(57)【要約】【課題】本発明は、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いて成長基板から剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。【解決手段】第１の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第１の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第１の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、
前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記レーザ光を照射した後に、前記成長基板の温度を変化させることにより、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光の集光と移動とにより、前記半導体素子用結晶または前記成長基板の変質領域を含む剥離界面を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記半導体素子用結晶の上に金属膜を形成した後に、前記成長基板の前記第１の主面の裏面である第２の主面側から前記レーザ光を照射することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記レーザ照射工程は、
前記成長基板の反り量を計測する計測工程と、
前記反り量に基づいて前記レーザ光の集光位置を補正し、前記成長基板の前記第１の主面からの深さ方向の集光位置を維持して、前記レーザ光を移動する走査工程と、
を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記半導体素子用結晶は、窒化ガリウム系半導体からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記成長基板と、前記半導体素子用結晶と、の界面から、前記レーザ光の集光位置までの間隔は、前記レーザ光の集光されたスポットサイズ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記レーザ光の前記移動のピッチは、前記レーザ光の集光されたスポットサイズの２倍以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
半導体素子用結晶が形成された成長基板を載置するステージと、
レーザ光を放出するレーザ光源と、
前記レーザ光を、前記半導体素子用結晶または成長基板の内部の所定位置に集光する光学系と、
前記ステージ及び前記光学系の少なくともいずれかを移動させ、前記成長基板の主面に沿って前記レーザ光を移動させる駆動系と、
前記成長基板の反り量を測定する測定系と、
前記測定系が測定した反り量を前記駆動系にフィードバックし、前記レーザ光の集光位置を、前記成長用基板の主面から一定の深さに維持して、前記レーザ光を移動させる制御系と、
を備えたことを特徴とする半導体素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップの不要な基板を取り除き薄片化することは、素子特性の向上を図る上で様々な利点を有する。例えば、絶縁性を有するサファイア基板を用いて製作される窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＬＥＤの場合、サファイア基板を除去することにより、光出力の大幅な向上が実現されている。すなわち、ＧａＮ系半導体結晶とサファイアの界面を無くすことにより光取出効率が向上し、また、熱伝導の悪いサファイアを除去することにより、チップの放熱が良くなることが大きく寄与している。
【０００３】
しかしながら、薄片化されたいわゆるＴｈｉｎｆｉｌｍ構造のＧａＮ系ＬＥＤを作製する場合、サファイア基板を除去する工程は、依然として不安定であり、製造効率を左右する問題を含んでいる。
【０００４】
サファイア基板を除去する技術として、レーザリフトオフ法が検討されている。レーザリフトオフ法は、サファイア基板を透過しＧａＮ系結晶で吸収されるレーザ光を照射して、サファイア／ＧａＮ界面のＧａＮ結晶を解離させる方法である。この方法では、ＧａＮが解離すると同時にＧａＮとサファイアとが分離されるため、レーザが照射されていない領域と分離した領域の境界に結晶成長時の残留応力が集中し、ＧａＮ系結晶にクラックが生じるという問題があった。
【０００５】
