(57)【要約】【課題】半導体上に積層素子等を接合し、且つそれをレーザーリフトオフするために長時間を要していた作業時間を短縮化する。また、積層素子等にかかる応力、あるいは熱的・力学的・化学的な負荷を軽減することが可能となる半導体積層素子の製造装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】レーザー光を実質的に透過する基板に形成された第１の半導体と第２の積層素子とを、加圧および／あるいは加熱による接合手段で接合すると同時に、レーザーリフトオフを可能とした半導体積層素子の製造装置が、つぎのような炉を備えている。すなわち、第１の半導体と第２の積層素子とを配置可能とした炉を備えている。そして、該炉が前記レーザー光を実質的に透過する炉材によって形成され、該炉外からのレーザー光を該炉及び該炉内に配置された前記第１の半導体の基板を透過させ、該第１の半導体表面に照射できるように構成する。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を実質的に透過する基板に形成された第１の半導体と第２の積層素子とを、加圧および／あるいは加熱による接合手段で接合すると同時に、レーザーリフトオフを可能とした半導体積層素子の製造装置であって、
前記第１の半導体と第２の積層素子とを配置可能とした炉を備え、該炉が前記レーザー光を実質的に透過する炉材によって形成され、該炉外からのレーザー光を該炉及び該炉内に配置された前記第１の半導体の基板を透過させ、該第１の半導体表面に照射できるように構成されていることを特徴とする半導体積層素子の製造装置。
【請求項２】
前記接合手段が、前記炉全体の加熱による熱膨張によって前記炉内に配置された前記第１の半導体と第２の積層素子の接合面に圧力を印加することができる手段で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項３】
前記炉は、該炉内の接合の加圧方向に対する垂直方向に、メタライゼーションに伴い生じる分解生成物を排除するスペースを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項４】
前記基板がサファイア基板であり、前記炉材が石英またはサファイアであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項５】
前記第１の半導体が窒化物半導体であり、第２の積層素子が化合物あるいは前記第１の半導体と異種の窒化物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項６】
前記炉が、接合面を合わせて配置した第１の半導体と第２の積層素子を支持するコンテナと、前記コンテナに支持された第１の半導体と第２の積層素子に圧力が集中伝播するように形成されたプラグと、これらコンテナ及びプラグを含む全体を覆うスリーブと、を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項７】
前記スリーブは、室温においてプラグとの間に隙間があり、加熱時において熱膨張によりプラグに強く接触するように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体積層素子の製造装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体積層素子の製造装置を用い、半導体積層素子を製造する半導体積層素子の製造方法であって、
基板に形成された第１の半導体と第２の積層素子とを、加圧および／あるいは加熱状態で接合する接合工程と、
前記接合工程における前記第１の半導体と第２の積層素子との接合と同時に、前記第１の半導体と第２の積層素子とを配置した炉の外側から照射したレーザー光を、該炉及び該炉内に配置された前記第１の半導体の前記基板を透過させ、該第１の半導体で光学吸収させてレーザーリフトオフを行う工程と、
を有することを特徴とする半導体積層素子の製造方法。
【請求項９】
前記接合工程において、前記炉全体の加熱による熱膨張によって前記第１の半導体と前記第２の積層素子と接合面に圧力を印加し、これらを接合することを特徴とする請求項８に記載の半導体積層素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体積層素子の製造装置及びその製造方法に関し、特に半導体化合物の接合とレーザーリフトオフを同時に行うことを可能とした半導体積層素子の製造装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来において、窒化物半導体、例えばＩＩＩ族窒素化合物のような窒化物半導体は、サファイアなどの基板上にエピタキシャル成長させて得られるのが一般的である。これは、例えば、窒化ガリウムの相図において、１気圧のもとでは融点の１２００℃以上で窒素（気体）とガリウム（固体）に分解する。そのため、溶融法で窒化ガリウムの単結晶を得るには、数万気圧という高圧化で引き上げを行う必要があり、このような溶融法によることは一般的ではないからである。
したがって、一般的には、例えばＩＩＩ族窒素化合物をトリメチルガリウムや塩化ガリウムなどの金属源をアンモニアや窒素プラズマなどの窒素源と反応させるＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの製法により生成する。このようにして生成されたＩＩＩ族窒素化合物を、サファイア基板などの上にエピタキシャル成長させることにより、半導体素子の材料として用いられている。
