レーザリフトオフ方法
【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。前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域は、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定される。これによって、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。前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域は、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定される。これによって、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、小さい照射面積のパルスレーザ光を、基板を介して照射して、ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、基板と結晶層の界面で結晶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。以下では、基板上に形成された結晶層（以下では材料層という）に対してレーザ光を照射して基板から材料層を剥離することをレーザリフトオフと呼ぶ。
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。以下では基板上に材料層が形成されたものをワークと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５０１７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物材料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９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。
特に、数μｍ以下の厚みのＧａＮ系化合物材料層を用いて素子を形成する場合には、ＧａＮ系化合物材料層が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系化合物材料層のみならず、その上に形成された発光層など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。
本発明は、上記した問題点を解決するものであって、本発明の目的は、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することができるレーザリフトオフ方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが鋭意検討した結果、パルスレーザ光を照射することによりＧａＮが分解するとき、その照射領域のエッジ部にダメージを与えるが、この分解によるダメージの大きさは、レーザ光の照射面積に大きく依存しており、照射面積Ｓが大きいほどパルスレーザ光の照射領域の境界（エッジ部）へ大きな力が加わるものと考えられるが、エッジ部の長さ（照射領域の周囲長）Ｌが大きくなれば、エッジ部の単位長さ当たりに加わる力は小さくなり、照射面積が同じであっても、ダメージは小さくなることを見出した。
すなわち、［照射面積Ｓ］／［周囲長Ｌ］の値を小さくすることでダメージを小さくできるものと考えられ、具体的には、上記Ｓ／Ｌの値を０．１２５以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができることを見出した。
以上に基づき、本発明においては、次のように前記課題を解決する。
（１）基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定する。
（２）上記（１）において、ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形とする。
（３）基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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結晶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、前記ワークを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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係になるように成形するレーザ光学系とを設ける。
（４）上記（３）において、前記レーザ光学系が、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形に成形する。
【発明の効果】
【０００６】
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）ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定することにより、パルスレーザ光の照射領域のエッジ部に加わるダメージを軽減することができ、材料層へのクラック発生を防止することができる。
（２）照射領域を四角形とすることで、照射領域のエッジ部を重畳させながらワークの全面にレーザ光を照射することができ、材料層にクラックを発生させることなく、ワーク全面に対してレーザリフトオフ処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【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】本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
【図４】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５】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６】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７】照射領域の面積、形状を変えてレーザ光を照射したときの剥離後の材料層の表面状態を模式的に示した図である。
【図８】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９】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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ＡＢ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。
【０００９】
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（５ｅＶ）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。
【００１０】
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、照射領域が重畳する重畳領域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，…Ｓ１０，…の順に相対的に刻々と変わることになる。
【００１１】
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方向に搬送し、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の４つの照射領域に対して、照射領域の端部（エッジ部)を重畳させながら、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。
