(57)【要約】【課題】サファイア基板の表面に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を剥離するためのレーザリフトオフ処理において、ワークの温度が多少上昇したとしても、レーザリフトオフ装置内で、レーザリフトオフ後のサファイア基板がＧａＮ層から、完全に剥がれてしまうことがないようにすること。【解決手段】レーザ光をＧａＮ結晶層の一部に複数回（２回以上）照射する。詳しくは、レーザ光を１回照射してＧａＮ層のサファイア基板との界面がガリウム（Ｇａ）となったところに、再度サファイア基板越しにレーザ光を照射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サファイア基板上に窒化ガリウム系結晶層が構成されてなるワークに対し、前記基板を通してレーザ光を照射して、前記基板と前記結晶層とを剥離する剥離工程と、
前記剥離工程により剥離した前記結晶層に、再度前記基板を介してレーザ光を照射し、前記基板と前記結晶層とを接着する接着工程とを備えることを特徴とするサファイア基板と窒化ガリウム系結晶層の接着方法。
【請求項２】
請求項1に記載のサファイア基板と窒化ガリウム系結晶層の接着方法により、サファイア基板と窒化ガリウム系結晶層とが部分的に接着されていることを特徴とするワーク。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体により形成される半導体発光素子の製造プロセスにおいて、透明基板上に形成された結晶層にレーザ光を照射することによって、結晶層を分解して基板から剥離する（以下、レーザリフトオフという）技術に関する。
特に、レーザリフトオフ後の基板と結晶層を接着する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体により形成される半導体発光素子の製造プロセスにおいて、サファイア基板の表面に形成されたＧａＮ系化合物結晶層（以下ＧａＮ層ともいう）を、当該サファイア基板を介してレーザ光を照射することにより剥離するレーザリフトオフの技術が知られている。以下では、基板上に形成された結晶層に対してレーザ光を照射して基板から結晶層を剥離することをレーザリフトオフと呼ぶ。
【０００３】
例えば、特許文献１においては、サファイア基板の表面にＧａＮ層を構成し、当該サファイア基板の裏面から当該基板を介してレーザ光を照射することにより、ＧａＮ層を形成するＧａＮが分解し、当該ＧａＮ層をサファイア基板から剥離する技術について記載されている。以下ではサファイア基板上にＧａＮ層が形成されたものをワークと呼ぶ。
【０００４】
実際には、レーザリフトオフは次のような工程を備える。
表面にＧａＮ層が形成されたサファイア基板に対し、サファイア基板の裏面からサファイア基板を介してＧａＮ層に対し、ＧａＮを分解するために必要な分解閾値以上の照射エネルギーのレーザ光を照射する。
レーザ光の照射により、サファイア基板との界面のＧａＮが分解し、ガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ２）とに分解する。Ｎ２は大気中に放出されて、サファイア基板とGａＮ層との界面にはＧａが残る。
【０００５】
この段階ではサファイア基板とＧａＮ層とは剥がれない。両者の界面に残ったＧａが、レーザ光照射後に冷えて固まり、サファイア基板とＧａＮ層とを接着する役目を果たすからである。
Ｇａの融点は約３０℃である。そこで、レーザ光照射後のワークを電気炉などにより３０℃をやや超える程度に暖めて、サファイア基板とＧａＮ層とを剥離する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００１−５０１７７８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ワークにレーザ光を照射しただけではサファイア基板とＧａＮ層とが剥離しないことは、レーザリフトオフの工程において利点である。その理由を以下に示す。
レーザリフトオフを行う装置は、通常、ワークよりも小面積の照射領域のレーザ光を、ワークを移動させながらワーク全体に照射していく。そのため、レーザ光の照射のみでサファイア基板とＧａＮ層とが完全に剥がれてしまうと、サファイア基板がレーザリフトオフ処理中のワーク移動時などに装置内に転げ落ち、場合によってはサファイア基板の破損といった不具合の原因となる。
