JP2016021464A - リフトオフ方法及び超音波ホーン - Google Patents

Abstract

【課題】光デバイス層からエピタキシー基板を円滑に剥離できるようにすること。
【解決手段】光デバイスウエーハ（１０）では、エピタキシー基板（１１）の表面（１１ａ）にＧａを含むＧａ化合物からなるバッファー層（１３）を介して光デバイス層（１２）が積層されている。光デバイスウエーハの光デバイス層に移設基板（２０）を接合した後、エピタキシー基板の裏面（１１ｂ）側からエピタキシー基板に対しては透過性を有しバッファー層に対しては吸収性を有する波長のパルスレーザー光線をバッファー層に照射し、エピタキシー基板とバッファー層との境界面に剥離層を形成する。その後、エピタキシー基板の外周部に超音波振動を発振する超音波ホーン（４２）を接触させてエピタキシー基板を振動させ、移設基板からエピタキシー基板を剥離し、光デバイス層を移設基板に移設する。
【選択図】図７

Description

本発明は、エピタキシー基板の表面にバッファー層を介して積層された光デバイス層を移設基板に移し替えるリフトオフ方法及びこれに使用する超音波ホーンに関する。

光デバイス製造工程においては、略円板形状であるサファイア基板や炭化珪素基板等のエピタキシー基板の表面にバッファー層を介してＧａＮ（窒化ガリウム）等で構成されるｎ型半導体層およびｐ型半導体層からなる光デバイス層が積層され、格子状に形成された複数のストリートによって区画された複数の領域に発光ダイオード、レーザーダイオード等の光デバイスを形成して光デバイスウエーハを構成する。そして、光デバイスウエーハをストリートに沿って分割することにより個々の光デバイスを製造している（例えば、特許文献１参照）。

また、光デバイスの輝度を向上させる技術として、光デバイスウエーハを構成するサファイア基板や炭化珪素等のエピタキシー基板の表面にバッファー層を介して積層されたｎ型半導体層およびｐ型半導体層からなる光デバイス層をＡｕＳｎ（金錫）等の接合材を介してモリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）の移設基板に接合し、エピタキシー基板の裏面側からエピタキシー基板を透過しバッファー層で吸収される波長のレーザー光線を照射してバッファー層を破壊し、エピタキシー基板を光デバイス層から剥離することにより、光デバイス層を移設基板に移し替えるリフトオフと呼ばれる製造方法が下記特許文献２に開示されている。

特開平１０−３０５４２０号公報 特開２００４−７２０５２号公報 特開２０１１−１０３３６１号公報

上記のようにレーザー光線をバッファー層に照射する方法では、バッファー層を十分に破壊することができない場合があり、エピタキシー基板を光デバイス層から円滑に剥離することができない、という問題がある。ここで、特許文献３は、シリコン基板が浸漬される純水を介してシリコン基板に超音波を照射し、シリコン基板上の金属膜を剥離して除去するものであり、上述のように光デバイス層を移し替える点について全く開示がないものである。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、バッファー層を十分に破壊することができない場合でもエピタキシー基板を円滑に剥離することができるリフトオフ方法及び超音波ホーンを提供することを目的とする。

本発明に係るリフトオフ方法は、エピタキシー基板の表面にＧａを含むＧａ化合物からなるバッファー層を介して光デバイス層が積層された光デバイスウエーハの光デバイス層を、移設基板に移し替えるリフトオフ方法であって、光デバイスウエーハの光デバイス層の表面に接合金属層を介して移設基板を接合する移設基板接合工程と、移設基板が接合された光デバイスウエーハのエピタキシー基板の裏面側からエピタキシー基板に対しては透過性を有しバッファー層に対しては吸収性を有する波長のパルスレーザー光線をバッファー層に照射し、エピタキシー基板とバッファー層との境界面に剥離層を形成する剥離層形成工程と、剥離層形成工程の後、エピタキシー基板に超音波振動を発振する超音波ホーンを接触させてエピタキシー基板を振動させ、移設基板からエピタキシー基板を剥離し、光デバイス層を移設基板に移設する光デバイス層移設工程と、を含むことを特徴とする。

