JP5500197B2 - レーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体により形成される半導体発光素子の製造プロセスにおいて、基板上に形成された材料層にレーザ光を照射することによって、当該材料層を分解して当該基板から剥離するレーザリフトオフと呼ばれる技術に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体により形成される半導体発光素子の製造プロセスにおいて、サファイア基板の表面に形成されたＧａＮ系化合物結晶層（材料層）を当該サファイア基板の裏面からレーザ光を照射することにより剥離するレーザリフトオフの技術が知られている。以下では、基板上に形成された上記材料層に対してレーザ光を照射して基板から材料層を剥離することをレーザリフトオフ（ＬＬＯ）と呼ぶ。
ＧａＮは分解温度（約８００°Ｃ）まで温度が上昇するとガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ２）に分解する。ＬＬＯは、基板のサファイアとＧａＮの界面にＧａＮのみが吸収する波長の高強度レーザパルスをサファイア側から照射することにより、界面のＧａＮのみ分解温度以上に上昇させＧａＮからサファイアを剥離する方法である。

特許文献１には、サファイア基板上に形成されたＧａＮ結晶層に割れを生じさせることなく、サファイア基板からＧａＮ結晶層を剥離するために、照射するレーザ光を、ＧａＮ結晶層をサファイア基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギー領域であるが、またクラックの発生を防ぐために、レーザの強度が大きすぎないように照射するレーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置について記載されている。

図６に、従来のレーザリフトオフ装置の概念図を示す。
レーザリフトオフ装置１０は、パルスレーザを発生するレーザ源２０、レーザ源２０からのレーザＬを入射して、１パルスあたりのエネルギー（パルスエネルギー）を計測するエネルギー計測器６０、レーザＬを所定の形状に成形するためのレーザ光学系４０、ワークＷが載置されるワークステージ３１、ワークステージ３１を搬送する搬送機構３２、エネルギー計測器６０により測定したパルスエネルギーに基づいてレーザ源２０から出射するレーザＬのパルスエネルギーの制御や、搬送機構３２の動作を制御するレーザリフトオフ装置の制御部５０などを備えている。上記エネルギー計測器６０としては、例えば、フォトダイオード、パイロエレクトリックセンサ等を用いることができる。

レーザ光学系４０は、シリンドリカルレンズ４１、４２と、レーザ光をワークの方向へ反射するミラー４３と、レーザ光を所定の形状に成形するためのマスク４４と、マスク４４を通過したレーザＬの像をワークＷ上に投影する投影レンズ４５とを備えている。ワークＷへのレーザの照射領域の面積および形状は、レーザ光学系４０によって適宜設定することができる。
レーザ光学系４０の先にはワークＷを載置するワークステージ３１が設けられている。ワークステージ３１は搬送機構３２によりＸＹ方向（図面左右手前奥方向）に移動する。

図７は、レーザ源の概略構成を示したリフトオフ装置の概念図であり、図７により、レーザＬのパルスエネルギーの制御について説明する。
レーザ源２０は、放電によりレーザを生成するレーザガスチャンバ２０１、レーザガスチャンバ２０１に放電のための電力を供給する電源２０２、電源等を制御するコントローラ２０３を備える。
例えば、パルスエネルギーが３０ｍＪのレーザを照射する場合、レーザリフトオフ装置は次のような制御を行う。
レーザリフトオフ装置の制御部５０は、レーザ源２０のコントローラ２０３に対し、３０ｍＪのパルスエネルギーのレーザＬを照射するように信号を送る。
コントローラ２０３は、この信号に基づき、電源２０２に対し、レーザＬのパルスエネルギーが３０ｍＪになるような電圧、例えば１８ｋＶを出力するように信号を送る。
電源２０２は、チャンバ２０１に対して１８ｋＶの電圧を印加する。チャンバ２０１内で放電が発生し、チャンバ２０１からレーザＬが出射する。
レーザＬがエネルギー計測器６０に入射する。エネルギー計測器６０はレーザＬのパルスエネルギーを測定し、その値をコントローラ２０３に送る。
コントローラ２０３は、エネルギー計測器６０からのパルスエネルギー量が３０ｍＪになるように、フィードバック制御を行う。なお、電源電圧を制御するほか、例えばチャンバ２０１のガス圧を制御して出力エネルギーを制御することもできる。

ワークＷは、図８に示すように、サファイアの基板１の表面に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物の材料層２が形成されたものである。材料層（以下、ＧａＮ結晶層ともいう）２の上にはサファイア基板１の剥離後のＧａＮ結晶層２を支持するサポート基板３が取り付けられている。
ワークステージ３１には、ワークＷは、サポート基板３を下にして（ワークステージ３１側にして）置かれ、レーザ光Ｌはサファイア基板１を介してＧａＮ結晶層２に照射される。レーザ源２０としては、例えば波長２４８ｎｍを放射するＫｒＦ（クリプトンフッ素）エキシマレーザが用いられる。

特開２０１２−１５１５０号公報

エキシマレーザのようなレーザ源の出力の制御は、出力されるレーザ光をエネルギー計測器６０に入射させ、１パルスあたりのエネルギー（パルスエネルギー）を測定し、このパルスエネルギーが一定になるように制御を行っている。
そのため、レーザリフトオフ装置においても、ワークに対して照射するレーザの制御は、前記したように１パルスあたりのエネルギーを制御して行っていた。
図９は、レーザリフトオフ装置のレーザ源（例えばＫｒＦエキシマレーザ）から出射する、レーザのパルス波形の一例である。同図は横軸が時間、縦軸がパワー（Ｗ）である。エネルギー計測器６０により測定されるパルスエネルギー量は、この波形により囲まれた面積（図中斜線で示した部分）となる。
同図に示すように、レーザ光のパルス波形は、最初大きなピークを示した後、小さなピークを繰り返しながら減衰する。