【０００８】
特に、ワークの結晶層のほとんどの部分にレーザ光が照射され、一部のレーザ光未照射部分のみでサファイア基板とＧａＮ層とが接合している状態において、未照射部分にレーザ光を照射するためにワークが移動すると、慣性によりサファイア基板がレーザ光未照射部分のＧａＮ層を無理やり引き剥がして装置内に落下し、製品の不具合を引き起こすことも考えられる。
Ｇａがサファイア基板とＧａＮ層とを接着していれば、レーザリフトオフ装置内で上記のような問題が生じることはない。
【０００９】
しかし、これには次のような問題がある。
上記したようにＧａの融点は約３０℃である。これに対してレーザリフトオフ装置が設置される工場のクリーンルームの雰囲気温度は、２０℃〜２５℃程度である。
また、装置内はワークを移動させるためのワークステージ駆動用モータ等からの発熱により、装置外の温度より１℃〜２℃程度温度が高くなる。さらに、ワークの温度は、レーザリフトオフのためのレーザ照射により３℃〜５℃程度上昇する。
【００１０】
これらの要因により、レーザリフトオフ装置内のワークの温度が、レーザ光照射中にＧａの融点を超え、レーザリフトオフ後のサファイア基板がＧａＮ層から剥がれてしまうことがある。
また、レーザリフトオフ後にサファイア基板とＧａＮ層とが完全に剥離してしまっては、レーザリフトオフ処理済のワークをレーザリフトオフ装置から搬出するにおいて、サファイア基板またはＧａＮ層が装置内に落下するのを防ぐために、ハンドリング装置に落下防止機構を取り付ける必要がある。そのため、ハンドリング装置が大型化複雑化する。
【００１１】
以上より、本発明は、サファイア基板の表面に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を剥離するためのレーザリフトオフ処理において、ワークの温度が多少上昇したとしても、レーザリフトオフ装置内で、レーザリフトオフ後のサファイア基板がＧａＮ層から、完全に剥がれてしまうことがないようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため本発明は、レーザ光をＧａＮ結晶層の一部に複数回（２回以上）照射する。詳しくは、レーザ光を１回照射してＧａＮ層のサファイア基板との界面がＧａとなったところに、再度サファイア基板越しにレーザ光を照射する。
われわれは、このような複数回のレーザ光照射を行ったＧａＮ層のサファイア基板との界面の部分は、融点がＧａの融点よりも高くなることを見出した。
例えば、２回のレーザ光照射を行った部分の融点は約６０℃になり、３回のレーザ光照射では融点は約９０℃になった。即ち、レーザを複数回照射した部分において、Ｇａの融点（３０℃）よりも高い融点でサファイア基板とＧａＮ層が接着される。
【００１３】
したがって、このようなレーザ光を複数回照射し融点を高くした部分を、ワーク内に何ヶ所か形成すれば、ワークの温度が３０℃以上になっても、この部分でサファイア基板はＧａＮ層と接着された状態が維持され剥がれない。これにより、ワークが移動しても、サファイア基板がＧａＮ層から完全に剥がれてしまう（外れてしまう）ことはない。
サファイア基板とＧａＮ層とを完全に剥離するためには、ワーク全体を電気炉などに入れて、例えば６０℃や９０℃に暖めればよい。６０℃〜９０℃程度であればワーク全体を加熱しても、結晶層などに不具合が生じることはない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザリフトオフ装置内でワークの温度が多少上昇し３０℃以上になったとしても、サファイア基板がＧａＮ層から完全に剥がれてしまうことがない。
これにより、レーザ光照射中に、サファイア基板が装置内に落下して破損するといった不具合を防ぐことができる。
また、レーザリフトオフ装置からワークを搬出するハンドリング装置に、サファイア基板の落下防止機構を取り付ける必要がなく、ハンドリング装置が大型化複雑化するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るレーザリフトオフ装置の概念図を示す図である。
【図２】本発明の、レーザ光をワークに照射する手順を示す図（その１）である。
【図３】本発明の、レーザ光をワークに照射する手順を示す図（その２）である。
【図４】本発明の、レーザ光をワークに照射する手順を示す図（その３）である。
