レーザリフトオフ方法及びレーザリフトオフ装置
【課題】基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、当該基板から当該材料層を剥離できるようにすること。
【解決手段】基板１と前記材料層２との界面で前記材料層を前記基板から剥離させるため、基板１上に材料層２が形成されたワーク３に対し、基板１を通して、パルスレーザ光をワーク３に対する照射領域を刻々と変えながら、前記ワーク３において隣接する各照射領域が重畳するように照射する。重畳する照射領域におけるそれぞれのレーザ光の大きさを、材料層２を基板１から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギーとなるような大きさとすることで、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。
【解決手段】基板１と前記材料層２との界面で前記材料層を前記基板から剥離させるため、基板１上に材料層２が形成されたワーク３に対し、基板１を通して、パルスレーザ光をワーク３に対する照射領域を刻々と変えながら、前記ワーク３において隣接する各照射領域が重畳するように照射する。重畳する照射領域におけるそれぞれのレーザ光の大きさを、材料層２を基板１から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギーとなるような大きさとすることで、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。
【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、基板上に形成された材料層にレーザ光を照射することによって、当該材料層を分解して当該基板から剥離する（以下、レーザリフトオフという）ためのレーザリフトオフ方法及びレーザリフトオフ装置に関する。
特に、本発明は、ワーク上のレーザ光照射領域を刻々と変えながら、ワーク上の隣接する照射領域に照射される各レーザ光が重畳するようにしてレーザ光を照射することにより、材料層を基板から剥離するレーザリフトオフ方法及びレーザリフトオフ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）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、サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を当該サファイア基板の裏面から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。
例えば、特許文献１においては、サファイア基板の上にＧａＮ層を形成し、当該サファイア基板の裏面からレーザ光を照射することにより、ＧａＮ層を形成するＧａＮが分解され、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。
ところで、サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を当該サファイア基板の裏面からレーザ光を照射することにより剥離するためには、ＧａＮ系化合物をＧａとＮ２とに分解するために必要な分解閾値以上の照射エネルギーを有するレーザ光を照射することが重要になる。
ここで、レーザ光を照射した際には、ＧａＮが分解することによりＮ２ガスが発生することから、当該ＧａＮ層にせん断応力が加わり、当該レーザ光の照射領域の境界部においてクラックが生じる場合がある。例えば、図１０に示すように、レーザ光の１ショットの照射領域１１０が正方形状である場合、ＧａＮ層１１１のレーザ光の照射領域の境界１１２にクラックが発生してしまう問題がある。
【０００３】
特に、数μｍ以下の厚みのＧａＮ系化合物結晶層を用いて素子を形成する場合には、ＧａＮ系化合物結晶層がＮ２ガス発生によるせん断応力に耐えるための十分な強度を有しない場合もあり、容易にクラックが発生してしまう。更に、ＧａＮ系化合物結晶層のみならず、その上に形成された結晶層にクラックが伝播し、素子そのものが破壊されてしまう場合もあり、微小なサイズの素子を形成する際の問題となっている。
かかる問題に対して特許文献２には、サファイア基板上に形成されたＧａＮ層を半導体発光素子のチップに対応するよう分離するためのストリートを形成し、レーザリフトオフの工程を実行中にサファイア基板とＧａＮ層との界面で発生する残留応力を、当該ストリートによって緩和する技術が開示されている。
同文献によれば、ＧａＮ層を小領域に分断し、周囲からの残留応力による影響を最小にし、また、小領域自体は最小の残留応力しか有しないようにすることによって、レーザリフトオフの最中におけるＧａＮ層の割れを低減することができる、とされている。
【０００４】
このように、ＧａＮ層にストリート（チップ分離用境界線：スクライブライン）を形成してレーザリフトオフの工程を実行するときには、特許文献２のＦｉｇ．１３に示すように、レーザ光の照射領域のエッジ部が当該ストリートに一致するようにレーザ光を照射することが好ましい。これは、各レーザ光の照射領域は必然的にそれぞれの端部同士が重畳することになるが、各レーザ光の照射領域がＧａＮ層の表面（つまり、ストリート以外の部分）において重畳すると、当該重畳した領域に照射されるレーザ光のエネルギーが過大になるため、ＧａＮ層に悪影響を生じるおそれがあるからである。
【０００５】
しかしながら、ＧａＮ層にストリートを形成した場合は、前記した残留応力を緩和するためにストリートの幅をある程度大きくしなければならないが、そうすることによって、１枚のサファイア基板から採取される半導体発光素子のチップの個数が減少するという問題がある。
而して、ＧａＮ層にストリートを形成した場合は、レーザ光の照射領域のエッジ部がストリートに一致するように、レーザ光の照射領域とサファイア基板上に形成されたＧａＮ層とを精度良くアライメントすることが必要になる。したがって、ストリートの幅を小さくした場合は、レーザ光の照射領域のエッジ部をＧａＮ層に形成されたストリート上に精度良くアライメントすることが困難になり、アライメントのための装置構成が複雑になるばかりか、その操作・管理が難しくなる。
さらには、半導体発光素子のチップサイズが相違する毎に、上記したアライメントを行うことが必要になるため、レーザリフトオフの工程が極めて複雑化するといった問題が生じる。
【０００６】
一方、特許文献３には、上記のようなストリートをＧａＮ層に形成することなく、ＧａＮ層の割れを低減することを目的として、図１１に示すように、サファイア基板１２１とＧａＮ系化合物の結晶層１２２の界面への照射領域１２３がライン状になるようにレーザ光１２４を成形し、サファイア基板１２１をレーザ光１２４の長手方向と垂直方向に移動させながら、当該レーザ光１２４をサファイア基板１２１の裏面から照射する技術が開示されている。同文献には、レーザ光１２４が光学系の解像度以下のライン幅になるように成形されていることにより、図１２に示すように、レーザ光１２４のライン幅方向の光強度分布が、略中央にピークを有し当該ピークからエッジ部に向けてなだらかになっていることが記載されている。
同文献によれば、レーザ光１２４を上記のように成形することにより、レーザ光１２４を結晶層１２２に照射した際のレーザ光１２４のライン幅方向のエッジ部に当る照射領域で急激なレーザアブレーションが行われない。したがって、ＧａＮ層である結晶層１２２の分解時にＮ２が急激に発生することがないので、過剰な応力が結晶層１２２に加わらず、結晶層１２２及びその上に形成される素子へのクラック発生を低減することができる、とされている。
しかしながら、本発明者らが上記特許文献３に開示されるレーザリフトオフ工程を検証したところ、ＧａＮ層である結晶層に発生する割れを低減する効果は、必ずしも十分でないことが確認された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００１−５０１７７８号公報
【特許文献２】特表２００７−５３４１６４号公報
【特許文献３】特開２００３−１６８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
具体的に、本発明者らは、特許文献３に従って、サファイア基板上に形成された結晶層をライン状に成形されたレーザ光の長手方向と垂直な方向に移動させ、サファイア基板の移動速度及び間歇的に照射されるパルスレーザ光の照射間隔を適宜変更して、ライン状に成形したレーザ光を結晶層に照射したところ、結晶層であるＧａＮ層にクラックが生じることが確認された。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の第１の目的は、基板上に形成された結晶層（以下材料層と呼ぶ）に割れを生じさせることなく、当該基板から当該材料層を剥離することができるレーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーを与えることで基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、かつ、基板に材料層が再接着する等の不具合を生じさせることなく、当該基板から当該材料層を剥離することができるレーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
レーザリフトオフでは、材料層が形成されたサファイア基板（以下、ワークという）或いはレーザ源をスキャンさせ、ワークに対するレーザ光の照射領域を刻々と変えながらレーザ光を材料層に照射することが通常行われる。それは、レーザ源から出射するレーザ光の照射領域をワークと同等の大きさにすることは困難だからである。このため、ワーク上の隣接する各レーザ光の照射領域のエッジ部は必然的に重畳することになるが、レーザリフトオフの工程では、いかにして各レーザ光を重畳させるかが極めて重要である。これについて図２を用いて説明する。
レーザリフトオフ工程では、パルスレーザ光を出射するレーザ源を使用し、レーザ光の照射領域が刻々と変わるようにレーザ光を照射している。つまり、後述する図２を用いて説明すると、パルスレーザ光の照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に、ワーク或いはレーザ源を搬送して次なる領域Ｓ２にレーザ光を照射する。このとき、パルスレーザ光の照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する。
【００１０】
ここで、照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する領域ＳＴにおいては、以下の理由により、照射領域Ｓ１およびＳ２のそれぞれに照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されない。これは、照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に照射領域をＳ１からＳ２に移行させたときには、照射領域Ｓ１のＧａＮの温度が室温レベルまで低下するのに要する時間が、照射領域をＳ１からＳ２に移行させるまでの時間に比べて格段に短いため、領域Ｓ１の温度は既に室温レベルまで低下した状態となるためであると考えられる。
本発明者らがシミュレーションにより検討したところでは、照射領域Ｓ１のＧａＮの温度が室温レベルまで低下するのに要する時間は１００マイクロ秒以内であると推定される。照射領域Ｓ１の温度が室温レベルに低下した状態で照射領域Ｓ２にレーザ光を照射したとしても、照射領域Ｓ１とＳ２とが重畳した領域ＳＴは、照射領域Ｓ２に照射されたレーザ光によって加熱されるのみである。
このように、照射領域Ｓ１、Ｓ２が重畳する領域ＳＴにおいては、それぞれの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されないので、領域Ｓ１、Ｓ２のそれぞれに照射されるパルスレーザ光を、材料層の分解閾値を超えるエネルギー領域で重畳させることが必要である。