特許文献１には、分離した窒化物半導体膜の割れを防ぐために、照射するレーザ光のパワーを調整して、サファイア／ＧａＮ界面に変質層を形成する技術が開示されている。また、特許文献２は、レーザ照射によってサファイア基板中に変質部を形成し、形成された変質部に沿ってウェーハを分断しチップ化する技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平２００４−０７２０５２号公報
【特許文献２】特開平２００６−２４５０４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いてウェーハから剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、第１の主面に半導体素子用結晶が形成された成長基板にレーザ光を照射して前記半導体素子用結晶または前記成長基板の内部の所定位置に前記レーザ光を集光し、前記第１の主面に対して平行な方向に前記レーザ光を移動し、前記半導体素子用結晶を含む薄層を前記成長基板から剥離する工程を備え、前記レーザ光の波長は、前記レーザ光を内部に集光させる前記半導体素子用結晶または前記成長基板の吸収端波長よりも長いことを特徴とする半導体素子の製造方法が提供される。
【０００９】
本発明の他の一態様によれば、半導体素子用結晶が形成された成長基板を載置するステージと、レーザ光を放出するレーザ光源と、前記レーザ光を、前記半導体素子用結晶または成長基板の内部の所定位置に集光する光学系と、前記ステージ及び前記光学系の少なくともいずれかを移動させ、前記成長基板の主面に沿って前記レーザ光を移動させる駆動系と、前記成長基板の反り量を測定する測定系と、前記測定系が測定した反り量を前記駆動系にフィードバックし、前記レーザ光の集光位置を、前記成長用基板の主面から一定の深さに維持して、前記レーザ光を移動させる制御系と、を備えたことを特徴とする半導体素子の製造装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体素子用結晶を含む薄層を、レーザ照射を用いて成長基板から剥離する半導体素子の製造方法および製造装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に従う半導体素子の製造工程の一部を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に従うレーザ照射工程および剥離工程を模式的に示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に従う半導体素子の構造を模式的に示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に従うレーザ照射工程を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施形態に従うレーザ照射工程の一部を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の一実施形態に従う半導体素子の製造装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明では、本発明の実施形態に係る半導体素子の一例として、Ｔｈｉｎｆｉｌｍ構造のＧａＮ系ＬＥＤの製造方法、および製造装置について説明する。また、図面中の同一部分には同一番号を付し、重複する部分については説明を適宜省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
図１及び図２は、本実施形態に係るＴｈｉｎｆｉｌｍ構造のＧａＮ系ＬＥＤの製造方法を工程順に示す模式図である。  
図１（ａ）は、ＧａＮ系ＬＥＤの製造に用いられるエピタキシャルウェーハ（以下、エピウェーハ）１０を模式的に示す断面図である。
【００１４】
エピウェーハ１０は、成長基板であるサファイア基板１の第１の主面１ａに半導体素子用結晶であるＧａＮ系エピタキシャル結晶（以下、エピ結晶）２が形成された構造を有する。ＧａＮ系エピ結晶２は、ＭＯＣＶＤ法により形成された多層のエピタキシャル成長層であり、低温成長ＧａＮバッファ層およびｎ型ＧａＮ層、ＧａＮ／ＩｎＧａＮのＭＱＷ（Multiple Quantum Well：多重量子井戸）層からなる発光層が積層され、最後にｐ型ＧａＮが成長されている。これらの詳細は、一般のＧａＮ系ＬＥＤに用いられているエピ構造と同様とすることができる。
【００１５】
図１（ｂ）は、エピウェーハ１０のＧａＮ系エピ結晶２上に、高反射電極３と接合金属４が形成された状態を模式的に示す断面図である。  