【図５】本発明の、第２の実施例のレーザ光をワークに照射する手順を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１に、本発明に係るレーザリフトオフ装置の概念図を示す。
同図において、レーザリフトオフ装置１０は、パルスレーザ光を発生するレーザ源２０と、レーザ光を所定の形状に成形するためのレーザ光学系４０と、ワークＷが載置されるワークステージ３１と、ワークステージ３１を移動するワークステージ移動機構３２と、レーザ源２０で発生するレーザ光Ｌの照射エネルギーや照射間隔およびワークステージ移動機構３２の動作などを制御する制御部５０とを備えている。
【００１７】
レーザ光学系４０は、シリンドリカルレンズ４１、４２と、レーザ光ＬをワークＷの方向へ反射するミラー４３と、レーザ光Ｌを所定の形状に成形するためのマスク４４と、マスク４４を通過したレーザ光Ｌの像をワークＷ上に投影する投影レンズ４５とを備えている。
ワークＷへのレーザ光Ｌの照射領域の面積および形状は、レーザ光学系４０によって適宜設定することができる。
レーザ光学系４０の先にはワークＷを載置するワークステージ３１が設けられている。ワークステージ３１はワークステージ移動機構３２によりＸＹ方向（図面左右手前奥方向）に移動する。
【００１８】
ワークＷは、サファイアの基板の表面に、窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物の結晶層が構成されたものである。
基板は、ＧａＮ系化合物の結晶層を良好に形成することができ、且つ、ＧａＮ系化合物結晶層を分解するために必要な波長のレーザ光を透過するものであれば良いが、サファイア基板が一般的に使用される。
結晶層には、低い入力エネルギーによって高出力の青色光あるいは紫外光を効率良く出力するＧａＮ系化合物が用いられる。
【００１９】
レーザ光Lは、基板および基板から剥離する結晶層を構成する物質に対応して選択する。サファイアの基板からＧａＮ系化合物の結晶層を剥離する場合には、例えば波長２４８ｎｍを放射するクリプトンフッ素（ＫｒＦ）エキシマレーザを用いることができる。
レーザ源２０で発生したレーザ光Ｌは、シリンドリカルレンズ４１、４２、ミラー４３、マスク４４を通過した後に、投影レンズ４５によってワークW上に投影される。レーザ光Ｌは基板を通過して基板と結晶層の界面に照射される。基板と結晶層の界面では、レーザ光Ｌが照射されることにより、結晶層の基板との界面付近のＧａＮがガリウム（Ｇａ）と窒素（Ｎ２）とに分解する。
【００２０】
続いて、本発明の手順について図１、図２、図3、図4を用いて説明する。
図２から図4は、レーザ光ＬをワークWに照射する手順を示す。なお、図２から図4に示すワークW上の実線は、レーザ光の照射領域を仮想的に示すものである。
ワークステージ３１上のワークWは、ワークステージ移動機構３２によって図２に示す矢印ＨＡ、ＨＢ、ＨＣの方向に順番に搬送される。レーザ光Ｌはサファイアの基板１の裏面から照射され、基板１と結晶層２の界面に照射される。レーザ光Ｌの形状は略方形状に成形される。
【００２１】
図２（Ａ）に示すように、ワークWを同図のＨＡ方向に搬送させながら、レーザ光Lが、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６の６つの照射領域に対して順番に、ＧａＮを分解するために必要な分解閾値以上の照射エネルギーで照射される。
レーザ光Lが照射されたワークWの部分のサファイア基板とＧａＮ層の界面は、ＧａとＮ２とに分解する。従来は、このようにして順次Ｓ３６までレーザ照射を行っていた。
しかし、本発明においては、図２（Ｂ）に示すように、ワークWの半分程度の領域に対して（例えばＳ１８まで）レーザ照射が終わったら、一旦ワークＷの位置を戻し、例えばＳ１２やＳ７の領域に再度レーザ光Ｌを照射する。図２（Ｂ）において、レーザ照射を２度行った部分をハッチングで示している。
【００２２】
このようなレーザ光Ｌを「二度打ち」したＳ７やＳ１２の部分では、サファイア基板とＧａＮ層の界面の融点が、Ｇａの融点（約３０℃）よりも上昇し約６０℃になる。その理由ははっきりとはわかっていないが、１回目の照射により生じたＳ１２やＳ７の領域のガリウム（Ｇａ）が、２回目のレーザ照射により、サファイア基板中のアルミニウムと合金を形成し融点が高くなっているのではないかとも考えられる。
