縦型構造複合半導体装置
複数の縦型構造光学電子装置を結晶基板上に形成し、レーザリフトオフ処理で基板を取り除く工程を含んだ縦型構造光学電子装置の製造方法が開示されている。続いてこの方法は基板の代わりに金属支持構造体を形成する。１例ではこの形成には電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理が利用される。１例では縦型構造体はＧaＮ型であり、結晶基板はサファイヤ製であり、金属支持構造体は銅を含む。本発明の利点には、高性能で生産効率が高い大量生産用の縦型構造ＬＥＤの製造が含まれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は上下の接触構造を有した縦型構造複合半導体装置の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、ヘテロジャンクション双極性トランジスタ（ＨＢＴ）、高電子モビリティトランジスタ（ＨＥＭＴ）等のほとんどのＧaＮ型半導体装置は絶縁サファイヤ基板を使用して製造される。その結果、絶縁基板を含んで構成された装置構造体は典型的には横型構造に構築される。なぜなら、上面のｎコンタクト面が上面のｐコンタクト面と電気接続状態となるように形成されなければならないからである。
【０００３】
この構造は電流混雑現象や放電（ＥＳＤ）に対する弱抵抗性のごとき様々な装置性能に関する問題を引き起こす。電流混雑現象は高電圧白色ＬＥＤや青色/ＵＶ ＬＤを使用した点灯のために高電流が必要とされるときに重大な問題となることがある。電子はそのような装置のｎ型電極近辺に拘束されるので、オプトエレクトロニクス装置でのフォトン発生は増大した電流供給に関して制限される。言い換えれば、エネルギー効率が犠牲になる。このことは現在入手できる横型装置の重大な欠点である。
【０００４】
ＥＳＤ問題は重大な問題であると認識されている。特に、ＧaＮ型ＬＥＤが高圧環境、特に自動車で利用されるときに重大である。装置表面で荷電現象が発生すると、横型装置は電荷蓄積状態となり、非常に短時間で装置の故障を引き起こす。なぜなら、絶縁基板であるために装置には放電通路が設けられていないからである。
【０００５】
サファイヤのごとき絶縁基板を有した横型装置の他の重大な弱点は劣った放熱特性である。サファイヤは放熱性が劣ることが知られている。装置が高電流供給モードに曝されると装置の寿命は大きく損なわれる。これらはＧaＮ型ＬＥＤとＬＤ及び青/ＵＶ ＬＤの開発に対する深刻な障害である。
【０００６】
生産性の観点からも横型装置は多数の弱点を有している。横型装置で構築された装置は大きな装置寸法を必要とする。なぜなら、ｐ電極とｎ電極の両方が図１で示すごとくに同一面に配置されるからである。よって、装置の生産量は横型装置が必要とするウェハー面積によって制限される。
【０００７】
それら諸問題に加えて、サファイヤ基板はダイヤモンドに次ぐ硬質材料であることが知られている。その性質によってウェハーの加工や研磨は困難である。さらに、ウェハーから装置を分離することも困難である。よって、途中までは高生産量が望めるとしても、最終的な生産量は、ラップ切断処理、研磨処理、及び分離処理を含んだ最終段階の工程の効率により決定される。
【０００８】
近年、図２で示すような縦型構造ＧaＮ型複合半導体に関する新規な開発が進展している。レーザリフトオフ工程が導入され、サファイヤ基板をＧaＮエピ(epi)層から引き剥がしている。絶縁サファイヤ基板を導電体または半導体の副基板で置換し、サファイヤに対して透明な波長、典型的にはＵＶ領域のエクシマレーザを使用して縦型構造装置を製造する。たいていの他の技術はレーザリフトオフによるサファイヤ基板の引き剥がし後に副基板を永久的に接着させるためのウェハー接着技術を利用する。
【０００９】
しかし、それら技術はＶＬＥＤ（縦型ＬＥＤ）の大量生産のための実用的なウェハー規模レーザリフトオフ工程を未だ提供していない。２つの主な理由の１つは、支持ウェハーとエピタキシャル層との間の接合接着層の層剥現象による大面積でのレーザリフトオフ処理の困難性である。他の問題は、エピタキシャル層がレーザリフトオフ処理後にウェハー全面で平坦とはならないので、エピタキシャル層と永久副基板との間のウェハー接着の困難性である。これらの理由によって、レーザリフトオフ処理後の最終生産量は大きく損なわれる。その結果、ウェハーの一部のみが縦型構造装置の製造に利用されてきた。
【００１０】
ＶＬＥＤの製造のためにウェハー接着問題を克服する別形態の努力も積み重ねられている。ウェハー接着法を用いる代わりに、図３で示す方法は金属支持体を取り付ける。しかし、レーザリフトオフ効率は支持構造体との接着層の剥離現象によって非常に低い。もし接合力が高エネルギーレーザショック波に耐えるだけ充分に強力でなければ、ＧaＮエピ層はレーザリフトオフ処理後に崩壊したりクラックが入るかも知れない。ＧaＮエピ層にクラックが入ったり層が崩壊すると、クリーニング処理、引き剥がし処理及び装置分離処理等のレーザリフトオフ工程後の作業が非常に困難となる。よって、一部の効率が良くとも最終的な装置生産効率は非常に低くなる。これらの諸問題は一時的なウェハー接着技術並びに最良とは言えないレーザ処理技術を原因としている。
【００１１】
図３で示す別技術に基づく従来の縦型装置の別問題は装置性能が劣ることである。均質なレーザビームエネルギー配分を達成するためにサファイヤ基板にサンドブラスト処理が施されるため、レーザリフトオフ処理後のＧaＮ表面は非常に粗くなり、装置の劣った反射特性の原因となる。さらに、ｎ-ＧaＮ層に形成された金属反射面の性能はＩＴＯのごとき非金属反射材料ほどには高くない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
必要なものは、縦型構造装置の製造にレーザリフトオフ法を適用するために、高性能であると同時に信頼性が高く、反復性があるレーザリフトオフ処理法を提供する縦型構造複合半導体装置の製造法である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はＧaＮ型複合半導体装置の大量生産のために改良レーザリフトオフ法を活用した新規な縦型構造複合半導体装置の製造のための改良技術を提供する。本発明の１特徴は、信頼性が高く、反復性があるレーザリフトオフ処理法を確実に提供すべく、支持ウェハーへの一時的接着のためのダブル接着法を採用し、所定エピ厚のウェハーを有したＧaＮ型バッファ層に加えて、ＡlＧaＮバッファ層を利用することである。
【００１４】
１実施例において、本発明は、レーザリフトオフ処理とメッキ処理とを最良化することで縦型構造複合半導体を大量生産させる製造法を提供する。まず、レーザリフトオフ処理中のポリマー系接着剤の熱損傷を回避させるため、ＡlＧaＮバッファ層と、拡散バリヤとして機能する厚いＧaＮエピ層（＞５μｍ）が従来のＧaＮまたはＡlＮバッファ層に加えて使用される。続いて、二重接着技術が利用され、高エネルギーのレーザショック波によって引き起こされる損傷程度を減少させ、容易な剥離を助ける。続いて酸化スズインジウム（ＩＴＯ）の薄膜がＧaＮエピ層と厚い金属支持層との間に提供され、縦型装置の高効率である光学特性及び電気特性を獲得させる。最後に、グレード化銅合金系の厚い金属支持層が使用され、縦型装置の良好な物理的支持力、高導電性並びに良好な放熱性が提供される。
【００１５】
本発明の利点には高信頼性で大量生産に適した縦型構造ＬＥＤ製造技術が含まれる。本発明は、レーザリフトオフ処理後のエピタキシャル層と支持ウェハーとの容易な分離のため、レーザリフトオフ処理に先立って二重接着処理を採用し、ＡlＧaＮ緩衝層を使用してレーザービームの高エネルギーショック波から保護する。この追加バッファ層は薄いエピタキシャル薄膜に対する高エネルギーレーザービーム照射により引き起こされるクラック発生を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を特定の方法、技術、装置構造及び実施例を利用して解説する。専門家であれば本明細書は本発明を説明するためのものであることを理解するであろう。使用されている数値、温度等々は本発明を例示するものであり、本発明の限定は意図されない。
【００１７】
図４から図１２は本発明に従った、レーザリフトオフ処理を活用した縦型構造ＧaＮ型ＬＥＤ１００の製造法を図示する。この実施例は元の基板を除去するためにレーザリフトオフ処理を利用し、機械的支持力と導電性とを提供する金属基板を形成するように金属積層処理を実行する。ここで解説する本発明の製造法はＬＥＤに限定されず、レーザダイオード（ＬＤ）、ヘテロジャンクション双極トランジスタ（ＨＢＴ）、高電子移動型トランジスタ（ＨＥＭＴ）等々である絶縁基板上で成長したＧaＮ型エピタキシャル薄膜を含んだいかなる装置構造体に対しても応用が可能である。これら利用法は例示である。なぜなら、本発明は他の材料にも利用が可能だからである。
