JP2012156217A - Ｌｅｄチップの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】裏面側からレーザ照射することにより分割起点を形成する場合に、予め、別途に分割予定ラインに沿って反射膜を除去しておく必要のないＬＥＤの製造方法を提供する。
【解決手段】 光透過性基板１の表面側１ａに複数のＬＥＤ素子本体２がパターン形成されるとともに、裏面側１ｂに反射膜３が分割予定ライン上も含めて形成されているマザー基板１に対し、分割予定ラインに沿ってレーザビームＬを照射することによってＬＥＤ素子本体２ごとに分割するための分割起点Ａを形成する工程を含むＬＥＤチップの製造方法であって、反射膜３としてＬＥＤ素子本体２が発する発光光および蛍光材料による蛍光の波長範囲を反射し、かつ、分割予定ラインに照射するレーザビームＬの波長光を透過する性質を有する反射膜３を裏面側１ｂに形成し、レーザビームＬを裏面側１ｂから反射膜３を透過させて基板裏面に直接照射するようにして基板１をレーザ加工する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光透過性基板の片側の主面（表面側とする）に発光光を生成するＬＥＤ素子本体が形成され、他方の主面（裏面側とする）に当該発光光を反射する性質の反射膜が形成された構造を有するＬＥＤチップの製造方法に関する。

III族窒化物系半導体からなるＬＥＤ素子本体をチップ状のサファイア基板の上に形成した構造のＬＥＤチップは、例えば青色系の発光ダイオード（ＬＥＤ）として製品化されている。
最近では、ＬＥＤチップからの発光光の取り出し効率を高めるために、発光光が透過可能な光透過性基板（サファイア基板など）の裏面側に金属反射膜を形成しておき、ＬＥＤ素子本体から直接出射される発光光とともに、一旦基板内に入射し裏面側の金属反射膜で反射されて再び基板を通過して出射される発光光をも有効に利用するＬＥＤチップが利用されている（特許文献１参照）。

図６は、光透過性基板の裏面側に反射膜が形成されたＬＥＤチップの典型例を示すＧａＮ系ＬＥＤの断面構造図である。
サファイア基板１０の第一主面（表面）の上には、ＧａＮバッファ層１２、ｎ型ＧａＮ層１３、ｎ型ＡｌＧａＮ層１４、ＧａＩｎＮからなる発光層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、およびｐ型ＧａＮ層１７が順次積層された領域と、ｎ型ＧａＮ層１３の一部が露出されるまでｎ型ＡｌＧａＮ層１４、発光層１５、ｐ型ＡｌＧａＮ層１６、ｐ型ＧａＮ層１７の一部がエッチングで除去された領域とを備えた半導体積層構造が形成される。この半導体積層構造の外周面には、電極形成部分を除いてＳｉＯ_２膜１８が絶縁保護膜として形成される。そしてｐ型ＧａＮ層１７の上には透光性のｐ型電極１９（Ａｕ薄膜）、ｎ型ＧａＮ層１３の上にはｎ型電極２０（Ｔｉ／Ａｌ／Ａｕ膜）がそれぞれ形成される。

サファイア基板１０の第二主面（裏面側）上には、反射膜１１が形成される。反射膜１１には、発光層１５からの発光光の波長に対する反射特性が優れた材料が使用され、具体的には、例えば単層のＡｕ膜が形成され、これにより、裏面から抜け出ようとする発光光をサファイア基板１０側に反射するようにしている。

なお、反射膜１１には、ＬＥＤ素子の発光特性や材料コストを勘案して、Ａｕ膜の他に、Ａｌ膜や誘電体多層膜が反射膜の材料として用いられる。すなわち、ＬＥＤ素子本体の半導体材料の種類と膜厚によって発光波長領域（発光スペクトル）が異なるので、素子およびＬＥＤ（商品）に応じて、発光波長に対する反射特性の優れた材料が選択されて用いられる。例えば、素子の周辺に塗布する蛍光材料による蛍光光を利用する場合はこの影響も考慮して材料が選択される。具体的には、白色ＬＥＤ（蛍光材料と青色ＬＥＤとからなる白色ＬＥＤ、または、ＲＧＢ３波蛍光材料と紫光源とからなる白色ＬＥＤ）であれば、可視光波長である約３５０ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域で反射率が優れた誘電体多層膜が用いられることがある。一方、材料コストを優先する場合はＡｌ膜が用いられる。

