JP5221007B2 - 発光ダイオードチップ及びウェハ分割加工方法 - Google Patents

発光ダイオードチップ及びウェハ分割加工方法 Download PDF

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Description

本発明は、透明基板に発光層を含む半導体膜が積層されたウェハから分割された発光ダイオードチップと、そのウェハ分割方法に関する。なお、本明細書では、透明基板に所謂ウェハプロセス（洗浄、拡散イオン注入、薄膜成長、エピタキシャル成長、フォトリソグラフィ、電極形成、など）を施した段階の基板をウェハということにする。
発光ダイオード、特にIII族窒化物を発光層に用いる青色LEDは、総発光量を大きくするために、光の取り出し効率（外部量子効率）を高める工夫が必要である。透明基板の界面では臨界角以内の入射角の光しか外に出ないので、外部量子効率を高めるために、たとえば、半導体膜が積層された面と反対側の面を粗面にすることが行われている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００１−２１７４６７号公報
上記従来の発光ダイオードは、半導体膜が積層された面と反対側の面を粗面にして、外部量子効率を高めているが、半導体膜積層側を実装架台に固定するいわゆるフリップチップボンディングタイプにしか適用できない。半導体膜が積層された面と反対側を放物面鏡を持つ実装架台に固定するタイプに適用しても、外部量子効率が高くならない。すなわち、従来の発光ダイオードは、実装方向に影響される問題を有している。
また、透明基板の半導体膜が積層された面と反対側の面を粗面にするためには、フォトリソやウエットエッチングといった新たな工程が必要となり、環境負荷が増え、スループットが低下する。その結果、ダイオード作製コストが上昇する。
本発明は、上記従来の発光ダイオードの問題に鑑みてなされたもので、実装方向に影響されない、作製コストが安価な発光ダイオードチップ及びウェハからチップへの分割加工方法を提供することを課題としている。
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、発光ダイオードチップであって、二つの背向する面を持つ透明基板の一方の面に発光層を含む半導体膜が積層され、該二つの背向する面に直交するチップ分割面に凹凸が形成されていることを特徴としている。
分割面に凹凸が形成されているので、分割面からの光取り出し効率が高くなる。また、分割面から取り出すので、実装方向に影響されない。
課題を解決するためになされた請求項２に係る発明は、二つの背向する面を持つ透明基板の一方の面に発光層を含む半導体膜が積層されたウェハから分割して発光ダイオードチップにするウェハ分割加工方法であって、前記ウェハに対し光学的に透明な波長を有する繰り返し短光パルスレーザビームを集光レンズを介して該ウェハの他方の面又は一方の面に入射したとき、前記レーザビームのウエストが前記ウェハの内部に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を該ウェハに対して想定された分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に分離するように相対的に移動させながら、該ウェハの該レーザビームが入射する入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエストの領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせる内部加工工程１と、前記レーザビームのウエストが前記ウェハの前記入射面の表層部に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を前記分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に繋がるか或いは重なるように相対的に移動させながら、該ウェハの該入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエスト領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせる溝加工工程と、を含み、前記発光ダイオードチップのチップ分割面に凹凸が形成されていることを特徴としている。
