(57)【要約】【課題】レーザ光を照射して基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体を基板から分離する際の割れの発生を防止する。【解決手段】基板１上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板１と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法において、半導体層の中心を通る直線状の照射経路４ａ、４ｂに沿ってレーザ光を照射する動作を繰り返して半導体層の全体にレーザ光を照射し、あるいは任意の曲線あるいは直線状の照射経路に沿って半導体層にレーザ光を照射することにより半導体層を分割し、その後螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射し、あるいは異なった位置を中心とする複数の螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより、半導体層を分離する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法であって、半導体層の中心を通る直線状の照射経路に沿ってレーザ光を照射する動作を繰り返して半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離することを特徴とするレーザリフトオフ工法。
【請求項２】
基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法であって、任意の曲線あるいは直線状の照射経路に沿って半導体層にレーザ光を照射することにより半導体層を分割し、その後螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離することを特徴とするレーザリフトオフ工法。
【請求項３】
半導体層の中心を通る直線状にレーザ光を照射して半導体層を分割することを特徴とする請求項２記載のレーザリフトオフ工法。
【請求項４】
基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法であって、異なった位置を中心とする複数の螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離することを特徴とするレーザリフトオフ工法。
【請求項５】
ＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層がＧａＮである請求項１〜４の何れかに記載のレーザリフトオフ工法。
【請求項６】
レーザ光照射時の半導体層の温度が５００℃以上であることを特徴とする請求項５記載のレーザリフトオフ工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を照射することで基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層を基板から分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法に関し、特にＧａＮ系半導体層をサファイア基板から容易かつ確実に分離するのに好適に適用できるレーザリフトオフ工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、青紫レーザが、次世代高密度記録光ディスク用光源として注目され、その製品化の要望が高まっている。そこで、直接遷移型でかつ禁制帯域が１．９〜６．２ｅＶであるＧａＮ系化合物半導体は、可視領域から紫外線領域に及ぶ半導体発光素子が理論上可能であるため、このＧａＮ系化合物半導体を用いたレーザ発光素子の開発研究が盛んに行われている。最近では、波長３５０ｎｍ程度のレーザの寿命として、３０ｍＷの出力、６０℃で、３０００時間の連続発振が達成されており、技術の進展が著しい。
【０００３】
ＧａＮ系化合物半導体は、格子整合する基板がないことにより、一般的にはおよそ１０％程度の格子不整合があるサファイア基板が使用されている。サファイア基板上にＧａＮ膜を結晶成長させた場合、格子不整合及び熱膨張係数の違いにより、ＧａＮ膜に転移と熱歪みが生じ、結晶性の良好なＧａＮ系化合物半導体膜を形成することが困難である。
【０００４】
この問題を解決するために、サファイア基板とＧａＮ系化合物半導体膜を、レーザ光を照射することにより分離する方法（本明細書では、この方法をレーザリフトオフ工法と称する）が、特表２００１−５０１７７８号公報に開示されている。その技術手段としては、ＧａＮまたはＩｎｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｎからなる層とサファイア基板とを、基板を通じてＮｄ：ＹＡＧの第三調波レーザを用いて波長３５５ｎｍのレーザ光で露光することが開示されている。
【０００５】
このようにしてサファイア基板からＧａＮ層を分離し、これを新たなＧａＮ基板としてＭＯＣＶＤ法等によりＧａＮ系化合物半導体膜を形成すれば、格子定数および熱膨張係数が一致するため、結晶性の良好なＧａＮ層が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、サファイア基板とＧａＮ系化合物半導体層とをレーザ光を照射して分離する際の大きな課題の一つとして、レーザ光の照射経路を考慮しなければ、例えば直径２インチサイズ程度の大面積のＧａＮ系化合物半導体基板の作製が困難であるということがある。
