JP2011040564A - 半導体素子の製造方法および製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いて成長基板から剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第1の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第1の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
【選択図】図2
【解決手段】第1の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第1の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体素子の製造方法および製造装置に関する。
半導体チップの不要な基板を取り除き薄片化することは、素子特性の向上を図る上で様々な利点を有する。例えば、絶縁性を有するサファイア基板を用いて製作される窒化ガリウム(GaN)系LEDの場合、サファイア基板を除去することにより、光出力の大幅な向上が実現されている。すなわち、GaN系半導体結晶とサファイアの界面を無くすことにより光取出効率が向上し、また、熱伝導の悪いサファイアを除去することにより、チップの放熱が良くなることが大きく寄与している。
しかしながら、薄片化されたいわゆるThinfilm構造のGaN系LEDを作製する場合、サファイア基板を除去する工程は、依然として不安定であり、製造効率を左右する問題を含んでいる。
サファイア基板を除去する技術として、レーザリフトオフ法が検討されている。レーザリフトオフ法は、サファイア基板を透過しGaN系結晶で吸収されるレーザ光を照射して、サファイア/GaN界面のGaN結晶を解離させる方法である。この方法では、GaNが解離すると同時にGaNとサファイアとが分離されるため、レーザが照射されていない領域と分離した領域の境界に結晶成長時の残留応力が集中し、GaN系結晶にクラックが生じるという問題があった。
特許文献1には、分離した窒化物半導体膜の割れを防ぐために、照射するレーザ光のパワーを調整して、サファイア/GaN界面に変質層を形成する技術が開示されている。また、特許文献2は、レーザ照射によってサファイア基板中に変質部を形成し、形成された変質部に沿ってウェーハを分断しチップ化する技術を開示している。
本発明は、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いてウェーハから剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、第1の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第1の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
本発明の他の一態様によれば、半導体素子用結晶が形成された成長基板を載置するステージと、レーザ光を放出するレーザ光源と、前記レーザ光を、前記半導体素子用結晶または成長基板の内部の所定位置に集光する光学系と、前記ステージ及び前記光学系の少なくともいずれかを移動させ、前記成長基板の主面に沿って前記レーザ光を移動させる駆動系と、前記成長基板の反り量を測定する測定系と、前記測定系が測定した反り量を前記駆動系にフィードバックし、前記レーザ光の集光位置を、前記成長用基板の主面から一定の深さに維持して、前記レーザ光を移動させる制御系と、を備えたことを特徴とする半導体素子の製造装置が提供される。
本発明によれば、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いて成長基板から剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態に係る半導体素子の一例として、Thinfilm構造のGaN系LEDの製造方法、および製造装置について説明する。また、図面中の同一部分には同一番号を付し、重複する部分については説明を適宜省略する。
(第1の実施形態)
図1及び図2は、本実施形態に係るThinfilm構造のGaN系LEDの製造方法を工程順に示す模式図である。
