JP2005109432A - Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子を歩止まり良く且つ短時間で分離する。
【解決手段】サファイア基板１上にIII族窒化物系化合物半導体層２を積層して、LED素子を形成した(A)。ダイヤモンドブレードを使用するダイサーによって、格子枠状の分離線に沿って、幅約３０μｍの半導体層除去部を形成した。次に研磨により、サファイア基板１の厚さを100μmまで薄肉化した(B)。波長355nm、ビーム径約20μmのレーザビームをスポット径0.8μmとなるよう集光し、ウエハに粘着シート３を張り付けて表面の素子を保護して移動させながら、サファイア基板１の内部に加工変質部分４を断続的に形成した。(C)。次にダイヤモンドスクライバで、分離線に沿ってスクライブライン５を入れた(D)。こうして押割（ブレーキング）により、スクライブライン５を切断面の発生位置としてクラックを拡大させて素子を分離した(E)。
【選択図】図１

Description

本発明は基板上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関する。本発明は、特に、基板上に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子を歩留まり良く且つ短時間で分離して、個々のIII族窒化物系化合物半導体素子を得るための製造工程に関する。

III族窒化物系化合物半導体素子の製造、例えばＬＥＤ等の製造においては、基板としてサファイアやスピネルなどが用いられている。これらの材料の基板はシリコンやガリウムヒ素を用いた基板と異なり、加工が容易でなく、基板上にIII族窒化物系化合物半導体を積層して得られるウエハを個々の素子に分割する際、他の半導体素子とは異なり困難が伴う。特にサファイアを用いる場合、主面に対し斜め方向に存在するＲ面の影響等でチップ側面が主面に対し垂直とならない場合が多く、不良品が多く発生している。

そこで、レーザを用いる分離方法が提案されている。例えば特許文献１及び２のような技術がある。
特開平１１−１６３４０３号公報 特開平１１−１７７１３７号公報

上記２文献には、ダイサーによる溝の形成を併用する例も挙げられているが、基本的にはレーザにより表面又は表面近傍の基板内部に連続したスクライブラインを形成し、当該スクライブラインによって切断面を発生させて個々の素子に分離する技術が開示されている。

レーザにより、基板表面又は裏面にスクライブラインを形成することは、溶融領域を形成することである。この技術により発光素子を分離形成すると、チップ側面に光取り出し効率を低下させる溶融層（再固化層）が形成されてしまい、問題となる。

また、ダイサーで数十μmの溝を形成しようとすると、加工時間が長くなって生産性が低下する。また、ダイサーブレードの消耗も激しく、コスト高となる。更には、ダイシング時に発生する素子のチッピングを防止できないので、品質が悪化する。

本発明は上記の課題を解決するため、パルスレーザを用い、連続したスクライブラインでなく、内部に断続的に加工変質部分を設け、ダイヤモンドスクライバによる表面のスクライブラインとでサファイア基板を分離することにより完成された。

請求項１に係る発明は、サファイア基板に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子を分離して個々のIII族窒化物系化合物半導体素子とする製造方法において、分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層を除去し、サファイア基板の厚さを50〜120μmとし、パルスレーザを集光させることにより厚さ方向の加工変質部分をサファイア基板の内部に分離予定面に沿って断続的に形成し、分離予定面に沿ってサファイア基板面にダイヤモンドスクライバでスクライブラインを形成し、外力を加えることにより、ダイヤモンドスクライバによりサファイア基板面に形成されたスクライブラインと、サファイア基板の内部に断続的に形成された加工変質部分とを通過する切断面にてサファイア基板を分離切断することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法である。ここで加工変質部分とは、サファイア基板内のレーザ照射により溶融し、再固化した改質領域や多光子吸収による改質領域などを言うものとする。尚、この場合において、レーザ照射による溶融、再固化に伴い生じる微小なクラックの発生も含むものとする。

請求項２に係る発明は、スクライブラインは、III族窒化物系化合物半導体素子の形成されていない、サファイア基板の裏面側に形成されることを特徴とする。また、請求項３に係る発明は、分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、エッチングにより行うことを特徴とする。また、請求項４に係る発明は、分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、ダイサーにより行うことを特徴とする。また、請求項５に係る発明は、分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、レーザにより除去すべきIII族窒化物系化合物半導体層を溶融又は分解して行うことを特徴とする。

サファイア基板面に連続して形成されたスクライブラインが、切断が開始する、即ち切断面が発生する起点となる。この切断面は、サファイア基板内部にパルスレーザにより断続的に形成された加工変質部分を通るように成長していく。これは加工変質部分が、溶融等により結晶の連続性を失ったため、結晶方位の影響を受けにくくなったからである。尚、厚さ方向の断続的に形成された加工変質部分は、パルスレーザをサファイア基板面から厚さ方向に照射し、ウエハを所望の送り速度で移動することで極めて容易に実現できる。この時、III族窒化物系化合物半導体層にレーザが照射されると、少なからず溶融や分解が生じるため、予め分離予定線（分離予定面と基板面との交線）付近のIII族窒化物系化合物半導体層を除去しておく。

