JP2013197428A - Thin-film semiconductor element and method for manufacturing the same - Google Patents

Thin-film semiconductor element and method for manufacturing the same Download PDF

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達也 谷川
Michiharu Ota
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thin-film semiconductor element that concurrently forms a starting point for dividing the thin-film semiconductor element, a dividing groove, and a nano periodic structure at an end face thereof, and a thin-film semiconductor element having a nano periodic structure at an end face thereof.SOLUTION: The method for manufacturing a thin-film semiconductor element comprises a step of irradiating an ultrashort pulsed laser to the thin-film semiconductor element with a thin-film semiconductor layer formed on a substrate, where a focal point of the ultrashort pulsed laser is positioned inside the substrate relative to an interface between the thin-film semiconductor layer and the substrate, a spacial profile of the ultrashort pulsed laser in the vicinity of a surface of the thin-film semiconductor layer includes a range having a higher intensity than an ablation threshold of the thin-film semiconductor layer, and a spacial profile of the ultrashort pulsed laser inside the substrate relative to the interface between the thin-film semiconductor layer and the substrate includes a range having a higher intensity than an ablation threshold of the substrate. The thin-film semiconductor element having a nano periodic structure at the thin-film semiconductor layer is provided.

Description

本発明は、薄膜半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a thin film semiconductor device and a manufacturing method thereof.

固体のアブレーション閾値以上の強度を有する超短パルスレーザを固体に照射することで、照射部位の物質をアブレーションにより除去することができる。超短パルスレーザを用いると、熱拡散の影響をほとんど無視することができる。そのため、熱影響による材料特性の劣化が現れやすい小型デバイスや、薄膜デバイスに有利に適用することができる。   By irradiating the solid with an ultrashort pulse laser having an intensity equal to or higher than the solid ablation threshold, the substance at the irradiated site can be removed by ablation. When an ultrashort pulse laser is used, the influence of thermal diffusion can be almost ignored. Therefore, the present invention can be advantageously applied to a small device or a thin film device in which deterioration of material characteristics due to a thermal effect tends to appear.

超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、当業者ならば理解されるように、回折光学素子や出力調整手段等を用いて制御することができる。例えば、超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって超短パルスレーザの中心を通る直線（以下、単に「Ｘ軸」と称する。）に沿った超短パルスレーザ強度（任意単位）の空間プロファイル（以下、単に「空間プロファイル」と称する。）が、所定の強度及び空間幅を有するガウス関数や台形形状をとるように制御可能である。   As understood by those skilled in the art, the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity can be controlled using a diffractive optical element, output adjusting means, or the like. For example, the ultrashort pulse laser intensity (arbitrary unit) along a straight line (hereinafter simply referred to as “X-axis”) passing through the center of the ultrashort pulse laser in a cross section perpendicular to the traveling direction of the ultrashort pulse laser. Can be controlled to take a Gaussian function or trapezoidal shape having a predetermined intensity and space width.

超短パルスレーザの伝播ロスが無い場合、超短パルスレーザの焦点とそれ以外の点において、空間プロファイルの面積は同じである。一方、図１に示されるように、固体物質内部では光の散乱や吸収の影響により超短パルスレーザの伝播ロスが発生するため、空間プロファイルの面積は、焦点とそれ以外の点で同じとならない場合がある。   When there is no propagation loss of the ultrashort pulse laser, the area of the spatial profile is the same at the focal point of the ultrashort pulse laser and other points. On the other hand, as shown in FIG. 1, since the propagation loss of the ultrashort pulse laser occurs due to light scattering and absorption inside the solid material, the area of the spatial profile is not the same between the focal point and other points. There is a case.

図１は、超短パルスレーザ１０１の焦点Ｂが固体物質１０３内部に位置し、超短パルスレーザが空気中１０２から固体物質内部１０３へ伝播した場合であって、焦点Ｂにおけるガウス関数型の空間プロファイル１０４Ａと、固体物質表面近傍Ａにおけるガウス関数型の空間プロファイル１０４Ｂの例を示す図である。超短パルスレーザの焦点Ｂにおける空間プロファイル１０４Ｂの面積Ｓｂは、固体物質内部１０３における光の散乱及び吸収の影響により、固体物質表面近傍Ａにおける空間プロファイル１０４Ａの面積Ｓａに比べ小さくなることがある。   FIG. 1 shows a case where the focal point B of the ultrashort pulse laser 101 is located inside the solid substance 103, and the ultrashort pulse laser propagates from the air 102 to the inside of the solid substance 103. It is a figure which shows the example of profile 104A and the Gaussian function type spatial profile 104B in the solid substance surface vicinity A. FIG. The area Sb of the spatial profile 104B at the focal point B of the ultrashort pulse laser may be smaller than the area Sa of the spatial profile 104A in the vicinity A of the solid material surface due to light scattering and absorption in the solid material interior 103.

特許文献１は、ＧａＮ等の半導体膜が形成されたサファイア基板をレーザリフトオフにより除去する際に生じるクラックや剥離を防ぐために、反応性イオンエッチングを用いて、ガス放出経路としての素子分割溝（ストリート）を形成する技術を開示する。特許文献２は、窒化物系半導体発光素子において、発光効率を向上させるために、フォトリソグラフィ工程や電子線リソグラフィ工程等を用いて微細パターンを形成後、ドライエッチングなどを用いて表面に周期的な凹凸構造を形成する技術を開示する。   In Patent Document 1, in order to prevent cracks and peeling when a sapphire substrate on which a semiconductor film such as GaN is formed is removed by laser lift-off, reactive ion etching is used to form element dividing grooves (streets). ) Is disclosed. In Patent Document 2, in order to improve luminous efficiency in a nitride-based semiconductor light-emitting device, a fine pattern is formed using a photolithography process, an electron beam lithography process, or the like, and then periodically formed on the surface using dry etching or the like. A technique for forming an uneven structure is disclosed.

特許文献３は、レーザフルエンスがアブレーション閾値近傍にある超短パルスレーザを物質表面に照射することにより、自己組織的に偏光方向に応じた周期構造を形成する技術を開示する。なお、特許文献３にて提案されている技術は、超短パルスレーザを用いた素子分割技術に関係するものでは無い。   Patent Document 3 discloses a technique for forming a periodic structure according to the polarization direction in a self-organized manner by irradiating a material surface with an ultrashort pulse laser having a laser fluence near the ablation threshold. The technique proposed in Patent Document 3 is not related to the element division technique using an ultrashort pulse laser.

特開２０１１−１１９３８３号公報JP 2011-119383 A 特開２００７−２２７９３８号公報JP 2007-227938 A 国際公開番号 ＷＯ ２００４／０３５２５５ Ａ１International Publication Number WO 2004/035255 A1

特許文献１では、ドライエッチングを用いて、素子分割溝を形成しているため、素子分割溝の端面が非常に平滑である。そのため、発光素子内部に発生した光が素子分割溝の端面にて反射されてしまい、光取出し効率が低下する問題がある。また、特許文献２においては、フォトリソグラフィ工程等の表面プロセスを用いており、素子の端面に凹凸構造を形成することが難しい。そのため、端面の配光制御が困難であり、この端面の影響により光取り出し効率が低下する問題がある。   In Patent Document 1, since the element dividing groove is formed using dry etching, the end face of the element dividing groove is very smooth. Therefore, there is a problem that light generated inside the light emitting element is reflected by the end face of the element dividing groove, and the light extraction efficiency is lowered. In Patent Document 2, a surface process such as a photolithography process is used, and it is difficult to form an uneven structure on the end face of the element. Therefore, it is difficult to control the light distribution of the end face, and there is a problem that the light extraction efficiency is lowered due to the influence of the end face.

さらに、特許文献２では、周期的な凹凸構造を形成するためのフォトリソグラフィ工程等が必要となるため、工程が複雑になるという問題がある。   Further, Patent Document 2 has a problem that the process becomes complicated because a photolithography process or the like for forming a periodic uneven structure is required.

このように、従来、薄膜半導体素子を製造・加工する上で、種々の問題を有していた。本発明は、これらの問題点が改善された薄膜半導体素子及びその製造方法を提供することを目的としている。   Thus, conventionally, there have been various problems in manufacturing and processing thin film semiconductor elements. An object of the present invention is to provide a thin film semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which these problems are improved.

本発明の第１の態様は、基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備える製造方法であって、超短パルスレーザの焦点が、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部に位置し、薄膜半導体層の表面近傍における超短パルスレーザの空間プロファイルが、薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、薄膜半導体層と基板との界面から基板内部における超短パルスレーザの空間プロファイルが、基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする。   A first aspect of the present invention is a manufacturing method comprising a step of irradiating a thin film semiconductor element having a thin film semiconductor layer formed on a substrate with an ultrashort pulse laser from the thin film semiconductor layer side. The focal point is located inside the substrate from the interface between the thin film semiconductor layer and the substrate, and includes a range in which the spatial profile of the ultrashort pulse laser near the surface of the thin film semiconductor layer has an intensity greater than the ablation threshold of the thin film semiconductor layer; The spatial profile of the ultrashort pulse laser inside the substrate from the interface between the thin film semiconductor layer and the substrate includes a range having an intensity greater than the ablation threshold of the substrate.

本発明の第２の態様は、薄膜半導体素子であって、基板と、側面に周期構造が形成された薄膜半導体層とを備えることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a thin film semiconductor device including a substrate and a thin film semiconductor layer having a periodic structure formed on a side surface.

