JP5232375B2 - 半導体発光素子の分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板上に半導体発光素子を複数個形成したウエハを分離して、個々の半導体発光素子を得る方法に関する。本発明は例えばIII族窒化物系化合物半導体発光素子の分離に特に有効である。

従来より、サファイア基板上にIII族窒化物系化合物半導体発光素子を形成したウエハを分離して個々の半導体発光素子を得る方法は様々提案されている。この中で特に一般的なものは、スクライバーによるスクライブライン（溝）の形成と、ダイサーブレードによるダイシングとを組み合わせるものである。この方法は、スクライバーとダイサーブレードが消耗品であるので、ランニングコストが一定以下に抑制できないと言う短所がある。

近年、板状物を分離又は切断する方法として、レーザ照射による溶断或いはレーザ照射による内部溶融部又は改質部が起点となった切断方法も提案されるようになった。特にパルス幅がミリ秒未満の、いわゆるナノ秒パルスレーザを用いる方法（特許文献４）、パルス幅がピコ秒未満の、いわゆるフェムト秒パルスレーザを用いる方法（特許文献１、３）も提案されている。
特許第３２８３２６５号公報 特開平１１−１６３４０３号公報 特開２００４−２６８３０９号公報 特開２００５−２８８５０３号公報

レーザ照射で分離面を完全に溶断により形成してしまうと、基板の側面である分離面の溶融部の厚さが大きくなり、又は、焼け（変色し）、光取り出し効率が悪化する。これは、基板の側面である当該分離面がもはや初期の「透明状態」でなくなり、発光素子の主たる発光を吸収してしまうからである。そこで通常、例えば基板のデバイス形成面又はその反対側から一定の深さまで溝を形成する（特許文献２）、更にはパルスレーザで破断線様に溝を形成することが行われている。しかし、基板の側面である分離面の溶融部の厚さがやはり問題となる。パルスレーザの場合でも、ナノ秒パルスレーザでは当該溶融部が、分離した素子の基板側面で大きな面積を占めることで、発光した光の光吸収が問題となる。また、基板を１００μｍ厚以下に薄肉化しないと割断が困難とされていた（特許文献２）。尚、特許文献２はレーザにより形成した浅い溝を単独で用いた割断ではなく、ダイサーによる一部薄膜化との組み合わせによるものと、１００μｍもの深さのレーザ溝との組み合わせによるものである。

更には、例えば特許文献３においては、フェムト秒レーザの照射は、「分離するための応力」を発生させるためのものであり、予め分離溝をレーザ照射以外の別の方法で形成しておくことを前提としている。この場合、例えばスクライバーを用いるのであれば、上述の消耗品のランニングコストが抑制できない。
また、携帯電話の液晶画面のバックライト用途のように、矩形の発光面の短辺を２５０μｍ以下と、サファイア基板厚の２倍以下にする用途が増えている。このような発光素子においては、分割間隔が非常に狭いので、設計した分離予定面通りに分離面が基板面に垂直に形成される必要が有り、斜めにずれた割断は許容できるものではない。

本発明者らは、以上に鑑み、スクライバーやダイサーブレードと言った消耗品を全く用いずに、２００μｍ厚程度の半導体発光素子の基板の分離を行うことを目的として本発明を完成するに至った。

請求項１に係る発明は、サファイア基板上に形成された半導体発光素子の分離方法において、パルス幅が１０ピコ秒未満であるパルスレーザをサファイア基板において集光させて、多光子吸収を発生させる方法を用いて、サファイア基板の表面の分離予定線に沿ってパルスレーザを走査することにより、実質的に分離予定線方向に連続した溝部を形成し、分離予定線に沿ってパルスレーザを走査することにより、サファイア基板の内部の分離予定面上であって所定の深さに、パルスレーザの集光位置に形成される頭部と、そこからフィラメンテーションによりパルスレーザの進行方向に延びた足部とから成る分離予定線方向に連続しない内部改質部を形成し、全ての内部改質部が形成された後に、外力を加えて、連続した溝部と連続しない内部改質部に沿って分離面を形成することで各半導体発光素子を分離することを特徴とする半導体発光素子の分離方法である。

