JP2010021537A - 基板構造体及びこの基板構造体を除去する方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高め、かつプロセスにかかる費用を抑えることができる、基板構造体を除去する方法の提供。
【解決手段】 本発明の基板構造体を除去する方法は、基板上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体を製作し、前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させ、化学エッチング方式で複数の柱状体をエッチングし、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記基板を分離する。
【選択図】 図３
【解決手段】 本発明の基板構造体を除去する方法は、基板上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体を製作し、前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させ、化学エッチング方式で複数の柱状体をエッチングし、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記基板を分離する。
【選択図】 図３
Description
本発明は半導体プロセスに関し、特に、基板構造体を除去する方法に関する。
先行技術ではいかに基板を除去するかという開示に事欠かない。例えば、米国特許第６６４８９９６号及び第７１６９２２７号はそれぞれ窒化ガリウムウェハの製造方法を開示しており、その基板の材質はリチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）である。このリチウムアルミネート基板の厚さは約４３０ｍｍであり、ウェットエッチング（Ｗｅｔ Ｅｔｃｈ）の方式で除去を行っているが、数日かかってやっと除去が完了する（一般の室温下におけるリチウムアルミネートの酸エッチングの速度は約毎分１５〜３５ｎｍである）ため、効率が低い。このほか、単純にウェットエッチング方式で基板の除去を行うと、不均一になるという問題がある。
また、米国特許第６２１８２８０号は機械力でリチウムアルミネート基板を剥離（ｐｅｅｌｓ ｏｆｆ）する方法に言及しているが、この方法は良品率が低く、破壊が生じやすい。同特許も単純にウェットエッチング方式で基板の除去を行うことに言及しているが、これも基板除去効率が低く、不均一になる等の問題がある。
このほか、米国特許公開第２００７／０１４１８１４号が開示する基板除去方法は、単純なウェットエッチング、ドライエッチング、機械研磨、化学機械研磨等がある。これらの方法はすべて除去効率が低く、不均一で、破壊が生じやすい等の欠点がある。
米国特許第６７４０６０４号は垂直式の発光素子を開示しており、これは基板と素子の間の界面上にレーザーを当てて基板を分離している。このような分離方式は設備が高価であり、かつエピタキシャル層の厚さが大きすぎると反りの問題が発生する。
米国特許第６０７１７９５号はレーザーを利用して基板と窒化ガリウム層を分離する方法を開示しており、基板と窒化ガリウム層の間に低温緩衝層を形成し、基板と窒化ガリウム層の間の不整合を吸収している。基板上にレーザーを当てるとき、低温緩衝層は最も脆弱であるため、低温緩衝層から裂けて基板と窒化ガリウム層が分離される。このような分離方式は設備が高価であり、かつエピタキシャル層の厚さが大きすぎると反りの問題が発生する。
上述をまとめると、上述の先行技術の欠点を改善できる基板構造体を除去する方法が必要である。
本発明の目的は、先行技術の欠点を改善した基板構造体を除去する方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、上述の基板構造体を除去する方法を実現するために用いることができる、基板構造体を提供することにある。
上述の目的を達するため、本発明の開示する基板構造体を除去する方法は、基板上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体を製作し、前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体素子層を成長させ、前記ＩＩＩ族窒化物半導体素子層上に金属鏡面層を形成し、前記金属鏡面層上に導電材料層を形成し、化学エッチング方式で複数の柱状体をエッチングし、前記ＩＩＩ族窒化物半導体素子層と基板を分離して、垂直式発光素子を得る、というステップを含み、そのうち垂直式発光素子はＩＩＩ族窒化物半導体素子層、金属鏡面層、導電材料層を含む。
本発明は複数の柱状体間の空隙を利用してエッチング反応面積を大幅に増加できるため、本発明が開示する方法は、半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高め、かつプロセスにかかる費用を抑えることができることができる。
本発明の基板構造体は、基板と複数の柱状体を含む。これら複数の柱状体はフォトリソグラフィーエッチング方式で前記基板上に製作される。これら前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることができる。
