(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板の表面にバファー層を介してn型半導体層およびp型半導体層からなる光デバイス層が積層された光デバイスウエーハからサファイア基板を剥離する光デバイスウエーハの加工方法であって、
光デバイス層の表面に移設基板を接合する移設基板接合工程と、
光デバイス層の表面に移設基板が接合された光デバイスウエーハのサファイア基板側からパルスレーザー光線を照射してバファー層を破壊するバファー層破壊工程と、
バファー層が破壊された光デバイスウエーハのサファイア基板を剥離して光デバイス層を移設基板に移し替えるサファイア基板剥離工程と、を含み、
該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線は、波長がサファイア基板の吸収端よりも長くバファー層の吸収端よりも短く設定されており、熱拡散長が２００nm以下となるパルス幅に設定されている、
ことを特徴とする光デバイスウエーハの加工方法。
【請求項２】
バファー層は窒化ガリウム（GaN）であり、該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線のパルス幅は２００ps以下に設定されている、請求項１記載の光デバイスウエーハの加工方法。
【請求項３】
該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線のパルス幅は、１００ps以下に設定されている、請求項２記載の光デバイスウエーハの加工方法。
【請求項４】
該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、１５０〜３５５nmに設定されている、請求項２又は３記載の光デバイスウエーハの加工方法。
【請求項５】
該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、１５０〜２５０nmに設定されている、請求項２又は３記載の光デバイスウエーハの加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サファイア基板の表面にバファー層を介してn型窒化ガリウム半導体層およびp型窒化ガリウム半導体層等からなる光デバイス層が積層された光デバイスウエーハからサファイア基板を剥離する光デバイスウエーハの加工方法に関する。
【０００２】
光デバイス製造工程においては、略円板形状であるサファイア基板の表面にバファー層を介してn型半導体層およびp型半導体層からなる光デバイス層が積層され格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハをストリートに沿って分割することにより個々の光デバイスを製造している。（例えば、特許文献１参照。）
【０００３】
また、光デバイスの冷却効果や輝度を向上させる技術として、光デバイスウエーハを構成するサファイア基板の表面にバファー層を介して積層されたn型半導体層およびp型半導体層からなる光デバイス層にモリブデン(Mo)、銅(Cu)、シリコン(Si)等の移設基板を金(Au),白金(Pt),クロム(Cr),インジウム(In),パラジウム(Pd)等の接合金属層を介して接合し、サファイア基板の裏面側からバファー層にレーザー光線を照射することによりサファイア基板を剥離して、光デバイス層を移設基板に移し替えるリフトオフと呼ばれる製造方法が下記特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３０５４２０号公報
【特許文献２】特開２００４−７２０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
而して、上記バファー層の厚みは１μm程度で薄いとともにn型半導体層およびp型半導体層からなる光デバイス層と同じ半導体層によって形成されていることから、レーザー光線を照射してバファー層だけを破壊することが困難であるとともに、サファイア基板を剥離した後のバファー層の面が２５０nm以上の凹凸で荒れているため、研磨しなければならないという問題がある。
また、バファー層側に金属基板を装着すると全体に反りが生じてバファー層にレーザー光線の集光点を正確に位置付けることが困難であるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、その主たる技術的課題は、光デバイスウエーハを構成するサファイア基板の表面にバファー層を介して積層された光デバイス層に移設基板を接合した後、サファイア基板の裏面側からバファー層にレーザー光線を照射することにより光デバイス層を損傷させることなくバファー層を確実に破壊してサファイア基板を確実に剥離することができる光デバイスウエーハの加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、サファイア基板の表面にバファー層を介してn型半導体層およびp型半導体層からなる光デバイス層が積層された光デバイスウエーハからサファイア基板を剥離する光デバイスウエーハの加工方法であって、