特許文献１に記載されているように、レーザリフトオフ装置においては、レーザを、ＧａＮの分解閾値を超えるエネルギー量ではあるが、エネルギー量が大きすぎてクラックが生じないように照射する。具体的には、サンプル実験により、ＧａＮの分解温度（８００°Ｃ）を超えるがクラックが発生しないようなパルスエネルギー量を求め、このエネルギー量を制御部５０に入力し、レーザの出力をフィードバック制御する。即ち、図９の斜線の部分が一定の面積になるように制御する。
ところが、表１に示すように、このようにパルスエネルギー量を一定に制御していても、サファイア基板からＧａＮの材料層を剥離できたり剥離できなかったりする現象が生じた。同表は、１０個のサンプルワークに対してあらかじめ設定したパルスエネルギーでレーザ照射を行った時の、剥離したサンプルと剥離しなかったサンプルの数を示した表である。

パルスエネルギー量が２２ｍＪ、２３ｍＪの場合、１０個のサンプルともＧａＮは剥離しなかった。２４ｍＪの場合は１０個中２個が、また２５ｍＪの場合は１０個中７個が剥離した。２６ｍＪの場合は全てのサンプルが剥離したが、中にはクラックが生じたサンプルもあった。
このように、従来の１パルスのエネルギーを一定に制御する方法では、サファイア基板からＧａＮの結晶層を、全てのサンプルを、確実にかつクラックを発生させないで剥離する条件を見つけることが困難であった。
本発明は、上記した従来の問題点を解決し、基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザを照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ処理において、基板から材料層を確実にかつクラックが生じないように剥離できるレーザ源の制御を実現することである。

発明者らは鋭意検討の結果、次のことを見出した。
上記のように、従来、レーザの出力の制御は１パルスのエネルギーが一定になるように、即ち、図９のレーザパルス波形（以下パルス波形とも呼ぶ）により囲まれた面積（図中斜線で示した部分）が一定になるように制御している。
しかし、レーザのパルス波形を詳しく調べてみると、例えば図１０に示すように、１パルスのエネルギー量（波形の面積）は同じであるが、最初のピーク（第１のピーク）が少し低く、その分他の部分（第２、第３のピーク）が高くなったような波形が現れることがわかった。そして、このような第１のピークが低い場合に、材料層（ＧａＮ結晶層）がサファイア基板から剥離しないことがわかった。

このことより、最初に現れる第１のピークの大きさが、ＧａＮ結晶層をサファイア基板から剥離させるために必要な分解閾値に影響を与えることがわかった。即ち、ＧａＮの到達する最高温度は、第１のピークの大きさが支配的であり、第１のピークの大きさが小さいと、材料層（ＧａＮ結晶層）は分解する温度（８００°Ｃ）に達しないと考えられる。
図１１に、レーザのパルス波形とＧａＮの温度を重ねて示す。
レーザが照射されたＧａＮの温度の温度は、大きなエネルギーを有する第１のピークに合せて上昇し、その頂点を越えた後も（ＧａＮにエネルギーは流れ込むので）しばらくの間は上昇する。やがて、ＧａＮに流れ込むエネルギー量よりも放熱により失われるエネルギー量のほうが大きくなり、ＧａＮの温度は下降する。

図１２はサファイア基板１、ＧａＮ結晶層２、サポート基板３の境界部分を示す概念図である。同図に示すように、サファイア基板１を通してレーザを照射することにより、サファイア基板１とＧａＮ結晶層２の境界部分（１μｍ以下）の温度が１００ｎｓ程度の時間に急上昇したのち、急降下し、ＧａＮ結晶層２がサファイア基板１から剥離する。
レーザリフトオフ処理においては、サファイアは吸収しないがＧａＮは吸収する波長（例えば２４８ｎｍ）のレーザをサファイア側から短時間照射し、最も光を強く吸収する界面付近の温度を８００°Ｃまで上昇させ、ＧａＮを熱分解し、サファイアから剥離させる方法である。サファイア基板とＧａＮが剥離される最も温度の高くなる位置（サファイアとＧａＮの境界からＧａＮ側に数１０ｎｍの位置）での微小時間Δｔにおける熱収支を考えると、次の式のようになる。
温度変化量=Ｋ×｛（レーザ光吸収エネルギー）―（熱伝導による流出エネルギー）｝
ここで、Ｋ：比例定数

よって、温度が最大になる時間Ｔは、温度変化量が正から負に変わるとき、すなわち
（レーザ光吸収エネルギー）＞（熱伝導による流出エネルギー）から、（レーザ光吸収エネルギー）＜（熱伝導による流出エネルギー）に変わるときである。
現在レーザリフトオフ処理に使用されているＫｒＦエキシマレーザの典型的なパルス波形は、前記図１１に示した通りであり、レーザ立ち上がりから約６ｎｓで出力パワーのピークに到達し、その後減少しながら６０ｎｓまでレーザ発振が続く。
このような波形の場合、図１１に示したＧａＮが最高温度になる時間Ｔはレーザパルスの立ち上がりから初めのピークを迎えた後の出力パワーの低下している間の１０−２０ｎｓにある。すなわち、ＧａＮが分解するかしないかは、ＧａＮが最高温度になる時間Ｔまでのレーザパワーが決め、それ以降のレーザパワーはＧａＮの分解に寄与しないと考えられる。

