JP2005516415A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、半導体層が高原形状の空間的なビームプロフィールを有しているレーザビームによる照射によって基板から分離されるという、半導体素子、殊に薄膜素子を製造するための方法を記述する。更に半導体層が分離の前に整合されている熱膨張係数を有する支持板に被着される。本発明は殊に、窒化化合物半導体を含んでいる半導体層に適している。

Description

本発明は、半導体層が基板からレーザビームの照射により分離されるという、半導体素子の製造方法に関する。

この形式の方法は例えばＧａＮをベースとしている基板レスルミネセンスダイオードの製造に使用される。この種の素子は半導体基体と、該半導体基体が固定されている支持板部とを含んでいる。半導体基体を製造するためにまず、半導体層が適当な基板上に作られ、次いで支持板と連結されかつそれから基板から解離される。上に半導体層が配置されている支持板の分割、例えばソーイングカットにより、それぞれが相応の支持板部分に固定されている多数の半導体基体が生じる。ここで重要なのは、半導体層の製造のために使用される基板が半導体層から除去されかつ同時に素子中の支持板ないし支持板部分として用いられないことである。

この製造方法は、基板および支持板に対して異なった材料が使用されるという利点を有している。これによりそれぞれの材料を、一方において半導体層の製造に対する種々異なっている要求にかつ他方において作動条件にお互いにほぼ無関係に整合させることができる。すなわち支持板はその機械的、熱的および光学的な特性に相応して半導体層の形成のための基板に対する要求に無関係に選択することができる。

殊に半導体層のエピタキシ−製造では、エピタキシ−基板に対する数多くの特別な要求が課せられる。例えば、基板および被着すべき半導体層の格子定数は相互に整合されなければならない。更に、基板はエピタキシ−条件、殊に１０００℃を上回る温度に持ち堪えかつ当該の半導体材料のできるだけ均一な層のエピタキシャルな活着および成長に適したものでなければならない。

これに対して半導体基体の引き続く処理および作動のためには、例えば導電性および熱伝導性並びに光電素子の場合の放射透過性のような、支持板の別の特性が重視される。それ故にエピタキシー基板に適している材料は素子における支持板部分として適しているにしても制限がある場合が多い。更には、例えば炭化ケイ素基板のような比較的高価なエピタキシー基板の場合殊に、基板を何度か使用できるようにすることは望ましい。

上述した製造方法のために、半導体層の、基板からの解離は重要である。この解離は半導体と基板との境界面にレーザビームを照射することによって実現することができる。その際レーザビームは境界面の近傍で吸収されかつそこで半導体材料が分解されるように作用する。

半導体層の、基板からの分離は例えば、刊行物ＷＯ９８／１４９８６号に記載されているように、レーザ解離によって行うことができる。その際ＧａＮおよびＧａＩｎＮ層の、サファイア基板からの解離のために、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧレーザの、３５５ｎｍのところにある周波数３倍化放射が使用される。サファイア基板はこの波長の放射に対して透過である。放射エネルギーは、サファイア基板とＧａＮ半導体層との間の移行部における約１００ｎｍの厚さの境界層において吸収される。２００ｍＪ／ｃｍ^２の上方のパルスエネルギーでは、境界面において８５０℃以上の温度が実現される。ＧａＮ境界層はこの温度では窒素の発生下で分解され、半導体層と基板との結合が分離される。

この形式の方法では、半導体層の解離の際の不完全な材料分解に基づいて、半導体層上に基板残滓がくっついて残っているというおそれがある。例えば、このような形式および仕方でサファイア基板から分離されたＧａＮ層に顕微鏡的なサファイア体、いわゆる「解離体（Abplatzer）」が存在していることが多い。

このようなサファイア残滓の直径は典型的には、５μｍと１００μｍとの間にある。サファイア残滓のために半導体層の後続の処理は困難になりかつサファイアの高い機械的および化学的耐性に基づいて、その製造には比較的大きな手間がかかる。このために、解離された半導体層の一部しか引き続き処理されないまたは全体の層が使用不能になることにすらなりかねない。

普通は、解離されるべき半導体層の機械的な安定化が必要である。というのは、層厚は、そうしないと損傷、殊に層の断裂またはクラックのおそれが生じる危険がある程度に僅かであるからである。機械的な安定化のために、例えば、予め部分的にプロセス処理されていてもかまわない、半導体層と支持板との素材結合的な接続が適している。この形式の接続は少なくとも、それが後続の作製工程において生じる温度に損傷されずに持ち堪えるように非常に温度安定したものであるべきである。更に、この接続は、殊に素子の作動において発生する可能性がある温度の交番的な負荷においても安定状態を維持するものでなければならない。

支持板に半導体層を固定するために、接着剤が使用されることもある。その際出力が比較的高い場合、接着剤の制限された熱伝導性および導電性に基づいて問題が生じる可能性がある。この種の接着剤接続の制限された熱的な耐性のために更には、相応の素子の許容温度領域および結果的に最大限可能な損失電力が制限される。

本発明の課題は、半導体層がレーザビームを用いて基板から分離される半導体素子に対する改善された製造方法を開発することである。

この課題は、請求項１、２および１３のいずれか１つに記載の方法によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属請求項の対象である。

本発明によれば、半導体層をレーザビームを用いた照射によって基板から分離するようになっており、その際レーザビームは高原形状の、殊に矩形または台形のビームプロフィールを有している。このビームプロフィールによって、半導体層における基板残滓物の量が従来の分離方法に比べて著しく低減される。

高原形状のビームプロフィールとは、実質的に一定の強度分布を持った中心領域を有し、それにそれぞれ、下降する強度をもった側面領域が続いているという、レーザビームのトランスバーサルな強度分布の謂いである。有利には、中心領域におけるビーム強度の相対的な変動は５％より僅かである。

