KR101362633B1

KR101362633B1 - 레이저 리프트 오프 방법 및 레이저 리프트 오프 장치

Info

Publication number: KR101362633B1
Application number: KR1020137003130A
Authority: KR
Inventors: 료조 마츠다; 게이지 나루미; 가즈야 다나카; 가즈키 시노야마; 다카시 마츠모토
Original assignee: 우시오덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2014-02-12
Also published as: TWI417159B; TW201204498A; JP4948629B2; CN102986001A; US20130119031A1; CN102986001B; WO2012011202A1; JP2012024783A; KR20130036317A

Abstract

기판 상에 형성된 재료층에 균열을 발생시키는 일 없이, 상기 기판으로부터 상기 재료층을 박리할 수 있도록 한다. 기판(1)과 상기 재료층(2)의 계면에서 상기 재료층을 상기 기판으로부터 박리시키기 위해, 기판(1) 상에 재료층(2)이 형성된 워크(3)에 대해, 기판(1)을 통해, 펄스 레이저광 L을 워크(3)에 대한 조사영역을 시시각각 바꾸면서, 상기 워크(3)에 있어서 인접하는 각 조사 영역이 중첩하도록 조사한다. 상기 워크(3)에 대한 펄스 레이저 광 L의 조사 영역은, 그 조사 영역의 면적을 S(mm²), 조사 영역의 주위 길이를 L(mm²)로 했을 때, S/L≤0.125의 관계를 만족하도록 설정된다. 이에 의해, 기판 상에 형성된 재료층에 균열을 발생시키는 일 없이, 재료층을 기판으로부터 확실히 박리시킬 수 있다.

Description

레이저 리프트 오프 방법 및 레이저 리프트 오프 장치{LASER LIFT-OFF METHOD AND LASER LIFT-OFF APPARATUS}

본 발명은, 화합물 반도체에 의해 형성되는 반도체 발광 소자의 제조 프로세스에 있어서, 기판 상에 형성된 재료층에 레이저광을 조사함으로써, 상기 재료층을 분해해 상기 기판으로부터 박리하기(이하, 레이저 리프트 오프라고 함)위한 레이저 리프트 오프 방법 및 레이저 리프트 오프 장치에 관한 것이다.

특히, 작은 조사 면적의 펄스 레이저광을, 기판을 통해 조사하여, 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을 시시각각 바꾸면서, 기판과 결정층의 계면에서 결정층을 기판으로부터 박리하는 레이저 리프트 오프 방법 및 레이저 리프트 오프 장치에 관한 것이다.

GaN(질화 갈륨)계 화합물 반도체에 의해 형성되는 반도체 발광 소자의 제조 프로세스에 있어서, 사파이어 기판 상에 형성된 GaN계 화합물 결정층을 상기 사파이어 기판의 이면으로부터 레이저광을 조사함으로써 박리하는 레이저 리프트 오프의 기술이 알려져 있다. 이하에서는, 기판 상에 형성된 결정층(이하에서는 재료층이라고 함)에 대해 레이저광을 조사하여 기판으로부터 재료층을 박리하는 것을 레이저 리프트 오프라고 부른다.

예를 들어, 특허 문헌 1에 있어서는, 사파이어 기판 상에 GaN층을 형성해, 상기 사파이어 기판의 이면으로부터 레이저광을 조사함으로써, GaN층을 형성하는 GaN이 분해되어, 상기 GaN층을 사파이어 기판으로부터 박리하는 기술에 대해 기재되어 있다. 이하에서는 기판 상에 재료층이 형성된 것을 워크라고 부른다.

일본국 특허공표2001－501778호 공보

사파이어 기판 상에 형성된 GaN계 화합물 재료층을 상기 사파이어 기판의 이면으로부터 레이저광을 조사함으로써 박리하기 위해서는, GaN계 화합물을 Ga와 N₂로 분해하기 위해서 필요한 분해 역치 이상의 조사 에너지를 가지는 레이저광을 조사하는 것이 중요해 진다.

여기서, 레이저광을 조사했을 경우에는, GaN이 분해함으로써 N₂ 가스가 발생하는 것으로부터, 상기 GaN층에 전단 응력이 가해져, 상기 레이저광의 조사 영역의 경계부에 있어서 균열이 발생하는 경우가 있다. 예를 들어, 도 9에 도시한 바와 같이, 레이저광의 1쇼트의 조사 영역(110)이 정방형 형상인 경우, GaN층(111)의 레이저광의 조사 영역의 경계(112)에 균열이 발생해 버리는 문제가 있다.

특히, 수 ㎛ 이하의 두께인 GaN계 화합물 재료층을 이용해 소자를 형성하는 경우에는, GaN계 화합물 재료층이 N₂ 가스 발생에 의한 전단 응력에 견디기 위한 충분한 강도를 가지지 못하는 경우도 있어, 용이하게 균열이 발생해 버린다. 또한, GaN계 화합물 재료층뿐만 아니라, 그 위에 형성된 발광층 등에 균열이 전파되어, 소자 그 자체가 파괴되어 버리는 경우도 있어, 미세한 사이즈의 소자를 형성하는 경우에 문제가 되고 있다.