裏面側に反射膜が形成されたＬＥＤチップは、以下の製造工程を経ることにより製造される。すなわち、ウェハ状のサファイア基板をマザー基板として使用し、まず、マザー基板の第一主面（表面）にＬＥＤ素子本体を格子状にパターン形成し、続いて裏面を必要な厚みまで研磨した後、マザー基板の第二主面（裏面）に反射膜を形成する（素子形成工程）。その後、個々のＬＥＤ素子本体ごとに分割するために、サファイア基板をチップ状に分断してＬＥＤチップ（製品）として取り出す（チップ分割工程）。

ここで、マザー基板から個々のＬＥＤチップに分割するチップ分割加工について説明する。一般に、ＬＥＤチップの製造工程においても、他の半導体製品と同様に、マザー基板をチップごとに分割する際に、ダイシングブレード（ダイサー）、ダイヤモンドスクライバー等を用いたメカニカル加工、あるいはレーザビームを照射するレーザ加工のいずれかによる分割が行われている。

このうち、ダイシングブレードやダイヤモンドスクライバーのような加工工具を用いたメカニカルなスクライブ加工でマザー基板を分断する場合、サファイアはガラスなどに比べてはるかに硬質な脆性材料であるため、加工工具が摩耗しやすく、また、加工された分割面には所望のクラック以外に製品不良の原因となるチッピングが生じやすい。

一方、ＹＡＧレーザなどの高出力パルスレーザ（パルス幅１０^−９〜１０^−７秒）を用いたレーザ加工によってマザー基板を分割する場合には、周知技術であるレーザアブレーションや多光子吸収による分割がなされる。すなわち、レーザ光を基板表面近傍あるいは基板内部に集光し、基板表面近傍にアブレーションを生起させて溝を形成したり、多光子吸収によって基板内部に加工変質部を形成したりして、これらの加工部分を、ブレイクのための分割起点にするようにしている（特許文献２、特許文献３参照）。

しかしながら、硬脆性材料であるサファイアをレーザで加工する場合は、アブレーション、多光子吸収のいずれでも、ガラス等に対する加工に比べて照射エネルギーを高める必要がある。その結果、アブレーションによる加工の場合には、形成される溝幅が広くなってしまう。多光子吸収によって基板内部の加工変質部を設ける場合においても、変質部位が広がってしまうとともに変質部位に形成される分割面の表面粗さが粗くなり、必ずしも好ましい精度での分断面は得られていない。

そのため、パルス幅が１０^−１０秒以下の超短パルスレーザ（以下パルス幅が１０^−１０秒以下のパルスレーザを「超短パルスレーザ」と呼ぶ）を用いた新しいレーザ加工方法（以下、本明細書においてはＢＩ法ともいう）が提案されている（特許文献４参照）。これによれば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（波長１０６４ｎｍ）を用いて、極めて短いパルス幅および高パワー密度を有する超短パルスレーザを、サファイア基板の表面近傍で集光するように焦点を調整して射出する。このときのレーザ光は、集光点近傍以外では基板材料（サファイア）に吸収されないが、集光点では多光子吸収が惹起されて、瞬間的かつ局部的に溶融・昇華（局部的な微小アブレーション）が発生するようになる。そして、基板の表層部位から表面に至る範囲に微小クラックが形成される。すなわち、従来のアブレーションは照射されたレーザビームによるエネルギーのほとんどすべてが基板材料の溶融・蒸散に費やされ広いアブレーション穴の形成（穴径が８μｍ程度）に用いられるが、新しいレーザ加工方法（ＢＩ法）では照射レーザのエネルギーは微小な溶融痕（穴径が１μｍ程度の小穴）の形成に一部が費やされ、残りのエネルギーが微小クラックを形成する衝撃力として費やされる。このような溶解痕を分割予定ラインに沿ってミシン目のごとく離散的に形成することにより、隣接する溶解痕の間が微小クラックで連なった分離容易化領域が形成されるようになり、この領域に沿って基板が分割可能になる。

特開平１０−３０８５３２号公報 特開平１１−１７７１３７号公報 特開２００４−２６８３０９号公報 特開２００５−２７１５６３号公報

ＬＥＤ製造におけるチップ分割工程には、レーザアブレーション加工、多光子吸収によるレーザ加工、超短パルスレーザによる新しいレーザ加工（ＢＩ法）が適用されることを説明した。
しかしながら、裏面側に反射膜が形成されているマザー基板を分割してＬＥＤチップを切り出す場合に、上述したようなレーザ加工によって分割を行おうとすると、裏面側の反射膜の存在により、反射膜によってレーザ光が反射または吸収されることが加工上の支障になる。