なお、１回のレーザ照射で２回分の照射エネルギーをワークに与えたとしても、照射した部分の融点は上昇しない。１回目のレーザ照射によりＧａＮ層が分解して界面にＧａが形成されてから、２回目のレーザ照射を行うことにより融点が上昇する。
【００２３】
即ち、１回目のレーザ照射と２回目のレーザ照射は、間隔を設けて照射する必要がある。その間隔は１００μ秒程度以上であれば問題ない。
このようにレーザ光Ｌをワークに対して複数回照射し、部分的に融点を高くしてサファイア基板とＧａＮ層とを再接着することを「仮止め」と呼ぶ。この「仮止め」により、レーザリフトオフ装置内でワークの温度が３０℃以上になったとしても（６０℃にならばければ）、サファイア基板がＧａＮ層から剥がれることはない。
【００２４】
このようなレーザ光の「二度打ち」が終わったら、図３（Ｃ）に示すように、ワークＷを移動して、Ｓ１９から残りの領域にレーザ光Ｌを照射していく。レーザ照射が最後の（例えばＳ３１からＳ３６の領域を照射する段階）段階になり、レーザ光Ｌを照射していない領域が残り少なくなっても、サファイア基板はＳ７やＳ１２の部分でＧａＮ層と「仮止め」がなされている。そのため、ワークＷの温度が３０℃以上になったとしても、サファイア基板がＧａＮ層から外れることはない。
【００２５】
なお、Ｓ３１からＳ３６の領域にレーザ光Ｌを照射するためにワークＷを移動させる際、Ｓ７とＳ１２の２ヶ所のみの「仮止め」ではサファイア基板とＧａＮ層との接着強度が不足であると考えられる場合は、図３（Ｄ）に示すように、例えばＳ３０までレーザ照射を終えた段階で、Ｓ３０とＳ２５に「二度打ち」を行って「仮止め」の個所を増やし、接着強度増せばよい。
そして、その後図４（Ｅ）に示すように、Ｓ３６からＳ３１のレーザ照射を行う。
このように、ワークＷに対して部分的に何ヶ所か複数回レーザ光Ｌを照射することにより、サファイア基板とＧａＮ層とを、Ｇａの融点（３０℃）よりも高い融点で「仮止め」することができ、レーザリフトオフ装置内でサファイア基板がＧａＮ層から外れてしまうのを防ぐことができる。
【００２６】
また、ワークＷのサファイア基板とＧａＮ層との「仮止め」は、次のような手順でも行うことができる。
図５に、本発明の、第２の実施例のレーザ光ＬをワークＷに照射する手順を示す
図５（Ａ）に示すように、まず、「仮止め」を行いたい個所（例えば、Ｓ７，Ｓ１２，Ｓ２５，Ｓ３０）にレーザ光Ｌを照射する。この領域のＧａＮが分解し、サファイア基板との界面にはＧａが生じる。
そうしておいて、図５（Ｂ）に示すように、レーザ光をＳ１から順番にＳ３６まで、先ほど照射したＳ７，Ｓ１２，Ｓ２５，Ｓ３０も飛び越さずに照射する。そうすると、Ｓ７，Ｓ１２，Ｓ２５，Ｓ３０以外の領域は、ＧａＮが分解しＧａになる。しかし、先立ってレーザを照射したＳ７，Ｓ１２，Ｓ２５，Ｓ３０の領域は「二度打ち」になり融点が上昇する。即ちサファイア基板とＧａＮ層は「仮止め」されていくことになる。
【００２７】
したがって、Ｓ１からＳ３６まで順次レーザ光Ｌを照射している時に、サファイア基板がＧａＮ層から外れてしまうのを防ぐことができる。
なお、「仮止め」を行ったワークＷの部分は、製品として使用できなくなる。したがって、「仮止め」を行う個所は、ワークＷの、もともと製品として使用しない（言い換えれば破棄される）部分、例えば、隣り合う製品の間の部分（スクライブライン）や、ワークの周縁部分などを利用することが望ましい。
【００２８】
なお、上記実施例では、「仮止め」のためにレーザ照射を２回行う場合について説明したが、３回以上のレーザ照射を行っても良い。レーザ照射を３回行うと、その部分の融点は約９０℃になる。
【符号の説明】
【００２９】
１０        レーザリフトオフ装置
２０        レーザ源
３１        ワークステージ
３２        ワークステージ移動機構
４０        レーザ光学系
４１、４２  シリンドリカルレンズ
４３        ミラー
４４        マスク
４５        投影レンズ
５０        制御部
Ｌ          レーザ光
Ｗ          ワーク
【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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