図1(a)は、GaN系LEDの製造に用いられるエピタキシャルウェーハ(以下、エピウェーハ)10を模式的に示す断面図である。
図1及び図2は、本実施形態に係るThinfilm構造のGaN系LEDの製造方法を工程順に示す模式図である。
図1(a)は、GaN系LEDの製造に用いられるエピタキシャルウェーハ(以下、エピウェーハ)10を模式的に示す断面図である。
エピウェーハ10は、成長基板であるサファイア基板1の第1の主面1aに半導体素子用結晶であるGaN系エピタキシャル結晶(以下、エピ結晶)2が形成された構造を有する。GaN系エピ結晶2は、MOCVD法により形成された多層のエピタキシャル成長層であり、低温成長GaNバッファ層およびn型GaN層、GaN/InGaNのMQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)層からなる発光層が積層され、最後にp型GaNが成長されている。これらの詳細は、一般のGaN系LEDに用いられているエピ構造と同様とすることができる。
図1(b)は、エピウェーハ10のGaN系エピ結晶2上に、高反射電極3と接合金属4が形成された状態を模式的に示す断面図である。
高反射金属3は、GaN系エピ結晶2側からNiとAgが積層された構成となっている。Ni層は、GaN系エピ結晶2の最終層であるp型GaN層との間でオーミックコンタクトを形成する。Ni層上に積層されたAg層は、発光層で発生した光をサファイア基板1側に反射させるために設けられた反射膜である。最終的にサファイア基板1が除去されてLED素子となった場合に、LED光は、GaN系エピ結晶2からサファイア基板1側に出力される。このため、GaN系エピ結晶2の表面側に高反射電極3を設けることにより、光出力を向上させることができる。また、反射膜であるAg層と発光層の間に位置するNi層は、LED光の吸収体とならないように、数nmから10nm程度の膜厚に形成される。
高反射金属3は、GaN系エピ結晶2側からNiとAgが積層された構成となっている。Ni層は、GaN系エピ結晶2の最終層であるp型GaN層との間でオーミックコンタクトを形成する。Ni層上に積層されたAg層は、発光層で発生した光をサファイア基板1側に反射させるために設けられた反射膜である。最終的にサファイア基板1が除去されてLED素子となった場合に、LED光は、GaN系エピ結晶2からサファイア基板1側に出力される。このため、GaN系エピ結晶2の表面側に高反射電極3を設けることにより、光出力を向上させることができる。また、反射膜であるAg層と発光層の間に位置するNi層は、LED光の吸収体とならないように、数nmから10nm程度の膜厚に形成される。
さらに、高反射電極3上に、接合金属4が形成される。接合金属4は、高反射電極3の側からAu/AuSnの積層膜であり、サファイア基板1から剥離されたGaN系エピ結晶2を支持するシリコン基板を接合する際に、接合層となって、GaN系エピ結晶2を貼り付ける働きをする。また、高反射電極3と接合金属4との間には、図示しないバリアメタル層を設けてもよい。バリアメタルは、例えば、高反射電極3側からPt/W/Ti/Pt/W/Pt/Auの多層構造を有する金属膜が用いられ、高反射電極3および接合金属4を構成する金属原子の相互拡散を防止する機能を有する。すなわち、接合金属4の側から高反射電極3へのAu原子やSn原子のマイグレーションを防ぐことにより、Ag膜の反射率の低下や、p型GaN/Niのコンタクト抵抗の増加によるLED特性の劣化が生じないようにすることができる。
図1(c)は、エピウェーハ10と支持基板20が接合された状態を模式的に示す断面図である。
支持基板20は、サファイア基板1を剥離した後で、GaN系エピ結晶2を支持するために用いられる。本実施形態では、支持基板20として、p型シリコン基板5に、基板側からTi/Ptの積層構造を形成したオーミック電極6、およびオーミック電極6側からAu/AuSnを積層した接合金属7を成膜したものを用いている。
支持基板20は、サファイア基板1を剥離した後で、GaN系エピ結晶2を支持するために用いられる。本実施形態では、支持基板20として、p型シリコン基板5に、基板側からTi/Ptの積層構造を形成したオーミック電極6、およびオーミック電極6側からAu/AuSnを積層した接合金属7を成膜したものを用いている。