ビームプロフィールを一段と改善するために、レーザにビーム均質化器を後置するようにしてもよい。更に、レーザビームを半導体層に結像するために適当な光学系、例えば補正レンズ、減衰器。鏡、マスク構造体および／または投写器を含んでいることができるレンズ系を使用すると好適である。このような形式および手法で、材料分解のために必要であるエネルギー密度を、有利なビームプロフィールを劣化することなく調整設定することができる。

これに対して従来のレーザ分離方法において使用されるレーザは通例、ガウス形状のビームプロフィールを有している。この場合には、空間的に比較的著しく変化する、不均質なフィールド分配が半導体−基板境界面に生じ、結果的に種々異なった強さの材料分解が行われることになる。半導体層の後続の解離の際に、弱いまたは不完全な材料分解の個所で半導体層に基板残滓物がくっついたままになるというおそれが生じる。

有利には、本発明ではレーザビームはエキシマレーザによって生成される。エキシマレーザは通例、高原形状の、時として台形または矩形形式のビームプロフィールを有している。更に殊にレーザ媒体として希ガス−ハロゲン化合物を有するエキシマレーザでは、放出波長は窒化化合物半導体の解離のために特別適している紫外線のスペクトル領域にある。更に、典型的には１ｋＷおよび１００ＭＷの間にある、エキシマレーザにおけるパルスピーク出力は、レーザビームのマスク結像の際におよび複数のレンズを通過した後にもエネルギー密度が材料分解のために十分である程度に大きい。

材料分解のために必要であるビーム強度を実現するために、レーザに対してパルス化された作動が好適である。持続波作動におけるレーザに比べて、解離すべき半導体層の過熱のおそれも低減される。レーザ照射による熱の搬出はパルス化されたレーザではパルス持続時間およびパルス間隔の相応の選択によって最適に調整設定することができる。

比較的大きなラテラル方向の拡がりを有する半導体層では、半導体層の隣接配置されている個別領域を順次照射して、ビーム面が必要以上に拡幅されるのが回避されるようにすると有利である。レーザパルスのビーム出力ないしエネルギーが決まっている場合ビーム面を大きくしていくと強度は低下するので、ビーム拡幅が強すぎる場合分解しきい値、すなわち材料分解に必要であるエネルギー密度を下回りかつ半導体層の完全な解離が妨げられる可能性がある。

この場合、レーザビームおよび／または上に半導体層が存在している基板を、照射される個別領域が全体として面全体を充填する配置構成になるようにガイドすれば特別有利である。それはどういうことかというと、照射される面の大部分に、時間的に、すなわち照射の時間空間にわたって、積分されて近似的に一定の空間的な強度分布が生じることである。この近似的に一定の空間的な強度分布に基づいて、解離される半導体層は有利なほど僅かな量の基板残滓物を有しないかまたは残滓物なしということすらある。照射される個別領域の上に述べた面を充填する全体配置構成のために、高原形状の、殊に矩形形状の空間的なビームプロフィールが特別有利である。

本発明の有利な発展形態において、レーザビームは半導体層ないし半導体−基板境界面のところで、長手方向寸法および横断方向寸法を有するビーム面を有しており、ここで長手方向寸法は横断方向寸法より著しく大きい。有利には長手方向寸法は横断方向寸法より係数５ないし１０だけ大きいので、直線形式またはストライプ形式のビーム面が生じる。

半導体層は照射の期間、横断方向寸法に対して平行である方向に移動するので、照射の期間、直線形式またはストライプ形式のビーム面は解離すべき全体の半導体層を掃引する。照射の時間空間にわたって積分されてここでも、照射される半導体層の有利にも一定な強度分布が生じ、その際レーザビームに対して半導体層の簡単な直線的な運動で十分であるという点に別の利点がある。勿論それはこの場合、レーザビームが定置の場合の半導体層の運動によって並びに半導体層が定置の場合のレーザビームの相応のガイドによって実現することができる、半導体層とレーザビームとの間の相対運動である。

本発明において、半導体層と基板との間の直接的な境界面領域にレーザ放射を照射し、その結果放射エネルギーが境界面近傍で吸収されかつそこで材料分解が引き起こされるようにすることは有利である。このことは、基板がレーザ放射に対して透過でありかつ半導体層が基板を通して照射されることによって実現することができる。この配置構成の場合通例は、半導体層におけるレーザ放射の吸収は基板におけるレーザ放射の吸収より著しく大きく、その結果レーザビームは基板を殆ど損失なく通り抜けかつ高い吸収に基づいて境界面近傍で半導体層に吸収される。

放射吸収が必ずしも材料分解の場所で行われる必要はないことを指摘しておく。放射がまず別の場所で吸収されかつ引き続いて吸収された放射エネルギーの、材料分解の個所へのエネルギー搬送が行われるようにして、材料分解が実現されるようにすることもできる。場合によっては、放射が基板にも吸収されかつ引き続いて放射エネルギーが半導体層に搬送されるようにしてもよい。

本発明の別の観点において、半導体素子を製造するために、半導体層をレーザビームを用いて基板から分離するようになっており、その際分離の前に、半導体層は基板とは反対側で支持板に被着される、有利にははんだ付けされる。はんだ接続は、従来の接着剤接続に比べて高い熱伝導性および導電性によって特徴付けられている。

分離それ自体は有利には、既に説明した方法の１つに従って行われる。上に説明したこれらの分離方法においてはんだ接続が有利ではあるが、支持板と半導体層との間の接着剤接続も本発明の枠内にあることは勿論である。

はんだとして有利には、金を含有するはんだ、例えば金−錫はんだが使用される。この場合特別有利には、高い金成分、例えば６５重量パーセントと８５重量パーセントとの間にある金成分を有する金−錫はんだが特別有利である。

この種のはんだの溶融温度は典型的には２７８℃であり、従って電気的な素子のはんだ付けの際に通例生じる温度より高い。すなわち例えば、プリン基板にはんだ付けする際のはんだ付け温度は通例２６０℃より低い。これにより、素子のはんだ接合の際に半導体基体が支持板部から解離されることが妨げられる。

