(57)【要約】【課題】チップ形状を安定化でき、かつ、発光効率にも優れた窒化物半導体発光素子の製造方法を提供する。【解決手段】  発光部を有するIII族窒化物半導体層３が、透明基板であるサファイアウエハ２０上に成長される。５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長のレーザ光が、III族窒化物半導体層３の内部に集光され、このIII族窒化物半導体層３の内部に加工領域３５が形成される。この加工領域３５から亀裂を発生させて、III族窒化物半導体層３および透明基板３５が個別素子２１毎に分割され、複数のＬＥＤチップ１が得られる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光部を有するIII族窒化物半導体層を、前記発光部の発光波長に対して透明な透明基板上に成長させる工程と、
５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長のレーザ光を前記III族窒化物半導体層の内部に集光させて当該III族窒化物半導体層の内部に加工領域を形成する工程と、
前記加工領域から亀裂を発生させて、前記III族窒化物半導体層および透明基板を分割する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記分割工程の前に、前記透明基板の前記III族窒化物半導体層とは反対側の表面において前記加工領域に対応する位置に機械的加工による分割ガイド溝を形成する工程をさらに含む、請求項１記載の窒化物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】
この発明は、III族窒化物半導体を用いた窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。III族窒化物半導体とは、III-Ｖ族半導体においてＶ族元素として窒素を用いた半導体であり、その代表例は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）である。一般には、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）と表わすことができる。
【背景技術】
【０００２】
サファイア基板上にIII族窒化物半導体層を成長させた構成の半導体発光素子が知られている。青色系の発光ダイオードや半導体レーザがその典型例である。III族窒化物半導体層は、たとえば、サファイア基板側から、ｎ型ＧａＮ層、活性層（発光層）およびｐ型ＧａＮ層を積層した積層構造を有している。この構成により、活性層で電子および正孔が再結合して発光が生じる。
【０００３】
フリップチップ型の発光素子は、III族窒化物半導体層側にｎ側電極およびｐ側電極が設けられ、これらが回路基板にフリップチップ接合される。この場合、発光層から生じた光は、サファイア基板を透過して観測されることになる。
製造工程では、サファイアウエハ上にIII族窒化物半導体層が成長させられ、その後、ウエハが個別素子に分割される。サファイアとIII族窒化物半導体では、格子不整合のために、劈開方向が異なる。そのため、スクライブ傷を入れてブレークを行う手法では、サファイアウエハとIII族窒化物半導体層とで割れ易さが異なるので、チップ形状が安定しない。
【特許文献１】特開平１１−１７７１３７号公報
【特許文献２】特開２００４−２６８３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記の問題を解決するために、波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ等を用いたレーザ加工を適用してサファイアウエハを分割することが考えられる（たとえば特許文献１）。しかし、分割を良好に行うために、深い分解ガイド溝をレーザ加工によって形成しようとすると、レーザ光の吸収により生じる熱が素子特性に悪影響を与えるおそれがある。また、サファイアウエハの表面に溝が形成されるときに、基板材料が加熱されてデブリ（ゴミ）として周辺に飛散するので、基板の表面を汚染する。さらにまた、レーザ光を吸収した部分に変色が生じる。これらの問題のために、ＹＡＧレーザ等を用いたレーザ加工を用いた基板分割手法を採用すると、発光素子の発光効率が悪くなるという問題があった。
【０００５】
