JP2012526369A

JP2012526369A - 固体レーザーリフトオフ（Ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）装置およびそのリフトオフ方法

Info

Publication number: JP2012526369A
Application number: JP2012508888A
Authority: JP
Inventors: 国▲義▼ ▲張▼; 欣▲栄▼ ▲楊▼; 明坤何; 永健 ▲孫▼
Original assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Sino Nitride Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2012-10-25
Also published as: EP2428979A4; US8395082B2; WO2010127621A1; KR101323585B1; CN101879657A; EP2428979A1; CN101879657B; KR20120006571A; US20120064735A1

Abstract

【課題】固体レーザー(1)と、ビーム整形レンズ(3）と、振動ミラーのモーター(5、7)と、振動ミラー(4、6)と、フィールドレンズ(9)と、移動プラットフォーム(10)と、工業制御用コンピューター及び制御用ソフトウェア(8)と、を備えた固体レーザーリフトオフ装置である。
【解決手段】ビーム整形レンズ(3）は固体レーザーの後方に配設され、固体レーザー(1)から射出されるレーザービームを必要なレーザービーム形状に整形する。振動ミラーのモーター(5、7)はフィールドレンズ(9)の前方に配設され、制御用ソフトウェア(8)の命令により、振動ミラー(4、6)の作動を制御し、異なるレーザービームスキャンパスを実現する。上記固体レーザーリフトオフ装置のリフトオフ方法で、小レーザースポットを用いてスキャンすることにより、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ことが実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体加工領域に関し、具体的に、固体レーザーを応用し、半導体薄膜材料をリフトオフする、半導体薄膜材料のリフトオフ装置及びそのリフトオフ方法に関する。本発明は専用の光路でレーザーを特定の形状及び特定の光場分布に整形し、フォーカスすることにより、多層材料の界面に照射し、界面材料を分解し、薄膜層と基板をリフトオフする機能を実現する。

GaN及びInGaN、AlGaNを主とするIII/V族窒化物は近年注目を集める半導体材料であり、その1.9eV‐6.2eVの間で連続的に可変な直接バンドギャップと、優れた物理的、化学的安定性、高飽和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・デバイス及びマイクロエレクトロニック・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、サファイアが電導性を備えておらず、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薄膜を成長させた後、サファイアを除去する方法が公開された。サファイア基板を除去したGaN薄膜にとって、より良質なヒート・シンクにボンディングできる基板材料又はホモエピタキシーとしての基板材料が必要である。サファイアを除去する過程において、応用する方法は主にレーザーリフトオフ技術である。

GaAs基板がLED内部の光吸収を大きく損失させるため、アメリカのヒューレット・パッカード・カンパニーは最初にAlGaInP/GaAs LEDにおいて、基板リフトオフ技術（Lift-off）を実現した。GaAs基板をリフトオフし、透明なGaP基板に接着することにより、発光効率を約2倍高めることができる。GaN系基板材料のレーザーリフトオフ（LLO)技術は、GaNのヘテロエピタキシーに基づき発展した技術であり、1996年にアメリカのM.K.Kellyらにより提出され、YAG三倍波レーザーを利用し、サファイア基板にハイドライド気相成長（HVPE)された厚膜GaNをリフトオフすることである。1998年にW.S.WongらがLLO技術を利用してGaN系LED及びレーザーダイオードを製作し、レーザーリフトオフ技術は注目を集めている。

レーザーリフトオフ技術はサファイア基板のGaN系LEDにおける放熱、電流の集積、発光効率が低い等の問題を解決した。レーザーリフトオフ技術は上記の障害を解決するための最も潜在力のある技術である。先ず、エピタキシャルウエハを熱伝導率の高いヒート・シンクに移転し、LEDチップの放熱効率を大幅に改善し、LEDのジャンクション温度を低減した。ジャンクション温度の低減はLEDの発光効率及び信頼性を大きく高め、LEDの使用寿命を増加させた。レーザーリフトオフ技術はエッチング、研削加工、ダイシング等の技術工程を減らし、且つ、リフトオフしたサファイア基板を繰り返し運用できるため、製品のコストを大幅に節約する。

現在商業化されたレーザーリフトオフ装置は、主にアメリカのJPSA会社のIX-1000型レーザーリフトオフ機であり、ハイパワーKrFエキシマレーザーが採用され、波長が248nmで、パルス幅が25〜38nsで、エネルギーに対する精確なコントロール及びレーザービームエネルギーの分布の均一化により、GaN緩衝層に照射し、金属ガリウムと窒素を分解させ、GaN膜層と基板をリフトオフすることを実現する。KrFエキシマレーザーの他、Qスイッチ技術のYAG三倍波固体レーザーも応用され、主にアメリカのM.K.Kellyチーム及び台湾のR.H.Horngチームによるものである。固体レーザーはQスイッチ技術を通して高いパルスエネルギーとなり、且つ、補修しやすい。然し、技術の制限のため、当該技術は現在でも成熟した商品設備を有しない。