内部加工工程でウェハの内部の分割ラインに沿ってウエスト領域が空間的に分離して連なり、そのウエスト領域が光誘起破壊域となる。したがって、光誘起破壊域が分割面に分割ラインに沿って空間的に分離して連なり、光誘起破壊域が凹、光誘起破壊域と隣の光誘起破壊域との間が凸となる。分割面すなわち二つの背向する面を持つ透明基板の一方の面に発光層を含む半導体膜が積層されたウェハの該二つの背向する面に直交する面に凹凸が形成されているので、その直交する面（分割面）からの光取り出し効率が高くなる。また、ウェハの分割加工時に分割面に凹凸が形成されるので、光取り出し効率を高くするための新たな工程を必要とせず、発光ダイオードチップを安価に作製することができる。
なお、本明細書における光誘起破壊は、ピコ秒〜フェムト秒オーダの短光パルスレーザビームを被加工材料に集光することで、その集光領域（ウエスト領域）が断熱加工されることである。
請求項３に係る発明は、請求項２に記載のウェハ分割加工方法であって、前記レーザビームのウエストが前記ウェハの前記内部加工工程１での光誘起破壊域と前記入射面との間に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を該ウェハに対して前記分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に分離するように相対的に移動させながら、該ウェハの該入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエストの領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせる内部加工工程２が設けられていることを特徴としている。
分割面の凹凸領域が厚さ方向に２段形成されるので、請求項２の分割加工方法で分割されたチップより、分割面からの光取り出し効率が高い。
また、請求項４に係る発明は、請求項２或いは３に記載のウェハ分割加工方法であって、前記集光レンズの開口数が０．３以上であることを特徴としている。
開口数が０．３以上であるとウエストが急激に細くなるので、ウエスト領域のみが光誘起破壊域となり、凹部の大きさ（幅）が小さくなる。その結果、取り出し効率が向上する。また、開口数が０．３以上であると、先に溝加工工程を実施し、その後内部加工工程を実施することもできる。
また、請求項５に係る発明は、請求項３に記載のウェハ分割加工方法であって、前記内部加工工程２の光誘起破壊域の上部と前記溝加工工程の溝底部とがつながるように該内部加工工程２及び該溝加工工程で集光レンズの焦点位置調整を行うことを特徴としている。
力を加えてウエハを想定された分割ラインに沿って分割する際、内部加工工程による光誘起破壊域が溝加工工程による溝底部とつながっているので、分割ラインに沿って確実に分割することができる。
内部加工工程でウェハの内部の分割ラインに沿ってウエスト領域が空間的に分離して連なり、そのウエスト領域が光誘起破壊域となる。したがって、光誘起破壊域が分割面に分割ラインに沿って空間的に分離して連なり、光誘起破壊域が凹、光誘起破壊域と隣の光誘起破壊域との間が凸となる。分割面すなわち二つの背向する面を持つ透明基板の一方の面に発光層を含む半導体膜が積層されたウェハの該二つの背向する面に直交する面に凹凸が形成されているので、その直交する面（分割面）からの光取り出し効率が高くなる。また、ウェハの分割加工時に分割面に凹凸が形成されるので、光取り出し効率を高くするための新たな工程を必要とせず、発光ダイオードチップを安価に作製することができる。
先ず、本発明の発光ダイオードチップの実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る発光ダイオードチップを支持体に実装したLEDの構造を模式的に示す。なお、倍率は不正確で、実際は、透明基板１の厚さが〜１００μｍのオーダであるのに対して、発光層を含む半導体膜が積層された半導体層２の厚さは、〜１μｍのオーダである。発光ダイオードチップ３は、透明基板１であるサファイア基板の１面１１´に、発光層を有する窒化物半導体膜が積層されて半導体層２となり、基板１の２面１１は、支持体６（この場合はリードフレームを示している）のカップの底部に接着剤５で接着されている。そして、基板１の１面１１´と２面１１とに直交するウエハからの分割面１２、１２′（図示しない紙面に平行な分割面１３、１３′）には、凹凸が形成されている。なお、４は、窒化物半導体層の正極、及び負極に形成されたオーミック電極であり、このオーミック電極４からワイヤーボンドされて電極がリードフレームと接続されている。
