(57)【要約】【課題】本発明の目的は、透明結晶基板を剥離する際に半導体結晶層に発生するクラックを抑制することができる発光素子の製造方法を提供すること。【解決手段】透明結晶基板１０４と、透明結晶基板１０４の下側に形成された半導体結晶層１０５とからなる発光素子１０２を透明保持材１０１と保持材１０３とで挟み、半導体結晶層１０５に圧力を加えた状態にし、透明結晶基板１０４の上側から光を照射して、半導体結晶層１０５から透明結晶基板１０４を剥離する。これにより、剥離時に界面Ｓ１にて生じるせん断応力が緩和され、クラックの発生を抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明結晶基板と前記透明結晶基板の一方の面に形成された半導体結晶層とを備える発光素子の製造方法であって、
前記透明結晶基板と前記半導体結晶層との界面に、当該界面に対して直交する方向に圧力を加える第１の工程と、
前記圧力を加えながら前記透明結晶基板側から光を照射することによって、前記半導体結晶層から前記透明結晶基板を剥離する第２の工程とを備えることを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程は、前記発光素子の前記透明結晶基板側の面に配置され、前記光を透過する透過保持材と、前記発光素子の前記半導体結晶層側の面に配置され、前記透過保持材とは別の保持材とによって前記発光素子を挟持して、前記圧力を加えることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程は、前記透過保持材の前記透明結晶基板側の面とは反対側の面に配置された弾性体を介して、前記透過保持材と前記保持材とを挟持して、前記圧力を加えることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第２の工程は、酸性水溶液中で行なわれることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
前記酸性水溶液の温度は、光の照射により前記半導体結晶層が分解された際に発生する金属の融点以上の温度であることを特徴とする請求項４記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＩＩ族窒化物系などの半導体発光素子には一般的にサファイア等の透明結晶基板が用いられる。この透明結晶基板は発光層となる半導体結晶層を成長させたのち不要となるため、近年では紫外領域の波長をもつレーザを照射することにより透明結晶基板を半導体結晶層から剥離する技術が盛んに行なわれている。半導体結晶層の代表的なものとしてＧａＮが挙げられるが、ＧａＮは、紫外レーザによりＧａとＮ２に分解される。そして、このＮ２ガスの発生によって、半導体結晶層にせん断応力が加わり、照射領域の境界部においてクラック（亀裂）が発生することがある。
【０００３】
このクラックは発光層の性能劣化を引き起こすため、透明結晶基板から半導体結晶層を剥離する際に生じるクラックをいかに低減させるかが大きな課題となっている。そこで、特許文献１では、半導体結晶層の厚み程度（数μｍ）の照射幅のエキシマレーザをライン状にすることで、光を照射した際の応力を緩和し、クラックの発生を抑制する手法が示されている。
【特許文献１】特開２００３−１６８８２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の手法によれば、エキシマレーザの照射幅が、結晶層の厚み程度（数μｍ）であり、加工に非常に時間がかかるという問題がある。また、エキシマレーザをライン状に照射しても、ライン状に照射されるレーザの境界付近の領域で、レーザが照射されない領域が生じ、クラックが発生するという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、透明結晶基板を剥離する際に半導体結晶層に発生するクラックを抑制することができる発光素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の発光素子の製造方法は、透明結晶基板と前記透明結晶基板の一方の面に形成された半導体結晶層とを備える発光素子の製造方法であって、前記透明結晶基板と前記半導体結晶層との界面に、当該界面に対して直交する方向に圧力を加える第１の工程と、前記圧力を加えながら前記透明結晶基板側から光を照射することによって、前記半導体結晶層から前記透明結晶基板を剥離する第２の工程とを備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、半導体結晶層に界面と直交する方向に圧力を加えた状態で光を照射しているため、半導体結晶層と透明結晶基板との界面において、半導体結晶層の分解によって生じるガスの影響で界面と直交する方向に伝播するせん断応力が緩和され、半導体結晶層の界面で生じるクラックを抑制することができる。