JP2011525707A - 固体レーザーを利用してＧａＮ（窒化ガリウム）とサファイア基板を非破壊リフトオフする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は固体レーザーを利用してGaN（窒化ガリウム）とサファイア基板を非破壊リフトオフする方法を公開する。
【解決手段】周長3〜1000μm、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が400μm以下の小レーザースポットを用いてポイント及びラインごとにレーザースキャンを行い、その小レーザースポット内のエネルギーの分布状況はレーザースポット中心のエネルギーが一番強く、エネルギーが周囲へ次第に弱くなることである。本発明は小レーザースポットの非破壊レーザーリフトオフを実現し、レーザーリフトオフスキャンの方式を改良し、アラインメントマークする必要がない無照準(no aiming)リフトオフ方法を実現し、レーザーリフトオフ加工の過程を簡素化し、効率を上げ、不良率を下げ、レーザーリフトオフ加工の産業化に障害を取り除くことになる。
【選択図】図３

Description

本発明はGaN基板及びデバイスをレーザーリフトオフして調製する方法に関し、具体的に、固体レーザーを応用し、走査方式（scanning system）を改良し、アラインメントマークする必要がない無照準(no aiming)方法を実現し、GaNとサファイア基板を分離させ、GaN基板及びデバイスの調製を実現することに関する。

GaN及びInGaN、AlGaNを主とするIII/V族窒化物は近年で注目を集める半導体材料であり、1.9‐6.2eVの範囲で連続的に変化できる直接ギャップと、優れている物理的、化学的安定性と、高電子移動度などの特性により、レーザー、発光ダイオードなどのオプトエレクトロニックデバイスの最適な材料になる。

しかし、GaN自身の成長技術の制限のため、現在大面積のGaN材料は大部分がサファイア基板に成長される。サファイア基板に成長されたGaNは品質が良く、応用範囲も広いが、サファイアが導電性を備えておらず、熱伝導率がよくないため、GaN系半導体デバイスの発展が甚だしく制限された。その欠点を克服するために、サファイアにGaN系デバイスを成長させた後、サファイアを除去し、熱伝導率が高く、電気伝導率も高いSi（シリコン）、Cu（銅）などの基板に取り替える方法が公開された。サファイアを除去する過程において、主に応用する方法はレーザーリフトオフ技術である。

レーザーリフトオフ技術とは、エネルギーがサファイアバンドギャップより小さく、GaNバンドギャップより大きいレーザー光源を用い、サファイア基板を通してサファイアと窒化ガリウムが連接する箇所のGaN層に照射し、ここのGaNを通じてレーザーのエネルギーを吸収し高温を発生させるときに、ここのGaNが金属ガリウムと窒素に分解し、GaNとサファイア基板を分離する方法を実現した。

従来のレーザーリフトオフ技術はいつも大レーザースポット（レーザースポットの周長が1000μm超過）を順次配置し、かけらごとにリフトオフする方法を利用し、GaN系デバイスとサファイア基板を分離することを実現する。このような大レーザースポットのリフトオフ技術の欠点は、レーザースポット面積内のエネルギーの増減が激しく、応力が周辺に高度に集中しているため、図1に示すようにレーザースポット周辺のGaNが激しく損傷された。その損傷の深さは零点何μmから何μmまでまちまちであり、且つ防止できない。したがって、GaN系デバイスのレーザーリフトオフ加工が厳しく制限された。

現在、この条件で製造されたレーザーリフトオフするGaN系デバイスの加工は大体以下のとおりである。
［1］サファイアにGaN系エピタキシャルウエハが成長される。
［2］サファイア基板を有するエピタキシャルウエハをGaN系ディスクリート部品素子に製造する。
［3］他の熱伝導率と電気伝導率がある基板を電気めっきするまたはボンディングする。
［4］レーザーリフトオフ方法を応用してサファイア基板を除去する。

前記加工において、大レーザースポット周辺の損傷によってGaN系デバイス（通常、ミリメートル量級のハイパワーとマイクロメートル量級のローパワー2種類があり、いろいろなサイズがある）が損傷するのを避けるために、おおかた採用する方法は大レーザースポットで直接的に全体の1つまたは複数のGaN系部品素子をかぶせ、レーザースポット周辺をGaN系部品素子の間の通路に残し、できる限りレーザースポット周辺の損傷を避ける。このやり方の欠点は以下のとおりである。
［1］デバイスのサイズによりレーザースポットの面積を調整する必要がある。
［2］レーザースポット周辺がGaN部品素子の間の通路内に残すことを保証するために、レーザースキャンの前に繰り返しアラインメントマークする必要がある。
［3］リアルタイムの映像トラック検査をする必要があり、いったんアラインメントマークは誤差が生じ、直ちに繰り返しアラインメントマークすることを停止する。
以上の欠点はレーザーリフトオフ加工が大規模な生産応用においての大きな障害をもたらし、加工が複雑化され、効率が低下し、且つ不良率（レーザーアラインメントマークにおいて誤差が生じる、またはスキャンの過程において誤差が生じるため、周辺の損傷が激しくなる）を増加させる。