【０００３】
また、このようにして得られた第１の窒化物半導体上に、第２の化合物を形成する場合等において、非特許文献１に紹介されているような加熱による熱膨張により接合面に圧力を印加する手段を用いることができる。これは、第１の窒化物半導体上に、ｐ型・ｎ型・ｉ型などの異種窒化物を積層した半導体を形成する場合、あるいはパターンニングした同じ窒化物同士を積層した半導体を形成する場合、等においても用いることができる。これによると加熱によって、冶具の熱膨張を引き起こして化合物の接合面に圧力を印加するとともに、応力を緩和させ、被接合面の表面吸着ガスを除去し、あるいは表面にダングリングボンドを形成する。そして、接合面における化合物の分子間力を活性化させ、接合強度を高めて接合することができる。
このような接合手段は、化合物半導体の接合手段として好ましい接合手段であることから、例えば、特許文献１に開示されているように、Ａｓ系半導体結晶またはＰ系半導体結晶のような第２の化合物と、Ｎ系半導体結晶との接合にも用いられている。ここでは、Ａｓ系半導体結晶またはＰ系半導体結晶のような第２の化合物とＮ系半導体結晶とを同一基板上に作製することが困難であり、何れかの半導体結晶は良質な単結晶にならないことから、上記した接合手段が採用されている。
【０００４】
ところで、ＧａＮなどによるＩＩＩ族窒素化合物は、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。このようなサファイア基板は、電極形成やさらなる加工を実施するため、接合後にリフトオフする必要があるが、ＩＩＩ族窒素化合物はレーザーリフトオフ工法によってリフトオフすることが可能である。特許文献２には、レーザーリフトオフ工法として、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の第三調波レーザーを用いて波長３５５ｎｍのレーザー光で露光することが開示されている。
【０００５】
また、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、レーザーリフトオフ工法を実施する場合には応力歪みを考慮する必要がある。
特許文献３によれば、ＧａＮ系化合物半導体層にレーザー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、レーザー光を照射した部分のみが基板より分離する。そのため、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ことが開示されている。
このようなことから、シリコンなどの基板を接合・接着してからレーザーリフトオフすることが一般的な手法である。
例えば、上記した特許文献２によれば、分離された層を安定化するために、試料は露光の前に層の側を樹脂またはワックスを使用し、支持板またはシート上に接着する構成が採られている。ここでは、ＧａＮ層を基板から分解反応により分離する場合、サファイア−基板が取り外され、ＧａＮ層は支持板またはシート上に残留する。ワックスまたは樹脂はアセトン中で溶解され、ＧａＮ層は分離した層として残留する手法が用いられている。
【０００６】
また、例えば、特許文献４によれば、つぎのような手法が用いられている。まず、窒化材料層の上に、実質上単結晶または多結晶の半導体材料の１つまたは複数の層を成長させる。この１つまたは複数のシリコン材料層は、半導体構造を形成する。つぎに、サファイア基板、窒化物層、半導体構造、およびホスト基板の層から成る複合構造を形成する。つぎにサファイア基板、窒化物層、シリコン構造、およびホスト基板によって複合構造を形成する。具体的には、エポキシや軟質金属などの接着剤またはボンディング剤を使用して、シリコン構造の最上部または露出面をホスト基板にボンディングする手法が用いられている。
【特許文献１】特開２００３−１５２２２２号公報
【特許文献２】特表２００１−５０１７７８号公報
【特許文献３】特開２００４−８７７７５号公報
【特許文献４】特開２０００−２５２２２４号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒ５６（８），１９．ＦＥＢ．１９９０  ｐｐ７３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記した従来例においては、第１の窒化物半導体上に、第２の化合物等を接合し、これらの接合後にサファイア基板をリフトオフする場合、接合工程とレーザーリフトオフ工程という２段階の工程に長時間を要するという問題を有していた。すなわち、接合工程として（１）化合物を接合装置へセッティング、（２）昇温加圧、（３）圧力保持、（４）降温、（５）圧力リリース、等を経ることが必要となる。また、これに引き続き、レーザーリフトオフ工程として（６）積層化合物をレーザーリフトオフ装置へセッティング、（７）レーザー走査、（８）剥離のための加熱、（９）剥離、等を経ることが必要となる。
あるいは、化合物転写においては、接合工程としての（１）化合物を転写基板に接着する工程を経た後、これに引き続き、レーザーリフトオフ工程として（２）化合物をレーザーリフトオフ装置へセッティングする。これに引き続き、（３）レーザー走査、（４）サファイア剥離のために加熱、（５）サファイア剥離、（６）転写基板剥離等を経ることが必要となる。上記した従来例においては、これらに長時間を要していた。