また、透明結晶基板の剥離を短時間に行うために光の照射幅を半導体結晶層の厚みよりも大きくしても、半導体結晶層には圧力が加えられているため、クラックの発生を抑制することができる。更に、光の照射幅を大きくすることで、照射光の境界領域が少なくなり、クラックの発生を抑制することができる。
【０００８】
また、上記構成において、前記第１の工程は、前記発光素子の前記透明結晶基板側の面に配置され、前記光を透過する透過保持材と、前記発光素子の前記半導体結晶層側の面に配置され、前記透過保持材とは別の保持材とによって前記発光素子を挟持して、前記圧力を加えることが好ましい。
【０００９】
この構成によれば、透過保持材と保持材とを用いて発光素子の両面を挟持して半導体結晶層に圧力を加えているため、透明結晶基板と半導体結晶層との界面の全域に圧力を加えることができる。
【００１０】
また、上記構成において、前記第２の工程は、前記透過保持材の前記透明結晶基板側の面とは反対側の面に配置された弾性体を介して、前記透過保持材と前記保持材とを挟持して、前記圧力を加えることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、透過保持材は弾性体を介して発光素子に圧力を加えているため、光を照射した際に半導体結晶層に与えられる衝撃が弾性体で吸収され、界面と直交する方向に伝播するせん断応力が緩和され、クラックの発生を抑制することができる。
【００１２】
また、上記構成において、前記第２の工程は、酸性水溶液中で行なわれることが好ましい。
【００１３】
この構成によれば、光が照射されることで透明結晶基板と半導体結晶層との界面で発生する金属が酸性溶液によって融解され、透明結晶基板の剥離と、不要物である金属の除去とを同時に行うことができる。
【００１４】
また、上記構成において、前記酸性水溶液の温度は、光の照射により前記半導体結晶層が分解された際に発生する金属の融点以上の温度であることが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、光の照射によって、界面で発生する金属が酸性水溶液により確実に融解され、透明結晶基板の剥離をよりスムーズに行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光を照射して、透明結晶基板を剥離する工程において、透明結晶基板と半導体結晶層との界面において、半導体結晶層が分解されてガスが発生するが、第２の工程において、半導体結晶層に圧力が加えられた状態で光が照射されているため、ガスの影響で半導体結晶層と透明結晶基板との界面に直交する方向に伝播するせん断応力が緩和され、クラックの発生を抑制することができる。また、透明結晶基板の剥離を短時間に行うために光の照射幅を半導体結晶層の厚みよりも大きくしても、半導体結晶層には圧力が加えられているため、クラックの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１による発光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は、実施の形態１による発光素子の製造方法に用いられる製造装置の外観構成を概略的に示した図である。この製造装置は、レーザ発光装置１、導光部２、押圧装置３、及び４軸加工テーブル４を備えている。
【００１８】
レーザ発光装置１は、紫外領域の波長のレーザ光ＬＥを発生する。実施の形態１では、レーザ発光装置１は、レーザ光ＬＥとして、ＫｒＦエキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ）を発生するが、本発明は、これに限定されず、製造する発光素子に用いられる材料に応じて好ましいレーザ光を適宜採用してもよい。例えば、ＸｅＣｌエキシマレーザ（波長：３０８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマレーザ（波長：１５７ｎｍ）、３倍波ＹＡＧレーザ（波長：３５５ｎｍ）、４倍波ＹＡＧレーザ（波長：２６６ｎｍ）、５倍波ＹＡＧレーザ（波長：２１３ｎｍ）等を採用してもよい。また、レーザ光ＬＥのパルス幅は通常のエキシマレーザであれば数１０ｎｓ程度であるが、パルス幅がｐｓ〜ｆｓオーダのレーザ光を用いてもよい。