以上のことから、ＧａＮ分解に寄与するか否かを決定するのはレーザ発振の初期のところ、すなわち温度が最高となる時間Ｔまでのエネルギーであり、ＫｒＦエキシマレーザの場合はその典型的な波形から１０−１５ｎｓとなる。
上記温度が最高となる時間Ｔはレーザのパルス形状に依存するため、例えば最初のピークを迎えるまでの時聞が２０ｎｓになるようなレーザの場合、上記時間Ｔは３０ｎｓ付近にあるだろうし、逆にピークまでの時聞が１ｎｓであるようなレーザの場合は２ｎｓ付近にあるだろうと推定される。

ＧａＮの温度は、レーザのパルス波形に対して、上記のような挙動を示すものと考えられる。そのため、１パルスのエネルギー量が同じであっても、最初の（第１の）レーザパルスのピークの大きさが小さいと、ＧａＮの温度が分解閾値に達さず、サファイア基板から剥離されない。また、１パルスのエネルギー量を大きくすると、しばしば最初の（第１の）レーザパルスのピークが必要以上に大きいものが現れて、ＧａＮの温度が高くなりすぎ、クラックが発生する。
そこで発明者らは、ワークに照射するレーザのエネルギー量を、１パルスのエネルギー量ではなく、ＧａＮの温度が分解閾値以上でありクラックが発生しない温度になるような照射量になるように制御するようにした。具体的には、次のような制御が考えられる。

（１）図１１に示すように、ＧａＮの温度は、レーザのパルス波形の最初の（第１の）ピークを越えて上昇する。そこで、あらかじめ実験または計算により、レーザのパルスの立ち上がりから、ＧａＮの温度が最も高くなるまでの時間Ｔを求め、この時間範囲のレーザのエネルギー量が一定になる（あるいは、ある範囲内に入る）ように制御する。これにより、レーザ照射によりＧａＮが達する最高温度を剥離可能な最適な温度にすることができる。
以下、このレーザのパルスの立ち上がりからＧａＮの温度が最も高くなるまでの時間範囲のエネルギーを、ＧａＮの剥離に有効なエネルギーという意味で、「有効エネルギー」と呼ぶことがある。
（２）レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザを用いる場合、そのレーザパルス波形は前記した図１０に示したような波形であり、このように波形形状の場合、前記有効エネルギーは、最初の（第１の）ピークの大きさに対応するものと考えられる。
そこで、レーザのパルス波形の最初のピークの高さが一定になる（あるいは、ある範囲内に入る）ように制御すれば、上記有効エネルギーもほぼ一定に保つことができる。
これにより、レーザ照射によりＧａＮが達する最高温度を剥離可能な最適な温度にすることができる。

上記のように有効エネルギーを一定にすることでクラックを発生させることなく、ＧａＮ結晶層をサファイア基板から剥離させることができるものと考えられる。しかし、従来のレーザリフトオフ装置は、前記したように一パルスあたりのレーザエネルギー量を計測するためのエネルギー計測手段を備えているものの、レーザパルスの波形を計測する手段を備えていない。このため、レーザ源から出射するレーザの有効エネルギーを求め、これを制御することはできなかった。
そこで、本発明では、レーザリフトオフ装置にレーザパルスの波形を計測するためのパルス波形計測手段を設けた。そして、このパルス波形計測手段により、レーザパルス波形を計測して、レーザの照射量を制御可能とした。
これにより、上記有効エネルギーを求めたり、レーザの最初のピークの高さを計測し、クラックを生じさせることなくＧａＮ結晶層をサファイア基板から剥離させることができるレーザの出力パワーを求め、レーザの照射量を制御することが可能となる。

すなわち、本発明においては、次のように前記課題を解決する。
（１）基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザを照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ装置を以下のように構成する。
前記基板を透過すると共に前記材料層を分解するために必要な波長域のパルスレーザを発生するレーザ源と、前記パルスレーザが入射され、該パルスレーザのレーザパルス波形を測定するパルス波形計測手段と、前記パルス波形計測手段により計測されたレーザパルス波形を用いて該レーザパルス波形における各時点の出力パワーを求め、該出力パワーに基づき、前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するに必要なレーザの照射量を求め、前記レーザ源を制御する制御部とを設ける。
（２）上記（１）において、レーザ源から出射するパルスレーザの１パルスあたりのエネルギー量を測定するエネルギー計測器を設け、前記制御部は、前記パルス波形計測手段により計測されたレーザパルス波形と、前記エネルギー計測器により計測されたエネルギー量に基づき、前記レーザパルス波形における各時点の出力パワーを求める。
（３）上記（１）（２）において、前記制御部に、レーザパルスの立ち上がり時点から予め定められた時間の範囲内のエネルギー量を演算する演算手段を設け、該エネルギー量が一定になるように前記レーザ源を制御する。
（４）上記（１）（２）において、前記レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザを用い、前記制御部に、レーザ波形のピーク値を求める手段を設け、該ピーク値が一定になるように前記レーザ源を制御する。
（５）上記（１）（２）に記載のレーザリフトオフ装置を用いたレーザリフトオフ方法において、前記基板を通して材料層に照射されるレーザパルス波形を計測し、レーザパルスの立ち上がり時点から予め定められた時間の範囲内のエネルギー量Ｅｅを求める第１の工程と、計算されたエネルギー量が、一定になるように前記レーザ源を制御して、前記基板上に形成された材料層にレーザを照射する第２の工程によりレーザリフトオフを行う。
（６）上記（１）（２）に記載のレーザリフトオフ装置を用いたレーザリフトオフ方法において、前記レーザ源としてＫｒＦエキシマレーザを用い、前記基板を通して材料層に照射されるレーザパルス波形を計測し、該レーザパルス波形に基づき、前記材料層を前記基板から剥離するに必要なレーザパルス波形における各時点の出力パワーのピーク値Ｐを求める第１の工程と、前記レーザパルス波形のピーク値が前記ピーク値Ｐになるように、前記レーザ源を制御して、前記基板上に形成された材料層にレーザを照射する第２の工程によりレーザリフトオフを行う。

