TWI555223B - Processing method of optical element wafers - Google Patents

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TWI555223B
TWI555223B TW101120673A TW101120673A TWI555223B TW I555223 B TWI555223 B TW I555223B TW 101120673 A TW101120673 A TW 101120673A TW 101120673 A TW101120673 A TW 101120673A TW I555223 B TWI555223 B TW I555223B
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Hiroshi Morikazu
Yoko Nishino
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Description

光元件晶圓之加工方法 發明領域
本發明係有關於一種從光元件晶圓剝離藍寶石基板之光元件基板之加工方法，該光元件晶圓係於藍寶石基板之表面透過緩衝層而積層有n型氮化鎵半導體層及p型氮化鎵半導體層等構成之光元件層。
發明背景
於光元件製造步驟中，於略圓板形狀之藍寶石基板的表面透過緩衝層積層由n型半導體層及p型半導體層構成之光元件層，並於藉由形成格子狀之複數切割道而劃分之複數領域，形成發光二極體、雷射二極體等光元件，而構成光元件晶圓。且，藉由沿著切割道分割光元件晶圓而製造各個光元件(例如參照專利文獻1)。
又，作為光元件之冷卻效果或使輝度提升之技術，係於下述專利文獻2揭示有稱為剝離(liftoff)的製造方法，該方法係在由透過緩衝層積層於構成光元件晶圓之藍寶石基板之表面的n型半導體層及p型半導體層構成之光元件層，透過金(Au)、白金(Pt)、鉻(Cr)、銦(In)、鈀(Pd)等接合金屬層而接合鉬(Mo)、銅(Cu)、矽(Si)等移設基板，藉由從藍寶石基板之背面側將雷射光線照射於緩衝層而剝離藍寶石基板，將光元件層移換至移設基板。
【先行技術文獻】
【專利文獻】
【專利文獻1】特開平10-305420號公報
【專利文獻2】特表2004-72052號公報
發明概要
而，由於上述緩衝層之厚度為1μm左右薄，且係藉由與由n型半導體層及p型半導體層構成之光元件層相同之半導體層形成，所以照射雷射光線而只破壞緩衝層是有困難的，並且由於剝離藍寶石基板後之緩衝層的面散佈250nm以上的凹凸，所以有所謂必須進行研磨的問題。
又，於緩衝層側裝設金屬基板時，全體會產生彎曲，而有所謂難以正確地將雷射光線之集光點定位於緩衝層的問題。
本發明係鑑於上述事實而完成者，其主要之技術課題在於提供一種將移設基板接合於透過緩衝層積層於構成光元件晶圓之藍寶石基板的表面之光元件層後，藉由從藍寶石基板之背面側將雷射光線照射於緩衝層，而不會使光元件層損傷，確實地破壞緩衝層，以可確實地剝離藍寶石基板的光元件晶圓之加工方法。
為了解決上述主要之技術課題，依據本發明，提供一種光元件晶圓之加工方法，係從於藍寶石基板之表面透過緩衝層積層有由n型半導體層及p型半導體層構成之光元件 層的光元件晶圓，剝離藍寶石基板者，其特徵在於該光元件晶圓之加工方法包含有下列步驟：移設基板接合步驟，係於光元件層之表面接合移設基板者；緩衝層破壞步驟，係從於光元件層之表面接合了移設基板之光元件晶圓的藍寶石基板側，照射脈衝雷射光線，以破壞緩衝層者；及藍寶石基板剝離步驟，係將緩衝層破壞後之光元件晶圓的藍寶石基板剝離，將光元件層移換至移設基板者，於前述緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線係設定波長較藍寶石基板之吸收限長，且較緩衝層之吸收限短，並且設定成熱擴散長度成為200nm以下的脈衝寬度。