本発明によれば、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することで、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成することができる。そのため、本発明に係る製造方法は、精密加工の特徴を維持しつつも、従来に比べ、製造時間の短縮及び製造工程数の削減を実現でき、ひいては製造コストを低減する。また、本発明に係る半導体薄膜素子は、ストリート端面にナノ周期構造を有するため、従来のものに比べ向上した光取出し効率特性を有する。   According to the present invention, by controlling the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity, scribe, street, and nano-periodic structures of street end faces can be formed simultaneously. Therefore, the manufacturing method according to the present invention can realize a reduction in manufacturing time and the number of manufacturing steps as compared with the prior art while maintaining the characteristics of precision machining, and thus reduce manufacturing costs. In addition, since the semiconductor thin film element according to the present invention has a nano-periodic structure on the street end face, it has improved light extraction efficiency characteristics as compared with the conventional one.

超短パルスレーザ強度の空間プロファイルと物質との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the space profile of an ultrashort pulse laser intensity, and a substance. スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the cross section of the material in which the scribe, the street, and the nano periodic structure were formed, and the spatial profile of an ultrashort pulse laser intensity. スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the cross section of the material in which the scribe, the street, and the nano periodic structure were formed, and the spatial profile of an ultrashort pulse laser intensity. 本発明の一実施形態に係る光学系の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the optical system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子の状態を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the state of the thin film semiconductor element with which the ultrashort pulse laser which concerns on one Embodiment of this invention is irradiated. 図４の超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子を上から見た場合の超短パルスレーザが照射されている様子を表す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which an ultrashort pulse laser is irradiated when the thin film semiconductor element irradiated with the ultrashort pulse laser of FIG. 4 is viewed from above. 本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法のフローチャートを示す図である。It is a figure which shows the flowchart of the manufacturing method of the thin film semiconductor element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the mode of the section of the thin film semiconductor element in the manufacturing method of the thin film semiconductor element concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施例に係る薄膜半導体素子のＳＥＭ画像である。It is a SEM image of the thin film semiconductor element which concerns on one Example of this invention. 本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the mode of the section of the thin film semiconductor element in the manufacturing method of the thin film semiconductor element concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法における薄膜半導体素子の断面の様子を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the mode of the section of the thin film semiconductor element in the manufacturing method of the thin film semiconductor element concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る薄膜半導体素子の断面を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the cross section of the thin film semiconductor element which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る、スクライブ、ストリート、ナノ周期構造とが形成された物質の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between the cross section of the substance in which the scribe, the street, and the nano periodic structure were formed, and the spatial profile of an ultrashort pulse laser intensity based on one Embodiment of this invention.

以下、本発明を実施するための例示的な実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施形態で説明する寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更できる。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に説明される実施形態で具体的に記載された形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。   Hereinafter, exemplary embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, dimensions, materials, shapes, relative positions of components, and the like described in the following embodiments are arbitrary, and can be changed according to the structure of the apparatus to which the present invention is applied or various conditions. Further, unless otherwise specified, the scope of the present invention is not limited to the form specifically described in the embodiments described below. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

本発明では、「薄膜半導体素子」は、少なくとも「薄膜半導体層」と「基板」を含む。「薄膜半導体層」は、単層であってもよく、複数層であってもよい。「薄膜半導体層」としての物質は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ等の発光デバイスに使用される半導体物質およびこれらを基本とした多元混晶であって、超短パルスレーザ照射によってアブレーション加工が可能な半導体物質や他のいかなる半導体物質であってもよく、発明の詳細な説明に具体的に記載された物質に何ら限定されるものではない。また、「基板」としての物質は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ガラス、サファイア、ＳｉＣ、ダイアモンド、ＧａＮ等、超短パルスレーザ照射によってアブレーション加工が可能ないかなる物質であってもよく、発明の詳細な説明に具体的に記載された物質に何ら限定されるものではない。   In the present invention, the “thin film semiconductor element” includes at least a “thin film semiconductor layer” and a “substrate”. The “thin film semiconductor layer” may be a single layer or a plurality of layers. The material as the “thin film semiconductor layer” is a semiconductor material used for light emitting devices such as GaN, AlN, InN, SiC, etc. and multi-element mixed crystals based on these materials, and can be ablated by ultrashort pulse laser irradiation. It may be any semiconductor material or any other semiconductor material, and is not limited to the materials specifically described in the detailed description of the invention. The substance as the “substrate” may be any substance that can be ablated by ultrashort pulse laser irradiation, such as Si, GaAs, InP, GaP, glass, sapphire, SiC, diamond, and GaN. It is not limited to the substances specifically described in the detailed description.

（本発明の基本的概念）
固体物質のアブレーション閾値以上の強度を有する光が固体物質に照射されると、アブレーションにより固体物質が除去される。本発明は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルと固体のアブレーション閾値との関係に着目し、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成する製造方法、並びに、ストリート端面にナノ周期構造を有する薄膜半導体素子を提供する。 (Basic concept of the present invention)
When the solid material is irradiated with light having an intensity equal to or greater than the ablation threshold of the solid material, the solid material is removed by ablation. The present invention focuses on the relationship between the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity and the solid ablation threshold, and the manufacturing method for simultaneously forming the scribe, street, and street end face nano-periodic structure, and the nano-periodic structure on the street end face A thin film semiconductor device having

図２Ａは、物質２２の上に物質２１が形成された固体物質２０に物質２１側から超短パルスレーザが照射され、物質２２にスクライブ２０５、物質２１にストリート２０６、及びストリート２０６の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７が形成された固体物質２０の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル２３との関係を例示する図である。   In FIG. 2A, the solid material 20 in which the material 21 is formed on the material 22 is irradiated with an ultrashort pulse laser from the material 21 side, the material 22 is scribed 205, the material 21 is street 206, and the end surface of the street 206 is super The relationship between the cross section of the solid material 20 in which the nano-periodic structure 207 having a plurality of uneven structures made of the material 21 is formed in the direction corresponding to the polarization direction of the short pulse laser and the spatial profile 23 of the ultrashort pulse laser intensity is illustrated. It is a figure to do.

超短パルスレーザは、加工対象材料にて非線形吸収（多光子吸収）されてアブレーション現象を生じるレーザである。例えば、フェムト秒レーザ、パルス幅が２０ｐｓ以下のピコ秒レーザである（以下同じ。）。超短パルスレーザの焦点は、物質２２内部のＦで示す部分に位置する。物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２は、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１よりも大きいとする。   The ultrashort pulse laser is a laser that causes ablation phenomenon by nonlinear absorption (multiphoton absorption) in a material to be processed. For example, a femtosecond laser or a picosecond laser having a pulse width of 20 ps or less (the same applies hereinafter). The focal point of the ultrashort pulse laser is located at a portion indicated by F inside the substance 22. The ablation threshold Abr22 of the substance 22 is assumed to be larger than the ablation threshold Abr21 of the substance 21.

なお、本発明においては、超短パルスレーザの焦点は、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部に位置されていればよい。そのため、焦点の位置合わせに伴う困難を低減する。   In the present invention, the focal point of the ultrashort pulse laser may be positioned inside the substance 22 from the interface between the substance 21 and the substance 22. This reduces the difficulty associated with focus alignment.

物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ４の範囲で物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２１より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ４の範囲にある物質２１がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２１は除去されない。   The spatial profile 201 in the vicinity of the surface of the substance 21 has an intensity larger than the ablation threshold Abr21 of the substance 21 in the range of x1 to x4 on the X axis, and has an intensity smaller than the ablation threshold Abr21 in the other ranges. Therefore, the substance 21 in the range of x1 to x4 is removed by ablation, but the substance 21 is not removed in other ranges.

同様に、物質２１と物質２２との界面近傍における空間プロファイル２０２は、ｘ２〜ｘ３の範囲で物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２２より小さい強度を有する。そのため、ｘ２〜ｘ３の範囲にある物質２２がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２２は除去されない。そして、焦点Ｆにおける空間プロファイル２０３は、最も急峻な形状をとり、アブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲の物質２２がアブレーションにより除去される。   Similarly, the spatial profile 202 in the vicinity of the interface between the substance 21 and the substance 22 has an intensity larger than the ablation threshold Abr22 of the substance 22 in the range of x2 to x3, and has an intensity smaller than the ablation threshold Abr22 in the other ranges. . Therefore, the substance 22 in the range of x2 to x3 is removed by ablation, but the substance 22 is not removed in other ranges. The spatial profile 203 at the focal point F has the steepest shape, and the substance 22 in a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr22 is removed by ablation.

その結果、物質２２がアブレーションにより除去された部分にスクライブ２０５が生じ、物質２１がアブレーションにより除去された部分にストリート２０６が生じる。ストリート２０６の端面では、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート２０６の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７が同時に形成される。   As a result, a scribe 205 is generated in a portion where the material 22 is removed by ablation, and a street 206 is generated in a portion where the material 21 is removed by ablation. The end face of the street 206 is irradiated with an ultrashort pulse laser having an intensity near the ablation threshold Abr21 of the substance 21. Therefore, a nano-periodic structure 207 having a plurality of concavo-convex structures made of the substance 21 is simultaneously formed on the end face of the street 206 in a direction corresponding to the polarization direction of the ultrashort pulse laser.

すなわち、本発明において、スクライブ、ストリート及びストリート端面のナノ周期構造を同時に形成するためには、物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１が、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲（ｘ１〜ｘ４）を含み、かつ、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイル２０２が、物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲（ｘ２〜ｘ３）を含むように、空間プロファイルを制御することが必要である。   That is, in the present invention, in order to simultaneously form the scribe, street, and street end face nano-periodic structures, the spatial profile 201 in the vicinity of the surface of the substance 21 has a range (x1 to x4) and the spatial profile 202 within the substance 22 from the interface between the substance 21 and the substance 22 includes a range (x2 to x3) having an intensity greater than the ablation threshold Abr22 of the substance 22 It is necessary to control.