본 발명은, 상기한 문제점을 해결하는 것으로서, 본 발명의 목적은, 기판 상에 형성된 재료층에 균열을 발생시키는 일 없이, 상기 기판으로부터 상기 재료층을 박리할 수 있는 레이저 리프트 오프 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

본 발명자들이 열심히 검토한 결과, 펄스 레이저광을 조사함으로써 GaN이 분해할 때, 그 조사 영역의 엣지부에 데미지를 주는데, 이 분해에 의한 데미지의 크기는, 레이저광의 조사 면적에 크게 의존하고 있어, 조사 면적 S가 클수록 펄스 레이저광의 조사 영역의 경계(엣지부)에 큰 힘이 가해진다고 생각했으나, 엣지부의 길이(조사 영역의 주위 길이) L이 커지면, 엣지부의 단위 길이 당에 가해지는 힘은 작아지며, 조사 면적이 같아도, 데미지는 작아지는 것을 발견했다.

즉, ［조사 면적 S］/［주위 길이 L］의 값을 작게 함으로써 데미지를 작게 할 수 있다고 생각되며, 구체적으로는, 상기 S/L의 값을 0.125 이하로 함으로써, 데미지를 주는 일 없이, 레이저 리프트 오프 처리를 행할 수 있는 것을 발견했다.

이상에 기초하여, 본 발명에 있어서는, 다음과 같이 상기 과제를 해결한다.

(1) 기판 상에 결정층이 형성되어 이루어지는 워크에 대해, 상기 기판을 통해 펄스 레이저광을 조사하고, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을 시시각각 바꾸면서, 상기 기판과 상기 결정층의 계면에서 상기 결정층을 상기 기판으로부터 박리하는 레이저 리프트 오프 방법으로서, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을, 그 조사 영역의 면적을 S(mm²), 조사 영역의 주위 길이를 L(mm)로 했을 때, S/L≤0.125의 관계를 만족하도록 설정한다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을 사각형으로 한다.

(3) 기판상에 결정층이 형성되어 이루어지는 워크에 대해, 상기 기판을 통해 펄스 레이저광을 조사하고, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을 시시각각 바꾸면서, 상기 기판과 상기 결정층의 계면에서 상기 결정층을 상기 기판으로부터 박리하는 레이저 리프트 오프 장치로서, 상기 기판을 투과함과 더불어 상기 결정층을 분해하기 위해서 필요한 파장역의 펄스 레이저광을 발생시키는 레이저원과, 상기 워크를 반송하는 반송 기구와, 상기 레이저원으로부터 발생한 펄스 레이저광을, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역의 면적을 S(mm²), 조사 영역의 주위 길이를 L(mm)로 했을 때, S/L≤0.125의 관계가 되도록 성형하는 레이저 광학계를 설치한다.

(4) 상기 (3)에 있어서, 상기 레이저 광학계가, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을 사각형으로 성형한다.

본 발명의 레이저 리프트 오프 방법에 의하면, 다음의 효과를 기대할 수 있다.

(1) 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역을, 그 조사 영역의 면적을 S(mm²), 조사 영역의 주위 길이를 L(mm)로 했을 때, S/L≤0.125의 관계를 만족하도록 설정함으로써, 펄스 레이저광의 조사 영역의 엣지부에 가해지는 데미지를 경감할 수 있고, 재료층에 대한 균열 발생을 방지할 수 있다.

(2) 조사 영역을 사각형으로 함으로써, 조사 영역의 엣지부를 중첩시키면서 워크의 전면에 레이저광을 조사할 수 있고, 재료층에 균열을 발생시키는 일 없이, 워크 전면에 대해 레이저 리프트 오프 처리를 행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 처리의 개요를 설명하는 개념도이다.
도 2는 레이저광이 워크에 조사되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 장치의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 있어서, 워크의 서로에 인접하는 영역 S1, S2에 중첩하여 조사되는 레이저광의 광강도 분포를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 실시예의 레이저광의 광강도 분포와 비교하기 위한 비교예를 도시하는 도면이다.
도 6은 레이저광의 중첩도가 박리 후의 재료층에게 주는 영향을 조사한 실험 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은 조사 영역의 면적, 형상을 바꾸어 레이저광을 조사했을 때의 박리 후의 재료층의 표면 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8은 레이저 리프트 오프 처리를 적용할 수 있는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 레이저광의 1쇼트의 조사 영역이 정방형 형상인 경우를 도시하는 도면이다.

도 1은, 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 처리의 개요를 설명하는 개념도이다.

이 도면에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 있어서, 레이저 리프트 오프 처리는 다음과 같이 행해진다.

레이저광을 투과하는 기판(1) 상에 재료층(2)이 형성된 워크(3)가, 워크 스테이지(31) 상에 올려져 있다. 워크(3)를 올려놓은 워크 스테이지(31)는, 컨베이어 같은 반송 기구(32)에 올려져, 반송 기구(32)에 의해 소정의 속도로 반송된다. 워크(3)는, 워크 스테이지(31)와 함께 도면 내의 화살표 AB 방향으로 반송되면서, 기판(1)을 통해, 도시 생략한 펄스 레이저원으로부터 출사하는 펄스 레이저광 L이 조사된다.