透明基板１は、半導体層２の半導体結晶が成長できる基板であればどのような基板でもよく、例えば、サファイア、スピネルのような酸化物系の透明な絶縁体基板の他、酸化亜鉛、窒化ガリウムのような透明な半導体基板も使用可能である。これらの基板は、１面１１側に形成された窒化物半導体の発光を透過する。なお、ここでいう透明とは、発光ダイオードの光の大部分（発光光量の８０％以上、望ましくは９０％以上）を透過可能であることをいう。
透明基板１の１面１１´に形成される窒化物半導体層２は、例えば、ｎ型GaNコンタクト層＋ｎ型AlGaNクラッド層＋InGaN活性層＋ｐ型AlGaNクラッド層＋ｐ型GaN層等を積層したダブルヘテロ構造で形成される。また、この他、ｐ−ｎ接合を有するシングルヘテロ構造、ホモ構造、i層を発光層とするMIS構造等に窒化物半導体が積層されて発光層が形成される。
透明基板１の分割面１２、１２′（分割面１２、１２´と交差する二つの分割面）への凹凸の形成は、ウエットエッチングやフォトリソグラフィ等で行われてもよいが、後述する本発明のウエハ分割加工方法で分割と同時に行われることが望ましい。別途凹凸形成工程を必要とせず、チップ製造コストを下げることができる。
透明基板１の２面１１と支持体５とを接続する接着剤５は、高分子材料でもよいが、金属を含む導電性材料が望ましい。チップ３の熱を支持体６に効率よく逃がすことができるからである。導電性材料からなる接着剤として、例えば、銀ペーストやInペースト等を用いることができる。
支持体６には、多くの種類があり、例えば、リードフレーム、ステム等の金属支持体、アルミナ基板等のセラミック製支持体等を挙げることができる。発光ダイオードチップ３は、これらの支持体上に２面１１側が接着剤５を介して載置される。つまりフェースアップと呼ばれる形式で載置される。
図１に矢印で示すように、本発明のLEDにおいて、透明な窒化物半導体層２からの発光は、同じく透明なサファイア基板１の中を透過して分割面１２、１２′（分割面１２、１２´と交差する二つの分割面）に到達する。分割面が鏡面であると、臨界角より大きな入射角の光は、外に出射できないが、凹凸が形成されているため、臨界角より大きな入射角の光も凹凸の切片では臨界角条件をはずれ、外に出射することができる。したがって、光の取り出し効率（外部量子効率）が高くなる。
本発明の発光ダイオードチップは、分割面からの光の取り出し効率が高いので、図１のような所謂フェースアップ形式に限定されることがない。電極４が下向きに支持される所謂フリップチップボンディング形式でも有効に光を取り出すことができる。
次に本発明のウェハ分割加工方法を、例えばサファイア基板に発光層を含む半導体膜が積層され個々の発光素子として機能するようにパターンニングされたウェハからチップに分割する場合について説明する。
＜内部加工工程＞ 先ず、内部加工工程を図２〜図５と共に説明する。図２で、１０がサファイア基板、２０がパターニングされた半導体層、半導体層２０が積層されていない面１１に点線で示す１５が分割ラインである。分割ライン１５は、半導体層２０が積層されている面１１´側では、半導体層２０の間をとおるように設定されている。図２に示すように、ウェハ１００のサファイア基板１０によって線形吸収を起こさないような波長を有する、例えば、希土類ドープモードロックファイバレーザベースのフェムト秒レーザ装置から、発生された、例えば、４００ｆｓのパルス幅を有する短光パルスレーザビーム５が使用される。この短光パルスレーザビーム５は、ウェハ１００のサファイア基板１０の半導体層２０が積層されていない面１１に対して、垂直に且つビーム３０のウエスト３１が基板１の内部に位置するように集光レンズ２００で絞り込まれて入射される。この場合、当該内部加工工程を実施する前に、後述する加工装置（図１２）の駆動部で光学ベンチをＺ軸方向に微動させ、サファイア基板の面１１と集光レンズ２００との間隔距離を調整することにより、レーザビーム３０のビームウエスト３１が基板１０の面１１から深さ方向に所定の距離入った位置に存在するように設定される。