【００１９】
導光部２は、台座２１、アッテネータ２２、結像マスク２３、固定ミラー２４、及び固定集光レンズ２５を備えている。
【００２０】
台座２１は、水平に配設され、光路の上流側から順にアッテネータ２２及び結像マスク２３が立設されている。アッテネータ２２は、レーザ発光装置１から放出されたレーザ光ＬＥの強度を、レーザ加工に好適な強度に減衰させる。結像マスク２３は、アッテネータ２２により減衰されたレーザ光ＬＥの断面において、中心部に対して低い強度の周囲の光を遮光し、中心部分の光のみを透過させる。これにより、強度分布がほぼ均一なレーザ光ＬＥを固定ミラー２４に導くことができる。
【００２１】
固定ミラー２４は、結像マスク２３からのレーザ光を偏向させて、固定集光レンズ２５へと導く。固定集光レンズ２５は、レーザ光ＬＥを集光し、レーザ光ＬＥのビーム径を、透明結晶基板１０４を剥離するうえで好ましいサイズにして押圧装置３に導く。
【００２２】
押圧装置３は、円筒形状の筐体３１を備えている。筐体３１の上部には筐体３１の側壁と面一の円盤状の蓋体３２が取り付けられている。蓋体３２は、円形の開口部３２ａを有している。
【００２３】
４軸加工テーブル４は、押圧装置３が載置されるテーブル４１と、上面にテーブル４１が取り付けられた台座４２と、台座４２の左右方向（ｘ方向）の移動を案内するレール４３と、台座４２の前後方向（ｙ方向）の移動を案内するレール４４とを備えている。テーブル４１は台座４２に対して上下方向（ｚ方向）及びθ方向に回転可能に取り付けられている。台座４２は、ｘ，ｙの各々の方向に移動させる２個のモータが取り付けられ、これらのモータからの駆動力を受けて、ｘ，ｙ方向に移動する。また、テーブル４１は、台座４２に対してｚ，θ方向に移動する２個のモータが取り付けられ、これらのモータからの駆動力を受けて、ｚ，θ方向に移動する。
【００２４】
図２は、押圧装置３の２−２断面図を示している。図２に示すように押圧装置３は、図１に示す部材に加えて、ステージ３３、凸部３４、及びシャフト３５を備えている。ステージ３３は、筐体３１の内壁の半径とほぼ同一の半径を有する円盤状の部材から構成され、上下方向に移動可能に配設されている。また、ステージ３３は、底面の中心付近に下側に突出した凸部３３１を備えている。また、ステージ３３の上面には、保持材１０３が載置され、保持材１０３の上面には発光素子１０２が載置され、発光素子１０２の上面には、透明保持材（透過保持材）１０１が載置されている。
【００２５】
発光素子１０２は、透明結晶基板１０４と、透明結晶基板１０４の下面に例えばエキピシタル成長により積層された半導体結晶層１０５とを備えている。凸部３４は、筐体３１の底面の中心に配設されている。シャフト３５は、凸部３４に立設され、上部にステージ３３が取り付けられている。なお、ステージ３３は、図略のモータが取り付けられ、このモータの駆動力を受けて、上下方向にスライドする。更に、このモータには、ステージ３３が上方向又は下方向にスライドされるようにモータを駆動させるスイッチが取り付けられている。そして、このモータは、スイッチが上方向側に設定されると、ステージ３３を上方向にスライドさせ、スイッチが下方向側に設定されると、ステージ３３を下方向にスライドさせ、スイッチがオフに設定されると、ステージ３３の移動を停止させる。
【００２６】
実施の形態１では、透明結晶基板１０４として、サファイアが採用されている。また、半導体結晶層１０５として、ＩＩＩ族窒化物半導体であるＡｌｘＩｎｙＧａｚＢｕＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＝１：０≦ｘ，ｙ，ｚ，ｕ≦１）系の材料を採用することができ、実施の形態１では、ＧａＮが採用されている。
【００２７】
透明保持材１０１としては、紫外波長のレーザ光を透過する材質が好ましく、実施の形態１では、溶融石英が採用されている。また、保持材１０３としては、押圧時に半導体結晶層１０５の破損を防止することができる強度の材料が好ましく、本実施の形態ではガラスが採用されている。