【００１１】
一方、上記照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する領域ＳＴにおける、それぞれのパルスレーザ光の強度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値に対して大きすぎると、基板に材料層が再接着する等の不具合を生ずることが確認された。
これは、同じ領域に、強度が大きなパルスレーザ光が２度照射されることにより、一度基板から剥離した材料層が、２度目に照射されるパルスレーザ光により再接着するものと考えられる。
実験等により、各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度は、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下にするのが望ましいことが分かった。したがって、上記のような基板と材料層が再接着するという不具合を回避するためには、各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度が大きすぎないようにすることが望ましい。
ここで、［レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度（最大値）］／［分解閾値ＶＥ］を重畳度Ｔと定義すると、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させるためには、重畳度Ｔを１≦Ｔとするのが望ましく、また、基板と材料層の再接着を回避するためには、Ｔ≦１．１５とするのが望ましい。
【００１２】
以上に基づき、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
（１）基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通して、パルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ方法において、前記パルスレーザ光を、ワークに対する照射領域を刻々と変えながら、前記ワークにおいて隣接する各照射領域が重畳するように照射し、重畳するそれぞれのパルスレーザ光の大きさが、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギーの大きさになるようにする。
（２）上記（１）において、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とする。
（３）上記（１）（２）において、前記ワークを、第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行し、順次、各照射領域に前記パルスレーザ光を照射する。
（４）上記レーザリフトオフを行うレーザリフトオフ装置において、レーザ源から発したパルスレーザ光を成形して、前記ワークに照射する投影レンズを有するレーザ光学系を設け、前記ワークの光入射面が、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致しないように配置する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のレーザリフトオフ方法によれば、次の効果を期待することができる。
（１）ワーク上の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が、材料層を分解するために必要な分解閾値を超えるエネルギー領域で重畳しているので、各レーザ光が重畳するように照射された領域において、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーが与えられるので、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。
（２）隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とすることにより、基板と材料層が再接着するという不具合を回避することができる。
（３）ワークの光入射面が、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致しないように配置することにより、ワークに照射されるパルスレーザ光のビームプロファイルをなだらかな形状とする（照射されるパルスレーザ光の周縁部の光照度分布をピーク部からエッジ部に向けてなだらかに低下する形状とする）ことができる。これにより、パルスレーザ光の照射間隔を調整する（ワークを一定速度で搬送している場合）か、あるいは、ワークの搬送速度を調整する（パルスレーザ光の照射間隔が一定の場合）ことで、各レーザ光が重畳している領域における各レーザ光の強度を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例のレーザリフトオフ処理の概要を説明する概念図である。
【図２】レーザ光がワークに照射される様子を示す図である。
【図３】本発明の実施例において、ワークの互いに隣接する領域Ｓ１、Ｓ２に重畳して照射されるレーザ光の光強度分布を示す図である。
【図４】本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
【図５】レーザ光の光強度分布のその他の実施例を示す図である。
【図６】本実施例のレーザ光の光強度分布と比較するための比較例を示す図である。
【図７】レーザ光の重畳度が剥離後の材料層に与える影響を調べた実験結果を示す図である。
【図８】レーザ光の光強度分布をなだらかな形状とすることにより、重畳部分におけるレーザ光の強度を調整できることを説明する図である。
【図９】レーザリフトオフ処理を適用することができる半導体発光素子の製造方法を説明する図である。
【図１０】レーザ光の１ショットの照射領域が正方形状である場合を示す図である。
【図１１】ライン状のレーザ光を、レーザ光の長手方向と垂直方向に移動させながら、基板の裏面から照射する従来技術を説明する図である。
【図１２】図１１に示す従来技術におけるレーザ光の光強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理の概要を説明する概念図である。
同図に示すように、本実施例において、レーザリフトオフ処理は次のように行われる。
レーザ光を透過する基板１上に材料層２が形成されたワーク３が、ワークステージ３１上に載置されている。ワーク３を載せたワークステージ３１は、コンベヤのような搬送機構３２に載置され、搬送機構３２によって所定の速度で搬送される。ワーク３は、ワークステージ３１と共に図中の矢印ＡＢＣ方向に搬送されながら、基板１を通じて、図示しないパルスレーザ源から出射するパルスレーザ光Ｌが照射される。
ワーク３は、サファイアからなる基板１の表面に、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物の材料層２が形成されてなるものである。基板１は、ＧａＮ系化合物の材料層を良好に形成することができ、尚且つ、ＧａＮ系化合物材料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。材料層２には、低い入力エネルギーによって高出力の青色光を効率良く出力するためにＧａＮ系化合物が用いられる。
【００１６】
レーザ光は、基板１および基板１から剥離する材料層を構成する物質に対応して適宜選択すべきである。サファイアの基板１からＧａＮ系化合物の材料層２を剥離する場合には、例えば波長２４８ｎｍを放射するＫｒＦ（クリプトンフッ素）エキシマレーザを用いることができる。レーザ波長２４８ｎｍの光エネルギーは、ＧａＮのバンドギャップ（３．４ｅＶ）とサファイアのバンドギャップ（９．９ｅＶ）の間にある。したがって、波長２４８ｎｍのレーザ光はサファイアの基板からＧａＮ系化合物の材料層を剥離するために望ましい。
【００１７】
続いて、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理について、図１及び２を用いて説明する。図２は、レーザ光Ｌがワーク３に照射される様子を示す図である。
図２（ａ）はワーク３に対するレーザ光の照射方法を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ部を拡大して示したものであり、図２（ｂ）では、ワーク３の各照射領域の照射されるレーザ光の光強度分布の断面の一例を示している。なお、図２に示すワーク３上の実線は、レーザ光の照射領域を仮想的に示すものに過ぎない。
ワーク３は、搬送機構３２によって図２に示す矢印ＨＡ、ＨＢ、ＨＣの方向に繰返し搬送される。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と材料層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。
ワーク３は、図１、２に示すように、ワーク自体のサイズに対応して、図１の矢印Ａの方向に搬送される第１の搬送動作ＨＡと、レーザ光の１ショットの照射領域Ｓに相当する距離から重畳領域ＳＴを差し引いた距離だけ第１の搬送動作ＨＡの搬送方向と直交する方向（図１の矢印Ｃの方向）に搬送される第２の搬送動作ＨＢと、図１の矢印Ｂの方向に搬送される第３の搬送動作ＨＣとが順次に実行される。第１の搬送動作ＨＡおよび第３の搬送動作ＨＣのそれぞれの搬送方向は１８０°異なっている。
ここで、レーザ光の光学系は固定されたままであり搬送されない。つまり、レーザ光の光学系を固定した状態でワーク３のみが搬送されることによって、ワーク３におけるレーザ光Ｌの照射領域が、図２の矢印に示すようにＳ１ないしＳ１２の順に相対的に刻々と変わることになる。
【００１８】
次に、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理についてより具体的に説明する。図２に示す実施例では、ワーク３は円形状の輪郭を持つものであるが、レーザ光の照射領域が略方形状となっており、このような方形状の照射領域に対するレーザ照射方法について説明する。
図２に示すように、ワーク３を図２のＨＡ方向に搬送させながら、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の４つの照射領域に対して、それぞれ１回ずつ合計４回に亘りレーザ光を照射する。これが第１の搬送動作である。
次に、レーザ光がワーク３の次なる照射領域Ｓ５に照射されるようにするため、ワーク３を図２のＨＢ方向に搬送する。これが第２の搬送動作である。ワーク３が矢印ＨＢ方向に搬送される距離は、パルスレーザ光の１ショット（１パルス）分の照射領域に相当する距離から重畳領域ＳＴを差し引いた距離に等しい。
その次に、ワーク３を図２のＨＣ方向に搬送させながら、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０の６つの照射領域に対して、それぞれ１回ずつ合計６回に亘りレーザ光を照射する。これが第３の搬送動作である。ワーク３のその他の照射領域についても上記の一連の手順に従ってワーク３を搬送することにより、ワーク３の全域に亘りレーザ光が照射される。
【００１９】
レーザ光の照射領域は、図２に示すようにＳ１、Ｓ２、Ｓ３の順に相対的に移動することになるが、それぞれの照射領域は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり面積は０．２５ｍｍ２とされる。これに対して、ワーク３の面積は４５６０ｍｍ２である。つまり、レーザ光の照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３はワーク面積に比して遥かに小さいものである。