上記集光レンズ２００により集光された短光パルスレーザビーム３０のウエスト３１の面１１に垂直な方向（深さ方向）所定位置ｄ0への設定は、先ず、照明光源を用いて上記集光レンズ２００の焦点を基板１０の面１１に設定し、次いで、集光レンズ２００を基板１０の面１１側に所定の距離ｄ移動させることにより行われる。前記所定距離ｄとｄ0の関係は、レーザビーム３０の波長λと基板１０の屈折率ｎ（λ）に依存し、
ｄ0＝ｎ（λ）ｄ （１）
と表される。例えば、基板１０の厚さが２００μｍで、面１１から深さ方向に８０μｍの位置にウエスト３１を設定する場合、ｄ0＝８０μｍ、ｎ（λ）＝１．７５から、ｄ＝４５．７μｍと求まり、集光レンズ２００を面１１側に４４．４μｍ移動させればよい。
短光パルスレーザビーム３０の光軸OLが、サファイア基板１０の面１１に想定された分割ライン１５（図２中に点線で示す）に沿って、所定の内部加工速度Ｖinをもって矢印Ｄ方向（図２のA−A線から見た一部切欠け断面図である図３においては、紙面に平行方向）に、基板１０の面１１に対して、相対的に移動させられる。このとき、パルスレーザビーム３０の各パルスは、基板１０の面１１に図２中×印を付して示すように、レーザビーム３０のパルス繰り返し周期Ｒと内部加工移動速度Ｖinで一義的に定まる間隔Ｌをもってレーザビーム照射領域であるウエスト領域Ｓ、Ｓ′（図４参照）に入射する。ここで、間隔Ｌは
Ｌ＝Ｖin／Ｒ （２）
と表される。
図４は、図３のビームウエスト付近を拡大して模式的に示した図で、実線がある時刻でのパルスによるビームウエスト形状を、点線が次のパルスでのビームウエスト形状を示している。今、図４に示すように、図示しない集光レンズを介して絞り込まれた短光パルスレーザビーム３０の一つのパルスがサファイア基板１０の内部ｄ0の深さの位置にウエスト領域Ｓを形成するとする。このウエスト領域Ｓは、例えば、５ＴＷ／ｃｍ２（パルス幅４００ｆｓとすると、フルーエンス２Ｊ／ｃｍ２に相当）の高パワー密度の光が照射されると、多光子吸収が惹起され、光誘起破壊域となる。
ビームウエストのスポット径を２Ｗ0とすると、レーザビームがシングルモードの場合、
２Ｗ0＝（４λ／π）（ｆ／２ａ） （３）
と表される。ここで、ｆは集光レンズ２００の焦点距離、２ａは集光レンズに入射するレーザビーム３０のビーム径である。
上記所定の内部加工移動速度Ｖinは、隣り合うウエストのスポット或いはウエスト領域Ｓ、Ｓ′が空間的に分離するように定められる。そのためには、Ｌ＞２Ｗ0を満たす必要があり、（２）式から、Ｖin＞２Ｗ0Ｒにすればよいことがわかる。
今、Ｖin＞２Ｗ0Ｒとすることで、図４Aに示すようにウエスト領域Ｓ、Ｓ′が分離したとすると、後述するように分割ライン１５にくさびを押し当てて分割すると、図４Aに示す断面が現れる。図４AのＣ−Ｃ断面では、図４Bに示すように光誘起破壊域Ｓ、Ｓ′が凹になり、ＳとＳ′の間が凸になる。図４は、二つのパルスでの光誘起破壊域Ｓ、Ｓ′しか示していないが、短光パルスレーザビーム３０の光軸OLが、分割ライン１５に沿って、内部加工速度Ｖinをもって矢印Ｄ方向に、相対的に移動させられるので、順次光誘起破壊域が形成される。すなわち、光誘起破壊域（Ｓ、Ｓ′）が横方向に繰り返される。
ビームウエスト３１を面１１から内部深さ方向ｄ0の位置に設定して内部加工を行う上記内部加工工程１の後、ビームウエスト３１をｄ1（＜ｄ0）の位置に設定して、内部加工工程２を行うことが好ましい。ウエスト領域Ｓが分割面１２に２段に形成される（図５A参照。）。したがって、分割面の凹凸領域が増えるので、それだけ分割面からの光取り出し効率を高めることができる。なお、後述の実施例では、順次ビームウエスト位置を上（面１１側）に上げて内部加工工程１９まで行っている。図５ｂは、図５AのE−E断面図であるが、ウエスト領域を２段形成すると、厚み方向にも凹凸ができる。凹の幅は、ほぼウエスト領域Ｓの厚み方向の幅２Ｚrに等しい。ここでＺrは、例えば、レーリーレンジとすると、シングルモードのレーザビーム（ガウスビーム）を集光レンズで集光したときのビーム径がウエスト３１でのスポット径の√２倍以内である距離である。レーリーレンジＺrは
Ｚr＝（４λ／π）（１／２a）２ （４）
と表される。ここで、例えば、波長λ=１．０４５μｍのレーザビームを集光する場合、NA＝０．６５のとき、ｆ＝４ｍｍ、２a＝３ｍｍを代入すると、Ｚr＝２．４μｍ、となる。また、NA＝０．２４のとき、ｆ＝２０ｍｍ、２a＝３ｍｍを代入すると、Ｚr＝５９μｍとなる。したがって、NAが大きいほどＺrが小さく、反対にNAが小さいほどＺrが大きくなることがわかる。発明者等の実験によれば、NAが０．３以上のとき分割面からの光取り出し効率の観点で好ましいことがわかった。NAが０．４以上がさらに望ましい。なお、後述の溝加工工程を先に行い、その後内部加工工程を行う場合は、NA＝０．５以上が好ましい。面１１の表層部に溝が加工されていても、その溝を挟んで内部にレーザビームを効率よく集光することができる。NAが大きいと、集光ビームの溝でのケラレが少なくなるからである。
