JP6210415B2

JP6210415B2 - 紫外線発光素子の製造方法

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Publication number: JP6210415B2
Application number: JP2014014664A
Authority: JP
Inventors: 村井　章彦; 章彦村井; 福島　博司; 博司福島; 武石　英見; 英見武石; 勝己杉浦
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Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2017-10-11
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Description

本発明は、紫外線発光素子の製造方法に関するものである。

従来から、発光素子の製造方法としては、サファイア基板上に窒化物半導体層を形成した半導体ウエハから個々の発光素子に分割する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、半導体ウエハのサファイア基板を研磨することでサファイア基板を薄くした後に、サファイア基板にレーザ光を照射することでサファイア基板にブレイク・ラインを形成し、その後、半導体ウエハをブレイク・ラインに沿って発光素子に分割するようにした、発光素子の製造方法が記載されている。

特開２００３−２１８０６５号公報

本願発明者らは、紫外線発光素子の製造方法に、上述の窒化物半導体素子の製造方法を適用した場合には、研磨中あるいはレーザ光の照射中にウェハが割れてしまうという知見を得た。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造歩留りの向上を図ることが可能な紫外線発光素子の製造方法を提供することにある。

本発明の紫外線発光素子の製造方法は、サファイアウェハの第１面上に窒化物半導体層を積層したウェハから個々の紫外線発光素子に分割する紫外線発光素子の製造方法であって、前記紫外線発光素子はＵＶ−Ｃの波長域に発光波長を有する紫外線を放射するように構成されており、前記ウェハの前記窒化物半導体層側から前記サファイアウェハの厚み方向の途中まで到達する割溝を形成する第１工程と、前記第１工程の後に前記ウェハの厚みを薄くするように前記ウェハを前記サファイアウェハの第２面側から研磨する第２工程と、前記第２工程の後に前記割溝に沿って前記ウェハを分割する第３工程と、を備え、前記第１工程は、前記ウェハにレーザ光を照射することにより前記割溝を形成し、前記第２工程では、前記ウェハを予め設定された規定厚さとするように前記サファイアウェハを研磨し、前記第１工程では、前記ウェハの反りを低減するように前記割溝を形成し、前記第１工程で形成する前記割溝の深さが、前記規定厚さの４０％以上８０％未満の範囲内の規定値に予め設定されていることを特徴とする。

本発明の紫外線発光素子の製造方法においては、製造歩留りの向上を図ることが可能になるという効果がある。

図１（ａ）〜（ｄ）は、実施形態の紫外線発光素子の製造方法の模式的な説明図である。図２は、実施形態の紫外線発光素子の製造方法を説明するための主要工程断面図である。図３は、実施形態の紫外線発光素子の製造方法を説明するための主要工程断面図である。図４（ａ）は、第１工程後のウェハの概略平面図である。図４（ｂ）は、第１工程後のウェハの要部説明図である。図５は、実施形態の紫外線発光素子の製造方法により製造される紫外線発光素子の概略断面図である。図６は、サファイアウェハの切り込み深さとウェハの反り量との関係説明図である。図７（ａ）、（ｂ）は、ウェハの反り量の測定方法の説明図である。図８（ａ）、（ｂ）は、ウェハの反り量が低減される原理を説明するための推定メカニズム図である。図９は、ウェハの厚さに対する割溝の深さの割合とウェハの反り量との関係説明図である。

以下では、本実施形態の紫外線発光素子Ｂ１の製造方法について図１〜９に基づいて説明する。

本実施形態の紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、サファイアウェハ１０の第１面１０ａ上に窒化物半導体層２０を積層したウェハ３０から個々の紫外線発光素子Ｂ１に分割する紫外線発光素子Ｂ１の製造方法である。紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、ウェハ３０の窒化物半導体層２０側からサファイアウェハ１０の厚み方向の途中まで到達する割溝３１を形成する第１工程を備える。更に、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、第１工程の後にウェハ３０の厚みを薄くするようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する第２工程と、第２工程の後に割溝３１に沿ってウェハ３０を分割する第３工程と、を備える。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、製造歩留りの向上を図ることが可能になる。

第２工程では、ウェハ３０の厚みを薄くするにあたり、サファイアウェハ１０を所定厚さ寸法ｔ１１（図３参照）とするようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する。

第１工程では、割溝３１のサファイアウェハ１０の第１面１０ａからの深さ寸法Ｄ１（図３参照）を、所定厚さ寸法ｔ１１よりも小さく設定する。

紫外線発光素子Ｂ１の製造方法において、第１工程は、ウェハ３０にレーザ光を照射することにより割溝３１を形成することが好ましい。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、量産性の向上及び製造歩留りの向上を図ることが可能になる。

以下、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法をより詳細に説明する前に、まず、紫外線発光素子Ｂ１の各構成要素について図５に基いて説明する。

紫外線発光素子Ｂ１は、サファイア基板１と、第１バッファ層２と、第２バッファ層３と、ｎ形窒化物半導体層４と、発光層５と、電子ブロック層６と、ｐ形窒化物半導体層７と、ｐ形コンタクト層８と、を備えている。また、紫外線発光素子Ｂ１は、第１電極（ｎ電極）１４と、第２電極（ｐ電極）１７と、第１パッド１５と、第２パッド１８と、を備えている。紫外線発光素子Ｂ１は、メサ構造を有している。このメサ構造は、第１バッファ層２、第２バッファ層３、ｎ形窒化物半導体層４、発光層５、電子ブロック層６、ｐ形窒化物半導体層７及びｐ形コンタクト層８の積層膜の一部をｐ形コンタクト層８側からｎ形窒化物半導体層４の途中までエッチングすることで形成されている。そして、紫外線発光素子Ｂ１は、ｎ形窒化物半導体層４の表面４ａ上に第１電極１４が形成されている。また、紫外線発光素子Ｂ１は、メサ構造の上面の一部と側面とｎ形窒化物半導体層４の表面４ａの一部とに跨って絶縁膜９が形成されている。絶縁膜９の材料としては、例えば、ＳｉＯ_２等を採用することができる。

