JP5768353B2 - 窒化物系化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、紫外光から赤色系まで発光可能な発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という）、レーザーダイオード（以下、「ＬＤ」という）等の発光デバイスに使用される窒化物系化合物半導体チップに係り、特に、基板上に窒化物系化合物半導体が積層されたウエハーをチップ状に分離した窒化物系化合物半導体素子の製造方法に関する。

一般に、窒化物系化合物半導体ＬＥＤ素子は、サファイア基板上に成長させる。基板上に半導体材料が積層されたウエハーから発光デバイス用のチップを切り出す場合、ダイサーやスクライバー、レーザースクライバーが使用されている。ダイサーとは刃先をダイヤモンドとする円盤状のブレードの回転運動により、ウエハーを直接フルカットするか、または刃先巾よりも広い巾の溝を切り込んだ後（ハーフカット）、外力によってウエハーを割る装置である。一方、スクライバーとは同じく先端をダイヤモンドとする針の往復直線運動によりウエハーに極めて細い切断線（罫書線）を例えば碁盤目状に引いた後、外力によってウエハーを割る装置である。また、レーザースクライブとはレーザーにより基板に切り込みを入れた後、応力をかけて切り込み面で割る装置である。

窒化物系化合物半導体ウエハーは、スクライバーやダイサー等を組み合わせて所望のチップに分離することが行われている。ウエハーをチップに分離する従来技術として、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体を積層した半導体ウエハーに対し、ダイサーによりサファイア基板の下面に溝部を、その底面とサファイア基板の上面との間隔がほぼ１００μｍとなるように形成する。次に、スクライバーにより、溝部の底面に切断線を形成する。続いて、切断線に沿って、ローラーにより荷重を加え、半導体ウエハーを切断することにより、半導体の表面の面積がサファイア基板の下面の面積より大きい半導体チップを形成することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、近年ではサファイア基板に替わり、導電性と透過性が優れたＧａＮ基板を用い、ＧａＮ基板の厚さを最小化して、ＬＥＤ素子の光抽出効率を向上させることができる窒化ガリウム系ＬＥＤ素子が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平８−２７４３７１号公報 特開２００７−３０５９９９号公報

ＧａＰやＧａＡｓ等のせん亜鉛構造の結晶は、へき開性が「１１０」方向にある。そのため、この性質を利用してＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＧａＰなどの半導体ウエハーを比較的簡単に所望形状に分離することができる。

しかしながら、窒化物系化合物半導体はサファイア基板上などに積層されるヘテロエピ構造であり、窒化物系化合物半導体とサファイア基板とは格子定数不整が大きい。サファイア基板は六方晶系という性質上、へき開性を有していない。さらに、サファイア、窒化物系化合物半導体ともモース硬度がほぼ９と非常に硬い物質である。したがって、スクライバーで切断することは困難であり、ダイサーでは切断面にクラック、チッピングが発生しやすくなり正確に切断することができなかった。また、レーザースクライバーを用いた場合は、切断面のクラックやチッピングに加え、レーザーにより基板が気化した際に生じるスクライブ塵によって光出力が低下するという問題があった。

また、サファイア基板は電気的に不導体であり、熱伝導性が良くないため、光出力や半導体素子の特性を向上させるのに限界がある。特に、半導体素子の高出力化には大電流の印加を伴うため、半導体素子の熱放出といった温度特性の改善が求められる。したがって、導電性と透過性が優れたＧａＮ基板を用いた窒化物系化合物半導体チップの開発が重要性を増している。

一枚のウエハーからできるだけ数多くの半導体チップを得て生産性を上げることは非常に重要であり、しかも窒化物系化合物半導体の結晶性を傷めずに多くのチップを得ることは必須要件である。ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体を積層したＬＥＤについては、工業的にウエハーをチップに分離する手段は開発されていないが、近い将来のＧａＮ基板を用いたＬＥＤの実用化に向けて、益々高度なチップ化技術が求められている。したがって、本発明はこのような事情を鑑みてなされたものである。その目的とするところは、ＧａＮを基板とする窒化物系化合物半導体ウエハーをチップ状に分離するに際し、歩留まり良く、正確に切断する窒化物系化合物半導体チップの製造方法を提供することにある。