本発明においては、以下の効果を得ることができる。
（１）レーザリフトオフ装置に、レーザ源が出射するパルスレーザのパルス波形を測定するパルス波形計測手段と、前記パルス波形計測手段により計測されたレーザパルス波形を用いて該レーザパルス波形における各時点の出力パワーを求め、該出力パワーに基づき、前記材料層を前記基板から剥離するに必要なレーザの照射量を求め、前記レーザ源を制御する制御部とを設けたので、材料層の温度が最高温度となるまでの時間範囲のレーザの照射量を制御することができ、サファイア基板から材料層をクラックを生じさせることなく確実に剥離することができる。
（２）パルス波形計測手段に加えて、レーザ源から出射するパルスレーザの１パルスあたりのエネルギー量を測定するエネルギー計測器を設けることにより、レーザパルス波形における各時点の出力パワーを、容易に、かつ、精度よく求めることができる。
（３）レーザのパルスの立ち上がりから材料層の温度が最も高くなるまでの時間範囲のエネルギーの値が一定になるように制御することにより、各レーザ照射において、材料層の到達温度を所望の一定の温度にすることができる。したがって、サファイア基板から材料層を、クラックを生じさせることなく、確実に剥離することができる。
（４）ＫｒＦエキシマレーザにおいて、材料層を前記基板から剥離するに必要なレーザ波形における各時点の出力パワーのピーク値Ｐを求め、前記レーザ波形のピーク値がピーク値Ｐになるように、前記レーザ源を制御することにより、上記（３）と同様、各レーザ照射において、材料層の到達温度を所望の一定の温度にすることができ、サファイア基板から材料層を、クラックを生じさせることなく、確実に剥離することができる。

本発明のレーザリフトオフ装置の基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施例の制御部の構成例を示す図である。 第１の実施例の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施例の制御部の構成例を示す図である。 レーザパルス波形における第１のピークを示す図である。 従来のレーザリフトオフ装置の構成を示す概念図である。 レーザ源の概略構成を示したリフトオフ装置の概念図である。 サファイアの基板に窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物の材料層を形成したワークを示す図である。 レーザリフトオフ装置のレーザ源から出射する、レーザのパルス波形の一例を示す図である。 １パルスのエネルギー量は同じであるが、最初のピークが少し低い場合を示す図である。 レーザのパルス波形とＧａＮの温度を重ねて示した図である。 サファイア基板、ＧａＮ結晶層、サポート基板の境界部分を示す概念図である。

図１は本発明のレーザリフトオフ装置の概略構成を示すブロック図である。前記図６に示したものと同一のものには同一符号が付されており、図１に示すものは前記図６に示したエネルギー計測器６０に加えてパルス波形計測器７０を備えている。
パルス波形計測器７０は、前記図９に示したようなレーザパルス波形の形状を計測するための手段であり、パルス波形計測器７０としては例えばバイプラナ光電管等を用いることができる。
なお、パルス波形計測器７０は応答速度がはやく、レーザパルス波形の形状は計測できるが、計測されたレーザパルス波形の波高値（例えば電圧値）は必ずしもレーザパルスの出力パワー（Ｗ）に対応したものにはならない。そこで、上記パルス波形計測器７０により計測されたレーザパルス波形（例えば電圧値）を出力パワー（Ｗ）に換算する必要がある。
このため、エネルギー計測器６０によりレーザパルスの１パルスあたりのエネルギー量を求め、この値に基づきパルス波形計測器７０により計測されたレーザパルス波形の大きさを校正することが望ましい。なお、予め、上記電圧値を出力パワー（Ｗ）に変換する換算表等を用意しておき、計測されたレーザパルス波形の大きさをエネルギー量に換算してもよい。

図１において、レーザリフトオフ装置１０は、パルスレーザを発生するレーザ源２０を備え、レーザ源２０からのレーザＬは、エネルギー計測器６０、パルス波形計測器７０を経てレーザ光学系４０に入射する。エネルギー計測器６０は、レーザパルスの１パルスあたりのエネルギー（パルスエネルギー）を計測する。また、パルス波形計測器７０は、レーザパルスの波形を計測する。
レーザ光学系４０は、レーザＬを所定の形状に成形し、前記図７で説明したように、ワークステージ３１上に載置されたワークＷにレーザＬを照射する。