エピウェーハ10と支持基板20は、接合金属4および7を介して接合される。接合方法としては、まず、エピウェーハ10の接合金属4と支持基板20の接合金属7を面接触させ、加重を加えて密着させる。さらに、加重を加えた状態で、AuSnの融点付近まで温度を上昇させ、その後、徐々に冷却して接合金属4および7を融合させる。
図2(a)は、本実施形態に係るレーザ照射工程を模式的示す断面図である。
サファイア基板1の第1の主面1aの裏面である第2の主面1b側からレーザ光101を照射する。レーザ光101は、サファイア基板1の内部の所定位置に集光され、第1の主面1aに対して平行な方向に移動(走査)されて剥離界面8を形成する。レーザ光101は、連続光(CW)でも、パルス光(PW)でもよいが、尖頭出力の高いパルスレーザであることが望ましい。
サファイア基板1の第1の主面1aの裏面である第2の主面1b側からレーザ光101を照射する。レーザ光101は、サファイア基板1の内部の所定位置に集光され、第1の主面1aに対して平行な方向に移動(走査)されて剥離界面8を形成する。レーザ光101は、連続光(CW)でも、パルス光(PW)でもよいが、尖頭出力の高いパルスレーザであることが望ましい。
照射するレーザ光101の波長は、エピウェーハ10を構成するサファイア基板1およびGaN系エピ結晶2の吸収端波長より長くして、通常のバンド間吸収が生じないようにする。これにより、GaN系エピ結晶2が、レーザ照射によって損傷を受けないようにすることができる。レーザ光101として、例えばチタン−サファイアレーザ再生増幅器の基本波を使用することができる。
チタン−サファイアレーザ再生増幅器から放射されるレーザ光(基本波)の特性は、例えば、中心波長800nm、パルス幅100fs(フェムト秒)、繰り返し周波数1kHz、パルスエネルギー100μJ(マイクロジュール)である。本実施形態で使用した光学系を用いて、レーザ光を空気中で集光させた場合、ガウス分布型の空間プロファイルが得られ、ピーク強度の1/e2となる幅で定義されるスポットサイズは約20μmであった。
また、支持基板20に貼り付けられたエピウェーハ10は、水平方向に移動可能なステージに載置し、所定のピッチでステージを移動させることによりレーザ光101を走査する。本実施形態では、例えば、レーザ光101の集光位置と、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2との界面と、の間の距離dを20μmに設定し、レーザ光をサファイア基板1の全面に漏れなく照射するために、ステップピッチwを10μmとする送り速度(10mm/秒)でステージを移動させることができる。
レーザ光101が照射された領域では、サファイア基板が白濁化していくことが確認される。これは、レーザ光101によって、サファイアの分子構造が破壊され、その後再結晶化されるか、またはアモルファス状のアルミナ領域ないし空気空孔(ボイド)が発生することが考えられる。すなわち、レーザ光101の照射によってサファイア基板に変質領域が生じ、剥離界面8が形成される。なお、この変質領域の断面を観察すると、レーザ照射による損傷は、サファイア基板1の内部にのみ発生しており、GaN系エピ結晶2には至っていない。
本来、レーザ光101の波長800nmでは、サファイアのバンド間光吸収は発生しないと考えられている。しかし、サファイア内部に非常に高い光子密度の領域ができると、非線形光学感受率の寄与が増大し非線形光吸収作用が指数関数的に増加する。これにより、レーザ光が吸収され、変質領域が形成されるものと考えられる。また、サファイアを構成するAl原子とO原子間の格子振動のエネルギーに等しい光子エネルギーを有するレーザ光を照射しても、結晶に損傷を与え変質領域を形成することができる。すなわち、波長のより長い赤外領域の光を用いた共鳴吸収効果を利用することもできる。なお、高い光子密度を発生させる方法として、レーザ光のパルスあたりの光子数を増やすこと、また、パルス幅を狭くすることで、ピークパワーを高くすることが一般的である。本実施形態では、パルス幅を狭くしてレーザ光のピークパワーを上昇させ、変質領域の形成を可能としている。