更に、はんだとして例えばパラジウム−インジウムはんだが適しており、その構成要素は約２００℃という比較的低い初期温度において混ぜ合わされ、かつ混ぜ合わされた後には有利には６６０℃を上回る高い溶融温度を有している。

この形式の接続は例えば、半導体層にインジウム層を被着しかつ支持板にパラジウム−インジウム層を被着しかつ引き続いて支持板および半導体層を高められた圧力下で約２００℃またはそれ以上という温度で接合することによって形成することができる。

勿論、パラジウム層を半導体層に被着しかつインジウム層を支持板に被着することもできる。更に、半導体層と金属層との間に、例えば半導体層の保護または良好な固着を保証する別の層を設けることも有利である。半導体上表面にチタン層、それからパラジウム層およびその上にインジウム層を備えている層列は、支持板上のパラジウム層との関連において特別有利である。

僅かな接触抵抗および有利なはんだ付け特性に関して、半導体層の、支持板の方を向いている方の側に、支持板にはんだ付けする前にコンタクト金属化部を設けるようにすれば好都合である。このために例えば白金−金金属化部が適している。

本発明の別の観点において、支持板の熱膨張係数ａ_Ｔが半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬおよび／または基板の熱膨張係数ａ_Ｓ並びに場合によってはビームプロフィールおよびレーザビームパルスのパルス長に整合されて選択されるようになっている。一般に、熱膨張係数の整合とは、製造の際に発生するないし作動中設定されている温度領域において半導体層および支持板に損傷が生じない程度に係数差が小さいことである。殊にこれにより、製造期間中の基板、半導体層および支持板間のストレスを著しく低減することができる。これにより、支持板および半導体層におけるクラック形成のおそれは著しく低減される。

この点本発明の枠内において、半導体層の解離のために使用されるレーザパルスのスポットプロフィール（強度プロフィール）が半導体上表面へのレーザショット後にしばしば認められることが観察された。ＧａＮ半導体層の解離の場合、ＧａＮの分解後に例えば、金属性のガリウムが表面に残される。発明者の研究によれば更に、レーザスポットの縁部にてＧａＮ材料中にクラックが生じ、それが材料の引き続くプロセス処理の際に半導体層がその下に存在している支持板から局所的に剥がれることがあることが分かった。

今や、とりわけ、熱的効果がその原因であることが発見された。ＧａＮ半導体層において例えば、ＧａＮの分解を実現するために、約８００℃ないし１０００℃の温度が局所的に半導体層中に実現されなければならない。レーザスポットの縁部のエネルギー密度が著しく低下すると、レーザスポットの内部に解離のために必要な温度を実現することができ、一方レーザスポットの直接的な周囲における半導体材料は比較的低温に留まる。

確かに、ＧａＮ表面で実現される温度が半導体層の層厚を介して著しく低下するが、半導体層の支持板側でレーザスポットの領域において更に４００℃までの温度が実現される。従って、局所的に異なっている、レーザスポットおよびスポットの外側における温度に基づいて、半導体層においても支持板においても一般に異なっている、半導体材料および支持板材料の熱膨張係数に基づいて引っ張り応力が生じ、それがレーザスポット縁部において半導体材料中にクラックの観察される形成を引き起こすことがある。

クラックのあるこの形式の半導体層の引き続くプロセス処理において例えば、酸がクラックに沿って半導体層の下方に侵入することがありかつそこで例えばボンディング金属化部を破壊するという問題が生じる。

本発明では有利にも、熱的な特性が適合された固有の支持板材料が使用される。その際支持板の熱膨張係数ａ_Ｔの選択のために殊に２つの工程、すなわちボンディングプロセスおよびレーザ照射が考慮される。

ボンディングプロセスにおいて、その上にエピタキシャル成長された半導体層を有する基板が支持板と一緒に全面的に、典型的には約４００℃の温度に加熱されかつ引き続いて再び徐々に室温に冷却される。このステップにおいて層列体、すなわち基板／半導体層／支持板のストレスのバランスは実質的に基板および支持板によって決定される。基板および支持板の熱膨張係数ａ_Ｓおよびａ_Ｔが相互に余りに強く異なっていると、層列体は冷却時に撓む可能性がある。支持板にクラックが形成される可能性もあるので、相応のチップはもはや十分な安定性を有していない。

この問題は図７に例示して示されている。そこに略示されている層列体２０では、サファイア基板２２上にＧａＮ半導体２１が成長されている。半導体層２１の、基板２２とは反対の側にコンタクト金属化部２３が付されている。コンタクト金属化部２３に支持板２４として約４００℃の温度でボンディングウェハがはんだ付けされている。

そこで支持板の熱膨張係数ａ_Ｔがサファイア基板の熱膨張係数ａ_Ｓより著しく小さいとすると、このボンディングステップにおいて支持板２４中にクラック２５が形成される可能性がある。

レーザ照射の際に半導体材料はレーザスポット内で局所的に、半導体材料の分解温度を上回る温度に加熱され、一方基板材料はレーザ放射の著しく僅かな吸収に基づいて冷たいままである。レーザ照射により半導体材料と基板との間の結合が分解によって解かれるので、半導体層および支持板の熱膨張係数ａ_ＨＬおよび_ａＴの差が層列体におけるストレスのバランスを定める。ａ_ＨＬおよび_ａＴの差が大きい場合、引っ張り応力が生じ、そのためにスポット縁部の個所において半導体材料にクラックが形成されることになる。

図８には、ＧａＮ層２１の、サファイア基板２２からの解離に対する問題点が再び示されている。層列体２０をエキシマレーザの短いレーザパルス２６で照射すると、レーザ放射はＧａＮ層２１の境界近傍の領域２７において吸収されかつそこに８００℃ないし１０００℃の温度を生成する。半導体層２１の、基板とは反対の側および接している領域２８において更に、約４００℃までの温度が実現される。レーザスポットの外側ではＧａＮ層２１およびコンタクト金属化部２３は比較的低温を維持する。レーザスポットにラテラル方向に直接隣接している領域２９および３０における温度は典型的には３００℃を大幅に下回ってる。ＧａＮ層２１および支持板２４ないしボンディングウェハの材料間の熱膨張係数が著しく異なっている場合には、エピタキシャルＧａＮ層２１にいわばクラック３１が生じる可能性がある。