【００１８】
図５で示すように、ＧaＮ型ＬＥＤ構造体１５０Ａから１５０Ｆは、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、または蒸気相エピタキシ（ＶＰＥ）等々の適したエピタキシャル成長装置でサファイヤウェハー２００上に成長形成される。ＧaＮまたはＡlＮの単層が普通のバッファ層である従来の技術とは異なり、本発明はＧaＮまたはＡlＮバッファ層１１６に加えてＡlＧaＮバッファ層１１４を利用する。ＡlＧaＮ層１１４は熱バリヤの創出には有用である。レーザリフトオフ処理中にＧaＮエピタキシャル層と接着層との間のインターフェースの温度は２５０℃にも達し得る。よって、レーザリフトオフ処理中の熱蓄積によってポリマー性接着層は崩壊し、ＧaＮエピタキシャル層と反応するであろう。このため、剥離処理中に熱崩壊した接着層の除去は困難となる。本発明によるＡlＧaＮの利用によって接着層へのダメージは低減され、装置の生産効率は上昇する。加えて、全体的なエピタキシャル層は所定の厚みにセットされ、ＧaＮ/接着層インターフェースでの温度上昇を防止する。エピ層厚はインターフェース温度を２００℃以内に維持すべく５μｍ以上に選択される。これを達成するため、ｎ-ＧaＮ層は４μｍ以上に成長される。他の厚みや温度のバリエーションも想定範囲内である。
【００１９】
エピタキシャル成長後に、この製造工程は金属コンタクト面を形成するステップと、保護層を提供するためにＧaＮエピタキシャル層上に金属メッキと表面不活性層とを形成させるステップとを含む。特に、図５で示すように溝部１６０がサファイヤ基板を通してＧaＮ型ＬＥＤ層に形成される。溝部１６０はレーザリフトオフ処理中のＧaＮエピ層１１６とサファイヤ基板２００との間の圧縮応力を解放するように設計されている。よって、レーザリフトオフ処理中のＧaＮエピ層のクラックや崩壊を最低限に保つ。溝部の寸法は、例えば７ｘ７ｍｍとしてレーザービームスポットサイズと等しくし、レーザリフトオフ処理中のショック波を和らげるように設計されている。溝部は１００μｍよりも狭く、サファイヤ基板内に２μｍ以内で彫り込まれている。溝部は反応性イオンエッチング法で形成するのが便利である。好適には、ＡrとＣｌ2またはＢＣｌ3ガスの混合物と共に誘導カップリングされたプラズマ反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ ＲＩＥ）で形成する。製造工程完了後にレーザリフトオフ処理に先立ってサファイヤ基板の裏側をラップ処理し、研磨されて平滑な面を得る。
【００２０】
図５に戻る。サファイヤ基板２００を有した完全処理済みＧaＮ型ＬＥＤウェハーは、サファイヤ基板をレーザリフトオフ処理で剥離してから非常に薄いＧaＮエピ膜を保持させるために一時的支持ウェハーに接着される。本発明では、２層の一時的接着剤層である粘着層２２０とエポキシ樹脂層２３０が使用される。二重接着技術を使用する２つの理由がある。１つの理由は高エネルギーレーザビームからのショック波による損傷を減少させるためである。もし接着層が薄かったり弱いと、ＧaＮエピタキシャル層にはレーザリフトオフ処理後にレーザビームのショック波による多数のクラックや崩壊したエピ層が発生する。この現象でレーザリフトオフ処理効率が大きく損なわれる。別な理由は、溶剤溶解性スーパーグルーを有した第１接着層を使用し、強力接着力と高ショック波抵抗力を備えた第２接着層とを使用することで剥離処理を容易化させるためである。スーパーグルーは弱い接着力とショック波に対する弱い抵抗性を有するため、ＳＵ-８-５エポキシ樹脂が第１のスーパーグルー接着層に塗布される。ＳＵ-８はスーパーグルーよりの大幅に強力な接着力とショック波抵抗力を有するが、ＳＵ-８が完全硬化すると引き剥がすのが困難である。
【００２１】
スーパーグルー層は複数スピンでスピンコーティングされ、スーパーグルー層厚は約３０μｍに維持される。スーパーグルー接着後にＳＵ-８-５は約２０ミクロン以上の厚みでスーパーグルー層上にスピンコーティングされる。ＳＵ-８-５はＵＶ灯でサファイヤ支持ウェハー２１０を通して硬化される。ＵＶ灯に対して透明なサファイヤ支持層を使用することはＳＵ-８-５エポキシ樹脂の硬化に有効である。なぜなら、ＳＵ-８-５はＵＶ光で硬化するからである。一時的ウェハー接着のための次の詳細な処理ステップは最良態様の説明のために提供されている。
【００２２】
スーパーグルー接着処理（ＧaＮ/サファイヤウェハー２００に対する処理）
１．ＧaＮ/サファイヤウェハーをアセトンに浸し、続いてイシプロパノールに浸し、Ｎ2でブロー乾燥させる。
【００２３】
２．ＧaＮ/サファイヤウェハーをＤＩ（脱イオン）Ｈ2Ｏに浸し、Ｎ2でブロー乾燥させる。
【００２４】
３．スーパーグルーを中央部にてウェハーの約１/３から１/２にわたってウェハーに塗布する。
【００２５】
４．スピンコータを２０００ｒｐｍにまで素早く（１、２秒）作動させ、その後直ちに停止状態に戻す。
【００２６】
５．全面的にカバーしているかをチェックする。していなければ空白部にスーパーグルーを塗布し、ステップ４を反復する。
【００２７】
６．スーパーグルーでウェハーが全面的にカバーされていれば、２０００ｒｐｍでスピンコータを作動させ、３０秒間維持する。
【００２８】
７．停止状態に戻す。
【００２９】
８．２分間、層内硬化させる。
【００３０】
９．ステップ３から９を反復して５回のコーティングを施す。
１０．推奨時間でスーパーグルーを硬化させる（一晩硬化）。
【００３１】
ＳＵ-８-５接着処理（サファイヤ支持ウェハー２１０に対する処理）
１．サファイヤ支持ウェハーをアセトンに浸し、続いてイソプロパノールに浸し、続いて脱イオンＨ2Ｏに浸してＮ2でブロー乾燥させる。
【００３２】
２．サファイヤ支持ウェハーと、スーパーグルーでコーティングされたＧaＮ/サファイヤウェハーを乾燥ベーキングする。
【００３３】
２．１．１２０℃のホットプレートで１０分間加熱する。
【００３４】
２．２．ホットプレートから取り出し、２分間冷却する。
【００３５】
３．ＳＵ-８-５を注射器でサファイヤ支持ウェハー（研磨面）またはＧaＮ/サファイヤウェハー（スーパーグルー面）に塗布する。
【００３６】
４．ＳＵ-８-５球の上側に他のウェハーを置き、エポキシ樹脂を自然拡散させる。
【００３７】
５．ピンセットで軽く押し、余分なＳＵ-８-５を周辺から絞り出す。後にレーザ刃またはウェハーエッジトリマーで容易に除去が可能である。
【００３８】
６．溶剤を除去するように軽くベーキング処理する。
【００３９】
６．１．１/４ウェハー（ホットプレート上）。
【００４０】
６．１．１．７０℃で２．５分。
【００４１】
６．１．２．９０℃で５分。
【００４２】
６．１．３．７０℃で２分。
【００４３】
６．１．４．清浄表面で冷却させる。
【００４４】
６．２．１/２から全面ウェハー（ホットプレート上）。
【００４５】
６．２．１．７０℃で２．５分
６．２．２．９０℃で１０分。
【００４６】
６．２．３．７０℃で２分。
【００４７】
６．２．４．清浄表面で冷却させる。
【００４８】
７．ＵＶ露出させる。
【００４９】
７．１．均質ＵＶ源を使用する（マスク整合装置のＵＶ灯等）。
【００５０】
７．１．１．強度：サファイヤ支持ウェハーなしでＳＵ-８-５上にて７から７．５ｍＷ/ｃｍ2。
【００５１】
７．１．２．強度：非研磨サファイヤ支持ウェハー上で５．０ｍＷ/ｃｍ2。
【００５２】
７．２．１５μｍ厚膜は約２００ｍＪ/ｃｍ2ドース（この強度で４０秒間）を必要とする。
【００５３】
７．３．膜がさらに厚ければ１２０秒間露出する（または２０分最大露出）。
【００５４】
８．ＳＵ８-５とスーパーグルーとの間の架橋を強化するために強力ベーキングする。
【００５５】
８．１．１．７０℃で１分。
【００５６】
８．１．２．９０℃で２分。
【００５７】
８．１．３．清浄表面で冷却する。
【００５８】
図６を説明する。２４８ｎｍのＫｒＦ紫外線（ＵＶ）エクシマレーザがレーザリフトオフ処理に使用される。例示的レーザ光はパルス時間が３８ナノ秒である。この波長を選択する理由はレーザ光がサファイヤ層を貫通してＧaＮエピ層で吸収され、ＧaＮをＧaＮ/サファイヤインターフェースにおいて金属ＧaとＮ2に分解させるためである。レーザビームは７ｘ７ｍｍの方形ビームとビームパワ密度が６００から１２００ｍＪ/ｃｍ2を有するように選択される。必要なレーザビームエネルギー密度はサファイヤ基板表面の表面粗度に大きく左右されることも発見されている。レーザリフトオフ処理後に平滑なＧaＮ表面を獲得するために、８００ｍＪ/ｃｍ2以上のビームエネルギーが使用される。これら数値は変更が可能である。