レーザ光学系４０は、図７に示したように、シリンドリカルレンズや、レーザ光を所定の形状に成形するためのマスクと、マスクを通過したレーザ光Ｌの像をワークＷ上に投影する投影レンズを備えている。ワークＷへのレーザ光の照射領域の面積および形状は、レーザ光学系４０によって適宜設定することができる。
レーザ光学系４０の先には前記したようにワークＷを載置するワークステージ３１が設けられている。ワークステージ３１は搬送機構３２によりＸＹ方向（図面左右手前奥方向）に移動する。

レーザ源２０は、放電によりレーザを生成するレーザガスチャンバ２０１、チャンバ２０１に放電のための電力を供給する電源２０２、電源を制御するコントローラ２０３を備える。レーザリフトオフ装置の制御部５０がレーザ源２０のコントローラ２０３に対し、レーザ源２０から出力されるレーザＬのエネルギーを制御する制御信号を送出すると、コントローラ２０３は、電源２０２の出力電圧、チャンバ２０１のガス圧等を制御して、レーザ源２０から出力されるレーザのパルスエネルギーが目標値になるように制御する。なお、レーザのエネルギーの制御は、レーザ光学系の中にアテネータを配置し、このアテネータの透過率を制御することによって行ってもよい。

図１により、本発明におけるレーザエネルギー制御の概要と、本発明のレーザリフトオフ装置の基本構成について説明する。
図１に示すレーザリフトオフ装置には、前記したようにレーザ源２０のレーザ出射側に、エネルギー計測器６０に加えてパルス波形計測器７０が取り付けられている。なお、同図では、エネルギー計測器６０の次にパルス波形計測器７０を設けているが、パルス波形計測器７０の次にエネルギー計測器６０を配置してもよい。なお、後述するように、エネルギー計測器６０を設けず、パルス波形計測器７０の出力（例えば電圧値）を、換算表等を用いて出力パワー（Ｗ）に換算して、パルスエネルギー量を求めるようにしてもよい。

レーザリフトオフ装置の制御部５０は演算部５０１を備えている。演算部５０１には、エネルギー計測器６０からレーザのパルスエネルギー量が、また、パルス波形計測器７０からレーザのパルス波形が入力される。
また、制御部５０は入力部５０２を備えており、入力部５０２には、例えば実験や計算で求めたレーザのパルスの立ち上がりからＧａＮの温度が最も高くなるまでの時間Ｔや、制御したい目標となる有効エネルギーの値が入力される。
演算部５０１は、入力部５０２に入力された時間Ｔと、エネルギー計測器６０により計測されたパルスエネルギー量と、パルス波形計測器７０により計測されたレーザパルス波形とから、レーザのパルスの立ち上がりから時間Ｔまでのエネルギー量（有効エネルギー量）を計算する。そして、計算した有効エネルギーの値と、上記目標となる有効エネルギー（目標エネルギー）の値の差に応じて、上記レーザ源２０を制御して計算された有効エネルギーが上記目標エネルギーに一致するように（あるいは、その差がある範囲内に入るように）制御する。

なお、後述する第２の実施例で説明するように、レーザ源２０にＫｒＦエキシマレーザを用いる場合、上記有効エネルギーの値とレーザパルス波形の第１のピーク値の大きさは相関が高く、この第１のピークの大きさを、目標となるピーク値に一致するように（あるいは、その差がある範囲内に入るように）制御しても、同等の効果が得られる。

図１を用いて、上記有効エネルギーを計算して有効エネルギーが目標エネルギーに一致するように制御する場合について、エネルギー制御の手順について説明する。
まず、レーザパルスの立ち上がりからＧａＮの温度が最も高くなるまでの時間Ｔ（図１１参照）を設定する。この時間Ｔは、ワークの種類（大きさや厚さなどの違い）により異なる。本実施例に使用したワークについては、実験や計算などから、レーザパルスの立ち上がりからＧａＮの温度が最も高くなるまでの時間は、前記図１２で説明したように、１０ｎｓから１５ｎｓの範囲と考えられ、ここでは、時間Ｔ＝１２ｎｓとした。

ここで、実験等により、ワークにレーザを照射し、そのパルスエネルギーを変化させて、時間Ｔ＝１２ｎｓ即ちレーザパルスの立ち上がりから１２ｎｓ間の有効エネルギーを求め、各有効エネルギーにおいてＧａＮが剥離できるかどうかについて調べた。
表２にその結果について示す。同表は、複数のサンプルワークに対してあらかじめ設定した有効エネルギーでレーザ照射を行った時の、剥離したサンプルと剥離しなかったサンプルの数を示した表である。

同表に示すように、有効エネルギー量が１３．２ｍＪ以下の場合においては、全てのサンプルワークについてＧａＮは剥離しなかった。一方、有効エネルギー量が１３．６ｍＪ以上になると、全てのサンプルワークについてＧａＮは剥離した。
この結果より、有効エネルギー量が１３．６ｍＪ以上であれば、ＧａＮを確実に剥離することができる。しかし、エネルギー量が大きくなるとクラックが生じることが考えられる。そのため、有効エネルギー量を、１３．６ｍＪから１４．０ｍＪの範囲の値に設定しておけば、サファイア基板からＧａＮの結晶層を、確実にかつクラックが生じないように剥離できる。