レーザ照射による分割方法の一つとして、レーザ照射を、裏面側からではなく、ＬＥＤ素子本体が形成された表面側から照射することが可能であるが、照射したレーザビームの発光がＬＥＤ素子本体にも影響を及ぼし、ＬＥＤ素子自体の発光効率を低下させてしまう問題が生じるので、レーザ照射は裏面側から行うことが発光効率を維持させる観点から望ましい。

また、これまでのＬＥＤの製造工程では、材料コストという実用的な観点からは反射膜にＡｌ膜が使用され、材料コストよりも発光光の取り出し効率を重視する観点からは、Ａｌ膜よりも発光波長に対する反射特性が優れたＡｕ膜や誘電体多層膜などの材料の使用が検討されているが、チップ分割工程の観点からは反射膜としてどのような膜が好ましいかは何も考慮されていなかった。

そのため、裏面側にＡｌ膜等の反射膜が形成されている構造のマザー基板を、裏面側からレーザ照射して分割起点を形成する場合には、先に、分割予定ラインに沿って反射膜を帯状に除去（剥離）してマザー基板を露出させておき、続いて、マザー基板の裏面側からレーザ光を露出部分に向けて照射するようにしていた。

その場合、分割予定ラインに沿って、フォトリソグラフィによるパターニングで剥離するか、あるいは、反射膜を除去するための照射条件（後述する分割起点形成のためのレーザ照射とは異なる）で反射膜除去用のレーザアブレーションを行うかが必要であり、いずれにしても、分割予定ラインに沿って格子状に反射膜を除去（剥離）する工程が余分に必要となって、加工工数が増える要因となっていた。

そこで、本発明は裏面に反射膜が形成されているマザー基板を、裏面側からレーザ照射することにより分割起点を形成する場合に、予め、別途に分割予定ラインに沿って反射膜を除去しておく必要のないＬＥＤの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明のＬＥＤチップの製造方法は、光透過性基板の表面側に複数のＬＥＤ素子本体がパターン形成されるとともに、裏面側に反射膜が分割予定ライン上も含めて形成されているマザー基板に対し、分割予定ラインに沿ってレーザビームを照射することによってＬＥＤ素子本体ごとに分割するための分割起点を形成する工程を含むＬＥＤチップの製造方法であって、以下の構成を備える。
すなわち、反射膜としてＬＥＤ素子本体が発する発光光の波長範囲（好ましくは、さらに蛍光材料からの蛍光光の波長範囲）を反射し、かつ、分割予定ラインに照射するレーザビームの波長光を透過する性質を有する反射膜を裏面側に形成し、レーザビームを裏面側から反射膜を透過させて基板裏面に直接照射するようにして基板をレーザ加工するものである。

ここで、光透過性基板はサファイア基板であってもよい。
また、反射膜は４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の反射率が９０％以上であり、９００ｎｍ以上の赤外領域の透過率が５０％以上であってもよい。
具体的には、反射膜は誘電体多層膜で形成されていてもよい。
また、レーザビームとしてＮｄ：ＹＡＧレーザによる１０６４ｎｍのパルスレーザを照射すればよい。
さらには、パルスレーザとして、パルス幅が１０^−１０秒よりも短い超短パルスレーザを、分割予定ラインに沿って離散的に照射して分割起点を形成するようにしてもよい。
ここで、「離散的に照射」とは、新しいレーザ加工方法（ＢＩ法）での照射を、距離を隔てて離散的に行うことにより、微小な溶融痕（穴径が１μｍ程度の小穴）が間隔を隔てて形成されるが、隣接する溶融痕の間に形成される微小クラックどうしがつながるような間隔での照射をいう。すなわち、溶融痕と微小クラックとが連続するように形成されることで、クラックが進展するように誘導するようにした加工を行う。
このように、溶解痕を分割予定ラインに沿ってミシン目のごとく離散的に形成することにより、隣接する溶解痕の間が微小クラックで連なった分離容易化領域が形成されるようになり、この領域に沿って基板が分割可能になる。