【００５９】
経験から、サファイヤ基板の表面粗度はレーザリフトオフ処理後に平滑なＧaＮ表面を獲得するために重要な処理パラメータであることが知られている。もしレーザリフトオフ処理中に非研磨サファイヤ表面が使用されたら、ＧaＮ表面は非常に粗く、最終製品の装置形成後に粗表面の劣る反射性によってＬＥＤ装置からは弱い光が出力される。しかし、もし研磨した表面が使用されると非常に平滑なＧaＮ表面が得られる。よって、さらに強力な光出力が得られる。しかし、レーザビームは研磨されたサファイヤ表面に集中的に提供されるので、さらに高いレーザビームが照射された領域は低いレーザビームエネルギーの照射領域と較べてＧaＮ表面のクラック現象が顕著となる。従って、高能率レーザリフトオフ処理と高性能とを同時達成するにはサファイヤウェハーの最良表面粗度を選択することが重要である。従来の技術ではサンドブラスト処理が一般的に利用され、研磨されたサファイヤ表面に均質なレーザビーム分布を得た。しかし、サンドブラスト処理は非常に信頼性が低く、毎回同じ表面粗度を得ることはできない。本発明は、２４８ｎｍのＵＶレーザビームに対して透明な材料で成る拡散プレートをレーザビームとサファイヤ表面との間に配置し、サファイヤ表面に均質なレーザビームパワー分布を提供する。よって、レーザリフトオフ処理効率が増強される。好適には、拡散プレートの根平均二乗表面粗度（ｒｍｓ）は３０μｍ以下にセットされ、拡散器にはサファイヤが使用される。
【００６０】
レーザリフトオフ処理後、レーザリフトオフ処理中のＧaＮ分解による余分なＧa球はＨＣl溶液（ＨＣl：Ｈ2Ｏ＝１：１、室温）または沸騰ＨＣl蒸気で３０秒間洗浄される（図７参照）。Ｇaは室温で溶解するため、Ｇaはレーザリフトオフ処理時に液状で形成され、酸溶液で容易に洗浄できる。酸洗浄ＧaＮ表面はドライエッチング処理でさらに洗浄される。便利には誘導カップリングされた反応性イオンエッチング処理（ＩＣＰ ＲＩＥ）が使用される。原子レベルで平坦な表面を提供するため、ＩＣＰ研磨処理がリフト処理されたｎ-ＧaＮ表面に施される。平坦表面は後処理で積層される反射構造体からの高反射性能を提供するのに重要である。なぜなら、光出力は図８で示すように高反射面で増加させられるからである。
【００６１】
良好な光反射性と電気接触特性を得ることは縦型構造装置の光出力量を増大させ、電気特性を向上させるのに重要である。これら必要性を充足させるため、好適にはＩＴＯ（酸化スズインジウム）の薄膜が図８のようにｎ接触面及び反射部のために使用される。ＩＴＯは透明な非金属接触面を提供するが、ｎ-ＧaＮに対する良好なｎ型接触面を形成することができ、他の技術で使用されるＴi/Ａlに匹敵する。さらに、ＩＴＯ薄膜の高反射性能は縦型装置の反射部の形成に最適である。ＩＴＯの反射性能は９０％以上であることが知られているが、従来技術の金属薄膜の最高反射性能はせいぜい６０から７０％である。透明導電性で反射性であるＩＴＯ薄膜はクリーンなｎ-ＧaＮ表面上での電子ビーム蒸着技術で積層される。最良の反射性能を提供するようにＩＴＯ薄膜厚は７５から１５０ｎｍの範囲から選択される。
【００６２】
薄くて硬いＧaＮエピ層（１０μｍ以下）と厚くて柔らかい金属膜サポート（１００μｍ以下）の縦型構造装置を製造するためには、それら２層間に中間層１２０を形成し、ＧaＮエピ層１５０と金属層１２２から１２６（図９）の間のインターフェースで蓄積するであろう圧縮応力を減少させることが重要である。中間層１２０を提供する別の理由は金属中間層が、非金属ＩＴＯ表面で直接的にメッキ処理を実施するより良好なメッキ処理特性を提供するからである。約１μｍ厚の金（Ａu）薄膜１２０が真空チャンバからウェハーを取り出すことなく電子ビーム蒸着装置を使用してＩＴＯ表面１１８に積層される。その場での連続的積層は汚染防止に有効であり、ＩＴＯとＡu層間の良好な薄膜接着のために重要である。ＩＴＯとＡu間の接着をさらに改善させるため、３０から５０ｎｍ厚のＣr接着層がＩＴＯとＡu層間に積層される。
【００６３】
図９で示すように、厚金属サポート層１２０から１２６は電気メッキ処理または無電メッキ処理で積層される。電気メッキ処理または無電メッキ処理が利用される理由は、他の従来積層法と較べて速くて安価な積層技術だからである。このことは費用効果の観点から縦型装置の大量生産のために重要である。サポート層の重要な機能はサポート層１２０から１２６が薄いＧaＮエピ層の良好な剛性の機械的支持を提供するだけでなく、良好な導電性と熱分散性を提供することである。これらを充足させるため、グレード化Ｃu合金層がＡu/Ｃr接着層に積層される。
【００６４】
最初のＡuバッファ層１２０はＣu合金層に先立って積層される。Ａu層１２０は真空蒸着等の技術で形成できる。Ａu層１２０は存在する層とＣu合金層との間の接着を改善させるために積層される。当初、厚い金属層によるストレス（応力）蓄積を徐々に和らげるために硫酸塩系の柔らかい銅層が積層される。柔らかいＣu合金層厚は１０μｍ以下に設定される。積層速度は３から５μｍ/時であり、高密度で均質なＣu合金層を提供する。柔らかいＣu層１２２の次に硬いＣu層１２４が積層され、構造剛性を提供する。硬質Ｃuの積層速度は２０μｍ/時以下である。Ｃu合金積層処理にはスズ（Ｓn）と鉄（Ｆe）とを含有した金属合金メッキ溶液がＣu硫酸塩溶液と混合され、Ｃuサポート層の機械的強度並びに導電性を改善させる。Ｃu合金サポート層の全厚は７０から９０μｍであった（図９参照）。Ｃu合金メッキ処理終了時に０．５から１μｍ厚のＡu層がメッキ処理され、Ｃu合金層を酸化から保護する。縦型装置のパッケージのためのダイボンディング処理及びワイヤボンディング処理中にＡu保護層１２６は個別のダイと金属系エポキシ樹脂との間の良好な接着のために重要である。
【００６５】
厚い金属メッキ後、サファイヤサポートウェハー２１０はＧaＮ/金属サポートウェハーから溶剤を使用して取り除かれる。その結果は図１０で示す。剥離処理はＧaＮ/金属ウェハーをアセトンに３時間から５時間浸し、サファイヤウェハーからスーパーグルー層を溶解分離させるステップを含む。剥離処理を容易化及び迅速化するには、サファイヤウェハーの縁部に蓄積された余分な金属をエッジトリムマー処理またはレーザブレードにより機械的にトリム処理する。化学処理も利用できる。この余分な金属を除去することで溶剤はスーパーグルー層にさらに容易に浸透でき、剥離処理を加速する。分離されたＧaＮ/金属ウェハーは超音波クリーナー内でイソプロパノールに浸され、さらに洗浄される。ＧaＮ装置表面はリンスとドライヤを使用して脱イオン水でさらに洗浄される。
【００６６】
図１０のウェハーは膜４１０上で支持されており、個別の装置は図１１で示すように化学処理またはレーザ処理による分離処理によって得られる。図１２は本発明の１実施例による最終製品としての縦型装置構造を示す。このように従来技術によるよりも大量生産できる高性能レーザダイオードが提供される。
【００６７】
本発明の利点は、高性能で大量生産できる縦型構造ＬＥＤの製造方法の提供を含む。本発明はレーザリフトオフ処理後にエピタキシャル層と支持層とを容易に分離させるべく、レーザリフトオフ処理に先立って二重接着処理を施し、ＡlＧaＮ緩衝層を使用してレーザビームの高エネルギーショック波から本体を保護する。この追加バッファ層は薄いエピタキシャル薄膜に対して高エネルギーレーザビームが引き起こすクラックの発生を減少させる。
【００６８】
以上、本発明の例示的実施例と最良形態を解説した。「請求の範囲」で記載された本発明の精神内でのそれらの修正と改良は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は２つの金属コンタクト面が装置の上面に形成されている従来の横型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図２】図２は元のサファイヤ基板を取り除いた後にＧaＮ薄膜が第２（副）基板、例えばＳi、ＧaＡs等の基板に接着されている別の従来技術による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図３】図３は元のサファイヤ基板を取り除いた後にウェハー接着に代わって厚い金属層がＧaＮ薄膜に積層されている別の従来技術による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図４】図４は元のサファイヤ基板を取り除いた後にＡlＧaＮの第２バッファ層がＧaＮ/ＡlＮバッファ層と中間Ａu層に追加されており、厚い銅合金層がＩＴＯコンタクト層に積層されている本発明による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図５】図５はレーザリフトオフ処理に先立って粘着剤/エポキシ樹脂二重接着層を使用してサファイヤ支持体に取り付けられたＧaＮ型ＬＥＤウェハーを示す。