워크(3)는, 사파이어로 이루어지는 기판(1)의 표면에, GaN(질화 갈륨)계 화합물의 재료층(2)이 형성되어 이루어진 것이다. 기판(1)은, GaN계 화합물의 재료층을 양호하게 형성할 수 있고, 또한, GaN계 화합물 재료층을 분해하기 위해서 필요한 파장의 레이저광을 투과하는 것이면 된다. 재료층(2)에는, 낮은 입력 에너지에 의해 고출력의 청색광을 효율적으로 출력하기 위해서 GaN계 화합물이 이용된다.

레이저광은, 기판(1) 및 기판(1)으로부터 박리하는 재료층을 구성하는 물질에 대응하여 적절히 선택해야 한다. 사파이어의 기판(1)으로부터 GaN계 화합물의 재료층(2)을 박리하는 경우에는, 예를 들어 파장 248nm를 방사하는 KrF(크립톤 불소) 엑시머 레이저를 이용할 수 있다. 레이저 파장 248nm의 광에너지(5eV)는, GaN의 밴드갭(3.4eV)과 사파이어의 밴드갭(9.9eV)의 사이에 있다. 따라서, 파장 248nm의 레이저광은 사파이어의 기판으로부터 GaN계 화합물의 재료층을 박리하기 위해서 바람직하다.

이어서, 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 처리에 대해, 도 1 및 도 2를 이용해 설명한다. 도 2는, 레이저광 L이 워크(3)에 조사되는 모습을 도시하는 도이다.

도 2(a)는 워크(3)에 대한 레이저광의 조사 방법을 도시하고, 도 2(b)는 도 2(a)의 X부를 확대해 도시한 것으로서, 도 2(b)에서는, 워크(3)의 각 조사 영역에 조사되는 레이저광의 광강도 분포의 단면의 일례를 도시하고 있다. 또한, 도 2에 도시한 워크(3) 상의 실선은, 레이저광의 조사 영역을 가상적으로 도시한 것에 지나지 않는다.

워크(3)는, 반송 기구(32)에 의해 도 2에 도시한 화살표 HA, HB, HC의 방향으로 반복해서 반송된다. 레이저광 L은 사파이어의 기판(1)의 이면으로부터 조사되고, 기판(1)과 재료층(2)의 계면에 조사된다. 레이저광 L의 형상은 대략 사각형 형상으로 형성된다.

워크(3)는, 도 1, 2에 도시한 바와 같이, 워크 자체의 사이즈에 대응하여, 도 1의 화살표 A의 방향으로 반송되는 제1의 반송 동작 HA와, 레이저광의 1쇼트의 조사 영역 S에 상당하는 거리에서, 조사 영역이 중첩하는 중첩 영역 ST를 뺀 거리만큼 제1의 반송 동작 HA의 반송 방향과 직교하는 방향(도 1의 화살표 C의 방향)으로 반송되는 제2의 반송 동작 HB와, 도 1의 화살표 B의 방향으로 반송되는 제3의 반송 동작 HC가 순차적으로 실행된다. 제1의 반송 동작 HA 및 제3의 반송 동작 HC의 각각의 반송 방향은 180°다르다.

여기서, 레이저광의 광학계는 고정된 상태로 있어 반송되지 않는다. 즉, 레이저광의 광학계를 고정한 상태에서 워크(3)만이 반송됨으로써, 워크(3)에 있어서의 레이저광 L의 조사 영역이, 도 2의 화살표에 도시한 바와 같이, S1, …S10,…의 순으로 상대적으로 시시각각 바뀌게 된다.

다음에, 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 처리에 대해 보다 구체적으로 설명한다. 도 2에 도시한 실시예에서는, 워크(3)는 원형 형상의 윤곽을 가지는데, 레이저광의 조사 영역이 대략 사각형 형상으로 되어 있으며, 이러한 사각형 형상의 조사 영역에 대한 레이저 조사 방법에 대해 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 워크(3)를 도 2의 HA 방향으로 반송해, S1, S2, S3, S4의 4개의 조사 영역에 대해서, 조사 영역의 단부(엣지부)를 중첩시키면서, 각각 1회씩 합계 4회에 걸쳐 레이저광을 조사한다. 이것이 제1의 반송 동작이다.

다음에, 레이저광이 워크(3)의 다음 조사 영역 S5에 조사되도록 하기 위해, 워크(3)를 도 2의 HB 방향으로 반송한다. 이것이 제2의 반송 동작이다. 워크(3)가 화살표 HB 방향으로 반송되는 거리는, 펄스 레이저광의 1쇼트(1펄스)분의 조사 영역에 상당하는 거리에서 중첩 영역 ST를 뺀 거리와 동일하다.

그 다음에, 워크(3)를 도 2의 HC 방향으로 반송시키면서, S5, S6, S7, S8, S9, S10의 6개의 조사 영역에 대해서, 각각 1회씩 합계 6회에 걸쳐 레이저광을 조사한다. 이것이 제3의 반송 동작이다. 워크(3)의 그 밖의 조사 영역에 대해서도 상기의 일련의 순서에 따라 워크(3)를 반송함으로써, 워크(3)의 전역에 걸쳐 레이저광이 조사된다.