一方、特許文献２の先行技術では、サファイアウエハの表面に分割ガイド溝を形成するのではなく、サファイアウエハの内部に多光子吸収による加工領域を形成し、この加工領域を起点としてサファイアウエハを分割している。しかし、この場合でも、加工領域の変色に伴う発光効率（光取り出し効率）の低下は免れない。しかも、サファイアを加工できる波長のレーザで加工すると、サファイア／III族窒化物半導体（たとえばＧａＮ）の界面で吸収が起こり、発光効率の低下を招く。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、チップ形状を安定化でき、かつ、発光効率にも優れた窒化物半導体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】
【０００７】
上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、発光部を有するIII族窒化物半導体層を、前記発光部の発光波長に対して透明な透明基板上に成長させる工程と、５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長のレーザ光を前記III族窒化物半導体層の内部に集光させて当該III族窒化物半導体層の内部に加工領域を形成する工程と、前記加工領域から亀裂を発生させて、前記III族窒化物半導体層および透明基板を分割する工程とを含む、窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【０００８】
５００ｎｍ〜７００ｎｍの波長のレーザ光は、サファイア基板やＳｉＣ基板などの透明基板で吸収が生じず、また、III族窒化物半導体でも吸収が生じない。すなわち、この波長域は、透明基板およびIII族窒化物半導体のバンドギャップに相当する波長よりも大きい。ところが、レーザ光を集光させた集光点（焦点位置）では、レーザ光のエネルギー密度が高いため、いわゆる多光子吸収が生じる。すなわち、光子の入射によって基底準位から仮想準位まで励起された材料は、或る時定数内に別の光子が入射されることによって、励起準位へと励起され、これによって、光の吸収が生じる。したがって、エネルギー密度の高い集光点でのみレーザ光を吸収させることができる。
【０００９】
この発明の方法では、III族窒化物半導体層の内部に波長５００ｎｍ〜７００ｎｍのレーザ光を集光させ、その集光点で多光子吸収を生じさせることにより、III族窒化物半導体層の内部に加工領域（改質領域）が形成される。集光点以外ではレーザ光の吸収が実質的に生じないので、透明基板に変色が生じることがない。また、基板表面から深く分割ガイド溝を形成するわけではなく、III族窒化物半導体層内部の集光点でレーザ光の吸収が生じるにすぎない。そのため、基板全体が過熱することも、基板材料の変質・飛散によるデブリが生じることもない。したがって、レーザ光での加工によってIII族窒化物半導体層の特性が大きく損なわれることはなく、かつ、III族窒化物半導体層の発光部から生じた光は、高効率で外部に取り出すことができる。このようにして、発光効率のよい窒化物半導体発光素子を提供できる。
【００１０】
また、III族窒化物半導体層の内部に加工領域を形成しているので、基板の分割を良好に行うことができ、基板表面から深い分割ガイド溝を形成する場合と同等程度に分割個片（チップ）の形状を安定化させることができる。
請求項２記載の発明は、前記分割工程の前に、前記透明基板の前記III族窒化物半導体層とは反対側の表面において前記加工領域に対応する位置に機械的加工による分割ガイド溝を形成する工程をさらに含む、請求項１記載の窒化物半導体発光素子の製造方法である。
【００１１】
この方法によれば、透明基板の表面に機械的加工による分割ガイド溝が形成され、その後に、基板の分割が行われる。これにより、分割個片の形状をさらに安定化させることができる。
前記分割ガイド溝の形成は、レーザ光によって加工領域を形成する前に行われてもよいし、レーザ光による加工領域の形成後に行われてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、窒化物半導体発光素子の一例であるフリップチップ型ＬＥＤ（発光ダイオード）チップの実装例を示す図解的な断面図である。ＬＥＤチップ１は、透明基板としてのサファイア基板２の一主面にIII族窒化物半導体層３からなる発光ダイオード構造を形成したものである。III族窒化物半導体層３の表面には、ｐ側電極４およびｎ側電極５が形成されている。これらのｐ側電極４およびｎ側電極５が実装基板６に対してフリップチップボンディングされるようになっている。すなわち、実装基板６上に形成された導体パターン（図示せず）に対して電極４，５が半田等のロウ材を用いて接合される。III族窒化物半導体層３から発生した光は、サファイア基板２を透過して外部へと放射される。