【００２８】
蓋体３２は、上部が内側に鍔状に突出した鍔部３２１を備え、鍔部３２１の底面は、透明保持材１０１の上面に当接している。従って、ステージ３３が矢印Ａで示す上方にスライドすると、透明保持材１０１は、鍔部３２１によって下方に押圧され、保持材１０３は、ステージ３３によって上方に押圧され、発光素子１０２は挟持され、半導体結晶層１０５には、半導体結晶層１０５と透明結晶基板１０４との界面Ｓ１に直交する方向に圧力が加えられる。
【００２９】
そして、半導体結晶層１０５に界面Ｓ１と直交する方向に圧力を加えた状態で、４ｍｍＪ／ｍｍ２のレーザ光を透明保持材１０１側から下方に向けて照射する。具体的には、図１に示す台座４２をｘ方向及びｙ方向に移動させ、透明結晶基板１０４の全域にレーザ光ＬＥを走査させる。すると、レーザ光ＬＥの照射によって、界面Ｓ１における半導体結晶層１０５が分解され、この分解によってＮ２ガス（２ＧａＮ→２Ｇａ＋Ｎ２）が発生し、このＮ２ガスの影響により界面Ｓ１と直交する方向にせん断応力が伝播する。しかしながら、実施の形態１では、半導体結晶層１０５に界面Ｓ１と直交する方向に圧力を加えているため、このせん断応力が緩和され、半導体結晶層１０５から透明結晶基板１０４を剥離する際に生じるクラックを低減することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態で用いた押圧装置３は一例にすぎず、発光素子１０２に対して界面Ｓ１と直交する方向に圧力を加えつつ、レーザ発光装置１から出力されたレーザ光ＬＥを発光素子１０２に照射することができる装置であれば、他の装置を用いてもよい。
【００３１】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２による発光素子の製造方法に使用される押圧装置３ａの断面図を示している。実施の形態２による発光素子の製造方法は、鍔部３２１が弾性体３６を介して、透明保持材１０１を下方に押圧することを特徴とする。なお、実施の形態２において、実施の形態１と同一のものは同一の符号を付し、説明を省略する。弾性体３６としては、シリコーンゴムを採用することができる。
【００３２】
そして、ステージ３３を上方にスライドさせると、透明保持材１０１は、鍔部３２１によって弾性体３６を介して下方向に押圧され、半導体結晶層１０５は界面Ｓ１に直交する方向に圧力が加えられる。この状態で、実施の形態１と同様にして透明保持材１０１側から１０ｍＪ／ｍｍ２のレーザ光ＬＥを照射する。すると、界面Ｓ１においてレーザ光ＬＥによる衝撃が弾性体３６により吸収されると共に、弾性体３６が下方向に押圧されているため、界面Ｓ１と直交する方向に伝播するせん断応力が緩和され、クラックの発生を低減させることができる。
【００３３】
以上説明したように、実施の形態２による発光素子の製造方法によれば、鍔部３２１は、弾性体３６を介して、透明保持材１０１を押圧するため、透明結晶基板１０４の剥離時に界面Ｓ１でのレーザ光ＬＥによる衝撃が弾性体３６により吸収され、界面Ｓ１にて発生するクラックを低減させることができる。
【００３４】
（実施の形態３）
実施の形態３による発光素子の製造方法は、酸性水溶液中で、透明結晶基板１０４を剥離することを特徴とする。図４は、本発明の実施の形態３による発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）は発光素子１０２が剥離される前を示し、（ｂ）は発光素子１０２が剥離された後を示している。なお、実施の形態１，２と同一のものは、同一の符号を付し、説明を省略する。
【００３５】
筐体３１の内部のステージ３３の上部の空間Ｘには、レーザ光ＬＥの照射によって界面Ｓ１において発生する金属を溶かす酸性水溶液Ｗが収容されている。酸性水溶液Ｗとしては、所定濃度（例えば１０％）、塩酸溶液を用いることができる。ゴム栓３７は、筐体３１の内壁側の直径とほぼ同じ直径を有するドーナツ形状を有している。そして、ゴム栓３７は、鍔部３２１の底面と当接するように筐体３１の内壁に取り付けられている。透明保持材１０１は、ゴム栓３７の内側の空洞部に嵌め込まれている。これにより、酸性水溶液Ｗが空間Ｘの外部に漏れ出すことが防止されている。なお、ステージ３３の側面と筐体３１の内壁との境界に、酸性水溶液Ｗがステージ３３の下側に漏れ出すことを防止するための部材（図略）を取り付けてもよい。
