JP5545777B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

近年、半導体レーザ素子や発光ダイオードなどの半導体発光素子を製造する際に、例えばサファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）等からなる基板上にＧａＮ等のIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体動作層を結晶成長させた積層構造を有するウェハを高精度に切断する技術が求められている。

また、従来より、この積層構造を有するウェハの切断には、ブレードダイシング法やダイヤモンドスクライブ法を使用するのが一般的である。

ブレードダイシング法とは、ダイヤモンドブレード等によりウェハを切削して切断する方法である。一方、ダイヤモンドスクライブ法とは、ダイヤモンドポイントツールによりウェハの表面にスクライブラインを設け、このスクライブラインに沿うようウェハの裏面にナイフエッジを押し当てて、ウェハを割って切断する方法である。

例えば、特許文献１及び特許文献２には、このようなブレードダイシング法とダイヤモンドスクライブ法とを組み合わせて形成された半導体発光素子が開示されている。

特許第２７８０６１８号公報 特開２００１−１５６３３２号公報

しかしながら、ブレードダイシング法とダイヤモンドスクライブ法とを組み合わせる方法には、次の問題点がある。すなわち、III−Ｖ族化合物半導体は、硬度が高く結晶異方性が強いことから劈開により切断することが困難である。また、III−Ｖ族化合物半導体を積層するための基板の材料も、サファイア等の高硬度材料が用いられることが多い。このように、III−Ｖ族化合物からなる半導体層を含むウェハは硬度が高く劈開も困難なため、このウェハにダイヤモンドスクライブ法を用いると、ウェハを割る際にチッピング等が発生しやすくなる。また、基板が比較的厚い場合には、ウェハの両面にスクライブラインを設けなければならず、両面に設けられたスクライブライン同士の位置ずれによって切断不良が生じるおそれがある。従って、ブレードダイシング法にダイヤモンドスクライブ法を併用すると、ウェハを高精度に切断することが難しいという問題が発生する。これに対し、ブレードダイシング法のみを用いた場合には、硬度の高いIII−Ｖ族化合物半導体層及び基板を切削する際に多大な時間を要するとともに、ブレードの摩耗が激しくなりブレードを頻繁に交換する必要が生じるので、製造効率が悪化するという別の問題が発生する。

そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、上述したような問題を解決し、III−Ｖ族化合物半導体層を有するウェハを高精度かつ効率よく切断することを可能にするレーザ加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、基板の表面上にIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が積層され且つ切断予定ラインに沿って半導体層に溝が形成されたウェハに対し、基板の裏面をレーザ光入射面としてパルスレーザ光を照射することにより、切断予定ラインに沿って改質領域を基板の内部に形成するレーザ加工装置であって、ウェハが載置される載置台と、パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、レーザ光源で発生されたパルスレーザ光を、載置台に載置されたウェハに集光する集光用レンズと、レーザ光源、及びウェハにおけるパルスレーザ光の集光点の位置を制御する制御部と、を備え、制御部は、該基板の表面及び裏面には溝及びスクライブラインを形成することなく改質領域から発生させた割れを基板の表面及び裏面に到達させ、切断予定ラインに沿って、基板と共に切断予定ライン上に存在する半導体層を当該割れによって切断するために、溝の位置を基板の裏面から確認し、該基板の内部に集光点を合わせて該基板にパルスレーザ光を照射させ、半導体層を加工することなく、形成される改質部分を切断予定ラインに沿って該基板の裏面から所定距離内側に切断予定ラインの延びる方向に断続的に複数形成させることで、改質領域を該基板の内部にのみ形成させる。

ここで、基板の表面に積層された半導体層としては、基板に密着して設けられるものや、基板と間隙を取って設けられるものを含む。例としては、基板上に結晶成長により形成された半導体動作層や、基板とは別に積層された後に基板上に固定された半導体層などである。また、基板の内部とは、半導体層が設けられている基板の表面上をも含む意味である。さらに、集光点とは、レーザ光が集光した箇所のことである。そして、切断起点領域は、改質領域が連続的に形成されることで形成される場合もあるし、改質領域が断続的に形成されることで形成される場合もある。

また、基板の裏面が平坦かつ滑面であってもよい。また、改質領域を形成する際に、該改質領域を基板の厚さ方向に複数形成してもよい。また、基板はサファイア基板であってもよい。

本発明に係るレーザ加工装置は、III−Ｖ族化合物半導体層を有するウェハを高精度かつ効率よく切断することを可能にする。

レーザ加工中の基板１の平面図である。 図１に示す基板のII−II線に沿った断面図である。 レーザ加工後の基板の平面図である。 図３に示す基板のIV−IV線に沿った断面図である。 図３に示す基板のV−V線に沿った断面図である。 切断された基板の平面図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法における電界強度とクラックスポットの大きさとの関係を示すグラフである。 本実施形態で用いるレーザ加工方法の第１工程における基板の断面図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法の第２工程における基板の断面図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法の第３工程における基板の断面図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法の第４工程における基板の断面図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。 本実施形態で用いるレーザ加工方法におけるレーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。 レーザ加工装置の概略構成図である。 本実施形態に係る発光素子の製造方法において用いられるウェハを示す斜視図である。 図１５に示されたウェハの平面図である。 図１６に示されたウェハのVI−VI断面及びVII−VII断面を示す拡大図である。 本実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。 図１４に示されたレーザ加工装置を用いてウェハに切断起点領域を形成する方法を示すフローチャートである。 発光素子の製造方法を説明するためのウェハの断面図である。 発光素子の製造方法を説明するためのウェハの断面図である。 発光素子の製造方法を説明するためのウェハの断面図である。 発光素子の製造方法を説明するためのウェハの断面図である。 本実施形態による発光素子の製造方法の変形例を説明するための断面図である。 本実施形態による発光素子の製造方法の別の変形例を説明するための断面図である。 本実施形態による発光素子の製造方法の別の変形例を説明するための断面図である。 ウェハの基板の裏面を研磨する方法の一例を示す図である。