【００１３】
図２は、ＬＥＤチップ１のより詳細な構成を説明するための図解的な断面図である。III族窒化物半導体層３は、サファイア基板２の一主面にIII族窒化物半導体をエピタキシャル成長させて形成される。III族窒化物半導体層３は、たとえば、サファイア基板２側から順に、ｎ型ＧａＮバッファ層１１（たとえば４μｍ）、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２（たとえば１μｍ〜１０μｍ）、発光層１３（活性層）およびｐ型ＧａＮコンタクト層１４たとえば０．２μｍ〜１μｍ）を積層して構成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１４の表面に、ｐ側電極４が形成されている。また、III族窒化物半導体層３の一部は、ｎ型ＧａＮコンタクト層１２が露出するまでエッチングされて凹部１５が形成されている。そのｎ型ＧａＮコンタクト層１２の露出部に接合するようにｎ側電極５が形成されている。発光層１３は、たとえば、ＩｎＧａＮ層（たとえば１ｎｍ〜３ｎｍ）からなる量子井戸層とノンドープＧａＮ層（たとえば１０ｎｍ〜２０ｎｍ）からなるバリア層とを交互に繰り返し（たとえば３〜８周期）形成した多重量子井戸構造（ＭＱＷ：multiple-quantum well。たとえば全体で０．０５μｍ〜０．３μｍの厚さ）を有するものであってもよい。
【００１４】
このような構成により、ｐ側電極４およびｎ側電極５間に順方向電圧を印加すると、発光層１３において電子および正孔が再結合し、発光が生じる。
発光層１３は、青色等の可視光域の波長の光を発生するものである。そして、サファイア基板２は、発光層１３の発光波長（たとえば可視光域の波長）に対して透明な基板である。したがって、発光層１３で生じた光は、サファイア基板２を透過して観測され得る。
【００１５】
図３は、ＬＥＤチップ１の製造工程で用いられるサファイアウエハの図解的な斜視図である。サファイア基板２の元となるサファイアウエハ２０上に、個々のＬＥＤチップ１に対応する個別素子２１が複数個一括形成される。すなわち、サファイアウエハ２０の表面にIII族窒化物半導体層３がエピタキシャル成長させられる。そして、各個別素子２１の領域において、ｎ型コンタクト層１４を露出させるための凹部１５が形成される。その後、ｐ型コンタクト層１４に接合するｐ側電極４と、ｎ型コンタクト層１２に接合するｎ側電極５とが形成される。こうして複数個の個別素子２１がサファイアウエハ２０上に形成される。
【００１６】
次に、個別素子２１間の境界線である切断予定ライン２５に沿ってサファイアウエハ２０を分割するための分割工程が行われる。
図４は、分割工程を説明するための図解図である。切断予定ライン２５に沿って、レーザ光で加工するレーザ加工工程（図４(a)）と、外力を与えてIII族窒化物半導体層３を担持したサファイアウエハ２０をブレークする工程（図４(b)）とを含む。
【００１７】
図４(a)に示すレーザ加工工程では、III族窒化物半導体層３が形成されたサファイアウエハ２０に向けて、レーザ加工機によってレーザ光が照射される。
詳細な構成の図示は省略するが、レーザ加工機は、レーザ光発生ユニットと、このレーザ光発生ユニットからのレーザ光をIII族窒化物半導体層３内で集光させる集光レンズ３０と、サファイアウエハ２０を担持するＸＹステージ機構とを備えている。レーザ光発生ユニットは、たとえば、ＹＡＧレーザやエキシマレーザなどのレーザ光源と、このレーザ光源が発するレーザ光を平行光に変換する光学系とを備えている。
【００１８】