且希望上述緩衝層為氮化鎵(GaN)，且於該緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的脈衝寬度係設定成200ps以下，並且以設定成100ps以下較佳。
又，希望於上述緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的波長係設定成150~355nm，並且以設定成150~250nm者較佳。
依據本發明之光元件晶圓之加工方法，於緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線係設定波長較藍寶石基板之吸收限長，且較緩衝層之吸收限短，並且設定成熱擴散長度成為200nm以下的脈衝寬度，所以脈衝雷射光線的能量在緩衝層消耗，而不會損傷光元件層。又，由於熱擴散長度為很短的200nm，所以脈衝雷射光線之能量在熱擴散長度的範圍會沿著與藍寶石基板之邊界面吸收，所以即使能量是高 斯分布，也可進行與高帽形狀同等的加工。再者，由於熱擴散長度為很短的200nm，所以脈衝雷射光線在到達緩衝層之瞬間，在熱擴散長度的範圍被吸收，所以即使在藍寶石基板有彎曲且脈衝雷射光線之集光點偏離緩衝層，也可確實地只破壞緩衝層。並且，剝離藍寶石基板後之緩衝層的面粗糙為可容許之100nm以下之凹凸，不需研磨等後處裡。
圖式簡單說明
第1(a)~1(b)圖係藉由本發明之光元件晶圓之加工方法加工之光元件晶圓的立體圖，及將主要部分放大而顯示的斷面圖。
第2(a)~2(b)圖係本發明光元件晶圓之加工方法之移設基板接合步驟的說明圖。
第3圖係本發明光元件晶圓之加工方法之移設基板貼附步驟的說明圖。
第4圖係用以實施本發明光元件晶圓之加工方法之緩衝層破壞步驟的雷射加工裝置之主要部分立體圖。
第5(a)~5(c)圖係本發明光元件晶圓之加工方法之緩衝層破壞步驟的說明圖。
第6圖係本發明光元件晶圓之加工方法之藍寶石基板剝離步驟的說明圖。
第7圖係顯示藍寶石與氮化鎵(GaN)之光透過曲線的圖表。
第8圖係顯示氮化鎵(GaN)之熱擴散長度與脈波寬度之關係的說明圖。
較佳實施例之詳細說明
以下，就有關本發明之光元件晶圓之加工方法的較佳實施形態，參照所附圖面詳細進行說明。
第1圖係顯示藉由本發明之光元件晶圓之加工方法加工之光元件晶圓的立體圖，及將主要部分放大而顯示的斷面圖。
第1圖所示之光元件晶圓2係於略圓板形狀之藍寶石基板20之表面20a，藉由磊晶成長法形成由n型氮化鎵半導體層211及p型氮化鎵半導體層212構成之光元件層21。且，於藍寶石基板20之表面藉由磊晶成長法積層由n型氮化鎵半導體層211及p型氮化鎵半導體層212構成之光元件層21時，於藍寶石基板20之表面20a與形成光元件層21之n型氮化鎵半導體層211之間，形成緩衝層22。且，光元件層21並不限氮化鎵(GaN)，藉由GaP、GaInP、GaInAs、GaInAsP、InP、InN、InAs、AlN、AlGaAs等形成。又，緩衝層22係以與光元件層同種之半導體形成。如此構成之光元件晶圓2於圖示之實施形態中，藍寶石基板20之直徑形成為50mm厚度形成為600μm，緩衝層22之厚度形成為1μm，光元件層21之厚度形成為10μm。且，光元件層21如第1(a)圖所示，於藉由形成格子狀之複數切割道23劃分之複數領域形成光元件24。
如上述般，為了將光元件晶圓2之藍寶石基板20從光元件層21剝離並移換至移設基板，實施將移設基板接合於光 元件層21之表面21a的移設基板接合步驟。亦即，如第2(a)圖及第2(b)圖所示，在形成於構成光元件晶圓2之藍寶石基板20之表面20a的光元件層21的表面21a，透過由金錫構成之接合金屬層4接合由銅基板構成之移設基板3。該移設基板接合步驟係在形成於藍寶石基板20之表面20a的光元件層21之表面21a或移設基板3之表面3a蒸鍍上述接合金屬，而形成厚度為3μm左右之接合金屬層4，且藉由使該接合金屬層4與移設基板3之表面3a或光元件層21之表面21a相對面並壓接，而可於構成光元件晶圓2之光元件層21之表面21a透過接合金屬層4接合移設基板3之表面3a。而且，移設基板3係設定成直徑為50mm厚度為1mm。