請求項２に係る発明は、連続しない内部改質部は、パルスレーザを走査する処理を、パルスレーザを集光させる位置を変化させて、２回以上、繰り返すことにより、基板の深さ方向に２段以上形成されることを特徴とする。請求項３に係る発明は、各半導体素子を分離する前に、さらに、分離予定線に沿ってパルスレーザを走査することにより、分離予定面上において、連続した溝部に接続して、分離予定線方向に連続した、頭部と足部とから成る他の内部改質部が形成されることを特徴とする。請求項４に係る発明は、レーザ照射は、電界成分が分離予定面に平行な直線偏光レーザ、又は電界成分の軌跡が分離予定面に平行な長軸の楕円を形成する楕円偏光レーザにより行われることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、レーザ照射は、開口数が０．５以上の対物レンズを用いて行われることを特徴とする。請求項６に係る発明は、改質部の頭部の基板面に平行な方向の直径は１．５μｍ以上であり、改質部の足部の基板面に平行な方向の直径は０．８μｍ以上であることを特徴とする。

本発明は、フェムト秒レーザにより、表面の溝部と、内部の改質部とを形成し、外力を加えた際に、これらを起点として分離面を形成することで半導体発光素子の分離を行うものである。フェムト秒レーザによる改質部の形成は、非熱加工であるため、原理的には溶融部は形成されない。また、フェムト秒レーザを基板表面に集光し、溝部が形成されるように基板又はレーザ装置の走査速度を調整して走査方向の照射のピッチを制御することで、改質部である当該溝として極めて浅い溝を形成することが可能である。こうして、表面の浅い溝部と、基板に平行な面上での径が数μｍ程度以下の内部の改質部をつなぐ様に分離面を形成することができる。このためには、消耗品を用いず、ブレーク用の例えば刃状物を用いると良い。こうして消耗品を用いず、且つ素子分離面の改質部等の光吸収部を極めて小さい面積とした、フェムト秒レーザを用いた半導体発光素子の分離方法を実現できる。内部改質部は分離線方向に連続する必要はなく、分離予定面内に多数形成されると良い。本発明は厚さ１００μｍ以上５００μｍ未満の基板に適用できる。また、パルスレーザ照射は極めて短時間で各ウエハの処理が可能であり、その後に直ぐに割断を行うことができるので、例えばスクライバーとダイサーブレードを組み合わせた分離方法に比較して、処理時間を大幅に削減できる。また、本発明によれば、分離面を設計通りの垂直なものとすることが容易で、歩留まりを大幅に向上させることができる。また、集光部に形成される改質部が、フィラメンテーションにより、より深い位置まで延びたより細い足部を有することにより、光吸収が小さいまま確実な割断を可能とすることができる（請求項１）。

分離線方向に連続しない内部改質部は、基板の深さ方向に複数段形成すると良い。これにより、表面の溝部から、複数段の内部改質部を経るクラックを容易に形成させることで、精度の良い分離が実現できる（請求項２）。連続した溝部の底から接続するように、分離予定線方向に連続した内部改質部をパルスレーザにより更に形成したのち、外力を加える構成にすると、更に精度良い割断が可能となる（請求項３）。レーザ照射は、電界成分が分離予定面に平行な直線偏光レーザ、又は電界成分の軌跡が分離予定面に平行な長軸の楕円を形成する楕円偏光レーザにより行われると良い。当該楕円偏光は、電界成分が分離予定面に平行な直線偏光と、円偏光とに分解できるものである。要するに、分離予定面に平行な電界成分により、分離面方向により広がった改質部が形成されることとなる（請求項４）。