本発明によれば、前記課題は次の手段により解決される。

本発明に係る窒化物系化合物半導体チップの製造方法は、ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体が積層されたウエハーをチップ状に分離する方法であって、前記ＧａＮ基板を厚み１００μｍ以上２１０μｍ以下になるように研磨する工程と、前記ウエハーを、窒化物系化合物半導体が積層された側から、前記ウエハーに対してカッターの中心軸の角度が６０°より大きく７５°より小さく、カッター押し込み深さが前記ＧａＮ基板の厚みの１５％以下でカッターにより複数回スクライブすることで切断する工程と、を具備する。
これにより、高い歩留まりで正確に切断することができ、一枚のウエハーから取り出せるチップ数を増加させて、生産性が向上する。

また、前記カッターにより複数回スクライブすることで切断する工程は、前記ウエハーに対して押圧するカッターの荷重が０．２Ｎ以上０．４Ｎ以下であって、同じ荷重で複数回スクライブを行うことが好ましい。
これにより、カッターによる加工幅を制限する事で、半導体層や電極の破損を防ぎ、かつウエハーの未切断を防ぐことができる。

本発明によれば、ＧａＮを基板とする窒化物系化合物半導体ウエハーをチップ状に分離するに際し、歩留まり良く、正確に切断する窒化物系化合物半導体チップの製造方法を提供することができる。

本発明の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 本発明の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 本発明の製造方法の一工程を示す概略断面図である。 本発明の製造方法の一工程を示す概略図である。 本発明の製造方法の一工程において形成した溝を、光学顕微鏡で上面から撮影した写真である。 実施例及び参考例に係る分離後のチップの切断線を、光学顕微鏡で上面から撮影した写真である。 実施例及び参考例に係る分離後のチップを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真である。

本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための半導体発光素子やその製造方法を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。

また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定されるものでは決してない。実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明に過ぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに、以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細な説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する様態としても良いし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

本発明の半導体チップの製造方法において、カッターとしては、例えば先端をダイヤモンドとする針を使用するカッタースクライブを用いるのが好ましい。カッタースクライブは線幅の狭い溝を形成しやすいため、ウエハーの隣接するチップの間に正確に溝を形成して半導体層や電極の破損を防ぐことができる。また、エッチングに比べて迅速に溝を形成することができる。さらに、ダイシングに比べてウエハー切断時にＧａＮ基板を削り取る面積が小さくて済むので、一枚のウエハーから多くのチップが得られる。そして、レーザースクライブのように、発生したスクライブ塵が半導体素子に付着して光を遮断する恐れがないといった利点があるためである。

本発明の半導体チップ製造方法は、非常に硬いＧａＮ基板及び窒化物系化合物半導体層を、カッタースクライブを用いた手法により溝を効率良く容易に形成したものである。ＧａＮ基板の厚み、ウエハーに対するカッターの角度、押し込み深さ、荷重を適宜調整することにより、ウエハーにかかるストレスを大幅に緩和して、所望のチップ形状に精度良く分離することができる。

本発明の半導体素子に係る製造方法を、図面を基に説明する。
図１〜３は、それぞれ本発明の製造方法の一工程を示す概略断面図であり、図４は本発明の製造方法の一工程を示す概略図である。

図１はＧａＮ基板１１の上にｎ型窒化物半導体層（ｎ型層）１２とｐ型窒化物半導体層（ｐ型層）１３とを積層したウエハーの概略断面図であり、ｐ型層１３が予めエッチングされて、ｎ電極を設けるためのｎ型層１２が露出される。ｎ型層１２とｐ型層１３にはそれぞれ電極（図示せず）が形成されている。

まず、図２に示すように、ＧａＮ基板１１を、厚みが１００μｍ以上２１０μｍ以下になるように研磨する。研磨前のウエハー１（図１）は、ＧａＮ基板１１の厚さが３００〜８００μｍ、その上に積層された半導体層２０の厚さが多くとも数十μｍあり、そのほとんどがＧａＮ基板の厚さで占められている。しかも、ＧａＮ基板１１は非常に硬く切断しにくい性質を有しているので、ＧａＮ基板が厚すぎるとチップに分離し難く歩留まりが悪くなる。したがって、ＧａＮ基板１１の厚さを前記範囲に調整することにより、ウエハー１にストレスがかかってたわむことも割れることもなく、ＧａＮ基板１１をほぼ垂直に割ることができる。