레이저광의 조사 영역은, 도 2에 도시한 바와 같이 S1, S2, S3의 순으로 상대적으로 이동하게 되는데, 각각의 조사 영역은 예를 들어 0.5mm×0.5mm이며, 면적은 0.25mm²가 된다. 이에 대해, 워크(3)의 면적은 4560mm²이다. 즉, 레이저광의 조사 영역 S1, S2, S3은 워크 면적에 비해 훨씬 더 작은 것이다.

본 실시예의 레이저 리프트 오프 처리에서는, 워크(3)에 비해 작은 조사 영역의 레이저광이 도 1에 도시한 화살표 A 및 B의 방향(즉 워크의 좌우 방향)으로 스캔하면서 워크(3)에 대해 조사된다. 또한, 본 발명의 실시예와는 반대로, 워크를 고정한 채로, 상기한 반송 동작 HA 내지 HC에 따라 레이저의 광학계를 반송해도 된다. 요점은, 워크 상의 레이저광의 조사 영역이 시간과 더불어 시시각각 변하듯이, 워크에 대해 레이저광이 조사되면 된다.

워크(3)에 조사되는 펄스 레이저광은, 도 2(b)에 도시한 바와 같이 워크(3)의 반송 방향 HA에 서로 인접하는 조사 영역 S1, S2, S3에 있어서, 각각의 폭 방향의 단부가 중첩한다. 또한, 워크(3)에 조사되는 펄스 레이저광은, 워크(3)의 반송 방향 HA에 직교하는 방향에 서로 인접하는 조사 영역 S1 및 S9, S2 및 S8, S3 및 S7, S4 및 S6의 각각에 있어서, 각자의 폭 방향이 중첩한다. 워크(3)의 중첩 영역 ST의 폭은, 예를 들어 0.1mm이다.

레이저광의 펄스 간격은, 워크의 반송 속도와, 워크(3) 상의 인접하는 조사 영역 S1, S2, S3 …에 조사되는 레이저광의 중첩 영역 ST의 폭을 고려해 적절히 설정된다.

기본적으로는 워크가 다음 조사 영역으로 이동하기 전에 레이저광이 워크에 조사되는 일이 없도록, 레이저광의 펄스 간격을 결정할 수 있다. 즉, 예를 들어 레이저광의 펄스 간격은, 워크가 레이저광의 1쇼트분의 조사 영역에 상당하는 거리를 이동하기 위해서 필요로 하는 시간보다 짧게 설정된다. 예를 들어, 워크(3)의 반송 속도가 100mm/초, 레이저광의 중첩 영역 ST의 폭이 0.1mm인 경우, 레이저광의 펄스 간격은 0.004초(250Hz)이다.

도 3은, 본 발명의 실시예의 레이저 리프트 오프 장치의 광학계의 구성을 도시하는 개념도이다. 이 도면에 있어서, 레이저 리프트 오프 장치(10)는, 펄스 레이저광을 발생시키는 레이저원(20)과, 레이저광을 소정의 형상으로 성형하기 위한 레이저 광학계(40)와, 워크(3)가 올려지는 워크 스테이지(31)와, 워크 스테이지(31)를 반송하는 반송 기구(32)와, 레이저원(20)에서 발생하는 레이저광의 조사 간격 및 반송 기구(32)의 동작을 제어하는 제어부(33)를 구비하고 있다.

레이저 광학계(40)는, 실린드리컬 렌즈(41, 42)와, 레이저광을 워크의 방향으로 반사하는 미러(43)와, 레이저광을 소정의 형상으로 성형하기 위한 마스크(44)와, 마스크(44)를 통과한 레이저광 L의 상(像)을 워크(3) 상에 투영하는 투영 렌즈(45)를 구비하고 있다. 워크(3)에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역의 면적 및 형상은, 레이저 광학계(40)에 의해 적절히 설정할 수 있다.

레이저 광학계(40)의 끝에는 워크(3)가 배치되어 있다. 워크(3)는 워크 스테이지(31) 상에 올려져 있다. 워크 스테이지(31)는 반송 기구(32)에 올려져 있으며, 반송 기구(32)에 의해 반송된다. 이에 의해, 워크(3)가, 도 1에 도시한 화살표 A, B의 방향으로 차례대로 반송되며, 워크(3)에 있어서의 레이저광의 조사 영역이 시시각각 바뀐다. 제어부(33)는, 워크(3)의 인접하는 조사 영역에 조사되는 각 레이저광의 중첩도가 원하는 값이 되도록, 레이저원(20)에서 발생하는 펄스 레이저광의 펄스 간격을 제어한다.

레이저원(20)으로부터 발생하는 레이저광 L은 파장 248nm의 자외선을 발생시키는 예를 들어 KrF 엑시머 레이저이다. 레이저원으로서 ArF 레이저나 YAG 레이저를 사용해도 된다. 여기서, 워크(3)의 광입사면(3A)은, 투영 렌즈(45)의 초점(F)보다 레이저광의 광축 방향에 있어서 원방측에 배치되어 있다. 이와는 반대로, 레이저광의 광축 방향에 있어서, 워크(3)의 광입사면(3A)을 투영렌즈(45)의 초점(F)보다 투영 렌즈(45)에 가까워지도록 배치해도 된다. 이와 같이, 워크(3)의 광입사면(3A)을 투영 렌즈(45)의 초점(F)에 일치하지 않도록 배치함으로써, 도 4에 도시한 바와 같은 단면이 사다리꼴 형상의 광강도 분포를 가지는 레이저광이 얻어진다.