實施了上述之移設基板接合步驟時，便實施將接合於構成光元件晶圓2之光元件層21之表面21a的移設基板3，貼附於形成在構成光元件晶圓2之藍寶石基板20之表面20a的光元件層21表面21a，且將由銅基板構成之移設基板3貼附於裝設在環狀框架之黏著膠帶的表面之移設基板貼附步驟。亦即，如第3圖所示，將接合於構成光元件晶圓2之光元件層21之表面21a的移設基板3背面3b側，貼附於由裝設在環狀框架F之由聚烯烴等合成樹脂片構成之黏著膠帶T的表面。因此，接合了貼附在黏著膠帶T之表面的移設基板3之光元件晶圓2之藍寶石基板20便變成上側。
實施了上述之移設基板貼附步驟時，變實施從於光元件層21之表面接合了移設基板3之光元件晶圓2之藍寶石基板20側，照射脈衝雷射光線以破壞緩衝層22之緩衝層破壞 步驟。該緩衝層破壞步驟於圖示之實施形態中，係使用第4圖所示之雷射加工裝置5來實施。第4圖所示之雷射加工裝置5具備有保持被加工物之夾頭台51、對保持於該夾頭台51上之被加工物照射脈衝雷射光線的雷射光線照射機構52。
上述夾頭台51係構成以於為上面之保持面吸引保持被加工物，並藉由未圖示之加工進給機構而於第4圖以箭頭X所示的方向加工進給，且藉由未圖示之分度進給機構而於第4圖中以箭頭Y所示之方向進行分度進給。
上述雷射光線照射機構52包含實質上配置成水平之圓筒形狀的殼體521。殼體521內配設具有未圖示之脈衝雷射光線振盪器及反覆頻率設定機構之脈衝雷射光線振盪機構。於上述殼體521之前端部裝設有用以將從脈衝雷射光線振盪機構振盪出之脈衝雷射光線集光之集光器522。
有關使用上述雷射加工裝置5實施之緩衝層破壞步驟，參照第4圖及第5圖進行說明。
要實施緩衝層破壞步驟，首先如上述第4圖所示般，於雷射加工裝置之夾頭台51上載置貼附了接合於上述之光元件晶圓2之移設基板3的黏著膠帶側，且作動未圖示之吸引機構以於夾頭台51上吸引保持光元件晶圓2。因此，保持於夾頭台51上之光元件晶圓2係藍寶石基板20之背面20b成為上側。且，於第4圖中，雖省略了裝設了黏著膠帶T之環狀框架F而顯示，然而環狀框架F係保持於配設在夾頭台51之適宜的框架保持機構。
如上述般，於夾頭台51上吸引保持接合了移設基板3之 光元件晶圓2時，將夾頭台51如第5(a)圖所示般移動至雷射光線照射機構52之集光器522位於之雷射光線照射領域，將一端(第5(a)圖中為左端)定位於雷射光線照射機構52之集光器522的正下方。接著，使從集光器522照射之脈衝雷射光線的集光點P如第5(b)圖所示般調整與緩衝層22一致。且，作動雷射光線照射機構52，從集光器522照射脈衝雷射光線，且於第5(a)圖中以箭頭X1所示之加工進給方向以預定之加工進給速度使夾頭台51移動。並且，如第5(c)圖所示，藍寶石基板20之另一端(第5(c)圖中為右端)到達雷射光線照射機構52之集光器522的照射位置時，停止脈衝雷射光線的照射，且停止夾頭台51之移動(緩衝層破壞步驟)。於緩衝層22之全面實施該緩衝層破壞步驟。其結果，緩衝層22被破壞，緩衝層22所造成之藍寶石基板20與光元件層21之結合機能喪失。
上述緩衝層破壞步驟之加工條件，例如如下述般設定。
光源：YAG雷射
波長：257nm
反覆頻率：50kHz
平均輸出：0.12W
脈衝寬度：100ps
集光點徑：ψ70μm
散焦：1.0mm(在將雷射光線定位於藍寶石基板之表面的狀態，使集光器靠近藍寶石基板1mm)
加工進給速度：600mm/秒
於上述加工條件實施緩衝層破壞步驟時，集光點徑為ψ70μm的脈衝雷射光線係集光點間隔成為12μm，且以集光點之重疊率為83%照射於光元件層21。