次に、ウエハーをカッタースクライバーのＸＹステージ上に固定配置させる。図３に示すように、半導体層２０側から、ウエハーをＸ軸及びＹ軸方向にそれぞれ移動させて縦横にカッターで溝３１を形成し切断する。このとき、図４に示すように、カッター２１の中心軸Ｓとウエハー１のなす角度ｄが６０°より大きく７５°より小さくなるように、カッター２１を傾けるのが好ましい。これにより、ウエハー１の隣接するチップの間に正確に、細い線状の溝３１を形成することができる。
また、カッター２１のウエハー１に対する押し込み深さは、研磨後のＧａＮ基板１１の厚みの１５％以下が好ましい。これにより、カッターがウエハー外周部と接触する際に生じるカッターの跳ねを抑制することができ、外周部の歩留りを向上させることができる。
ウエハー１に対して押圧するカッター２１の荷重は、０．２Ｎ以上０．４Ｎ以下が好ましく、０．３Ｎがさらに好ましい。荷重が大きすぎると溝の幅が大きくなって半導体層や電極を破損する恐れがあり、小さすぎると溝３１が形成できない。したがって、このようにカッターによる加工幅を制限する事で、半導体層や電極の破損を防ぎ、かつウエハーの未割断を防ぐことができる。
カッター２１の押し込み深さ、荷重においては、露出したｎ型層１２内に溝３１を形成するために、適宜調整することができる。

カッター２１で溝３１を形成する工程は、同一切断線の溝３１に対して複数回繰り返して行うことができ、溝３１は、ＧａＮ基板１１まで到達する深さに形成することが好ましい。そうすることで、溝３１はウエハー１の半導体層２０側からＧａＮ基板１１の方向へと順次深く形成され、溝３１がある程度の深さに達すると、外力を加えることなくウエハーを正確に切断することが可能となる。また、溝３１を形成する工程の後、ウエハー１にローラーやブレード等外力による荷重衝撃を、半導体層２０側、またはＧａＮ基板１１側から与えてチップに分離しても良い。ブレードを用いる場合は溝３１に沿って荷重衝撃を加えるのが好ましい。

本発明の具体例を実施例に基づいて詳述するが、この実施例のみに限定されるものではないことはいうまでもない。

＜実施例１＞
厚さ５５０μｍ、大きさ３インチφのＧａＮ基板１１の上に順にｎ型ＧａＮ（ｎ型層１２）１０．５μｍと、ｐ型ＧａＮ（ｐ型層１３）０．１μｍとを積層したウエハー１を用意した。このウエハー１のｎ型ＧａＮとｐ型ＧａＮが積層された半導体層２０側から、予め所定の形状で１．２μｍの深さでエッチングして、図１に示すように電極を設けるべきｎ型ＧａＮを一部露出させた後、ｎ電極とｐ電極をそれぞれｎ型ＧａＮとｐ型ＧａＮ上に形成した。分離させやすくするために、ウエハー１のＧａＮ基板１１側を研磨機により研磨して、ＧａＮ基板１１の厚みを２００μｍにした。

次に、研磨後のウエハーのＧａＮ基板１１側に粘着シートを貼り合わせ、図４で示すようにスクライバーのテーブル２２上にウエハー１を貼り付け、真空チャックで固定した。テーブルはＸ軸（左右）、Ｙ軸（前後）方向に移動することができ、回転可能な構造となっている。固定後、半導体層２０側からＸ軸方向に、カッターについて角度ｄが７０°、押し込み深さ２５μｍ、荷重０．３Ｎで１ラインにつき５回スクライブした。テーブルを９０°回転させて今度はＹ軸方向に角度ｄ、押し込み深さ、荷重を同様にして１ラインにつき５回スクライブして溝３１を形成して切断し、３インチφのウエハーから３２０μｍ角のチップを多数得た。

＜比較例１＞
実施例１の溝３１を形成する工程において、角度ｄが、５５°〜７５°になるようにカッター２１を傾け、カッター押し込み深さ２５μｍ、荷重０．３Ｎで1ラインにつき３回スクライブしてウエハー１に溝３１を形成した。形成した溝を、光学顕微鏡で上面から撮影した写真を、図５Ａ〜Ｄ（Ａ：５５°、Ｂ：６０°、Ｃ：６５°、Ｄ：７５°）に示す。角度ｄを６０°以下にするとカッター２１の刃先がウエハー１に対して平坦になり、ウエハー１と刃先との接触面積が大きくなるため、ウエハー１に溝３１が入りにくく、また角度ｄを７５°以上にすると、カッター２１がウエハー１上ではね易くなった。この後、引き続きカッタースクライブを行って溝３１を形成したが、チップに分離することができたのは角度ｄが６５°のもののみであった。

＜参考例１＞
実施例１の溝３１を形成する工程において、溝３１をＧａＮ基板１１の半導体層２０が積層されていない側から形成する他は同様にして、チップに分離した。

＜参考例２＞
実施例１の溝３１を形成する工程において、溝３１をナノレーザーで加工速度１５ｍｍ／ｓｅｃ、レーザーパワー１Ｗ、レーザー周波数１００ｋＨｚにて深さ５０μｍほどの溝を形成し、応力をかけて切り込み面で割る他は同様にして、チップに分離した。