このようなレーザ加工は、ダイサーによる溝形成の50倍以上の速さで実現できる。また、レーザによる溝形成に比較しても5倍以上速く、厚さ方向の断続的に形成された加工変質部分を形成するためのレーザのエネルギーも、溝形成に比べて100分の1以下とできる。エネルギーの消費量が少ないので、加工時に発生する熱による素子への悪影響も低減できる。

スクライブラインを裏面に形成すると、表面側に粘着シートを貼り付けてブレーキングするのに都合が良い。III族窒化物系化合物半導体の溶融や分解を避けるための、分離線近傍のIII族窒化物系化合物半導体層の除去はエッチング又はダイサーにより行うと良い。或いはレーザを照射して除去すべきIII族窒化物系化合物半導体層を溶融又は分解してもよい。

本発明を実施する対象であるサファイア基板上に形成されるIII族窒化物系化合物半導体素子の構成等は、何ら限定されない。分離線近傍に、レーザ照射により悪影響を受ける構造さえなければ、いかなる素子も本願発明を適用できる。以下に本願発明の最良の実施形態を示すが、本願発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

本発明のパルスレーザとしては、波長は紫外光が望ましい。また、パルス幅は１マイクロ秒以下が良い。更にレンズによる集光により、エネルギー密度は10⁸W/cm²以上とすると良い。例えば一辺300〜500μmのチップに分離するには、厚さ方向に伸びた線状の加工変質部分をチップの一辺あたり5個以上、好ましくは10〜30個形成する。

加工変質部分の形成位置は、例えばスクライブラインに接していても良い。サファイア基板内部に形成する場合はスクライブラインからサファイア基板厚さの１／３程度の位置に形成することが良い。勿論、加工変質部分は線状に形成されるので、例えば厚さ方向の１／５乃至２／５付近に形成すると良い。

厚さ方向に伸びた線状の加工変質部分は、例えば２段、３段に形成しても良い。その際、各段の厚さ方向に伸びた線状の加工変質部分は、各々一直線上に２個、３個と形成しても、格段で加工変質部分が異なる直線上に形成しても良い。

ダイヤモンドスクライバによるスクライブラインは、必ずしも深い溝が必要ではない。

サファイア基板は厚さを50〜120μmとして、分離を行う。より好ましくは80〜100μmである。

以下、図を用いて本願発明の実施態様を説明する。尚、本願発明は以下の説明内容に限定されるものではない。また、各図においては、本発明の本質を説明するため、極めて簡略化した図を用いるが、以下に説明する通り、各図に基づいて、本発明は通常のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法に適用できるものである。

図１は本発明の具体的な実施例を説明するための工程図（断面図、切断予定面に対して垂直）である。Ａ面を主面とする厚さ約300μmのサファイア基板１上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層して、約3000個のｐｎダブルヘテロ接合構造の青色ＬＥＤ素子を形成した（図１．Ａ）。当該素子部分の積層構造については簡略化し１の符号２で示す。電極を含まないで、III族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は約5μmである。まず、ダイヤモンドブレードを使用するダイサーによって、各格子内が１の青色ＬＥＤ素子となる格子枠状の分離線に沿って、幅約30μmの半導体層除去部を形成した。次に研磨により、サファイア基板１の厚さを100μmまで薄肉化した（図１．Ｂ）。

次にＹＡＧレーザの第３次高調波（波長355nm）を用い、ビーム径約20mmのレーザビームをレンズによってスポット径0.8μmとなるよう調整した。こうして、ウエハに粘着シート３を張り付けて表面の素子を保護し、送り速度300mm/秒で移動させながら、平均出力0.5W、パルス周波数30kHz、パルス幅10ナノ秒、光学効率15%でサファイア基板１の内部に加工変質部分４を断続的に形成した。尚、レーザの集光位置はサファイア基板１の裏面から30μmの位置とした（図１．Ｃ）。

次にダイヤモンドスクライバで、分離線に沿って罫描線（スクライブライン）５を入れた（図１．Ｄ）。こうして押割（ブレーキング）により、罫描線（スクライブライン）５を切断面の発生位置としてクラックを拡大させて素子を分離した（図１．Ｅ）。

このようにして分離したIII族窒化物系化合物半導体素子の側面（サファイア基板の切断面）のＳＥＭ写真を図２．Ａと図２．Ｂに示す。図２．Ａと図２．Ｂは１個の素子の互いに垂直な２つの側面であり、各々３枚の写真をつなぎ合わせたものである。図２．Ａ及びＢでは、各々１７箇所の加工変質部分が裏面（写真で下）から20〜40μmの位置に形成されている。図２．Ｂでは側面は平らではないが、スクライブラインから半導体層側に垂直に分割されていて、チップ形状は極めて良好であるといえる。また、上記の通り、レーザの走査は送り速度300mm/秒であるので、極めて短時間に１枚のウエハを処理することが可能である。

〔比較例〕
レーザによる加工変質部分を形成せず、裏面からのダイヤモンドスクライバのみによる素子分離を行った場合の素子側面のＳＥＭ写真を図３．Ａ、図３．Ｂに示す。図３．Ａのように、面としては平らであるが、図３．Ｂで正面となっている切断面（側面）の外形線が平行四辺形状となっていることから分かるように、図３．Ａで正面となっている切断面（側面）は傾斜しており、所望の形状にチップ化されていないことが分かる。