＜溝加工工程＞ 次に、溝加工工程を図６〜８と共に説明する。図６、８で、１０がサファイア基板、２０がパターニングされた半導体層である。図６で半導体層２０が積層されていない面１１に点線で示す１５が分割ラインである。分割ライン２０は、半導体層２０が積層されている面１１´側では、半導体層２０の間をとおるように設定されている。この場合、当該溝加工工程を実施する前に、後述する加工装置（図１２）の駆動部で光学ベンチをＺ軸方向に微動させ、サファイア基板の面１１と集光レンズ２００との間隔距離を調整することにより、レーザビーム５のビームウエスト３１が基板１０の面１１或いはその近辺の表層部（図７Bに示すように、面１１から深さ方向に所定距離δ下がった位置）に存在するように設定される。
上記集光レンズ２００により集光された短光パルスレーザビーム３０のウエスト３１の面１１への設定は、照明光源を用いて上記集光レンズ２００の焦点を基板１０の面１１に設定することで行われる。また、上記集光レンズ２００により集光された短光パルスレーザビーム３０のウエスト３１の面１１に垂直な方向（深さ方向）δ下がった位置への設定は、集光レンズ２００を基板１０の面１１側に所定の距離ｄ移動させることにより行われる。このｄは（１）式でｄ0＝δとして求められる。
短光パルスレーザビーム３０の光軸OLが、サファイア基板１０の面１１に想定された分割ライン１５（図２中に点線で示す）に沿って、所定の溝加工速度Ｖmをもって矢印Ｄ方向（図６のB−B線から見た一部切欠け断面図である図７においては、紙面に平行方向）に、基板１０の面１１に対して、相対的に移動させられる。このとき、パルスレーザビーム３０の各パルスは、レーザビーム３０の隣合うパルスのスポットが接する（基板１０の面１１に図６中○印を付して示すように、）か或いは一部重なるように溝加工移動速度Ｖmを設定する。
上記所定の溝加工移動速度Ｖmは、隣り合うウエスト領域Ｓ、Ｓ′が空間的に接するか或いは一部重なるように定められる。そのためには、Ｖm≦２Ｗ0Ｒにすればよい。Ｖm＝２Ｗ0Ｒのときが図７のようにＳとＳ′が接する場合、Ｖm＜２Ｗ0ＲのときがＳとＳ′が重なる場合である。
図７は、ビームウエスト付近を拡大して模式的に示した図で、実線がある時刻でのパルスによるビームウエスト形状を、点線が次のパルスでのビームウエスト形状を示している。今、図７に示すように、図示しない集光レンズを介して絞り込まれた短光パルスレーザビーム３０の一つのパルスがサファイア基板１０の面１１或いはその近辺の表層部のδの深さの位置にウエスト領域Ｓを形成するとする。このウエスト領域Ｓは、例えば、５ＴＷ／ｃｍ２（パルス幅４００ｆｓとすると、フルーエンス２Ｊ／ｃｍ２に相当）の高パワー密度の光が照射されると、多光子吸収が惹起され、光誘起破壊域となる。
今、例えば、Ｖm＝２Ｗ0Ｒとすることで、図７に示すようにウエスト領域Ｓ、Ｓ′が接し、図８に示すように加工域が連続した溝１６が形成される。なお、この溝加工工程での光誘起破壊域からは蒸気や粒子が外部に噴出されるが、この面１１には半導体層２０が積層されていないので、所謂デブリが問題にならない。
なお、後述の実施例では、図７Aに示すように、最初ビームウエストを基板１０の面１１に設定して溝加工を行った後、ビームウエストを面１１から３μｍ下がった位置に設定して、さらに溝加工を行い、溝の深さを深くしている。こうすることで、より確実に分割することができる。
＜分割加工工程＞ 次に、上記内部加工工程で分割ラインに沿って形成されたサファイア基板３０の内部光誘起破壊域と、上記溝加工工程で当該分割ラインに沿って形成された基板１０の面１１に形成された溝とを介して分割又は割断する工程について図９と共に説明する。 図９で、１０がサファイア基板、２０がパターニングされた半導体層、１６が分割ラインに沿って形成された溝である。まず、図９に示すように、上述した内部加工及び表面溝加工されたウエハ１００の分割ラインに沿って形成された溝１６の両側部（図９中白抜き矢印１７で示す部分）を保持又は固定する一方、基板１０の他面１１′における上記溝１６に対応する部分（図９中、白抜き矢印１８で示す部分）に図示しないブレーク刃等の刃先を押し当てて押圧することにより、溝１６に歪み応力を集中作用させ、上記ウエハ１００を分割ラインに沿って簡単且つ容易に分割又は割断することができる。