且，於上述之緩衝層破壞步驟中，雖顯示了一面作動雷射光線照射機構52而從集光器522照射脈衝雷射光線，一面將吸引保持了接合有移設基板3之光元件晶圓2的夾頭台51朝加工進給方向直線狀移動的例子，然而也可一面旋轉夾頭台51一面朝加工進給方向或分度進給方向移動，將脈衝雷射光線照射成漩渦狀。
實施了上述之緩衝層破壞步驟時，便實施從光元件層21剝離藍寶石基板20之藍寶石基板剝離步驟。亦即，由於結合藍寶石基板20與光元件層21之緩衝層22喪失了因實施緩衝層破壞步驟而被破壞之結合機能，所以如第6圖所示，藍寶石基板20可易於從光元件層21剝離。
此處，就有關於上述緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的波長進行說明。
於緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的波長，設定較藍寶石基板之吸收限長且較緩衝層之吸收限短是重要的。亦即，於緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的波長必須要設定成藉由透過藍寶石基板到達緩衝層並在緩衝層吸收而可破壞緩衝層的波長。於第7圖係顯示藍寶石與氮化鎵(GaN)之光透過曲線的圖表。於第7圖，橫軸顯示波長(nm)，縱軸顯示光透過率(%)。如第7圖所示，藍寶石之吸 收限為150nm，氮化鎵(GaN)之吸收限為355nm。因此，緩衝層為氮化鎵(GaN)時，緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線的波長希望設定成150~355nm，且以設定成氮化鎵(GaN)的光透過率(%)低之150~250nm者為較佳。
且，形成緩衝層之其他物質的吸收限係InAs為270nm附近，AlN為280nm附近，InP為380nm附近，AlGaAs為350nm附近。
其次，就有關於上述緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線之脈衝寬度進行說明。
緩衝層破壞步驟中照射之脈衝雷射光線之脈衝寬度設定成熱擴散長度為200nm以下的脈衝寬度是重要的。藉由設定成熱擴散長度為200nm以下之脈衝寬度，脈衝雷射光線之能量在緩衝層消耗，而不使光元件層損傷。亦即，熱擴散長度設定成較200nm大之脈衝寬度時，會破壞緩衝層，且會使光元件層損傷。且，由於熱擴散長度為很短的200nm，脈衝雷射光線之能量在熱擴散長度的範圍沿著與藍寶石基板之邊界面被吸收，所以即使能量是高斯分布，也可進行與高帽形狀同等的加工。再者，由於熱擴散長度為很短的200nm，脈衝雷射光線在到達緩衝層的瞬間在熱擴散長度的範圍被吸收，即使於藍寶石基板會彎曲，脈衝雷射光線之集光點從緩衝層偏離，也可確實地只破壞緩衝層。且，剝離藍寶石基板後之緩衝層的面粗糙為可容許之100nm以下的凹凸，研磨等之後處理變成不需要。
於第8圖，係顯示氮化鎵(GaN)之熱擴散長度(nm)與脈 衝寬度(ps)的關係。如第8圖所示，緩衝層為氮化鎵(GaN)時，為了使熱擴散長度為200nm以下，希望是將脈衝雷射光線之脈衝寬度設定成200ps以下，且以設定成熱擴散長度(nm)減少之100ps以下為較佳。
且，形成緩衝層之其他物質的熱擴散長度成為200nm以下之脈衝寬度，係GaP為150ps，InP為250ps，InAs為500ps，AlN為50ps，AlGaAs為150ps。
其次，就有關本發明人等之實驗結果進行說明。
(1)在照射波長較氮化鎵(GaN)之吸收限之355nm長之脈衝雷射光線時，會透過緩衝層對光元件層造成損壞，且脈衝雷射光線之能量損失變大。
(2)在照射波長較藍寶石基板之吸收限之150nm短之脈衝雷射光線時，會在藍寶石基板吸收脈衝雷射光線的能量，對藍寶石基板造成損壞，且到達緩衝層之脈衝雷射光線之能量損失變大。
(3)照射氮化鎵(GaN)之吸收率成為最高之波長(250nm)的脈衝雷射光線時，加工效率變得良好，緩衝層之面粗糙(凹凸)成為50nm以下。
(4)將脈衝寬度設定成1ns而照射脈衝雷射光線時，可確實破壞緩衝層，然而裂紋會到達光元件層而對光元件層造成損壞。