【図６】図６は拡散プレートを介してサファイヤ基板を通過するレーザを示す。
【図７】図７はレーザリフトオフ処理後のサファイヤ基板剥離を示す。
【図８】図８はＧa球除去処理と表面クリーニング処理並びに透明ＩＴＯ反射/コンタクト形態部を示す。
【図９】図９はＩＴＯコンタクト層上のＡu中間層と厚い銅合金支持層とを示す。
【図１０】図１０は粘着剤/エポキシ樹脂層の剥離及びサファイヤ支持体の除去の状態を示す。
【図１１】図１１は化学刻処理またはレーザ刻処理による装置分離を示す。
【図１２】図１２は本発明の１実施例による最終的縦型装置を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は上下の接触構造を有した縦型構造複合半導体装置の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来においては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）、ヘテロジャンクション双極性トランジスタ（ＨＢＴ）、高電子モビリティトランジスタ（ＨＥＭＴ）等のほとんどのＧaＮ型半導体装置は絶縁サファイヤ基板を使用して製造される。その結果、絶縁基板を含んで構成された装置構造体は典型的には横型構造に構築される。なぜなら、上面のｎコンタクト面が上面のｐコンタクト面と電気接続状態となるように形成されなければならないからである。
【０００３】
この構造は電流混雑現象や放電（ＥＳＤ）に対する弱抵抗性のごとき様々な装置性能に関する問題を引き起こす。電流混雑現象は高電圧白色ＬＥＤや青色/ＵＶ ＬＤを使用した点灯のために高電流が必要とされるときに重大な問題となることがある。電子はそのような装置のｎ型電極近辺に拘束されるので、オプトエレクトロニクス装置でのフォトン発生は増大した電流供給に関して制限される。言い換えれば、エネルギー効率が犠牲になる。このことは現在入手できる横型装置の重大な欠点である。
【０００４】
ＥＳＤ問題は重大な問題であると認識されている。特に、ＧaＮ型ＬＥＤが高圧環境、特に自動車で利用されるときに重大である。装置表面で荷電現象が発生すると、横型装置は電荷蓄積状態となり、非常に短時間で装置の故障を引き起こす。なぜなら、絶縁基板であるために装置には放電通路が設けられていないからである。
【０００５】
サファイヤのごとき絶縁基板を有した横型装置の他の重大な弱点は劣った放熱特性である。サファイヤは放熱性が劣ることが知られている。装置が高電流供給モードに曝されると装置の寿命は大きく損なわれる。これらはＧaＮ型ＬＥＤとＬＤ及び青/ＵＶ ＬＤの開発に対する深刻な障害である。
【０００６】
生産性の観点からも横型装置は多数の弱点を有している。横型装置で構築された装置は大きな装置寸法を必要とする。なぜなら、ｐ電極とｎ電極の両方が図１で示すごとくに同一面に配置されるからである。よって、装置の生産量は横型装置が必要とするウェハー面積によって制限される。
【０００７】
それら諸問題に加えて、サファイヤ基板はダイヤモンドに次ぐ硬質材料であることが知られている。その性質によってウェハーの加工や研磨は困難である。さらに、ウェハーから装置を分離することも困難である。よって、途中までは高生産量が望めるとしても、最終的な生産量は、ラップ切断処理、研磨処理、及び分離処理を含んだ最終段階の工程の効率により決定される。
【０００８】
近年、図２で示すような縦型構造ＧaＮ型複合半導体に関する新規な開発が進展している。レーザリフトオフ工程が導入され、サファイヤ基板をＧaＮエピ(epi)層から引き剥がしている。絶縁サファイヤ基板を導電体または半導体の副基板で置換し、サファイヤに対して透明な波長、典型的にはＵＶ領域のエクシマレーザを使用して縦型構造装置を製造する。たいていの他の技術はレーザリフトオフによるサファイヤ基板の引き剥がし後に副基板を永久的に接着させるためのウェハー接着技術を利用する。
【０００９】
しかし、それら技術はＶＬＥＤ（縦型ＬＥＤ）の大量生産のための実用的なウェハー規模レーザリフトオフ工程を未だ提供していない。２つの主な理由の１つは、支持ウェハーとエピタキシャル層との間の接合接着層の層剥現象による大面積でのレーザリフトオフ処理の困難性である。他の問題は、エピタキシャル層がレーザリフトオフ処理後にウェハー全面で平坦とはならないので、エピタキシャル層と永久副基板との間のウェハー接着の困難性である。これらの理由によって、レーザリフトオフ処理後の最終生産量は大きく損なわれる。その結果、ウェハーの一部のみが縦型構造装置の製造に利用されてきた。
【００１０】
ＶＬＥＤの製造のためにウェハー接着問題を克服する別形態の努力も積み重ねられている。ウェハー接着法を用いる代わりに、図３で示す方法は金属支持体を取り付ける。しかし、レーザリフトオフ効率は支持構造体との接着層の剥離現象によって非常に低い。もし接合力が高エネルギーレーザショック波に耐えるだけ充分に強力でなければ、ＧaＮエピ層はレーザリフトオフ処理後に崩壊したりクラックが入るかも知れない。ＧaＮエピ層にクラックが入ったり層が崩壊すると、クリーニング処理、引き剥がし処理及び装置分離処理等のレーザリフトオフ工程後の作業が非常に困難となる。よって、一部の効率が良くとも最終的な装置生産効率は非常に低くなる。これらの諸問題は一時的なウェハー接着技術並びに最良とは言えないレーザ処理技術を原因としている。
【００１１】
図３で示す別技術に基づく従来の縦型装置の別問題は装置性能が劣ることである。均質なレーザビームエネルギー配分を達成するためにサファイヤ基板にサンドブラスト処理が施されるため、レーザリフトオフ処理後のＧaＮ表面は非常に粗くなり、装置の劣った反射特性の原因となる。さらに、ｎ-ＧaＮ層に形成された金属反射面の性能はＩＴＯのごとき非金属反射材料ほどには高くない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
必要なものは、縦型構造装置の製造にレーザリフトオフ法を適用するために、高性能であると同時に信頼性が高く、反復性があるレーザリフトオフ処理法を提供する縦型構造複合半導体装置の製造法である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明はＧaＮ型複合半導体装置の大量生産のために改良レーザリフトオフ法を活用した新規な縦型構造複合半導体装置の製造のための改良技術を提供する。本発明の１特徴は、信頼性が高く、反復性があるレーザリフトオフ処理法を確実に提供すべく、支持ウェハーへの一時的接着のためのダブル接着法を採用し、所定エピ厚のウェハーを有したＧaＮ型バッファ層に加えて、ＡlＧaＮバッファ層を利用することである。
【００１４】
１実施例において、本発明は、レーザリフトオフ処理とメッキ処理とを最良化することで縦型構造複合半導体を大量生産させる製造法を提供する。まず、レーザリフトオフ処理中のポリマー系接着剤の熱損傷を回避させるため、ＡlＧaＮバッファ層と、拡散バリヤとして機能する厚いＧaＮエピ層（＞５μｍ）が従来のＧaＮまたはＡlＮバッファ層に加えて使用される。続いて、二重接着技術が利用され、高エネルギーのレーザショック波によって引き起こされる損傷程度を減少させ、容易な剥離を助ける。続いて酸化スズインジウム（ＩＴＯ）の薄膜がＧaＮエピ層と厚い金属支持層との間に提供され、縦型装置の高効率である光学特性及び電気特性を獲得させる。最後に、グレード化銅合金系の厚い金属支持層が使用され、縦型装置の良好な物理的支持力、高導電性並びに良好な放熱性が提供される。
【００１５】
本発明の利点には高信頼性で大量生産に適した縦型構造ＬＥＤ製造技術が含まれる。本発明は、レーザリフトオフ処理後のエピタキシャル層と支持ウェハーとの容易な分離のため、レーザリフトオフ処理に先立って二重接着処理を採用し、ＡlＧaＮ緩衝層を使用してレーザービームの高エネルギーショック波から保護する。この追加バッファ層は薄いエピタキシャル薄膜に対する高エネルギーレーザービーム照射により引き起こされるクラック発生を減少させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明を特定の方法、技術、装置構造及び実施例を利用して解説する。専門家であれば本明細書は本発明を説明するためのものであることを理解するであろう。使用されている数値、温度等々は本発明を例示するものであり、本発明の限定は意図されない。
【００１７】