光デバイス層の表面に移設基板を接合する移設基板接合工程と、
光デバイス層の表面に移設基板が接合された光デバイスウエーハのサファイア基板側からパルスレーザー光線を照射してバファー層を破壊するバファー層破壊工程と、
バファー層が破壊された光デバイスウエーハのサファイア基板を剥離して光デバイス層を移設基板に移し替えるサファイア基板剥離工程と、を含み、
該バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線は、波長がサファイア基板の吸収端よりも長くバファー層の吸収端よりも短く設定されており、熱拡散長が２００nm以下となるパルス幅に設定されている、
ことを特徴とする光デバイスウエーハの加工方法が提供される。
【０００８】
上記バファー層は窒化ガリウム（GaN）であり、上記バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線のパルス幅は２００ps以下に設定されていることが望ましく、１００ps以下に設定されていることがより好ましい。
また、上記バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、１５０〜３５５nmに設定されていることが望ましく、１５０〜２５０nmに設定されていることがより好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による光デバイスウエーハの加工方法によれは、バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線は、波長がサファイア基板の吸収端よりも長くバファー層の吸収端よりも短く設定されており、熱拡散長が２００nm以下となるパルス幅に設定されているので、パルスレーザー光線のエネルギーがバファー層で消費され、光デバイス層を損傷させることはない。また、熱拡散長が２００nmと短いことからパルスレーザー光線のエネルギーが熱拡散長の範囲でサファイア基板との境界面に沿って吸収されるので、エネルギーがガウシアン分布であってもトップハット形状と同等の加工が行われる。更に、熱拡散長が２００nmと短いことからパルスレーザー光線がバファー層に至った瞬間に熱拡散長の範囲で吸収されるので、サファイア基板に反りがありパルスレーザー光線の集光点がバファー層から外れることがあっても、バファー層のみを確実に破壊することができる。そして、サファイア基板を剥離した後のバファー層の面粗さが許容できる１００nm以下の凹凸であり、研磨等の後処理が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による光デバイスウエーハの加工方法によって加工される光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図。
【図２】本発明による光デバイスウエーハの加工方法における移設基板接合工程の説明図。
【図３】本発明による光デバイスウエーハの加工方法における移設基板貼着工程の説明図。
【図４】本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるバファー層破壊工程を実施するためのレーザー加工装置の要部斜視図。
【図５】本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるバファー層破壊工程の説明図。
【図６】本発明による光デバイスウエーハの加工方法におけるサファイア基板剥離工程の説明図。
【図７】サファイアと窒化ガリウム（GaN）の光透過曲線を示すグラフ。
【図８】窒化ガリウム（GaN）における熱拡散長とパルス幅との関係を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明による光デバイスウエーハの加工方法の好適な実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１には、本発明による光デバイスウエーハの加工方法によって加工される光デバイスウエーハの斜視図および要部を拡大して示す断面図が示されている。