次に本発明の分割加工方法を実施する分割加工装置を図１２と共に説明する。分割加工装置は、レーザビーム３０を発生するレーザ装置５０と、レーザビーム３０をＯＮ−ＯＦＦ制御するシャッター５４と、レーザビーム３０を透過するダイクロイックミラー５５と、ダイクロイックミラー５５を透過したレーザビーム３０を集光する集光レンズ２００と、集光レンズ２００で集光されたレーザビーム３０がＺ軸方向から入射される加工対象物のウエハ１００が載置される載置台５７と、載置台５７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ７１と、載置台５７をＸ軸方向に直交するＹ軸方向に移動させるためのＹ軸ステージ７２と、載置台５７をＸ軸及びＹ軸方向に直交するＺ軸方向に移動させるためのＺ軸ステージ７３と、制御用パソコン８０と、を備える。
分割加工装置は、さらに、載置台５７に載置されたウエハ１００を可視光線で照明して観察するための可視光線を発生する観察光源６３と、観察光源６３からの可視光線を９０°曲げてダイクロイックミラー５５に入射させるハーフミラー５６と、集光レンズ２００、ダイクロイックミラー５５、及びハーフミラー５６を介してウエハ１００を撮像するＣＣＤカメラ６２を備える。
分割加工装置はさらに、レーザ装置５０、シャッター５４、ダイクロイックミラー５５、集光レンズ２００、ハーフミラー５６、観察光源６３、及びＣＣＤカメラ６２を配置する光学ベンチ６４と、光学ベンチ６４をＺ軸方向に駆動する駆動部６１と、を備える。
シャッター５４、観察光源６３、ＣＣＤカメラ６２、及び駆動部６１は制御用パソコン８０に接続されており、シャッター５４、観察光源６３のＯＮ−ＯＦＦ制御、ＣＣＤカメラ６２の撮像データ処理、駆動部６１の駆動制御が行われる。したがって、制御用パソコン８０からの命令でレーザビーム３０のウエスト位置（焦点位置）３１をＣＣＤカメラ６２で撮像して制御用パソコン８０のモニター上で観察することができる。
レーザ装置５０は、発振モジュール５１と、発振モジュール５１から発振されたレーザ光を伝播するファイバ５３と、ファイバ５３を伝播してきたレーザ光を増幅する増幅モジュール５２と、発振モジュール５１からのレーザ光の出力、パルス幅、繰返し周波数を制御するレーザコントローラ５４と、を備える。レーザコントローラ５４はパソコン８０に接続されており、パソコン８０からの命令で動作する。発振モジュール５１は、Ｅｒ、Ｙｂ共ドープのモードロックファイバレーザと、ファイバレーザから発振されたパルスレーザ光を受光して伸張されたパルスレーザ光を出力するファイバー伸張器と、伸張されたパルスレーザ光を受光してパルスを間引くパルス間引き器と、伸張されて間引かれたパルスレーザ光を受光して増幅されたパルスレーザ光を出力するファイバー前置増幅器と、を備える。増幅モジュール５２は、発振モジュール５１からのパルスレーザ光をファイバ５３を通して受光してさらに増幅するファイバ主増幅器と、増幅されたパルスレーザ光を受光して圧縮されたパルスレーザ光を出力する圧縮器と、を備える。増幅モジュール５２は光学ベンチ６４にレーザビーム３０がＺ軸方向に出射されるように固定されている。増幅モジュール５２からは波長が１０４５ｎｍ、平均出力が２５０ｍＷ、パルス幅が４００〜６００fs、繰り返し周波数が５０〜２００kHzのレーザビームＬが出射される。
レーザ装置５０は、上記の他に、波長が３００〜１８００ｎｍ、パルス幅が１０ｆｓ〜１０ｐｓ、繰り返し周波数が５０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの性能を有するものであればよい。例えば、再生増幅タイプのTi：サファイアレーザ装置等を用いてもよい。レーザ装置５０は、波長が７００〜１６００ｎｍ、パルス幅が５０ｆｓ〜２ｐｓ、繰り返し周波数が５０〜３００ｋＨｚのレーザビームを出力することが望ましい。この性能のレーザビームを用いると、分割面に形成される凹凸での光吸収が少なく、分割面からの光の取り出し効率をさらに高めることができるからである。