集光レンズ３０は、レーザ光発生ユニットからの平行レーザ光を集光する。集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との関係は、集光レンズ３０の焦点位置（集光点）がIII族窒化物半導体層３内、より好ましくは、サファイアウエハ２０に最も近接した層であるｎ型バッファ層１１内に位置するように調整される。この調整は、集光レンズ３０の焦点距離の調整によって行ってもよいし、集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との距離の調整によって行ってもよい。集光レンズ３０とサファイアウエハ２０との距離の調整は、集光レンズ３０をＸＹステージ機構のステージに対して接近／離反させて行ってもよいし、ＸＹステージ機構のステージを集光レンズ３０に対して接近／離反させて行ってもよい。
【００１９】
ＸＹステージ機構は、集光レンズ３０に対向する位置でサファイアウエハ２０を担持するステージと、このステージをＸ方向およびこれに直交するＹ方向に沿って２次元移動させるステージ移動機構とを備えている。Ｘ方向およびＹ方向は、たとえば、いずれも水平面に沿う方向である。ＸＹステージ機構は、必要に応じて、集光レンズ３０に接近／離反する方向であるＺ方向（たとえば上下方向）に沿ってステージを移動させる機構をさらに備えていてもよい。
【００２０】
レーザ光発生ユニットは、５００ｎｍ〜７００ｎｍ（より具体的には５３２ｎｍ。第２高調波ＹＡＧ）の波長のレーザ光を発生する。また、レーザ光発生ユニットは、III族窒化物半導体層３またはサファイアウエハ２０において、集光レンズ３０の焦点位置近傍以外ではレーザ光の吸収が生じず、焦点位置において多光子吸収が生じる強度でレーザ光を発生させる。
【００２１】
より具体的には、集光レンズ３０の焦点位置におけるレーザ光のエネルギー密度が、５．０×１０９Ｗ／cm２〜２．０×１０１０Ｗ／cm２の範囲となるようにレーザ光発生ユニットの出力を調整すればよい。これにより、焦点位置において多光子吸収を確実に生じさせることができる。
また、III族窒化物半導体層３の表面やサファイアウエハ２０内でのエネルギー密度が、１．０×１０７Ｗ／cm２以下となるようにレーザ光発生ユニットの出力を調整することが好ましい。これにより、焦点位置以外でのレーザ光の吸収を回避でき、III族窒化物半導体層３の表面に加工されてしまったり、サファイアウエハ２０にレーザ加工に起因する変色が生じてしまったりすることを回避できる。
【００２２】
レーザ加工機からレーザ光をウエハ２０に照射する一方で、レーザ光の照射位置が切断予定ライン２５に沿って移動するように、ウエハ２０がレーザ光照射位置に対して相対移動させられる。すなわち、ＸＹステージ機構によって、ウエハ２０が切断予定ライン２５に沿う方向に移動させられる。これにより、レーザ光は切断予定ライン２５に沿って、ウエハ２０を走査することになる。その結果、III族窒化物半導体層３内では、集光レンズ３０の焦点位置（レーザ光の集光点）が切断予定ライン２５に沿って移動し、この焦点位置の軌跡に対応する加工領域３５が形成されることになる。
【００２３】
走査の過程において、レーザ光は常時ウエハ２０に照射されていてもよいし、レーザ光発生ユニットをオン／オフすることによって、間欠的にレーザ光が照射されるようにしてもよい。走査時にレーザ光を常時照射していれば、加工領域３５は連続形状となり、走査時に間欠的にレーザ光を照射すれば走査方向に所定の間隔を隔ててミシン目状に分割された複数の加工領域３５が切断予定ライン２５に沿って形成されることになる。
【００２４】
レーザ加工工程の後には、図４(b)に示すブレーク工程が行われる。すなわち、サファイアウエハ２０に対して、切断予定ライン２５に沿って、主面に垂直な方向の外力が加えられる。これにより、サファイアウエハ２０には、加工領域３５を基点とした亀裂が生じ、この亀裂に沿ってサファイアウエハ２０およびIII族窒化物半導体層３が割れる。こうして、サファイアウエハ２０およびIII族窒化物半導体層３は、切断予定ライン２５に沿って個別素子２１ごとに分割され、その結果、複数個のＬＥＤチップ１が得られる。
【００２５】
ブレーク工程の前に、必要に応じて、サファイアウエハ２０を研削または研磨（たとえば化学的機械的研磨）によって薄型化する薄型化工程が行われてもよい。たとえば、当初のサファイアウエハ２０の厚さは、３５０μｍ程度であり、これが８０μｍ程度まで薄型化される。この薄型化工程は、レーザ加工工程とブレーク工程との間に行われてもよいし、レーザ加工工程の前に行われてもよい。ただし、レーザ加工工程におけるサファイアウエハ２０のハンドリングを容易にするためには、レーザ加工工程の後に薄型化工程が行われることが好ましい。