레이저원(20)에서 발생한 펄스 레이저광 L은, 실린드리컬 렌즈(41, 42), 미러(43), 마스크(44)를 통과한 후에, 투영 렌즈(45)에 의해 워크(3) 상에 투영된다. 펄스 레이저광 L은, 도 1에 도시한 바와 같이 기판(1)을 통해서 기판(1)과 재료층(2)의 계면에 조사된다. 기판(1)과 재료층(2)의 계면에서는, 펄스 레이저광 L이 조사됨으로써, 재료층(2)의 기판(1)과의 계면 부근의 GaN이 분해된다. 이와 같이 하여 재료층(2)이 기판(1)으로부터 박리된다.

재료층(2)은 펄스 레이저광이 조사됨으로써, 재료층(2)의 GaN이 Ga와 N₂ 로 분해된다. GaN이 분해될 때는, 마치 폭발한 것 같은 현상이 발생하고, 재료층(2)에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역의 엣지부에 대해서 적지 않은 데미지를 준다.

본 발명의 레이저 리프트 오프 처리에 있어서는, 후술하는 바와 같이, 재료층(2)에 조사되는 펄스 레이저광의 조사 영역의 면적과 주위 길이를 소정의 관계로 설정하고 있으며, 이에 의해, GaN이 분해될 때에 펄스 레이저광의 조사 영역의 엣지부에 가해지는 데미지를 경감하고, 재료층(2)에 대한 균열 발생을 방지하고 있다.

도 4는, 도 2에 도시한 워크(3)의 서로 인접하는 영역 S1, S2에 중첩하도록 워크에 조사되는 레이저광의 광강도 분포를 도시하는 도이며, 도 2(b)에 있어서의 a－a'선 단면도이다.

이 도면에 있어서 종축은 워크의 각 조사 영역에 조사되는 레이저광의 강도(에너지 값)를, 횡축은 워크의 반송 방향을 도시한다. 또, L1, L2는, 각각 워크의 조사 영역 S1, S2에 조사되는 레이저광의 프로파일을 도시한다. 또한, 레이저광 L1, L2는 동시에 조사되는 것은 아니고, 레이저광 L1이 조사되고 나서 1펄스 간격 후에 레이저광 L2가 조사된다.

이 예에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 레이저광 L1, L2의 단면은, 원주 방향으로 완만하게 넓어지는 엣지부 LE에 이어 정상(피크 에너지 PE)에 평탄면을 가지는 대략 사다리꼴 형상으로 형성되어 있다. 그리고 레이저광 L1, L2는, 도 4에 파선으로 도시한 바와 같이, GaN계 화합물의 재료층을 분해해 사파이어의 기판으로부터 박리시키기 위해서 필요한 분해 역치 VE를 넘는 에너지 영역에 있어서 중첩된다.

즉, 각 레이저광의 광강도 분포에 있어서의, 레이저광 L1과 L2의 교차 위치 C에서의 레이저광의 강도(에너지 값) CE는, 상기 분해 역치 VE를 초과하는 값이 되도록 설정된다.

이는, 상술한 바와 같이, 도 2의 조사 영역 S1에 레이저광을 조사한 후에 조사 영역을 S1로부터 S2로 이행시켰을 때, 영역 S1의 온도는 이미 실온 레벨까지 저하한 상태가 되기 때문에, 조사 영역 S1의 온도가 실온 레벨로 저하한 상태에서 조사 영역 S2에 레이저광을 조사했다고 하더라도, 각각의 조사 영역 S1, S2에 조사되는 펄스 레이저광의 조사량이 적산되지 않기 때문이다.

레이저광 L1과 L2의 교차 위치 C에서의 레이저광의 강도 CE, 즉, 레이저광이 중첩해 조사되는 영역에 있어서의 각각의 펄스 레이저광의 강도를, 상기 분해 역치 VE를 초과하는 값이 되도록 설정함으로써, 재료층을 기판으로부터 박리시키기 위해서 충분한 레이저 에너지를 줄 수 있어, 기판 상에 형성된 재료층에 균열을 발생시키는 일 없이, 재료층을 기판으로부터 확실히 박리시킬 수 있다.

한편, 상기 조사 영역 S1과 S2의 각각의 엣지부가 중첩하는 영역 ST에 있어서의, 각각의 펄스 레이저광의 강도가, 상기 재료층을 상기 기판으로부터 박리시키는데 필요한 분해 역치에 대해 너무 크면, 기판에 재료층이 재접착하는 등의 문제점이 발생하는 것이 확인되었다.

이는, 같은 영역에, 강도가 큰 펄스 레이저광이 2번 조사됨으로써, 한 번 기판으로부터 박리한 재료층이, 2번째로 조사되는 펄스 레이저광에 의해 재접착하는 것이라고 생각된다.

실험 등에 의해, 각 레이저광이 중첩하고 있는 영역에 있어서의 레이저광의 강도는, 상기 재료층을 상기 기판으로부터 박리시키는데 필요한 분해 역치 VE에 대해, VE×1.15 이하로 하는 것이 바람직한 것을 알았다.

