(57)【要約】【課題】二種類の材料系を分離する方法を提供する。【解決手段】二種類の材料系を分離する方法であって、サファイアバルクを提供するステップと、前記サファイアバルクの上に、第一の窒化物系を形成するステップと、前記サファイアバルクと前記第一の窒化物系との間に、碁盤状の複数の通路を形成するステップと、前記第一の窒化物系の上に、発光層を含む第二の窒化物系を形成するステップと、前記複数の通路をエッチングするステップと、前記サファイアバルクと前記第一の窒化物系とを分離するステップと、を含む。【選択図】図１Ｅ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二種類の材料系を分離する方法であって、  サファイアバルクを提供するステップと、  前記サファイアバルクの上に、第一の窒化物系を形成するステップと、  前記サファイアバルクと前記第一の窒化物系との間に、碁盤状の複数の通路を形成するステップと、  前記第一の窒化物系の上に、発光層を含む第二の窒化物系を形成するステップと、  前記複数の通路をエッチングするステップと、  前記サファイアバルクと前記第一の窒化物系とを分離するステップと、を含む、方法。
【請求項２】
前記複数の通路の少なくとも一部を除去し、複数の中空通路を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記複数の中空通路を互いに接触させるステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の中空通路のうちの少なくとも二つの間隔は、前記複数の中空通路のうちの一つの幅とはほぼ同じである、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記第一の窒化物系に対するエッチング速度が、前記サファイアバルクに対するエッチング速度とは異なるエッチング液を提供するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第一の窒化物系を形成する前に、前記サファイアバルクの上に第三の窒化物系を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の通路のうちの少なくとも一部を除去し、前記第三の窒化物系と前記第一の窒化物系との間に中空通路を形成するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
二種類の材料系を分離する方法であって、  第一の材料系を提供するステップと、  前記第一の材料系の上に、碁盤状の複数の通路を形成するステップと、  前記複数の通路の上に、第二の材料系を形成するステップと、  前記複数の通路を除去し、複数の中空通路を形成するステップと、  前記複数の中空通路のうちの少なくとも一つをウェットエッチングし、前記第一の材料系と前記第二の材料系との間の接触面積を縮小させるステップと、含む、方法。
【請求項９】
二種類の材料系を分離する方法であって、  第一の材料系を提供するステップと、  前記第一の材料系をドライエッチングし、碁盤状の複数の中空通路を形成するステップと、  前記第一の材料系の上に、第二の材料系を形成するステップと、  前記複数の中空通路をウェットエッチングするステップと、  前記第一の材料系と前記第二の材料系とを分離するステップと、を含む、方法。
【請求項１０】
前記複数の中空通路をウェットエッチングするステップは、  前記第一の材料系又は前記第二の材料系の上に後退面を形成するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二種類の材料系（two  material  systems）を分離する方法に関し、特に、ウェットエッチング方法でサファイア基板を分離する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（GaN）系材料は、１９７０年代初期にＭＩＳ(Metal  Insulator  Semiconductor)ダイオードを製造するのに用いられてから、及び、１９９０年代にｐ−ｎ構造の発光ダイオード（Light  Emitting  Diode：LED）を製造するのに用いられた後、今は、青色光及び紫外光の光電素子に幅広く使用されている。窒化ガリウム系材料は、直接バンドギャップが高く、熱安定性が高く、及び、化学安定性が良いとのことでよく知られている。しかし、窒化ガリウムバルク（GaN  Bulk）の製作が容易でなく、そのため、サファイア又は炭化ケイ素等の異質材料をエピウエハ（Epiwafer）基板として使用し窒化ガリウム構造を成長させなければならない。そのうち、窒化物との間に１４％の格子不整合（lattice mismatch）を有するサファイア基板を採用するのが市場の主流である。