上記リフトオフ方法によれば、超音波ホーンをエピタキシー基板に接触して超音波振動を伝播するので、超音波ホーンからエピタキシー基板に効率良く振動を伝播し、バッファー層によるエピタキシー基板と光デバイス層との結合を十分に破壊することができる。これにより、エピタキシー基板の剥離によって光デバイス層の損傷が生じることを回避でき、光デバイス層からエピタキシー基板を迅速且つ円滑に剥離することができる。

また、本発明のリフトオフ方法では、光デバイス層移設工程において、超音波ホーンをエピタキシー基板の外周部に接触させるとよい。この方法によれば、超音波ホーンからエピタキシー基板により一層効率良く振動を伝播することができる。

本発明に係る超音波ホーンは、上記リフトオフ方法に使用し、超音波ホーンの先端のエピタキシー層に接触する接触面が僅かな曲面で形成されることを特徴とする。この構成によれば、超音波ホーンの先端が曲面に形成されるので、エピタキシー基板に反りが生じても、超音波ホーンからエピタキシー基板への振動伝播の効率を高めることができる。

本発明によれば、超音波ホーンをエピタキシー基板の外周部に接触して超音波振動を伝播するので、バッファー層を十分に破壊することができない場合でもエピタキシー基板を円滑に剥離することができる。

実施の形態に係る光デバイスウエーハの構成図である。 実施の形態に係る移設基板接合工程の説明図である。 実施の形態に係る剥離層形成工程の説明用概略斜視図である。 上記剥離層形成工程の説明用模式図である。 上記剥離層形成工程でのレーザー光線の照射位置の軌跡を示す説明用平面図である。 実施の形態に係る光デバイス層移設工程の説明用概略斜視図である。 上記光デバイス層移設工程の説明用模式図である。 上記光デバイス層移設工程でのエピタキシー基板に対する超音波ホーンの接触位置を示す説明用平面図である。 図７の一部を拡大した説明図である。 上記光デバイス層移設工程での光デバイス層の移設を示す説明用概略斜視図である。

以下、添付図面を参照して、実施の形態に係るリフトオフ方法ついて説明する。先ず、図１を参照して、光デバイスウエーハについて説明する。図１Ａは、光デバイスウエーハの概略斜視図であり、図１Ｂは、光デバイスウエーハの要部拡大断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂに示す光デバイスウエーハ１０は、光デバイスを製造するためのウエーハである。光デバイスウエーハ１０は、直径が５０ｍｍで厚みが６００μｍの円板形状をなすサファイア基板からなるエピタキシー基板１１と、エピタキシー基板１１の表面１１ａ側に積層された光デバイス層１２とを有している。光デバイス層１２は、エピタキシー基板１１の表面１１ａにエピタキシャル成長法によって形成されるｎ型窒化ガリウム半導体層１２Ａ及びｐ型窒化ガリウム半導体層１２Ｂ（図１Ａでは不図示）からなる。エピタキシー基板１１に光デバイス層１２を積層する際に、エピタキシー基板１１の表面１１ａとｎ型窒化ガリウム半導体層１２Ｂとの間にはＧａＮからなる厚みが例えば１μｍのバッファー層１３（図１Ａでは不図示）が形成される。本実施の形態では光デバイス層１２の厚みが例えば１０μｍに形成されている。なお、光デバイス層１２には、格子状に形成された複数の分割予定ライン１５によって区画された複数の領域に光デバイス１６が形成されている（図１Ｂでは不図示）。

続いて、本実施の形態に係るリフトオフ方法について、図２乃至図１０を参照して説明する。図２は、移設基板接合工程の説明図、図３乃至図５は、剥離層形成工程の説明図、
図６乃至図１０は、光デバイス層移設工程の説明図である。なお、図２乃至図１０に示す各工程は、あくまでも一例に過ぎず、この構成に限定されるものではない。