空間プロファイルを制御する際、物質２１の表面近傍における空間プロファイル２０１が物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲を含んでいる場合であっても、物質２１内部での光の散乱や吸収の影響により、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイル２０２が物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲を含まないことも考えられる。そのため、空間プロファイルを制御する際にはその点も考慮に入れる必要がある。   When controlling the spatial profile, even if the spatial profile 201 in the vicinity of the surface of the substance 21 includes a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr21 of the substance 21, the scattering and absorption of light inside the substance 21 It is also conceivable that the spatial profile 202 inside the substance 22 from the interface between the substance 21 and the substance 22 does not include a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr22 of the substance 22 due to the influence. Therefore, this point needs to be taken into consideration when controlling the spatial profile.

なお、物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２が、物質２１のアブレーション閾値Ａｂｒ２１と同じ若しくは小さい場合であっても同様である。すなわち、超短パルスレーザの焦点が物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部に位置し、物質２１の表面近傍における空間プロファイルがアブレーション閾値Ａｂｒ２１より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、物質２１と物質２２との界面から物質２２の内部における空間プロファイルが物質２２のアブレーション閾値Ａｂｒ２２より大きい強度を有する範囲を含むように、空間プロファイルを制御することが必要である。   The same applies even when the ablation threshold Abr22 of the substance 22 is the same as or smaller than the ablation threshold Abr21 of the substance 21. That is, the focal point of the ultrashort pulse laser is located in the inside of the substance 22 from the interface between the substance 21 and the substance 22, and includes a range in which the spatial profile in the vicinity of the surface of the substance 21 has an intensity greater than the ablation threshold Abr21; It is necessary to control the spatial profile so that the spatial profile inside the substance 22 from the interface between the substance 21 and the substance 22 includes a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr22 of the substance 22.

図２Ａでは物質２１と物質２２との界面においてスクライブ２０５とストリート２０６が連続的につながるように形成されている固体物質２０の断面が例示されている。しかしながら、超短パルスレーザが照射される物質のアブレーション閾値と超短パルスレーザ強度の空間プロファイルとの関係によっては、図２Ｂに示されるように、物質２１０と物質２２０との界面においてスクライブ２０５０とストリート２０６０が連続的につながるように形成されない場合がある。   FIG. 2A illustrates a cross section of the solid material 20 formed so that the scribe 205 and the street 206 are continuously connected at the interface between the material 21 and the material 22. However, depending on the relationship between the ablation threshold of the material irradiated with the ultrashort pulse laser and the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity, as shown in FIG. 2B, the scribe 2050 and the street at the interface between the material 210 and the material 220 are obtained. 2060 may not be formed so as to be continuously connected.

図２Ｂは、物質２２０の上に物質２１０が形成された固体物質２００に物質２１０側から超短パルスレーザが照射され、物質２２０にスクライブ２０５０、物質２１０にストリート２０６０、及びストリート２０６０の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１０からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７０が形成された固体物質２００の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル２３０との関係を例示する図である。   In FIG. 2B, the solid material 200 in which the material 210 is formed on the material 220 is irradiated with an ultrashort pulse laser from the material 210 side, the material 220 is scribed 2050, the material 210 is street 2060, and the end surface of the street 2060 is Illustrated is the relationship between the cross-section of the solid material 200 in which the nano-periodic structure 2070 having a plurality of concavo-convex structures made of the material 210 is formed in the direction corresponding to the polarization direction of the short pulse laser and the spatial profile 230 of the ultrashort pulse laser intensity. It is a figure to do.

物質２１０の表面近傍における空間プロファイル２０１０は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ６の範囲で物質２１０のアブレーション閾値Ａｂｒ２１０よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ２１０より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ６の範囲にある物質２１０がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質２１０は除去されない。   The spatial profile 2010 in the vicinity of the surface of the substance 210 has an intensity larger than the ablation threshold Abr210 of the substance 210 in the range of x1 to x6 on the X axis, and has an intensity smaller than the ablation threshold Abr210 in the other areas. Therefore, the substance 210 in the range of x1 to x6 is removed by ablation, but the substance 210 is not removed in other ranges.

物質２１０と物質２２０との界面近傍における空間プロファイル２０２０は、ｘ２〜ｘ３及びｘ４〜ｘ５の範囲では物質２２０のアブレーション閾値Ａｂｒ２２０より大きい強度を有する範囲を含まないが、ｘ３〜ｘ４の範囲で質２２０のアブレーション閾値Ａｂｒ２２０よりも大きい強度を有する範囲を含む。そのため、物質２１０と物質２２０との界面近傍において、ｘ３〜ｘ４の範囲にある物質２２０が除去されるが、その他の範囲では物質２２０は除去されない。そして、焦点Ｆにおける空間プロファイル２０３０は、最も急峻な形状をとり、アブレーション閾値Ａｂｒ２２０より大きい強度を有する範囲の物質２２０がアブレーションにより除去される。   The spatial profile 2020 in the vicinity of the interface between the substance 210 and the substance 220 does not include a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr220 of the substance 220 in the range of x2 to x3 and x4 to x5, but the quality 220 in the range of x3 to x4. Including a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr220. Therefore, the substance 220 in the range of x3 to x4 is removed in the vicinity of the interface between the substance 210 and the substance 220, but the substance 220 is not removed in other ranges. The spatial profile 2030 at the focal point F has the steepest shape, and the substance 220 in a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr220 is removed by ablation.

その結果、物質２２０がアブレーションにより除去された部分にスクライブ２０５０が生じ、物質２１０がアブレーションにより除去された部分にストリート２０６０が生じる。ストリート２０６０の端面では、物質２１０のアブレーション閾値Ａｂｒ２１０近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート２０６０の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質２１０からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造２０７０が同時に形成される。図２Ｂに例示されるように、スクライブ２０５０とストリート２０６０は、物質２１０と物質２２０との界面において、連続的につながるように形成されない。このように、スクライブ２０５０とストリート２０６０を同時に形成しつつも、必要以上に物質２２０を除去すること無くスクライブ２０５０を形成できる利点がある。   As a result, a scribe 2050 is generated in a portion where the material 220 is removed by ablation, and a street 2060 is generated in a portion where the material 210 is removed by ablation. The end face of the street 2060 is irradiated with an ultrashort pulse laser having an intensity near the ablation threshold Abr210 of the substance 210. Therefore, a nano-periodic structure 2070 having a plurality of concavo-convex structures made of the substance 210 in the direction corresponding to the polarization direction of the ultrashort pulse laser is simultaneously formed on the end face of the street 2060. As illustrated in FIG. 2B, the scribe 2050 and the street 2060 are not formed to be continuously connected at the interface between the material 210 and the material 220. As described above, there is an advantage that the scribe 2050 can be formed without removing the material 220 more than necessary while forming the scribe 2050 and the street 2060 at the same time.

従って、本発明は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することにより、所望の形状及び所望の位置にスクライブ及びストリートを形成することができ、同時に、ストリートの端面に、超短パルスレーザの所望の偏光方向に応じた複数の凹凸構造を有するナノ周期構造を形成することができる。   Therefore, the present invention can form scribes and streets in a desired shape and a desired position by controlling the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity, and at the same time, the ultrashort pulse laser can be formed on the end face of the street. A nano-periodic structure having a plurality of concavo-convex structures corresponding to a desired polarization direction can be formed.

［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係る薄膜半導体素子を製造するために使用される光学系３００の概略構成図である。光学系３００において、超短パルスレーザ発生装置３０１から出力された超短パルスレーザ３０７は、ミラー３０２で反射され、半波長板等の偏光方向調整部３０３でその偏光方向が調整され、ＮＤフィルタや光回折素子等からなる空間プロファイル調整部３０４でその空間プロファイルが調整され、ミラー３０５で反射され、レンズ３０６で集光され、そして、基板３０９上に形成された薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０へ照射される。 [First Embodiment]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an optical system 300 used for manufacturing the thin film semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the optical system 300, the ultrashort pulse laser 307 output from the ultrashort pulse laser generator 301 is reflected by the mirror 302, and its polarization direction is adjusted by a polarization direction adjusting unit 303 such as a half-wave plate, and an ND filter, The spatial profile is adjusted by a spatial profile adjustment unit 304 including an optical diffraction element, reflected by a mirror 305, collected by a lens 306, and thin film semiconductor element from the thin film semiconductor layer 308 formed on the substrate 309. 310 is irradiated.

光学系３００は、空気中、不活性ガス中又は真空中に配置されてもよい。ミラー３０２、３０５の数は、任意に変更してもよい。偏光方向調整部３０３により超短パルスレーザ３０７の偏光方向が任意に調整され、その結果、ナノ周期構造を構成する複数の凹凸構造の方向が任意に調整される。空間プロファイル調整部３０４は、所定の条件に従って、超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルを任意の形状に調整することができる。   The optical system 300 may be disposed in the air, in an inert gas, or in a vacuum. The number of mirrors 302 and 305 may be arbitrarily changed. The polarization direction of the ultrashort pulse laser 307 is arbitrarily adjusted by the polarization direction adjusting unit 303, and as a result, the directions of the plurality of uneven structures constituting the nano-periodic structure are arbitrarily adjusted. The spatial profile adjustment unit 304 can adjust the spatial profile of the ultrashort pulse laser 307 to an arbitrary shape according to a predetermined condition.