本実施例のレーザリフトオフ処理では、ワーク３に比して小さい照射領域のレーザ光が図１に示す矢印ＡおよびＢの方向（つまりワークの左右方向）にスキャンしながらワーク３に対して照射される。なお、本発明の実施例とは逆に、ワークを固定したままで、上記した搬送動作ＨＡないしＨＣに従ってレーザの光学系を搬送しても良い。要は、ワーク上のレーザ光の照射領域が時間とともに刻々と移り変わるように、ワークに対してレーザ光が照射されれば良い。
【００２０】
ここで、本発明のレーザリフトオフ処理においては、図２（ｂ）に示すように、レーザ光がワーク３の互いに隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において、間歇的に照射される各レーザ光の幅方向の端部が互いに重畳するようにワーク３に照射される。レーザ光Ｌは、パルスレーザ光であり、間歇的にワーク３に照射される。ワーク３の照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３においてレーザ光が重畳する幅は、例えば０．１ｍｍである。
レーザ光のパルス間隔は、ワーク３の搬送速度と、ワーク３上の隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…に照射されるレーザ光の重畳領域ＳＴの幅を考慮して適宜設定される。
基本的にはワーク３が次なる照射領域に移動する前にレーザ光がワークに照射されることのないように、レーザ光のパルス間隔が決められる。つまり、レーザ光のパルス間隔は、ワーク３がレーザ光の１ショット分の照射領域に相当する距離を移動するために要する時間よりも長く設定される。例えば、ワーク３の搬送速度が１００ｍｍ／秒、レーザ光の重畳領域ＳＴの幅が０．１ｍｍである場合、レーザ光のパルス間隔は０．００４秒（２５０Ｈｚ）である。
【００２１】
図３は、図２に示すワーク３の互いに隣接する領域Ｓ１、Ｓ２に重畳するようにワークに照射されるレーザ光の光強度分布を示す図であり、図２（ｂ）におけるａ−ａ´線断面図である。
同図において縦軸はワークの各照射領域に照射されるレーザ光の強度（エネルギー値）を、横軸はワークの搬送方向を示す。また、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれワークの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるレーザ光のプロファイルを示す。なお、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は同時に照射されるわけではなく、レーザ光Ｌ１が照射されてから１パルス間隔後にレーザ光Ｌ２が照射される。
この例では、図３に示すように、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の断面は、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上（ピークエネルギーＰＥ）に平坦面を有する略台形状に形成されている。そして、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、図３に破線で示すように、ＧａＮ系化合物の材料層を分解してサファイアの基板から剥離させるために必要な分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域において重畳される。
【００２２】
すなわち、各レーザ光の光強度分布における、レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度（エネルギー値）ＣＥは、上記分解閾値ＶＥを越える値になるように設定される。
これは、前述したように、図２の照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に照射領域をＳ１からＳ２に移行させたとき、領域Ｓ１の温度は既に室温レベルまで低下した状態となるため、照射領域Ｓ１の温度が室温レベルに低下した状態で照射領域Ｓ２にレーザ光を照射したとしても、それぞれの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されないためである。
レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度ＣＥ、すなわち、レーザ光が重畳して照射される領域におけるそれぞれのパルスレーザ光の強度を、上記分解閾値ＶＥを越える値になるように設定することで、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーが与えることができ、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。すなわち、前記段落００１１に定義される重畳度Ｔは、１≦Ｔとするのが望ましい。
なお、ワーク３とレーザ光の相対的な移動量に対して、レーザ光のパルス間隔は、ワーク３の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が前記のように重畳するように予め調整されている。同図に示す実施例では、材料層がＧａＮであるため、分解閾値は５００〜１５００Ｊ／ｃｍ２である。分解閾値ＶＥは、材料層を構成する物質毎に設定することが必要とされる。
【００２３】
ここで、上記のようにレーザ光Ｌ１とＬ２とは分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域で重畳されるが、後述するように、基板と材料層が再接着するという不具合を回避するためには、重畳するそれぞれのレーザ光の分解閾値ＶＥに対する大きさの割合を適切な値に設定する必要があり、具体的に、上記分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下になるように設定するのが望ましいことが分かった。
図３の実施例では、各レーザ光の光強度分布におけるレーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度（エネルギー値）ＣＥは、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下になるように設定する。
すなわち、前記重畳度Ｔは、Ｔ≦１．１５とするのが望ましい。
【００２４】
図４は、本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
同図において、レーザリフトオフ装置１０は、前記したパルスレーザ光を出射するレーザ源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３が載置されるワークステージ３１と、ワークステージ３１を搬送する搬送機構３２と、レーザ源２０で発生するレーザ光の照射間隔および搬送機構３２の動作を制御する制御部３３とを備えている。
光学系４０は、シリンドリカルレンズ４１、４２と、レーザ光をワークの方向へ反射するミラー４３と、レーザ光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をワーク３上に集光させる投影レンズ４５とを備えている。
光学系４０の先にはワーク３が配置されている。ワーク３はワークステージ３１上に載置されている。ワークステージ３１は搬送機構３２に載置されており、搬送機構３２によって搬送される。これにより、ワーク３が、前記図１に示した矢印Ａ、Ｂ、Ｃの方向に順次に搬送され、ワーク３におけるレーザ光の照射領域が刻々と変わる。制御部３３は、ワーク３の隣接する照射領域に照射される各レーザ光の重畳度が所望の値になるように、レーザ源２０で発生するパルスレーザ光のパルス間隔を制御する。
【００２５】
レーザ源２０から発生するレーザ光Ｌは波長２４８ｎｍの紫外線を発生する、例えばＫｒＦエキシマレーザである。レーザ源としてＡｒＦレーザやＹＡＧレーザを使用しても良い。
ここで、ワーク３の光入射面３Ａは、投影レンズ４５の焦点Ｆよりもレーザ光の光軸方向において遠方側に配置するか、これとは反対に、レーザ光の光軸方向において、ワーク３の光入射面３Ａを投影レンズ４５の焦点Ｆよりも投影レンズ４５に近づけるように配置しても良い。このように、ワーク３の光入射面３Ａを投影レンズ４５の焦点Ｆに一致しないように配置することにより、図３に示すような、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のビームプロファイルのエッジ部ＬＥがなだらかに低下する、断面が台形状の光強度分布を持つレーザ光が得られる。
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３上に集光される。
投影レンズ４５により、ワーク３の光入射面３Ａに入射されるレーザ光は、図３に示す断面において、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を持つように成形される。
【００２６】
ワークの隣接する照射領域に重畳するように照射される各々のレーザ光の光強度分布は、上記したように断面が略台形状であることが理想的であるが、必ずしも台形状でなくても良い。
図５は、ワークに照射されるレーザ光の光強度分布のその他の実施例を示す。
図５（ａ）に示すレーザ光の光強度分布は、中央にピークが位置すると共に、該ピークに続いてなだらかに広がるエッジ部ＬＥを有する略山状に形成されている。レーザ光の光強度分布は、図４に示す投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離を調整することによって適宜変更することができる。
レーザ光の光強度分布は、投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離が近付くにつれてシャープな矩形状となり、投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離が遠くなるにつれてエッジがなだらかに形成されると共に山状に形成される。
また、図５（ｂ）に示すようにレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光強度分布を矩形状にしても良い。この場合、レーザ光Ｌ１，Ｌ２が重なっている領域におけるレーザ光の強度（レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置でのレーザ光の強度であり、この場合はレーザ光Ｌ１のピーク値に対応）をＣＥとすると、前記重畳度Ｔは、Ｔ＝ＣＥ／［分解閾値ＶＥ］で計算される。
この場合においても、上記レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置でのレーザ光の強度ＣＥは、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥより大きく、かつ、分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とすることが望ましい。
【００２７】
ここで、本実施例のレーザリフトオフ処理を実行することによって得られる効果について図３、図６を用いて説明する。
図３は本実施例のレーザリフトオフ方法に使用されるレーザ光の光強度分布を示し、図６はこれと比較するためのレーザ光の光強度分布を示す。図３、図６のＬ１、Ｌ２は、図２に示すＳ１、Ｓ２の照射領域に照射されるレーザ光を示す。ワークの隣接する照射領域に照射されるレーザ光の重畳度が基板から剥離後の材料層に与える影響について、図３、６を用いて比較検討する。