この結果に基づき、入力部５０２から制御部５０に、有効エネルギー量１３．８ｍＪを設定する。なお、制御部５０には、時間Ｔ＝１２ｎｓも入力されている。
制御部５０は、まず、レーザ源２０のコントローラ２０３に対し、レーザＬを照射するように信号を送る。コントローラ２０３は、この信号に基づき、レーザＬのパルスエネルギー量が予め設定された値になるような電圧を出力するように信号を送り、電源２０２は、チャンバ２０１に対して、レーザＬのパルスエネルギー量が予め設定された値になるような電圧を印加する。チャンバ２０１内で放電が発生し、チャンバ２０１からレーザＬが出射する。

レーザＬがエネルギー計測器６０とパルス波形計測器７０に入射する。エネルギー計測器６０はレーザＬのパルスエネルギー量の値を、またパルス波形計測器７０はレーザＬのレーザパルス波形を、それぞれ制御部５０に送る。
制御部５０の演算部５０１は、パルスエネルギー量とレーザパルス波形に基づき、前記時間Ｔのエネルギー量（有効エネルギー量Ｅｅ）を演算する。制御部５０は、この演算により求めた有効エネルギー量Ｅｅと、入力している有効エネルギー量の設定値Ｅｅｓｐ（例えば１３．８ｍＪ）とを比較し、有効エネルギー量Ｅｅが１３．８ｍＪになるように、コントローラ２０３に対してレーザＬのパルスエネルギーのフィードバック制御を行う。
このような制御をおこなうことにより、環境の変化等によりレーザパルス波形が変化し、有効エネルギー量が変化しても、有効エネルギー量が１３．８ｍＪになるようフィードバック制御され、有効エネルギー量を一定（もしくはある範囲内）に制御することができる。

次に、上記制御部５０の具体的な構成例について説明する。
図２は本発明のレーザリフトオフ装置における制御部の具体的構成例を示す図であり、同図により本発明の第１の実施例について説明する。
レーザ源２０は前記したようにチャンバ２０１、チャンバに放電のための電力を供給する電源２０２、電源を制御するコントローラ２０３を備え、コントローラ２０３により、電源２０２の充電電圧（あるいはチャンバ２０１のガス圧）を制御して、レーザ源２０から出力されるレーザの出力パワーを制御する。
レーザ源２０から出力されるレーザは、エネルギー計測器６０、パルス波形計測器７０を経てレーザ光学系４０に入射し、ここでレーザビームの波形が整形され、ワークに照射される。レーザ源２０から出力されるレーザの１パルスあたりのエネルギー量はエネルギー計測器６０により計測され制御部５０に送られる。また、レーザ源２０から出力されるレーザパルスの波形は、パルス波形計測器７０で計測され制御部５０に送られる。

制御部５０の電圧・パワー変換部５１は、上記エネルギー計測器６０により計測されたレーザパルスのエネルギー量（ｍＪ）と、パルス波形計測器７０で計測されたレーザパルス波形（電圧値）に基づき、レーザパルス波形の各時点における出力パワー（Ｗ）を求める（このようにパルス波形計測器７０が出力する電圧を出力パワー（単位時間当たりのエネルギー）に換算したものをパワー波形Ｗｐと言う）。すなわち、前記エネルギー計測器６０により計測された前記図９に斜線で示した面積をレーザパルスの全エネルギーとし、パルス波形計測器７０で計測されたレーザパルス波形の大きさ（波高値）に対応した電圧を出力パワー（Ｗ）に換算する。
一方、入力部５６から有効エネルギー量を計算する時間幅Ｔ（図１１に示したＧａＮ結晶層の温度が最高温度になるまでの時間）が入力されており、有効エネルギー計算部５２は、上記パワー波形Ｗｐと上記時間幅Ｔとから、レーザパルスの有効エネルギー量Ｅｅを求める。
比較部５３は、入力部５７から与えられる目標有効エネルギー量Ｅｅｓｐ（条件だしで得られた最適有効エネルギー量、例えば前記１３．８ｍＪ）と上記実測された有効エネルギー量Ｅｅとを比較し、その差をレーザ出力エネルギー制御部５４に送出する。レーザ出力エネルギー制御部５４は、上記差に基づきレーザ源２０を制御するレーザ源制御信号Ｃｅを求めて出力する。
レーザ源２０のコントローラ２０３は、レーザ源２０から出力されるレーザ源制御信号Ｃｅに基づき電源２０２（あるいはチャンバ２０１の圧力、あるいはレーザ光学系に配置したアテネータの透過率）を制御する。

例えば上記比較部５３は、以下の演算を行い、目標有効エネルギー量Ｅｅｓｐと実測された有効エネルギー量Ｅｅとの差ｅｒを求める。
差ｅｒ=（有効エネルギー量Ｅｅ）−（目標有効エネルギー量Ｅｅｓｐ）
上記レーザ出力エネルギー制御部５４は、以下の演算を行い、レーザ源制御信号Ｃｅを算出する。
レーザ源制御信号Ｃｅ＝−Ｋ×（ｄＥ／ｄＥｅ）×（差ｅｒ）
ここで、Ｋは比例定数（ゲイン）、Ｅはレーザパルスの全エネルギー量、Ｅｅは有効エネルギー量であり、（ｄＥ／ｄＥｅ）は有効エネルギー量の変化量に対する全エネルギー量の変化量を表す。なお、レーザの全エネルギー量Ｅの変化量ΔＥに対する有効エネルギーＥｅの変化量ΔＥｅは略比例関係にあることが確認されており、上記（ｄＥ／ｄＥｅ）は略一定で、その値は実験等で求めることができる。

