镀所述接合金属而形成厚度为3μm左右的接合金属层4，使该接合金属层4与移设基板3的表面3a或者与光器件层21的表面21a面对并进行压接，从而能够将移设基板3的表面3a隔着接合金属层4接合于构成光器件晶片2的光器件层21的表面21a。另外，移设基板3被设定为直径是50mm且厚度是1mm。
在所述移设基板接合工序实施后，实施移设基板粘贴工序，在该移设基板粘贴工序中，将移设基板3粘贴在光器件层21的表面21a，并且将由铜基板构成的移设基板3粘贴于在环状框架安装的粘贴带的表面，其中，所述移设基板3接合于构成光器件晶片2的光器件层21的表面21a，所述光器件晶片21形成于构成光器件晶片2的蓝宝石基板20的表面20a。即，如图3所示将与构成光器件晶片2的光器件层21的表面21a接合的移设基板3的背面3b侧粘贴到在环状框架F安装且由聚烯烃等的合成树脂片构成的粘贴带T的表面。因而，与粘贴在粘贴带T的表面的移设基板3接合的光器件晶片2的蓝宝石基板20位于上侧。
在所述移设基板粘贴工序实施后，实施缓冲层破坏工序，在该缓冲层破坏工序中，从在光器件层21的表面接合有移设基板3的光器件晶片2的蓝宝石基板20侧照射脉冲激光光线来破坏缓冲层22。该缓冲层破坏工序在图示的实施方式中是使用图4所示的激光加工装置5实施的。图4所示的激光加工装置5具备：卡盘工作台51，其用于保持被加工物；和激光照射构件52，其对保持在所述卡盘工作台上的被加工物照射脉冲激光光线。
所述卡盘工作台51构成为将被加工物吸附保持在上表面即保持面，并且该卡盘工作台51通过未图示的加工进给构件沿图4中箭头X所示的方向加工进给，并且通过未图示的分度进给构件沿图4中箭头Y所示的方向分度进给。
所述激光照射构件52包括实质上水平地配置的圆筒形状的壳体521。在壳体521内配设有脉冲激光光线振荡构件，所述脉冲激光光线振荡构件具备未图示的脉冲激光光线振荡器及重复频率设定构件。在所述壳体521的末端部安装有聚光器522，所述聚光器522用于对从脉冲激光光线振荡器振荡发出的脉冲激光光线进行聚光。
参照图4及图5说明使用所述激光加工装置5实施的缓冲层破坏工序。
在实施缓冲层破坏工序时，首先如所述的图4所示将所述粘贴有移设基板3的粘贴带的一侧载置于激光加工装置的卡盘工作台51上，使未图示的抽吸构件动作而将光器件晶片2抽吸保持在卡盘工作台51上，所述移设基板3接合于光器件晶片2。因而，保持在卡盘工作台51上的光器件晶片2的蓝宝石基板20的背面20b位于上侧。另外，在图4中省略了安装粘贴带T的环状框架F地进行图示，环状框架F由配设在卡盘工作台51的适当的框架保持构件所保持。
如上所述在将接合有移设基板3的光器件晶片2抽吸保持在卡盘工作台51上之后，如图5的（a）所示地将卡盘工作台51向激光光线照射构件52的聚光器522所在的激光光线照射区域移动，将所述卡盘工作台51的一端（在图5的（a）中是左端）定位于激光光线照射构件52的聚光器522的正下方。接下来，使聚光器522照射的脉冲激光光线的聚光点P如图5的（b）所示地对准缓冲层22。然后，使激光光线照射构件52动作，一边从聚光器522照射脉冲激光光线一边使卡盘工作台51沿图5的（a）中箭头X1所示的加工进给方向以预定的加工进给速度移动。接着，如图5的（c）所示，当蓝宝石基板20的另一端（在图5的（c）中是右端）到达激光光线照射构件52的聚光器522的照射位置后，停止脉冲激光光线的照射，并且停止卡盘工作台51的移动（缓冲层破坏工序）。在缓冲层22的整个表面实施该缓冲层破坏工序。其结果是，缓冲层22被破坏，由缓冲层22实现的将蓝宝石基板20与光器件层21结合起来的结合功能丧失。
所述缓冲层破坏工序中的加工条件例如如下设定。
光源 ：YAG激光器
波长 ：257nm
重复频率 ：50kHz
平均输出功率：0.12W