上記リフトオフ方法の特徴は下記の通りである。
［1］かけらごとにリフトオフ技術（chip by chip）を用い、大レーザースポット（レーザースポットが、1つの素子（chip）、またそれより大きい）を通して、リフトオフする。
［2］レーザースポットの大小は部品素子の寸法によって変わる。
［3］レーザースポットのエネルギー分布は均一で、陸屋根形状に見える。
［4］レーザースポットはエネルギーが大きく、一般的にエネルギーの密度が0.6J/cm²を超過する。
［5］移動作業台及びビジュアル・アイデンティティ・システムを用い、各部品素子とレーザースポットを合わせる。

近年来、産業界の利用により、上記2種類の技術はリフトオフの問題を解決したと同時に、いくつかの問題も露呈した。概ね下記の通りである。
［1］KrFエキシマレーザーの特徴が各レーザーパルスのエネルギーの安定性を保証できないため、エネルギーのばらつきが発生しやすく、コンポーネントの構造を壊し、良品率を下げる。
［2］コンポーネントの規格の変化によりレーザースポットの大小を調整するため、レーザーリフトオフのパラメーターが正確に調整できず、リフトオフ効果の一致性が保障できない。
［3］レーザースポットが大きいので、近年の利用中において、産業界はこのような大面積のリフトオフの方法を疑問視している。照射エリアにGaNが同時に分解されるため、分解エリアに大きい応力及び変形をもたらし、チップの品質及び使用寿命に隠れた危険をもたらす。人工の調整を通してGaNの分解ができるだけ精確になるようにしているが、このようなマクロの調整はミクロの要求に適応しにくい。同時に、KrFエキシマレーザーのパルスエネルギーは離散的であるので、このレーザーの調整が更に難しくなる。

本発明の目的は更に信頼性が高く、簡単でコストの低いレーザーリフトオフ装置及びそのリフトオフ方法を提供する。本発明は発明者が提出したマイクロエリア・リフトオフ(MicroAreaLLO)技術、精確な定位が不要な高速ブラインドスキャンレーザーリフトオフ方法を採用し、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。

本発明は固体レーザーと、ビーム整形レンズと、振動ミラーのモーターと、振動ミラーと、フィールドレンズと、移動プラットフォームと、工業制御用コンピューター及び制御用ソフトウェアと、を備えた固体レーザーリフトオフ装置を提供する。前記ビーム整形レンズは前記固体レーザーの下方に配設され、前記振動ミラー、振動ミラーのモーター、フィールドレンズ及びビーム整形レンズは前記固体レーザーの後方に配設され、前記固体レーザーから射出されるレーザービームを整形し、前記振動ミラーのモーターはフィールドレンズの前方に配設され、制御用ソフトウェアの命令により、振動ミラーの作動を制御し、異なるレーザービームスキャンパスを実現する。前記移動プラットフォームは前記固体レーザーの下方に配設され、前記制御用ソフトウェアは工業制御用コンピューターにおいて稼動する。

本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、前記ビーム整形レンズはレーザースポットを異なる幾何形状の小レーザースポットに整形する。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、前記幾何形状は正方形、長方形、円形、楕円形、五角形及び六角形を含む。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、小レーザースポットは周長が3〜1000μmの正方形レーザースポットである。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、小レーザースポットは直径が3〜300μmの円形レーザースポットである。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、小レーザースポット中心のエネルギーが最も強く、エネルギーが中心から離れるにつれて次第に弱くなる。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、前記固体レーザーは波長が400nm以下のDPSS固体レーザーである。
本発明の固体レーザーリフトオフ装置において、前記ビームスキャンは振動ミラーのモーターで振動ミラーを駆動し、発生したビームスキャンである。
また、本発明において、前記固体レーザーリフトオフ装置を利用し、小レーザースポットを用い、スキャンすることを特徴とするリフトオフ方法を提供する。
本発明のリフトオフ方法において、小レーザースポットは周長が3〜1000μmの正方形レーザースポットである。
本発明のリフトオフ方法において、小レーザースポットは直径が3〜300μmの円形レーザースポットである。
本発明のリフトオフ方法において、小レーザースポット中心のエネルギーが最も強く、エネルギーが中心から離れるにつれて次第に弱くなる。
本発明のリフトオフ方法において、多種の異なるビームスキャンパスを採用する。
本発明のリフトオフ方法において、小レーザースポットはスキャンする際に、チップと精確に定位する必要がなく、任意の方向によりスキャンし、リフトオフする。