＜参考例３＞
実施例１の溝３１を形成する工程において、溝３１をナノレーザーでＧａＮ基板１１の半導体層２０が積層されていない側から加工速度１５ｍｍ／ｓｅｃ、レーザーパワー１Ｗ、レーザー周波数１００ｋＨｚにて深さ５０μｍほどの溝を形成し、応力をかけて切り込み面で割る他は同様にして、チップに分離した。

＜参考例４＞
実施例１の研磨後のウエハーをダイサーのテーブルに固定し、ブレード幅３０μｍのブレードを用いて、半導体層側からＸ軸とＹ軸方向にそれぞれブレード押し込み深さ１００μｍでダイシングしてハーフカットした。ハーフカット後、ウエハーをテーブルから剥がし取り、ＧａＮ基板側から軽くローラーで押さえることによりチップに分離したが、歩留まりは約５％であった。

このようにして作製した実施例１及び参考例１〜４の半導体素子について、半導体チップの形状と光出力を比較した。図６は実施例及び参考例に係る分離後のチップの切断線を、光学顕微鏡で上面から撮影した写真であり、図６Ａは実施例１、図６Ｂは参考例１、図６Ｃは参考例２、図６Ｄは参考例３、図６Ｅは参考例４を示す。また、図７は実施例及び参考例に係る分離後のチップを、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した写真であり、図７Ａは実施例１、図７Ｂは参考例１、図７Ｃは参考例４を示す。
光出力については実施例１及び参考例１〜３の光出力を算出し、参考例１を１００％として、実施例１及び参考例２，３の光出力の比率を比較した。結果を表１に示す。また、実施例１、参考例１及び４については半導体チップの形状を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により比較した。

実施例１では半導体層２０側の外周端が、参考例１ではＧａＮ基板１１側の外周端が少し荒れていた。また、実施例１と参考例１の両方とも、ＧａＮ基板１１の切断面（チップ側面）は半導体層２０が積層された側から、ＧａＮ基板１１の半導体層２０が積層されていない側に向かって、ほぼ真っ直ぐな縦線が複数入っていた。
参考例１を基準とすると、実施例１は光出力の向上がみられ、一方レーザーで切断した参考例２，３は光出力が大幅に低下した。
ダイサーで切断した参考例４のチップは、ダイサーが接触した切断線で無数のクラックが生じた。ＧａＮ基板はブレードの幅でブレードが押し込まれた深さまで削り取られ、ブレードでハーフカットしなかったＧａＮ基板の断面（チップ側面）には、実施例１と同様にほぼ真っ直ぐな縦線が複数入っていた。

以上のことから、本発明の方法によると、硬い性質を持つＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体層を積層したウエハーでも、カッターを用いた手法により歩留まり良く正確に切断できる。しかも、カッターの刃は非常に細いため、切断した際に削り取る体積が少なくて済むことにより、小さいサイズのチップを得る場合、単位面積あたりのチップ収率が向上する。さらに、形成された半導体チップは、ウエハーの切断線において半導体層側の表面にスクライブ塵等が付着せず、カッターによってできた粗面を有することにより、光出力が向上することが明らかになった。

本発明は、ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体層が積層されたＬＥＤやＬＤ等のあらゆる発光デバイスの製造方法に好適に利用することができる。

１ ウエハー
１１ ＧａＮ基板
１２ ｎ型層
１３ ｐ型層
２０ 半導体層
２１ カッター
２２ テーブル
３１ 溝

Claims (2)

1. ＧａＮ基板上に窒化物系化合物半導体が積層されたウエハーをチップ状に分離する方法であって、
   前記ＧａＮ基板を厚み１００μｍ以上２１０μｍ以下になるように研磨する工程と、
   前記ウエハーを、窒化物系化合物半導体が積層された側から、前記ウエハーに対してカッターの中心軸の角度が６０°より大きく７５°より小さく、カッター押し込み深さが前記ＧａＮ基板の厚みの１５％以下でカッターにより複数回スクライブすることで切断する工程と、
   を具備することを特徴とする窒化物系化合物半導体チップの製造方法。
2. 前記カッターにより複数回スクライブすることで切断する工程は、前記ウエハーに対して押圧するカッターの荷重が０．２Ｎ以上０．４Ｎ以下であって、同じ荷重で複数回スクライブを行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化物系化合物半導体チップの製造方法。