紫外線発光素子Ｂ１は、２１０ｎｍ〜２８０ｎｍの紫外波長域に発光波長（発光ピーク波長）を有する紫外線発光ダイオードであるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子Ｂ１は、例えば、高効率白色照明、殺菌、医療、環境汚染物質を高速で処理する用途等の分野で、利用することができる。紫外線発光素子Ｂ１は、ＵＶ−Ｃの波長域に発光波長を有するのが好ましい。ＵＶ−Ｃの波長域は、例えば国際照明委員会（ＣＩＥ）における紫外線の波長による分類によれば、１００ｎｍ〜２８０ｎｍである。

サファイア基板１は、例えば、第１面１ａが、（０００１）面のサファイア基板が好ましい。つまり、サファイア基板１は、ｃ面サファイア基板（α−Ａｌ_２Ｏ_３基板）が好ましい。また、サファイア基板１は、（０００１）面からのオフ角が、０〜０．３°のものが好ましい。紫外線発光素子Ｂ１は、第１バッファ層２、第２バッファ層３、ｎ形窒化物半導体層４、発光層５、電子ブロック層６、ｐ形窒化物半導体層７及びｐ形コンタクト層８が、サファイア基板１の第１面１ａ側に形成される。紫外線発光素子Ｂ１は、サファイア基板１の第２面１ｂが光取り出し面を構成している。

第１バッファ層２は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層により構成されている。第１バッファ層２は、ＡｌＮ層により構成されているのが好ましい。

第１バッファ層２は、貫通転位を減少させることを目的として設けた層である。第１バッファ層２は、膜厚が薄すぎると貫通転位の減少が不十分となりやすく、膜厚が厚すぎると格子不整合に起因したクラックの発生や、複数の紫外発光素子を形成するウェハの反りが大きくなり過ぎる懸念がある。このため、第１バッファ層２の膜厚は、例えば、５００ｎｍ〜１０μｍ程度の範囲で設定するのが好ましく、１μｍ〜５μｍの範囲で設定するのが、より好ましい。第１バッファ層２の膜厚は、４μｍに設定してあるが、一例であり、特に限定するものではない。

第２バッファ層３は、発光層５の貫通転位を低減するとともに発光層５の残留歪を低減するために設けた層である。第２バッファ層３は、Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１、ｙ＜ｘ）層により構成されている。第２バッファ層３を構成するＡｌ_yＧａ_1-yＮ（０＜ｙ＜１、ｙ＜ｘ）層の組成比は、発光層５で発光する紫外線を効率良く放出できるように設定するのが好ましい。第２バッファ層３の膜厚は、０．５μｍに設定してあるが、一例であり、特に限定するものではない。

ｎ形窒化物半導体層４は、発光層５へ電子を輸送するための層である。ｎ形窒化物半導体層４は、ｎ形Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ＜１）層により構成してある。ｎ形窒化物半導体層４を構成するｎ形Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ＜１）層の組成比は、発光層５で発光する紫外光を効率良く放出できるように設定するのが好ましい。例えば、発光層５が障壁層と井戸層とで構成される量子井戸構造を有し、井戸層のＡｌの組成が０．５、障壁層のＡｌの組成が０．６５の場合、ｎ形Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ＜１）のＡｌの組成であるｚは、障壁層のＡｌの組成と同じ０．６５とすることができる。すなわち、発光層５の井戸層がＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層により構成され、障壁層がＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ層により構成される場合、ｎ形窒化物半導体層４は、例えば、ｎ形Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ層により構成することができる。ｎ形窒化物半導体層４の膜厚は、一例として２μｍに設定してあるが、特に限定するものではない。なお、ｎ形窒化物半導体層４のドナー不純物としては、例えば、Ｓｉが好ましい。また、ｎ形窒化物半導体層４の電子濃度は、例えば、１×１０¹⁸〜１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の範囲で設定すればよい。

発光層５は、注入されたキャリア（ここでは、電子と正孔）を光に変換する層である。発光層５は、量子井戸構造を有しているのが好ましい。発光層５は、量子井戸構造の井戸層が、Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）層により構成されているのが好ましい。Ａｌ_aＧａ_1-aＮ（０＜ａ≦１）層からなる井戸層を備えた発光層５は、井戸層のＡｌの組成であるａを変化させることにより、発光波長を２１０ｎｍ〜３６０ｎｍの範囲で任意の発光波長に設定することが可能である。例えば、所望の発光波長が２６５ｎｍ付近である場合には、Ａｌの組成であるａを０．５０に設定すればよい。発光層５は、量子井戸構造の井戸層が、ＩｎＡｌＧａＮ層により構成されていてもよい。