レンズ３０６は、超短パルスレーザ３０７の焦点位置やスポットサイズを調整することができる。移動ステージ３１１は、薄膜半導体素子３１０を３次元的に移動させ、超短パルスレーザ３０７が所定のパターンに沿って薄膜半導体素子３１０に照射されることを可能にする。なお、超短パルスレーザ３０７の照射位置を調節する手段を別に設けて、該手段が超短パルスレーザ３０７の照射位置を所定のパターンに沿って動かすようにしてもよい。   The lens 306 can adjust the focal position and spot size of the ultrashort pulse laser 307. The moving stage 311 moves the thin film semiconductor element 310 three-dimensionally and allows the ultrashort pulse laser 307 to be irradiated to the thin film semiconductor element 310 along a predetermined pattern. Note that another means for adjusting the irradiation position of the ultrashort pulse laser 307 may be provided, and the means may move the irradiation position of the ultrashort pulse laser 307 along a predetermined pattern.

図４は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造工程において、超短パルスレーザが照射されている薄膜半導体素子の状態を表す模式図である。超短パルスレーザ３０７の焦点を基板３０９の内部に位置させ、超短パルスレーザ３０７がレンズ３０６を介して所定のライン４０４に沿って薄膜半導体素子３１０へ照射される。レンズ３０６から照射された超短パルスレーザ３０７は、薄膜半導体層３０８および基板３０９の双方に非線形吸収される。   FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of the thin film semiconductor element irradiated with the ultrashort pulse laser in the manufacturing process of the thin film semiconductor element according to the present embodiment. The focal point of the ultrashort pulse laser 307 is positioned inside the substrate 309, and the ultrashort pulse laser 307 is irradiated onto the thin film semiconductor element 310 along a predetermined line 404 through the lens 306. The ultrashort pulse laser 307 emitted from the lens 306 is nonlinearly absorbed by both the thin film semiconductor layer 308 and the substrate 309.

そして、超短パルスレーザ３０７が照射された部分の薄膜半導体層３０８及び基板３０９の物質がアブレーションにより除去される。その結果、基板３０９にスクライブ４０１が形成され、薄膜半導体層３０８にストリート４０２が形成される。同時に、ストリート４０２の端面には、超短パルスレーザ３０７の偏光方向に応じた方向に薄膜半導体層３０８の物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成される。   Then, the material of the thin film semiconductor layer 308 and the substrate 309 irradiated with the ultrashort pulse laser 307 is removed by ablation. As a result, a scribe 401 is formed on the substrate 309 and a street 402 is formed on the thin film semiconductor layer 308. At the same time, a nano-periodic structure 403 having a plurality of concavo-convex structures made of the material of the thin film semiconductor layer 308 is formed on the end face of the street 402 in a direction corresponding to the polarization direction of the ultrashort pulse laser 307.

図５は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造工程において、図４に記載の半導体薄膜素子を上から見た場合の、超短パルスレーザが照射されている様子を表す模式図である。超短パルスレーザは、１つの照射スポットに対してワンショットずつ照射され、半導体薄膜層３０８の表面における超短パルスレーザの照射スポット５０１−１〜５０１−ｉが互いに密に重なりあい、かつ、焦点位置における照射スポット（図示せず）が互いに密に重なり合うように照射される。その結果、所定のライン４０４に沿って、連続的に、スクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造が形成される。   FIG. 5 is a schematic diagram showing a state in which an ultrashort pulse laser is irradiated when the semiconductor thin film element shown in FIG. 4 is viewed from above in the manufacturing process of the thin film semiconductor element according to the present embodiment. In the ultrashort pulse laser, one irradiation spot is irradiated one shot at a time, and the irradiation spots 501-1 to 501-i of the ultrashort pulse laser on the surface of the semiconductor thin film layer 308 are closely overlapped with each other, and the focal point is focused. Irradiation is performed so that irradiation spots (not shown) at positions closely overlap each other. As a result, scribe, street, and street end face nano-periodic structures are continuously formed along a predetermined line 404.

図６は、本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法のフローチャートを示す図である。本実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法では、基板３０９上に薄膜半導体層３０８が形成された薄膜半導体素子３１０を準備する（工程Ｓ６０１）。レンズ３０６の位置や種類を調整することにより超短パルスレーザの焦点を薄膜半導体層３０８と基板３０９の界面から基板３０９内部に位置するように調整する（工程Ｓ６０２）。偏光方向調整部３０３を調整することにより超短パルスレーザの偏光方向を所定の方向に調整する（工程Ｓ６０３）。空間プロファイル調整部３０４を調整することにより超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを所定の形状に調整する（工程Ｓ６０４）。   FIG. 6 is a view showing a flowchart of a method for manufacturing a thin film semiconductor device according to the present embodiment. In the method for manufacturing a thin film semiconductor element according to the present embodiment, a thin film semiconductor element 310 having a thin film semiconductor layer 308 formed on a substrate 309 is prepared (step S601). By adjusting the position and type of the lens 306, the focal point of the ultrashort pulse laser is adjusted so as to be positioned inside the substrate 309 from the interface between the thin film semiconductor layer 308 and the substrate 309 (step S602). By adjusting the polarization direction adjustment unit 303, the polarization direction of the ultrashort pulse laser is adjusted to a predetermined direction (step S603). The spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity is adjusted to a predetermined shape by adjusting the spatial profile adjustment unit 304 (step S604).

その後、超短パルスレーザが所定のライン４０４に沿って薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射され、照射された部分の物質がアブレーションにより除去されることによって、基板３０９にスクライブ４０１が形成され、薄膜半導体層３０８にストリート４０２が形成され、同時に、ストリート４０２の端面には、所定の偏光方向に応じた方向に薄膜半導体層３０８の物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成される（工程Ｓ６０５）。   Thereafter, the ultrashort pulse laser is irradiated along the predetermined line 404 from the thin film semiconductor layer 308 side to the thin film semiconductor element 310, and the irradiated portion is removed by ablation, whereby the scribe 401 is formed on the substrate 309. The street 402 is formed in the thin film semiconductor layer 308. At the same time, the nano periodic structure 403 having a plurality of concave and convex structures made of the material of the thin film semiconductor layer 308 is formed on the end surface of the street 402 in a direction corresponding to a predetermined polarization direction. It is formed (step S605).

そして、ブレーカーブレード工程やエキスパンド工程等を用いてスクライブ４０１を起点として薄膜半導体素子３１０を分割する（工程Ｓ６０６）。なお、工程Ｓ６０１〜Ｓ６０４の順序を適宜変更してもよい。   Then, the thin film semiconductor element 310 is divided starting from the scribe 401 using a breaker blade process, an expanding process, or the like (process S606). In addition, you may change the order of process S601-S604 suitably.

上記のように、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、薄膜半導体層３０８のアブレーション閾値と基板３０９のアブレーション閾値３０９に基づき調整される。一般的に、物質のアブレーション閾値は、超短パルスレーザのパルス形状（時間波形、空間波形）と物質によって決まると考えられている。但し、厳密には、同じ物質であっても微少な不純物の濃度や表面の状態などによって、アブレーション閾値が大きく変化することがある。そのため、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルは、経験的に求めた条件に基づき調整してよい。   As described above, the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity is adjusted based on the ablation threshold value of the thin film semiconductor layer 308 and the ablation threshold value 309 of the substrate 309. In general, it is considered that the ablation threshold of a substance is determined by the pulse shape (time waveform, spatial waveform) of the ultrashort pulse laser and the substance. However, strictly speaking, even with the same substance, the ablation threshold value may vary greatly depending on the concentration of minute impurities, surface conditions, and the like. Therefore, the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity may be adjusted based on empirically obtained conditions.

一例として、同一の条件で作製した複数の薄膜半導体素子（即ち、薄膜半導体素子を構成する物質の不純物の濃度や表面の状態は互いに同一である薄膜半導体素子）を準備し、焦点の位置、超短パルスレーザ発生装置の条件、超短パルスレーザの偏光方向等が同一である光学系を用いて、空間プロファイル調整部の条件だけを変更する。例えば、アブレーション閾値よりも極めて小さい強度を有する超短パルスレーザを照射しても何らスクライブ等は形成されない条件は使用しない。一方、結果的にスクライブ、ストリート、及びストリート端面のナノ周期構造が同時に形成される条件を用いて空間プロファイルの調整を行う。このような実験的に得られた空間プロファイルを調整するための条件を、ユーザが所望するあらゆる物質、光学系に対して集め、それをデータベース化しておくとよい。   As an example, a plurality of thin film semiconductor elements manufactured under the same conditions (that is, thin film semiconductor elements having the same impurity concentration and surface state of substances constituting the thin film semiconductor element) are prepared, and the focal position, Only the conditions of the spatial profile adjustment unit are changed using an optical system in which the conditions of the short pulse laser generator, the polarization direction of the ultrashort pulse laser, and the like are the same. For example, a condition in which no scribe or the like is formed even when an ultrashort pulse laser having an intensity much smaller than an ablation threshold is irradiated is not used. On the other hand, as a result, the spatial profile is adjusted using conditions under which nano-periodic structures of scribe, street, and street end faces are simultaneously formed. It is preferable to collect conditions for adjusting such experimentally obtained spatial profiles for all materials and optical systems desired by the user, and to store them in a database.

図７は、本実施形態に係る薄膜半導体素子３１０の製造方法の工程Ｓ６０５〜Ｓ６０６における、薄膜半導体素子３１０の断面の様子を表す模式図である。参照符号７Ａから参照符号７Ｅの順に製造工程が進行する。   FIG. 7 is a schematic diagram showing a cross-sectional state of the thin film semiconductor element 310 in steps S605 to S606 of the method for manufacturing the thin film semiconductor element 310 according to the present embodiment. The manufacturing process proceeds in the order of reference numeral 7A to reference numeral 7E.