【００１２】
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。
【００１３】
ワーク３に照射されるパルスレーザ光は、図２（ｂ）に示すようにワーク３の搬送方向ＨＡで互いに隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において、各々の幅方向の端部が重畳する。さらに、ワーク３に照射されるパルスレーザ光は、ワーク３の搬送方向ＨＡに直交する方向で互いに隣接する照射領域Ｓ１およびＳ９、Ｓ２およびＳ８、Ｓ３およびＳ７、Ｓ４およびＳ６のそれぞれにおいて、各々の幅方向が重畳する。ワーク３の重畳領域ＳＴの幅は、例えば０．１ｍｍである。
レーザ光のパルス間隔は、ワークの搬送速度と、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、例えばレーザ光のパルス間隔は、ワークがレーザ光の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短く設定される。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。
【００１４】
図３は、本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の光学系の構成を示す概念図である。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。
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の像をワーク３上に投影する投影レンズ４５とを備えている。ワーク３へのパルスレーザ光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、図１に示す矢印Ａ、Ｂ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。
【００１５】
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されている。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４に示すような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で発生したパルスレーザ光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上に投影される。パルスレーザ光Ｌは、図１に示したように基板１を通じて基板１と材料層２の界面に照射される。基板１と材料層２の界面では、パルスレーザ光Ｌが照射されることにより、材料層２の基板１との界面付近のＧａＮが分解される。このようにして材料層２が基板１から剥離される。
【００１６】
材料層２はパルスレーザ光が照射されることにより、材料層２のＧａＮがＧａとＮ２とに分解する。ＧａＮが分解するときは、あたかも爆発したような現象が生じ、材料層２へのパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に対して少なからずダメージを与える。
本発明のレーザリフトオフ処理においては、後述するように、材料層２に照射されるパルスレーザ光の照射領域の面積と周囲長を所定の関係に設定しており、これにより、ＧａＮが分解するときにパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に加わるダメージを軽減し、材料層２へのクラック発生を防止している。
【００１７】
図４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４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４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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
すなわち、［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、かつ基板を再接着させることなく、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≦１．１５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。
【００２０】
以上のことを確認するため、図５（ａ）の比較例に示すように、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レーザ光をワークに照射したところ、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５（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、後述する実験結果の図６（ｂ−４）に示すように、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た。
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。
【００２１】
以上のことを確認するため、図６（ａ）に示す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、剥離後の材料層の表面を調べた。
実験では、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６（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６（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６（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。
以上のことから、レーザエネルギーをＧａＮの分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１〜ＶＥ×１．１５の範囲とすることで、レーザ光が重畳して照射される領域を含めて、ＧａＮ材料層の表面にダメージを与えことなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考えられる。
【００２２】
以上のように、レーザリフトオフ時に材料層に与えるダメージを防止するためには、レーザ光の強度を適切に選定する必要があるが、さらに検討を行った結果、レーザリフトオフ時におけるレーザの光の照射面積が材料層に与えるダメージに大きく影響を与えることが確認された。
前述したように、材料層２はパルスレーザ光が照射されることにより、材料層２のＧａＮがＧａとＮ２とに分解する。ＧａＮが分解するときは、あたかも爆発したような現象が生じ、材料層２へのパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に対してダメージを与えるが、この分解によるダメージの大きさは、レーザ光の照射面積に大きく依存しているものと考えられる。すなわち、照射面積Ｓが大きいほど、上記Ｎ２ガスの発生量が多くなる等、パルスレーザ光の照射領域のエッジ部へ大きな力が加わるものと考えられる。一方、エッジ部の長さ（照射領域の周囲長）Ｌが大きくなれば、上記エッジ部に加わる力が大きくなっても、単位長さ当たりに加わる力は小さくなり、照射面積が同じであっても、ダメージは小さくなる。
【００２３】
表１は、レーザリフトオフ処理における照射領域の形状（ｘ，ｙ）、面積（Ｓ）、辺の長さ（Ｌ）、Ｓ／Ｌ、各辺に加わる応力と、実験での評価結果を示したものである。