高反射金属３は、ＧａＮ系エピ結晶２側からＮｉとＡｇが積層された構成となっている。Ｎｉ層は、ＧａＮ系エピ結晶２の最終層であるｐ型ＧａＮ層との間でオーミックコンタクトを形成する。Ｎｉ層上に積層されたＡｇ層は、発光層で発生した光をサファイア基板１側に反射させるために設けられた反射膜である。最終的にサファイア基板１が除去されてＬＥＤ素子となった場合に、ＬＥＤ光は、ＧａＮ系エピ結晶２からサファイア基板１側に出力される。このため、ＧａＮ系エピ結晶２の表面側に高反射電極３を設けることにより、光出力を向上させることができる。また、反射膜であるＡｇ層と発光層の間に位置するＮｉ層は、ＬＥＤ光の吸収体とならないように、数ｎｍから１０ｎｍ程度の膜厚に形成される。
【００１６】
さらに、高反射電極３上に、接合金属４が形成される。接合金属４は、高反射電極３の側からＡｕ／ＡｕＳｎの積層膜であり、サファイア基板１から剥離されたＧａＮ系エピ結晶２を支持するシリコン基板を接合する際に、接合層となって、ＧａＮ系エピ結晶２を貼り付ける働きをする。また、高反射電極３と接合金属４との間には、図示しないバリアメタル層を設けてもよい。バリアメタルは、例えば、高反射電極３側からＰｔ／Ｗ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ｗ／Ｐｔ／Ａｕの多層構造を有する金属膜が用いられ、高反射電極３および接合金属４を構成する金属原子の相互拡散を防止する機能を有する。すなわち、接合金属４の側から高反射電極３へのＡｕ原子やＳｎ原子のマイグレーションを防ぐことにより、Ａｇ膜の反射率の低下や、ｐ型ＧａＮ／Ｎｉのコンタクト抵抗の増加によるＬＥＤ特性の劣化が生じないようにすることができる。
【００１７】
図１（ｃ）は、エピウェーハ１０と支持基板２０が接合された状態を模式的に示す断面図である。  
支持基板２０は、サファイア基板１を剥離した後で、ＧａＮ系エピ結晶２を支持するために用いられる。本実施形態では、支持基板２０として、ｐ型シリコン基板５に、基板側からＴｉ／Ｐｔの積層構造を形成したオーミック電極６、およびオーミック電極６側からＡｕ／ＡｕＳｎを積層した接合金属７を成膜したものを用いている。
【００１８】
エピウェーハ１０と支持基板２０は、接合金属４および７を介して接合される。接合方法としては、まず、エピウェーハ１０の接合金属４と支持基板２０の接合金属７を面接触させ、加重を加えて密着させる。さらに、加重を加えた状態で、ＡｕＳｎの融点付近まで温度を上昇させ、その後、徐々に冷却して接合金属４および７を融合させる。
【００１９】
図２（ａ）は、本実施形態に係るレーザ照射工程を模式的示す断面図である。  
サファイア基板１の第１の主面１ａの裏面である第２の主面１ｂ側からレーザ光１０１を照射する。レーザ光１０１は、サファイア基板１の内部の所定位置に集光され、第１の主面１ａに対して平行な方向に移動（走査）されて剥離界面８を形成する。レーザ光１０１は、連続光（ＣＷ）でも、パルス光（ＰＷ）でもよいが、尖頭出力の高いパルスレーザであることが望ましい。
【００２０】
照射するレーザ光１０１の波長は、エピウェーハ１０を構成するサファイア基板１およびＧａＮ系エピ結晶２の吸収端波長より長くして、通常のバンド間吸収が生じないようにする。これにより、ＧａＮ系エピ結晶２が、レーザ照射によって損傷を受けないようにすることができる。レーザ光１０１として、例えばチタン−サファイアレーザ再生増幅器の基本波を使用することができる。
【００２１】
チタン−サファイアレーザ再生増幅器から放射されるレーザ光（基本波）の特性は、例えば、中心波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ（フェムト秒）、繰り返し周波数１ｋＨｚ、パルスエネルギー１００μＪ（マイクロジュール）である。本実施形態で使用した光学系を用いて、レーザ光を空気中で集光させた場合、ガウス分布型の空間プロファイルが得られ、ピーク強度の１／ｅ２となる幅で定義されるスポットサイズは約２０μｍであった。
【００２２】
また、支持基板２０に貼り付けられたエピウェーハ１０は、水平方向に移動可能なステージに載置し、所定のピッチでステージを移動させることによりレーザ光１０１を走査する。本実施形態では、例えば、レーザ光１０１の集光位置と、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶２との界面と、の間の距離ｄを２０μｍに設定し、レーザ光をサファイア基板１の全面に漏れなく照射するために、ステップピッチｗを１０μｍとする送り速度（１０ｍｍ／秒）でステージを移動させることができる。
【００２３】