本発明のＬＥＤチップの製造方法によれば、ＬＥＤ素子の発光光を透過する透過性基板の裏面側に形成する反射膜が有する光学特性として、ＬＥＤ素子本体および蛍光材料の波長領域を反射することができるとともに、分割予定ラインに照射するレーザビームの波長光を透過する性質を有するようにすることで、分割予定ラインに沿ってレーザ照射を行うときに、裏面側から照射すれば反射膜を透過してレーザビームが基板に直接照射されるようになる。
すなわち、これまでは反射膜を予め除去することで、基板にレーザビームが照射されるようにしていたが、裏面側に反射膜を設けたまま、レーザ照射を行ってもレーザビームが基板裏面に到達するようになり、実質的に反射膜がないときと同様のレーザ加工が可能になる。
これにより、裏面反射膜を備えたＬＥＤチップの製造において、分割予定ラインに沿って反射膜を除去する工程が不要になり、加工工数を減らすことができる。

マザー基板の表面側にＬＥＤ素子本体を形成した状態を示す図である。 ＬＥＤ素子本体が形成されたマザー基板の裏面側に反射膜を形成した状態を示す図である。 反射膜として理想的な反射スペクトルを示す図である。 レーザ照射により、マザー基板を個々のＬＥＤチップに分割するときの加工状態を示す図である。 分割起点に沿ってブレイク処理を行う状態を示す図である。 ＬＥＤ素子本体の構造の一例を示す断面図である。

以下、III族窒化物系半導体を用いたＬＥＤチップを例にして、本発明のＬＥＤチップの製造工程を、順次、図面に基づいて詳細に説明する。本発明にかかるＬＥＤチップの製造方法は、主として素子形成工程と、チップ分割工程との２つの工程からなる。

（素子形成工程）
素子形成工程では、マザー基板の表面側（第一主面側）に多数のＬＥＤ素子本体をパターン形成するとともに、裏面側（第二主面側）に反射膜を形成する。

図１はマザー基板の表面側にＬＥＤ素子本体を形成した状態を示す図であり、図１（ａ）は上面図（表面側の平面図）、図１（ｂ）は正面図である。マザー基板１は、ウェハ形状のサファイア基板からなり、表面１ａ（第一主面）上には、正方格子を形成するように縦横に規則的に並んだ多数のＬＥＤ素子本体２がパターン形成してある。個々のＬＥＤ素子本体２は、図６で示した素子構造を有しており、周知の半導体製造プロセスによって形成されている。
また、隣接する素子本体２の間には、ＬＥＤ素子本体ごとに分割するときの分割予定ラインになる間隙が設けられている。

マザー基板１として用いるサファイアは、ＬＥＤ素子本体２が発光する波長領域（３５０ｎｍ〜８００ｎｍ）に対し光透過性を有する材料である。なお、ＬＥＤ素子本体２の発光波長領域に対して光透過性を有する材料であればサファイア基板以外を基板として用いてもよい。ＬＥＤ素子本体２が白色発光ダイオードではなく、単色光発光ダイオードの場合は、可視光領域全体ではなく該当する単色光の発光波長に対して光透過性を有していればよい。

図２は、ＬＥＤ素子本体２が形成されたマザー基板１の裏面側に反射膜を形成した状態を示す図であり、図２（ａ）は下面図（裏面側の平面図）、図２（ｂ）は正面図である。マザー基板１の裏面側１ｂには全面に反射膜３が形成してある。
反射膜３には、ＬＥＤ素子本体２の発光光を選択的に反射するとともに、分割予定ラインに照射するレーザビームの波長光を透過する性質の材料が使用される。レーザビームには、通常、９００ｎｍ以上の波長光である赤外レーザ（ＹＡＧレーザ、ＹＶＯレーザなど）を使用するので、９００ｎｍ以上の赤外波長領域を透過する反射材が使用される。
具体的には、例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域を９０％以上の反射率で反射し、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長光（１０６４ｎｍ）を５０％以上の透過率で透過する反射膜を使用することが好ましい。