本発明は図面に基づいて説明する。
は本発明の固体レーザーリフトオフ装置の説明図である。は本発明のビーム整形の説明図である。（ａ）は従来技術におけるパルスレーザースポットエネルギー分布の説明図であり、（ｂ）は本発明のパルスレーザースポットエネルギー分布の説明図である。はビームスキャンパスの説明図である。はビームスキャンパスの説明図である。はビームスキャンパスの説明図である。はビームスキャンパスの説明図である。はビームスキャンパスの説明図である。は本発明の小レーザースポット非破壊レーザーリフトオフを行った後の顕微鏡写真である。

図1は本発明の固体レーザーリフトオフ装置の説明図であり、固体レーザー、ビーム整形レンズ、振動ミラーのモーター、振動ミラーとフィールドレンズを含み、また、移動プラットフォーム、工業制御用コンピューター及び制御用ソフトウェアを含む（不図示）。本発明は固体レーザーをレーザー光源とし、ビーム整形レンズ、振動ミラー、振動ミラーのモーターとフィールドレンズはレーザーの下方に配設され、ビーム整形レンズがレーザーの後方に配設され、レーザーから射出するレーザービームを本発明に必要なレーザービーム形状に整形する。振動ミラーのモーターはフィールドレンズの前方に配設され、制御用ソフトウェアの命令により、振動ミラーの作動を制御し、異なるレーザービームスキャンパスを実現する。

本発明のGaNとサファイア基板をリフトオフするリフトオフ装置及びそのリフトオフ方法により、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最も強く、エネルギーが中心から離れるにつれて次第に弱くなる。

本発明は従来のレーザーリフトオフにおける大レーザースポットリフトオフ技術を改変し、小レーザースポットを用い、精確な定位が不要なブラインドスキャンでGaN薄膜又はGaN系デバイスをリフトオフすることを実現した。小レーザースポット法がこれまで提供されていない原因は次の三つである。(1)小レーザースポットリフトオフはレーザースポット周辺の問題がGaN系デバイス素子内部に影響するため、レーザーリフトオフの品質を一層低下させると思われている。(2)一般的に固体レーザーの単一パルスエネルギーはレーザーリフトオフの閾値に達成できないと認識されている。(3)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できることに関する報告がまだない。本発明は周長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、六角形等である。例えば、辺の長さが3〜250μmの正方形のレーザースポット、直径が1〜300μmの円形レーザースポットである。同時に本発明は各レーザースポット毎のレーザーエネルギーの分布を調整し、従来のレーザースポット内のレーザーエネルギーの分布状況を変更した。従来技術において、大レーザースポット内のエネルギーは均一で、レーザースポットの周辺でエネルギーが急変するため、破壊しやすい。従来のパルスレーザースポットエネルギーの分布は図3(a)に示すように、x軸はレーザースポットの辺の長さ方向を表し、y軸はエネルギーの大小を表し、x軸のゼロ点位置はレーザースポットの中心に対応する。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、エネルギーの分布は図3(b)に示すように、レーザースポット周辺エネルギーの漸進的変化を考慮する。小レーザースポットは大レーザースポットよりレーザースポットのレーザー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エリアのエネルギーの漸進的変化過程（レーザースポット中心のエネルギーがより強いエリアから、中心から離れてエネルギーがより弱いエリアへの漸進的変化）を強調し、GaN系材料のレーザースポット周辺の受力状況を改善することにより、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、固体レーザーは改良された固体レーザー光源（YAGレーザー光源）でも構わない。その改良はレーザースポット内のレーザーエネルギーの空間分布を改善したことを示す。図3(b)に示すように、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。

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た（リフトオフした表面が図9に示すように、明らかな損傷がない）ため、レーザースポットとチップの位置を精確に合わせる必要がないブラインドスキャン・リフトオフ方法を実現した。本発明において、レーザーリフトオフのスキャン方式を改善し、伝統的な加工の電気めっき或いはボンディングの工程を実行した後、GaN系デバイス素子によりレーザースポットの面積を調整する必要がなく、最初にレーザースポットの精確定位をする必要がなく、直接にレーザースキャンを行うことができ、途中停頓する必要がなく、リアルタイムの検査をする必要がない。

本発明はレーザービームの空間分布を変更したビーム整形システムを設計し、レーザースポット内のエネルギー分布に適し、従来の光路におけるエネルギー分布が完全に陸屋根形状態である必要をなくし、ガウス分布に近似する状態に変更し、ビームウエストが底辺の幅より小さい。それにより、レーザースポットの間の接続に適しているため、基板材料を破壊しない。その光路原理は図2に示すとおりである。