図３に示すレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を有し、尚且つ、分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域においてレーザ光Ｌ１、Ｌ２は重畳度Ｔが適切な値（１以上１．１５以内）になるように重畳している。
従って、図３の実施例のレーザリフトオフ方法は、レーザ光が基板１との界面側の材料層２の表面に照射され材料層２を構成するＧａＮが分解する際に、Ｎ２ガスが急激に発生することがない。しかも、図３の実施例のレーザリフトオフ方法は、図２においてレーザ光Ｌ１とＬ２とが重畳する重畳領域ＳＴに対して照射されるレーザ光のエネルギーが、過不足なく最適なエネルギーになるため、材料層２と基板１が再接着する不具合を回避することができ、材料層２を基板１から確実に剥離させることができる。
実際に図３に示す実施例のレーザ光をワークに照射した場合の、剥離後の材料層の表面状態はとても綺麗であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。
【００２８】
これに対し、図６（ａ）の比較例に示すレーザ光をワークに照射した場合は、レーザ光Ｌ１とＬ２のそれぞれの光強度分布が分解閾値ＶＥを下回るエネルギー領域で交差しているので、図２に示すワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２との重畳領域ＳＴに照射されるレーザ光のエネルギーが不足するといった不具合がある。
実際に図６（ａ）に示す比較例のレーザ光をワークに照射した場合、材料層を構成するＧａＮの未分解領域が形成され、材料層を基板から十分に剥離させることができなかった。ＧａＮの未分解領域は、ワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２とが重畳する重畳領域ＳＴに一致していた。
一方、図６（ｂ）の比較例に示すレーザ光をワークに照射した場合は、レーザ光Ｌ１とＬ２との重畳度Ｔが大きすぎるため、図２に示すワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２との重畳領域ＳＴに過剰なエネルギーのレーザ光が照射されるといった不具合がある。
後述する図７（ｂ−４）に示すように、実際に図６（ｂ）に示す比較例のレーザ光をワークに照射した場合の、剥離後の材料層の表面状態は、表面に黒いシミのような汚れが多数形成されている。
これは、エネルギーが大きなレーザ光が同じ個所に２度照射されることにより、一度基板から剥離した材料層が、２度目に照射されるレーザ光により再接着し、基板を構成するサファイアの成分が付着したものと考えられる。このように材料層の表面に形成された黒いシミは発光特性に悪影響を及ぼす。
【００２９】
上記効果を確認するため、レーザ光が重畳する照射領域におけるレーザ光の重畳度が、剥離後の材料層に与える影響について実験を行った。
図７はその結果を示す図である。図７（ａ）は実験に使用した隣接する領域に重畳させて照射したレーザ光の光強度分布を示す図であり、本実験では、同図に示すように、矩形状の光強度分布を有するレーザ光Ｌ１，Ｌ２（ＫｒＦレーザが出力するパルスレーザ光）を、サファイア基板上にＧａＮ材料層を形成したワークに照射して行った。
レーザ光Ｌ１，Ｌ２が重畳する領域でのレーザ光の強度を、ＧａＮ材料層の分解閾値ＶＥ（８７０ｍＪ／ｃｍ２）に対して１０５％、１１０％、１１５％、１２０％と変えて照射し、剥離後の材料層の表面を調べた。
図７（ｂ−１）、（ｂ−２）（ｂ−３）、（ｂ−４）に、重畳する領域におけるレーザ光の強度を分解閾値ＶＥに対して、それぞれ１０５％、１１０％、１１５％、１２０％と変えた場合の剥離後の材料層の表面を示す。
図７（ｂ−１）、（ｂ−２）（ｂ−３）に示すように、分解閾値ＶＥに対して、重畳する領域でのレーザ光の強度が１０５％、１１０％、１１５％の場合には、剥離後の材料層の表面状態は良好であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。これに対し、レーザ光の強度を分解閾値ＶＥに対して１２０％にすると、図７（ｂ−４）に示すように、剥離後の材料層の表面状態は、黒いシミのような汚れが多数形成された。
なお、図７には示していないが、分解閾値ＶＥに対して、重畳する領域でのレーザ光の強度が１００％以下の場合も、レーザ光が重畳して照射される領域に、ＧａＮ材料層に未分解部分が発生することが確認された。
【００３０】
ところで、図７に示した例では、矩形状の光強度分布を有するレーザ光Ｌ１，Ｌ２を用いており、この場合、図８（ａ）に示すように重畳する領域でのレーザ光の強度を調整することができず、重畳する領域でのレーザ光の強度の調整は、各レーザ光Ｌ１，Ｌ２の強度を調整することにより行う必要がある。
これに対し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の光強度分布（ビームプロファイル）を前記図３に示したように、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥを有する形状とすることにより、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射間隔（あるいはワークの移動速度）を調整し、上記エッジ部ＬＥの重なり程度を調整することで、重畳部分におけるレーザ光の強度を自在に調整することができる。
図８（ｂ−１）はレーザ光Ｌ１，Ｌ２の重ね量が適正な場合であり、照射間隔（あるいはワークの移動速度）を適切に調整した場合であり、同図（ｂ−２）に示すように剥離後の材料層の表面状態は良好であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。
図８（Ｃ−１）はレーザ光Ｌ１，Ｌ２の重ね量が大きく、重畳する領域におけるレーザ光の強度が分解閾値ＶＥに対して１１５％を超える場合であり、同図（Ｃ−２）に示すように、剥離後の材料層の表面状態は、黒いシミのような汚れが多数形成された。
【００３１】
また、レーザ光１０７を図４に示すレーザ光学系４０によって、図３に示す断面において、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を有するように成形することにより、図９に示すレーザ光をＧａＮ層１０２に照射した際に、レーザ光の照射領域のエッジ部において急激なレーザアブレーションが行わることを緩和することができる。
よって、ＧａＮ層１０２の分解時にＮ２ガスが急激に発生することによる過剰な応力がＧａＮ層１０２に加わることを緩和し、剥離後のＧａＮ層１０２へのクラック発生を確実に低減することができる。
さらに、本発明においては、レーザ光はＧａＮ層１０２の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が適切な重畳度となるように重畳されている。それにより、ＧａＮ層１０２のレーザ光の各照射領域のエッジ部に照射されるレーザ光のエネルギーが、ＧａＮ層１０２を剥離させるために十分であり、ＧａＮ層１０２をサファイア基板１０１から確実に剥離させることができる。
【００３２】
次に、上記したレーザリフトオフ処理を適用することができる半導体発光素子の製造方法について説明する。以下ではＧａＮ系化合物材料層により形成される半導体発光素子の製造方法について図９を用いて説明する。
結晶成長用の基板には、レーザ光を透過し材料層を構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を結晶成長させることができるサファイア基板を使用する。
図９（ａ）に示すように、サファイア基板１０１上には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて迅速にＧａＮ系化合物半導体よりなるＧａＮ層１０２が形成される。続いて、図９（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１０２の表面には、発光層であるｎ型半導体層１０３とｐ型半導体層１０４とを積層させる。例えば、ｎ型半導体としてはシリコンがドープされたＧａＮが用いられ、ｐ型半導体としてはマグネシウムがドープされたＧａＮが用いられる。続いて、図９（ｃ）に示すように、ｐ型半導体層１０４上には、半田１０５が塗布される。続いて、図９（ｄ）に示すように、半田１０５上にサポート基板１０６が取付けられる。サポート基板１０６は例えば銅とタングステンの合金からなる。そして、図９（ｅ）に示すように、サファイア基板１０１の裏面側からサファイア基板１０１とＧａＮ層１０２との界面に向けてレーザ光１０７を照射し、ＧａＮ層１０２を分解することによってサファイア基板１０１を剥離する。サファイア基板１０１から剥離後のＧａＮ層１０２の表面に透明電極であるＩＴＯ１０８を蒸着により形成し、ＩＴＯ１０８の表面に電極１０９を取付ける。
【符号の説明】
【００３３】
１ 基板
２ 材料層
３ ワーク
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 搬送機構
３３ 制御部
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
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮ層
１０３ ｎ型半導体層
１０４ ｐ型半導体層
１０５ 半田
１０６ サポート基板
１０７ レーザ光
１０８ 透明電極（ＩＴＯ）
１０９ 電極
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザ光
ＬＥ エッジ部
ＶＥ 分解閾値
【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、基板上に形成された材料層にレーザ光を照射することによって、当該材料層を分解して当該基板から剥離する（以下、レーザリフトオフという）ためのレーザリフトオフ方法及びレーザリフトオフ装置に関する。
特に、本発明は、ワーク上のレーザ光照射領域を刻々と変えながら、ワーク上の隣接する照射領域に照射される各レーザ光が重畳するようにしてレーザ光を照射することにより、材料層を基板から剥離するレーザリフトオフ方法及びレーザリフトオフ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＮ（窒化ガリウム）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、サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を当該サファイア基板の裏面から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。
例えば、特許文献１においては、サファイア基板の上にＧａＮ層を形成し、当該サファイア基板の裏面からレーザ光を照射することにより、ＧａＮ層を形成するＧａＮが分解され、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。
ところで、サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物結晶層を当該サファイア基板の裏面からレーザ光を照射することにより剥離するためには、ＧａＮ系化合物をＧａとＮ２とに分解するために必要な分解閾値以上の照射エネルギーを有するレーザ光を照射することが重要になる。
ここで、レーザ光を照射した際には、ＧａＮが分解することによりＮ２ガスが発生することから、当該ＧａＮ層にせん断応力が加わり、当該レーザ光の照射領域の境界部においてクラックが生じる場合がある。例えば、図１０に示すように、レーザ光の１ショットの照射領域１１０が正方形状である場合、ＧａＮ層１１１のレーザ光の照射領域の境界１１２にクラックが発生してしまう問題がある。
【０００３】