本発明には少なくとも次のような利点がある。
１、 本発明は複数の柱状体間の空隙を利用してエッチング反応面積を大幅に増加できるため、本発明が提示する方法は半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高め、かつプロセスにかかる費用を抑えることができる。
２、 基板の分離速度が速く、かつ均一性が高く、後続の研磨プロセス（ＣＭＰ）またはオーバーエッチング（Ｏｖｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスが必要ない。
３、 高価なレーザー分離設備が必要なく、かつ基板を回収して再利用でき、コストを節約できる。
４、 本発明のエッチングは容易であり、高温が必要なく、ＩＩＩ族窒化物半導体層に対する傷害を減少できる。室温下での一般の酸エッチング速度は約３０ｎｍ／ｍｉｎであることに注意が必要である。厚さが約４３０ｕｍの基板の場合、先行技術では数日エッチングしてやっとエッチングが完了する。温度を高くしてエッチング率を高めることは、ＩＩＩ族窒化物半導体層に傷害を与えるため、採用できない。
１、 本発明は複数の柱状体間の空隙を利用してエッチング反応面積を大幅に増加できるため、本発明が提示する方法は半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高め、かつプロセスにかかる費用を抑えることができる。
２、 基板の分離速度が速く、かつ均一性が高く、後続の研磨プロセス（ＣＭＰ）またはオーバーエッチング（Ｏｖｅｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスが必要ない。
３、 高価なレーザー分離設備が必要なく、かつ基板を回収して再利用でき、コストを節約できる。
４、 本発明のエッチングは容易であり、高温が必要なく、ＩＩＩ族窒化物半導体層に対する傷害を減少できる。室温下での一般の酸エッチング速度は約３０ｎｍ／ｍｉｎであることに注意が必要である。厚さが約４３０ｕｍの基板の場合、先行技術では数日エッチングしてやっとエッチングが完了する。温度を高くしてエッチング率を高めることは、ＩＩＩ族窒化物半導体層に傷害を与えるため、採用できない。
本発明がここで討究する方向は、半導体プロセスである。徹底的に本発明を理解することができるように、以下の記述の中で、できるだけ詳しい構成部材を提示する。当然、本発明の実施は、光源モジュールの技術者が熟知している特殊な詳細に限定されるものではない。また、本発明に不必要な制限が生じるのを避けるために、誰もが知っている部材は、細かく記述していない。本発明の最良の実施例は以下に詳細に記述するが、これらの詳細な記述以外に、本発明はその他の実施例においても幅広く実施することができ、本発明の範囲は限定を受けず、後付の特許請求の範囲に準じる。
図１に本発明の実施例１に基づいた基板構造体を除去する方法のフローチャートを示す。図３上と図３左に、図１のフローを実行するときの各断面図を示す。図３上と図１に示すように、ステップ３０３では、基板１０１上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体１０３を製作する。これはつまり、基板１０１にパターンを形成するステップである。柱状体については単に例を挙げたのみであり、基板１０１上に面積を増加できるあらゆる幾何形状とすることができ、それらはすべて本発明の要旨と範囲を逸脱しない。基板１０１の材質は、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）またはガリウム酸リチウム（ＬｉＧａＯ２）とすることができる。
図３上に示すように、上述のマスクに基づいて得たフォトレジスト（ｐｈｏｔｏ ｒｅｓｉｓｔ）１０２が基板１０１上に配置される。上述のエッチングを行った後、複数の柱状体１０３が形成される。その後フォトレジスト１０２を除去する。
図１と図３左に示すように、ステップ３０４では、複数の柱状体１０３上にＩＩＩ族窒化物半導体層１０４を成長させる。このＩＩＩ族窒化物半導体層１０４は、窒化ガリウム層、窒化アルミニウム層、窒化インジウム層、窒化アルミニウムガリウムインジウム等とすることができる。ＩＩＩ族窒化物半導体層１０４の成長方法は、ハイドライド気相エピタキシャル法（ＨＶＰＥ）、金属有機化学気相沈積法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）とすることができる。