ここでは、照射領域の形状は矩形状としており、表１において、ｘ（ｍｍ），ｙ（ｍｍ）は照射領域の縦、横の長さ、Ｓ（ｍｍ２）は照射領域の面積（ｘ×ｙ）、Ｌ（ｍｍ）は照射領域の周囲の長さ（２ｘ＋２ｙ）、Ｓ／Ｌは面積Ｓと辺の長さＬの比である。また、応力（Ｐａ）は、ＧａＮの分解により発生するＮ２の圧力を計算すると６０００気圧（体積が６０００倍になるため、大気圧の６０００倍の圧力になる）であり、この圧力によるＧａＮに対する歪み応力をシュミレーションし、歪み応力分布のうちの最大値を求めたものである。
また、実験での評価結果は、表に示される条件で実際にレーザリフトオフ処理を行ったときの材料層の表面状態を調べたものである。
この実験は、波長２４８ｎｍのレーザ光を出射するＫｒＦレーザを用い、ワークへのレーザの照射エネルギーはＧａＮ材料層の分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１．１とした。なお、ＧａＮ材料層の分解閾値は８７０Ｊ／ｃｍ２である。
なお、レーザエネルギーをＧａＮの分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１〜ＶＥ×１．１５の範囲で変えた場合でも、上記表１に示す結果と同様な結果が得られるものと考えられる。
【００２４】
表１において、○はレーザリフトオフ処理後の材料層の表面状態が良好な場合（ダメージなし）を示し、×は、汚れが形成された場合（ダメージあり）を示す。
図７はこの実験結果を模式的に示した図であり、同図（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ表１のＮｏ．１，４，６，７，９の実験結果を示している。なお、表１のＮｏ．２，３，５について上記実験は行っていない。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１からわかるように、ダメージなしが確認されたＮｏ．１，４，６，７のうち、Ｎｏ．７のＳ／Ｌ値及び応力値が最大であった。また、Ｎｏ．８の実験では、応力値が２．０２×１０９Ｐａであり、ダメージありが確認された。Ｓ／Ｌ値と応力値とは概ね比例関係にあった。
以上の結果から、Ｓ／Ｌが０．１２５以下であれば、応力値は１．５３×１０９Ｐａ以下になり、ダメージの発生はないと考えられる。一方、Ｓ／Ｌが上記値を超えると、剥離後の材料層にダメージを与えるものと考える。
すなわち、照射領域の面積Ｓ／周囲長Ｌの値を０．１２５以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考える。
【００２７】
なお、表１に示すように、レーザ光の照射領域が正方形の場合には、照射領域の面積を０．２５ｍｍ２以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考えられる。しかし、照射領域が長方形で、一方の辺ｘと他方の辺ｙの長さが違う場合には、面積が同じでも［照射面積Ｓ］／［照射領域の周囲長Ｌ］の値は小さくなるので、照射領域の面積の上限値は上記値より大きくなる。
表１に示すように、Ｎｏ．３の照射領域がｘ０．１ｍｍ、ｙ７．０ｍｍ（縦横比７０）の場合の照射領域の面積は、０．７ｍｍ２であり、この場合の応力値は８．３６×１０8Ｐａとなり、照射領域の面積が上記Ｎｏ．７（面積が０．２５ｍｍ２）より大きいにもかかわらず、Ｎｏ．７の応力値１．５３×１０９Ｐａより小さくなった。
すなわち、照射領域の面積がダメージの発生に大きな影響を与えるものの、［照射面積Ｓ］／［照射領域の周囲長Ｌ］が０．１２５以下となるように設定することで、照射領域のエッジ部へ加わる力を小さくし、材料層に与えるダメージを小さくすることができるものと考えられる。
【００２８】
しかし、照射領域の形状はレーザ装置の構造、光学素子などの面から制約があり、レーザ装置が大型化したりコストが高くなるといった理由から、極端に細長い形状の照射領域を形成するには困難である。さらに、レーザビームの照射分布は±５％以内とするのが望ましいが、極端に細長い形状のビームではこのような要請を満たすことは困難であり、現実的には、照射領域の縦横比は上記した７０以下とする必要がある。
なお、上記照射領域の形状は、前記したように隣り合う照射領域のエッジ部を重畳させる必要があることから、矩形状であることが望ましく、前記図２に示したようにワーク３へのパルスレーザ光の各照射領域（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・）を正方形状に近い形状にする場合、照射領域の面積は上記したように０．２５ｍｍ２以下であることが必要であり、理想的には０．１ｍｍ２以下であることが望ましい。また、照射領域の形状が正方形状の場合は、好ましくは１辺が０．３ｍｍ以下であれば理想的である。なお、ビーム形状（照射領域の形状）は長方形や正方形に限定されず、例えば平行四辺形であってもよい。
【００２９】
次に、上記したレーザリフトオフ方法を用い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８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８（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８（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８（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８（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８（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を照射する。レーザ光１０７は、照射領域が０．２５ｍｍ２以下の面積を有する正方形となり、かつ、光強度分布が図４に示したような略台形状となるように成形される。
レーザ光１０７をサファイア基板１０１とＧａＮ層１０２の界面に照射して、ＧａＮ層１０２を分解することにより、サファイア基板１０１からＧａＮ層１０２を剥離する。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】
【００３０】
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 レーザ光
【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、小さい照射面積のパルスレーザ光を、基板を介して照射して、ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、基板と結晶層の界面で結晶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。以下では、基板上に形成された結晶層（以下では材料層という）に対してレーザ光を照射して基板から材料層を剥離することをレーザリフトオフと呼ぶ。
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。以下では基板上に材料層が形成されたものをワークと呼ぶ。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５０１７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
サファイア基板の上に形成されたＧａＮ系化合物材料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９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。
特に、数μｍ以下の厚みのＧａＮ系化合物材料層を用いて素子を形成する場合には、ＧａＮ系化合物材料層が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系化合物材料層のみならず、その上に形成された発光層など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。