それ故に、支持板およびエピタキシャル半導体層におけるクラック形成を回避するために、熱膨張係数ａ_Ｔが基板の熱膨張係数ａ_Ｓとも半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬともそう著しくは異なっていない支持板材料が選択されなければならない。適当な熱膨張係数ａ_Ｔの選択には、以下で一層詳細に説明するように、レーザ放射の放射プロフィールおよびパルス長も関係してくる。

本発明の方法の有利な形態において、支持板の熱膨張係数ａ_Ｔを基板の熱膨張係数ａ_Ｓよりも半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬに近接して選択するようにしている。この形式の選択により、半導体層におけるクラックの形成は効果的に低減するかまたは完全に回避することができる。

その際、支持板の熱膨張係数ａ_Ｔが基板の熱膨張係数ａ_Ｓとは４５％またはそれ以下、有利には４０％またはそれ以下だけ相異しているようにすれば、好適である。

殊に、熱膨張係数
ａ（Ａｌ_２０_３）＝７．５＊１０^−６Ｋ^−１
を有するサファイア基板に対して、熱膨張係数ａ_Ｔがａ（Ａｌ_２０_３）よりは下であるが、４．１２５＊１０^−６Ｋ^−１より大きい、殊に４．５＊１０^−６Ｋ^−１より大きい支持板材料が有利である。

半導体層の熱特性に関して、支持板の熱膨張係数ａ_Ｔが半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬとは３５％またはそれ以下、有利には２５％またはそれ以下だけ相異しているようにすれば有利である。例えば熱膨張係数
ａ（ＧａＮ）＝４．３＊１０^−６Ｋ^−１
を有するＧａＮベース形半導体層のような窒化化合物半導体層の解離の際には殊に、ａ（ＧａＮ）より大きいが、５．８＊１０^−６Ｋ^−１より小さい、殊に５．６＊１０^−６Ｋ^−１より小さい熱膨張係数ａ_Ｔを有する支持板材料が有利である。

従って、窒化化合物半導体層、例えばＧａＮ層またはＧａＩｎＮ層の、サファイア基板からの解離のために、４．１２５＊１０^−６Ｋ^−１と５．８＊１０^−６Ｋ^−１との間、殊に４．５＊１０^−６Ｋ^−１と５．６＊１０^−６Ｋ^−１との間の熱膨張係数を有する支持板が特別申し分なく適している。

熱膨張係数ａ_Ｔがこのように選択されている場合、半導体層を基板から分離するために、半導体層にクラック形成が生じることなく、レーザビームパルスの大きなパルス長、殊に１５ｎｓより長いパルス長を選択することができる。

本発明の特別有利な形態において、支持板はモリブデンを含んでいる。モリブデンの熱膨張係数
ａ（Ｍｏ）＝５．２１＊１０^−６Ｋ^−１
は例えばａ（ＧａＡｓ）＝６．４＊１０^−６Ｋ^−１を有するＧａＡｓの熱膨張係数よりａ（ＧａＮ）に著しく接近している。層列体モリブデン−ボンディングウェハ／ＧａＮ半導体層／サファイア基板の場合、上述したような、レーザ照射の際のクラック形成の問題は著しく低減されている。モリブデンは更に十分安定しているので、ボンディングの際またはボンディング温度から室温に冷却する際にクラックが生じない。

本発明の方法の別の有利な形態において、支持板は鉄−ニッケル−コバルト合金を含んでおり、これは同様に有利な熱膨張係数
ａ（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ）＝５．１＊１０^−６Ｋ^−１
を有している。

熱膨張係数
ａ（Ｗｏ）＝４．７＊１０^−６Ｋ^−１
を有しているタングステンも支持板に対する有利な材料であることが認められている。一般に、金属の支持板材料はその粘り強さに基づいてボンディングプロセスの期間および室温への冷却の期間に極めてクラックし難いことが分かっている。

本発明の枠内において、支持板の熱膨張係数の選択の際、比較的短いレーザパルスが使用されるとき、半導体層の熱膨張係数に関して一層大きな許容偏差を許容することもできる。すなわち本発明によれば、半導体層の、基板からの分離のために、レーザビームパルスの小さなパルス長、例えば１５ｎｓより小さなパルス長が選択されるとき、支持板の熱膨張係数ａ_Ｔは半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬとは３５％またはそれ以上異なっているようにすることができる。こうすれば殊に、短いパルス持続時間においてａ（ＧａＡｓ）＝６．４＊１０^−６Ｋ^−１を有するＧａＡｓボンディングウェハの使用が可能になる。

本発明の方法の有利な発展形態において、高原形状のビームプロフィールを有するレーザビームを用いた上に説明した解離方法において整合されている熱膨張係数を有する上に挙げた支持板を使用するようになっている。これには殊に、例えばレーザ活性媒体としてＸｅＦ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＫｒＣｌまたはＫｒＦを有するエキシマレーザの使用のような上述した有利な形態、矩形形状または台形形状の空間的な放射プロフィールの形態、２００ｎｍと４００ｎｍとの間にある放出波長の選択、適当な光学系および／またはビーム均質化器の後置接続または基板の、半導体層の複数の個別領域への連続的な照射も含まれている。

更に、既述したように、半導体層を、解離の前に有利には６５重量パーセントないし８５重量パーセントの高い金成分を有する金−錫はんだを用いてまたはパラジウム−インジウムはんだにより支持板にはんだ付けすることができ、その際任意選択的にその前に更に、半導体層の、基板とは反対の側に、例えば金および／または白金を含んでいる金属化部を被着することができる。