量子井戸構造は、多重量子井戸構造でもよいし、単一量子井戸構造でもよい。また、井戸層及び障壁層の各膜厚は、特に限定するものではない。ただし、発光層５は、井戸層の膜厚が厚すぎると、井戸層に注入された電子及び正孔が、量子井戸構造における格子不整合に起因するピエゾ電界に起因して、空間的に分離してしまい、発光効率が低下する。また、発光層５は、井戸層の膜厚が薄すぎる場合、キャリアの閉じ込め効果が低下し、発光効率が低下する。このため、井戸層の膜厚は、１ｎｍ〜５ｎｍ程度が好ましく、１．３ｎｍ〜３ｎｍ程度が、より好ましい。また、障壁層の膜厚は、例えば、５ｎｍ〜１５ｎｍ程度の範囲で設定することが好ましい。紫外線発光素子Ｂ１では、一例として、井戸層の膜厚を２ｎｍに設定し、障壁層の膜厚を１０ｎｍに設定してあるが、これらの膜厚に限定するものではない。紫外線発光素子Ｂ１は、発光層５が量子井戸構造を有した構成に限らず、例えば、発光層５がｎ形窒化物半導体層４とｐ形窒化物半導体層７とで挟まれたダブルヘテロ構造でもよい。

電子ブロック層６は、発光層５へ注入された電子のうち、発光層５中で正孔と再結合されなかった電子が、ｐ形窒化物半導体層７側へ漏れる（オーバーフローする）のを抑制するために、発光層５とｐ形窒化物半導体層７との間に好適に設けることができる。電子ブロック層６は、ｐ形Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（０＜ｃ＜１）層により構成してある。ｐ形Ａｌ_cＧａ_1-cＮ（０＜ｃ＜１）層の組成比は、特に限定するものではないが、電子ブロック層６のバンドギャップエネルギが、ｐ形窒化物半導体層７もしくは障壁層のバンドギャップエネルギよりも高くなるように設定することが好ましい。また、電子ブロック層６の正孔濃度は、特に限定するものではない。また、電子ブロック層６の膜厚については、特に限定するものではないが、膜厚が薄すぎるとオーバーフローを抑制する効果が減少し、膜厚が厚すぎると紫外線発光素子Ｂ１の抵抗が大きくなってしまう。電子ブロック層６の膜厚については、Ａｌの組成であるｃや正孔濃度等の値によって適した膜厚が変化するので、一概には言えないが、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で設定することが好ましく、５ｎｍ〜２５ｎｍの範囲で設定することが、より好ましい。

ｐ形窒化物半導体層７は、発光層５へ正孔を輸送するための層である。ｐ形窒化物半導体層７は、ｐ形Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ＜１）層により構成してあるのが好ましい。ｐ形Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ＜１）層の組成比は、発光層５で発光する紫外線を吸収しない組成比であれば、特に限定するものではない。例えば、上述のように発光層５における井戸層のＡｌの組成が０．５、障壁層のＡｌの組成が０．６５の場合、ｐ形Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ＜１）層のＡｌの組成であるｄは、例えば、障壁層のＡｌの組成であるａと同じ０．６５とすることができる。すなわち、発光層５の井戸層がＡｌ_0.5Ｇａ_0.5Ｎ層からなる場合、ｐ形窒化物半導体層７は、例えば、ｐ形Ａｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ層により構成することができる。ｐ形窒化物半導体層７のアクセプタ不純物としては、例えば、Ｍｇが好ましい。

ｐ形窒化物半導体層７の正孔濃度は、特に限定するものではなく、ｐ形窒化物半導体層７の膜質が劣化しない正孔濃度の範囲において、より高い濃度のほうが好ましい。しかしながら、ｐ形Ａｌ_dＧａ_1-dＮ（０＜ｄ＜１）層の正孔濃度がｎ形Ａｌ_zＧａ_1-zＮ（０＜ｚ≦１）層の電子濃度よりも低いので、ｐ形窒化物半導体層７の膜厚が、厚すぎると、紫外線発光素子Ｂ１の抵抗が大きくなりすぎる。このため、ｐ形窒化物半導体層７の膜厚は、２００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下が、より好ましい。なお、紫外線発光素子Ｂ１では、一例として、ｐ形窒化物半導体層７の膜厚を２０ｎｍに設定している。

ｐ形コンタクト層８は、第２電極１７との接触抵抗を下げ、第２電極１７との良好なオーミック接触を得るために設けてある。ｐ形コンタクト層８は、ｐ形ＧａＮ層により構成してあるのが好ましい。ｐ形コンタクト層８を構成するｐ形ＧａＮ層の正孔濃度は、ｐ形窒化物半導体層７よりも高濃度とすることが好ましく、例えば、７×１０¹⁷ｃｍ^-3程度とすることにより、第２電極１７との良好なオーミック接触を得ることが可能である。ただし、ｐ形ＧａＮ層の正孔濃度は、特に限定するものではなく、第２電極１７との良好なオーミック接触が得られる正孔濃度の範囲で適宜変更してもよい。ｐ形コンタクト層８の膜厚は、１００ｎｍに設定してあるが、これに限らず、例えば、５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で設定すればよい。

ｎ電極である第１電極１４は、ｎ形窒化物半導体層４と電気的に接続されている。第１電極１４は、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と、膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜をｎ形窒化物半導体層４の露出した表面４ａ上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。この積層膜の構成や膜厚等は、特に限定するものではない。また、紫外線発光素子Ｂ１は、第１電極１４上に、例えばＡｕ膜からなる第１パッド１５が好適に設けられている。第１パッド１５は、第１電極１４の形成後に、形成してある。なお、第１パッド１５については、第１電極１４と別途に形成せずに、第１電極１４が第１パッド１５を兼ねるようにしてもよい。