まず、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、光デバイスウエーハ１０の光デバイス層１２側に移設基板２０を接合する移設基板接合工程を実施する。図２Ａは、積層ウエーハ及び移設基板の接合前の概略斜視図、図２Ｂは、光デバイスウエーハ及び移設基板の接合後の概略斜視図、図２Ｃは、接合した光デバイスウエーハ及び移設基板の要部拡大断面図である。

移設基板接合工程では、光デバイス層１２の表面１２ａに、厚みが１ｍｍの銅基板からなる移設基板２０を接合金属層２１を介して接合する。なお、移設基板２０としてはモリブデン（Ｍｏ）、シリコン（Ｓｉ）等を用いることができ、また、接合金属層２１を形成する接合金属としては金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、クロム（Ｃｒ）、インジウム（Ｉｎ）、パラジウム（Ｐｄ）等を用いることができる。この移設基板接合工程は、光デバイス層１２の表面１２ａ又は移設基板２０の表面２０ａに上記接合金属を蒸着して厚みが３μｍ程度の接合金属層２１を形成する。そして、接合金属層２１と、移設基板２０の表面２０ａ又は光デバイス層１２の表面１２ａとを対面させて圧着する。これにより、接合金属層２１を介して光デバイスウエーハ１０と移設基板２０とを接合した複合基板２５を形成する。

移設基板接合工程を実施した後、図３乃至図５に示すように、剥離層形成工程を実施する。図３は、剥離層形成工程の説明用概略斜視図、図４は、剥離層形成工程の説明用模式図である。図５は、レーザー光線の照射位置の軌跡を示す説明用平面図である。

剥離層形成工程では、レーザー加工装置３０におけるチャックテーブル３１の上面（保持面）に複合基板２５の移設基板２０側を載置する。そして、チャックテーブル３１上において、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂを上向きとして複合基板２５を吸引手段（不図示）によって吸着保持する。この吸着保持後、移動手段（不図示）を作動してレーザー光線照射手段３２を移動し、レーザー光線照射手段３２のレーザー光線照射位置をエピタキシー基板１１の最外周に位置付ける。その後、レーザー光線照射手段３２によって、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂ側（図中上側）からレーザー光線を照射する。レーザー光線照射手段３２では、レーザー光線発振手段３２ａから、エピタキシー基板１１に対して透過性を有しバッファー層１３に対しては吸収性を有する波長に設定されたレーザー光線を発振する。そして、レーザー光線発振手段３２ａから発振したレーザー光線をミラー３２ｂで反射し、集光レンズ３２ｃに入光する。集光レンズ３２ｃでは、バッファー層１３に集光点を集光させてレーザー光線を照射する。

ミラー３２ｂは、ガルバノミラー等で構成されて反射角度を調整可能とされ、集光レンズ３２ｃにより集光されるレーザー光線がバッファー層１３の面方向に沿う任意の方向に走査可能に設けられる。本実施の形態では、図５に示す平面視において、レーザー光線の集光点が、エピタキシー基板１１の最外周から中心に向けてスパイラル状の軌跡となるように走査する。これにより、バッファー層１３の全面に対応する領域にレーザー光線が照射される。このレーザー光線の照射によって、バッファー層１３におけるＧａ化合物を破壊し、エピタキシー基板１１とバッファー層１３との境界面に島状に複数形成されるＮ_２ガス層とＧａ層とからなる剥離層１９が形成される（図８参照）。なお、Ｎ_２ガス層にあっては、バッファー層１３の全面に亘って形成される場合もあるが、図８に示すように、バッファー層１３の外周に近付く程、広範囲に亘って万遍なく形成される傾向がある。