本発明の目的はアラインメントマーク不要の無照準(no aiming)レーザーリフトオフ方法を提供し、GaNとサファイア基板の非破壊リフトオフを実現することである。本発明の技術案は以下のとおりである。

固体レーザーをレーザー光源とし、周長3〜1000μm、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が400μm以下の小レーザースポットを用いてポイント及びラインごとにレーザースキャンを行い、その小レーザースポット内のエネルギーの分布状況はレーザースポット中心のエネルギーが一番強く、エネルギーが周囲へ次第に弱くなることを特徴とするGaNとサファイア基板をレーザーリフトオフする方法。

本発明は従来のレーザーリフトオフにおいての大レーザースポットリフトオフ技術を変え、小レーザースポットを使用してアラインメントマーク不要の無照準(no aiming)でGaN系デバイスのリフトオフを実現する方法である。小レーザースポット方法はこれまで提供されないのは2つの重要な原因がある。[1]一般的な見方により、小レーザースポットリフトオフによって、レーザースポット周辺の問題がGaN系部品素子の内部に影響するため、レーザーリフトオフの品質を一層下げる。[2]小レーザースポットの非破壊レーザーリフトオフを実現する企業がまだない。本発明は採用する小レーザースポットが周長3〜1000μm、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が400μm以下である。周長100〜400μm、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が150μm以下であることが好ましい。レーザースポットの形状は正方形、長方形、円形、楕円形、五角形、六角形、七角形又は八角形などである。このような小レーザースポットとは、例えば辺の長さは1〜250μmである正方形レーザースポット、直径は1〜400μmである円形レーザースポット。同時に本発明は1つのレーザースポット内のエネルギーの分布に対して調整し、原レーザースポット内のエネルギーの増減状況を変更した。従来の技術において、大レーザースポット内のエネルギーが均一であり、レーザースポット周辺のエネルギーが急変するため、損傷が生じることが容易になり、原パルスレーザースポット内のエネルギーの分布は図2ａに示すように、ｘ軸がレーザースポットの辺の長さの方向を示し、ｙ軸がエネルギーの大小を示し、ｘ軸のゼロ位置がレーザースポットの中心と対応する。本発明において、レーザースポット内のエネルギーの分布状況が変更され、一途にエネルギーの均一化を追求せず、レーザースポット周辺のエネルギーの漸進的変化を考え、エネルギーの分布が図2ｂに示された。大レーザースポットより、小レーザースポットがレーザースポット内のエネルギーの漸進的変化を実現することが容易になる。レーザースポット周辺領域のエネルギーの漸進的変化の過程（レーザースポット中心に近くエネルギーがより強い領域から中心から遠く離れエネルギーがより弱い領域までの漸進的変化）を強調したため、GaN系材料のレーザースポット周辺においての受力の状況を改善し、小レーザースポットの非破壊レーザーリフトオフを実現した。
本発明において使用される固体レーザーは、改良した固体レーザー光源（YAGレーザー光源）が好ましく、その改良がレーザースポット内のレーザー増減の状況を改善したことを示し、レーザースポット中心をエネルギーの最高点とし、エネルギーが周囲へ次第に弱くなり、全体のレーザースポット内のエネルギーがガウス分布又はガウス分布に近似する状態を示している。

本発明は小レーザースポットの非破壊レーザーリフトオフ（リフトオフした表面が図3に示すように、目立つ損傷がない）を実現し、アラインメントマーク不要の無照準(no
aiming)リフトオフ方法を実現した。本発明の方法によりレーザーリフトオフスキャンの方式を改良し、伝統的な加工で電気めっき又はボンディングの工程を実行した後に、GaN部品素子のサイズによってレーザースポットの面積を調整する必要がなく、スタートの時にアラインメントマークする必要がなく、直接にレーザースキャンを行うことが可能であり、中途で停頓する必要がなく、リアルタイムの検査の必要がない。
従来の技術と比べると、本発明の利点は以下の通りである。第一、レーザーリフトオフ加工の過程を大いに簡素化した。第二、レーザーリフトオフの作業効率を大いに上げた。第三、不良率を下げた。第四、レーザーリフトオフ加工の産業化に障害を取り除き、レーザーリフトオフの工業生産を推進した。