ｐ電極である第２電極１７は、ｐ形コンタクト層８を介してｐ形窒化物半導体層７と電気的に接続されているのが好ましい。第２電極１７は、膜厚が１５ｎｍのＮｉ膜と、膜厚が１００ｎｍのＡｕ膜との積層膜をｐ形コンタクト層８上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。この積層膜の構成や膜厚等は、特に限定するものではない。また、紫外線発光素子Ｂ１は、第２電極１７上に、例えばＡｕ膜からなる第２パッド１８が好適に設けられている。第２パッド１８は、第２電極１７の形成後に、形成してある。

紫外線発光素子Ｂ１のチップサイズは、４００μｍ□（４００μｍ×４００μｍ）に設定してあるが、これに限らない。チップサイズは、例えば、２００μｍ□（２００μｍ×２００μｍ）〜１ｍｍ□（１ｍｍ×１ｍｍ）程度の範囲で適宜設定することができる。また、紫外線発光素子Ｂ１の平面形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。紫外線発光素子Ｂ１の平面形状が、長方形状の場合、紫外線発光素子Ｂ１のチップサイズは、例えば、５００μｍ×２４０μｍとすることができる。

以下、本実施形態の紫外線発光素子Ｂ１の製造方法についてより詳細に説明する。

（１）サファイアウェハ１０の準備
サファイアウェハ１０は、円板状のサファイア基板である。サファイアウェハ１０は、オリエンテーションフラット（ＯＦ）が形成されているのが好ましい。サファイアウェハ１０の厚みは、例えば、数１００μｍ〜数ｍｍのものが好ましく、２００μｍ〜１ｍｍのものがより好ましい。サファイアウェハ１０の直径は、例えば、５０．８ｍｍ〜１５０ｍｍのものが好ましい。

サファイアウェハ１０は、例えば、日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ）や、ＳＥＭＩ（Semiconductor Equipment and Materials International）等の規格を満たすか準拠したものが好ましい。サファイアウェハ１０に関しては、例えば、ＳＥＭＩＭ６５−０３０６で規格化されている化合物半導体エピタキシャルウェハに使用するサファイア基板の仕様を満たすか準じているものが好ましい。また、サファイアウェハ１０は、第１面１０ａとして、例えば、ｃ面、ｍ面、ａ面、Ｒ面等を採用することができ、ｃ面である（０００１）面が好ましい。また、サファイアウェハ１０の第１面１０ａは、（０００１）面からのオフ角が、０〜０．３°のものが好ましい。

（２）サファイアウェハ１０の第１面１０ａ上に窒化物半導体層２０を積層する工程
窒化物半導体層２０は、第１バッファ層２、第２バッファ層３、ｎ形窒化物半導体層４、発光層５、電子ブロック層６、ｐ形窒化物半導体層７及びｐ形コンタクト層８の積層膜である。要するに、窒化物半導体層２０は、多層構造のエピタキシャル層である。窒化物半導体層２０は、積層膜の積層構造を特に限定するものではない。窒化物半導体層２０は、第１バッファ層２、ｎ形窒化物半導体層４、発光層５及びｐ形窒化物半導体層７を備えているのが好ましい。第２バッファ層３、電子ブロック層６及びｐ形コンタクト層８については、適宜設ければよい。

この工程では、窒化物半導体層２０のエピタキシャル成長法として、ＭＯＶＰＥ（metal organic vapor phase epitaxy）法を採用している。この工程では、ＭＯＶＰＥ法として、減圧ＭＯＶＰＥ法を採用するのが好ましい。

Ａｌの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）を採用するのが好ましい。また、Ｇａの原料ガスとしては、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を採用するのが好ましい。Ｎの原料ガスとしては、ＮＨ₃を採用するのが好ましい。ｎ形導電性を付与する不純物であるＳｉの原料ガスとしては、テトラエチルシラン（ＴＥＳｉ）を採用するのが好ましい。ｐ形導電性に寄与する不純物であるＭｇの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ₂Ｍｇ）を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、Ｈ₂ガスを採用することが好ましい。

各原料ガスは、特に限定するものではなく、例えば、Ｇａの原料ガスとしてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ｎの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Ｓｉの原料ガスとしてモノシラン（ＳｉＨ₄）を用いてもよい。

窒化物半導体層２０の成長条件は、基板温度、Ｖ／III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。

窒化物半導体層２０のエピタキシャル成長法は、ＭＯＶＰＥ法に限らず、例えば、ＭＢＥ（molecular beam epitaxy）法等でもよい。

（３）ｐ形不純物を活性化するためのアニールを行う工程
この工程は、アニール装置のアニール炉内において所定のアニール温度で所定のアニール時間だけ保持することにより、電子ブロック層６、ｐ形窒化物半導体層７及びｐ形コンタクト層８のｐ形不純物を活性化する工程である。アニール条件は、アニール温度を７５０℃、アニール時間を１０分に設定してあるが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール装置としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置等を採用することができる。

（４）メサ構造を形成する工程
この工程では、窒化物半導体層２０においてメサ構造の上面に対応する領域上に、フォトリソグラフィ技術を利用して、第１のレジスト層を形成する。そして、この工程では、第１のレジスト層をマスクとして、窒化物半導体層２０を表面側からｎ形窒化物半導体層４の途中までエッチングすることによって、メサ構造を形成する。更に、この工程では、第１のレジスト層を除去する。窒化物半導体層２０のエッチングは、例えば、反応性イオンエッチングにより行うことができる。