実施例１では、ダイサーによって、格子枠状の分離線に沿って幅約３０μｍの半導体層除去部を形成したが、これをエッチングによりサファイア基板面を露出させるようにした他は、全く同様にして素子を分離した。尚、エッチングはドライエッチングであり、塩素系ガスを用いたプラズマエッチングを使用した。このようにして分離した素子は、切断面は垂直でその表面も極めて良好であった。

レーザの照射位置をサファイア基板１の裏面から30μmと60μmとして、２度レーザを照射して線状の加工変質部分４を２段に形成した他は実施例１と同様にして素子を分離した。側面の様子は概略図４．Ａ又は図４．Ｂのようであった。このようにして分離した素子は、切断面は垂直でその表面も極めて良好であった。

図５は本発明の具体的な他の実施例を説明するための工程図（断面図、切断予定面に対して垂直）である。本実施例は除去すべきIII族窒化物系化合物半導体層をレーザにより溶融、分解して除去する他は、実施例１と同様に行った。

Ａ面を主面とする厚さ約300μmのサファイア基板１上にIII族窒化物系化合物半導体層を積層して、約3000個のｐｎダブルヘテロ接合構造の青色ＬＥＤ素子を形成した。この上に、フォトレジストを用いて、分離線近傍に帯状の格子状の窓を形成したマスク６を形成した（図５．Ａ）。素子部分の積層構造については簡略化し１の符号２で示すのは図１と同様である。電極を含まないで、III族窒化物系化合物半導体層の総膜厚は約5μmである。次に、マスク６の窓部の格子枠状の分離線に沿って、ビーム径約25μmのレーザを照射し、幅約30μmの半導体層除去部を形成した（図５．Ｂ）。次に研磨により、サファイア基板１の厚さを100μmまで薄肉化し、フォトレジストからなるマスク６を除去した。

次にＹＡＧレーザの第３次高調波（波長355nm）を用い、ビーム径約20mmのレーザビームをレンズによってスポット径0.8μmとなるよう調整した。こうして、ウエハに粘着シート３を張り付けて表面の素子を保護し、送り速度300mm/秒で移動させながら、平均出力0.5W、パルス周波数30kHz、パルス幅10ナノ秒、光学効率15%でサファイア基板１の内部に加工変質部分４を断続的に形成した。尚、レーザの集光位置はサファイア基板１の裏面から30μmの位置とした（図５．Ｃ）。

次にダイヤモンドスクライバで、分離線に沿って罫描線（スクライブライン）５を入れた（図５．Ｄ）。こうして押割（ブレーキング）により、罫描線（スクライブライン）５を切断面の発生位置としてクラックを拡大させて素子を分離した（図５．Ｅ）。このようにして得られた各素子は、実施例１で得られた素子と同様にスクライブラインから半導体層側に垂直に分割されていて、チップ形状は極めて良好であった。

本発明の具体的な実施例１に係るIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法を示す工程図（断面図、切断予定面に対して垂直） 実施例に係る素子の側面のＳＥＭ写真 実施例に係る素子の他の側面のＳＥＭ写真 比較例に係る素子の側面のＳＥＭ写真 比較例に係る素子の他の側面のＳＥＭ写真 実施例３で得られたIII族窒化物系化合物半導体素子の側面の加工変質部分の様子を示す図。 本発明の具体的な実施例４に係るIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法を示す工程図（断面図、切断予定面に対して垂直）

符号の説明

１：サファイア基板
２：III族窒化物系化合物半導体層
３：粘着シート
４：加工変質部分
５：スクライブライン
６：フォトレジストにより形成されたマスク

Claims (5)

1. サファイア基板に形成されたIII族窒化物系化合物半導体素子を分離して個々のIII族窒化物系化合物半導体素子とする製造方法において、
   分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層を除去し、
   サファイア基板の厚さを50〜120μmとし、
   パルスレーザを集光させることにより厚さ方向の加工変質部分を前記サファイア基板の内部に分離予定面に沿って断続的に形成し、
   分離予定面に沿って前記サファイア基板面にダイヤモンドスクライバでスクライブラインを形成し、
   外力を加えることにより、前記ダイヤモンドスクライバにより前記サファイア基板面に形成されたスクライブラインと、前記サファイア基板の内部に断続的に形成された加工変質部分とを通過する切断面にてサファイア基板を分離切断することを特徴とするIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
2. 前記スクライブラインは、III族窒化物系化合物半導体素子の形成されていない、前記サファイア基板の裏面側に形成されることを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
3. 前記分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、エッチングにより行うことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
4. 前記分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、ダイサーにより行うことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。
5. 前記分離予定線付近のIII族窒化物系化合物半導体層の除去を、レーザにより除去すべきIII族窒化物系化合物半導体層を溶融又は分解して行うことを特徴とする請求項１に記載のIII族窒化物系化合物半導体素子の製造方法。

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