図４から図１２は本発明に従った、レーザリフトオフ処理を活用した縦型構造ＧaＮ型ＬＥＤ１００の製造法を図示する。この実施例は元の基板を除去するためにレーザリフトオフ処理を利用し、機械的支持力と導電性とを提供する金属基板を形成するように金属積層処理を実行する。ここで解説する本発明の製造法はＬＥＤに限定されず、レーザダイオード（ＬＤ）、ヘテロジャンクション双極トランジスタ（ＨＢＴ）、高電子移動型トランジスタ（ＨＥＭＴ）等々である絶縁基板上で成長したＧaＮ型エピタキシャル薄膜を含んだいかなる装置構造体に対しても応用が可能である。これら利用法は例示である。なぜなら、本発明は他の材料にも利用が可能だからである。
【００１８】
図５で示すように、ＧaＮ型ＬＥＤ構造体１５０Ａから１５０Ｆは、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシ（ＭＢＥ）、または蒸気相エピタキシ（ＶＰＥ）等々の適したエピタキシャル成長装置でサファイヤウェハー２００上に成長形成される。ＧaＮまたはＡlＮの単層が普通のバッファ層である従来の技術とは異なり、本発明はＧaＮまたはＡlＮバッファ層１１６に加えてＡlＧaＮバッファ層１１４を利用する。ＡlＧaＮ層１１４は熱バリヤの創出には有用である。レーザリフトオフ処理中にＧaＮエピタキシャル層と接着層との間のインターフェースの温度は２５０℃にも達し得る。よって、レーザリフトオフ処理中の熱蓄積によってポリマー性接着層は崩壊し、ＧaＮエピタキシャル層と反応するであろう。このため、剥離処理中に熱崩壊した接着層の除去は困難となる。本発明によるＡlＧaＮの利用によって接着層へのダメージは低減され、装置の生産効率は上昇する。加えて、全体的なエピタキシャル層は所定の厚みにセットされ、ＧaＮ/接着層インターフェースでの温度上昇を防止する。エピ層厚はインターフェース温度を２００℃以内に維持すべく５μｍ以上に選択される。これを達成するため、ｎ-ＧaＮ層は４μｍ以上に成長される。他の厚みや温度のバリエーションも想定範囲内である。
【００１９】
エピタキシャル成長後に、この製造工程は金属コンタクト面を形成するステップと、保護層を提供するためにＧaＮエピタキシャル層上に金属メッキと表面不活性層とを形成させるステップとを含む。特に、図５で示すように溝部１６０がサファイヤ基板を通してＧaＮ型ＬＥＤ層に形成される。溝部１６０はレーザリフトオフ処理中のＧaＮエピ層１１６とサファイヤ基板２００との間の圧縮応力を解放するように設計されている。よって、レーザリフトオフ処理中のＧaＮエピ層のクラックや崩壊を最低限に保つ。溝部の寸法は、例えば７ｘ７ｍｍとしてレーザービームスポットサイズと等しくし、レーザリフトオフ処理中のショック波を和らげるように設計されている。溝部は１００μｍよりも狭く、サファイヤ基板内に２μｍ以内で彫り込まれている。溝部は反応性イオンエッチング法で形成するのが便利である。好適には、ＡrとＣｌ2またはＢＣｌ3ガスの混合物と共に誘導カップリングされたプラズマ反応性イオンエッチング法（ＩＣＰ ＲＩＥ）で形成する。製造工程完了後にレーザリフトオフ処理に先立ってサファイヤ基板の裏側をラップ処理し、研磨されて平滑な面を得る。
【００２０】
図５に戻る。サファイヤ基板２００を有した完全処理済みＧaＮ型ＬＥＤウェハーは、サファイヤ基板をレーザリフトオフ処理で剥離してから非常に薄いＧaＮエピ膜を保持させるために一時的支持ウェハーに接着される。本発明では、２層の一時的接着剤層である粘着層２２０とエポキシ樹脂層２３０が使用される。二重接着技術を使用する２つの理由がある。１つの理由は高エネルギーレーザビームからのショック波による損傷を減少させるためである。もし接着層が薄かったり弱いと、ＧaＮエピタキシャル層にはレーザリフトオフ処理後にレーザビームのショック波による多数のクラックや崩壊したエピ層が発生する。この現象でレーザリフトオフ処理効率が大きく損なわれる。別な理由は、溶剤溶解性スーパーグルーを有した第１接着層を使用し、強力接着力と高ショック波抵抗力を備えた第２接着層とを使用することで剥離処理を容易化させるためである。スーパーグルーは弱い接着力とショック波に対する弱い抵抗性を有するため、ＳＵ-８-５エポキシ樹脂が第１のスーパーグルー接着層に塗布される。ＳＵ-８はスーパーグルーよりの大幅に強力な接着力とショック波抵抗力を有するが、ＳＵ-８が完全硬化すると引き剥がすのが困難である。
【００２１】
スーパーグルー層は複数スピンでスピンコーティングされ、スーパーグルー層厚は約３０μｍに維持される。スーパーグルー接着後にＳＵ-８-５は約２０ミクロン以上の厚みでスーパーグルー層上にスピンコーティングされる。ＳＵ-８-５はＵＶ灯でサファイヤ支持ウェハー２１０を通して硬化される。ＵＶ灯に対して透明なサファイヤ支持層を使用することはＳＵ-８-５エポキシ樹脂の硬化に有効である。なぜなら、ＳＵ-８-５はＵＶ光で硬化するからである。一時的ウェハー接着のための次の詳細な処理ステップは最良態様の説明のために提供されている。
【００２２】
スーパーグルー接着処理（ＧaＮ/サファイヤウェハー２００に対する処理）
１．ＧaＮ/サファイヤウェハーをアセトンに浸し、続いてイシプロパノールに浸し、Ｎ2でブロー乾燥させる。
【００２３】
２．ＧaＮ/サファイヤウェハーをＤＩ（脱イオン）Ｈ2Ｏに浸し、Ｎ2でブロー乾燥させる。
【００２４】
３．スーパーグルーを中央部にてウェハーの約１/３から１/２にわたってウェハーに塗布する。
【００２５】
４．スピンコータを２０００ｒｐｍにまで素早く（１、２秒）作動させ、その後直ちに停止状態に戻す。
【００２６】
５．全面的にカバーしているかをチェックする。していなければ空白部にスーパーグルーを塗布し、ステップ４を反復する。
【００２７】
６．スーパーグルーでウェハーが全面的にカバーされていれば、２０００ｒｐｍでスピンコータを作動させ、３０秒間維持する。
【００２８】
７．停止状態に戻す。
【００２９】
８．２分間、層内硬化させる。
【００３０】
９．ステップ３から９を反復して５回のコーティングを施す。
１０．推奨時間でスーパーグルーを硬化させる（一晩硬化）。
【００３１】
ＳＵ-８-５接着処理（サファイヤ支持ウェハー２１０に対する処理）
１．サファイヤ支持ウェハーをアセトンに浸し、続いてイソプロパノールに浸し、続いて脱イオンＨ2Ｏに浸してＮ2でブロー乾燥させる。
【００３２】
２．サファイヤ支持ウェハーと、スーパーグルーでコーティングされたＧaＮ/サファイヤウェハーを乾燥ベーキングする。
【００３３】
２．１．１２０℃のホットプレートで１０分間加熱する。
【００３４】
２．２．ホットプレートから取り出し、２分間冷却する。
【００３５】
３．ＳＵ-８-５を注射器でサファイヤ支持ウェハー（研磨面）またはＧaＮ/サファイヤウェハー（スーパーグルー面）に塗布する。
【００３６】
４．ＳＵ-８-５球の上側に他のウェハーを置き、エポキシ樹脂を自然拡散させる。
【００３７】
５．ピンセットで軽く押し、余分なＳＵ-８-５を周辺から絞り出す。後にレーザ刃またはウェハーエッジトリマーで容易に除去が可能である。
【００３８】
６．溶剤を除去するように軽くベーキング処理する。
【００３９】
６．１．１/４ウェハー（ホットプレート上）。
【００４０】
６．１．１．７０℃で２．５分。
【００４１】
６．１．２．９０℃で５分。
【００４２】
６．１．３．７０℃で２分。
【００４３】
６．１．４．清浄表面で冷却させる。
【００４４】
６．２．１/２から全面ウェハー（ホットプレート上）。
【００４５】
６．２．１．７０℃で２．５分
６．２．２．９０℃で１０分。
【００４６】
６．２．３．７０℃で２分。
【００４７】
６．２．４．清浄表面で冷却させる。
【００４８】
７．ＵＶ露出させる。
【００４９】
７．１．均質ＵＶ源を使用する（マスク整合装置のＵＶ灯等）。
【００５０】
７．１．１．強度：サファイヤ支持ウェハーなしでＳＵ-８-５上にて７から７．５ｍＷ/ｃｍ2。
【００５１】
７．１．２．強度：非研磨サファイヤ支持ウェハー上で５．０ｍＷ/ｃｍ2。
【００５２】
７．２．１５μｍ厚膜は約２００ｍＪ/ｃｍ2ドース（この強度で４０秒間）を必要とする。
【００５３】
７．３．膜がさらに厚ければ１２０秒間露出する（または２０分最大露出）。
【００５４】
８．ＳＵ８-５とスーパーグルーとの間の架橋を強化するために強力ベーキングする。
【００５５】
８．１．１．７０℃で１分。
【００５６】
８．１．２．９０℃で２分。
【００５７】
８．１．３．清浄表面で冷却する。
【００５８】
図６を説明する。２４８ｎｍのＫｒＦ紫外線（ＵＶ）エクシマレーザがレーザリフトオフ処理に使用される。例示的レーザ光はパルス時間が３８ナノ秒である。この波長を選択する理由はレーザ光がサファイヤ層を貫通してＧaＮエピ層で吸収され、ＧaＮをＧaＮ/サファイヤインターフェースにおいて金属ＧaとＮ2に分解させるためである。レーザビームは７ｘ７ｍｍの方形ビームとビームパワ密度が６００から１２００ｍＪ/ｃｍ2を有するように選択される。必要なレーザビームエネルギー密度はサファイヤ基板表面の表面粗度に大きく左右されることも発見されている。レーザリフトオフ処理後に平滑なＧaＮ表面を獲得するために、８００ｍＪ/ｃｍ2以上のビームエネルギーが使用される。これら数値は変更が可能である。