レーザ照射をウェーハ全面にわたって実施すると、サファイア基板1の内部に白濁化した剥離界面8が形成される。この状態では、結合力は弱いが、サファイア基板1が剥離せずにそのまま残ることもある。そこで、次の剥離工程において、GaN系エピ結晶2を含む薄層を残してサファイア基板1を剥離する剥離処理を施す。
剥離処理は、例えば、200℃程度に加熱されたホットプレート上に剥離界面8が形成されたエピウェーハ10を置き、十分に温まったあとに急冷却をする。この際、サファイア基板1と、支持基板20およびGaN系エピ結晶2との間の熱膨張の違いに起因する応力が剥離界面8で緩和され、亀裂が発生することによりサファイア基板1が剥離される。
ウェーハの加熱方法として、水銀ランプなどの光を照射して加熱する方法を用いることができる。一方、急冷却は、ホットプレート上で加熱されたウェーハを、金属ブロック上に置き換えることにより容易に実施できる。また、高温のオーブンで加熱した後、低温の冷却槽に移す方法でも剥離処理が可能である。あるいは、気体や液体状の冷媒にウェーハを曝してもよい。
図2(b)は、サファイア基板1が剥離された後の状態を模式的に示す断面図である。
剥離界面8がサファイア基板1の内部に形成されるので、サファイア基板1の剥離後においても、表面にサファイアの残層9が存在する。サファイア残層9は、GaN系エピ結晶2との界面においてLED光を反射して取り出し効率を下げ、光出力を低下させる。また、サファイア残層9を残したままでは、n側電極を形成することができない。そこで、サファイア基板1を剥離した表面を研磨し、サファイア残層9を除去する。さらに、露出したGaN面に化学機械研磨(CMP)を施すことで、平坦かつクラック発生がない表面を形成する。
剥離界面8がサファイア基板1の内部に形成されるので、サファイア基板1の剥離後においても、表面にサファイアの残層9が存在する。サファイア残層9は、GaN系エピ結晶2との界面においてLED光を反射して取り出し効率を下げ、光出力を低下させる。また、サファイア残層9を残したままでは、n側電極を形成することができない。そこで、サファイア基板1を剥離した表面を研磨し、サファイア残層9を除去する。さらに、露出したGaN面に化学機械研磨(CMP)を施すことで、平坦かつクラック発生がない表面を形成する。
図3は、本実施形態に係る製造方法で製作されるGaN系LEDの断面を示す模式図である。光取出し効率を向上させるために、CMP加工が施されたGaN表面には、ドライエッチング法を用いて微細構造が加工される。次に、微細加工された表面にn側電極用メタル、例えば、GaN層表面からTi/Al/Ti/Pt/Auの順で積層されたメタル層が形成され、フォトリソグラフィーを用いてパターニングされてn側電極11が形成される。さらに、ドライエッチング法を用いてメサ溝13が形成され、個々のLEDに素子分離される。最後に、メサ溝13で電気的リークが発生しないように、例えば、プラズマCVD法を用いてSiO2端面保護膜14を形成する。この時点で、支持基板20のp型シリコン基板5に形成した図示しないp側電極と、n側電極11の間に通電すると、従来のレーザリフトオフ法を用いたLED素子と同等の電気特性を得ることができる。
図4は、ウェーハの反りを補正してレーザ照射を行う方式を示す模式図である。
サファイア基板1上にGaN系エピ結晶2を成長したエピウェーハ10は、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2との間の熱膨張係数の差が大きいため、大きな反りを有する。例えば、2インチφまたは3インチφのサファイア基板において、中心部で数10μmの反り量を有する場合がある。このため、サファイア基板1の第1の主面1aまたは第2の主面1bに対して、深さ方向におおよそ等間隔となるようにレーザ光101を走査するためには、反り量を補正する必要がある。
サファイア基板1上にGaN系エピ結晶2を成長したエピウェーハ10は、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2との間の熱膨張係数の差が大きいため、大きな反りを有する。例えば、2インチφまたは3インチφのサファイア基板において、中心部で数10μmの反り量を有する場合がある。このため、サファイア基板1の第1の主面1aまたは第2の主面1bに対して、深さ方向におおよそ等間隔となるようにレーザ光101を走査するためには、反り量を補正する必要がある。