以下、図面と共に本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る発光素子の製造方法では、ウェハの基板の内部にレーザ光を照射して、多光子吸収による改質領域を形成する。そこで、このレーザ加工方法、特に多光子吸収について最初に説明する。

材料の吸収のバンドギャップＥ_Ｇよりも光子のエネルギーｈνが小さいと光学的に透明となる。よって、材料に吸収が生じる条件はｈν＞Ｅ_Ｇである。しかし、光学的に透明でも、レーザ光の強度を非常に大きくするとｎｈν＞Ｅ_Ｇの条件（ｎ＝２，３，４，・・・）で材料に吸収が生じる。この現象を多光子吸収という。パルス波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点のピークパワー密度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まり、例えばピークパワー密度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上の条件で多光子吸収が生じる。ピークパワー密度は、（集光点におけるレーザ光の１パルス当たりのエネルギー）÷（レーザ光のビームスポット断面積×パルス幅）により求められる。また、連続波の場合、レーザ光の強度はレーザ光の集光点の電界強度（Ｗ／ｃｍ^２）で決まる。

このような多光子吸収を利用するレーザ加工の原理について、図１〜図６を参照して説明する。図１はレーザ加工中の基板１の平面図であり、図２は図１に示す基板１のII−II線に沿った断面図であり、図３はレーザ加工後の基板１の平面図であり、図４は図３に示す基板１のIV−IV線に沿った断面図であり、図５は図３に示す基板１のV−V線に沿った断面図であり、図６は切断された基板１の平面図である。

図１及び図２に示すように、基板１には、所望の切断予定ライン５が設定される。切断予定ライン５は直線状に延びた仮想線であり、本実施形態ではウェハを複数のチップに分割する際の各チップ間の境界線である。なお、ウェハに実際に線を引いて切断予定ライン５としてもよい。本実施形態では、多光子吸収が生じる条件で基板１の内部に集光点Ｐを合わせた上でレーザ光Ｌを照射し、改質領域７を形成する。なお、集光点Ｐとはレーザ光Ｌが集光した箇所のことである。

レーザ光Ｌを切断予定ライン５に沿って（すなわち矢印Ａ方向に沿って）相対的に移動させることにより、集光点Ｐを切断予定ライン５に沿って移動させる。これにより、図３〜図５に示すように改質領域７が切断予定ライン５に沿って基板１の内部にのみ形成され、この改質領域７でもって切断起点領域８が形成される。このレーザ加工方法は、基板１がレーザ光Ｌを吸収することにより基板１を発熱させて改質領域７を形成するのではない。基板１にレーザ光Ｌを透過させ基板１の内部に多光子吸収を発生させて改質領域７を形成している。よって、基板１の表面３ではレーザ光Ｌがほとんど吸収されないので、基板１の表面３が溶融することはない。

基板１の切断において、切断する箇所に起点があると基板１はその起点から割れるので、図６に示すように比較的小さな力で基板１を切断することができる。よって、基板１の表面３にチッピングなどの不必要な割れを発生させることなく、かつ効率的に基板１の切断が可能となる。

なお、切断起点領域を起点とした基板の切断には、次の２通りが考えられる。１つは、切断起点領域形成後、基板に人為的な力が印加されることにより、切断起点領域を起点として基板が割れ、基板が切断される場合である。これは、例えば基板の厚さが大きい場合の切断である。人為的な力が印加されるとは、例えば、基板の切断起点領域に沿って基板に曲げ応力やせん断応力を加えたり、基板に温度差を与えることにより熱応力を発生させたりすることである。他の１つは、切断起点領域を形成することにより、切断起点領域を起点として基板の断面方向（厚さ方向）に向かって自然に割れ、結果的に基板が切断される場合である。これは、例えば基板の厚さが小さい場合には、１列の改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となり、基板の厚さが大きい場合には、厚さ方向に複数列形成された改質領域により切断起点領域が形成されることで可能となる。なお、この自然に割れる場合も、切断する箇所において、切断起点領域が形成されていない部位に対応する部分の表面上にまで割れが先走ることがなく、切断起点領域を形成した部位に対応する部分のみを割断することができるので、割断を制御よくすることができる。近年、ウェハの基板などの基板の厚さは薄くなる傾向にあるので、このような制御性のよい割断方法は大変有効である。

さて、本実施形態において多光子吸収により形成される改質領域としては、次の（１）〜（３）がある。

（１）改質領域が１つ又は複数のクラックを含むクラック領域の場合
例えばサファイアやガラスなどからなる基板の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。このパルス幅の大きさは、多光子吸収を生じさせつつ基板の表面に余計なダメージを与えずに、基板の内部にのみクラック領域を形成できる条件である。これにより、基板の内部には多光子吸収による光学的損傷という現象が発生する。この光学的損傷により基板の内部に熱ひずみが誘起され、これにより基板の内部にクラック領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。

本発明者は、電界強度とクラックの大きさとの関係を実験により求めた。実験条件は次ぎの通りである。
（Ａ）基板：パイレックス（登録商標）ガラス（厚さ７００μｍ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：出力＜１ｍＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）基板が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

なお、レーザ光品質がＴＥＭ_００とは、集光性が高くレーザ光の波長程度まで集光可能を意味する。

図７は上記実験の結果を示すグラフである。横軸はピークパワー密度であり、レーザ光がパルスレーザ光なので電界強度はピークパワー密度で表される。縦軸は１パルスのレーザ光により基板の内部に形成されたクラック部分（クラックスポット）の大きさを示している。クラックスポットが集まりクラック領域となる。クラックスポットの大きさは、クラックスポットの形状のうち最大の長さとなる部分の大きさである。グラフ中の黒丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が１００倍、開口数（ＮＡ）が０．８０の場合である。一方、グラフ中の白丸で示すデータは集光用レンズ（Ｃ）の倍率が５０倍、開口数（ＮＡ）が０．５５の場合である。ピークパワー密度が１０^１１（Ｗ／ｃｍ^２）程度から基板の内部にクラックスポットが発生し、ピークパワー密度が大きくなるに従いクラックスポットも大きくなることが分かる。