また、上記した従来例においては、接合後のレーザーリフトオフ時において、応力集中によって接合界面で剥離が生じるという問題を有していた。あるいはサファイア基板と部分的に剥離した状態での応力歪みによって窒化物半導体上に接合されれる化合物にクラックが生じるという問題を有していた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、半導体上に積層素子等を接合し、且つそれをレーザーリフトオフするために長時間を要していた作業時間を短縮化することが可能となる半導体積層素子の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
また、半導体上に接合される積層素子等にかかる応力、あるいは熱的・力学的・化学的な負荷を軽減することが可能となる半導体積層素子の製造装置及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記課題を達成するために、以下のように構成した半導体積層素子の製造装置及びその製造方法を提供するものである。
本発明は、半導体積層素子の製造装置をつぎのように構成したことを特徴としている。
本発明においては、レーザー光を実質的に透過する基板に形成された第１の半導体と第２の積層素子とを、加圧および／あるいは加熱による接合手段で接合すると同時に、レーザーリフトオフを可能とした半導体積層素子の製造装置が、つぎのような炉を備えている。すなわち、前記第１の半導体と第２の積層素子とを配置可能とした炉を備えている。そして、該炉が前記レーザー光を実質的に透過する炉材によって形成され、該炉外からのレーザー光を該炉及び該炉内に配置された前記第１の半導体の基板を透過させ、該第１の半導体表面に照射できるように構成したことを特徴としている。
また、本発明の半導体積層素子の製造方法は、上記した半導体積層素子の製造装置を用い、半導体積層素子を製造する半導体積層素子の製造方法であって、つぎの（１）〜（２）の各工程を有することを特徴としている。
（１）基板に形成された第１の半導体と第２の積層素子とを、加圧および／あるいは加熱状態で接合する接合工程。
（２）前記接合工程における前記第１の半導体と第２の積層素子との接合と同時に、前記第１の半導体と第２の積層素子とを配置した炉の外側から照射したレーザー光を、該炉及び該炉内に配置された前記第１の半導体の前記基板を透過させる。そして、該第１の半導体で光学吸収させてレーザーリフトオフを行う工程。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、半導体上に積層素子等を接合し、且つそれをレーザーリフトオフするために長時間を要していた作業時間を短縮化することが可能となる。また、半導体上に接合される積層素子等にかかる応力、あるいは熱的・力学的・化学的な負荷を軽減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１２】
［実施例１］
本発明の実施例１においては、本発明を適用して半導体化合物の接合とレーザーリフトオフを同時に行うことが可能な半導体化合物積層素子の製造装置を構成した。
図１に、本実施例における半導体化合物積層素子の製造装置の構成を示す。また、図２は本実施例における半導体化合物積層素子の製造装置の部分構成を示す図である。
図１及び図２において、１は石英スリーブ、２は石英プラグ、３は石英コンテナであり、これらによって石英炉が形成されている。なお、炉材はこれら石英だけでなくサファイアを用いた炉を形成してもよい。
石英スリーブ１は全体を覆い、室温では石英プラグ１との間に隙間があり、加熱時には熱膨張によりプラグに強く接触するように直径が設定されている。
ここで、石英プラグ２は、石英コンテナ３に接合面を合わせてセッティングされた試料に対し、圧力が集中伝播するように機能する。
また、４は石英スリーブ全体を走査するための走査手段、５はレーザー光源（不図示）からのレーザー光である。
また、６−１はサファイア基板に窒化物を成長させて形成された第１の窒化物半導体、６−２は第２の化合物、６−３は基板であり、これらによって試料が形成されている。
【００１３】
本実施では、以上の構成部材により、第１の窒化物半導体と第２の化合物とを接合すると同時に、炉外からのレーザーによるリフトオフを行うことが可能となるように構成されている。
本実施例では加圧および／あるいは加熱状態において、炉外からのレーザー光を石英炉及び前記試料を形成するサファイア基板を通過させ、第１の窒化物半導体表面に照射し、この第１の窒化物半導体で光学吸収させるようにして、接合と同時にレーザーリフトオフ可能に構成されている。その際、その製造装置は、図１（ａ）に示すように、石英製プラグ側から露光するように構成してもよく、また、図１（ｂ）に示すように、石英コンテナ側から露光するように構成してもよい。
従来においては、炉材の外周は石英で作製されていたが、プラグなどの接合化合物周囲をグラファイトで作製していたため、レーザー光を透過させることができなかった。しかし、本実施例では炉材がレーザー光を透過させることのできる石英あるいはサファイアで形成されている。