したがって、レーザ照射工程は、サファイア基板1の反り量を計測する計測工程と、反り量に基づいてレーザ光101の集光位置を補正し、サファイア基板1の第1の主面1aから深さ方向に略一定間隔の集光位置を維持して、レーザ光を走査する走査工程と、を備えることが望ましい。
図4に示すように、支持基板20を加工ステージ17に接触させて載置されたエピウェーハ10の反り量ΔLは、例えば、測定用レーザ発振器15とレーザ光測定器16とを組み合わせた計測器によってモニタすることができる。ここで、反り量ΔLは、サファイア基板1の反り量と同じであることは明らかである。
図中に示すように測定用レーザ発振器15は、レーザ光をサファイア基板1の第2の主面1bに照射し、レーザ光測定器16はサファイア基板1の第2の主面1bで反射されたレーザ光を測定する。加工ステージ17の水平方向への移動により、エピウェーハ10が移動すると、サファイア基板1の第2の主面1b上のレーザ光の反射位置が変化する。この際、エピウェーハ10の反り量ΔLに対応して、第2主面1b上の反射点の高さが変化するので、レーザ光測定器16が検出するレーザ光の検出位置が変化する。この検出位置の変化を、サファイア基板1の第2主面1b上の反射位置に対応させてモニタすることにより、反り量ΔLを測定することができる。
図中に示すように測定用レーザ発振器15は、レーザ光をサファイア基板1の第2の主面1bに照射し、レーザ光測定器16はサファイア基板1の第2の主面1bで反射されたレーザ光を測定する。加工ステージ17の水平方向への移動により、エピウェーハ10が移動すると、サファイア基板1の第2の主面1b上のレーザ光の反射位置が変化する。この際、エピウェーハ10の反り量ΔLに対応して、第2主面1b上の反射点の高さが変化するので、レーザ光測定器16が検出するレーザ光の検出位置が変化する。この検出位置の変化を、サファイア基板1の第2主面1b上の反射位置に対応させてモニタすることにより、反り量ΔLを測定することができる。
エピウェーハ10の反り量を計測する計測工程では、加工ステージ17を水平方向に移動させて、エピウェーハ10の反り量ΔLを計測し、サファイア基板1の第2主面1b上の測定位置に対応させて記録する。
次に、レーザ光101を走査する走査工程では、計測工程で記録した反り量ΔLを反映させて、レーザ光101の集光位置を補正する。具体的には、レーザ光101の照射位置に対応する反り量だけ、加工ステージ17の上下位置を変えて補正を行う。
上記、第1の実施形態では、レーザ光101の集光位置を、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2の界面から20μm離れたサファイア基板1の内部に設定した。レーザ光101のスポットサイズが20μmであり、レーザ照射によって生じる変質領域は光子の高密度の領域に形成されるので、剥離界面8の幅ΔSは20μm以下と推定される。したがって、サファイア基板1を剥離した後のサファイア残層9の厚さは、10μm以上あるものと考えられる。
一方、サファイア残層9を研磨によって除去する際に、LEDの発光層に損傷を与えないようにするため、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2との界面近傍で研磨を停止する必要がある。このためには、サファイア残層9を薄くして、研磨量の制御を容易にすることが望ましい。そこで、レーザ光101の集光位置と、サファイア基板1とGaN系エピ結晶2の界面と、の間隔を、レーザ光101のスポットサイズ以下とし、サファイア残層9の厚さを10μm以下にすることが好ましい。また、上記の実施形態では、空気中で測定したスポットサイズを用いているが、屈折率差を考慮して見積もることが可能なウェーハ内部のスポットサイズによって集光位置を設定することが、より好ましい。
また、製造の効率を向上させるためには、サファイア基板1の全面をレーザ光101で走査するための時間を短縮する必要がある。そこで、レーザ光101の走査ステップのピッチwを変えて実験を行った。ステップピッチが10μm、20μmでは加工後のGaN系エピ結晶2の品質に差は見られなかった。しかしながら、50μmにした場合、剥離後の表面の一部にクラックが目立ち、100μm以上になると、サファイア基板1の剥離そのものができなくなる、また、ウェーハ周辺部のクラックが顕著に発生する場合もあった。すなわち、剥離後のGaN系エピ結晶にクラックが発生しないようにするために、レーザ光のステップピッチwは、スポットサイズ(20μm)の2倍以下とすることが望ましい。また、より好ましくは、スポットサイズ以下とすることが望ましい。なお、ここで言うスポットサイズは、レーザ光101を空気中で集光した場合の値である。