本発明は、上記した問題点を解決するものであって、本発明の目的は、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することができるレーザリフトオフ方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らが鋭意検討した結果、パルスレーザ光を照射することによりＧａＮが分解するとき、その照射領域のエッジ部にダメージを与えるが、この分解によるダメージの大きさは、レーザ光の照射面積に大きく依存しており、照射面積Ｓが大きいほどパルスレーザ光の照射領域の境界（エッジ部）へ大きな力が加わるものと考えられるが、エッジ部の長さ（照射領域の周囲長）Ｌが大きくなれば、エッジ部の単位長さ当たりに加わる力は小さくなり、照射面積が同じであっても、ダメージは小さくなることを見出した。
すなわち、［照射面積Ｓ］／［周囲長Ｌ］の値を小さくすることでダメージを小さくできるものと考えられ、具体的には、上記Ｓ／Ｌの値を０．１２５以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができることを見出した。
以上に基づき、本発明においては、次のように前記課題を解決する。
（１）基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定する。
（２）上記（１）において、ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形とする。
（３）基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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結晶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、前記ワークを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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係になるように成形するレーザ光学系とを設ける。
（４）上記（３）において、前記レーザ光学系が、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形に成形する。
【発明の効果】
【０００６】
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）ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定することにより、パルスレーザ光の照射領域のエッジ部に加わるダメージを軽減することができ、材料層へのクラック発生を防止することができる。
（２）照射領域を四角形とすることで、照射領域のエッジ部を重畳させながらワークの全面にレーザ光を照射することができ、材料層にクラックを発生させることなく、ワーク全面に対してレーザリフトオフ処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【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】本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の概念図である。
【図４】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５】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６】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７】照射領域の面積、形状を変えてレーザ光を照射したときの剥離後の材料層の表面状態を模式的に示した図である。
【図８】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９】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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ＡＢ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。
【０００９】
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（５ｅＶ）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。
【００１０】
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、照射領域が重畳する重畳領域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，…Ｓ１０，…の順に相対的に刻々と変わることになる。
【００１１】
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方向に搬送し、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の４つの照射領域に対して、照射領域の端部（エッジ部)を重畳させながら、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。
【００１２】
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。
【００１３】
ワーク３に照射されるパルスレーザ光は、図２（ｂ）に示すようにワーク３の搬送方向ＨＡで互いに隣接する照射領域Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３において、各々の幅方向の端部が重畳する。さらに、ワーク３に照射されるパルスレーザ光は、ワーク３の搬送方向ＨＡに直交する方向で互いに隣接する照射領域Ｓ１およびＳ９、Ｓ２およびＳ８、Ｓ３およびＳ７、Ｓ４およびＳ６のそれぞれにおいて、各々の幅方向が重畳する。ワーク３の重畳領域ＳＴの幅は、例えば０．１ｍｍである。
レーザ光のパルス間隔は、ワークの搬送速度と、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、例えばレーザ光のパルス間隔は、ワークがレーザ光の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短く設定される。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。
【００１４】
図３は、本発明の実施例のレーザリフトオフ装置の光学系の構成を示す概念図である。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。
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の像をワーク３上に投影する投影レンズ４５とを備えている。ワーク３へのパルスレーザ光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、図１に示す矢印Ａ、Ｂ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。
【００１５】
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されている。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４に示すような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で発生したパルスレーザ光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上に投影される。パルスレーザ光Ｌは、図１に示したように基板１を通じて基板１と材料層２の界面に照射される。基板１と材料層２の界面では、パルスレーザ光Ｌが照射されることにより、材料層２の基板１との界面付近のＧａＮが分解される。このようにして材料層２が基板１から剥離される。