したがって、本実施例では加圧および／あるいは加熱状態において、炉外からのレーザー光を石英炉及び前記試料を形成するサファイア基板を通過させ、第１の窒化物半導体表面に照射し、この第１の窒化物半導体で光学吸収させるようにすることができる。レーザーリフトオフする対象により波長や材質が異なるが、第１の窒化物半導体の形成材が、例えば窒化ガリウムの場合には３５０ｎｍ以下の紫外線を吸収するため、炉材には３５０ｎｍ〜１９０ｎｍまで透過する石英やサファイアが好ましい。また、その炉材の透過率は高いほど好ましく、光学研磨によってレーザーの８０％程度以上を透過させることができる。
【００１４】
また、第１の窒化物半導体と第２の化合物とを接合するに際しては、例えば、図１に示した炉材全体を加熱することにより炉材に熱膨張を起こさせ、その応力を接合に利用するようにすることができる。従来のアイソボンダなどの接合装置では化合物の接合に十分な圧力が得られないが、このような炉材の熱膨張を利用することで、接合に十分な圧力を得ることが可能となる。
【００１５】
また、本実施例では、石英炉を形成する石英スリーブ１を、例えば図１のように円筒形とすることで、この円筒の長手方向の円筒内のスペースを利用して、メタライゼーションに伴い生じる金属、あるいは窒素を排除できるように構成されている。
窒素化合物を融点近くまで加熱してレーザーリフトオフを実施する際には、窒素化合物を構成する金属あるいは窒素が分解生成される。
したがって、レーザーリフトオフを促進させるために、これらの分解生成物を除去することが望ましい。
レーザーリフトオフに際し、化合物接合面に圧力がかかり、また炉材全体に歪み応力が発生するが、接合の加圧方向に対して垂直方向の炉内にスペースを設けることで、窒化物のメタライゼーションに伴い生じる金属を退避させることができる。あるいは、窒素を排気させるようにすることができる。
また、石英炉を形成する石英スリーブ１を、例えば図１のように円筒形とする。これにより、この円筒の長手方向の円筒内は開放されており、この個所を接合の加圧方向に対して垂直方向の炉内のスペースとして用いることで、これらの金属あるいは窒素を排除するように構成することができる。
【００１６】
このように、本実施例の構成によれば、炉材全体の加熱による熱膨張により接合面に圧力を印加して第１の窒化物半導体と第２の化合物とを接合すると同時に、炉外からのレーザーによる応力歪みを抑制したリフトオフを行うことができる。これにより、作業時間を短縮化して、化合物を接合した半導体をサファイア基板から剥離することが可能となる。
【００１７】
［実施例２］
実施例２では、実施例１の装置を用いて、十分なエネルギーにより、炉外から前記サファイア基板の表面にレーザー照射して半導体積層素子を製造する方法を実施した。
以下に、本実施例における半導体積層素子の製造方法の手順を説明する。
まず、サファイア基板の上にエピタキシャル成長させたｐ型とｎ型の２種類の窒化ガリウムを１ｃｍ2□に切り出し、実施例１の装置内において、これらの窒化ガリウム面が接合するよう配置した。
つぎに、外周の石英炉を８００℃まで毎分１０℃で昇温加熱し、接合面に圧力をかけた状態で、３００ｍＪ／ｃｍ2のＹＡＧ３倍波３５５ｎｍを石英炉外から接合背面のサファイア基板全面に照射した。用いた石英炉およびサファイア基板の透過率が各々８０％であったため、エネルギー密度の実効値はおよそ１９２ｍＪ／ｃｍ2であった。
本実施例によれば、接合炉材がすべて石英であるため、３５５ｎｍレーザーが透過して接合試料をレーザーリフトオフすることができた。
【００１８】
ここでは２時間８００℃で加熱し、その時間内にサファイア基板の全面にレーザーを均一に露光し、その後毎分１０℃で室温まで戻して試料を取り出した。露光した側のサファイアは４０℃に加熱もしくは３５％塩酸で処理することにより、窒化ガリウムから剥離した。なお、レーザー露光するサファイア基板はｐ型側でもｎ型側でも、同様の結果を得た。
【００１９】
本実施例における昇温・恒温・徐冷の所要時間は１８時間に及んだが、温度変化が遅いため歪みの少ない結晶品質の良い半導体積層素子を得ることができた。さらには、レーザーリフトオフ時に生ずる応力歪みが、接合圧力および基板温度上昇により緩和され、クラックのない歩留まりの良い半導体積層素子が、本実施例の半導体積層素子の接合とレーザーリフトオフを同時に行う製造方法によって得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例１における半導体化合物積層素子の製造装置の構成を示す図であり、（ａ）は石英製プラグ側から露光する装置の構成例を示す図であり、（ｂ）は石英コンテナ側から露光する装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施例１における半導体化合物積層素子の製造装置の部分構成を示示す図であり、（ａ）は石英プラグ、（ｂ）は石英コンテナ、（ｃ）は石英スリーブの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１：石英スリーブ
２：石英プラグ
３：石英コンテナ
４：走査手段
５：レーザー光
６−１：第１の窒化物半導体
６−２：第２の化合物
６−３：基板
【図１】
2007053120.tif 000003
【図２】
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