図１に示す光デバイスウエーハ２は、略円板形状であるサファイア基板２０の表面２０ａにｎ型窒化ガリウム半導体層２１１およびｐ型窒化ガリウム半導体層２１２からなる光デバイス層２１がエピタキシャル成長法によって形成されている。なお、サファイア基板２０の表面にエピタキシャル成長法によってｎ型窒化ガリウム半導体層２１１およびｐ型窒化ガリウム半導体層２１２からなる光デバイス層２１を積層する際に、サファイア基板２０の表面２０ａと光デバイス層２１を形成するｎ型窒化ガリウム半導体層２１１との間にはバファー層２２が形成される。なお、光デバイス層２１は、窒化ガリウム（ＧａＮ）に限らず、ＧａＰ、ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＩｎＰ、ＩｎＮ、ＩｎＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＡｓ等によって形成される。また、バファー層２２は、光デバイス層と同種の半導体で形成される。このように構成された光デバイスウエーハ２は、図示の実施形態においてはサファイア基板２０の直径が５０ｍｍで厚みが６００μm、バファー層２２の厚みが１μm、光デバイス層２１の厚みが１０μmに形成されている。なお、光デバイス層２１は、図1の（ａ）に示すように格子状に形成された複数のストリート２３によって区画された複数の領域に光デバイス２４が形成されている。
【００１３】
上述したように光デバイスウエーハ２におけるサファイア基板２０を光デバイス層２１から剥離して移設基板に移し替えるためには、光デバイス層２１の表面２１aに移設基板を接合する移設基板接合工程を実施する。即ち、図２の(a)および(b)に示すように、光デバイスウエーハ２を構成するサファイア基板２０の表面２０aに形成された光デバイス層２１の表面２１aに、銅基板からなる移設基板３を金錫からなる接合金属層４を介して接合する。この移設基板接合工程は、サファイア基板２０の表面２０aに形成された光デバイス層２１の表面２１aまたは移設基板３の表面３aに上記接合金属を蒸着して厚みが３μm程度の接合金属層４を形成し、この接合金属層４と移設基板３の表面３aまたは光デバイス層２１の表面２１aとを対面させて圧着することにより、光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aに移設基板３の表面３aを接合金属層４を介して接合することができる。なお、移設基板３は、直径が５０mmで厚みが１mmに設定されている。
【００１４】
上述した移設基板接合工程を実施したならば、光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aに接合された移設基板３を光デバイスウエーハ２を構成するサファイア基板２０の表面２０aに形成された光デバイス層２１の表面２１aに、銅基板からなる移設基板３を環状のフレームに装着された粘着テープの表面に貼着する移設基板貼着工程を実施する。即ち、図３に示すように光デバイスウエーハ２を構成する光デバイス層２１の表面２１aに接合された移設基板３の裏面３b側を環状のフレームFに装着されたポリオレフィン等の合成樹脂シートからなる粘着テープTの表面に貼着する。従って、粘着テープTの表面に貼着された移設基板３が接合された光デバイスウエーハ２のサファイア基板２０が上側となる。
【００１５】
上述した移設基板貼着工程を実施したならば、光デバイス層２１の表面に移設基板３が接合された光デバイスウエーハ２のサファイア基板２０側からパルスレーザー光線を照射してバファー層２２を破壊するバファー層破壊工程を実施する。このバファー層破壊工程は、図示の実施形態においては図４に示すレーザー加工装置５を用いて実施する。図４に示すレーザー加工装置５は、被加工物を保持するチャックテーブル５１と、該チャックテーブル５１上に保持された被加工物にパルスレーザー光線を照射するレーザー光線照射手段５２を具備している。
【００１６】
上記チャックテーブル５１は、上面である保持面に被加工物を吸引保持するように構成されており、図示しない加工送り手段によって図４において矢印Ｘで示す方向に加工送りされるとともに、図示しない割り出し送り手段によって図４において矢印Ｙで示す方向に割り出し送りされるようになっている。
【００１７】
上記レーザー光線照射手段５２は、実質上水平に配置された円筒形状のケーシング５２１を含んでいる。ケーシング５２１内には図示しないパルスレーザー光線発振器や繰り返し周波数設定手段を備えたパルスレーザー光線発振手段が配設されている。上記ケーシング５２１の先端部には、パルスレーザー光線発振手段から発振されたパルスレーザー光線を集光するための集光器５２２が装着されている。
【００１８】
上述したレーザー加工装置５を用いて実施するバファー層破壊工程について、図４および図５を参照して説明する。
バファー層破壊工程を実施するには、先ず上述した図４に示すようにレーザー加工装置のチャックテーブル５１上に上述した光デバイスウエーハ２に接合された移設基板３が貼着された粘着テープ側を載置し、図示しない吸引手段を作動してチャックテーブル５１上に光デバイスウエーハ２を吸引保持する。従って、チャックテーブル５１上に保持された光デバイスウエーハ２は、サファイア基板２０の裏面２０bが上側となる。なお、図４においては粘着テープTが装着された環状のフレームFを省いて示しているが、環状のフレームFはチャックテーブル５１に配設された適宜のフレーム保持手段に保持される。