【０００７】
すなわち、ＧａＮ系化合物半導体層にレーザ光を照射してサファイア基板から分離しようとした場合、レーザ光を照射した部分のみが基板より分離するため、ＧａＮ膜を成膜したときに発生した熱歪みに起因する残留応力がこの部分に集中して負荷される。そのため、図５に示すように、基板１１の周辺を通る直線状の照射経路１２に沿ってレーザ光を照射し、その照射経路１２を順次平行移動させて基板１１の全体にレーザ光を照射すると、直径２インチのような大きな基板１１の場合、基板１１と半導体層が分離していない範囲が大きいため、僅かに分離した半導体層部分に大きな残留応力がかかり、この部分が割れるか若しくはクラックを生じる恐れが大きい。また、単純に基板中心から周辺に向かって螺旋状に照射した場合も、最後に基板周辺を分離する際に割れが発生するという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、レーザ光を照射して基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体を基板から分離する際の割れの発生を防止できるレーザリフトオフ工法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明において、基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法は、大きく分けて３つの方法がある。
【００１０】
本発明の第１の方法は、半導体層の中心を通る直線状の照射経路に沿ってレーザ光を照射する動作を繰り返して半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離するものである。代表的な例としては、まず半導体層の中心を通る直線状の照射経路に沿ってレーザ光を照射し、次に直交する照射経路に沿ってレーザ光を照射し、さらに４５度の角度で交差する２本の照射経路に沿ってレーザ光を照射し、以下同様に角度を半分にし、照射経路の数を倍にしながらレーザ光を照射する動作を順次繰り返すことで、割れを生じることなく半導体層の全体を分離するものである。
【００１１】
本発明の第２の方法は、任意の曲線あるいは直線状の照射経路に沿って半導体層にレーザ光を照射することにより半導体層を分割し、その後螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離するものである。代表的な例としては、半導体層を分割する際には、半導体層の中心を通る直線状にレーザ光を照射することによりレーザ光を照射した部分のみ分離し、基板に接触している半導体層を２分割する。このレーザ光を照射して分割する工程は、任意な軌道で良いが、半導体層の中心を通る直線の数に応じて２分割、４分割、６分割とするのが代表的な例である。この分割後に、半導体層の中心を中心とする螺旋状の照射経路に沿ってその周辺部から中心に向けて、若しくは中心から周辺部に向けて螺旋状に半導体層の全体にレーザ光を照射することによって、割れを生じることなく半導体層の全体を分離するものである。
【００１２】
本発明の第３の方法は、異なった位置を中心とする複数の螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより半導体層を分離するものである。代表的な例としては、半導体層の任意の２〜４箇所から同時に螺旋状に徐々に半径が大きくなるように、若しくは徐々に半径が小さくなるようにレーザ光を照射して行き、最終的に半導体層の全体にレーザ光を照射することで、割れを生じることなく半導体層の全体を分離するものである。
【００１３】
以上のレーザ光の照射方法により、２インチサイズの基板とＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層とを割れの発生なしに安定して分離することができ、転移と熱歪みの少ない良好な結晶性を持つＩＩＩ　族窒化物からなる半導体を低コストで供給することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は、上記ＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層がＧａＮである場合に、好適に適用でき、その場合レーザ光照射時の半導体層の温度が５００℃以上であるのが好適である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明のレーザリフトオフ工法の第１の実施形態について、図１、図２を参照して説明する。
【００１６】
図１において、基板１上に形成された半導体層２に、基板１側からレーザ光３を照射する。ここで、半導体層２は、ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮに代表されるＩＩＩ　族窒化物からなる。また、半導体層２上に、ＡｌＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を含む半導体レーザ素子を形成していても構わない。基板１は、半導体層２を保持するために十分な強度を持ち、かつＧａＮ結晶と格子不整合が小さな材料にて構成されたものであり、例えばサファイア、炭化珪素、シリコンなどにて構成されている。