参照符号７Ａは、ＣＶＤ（化学気相堆積）法等により基板３０９上に薄膜半導体層３０８を堆積させることにより準備された薄膜半導体素子３１０の断面を示す。参照符号７Ｂは、焦点が基板３０９内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、第１の所定のラインに沿って、薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射されている状態の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。そして、第１の所定のラインに沿って超短パルスレーザ３０７が照射されることにより、第１の所定のラインに沿って、薄膜半導体素子３１０にスクライブ４０１及びストリート４０２が形成され、同時にストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成される。   Reference numeral 7A denotes a cross section of the thin film semiconductor element 310 prepared by depositing the thin film semiconductor layer 308 on the substrate 309 by a CVD (chemical vapor deposition) method or the like. Reference numeral 7B indicates that the ultrashort pulse laser 307 collected by the lens 306 whose focal point is located inside the substrate 309 is irradiated to the thin film semiconductor element 310 from the thin film semiconductor layer 308 side along the first predetermined line. A cross section of the thin film semiconductor element 310 in a state of being present is shown. Then, by irradiating the ultrashort pulse laser 307 along the first predetermined line, the scribe 401 and the street 402 are formed in the thin film semiconductor element 310 along the first predetermined line. A nano-periodic structure 403 is formed on the end face of the substrate.

参照符号７Ｃは、超短パルスレーザ３０７が、第２の所定のラインに沿って、薄膜半導体層３０８側から薄膜半導体素子３１０に照射されている状態の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。そして、第２の所定のラインに沿って超短パルスレーザ３０７が照射されることにより、第２の所定のラインに沿って、薄膜半導体素子３１０にスクライブ４０１及びストリート４０２が形成され、同時にストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成される。なお、複数の超短パルスレーザを用いて、参照符号７Ｂ及び７Ｃで示される、超短パルスレーザの照射を一度に行なってもよい。参照符号７Ｄは、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ４０１、ストリート４０２及びストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３が形成された薄膜半導体素子３１０の断面を示す。   Reference numeral 7C indicates a cross section of the thin film semiconductor element 310 in a state in which the ultra short pulse laser 307 is irradiated on the thin film semiconductor element 310 from the thin film semiconductor layer 308 side along the second predetermined line. Then, by irradiating the ultrashort pulse laser 307 along the second predetermined line, the scribe line 401 and the street 402 are formed in the thin film semiconductor element 310 along the second predetermined line. A nano-periodic structure 403 is formed on the end face of the substrate. In addition, you may perform the irradiation of an ultrashort pulse laser shown with the referential mark 7B and 7C at once using a several ultrashort pulse laser. Reference numeral 7D indicates a cross section of the thin film semiconductor element 310 in which the nanoperiodic structure 403 is formed on the end face of the scribe 401, the street 402, and the street 402 along the first and second predetermined lines.

参照符号７Ｄの矢印Ａで示す部分にブレーカーブレードがあてられ、薄膜半導体素子３１０は分割される。参照符号７Ｅは、分割後の薄膜半導体素子３１０の断面を示す。本実施形態において製造された薄膜半導体素子３１０は、ストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３を有する。   A breaker blade is applied to a portion indicated by an arrow A of reference numeral 7D, and the thin film semiconductor element 310 is divided. Reference numeral 7E indicates a cross section of the thin film semiconductor element 310 after division. The thin film semiconductor element 310 manufactured in this embodiment has a nano-periodic structure 403 on the end face of the street 402.

（実施例１）
本発明の実施例１では薄膜半導体素子３１０を製造するための光学系３００において、超短パルスレーザ３０７としてフェムト秒レーザ（波長１．０５μｍ、繰返し１００ｋＨｚ、出力２００ｍＷ、パルス幅５００ｆｓ）を用い、基板３０９が厚さ３００μｍのサファイア基板であり薄膜半導体層３０８が厚さ３μｍのＧａＮ膜である薄膜半導体素子３１０を用い、開口数ＮＡ＝０．６５の対物レンズ３０６を用い、偏光方向調整部３０３として半波長板を用い、空間プロファイル調整部３０４として出力減衰器を用い、そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが互いに密に重なり合うように１００ｍｍ／ｓで薄膜半導体素子３１０を移動させる移動ステージ３１１を用いた。レンズ３０６の焦点は、薄膜半導体層３０８と基板３０９との界面近傍であって基板３０９内部に位置した。空間プロファイルの調整は、この光学系３００において、該薄膜半導体素子３１０に対する経験的に求めた条件を使用して調整した。 Example 1
In Example 1 of the present invention, a femtosecond laser (wavelength: 1.05 μm, repetition rate: 100 kHz, output: 200 mW, pulse width: 500 fs) is used as an ultrashort pulse laser 307 in an optical system 300 for manufacturing a thin film semiconductor element 310, and a substrate is used. 309 is a 300 μm thick sapphire substrate, thin film semiconductor layer 308 is a 3 μm thick GaN film, thin film semiconductor element 310, numerical aperture NA = 0.65 objective lens 306 is used as polarization direction adjusting section 303. A moving stage 311 that uses a half-wave plate, uses an output attenuator as the spatial profile adjustment unit 304, and moves the thin film semiconductor element 310 at 100 mm / s so that the irradiation spots of the ultrashort pulse laser 307 closely overlap each other is provided. Using. The focal point of the lens 306 is located in the vicinity of the interface between the thin film semiconductor layer 308 and the substrate 309 and inside the substrate 309. The spatial profile was adjusted using conditions obtained empirically for the thin film semiconductor element 310 in the optical system 300.

図８の参照符号８Ａは、第１実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法を用いて製造した分割後の薄膜半導体素子３１０のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像を示す。参照符号８Ａは、図７内の参照符号７Ｅの矢印Ｂの方向から見た画像を示す。この画像において、比較的黒色の部分が薄膜半導体層３０８のＧａＮ膜であり、比較的白色の部分が基板３０９のサファイア基板である。それらの間には、ＧａＮ物質からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造４０３が形成されている。   Reference numeral 8A in FIG. 8 represents an SEM (scanning electron microscope) image of the divided thin film semiconductor element 310 manufactured by using the thin film semiconductor element manufacturing method according to the first embodiment. Reference numeral 8A indicates an image viewed from the direction of arrow B of reference numeral 7E in FIG. In this image, the relatively black portion is the GaN film of the thin film semiconductor layer 308, and the relatively white portion is the sapphire substrate of the substrate 309. Between them, a nano-periodic structure 403 having a plurality of concavo-convex structures made of a GaN material is formed.

参照符号８Ｂは、参照符号８Ａで示された画像の破線円で囲まれた部分を拡大し、より明瞭に表示した画像を示す。この画像から明らかなように、参照符号８Ｃで描かれているような、紙面横方向に長手方向を有し紙面縦方向に等間隔に並んだ複数の凹凸構造からなるナノ周期構造４０３が形成された。ナノ周期構造４０３の各凹凸構造は、長手方向に概ね３〜４μｍの長さを有し、凹凸構造間の間隔は、概ね４００ｎｍであった。   Reference numeral 8B indicates an image displayed more clearly by enlarging a portion surrounded by a broken-line circle of the image indicated by reference numeral 8A. As is apparent from this image, a nano-periodic structure 403 having a plurality of concavo-convex structures having a longitudinal direction in the horizontal direction on the paper surface and arranged at equal intervals in the vertical direction on the paper surface is formed, as depicted by reference numeral 8C. It was. Each concavo-convex structure of the nano-periodic structure 403 has a length of approximately 3 to 4 μm in the longitudinal direction, and the interval between the concavo-convex structures was approximately 400 nm.

このように、本実施例は、超短パルスレーザ強度の空間プロファイルを制御することで、薄膜半導体素子３１０に対してスクライブ４０１、ストリート４０２、及びストリート端面のナノ周期構造４０３を同時に形成した。本実施例により製造した半導体薄膜素子３１０は、ストリート４０２の端面にナノ周期構造４０３を有しており、従来に比べ向上した光取出し効率特性を有する。   As described above, in this example, the scribe 401, the street 402, and the nano-periodic structure 403 on the street end face were simultaneously formed on the thin film semiconductor element 310 by controlling the spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity. The semiconductor thin film element 310 manufactured according to the present embodiment has a nano-periodic structure 403 on the end face of the street 402, and has improved light extraction efficiency characteristics as compared with the prior art.

［第２実施形態］
図９は、本発明の第２実施形態に係る、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の製造工程における、薄膜半導体素子９１２の断面の様子を表す模式図である。参照符号９Ａから参照符号９Ｄの順に製造工程が進行する。薄膜半導体素子９１２の製造のために、上記光学系３００を用いることができる。なお、本実施形態の説明において、上記事項と重複する部分については適宜説明を省略してある。 [Second Embodiment]
FIG. 9 is a schematic view showing a cross-sectional state of the thin film semiconductor element 912 in the manufacturing process of the thin film semiconductor element 912 having a single-sided contact structure on the sapphire substrate according to the second embodiment of the present invention. The manufacturing process proceeds in the order of reference numeral 9A to reference numeral 9D. The optical system 300 can be used for manufacturing the thin film semiconductor element 912. In the description of the present embodiment, the description overlapping with the above items is omitted as appropriate.

参照符号９Ａは、サファイア基板９０１上に、順に、バッファ層９０２、ｎ−窒化物半導体層９０３、活性層９０４、ｐ−窒化物半導体層９０５、透明電極９０６、ｐ型電極９０７が形成された薄膜半導体素子９１２の断面を示す。その後、フォトリソグラフィー法等により、ｐ型電極９０７がパターンニングされ、ホールの中にｎ型電極９０８が形成される。   Reference numeral 9A denotes a thin film in which a buffer layer 902, an n-nitride semiconductor layer 903, an active layer 904, a p-nitride semiconductor layer 905, a transparent electrode 906, and a p-type electrode 907 are sequentially formed on a sapphire substrate 901. The cross section of the semiconductor element 912 is shown. Thereafter, the p-type electrode 907 is patterned by a photolithography method or the like, and an n-type electrode 908 is formed in the hole.