特に、数μｍ以下の厚みのＧａＮ系化合物結晶層を用いて素子を形成する場合には、ＧａＮ系化合物結晶層がＮ２ガス発生によるせん断応力に耐えるための十分な強度を有しない場合もあり、容易にクラックが発生してしまう。更に、ＧａＮ系化合物結晶層のみならず、その上に形成された結晶層にクラックが伝播し、素子そのものが破壊されてしまう場合もあり、微小なサイズの素子を形成する際の問題となっている。
かかる問題に対して特許文献２には、サファイア基板上に形成されたＧａＮ層を半導体発光素子のチップに対応するよう分離するためのストリートを形成し、レーザリフトオフの工程を実行中にサファイア基板とＧａＮ層との界面で発生する残留応力を、当該ストリートによって緩和する技術が開示されている。
同文献によれば、ＧａＮ層を小領域に分断し、周囲からの残留応力による影響を最小にし、また、小領域自体は最小の残留応力しか有しないようにすることによって、レーザリフトオフの最中におけるＧａＮ層の割れを低減することができる、とされている。
【０００４】
このように、ＧａＮ層にストリート（チップ分離用境界線：スクライブライン）を形成してレーザリフトオフの工程を実行するときには、特許文献２のＦｉｇ．１３に示すように、レーザ光の照射領域のエッジ部が当該ストリートに一致するようにレーザ光を照射することが好ましい。これは、各レーザ光の照射領域は必然的にそれぞれの端部同士が重畳することになるが、各レーザ光の照射領域がＧａＮ層の表面（つまり、ストリート以外の部分）において重畳すると、当該重畳した領域に照射されるレーザ光のエネルギーが過大になるため、ＧａＮ層に悪影響を生じるおそれがあるからである。
【０００５】
しかしながら、ＧａＮ層にストリートを形成した場合は、前記した残留応力を緩和するためにストリートの幅をある程度大きくしなければならないが、そうすることによって、１枚のサファイア基板から採取される半導体発光素子のチップの個数が減少するという問題がある。
而して、ＧａＮ層にストリートを形成した場合は、レーザ光の照射領域のエッジ部がストリートに一致するように、レーザ光の照射領域とサファイア基板上に形成されたＧａＮ層とを精度良くアライメントすることが必要になる。したがって、ストリートの幅を小さくした場合は、レーザ光の照射領域のエッジ部をＧａＮ層に形成されたストリート上に精度良くアライメントすることが困難になり、アライメントのための装置構成が複雑になるばかりか、その操作・管理が難しくなる。
さらには、半導体発光素子のチップサイズが相違する毎に、上記したアライメントを行うことが必要になるため、レーザリフトオフの工程が極めて複雑化するといった問題が生じる。
【０００６】
一方、特許文献３には、上記のようなストリートをＧａＮ層に形成することなく、ＧａＮ層の割れを低減することを目的として、図１１に示すように、サファイア基板１２１とＧａＮ系化合物の結晶層１２２の界面への照射領域１２３がライン状になるようにレーザ光１２４を成形し、サファイア基板１２１をレーザ光１２４の長手方向と垂直方向に移動させながら、当該レーザ光１２４をサファイア基板１２１の裏面から照射する技術が開示されている。同文献には、レーザ光１２４が光学系の解像度以下のライン幅になるように成形されていることにより、図１２に示すように、レーザ光１２４のライン幅方向の光強度分布が、略中央にピークを有し当該ピークからエッジ部に向けてなだらかになっていることが記載されている。
同文献によれば、レーザ光１２４を上記のように成形することにより、レーザ光１２４を結晶層１２２に照射した際のレーザ光１２４のライン幅方向のエッジ部に当る照射領域で急激なレーザアブレーションが行われない。したがって、ＧａＮ層である結晶層１２２の分解時にＮ２が急激に発生することがないので、過剰な応力が結晶層１２２に加わらず、結晶層１２２及びその上に形成される素子へのクラック発生を低減することができる、とされている。
しかしながら、本発明者らが上記特許文献３に開示されるレーザリフトオフ工程を検証したところ、ＧａＮ層である結晶層に発生する割れを低減する効果は、必ずしも十分でないことが確認された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００１−５０１７７８号公報
【特許文献２】特表２００７−５３４１６４号公報
【特許文献３】特開２００３−１６８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
具体的に、本発明者らは、特許文献３に従って、サファイア基板上に形成された結晶層をライン状に成形されたレーザ光の長手方向と垂直な方向に移動させ、サファイア基板の移動速度及び間歇的に照射されるパルスレーザ光の照射間隔を適宜変更して、ライン状に成形したレーザ光を結晶層に照射したところ、結晶層であるＧａＮ層にクラックが生じることが確認された。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の第１の目的は、基板上に形成された結晶層（以下材料層と呼ぶ）に割れを生じさせることなく、当該基板から当該材料層を剥離することができるレーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置を提供することである。
また、本発明の第２の目的は、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーを与えることで基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、かつ、基板に材料層が再接着する等の不具合を生じさせることなく、当該基板から当該材料層を剥離することができるレーザリフトオフ方法およびレーザリフトオフ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
レーザリフトオフでは、材料層が形成されたサファイア基板（以下、ワークという）或いはレーザ源をスキャンさせ、ワークに対するレーザ光の照射領域を刻々と変えながらレーザ光を材料層に照射することが通常行われる。それは、レーザ源から出射するレーザ光の照射領域をワークと同等の大きさにすることは困難だからである。このため、ワーク上の隣接する各レーザ光の照射領域のエッジ部は必然的に重畳することになるが、レーザリフトオフの工程では、いかにして各レーザ光を重畳させるかが極めて重要である。これについて図２を用いて説明する。
レーザリフトオフ工程では、パルスレーザ光を出射するレーザ源を使用し、レーザ光の照射領域が刻々と変わるようにレーザ光を照射している。つまり、後述する図２を用いて説明すると、パルスレーザ光の照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に、ワーク或いはレーザ源を搬送して次なる領域Ｓ２にレーザ光を照射する。このとき、パルスレーザ光の照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する。
【００１０】
ここで、照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する領域ＳＴにおいては、以下の理由により、照射領域Ｓ１およびＳ２のそれぞれに照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されない。これは、照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に照射領域をＳ１からＳ２に移行させたときには、照射領域Ｓ１のＧａＮの温度が室温レベルまで低下するのに要する時間が、照射領域をＳ１からＳ２に移行させるまでの時間に比べて格段に短いため、領域Ｓ１の温度は既に室温レベルまで低下した状態となるためであると考えられる。
本発明者らがシミュレーションにより検討したところでは、照射領域Ｓ１のＧａＮの温度が室温レベルまで低下するのに要する時間は１００マイクロ秒以内であると推定される。照射領域Ｓ１の温度が室温レベルに低下した状態で照射領域Ｓ２にレーザ光を照射したとしても、照射領域Ｓ１とＳ２とが重畳した領域ＳＴは、照射領域Ｓ２に照射されたレーザ光によって加熱されるのみである。
このように、照射領域Ｓ１、Ｓ２が重畳する領域ＳＴにおいては、それぞれの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されないので、領域Ｓ１、Ｓ２のそれぞれに照射されるパルスレーザ光を、材料層の分解閾値を超えるエネルギー領域で重畳させることが必要である。
【００１１】
一方、上記照射領域Ｓ１とＳ２のそれぞれのエッジ部が重畳する領域ＳＴにおける、それぞれのパルスレーザ光の強度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値に対して大きすぎると、基板に材料層が再接着する等の不具合を生ずることが確認された。
これは、同じ領域に、強度が大きなパルスレーザ光が２度照射されることにより、一度基板から剥離した材料層が、２度目に照射されるパルスレーザ光により再接着するものと考えられる。
実験等により、各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度は、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下にするのが望ましいことが分かった。したがって、上記のような基板と材料層が再接着するという不具合を回避するためには、各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度が大きすぎないようにすることが望ましい。
ここで、［レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度（最大値）］／［分解閾値ＶＥ］を重畳度Ｔと定義すると、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させるためには、重畳度Ｔを１≦Ｔとするのが望ましく、また、基板と材料層の再接着を回避するためには、Ｔ≦１．１５とするのが望ましい。
【００１２】
以上に基づき、本発明においては、以下のようにして前記課題を解決する。
（１）基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通して、パルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ方法において、前記パルスレーザ光を、ワークに対する照射領域を刻々と変えながら、前記ワークにおいて隣接する各照射領域が重畳するように照射し、重畳するそれぞれのパルスレーザ光の大きさが、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギーの大きさになるようにする。
（２）上記（１）において、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とする。
（３）上記（１）（２）において、前記ワークを、第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行し、順次、各照射領域に前記パルスレーザ光を照射する。
（４）上記レーザリフトオフを行うレーザリフトオフ装置において、レーザ源から発したパルスレーザ光を成形して、前記ワークに照射する投影レンズを有するレーザ光学系を設け、前記ワークの光入射面が、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致しないように配置する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のレーザリフトオフ方法によれば、次の効果を期待することができる。