【００１６】
材料層２はパルスレーザ光が照射されることにより、材料層２のＧａＮがＧａとＮ２とに分解する。ＧａＮが分解するときは、あたかも爆発したような現象が生じ、材料層２へのパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に対して少なからずダメージを与える。
本発明のレーザリフトオフ処理においては、後述するように、材料層２に照射されるパルスレーザ光の照射領域の面積と周囲長を所定の関係に設定しており、これにより、ＧａＮが分解するときにパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に加わるダメージを軽減し、材料層２へのクラック発生を防止している。
【００１７】
図４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４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４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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
すなわち、［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、かつ基板を再接着させることなく、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≦１．１５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。
【００２０】
以上のことを確認するため、図５（ａ）の比較例に示すように、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レーザ光をワークに照射したところ、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５（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、後述する実験結果の図６（ｂ−４）に示すように、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た。
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。
【００２１】
以上のことを確認するため、図６（ａ）に示す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、剥離後の材料層の表面を調べた。
実験では、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６（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６（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６（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。
以上のことから、レーザエネルギーをＧａＮの分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１〜ＶＥ×１．１５の範囲とすることで、レーザ光が重畳して照射される領域を含めて、ＧａＮ材料層の表面にダメージを与えことなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考えられる。
【００２２】
以上のように、レーザリフトオフ時に材料層に与えるダメージを防止するためには、レーザ光の強度を適切に選定する必要があるが、さらに検討を行った結果、レーザリフトオフ時におけるレーザの光の照射面積が材料層に与えるダメージに大きく影響を与えることが確認された。
前述したように、材料層２はパルスレーザ光が照射されることにより、材料層２のＧａＮがＧａとＮ２とに分解する。ＧａＮが分解するときは、あたかも爆発したような現象が生じ、材料層２へのパルスレーザ光の照射領域のエッジ部に対してダメージを与えるが、この分解によるダメージの大きさは、レーザ光の照射面積に大きく依存しているものと考えられる。すなわち、照射面積Ｓが大きいほど、上記Ｎ２ガスの発生量が多くなる等、パルスレーザ光の照射領域のエッジ部へ大きな力が加わるものと考えられる。一方、エッジ部の長さ（照射領域の周囲長）Ｌが大きくなれば、上記エッジ部に加わる力が大きくなっても、単位長さ当たりに加わる力は小さくなり、照射面積が同じであっても、ダメージは小さくなる。
【００２３】
表１は、レーザリフトオフ処理における照射領域の形状（ｘ，ｙ）、面積（Ｓ）、辺の長さ（Ｌ）、Ｓ／Ｌ、各辺に加わる応力と、実験での評価結果を示したものである。
ここでは、照射領域の形状は矩形状としており、表１において、ｘ（ｍｍ），ｙ（ｍｍ）は照射領域の縦、横の長さ、Ｓ（ｍｍ２）は照射領域の面積（ｘ×ｙ）、Ｌ（ｍｍ）は照射領域の周囲の長さ（２ｘ＋２ｙ）、Ｓ／Ｌは面積Ｓと辺の長さＬの比である。また、応力（Ｐａ）は、ＧａＮの分解により発生するＮ２の圧力を計算すると６０００気圧（体積が６０００倍になるため、大気圧の６０００倍の圧力になる）であり、この圧力によるＧａＮに対する歪み応力をシュミレーションし、歪み応力分布のうちの最大値を求めたものである。
また、実験での評価結果は、表に示される条件で実際にレーザリフトオフ処理を行ったときの材料層の表面状態を調べたものである。
この実験は、波長２４８ｎｍのレーザ光を出射するＫｒＦレーザを用い、ワークへのレーザの照射エネルギーはＧａＮ材料層の分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１．１とした。なお、ＧａＮ材料層の分解閾値は８７０Ｊ／ｃｍ２である。
なお、レーザエネルギーをＧａＮの分解閾値ＶＥに対してＶＥ×１〜ＶＥ×１．１５の範囲で変えた場合でも、上記表１に示す結果と同様な結果が得られるものと考えられる。
【００２４】
表１において、○はレーザリフトオフ処理後の材料層の表面状態が良好な場合（ダメージなし）を示し、×は、汚れが形成された場合（ダメージあり）を示す。
図７はこの実験結果を模式的に示した図であり、同図（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ表１のＮｏ．１，４，６，７，９の実験結果を示している。なお、表１のＮｏ．２，３，５について上記実験は行っていない。
【００２５】
【表１】
【００２６】
表１からわかるように、ダメージなしが確認されたＮｏ．１，４，６，７のうち、Ｎｏ．７のＳ／Ｌ値及び応力値が最大であった。また、Ｎｏ．８の実験では、応力値が２．０２×１０９Ｐａであり、ダメージありが確認された。Ｓ／Ｌ値と応力値とは概ね比例関係にあった。
以上の結果から、Ｓ／Ｌが０．１２５以下であれば、応力値は１．５３×１０９Ｐａ以下になり、ダメージの発生はないと考えられる。一方、Ｓ／Ｌが上記値を超えると、剥離後の材料層にダメージを与えるものと考える。
すなわち、照射領域の面積Ｓ／周囲長Ｌの値を０．１２５以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考える。
【００２７】
なお、表１に示すように、レーザ光の照射領域が正方形の場合には、照射領域の面積を０．２５ｍｍ２以下とすることにより、ダメージを与えることなく、レーザリフトオフ処理を行うことができるものと考えられる。しかし、照射領域が長方形で、一方の辺ｘと他方の辺ｙの長さが違う場合には、面積が同じでも［照射面積Ｓ］／［照射領域の周囲長Ｌ］の値は小さくなるので、照射領域の面積の上限値は上記値より大きくなる。