上記剥離層形成工程は、例えば以下のレーザー加工条件で実施する。
光源 ：ＹＡＧレーザー
波長 ：２５７ｎｍ
繰り返し周波数 ：５０ｋＨｚ
平均出力 ：０．１２Ｗ
パルス幅 ：１００ｐｓ
ピークパワー ：５μＪ−３μＪ
スポット径 ：７０μｍ
レーザー照射手段移動速度 ：５０−１００ｍｍ／ｓ

剥離層形成工程を実施した後、図６乃至図１０に示すように、移設基板２０からエピタキシー基板１１を剥離し、光デバイス層１２を移設基板２０に移設する光デバイス層移設工程を実施する。図６は、光デバイス層移設工程の説明用概略斜視図、図７は、光デバイス層移設工程の説明用模式図である。図８は、光デバイス層移設工程でのエピタキシー基板に対する超音波ホーンの接触位置を示す説明用平面図である。図９は、図７の一部を拡大した説明図、図１０Ａは、光デバイス層を移設する直前状態の説明用概略斜視図、図１０Ｂは、光デバイス層を移設した状態の説明用概略斜視図である。

光デバイス層移設工程では、移設装置４０における保持テーブル４１の上面（保持面）に複合基板２５の移設基板２０側を載置する。そして、保持テーブル４１上において、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂを上向きとして複合基板２５を吸引手段（不図示）によって吸着保持する。次いで、超音波ホーン４２に接続された振動付与手段４３を作動し、振動付与手段４３から超音波ホーン４２に超音波振動を付与する。この振動付与によって、超音波ホーン４２が超音波振動を発振する状態となり、この状態の超音波ホーン４２の先端面４２ａをエピタキシー基板１１の外周部における任意の一箇所位置に接触する。すると、超音波ホーン４２の超音波振動が伝播してエピタキシー基板１１が振動する。超音波ホーン４２の接触位置は、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂにおいて任意の位置としてもよいが、エピタキシー基板１１の外周部とすることが好ましく、エピタキシー基板１１の最外周と超音波ホーン４２の最外周とをできる限り近付けることがより好ましく、更に好ましくは、それらの最外周同士が一致するとよい。

ここで、図９に示すように、複合基板２５にあっては、外周側に反りが発生する。具体的には、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂを上向きとして複合基板２５を載置したときに、複合基板２５の外周が上向きに湾曲するように反りが発生する。その理由としては、接合された移設基板２０と光デバイスウエーハ１０との熱膨張係数の相違等が考えられる。一方、超音波ホーン４２において、エピタキシー基板１１の裏面１１ｂに接触する先端面（接触面）４２ａは僅かな曲面で形成されている。従って、反りが発生したエピタキシー基板１１の裏面１１ｂに沿うように超音波ホーン４２の先端面４２ａが線接触或いは面接触するようになり、それらの接触面積の拡大化を図ることができる。これにより、超音波ホーン４２の先端面４２ａの接触位置をエピタキシー基板１１の外周部とすることで、超音波振動を効率良く伝播することができる。なお、先端面４２ａを形成する曲面は、下方に膨出する凸曲面となるよう、例えば、所定の径寸法に設定された球面の最下部分と同様に形成される。

また、超音波振動は、エピタキシー基板１１から剥離層１９のＮ_２ガス層１９ａを介して伝播するものと推測されている。超音波ホーン４２が接触するエピタキシー基板１１の外周部は、剥離層１９にＮ_２ガス層１９ａが広範囲に亘って形成されるので、Ｎ_２ガス層１９ａの真上等の極めて近い位置から振動を発振でき、これによっても、振動伝播の効率をより高めることができる。

更には、超音波ホーン４２の先端面４２ａを曲面とすることによって、先端面４２ａからの超音波振動を放射状に伝播させることが可能となる。これに対し、超音波ホーン４２の先端面が平面になる構成では、かかる平面に直交する方向だけに振動が伝播するので、先端面４２ａを曲面とした方が超音波振動を拡散するよう伝播でき、振動伝播の効率をより一層高めることができる。