また、ステップピッチwがスポットサイズより大きくなると、変質領域が連続した界面ではなくなり、剥離界面8は、レーザ光101の走査方向に変質領域が配列した面となることは明らかである。
また、本実施形態に従う半導体素子の製造方法では、レーザ光を集中する成長基板または半導体素子用エピ結晶の吸収端波長より長い波長のレーザ光の照射を用いる点においても、従来のレーザリフトオフ技術に係る加工方法に優る利点を有する。従来技術にあっては、熱加工であるため素子に対して熱ダメージを発生させる可能性がある。すなわち、従来の方法によりレーザーリフトオフをする際には、レーザー照射部において、GaNの温度を融点以上の1000℃以上に上げる必要がある。このとき、デバイス各部に熱が伝わるため、素子劣化の要因となる可能性が排除できない。例えば、窒化物系半導体層に発生する割れを防ぐことを目的として、照射するレーザ光のパワーを調整する特許文献1に記載された発明においても、熱の影響を完全に否定することはできない。これに対して、本実施形態では、照射されるレーザ光は、半導体用エピ結晶および成長基板のいずれにおいても吸収されることがなく、変質層を形成する過程が熱過程でないため、デバイス各部に熱が伝わり素子が劣化することが無い点で有利と考えられる。
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に従うレーザ照射工程を模式的に示す断面図である。本実施形態は、GaN系エピ結晶32が比較的厚く形成されたエピウェーハ30を用いてLEDを製造する場合に有利である。また、GaNウェーハ上にGaN系エピ結晶2が成長されているエピウェーハを用いる場合でも良い。
図5は、第2の実施形態に従うレーザ照射工程を模式的に示す断面図である。本実施形態は、GaN系エピ結晶32が比較的厚く形成されたエピウェーハ30を用いてLEDを製造する場合に有利である。また、GaNウェーハ上にGaN系エピ結晶2が成長されているエピウェーハを用いる場合でも良い。
レーザ光102は、サファイア基板1とGaN系エピ結晶32との界面からn型GaN側へずらして集光されるように焦点を設定することができる。本実施形態においても、n型GaNを厚く残す方が好ましく、界面からのずれ量は、スポットサイズ以下とすることが望ましい。例えば、界面から2μm離れたn型GaN側に設定することができる。
また、レーザ光102の走査ステップは、例えば、ピッチ10μmとなるようにステージ17の送り速度(10mm/秒)を設定し、エピウェーハ30を移動させることができる。この際、本実施形態においても、図4に示すようにエピウェーハ30の反り量を補正して、レーザ光の走査を行うことが望ましい。
レーザ光を走査した後、前述した第1の実施形態と同様に、レーザ光102が照射されたラインに沿って、ウェーハが白濁化していくことが確認される。これはレーザ光102によって、GaNの結晶が破壊され、その後、再結晶化されるか、もしくは、アモルファス状のGaN、またはGa単体、空気空孔(窒素ボイド)が混在する変質領域が発生したことを示していると考えられる。さらに、エピウェーハ30の全面に渡ってレーザ光102を照射すると、エピウェーハ30の内部全面が白濁化され、剥離界面12が形成される。この状態では、結合力が弱いままであるが、サファイア基板1が剥離されることはない。レーザー照射後のエピウェーハ30を、例えば、200℃程度に加熱されたホットプレート上に置き、十分に温まったあとで急冷却をすると、エピウェーハ30内の熱膨張の違いによる応力のため、変質領域に混在している再結晶したGaN/Ga/非晶質GaN/ボイド等の複合状態において亀裂が発生し、サファイア基板1が剥離界面12を境に剥離される。
次に、n型GaN内部で剥離されたウエハの表面に化学機械研磨(CMP)を施すことで、平坦かつクラック発生がないGaN表面を得ることができる。また、n型GaN表面からの光取出し効率を高くするために、研磨処理を施さず、サファイア基板1が剥離された状態の表面を利用することもできる。