本発明の方法の別の利点として、熱的に整合された支持板の使用によって、過去において例えばエピタキシャルなＧａＮ層において支持板としてのＧａＡｓボンディングウェハとの関連において観察された、半導体層と支持板との間の固着が不十分であるという問題も解決されることが分かった。本発明の全体の層列体におけるストレスバランスのコントロールはボンディング金属化部も一緒に含めかつこれにより、上述の固着問題に関して効果的な方策を講ずる。

本発明は、窒化化合物半導体を含んでいる半導体層に対して殊に適している。窒化物化合物半導体は例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＩｎＮまたはＡｌＮのような化学元素の周期系の第３族および／または第５族の元素の窒化化合物である。その際半導体層は種々の窒化物化合物半導体の複数の個別層を含んでいるようにしてもよい。すなわち、半導体層は例えば、従来のｐｎ接合、二重ヘテロ構造、単一量子井戸構造（ＳＱＷストラクチャ）または多重量子井戸構造（ＭＱＷストラクチャ）を有していることができる。この種のストラクチャは当業者には公知であり、従ってここでは詳しく説明しない。有利には、発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオードのような光放出ダイオードのような、光電素子におけるこの形式のストラクチャが使用される。

一般に本発明の枠内において、窒化化合物半導体に対して殊に、砒化ガリウム、ゲルマニウム、モリブデン、シリコンまたは例えば鉄、ニッケルおよび／またはコバルトをベースにした合金を含んでいる支持板が適している。有利には上に列記した有利な材料モリブデン、タングステンまたは鉄−ニッケル−コバルト合金をベースにした支持板が使用される。

窒化化合物半導体層のエピタキシャル製造に対する基板として例えば、シリコン、シリコンカーバイドまたは酸化アルミニウムないしサファイア基板が適しており、その際サファイア基板は有利には半導体層の分離のために使用されるレーザビームに対して、殊に紫外線のスペクトル領域において透過性である。これにより、半導体層の解離の際に、基板を通した半導体層の照射が可能になる。

本発明の方法は、典型的には約５０μｍ以下の厚さを有する半導体層を有している薄膜チップに有利に適用することができる。薄膜チップは例えば、光電チップ、殊に例えばルミネセンスダイオードチップのような放射生成チップであってよい。

本発明のその他の要件、特長および有効果性は図１ないし８と関連した本発明の以下の３つの実施例の説明から明らかである。

その際：
図１Ａないし図１Ｅは、５つの中間工程に基づいて本発明の方法の第１実施例を略示し、
図２Ａおよび図２Ｂはそれぞれ、本発明の方法の第２実施例の２つの変形形態を略示し、
図３Ａおよび図３Ｂは、図２Ａに図示の方法におけるレーザビームのビームプロフィールを略示し、
図４は、図２Ａに図示の方法における結果生じる強度分布を略示し、
図５は、本発明の方法の第３実施例を略示し、
図６Ａないし図６Ｃは、ガウス形状の強度分布が使用される場合の製造方法を略示し、
図７は、支持板におけるクラックの生成を説明するための略図であり、
図８は、半導体層におけるクラックの生成を説明するための略図である。

同じまたは同じ作用をする要素には各図において同一の参照符号が付されている。

図１に図示の方法の第１の工程、つまり図１Ａにおいて、基板１に半導体層２が被着される。これは窒化化合物半導体、例えばサファイア基板にエピタキシャル成長されるＩｎＧａＮ層であってよい。更に、半導体層２は、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮまたはＩｎＡｌＧａＮを含んでいることができかつ基板１上に順次成長される複数の個別層から成るものであってもよい。

次の工程、図１Ｂにおいて、半導体層２に基板とは反対の側においてコンタクト金属化部３が付けられる。コンタクト金属化部３を用いて、半導体層２と後の工程で取り付けるべき電気的な接続部、例えば接続ワイヤとの間に僅かな接触抵抗が実現される。更に、コンタクト金属化部３は半導体層２のはんだ付け特性を改善する。

コンタクト金属化部３は例えば、薄い金および／または白金含有層の形で蒸着またはスパッタリングすることができる。

次に、コンタクト金属化部３に支持板４がはんだ付けされる（図１Ｃ）。はんだ５として、有利には金を含有しているはんだ、例えば金成分が６５重量パーセントと８５重量パーセントとの間にある金−錫はんだが使用される。この種のはんだ接続は高い熱伝導性および温度交番負荷下での高い安定性によって特徴付けることができる。

はんだ接続は３７５℃の接合温度において実現することができ、その際１．０ｂａｒより低い比較的僅かな接合圧力が必要である。この僅かな接合圧力により、半導体層が非常に薄い場合にも、半導体層２の機械的な損傷なしに支持板４との接続が可能になる。

支持板４として例えば、サファイアのような類似の熱膨張係数を有するＧａＡｓウェハを使用することができる。

有利にはモリブデンから成るボンドウェアの形の支持板４が設けられている。ボンドウェアの熱膨張係数ａ（Ｍｏ）＝５、２１＊１０^−６Ｋ^−１およびサファイア基板の熱膨張係数ａ（Ａｌ_２Ｏ_３）＝７、５＊１０^−６Ｋ^−１は相互に比較的接近しているので、熱的に引き起こされる、半導体層２中のストレスは僅かに抑えられる。更にモリブデンは十分に靱性であるので、ボンディングの際およびボンディング温度を室温に冷却する際に、モリブデンのボンディングウェハにクラックは生じない。

ＧａＡｓウェハに代わって、本発明においてＧｅウェハを使用することもできる。ゲルマニウムの熱膨張係数はＧａＡｓの熱膨張係数に類似しているので、これに関して差は殆ど生じない。しかしＧｅウェハは、ＧａＡｓウェハに比べて、それをより簡単にソーイングできるという利点を有しており、その際殊に、砒素を含む、毒性のソーイング屑が生じない。更に、Ｇｅウェハは機械的により安定している。すなわち例えば２００μｍ厚のＧｅウェハによって既に十分な安定性が実現され、これに対して相応のＧａＡｓウェハの厚さは６００μｍより大きい。この場合有利にも、次の工程においてＧｅウェハを研削により薄くする必要もない。更にＧｅウェハは通例、ＧａＡｓウェハよりコスト面で著しく有利である。