レーザービームスキャンシステムはレーザーマーキングに近似するスキャンシステムを採用し、このシステムは従来のリフトオフシステムにまだ使用されていない。この方式は定位精度を調整する際に問題が起こる可能性があるので、実用化されていないが、我々のマイクロエリア・リフトオフ(MALLO)技術はこの問題を解決した。光路原理は図1に示すとおりである。

ブラインドスキャン法はこの問題を解決することに成功したため、本発明が従来のリフトオフにおける問題に対し、レーザーパルスによりリフトオフエリアの温度連続上昇問題を分散するため、特有のスキャンリフトオフ技術が実現した。リフトオフにおいて、膜層と基板の間にガリウム液滴と窒素バブルが形成するので、異なるレーザービームスキャンパスであれば、異なる応力分布となる。従って、本発明に公開された複数のレーザービームスキャンパスは、構造が異なる材料のリフトオフにおける応力問題を解決したと同時に、良品率を向上させた。

本発明の典型的なレーザービームスキャンパスは図4〜図8の示すとおりである。

本発明は独特なレーザービームスキャンパスを採用した。例えば、内から外への螺旋スキャン、外から内への螺旋スキャン、内から外への同心円スキャンパス、外から内への同心円スキャンパス、上下交替のスキャンパス等であり、その長所はコンポーネントの特性及びGaN薄膜の特性により、異なるスキャン戦略を採用することである。

従来技術と比べて、本発明の有益な効果は下記の通りである。第一にはレーザーリフトオフ加工過程をきわめて簡略化したことである。続いてはレーザーリフトオフの効率をきわめて高めたことである。さらには不良品率を下げたことであり、最後にはレーザーリフトオフ加工の産業化の障害を除去し、レーザーリフトオフの工業生産を推進したことである。

Claims

固体レーザーと、ビーム整形レンズと、振動ミラーのモーターと、振動ミラーと、フィールドレンズと、移動プラットフォームと、工業制御用コンピューター及び制御用ソフトウェアと、を備え、前記ビーム整形レンズは前記固体レーザーの下方に配設され、前記振動ミラー、振動ミラーのモーター、フィールドレンズ及びビーム整形レンズは前記固体レーザーの後方に配設され、前記固体レーザーから射出されるレーザービームを整形し、前記振動ミラーのモーターはフィールドレンズの前方に配設され、制御用ソフトウェアの命令により、振動ミラーの作動を制御し、異なるレーザービームスキャンパスを実現し、前記移動プラットフォームは前記固体レーザーの下方に配設され、前記制御用ソフトウェアは工業制御用コンピューターにおいて稼動することを特徴とする固体レーザーリフトオフ装置。
前記ビーム整形レンズはレーザースポットを異なる幾何形状の小レーザースポットに整形することを特徴とする請求項１に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
前記幾何形状は正方形、長方形、円形、楕円形、五角形及び六角形を含むことを特徴とする請求項２に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
小レーザースポットは周長が３〜１０００μｍの正方形レーザースポットであることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
小レーザースポットは直径が３〜３００μｍの円形レーザースポットであることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
小レーザースポット中心のエネルギーが最も強く、エネルギーが中心から離れるにつれて次第に弱くなることを特徴とする請求項２に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
前記固体レーザーは波長が４００ｎｍ以下のＤＰＳＳ固体レーザーであることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
前記ビームスキャンは振動ミラーのモーターで振動ミラーを駆動し、発生したビームスキャンであることを特徴とする請求項１に記載の固体レーザーリフトオフ装置。
請求項１に記載の固体レーザーリフトオフ装置を用いたリフトオフ方法であって、小レーザースポットを用い、スキャンすることを特徴とするリフトオフ方法。
小レーザースポットは周長が３〜１０００μｍの正方形レーザースポットであることを特徴とする請求項９に記載のリフトオフ方法。
小レーザースポットは直径が３〜３００μｍの円形レーザースポットであることを特徴とする請求項９に記載のリフトオフ方法。
小レーザースポット中心のエネルギーが最も強く、エネルギーが中心から離れるにつれて次第に弱くなることを特徴とする請求項９に記載のリフトオフ方法。
多種の異なるスキャンパスを採用することを特徴とする請求項９に記載のリフトオフ方法。
小レーザースポットはスキャンする際に、チップと精確に定位する必要がなく、任意の方向によりスキャンしてリフトオフすることを特徴とする請求項９に記載のリフトオフ方法。