レーザ照射を、開口数の大きいものとすることで、いわゆる焦点深度が浅くなり、集光部（スポット）が基板の深さ方向に広がることを避けることができる。これにより、基板内で多光子吸収による改質部の形成を深さ方向に短くことができる（請求項５）。本発明は特にサファイア基板のような、他の方法による精度の良い割断が困難な基板に適用することが可能である（請求項１）。

本発明によるいわゆるフェムト秒レーザは、例えば特許文献１記載の装置により発生させることが可能である。その他任意の公知の装置を用いることができる。

改質部の大きさに特に限定は無いが、基板面に平行な面上でのスポット径が１〜１０μｍとすると良い。更に望ましくは１〜４μｍ、更に望ましくは１．５〜３μｍである。パルス当たりのエネルギー、レーザビーム径、対物レンズの開口数の調整により当該スポット径が調整される。また、併せて、基板の深さ方向のスポット長も決定される。また、「足」状の改質部がスポットの先に形成されうる。この「足」は、フィラメンテーションと呼ばれる自己集光作用により形成される。当該改質部の「足部」が形成されることは、外力を加えた際に「足部」がクラックの起点となる点で好ましい。また、この「足部」は、拡大しないので、分割面における面精度が高くなる。以下の実施例では、基板面に平行な改質部のスポット径が約２．５μｍ、深さ方向のスポット長は約５μｍ、そこから延びた「足部」は約１５μｍとなった。パルス当たりのエネルギーは０．１〜１０μＪが好ましく、０．５〜５μＪがより好ましく、１〜３μＪがより好ましい。対物レンズの開口数を大きくとることで、ビーム径を容易に細くでき、基板に平行な面上のスポット径を小さくできる。また、対物レンズの開口数を大きくとることで、焦点深度を浅くできるのでスポット長を短くすることが可能である。対物レンズの開口数は０．４以上、好ましくは０．５以上、更に好ましくは０．６以上である。尚、開口数は１を越える必要はなく、０．８以下がより好ましい。深さ方向の改質部の間隔（１の足部を含めた改質部の最下部の深さと、その下段の改質部の最上部の深さ）は、１μｍ以上５０μｍ以下とすると良い。本発明は個々の改質部を小さくするものであるので、深さ方向の改質部の間隔が５０μｍを越えると基板の割断が困難となる。一方、深さ方向の改質部の間隔が１μｍを下回ると、１枚の基板の割断に必要な改質部の段数を増やさなければならなくなり、問題である。深さ方向の改質部の間隔はより好ましくは２μｍ以上３０μｍ以下であり、更に望ましくは５μｍ以上１０μｍ以下である。

分離線方向に連続しない改質部の分離線方向のピッチは、分離線方向に隣り合う改質部と接続されてしまわないようにすると良く、一方、クラックの発生により分離線方向に隣り合う改質部との間に分離面が十分に形成されるようにすると良い。この点で、改質部のピッチは、改質部の基板面に平行な面上の最大径を１として、１．２乃至８とすると良い。更には１．５乃至６が好ましく。２乃至４がより好ましい。以下の実施例では、改質部は、基板面方向のスポット径が約２．５μｍであったので、ピッチが５μｍ（改質部の間隔が約２．５μｍ）とすると良いことが分かった。

分離線方向に連続した溝部の深さは、０．５〜１０μｍ程度が良い。浅すぎると割断が不可能となり、深すぎると溝の側面の面積が大きくなる。溝部の深さは１〜５μｍがより好ましい。レーザは、分割線方向に偏光した直線偏光が望ましい。