【００５９】
経験から、サファイヤ基板の表面粗度はレーザリフトオフ処理後に平滑なＧaＮ表面を獲得するために重要な処理パラメータであることが知られている。もしレーザリフトオフ処理中に非研磨サファイヤ表面が使用されたら、ＧaＮ表面は非常に粗く、最終製品の装置形成後に粗表面の劣る反射性によってＬＥＤ装置からは弱い光が出力される。しかし、もし研磨した表面が使用されると非常に平滑なＧaＮ表面が得られる。よって、さらに強力な光出力が得られる。しかし、レーザビームは研磨されたサファイヤ表面に集中的に提供されるので、さらに高いレーザビームが照射された領域は低いレーザビームエネルギーの照射領域と較べてＧaＮ表面のクラック現象が顕著となる。従って、高能率レーザリフトオフ処理と高性能とを同時達成するにはサファイヤウェハーの最良表面粗度を選択することが重要である。従来の技術ではサンドブラスト処理が一般的に利用され、研磨されたサファイヤ表面に均質なレーザビーム分布を得た。しかし、サンドブラスト処理は非常に信頼性が低く、毎回同じ表面粗度を得ることはできない。本発明は、２４８ｎｍのＵＶレーザビームに対して透明な材料で成る拡散プレートをレーザビームとサファイヤ表面との間に配置し、サファイヤ表面に均質なレーザビームパワー分布を提供する。よって、レーザリフトオフ処理効率が増強される。好適には、拡散プレートの根平均二乗表面粗度（ｒｍｓ）は３０μｍ以下にセットされ、拡散器にはサファイヤが使用される。
【００６０】
レーザリフトオフ処理後、レーザリフトオフ処理中のＧaＮ分解による余分なＧa球はＨＣl溶液（ＨＣl：Ｈ2Ｏ＝１：１、室温）または沸騰ＨＣl蒸気で３０秒間洗浄される（図７参照）。Ｇaは室温で溶解するため、Ｇaはレーザリフトオフ処理時に液状で形成され、酸溶液で容易に洗浄できる。酸洗浄ＧaＮ表面はドライエッチング処理でさらに洗浄される。便利には誘導カップリングされた反応性イオンエッチング処理（ＩＣＰ ＲＩＥ）が使用される。原子レベルで平坦な表面を提供するため、ＩＣＰ研磨処理がリフト処理されたｎ-ＧaＮ表面に施される。平坦表面は後処理で積層される反射構造体からの高反射性能を提供するのに重要である。なぜなら、光出力は図８で示すように高反射面で増加させられるからである。
【００６１】
良好な光反射性と電気接触特性を得ることは縦型構造装置の光出力量を増大させ、電気特性を向上させるのに重要である。これら必要性を充足させるため、好適にはＩＴＯ（酸化スズインジウム）の薄膜が図８のようにｎ接触面及び反射部のために使用される。ＩＴＯは透明な非金属接触面を提供するが、ｎ-ＧaＮに対する良好なｎ型接触面を形成することができ、他の技術で使用されるＴi/Ａlに匹敵する。さらに、ＩＴＯ薄膜の高反射性能は縦型装置の反射部の形成に最適である。ＩＴＯの反射性能は９０％以上であることが知られているが、従来技術の金属薄膜の最高反射性能はせいぜい６０から７０％である。透明導電性で反射性であるＩＴＯ薄膜はクリーンなｎ-ＧaＮ表面上での電子ビーム蒸着技術で積層される。最良の反射性能を提供するようにＩＴＯ薄膜厚は７５から１５０ｎｍの範囲から選択される。
【００６２】
薄くて硬いＧaＮエピ層（１０μｍ以下）と厚くて柔らかい金属膜サポート（１００μｍ以下）の縦型構造装置を製造するためには、それら２層間に中間層１２０を形成し、ＧaＮエピ層１５０と金属層１２２から１２６（図９）の間のインターフェースで蓄積するであろう圧縮応力を減少させることが重要である。中間層１２０を提供する別の理由は金属中間層が、非金属ＩＴＯ表面で直接的にメッキ処理を実施するより良好なメッキ処理特性を提供するからである。約１μｍ厚の金（Ａu）薄膜１２０が真空チャンバからウェハーを取り出すことなく電子ビーム蒸着装置を使用してＩＴＯ表面１１８に積層される。その場での連続的積層は汚染防止に有効であり、ＩＴＯとＡu層間の良好な薄膜接着のために重要である。ＩＴＯとＡu間の接着をさらに改善させるため、３０から５０ｎｍ厚のＣr接着層がＩＴＯとＡu層間に積層される。
【００６３】
図９で示すように、厚金属サポート層１２０から１２６は電気メッキ処理または無電メッキ処理で積層される。電気メッキ処理または無電メッキ処理が利用される理由は、他の従来積層法と較べて速くて安価な積層技術だからである。このことは費用効果の観点から縦型装置の大量生産のために重要である。サポート層の重要な機能はサポート層１２０から１２６が薄いＧaＮエピ層の良好な剛性の機械的支持を提供するだけでなく、良好な導電性と熱分散性を提供することである。これらを充足させるため、グレード化Ｃu合金層がＡu/Ｃr接着層に積層される。
【００６４】
最初のＡuバッファ層１２０はＣu合金層に先立って積層される。Ａu層１２０は真空蒸着等の技術で形成できる。Ａu層１２０は存在する層とＣu合金層との間の接着を改善させるために積層される。当初、厚い金属層によるストレス（応力）蓄積を徐々に和らげるために硫酸塩系の柔らかい銅層が積層される。柔らかいＣu合金層厚は１０μｍ以下に設定される。積層速度は３から５μｍ/時であり、高密度で均質なＣu合金層を提供する。柔らかいＣu層１２２の次に硬いＣu層１２４が積層され、構造剛性を提供する。硬質Ｃuの積層速度は２０μｍ/時以下である。Ｃu合金積層処理にはスズ（Ｓn）と鉄（Ｆe）とを含有した金属合金メッキ溶液がＣu硫酸塩溶液と混合され、Ｃuサポート層の機械的強度並びに導電性を改善させる。Ｃu合金サポート層の全厚は７０から９０μｍであった（図９参照）。Ｃu合金メッキ処理終了時に０．５から１μｍ厚のＡu層がメッキ処理され、Ｃu合金層を酸化から保護する。縦型装置のパッケージのためのダイボンディング処理及びワイヤボンディング処理中にＡu保護層１２６は個別のダイと金属系エポキシ樹脂との間の良好な接着のために重要である。
【００６５】
厚い金属メッキ後、サファイヤサポートウェハー２１０はＧaＮ/金属サポートウェハーから溶剤を使用して取り除かれる。その結果は図１０で示す。剥離処理はＧaＮ/金属ウェハーをアセトンに３時間から５時間浸し、サファイヤウェハーからスーパーグルー層を溶解分離させるステップを含む。剥離処理を容易化及び迅速化するには、サファイヤウェハーの縁部に蓄積された余分な金属をエッジトリムマー処理またはレーザブレードにより機械的にトリム処理する。化学処理も利用できる。この余分な金属を除去することで溶剤はスーパーグルー層にさらに容易に浸透でき、剥離処理を加速する。分離されたＧaＮ/金属ウェハーは超音波クリーナー内でイソプロパノールに浸され、さらに洗浄される。ＧaＮ装置表面はリンスとドライヤを使用して脱イオン水でさらに洗浄される。
【００６６】
図１０のウェハーは膜４１０上で支持されており、個別の装置は図１１で示すように化学処理またはレーザ処理による分離処理によって得られる。図１２は本発明の１実施例による最終製品としての縦型装置構造を示す。このように従来技術によるよりも大量生産できる高性能レーザダイオードが提供される。
【００６７】
本発明の利点は、高性能で大量生産できる縦型構造ＬＥＤの製造方法の提供を含む。本発明はレーザリフトオフ処理後にエピタキシャル層と支持層とを容易に分離させるべく、レーザリフトオフ処理に先立って二重接着処理を施し、ＡlＧaＮ緩衝層を使用してレーザビームの高エネルギーショック波から本体を保護する。この追加バッファ層は薄いエピタキシャル薄膜に対して高エネルギーレーザビームが引き起こすクラックの発生を減少させる。
【００６８】
以上、本発明の例示的実施例と最良形態を解説した。「請求の範囲」で記載された本発明の精神内でのそれらの修正と改良は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】図１は２つの金属コンタクト面が装置の上面に形成されている従来の横型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図２】図２は元のサファイヤ基板を取り除いた後にＧaＮ薄膜が第２（副）基板、例えばＳi、ＧaＡs等の基板に接着されている別の従来技術による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図３】図３は元のサファイヤ基板を取り除いた後にウェハー接着に代わって厚い金属層がＧaＮ薄膜に積層されている別の従来技術による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図４】図４は元のサファイヤ基板を取り除いた後にＡlＧaＮの第２バッファ層がＧaＮ/ＡlＮバッファ層と中間Ａu層に追加されており、厚い銅合金層がＩＴＯコンタクト層に積層されている本発明による縦型構造のＧaＮ型ＬＥＤを示す。