（５）絶縁膜９を形成する工程
この工程では、サファイアウェハ１０の第１面１０ａ側の全面に絶縁膜９の基礎となるＳｉＯ_２膜を例えばＰＥＣＶＤ（plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition）法により形成する。そして、この工程では、ＳｉＯ_２膜のうち窒化物半導体層２０における第１電極１４及び第２電極１７それぞれの形成予定領域に重なっている部位が開口されるように、ＳｉＯ_２膜をパターニングすることで、パターニングされた絶縁膜９を形成する。ＳｉＯ_２膜のパターニングは、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して行う。なお、ＳｉＯ_２膜の形成方法は、ＰＥＣＶＤ法に限らず、例えば、他のＣＶＤ法等でもよい。

（６）第１電極１４を形成する工程
この工程では、まず、サファイアウェハ１０の第１面１０ａ側に、第１電極１４の形成予定領域のみ（つまり、ｎ形窒化物半導体層４のうち厚みが薄くなった部位の表面４ａの一部）が露出するようにパターニングされた第２のレジスト層を形成する。そして、この工程では、例えば、膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が１００ｎｍのＡｌ膜と膜厚が２０ｎｍのＴｉ膜と膜厚が２００ｎｍのＡｕ膜との積層膜を電子ビーム蒸着法により成膜する。そして、この工程では、リフトオフを行うことにより、第２のレジスト層及び第２のレジスト層上の不要膜を除去する。更に、この工程では、第１電極１４とｎ形窒化物半導体層４との接触がオーミック接触となるように、Ｎ₂ガス雰囲気中でＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）処理を行う。積層膜の構造及び各膜厚は、一例であり、特に限定するものではない。また、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を８００℃、アニール時間を１分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。

（７）第２電極１７を形成する工程
サファイアウェハ１０の第１面１０ａ側における第２電極１７の形成予定領域のみ（ここでは、ｐ形コンタクト層８の表面の一部）が露出するようにパターニングされた第３のレジスト層を形成する。そして、この工程では、例えば膜厚が１５ｎｍのＮｉ膜と膜厚が１００ｎｍのＡｕ膜を電子ビーム蒸着法により成膜し、リフトオフを行うことにより、第３のレジスト層及び第３のレジスト層上の不要膜を除去する。更に、この工程では、第２電極１７とｐ形コンタクト層８との接触がオーミック接触となるように、Ｎ₂ガス雰囲気中でＲＴＡ処理を行う。積層膜の構造及び各膜厚は、一例であり、特に限定するものではない。また、ＲＴＡ処理の条件は、例えば、アニール温度を４００℃、アニール時間を１５分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。

（８）第１パッド１５及び第２パッド１８を形成する工程
この工程では、フォトリソグラフィ技術及び薄膜形成技術を利用して第１パッド１５及び第２パッド１８を形成する。薄膜形成技術としては、例えば、電子ビーム蒸着法等を採用することができる。

この工程が終了することにより、紫外発光素子が複数形成されたウェハが完成する。要するに、上述の（１）〜（８）の工程を順次行うことにより、紫外線発光素子Ｂ１と同様の構造体が複数形成されたウェハ３０（図１（ａ）及び図２参照）が完成する。なお、図１（ａ）では、図５中の第１電極１４、第２電極１７、第１パッド１５、第２パッド１８及び絶縁膜９等の図示を省略してある。

ウェハ３０は、サファイアウェハ１０の第１面１０ａ側が伸び、サファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側が縮んで、反っている。これは、サファイアウェハ１０と、サファイアウェハ１０の第１面１０ａ上に積層された窒化物半導体層２０と、の格子定数差、線膨張係数差等が主な要因であると推考される。ウェハ３０は、窒化物半導体層２０における第１バッファ層２を構成するＡｌ_xＧａ_1-xＮ（０＜ｘ≦１）層のｘの値が大きくなるほど反り量Ｗ（図７（ａ）参照）が大きくなり、第１バッファ層２がＡｌＮ層の場合に、反り量Ｗが最大となる傾向にある。その一方で、紫外線発光素子Ｂ１では、ＵＶ−Ｃの波長域に発光波長を有するように構成する場合、第１バッファ層２を、ＡｌＮ層により構成するのが好ましい。

（９）ウェハ３０に割溝３１を形成する工程（第１工程）
第１工程は、ウェハ３０の窒化物半導体層２０側からサファイアウェハ１０の厚み方向の途中まで到達する割溝３１を形成する工程である。紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、第１工程を行うことにより、図１（ｂ）及び図３に示すような構造が得られる。なお、図１（ｂ）では、図５中の第１電極１４、第２電極１７、第１パッド１５、第２パッド１８及び絶縁膜９等の図示を省略してある。

第１工程では、図４に示すように、ウェハ３０に対して、格子状の割溝３１を形成するのが好ましい。格子状の割溝３１は、サファイアウェハ１０のオリエンテーションフラットに平行な直線状に形成される第１割溝３１ａの群と、第１割溝３１ａの群に直交する直線状に形成される第２割溝３１ｂの群と、で構成することができる。第１割溝３１ａの幅寸法Ｌ２ａ及び第２割溝３１ｂの幅寸法Ｌ２ｂは、１０μｍに設定してあるが、これに限らず、例えば、２μｍ〜５０μｍ程度の範囲で設定すればよい。第１割溝３１ａの幅寸法Ｌ２ａと第２割溝３１ｂの幅寸法Ｌ２ｂとは、同じ値に設定されているのが好ましい。また、隣り合う第１割溝３１ａ間の距離Ｌ１ａ及び隣り合う第２割溝３１ｂ間の距離Ｌ１ｂは、紫外線発光素子Ｂ１のチップサイズにより決めればよい。したがって、例えば、チップサイズが４００μｍ□の場合、距離Ｌ１ａ及びＬ１ｂは、４００μｍに設定すればよい。