【００１７】
これらの半導体層２と基板１、例えばＧａＮ膜とサファイア基板においては、およそ１０％程度の格子不整合とおよそ２５％程度の熱膨張係数の違いにより、ＧａＮ膜に多くの転移と熱歪みが発生する。
【００１８】
このＧａＮ膜からなる半導体層２に、図１に示すように、レーザ光３を照射してサファイア基板１から分離した場合、レーザ光を照射した部分のみが基板１より分離するため、この部分にＧａＮ膜を成膜したときに発生した熱歪みに起因する残留応力が集中して負荷され、図５を参照して説明した従来例のような照射経路１２に沿ってレーザ光を照射すると、僅かに分離した半導体層２部分に大きな残留応力が負荷され、この部分が割れるか若しくはクラックが生じる恐れがある。
【００１９】
本実施形態では、図２（ａ）に示すように、まず半導体層２の中心を通る直線状の照射経路４ａに沿ってレーザ光３を照射し、その部分の半導体層２を基板１より分離する。次に、図２（ｂ）に示すように、分離前の半導体層２の中心を通る直線状の照射経路４ｂに沿ってレーザ光３を照射する。このときの各半導体層２に作用する残留応力は、分離前の半分になっている、１回目の照射に対してどの角度で照射しても問題ないが、図２（ｂ）のように各半導体層２を２等分する直交方向が好ましい。このように、分離前の半導体層２の中心を通る直線状の照射経路に沿ってかつその照射方向を順次変えながら照射を行うことによって、半導体層２の全体にレーザ光３を照射して半導体層２を基板１より分離する。このとき、最初の照射方向に対して９０°、４５°、２２．５°、・・というように、各半導体層２を順次２等分して行くように照射することが、基板１と分離していない半導体層２の残留応力が最も小さくなるため好ましい。
【００２０】
以上のようなレーザ光３の照射方法によって、半導体層２にかかる残留応力を小さくすることが可能なため、分離時の割れやクラックの発生を防ぐことができる。従って、本実施形態により、安定して高歩留りにて、２インチサイズの大きな半導体を製造でき、また分離したサファイア基板１を再生できる効果も含め、低コストなＧａＮ系化合物半導体の製造が可能となる。
【００２１】
（第２の実施形態）
次に、本発明のレーザリフトオフ工法の第２の実施形態について、図３を参照して説明する。
【００２２】
図３において、まず半導体層２の中心を通る直線状の照射経路５ａに沿ってレーザ光３を照射し、基板１上に接触した半導体層２を２分割する。ここで、分割後の各半導体層２の残留応力は、分割前の半分になっている。その後、基板１の中心を始点として徐々に半径が拡がる螺旋状の照射経路５ｂに沿ってレーザ光３を照射することにより、最後の半導体層２の外周部にかかる残留応力を小さくすることが可能なため、分離時の割れやクラックの発生を防ぐことができる。
【００２３】
従って、本実施形態により、安定した高歩留りの直径２インチサイズの大きな半導体を製造でき、また分離したサファイア基板１を再生する効果も含め、低コストなＧａＮ系化合物半導体の製造が可能となる。
【００２４】
なお、本実施形態では、半導体層２の中心を通る直線状の照射経路５ａに沿ってレーザ光３を照射して半導体層２を分割したが、直線状あるいは非直線状を問わず、任意の照射経路に沿って照射して分割しても同様の効果が得られる。また、２本の直線状の照射経路を交差させて照射を行い、半導体層２を４分割するなど、分割数を多くすることにより効果が大きくなり、等分に分割するのが残留応力を均等に低減するため、等４分割、等６分割、等８分割にする照射経路で照射するのが望ましい。
【００２５】
また、本実施形態では、螺旋状の照射経路５ｂを基板１の中心を始点としたが、周辺部を始点にして徐々に半径が縮まる螺旋状の照射経路にしても、最初に半導体層２を分割して残留応力を低減しているため、同様の効果が得られる。
【００２６】
（第３の実施形態）
次に、本発明のレーザリフトオフ工法の第３の実施形態について、図４を参照して説明する。
【００２７】
図４において、異なった複数の位置７ａ〜７ｄを中心とする複数の螺旋状の照射経路６ａ〜６ｄに沿って半導体層２の全体にレーザ光３を照射することにより、基板１と半導体層２を分離する。このように、螺旋状の照射経路６ａ〜６ｄに沿って半導体層２にレーザ光３を照射した方が、半導体層２の端から直線状にレーザ光３を照射するよりも、基板１と分離していない箇所の半導体層２の残留応力が減るため、半導体層２が割れたり、クラックが入ったりし難い。さらに、螺旋状の照射経路６ａ〜６ｄを複数にすることで、照射の最後の螺旋の中心部の半導体層２にかかる残留応力の割合が、複数分の１に減少するため、よりクラックや割れが発生し難い。
【００２８】
この螺旋状の照射経路６ａ〜６ｄの中心７ａ〜７ｄは、例えば図４に示すように、基板１の中心を通る２本の直交した線の、基板１の中心と端との間の中央の４箇所にすることにより、各螺旋の中心の半導体層２にかかる残留応力は、螺旋が１つの場合と比較して４分の１に減少する。
【００２９】
従って、本実施形態により、安定した高歩留りの直径２インチサイズの大きな半導体を製造でき、また分離したサファイア基板１を再生する効果も含め、低コストなＧａＮ系化合物半導体の製造が可能となる。
【００３０】