有利にも、Ｇｅウェハとの関連において、はんだとして金を含有するはんだまたは金そのものが使用される。これにより、半導体層との特別しっかりした接続が実現される。特別有利には、ＡｕＳｂ表面層を任意選択的に備えることができる金蒸着されたＧｅウェハが使用される。

引き続く工程、図１Ｄにおいて、半導体層２に基板１を通って高原形状のビームプロフィール７を有するレーザビーム６が照射される。放射エネルギーは主に、半導体層２において吸収されかつ半導体層２と基板１との間の境界面に材料分解が生じ、その結果次いで基板１をはぎ取ることができる。

本発明で重要なのは、ビームプロフィールおよび入力結合されるビームパワーが次のように選定されていることである：基板１と半導体層２との間の境界面で局所的に、材料分解のために十分である高い温度が生じるが、この温度は半導体層の層厚を介して大幅に低下して、支持板４と半導体層のコンタクト金属化部との間の接続部５が不都合な影響を受けない、すなわち溶融しない。

有利にも、材料分解に基づいて発生する強い機械的な負荷ははんだ層によって受け取られ、その結果数ミクロメータという厚さの半導体層でも基板から破壊せずに解離することができる。

レーザビーム６のトランスバーサルなビームプロフィール７も図１Ｄに示されている。ラインＡ−Ａに沿ってビーム強度が示されている。ビームプロフィール７は中央の領域１７を有し、ここでは強度は実質的に一定である。この中央領域１７の横に側面領域１８が続き、これら領域では強度は急峻に降下する。急峻の形式に応じて、ビームプロフィールは台形（直線的な降下）になるかまたは降下が非常に急峻である場合には矩形になる。

放射源として、ＸｅＦエキシマレーザが特別適している。エキシマレーザの高い増幅度および典型的な共振器ジオメトリーに基づいて、空間的なビームプロフィールは高原形状でありかつそれ故に本発明に対して特別に適している。更に、１ｋＷないし１００ＭＷの領域にあるエキシマレーザの高いパルスピーク強度並びに紫外線スペクトル領域にある放出波長は本発明において有利である。

レーザビームは適当な光学系を用いて基板を通って半導体層２に集束されかつそこに、約１ｍｍ×２ｍｍまたはそれ以上の典型的なビーム面を有する。ビーム面内の強度分布は大幅に均一であり、その際２００ｍＪ／ｃｍ^２および８００ｍＪ／ｃｍ^２の間のエネルギー密度が実現される。均質な強度分布と関連してこのエネルギー密度により、半導体層の、基板からの残滓のない分離が可能になる。

このことは例として、サファイア基板上のＩｎＧａＮ層で実験的に証明された。詳細にはＩｎＧａＮ層に、３５１ｎｍの波長および２５ｎｓのパルス持続時間を有するＸｅＦエキシマレーザのパルス化されたビームが照射された。サファイア基板がこの波長のビームに対して透過である一方、ビームはＩｎＧａＮ半導体層において強く吸収される。基板に対する移行部における薄い境界層はエネルギー供給によって８００℃ないし１０００℃の温度に加熱される。この温度で、窒素が発生されてレーザスポットにて半導体材料が分解しかつ半導体層１４と基板１２との結合が分離される。

択一的に、ＫｒＦエキシマレーザにより匹敵する残滓のない分離を実施することができる。放出波長は約２４８ｎｍによって大幅に紫外線のスペクトル領域内にある。この場合３０ｎｍ×１０ｎｍの寸法を有する比較的大きなビーム横断面の場合にも、半導体層の、基板からの残滓のない分離のために、相応に、１５０ｍＪ／ｃｍ^２と６００ｍＪ／ｃｍ^２との間、有利には１５０ｍＪ／ｃｍ^２と４５０ｍＪ／ｃｍ^２との間にあるエネルギー密度で十分である。更に、約２８２ｎｍ、３０８ｎｍないし２２２ｎｍの放出波長を有するＸｅＢｒエキシマレーザ、ＸｅＣｌエキシマレーザおよびＫｒＣｌエキシマレーザが本発明には適していることが分かっている。

レーザビームを用いた照射後、図１Ｅに示されているように、基板１を解離することができ、その際半導体層２はほぼ基板残滓物なく支持板４に留まりかつ引き続き処理することができる。

図２Ａには本発明の方法の第２の実施例が示されている。図１に示された方法とは異なってここでは、半導体層２の個別領域８が順次レーザビームにさらされる。近似的に矩形形状の個別領域８は面を覆っておりかつ少し重なって配置されている。その際この重なりはビームプロフィール７のエッジ領域１８における強度低下を補償するために用いられる。個別領域は更にマトリクス形式に配置されており、その際強度分布をできるだけ均一に分布するためにマトリクス行を相互にずらすと有利である。個別領域８の択一的な配置は図２Ｂに示されている。

個別領域８内のレーザビームのビームプロフィールが図３Ａおよび図３Ｂに図示されている。図３Ａには図２Ａないし図２Ｂに図示の座標系９のＸ軸に沿った強度が示されており、図３ＢにはＹ軸に沿った相応の強度経過が示されている。両方のプロフィールとも台形形式であり、すなわち中央領域１７ａ，１７ｂを有し、そこに急峻な強度降下を有する側面領域１８ａ，１８ｂが続いている。

図２ａに図示の、半導体層の個別照射でその結果生じる強度分布が図４に示されている。全体の照射時間にわたって積分される強度がラインＢ−Ｂに沿って示されている。半導体層２の全体の面にわたってほぼ均一な、殆ど一定の強度分布が生じ、この分布のために半導体層２の、基板１からの残滓のない分離が可能になる。