図３は、反射膜３として理想的な反射スペクトルを示す図である。
このような特性に近い反射膜は、誘電多層膜によって形成することができる。

（チップ分割工程）
次に、ＬＥＤ素子本体２および反射膜３が形成されたマザー基板を、個々のＬＥＤチップに分割する。
図４は、レーザ照射により、マザー基板を個々のＬＥＤチップに分割するときの加工状態を示す図である。
レーザ４としてＮｄ：ＹＡＧパルスレーザを用いて、波長１０６４ｎｍ、パルス幅２０ピコ秒、パルスエネルギー０．１μＪ〜５０μＪ、繰り返し周波数１０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ、分割予定ライン方向への走査速度５０ｍｍ／秒〜３０００ｍｍ／秒の条件で、裏面１ｂ側から超短レーザビームを照射する。なお、走査速度は、繰り返し周波数との兼ね合いで、前回の照射位置の間隔（照射ピッチ）が３μｍ〜２０μｍになるようにする。
そして、レーザ４に内蔵されたレンズ光学系（不図示）で、深さ方向の焦点位置を、基板裏面側１ｂよりもわずかに基板内側に入った位置Ａ（分割起点）に集光するように焦点を調整する。

このようにしてレーザを照射すると、レーザビームＬは反射膜３を透過して、マザー基板１の焦点位置まで直接到達して作用するようになり、マザー基板１を移動させながら加工することで、３μｍ〜２０μｍの間隔で離散的に小穴が形成され、隣接する穴と穴との間には微小クラックが形成されるようになり、これらによって分割起点となる加工ライン（スクライブライン）が形成される。すべての格子状の分割予定ラインすべてに沿って同じ処理を繰り返して、ＬＥＤ素子本体ごとに分割するための分割起点を形成する。

図５は、分割起点が形成されたマザー基板１に対して、ブレイク処理を行う状態を示す図である。
分割起点Ａが形成された位置に対向する表面側の位置Ｐ１にブレイクバー５を当てるとともに、裏面側で分割起点Ａから左右両側に離隔した位置Ｐ２，Ｐ３に支持バー６ａ，６ｂを当て、３点支持状態で曲げモーメントを与えることにより、分割予定ラインに沿ったブレイクを行う。そして同様のブレイク処理をすべての分割起点に沿って実行することで、ＬＥＤチップごとに分割することができる。

したがって、本発明によれば、反射膜３を形成した後に、反射膜３を分割予定ラインに沿って剥離することなく、いきなり、マザー基板自体をレーザ加工することができるようになる。

上記実施形態では、超短パルスレーザの照射によるチップ分割を実行したが、従来からのアブレーション加工、あるいは多光子吸収による加工を適用してもよい。これらの場合でも、裏面側に形成した反射膜を分割予定ラインに沿って剥離することなく、いきなりレーザ加工することができる。

本発明は、基板裏面に反射膜が形成されたＬＥＤチップの製造に利用される。

Ａ 焦点位置（分割起点）
Ｌ レーザビーム
１ 光透過性基板（サファイア基板）
１ａ 表面側
１ｂ 裏面側
２ ＬＥＤ素子本体
３ 反射膜
４ レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）
５ ブレイクバー
６ａ，６ｂ 支持バー

Claims (6)

1. 光透過性基板の表面側に複数のＬＥＤ素子本体がパターン形成されるとともに、裏面側に反射膜が分割予定ライン上も含めて形成されているマザー基板に対し、分割予定ラインに沿ってレーザビームを照射することによってＬＥＤ素子本体ごとに分割するための分割起点を形成する工程を含むＬＥＤチップの製造方法であって、
   前記反射膜として前記ＬＥＤ素子本体が発する発光光の波長範囲を反射し、かつ、分割予定ラインに照射するレーザビームの波長光を透過する性質を有する反射膜を裏面側に形成し、
   前記レーザビームを裏面側から反射膜を透過させて基板裏面に直接照射するようにして基板をレーザ加工することを特徴とするＬＥＤチップの製造方法。
2. 光透過性基板がサファイア基板である請求項１に記載のＬＥＤチップの製造方法。
3. 前記反射膜は４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域の反射率が９０％以上であり、９００ｎｍ以上の赤外領域の透過率が５０％以上である請求項１または請求項２に記載のＬＥＤチップの製造方法。
4. 前記反射膜は誘電体多層膜で形成される請求項３に記載のＬＥＤチップの製造方法。
5. レーザビームとしてＮｄ：ＹＡＧレーザによる１０６４ｎｍのパルスレーザを照射する請求項１〜請求項４のいずれかに記載のＬＥＤチップの製造方法。
6. パルスレーザとして、パルス幅が１０^−１０秒よりも短い超短パルスレーザを、分割予定ラインに沿って離散的に照射する請求項５に記載のＬＥＤチップの製造方法。
   

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