【０００３】
しかし、よく見られているサファイアが電気絶縁体であり、且つ、その熱伝導性が良くないので、垂直構造窒化物発光ダイオードを製造するために、或いは、発光ダイオードの放熱特性を向上するために、サファイアの代わりにその他のキャリヤーを使用する技術も開発されている。そのうち、レーザリフトオフ法（laser  lift-off）という分離技術があり、それは、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ又はＥｘｃｉｍｅｒレーザを用いて窒化ガリウムをガリウムと窒素に分解させることにより、サファイアを分離する目的を達成する。しかし、レーザ光束は、その貫通深度が制御されることが容易でないので、主要なエピウエハ構造に到着することが良くあり、その発光品質に影響を与える。
【特許文献１】米国特許第6,559,075号
【特許文献２】米国特許第6,071,795号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、サファイアバルクとエピウエハ構造、又は、二種類の材料系を分離するための方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前述した目的を達成するために、本発明の一実施例による二種類の材料系の分離方法は、サファイアバルクを提供するステップと、サファイアバルク上に窒化物系を形成するステップと、サファイアバルクと窒化物系との間に少なくとも二つの中空通路を形成するステップと、中空通路のうち少なくとも内表面をエッチングするステップと、サファイアバルクと窒化物系を分離するステップとを含む。
【０００６】
本発明の他の実施例による二種類の材料系の分離方法は、第一の材料系を提供するステップと、第一の材料系上に複数の材料通路又は材料パターンを形成するステップと、第一の材料系とそれらの材料通路または材料パターン上に第二の材料系を形成するステップと、前記複数の材料通路又は材料パターンを除去し中空通路又は中空パターンを形成するステップと、第一の材料系と第二の材料系の間の接触面積を、当該接触面積により安定な接続を維持できないまでに縮小するように、中空通路又は中空パターンに対してウェットエッチングを行うステップと、を含む。
【０００７】
本発明の他の実施例による二種類の材料系の分離方法は、第一の材料系を提供するステップと、第一の材料系をドライエッチングし中空通路を形成するステップと、前記第一の材料系上に第二の材料系を形成するステップと、中空通路に対してウェットエッチングを行うステップと、第一の材料系と第二の材料系を分離するステップとを含む。
【０００８】
本発明の他の実施例による二種類の材料系の分離方法は、第一の材料系を提供するステップと、第一の材料系上に第二の材料系を提供するステップと、第一の材料系と第二の材料系との間に複数の中空通路又は中空パターンを形成するステップと、第一の材料系と第二の材料系との間に５０〜１００００倍のエッチング速度の差を有すエッチング液を提供するステップと、第一の材料系と第二の材料系の間の接触面積を、当該接触面積により安定な接続を維持できないまでに縮小するように、エッチング液を用いて中空通路又は中空パターンに対してエッチングを行うステップと含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、サファイアバルクとエピウエハ構造、又は、二種類の材料系を分離するための方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の一実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【図１Ｃ】本発明の一実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【図１Ｄ】本発明の一実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【図１Ｅ】本発明の一実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【図２】本発明の実施例による複数種類の分離可能な形態を説明する図である。