第１工程では、割溝３１のサファイアウェハ１０の第１面１０ａからの深さ寸法Ｄ１（図３参照）を、所定厚さ寸法ｔ１１（図３参照）よりも小さく設定する。所定厚さ寸法ｔ１１は、紫外線発光素子Ｂ１におけるサファイア基板１の設計厚さ寸法ｔ１である。

第１工程は、ウェハ３０にレーザ光を照射することにより割溝３１を形成することが好ましい。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、ダイヤモンドカッタやブレードを利用して割溝３１を形成する場合に比べて、プロセス時間を短縮することが可能となり、量産性を向上させることが可能となる。

この場合、第１工程では、レーザ加工機を用いたアブレーション（ablation）加工により割溝３１を形成することが好ましい。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、第１工程で割溝３１を形成するときに、ウェハ３０のうち紫外線発光素子Ｂ１になる部分に、熱ダメージ層、改質層、マイクロクラック等が形成されるのを抑制することが可能となる。アブレーション加工とは、アブレーションが起こるような照射条件でのレーザ加工を意味する。割溝３１をアブレーション加工により形成する場合には、窒化物半導体層２０の表面側に、ウェハ３０における割溝３１の形成予定領域が開口されたレジスト層１９を形成してから、アブレーション加工を行い、その後、レジスト層１９及びデブリ（debris）を、薬液等を用いたウェット処理により除去し、その後、ウェハ３０を乾燥させる。デブリとは、レーザ光をウェハ３０に照射したときに生成されレジスト層１９の表面等に付着した残留物である。紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、デブリを除去することにより、紫外線発光素子Ｂ１においてデブリに起因した電流リークや短絡が発生するのを抑制することが可能となる。

レーザ加工機は、例えば、レーザと、レーザからのレーザ光を集光するレンズ等の光学系と、ウェハ３０が載置され３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向）に移動可能なステージと、ウェハ３０を撮像する撮像装置と、制御装置と、を備えているのが好ましい。制御装置は、撮像装置によりウェハ３０を撮像することで得られた画像に基づいて、レーザ、光学系及びステージ等を制御するように構成されているのが好ましい。制御装置は、例えば、適宜のプログラムが搭載されたマイクロコンピュータ等により構成することができる。レーザ加工機の構成は、特に限定するものではない。

レーザとしては、例えば、ＴＨＧ−ＹＡＧレーザを採用しているが、これに限らない。例えば、レーザとしては、例えば、ＳＨＧ−ＹＡＧレーザ、ＦＨＧ−ＹＡＧレーザ、Ｔｉ：サファイアレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＣＯ_２レーザ等を用いてもよい。

（１０）ウェハ３０を研磨する工程（第２工程）
第２工程は、第１工程の後にウェハ３０の厚みを薄くするようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する工程である。紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、第２工程を行うことにより、図１（ｃ）に示すような構造が得られる。なお、図１（ｃ）では、図５中の第１電極１４、第２電極１７、第１パッド１５、第２パッド１８及び絶縁膜９等の図示を省略してある。

第２工程では、ウェハ３０の厚みを薄くするにあたり、サファイアウェハ１０を所定厚さ寸法ｔ１１（以下、「第１所定厚さ寸法ｔ１１」ともいう）とするようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する。第２工程では、ウェハ３０の厚さが第２所定厚さ寸法ｔ３０（図５参照）となるようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する。第２所定厚さ寸法ｔ３０は、サファイア基板１の設計厚さ寸法ｔ１と、窒化物半導体層２０の設計厚さ寸法ｔ２０と、第２電極１７の設計厚さ寸法と、第２パッド１８の設計厚さ寸法とを合わせた寸法である。第２所定厚さ寸法ｔ３０は、サファイア基板１の設計厚さ寸法ｔ１と、窒化物半導体層２０の設計厚さ寸法ｔ２０とを合わせた寸法とみなすこともできる。

ウェハ３０の研磨では、サファイアウェハ１０の第２面１０ｂの研削工程、ラッピング（lapping）工程を順次行うようにしている。

研削工程では、平行な２枚の平盤の間にウェハ３０を配置する際に、サファイアウェハ１０の第２面１０ｂと一方の平盤との間に砥石を配置するとともに、ウェハ３０と他方の平盤との間にセラミックプレートを配置する。そして、サファイアウェハ１０の研削では、ウェハ３０を加圧しながら２枚の平盤を逆向きに回転させることでサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側を研削する。研削工程では、ウェハ３０の厚さが、所定厚さ寸法ｔ３０よりもラッピング工程で除去する厚さ分だけ厚くなるように研削する。

ラッピング工程は、研削によりサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側に生じた加工変質層を除去するために行う工程である。ラッピングでは、平行な２枚の平盤の間にウェハ３０を配置し、ウェハ３０を加圧しながら２枚の平盤を逆向きに回転させることでサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側の加工変質層を取り除く。ラッピング工程では、適宜の研磨液を利用する。

（１１）ウェハ３０を分割する工程（第３工程）
第３工程は、第２工程の後に割溝３１に沿ってウェハ３０を分割する工程である。つまり、第３工程は、ウェハ３０を個々の紫外線発光素子Ｂ１（チップ）に分割する工程である。紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、第３工程を行うことにより、１枚のウェハ３０から複数の紫外線発光素子Ｂ１（図１（ｄ）及び図５参照）を得ることができる。