(5)將脈衝寬度設定成500ps而照射脈衝雷射光線時，可確實破壞緩衝層，然而緩衝層之面粗糙(凹凸)成為500nm，需要研磨並除去凹凸的步驟。又，裂紋多少會到達光元件 層而對光元件造成損壞。
(6)將脈衝寬度設定成300ps而照射脈衝雷射光線時，可確實破壞緩衝層，然而緩衝層之面粗糙(凹凸)成為300nm，需要研磨並除去凹凸的步驟。
(7)將脈衝寬度設定成200ps而照射脈衝雷射光線時，可確實破壞緩衝層。且，緩衝層之面粗糙(凹凸)為100nm，在容許範圍內，不需要研磨。
(8)將脈衝寬度設定成100ps而照射脈衝雷射光線時，可確實破壞緩衝層。且緩衝層之面粗糙(凹凸)成為50nm，在容許範圍內，完全不需要研磨。
2‧‧‧光元件晶圓
3‧‧‧移設基板
3a‧‧‧表面
3b‧‧‧背面
4‧‧‧接合金屬層
5‧‧‧雷射加工裝置
20‧‧‧藍寶石基板
20a‧‧‧表面
20b‧‧‧背面
21‧‧‧光元件層
21a‧‧‧表面
22‧‧‧緩衝層
23‧‧‧切割道
24‧‧‧光元件
51‧‧‧夾頭台
52‧‧‧雷射光線照射機構
211‧‧‧n型氮化鎵半導體層
212‧‧‧p型氮化鎵半導體層
521‧‧‧殼體
522‧‧‧集光器
F‧‧‧環狀框架
P‧‧‧集光點
T‧‧‧黏著膠帶
X1‧‧‧箭頭
第1(a)~1(b)圖係藉由本發明之光元件晶圓之加工方法加工之光元件晶圓的立體圖，及將主要部分放大而顯示的斷面圖。
第2(a)~2(b)圖係本發明光元件晶圓之加工方法之移設基板接合步驟的說明圖。
第3圖係本發明光元件晶圓之加工方法之移設基板貼附步驟的說明圖。
第4圖係用以實施本發明光元件晶圓之加工方法之緩衝層破壞步驟的雷射加工裝置之主要部分立體圖。
第5(a)~5(c)圖係本發明光元件晶圓之加工方法之緩衝層破壞步驟的說明圖。
第6圖係本發明光元件晶圓之加工方法之藍寶石基板剝離步驟的說明圖。
第7圖係顯示藍寶石與氮化鎵(GaN)之光透過曲線的圖表。
第8圖係顯示氮化鎵(GaN)之熱擴散長度與脈波寬度之關係的說明圖。
2‧‧‧光元件晶圓
3‧‧‧移設基板
3a‧‧‧表面
3b‧‧‧背面
4‧‧‧接合金屬層
20‧‧‧藍寶石基板
20b‧‧‧背面
21‧‧‧光元件層
21a‧‧‧表面
22‧‧‧緩衝層
23‧‧‧切割道
51‧‧‧夾頭台
52‧‧‧雷射光線照射機構
522‧‧‧集光器
P‧‧‧集光點
T‧‧‧黏著膠帶
X1‧‧‧箭頭

Claims (3)

  1. 一種光元件晶圓之加工方法，係從於藍寶石基板之表面透過緩衝層積層有由n型半導體層及p型半導體層構成之光元件層的光元件晶圓，剝離前述藍寶石基板，其特徵在於該光元件晶圓之加工方法包含有下列步驟：移設基板接合步驟，係於前述光元件層之表面接合移設基板；緩衝層破壞步驟，係從於前述光元件層之表面接合了前述移設基板之前述光元件晶圓的前述藍寶石基板側，照射脈衝雷射光線，以破壞前述緩衝層；及藍寶石基板剝離步驟，係將前述緩衝層破壞後之前述光元件晶圓的前述藍寶石基板剝離，將前述光元件層移換至前述移設基板，於前述緩衝層破壞步驟中照射之前述脈衝雷射光線係設定波長較前述藍寶石基板之吸收限長，且較前述緩衝層之吸收限短，並且設定成熱擴散長度成為200nm以下的脈衝寬度，前述緩衝層為氮化鎵(GaN)，且於該緩衝層破壞步驟中照射之該脈衝雷射光線的脈衝寬度係設定成200ps以下，於該緩衝層破壞步驟中照射之該脈衝雷射光線的波長係設定成150~355nm。
  2. 如申請專利範圍第1項之光元件晶圓之加工方法，其中 於該緩衝層破壞步驟中照射之該脈衝雷射光線的脈衝寬度係設定成100ps以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之光元件晶圓之加工方法，其中於該緩衝層破壞步驟中照射之該脈衝雷射光線的波長係設定成150~250nm。
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