즉, ［레이저광이 중첩하고 있는 영역에 있어서의 레이저광의 강도(최대치)］/［분해 역치 VE］를 중첩도 T라고 정의하면, 기판 상에 형성된 재료층에 균열을 발생시키지 않고, 또한 기판을 재접착시키는 일 없이, 재료층을 기판으로부터 확실히 박리시키기 위해서는, 중첩도 T를 1≤T≤1.15로 하는 것이 바람직하다.

또한, 워크(3)와 레이저광의 상대적인 이동량에 대해, 레이저광의 펄스 간격은, 워크(3)의 인접하는 조사 영역에 조사되는 레이저광이 상기와 같이 중첩하도록 미리 조정되어 있다. 이 도면에 도시한 실시예에서는, 재료층이 GaN이므로, 분해 역치는 500~1500J/cm²이다. 분해 역치 VE는, 재료층을 구성하는 물질마다 설정하는 것이 필요해진다.

이상의 것을 확인하기 위해서, 도 5(a)의 비교예에 도시한 바와 같이, 레이저광 L1과 L2의 각각의 광강도 분포가 분해 역치 VE를 밑도는 에너지 영역에서 교차하고 있는 레이저광을 워크에 조사했으나, 재료층을 구성하는 GaN의 미분해 영역이 형성되어, 재료층을 기판으로부터 충분히 박리시킬 수 없었다. GaN의 미분해 영역은, 워크에 있어서 레이저광 L1과 L2가 중첩하는 중첩 영역 ST에 일치하고 있었다.

한편, 도 5(b)의 비교예에 도시한 레이저광을 워크에 조사했을 경우는, 레이저광 L1과 L2의 중첩도 T가 너무 크기 때문에, 후술하는 실험 결과인 도 6(b－4)에 도시한 바와 같이, 박리 후의 재료층의 표면 상태는, 표면에 검은 얼룩과 같은 오염이 다수 형성되었다.

이는, 에너지가 큰 레이저광이 같은 개소에 2번 조사됨으로써, 한 번 기판으로부터 박리한 재료층이, 2번째로 조사되는 레이저광에 의해 재접착해, 기판을 구성하는 사파이어의 성분이 부착한 것이라고 생각된다. 이와 같이 재료층의 표면에 형성된 검은 얼룩은 발광 특성에 악영향을 끼친다.

이상의 것을 확인하기 위해서, 도 6(a)에 도시한 직사각형 형상의 광강도 분포를 가지는 레이저광 L1, L2(KrF 레이저가 출력하는 펄스 레이저광)를, 사파이어 기판 상에 GaN 재료층을 형성한 워크에 조사해, 박리 후의 재료층의 표면을 검사했다.

실험에서는, 레이저광 L1, L2가 중첩하는 영역에서의 레이저광의 강도를, GaN 재료층의 분해 역치 VE(870mJ/cm²)에 대해 105%, 110%, 115%, 120%로 변화시켜 조사하고, 박리 후의 재료층의 표면을 검사했다.

도 6(b－1), (b－2)(b－3), (b－4)에, 중첩하는 영역에 있어서의 레이저광의 강도를 분해 역치 VE에 대해, 각각 105%, 110%, 115%, 120%로 변화시켰을 경우의 박리 후의 재료층의 표면을 도시한다.

도 6(b－1), (b－2)(b－3)에 도시한 바와 같이, 분해 역치 VE에 대해, 중첩하는 영역에서의 레이저광의 강도가 105%, 110%, 115%인 경우에는, 박리 후의 재료층의 표면 상태는 양호하고, 오염, 상처 등이라고 하는 발광 특성에 악영향을 주는 것은 눈에 띄지 않았다. 이에 비해, 레이저광의 강도를 분해 역치 VE에 대해 120%로 하면, 도 6(b－4)에 도시한 바와 같이, 박리 후의 재료층의 표면 상태는, 검은 얼룩과 같은 오염이 다수 형성되었다.

이상의 점으로부터, 레이저 에너지를 GaN의 분해 역치 VE에 대해 VE×1~VE×1.15의 범위로 함으로써, 레이저광이 중첩해 조사되는 영역을 포함해, GaN 재료층의 표면에 데미지를 주는 일 없이, 레이저 리프트 오프 처리를 행할 수 있다고 생각된다.

이상과 같이, 레이저 리프트 오프시에 재료층에게 주는 데미지를 방지하기 위해서는, 레이저광의 강도를 적절히 선정할 필요가 있는데, 또한 검토를 행한 결과, 레이저 리프트 오프시에 있어서의 레이저광의 조사 면적이 재료층에게 주는 데미지에 크게 영향을 주는 것이 확인되었다.