参照符号９Ｂは、焦点がサファイア基板９０１内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、ｐ型電極９０７及びｎ型電極９０８が形成された薄膜半導体素子９１２に対して、第１及び第２の所定のラインに沿って、ｐ型電極９０７側から照射されている状態の薄膜半導体素子９１２の断面を示す。なお、超短パルスレーザ３０７の偏光方向及び空間プロファイルは、所定の条件に従い調整される。そして、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ９０９、ストリート９１０及びストリート９１０の端面にナノ周期構造９１１が同時に形成される。ここで、参照符号９Ｂでは、２本の超短パルスレーザ３０７で照射されている状態が描かれているが、上記のように、超短パルスレーザ３０７の照射は、複数の超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿って同時に行われてもよく、又は、１つの超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインそれぞれ別々に行われてもよい。   Reference numeral 9B indicates that the ultrashort pulse laser 307 collected by the lens 306 whose focal point is located inside the sapphire substrate 901 is first with respect to the thin film semiconductor element 912 in which the p-type electrode 907 and the n-type electrode 908 are formed. And the cross section of the thin film semiconductor element 912 in the state irradiated from the p-type electrode 907 side is shown along the 2nd predetermined line. The polarization direction and spatial profile of the ultrashort pulse laser 307 are adjusted according to predetermined conditions. Then, nano-periodic structures 911 are simultaneously formed on the end faces of the scribe 909, the street 910, and the street 910 along the first and second predetermined lines. Here, reference numeral 9B shows a state in which the laser beam is irradiated with two ultrashort pulse lasers 307. As described above, the ultrashort pulse laser 307 is irradiated with a plurality of ultrashort pulse lasers. Can be used along the first and second predetermined lines simultaneously, or can be performed separately using the single ultrashort pulse laser, respectively.

参照符号９Ｃは、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ９０９、ストリート９１０及びストリート９１０の端面にナノ周期構造９１１が形成された薄膜半導体素子９１２の断面を示す。そして、参照符号９Ｃの矢印Ａの部分にブレーカーブレードがあてられ、薄膜半導体素子９１２は分割される。参照符号９Ｄは、分割後の薄膜半導体素子９１２であって、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の断面を示す。   Reference numeral 9C indicates a cross section of the thin film semiconductor element 912 in which the nanoperiodic structure 911 is formed on the end faces of the scribe 909, the street 910, and the street 910 along the first and second predetermined lines. Then, a breaker blade is applied to a portion indicated by an arrow A of reference numeral 9C, and the thin film semiconductor element 912 is divided. Reference numeral 9D denotes a thin film semiconductor element 912 after being divided, and shows a cross section of the thin film semiconductor element 912 having a single-sided contact structure on the sapphire substrate.

従来の製造方法では結晶成長層側面へのナノ周期構造の形成は非常に困難であった。しかしながら、本実施形態において製造された薄膜半導体素子９１２は、結晶成長層（要素９０２〜９０６を含む層）側面に形成されたナノ周期構造９１１を有する。このため、本実施形態に係る薄膜半導体素子９１２は、従来に比べ向上した光取出し効率特性を有する。   In the conventional manufacturing method, it is very difficult to form a nano-periodic structure on the side surface of the crystal growth layer. However, the thin film semiconductor element 912 manufactured in the present embodiment has the nano-periodic structure 911 formed on the side surface of the crystal growth layer (the layer including the elements 902 to 906). For this reason, the thin film semiconductor element 912 according to the present embodiment has improved light extraction efficiency characteristics compared to the conventional one.

［第３実施形態］
図１０は、本発明の第３実施形態に係る、基板転写構造を有する薄膜半導体素子１０１４の製造工程における、該素子１０１４の断面の様子を表す模式図である。参照符号１０Ａから参照符号１０Ｅの順に製造工程が進行する。本実施形態に係る薄膜半導体素子１０１４の製造のために、上記光学系３００を用いることができる。なお、本実施形態の説明において、上記事項と重複する部分については適宜説明を省略してある。 [Third Embodiment]
FIG. 10 is a schematic view showing a cross-sectional state of the element 1014 in the manufacturing process of the thin film semiconductor element 1014 having the substrate transfer structure according to the third embodiment of the present invention. The manufacturing process proceeds in the order of reference numeral 10A to reference numeral 10E. The optical system 300 can be used for manufacturing the thin film semiconductor element 1014 according to this embodiment. In the description of the present embodiment, the description overlapping with the above items is omitted as appropriate.

ＣＶＤ法等により、サファイア基板１００１上に、順に、犠牲層１００２、ｎ−窒化物半導体層１００３、活性層１００４、ｐ−窒化物半導体層１００５を堆積させることにより薄膜半導体素子１０１４を準備する。参照符号１０Ａは、準備された薄膜半導体素子１０１４のｐ−窒化物半導体層１００５の表面全体（又は一部）に超短パルスレーザ３０７が照射され、該表面に第１のナノ周期構造１００６が形成されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。この中で、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面にレンズ３０６の焦点が置かれ、焦点における超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルがｐ−窒化物半導体層１００５のアブレーション閾値近傍に最大強度を有するように調整される。そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが密に重なり合うように、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面に超短パルスレーザ３０７が走査される。その結果、ｐ−窒化物半導体層１００５の表面の超短パルスレーザ３０７で照射された部分に第１のナノ周期構造１００６が形成される。   A thin film semiconductor element 1014 is prepared by depositing a sacrificial layer 1002, an n-nitride semiconductor layer 1003, an active layer 1004, and a p-nitride semiconductor layer 1005 in this order on the sapphire substrate 1001 by a CVD method or the like. Reference numeral 10A indicates that the entire surface (or part) of the p-nitride semiconductor layer 1005 of the prepared thin film semiconductor element 1014 is irradiated with the ultrashort pulse laser 307, and the first nano-periodic structure 1006 is formed on the surface. The cross section of the thin film semiconductor element 1014 of the state currently shown is shown. In this, the focal point of the lens 306 is placed on the surface of the p-nitride semiconductor layer 1005 so that the spatial profile of the ultrashort pulse laser 307 at the focal point has the maximum intensity near the ablation threshold of the p-nitride semiconductor layer 1005. Adjusted to Then, the ultrashort pulse laser 307 is scanned on the surface of the p-nitride semiconductor layer 1005 so that the irradiation spots of the ultrashort pulse laser 307 overlap closely. As a result, the first nano-periodic structure 1006 is formed in the portion irradiated with the ultrashort pulse laser 307 on the surface of the p-nitride semiconductor layer 1005.

ｐ−窒化物半導体層１００５の表面全体（又は一部）に第１のナノ周期構造１００６が形成された後、その上に、真空蒸着法またはスパッタ法等を用いｐ型電極１００７が堆積され、ｐ型電極１００７がフォトリソグラフィ法等によりパターニングされる。そして、パターニングされたｐ型電極１００７の上にはんだ等により転写基板１０１０が接着される。転写基板１０１０は、Ｓｉ基板やＧｅ基板、ＳｉＣ基板等であってよい。   After the first nano-periodic structure 1006 is formed on the entire surface (or part) of the p-nitride semiconductor layer 1005, a p-type electrode 1007 is deposited thereon using a vacuum evaporation method or a sputtering method, The p-type electrode 1007 is patterned by a photolithography method or the like. Then, the transfer substrate 1010 is bonded onto the patterned p-type electrode 1007 with solder or the like. The transfer substrate 1010 may be a Si substrate, a Ge substrate, a SiC substrate, or the like.

参照符号１０Ｂは、サファイア基板１００１側からエキシマーレーザ１００８が照射されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。サファイア基板１００１は、エキシマーレーザ１００８のエネルギーより大きいバンドギャップを有するためエキシマーレーザ１００８を吸収しない。一方、犠牲層１００２は、エキシマーレーザ１００８をよく吸収する物質からなる。そのため、犠牲層１００２は、エキシマーレーザ１００８のエネルギーを吸収することで溶融する。その結果、サファイア基板１００１が半導体薄膜素子１０１４からリフトオフされる。   Reference numeral 10B indicates a cross section of the thin film semiconductor element 1014 in a state where the excimer laser 1008 is irradiated from the sapphire substrate 1001 side. The sapphire substrate 1001 does not absorb the excimer laser 1008 because it has a band gap larger than the energy of the excimer laser 1008. On the other hand, the sacrificial layer 1002 is made of a material that absorbs the excimer laser 1008 well. Therefore, the sacrificial layer 1002 is melted by absorbing the energy of the excimer laser 1008. As a result, the sapphire substrate 1001 is lifted off from the semiconductor thin film element 1014.

参照符号１０Ｃは、サファイア基板１００１がリフトオフされた半導体薄膜素子１０１４のｎ−窒化物半導体層１００３の表面全体（又は一部）に超短パルスレーザ３０７が照射され、該表面に第２のナノ周期構造１００９が形成されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。この中で、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面にレンズ３０６の焦点が置かれ、焦点における超短パルスレーザ３０７の空間プロファイルがｎ−窒化物半導体層１００３のアブレーション閾値近傍に最大強度を有するように調整される。そして、超短パルスレーザ３０７の照射スポットが密に重なり合うように、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面に沿って超短パルスレーザ３０７が走査される。その結果、ｎ−窒化物半導体層１００３の表面の超短パルスレーザ３０７で照射された部分に第２のナノ周期構造１００９が形成される。   Reference numeral 10C indicates that the entire surface (or part) of the n-nitride semiconductor layer 1003 of the semiconductor thin film element 1014 from which the sapphire substrate 1001 is lifted off is irradiated with the ultrashort pulse laser 307, and the surface is exposed to the second nano-period. The cross section of the thin film semiconductor element 1014 in the state where the structure 1009 is formed is shown. Among these, the focal point of the lens 306 is placed on the surface of the n-nitride semiconductor layer 1003 so that the spatial profile of the ultrashort pulse laser 307 at the focal point has the maximum intensity near the ablation threshold of the n-nitride semiconductor layer 1003. Adjusted to Then, the ultrashort pulse laser 307 is scanned along the surface of the n-nitride semiconductor layer 1003 so that the irradiation spots of the ultrashort pulse laser 307 overlap closely. As a result, the second nano-periodic structure 1009 is formed in the portion irradiated with the ultrashort pulse laser 307 on the surface of the n-nitride semiconductor layer 1003.