【図５】図５はレーザリフトオフ処理に先立って粘着剤/エポキシ樹脂二重接着層を使用してサファイヤ支持体に取り付けられたＧaＮ型ＬＥＤウェハーを示す。
【図６】図６は拡散プレートを介してサファイヤ基板を通過するレーザを示す。
【図７】図７はレーザリフトオフ処理後のサファイヤ基板剥離を示す。
【図８】図８はＧa球除去処理と表面クリーニング処理並びに透明ＩＴＯ反射/コンタクト形態部を示す。
【図９】図９はＩＴＯコンタクト層上のＡu中間層と厚い銅合金支持層とを示す。
【図１０】図１０は粘着剤/エポキシ樹脂層の剥離及びサファイヤ支持体の除去の状態を示す。
【図１１】図１１は化学刻処理またはレーザ刻処理による装置分離を示す。
【図１２】図１２は本発明の１実施例による最終的縦型装置を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦型構造光学電子装置の製造方法であって、
結晶基板上に複数の縦型光学電子装置を形成するステップと、
レーザリフトオフ処理によって該基板を取り除くステップと、
該基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップと、
を含んで成ることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップは、電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で金属支持構造体を形成するステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
縦型構造体はＧaＮ系縦型構造体であり、結晶基板はサファイヤを含み、金属支持構造体はＣuを含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
縦型構造体はＧaＮ系縦型構造体であり、結晶基板はサファイヤを含み、金属支持構造体はＣuを含んでいることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項５】
光学電子装置と金属支持構造体との間にバッファ層を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項６】
光学電子装置と金属支持構造体との間にバッファ層を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項７】
金属支持構造体を形成するステップはｐ型金属コンタクト面上またはｎ型金属コンタクト面上で実施されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
金属支持構造体を形成するステップはｐ型金属コンタクト面上またはｎ型金属コンタクト面上で実施されることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項９】
基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップは、
ｎ型コンタクト面形成のためにＩＴＯ（酸化スズインジウム）層を積層させるステップと、
該ＩＴＯ層上にＡuバッファ層を積層させるステップと、
電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で該Ａuバッファ層上にＣu層を積層させるステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項１０】
ＧaＮ系縦型構造体はＧaＮバッファ層またはＡlＮバッファ層に加えてＡlＧaＮバッファ層を含んでおり、ポリマー系接着層を保護するために熱拡散バリヤを提供することを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１１】
溝部をＧaＮ層から基板にまで形成するステップをさらに含んでおり、
a)レーザリフトオフ処理中にショック波を和らげるため、該溝部のサイズを例えば７ｘ７ｍｍのごときレーザビームスポットサイズに近似させるステップと、
b)該溝部を略１００ミクロン幅より狭く、サファイヤ基板内に３ミクロン以上は侵入させないステップと、
c)該溝部を反応性イオンエッチング処理、好適には誘導カップリングされたプラズマ反応性イオンエッチング処理（ＩＣＰ ＲＩＥ）で形成するステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
ショック波を和らげ、レーザリフトオフ処理後の剥離処理中の剥離作業を容易化するため、スーパーグルー及びＳＵ-８-５エポキシ樹脂のごときポリマー系接着剤でＧaＮエピ層と支持ウェハーとの間に二重接着コーティング接着層を形成するステップを含んでおり、
a)スーパーグルー層をスピンコーティング処理で塗布するステップと、
b)該スーパーグルー層の厚みを略３０ミクロンとするステップと、
c)ＳＵ-８-５をスピンコーティング処理で２０ミクロン以上に塗布するステップと、
d)該ＳＵ-８-５をＵＶ灯で硬化させるステップと、
e)ＳＵ-８-５エポキシ樹脂の硬化のためにＵＶ灯に対して透明であるサファイヤサポートを使用するステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１３】
均質なレーザビームパワー配分を達成させるためにレーザビームに対して透明な物質で成る拡散プレートをレーザビームとサファイヤ基板との間に提供して使用するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１４】
レーザリフトオフ処理されたＧaＮウェハーにＩＣＰ ＲＩＥエッチング処理と研磨処理とを施すステップをさらに含んでおり、該エッチング処理と研磨処理によって純粋ｎ型ＧaＮの原子的に平坦な表面が露出されて提供され、該平坦面は積層される反射構造体に高反射性能を提供することができることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１５】
縦型構造体の底部に電子ビーム蒸着処理で透明伝導性反射層を積層するステップをさらに含んでおり、ｎ型コンタクト面は反射体であるためにＩＴＯが使用されることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１６】
厚い金属層であることによるストレス蓄積を徐々に軽減させるために軟質Ｃu合金層を積層するステップをさらに含んでおり、当初の軟質Ｃu合金層の厚みは１０μｍ以下に設定されており、メッキ処理速度は３から５μｍ/時に設定されていることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１７】
構造的強度を提供するために硬質Ｃu層を積層するステップをさらに含んでおり、硬質Ｃuメッキ積層速度を２０μｍ/時以内とし、Ｃu合金積層ステップにおいては、スズ（Ｓn）及び鉄（Ｆe）を含有した金属合金メッキ溶液をＣu硫酸塩溶液とブレンドしてＣu合金サポート層の機械的強度と導電性とを向上させ、Ｃu合金サポート層の全厚を７０から９０μｍとし、Ｃu合金メッキ処理の最後に０．５から１μｍ厚のＡu層を電気メッキし、Ｃu合金層を酸化から保護することを特徴とする請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
化学的処理またはレーザ処理で個々の装置を分離するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１９】
請求項１の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２０】
請求項２の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２１】
請求項３の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２２】
複数の層を含んで成る縦型構造光学電子装置であって、
ＧaＮ系ＬＥＤと、その上面に近接して提供された少なくとも１つのコンタクト層と、
ＩＴＯコンタクト層と、
該ＩＴＯコンタクト層に隣接するＡu層を含んだバッファ層と、
該Ａ層に隣接するｃu層を含んだサポート層と、
を含んで構成されることを特徴とする縦型構造光学電子装置。
【請求項２３】
サポート層は電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で形成されることを特徴とする請求項２２記載の縦型構造光学電子装置。
【請求項１】
縦型構造光学電子装置の製造方法であって、
結晶基板上に複数の縦型光学電子装置を形成するステップと、
レーザリフトオフ処理によって該基板を取り除くステップと、