상술한 바와 같이, 재료층(2)은 펄스 레이저광이 조사됨으로써, 재료층(2)의 GaN이 Ga와 N₂로 분해된다. GaN이 분해될 때는, 마치 폭발한 것 같은 현상이 발생하고, 재료층(2)에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역의 엣지부에 대해 데미지를 주는데, 이 분해에 의한 데미지의 크기는, 레이저광의 조사 면적에 크게 의존하고 있다고 생각된다. 즉, 조사 면적 S가 클수록, 상기 N₂ 가스의 발생량이 많아지는 등, 펄스 레이저광의 조사 영역의 엣지부에 큰 힘이 가해진다고 생각된다. 한편, 엣지부의 길이(조사 영역의 주위 길이) L이 커지면, 상기 엣지부에 가해지는 힘이 커져도, 단위 길이 당에 가해지는 힘은 작아져, 조사 면적이 같아도, 데미지는 작아진다.

표 1은, 레이저 리프트 오프 처리에 있어서의 조사 영역의 형상(x, y), 면적(S), 변의 길이(L), S/L, 각 변에 가해지는 응력과, 실험에서의 평가 결과를 기재한 것이다.

여기에서는, 조사 영역의 형상은 직사각형 형상으로 하고 있고, 표 1에 있어서, x(mm), y(mm)는 조사 영역의 종, 횡의 길이, S(mm²)는 조사 영역의 면적(x×y), L(mm)은 조사 영역의 주위의 길이(2x＋2y), S/L는 면적 S와 변의 길이 L의 비이다. 또, 응력(Pa)은, GaN의 분해에 의해 발생하는 N₂의 압력을 계산하면 6000기압(체적이 6000배가 되기 때문에, 대기압의 6000배의 압력이 된다)이며, 이 압력에 의한 GaN에 대한 변형 응력을 시뮬레이션하여, 변형 응력 분포 중 최대치를 구한 것이다.

또, 실험에서의 평가 결과는, 표에 기재된 조건으로 실제로 레이저 리프트 오프 처리를 행했을 때의 재료층의 표면 상태를 검사한 것이다.

이 실험은, 파장 248nm의 레이저광을 출사하는 KrF 레이저를 이용해, 워크에 대한 레이저의 조사 에너지는 GaN 재료층의 분해 역치 VE에 대해 VE×1.1로 했다. 또한, GaN 재료층의 분해 역치는 870J/cm²이다.

또한, 레이저 에너지를 GaN의 분해 역치 VE에 대해 VE×1~VE×1.15의 범위로 변경했을 경우에도, 상기 표 1에 기재한 결과와 같은 결과가 얻어진다고 생각된다.

표 1에 있어서, ○는 레이저 리프트 오프 처리 후의 재료층의 표면 상태가 양호한 경우(데미지 없음)를 나타내고, ×는, 오염이 형성되었을 경우(데미지 있음)를 나타낸다.

도 7은 이 실험 결과를 모식적으로 도시한 도이며, 이 도면의 (a)~(e)는 각각 표 1의 No.1, 4, 6, 7, 9의 실험 결과를 도시하고 있다. 또한, 표 1의 No.2, 3, 5에 대해 상기 실험은 행하지 않았다.

[표 1]

표 1로부터 알 수 있듯이, 데미지 없음이 확인된 No.1, 4, 6, 7 중, No.7의 S/L 값 및 응력치가 최대였다. 또, No.8의 실험에서는, 응력치가 2.02×10⁹Pa이며, 데미지 있음이 확인되었다. S/L 값과 응력치는 대체로 비례 관계에 있었다.

이상의 결과로부터, S/L이 0.125 이하이면, 응력치는 1.53×10⁹Pa 이하가 되고, 데미지의 발생은 없다고 생각된다. 한편, S/L이 상기 값을 초과하면, 박리 후의 재료층에 데미지를 준다고 생각한다.

즉, 조사 영역의 면적 S/주위 길이 L의 값을 0.125 이하로 함으로써, 데미지를 주는 일 없이, 레이저 리프트 오프 처리를 행할 수 있다고 생각한다.

또한, 표 1에 기재한 바와 같이, 레이저광의 조사 영역이 정방형의 경우에는, 조사 영역의 면적을 0.25mm² 이하로 함으로써, 데미지를 주는 일 없이, 레이저 리프트 오프 처리를 행할 수 있다고 생각된다. 그러나 조사 영역이 장방형으로, 한쪽 방향의 변(x)과 다른 쪽 방향의 변(y)의 길이가 다른 경우에는, 면적이 같아도［조사 면적 S］/［조사 영역의 주위 길이 L］의 값은 작아지므로, 조사 영역의 면적의 상한치는 상기 값보다 커지게 된다.

표 1에 기재한 바와 같이, No.3의 조사 영역이 x가 0.1mm, y가 7.0mm(종횡비 70)인 경우의 조사 영역의 면적은, 0.7mm²이고, 이 경우의 응력치는 8.36×10⁸Pa이 되며, 조사 영역의 면적이 상기 No.7(면적이 0.25mm²)보다 큼에도 불구하고, No.7의 응력치 1.53×10⁹Pa보다 작아졌다.

즉, 조사 영역의 면적이 데미지의 발생에 큰 영향을 끼치지만, ［조사 면적 S］/［조사 영역의 주위 길이 L］가 0.125 이하로 되도록 설정함으로써, 조사 영역의 엣지부에 가해지는 힘을 작게 하고, 재료층에게 주는 데미지를 작게 할 수 있다고 생각된다.