【００１９】
上述したようにチャックテーブル５１上に移設基板３が接合された光デバイスウエーハ２を吸引保持したならば、チャックテーブル５１を図５の（ａ）で示すようにレーザー光線照射手段５２の集光器５２２が位置するレーザー光線照射領域に移動し、一端（図５の（ａ）において左端）をレーザー光線照射手段５２の集光器５２２の直下に位置付ける。次に、集光器５２２から照射するパルスレーザー光線の集光点Pを図５の（b）で示すようにバファー層２２に合わせる。そして、レーザー光線照射手段５２を作動して集光器５２２からパルスレーザー光線を照射しつつチャックテーブル５１を図５の（ａ）において矢印Ｘ１で示す加工送り方向に所定の加工送り速度で移動せしめる。そして、図５の（c）で示すようにレーザー光線照射手段５２の集光器５２２の照射位置にサファイア基板２０の他端（図５の（c）において右端）が達したら、パルスレーザー光線の照射を停止するとともにチャックテーブル５１の移動を停止する（バファー層破壊工程）。このバファー層破壊工程をバファー層２２の全面に実施する。この結果、バファー層２２が破壊され、バファー層２２によるサファイア基板２０と光デバイス層２１との結合機能が喪失する。
【００２０】
上記バファー層破壊工程における加工条件は、例えば次のように設定されている。
光源                    ：YAGレーザー
波長                    ：２５７ｎｍ
繰り返し周波数          ：５０ｋＨｚ
平均出力                ：０．１２W
パルス幅                ：１００ｐｓ
スポット径              ：φ７０μｍ
デフォーカス            ：１．０mm（サファイア基板の表面にレーザー光線を位置
付けた状態で集光器を１mmサファイア基板に近づける）
加工送り速度            ：６００ｍｍ／秒
【００２１】
上記加工条件においてバファー層破壊工程を実施すると、スポット径がφ７０μｍのパルスレーザー光線は、スポット間隔が１２μｍとなり、スポットの重なり率が８３％で光デバイス層２１に照射される。
なお、上述したバファー層破壊工程においては、レーザー光線照射手段５２を作動して集光器５２２からパルスレーザー光線を照射しつつ、移設基板３が接合された光デバイスウエーハ２を吸引保持したチャックテーブル５１を加工送り方向に直線状に移動する例を示したが、チャックテーブル５１を回転しつつ加工送り方向または割り出し送り方向に移動してパルスレーザー光線を渦巻状に照射してもよい。
【００２２】
上述したバファー層破壊工程を実施したならば、サファイア基板２０を光デバイス層２１から剥離するサファイア基板剥離工程を実施する。即ち、サファイア基板２０と光デバイス層２１と結合しているバファー層２２はバファー層破壊工程を実施することにより破壊され結合機能が喪失されているので、図６に示すようにサファイア基板２０は光デバイス層２１から容易に剥離することができる。
【００２３】
ここで、上記バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長について説明する。
バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、サファイア基板の吸収端よりも長くバファー層の吸収端よりも短く設定することが重要である。即ち、バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、サファイア基板を透過してバファー層に至り、バファー層で吸収されることによりバファー層を破壊することができる波長に設定する必要がある。図７には、サファイアと窒化ガリウム（ＧａＮ）の光透過曲線を示すグラフが示されている。図７において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光透過率（％）を示す。図７に示すようにサファイアの吸収端は１５０ｎｍであり、窒化ガリウム（ＧａＮ）の吸収端は３５５ｎｍである。従って、バファー層が窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合には、バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線の波長は、１５０〜３５５ｎｍに設定することが望ましく、窒化ガリウム（ＧａＮ）の光透過率（％）が低い１５０〜２５０ｎｍに設定することがより好ましい。
なお、バファー層を形成する他の物質の吸収端は、ＩｎＡｓが２７０ｎｍ付近、ＡｌＮが２８０ｎｍ付近、ＩｎＰが３８０ｎｍ付近、ＡｌＧａＡｓが３５０ｎｍ付近である。
【００２４】
次に、上記バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線のパルス幅について説明する。