また、以上の各実施形態において、基板１と半導体層２の熱膨張係数の違いにより、直径２インチサイズの大きな基板１では、室温で反りが発生する。このような反りが発生するほど、大きな残留応力を持った半導体層２は、レーザ光３を照射して分離すると、その部分により大きな残留応力がかかって割れ易い。この反り、すなわち残留応力を緩和するためには、半導体層２を加熱すると効果があることを見出した。抵抗加熱板を用いて、４００℃、４５０℃、５００℃、５５０℃及び６００℃に半導体層２の温度を設定し、半導体層２にレーザ光３を照射したところ、半導体層温度５００℃以上において半導体層２の割れが無くなった。従って、半導体層２の温度を５００℃以上に加熱することにより、割れやクラックの無い半導体の製造が可能となる。
【００３１】
（具体例）
次に、以上の各実施形態における具体例を説明する。
【００３２】
第１の例として、直径２インチのサファイア基板上に３０μｍのＧａＮをＶＰＥ（Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）により成長させる。このＧａＮ付き基板を抵抗加熱機構を有したステージに、基板側からレーザ光照射が可能なように基板を上側にして配置し、ＧａＮが温度が６００℃になるように設定した。基板側からＹＡＧレーザーの第３調波を０．２Ｊ／ｃｍ２　のエネルギーで基板の中心を通る直線状に照射した。次に、最初の照射軌道と直交する基板の中心を通る直線状に、同様にレーザ光を照射した。次に、これらの照射経路と４５°で交わる基板の中心を通る２本の直線状に、同様にレーザ光を照射した。次に、２２．５°、１２．２５°と角度を半分にしながら順次レーザ光を照射し、直径２インチのサファイア基板上の全ての領域にレーザ光を照射することにより、ＧａＮをサファイア基板より分離し、直径２インチのＧａＮを得た。
【００３３】
第２の例として、同様に直径２インチのＧａＮ付きサファイア基板をステージにセットし、基板側からＹＡＧレーザーの第３調波を０．２Ｊ／ｃｍ２　のエネルギーで基板の中心を通る直線状に照射した。次に、最初の照射経路と直交する基板の中心を通る直線状に同様にレーザ光を照射して、基板と接触しているＧａＮを４分割した。次に、基板の中心を中心とする螺旋状の照射経路に沿って基板の外側から中心に向かってレーザ光を照射した。
【００３４】
第３の例として、同様に直径２インチのＧａＮ付きサファイア基板をステージにセットし、基板側からＹＡＧレーザーの第３調波を０．２Ｊ／ｃｍ２　のエネルギーで螺旋状に照射した。このときの螺旋の中心は、図４に示すように、基板の中心を通る２本の直交した線の、基板中心と端の間の中央の４箇所とした。
【００３５】
これら各例のレーザ光照射後のＧａＮを観察したところ、割れやクラックは見出されなかった。
【００３６】
なお、第２の例は、基板の中心を通る直線状に２本照射することによりＧａＮを４分割したが、２分割及び６分割や８分割でも同様の効果が得られた。これらは、基板の中心を通らない直線状の照射や非直線状の照射でも、ＧａＮを分割することにより同様の効果が得られた。
【００３７】
以上の実施形態の説明では、ＧａＮについて説明したが、ＡｌＧａＮ層／ＩｎＧａＮ層／ＡｌＧａＮ層を含む半導体レーザ素子を形成している構造においても、同様な効果が得られる。
【００３８】
また、上記実施形態の説明では、ＧａＮ温度を６００℃とした例を示したが、５００℃以上であれば残留応力を緩和する効果が得られた。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、基板上に成長したＩＩＩ　族窒化物からなる半導体層にレーザ光を照射することにより、基板と半導体層を分離して半導体基板を得るレーザリフトオフ工法において、半導体層の中心を通る直線状の照射経路に沿ってレーザ光を照射する動作を繰り返して半導体層の全体にレーザ光を照射し、あるいは任意の曲線あるいは直線状の照射経路に沿って半導体層にレーザ光を照射することにより半導体層を分割し、その後螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射し、あるいは異なった位置を中心とする複数の螺旋状の照射経路に沿って半導体層の全体にレーザ光を照射することにより、割れやクラックを発生することなく基板と半導体層を分離でき、安定的に高歩留りにて大きなサイズの半導体を製造でき、また分離した基板を再生する効果も含め、低コストにてＩＩＩ　族窒化物からなる半導体を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施形態のレーザリフトオフ工法を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のレーザ光の照射経路を示し、（ａ）は最初の照射経路の説明図、（ｂ）は次の照射経路の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のレーザ光の照射経路の説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態のレーザ光の照射経路の説明図である。
【図５】従来例のレーザ光の照射経路の説明図である。
【符号の説明】
１　基板
２　半導体層
３　レーザ光
４ａ、４ｂ　レーザ光の照射経路
５ａ、５ｂ　レーザ光の照射経路
６ａ〜６ｄ　レーザ光の照射経路
７ａ〜７ｄ　螺旋状経路の中心
【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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