第２のナノ周期構造１００９上に、真空蒸着法またはスパッタ法等により透明電極１０１１及びｎ型電極１０１２が堆積され、フォトリソグラフィ法等によりパターニングされる。参照符号１０Ｄは、焦点が転写基板１０１０内部に位置するレンズ３０６により集められた超短パルスレーザ３０７が、薄膜半導体素子１０１４に対して、第１及び第２の所定のラインに沿って、ｎ型電極１０１２側から照射されている状態の薄膜半導体素子１０１４の断面を示す。なお、超短パルスレーザ３０７の偏光方向及び空間プロファイルは、所定の条件に従い調整される。   A transparent electrode 1011 and an n-type electrode 1012 are deposited on the second nano-periodic structure 1009 by a vacuum vapor deposition method or a sputtering method, and patterned by a photolithography method or the like. Reference numeral 10D indicates that the ultrashort pulse laser 307 collected by the lens 306 whose focal point is located inside the transfer substrate 1010 is n-type with respect to the thin film semiconductor element 1014 along the first and second predetermined lines. The cross section of the thin film semiconductor element 1014 in the state irradiated from the electrode 1012 side is shown. The polarization direction and spatial profile of the ultrashort pulse laser 307 are adjusted according to predetermined conditions.

そして、第１及び第２の所定のラインに沿って、スクライブ（図示せず）、ストリート（図示せず）、及びストリートの端面に第３のナノ周期構造１０１３が同時に形成される。ここで、参照符号１０Ｄでは、２本の超短パルスレーザ３０７で照射されている状態が描かれているが、上記のように、超短パルスレーザ３０７の照射は、複数の超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿って同時に行われてもよく、又は、１つの超短パルスレーザを用いて第１及び第２の所定のラインに沿ってそれぞれ別々に行われてもよい。   Then, along the first and second predetermined lines, the third nano-periodic structure 1013 is simultaneously formed on the scribe (not shown), the street (not shown), and the end face of the street. Here, in reference numeral 10D, the state of irradiation with two ultrashort pulse lasers 307 is depicted, but as described above, irradiation with the ultrashort pulse laser 307 is performed using a plurality of ultrashort pulse lasers. May be performed simultaneously along the first and second predetermined lines, or may be performed separately along the first and second predetermined lines using one ultrashort pulse laser, respectively. Also good.

その後、スクライブを起点としてブレーカーブレード等により半導体薄膜素子１０１４が分割される。参照符号１０Ｅは、分割後の薄膜半導体素子１０１４であって、サファイア基板上片面コンタクト構造を有する薄膜半導体素子９１２の断面を示す。   Thereafter, the semiconductor thin film element 1014 is divided by a breaker blade or the like starting from the scribe. Reference numeral 10E denotes a thin film semiconductor element 1014 after being divided, and shows a cross section of the thin film semiconductor element 912 having a single-sided contact structure on the sapphire substrate.

本実施形態において製造された薄膜半導体素子１０１４は、発光部（要素１００３〜１００６及び１００９を含む部分）全面にナノ周期構造１００６、１００９、１０１３が形成されているため、最も向上した光取出し効率特性を有する。また、本実施形態に係る製造方法では、従来のようにＫＯＨを用いた表面テクスチャの形成が不要である。さらに、本実施形態に係る薄膜半導体素子１０１４は、第１及び第２のナノ周期構造１００６、１００９により、電極と窒化物半導体層界面での接触面積が増加するため、該界面において低減した接触抵抗特性を有する。   The thin film semiconductor device 1014 manufactured in the present embodiment has the most improved light extraction efficiency characteristics because the nano-periodic structures 1006, 1009, and 1013 are formed on the entire surface of the light emitting portion (the portion including the elements 1003 to 1006 and 1009). Have Moreover, in the manufacturing method according to the present embodiment, it is not necessary to form a surface texture using KOH as in the prior art. Furthermore, the thin film semiconductor element 1014 according to this embodiment has a contact resistance reduced at the interface because the contact area at the interface between the electrode and the nitride semiconductor layer is increased by the first and second nano-periodic structures 1006 and 1009. Has characteristics.

［第４実施形態］
図１１は、本発明の第４実施形態に係る、ＳｉＣ基板上に窒化物半導体発光層が形成された薄膜半導体素子１１１２の模式図である。本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、ＳｉＣ基板１１０１、バッファ層１１０２、ｎ−窒化物半導体層１１０３、活性層１１０４、第１のナノ周期構造１１０５、ｐ−窒化物半導体層１１０６、第２のナノ周期構造１１０７、ｐ型電極１１０８、第３のナノ周期構造１１０９、透明電極１１１０、そして、ｎ型電極１１１１を含む。なお、本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２の製造方法は、第１乃至第３の実施形態に係る薄膜半導体素子の製造方法と略同一であり、詳細な説明は省略する。 [Fourth Embodiment]
FIG. 11 is a schematic view of a thin film semiconductor element 1112 in which a nitride semiconductor light emitting layer is formed on a SiC substrate according to the fourth embodiment of the present invention. The thin film semiconductor element 1112 according to this embodiment includes an SiC substrate 1101, a buffer layer 1102, an n-nitride semiconductor layer 1103, an active layer 1104, a first nano-periodic structure 1105, a p-nitride semiconductor layer 1106, a second A nano-periodic structure 1107, a p-type electrode 1108, a third nano-periodic structure 1109, a transparent electrode 1110, and an n-type electrode 1111 are included. Note that the manufacturing method of the thin film semiconductor element 1112 according to this embodiment is substantially the same as the manufacturing method of the thin film semiconductor element according to the first to third embodiments, and detailed description thereof is omitted.

本実施形態において製造された薄膜半導体素子１１１２は、発光部（要素１１０２〜１１０７を含む部分）の３面に第１及び第２のナノ周期構造１１０５、１１０７が形成されているため、向上した光取出し効率特性を有する。本実施形態に係る製造方法では、従来のようにＫＯＨを用いた表面テクスチャの形成が不要である。本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、第２のナノ周期構造１１０７により、ｐ型電極１１０８とｐ−窒化物半導体層１１０６との界面での接触面積が増加し、該界面において低減した接触抵抗特性を有する。   The thin film semiconductor element 1112 manufactured in the present embodiment has improved light since the first and second nano-periodic structures 1105 and 1107 are formed on the three surfaces of the light emitting portion (the portion including the elements 1102 to 1107). Has extraction efficiency characteristics. In the manufacturing method according to the present embodiment, it is not necessary to form a surface texture using KOH as in the prior art. In the thin film semiconductor element 1112 according to this embodiment, the contact area at the interface between the p-type electrode 1108 and the p-nitride semiconductor layer 1106 is increased by the second nano-periodic structure 1107, and the contact resistance reduced at the interface. Has characteristics.

さらに、本実施形態に係る薄膜半導体素子１１１２は、ＳｉＣ基板１１０１の表面に第３のナノ周期構造１１０９を有する。そのため、ＳｉＣ基板１１０１のＣ（炭素）面の一部が取り除かれ、ＳｉＣ基板１１０１のＳｉ面がＳｉＣ基板１１０１の表面に比較的多く露出している状態にある。このような半金属製の中間生成物が形成される結果、該表面における接触抵抗が低減する。加えて、後の工程においてＣ面電極の高温加熱処理工程が不要となるため、ＳｉＣ基板１１０１上へのＣの析出が抑制され、ＳｉＣ基板１１０１の表面と後の工程で形成される電極との密着性が向上する。   Furthermore, the thin film semiconductor element 1112 according to the present embodiment has a third nano-periodic structure 1109 on the surface of the SiC substrate 1101. Therefore, a part of the C (carbon) surface of SiC substrate 1101 is removed, and a relatively large number of Si surfaces of SiC substrate 1101 are exposed on the surface of SiC substrate 1101. As a result of the formation of such a semi-metallic intermediate product, the contact resistance at the surface is reduced. In addition, since the high-temperature heat treatment process for the C-plane electrode is not required in the subsequent process, the deposition of C on the SiC substrate 1101 is suppressed, and the surface of the SiC substrate 1101 and the electrode formed in the subsequent process are reduced. Adhesion is improved.

［第５実施形態］
図１２は、物質１２０２の上に物質１２０１が形成された固体物質１２０３に物質１２０１側から超短パルスレーザが照射され、物質１２０２の内部に分割の起点（即ち、スクライブ）として作用する内部加工痕１２０８、物質１２０１にストリート１２０９、及びストリート１２０９の端面に超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質１２０１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造１２１０が形成された固体物質１２０３の断面と、超短パルスレーザ強度の空間プロファイル１２０７との関係を例示する図である。 [Fifth Embodiment]
FIG. 12 shows an internal processing trace that acts as a starting point of division (ie, scribe) inside the material 1202 by irradiating the solid material 1203 formed on the material 1202 with the ultrashort pulse laser from the material 1201 side. 1208, a cross-section of a solid material 1203 in which a street 1209 is formed on the material 1201, and a nano-periodic structure 1210 having a plurality of concavo-convex structures made of the material 1201 in the direction corresponding to the polarization direction of the ultrashort pulse laser is formed on the end surface of the street 1209. It is a figure which illustrates the relationship with the space profile 1207 of ultrashort pulse laser intensity.