図１は本発明の半導体発光素子の分離方法の概略を示す断面図である。サファイア基板１０の一方の面１２に、III族窒化物系化合物半導体発光素子部３０をエピタキシャル成長及び電極形成その他により形成する。サファイア基板１０の他方の面１１から、対物レンズ４０を介してフェムト秒パルスレーザ光４１をサファイア基板１０の所望の深さに集光させる。これにより、多光子吸収が起こる集光部において、改質部５１、５２、５３及び５４並びに溝部５０が形成される。図１は、分離予定面（紙面に垂直）とサファイア基板１０の面１１及び１２とに垂直な断面図である。分離線は分離予定面とサファイア基板１０の面１１の交線であって、紙面手前から奥側に連続した線である。溝部５０はこの分離線上に形成される。改質部５１は、溝部５０と接続されており、且つ分離線方向に、連続して形成される。一方、改質部５２は、改質部５１及び５３とはサファイア基板１０の深さ方向に接続されておらず、且つ分離線方向にも、連続されずに個々に形成される。改質部５３及び５４も、改質部５２と５４、５３とはサファイア基板１０の深さ方向には接続されておらず、且つ分離線方向にも、連続されずに個々に形成される。分離面に表れる改質部５２乃至５４の形状は後に示す。

図２は本発明によるフェムト秒パルスレーザによる溝部５０と改質部５１乃至５４の様子を示すＳＥＭ画像である。改質部が極めて薄い（細い）ことが分かる。

図３は本発明の具体的な一実施例に係る半導体発光素子の分離方法を示す工程図である。図３．Ａのように、厚さ１４０μｍのサファイア基板１０の一方の面１２に、III族窒化物系化合物半導体発光素子部３０をエピタキシャル成長及び電極形成その他により形成した。次に、III族窒化物系化合物半導体発光素子部３０の分離線付近に形成された不要部をエッチングより除去した（図３．Ｂ）。

次に、粘着テープ６０をサファイア基板１０のIII族窒化物系化合物半導体発光素子部３０を形成した側から接着させ、裏面であるサファイア基板１０の面１１側から、フェムト秒パルスレーザを走査して、溝部５０と改質部５１乃至５４を形成した。

フェムト秒パルスレーザは、次の通り。波長１μｍ、パルス幅５００ｆｓ、パルス周波数１００ｋＨｚ、パルス当たりエネルギー１．５μＪ。直線偏光成分が分離予定面と平行となるように設定した。また、対物レンズは開口数０．６５のものを用いた。サファイア基板１０の面１１側を走査し、送り速度は、溝部５０と改質部５１を形成する際は２５０ｍｍ／ｓ、改質部５２乃至５４を形成する際は５００ｍｍ／ｓとした。また、集光位置は、溝部５０の形成の際は面１１からの深さ０μｍ、改質部５１の形成の際は深さ５μｍ、改質部５２の形成の際は深さ２５μｍ、改質部５３の形成の際は５５μｍ、改質部５４の形成の際は８５μｍとした。尚、改質部５４、改質部５３、改質部５２、溝部５０、改質部５１の順に形成した（図３．Ｃ及び図３．Ｄ）。

次に、ウエハを反転させ、ブレーキング刃を用いて、粘着テープ６０を貼ったサファイア基板１０のIII族窒化物系化合物半導体発光素子部３０を形成した側から外力を加えて個々の素子に分離した（図３．Ｅ）。分離面は分離予定面と一致するものであり、サファイア基板１０の面１１及び１２に垂直であった。また、ダイサー及びスクライバーによる分離と比較して、分離面の平面度が高くなった。また、厚い基板の分離が可能となった。

図４に断面図のＳＥＭ画像を示す。改質部５２乃至５４は深さ方向に幅２０μｍ、間隔１０μｍで整然と形成されている。また、１パルス毎に形成される個々の改質部は、径約２．５μｍ、長さ約５μｍの頭部Ｈと、径約０．６μｍ、長さ約１５μｍの足部Ｌとで構成され、それらの何れからも分離の際にクラックがまず左右方向の隣の改質部に向かって成長することが分かる。分離線方向の隣の改質部とのピッチは５μｍである。長さ約１５μｍの足部は、径約２．５μｍ、長さ約５μｍの頭部が形成されることで、レーザが集光されて「フィラメンテーション」を生じたものである。上下方向のクラックは、上記左右方向のクラックの後に極めて面精度高く生じていることも理解できる。