レーザ源制御信号Ｃｅがレーザ源２０に出力されることにより、上記レーザ源２０は、レーザ源制御信号Ｃｅに応じてレーザ出力を増加（あるいは減少）させ、出力されるレーザパルスの有効エネルギーを増加（あるいは減少）させる。
すなわち、有効エネルギー量Ｅｅが目標有効エネルギー量Ｅｅｓｐに一致するようにフィードバック制御され、有効エネルギー量Ｅｅを一定（もしくはある範囲内）に制御することができる。

図３は上記第１の実施例の変形例を示す図である。
本変形例は、前記図２に示したものからエネルギー計測器６０を除去し、パルス波形計測器７０により計測したレーザパルス波形の各時点の波高値を電圧・パワー変換部５５で出力パワーに換算するように構成したものである。電圧・パワー変換部５５は、例えばパルス波形計測器７０が出力するレーザパルスの大きさ（波高値）に対応した電圧を出力パワー（Ｗ）に変換する換算テーブル５５ａを備えており、パルス波形計測器７０が出力する電圧を出力パワーに変換する。
上記換算テーブル５５ａは、例えば予め図示しないエネルギー計測器でレーザパルスの１パルスあたりのエネルギーを計測するとともに、パルス波形計測器７０でレーザパルス波形を計測し、その結果からパルス波形計測器７０の出力電圧と出力パワーの関係を求め、テーブルに記憶したものである。
その他の構成及び動作は、前記図２で説明したとおりであり、有効エネルギー量Ｅｅが目標有効エネルギー量Ｅｅｓｐに一致するようにレーザ源２０を制御する。

上記の実施例においては、レーザパルスの立ち上がりから時間Ｔの間のエネルギーを有効エネルギーと定義し、この有効エネルギーが一定になるように制御を行っている。
しかし、要は、レーザ照射によりＧａＮが達する最高温度が一定になるように有効エネルギーを制御すればよく、他の方法も考えられる。
その一つとして、レーザのパルス波形の最初のピークの高さが一定になるように制御することが考えられる。
レーザ源として例えばＫｒＦエキシマレーザを用いる場合、そのレーザパルス波形は概ね前記図９に示した波形であり、前記したようにレーザのパルス波形の最初のピークの高さが一定になるように制御することで、有効エネルギーもほぼ一定に制御されるものと考えられる。
すなわち、ＧａＮの最高到達温度は有効エネルギーの大きさに依存し、有効エネルギーの大きさは照射するレーザのパルス波形における最初のピーク（第１のピーク）の高さに依存しており、最初のピークの高さが高いほど、ＧａＮの最高到達温度は高くなり、最初のピークの高さが低いとＧａＮの最高到達温度は低くなると考えられる。
したがって、レーザパルスの最初のピーク値を制御することで、有効エネルギーを制御するのと同等の効果が得られるものと考えられる。

図４は、上記のように最初のピークの高さを制御するようにした本発明の第２の実施例の制御部の構成例を示す図である。
有効エネルギーとレーザパルスの最初のピークの高さＰｍａｘは相関していると考えられるので、まず、実験等により、有効エネルギーＥｅと最初のピークの高さＰｍａｘの関係を求めておく。
そして、前記表２により、ＧａＮの結晶層を剥離できる有効エネルギーに対応したピーク値を設定する。この値をピーク値の設定値Ｐｓｐとして、図４の入力部５９から入力する。
図５にレーザパルス波形における第１のピークを示す。横軸は時間、縦軸はパワーである。
なお、パルスエネルギーを変化させ、レーザパルス波形における第１のピークの高さを変化させながらサンプルワークにレーザを照射し、ＧａＮが剥離できるかどうかについて調べ、その結果から、サファイア基板からＧａＮの結晶層を、確実にかつクラックが生じないように剥離できる第１のピークの高さＰｍａｘを求めてもよい。

レーザ源２０は前記したようにレーザガスチャンバ２０１、レーザガスチャンバ２０１に放電のための電力を供給する電源２０２、電源を制御するコントローラ２０３を備え、コントローラ２０３により、電源２０２の充電電圧（あるいはチャンバ２０１のガス圧、あるいはレーザ光学系に配置したアテネータの透過率）を制御して、レーザ源２０から出力されるレーザの出力パワーを制御する。
レーザ源２０から出力されるレーザは、エネルギー計測器６０、パルス波形計測器７０を経てレーザ光学系４０に入射し、ここでレーザビームの波形が整形され、ワークに照射される。レーザ源２０から出力されるレーザの１パルスあたりのエネルギー量はエネルギー計測器６０により計測され制御部５０に送られる。また、レーザ源２０から出力されるレーザパルスの波形は、パルス波形計測器７０で計測され制御部５０に送られる。

制御部５０の電圧・パワー変換部５５は、上記エネルギー計測器６０により計測されたレーザパルスのエネルギー量（ｍＪ）と、パルス波形計測器７０で計測されたレーザパルス波形（電圧）に基づき、前記したようにレーザパルス波形の各時点における出力パワー（Ｗ）を求め、パワー波形Ｗｐを得る。
ピーク値検出部５８は、上記パワー波形Ｗｐからレーザのパルス波形の最初のピークの高さＰｍａｘを検出する。
比較部５３は、入力部５９から与えられる目標ピーク値Ｐｓｐと、ピークの高さＰｍａｘとを比較し、その差をレーザ出力エネルギー制御部５４に送出する。
レーザ出力エネルギー制御部５４は、上記差に基づきレーザ源２０を制御するレーザ源制御信号Ｃｅを求めて出力する。