次に、上記したレーザ加工方法において、クラック領域形成による基板の切断のメカニズムについて図８〜図１１を用いて説明する。図８に示すように、多光子吸収が生じる条件で基板１の内部に集光点Ｐを合わせてレーザ光Ｌを基板１に照射して切断予定ラインに沿って内部にクラック領域９を形成する。クラック領域９は１つ又は複数のクラックを含む領域である。このクラック領域９でもって切断起点領域が形成される。図９に示すようにクラック領域９を起点として（すなわち、切断起点領域を起点として）クラックがさらに成長し、図１０に示すようにクラックが基板１の表面３と裏面２１に到達し、図１１に示すように基板１が割れることにより基板１が切断される。基板の表面と裏面に到達するクラックは自然に成長する場合もあるし、基板に力が印加されることにより成長する場合もある。

（２）改質領域が溶融処理領域の場合
例えばシリコンのような半導体材料からなる基板の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１μｓ以下の条件でレーザ光を照射する。これにより基板の内部は多光子吸収によって局所的に加熱される。この加熱により基板の内部に溶融処理領域が形成される。溶融処理領域とは一旦溶融後再固化した領域や、まさに溶融状態の領域や、溶融状態から再固化する状態の領域であり、相変化した領域や結晶構造が変化した領域ということもできる。また、溶融処理領域とは単結晶構造、非晶質構造、多結晶構造において、ある構造が別の構造に変化した領域ということもできる。つまり、例えば、単結晶構造から非晶質構造に変化した領域、単結晶構造から多結晶構造に変化した領域、単結晶構造から非晶質構造及び多結晶構造を含む構造に変化した領域を意味する。基板がシリコン単結晶構造の場合、溶融処理領域は例えば非晶質シリコン構造である。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ〜２００ｎｓが好ましい。また、シリコンに限らず、例えばサファイアなどにおいても上記した溶融処理領域を形成することが可能である。

本発明者は、シリコンウェハの内部で溶融処理領域が形成されることを実験により確認した。実験条件は次の通りである。
（Ａ）基板：シリコンウェハ（厚さ３５０μｍ、外径４インチ）
（Ｂ）レーザ
光源：半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザ
波長：１０６４ｎｍ
レーザ光スポット断面積：３．１４×１０^−８ｃｍ^２
発振形態：Ｑスイッチパルス
繰り返し周波数：１００ｋＨｚ
パルス幅：３０ｎｓ
出力：２０μＪ／パルス
レーザ光品質：ＴＥＭ_００
偏光特性：直線偏光
（Ｃ）集光用レンズ
倍率：５０倍
Ｎ．Ａ．：０．５５
レーザ光波長に対する透過率：６０パーセント
（Ｄ）基板が載置される載置台の移動速度：１００ｍｍ／秒

図１２は、上記条件でのレーザ加工により切断されたシリコンウェハの一部における断面の写真を表した図である。シリコンウェハ１１の内部に溶融処理領域１３が形成されている。なお、上記条件により形成された溶融処理領域１３の厚さ方向の大きさは１００μｍ程度である。

溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを説明する。図１３は、レーザ光の波長とシリコン基板の内部の透過率との関係を示すグラフである。ただし、シリコン基板の表面側と裏面側それぞれの反射成分を除去し、内部のみの透過率を示している。シリコン基板の厚さｔが５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、５００μｍ、１０００μｍの各々について上記関係を示した。

例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの波長である１０６４ｎｍにおいて、シリコン基板の厚さが５００μｍ以下の場合、シリコン基板の内部ではレーザ光が８０％以上透過することが分かる。図１２に示すシリコンウェハ１１の厚さは３５０μｍなので、多光子吸収による溶融処理領域１３はシリコンウェハの中心付近、つまり表面から１７５μｍの部分に形成される。この場合の透過率は、厚さ２００μｍのシリコンウェハを参考にすると、９０％以上なので、レーザ光がシリコンウェハ１１の内部で吸収されるのは僅かであり、ほとんどが透過する。このことは、シリコンウェハ１１の内部でレーザ光が吸収されて、溶融処理領域１３がシリコンウェハ１１の内部に形成（つまりレーザ光による通常の加熱で溶融処理領域が形成）されたものではなく、溶融処理領域１３が多光子吸収により形成されたことを意味する。

なお、シリコンウェハは、溶融処理領域でもって形成される切断起点領域を起点として断面方向に向かって割れを発生させ、その割れがシリコンウェハの表面と裏面とに到達することにより、結果的に切断される。シリコンウェハの表面と裏面に到達するこの割れは自然に成長する場合もあるし、シリコンウェハに力が印加されることにより成長する場合もある。なお、切断起点領域からシリコンウェハの表面と裏面とに割れが自然に成長する場合には、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から割れが成長する場合と、切断起点領域を形成する溶融処理領域が溶融している状態から再固化する際に割れが成長する場合とのいずれもある。ただし、どちらの場合も溶融処理領域はシリコンウェハの内部のみに形成され、切断後の切断面には、図１２のように内部にのみ溶融処理領域が形成されている。基板の内部に溶融処理領域でもって切断起点領域を形成すると、割断時、切断起点領域ラインから外れた不必要な割れが生じにくいので、割断制御が容易となる。