物質１２０１の表面近傍における空間プロファイル１２０６は、Ｘ軸のｘ１〜ｘ６の範囲で物質１２０１のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１よりも大きい強度を有し、その他の範囲ではアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１より小さい強度を有する。そのため、ｘ１〜ｘ６の範囲にある物質１２０１がアブレーションにより除去されるが、その他の範囲では物質１２０１は除去されない。   The spatial profile 1206 in the vicinity of the surface of the substance 1201 has an intensity larger than the ablation threshold Abr1201 of the substance 1201 in the range of x1 to x6 on the X axis, and has an intensity smaller than the ablation threshold Abr1201 in the other ranges. Therefore, the substance 1201 in the range of x1 to x6 is removed by ablation, but the substance 1201 is not removed in other ranges.

物質１２０１と物質１２０２との界面近傍における空間プロファイル１２０５は、全ｘの範囲で物質１２０２のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０２よりも大きい強度を有する範囲を含まない。そのため、物質１２０１と物質１２０２との界面近傍において、物質１２０２は除去されない。そして、焦点Ｆ近傍における空間プロファイル１２０４のみが、ｘ３〜ｘ４の範囲で、物質１２０２のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０２より大きい強度を有する。そのため、物質１２０２の内部でのみ物質１２０２がアブレーションされ、その部分のみに分割の起点として作用する内部加工痕１２０８が形成される。   The spatial profile 1205 in the vicinity of the interface between the substance 1201 and the substance 1202 does not include a range having an intensity greater than the ablation threshold Abr1202 of the substance 1202 in the entire x range. Therefore, the substance 1202 is not removed in the vicinity of the interface between the substance 1201 and the substance 1202. Only the spatial profile 1204 in the vicinity of the focal point F has an intensity greater than the ablation threshold Abr1202 of the substance 1202 in the range of x3 to x4. Therefore, the substance 1202 is ablated only inside the substance 1202, and an internal processing mark 1208 that acts as a starting point of division is formed only in that portion.

その結果、物質１２０２がアブレーションされた部分に内部加工痕１２０８が生じ、物質１２０１がアブレーションにより除去された部分にストリート１２０９が生じる。ストリート１２０９の端面では、物質１２０１のアブレーション閾値Ａｂｒ１２０１近傍の強度を有する超短パルスレーザが照射される。そのため、ストリート１２０９の端面に、超短パルスレーザの偏光方向に応じた方向に物質１２０１からなる複数の凹凸構造を有するナノ周期構造１２１０が同時に形成される。このように、本実施形態では、内部加工痕１２０８（即ち、スクライブ）が物質１２０２の内部に形成されるため、必要以上に物質１２０２が除去されない。   As a result, an internal processing mark 1208 is generated in a portion where the material 1202 is ablated, and a street 1209 is generated in a portion where the material 1201 is removed by ablation. The end face of the street 1209 is irradiated with an ultrashort pulse laser having an intensity near the ablation threshold Abr 1201 of the substance 1201. Therefore, a nano-periodic structure 1210 having a plurality of concavo-convex structures made of the substance 1201 is simultaneously formed on the end face of the street 1209 in the direction corresponding to the polarization direction of the ultrashort pulse laser. Thus, in this embodiment, since the internal processing mark 1208 (that is, scribe) is formed inside the substance 1202, the substance 1202 is not removed more than necessary.

（その他の実施形態）
本発明による薄膜半導体素子は、サファイア基板上にＧａＮ層を形成した素子、ＳｉＣ基板上にＧａＮ層を形成した素子、ＧａＮ基板上にＧａＮ層を形成した素子、支持基板転写型の素子等であっても良い。 (Other embodiments)
The thin film semiconductor device according to the present invention is a device in which a GaN layer is formed on a sapphire substrate, a device in which a GaN layer is formed on a SiC substrate, a device in which a GaN layer is formed on a GaN substrate, a support substrate transfer type device, or the like. May be.

３００：光学系、３０１：超短パルスレーザ発生装置、３０２：ミラー、３０３：偏光方向調整部、３０４：空間プロファイル調整部、３０５：ミラー、３０６：レンズ、３０７：超短パルスレーザ、３０８：薄膜半導体層、３０９：基板、３１０：薄膜半導体素子、３１１：移動ステージ 300: optical system, 301: ultrashort pulse laser generator, 302: mirror, 303: polarization direction adjustment unit, 304: spatial profile adjustment unit, 305: mirror, 306: lens, 307: ultrashort pulse laser, 308: thin film Semiconductor layer, 309: substrate, 310: thin film semiconductor element, 311: moving stage

Claims (9)

基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、前記薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備え、
前記超短パルスレーザの焦点が、前記薄膜半導体層と前記基板との界面から前記基板内部に位置し、
前記薄膜半導体層の表面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、前記薄膜半導体層と前記基板との界面から前記基板内部における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。ここで、前記空間プロファイルは、前記超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって前記超短パルスレーザの中心を通る直線に沿った前記超短パルスレーザ強度の空間プロファイルである。 Irradiating a thin film semiconductor element having a thin film semiconductor layer formed on a substrate with an ultrashort pulse laser from the thin film semiconductor layer side;
The focal point of the ultrashort pulse laser is located inside the substrate from the interface between the thin film semiconductor layer and the substrate,
The spatial profile of the ultrashort pulse laser on the surface of the thin film semiconductor layer includes a range having an intensity greater than the ablation threshold of the thin film semiconductor layer, and from the interface between the thin film semiconductor layer and the substrate to the inside of the substrate A method of manufacturing a thin film semiconductor device, wherein a spatial profile of the ultrashort pulse laser includes a range having an intensity greater than an ablation threshold of the substrate. Here, the spatial profile is a spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity along a straight line passing through the center of the ultrashort pulse laser in a cross section perpendicular to the traveling direction of the ultrashort pulse laser. 前記超短パルスレーザがフェムト秒レーザである、ことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the ultrashort pulse laser is a femtosecond laser. 前記薄膜半導体層がＧａＮ膜であり、前記基板がサファイア基板である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the thin film semiconductor layer is a GaN film, and the substrate is a sapphire substrate. 基板上に薄膜半導体層が形成された薄膜半導体素子に、前記薄膜半導体層側から超短パルスレーザを照射するステップを備え、
前記超短パルスレーザの焦点が、前記基板内部に位置し、
前記薄膜半導体層の表面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記薄膜半導体層のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含み、かつ、前記薄膜半導体層と前記基板との界面における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含まず、かつ、前記焦点における前記超短パルスレーザの空間プロファイルが、前記基板のアブレーション閾値より大きい強度を有する範囲を含む、ことを特徴とする薄膜半導体素子の製造方法。ここで、前記空間プロファイルは、前記超短パルスレーザの進行方向に垂直な断面内であって前記超短パルスレーザの中心を通る直線に沿った前記超短パルスレーザ強度の空間プロファイルである。 Irradiating a thin film semiconductor element having a thin film semiconductor layer formed on a substrate with an ultrashort pulse laser from the thin film semiconductor layer side;
The focal point of the ultrashort pulse laser is located inside the substrate;
The ultrashort pulse at the interface between the thin film semiconductor layer and the substrate includes a range in which a spatial profile of the ultrashort pulse laser on the surface of the thin film semiconductor layer has an intensity greater than an ablation threshold of the thin film semiconductor layer The spatial profile of the laser does not include a range having an intensity greater than the ablation threshold of the substrate, and the spatial profile of the ultrashort pulse laser at the focal point includes a range having an intensity greater than the ablation threshold of the substrate; A method of manufacturing a thin film semiconductor device. Here, the spatial profile is a spatial profile of the ultrashort pulse laser intensity along a straight line passing through the center of the ultrashort pulse laser in a cross section perpendicular to the traveling direction of the ultrashort pulse laser. 基板と薄膜半導体層とを備え、
前記薄膜半導体層の側面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする薄膜半導体素子。 A substrate and a thin film semiconductor layer;
A thin film semiconductor element, wherein a periodic structure is formed on a side surface of the thin film semiconductor layer. 前記薄膜半導体層がＧａＮ膜であり、前記基板がサファイア基板である、ことを特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体素子。   6. The thin film semiconductor element according to claim 5, wherein the thin film semiconductor layer is a GaN film, and the substrate is a sapphire substrate. 前記薄膜半導体層が、
ｐ−窒化物半導体層と、
前記ｐ−窒化物半導体層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたｎ−窒化物半導体層とを含み、
前記ｐ−窒化物半導体層、活性層及びｎ−窒化物半導体層の側面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の薄膜半導体素子。 The thin film semiconductor layer is
a p-nitride semiconductor layer;
An active layer formed on the p-nitride semiconductor layer;
An n-nitride semiconductor layer formed on the active layer,
The thin film semiconductor device according to claim 5, wherein a periodic structure is formed on side surfaces of the p-nitride semiconductor layer, the active layer, and the n-nitride semiconductor layer. 前記ｐ−窒化物半導体層の前記活性層と反対の面に周期構造が形成され、
前記ｎ−窒化物半導体層の前記活性層と反対の面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項７に記載の薄膜半導体素子。 A periodic structure is formed on the surface of the p-nitride semiconductor layer opposite to the active layer,
The thin film semiconductor device according to claim 7, wherein a periodic structure is formed on a surface of the n-nitride semiconductor layer opposite to the active layer. 前記基板の前記薄膜半導体層と反対の面に周期構造が形成されている、ことを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の薄膜半導体素子。   9. The thin film semiconductor element according to claim 5, wherein a periodic structure is formed on a surface of the substrate opposite to the thin film semiconductor layer.
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