【図３Ａ】本発明の一実施例による材料通路の配置を説明する図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施例による材料通路の配置を説明する他の図である。
【図４】本発明の他の実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する図である。
【図５Ａ】本発明の他の実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する図である。
【図５Ｂ】本発明の他の実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【図５Ｃ】本発明の他の実施例によるサファイア基板の分離方法を説明する他の図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の一実施例は、図１Ａ〜図１Ｅに示すものである。まず、サファイア基板１０の上方にエッチング層（図示せず）を堆積し、次に、フォトリソグラフィー（photolithography）技術を用いてエッチング層にある一部の領域を除去することにより特定の配置パターンを有する材料通路１３を形成する。なお、材料通路１３は、横方向成長法（epitaxial  lateral  overgrowth：ＥＬＯＧ）のテンプレート（template）として用いられることができる。続いて、材料通路１３及びサファイア基板１０の上方に第一の窒化物系１１と第二の窒化物系１２を順に形成する。そのうち、第一の窒化物系１１は、第二の窒化物系１２の緩衝層（buffer  layer）として用いられることにより、第二の窒化物系１２の中の転位密度（dislocation  density）を下げる。
【００１３】
第一の窒化物系１１の組成は、例えば、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮであり、或いは、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮからなる材料である。第一の窒化物系１１を形成する方法は、有機金属化学気相成長法（metalorganic  chemical  vapor  deposition：MOCVD）又はハイドライド気相成長法（hydride  vapour  phase  epitaxy：ＨＶＰＥ）等を採用しても良い。日本特許第2,141,400号、日本特許公開第2004-289095号及び米国特許第5,122,845号に開示されている内容は、前述した製造方法に関するので、ここに引用される。一実施例において、第一の窒化物系１１は、サファイア基板１０上に順に形成されるＡｌＮ層、ＧａＡｌＮ層及びｕ−ＧａＮ層を含むものである。他の実施例において、第一の窒化物系１１は、ＧａｘＡｌｘ−１Ｎ（０≦ｘ≦１）層を含むものである。
【００１４】
第二の窒化物系１２は、発光層と、この発光層の両側に位置するｐ型窒化物層及びｎ型窒化物層とを少なくとも含む。発光層の構造は、例えば、シングルヘテロ構造（single  heterostructure：ＳＨ）、ダブルヘテロ構造（double  heterostructure：ＤＨ）、ダブルサイドダブルダブルヘテロ構造（double-side  double  heterostructure：ＤＤＨ）、又は、多重量子井戸（multi-quantum well：ＭＱＷ）であっても良い。発光層、ｐ型窒化物層及びｎ型窒化物層の組成は、それぞれ、ＡｌｘＧａｙＩｎｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）である。また、第二の窒化物系１２は、その他の窒化物又は半導体材料、例えば、金属、有機化合物、絶縁体及び酸化物などを含んでも良い。一実施例において、インジウムスズ酸化物（indium  tin  oxide：ＩＴＯ）層が含まれても良く、これにより、横向き電流の分散効果を向上することができる。また、第二の窒化物系１２の外表面又は内表面が構造化されることにより、特定の光場を形成し、或いは、光出し効率を向上することができる。米国特許第5,779,924号、第5,792,698号及び日本特許公開第２００３−１１０１３６号に開示された内容が前述した技術に関連するので、これらの文献もここに引用される。第二の窒化物系１２を形成する方法は、有機金属化学気相成長法（metalorganic  chemical  vapor  deposition：MOCVD）又はハイドライド気相成長法（hydride  vapour  phase  epitaxy：ＨＶＰＥ）等を採用しても良い。