（３）改質領域が屈折率変化領域の場合
例えばガラスなどからなる基板の内部に集光点を合わせて、集光点における電界強度が１×１０^８（Ｗ／ｃｍ^２）以上で且つパルス幅が１ｎｓ以下の条件でレーザ光を照射する。パルス幅を極めて短くして、多光子吸収を基板の内部に起こさせると、多光子吸収によるエネルギーが熱エネルギーに転化せずに、基板の内部にはイオン価数変化、結晶化又は分極配向等の永続的な構造変化が誘起されて屈折率変化領域が形成される。電界強度の上限値としては、例えば１×１０^１２（Ｗ／ｃｍ^２）である。パルス幅は例えば１ｎｓ以下が好ましく、１ｐｓ以下がさらに好ましい。

以上、多光子吸収により形成される改質領域として（１）〜（３）の場合を説明したが、基板の結晶構造やその劈開性などを考慮して切断起点領域を次のように形成すれば、その切断起点領域を起点として、より一層小さな力で、しかも精度良く基板を切断することが可能になる。

すなわち、シリコンなどのダイヤモンド構造の単結晶半導体からなる基板の場合は、（１１１）面（第１劈開面）や（１１０）面（第２劈開面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。また、ＧａＡｓなどの閃亜鉛鉱型構造のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる基板の場合は、（１１０）面に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。さらに、サファイアなどの六方晶系の結晶構造を有する基板の場合は、（０００１）面（Ｃ面）を主面として（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に切断起点領域を形成するのが好ましい。

なお、上述した切断起点領域を形成すべき方向（例えば、単結晶シリコン基板における（１１１）面に沿った方向）、或いは切断起点領域を形成すべき方向に直交する方向に沿って基板にオリエンテーションフラット（後述）を形成すれば、そのオリエンテーションフラットを基準とすることで、切断起点領域を容易且つ正確に基板に形成することが可能になる。

次に、上述したレーザ加工方法に使用されるレーザ加工装置について、図１４を参照して説明する。図１４はレーザ加工装置１００の概略構成図である。

レーザ加工装置１００は、レーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１と、レーザ光Ｌの出力やパルス幅等を調節するためにレーザ光源１０１を制御するレーザ光源制御部１０２と、レーザ光Ｌの反射機能を有しかつレーザ光Ｌの光軸の向きを９０°変えるように配置されたダイクロイックミラー１０３と、ダイクロイックミラー１０３で反射されたレーザ光Ｌを集光する集光用レンズ１０５と、集光用レンズ１０５で集光されたレーザ光Ｌが照射されるウェハ２が載置される載置台１０７と、載置台１０７をＸ軸方向に移動させるためのＸ軸ステージ１０９と、載置台１０７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１１１と、載置台１０７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１１３と、これら３つのステージ１０９，１１１，１１３の移動を制御するステージ制御部１１５とを備える。

この集光点ＰのＸ（Ｙ）軸方向の移動は、基板１をＸ（Ｙ）軸ステージ１０９（１１１）によりＸ（Ｙ）軸方向に移動させることにより行う。Ｚ軸方向は、ウェハ２の表面４と直交する方向なので、ウェハ２に入射するレーザ光Ｌの焦点深度の方向となる。よって、Ｚ軸ステージ１１３をＺ軸方向に移動させることにより、ウェハ２の基板の内部にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせることができる。これにより、レーザ光入射面から所定距離内側の所望の位置に集光点Ｐを合わせることができる。

レーザ光源１０１はパルスレーザ光を発生するＮｄ：ＹＡＧレーザである。レーザ光源１０１に用いることができるレーザとして、この他、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザやチタンサファイアレーザがある。本実施形態では、基板１の加工にパルスレーザ光を用いているが、多光子吸収を起こさせることができるなら連続波レーザ光でもよい。

レーザ加工装置１００はさらに、載置台１０７に載置されたウェハ２を可視光線により照明するために可視光線を発生する観察用光源１１７と、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された可視光用のビームスプリッタ１１９とを備える。ビームスプリッタ１１９と集光用レンズ１０５との間にダイクロイックミラー１０３が配置されている。ビームスプリッタ１１９は、可視光線の約半分を反射し残りの半分を透過する機能を有しかつ可視光線の光軸の向きを９０°変えるように配置されている。観察用光源１１７から発生した可視光線はビームスプリッタ１１９で約半分が反射され、この反射された可視光線がダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５を透過し、ウェハ２の切断予定ライン５等を含む表面４を照明する。なお、ウェハ２の裏面が集光用レンズ１０５側となるようウェハ２が載置台１０７に載置された場合は、ここでいう「表面」が「裏面」となるのは勿論である。

レーザ加工装置１００はさらに、ビームスプリッタ１１９、ダイクロイックミラー１０３及び集光用レンズ１０５と同じ光軸上に配置された撮像素子１２１及び結像レンズ１２３を備える。撮像素子１２１としては例えばＣＣＤカメラがある。切断予定ライン５等を含むウェハ２の表面４を照明した可視光線の反射光は、集光用レンズ１０５、ダイクロイックミラー１０３、ビームスプリッタ１１９を透過し、結像レンズ１２３で結像されて撮像素子１２１で撮像され、撮像データとなる。

レーザ加工装置１００はさらに、撮像素子１２１から出力された撮像データが入力される撮像データ処理部１２５と、レーザ加工装置１００全体を制御する全体制御部１２７と、モニタ１２９とを備える。撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして観察用光源１１７で発生した可視光の焦点をウェハ２の表面４上に合わせるための焦点データを演算する。この焦点データを基にしてステージ制御部１１５がＺ軸ステージ１１３を移動制御することにより、可視光の焦点がウェハ２の表面４に合うようにする。よって、撮像データ処理部１２５はオートフォーカスユニットとして機能する。また、撮像データ処理部１２５は、撮像データを基にして表面４の拡大画像等の画像データを演算する。この画像データは全体制御部１２７に送られ、全体制御部で各種処理がなされ、モニタ１２９に送られる。これにより、モニタ１２９に拡大画像等が表示される。