レーザ光１０１が照射された領域では、サファイア基板が白濁化していくことが確認される。これは、レーザ光１０１によって、サファイアの分子構造が破壊され、その後再結晶化されるか、またはアモルファス状のアルミナ領域ないし空気空孔（ボイド）が発生することが考えられる。すなわち、レーザ光１０１の照射によってサファイア基板に変質領域が生じ、剥離界面８が形成される。なお、この変質領域の断面を観察すると、レーザ照射による損傷は、サファイア基板１の内部にのみ発生しており、ＧａＮ系エピ結晶２には至っていない。
【００２４】
本来、レーザ光１０１の波長８００ｎｍでは、サファイアのバンド間光吸収は発生しないと考えられている。しかし、サファイア内部に非常に高い光子密度の領域ができると、非線形光学感受率の寄与が増大し非線形光吸収作用が指数関数的に増加する。これにより、レーザ光が吸収され、変質領域が形成されるものと考えられる。また、サファイアを構成するＡｌ原子とＯ原子間の格子振動のエネルギーに等しい光子エネルギーを有するレーザ光を照射しても、結晶に損傷を与え変質領域を形成することができる。すなわち、波長のより長い赤外領域の光を用いた共鳴吸収効果を利用することもできる。なお、高い光子密度を発生させる方法として、レーザ光のパルスあたりの光子数を増やすこと、また、パルス幅を狭くすることで、ピークパワーを高くすることが一般的である。本実施形態では、パルス幅を狭くしてレーザ光のピークパワーを上昇させ、変質領域の形成を可能としている。
【００２５】
レーザ照射をウェーハ全面にわたって実施すると、サファイア基板１の内部に白濁化した剥離界面８が形成される。この状態では、結合力は弱いが、サファイア基板１が剥離せずにそのまま残ることもある。そこで、次の剥離工程において、ＧａＮ系エピ結晶２を含む薄層を残してサファイア基板１を剥離する剥離処理を施す。
【００２６】
剥離処理は、例えば、２００℃程度に加熱されたホットプレート上に剥離界面８が形成されたエピウェーハ１０を置き、十分に温まったあとに急冷却をする。この際、サファイア基板１と、支持基板２０およびＧａＮ系エピ結晶２との間の熱膨張の違いに起因する応力が剥離界面８で緩和され、亀裂が発生することによりサファイア基板１が剥離される。
【００２７】
ウェーハの加熱方法として、水銀ランプなどの光を照射して加熱する方法を用いることができる。一方、急冷却は、ホットプレート上で加熱されたウェーハを、金属ブロック上に置き換えることにより容易に実施できる。また、高温のオーブンで加熱した後、低温の冷却槽に移す方法でも剥離処理が可能である。あるいは、気体や液体状の冷媒にウェーハを曝してもよい。
【００２８】
図２（ｂ）は、サファイア基板１が剥離された後の状態を模式的に示す断面図である。
剥離界面８がサファイア基板１の内部に形成されるので、サファイア基板１の剥離後においても、表面にサファイアの残層９が存在する。サファイア残層９は、ＧａＮ系エピ結晶２との界面においてＬＥＤ光を反射して取り出し効率を下げ、光出力を低下させる。また、サファイア残層９を残したままでは、ｎ側電極を形成することができない。そこで、サファイア基板１を剥離した表面を研磨し、サファイア残層９を除去する。さらに、露出したＧａＮ面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を施すことで、平坦かつクラック発生がない表面を形成する。
【００２９】
図３は、本実施形態に係る製造方法で製作されるＧａＮ系ＬＥＤの断面を示す模式図である。光取出し効率を向上させるために、ＣＭＰ加工が施されたＧａＮ表面には、ドライエッチング法を用いて微細構造が加工される。次に、微細加工された表面にｎ側電極用メタル、例えば、ＧａＮ層表面からＴｉ／Ａｌ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの順で積層されたメタル層が形成され、フォトリソグラフィーを用いてパターニングされてｎ側電極１１が形成される。さらに、ドライエッチング法を用いてメサ溝１３が形成され、個々のＬＥＤに素子分離される。最後に、メサ溝１３で電気的リークが発生しないように、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２端面保護膜１４を形成する。この時点で、支持基板２０のｐ型シリコン基板５に形成した図示しないｐ側電極と、ｎ側電極１１の間に通電すると、従来のレーザリフトオフ法を用いたＬＥＤ素子と同等の電気特性を得ることができる。
【００３０】
図４は、ウェーハの反りを補正してレーザ照射を行う方式を示す模式図である。  