は大レーザースポットがレーザーリフトオフした後にGaNのレーザー周辺に残った損傷の写真である。 は従来の技術においてのレーザースポット内のエネルギー分布の説明図である。 は本発明の技術案においての小レーザースポット内のエネルギー分布の説明図である。 は本発明の小レーザースポットを利用してリフトオフした見本品の表面の写真である。 は本発明の第１の実施形態においてレーザーリフトオフした後のデバイスの表面を500倍に増幅した顕微鏡写真である。 は本発明の第２の実施形態においてレーザーリフトオフした後のデバイスの表面を500倍に増幅した顕微鏡写真である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に説明する部材、配置などは本発明を限定するものでなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。

第１の実施形態
下記の通りの工程に基づいて垂直な構成のGaN系デバイスをレーザーリフトオフして製造する。
［1］サファイアにGaN系エピタキシャルウエハを成長させ、更にGaN系ディスクリート部品素子に加工し、GaNの表面にPd/In（パラジウム/インジウム）ボンディングの方法を用いてCu（銅）の薄板をボンディングし、それにおいて、Pdがスパッタリングの方法を用いて200nmにめっきされ、Inが熱蒸発の方法を用いて600nmに蒸着され、Pd/In金属がめっきされたCuの薄板とGaNの薄板を高温、高圧でボンディングする。温度が200℃であり、圧力が1MPaであり、時間が20分間である。
［2］ボンディングした見本品を改良した固体レーザー光源（YAGレーザー光源）でリフトオフし、レーザーエネルギーの密度が600mj/cm^２であり、レーザーの周波数が20Hzであり、レーザースポットの大きさが30μmｘ30μmであり、レーザースポット中心の間隔が30μmであり、見本品のサファイアの面にレーザーでポイント及びラインごとにスキャンする。

リフトオフした後に、サファイア基板が自然に除去され、リフトオフの結果が図4に示すように、デバイスのリフトオフされた表面が均一で非破壊であることは500倍に増幅した顕微鏡写真で表示される。

第２の実施形態
下記の通りの工程に基づいて垂直な構成のGaN系デバイスをレーザーリフトオフして製造する。
［1］サファイアにGaN系エピタキシャルウエハを成長させ、更にGaN系ディスクリート部品素子に加工し、GaNの表面にPd/Inボンディングの方法を用いてCu（銅）の薄板をボンディングし、それにおいて、Pdがスパッタリングの方法を用いて200nmにめっきされ、Inが熱蒸発の方法を用いて600nmに蒸着され、Pd/In金属がめっきされたCuの薄板とGaNの薄板を高温、高圧の下でボンディングする。温度が200℃であり、圧力が1MPaであり、時間が20分間である。
［2］ボンディングした見本品を改良した固体レーザー光源（YAGレーザー光源）でリフトオフし、レーザーエネルギーの密度が600mj/cm^２であり、レーザーの周波数が20Hzであり、レーザースポットの大きさが100μmｘ100μmであり、レーザースポット中心の間隔が100μmであり、見本品のサファイアの面にレーザーでポイント及びラインごとにスキャンする。
リフトオフした後に、サファイア基板が自然に除去され、リフトオフの結果が図5に示すように、デバイスのリフトオフされた表面が均一で非破壊であることは500倍に増幅した顕微鏡写真で表示される。

Claims (5)

1. 固体レーザーをレーザー光源とし、周長3〜1000μm、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が400μm以下の小レーザースポットを用いてポイント及びラインごとにレーザースキャンを行い、その小レーザースポット内のエネルギーの分布状況はレーザースポット中心のエネルギーが一番強く、エネルギーが周囲へ次第に弱くなることを特徴とするGaN（窒化ガリウム）とサファイア基板をレーザーリフトオフする方法。
2. 前記小レーザースポットの周長が100〜400μmであり、且つ2つの最も遠い角の距離又は最も長い直径が150μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
3. 前記小レーザースポットの形状は正方形、長方形、円形、楕円形、五角形、六角形、七角形又は八角形であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
4. 前記固体レーザーとは固体レーザー光源（YAGレーザー光源）であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
5. レーザースポット中心をエネルギーの最高点とし、全体の小レーザースポット内のエネルギーがガウス分布又はガウス分布に近似する状態を示していることを特徴とする請求項1に記載の方法。