（１）ワーク上の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が、材料層を分解するために必要な分解閾値を超えるエネルギー領域で重畳しているので、各レーザ光が重畳するように照射された領域において、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーが与えられるので、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。
（２）隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とすることにより、基板と材料層が再接着するという不具合を回避することができる。
（３）ワークの光入射面が、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致しないように配置することにより、ワークに照射されるパルスレーザ光のビームプロファイルをなだらかな形状とする（照射されるパルスレーザ光の周縁部の光照度分布をピーク部からエッジ部に向けてなだらかに低下する形状とする）ことができる。これにより、パルスレーザ光の照射間隔を調整する（ワークを一定速度で搬送している場合）か、あるいは、ワークの搬送速度を調整する（パルスレーザ光の照射間隔が一定の場合）ことで、各レーザ光が重畳している領域における各レーザ光の強度を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例のレーザリフトオフ処理の概要を説明する概念図である。
【図２】レーザ光がワークに照射される様子を示す図である。
【図３】本発明の実施例において、ワークの互いに隣接する領域Ｓ１、Ｓ２に重畳して照射されるレーザ光の光強度分布を示す図である。
【図４】本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
【図５】レーザ光の光強度分布のその他の実施例を示す図である。
【図６】本実施例のレーザ光の光強度分布と比較するための比較例を示す図である。
【図７】レーザ光の重畳度が剥離後の材料層に与える影響を調べた実験結果を示す図である。
【図８】レーザ光の光強度分布をなだらかな形状とすることにより、重畳部分におけるレーザ光の強度を調整できることを説明する図である。
【図９】レーザリフトオフ処理を適用することができる半導体発光素子の製造方法を説明する図である。
【図１０】レーザ光の１ショットの照射領域が正方形状である場合を示す図である。
【図１１】ライン状のレーザ光を、レーザ光の長手方向と垂直方向に移動させながら、基板の裏面から照射する従来技術を説明する図である。
【図１２】図１１に示す従来技術におけるレーザ光の光強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理の概要を説明する概念図である。
同図に示すように、本実施例において、レーザリフトオフ処理は次のように行われる。
レーザ光を透過する基板１上に材料層２が形成されたワーク３が、ワークステージ３１上に載置されている。ワーク３を載せたワークステージ３１は、コンベヤのような搬送機構３２に載置され、搬送機構３２によって所定の速度で搬送される。ワーク３は、ワークステージ３１と共に図中の矢印ＡＢＣ方向に搬送されながら、基板１を通じて、図示しないパルスレーザ源から出射するパルスレーザ光Ｌが照射される。
ワーク３は、サファイアからなる基板１の表面に、ＧａＮ（窒化ガリウム）系化合物の材料層２が形成されてなるものである。基板１は、ＧａＮ系化合物の材料層を良好に形成することができ、尚且つ、ＧａＮ系化合物材料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。材料層２には、低い入力エネルギーによって高出力の青色光を効率良く出力するためにＧａＮ系化合物が用いられる。
【００１６】
レーザ光は、基板１および基板１から剥離する材料層を構成する物質に対応して適宜選択すべきである。サファイアの基板１からＧａＮ系化合物の材料層２を剥離する場合には、例えば波長２４８ｎｍを放射するＫｒＦ（クリプトンフッ素）エキシマレーザを用いることができる。レーザ波長２４８ｎｍの光エネルギーは、ＧａＮのバンドギャップ（３．４ｅＶ）とサファイアのバンドギャップ（９．９ｅＶ）の間にある。したがって、波長２４８ｎｍのレーザ光はサファイアの基板からＧａＮ系化合物の材料層を剥離するために望ましい。
【００１７】
続いて、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理について、図１及び２を用いて説明する。図２は、レーザ光Ｌがワーク３に照射される様子を示す図である。
図２（ａ）はワーク３に対するレーザ光の照射方法を示し、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ部を拡大して示したものであり、図２（ｂ）では、ワーク３の各照射領域の照射されるレーザ光の光強度分布の断面の一例を示している。なお、図２に示すワーク３上の実線は、レーザ光の照射領域を仮想的に示すものに過ぎない。
ワーク３は、搬送機構３２によって図２に示す矢印ＨＡ、ＨＢ、ＨＣの方向に繰返し搬送される。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と材料層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。
ワーク３は、図１、２に示すように、ワーク自体のサイズに対応して、図１の矢印Ａの方向に搬送される第１の搬送動作ＨＡと、レーザ光の１ショットの照射領域Ｓに相当する距離から重畳領域ＳＴを差し引いた距離だけ第１の搬送動作ＨＡの搬送方向と直交する方向（図１の矢印Ｃの方向）に搬送される第２の搬送動作ＨＢと、図１の矢印Ｂの方向に搬送される第３の搬送動作ＨＣとが順次に実行される。第１の搬送動作ＨＡおよび第３の搬送動作ＨＣのそれぞれの搬送方向は１８０°異なっている。
ここで、レーザ光の光学系は固定されたままであり搬送されない。つまり、レーザ光の光学系を固定した状態でワーク３のみが搬送されることによって、ワーク３におけるレーザ光Ｌの照射領域が、図２の矢印に示すようにＳ１ないしＳ１２の順に相対的に刻々と変わることになる。
【００１８】
次に、本発明の実施例のレーザリフトオフ処理についてより具体的に説明する。図２に示す実施例では、ワーク３は円形状の輪郭を持つものであるが、レーザ光の照射領域が略方形状となっており、このような方形状の照射領域に対するレーザ照射方法について説明する。
図２に示すように、ワーク３を図２のＨＡ方向に搬送させながら、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の４つの照射領域に対して、それぞれ１回ずつ合計４回に亘りレーザ光を照射する。これが第１の搬送動作である。
次に、レーザ光がワーク３の次なる照射領域Ｓ５に照射されるようにするため、ワーク３を図２のＨＢ方向に搬送する。これが第２の搬送動作である。ワーク３が矢印ＨＢ方向に搬送される距離は、パルスレーザ光の１ショット（１パルス）分の照射領域に相当する距離から重畳領域ＳＴを差し引いた距離に等しい。
その次に、ワーク３を図２のＨＣ方向に搬送させながら、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０の６つの照射領域に対して、それぞれ１回ずつ合計６回に亘りレーザ光を照射する。これが第３の搬送動作である。ワーク３のその他の照射領域についても上記の一連の手順に従ってワーク３を搬送することにより、ワーク３の全域に亘りレーザ光が照射される。
【００１９】
レーザ光の照射領域は、図２に示すようにＳ１、Ｓ２、Ｓ３の順に相対的に移動することになるが、それぞれの照射領域は例えば０．５ｍｍ×０．５ｍｍであり面積は０．２５ｍｍ２とされる。これに対して、ワーク３の面積は４５６０ｍｍ２である。つまり、レーザ光の照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３はワーク面積に比して遥かに小さいものである。
本実施例のレーザリフトオフ処理では、ワーク３に比して小さい照射領域のレーザ光が図１に示す矢印ＡおよびＢの方向（つまりワークの左右方向）にスキャンしながらワーク３に対して照射される。なお、本発明の実施例とは逆に、ワークを固定したままで、上記した搬送動作ＨＡないしＨＣに従ってレーザの光学系を搬送しても良い。要は、ワーク上のレーザ光の照射領域が時間とともに刻々と移り変わるように、ワークに対してレーザ光が照射されれば良い。
【００２０】
ここで、本発明のレーザリフトオフ処理においては、図２（ｂ）に示すように、レーザ光がワーク３の互いに隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において、間歇的に照射される各レーザ光の幅方向の端部が互いに重畳するようにワーク３に照射される。レーザ光Ｌは、パルスレーザ光であり、間歇的にワーク３に照射される。ワーク３の照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３においてレーザ光が重畳する幅は、例えば０．１ｍｍである。
レーザ光のパルス間隔は、ワーク３の搬送速度と、ワーク３上の隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…に照射されるレーザ光の重畳領域ＳＴの幅を考慮して適宜設定される。
基本的にはワーク３が次なる照射領域に移動する前にレーザ光がワークに照射されることのないように、レーザ光のパルス間隔が決められる。つまり、レーザ光のパルス間隔は、ワーク３がレーザ光の１ショット分の照射領域に相当する距離を移動するために要する時間よりも長く設定される。例えば、ワーク３の搬送速度が１００ｍｍ／秒、レーザ光の重畳領域ＳＴの幅が０．１ｍｍである場合、レーザ光のパルス間隔は０．００４秒（２５０Ｈｚ）である。
【００２１】
図３は、図２に示すワーク３の互いに隣接する領域Ｓ１、Ｓ２に重畳するようにワークに照射されるレーザ光の光強度分布を示す図であり、図２（ｂ）におけるａ−ａ´線断面図である。
同図において縦軸はワークの各照射領域に照射されるレーザ光の強度（エネルギー値）を、横軸はワークの搬送方向を示す。また、Ｌ１、Ｌ２は、それぞれワークの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるレーザ光のプロファイルを示す。なお、レーザ光Ｌ１，Ｌ２は同時に照射されるわけではなく、レーザ光Ｌ１が照射されてから１パルス間隔後にレーザ光Ｌ２が照射される。
この例では、図３に示すように、レーザ光Ｌ１、Ｌ２の断面は、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上（ピークエネルギーＰＥ）に平坦面を有する略台形状に形成されている。そして、レーザ光Ｌ１、Ｌ２は、図３に破線で示すように、ＧａＮ系化合物の材料層を分解してサファイアの基板から剥離させるために必要な分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域において重畳される。
【００２２】
すなわち、各レーザ光の光強度分布における、レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度（エネルギー値）ＣＥは、上記分解閾値ＶＥを越える値になるように設定される。
これは、前述したように、図２の照射領域Ｓ１にレーザ光を照射した後に照射領域をＳ１からＳ２に移行させたとき、領域Ｓ１の温度は既に室温レベルまで低下した状態となるため、照射領域Ｓ１の温度が室温レベルに低下した状態で照射領域Ｓ２にレーザ光を照射したとしても、それぞれの照射領域Ｓ１、Ｓ２に照射されるパルスレーザ光の照射量が積算されないためである。
レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度ＣＥ、すなわち、レーザ光が重畳して照射される領域におけるそれぞれのパルスレーザ光の強度を、上記分解閾値ＶＥを越える値になるように設定することで、材料層を基板から剥離させるために十分なレーザエネルギーが与えることができ、基板上に形成された材料層に割れを生じさせることなく、材料層を基板から確実に剥離させることができる。すなわち、前記段落００１１に定義される重畳度Ｔは、１≦Ｔとするのが望ましい。
なお、ワーク３とレーザ光の相対的な移動量に対して、レーザ光のパルス間隔は、ワーク３の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が前記のように重畳するように予め調整されている。同図に示す実施例では、材料層がＧａＮであるため、分解閾値は５００〜１５００Ｊ／ｃｍ２である。分解閾値ＶＥは、材料層を構成する物質毎に設定することが必要とされる。
【００２３】
ここで、上記のようにレーザ光Ｌ１とＬ２とは分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域で重畳されるが、後述するように、基板と材料層が再接着するという不具合を回避するためには、重畳するそれぞれのレーザ光の分解閾値ＶＥに対する大きさの割合を適切な値に設定する必要があり、具体的に、上記分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下になるように設定するのが望ましいことが分かった。
図３の実施例では、各レーザ光の光強度分布におけるレーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置Ｃでのレーザ光の強度（エネルギー値）ＣＥは、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下になるように設定する。
すなわち、前記重畳度Ｔは、Ｔ≦１．１５とするのが望ましい。
【００２４】
図４は、本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
同図において、レーザリフトオフ装置１０は、前記したパルスレーザ光を出射するレーザ源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３が載置されるワークステージ３１と、ワークステージ３１を搬送する搬送機構３２と、レーザ源２０で発生するレーザ光の照射間隔および搬送機構３２の動作を制御する制御部３３とを備えている。
光学系４０は、シリンドリカルレンズ４１、４２と、レーザ光をワークの方向へ反射するミラー４３と、レーザ光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をワーク３上に集光させる投影レンズ４５とを備えている。
光学系４０の先にはワーク３が配置されている。ワーク３はワークステージ３１上に載置されている。ワークステージ３１は搬送機構３２に載置されており、搬送機構３２によって搬送される。これにより、ワーク３が、前記図１に示した矢印Ａ、Ｂ、Ｃの方向に順次に搬送され、ワーク３におけるレーザ光の照射領域が刻々と変わる。制御部３３は、ワーク３の隣接する照射領域に照射される各レーザ光の重畳度が所望の値になるように、レーザ源２０で発生するパルスレーザ光のパルス間隔を制御する。
【００２５】
レーザ源２０から発生するレーザ光Ｌは波長２４８ｎｍの紫外線を発生する、例えばＫｒＦエキシマレーザである。レーザ源としてＡｒＦレーザやＹＡＧレーザを使用しても良い。
ここで、ワーク３の光入射面３Ａは、投影レンズ４５の焦点Ｆよりもレーザ光の光軸方向において遠方側に配置するか、これとは反対に、レーザ光の光軸方向において、ワーク３の光入射面３Ａを投影レンズ４５の焦点Ｆよりも投影レンズ４５に近づけるように配置しても良い。このように、ワーク３の光入射面３Ａを投影レンズ４５の焦点Ｆに一致しないように配置することにより、図３に示すような、レーザ光Ｌ１，Ｌ２のビームプロファイルのエッジ部ＬＥがなだらかに低下する、断面が台形状の光強度分布を持つレーザ光が得られる。
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３上に集光される。
投影レンズ４５により、ワーク３の光入射面３Ａに入射されるレーザ光は、図３に示す断面において、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を持つように成形される。
【００２６】
ワークの隣接する照射領域に重畳するように照射される各々のレーザ光の光強度分布は、上記したように断面が略台形状であることが理想的であるが、必ずしも台形状でなくても良い。
図５は、ワークに照射されるレーザ光の光強度分布のその他の実施例を示す。
図５（ａ）に示すレーザ光の光強度分布は、中央にピークが位置すると共に、該ピークに続いてなだらかに広がるエッジ部ＬＥを有する略山状に形成されている。レーザ光の光強度分布は、図４に示す投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離を調整することによって適宜変更することができる。
レーザ光の光強度分布は、投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離が近付くにつれてシャープな矩形状となり、投影レンズ４５の焦点Ｆとワーク３の光入射面３Ａとの距離が遠くなるにつれてエッジがなだらかに形成されると共に山状に形成される。
また、図５（ｂ）に示すようにレーザ光Ｌ１，Ｌ２の光強度分布を矩形状にしても良い。この場合、レーザ光Ｌ１，Ｌ２が重なっている領域におけるレーザ光の強度（レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置でのレーザ光の強度であり、この場合はレーザ光Ｌ１のピーク値に対応）をＣＥとすると、前記重畳度Ｔは、Ｔ＝ＣＥ／［分解閾値ＶＥ］で計算される。
この場合においても、上記レーザ光Ｌ１とＬ２との交差位置でのレーザ光の強度ＣＥは、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥより大きく、かつ、分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下とすることが望ましい。
【００２７】
ここで、本実施例のレーザリフトオフ処理を実行することによって得られる効果について図３、図６を用いて説明する。
図３は本実施例のレーザリフトオフ方法に使用されるレーザ光の光強度分布を示し、図６はこれと比較するためのレーザ光の光強度分布を示す。図３、図６のＬ１、Ｌ２は、図２に示すＳ１、Ｓ２の照射領域に照射されるレーザ光を示す。ワークの隣接する照射領域に照射されるレーザ光の重畳度が基板から剥離後の材料層に与える影響について、図３、６を用いて比較検討する。
図３に示すレーザ光Ｌ１、Ｌ２は、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を有し、尚且つ、分解閾値ＶＥを超えるエネルギー領域においてレーザ光Ｌ１、Ｌ２は重畳度Ｔが適切な値（１以上１．１５以内）になるように重畳している。
従って、図３の実施例のレーザリフトオフ方法は、レーザ光が基板１との界面側の材料層２の表面に照射され材料層２を構成するＧａＮが分解する際に、Ｎ２ガスが急激に発生することがない。しかも、図３の実施例のレーザリフトオフ方法は、図２においてレーザ光Ｌ１とＬ２とが重畳する重畳領域ＳＴに対して照射されるレーザ光のエネルギーが、過不足なく最適なエネルギーになるため、材料層２と基板１が再接着する不具合を回避することができ、材料層２を基板１から確実に剥離させることができる。
実際に図３に示す実施例のレーザ光をワークに照射した場合の、剥離後の材料層の表面状態はとても綺麗であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。
【００２８】
これに対し、図６（ａ）の比較例に示すレーザ光をワークに照射した場合は、レーザ光Ｌ１とＬ２のそれぞれの光強度分布が分解閾値ＶＥを下回るエネルギー領域で交差しているので、図２に示すワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２との重畳領域ＳＴに照射されるレーザ光のエネルギーが不足するといった不具合がある。
実際に図６（ａ）に示す比較例のレーザ光をワークに照射した場合、材料層を構成するＧａＮの未分解領域が形成され、材料層を基板から十分に剥離させることができなかった。ＧａＮの未分解領域は、ワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２とが重畳する重畳領域ＳＴに一致していた。
一方、図６（ｂ）の比較例に示すレーザ光をワークに照射した場合は、レーザ光Ｌ１とＬ２との重畳度Ｔが大きすぎるため、図２に示すワークにおいてレーザ光Ｌ１とＬ２との重畳領域ＳＴに過剰なエネルギーのレーザ光が照射されるといった不具合がある。
後述する図７（ｂ−４）に示すように、実際に図６（ｂ）に示す比較例のレーザ光をワークに照射した場合の、剥離後の材料層の表面状態は、表面に黒いシミのような汚れが多数形成されている。
これは、エネルギーが大きなレーザ光が同じ個所に２度照射されることにより、一度基板から剥離した材料層が、２度目に照射されるレーザ光により再接着し、基板を構成するサファイアの成分が付着したものと考えられる。このように材料層の表面に形成された黒いシミは発光特性に悪影響を及ぼす。
【００２９】
上記効果を確認するため、レーザ光が重畳する照射領域におけるレーザ光の重畳度が、剥離後の材料層に与える影響について実験を行った。
図７はその結果を示す図である。図７（ａ）は実験に使用した隣接する領域に重畳させて照射したレーザ光の光強度分布を示す図であり、本実験では、同図に示すように、矩形状の光強度分布を有するレーザ光Ｌ１，Ｌ２（ＫｒＦレーザが出力するパルスレーザ光）を、サファイア基板上にＧａＮ材料層を形成したワークに照射して行った。
レーザ光Ｌ１，Ｌ２が重畳する領域でのレーザ光の強度を、ＧａＮ材料層の分解閾値ＶＥ（８７０ｍＪ／ｃｍ２）に対して１０５％、１１０％、１１５％、１２０％と変えて照射し、剥離後の材料層の表面を調べた。
図７（ｂ−１）、（ｂ−２）（ｂ−３）、（ｂ−４）に、重畳する領域におけるレーザ光の強度を分解閾値ＶＥに対して、それぞれ１０５％、１１０％、１１５％、１２０％と変えた場合の剥離後の材料層の表面を示す。
図７（ｂ−１）、（ｂ−２）（ｂ−３）に示すように、分解閾値ＶＥに対して、重畳する領域でのレーザ光の強度が１０５％、１１０％、１１５％の場合には、剥離後の材料層の表面状態は良好であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。これに対し、レーザ光の強度を分解閾値ＶＥに対して１２０％にすると、図７（ｂ−４）に示すように、剥離後の材料層の表面状態は、黒いシミのような汚れが多数形成された。
なお、図７には示していないが、分解閾値ＶＥに対して、重畳する領域でのレーザ光の強度が１００％以下の場合も、レーザ光が重畳して照射される領域に、ＧａＮ材料層に未分解部分が発生することが確認された。
【００３０】
ところで、図７に示した例では、矩形状の光強度分布を有するレーザ光Ｌ１，Ｌ２を用いており、この場合、図８（ａ）に示すように重畳する領域でのレーザ光の強度を調整することができず、重畳する領域でのレーザ光の強度の調整は、各レーザ光Ｌ１，Ｌ２の強度を調整することにより行う必要がある。
これに対し、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の光強度分布（ビームプロファイル）を前記図３に示したように、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥを有する形状とすることにより、レーザ光Ｌ１，Ｌ２の照射間隔（あるいはワークの移動速度）を調整し、上記エッジ部ＬＥの重なり程度を調整することで、重畳部分におけるレーザ光の強度を自在に調整することができる。