脉冲宽度 ：100ps
光斑直径 ：
70μm
散焦 ：1.0mm(在激光光线定位在蓝宝石基板的表面的状态下，将聚光器向蓝宝石基板靠近1mm)
加工进给速度：600mm/秒
以所述加工条件实施缓冲层破坏工序的话，光斑直径是
70μm的脉冲激光光线以12μm的光斑间隔、83%的光斑重叠率照射光器件层21。
另外，在所述缓冲层破坏工序中，示出了一边使激光光线照射构件52动作来从聚光器522照射激光光线，一边使对接合有移设基板3的光器件晶片2进行抽吸保持的卡盘工作台51沿加工进给方向呈直线状地移动的例子，不过也可以让卡盘工作台51一边旋转一边沿加工进给方向或者分度进给方向移动从而呈旋涡状地照射激光光线。
在所述缓冲层破坏工序实施后，实施将蓝宝石基板20从光器件层21剥离的蓝宝石基板剥离工序。即，通过实施缓冲层破坏工序使得与蓝宝石基板20和光器件层21接合的缓冲层22被破坏而丧失结合功能，因而能够如图6所示地容易地将蓝宝石基板20从光器件层21剥离。
在此，说明在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长。
重要的是，将在缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定得比蓝宝石基板的吸收限长且比缓冲层的吸收限短。即，需要将在缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为能够透射蓝宝石基板到达缓冲层，并通过由缓冲层吸收而破坏缓冲层。图7是示出蓝宝石和氮化镓（GaN）的光透射曲线的图。在图7中，横轴表示波长（nm），纵轴表示光透射率（%）。如图7所示，蓝宝石的吸收限是150nm，氮化镓（GaN）吸收限是355nm。因而，在缓冲层是氮化镓（GaN）的情况下，优选将在缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为150～355nm，更为优选将所述脉冲激光光线的波长设定为氮化镓（GaN）的光透射率（%）较低的150～250nm范围。
另外，形成缓冲层的其他物质的吸收限为，砷化铟为270nm左右，氮化铝为280nm左右，磷化铟为380nm左右，砷化铝镓为350nm左右。
接着，对在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的脉冲宽度进行说明。
重要的是，将在缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的脉冲宽度设定为使得热扩散长度在200nm以下的脉冲宽度。通过设定为使得热扩散长度在200nm以下的脉冲宽度，脉冲激光光线的能量被缓冲层所消耗，不会使光器件层受到损伤。即，如果设定为热扩散长度大于200nm的脉冲宽度的话，则在破坏缓冲层的同时光器件层也会受到损伤。另外，由于热扩散长度为很短的200nm，脉冲激光光线的能量在热扩散长度的范围内沿与蓝宝石基板的交界面被吸收，即使能量是高斯分布也能进行与高帽形状分布同等的加工。并且，由于热扩散长度为很短的200nm，脉冲激光光线在到达缓冲层的瞬间就会在热扩散长度的范围内被吸收，因此，即使在蓝宝石基板存在翘曲，脉冲激光光线的聚光点偏离缓冲层，也能够可靠地仅破坏缓冲层。并且，由于剥离了蓝宝石基板后的缓冲层的表面粗糙度为能够容许的100nm以下的凹凸，因而就不需要研磨等后续处理。
图8示出了氮化镓（GaN）的热扩散长度（nm）与脉冲宽度（ps）的关系。如图8所示，在缓冲层是氮化镓（GaN）的情况下，为使热扩散长度在200nm以下，优选将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为200ps以下，更为优选的是，将脉冲激光光线的脉冲宽度设定为热扩散长度（nm）减小的100ps以下。