バファー層破壊工程において照射するパルスレーザー光線のパルス幅は、熱拡散長が２００nm以下となるパルス幅に設定することが重要である。熱拡散長が２００nm以下となるパルス幅に設定することにより、パルスレーザー光線のエネルギーがバファー層で消費され、光デバイス層を損傷させることはない。即ち、熱拡散長が２００nmより大きいパルス幅に設定すると、バファー層を破壊するとともに光デバイス層を損傷させることになる。なお、熱拡散長が２００nmと短いことからパルスレーザー光線のエネルギーが熱拡散長の範囲でサファイア基板との境界面に沿って吸収されるので、エネルギーがガウシアン分布であってもトップハット形状と同等の加工が行われる。更に、熱拡散長が２００nmと短いことからパルスレーザー光線がバファー層に至った瞬間に熱拡散長の範囲で吸収されるので、サファイア基板に反りがありパルスレーザー光線の集光点がバファー層から外れることがあっても、バファー層のみを確実に破壊することができる。そして、サファイア基板を剥離した後のバファー層の面粗さが許容できる１００nm以下の凹凸であり、研磨等の後処理が不要となる。
【００２５】
図８には、窒化ガリウム（ＧａＮ）における熱拡散長（ｎｍ）とパルス幅（ｐｓ）との関係が示されている。図８に示すようにバファー層が窒化ガリウム（ＧａＮ）の場合には、熱拡散長を２００ｎｍ以下にするためにはパルスレーザー光線のパルス幅を２００ｐｓ以下に設定することが望ましく、熱拡散長（ｎｍ）が減少する１００ｐｓ以下に設定することがより好ましい。
なお、バファー層を形成する他の物質における熱拡散長（ｎｍ）が２００ｎｍ以下となるパルス幅は、ＧａＰが１５０ｐｓ、ＩｎＰが２５０ｐｓ、ＩｎＡｓが５００ｐｓ、ＡｌＮが５０ｐｓ、ＡｌＧａＡｓが１５０ｐｓである。
【００２６】
次に、本発明者等の実験結果について説明する。
（１）窒化ガリウム（GaN）の吸収端である３５５nmより長い波長のパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を透過して光デバイス層にダメージを与えるとともに、パルスレーザー光線のエネルギー損失が大きくなる。
（２）サファイア基板の吸収端である１５０nmより短い波長のパルスレーザー光線を照射すると、サファイア基板でパルスレーザー光線のエネルギーが吸収され、サファイア基板にダメージを与えるとともに、バファー層に至るパルスレーザー光線のエネルギーの損失が大きくなる。
（３）窒化ガリウム（GaN）の吸収率が一番高くなる波長（２５０nm）のパルスレーザー光線を照射すると、加工効率が良好となり、バファー層の面粗さ（凹凸）が５０nm以下となった。
（４）パルス幅を１nsに設定してパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を確実に破壊することができるものの、クラックが光デバイス層に至り光デバイスにダメージを与える。
（５）パルス幅を５００psに設定してパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を確実に破壊することができるものの、バファー層の面粗さ（凹凸）が５００nmとなり、凹凸を研磨して除去する工程が必要となる。また、多少クラックが光デバイス層に至り光デバイスにダメージを与える。
（６）パルス幅を３００psに設定してパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を確実に破壊することができるものの、バファー層の面粗さ（凹凸）が３００nmとなり、凹凸を研磨して除去する工程が必要となる。
（７）パルス幅を２００psに設定してパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を確実に破壊することができる。そして、バファー層の面粗さ（凹凸）が１００nmで許容範囲内で、研磨する必要はない。
（８）パルス幅を１００psに設定してパルスレーザー光線を照射すると、バファー層を確実に破壊することができる。そして、バファー層の面粗さ（凹凸）が５０nmで許容範囲内であり、全く研磨する必要はない。
【符号の説明】
【００２７】
２：光デバイスウエーハ
２０：サファイア基板
２１：光デバイス層
２２：バファー層
３：移設基板
４：接合金属層
５：レーザー加工装置
５１：レーザー加工装置のチャックテーブル
５２：レーザー光線照射手段
５２２：集光器
F：環状のフレーム
T：粘着テープ
【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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【図７】
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【図８】
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