全体制御部１２７には、ステージ制御部１１５からのデータ、撮像データ処理部１２５からの画像データ等が入力し、これらのデータも基にしてレーザ光源制御部１０２、観察用光源１１７及びステージ制御部１１５を制御することにより、レーザ加工装置１００全体を制御する。よって、全体制御部１２７はコンピュータユニットとして機能する。

次に、上述したレーザ加工方法及びレーザ加工装置１００を用いた、本実施形態に係る発光素子の製造方法について説明する。図１５は、本実施形態に係る発光素子の製造方法において用いられるウェハ２を示す斜視図である。また、図１６は、図１５に示されたウェハ２の平面図である。また、図１７は、図１６に示されたウェハ２のVI−VI断面及びVII−VII断面を示す拡大図である。本実施形態では、発光素子として発光ダイオードを製造する方法について説明する。

図１５〜図１７を参照すると、ウェハ２は、略円盤状を呈しており、オリエンテーションフラット（以下「ＯＦ」という）１９を有している。本実施形態において、ウェハ２は、サファイアからなる基板１と、基板１の表面３上に積層された第１導電型半導体層であるｎ型半導体層１７ａと、ｎ型半導体層１７ａ上に積層された第２導電型半導体層であるｐ型半導体層１７ｂとを備えている。ｎ型半導体層１７ａ及びｐ型半導体層１７ｂは、例えばＧａＮなどのIII−Ｖ族化合物半導体からなり、互いにｐｎ接合されている。基板１が厚いとｎ型半導体層１７ａ及びｐ型半導体層１７ｂにおける発熱を逃がすことが困難となるので、基板１の厚さは５０μｍ〜２００μｍ、好ましくは５０μｍ〜１５０μｍである。また、ｎ型半導体層１７ａ及びｐ型半導体層１７ｂの厚さは、それぞれ例えば６μｍ、１μｍである。

また、図１６を参照すると、ウェハ２には切断予定ライン５が設定されている。切断予定ライン５は、ウェハ２をチップ状に切断するために想定される。本実施形態では、切断予定ライン５はＯＦ１９の長手方向に平行な方向と、ＯＦ１９に垂直な方向とにそれぞれ複数設定されている。また、前述したように、ＯＦ１９は、サファイアからなる基板１の劈開面に沿った方向、或いは劈開面に沿った方向と直交する方向に形成されている。すなわち、切断予定ライン５の少なくとも一方向は、サファイアからなる基板１の（１１２０）面（Ａ面）或いは（１１００）面（Ｍ面）に沿った方向に設定されている。なお、互いに隣り合う切断予定ライン５の間隔は、例えば２ｍｍ程度である。

図１８及び図１９は、本実施形態に係る発光素子の製造方法を説明するためのフローチャートである。また、図２０〜図２３は、発光素子の製造方法を説明するためのウェハ２の断面図である。

図１８を参照すると、まず、ウェハ２の裏面（すなわち、基板１の裏面２１）にエキスパンドテープ２３を貼る（Ｓ１、図２０）。エキスパンドテープ２３は、例えば加熱により伸びる材料からなり、後の工程において、ウェハ２をチップ状に分離させるために用いられる。

続いて、図１６に示された切断予定ライン５に沿ってウェハ２のｐ型半導体層１７ｂ側の面をエッチングすることにより、溝２５を形成する（Ｓ３、図２１）。このとき、溝２５の深さが、ｐ型半導体層１７ｂからｎ型半導体層１７ａの途中までの深さとなるように溝２５を形成する。また、溝２５の幅を、ｐ型半導体層１７ｂが所望の形状寸法となるように形成するとともに、ウェハ２をチップ状に分離した後の溝２５の底面上にｎ型半導体層１７ａと電気的に接続される電極を設けるスペースを確保できるように形成する。また、このとき、溝２５の底面を、平坦かつ滑面に形成することが好ましい。なぜなら、後の工程において溝２５の底面をレーザ光入射面として基板１内部へレーザ光を照射するが、溝２５の底面が粗いと、レーザ光が底面において散乱してしまい基板１の内部に入射するレーザ光が適切な強度にならないためである。

なお、エッチング方法にはウェットエッチング及びドライエッチングがあるが、溝２５を形成する際にはそのいずれを用いてもよい。ウェットエッチングとしては例えばリン酸及び硫酸の混酸によるエッチングがある。また、ドライエッチングとしては例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、反応性イオンビームエッチング（ＲＩＢ）、イオンミリング等がある。また、溝２５を形成する際には、エッチング以外にも例えばブレードダイシング等により形成してもよい。

続いて、ウェハ２の基板１の内部に、溝２５に沿って切断起点領域を形成する（Ｓ５、図２２）。すなわち、溝２５の底面をレーザ光入射面としてｎ型半導体層１７ａを介して基板１の内部の集光点Ｐへレーザ光Ｌを照射することにより、基板１の内部に改質領域７を形成する。この改質領域７が、ウェハ２を切断する際の切断起点領域となる。

ここで、図１９は、図１４に示されたレーザ加工装置１００を用いてウェハ２に切断起点領域を形成する方法を示すフローチャートである。なお、本実施形態において、ウェハ２は、レーザ加工装置１００の載置台１０７に、ウェハ２のｐ型半導体層１７ｂ側の面が集光用レンズ１０５と対向するように配置される。すなわち、レーザ光Ｌは、ウェハ２のｐ型半導体層１７ｂ側から入射される。