図８（ｂ−１）はレーザ光Ｌ１，Ｌ２の重ね量が適正な場合であり、照射間隔（あるいはワークの移動速度）を適切に調整した場合であり、同図（ｂ−２）に示すように剥離後の材料層の表面状態は良好であり、汚れ、傷などといった発光特性に悪影響を与えるものは見あたらなかった。
図８（Ｃ−１）はレーザ光Ｌ１，Ｌ２の重ね量が大きく、重畳する領域におけるレーザ光の強度が分解閾値ＶＥに対して１１５％を超える場合であり、同図（Ｃ−２）に示すように、剥離後の材料層の表面状態は、黒いシミのような汚れが多数形成された。
【００３１】
また、レーザ光１０７を図４に示すレーザ光学系４０によって、図３に示す断面において、周方向になだらかに広がるエッジ部ＬＥに続いて頂上に平坦面を有する略台形状の光強度分布を有するように成形することにより、図９に示すレーザ光をＧａＮ層１０２に照射した際に、レーザ光の照射領域のエッジ部において急激なレーザアブレーションが行わることを緩和することができる。
よって、ＧａＮ層１０２の分解時にＮ２ガスが急激に発生することによる過剰な応力がＧａＮ層１０２に加わることを緩和し、剥離後のＧａＮ層１０２へのクラック発生を確実に低減することができる。
さらに、本発明においては、レーザ光はＧａＮ層１０２の隣接する照射領域に照射されるレーザ光が適切な重畳度となるように重畳されている。それにより、ＧａＮ層１０２のレーザ光の各照射領域のエッジ部に照射されるレーザ光のエネルギーが、ＧａＮ層１０２を剥離させるために十分であり、ＧａＮ層１０２をサファイア基板１０１から確実に剥離させることができる。
【００３２】
次に、上記したレーザリフトオフ処理を適用することができる半導体発光素子の製造方法について説明する。以下ではＧａＮ系化合物材料層により形成される半導体発光素子の製造方法について図９を用いて説明する。
結晶成長用の基板には、レーザ光を透過し材料層を構成する窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体を結晶成長させることができるサファイア基板を使用する。
図９（ａ）に示すように、サファイア基板１０１上には、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて迅速にＧａＮ系化合物半導体よりなるＧａＮ層１０２が形成される。続いて、図９（ｂ）に示すように、ＧａＮ層１０２の表面には、発光層であるｎ型半導体層１０３とｐ型半導体層１０４とを積層させる。例えば、ｎ型半導体としてはシリコンがドープされたＧａＮが用いられ、ｐ型半導体としてはマグネシウムがドープされたＧａＮが用いられる。続いて、図９（ｃ）に示すように、ｐ型半導体層１０４上には、半田１０５が塗布される。続いて、図９（ｄ）に示すように、半田１０５上にサポート基板１０６が取付けられる。サポート基板１０６は例えば銅とタングステンの合金からなる。そして、図９（ｅ）に示すように、サファイア基板１０１の裏面側からサファイア基板１０１とＧａＮ層１０２との界面に向けてレーザ光１０７を照射し、ＧａＮ層１０２を分解することによってサファイア基板１０１を剥離する。サファイア基板１０１から剥離後のＧａＮ層１０２の表面に透明電極であるＩＴＯ１０８を蒸着により形成し、ＩＴＯ１０８の表面に電極１０９を取付ける。
【符号の説明】
【００３３】
１ 基板
２ 材料層
３ ワーク
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 搬送機構
３３ 制御部
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
１０１ サファイア基板
１０２ ＧａＮ層
１０３ ｎ型半導体層
１０４ ｐ型半導体層
１０５ 半田
１０６ サポート基板
１０７ レーザ光
１０８ 透明電極（ＩＴＯ）
１０９ 電極
Ｌ，Ｌ１，Ｌ２ レーザ光
ＬＥ エッジ部
ＶＥ 分解閾値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ方法において、
前記パルスレーザ光は、ワークに対する照射領域を刻々と変えながら上記ワークに照射され、
前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射されるそれぞれのパルスレーザ光が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギー領域において重畳する
ことを特徴とするレーザリフトオフ方法。
【請求項２】
前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザリフトオフ方法。
【請求項３】
前記ワークを第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、前記ワークを第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記ワークを前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ方法。
【請求項４】
基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ装置において、
前記基板を透過すると共に前記材料層を分解するために必要な波長域のパルスレーザ光を発生するレーザ源と、
前記ワークと前記レーザ源とを相対的に搬送する搬送機構と、
前記レーザ源から発したパルスレーザ光を成形して、前記ワークに照射するレーザ光学系と、
前記レーザ光の照射間隔を制御するとともに、前記搬送機構を制御して、レーザ光の１ショット毎にワークに対する照射領域が刻々と変わるようにワークを移動させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射されるそれぞれのレーザ光を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギー領域において重畳させるように、レーザ光の照射間隔を制御することを特徴とするレーザリフトオフ装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光の重畳度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下となるように、前記レーザ光の照射間隔を制御することを特徴とする請求項４記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項６】
前記レーザ光学系は、前記レーザ光を前記ワークに集光させる投影レンズを有し、
前記ワークの光入射面は、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致することなく配置されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項７】
前記搬送機構は、前記ワークを第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、前記ワークを第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記ワークを前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行することを特徴とする請求項４，５または請求項６記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項１】
基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ方法において、
前記パルスレーザ光は、ワークに対する照射領域を刻々と変えながら上記ワークに照射され、
前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射されるそれぞれのパルスレーザ光が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギー領域において重畳する
ことを特徴とするレーザリフトオフ方法。
【請求項２】
前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光が重畳している領域におけるレーザ光の強度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下である
ことを特徴とする請求項１記載のレーザリフトオフ方法。
【請求項３】
前記ワークを第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、前記ワークを第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記ワークを前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザリフトオフ方法。
【請求項４】
基板上に材料層が形成されてなる前記基板を通してパルスレーザ光を照射し、前記基板と前記材料層との界面で前記材料層を前記基板から剥離するレーザリフトオフ装置において、
前記基板を透過すると共に前記材料層を分解するために必要な波長域のパルスレーザ光を発生するレーザ源と、
前記ワークと前記レーザ源とを相対的に搬送する搬送機構と、
前記レーザ源から発したパルスレーザ光を成形して、前記ワークに照射するレーザ光学系と、
前記レーザ光の照射間隔を制御するとともに、前記搬送機構を制御して、レーザ光の１ショット毎にワークに対する照射領域が刻々と変わるようにワークを移動させる制御部とを備え、
前記制御部は、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射されるそれぞれのレーザ光を、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値を超えるエネルギー領域において重畳させるように、レーザ光の照射間隔を制御することを特徴とするレーザリフトオフ装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記ワークにおいて隣接する各照射領域に照射される各レーザ光の重畳度が、前記材料層を前記基板から剥離させるに必要な分解閾値ＶＥに対して、ＶＥ×１．１５以下となるように、前記レーザ光の照射間隔を制御することを特徴とする請求項４記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項６】
前記レーザ光学系は、前記レーザ光を前記ワークに集光させる投影レンズを有し、
前記ワークの光入射面は、前記レーザ光の光軸方向において前記投影レンズの焦点位置に一致することなく配置されていることを特徴とする請求項４または請求項５記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項７】
前記搬送機構は、前記ワークを第１の搬送方向に搬送する第１の搬送動作と、前記ワークを第１の搬送動作の搬送方向と直交する方向に搬送する第２の搬送動作と、前記ワークを前記第１の搬送動作の搬送方向と１８０°異なる方向に搬送する第３の搬送動作とを順次に実行することを特徴とする請求項４，５または請求項６記載のレーザリフトオフ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１５１５０（Ｐ２０１２−１５１５０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７３６２（Ｐ２０１０−１４７３６２）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００１０２２１２）ウシオ電機株式会社 (1,414)
【Ｆターム（参考）】
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