ステップ３０８では、化学エッチング方式で複数の柱状体１０３をエッチングし、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０４と基板１０１を分離して、独立したＩＩＩ族窒化物半導体層１０４を得る（ステップ３０９）。所謂化学エッチング方式は、基板１０１、複数の柱状体１０３、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０４の構造体全体をエッチング液（a）中に浸漬する。前記エッチング液（a）は、含水硫酸、燐酸、塩酸またはその組み合わせ（例えば燐酸に含水硫酸を加える）とすることができる。このとき、ウェットエッチングは一種の異方性エッチングであるため、エッチング液（a）が横方向に複数の柱状体１０３の間の空隙に流入する。エッチング過程において、柱状体１０３が非常に細いため、複数の柱状体１０３の箇所が腐食され始め、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０４と基板１０１が分離される。このとき、エッチングされた後の複数の柱状体１０３がＩＩＩ族窒化物半導体層１０４と基板１０１上に残留する場合がある。
複数の柱状体１０３がなく、基板１０１上にＩＩＩ族窒化物半導体層１０４を成長させただけの場合、その後にエッチング液を利用してエッチングを行うとき、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０４と基板１０１を完全に分離するには非常に長いエッチング時間がかかる。
本発明は複数の柱状体間の空隙を利用してエッチング反応面積を大幅に増加している。このため、本発明が提示する方法は、半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高めると共に、プロセスにかかる費用を抑え、ＩＩＩ族窒化物材料の独立した基板を完成することができる。
図２に本発明の実施例２に基づいた基板構造体を除去する方法のフローチャートを示す。図３上と図３右に、図２のフローを実行するときの各断面図を示す。図３上と図２に示すように、ステップ４０３では、基板１０１上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体１０３を製作する。これはつまり、基板１０１にパターンを形成するステップである。柱状体については単に例を挙げたのみであり、基板１０１上に面積を増加できるあらゆる幾何形状とすることができ、それらはすべて本発明の要旨と範囲を逸脱しない。基板１０１の材質は、リチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ２）またはガリウム酸リチウム（ＬｉＧａＯ２）とすることができる。
図３上に示すように、上述のマスクに基づいて得たフォトレジスト（ｐｈｏｔｏ ｒｅｓｉｓｔ）１０２が基板１０１上に配置される。上述のエッチングを行った後、複数の柱状体１０３が形成される。その後フォトレジスト１０２を除去する。
図１と図３右に示すように、ステップ４０５では、複数の柱状体１０３上にＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５を成長させる。このＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５は、Ｎ型層、量子井戸層（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｙｅｒ）、Ｐ型層を含むことができる。
ステップ４０６では、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５上に金属鏡面層１０６を形成する。ステップ４０７では、金属鏡面層１０６上に導電材料層１０７を形成する。導電材料層１０７の形成方法は、沈積、化学めっき、電気めっき、ボンディング（ｂｏｎｄｉｎｇ）等の方法とすることができる。
ステップ４０８では、化学エッチング方式で複数の柱状体１０３をエッチングし、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５と基板１０１を分離して、垂直式発光素子を得る（ステップ４０９）。
所謂化学エッチング方式は、基板１０１、複数の柱状体１０３、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５、金属鏡面層１０６、導電材料層１０７の構造体全体をエッチング液（a）中に浸漬する。前記エッチング液（a）は、含水硫酸、燐酸、塩酸またはその組み合わせ（例えば燐酸に含水硫酸を加える）とすることができる。このとき、ウェットエッチングは一種の異方性エッチングであるため、エッチング液（a）が横方向に複数の柱状体１０３の間の空隙に流入する。エッチング過程において、柱状体１０３が非常に細いため、複数の柱状体１０３の箇所が腐食され始め、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５と基板１０１が分離される。このとき、エッチングされた後の複数の柱状体１０３がＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５と基板１０１上に残留する場合がある。
複数の柱状体１０３がなく、基板１０１上にＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５、金属鏡面層１０６、導電材料層１０７を成長させただけの場合、その後にエッチング液を利用してエッチングを行うとき、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５と基板１０１を完全に分離するには非常に長いエッチング時間がかかる。