図１４及び図１９を参照すると、まず、基板１及びｎ型半導体層１７ａの光吸収特性を図示しない分光光度計等により測定する。この測定結果に基づいて、基板１及びｎ型半導体層１７ａに対して透明な波長又は吸収の少ない波長のレーザ光Ｌを発生するレーザ光源１０１を選定する（Ｓ１０１）。なお、このレーザ光Ｌはウェハ２のｐ型半導体層１７ｂ側から照射されることとなるため、ウェハ２の裏面２１に例えば遮光性の電極等が設けられている場合であっても、レーザ加工の妨げとなるようなことはない。

続いて、基板１及びｎ型半導体層１７ａの厚さ、材質、及び屈折率等を考慮して、ウェハ２のＺ軸方向の移動量を決定する（Ｓ１０３）。これは、溝２５の底面から所定距離内側の所望の位置にレーザ光Ｌの集光点Ｐを合わせるために、溝２５の底面に位置するレーザ光Ｌの集光点Ｐを基準としたウェハ２のＺ軸方向の移動量である。この移動量は全体制御部１２７に入力される。

ウェハ２をレーザ加工装置１００の載置台１０７にウェハ２の表面４が集光用レンズ１０５側と対向するよう載置する。そして、観察用光源１１７から可視光を発生させてウェハ２の表面４を照明する（Ｓ１０５）。照明されたウェハ２における溝２５の底面を撮像素子１２１により撮像する。撮像素子１２１により撮像された撮像データは撮像データ処理部１２５に送られる。この撮像データに基づいて撮像データ処理部１２５は、観察用光源１１７の可視光の焦点がウェハ２の溝２５の底面に位置するような焦点データを演算する（Ｓ１０７）。

この焦点データはステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５は、この焦点データを基にしてＺ軸ステージ１１３をＺ軸方向の移動させる（Ｓ１０９）。これにより、観察用光源１１７の可視光の焦点がウェハ２の溝２５の底面に位置する。なお、撮像データ処理部１２５は撮像データに基づいて、溝２５を含むウェハ２の表面４の拡大画像データを演算する。この拡大画像データは全体制御部１２７を介してモニタ１２９に送られ、これによりモニタ１２９に溝２５付近の拡大画像が表示される。

全体制御部１２７には予めステップＳ１０３で決定された移動量データが入力されており、この移動量データがステージ制御部１１５に送られる。ステージ制御部１１５はこの移動量データに基づいて、レーザ光Ｌの集光点Ｐの位置が基板１の内部であって溝２５の底面から所定距離内側となるように、Ｚ軸ステージ１１３によりウェハ２をＺ軸方向に移動させる（Ｓ１１１）。

続いて、レーザ光源１０１からレーザ光Ｌを発生させて、レーザ光Ｌをウェハ２の溝２５の底面に照射する。レーザ光Ｌの集光点Ｐは基板１の内部に位置しているので、改質領域７は基板１の内部にのみ形成される。また、このとき、レーザ光Ｌを溝２５の幅よりも狭い範囲に入射して、溝２５の長手方向と交差する方向の改質領域７の幅を、溝２５の当該方向の幅よりも狭く形成することが好ましい。なお、レーザ光Ｌをこのように入射するためには、溝２５の底面におけるレーザ光Ｌの屈折率、溝２５の幅、及び基板１内部の集光点Ｐの位置を互いに調整する必要がある。

続いて、溝２５に沿うようにＸ軸ステージ１０９やＹ軸ステージ１１１を移動させて、溝２５に沿うように改質領域７を複数形成するか、あるいは溝２５の長手方向に連続して形成し、切断予定ライン５に沿う切断起点領域を基板１の内部に形成する（Ｓ１１３）。

ここで、再び図１８を参照すると、ウェハ２の基板１に切断起点領域を形成したのち、切断起点領域に沿ってウェハ２を複数のチップに切断する（Ｓ７、図２３）。すなわち、エキスパンドテープ２３をウェハ２の裏面２１と平行な方向に伸ばすことにより、基板１の内部に形成された切断起点領域を起点として基板１が切断される。このとき、一般的にｎ型半導体層１７ａは基板１よりも充分に薄いので、基板１が切断されると同時に、溝２５の底面と基板１との間にあるｎ型半導体層１７ａが切断される。このようにしてウェハ２が切断され、複数のチップ状に分割される。こうして、ｎ型半導体層１７ａ及びｐ型半導体層１７ｂとの間にｐｎ接合を有する発光ダイオード３１が形成される。なお、発光ダイオード３１に残っている溝２５の底面には、必要に応じてｎ型半導体層１７ａに電気的に接続される電極を設けることができる。

以上説明したように、本実施形態に係る発光素子の製造方法及び発光ダイオードでは、ウェハ２の基板１の内部に多光子吸収という現象により形成される改質領域７でもって、切断予定ライン５に沿った切断起点領域を形成することができ、基板１を切断起点領域に沿って比較的小さな力で割って切断することができる。そして、基板１が切断予定ライン５に沿って切断されることにより、基板１上に積層されたIII−Ｖ族化合物からなるｎ型半導体層１７ａも切断予定ラインに沿って切断される。したがって、この製造方法によれば、ｎ型半導体層１７ａなどのIII−Ｖ族化合物半導体層を有するウェハ２を高精度かつ効率よく切断することができる。

また、ウェハを切断する際にブレードダイシング法のみを用いる場合、切断中のウェハを洗浄するための大がかりな洗浄工程が必要となり、大型の設備が必要となる。これに対し、本実施形態に係る発光素子の製造方法によれば、ウェハ２の厚さの殆どを切断起点領域により切断するので、そのような洗浄工程は必要なく、発光素子を製造するための設備をより簡易にできる。

また、本実施形態に係る発光素子の製造方法においては、基板１にレーザ光Ｌを照射する前に、切断予定ライン５に沿ってｎ型半導体層１７ａ及びｐ型半導体層１７ｂに溝２５を形成することが好ましい。この製造方法によれば、ウェハ２を切断して形成される発光ダイオード３１のｎ型半導体層１７ａに電極を設ける場合に、この電極を設けるためのスペースを容易に形成することができる。なお、溝２５を形成しない場合には、基板１が切断起点領域に沿って切断される際に、ｎ型半導体層１７ａに加えてｐ型半導体層１７ｂも同時に切断される。