これに対して図６には、ビームプロフィールに関して、従来技術による相応の方法が図示されている。この場合に使用されるレーザ、例えば周波数３倍化Ｎｄ：ＹＡＧレーザはガウス形状のビームプロフィール１５を有する近似的に円形状のビーム面を有している。

図２Ａないし図２Ｂに相応するラスタ形状の、半導体層の順次照射される領域１４の配置が図６Ａに示されている。

所属のビームプロフィール１５、すなわち座標系９のＸ軸ないしＹ軸に沿った強度分布は図６Ｂに示されている。円形状のビーム面を生じさせる回転対称な強度分布に基づいて、２つの軸に沿った強度分布は近似的に等しい。強度分布は座標系９の原点に最大の強度を有するガウス曲線に相応している。

この種のレーザビームによって分解しきい値に達するために、一般にビームの集束化が必要である。その際分解しきい値はビーム中心においては越えられ、一方エッジ領域においては材料分解のためのエネルギー密度は僅かにすぎる。図６Ａの半導体層のラスタ形式の照射の際、それが図４に図示されているように、近似的に一定の強度分布は実現されない。全体のビームプロフィールに関する強度変化および殊にビーム中心における顕著な強度最大値により、半導体層内に数多くの強度最大値および最小値が生じることになる。

全体の照射時間にわたって積分される、図６Ａに示されているラインＣ−Ｃに沿った強度の経過の例１３が図６Ｃに示されている。強度経過１３の変化のために、不均一な材料分解が生じ、その際殊に強度分布の最小値においては分解しきい値を下回る可能性がある。

材料分解のために必要なエネルギー密度が実現されない個所では、半導体材料がそのまま残る。窒化化合物半導体の場合には窒素のようなガスが発生されることもある、この個所の周辺の材料分解に基づいて、局所的に高い圧力が生じる可能性があり、この圧力によって粒子が基板からはがされる。これら粒子は分解されない半導体材料の個所に付着する可能性があり、そうなった場合最終的に、解離された半導体層上に基板残滓物が残ることになる。

このことを防止するために、従来の方法において放出強度を一段と高めることができたかもしれない。しかしそうした場合、強度最大値の個所での過熱により半導体層が損傷されるおそれが生じることになる。

図５には本発明の方法の第３の実施例が示されている。図１および図２に示されている方法とは異なってここではレーザビームは、ストリップ形状の放射面１９が生じるように、半導体層２に結像される。その際放射面１９は長手方向寸法ａおよび横断方向寸法ｂを有しており、その際長手方向寸法ａは横断方向寸法ｂより著しく大きい。相応の放射面はエキシマレーザ１１では例えば、適当なマスク光学素子１２を用いて形成することができる。有利には長手方向寸法ａは半導体層２の相応の寸法より大きく、その結果半導体層２はこの方向において完全に照射される。その際ビームプロフィールの側面領域１８における強度低下は分離方法には影響しない。というのは、側面領域１８は半導体層２の外側に存在しているからである。

半導体層２は照射の間、横断方向寸法ｂの方向に移動するので、全体の半導体層２は均一に照射される。典型的にはナノ秒の領域にある十分に短いパルス持続時間を有するパルス化されたレーザでも、半導体層２上にストリップ形状の個別面に連続的な照射が生じる。というのは半導体層２は実質的にレーザパルス間を更に移動しかつ照射はこの移動に対して瞬時の内に行われるからである。

実施例に基づいた本発明の説明は、勿論本発明のこのへの制限と見なされるものではない。実施例の個々の観点は本発明の枠内において殆ど任意に組み合わせることができる。

本発明の方法の第１実施例の第１の中間工程の略図 本発明の方法の第１実施例の第２の中間工程の略図 本発明の方法の第１実施例の第３の中間工程の略図 本発明の方法の第１実施例の第４の中間工程の略図およびトランスバーサルなビームプロフィール 本発明の方法の第１実施例の第５の中間工程の略図 本発明の方法の第２実施例の１つの変形形態の略図 本発明の方法の第２実施例の別の変形形態の略図 図２Ａに図示の方法におけるレーザビームのビームプロフィールの略図 図２Ａに図示の方法におけるレーザビームの別のビームプロフィールの略図 図２Ａに図示の方法における結果生じる強度分布の略図 本発明の方法の第３実施例の略図 ガウス形状の強度分布が使用される場合の製造方法を説明する略図 ガウス形状の強度分布が使用される場合の強度分布の略図 ガウス形状の強度分布が使用される場合の強度経過の略図 支持板におけるクラックの生成を説明するための略図 半導体層におけるクラックの生成を説明するための略図

Claims (39)