本発明は複数の柱状体間の空隙を利用してエッチング反応面積を大幅に増加している。このため、本発明が提示する方法は、半導体層と基板をエッチングで分離する効率を高めると共に、プロセスにかかる費用を抑えることができる。
図４に本発明の図３右に基づいた垂直式発光素子の発光を表すイメージ図を示す。上述のＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５を逆さにしてみると、図４及び図３右下に示すように、垂直式発光素子は上から下に、ＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５、金属鏡面層１０６、導電材料層１０７を含むことができる。
図３右及び図２に示すように、複数の柱状体１０３をエッチングする前に、導電材料層１０７の外部にエッチング保護層を形成することができる（ステップ４１０）。ただし、柱状体１０３は導電材料層よりもずっと脆弱であるため、このステップは省略してもよい。水気のある環境に遭遇するだけで柱状体１０３はエッチングされる可能性があり、このような状況は湿気を受ける現象の一種である。
リチウムアルミネートを柱状体１０３の材料とする場合を例とすると、その酸素原子は水と非常に結合しやすく、元の原子結合が切断される。一般に、エッチング液はみな水を含有するため、柱状体１０３に対し非常に容易にエッチングを行うことができることに注意が必要である。このため保護層がなくても、その後に得られる垂直式発光素子はせいぜい若干エッチングされるのみであり（数マイクロメートル程度の場合がある）、発光素子内の量子井戸層（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｌａｙｅｒ）を損傷することはなく、導電材料層１０７の厚さは相対して比較的厚いため、エッチングされる厚さも比較的薄い。
一方で、柱状体１０３の厚さは約３〜４マイクロメートルとすることができ、かつ柱状体１０３の間には空隙が存在するため、エッチング液（a）が複数の柱状体１０３の間の空隙に流入し、数分で複数の柱状体１０３がＩＩＩ族窒化物半導体素子層１０５の下から完全に分離される。
本発明についてすでに上述のように最良の実施例を開示したが、これは本発明を限定するものではなく、関連技術を熟知した者による各種変更や修正は本発明の要旨と範囲に属する。本発明の保護範囲は、後付の特許請求の範囲に準じる。
３０３、３０４、３０８、３０９ ステップ
４０３、４０５、４０６、４０７、４１０、４０８、４０９ ステップ
１０１ 基板
１０２ フォトレジスト
１０３ 柱状体
１０４ ＩＩＩ族窒化物半導体層
１０５ ＩＩＩ族窒化物半導体素子層
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４０３、４０５、４０６、４０７、４１０、４０８、４０９ ステップ
１０１ 基板
１０２ フォトレジスト
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Claims (5)
- 基板構造体を除去する方法であって、
基板上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体を製作するステップ、
前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させるステップ、化学エッチング方式で前記複数の柱状体をエッチングし、前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と前記基板を分離するステップ、
を含むことを特徴とする、基板構造体を除去する方法。 - 基板構造体を除去する方法であって、
基板上にフォトリソグラフィーエッチング方式で複数の柱状体を製作するステップ、
前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体素子層を成長させるステップ、
前記ＩＩＩ族窒化物半導体素子層上に金属鏡面層を形成するステップ、
前記金属鏡面層上に導電材料層を形成するステップ、
化学エッチング方式で前記複数の柱状体をエッチングし、前記ＩＩＩ族窒化物半導体素子層と前記基板を分離して、垂直式発光素子を得るステップ、
を含むことを特徴とする、基板構造体を除去する方法。 - 基板構造体であって、基板と、フォトリソグラフィーエッチング方式で前記基板上に製作された複数の柱状体を含み、そのうち前記複数の柱状体上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させることができることを特徴とする、基板構造体。
- 請求項１または２に記載の基板構造体を除去する方法において、そのうち前記基板の材質がリチウムアルミネートまたはガリウム酸リチウムであることを特徴とする、基板構造体を除去する方法。
- 請求項３に記載の基板構造体において、そのうち前記基板の材質がリチウムアルミネートまたはガリウム酸リチウムであることを特徴とする、基板構造体。
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