【００１５】
図１Ｂに示すように、特定のエッチング液を使用して材料通路１３をエッチングし、中空通路１４を形成する。一実施例において、材料通路１３の材料は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）であり、エッチング液は、純度が８５％以上の溶融状の水酸化カリウム（potassium  hydroxide：ＫＯＨ）であり、エッチング温度が１７０〜２５０℃である。文献によれば、二酸化シリコンが２３０℃の水酸化カリウムの中にあるときのエッチング速度は、１０μｍ／ｍｉｎ以上である。また、二酸化シリコンと水酸化カリウムの可能な反応メカニズムは、次のように示すことができる。
【００１６】
ＳｉＯ２＋２ＫＯＨ→Ｋ２ＳｉＯ３＋Ｈ２Ｏ
材料通路１３内の全部又は一部の材料がエッチング液により除去され第一の窒化物系１１が露出された後に、材料通路１３を除去するためのエッチング液と同じ又は異なるエッチング液を用いて第一の窒化物系１１を継続にエッチングすることができる。エッチング液が第一の窒化物系１１をエッチングすることに伴い、中空通路１４の内表面１４ａが外へ移動し又は後退する。一実施例において、エッチング液は、第一の窒化物系１１のみと反応し、或いは、第一の窒化物系１１との反応のエッチング速度がサファイア基板１０とのエッチング速度より遥かに大きいので、巨視的には、中空通路１４の内表面１４ａが、図１Ｃに示すように、第一の窒化物１１への方向に移動する。
【００１７】
内表面１４ａの輪郭に影響を与える可能な要素は、エッチング液、第一の窒化物系１１の露出した格子方向、材料通路１３の幾何学的配置、及び、第一の窒化物系１１の格子欠陥又は構造的弱点を含むが、それらに限られることがない。一実施例において、第一の窒化物系１１は、材料通路１３をテンプレートとする横方向成長法により形成されるので、材料通路１３の上方に成長される窒化物は完璧でなく、又は、構造がルーズになる可能性があり、水酸化カリウムなどのエッチング液により容易にエッチングされる。しかし、内表面１４ａが特定の面に接近し、又は、それになると、エッチング速度が遅くなり、言い換えると、この特定の面がエッチング停止面と見なされることができる。この特定の面は、例えば、｛１１−２２｝又は｛１０−１１｝面である。
【００１８】
次は、｛１１−２２｝面を例として説明を行う。図１Ｄに示すように、サファイア基板に近づかない側の内表面１４ａが既に｛１１−２２｝面にエッチングされており、また、｛１１−２２｝面となっているこれらの内表面１４ａは、理論上、同じエッチング速度を有するので、中空通路１４の断面は、二等辺三角形（equilateral  triangular）になっている。
【００１９】
材料通路１３の幅と間隔を適当に調整すれば、隣接する中空通路１４の最も近い側の表面がエッチングされた後に互いに接触することができる。一実施例において、隣接する中空通路１４の最も近い｛１１−２２｝面の内表面１４ａが接触しているときに、図１Ｅに示すように、第一の窒化物系１１とサファイア基板１０との間は、弱い接続のみが存在し、又は、互いに完全に分離する。他の一例において、｛１１−２２｝面の平面は、理論上、（０００１）面と約５８°を成すので、材料通路１３と間隔が同じ又はほぼ同じ幅を有することをさせれば、隣接する中空通路１４の最も近い内表面１４ａを互いに接触させることにより窒化物系１２とサファイア基板１０を分離させることもできる。
【００２０】
図２は、内表面１４ａが｛１１−２２｝面の位置に達した時の複数種類の状態を示す断面図である。（Ａ）の態様において、内表面１４ａが｛１１−２２｝面の位置に達したときに、サファイア基板１０上又はそれに近接する箇所に交点が形成され、この時、第一窒化物１１とサファイア基板１０が実質的に分離されてしまう。（Ｂ）の態様において、隣接する表面１４ａがまだ互いに接触していないが、第一の窒化物系１１とサファイア基板１０との間に僅かな接触面積が存在するので、振動、せん断応力、引張応力、圧縮応力及び熱膨張などによる外力を加えることにより両者を容易に分離させることができる。（Ｃ）の態様において、内表面１４ａが｛１１−２２｝面に達したときに、サファイア基板１０の上方にある交点１４ｂで互いに接触し、且つ、第一の窒化物系１１とサファイア基板１０が互いに接触していない。（Ｄ）の態様において、｛１１−２２｝面の位置に達したときに、隣接する内表面１４ａがまだ互いに接触していないが、第一の窒化物系１１とサファイア基板１０が既に分離している。前記各態様において、サファイア基板１０、第一の窒化物系１１、或いは、それら両者の位置が、取り付け具により制限、維持又は固定されることができる。