表１に示すように、Ｎｏ．３の照射領域がｘ０．１ｍｍ、ｙ７．０ｍｍ（縦横比７０）の場合の照射領域の面積は、０．７ｍｍ２であり、この場合の応力値は８．３６×１０8Ｐａとなり、照射領域の面積が上記Ｎｏ．７（面積が０．２５ｍｍ２）より大きいにもかかわらず、Ｎｏ．７の応力値１．５３×１０９Ｐａより小さくなった。
すなわち、照射領域の面積がダメージの発生に大きな影響を与えるものの、［照射面積Ｓ］／［照射領域の周囲長Ｌ］が０．１２５以下となるように設定することで、照射領域のエッジ部へ加わる力を小さくし、材料層に与えるダメージを小さくすることができるものと考えられる。
【００２８】
しかし、照射領域の形状はレーザ装置の構造、光学素子などの面から制約があり、レーザ装置が大型化したりコストが高くなるといった理由から、極端に細長い形状の照射領域を形成するには困難である。さらに、レーザビームの照射分布は±５％以内とするのが望ましいが、極端に細長い形状のビームではこのような要請を満たすことは困難であり、現実的には、照射領域の縦横比は上記した７０以下とする必要がある。
なお、上記照射領域の形状は、前記したように隣り合う照射領域のエッジ部を重畳させる必要があることから、矩形状であることが望ましく、前記図２に示したようにワーク３へのパルスレーザ光の各照射領域（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・）を正方形状に近い形状にする場合、照射領域の面積は上記したように０．２５ｍｍ２以下であることが必要であり、理想的には０．１ｍｍ２以下であることが望ましい。また、照射領域の形状が正方形状の場合は、好ましくは１辺が０．３ｍｍ以下であれば理想的である。なお、ビーム形状（照射領域の形状）は長方形や正方形に限定されず、例えば平行四辺形であってもよい。
【００２９】
次に、上記したレーザリフトオフ方法を用い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８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８（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８（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８（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８（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８（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を照射する。レーザ光１０７は、照射領域が０．２５ｍｍ２以下の面積を有する正方形となり、かつ、光強度分布が図４に示したような略台形状となるように成形される。
レーザ光１０７をサファイア基板１０１とＧａＮ層１０２の界面に照射して、ＧａＮ層１０２を分解することにより、サファイア基板１０１からＧａＮ層１０２を剥離する。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】
【００３０】
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 レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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、
前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定することを特徴とするレーザリフトオフ方法。
【請求項２】
前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域が四角形である
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】
基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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結晶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、
前記ワークを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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係になるように成形するレーザ光学系とを備える
ことを特徴とするレーザリフトオフ装置。
【請求項４】
前記レーザ光学系は、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形に成形することを特徴とする請求項３記載のレーザリフトオフ装置。
【請求項１】
基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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、
前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を、該照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係を満たすように設定することを特徴とするレーザリフトオフ方法。
【請求項２】
前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域が四角形である
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】
基板上に結晶層が形成されてなるワークに対し、前記基板を通してパルスレーザ光を照射して、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を刻々と変えながら、前記基板と前記結晶層との界面で前記結晶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結晶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、
前記ワークを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、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域の面積をＳ（ｍｍ２）、照射領域の周囲長をＬ（ｍｍ）としたとき、Ｓ／Ｌ≦０．１２５の関係になるように成形するレーザ光学系とを備える
ことを特徴とするレーザリフトオフ装置。
【請求項４】
前記レーザ光学系は、前記ワークへのパルスレーザ光の照射領域を四角形に成形することを特徴とする請求項３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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２４７８３（Ｐ２０１２−２４７８３Ａ）
【公開日】平成２４年２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１６３２７３（Ｐ２０１０−１６３２７３）
【出願日】平成２２年７月２０日（２０１０．７．２０）
【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２月９日（２０１２．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月２０日（２０１０．７．２０）
【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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