例えば上記比較部５３は、以下のように目標ピーク値Ｐｓｐと、ピークの高さＰｍａｘの差ｅｒを求める。
差ｅｒ=（ピークの高さＰｍａｘ）−（目標ピーク値Ｐｓｐ）
上記レーザ出力エネルギー制御部５４は、以下の演算を行い、レーザ源制御信号Ｃｅを算出する。
レーザ源制御信号Ｃｅ＝−Ｋ×（ｄＥ／ｄＰｍａｘ）×（差ｅｒ）
ここで、Ｋは比例定数（ゲイン）、Ｅはレーザパルスの全エネルギー量、Ｐｍａｘはレーザパルスの第１のピークの高さであり、（ｄＥ／ｄＰｍａｘ）は第１のピークの高さの変化量に対する全エネルギー量の変化量を表す。
なお、前記したようにレーザの全エネルギー量Ｅの変化量ΔＥに対する有効エネルギーＥｅの変化量ΔＥｅは比例関係にあることが確認されており、また、前記したように第１のピークの高さと有効エネルギーは対応しているものと考えられるから、前記（ｄＥ／ｄＥｅ）と同様、上記（ｄＥ／ｄＰｍａｘ）は略一定になるものと考えられる。

レーザ源制御信号Ｃｅがレーザ源２０に出力されることにより、上記レーザ源２０は、レーザ源制御信号Ｃｅに応じてレーザ出力を増加（あるいは減少）させ、出力されるレーザパルスの第１のピークの高さＰｍａｘを増加（あるいは減少）させる。
すなわち、ピークの高さＰｍａｘが目標ピーク値Ｐｓｐに一致するようにフィードバック制御され、ピークの高さＰｍａｘを一定（もしくはある範囲内）に制御することができる。これにより、有効エネルギー量を一定にすることができる。

なお、本実施例においても、前記図３に示したように、エネルギー計測器６０を除去し、電圧・パワー変換部にパルス波形計測器の出力を出力パワー（Ｗ）に変換する換算テーブルを設け、パルス波形計測器７０により計測したレーザパルス波形の各時点の波高値を、出力パワーに換算するように構成してもよい。

１ サファイア基板
２ 材料層（ＧａＮ結晶層）
３ サポート基板
１０ レーザリフトオフ装置
２０ レーザ源
３１ ワークステージ
３２ 搬送機構
４０ レーザ光学系
５０ 制御部
５１，５５ 電圧・パワー変換部
５２ 有効エネルギー計算部
５３ 比較部
５４ レーザ出力エネルギー制御部
５６，５７，５９ 入力部
５８ ピーク値検出部
６０ エネルギー計測器
７０ パルス波形計測器
２０１ レーザガスチャンバ
２０２ 電源
２０３ コントローラ
５０１ 演算部
５０２ 入力部
Ｗ ワーク

Claims (6)

1. 基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザを照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ装置であって、前記基板を透過すると共に前記材料層を分解するために必要な波長域のパルスレーザを発生するレーザ源と、
   前記パルスレーザが入射され、該パルスレーザのレーザパルス波形を測定するパルス波形計測手段と、
   前記パルス波形計測手段により計測されたレーザパルス波形を用いて該レーザパルス波形における各時点の出力パワーを求め、該出力パワーに基づき、前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するに必要なレーザの照射量を求め、前記レーザ源を制御する制御部とを備えた
   ことを特徴とするレーザリフトオフ装置。
2. 前記レーザ源から出射するパルスレーザの１パルスあたりのエネルギー量を測定するエネルギー計測器を備え、
   前記制御部は、前記パルス波形計測器により計測されたレーザパルス波形と、前記エネルギー計測器により計測されたエネルギー量に基づき、前記レーザパルス波形における各時点の出力パワーを求める
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザリフトオフ装置。
3. 前記制御部は、レーザパルスの立ち上がり時点から予め定められた時間の範囲内のエネルギー量を演算する演算手段を備え、該エネルギー量が一定になるように前記レーザ源を制御する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ装置。
4. 前記レーザ源はＫｒＦエキシマレーザであり、前記制御部は、レーザパルス波形のピーク値を求める手段を備え、該ピーク値が一定になるように前記レーザ源を制御する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ装置を用いたレーザリフトオフ方法であって、
   前記基板を通して材料層に照射されるレーザパルス波形を計測し、レーザパルスの立ち上がり時点から予め定められた時間の範囲内のエネルギー量Ｅｅを演算する第１の工程と、
   前記エネルギー量Ｅｅが、前記材料層を前記基板から剥離するに必要なエネルギー量となるように前記レーザ源を制御して、前記基板上に形成された材料層にレーザを照射する第２の工程からなる
   ことを特徴とするレーザリフトオフ方法。
6. 請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ装置を用いたレーザリフトオフ方法であって、前記レーザ源はＫｒＦエキシマレーザであり、
   前記基板を通して材料層に照射されるレーザパルス波形を計測し、該レーザパルス波形に基づき、レーザパルス波形における各時点の出力パワーのピーク値Ｐを求める第１の工程と、
   前記レーザ波形のピーク値Ｐが、前記材料層を前記基板から剥離するに必要な前記ピーク値になるように、前記レーザ源を制御して、前記基板上に形成された材料層にレーザを照射する第２の工程からなる
   ことを特徴とするレーザリフトオフ方法。

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