サファイア基板１上にＧａＮ系エピ結晶２を成長したエピウェーハ１０は、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶２との間の熱膨張係数の差が大きいため、大きな反りを有する。例えば、２インチφまたは３インチφのサファイア基板において、中心部で数１０μｍの反り量を有する場合がある。このため、サファイア基板１の第１の主面１ａまたは第２の主面１ｂに対して、深さ方向におおよそ等間隔となるようにレーザ光１０１を走査するためには、反り量を補正する必要がある。
【００３１】
したがって、レーザ照射工程は、サファイア基板１の反り量を計測する計測工程と、反り量に基づいてレーザ光１０１の集光位置を補正し、サファイア基板１の第１の主面１ａから深さ方向に略一定間隔の集光位置を維持して、レーザ光を走査する走査工程と、を備えることが望ましい。
【００３２】
図４に示すように、支持基板２０を加工ステージ１７に接触させて載置されたエピウェーハ１０の反り量ΔＬは、例えば、測定用レーザ発振器１５とレーザ光測定器１６とを組み合わせた計測器によってモニタすることができる。ここで、反り量ΔＬは、サファイア基板１の反り量と同じであることは明らかである。
図中に示すように測定用レーザ発振器１５は、レーザ光をサファイア基板１の第２の主面１ｂに照射し、レーザ光測定器１６はサファイア基板１の第２の主面１ｂで反射されたレーザ光を測定する。加工ステージ１７の水平方向への移動により、エピウェーハ１０が移動すると、サファイア基板１の第２の主面１ｂ上のレーザ光の反射位置が変化する。この際、エピウェーハ１０の反り量ΔＬに対応して、第２主面１ｂ上の反射点の高さが変化するので、レーザ光測定器１６が検出するレーザ光の検出位置が変化する。この検出位置の変化を、サファイア基板１の第２主面１ｂ上の反射位置に対応させてモニタすることにより、反り量ΔＬを測定することができる。
【００３３】
エピウェーハ１０の反り量を計測する計測工程では、加工ステージ１７を水平方向に移動させて、エピウェーハ１０の反り量ΔＬを計測し、サファイア基板１の第２主面１ｂ上の測定位置に対応させて記録する。
【００３４】
次に、レーザ光１０１を走査する走査工程では、計測工程で記録した反り量ΔＬを反映させて、レーザ光１０１の集光位置を補正する。具体的には、レーザ光１０１の照射位置に対応する反り量だけ、加工ステージ１７の上下位置を変えて補正を行う。
【００３５】
上記、第１の実施形態では、レーザ光１０１の集光位置を、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶２の界面から２０μｍ離れたサファイア基板１の内部に設定した。レーザ光１０１のスポットサイズが２０μｍであり、レーザ照射によって生じる変質領域は光子の高密度の領域に形成されるので、剥離界面８の幅ΔＳは２０μｍ以下と推定される。したがって、サファイア基板１を剥離した後のサファイア残層９の厚さは、１０μｍ以上あるものと考えられる。
【００３６】
一方、サファイア残層９を研磨によって除去する際に、ＬＥＤの発光層に損傷を与えないようにするため、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶２との界面近傍で研磨を停止する必要がある。このためには、サファイア残層９を薄くして、研磨量の制御を容易にすることが望ましい。そこで、レーザ光１０１の集光位置と、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶２の界面と、の間隔を、レーザ光１０１のスポットサイズ以下とし、サファイア残層９の厚さを１０μｍ以下にすることが好ましい。また、上記の実施形態では、空気中で測定したスポットサイズを用いているが、屈折率差を考慮して見積もることが可能なウェーハ内部のスポットサイズによって集光位置を設定することが、より好ましい。
【００３７】
また、製造の効率を向上させるためには、サファイア基板１の全面をレーザ光１０１で走査するための時間を短縮する必要がある。そこで、レーザ光１０１の走査ステップのピッチｗを変えて実験を行った。ステップピッチが１０μｍ、２０μｍでは加工後のＧａＮ系エピ結晶２の品質に差は見られなかった。しかしながら、５０μｍにした場合、剥離後の表面の一部にクラックが目立ち、１００μｍ以上になると、サファイア基板１の剥離そのものができなくなる、また、ウェーハ周辺部のクラックが顕著に発生する場合もあった。すなわち、剥離後のＧａＮ系エピ結晶にクラックが発生しないようにするために、レーザ光のステップピッチｗは、スポットサイズ（２０μｍ）の２倍以下とすることが望ましい。また、より好ましくは、スポットサイズ以下とすることが望ましい。なお、ここで言うスポットサイズは、レーザ光１０１を空気中で集光した場合の値である。