また、本実施形態に係る発光素子の製造方法においては、基板１にレーザ光Ｌを照射する際に、溝２５の底面をレーザ光入射面としている。この製造方法によれば、基板１にレーザ光Ｌを照射する際に、ウェハ２上に想定された切断予定ライン５を容易に認識することができるとともに、レーザ光Ｌを溝２５の位置にあわせて精度良く照射することができる。

また、本実施形態に係る発光素子の製造方法においては、ウェハ２に溝２５を形成する際に、溝２５の底面を平坦かつ滑面に形成することが好ましい。これによって、溝２５の底面をレーザ光入射面とする場合に、溝２５の底面におけるレーザ光Ｌの散乱を防ぐことができる。

また、本実施形態に係る発光素子の製造方法においては、改質領域７を形成する際に、溝２５の長手方向と交差する方向の改質領域７の幅を、溝２５の当該方向の幅よりも狭く形成している。この製造方法によれば、レーザ光Ｌを溝２５の幅よりも狭い範囲に入射することで改質領域７を形成できるので、溝２５の周囲のｐ型半導体層１７ｂがレーザ光Ｌにより損傷することを防止できる。

なお、基板１の裏面２１をレーザ光入射面として、集光点Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより、改質領域７を形成してもよい。このようにすれば、溝２５の底面が粗いなどの理由によりレーザ光Ｌの入射に適さない場合であっても、ウェハ２の基板１の内部に改質領域７でもって切断起点領域を形成することができる。また、前述したように、レーザ光入射面は平坦かつ滑面であることが好ましいが、比較的狭い溝２５の底面よりも、基板１の裏面２１のほうが平坦かつ滑面に形成しやすい場合がある。このような場合に、基板１の裏面２１を例えば研磨するなどしてからレーザ光Ｌを入射すれば、切断起点領域を容易に形成することができる。なお、このように基板１の裏面２１からレーザ光Ｌを入射する場合は、エキスパンドテープ２３をウェハ２の表面４に貼るとよい。

図２４は、本実施形態による発光素子の製造方法の変形例を説明するための断面図である。本変形例では、基板１の内部において、基板１の厚さ方向に複数の改質領域７を形成する。改質領域７をこのように形成するには、図１９に示されたフローチャートのステップＳ１１１（ウェハをＺ軸方向に移動）とステップＳ１１３（改質領域の形成）とを交互に複数回行うとよい。また、ウェハをＺ軸方向に移動するのと改質領域の形成とを同時に行うことにより、基板１の厚さ方向に連続して改質領域７を形成してもよい。

本変形例のように改質領域７を形成することにより、基板１の厚さ方向に延びた切断起点領域を形成することができる。従って、ウェハ２をより小さな力で割って切断することができる。さらに、基板１の厚さ方向に改質領域７によるクラックを成長させれば、外部からの力を必要とせずウェハ２を分離することもできる。

図２５及び図２６は、本実施形態による発光素子の製造方法の別の変形例を説明するための断面図である。本変形例では、発光素子として半導体レーザを製造する方法を説明する。

図２５を参照すると、本変形例に用いられるウェハ２ａは、サファイアからなる基板１と、基板１の表面３上に積層された第１導電型半導体層であるｎ型半導体層３３ａと、ｎ型半導体層３３ａ上に積層された活性層３３ｂと、活性層３３ｂ上に積層された第２導電型半導体層であるｐ型半導体層３３ｃとを備えている。本変形例において、ｎ型半導体層３３ａ、活性層３３ｂ、及びｐ型半導体層３３ｃは、例えばＧａＮなどのIII−Ｖ族化合物半導体からなり、量子井戸構造を構成している。なお、本変形例におけるウェハ２ａは、図１５及び図１６に示された上記実施形態のウェハ２と同様の外形を有している。

本変形例による発光素子の製造方法では、まず、ウェハ２ａの裏面２１にエキスパンドテープ２３を貼る。そして、ウェハ２ａのｐ型半導体層３３ｃ側の面に溝２５を形成する。このとき、溝２５を、切断予定ライン５（図１６参照）に沿って、活性層３３ｂを分割して基板１に達しない深さ、すなわちｐ型半導体層３３ｃからｎ型半導体層３３ａの途中までの深さになるように形成する。また、このとき、溝２５の側壁によって、活性層３３ｂに共振面３５が形成される。共振面３５は、活性層３３ｂを挟んで２面形成され、この２面は互いに対向する。

続いて、溝２５の底面をレーザ光入射面として基板１の内部の集光点Ｐにレーザ光Ｌを照射することにより、改質領域７を形成する。そして、この改質領域７を形成しながら溝２５の長手方向に沿って集光点Ｐを移動することにより、基板１の内部に切断起点領域を形成する。そして、図２６に示されるように、エキスパンドテープ２３を伸ばすことにより、ウェハ２ａを切断起点領域に沿ってチップ状に切断し、半導体レーザ素子３７を得る。

本変形例により得られる半導体レーザ素子３７においては、ウェハ２ａの基板１の内部に多光子吸収という現象により形成される改質領域７でもって形成された、切断予定ライン５に沿った切断起点領域により基板１が切断起点領域に沿って比較的小さな力で割って切断される。そして、基板１が切断予定ライン５に沿って切断されることにより、基板１上に積層されたｎ型半導体層３３ａも切断予定ライン５に沿って切断される。したがって、III−Ｖ族化合物からなるｎ型半導体層３３ａを有するウェハ２が高精度かつ効率よく切断されて形成された半導体レーザ素子３７を提供することができる。