【００２６】
レーザ加工工程では、III族窒化物半導体層３の内部での多光子吸収により加工領域３５が形成されるが、III族窒化物半導体層３の表面領域やサファイアウエハ２０内でのレーザ光の吸収は回避される。そのため、レーザ加工に起因するデブリが生じることはなく、また、サファイアウエハ２０に不所望な変色（着色）が生じることがない。また、基板の表面から深い位置までレーザ加工を行うのではなく、III族窒化物半導体層３内の限定された領域（集光レンズ３０の焦点位置付近）が多光子吸収によって加工されるに過ぎない。そのため、レーザ加工工程においてIII族窒化物半導体層３が過熱されることもない。したがって、ＬＥＤチップ１は、良好な発光効率を有することができる。
【００２７】
図５は、この発明の他の実施形態に係る製造方法を説明するための図解図である。この図５において、前述の図４に示された各部に対応する部分には、図５の場合と同一の参照符号を付して示す。この実施形態では、レーザ加工工程（図５(a)。図４(a)と同様の工程）の後、必要に応じてサファイアウエハ２０の薄型化を行った後に、図５(b)に示すように、サファイアウエハ２０のIII族窒化物半導体層３とは反対側の主面に、切断予定ライン２５（図３参照）に沿って分割ガイド溝３６が形成される。この分割ガイド溝３６の形成は、たとえば、レーザ加工により行うのではなく、ダイヤモンドカッタ３７による罫書き処理やダイシングソーによる溝形成処理等の機械的加工によって行われる。
【００２８】
機械的加工により形成される分割ガイド溝３６は、深く形成することはできず、たとえば、２μｍ〜３μｍ程度の深さとなる。しかし、III族窒化物半導体層３内にレーザ加工領域３５が形成されているので、ブレーク工程（図５(c)。図４(b)と同様の工程）におけるウエハ２０の分割が不良になることはない。そして、レーザ加工領域３５に加えて分割ガイド溝３６を形成しておくことにより、より安定した形状のＬＥＤチップ１を得ることができる。
【００２９】
以上、この発明の２つの実施形態について説明したが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。たとえば、前述の実施形態では、III族窒化物半導体層３側の表面からレーザ光を照射しているが、III族窒化物半導体層３とは反対側からサファイアウエハ２０を透過させてレーザ光をIII族窒化物半導体層３の内部に集光させるようにしてもよい。
【００３０】
また、前述の実施形態では、サファイア基板２上にIII族窒化物半導体層３が形成された構成のＬＥＤチップ１について説明したが、基板としては、ＳｉＣ基板その他の透明基板を用いることができる。
また、前述の実施形態では、ＬＥＤチップの製造にこの発明が適用された例について説明したが、半導体レーザチップその他の発光素子に対しても、この発明を同様に適用することができる。
【００３１】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】窒化物半導体発光素子の一例であるフリップチップ型ＬＥＤチップの実装例を示す図解的な断面図である。
【図２】ＬＥＤチップの詳細な構成を説明するための図解的な断面図である。
【図３】ＬＥＤチップの製造工程で用いられるサファイアウエハの図解的な斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る分割工程を説明するための図解図である。
【図５】第２の実施形態に係る分割工程を説明するための図解図である。
【符号の説明】
【００３３】
１    ＬＥＤチップ
２    サファイア基板
３    III族窒化物半導体層
４    ｐ側電極
５    ｎ側電極
６    実装基板
１１    ｎ型ＧａＮバッファ層
１２    ｎ型ＧａＮコンタクト層
１３    発光層（発光部）
１４    ｐ型ＧａＮコンタクト層
１５    凹部
２０    サファイアウエハ
２１    個別素子
２５    切断予定ライン
３０    集光レンズ
３５    加工領域
３６    分割ガイド溝
３７    ダイヤモンドカッタ
【図１】
2009032795.tif 000003
【図２】
2009032795.tif 000004
【図３】
2009032795.tif 000005
【図４】
2009032795.tif 000006
【図５】
2009032795.tif 000007