以下に、上記構成の分割加工装置の操作手順について説明する。まず、シャッター５４を閉じ、レーザ装置５０を所定の繰り返し周波数で運転する。次にシャッター５４を開いて集光レンズ２００を出射するレーザビーム３０のパルスエネルギが所定の値になるようにコントローラ５４で発振モジュール５１を制御する。
次に、シャッター５４を閉じて、載置台５７に分割ライン１５の方向がＸ軸方向になるようにウエハ１００をセットする。次に、観察光源６３をONしてＣＣＤカメラ６２でウエハ１００の表面１１を観察しながら、焦点位置が表面１１の分割ライン１５に一致するようにＸ軸ステージ７１、Ｙ軸ステージ７２を移動させると共に、駆動部６１で光学ベンチ６４をＺ軸方向に微動させる。
次に、ウエスト位置３１が表面１１から所定の深さｄ0に位置するように、駆動部６１で光学ベンチ６４を表面１１に近づける（下降させる）。
次に、シャッター５４をＯＮしてレーザビーム３０をウエスト位置に集光照射しながらウエハ１００をＸ軸ステージ７１でＸ軸方向に所定の移動速度Ｖinで移動させ、所定の距離移動させたらシャッター５４をOFFする。
次に、ウエスト位置３１が表面１１から所定の深さｄ1（＜ｄ0）に位置するように、駆動部６１で光学ベンチ６４を表面１１から遠ざける（上昇させる）。
次に、シャッター５４をＯＮしてレーザビーム３０をウエスト位置に集光照射しながらウエハ１００をＸ軸ステージ７１でＸ軸方向に所定の移動速度Ｖinで移動させ、所定の距離移動させたらシャッター５４をOFFする。
次に、ウエスト位置３１が表面１１に位置するように、駆動部６１で光学ベンチ６４を表面１１から遠ざける（上昇させる）。
次に、シャッター５４をＯＮしてレーザビーム３０をウエスト位置に集光照射しながらウエハ１００をＸ軸ステージ７１でＸ軸方向に所定の移動速度Ｖmで移動させ、所定の距離移動させたらシャッター５４をOFFする。
図１０に示すように、内部加工を１段から順に１９段まで行い、その後溝加工を２０段、２１段行った。
加工条件
加工対象：サファイア単結晶（厚みｔ＝５００μｍ）
レーザ装置：Er、Yb共ドープモードロックファイバレーザベースフェムト秒レーザ装置
波長：１．０４５μｍ
パルス幅：４００ｆｓ
パルス繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
集光レンズ：開口数０．６５、焦点距離４ｍｍ
集光レンズ透過後のパルスエネルギ：１．５μＪ
ビームウエストでのフルーエンス：１６０Ｊ／ｃｍ２（計算値）
ビームウエストのパワー密度：４００ＴＷ／ｃｍ２（計算値）
レーザビーム入射面：サファイア結晶のＣ面（図１０の１１）
レーザビーム入射方向：Ｃ面に垂直（図１０に白抜き矢印で示す方向）
内部加工段数：１９段（図１０の１段〜１９段）
１段目のウエスト位置：入射面から厚み方向内部に４６９μｍ（集光レンズの焦点位置を入射面に合わせてから集光レンズを入射面に２６８μｍ近づけたときの計算値）入った位置
内部加工段間の間隔：２４．５μｍ（前段の内部加工後に集光レンズを入射面から１４μｍ遠ざけたときの計算値）
内部加工移動速度Ｖin：４００ｍｍ／ｓ
溝加工段数：２段（図１０の２０段、２１段）
２０段目のウエスト位置：入射面
２１断面のウエスト位置：集光レンズの焦点位置を入射面に合わせてから集光レンズを入射面に３μｍ近づけた位置
溝加工移動速度Ｖm：２００ｍｍ／ｓ
サファイア基板の分割加工結果を図１１に示す。これは、上記加工条件で内部加工と溝加工を行った後、ブレーク刃の刃先を押し当てて押圧して分割した分割面の顕微鏡写真である。厚み方向に細長い白っぽく見える部分が光誘起破壊域で、非加工領域（黒っぽく見える部分）を挟んで分離して配列している。この白っぽく見える部分が紙面方向（分割面と直交する方向）に凹んでいて、その凹みの深さは約１μｍであった。また、移動方向の凹みのピッチは４〜５μｍであった。
次に、この分割面からの光取り出し効率を測定した。１１面及び１１´面を除く４面のうち測定面以外の３面を鏡面研磨し、１１´面に表面実装型の青色LEDを屈折率１．５５のUV硬化接着剤で接着した。そして、測定面から出射される光量を測定して、光取り出し効率が６％向上することを確認した。
発光ダイオード、特に高輝度発光ダイオード産業に利用される可能性が極めて高い。