また、本変形例により得られる半導体レーザ素子３７においては、活性層３３ｂを分割するとともに基板１に達しない深さの溝２５がウェハ２ａに形成されることによって、ｎ型半導体層３３ａと電気的に接続されるカソード電極のためのスペースが形成されるとともに、レーザ発振のための共振面３５が活性層３３ｂに形成される。なお、溝２５を形成しない場合には、基板１が切断起点領域に沿って切断される際に、ｎ型半導体層３３ａに加えて活性層３３ｂ及びｐ型半導体層３３ｃも同時に切断される。

以上、本発明の実施形態及び変形例について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び変形例に限定されないことはいうまでもない。

上記実施形態及び変形例では、基板の材料としてサファイアを用いているが、これ以外にも、例えばＳｉＣ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、及びＧａＡｓなどを用いることができる。また、ｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層の材料としてＧａＮを用いているが、これ以外にも、例えばＧａＡｌＡｓ、ＧａＡｌＡｓＰ、ＧａＡｌＩｎＰなどのIII−Ｖ族化合物を用いることができる。

また、III−Ｖ族化合物のなかでも例えばＩｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ（Ｘ≧０、Ｙ≧０、Ｘ＋Ｙ≦１）で表されるような窒化物系III−Ｖ族化合物（ＧａＮも含まれる）からなる半導体層は、一般的にサファイア基板上に積層されることが多い。サファイアは、他の材料にくらべて硬度が大きく、エッチングやブレードダイシングに要する時間が長くなる。しかも、サファイア及び窒化物系III−Ｖ族化合物は、ＧａＡｓなどに比べて劈開性が小さく、特許文献１などに開示されたダイヤモンドスクライブ法を用いると切断面が不規則になりやすい。従って、サファイア基板上に窒化物系III−Ｖ族化合物半導体が積層されたようなウェハにおいて、サファイア基板と半導体層とを同時に切断するような場合には、本発明による発光素子の製造方法を適用することにより、格段に切断精度がよくなるとともに製造効率を高めることができる。

また、上記実施形態及び実施例における改質領域７形成以前に、基板が薄くなるよう裏面を研磨してもよい。図２７（ａ）〜（ｃ）は、上記した実施形態におけるウェハ２の基板１の裏面２１を研磨する方法の一例を示す図である。まず、図２７（ａ）に示されるように、ウェハ２のｐ型半導体層１７ｂ側の面にテープ２４を貼る。そして、図２７（ｂ）に示されるように、基板１の裏面２１を研磨して、基板１の厚さを小さくする。このとき、ウェハ２は裏面２１側が上向いており、図２７（ｂ）は実際とは上下逆の図になっている。続いて、図２７（ｃ）に示されるように、テープ２４を除去し、基板１の裏面２１にエキスパンドテープ２３を貼る。

基板が比較的薄い場合には、基板を切断する際の精度が一層向上する。さらに、基板の裏面からレーザ光を入射する場合、基板を薄くすることで溝の位置が裏面から確認できる。また、改質領域から基板の厚さ方向にクラックを成長させることにより、外部からの力を必要とせずウェハをチップに分離することも容易となる。

また、上記実施形態及び実施例では、半導体層としてｐ型半導体層、活性層、及びｎ型半導体層が基板に積層されている。半導体層としてはこれ以外にも、電極との電気的接続のためのコンタクト層などがさらに積層されていてもよい。また、第１導電型をｎ型とし、第２導電型をｐ型としているが、第１導電型がｐ型で第２導電型がｎ型であってもよい。

また、上記実施形態では、切断起点領域が形成されたウェハを切断するために、エキスパンドテープを用いている。切断起点領域が形成されたウェハを切断するには、これ以外にも例えばナイフエッジを溝の底面またはウェハの裏面に押し当てて切断する方法や、ブレーカー装置、またはローラー装置を用いて切断する方法などがある。

１…基板、２，２ａ…ウェハ、３…表面、５…切断予定ライン、７…改質領域、２１…裏面、２５…溝、１００…レーザ加工装置、１０１…レーザ光源、１０５…集光用レンズ、１０７…載置台、１２７…全体制御部、Ｌ…レーザ光、Ｐ…集光点。

Claims (4)

1. 基板の表面上にIII−Ｖ族化合物半導体からなる半導体層が積層され且つ切断予定ラインに沿って前記半導体層に溝が形成されたウェハに対し、前記基板の裏面をレーザ光入射面としてパルスレーザ光を照射することにより、前記切断予定ラインに沿って改質領域を前記基板の内部に形成するレーザ加工装置であって、
   前記ウェハが載置される載置台と、
   前記パルスレーザ光を発生するレーザ光源と、
   前記レーザ光源で発生された前記パルスレーザ光を、前記載置台に載置された前記ウェハに集光する集光用レンズと、
   前記レーザ光源、及び前記ウェハにおける前記パルスレーザ光の集光点の位置を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   該基板の前記表面及び前記裏面には前記溝及びスクライブラインを形成することなく前記改質領域から発生させた割れを前記基板の前記表面及び前記裏面に到達させ、前記切断予定ラインに沿って、前記基板と共に前記切断予定ライン上に存在する前記半導体層を当該割れによって切断するために、
   前記溝の位置を前記基板の前記裏面から確認し、該基板の内部に前記集光点を合わせて該基板に前記パルスレーザ光を照射させ、前記半導体層を加工することなく、形成される改質部分を前記切断予定ラインに沿って該基板の前記裏面から所定距離内側に前記切断予定ラインの延びる方向に断続的に複数形成させることで、前記改質領域を該基板の内部にのみ形成させる、レーザ加工装置。
2. 前記基板の前記裏面が平坦かつ滑面である、請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記改質領域を形成する際に、該改質領域を前記基板の厚さ方向に複数形成する、請求項１又は２記載のレーザ加工装置。
4. 前記基板はサファイア基板である、請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ加工装置。

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