그러나 조사 영역의 형상은 레이저 장치의 구조, 광학 소자 등의 면으로부터 제약이 있고, 레이저 장치가 대형화하거나 비용이 비싸진다고 하는 이유에서, 극단적으로 가늘고 긴 형상의 조사 영역을 형성하기에는 어려움이 있다. 또한, 레이저 빔의 조사 분포는 ±5% 이내로 하는 것이 바람직하나, 극단적으로 가늘고 긴 형상의 빔에서는 이러한 요청을 만족시키는 것은 어려우며, 현실적으로는, 조사 영역의 종횡비는 상기한 70 이하로 할 필요가 있다.

또한, 상기 조사 영역의 형상은, 상기한 바와 같이 서로 이웃하는 조사 영역의 엣지부를 중첩시킬 필요가 있는 점으로부터, 직사각형 형상인 것이 바람직하고, 상기 도 2에 도시한 바와 같이 워크(3)에 대한 펄스 레이저광의 각 조사 영역(S1, S2, S3 …)을 정방형 형상에 가까운 형상으로 하는 경우, 조사 영역의 면적은 상기한 바와 같이 0.25mm² 이하인 것이 필요하고, 이상적으로는 0.1mm² 이하인 것이 바람직하다. 또, 조사 영역의 형상이 정방형 형상인 경우는, 바람직하게는 한 변이 0.3mm 이하이면 이상적이다. 또한, 빔 형상(조사 영역의 형상)은 장방형이나 정방형으로 한정되지 않고, 예를 들어 평행 사변형이어도 된다.

다음에, 상기한 레이저 리프트 오프 방법을 이용할 수 있는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. 이하에서는 GaN계 화합물 재료층에 의해 형성되는 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 도 8을 이용해 설명한다.

결정 성장용의 기판에는, 레이저광을 투과하여 재료층을 구성하는 질화 갈륨(GaN)계 화합물 반도체를 결정 성장시킬 수 있는 사파이어 기판을 사용한다. 도 8(a)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(101) 상에는, 예를 들어 유기금속 기상 성장법(MOCVD법)을 이용해 신속히 GaN계 화합물 반도체로 이루어지는 GaN층(102)이 형성된다.

이어서, 도 8(b)에 도시한 바와 같이, GaN층(102)의 표면에는, 발광층인 n형 반도체층(103)과 p형 반도체층(104)을 적층시킨다. 예를 들어, n형 반도체로서는 실리콘이 도핑된 GaN이 이용되며, p형 반도체로서는 마그네슘이 도핑된 GaN이 이용된다.

이어서, 도 8(c)에 도시한 바와 같이, p형 반도체층(104) 상에는, 땜납(105)이 도포된다. 이어서, 도 8(d)에 도시한 바와 같이, 땜납(105) 상에 서포트 기판(106)이 설치된다. 서포트 기판(106)은 예를 들어 동과 텅스텐의 합금으로 이루어진다.

그리고 도 8(e)에 도시한 바와 같이, 사파이어 기판(101)의 이면측으로부터 사파이어 기판(101)과 GaN층(102)의 계면을 향해 레이저광(107)을 조사한다. 레이저광(107)은, 조사 영역이 0.25mm² 이하의 면적을 가지는 정방형이 되고, 또한, 광강도 분포가 도 4에 도시한 바와 같은 대략 사다리꼴 형상이 되도록 성형된다.

레이저광(107)을 사파이어 기판(101)과 GaN층(102)의 계면에 조사해, GaN층(102)을 분해함으로써, 사파이어 기판(101)으로부터 GaN층(102)을 박리한다. 박리 후의 GaN층(102)의 표면에 투명 전극인 ITO(108)를 증착에 의해 형성하고, ITO(108)의 표면에 전극(109)을 설치한다.

1: 기판 2: 재료층
3: 워크 10: 레이저 리프트 오프 장치
20: 레이저원 31: 워크 스테이지
32: 반송 기구 33: 제어부
40: 레이저 광학계 41, 42: 실린드리컬 렌즈
43:　미러 44: 마스크
45: 투영 렌즈 101: 사파이어 기판
102: GaN층 103: n형 반도체층
104: p형 반도체층 105:　땜납
106: 서포트 기판 107: 레이저광
108: 투명 전극(ITO) 109:　전극
L: 레이저광

Claims

기판 상에 결정층이 형성되어 이루어지는 워크에 대해, 상기 기판을 통해 펄스 레이저광을 조사하고, 조사 영역의 이동 방향에서 서로 인접하는 조사 영역의 단부가 중첩하도록, 또한, 상기 이동 방향에 직교하는 방향에서 서로 인접하는 조사 영역의 단부가 중첩하도록 조사하여, 상기 기판과 상기 결정층의 계면에서 상기 결정층을 상기 기판으로부터 박리하는 레이저 리프트 오프 방법에 있어서,
상기 조사 영역은, 결정층을 기판으로부터 박리시키는데 필요한 분해 역치를 초과하는 에너지 영역에 있어서 중첩하고, 상기 워크에 대한 펄스 레이저광의 조사 영역이 종횡비 70 이하의 사각형이며, 상기 조사 영역의 면적을 S(mm²), 조사 영역의 주위 길이를 L(mm)로 했을 때, S/L≤0.125의 관계를 만족하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 레이저 리프트 오프 방법.
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