〔比較例１〕
偏光の方向を、分離面に垂直方向に直線偏光成分を有する様にして上記と同様に分離を行った。その断面図のＳＥＭ画像を図５．Ｂに示す。図５．Ａは、図４の拡大写真である。分離面に垂直な方向の直線偏光成分を有する場合は、改質部の頭部が分離線方向に対して薄く、また、クラックが各改質部の分離線方向の両側には発生しなかった。このことから、分離面に平行な直線偏光成分を有する場合のほうが、より小さい外力で分離が容易であることが理解できる。

〔比較例２〕
対物レンズの開口数を０．２、０．４として、レーザによりサファイア基板を切断した場合の断面図を図６．Ａ及び図６．Ｂに示す。但し、改質部を１段のみ形成した実験である。対物レンズの開口数を０．２とした場合、改質部が基板の１／２以上の厚さに形成された（図６．Ａ）。対物レンズの開口数を０．４とした場合、改質部が基板の１／３程度の厚さに形成された（図６．Ｂ）。対物レンズの開口数を０．２、０．４とした場合は、精度が悪いために断面の平滑度が悪く、切断の際の切り代が大きくなるので、小さなチップには適用できない。また、不本意なクラックも発生していた。図４の「縮小図」である図６．Ｃと比較すると、集光を十分に行うためには対物レンズの開口数が０．５以上であることが必要と言える。

本発明の概略を示す断面図。 本発明の改質部のＳＥＭ画像。 本発明の分離方法を示す工程図（断面図）。 実施例１の結果を示す分離面のＳＥＭ画像。 実施例１の断面と比較例１の断面を比較したＳＥＭ画像。 実施例１の断面と比較例２の断面を比較したＳＥＭ画像。

１０：サファイア基板
３０：III族窒化物系化合物半導体発光素子部
４０：対物レンズ
４１：フェムト秒パルスレーザ光
５０：分離線方向に連続した溝部
５１：分離線方向に連続した改質部
５２、５３、５４：分離線方向に連続しない改質部

Claims (6)

1. サファイア基板上に形成された半導体発光素子の分離方法において、
   パルス幅が１０ピコ秒未満であるパルスレーザを前記サファイア基板において集光させて、多光子吸収を発生させる方法を用いて、
   前記サファイア基板の表面の分離予定線に沿って前記パルスレーザを走査することにより、実質的に分離予定線方向に連続した溝部を形成し、
   前記分離予定線に沿って前記パルスレーザを走査することにより、前記サファイア基板の内部の分離予定面上であって所定の深さに、前記パルスレーザの集光位置に形成される頭部と、そこからフィラメンテーションにより前記パルスレーザの進行方向に延びた足部とから成る前記分離予定線方向に連続しない内部改質部を形成し、
   全ての前記内部改質部が形成された後に、外力を加えて、前記連続した溝部と前記連続しない内部改質部に沿って分離面を形成することで各半導体発光素子を分離する
   ことを特徴とする半導体発光素子の分離方法。
2. 前記連続しない内部改質部は、前記パルスレーザを走査する処理を、前記パルスレーザを集光させる位置を変化させて、２回以上、繰り返すことにより、前記基板の深さ方向に２段以上形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子の分離方法。
3. 前記各半導体素子を分離する前に、さらに、前記分離予定線に沿って前記パルスレーザを走査することにより、前記分離予定面上において、前記連続した溝部に接続して、前記分離予定線方向に連続した、前記頭部と前記足部とから成る他の内部改質部が形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体発光素子の分離方法。
4. 前記レーザ照射は、電界成分が前記分離予定面に平行な直線偏光レーザ、又は電界成分の軌跡が前記分離予定面に平行な長軸の楕円を形成する楕円偏光レーザにより行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の分離方法。
5. 前記レーザ照射は、開口数が０．５以上の対物レンズを用いて行われることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の半導体発光素子の分離方法。
6. 前記改質部の前記頭部の前記基板面に平行な方向の直径は１．５μｍ以上であり、前記改質部の前記足部の前記基板面に平行な方向の直径は０．８μｍ以上である
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の分離方法。