本実施形態は、サファイア基板1を剥離した後に、n型GaNが露出されることを前提として加工を行うものである。しかし、レーザ光102の集光位置の設定がサファイア基板1とGaN系エピ結晶32の界面に近いと、一部の領域でサファイア内部に変質領域が形成され、CMPで除去しきれないサファイア残層が残ってしまうことがある。このような場合は、サファイア残層の研磨処理を施した後、GaNの表面にCMPを施し、第1の実施形態と同様のプロセスを実施する。最終的に製造されるLED特性としては、実施形態1と同等のものを得ることができる。
また、サファイア残層を残さずに加工するためには、レーザ光102の集光位置を、サファイア基板1とGaN系エピ結晶32の界面からGaN層側に2μmより深い位置に設定することが望ましい。このためには、GaN層の厚さを厚くすることが好ましく、例えば、10μm以上の厚さのGaN層が形成されていることが望ましい。
一方、サファイア基板1に代えて、GaNウェーハ上にGaN系エピ結晶を成長したエピウェーハを使用する場合には、GaNウェーハとGaN系エピ結晶との界面からレーザ光の集光位置までの間隔を好適に設定できるので、効率良くLEDを製造できるものと考えられる。また、剥離したGaNウェーハを再利用すれば、コスト面での利点も大きいと考えられる。
図6は、本発明の一実施形態に係る半導体素子の製造装置を示すブロック図である。図中に示す半導体製造装置は、レーザ照射装置であり、半導体素子用結晶が形成されたウェーハ21を載置する加工ステージ17と、半導体素子用結晶が形成されたウェーハ21の吸収端より波長の長いレーザ光を照射するレーザ発振器19と、レーザ光をウェーハ21内部の所定位置に集光する光学系18を備えている。また、加工ステージ17は、水平および垂直方向に移動するための駆動系を備えており、コントローラ22に制御されて、レーザ光をウェーハ21の面に沿って走査する。
さらに、測定用レーザ発振器15とレーザ光測定器16を有する測定系を用いてウェーハ21の反り量を測定する。コントローラ22は、測定系が測定した反り量を加工ステージ17の駆動系にフィードバックし、レーザ光の集光位置を、半導体素子が形成されたウェーハ21の面から略一定間隔に維持して、レーザ光を走査させる。この際、コントローラ22は、ウェーハ21の反り量を測定し、ウェーハ21の面内位置に対応させて記憶する。その後、レーザ光を走査する際に、記憶された反り量を読み出してフィードバックする制御を行う。また、ウェーハ21の反り量を測定しながら、逐次フィードバックを行い、レーザ光を走査する制御としても良い。
本実施形態に使用するレーザ発振器19は、例えば、チタンサファイアレーザ、ファイバーレーザ、第2高調波のYAGレーザが上げられる。中でも、装置コストおよび操作性の面において、ファイバーレーザを用いることが望ましい。また、従来のレーザリフトオフ法に用いられるレーザ発振器に比べて、可視〜赤外領域でのレーザ発振器および光学系を使用できる点で、安価であり、耐久性、寿命も有利となる。すなわち、従来は、サファイアに対して透明で、GaNでのみ光吸収を発生させることができる波長帯を選択することが必要であり、180nm〜360nmの波長範囲のレーザ発振器が用いられていた。例えば、3倍高調波または4倍波高調波YAGレーザ(355nm、266nm)、エキシマレーザ(153nm、248nm、308nm)などである。
以上、第1および第2の実施形態について説明したが、本発明は、第1および第2の実施形態に限定されるものではない。例えば、サファイア基板の他に、上述したGaNウェーハ、SiCウェーハ等を使用することが可能である。
また、本発明は、半導体素子としてGaN系LEDに限られる訳ではなく、成長基板を剥離することで、放熱効率等の向上によって特性が向上する半導体素子にも有利である。例えば、GaNヘテロ接合FETなど、電力制御用の電子デバイスにも適用することができる。
なお、本願明細書において、「窒化ガリウム系半導体」とは、InxAlyGa(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のIII−V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素としては、N(窒素)に加えてリン(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含む。