第３工程では、ブレーキング（breaking）工程と、エキスパンド（expand）工程と、を行う。エキスパンド工程の後には、個々の紫外線発光素子Ｂ１をピックアップ（pick-up）して、紫外線発光素子Ｂ１を例えばチップトレイ等に収納すればよい。

ブレーキング工程では、例えば、ブレードを利用してウェハ３０を個々の紫外線発光素子Ｂ１に分割する。ブレーキング工程では、ウェハ３０を２枚のウェハテープ（wafer tape）で厚み方向の両側から挟んでいる。ウェハテープは、粘着性樹脂テープである。ウェハ３０を個々の紫外線発光素子Ｂ１に分割した後には、２枚のウェハテープのうちウェハ３０の窒化物半導体層２０側に配置していたウェハテープを取り外す。

エキスパンド工程では、各紫外線発光素子Ｂ１におけるサファイア基板１の第２面１ｂ側のウェハテープを、例えば、エキスパンド装置により引き伸ばすことによって、隣り合う紫外線発光素子Ｂ１間の間隔を広げる。

紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、第３工程を行うことにより、第２工程後のサファイアウェハ１０の第１面１０ａの一部がサファイア基板１の第１面１ａを構成し、サファイアウェハ１０の第２面１０ｂの一部がサファイア基板１の第２面１ｂを構成する。なお、図１（ｄ）では、図５中の第１電極１４、第２電極１７、第１パッド１５、第２パッド１８及び絶縁膜９等の図示を省略してある。

ところで、本願発明者らは、割溝３１のサファイアウェハ１０における深さ寸法Ｄ１と第１工程前後それぞれのウェハ３０の反り量Ｗとの関係を調べるために、窒化物半導体層２０における第１バッファ層２の厚みを種々変化させたウェハ３０を作製した。そして、本願発明者らは、割溝３１の形成前後それぞれでウェハ３０の反り量Ｗを測定した。図６は、それらの測定結果の一例であり、サファイアウェハ１０の切り込み深さ（深さ寸法Ｄ１）とウェハ３０の反り量との関係説明図である。図６の測定結果は、サファイアウェハ１０の直径が５０．８ｍｍ、厚さ寸法ｔ１０が４２０μｍ、窒化物半導体層２０の設計厚さ寸法ｔ２０が７μｍのウェハ３０の場合である。なお、窒化物半導体層２０の設計厚さ寸法ｔ２０は、７μｍに限らず、例えば、５〜１２μｍ程度の範囲で設定することができる。

ウェハ３０の反り量Ｗの測定にあたっては、図７に示すように、平坦な基準面ＢＰに対して吸着固定していない状態のウェハ３０の表面の５点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５それぞれについて、レーザ変位計により、基準面ＢＰに直交する方向における基準面ＢＰからの変位量Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３、Ｚ４及びＺ５を測定した。点Ｐ１は、ウェハ３０の中心である。点Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５は、それぞれ、ウェハ３０の外周縁から５ｍｍの位置である。反り量Ｗは、
Ｗ＝Ｚ１−（Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４＋Ｚ５）／４
の数式により求めた。

図６からは、割溝３１を形成する前にウェハ３０の反り量Ｗが約１６０μｍもあるのに対し、深さ寸法Ｄ１が７０μｍの割溝３１を形成することにより、ウェハ３０の反り量Ｗを約３４μｍまで低減できることが分かる。また、図６からは、深さ寸法Ｄ１を大きくすることにより、反り量Ｗを低減できることが分かる。

そして、本願発明者らは、深さ寸法Ｄ１を大きくしていくことにより、反り量が低下できるが、サファイアウェハ１０の厚さ寸法ｔ１０の半分以下の値では反り量Ｗが略一定になると推考した。図６では、反り量Ｗの測定値に基いて実線を引いてあり、推測値を破線で示してある。

ウェハ３０の反り量が減少する原理を、図８（ａ）、（ｂ）の推定メカニズム図で説明する。

図８（ａ）に示すように、ウェハ３０は、サファイアウェハ１０における第１面１０ａ側の第１部分１０ａａが伸び、第２面１０ｂ側の第２部分１０ｂｂが縮んでおり、その境目に伸びも縮みもしていない中立面ＮＰが存在する。本願発明者らは、図８（ａ）に示すように、サファイアウェハ１０に対して、中立面ＮＰに沿った２つの仮想面ＶＰ１、ＶＰ２と、中立面ＮＰに交差する２つの仮想面ＶＰ３、ＶＰ４と、を仮定した。そして、図８（ａ）では、４つの仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３及びＶＡ４が、中立面ＮＰに沿った方向（図８（ａ）の左右方向）において隣り合う仮想領域から受ける垂直応力を矢印で示してある。図８（ａ）では、矢印の長さの長短により垂直応力の大小を示してあり、矢印の向きが応力の向きを示している。要するに、本願発明者らは、図８（ａ）に示すように、仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３及びＶＡ４が受ける垂直応力が、ウェハ３０の表面からの深さ位置で異なると考えた。同様に、本願発明者らは、仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３及びＶＡ４が受ける剪断応力が、ウェハ３０の表面からの深さ位置で異なると考えた。仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３及びＶＡ４が受ける剪断応力は、中立面ＮＰに交差する方向（図８（ａ）の上下方向）において隣り合う仮想領域から受ける応力である。例えば、仮想領域ＶＡ３で見れば、仮想領域ＶＡ２、ＶＡ４それぞれから受ける応力である。また、本願発明者らは、ウェハ３０の反りを引き起こす応力は、垂直応力と剪断応力との総和であると考えた。