【００３８】
また、ステップピッチｗがスポットサイズより大きくなると、変質領域が連続した界面ではなくなり、剥離界面８は、レーザ光１０１の走査方向に変質領域が配列した面となることは明らかである。
【００３９】
また、本実施形態に従う半導体素子の製造方法では、レーザ光を集中する成長基板または半導体素子用エピ結晶の吸収端波長より長い波長のレーザ光の照射を用いる点においても、従来のレーザリフトオフ技術に係る加工方法に優る利点を有する。従来技術にあっては、熱加工であるため素子に対して熱ダメージを発生させる可能性がある。すなわち、従来の方法によりレーザーリフトオフをする際には、レーザー照射部において、ＧａＮの温度を融点以上の１０００℃以上に上げる必要がある。このとき、デバイス各部に熱が伝わるため、素子劣化の要因となる可能性が排除できない。例えば、窒化物系半導体層に発生する割れを防ぐことを目的として、照射するレーザ光のパワーを調整する特許文献１に記載された発明においても、熱の影響を完全に否定することはできない。これに対して、本実施形態では、照射されるレーザ光は、半導体用エピ結晶および成長基板のいずれにおいても吸収されることがなく、変質層を形成する過程が熱過程でないため、デバイス各部に熱が伝わり素子が劣化することが無い点で有利と考えられる。
【００４０】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に従うレーザ照射工程を模式的に示す断面図である。本実施形態は、ＧａＮ系エピ結晶３２が比較的厚く形成されたエピウェーハ３０を用いてＬＥＤを製造する場合に有利である。また、ＧａＮウェーハ上にＧａＮ系エピ結晶２が成長されているエピウェーハを用いる場合でも良い。
【００４１】
レーザ光１０２は、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶３２との界面からｎ型ＧａＮ側へずらして集光されるように焦点を設定することができる。本実施形態においても、ｎ型ＧａＮを厚く残す方が好ましく、界面からのずれ量は、スポットサイズ以下とすることが望ましい。例えば、界面から２μｍ離れたｎ型ＧａＮ側に設定することができる。
【００４２】
また、レーザ光１０２の走査ステップは、例えば、ピッチ１０μｍとなるようにステージ１７の送り速度（１０ｍｍ／秒）を設定し、エピウェーハ３０を移動させることができる。この際、本実施形態においても、図４に示すようにエピウェーハ３０の反り量を補正して、レーザ光の走査を行うことが望ましい。
【００４３】
レーザ光を走査した後、前述した第１の実施形態と同様に、レーザ光１０２が照射されたラインに沿って、ウェーハが白濁化していくことが確認される。これはレーザ光１０２によって、ＧａＮの結晶が破壊され、その後、再結晶化されるか、もしくは、アモルファス状のＧａＮ、またはＧａ単体、空気空孔（窒素ボイド）が混在する変質領域が発生したことを示していると考えられる。さらに、エピウェーハ３０の全面に渡ってレーザ光１０２を照射すると、エピウェーハ３０の内部全面が白濁化され、剥離界面１２が形成される。この状態では、結合力が弱いままであるが、サファイア基板１が剥離されることはない。レーザー照射後のエピウェーハ３０を、例えば、２００℃程度に加熱されたホットプレート上に置き、十分に温まったあとで急冷却をすると、エピウェーハ３０内の熱膨張の違いによる応力のため、変質領域に混在している再結晶したＧａＮ／Ｇａ／非晶質ＧａＮ／ボイド等の複合状態において亀裂が発生し、サファイア基板１が剥離界面１２を境に剥離される。
【００４４】
次に、ｎ型ＧａＮ内部で剥離されたウエハの表面に化学機械研磨（ＣＭＰ）を施すことで、平坦かつクラック発生がないＧａＮ表面を得ることができる。また、ｎ型ＧａＮ表面からの光取出し効率を高くするために、研磨処理を施さず、サファイア基板１が剥離された状態の表面を利用することもできる。
【００４５】
本実施形態は、サファイア基板１を剥離した後に、ｎ型ＧａＮが露出されることを前提として加工を行うものである。しかし、レーザ光１０２の集光位置の設定がサファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶３２の界面に近いと、一部の領域でサファイア内部に変質領域が形成され、ＣＭＰで除去しきれないサファイア残層が残ってしまうことがある。このような場合は、サファイア残層の研磨処理を施した後、ＧａＮの表面にＣＭＰを施し、第１の実施形態と同様のプロセスを実施する。最終的に製造されるＬＥＤ特性としては、実施形態１と同等のものを得ることができる。