本発明の一実施形態に係る発光ダイオードチップを支持体に実装したLEDの構造を示す模式断面図である。 本発明の分割加工方法における内部加工を説明する模式図である。 図２のA−A線から見た一部切欠断面図である。 図３のビームウエスト付近を拡大して模式的に示した図である。 内部加工を２段行うことを説明するためのウエスト領域を示す図である。 本発明の分割加工方法における溝加工を説明する模式図である。 図６のB−B線から見た一部切欠拡大断面図である。 溝加工後のウエハの斜視図である。 本発明の方法で分割加工されたウエハを分割する原理を説明する模式図である。 本発明の分割加工方法を用いてサファイア基板を分割加工する実施例の加工条件を説明するための模式図である。 本発明の分割加工方法を用いてサファイア基板を分割加工した実施例の分割面の顕微鏡写真である。 本発明の分割加工方法における内部加工工程及び溝加工工程を実施できる、分割加工装置を示すブロック図である。
符号の説明
１、１０・・・・・・透明基板（サファイア基板）
２、２０・・・・・・半導体膜（半導体層）
１１・・・・・・・・入射面
１２・・・・・・・・分割面
１５・・・・・・・・分割ライン
３０・・・・・・・・レーザビーム
３１・・・・・・・・ウエスト
１００・・・・・・・ウエハ
２００・・・・・・・集光レンズ
ＣＬ・・・・・・・・光軸
Ｓ、Ｓ′・・・・・・ウエスト領域

Claims (4)

  1. 二つの背向する面を持つ透明基板の一方の面に発光層を含む半導体膜が積層されたウェハを分割して発光ダイオードチップを作製するウェハ分割加工方法であって、
    希土類ドープモードロックファイバレーザベースのフェムト秒レーザ装置によって、前記ウェハに対し光学的に透明な波長を有する、パルス幅がフェムト秒オーダの繰り返し短光パルスレーザビームを集光レンズを介して該ウェハの他方の面を入射面として入射させ、前記レーザビームのウエストが前記ウェハの内部に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を該ウェハに対して想定された分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に分離するように該ウェハに対して相対的に移動させながら、該ウェハの該入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエストの領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせる第１の内部加工工程と、
    前記レーザビームのウエストが前記ウェハの前記入射面の表層部に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を前記分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に繋がるか或いは重なるように該ウェハに対して相対的に移動させながら、該ウェハの該入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエストの領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせて溝を形成する溝加工工程と、
    前記溝に沿って前記ウェハを分割する分割加工工程と
    を含み、
    前記発光ダイオードチップのチップ分割面に凹凸が形成されることを特徴とするウェハ分割加工方法。
  2. 前記レーザビームのウエストが前記ウェハの前記第１の内部加工工程での光誘起破壊域と前記入射面との間に存在するように前記集光レンズの焦点位置を調整し、該レーザビームの光軸を該ウェハに対して前記分割ラインに沿って該ウエストのスポットが空間的に分離するように相対的に移動させながら、該ウェハの該入射面に該レーザビームを入射する毎に、該ウエストの領域に多光子吸収による光誘起破壊を起こさせる第２の内部加工工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のウェハ分割加工方法。
  3. 前記集光レンズの開口数が０．３以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のウェハ分割加工方法。
  4. 前記第２の内部加工工程の光誘起破壊域の上部と前記溝加工工程の溝底部とがつながるように該第２の内部加工工程及び該溝加工工程で集光レンズの焦点位置調整を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載のウェハ分割加工方法。
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