図８（ｂ）は、割溝３１が形成されたウェハ３０を模式的に示している。図８（ｂ）では、図８（ａ）と同様に、４つの仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２、ＶＡ３及びＶＡ４が、中立面ＮＰに沿った方向（図８（ａ）の左右方向）において隣り合う仮想領域から受ける垂直応力を矢印で示してある。図８（ｂ）では、中立面ＮＰに交差する２つの仮想面ＶＰ３、ＶＰ４を割溝３１の内底面に交差するように仮定してある。

本願発明者らは、図８（ｂ）に示すように、仮想領域ＶＡ１、ＶＡ２では垂直応力が割溝３１によって緩和され、殆ど剪断応力のみとなるので、ウェハ３０に割溝３１を形成することにより、ウェハ３０の反り量が低減されると考えた。そして、本願発明者らは、サファイアウェハ１０における割溝３１の深さが深いほど、垂直応力が緩和される領域が増大し、ウェハ３０の反り量がより小さくなると考えた。

なお、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、仮に推定メカニズムが別であっても、本発明の範囲内である。

以上説明したように、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、ウェハ３０の窒化物半導体層２０側からサファイアウェハ１０の厚み方向の途中まで到達する割溝３１を形成する第１工程を備える。更に、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法は、第１工程の後にウェハ３０の厚みを薄くするようにウェハ３０をサファイアウェハ１０の第２面１０ｂ側から研磨する第２工程と、第２工程の後に割溝３１に沿ってウェハ３０を分割する第３工程と、を備える。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、製造歩留りの向上を図ることが可能になる。この紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、ウェハ３０を研磨する前にウェハ３０の反り量Ｗを低減することが可能となり、製造途中でウェハ３０が割れてしまうのを抑制することが可能となる。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、量産性及び製造歩留りを向上させることが可能となる。よって、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、低コスト化を図ることが可能となる。また、紫外線発光素子Ｂ１では、チッピングやクラックの発生も抑制することが可能となる。

ところで、上述の紫外線発光素子Ｂ１の製造方法において、第２工程では、ウェハ３０を予め設定された規定厚さとするようにサファイアウェハ１０を研磨する。また、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法において、第１工程では、第１工程で形成する割溝３１の深さが、規定厚さの４０％以上８０％未満の範囲内の規定値に予め設定されているのが好ましい。これにより、紫外線発光素子Ｂ１の製造方法では、量産性及び製造歩留りを、より向上させることが可能となる。規定厚さは、上述の第２所定厚さ寸法ｔ３０（図５参照）である。

図９は、ウェハ３０の厚さに対する割溝３１の深さの割合とウェハ３０の反り量Ｗとの関係を示す。ここで、図９におけるウェハ３０の厚さは、研磨後のウェハ３０の厚さであり、１５０μｍである。また、ウェハ３０の厚さに対する割溝３１の深さの割合とは、｛〔割溝３１の深さ〕／〔ウェハ３０の厚さ〕｝×１００（％）の数式で求められる値である。

図９からは、ウェハ３０の厚さに対する割溝３１の深さの割合が大きくなるにつれて、ウェハ３０の反り量Ｗが小さくなることが分かる。しかしながら、ウェハ３０の厚さに対する割溝３１の深さの割合が８０％以上になると、ウェハ３０において割溝３１が形成されている部位の厚さが薄くなり過ぎて、第２工程でのウェハ３０の研磨時にウェハ３０が割れる可能性が高くなってしまう。一方、ウェハ３０の厚さに対する割溝３１の深さの割合が４０％未満になると、ウェハ３０の反り量Ｗが大き過ぎて、第２工程でのウェハ３０の研磨時にウェハ３０が割れる可能性が高くなり、割れなかった場合でもブレーキング工程の歩留りが低下してしまう。

なお、紫外線発光素子Ｂ１は、紫外線発光ダイオードに限らず、紫外線レーザダイオードでもよい。

上述の実施形態において説明した各図は、模式的なものであり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際のものの寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましいものを例示しているだけであり、それに限定するものではない。更に、本願発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。

１０サファイアウェハ
１０ａ第１面
１０ｂ第２面
２０窒化物半導体層
３０ウェハ
３１割溝
Ｂ１紫外線発光素子

Claims

サファイアウェハの第１面上に窒化物半導体層を積層したウェハから個々の紫外線発光素子に分割する紫外線発光素子の製造方法であって、
前記紫外線発光素子はＵＶ−Ｃの波長域に発光波長を有する紫外線を放射するように構成されており、
前記ウェハの前記窒化物半導体層側から前記サファイアウェハの厚み方向の途中まで到達する割溝を形成する第１工程と、
前記第１工程の後に前記ウェハの厚みを薄くするように前記ウェハを前記サファイアウェハの第２面側から研磨する第２工程と、
前記第２工程の後に前記割溝に沿って前記ウェハを分割する第３工程と、
を備え、
前記第１工程は、前記ウェハにレーザ光を照射することにより前記割溝を形成し、
前記第２工程では、前記ウェハを予め設定された規定厚さとするように前記サファイアウェハを研磨し、
前記第１工程では、前記ウェハの反りを低減するように前記割溝を形成し、
前記第１工程で形成する前記割溝の深さが、前記規定厚さの４０％以上８０％未満の範囲内の規定値に予め設定されている
ことを特徴とする紫外線発光素子の製造方法。