1. 半導体層（２）をレーザビーム（６）を用いた照射によって基板（１）から分離するという半導体素子の製造方法において、
   レーザビーム（６）は高原形状の空間的なビームプロフィール（７）を有している
   ことを特徴とする方法。
2. 半導体層（２）をレーザビーム（６）を用いた照射によって基板（１）から分離するという半導体素子の製造方法において、
   レーザビーム（６）をエキシマレーザによって生成する
   ことを特徴とする方法。
3. エキシマレーザはレーザ活性媒体として希ガス−ハロゲン化合物、例えばＸｅＦ，ＸｅＢｒ，ＸｅＣｌ，ＫｒＣｌまたはＫｒＦを含んでいる
   請求項１または２記載の方法。
4. レーザビーム（６）は高原形状の空間的なビームプロフィール（７）を有している
   請求項２または３記載の方法。
5. レーザビーム（６）は矩形形状または台形形状の空間的なビームプロフィールを有している
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. レーザビーム（６）をレーザによってパルス作動において生成する
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. レーザビーム（６）の波長は２００ｎｍと４００ｎｍとの間にある
   請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. レーザビーム（６）は、照射される領域内でレーザビーム（６）によって生成されるエネルギー密度が１００ｍＪ／ｃｍ^３と１０００ｍＪ／ｃｍ^３との間、例えば１５０ｍＪ／ｃｍ^３と８００ｍＪ／ｃｍ^３との間にあるように、半導体層（２）に集束する
   請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 半導体層（２）の複数の個別領域（８）を順次照射する
   請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 個別領域（８）は、照射される半導体層（２）の主要な部分に対して時間的に積分されて空間的に近似的に一定の強度分布（１０）が生じるように面を充填して配置されている
    請求項９記載の方法。
11. レーザビーム（６）は半導体層（２）のところで、長手方向寸法（ａ）および横断方向寸法（ｂ）を有するビーム面を有しており、ここで長手方向寸法（ａ）は横断方向寸法（ｂ）より大きく、かつ
    半導体層（２）は横断方向寸法（ｂ）の方向に沿った照射の期間にレーザビーム（６）に対して相対的に移動される
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 基板（１）はレーザビーム（６）に対して少なくとも部分的に透過性でありかつ
    半導体層（２）を基板（２）を通して照射する
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 半導体層（２）をレーザビーム（６）を用いた照射によって基板（１）から分離するという半導体素子の製造方法において、
    基板（１）の分離の前に、半導体層（２）を基板（１）とは反対側で支持板（４）に被着させる、有利にははんだ付けする
    ことを特徴とする方法。
14. レーザビーム（６）はパルス化されている
    請求項１３記載の方法。
15. 支持板の熱膨張係数ａ_Ｔをビームプロフィールおよび／またはレーザビームパルスのパルス長および半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬおよび基板の熱膨張係数ａ_Ｓに合わせて選択して、製造の期間に基板、半導体層および支持板間のストレスが低減されるようにする
    請求項１３または１４記載の方法。
16. 支持板の熱膨張係数ａ_Ｔを基板の熱膨張係数ａ_Ｓよりも半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬに近接して選択する
    請求項１５記載の方法。
17. 支持板の熱膨張係数ａ_Ｔは基板の熱膨張係数ａ_Ｓとは４５％またはそれ以下、有利には４０％またはそれ以下だけ相異している
    請求項１５または１６記載の方法。
18. 支持板の熱膨張係数ａ_Ｔは半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬとは３５％またはそれ以下、有利には２５％またはそれ以下だけ相異している
    請求項１５から１７までのいずれか１項記載の方法。
19. 支持板は約４．３＊１０^−６Ｋ^−１と約５．９＊１０^−６Ｋ^−１との間、有利には約４．６＊１０^−６Ｋ^−１と約５．３＊１０^−６Ｋ^−１との間にある熱膨張係数を有している
    請求項１５から１８までのいずれか１項記載の方法。
20. 支持板（４）は砒化ガリウム、シリコン、銅、鉄、ニッケルおよび／またはコバルトを含んでいる
    請求項１３から１９までのいずれか１項記載の方法。
21. 支持板はモリブデンを含んでいる
    請求項１３から２０までのいずれか１項記載の方法。
22. 支持板は鉄−ニッケル−コバルト合金を含んでいる
    請求項１３から２１までのいずれか１項記載の方法。
23. 支持板はタングステンを含んでいる
    請求項１３から２２までのいずれか１項記載の方法。
24. 支持板はゲルマニウムを含んでいる
    請求項１３から２３までのいずれか１項記載の方法。
25. 半導体層の、基板からの分離のために、レーザビームパルスの大きなパルス長、例えば１５ｎｓより大きなパルス長を選択する
    請求項１４から２４までのいずれか１項記載の方法。
26. 支持板の熱膨張係数ａ_Ｔは半導体層の熱膨張係数ａ_ＨＬとは３５％またはそれ以上異なっており、かつ
    半導体層の、基板からの分離のために、レーザビームパルスの小さなパルス長、例えば１５ｎｓより小さなパルス長を選択する
    請求項１５から２５までのいずれか１項記載の方法。
27. 半導体層（２）を、金および／または錫またはパラジウムおよび／またはインジウムを含んでいるはんだを用いて支持板（４）にはんだ付けする
    請求項１３から２６までのいずれか１項記載の方法。
28. 半導体層（２）を支持板（４）に接続する前に、半導体層（２）の、支持板（４）とは反対の側に金属化部を被着する
    請求項１３から２７までのいずれか１項記載の方法。
29. 金属化部は金および／または白金を含んでいる
    請求項２８記載の方法。
30. 半導体層（２）は複数の個別層から成っている
    請求項１から２９までのいずれか１項記載の方法。
31. 半導体層（２）ないし半導体層の少なくとも１つは窒化化合物半導体を含んでいる
    請求項１から３０までのいずれか１項記載の方法。
32. 窒化化合物半導体層は第３族および／または第５族の元素の窒化化合物である
    請求項３１記載の方法。
33. 半導体層（２）ないし個別層の少なくとも１つは、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１およびｘ＋ｙ≦１を有するＩｎ_ｘＡｌｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ、例えばＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＩｎＧａＮ，ＡｌＮまたはＩｎＮｗｉ含んでいる
    請求項３１または３２に記載の方法。
34. 基板（１）はシリコン、シリコンカーバイドまたは酸化アルミニウム、例えばサファイアを含んでいる
    請求項１から３３までのいずれか１項記載の方法。
35. 半導体層（２）を請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法を用いて基板（１）から分離する
    請求項１３から３４までのいずれか１項記載の方法。
36. 半導体層（２）をエピタキシー方法を用いて基板（１）に被着する
    請求項１から２３までのいずれか１項記載の方法。
37. 半導体層（２）は。５０μｍより小さいかまたはそれに等しい厚さを有している
    請求項１から３６までのいずれか１項記載の方法。
38. 半導体素子は、成長する半導体層からその成長後に基板が少なくとも部分的に除去される薄膜素子である
    請求項１から３７までのいずれか１項記載の方法。
39. 半導体素子は光電素子、例えばルミネセンスダイオードのような放射生成素子である
    請求項１から３８までのいずれか１項記載の方法。

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