【００２１】
図３に示すように、材料通路１３の配列方向がｘ軸方向であり、長手方向がｙ軸方向であり、サファイア基板１０上の表面の法線ベクトルがｚ軸方向であるとする。本発明の実施例において、ｘ軸方向は、サファイア基板１０の＜１−１００＞方向又は＜１１−２０＞方向であっても良く、ｙ軸方向は、サファイア基板１０の＜１−１００＞方向又は＜１１−２０＞方向であっても良く、ｚ軸方向は、サファイア基板１０の＜０００１＞方向であっても良い。図において、材料通路１３のパターンは、離散分布である。しかし、間に接続通路があり接触する通路１３は本発明の各実施例に適用されることもできる。図３Ｂに示すように、材料通路１３の上面図が碁盤状である。
【００２２】
図４に示すように、本発明の他の一実施例において、サファイア基板２０上には、第三の窒化物系２４、第一の窒化物系２１及び第二の窒化物系２２が順に形成される。材料通路２３は、第三の窒化物系２４と第一の窒化物系２１との間に形成され、即ち、材料通路２３を除去するときに、分離現象が第三の窒化物系２４と第一の窒化物系２１の位置に発生する。第一の窒化物系２１の組成は、ｕ−ＧａＮ、ｎ−ＧａＮ、ｐ−ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＧａＩｎＮなどの材料を含むが、これらに限定されることがない。第二の窒化物系２２の組成又は構造は、前記各実施例の説明を参照しても良い。第三の窒化物系２４の組成は、ｕ−ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、並びに、ＡｌＮ、ＧａＮ及びＩｎＮからなる材料を含むが、これらに限定されることがない。窒化物系２１、２２及び２４の形成方法も前記各実施例の説明を参照しても良い。
【００２３】
前記各実施例において、材料通路１３と２３は、二酸化シリコンのほかに、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、エポキシ樹脂（Ｅｐｏｘｙ）又はベンゾシクロブテン（benzocyclobutene：ＢＣＢ）等の絶縁材を使用しても良いが、必要に応じて、導体と半導体材料を使用することもできる。
【００２４】
本発明の他の実施例は、例えば、図５Ａ〜図５Ｃに示すものである。まずは、サファイア基板３０のｃ面（即ち（０００１））上において、＜１−１００＞又は＜１１−２０＞方向に沿って中空通路３３を形成する。中空通路３３は、フォトリソグラフィー技術、反応式イオンエッチング（reactive  ion  etch：RIE）又は感応式カップリングプラズマ（inductive  coupling  plasma：ICP）等のドライエッチング方法により形成される。次に、有機金属化学気相成長法、ハイドライド気相成長法又は他の使用可能な方法により第一の窒化物系３１と第二の窒化物系３２を形成する。本実施例において、窒化物系３１と３２が成長された後に、一部の材料が中空通路３３の上方又は内部を覆っても、中空通路３３は、依然として十分な空間を有するので流体をその中に流入させることができる。第一の窒化物系３１と第二の窒化物系３２の構造、組成及び製造方法は、前述した第一の窒化物１１及び第二の窒化物１２に対しての説明を参照しても良い。また、文献、例えば、K.Tadatomo  et  al.,  phys.  Stat.  sol.  (a)  188,  No.1,  121-122  (2001)、及び、Y.P.Hsu  et  al.,  Journal  of  Crystal  Growth  261  (2004)  466-470もここに引用される。
【００２５】