光デバイス層移設工程では、例えば、超音波ホーン４２及び振動付与手段４３の条件を、以下のように設定して実施する。
先端面４２ａの外径 ：φ１５ｍｍ
先端面４２ａの半径寸法：３００ｍｍ
超音波周波数 ：２０ｋＨｚ
超音波振幅 ：２０μｍ
なお、上記先端面４２ａの各条件は、光デバイスウエーハ１０の径寸法と関係するものでなく、光デバイスウエーハ１０の径寸法が変わっても超音波ホーン４２の形状を変える必要はない。例えば、光デバイスウエーハ１０の径寸法が大きくなる程、超音波振幅を大きく変更することによって対応することができる。

超音波ホーン４２による超音波振動の付与後、図１０Ａに示すように、移動手段４５を作動して吸引パッド４６を下降し、吸引パッド４５の吸引面（下面）を複合基板２５におけるエピタキシー基板１１の裏面１１ｂに載置する。次いで、吸引源４７を作動することにより吸引パッド４６の吸引面にエピタキシー基板１１の裏面１１ｂを吸引する。そして、図１０Ｂに示すように、移動手段４５を作動して吸引パッド４６を保持テーブル４１から離反する方向に引き上げる。これにより、光デバイス層１２からエピタキシー基板１１が剥離され、光デバイス層１２の移設基板２０への移し替えが完了する。

このように、本実施の形態に係るリフトオフ方法では、超音波ホーン４２をエピタキシー基板１１の外周部に接触させることで、上述のように効率良く超音波振動を伝播することができる。これにより、バッファー層１３によるエピタキシー基板１１と光デバイス層１２との結合状態を十分に破壊することができる。この結果、エピタキシー基板１１の剥離によって光デバイス層１２が損傷することを回避でき、光デバイス層１２からエピタキシー基板１１を迅速且つ円滑に剥離することができる。なお、本実施の形態の方法によれば、剥離が困難とされるＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）ウエーハや、４インチウエーハにおいても、光デバイス層１２からエピタキシー基板１１を剥離することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記の実施の形態においては、上記各工程は別々の装置で実施されてもよいし、同一の装置で実施されてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、光デバイス層からエピタキシー基板を迅速且つ円滑に剥離することができるという効果を有し、特に、光デバイスウエーハにおいて光デバイス層を移設基板に移設する場合に有用である。

１０ 光デバイスウエーハ
１１ エピタキシー基板
１１ａ 表面
１１ｂ 裏面
１２ 光デバイス層
１２ａ 表面
１３ バッファー層
１９ 剥離層
１９ａ Ｎ_２ガス層
２０ 移設基板
２１ 接合金属層
４２ 超音波ホーン
４２ａ 先端面（接触面）

Claims (3)

1. エピタキシー基板の表面にＧａを含むＧａ化合物からなるバッファー層を介して光デバイス層が積層された光デバイスウエーハの光デバイス層を、移設基板に移し替えるリフトオフ方法であって、
   光デバイスウエーハの光デバイス層の表面に接合金属層を介して移設基板を接合する移設基板接合工程と、
   該移設基板が接合された光デバイスウエーハのエピタキシー基板の裏面側からエピタキシー基板に対しては透過性を有しバッファー層に対しては吸収性を有する波長のパルスレーザー光線をバッファー層に照射し、エピタキシー基板とバッファー層との境界面に剥離層を形成する剥離層形成工程と、
   該剥離層形成工程の後、該エピタキシー基板に超音波振動を発振する超音波ホーンを接触させて該エピタキシー基板を振動させ、該移設基板から該エピタキシー基板を剥離し、光デバイス層を移設基板に移設する光デバイス層移設工程と、を含むリフトオフ方法。
2. 該光デバイス層移設工程において、該超音波ホーンを該エピタキシー基板の外周部に接触させる請求項１記載のリフトオフ方法。
3. 請求項１又は請求項２記載のリフトオフ方法に使用する超音波ホーンであって、該超音波ホーンの先端の該エピタキシー層に接触する接触面が僅かな曲面で形成される超音波ホーン。
   

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