なお、本願明細書において、「窒化ガリウム系半導体」とは、InxAlyGa(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)のIII−V族化合物半導体を含み、さらに、V族元素としては、N(窒素)に加えてリン(P)や砒素(As)などを含有する混晶も含む。
1 サファイア基板
1a 第1の主面
1b 第2の主面
2 GaN系エピ結晶
8 剥離界面
12 剥離界面
15 測定用レーザ発振器
16 レーザ光測定器
17 加工ステージ
18 光学系
19 レーザ発振器
21 ウェーハ
22 コントローラ
32 GaN系エピ結晶
101 レーザ光
102 レーザ光
d 集光位置と界面の間隔
w ステップピッチ
ΔL 反り量
1a 第1の主面
1b 第2の主面
2 GaN系エピ結晶
8 剥離界面
12 剥離界面
15 測定用レーザ発振器
16 レーザ光測定器
17 加工ステージ
18 光学系
19 レーザ発振器
21 ウェーハ
22 コントローラ
32 GaN系エピ結晶
101 レーザ光
102 レーザ光
d 集光位置と界面の間隔
w ステップピッチ
ΔL 反り量
Claims (9)
- 第1の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第1の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、
前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法。 - 前記レーザ光を照射した後に、前記成長基板の温度を変化させることにより、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。
- 前記レーザ光の集光と移動とにより、前記半導体素子用結晶または前記成長基板の変質領域を含む剥離界面を形成することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体素子の製造方法。
- 前記半導体素子用結晶の上に金属膜を形成した後に、前記成長基板の前記第1の主面の裏面である第2の主面側から前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記レーザ照射工程は、
前記成長基板の反り量を計測する計測工程と、
前記反り量に基づいて前記レーザ光の集光位置を補正し、前記成長基板の前記第1の主面からの深さ方向の集光位置を維持して、前記レーザ光を移動する走査工程と、
を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。 - 前記半導体素子用結晶は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記成長基板と、前記半導体素子用結晶と、の界面から、前記レーザ光の集光位置までの間隔は、前記レーザ光の集光されたスポットサイズ以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法。
- 前記レーザ光の前記移動のピッチは、前記レーザ光の集光されたスポットサイズの2倍以下であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
- 半導体素子用結晶が形成された成長基板を載置するステージと、
レーザ光を放出するレーザ光源と、
前記レーザ光を、前記半導体素子用結晶または成長基板の内部の所定位置に集光する光学系と、
前記ステージ及び前記光学系の少なくともいずれかを移動させ、前記成長基板の主面に沿って前記レーザ光を移動させる駆動系と、
前記成長基板の反り量を測定する測定系と、
前記測定系が測定した反り量を前記駆動系にフィードバックし、前記レーザ光の集光位置を、前記成長用基板の主面から一定の深さに維持して、前記レーザ光を移動させる制御系と、
を備えたことを特徴とする半導体素子の製造装置。
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