【００４６】
また、サファイア残層を残さずに加工するためには、レーザ光１０２の集光位置を、サファイア基板１とＧａＮ系エピ結晶３２の界面からＧａＮ層側に２μｍより深い位置に設定することが望ましい。このためには、ＧａＮ層の厚さを厚くすることが好ましく、例えば、１０μｍ以上の厚さのＧａＮ層が形成されていることが望ましい。
【００４７】
一方、サファイア基板１に代えて、ＧａＮウェーハ上にＧａＮ系エピ結晶を成長したエピウェーハを使用する場合には、ＧａＮウェーハとＧａＮ系エピ結晶との界面からレーザ光の集光位置までの間隔を好適に設定できるので、効率良くＬＥＤを製造できるものと考えられる。また、剥離したＧａＮウェーハを再利用すれば、コスト面での利点も大きいと考えられる。
【００４８】
図６は、本発明の一実施形態に係る半導体素子の製造装置を示すブロック図である。図中に示す半導体製造装置は、レーザ照射装置であり、半導体素子用結晶が形成されたウェーハ２１を載置する加工ステージ１７と、半導体素子用結晶が形成されたウェーハ２１の吸収端より波長の長いレーザ光を照射するレーザ発振器１９と、レーザ光をウェーハ２１内部の所定位置に集光する光学系１８を備えている。また、加工ステージ１７は、水平および垂直方向に移動するための駆動系を備えており、コントローラ２２に制御されて、レーザ光をウェーハ２１の面に沿って走査する。
【００４９】
さらに、測定用レーザ発振器１５とレーザ光測定器１６を有する測定系を用いてウェーハ２１の反り量を測定する。コントローラ２２は、測定系が測定した反り量を加工ステージ１７の駆動系にフィードバックし、レーザ光の集光位置を、半導体素子が形成されたウェーハ２１の面から略一定間隔に維持して、レーザ光を走査させる。この際、コントローラ２２は、ウェーハ２１の反り量を測定し、ウェーハ２１の面内位置に対応させて記憶する。その後、レーザ光を走査する際に、記憶された反り量を読み出してフィードバックする制御を行う。また、ウェーハ２１の反り量を測定しながら、逐次フィードバックを行い、レーザ光を走査する制御としても良い。
【００５０】
本実施形態に使用するレーザ発振器１９は、例えば、チタンサファイアレーザ、ファイバーレーザ、第２高調波のＹＡＧレーザが上げられる。中でも、装置コストおよび操作性の面において、ファイバーレーザを用いることが望ましい。また、従来のレーザリフトオフ法に用いられるレーザ発振器に比べて、可視〜赤外領域でのレーザ発振器および光学系を使用できる点で、安価であり、耐久性、寿命も有利となる。すなわち、従来は、サファイアに対して透明で、ＧａＮでのみ光吸収を発生させることができる波長帯を選択することが必要であり、１８０ｎｍ〜３６０ｎｍの波長範囲のレーザ発振器が用いられていた。例えば、３倍高調波または４倍波高調波ＹＡＧレーザ（３５５ｎｍ、２６６ｎｍ）、エキシマレーザ（１５３ｎｍ、２４８ｎｍ、３０８ｎｍ）などである。
【００５１】
以上、第１および第２の実施形態について説明したが、本発明は、第１および第２の実施形態に限定されるものではない。例えば、サファイア基板の他に、上述したＧａＮウェーハ、ＳｉＣウェーハ等を使用することが可能である。
【００５２】
また、本発明は、半導体素子としてＧａＮ系ＬＥＤに限られる訳ではなく、成長基板を剥離することで、放熱効率等の向上によって特性が向上する半導体素子にも有利である。例えば、ＧａＮヘテロ接合ＦＥＴなど、電力制御用の電子デバイスにも適用することができる。  
なお、本願明細書において、「窒化ガリウム系半導体」とは、ＩｎｘＡｌｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）のIII−Ｖ族化合物半導体を含み、さらに、Ｖ族元素としては、Ｎ（窒素）に加えてリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）などを含有する混晶も含む。
【符号の説明】
【００５３】
１ サファイア基板
１ａ 第１の主面
１ｂ 第２の主面
２ ＧａＮ系エピ結晶
８ 剥離界面
１２ 剥離界面
１５ 測定用レーザ発振器
１６ レーザ光測定器
１７ 加工ステージ
１８ 光学系
１９ レーザ発振器
２１ ウェーハ
２２ コントローラ
３２ ＧａＮ系エピ結晶
１０１ レーザ光
１０２ レーザ光
ｄ 集光位置と界面の間隔
ｗ ステップピッチ
ΔＬ 反り量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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