該基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップと、
を含んで成ることを特徴とする製造方法。
【請求項２】
基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップは、電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で金属支持構造体を形成するステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】
縦型構造体はＧaＮ系縦型構造体であり、結晶基板はサファイヤを含み、金属支持構造体はＣuを含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項４】
縦型構造体はＧaＮ系縦型構造体であり、結晶基板はサファイヤを含み、金属支持構造体はＣuを含んでいることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項５】
光学電子装置と金属支持構造体との間にバッファ層を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項６】
光学電子装置と金属支持構造体との間にバッファ層を形成するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項７】
金属支持構造体を形成するステップはｐ型金属コンタクト面上またはｎ型金属コンタクト面上で実施されることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項８】
金属支持構造体を形成するステップはｐ型金属コンタクト面上またはｎ型金属コンタクト面上で実施されることを特徴とする請求項２記載の製造方法。
【請求項９】
基板の代わりに金属支持構造体を形成するステップは、
ｎ型コンタクト面形成のためにＩＴＯ（酸化スズインジウム）層を積層させるステップと、
該ＩＴＯ層上にＡuバッファ層を積層させるステップと、
電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で該Ａuバッファ層上にＣu層を積層させるステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項１０】
ＧaＮ系縦型構造体はＧaＮバッファ層またはＡlＮバッファ層に加えてＡlＧaＮバッファ層を含んでおり、ポリマー系接着層を保護するために熱拡散バリヤを提供することを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１１】
溝部をＧaＮ層から基板にまで形成するステップをさらに含んでおり、
a)レーザリフトオフ処理中にショック波を和らげるため、該溝部のサイズを例えば７ｘ７ｍｍのごときレーザビームスポットサイズに近似させるステップと、
b)該溝部を略１００ミクロン幅より狭く、サファイヤ基板内に３ミクロン以上は侵入させないステップと、
c)該溝部を反応性イオンエッチング処理、好適には誘導カップリングされたプラズマ反応性イオンエッチング処理（ＩＣＰ ＲＩＥ）で形成するステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１２】
ショック波を和らげ、レーザリフトオフ処理後の剥離処理中の剥離作業を容易化するため、スーパーグルー及びＳＵ-８-５エポキシ樹脂のごときポリマー系接着剤でＧaＮエピ層と支持ウェハーとの間に二重接着コーティング接着層を形成するステップを含んでおり、
a)スーパーグルー層をスピンコーティング処理で塗布するステップと、
b)該スーパーグルー層の厚みを略３０ミクロンとするステップと、
c)ＳＵ-８-５をスピンコーティング処理で２０ミクロン以上に塗布するステップと、
d)該ＳＵ-８-５をＵＶ灯で硬化させるステップと、
e)ＳＵ-８-５エポキシ樹脂の硬化のためにＵＶ灯に対して透明であるサファイヤサポートを使用するステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１０記載の製造方法。
【請求項１３】
均質なレーザビームパワー配分を達成させるためにレーザビームに対して透明な物質で成る拡散プレートをレーザビームとサファイヤ基板との間に提供して使用するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１４】
レーザリフトオフ処理されたＧaＮウェハーにＩＣＰ ＲＩＥエッチング処理と研磨処理とを施すステップをさらに含んでおり、該エッチング処理と研磨処理によって純粋ｎ型ＧaＮの原子的に平坦な表面が露出されて提供され、該平坦面は積層される反射構造体に高反射性能を提供することができることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１５】
縦型構造体の底部に電子ビーム蒸着処理で透明伝導性反射層を積層するステップをさらに含んでおり、ｎ型コンタクト面は反射体であるためにＩＴＯが使用されることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１６】
厚い金属層であることによるストレス蓄積を徐々に軽減させるために軟質Ｃu合金層を積層するステップをさらに含んでおり、当初の軟質Ｃu合金層の厚みは１０μｍ以下に設定されており、メッキ処理速度は３から５μｍ/時に設定されていることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１７】
構造的強度を提供するために硬質Ｃu層を積層するステップをさらに含んでおり、硬質Ｃuメッキ積層速度を２０μｍ/時以内とし、Ｃu合金積層ステップにおいては、スズ（Ｓn）及び鉄（Ｆe）を含有した金属合金メッキ溶液をＣu硫酸塩溶液とブレンドしてＣu合金サポート層の機械的強度と導電性とを向上させ、Ｃu合金サポート層の全厚を７０から９０μｍとし、Ｃu合金メッキ処理の最後に０．５から１μｍ厚のＡu層を電気メッキし、Ｃu合金層を酸化から保護することを特徴とする請求項１６記載の製造方法。
【請求項１８】
化学的処理またはレーザ処理で個々の装置を分離するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の製造方法。
【請求項１９】
請求項１の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２０】
請求項２の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２１】
請求項３の方法により製造される縦型構造光学電子装置。
【請求項２２】
複数の層を含んで成る縦型構造光学電子装置であって、
ＧaＮ系ＬＥＤと、その上面に近接して提供された少なくとも１つのコンタクト層と、
ＩＴＯコンタクト層と、
該ＩＴＯコンタクト層に隣接するＡu層を含んだバッファ層と、
該Ａ層に隣接するｃu層を含んだサポート層と、
を含んで構成されることを特徴とする縦型構造光学電子装置。
【請求項２３】
サポート層は電気メッキ処理及び/又は無電メッキ処理で形成されることを特徴とする請求項２２記載の縦型構造光学電子装置。
【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】
【公表番号】特表２００７−５２６６１８（Ｐ２００７−５２６６１８Ａ）
【公表日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１５０７２（Ｐ２００６−５１５０７２）
【出願日】平成１６年６月３日（２００４．６．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１７２９７
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０９７６４
【国際公開日】平成１６年１２月１６日（２００４．１２．１６）
【出願人】（５０５４４６５５２）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月３日（２００４．６．３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１７２９７
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０９７６４
【国際公開日】平成１６年１２月１６日（２００４．１２．１６）
【出願人】（５０５４４６５５２）
【Ｆターム（参考）】
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