図５Ａに示す構造を完成した後に、適当なエッチング液を選択して中空通路３３に対してエッチングを行う。エッチング液の種類は、分離を生成するメカニズムに影響を与えることができる。図５Ｂの（Ａ）に示すように、エッチング液がサファイア基板１０に対するエッチング速度は、それが第一の窒化物系３１に対するエッチング速度より遥かに大きければ、中空通路３３の両側の内表面３３ａは、特定の方向を有する結晶面、例えば、｛１−１０２｝面にエッチングされる可能性がある。具体的にいえば、この面とサファイア基板３０のｃ面とは、０より大きい特定の交角を有する。エッチング時間の増加につれて、内表面３３ａも外へ次第に移動し、即ち、中空通路３３は横向きに拡張する。よって、サファイア基板３０と第一の窒化物３１の接触面積は、図５Ｃの（Ａ）に示すように、エッチング時間の増加につれて、基板３０と窒化物系３１が互いに分離し又は不安定な接続だけを維持するまでに縮小する。前記状況に適用できるエッチング液は、例えば、硫酸とリン酸の混合液であり、それがサファイアと窒化物との間にあるときのエッチングの速度比は、約５０：１〜１０００：１である。
【００２６】
図５Ｂの（Ｂ）に示すように、エッチング液が第一の窒化物系３１に対するエッチング速度が、それがサファイア基板３０に対するエッチング速度より遥かに大きければ、中空通路３３の上側の表面がエッチングされる。言い換えると、中空通路３３の上方にある第一の窒化物系３１がエッチングされる。この場合、第一の窒化物系３１のエッチング面３３ｂが特定の方向を有する結晶面になる可能性もあり、例えば、｛１１−２２｝又は｛１０−１１｝面になる。エッチング面３３ｂが次第に外側へ移動する時に、図５Ｃの（Ｂ）に示すように、第一の窒化物系３１とサファイア基板３０との間の接触面積も、基板３０と窒化物系３１が互いに分離するまでに、次第に縮小する。前記状況に応用できるエッチング液は、例えば水酸化カリウムであり、その関連するエッチング条件は、前述した実施例に述べた水酸化カリウムの説明を参照することができる。
【００２７】
前述した各実施例において、サファイア基板を分離するステップは、一つの独立したプロセスと見なされても良く、また、例えば、発光ダイオード、レーザ、ソーラー電池、光センサーなどの光電素子を製造するプロセスの一部と見なされても良い。その他の可能なステップは、エッチング（etching）、アニーリング（annealing）、メッキ（plating）、表面粗化（surface  roughing）、粘着接合（adhesive  bonding）、陽極接合（anodic  bonding）、溶接接合（fusion  bonding）、共晶接合（eutectic  bonding）、レーザ除去、電極形成、ダイシング（dicing）、ソーティング（sorting）、ビニング（binning）、パッケージング（packaging）及びワイヤーボンディング（wire  bonding）を含むが、これらに限られることが無い。
【００２８】
また、前述した各実施例において、主として、サファイア基板から窒化物系を分離する方法を説明したが、本発明の概念が他の種類の構造を分離するのに適用することもでき、例えば、図４の分離面が二つの窒化物系の間に位置する。また、本発明の各実施例のうち一つを適用する可能な条件は、分離面の両側の材料系に対して５０〜１００００倍のエッチング速度の差を有するエッチング方法またはエッチング液を選択することである。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこの実施形態に限定されず、本発明の趣旨を離脱しない限り、本発明に対するあらゆる変更は本発明の範囲に属する。
【符号の説明】
【００３０】
１０  サファイア基板
１１  第一の窒化物系
１２  第二の窒化物系
１３  材料通路
１４  中空通路
１４ａ  内表面
１４ｂ  交点
２０  サファイア基板
２１  第一の窒化物系
２２  第二の窒化物系
２３  材料通路
２４  第三の窒化物系
３０  サファイア基板
３１  第一の窒化物系
３２  第二の窒化物系
３３  中空通路
３３ａ  内表面
３３ｂ  エッチング面
【図１Ａ】
2014207483.tif 000003
【図１Ｂ】
2014207483.tif 000004
【図１Ｃ】
2014207483.tif 000005
【図１Ｄ】
2014207483.tif 000006
【図１Ｅ】
2014207483.tif 000007
【図２】
2014207483.tif 000008
【図３Ａ】
2014207483.tif 000009
【図３Ｂ】
2014207483.tif 000010
【図４】
2014207483.tif 000011
【図５Ａ】
2014207483.tif 000012
【図５Ｂ】
2014207483.tif 000013
【図５Ｃ】
2014207483.tif 000014