【００３６】
以上の構成により、ステージ３３の上面に配設された保持材１０３と発光素子１０２とは、酸性水溶液Ｗに浸されることになる。そして、ステージ３３を上方にスライドさせて、発光素子１０２を、透明保持材１０１と保持材１０３とで押圧し、透明保持材の上側から、レーザ光ＬＥを照射する。このとき、保持材１０３とステージ３３とは、押圧によって真空吸着する。なお、ステージ３３は、圧着されることで保持材１０３と真空密着するように表面加工が施されている。そして、図１に示す台座４２をＸ方向及びＹ方向に移動させ、レーザ光ＬＥを透明結晶基板１０４の全域に亘って走査する。
【００３７】
透明結晶基板１０４の全域へのレーザ光ＬＥの照射が終了すると、図４（ｂ）に示すように、押圧装置３ｂの上下を反対にし、ステージ３３を上方にスライドさせる。すると、保持材１０３とステージ３３とが真空吸着されており、保持材１０３と半導体結晶層１０５とが圧着されているため、保持材１０３と半導体結晶層１０５とはステージ３３にくっついて上方に移動し、半導体結晶層１０５から透明結晶基板１０４が剥離される。
【００３８】
このとき、半導体結晶層１０５の界面Ｓ１は酸性水溶液Ｗで満たされているため、レーザ光ＬＥの照射によって界面Ｓ１において発生した金属（この場合、Ｇａ）は、Ｇａ＋２ＨＣｌ→ＧａＣｌ２＋Ｈ２の化学反応を起こして除去される。ここで、界面Ｓ１において発生したＧａを除去するのは、Ｇａが存在すると発光素子１０２の発光特性が劣化するからである。
【００３９】
また、酸性水溶液前項の実施例で、酸性水溶液Ｗの温度として、半導体結晶層１０５の界面Ｓ１で発生する金属の融点以上の温度を採用することが好ましい。これにより、金属の融解が促進され、半導体結晶層１０５から透明結晶基板１０４の剥離をより容易にすることができる。実施の形態３では、界面Ｓ１に金属としてＧａが発生し、Ｇａの融点は３０度であるため、酸性水溶液Ｗの温度を３０度以上にすることが好ましい。また、界面Ｓ１に発生する金属の融解が促進されると、透明結晶基板１０４を剥離する際に界面Ｓ１で生じる摩擦が低減し、クラックの発生を抑制することができる。
【００４０】
以上説明したように、実施の形態３による発光素子の製造方法によれば、発光素子１０２を酸性水溶液Ｗに浸した状態で、発光素子１０２に界面Ｓ１に直交する方向に圧力を加え、レーザ光ＬＥを照射しているため、界面Ｓ１において生じる金属が酸性水溶液Ｗによって融解され、クラックの発生を抑制することができる。
【００４１】
なお、実施の形態３においては、酸性水溶液Ｗとして、ＨＣｌを採用したが塩酸以外にもリン酸、硝酸、シュウ酸等を採用いてもよい。また、実施の形態３において、実施の形態２に示す弾性体３６を用いて、半導体結晶層１０５に圧力を加えても良い。また、本発明により製造された発光素子は、有機ＥＬ、発光ダイオード、レーザダイオード等の発光素子に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施の形態１による発光素子の製造方法に用いられる製造装置の外観構成を概略的に示した図である。
【図２】押圧装置３の２−２断面図を示している。
【図３】実施の形態２による発光素子の製造方法に使用される押圧装置３ａの断面図を示している。
【図４】本発明の実施の形態３による発光素子の製造方法を示す図であり、（ａ）は剥離前を示し、（ｂ）は剥離後を示している。
【符号の説明】
【００４３】
１  レーザ発光装置
２  導光部
３，３ａ，３ｂ  押圧装置
４  軸加工テーブル
２１  台座
２２  アッテネータ
２３  結像マスク
２４  固定ミラー
２５  固定集光レンズ
３１  筐体
３２  蓋体
３３  ステージ
３２ａ  開口部
３４  凸部
３５  シャフト
３６  弾性体
３７  ゴム栓
４１  テーブル
４２  台座
４３  レール
４４  レール
１０１  透明保持材
１０２  発光素子
１０３  保持材
１０４  透明結晶基板
１０５  半導体結晶層
３２１  鍔部
３３１  凸部
ＬＥ  レーザ光
Ｓ１  界面
Ｗ  酸性水溶液
Ｘ  空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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