另外，对于形成缓冲层的其他物质，使得热扩散长度（nm）在200nm以下的脉冲宽度分别为，磷化镓是150ps，磷化铟是250ps，砷化铟是500ps，氮化铝是50ps，砷化铝镓是150ps。
下面，对本发明的发明者等的实验结果进行说明。
（1）照射波长大于氮化镓（GaN）的吸收限即355nm的脉冲激光光线的话，所述脉冲激光光线会透射缓冲层对光器件层造成损伤，并且脉冲激光光线的能量损失也会变大。
（2）照射波长小于蓝宝石基板的吸收限即150nm的脉冲激光光线的话，蓝宝石基板会吸收脉冲激光光线的能量而对蓝宝石基板造成损伤，并且到达缓冲层的脉冲激光光线能量损失变大。
（3）照射氮化镓（GaN）的吸收率最高的波长（250nm）的脉冲激光光线的话，加工效率良好，并且缓冲层的表面粗糙度（凹凸）达到50nm以下。
（4）将脉冲宽度设定为1ns地照射脉冲激光光线的话，虽然能够可靠地破坏缓冲层，但裂纹会延伸到光器件层而对光器件造成损伤。
（5）将脉冲宽度设定为500ps地照射脉冲激光光线的话，虽然能够可靠地破坏缓冲层，但缓冲层的表面粗糙度（凹凸）达到500nm，需要进行研磨并去除凹凸的工序。而且，会有少量裂纹延伸到光器件层而对光器件造成损伤。
（6）将脉冲宽度设定为300ps地照射脉冲激光光线的话，虽然能够可靠地破坏缓冲层，但缓冲层的表面粗糙度（凹凸）达到300nm，需要进行研磨并去除凹凸的工序。
（7）将脉冲宽度设定为200ps地照射脉冲激光光线的话，能够可靠地破坏缓冲层。并且，缓冲层的表面粗糙度（凹凸）为100nm，属于容许范围内，不需要研磨。
（8）将脉冲宽度设定为100ps地照射脉冲激光光线的话，能够可靠地破坏缓冲层。并且，缓冲层的表面粗糙度（凹凸）为50nm，属于容许范围内，完全不需要研磨。
Claims (5)
1.一种光器件晶片的加工方法，所述光器件晶片的加工方法用于将蓝宝石基板从光器件晶片剥离，所述光器件晶片在蓝宝石基板的表面隔着缓冲层层叠有由n型半导体层及p型半导体层构成的光器件层，所述光器件晶片的加工方法的特征在于，
所述光器件晶片的加工方法包括：
移设基板接合工序，在该移设基板接合工序中，将移设基板接合于光器件层的表面；
缓冲层破坏工序，在该缓冲层破坏工序中，从在光器件层的表面接合有移设基板的光器件晶片的蓝宝石基板侧照射脉冲激光光线来破坏缓冲层；以及
蓝宝石基板剥离工序，在该蓝宝石基板剥离工序中，将缓冲层已被破坏的光器件晶片的蓝宝石基板剥离并将光器件层转移到移设基板，
将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为比蓝宝石基板的吸收限长且比缓冲层的吸收限短，并且将所述脉冲激光光线的脉冲宽度设定为使得热扩散长度在200nm以下。
2.根据权利要求1所述的光器件晶片的加工方法，
缓冲层为氮化镓，将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的脉冲宽度设定为200ps以下。
3.根据权利要求2所述的光器件晶片的加工方法，
将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的脉冲宽度设定为100ps以下。
4.根据权利要求2或3所述的光器件晶片的加工方法，
将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为150～355nm。
5.根据权利要求2或3所述的光器件晶片的加工方法，
将在所述缓冲层破坏工序中照射的脉冲激光光线的波长设定为150～250nm。
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