专利名称：激光剥离方法以及激光剥离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激光剥离方法及激光剥离装置，在由化合物半导体形成的半导体发光元件的制造工序中，通过对在基板上形成的材料层照射激光，将该材料层分解并从该基板剥离(以下，称作激光剥离)。特别涉及这样一种激光剥离方法及激光剥离装置，其中，将小的照射面积的脉冲激光隔着基板进行照射，不断改变脉冲激光对工件的照射区域，在基板与结晶层的界面将结晶层从基板剥离。
背景技术：
在由GaN (氮化镓)类化合物半导体形成的半导体发光元件的制造工序中，公知有 通过从蓝宝石基板的背面照射激光来将在该蓝宝石基板之上形成的GaN类化合物结晶层剥离的激光剥离的技术。以下，将对在基板上形成的结晶层(以下称作材料层)照射激光而从基板上将材料层剥离的技术称作激光剥离。例如，在专利文献I中，记载了以下技术，即在蓝宝石基板之上形成GaN层，通过从该蓝宝石基板的背面照射激光，将形成GaN层的GaN分解，并将该GaN层从蓝宝石基板剥离。以下，将在基板上形成了材料层的结构称作工件。现有技术文献专利文献专利文献I :日本特表2001 - 501778号公报发明概要发明要解决的课题为了将在蓝宝石基板之上形成的GaN类化合物材料层通过从该蓝宝石基板的背面照射激光而进行剥离，照射具有将GaN类化合物分解为Ga和N2所需的分解阈值以上的照射能的激光是重要的。这里，当照射了激光时，由于GaN分解而产生N2气，因此，向该GaN层施加剪切应力，有在该激光的照射区域的边界部产生裂缝的情况。例如，如图9所示，在激光的I次发射(shot)的照射区域110为正方形的情况下，有在GaN层111的激光的照射区域的边界112处产生裂缝的问题。特别是，在用几μ m以下厚度的GaN类化合物材料层形成元件的情况下，还有GaN类化合物材料层不具有足够的强度用于承受因N2气产生而带来的剪切应力的情况，容易产生裂缝。进而，还存在裂缝不仅在GaN类化合物材料层还在其上所形成的发光层等中进行传播、元件本身被破坏的情况，在形成微小尺寸的元件时成为问题。
发明内容
本发明用于解决上述问题点，本发明的目的在于提供一种激光剥离方法及装置，能够不使基板上形成的材料层产生破裂而将该材料层从该基板剥离。
用于解决课题的手段本发明者们认真研究的结果是，当因照射脉冲激光而GaN分解时，对该照射区域的边缘部带来损伤，但该分解造成的损伤的大小较大地依赖于激光的照射面积，可以认为，照射面积S越大，对脉冲激光的照射区域的边界(边缘部)施加越大的力，然而发现，若边缘部的长度(照射区域的周长)L变大，则对边缘部的每单位长度施加的力变小，即使照射面积相同，损伤也变小。S卩，可以认为，通过使[照射面积S]/ [周长L]的值减小能够减小损伤，具体而言，发现通过使上述S / L的值在O. 125以下，能够不带来损伤地进行激光剥离处理。根据以上，在本发明中，如下地解决上述课题。
(I) 一种激光剥离方法，对于在基板上形成结晶层而得到的工件，透过上述基板而照射脉冲激光，一边不断改变脉冲激光向上述工件照射的照射区域，一边在上述基板与上述结晶层之间的界面处将上述结晶层从上述基板剥离，将脉冲激光向上述工件照射的照射区域设定为，在设该照射区域的面积为S (mm2)、设照射区域的周长为L (mm)时，满足S /L兰O. 125的关系。(2)在上述(I)中，使脉冲激光向工件照射的照射区域为四方形。(3)—种激光剥离装置，对于在基板上形成结晶层而得到的工件，透过上述基板而照射脉冲激光，一边不断改变脉冲激光向上述工件照射的照射区域，一边在上述基板与上述结晶层之间的界面处将上述结晶层从上述基板剥离，该激光剥离装置中具备激光源，产生透射上述基板并且分解上述结晶层所需的波段的脉冲激光；搬送机构，搬送上述工件；以及激光光学系统，使从上述激光源发出的脉冲激光形成为，在将脉冲激光向上述工件照射的照射区域的面积设为S (mm2)、将照射区域的周长设为L (mm)时，满足S /L^O. 125的关系。(4)在上述(3)中，上述激光光学系统将脉冲激光向上述工件照射的照射区域形成为四方形。发明效果根据本发明的激光剥离方法，能够期待如下的效果。(I)通过脉冲激光向工件照射的照射区域设定为，在将该照射区域的面积设为S(_2)、将照射区域的周长设为L (mm)时满足S /L^O. 125的关系，能够减轻对脉冲激光的照射区域的边缘部造成的损伤，能够防止向材料层的裂缝产生。(2)通过使照射区域为四方形，能够一边使照射区域的边缘部重叠一边对工件的整个面照射激光，能够不使材料层产生裂缝而对工件整个面进行激光剥离处理。
图I是说明本发明的实施例的激光剥离处理的概要的概念图。图2是表示激光被照射到工件的形态的图。图3是本发明的实施例的激光剥离装置的概念图。图4是表示在本发明的实施例中、对工件的相互邻接的区域SI、S2重叠照射的激光的光强度分布的图。图5是表示用于与本实施例的激光的光强度分布进行比较的比较例的图。
图6是表示研究了激光的重叠度对剥离后的材料层带来的影响的实验结果的图。图7是示意性地表示将照射区域的面积、形状改变而照射了激光时的剥离后的材料层的表面状态的图。图8是说明能够应用激光剥离处理的半导体发光元件的制造方法的图。图9是表示激光的I次发射 的照射区域是正方形的情况的图。
具体实施例方式图I是说明本发明的实施例的激光剥离处理的概要的概念图。如该图所示，在本实施例中，如下地进行激光剥离处理。将透射激光的基板I上形成有材料层2的工件3载放在工件台31上。载放有工件3的工件台31被载放于输送机那样的搬送机构32，被搬送机构32以规定的速度搬送。工件3—边与工件台31 —起向图中的箭头AB方向被搬送，一边被穿过基板I从未图示的激光源射出的脉冲激光L照射。工件3是在由蓝宝石形成的基板I的表面形成GaN (氮化镓)类化合物的材料层2而得到的。基板I只要能够良好地形成GaN类化合物的材料层并且使分解GaN类化合物材料层所需的波长的激光透射即可。材料层2采用GaN类化合物，以便用低输入能量将高输出的蓝色光效率良好地输出。激光应与基板I及构成从基板I剥离的材料层的物质相对应地适当选择。在从蓝宝石的基板I剥离GaN类化合物的材料层2的情况下，能够使用例如放射出波长248nm的KrF (氟化氪)准分子激光器(excimer laser)。激光波长248nm的光能(5eV)介于GaN的带隙(3. 4eV)与蓝宝石的带隙(9. 9eV)之间。因而，为了从蓝宝石的基板剥离GaN类化合物的材料层而优选波长248nm的激光。接着，用图I及图2说明本发明的实施例的激光剥离处理。图2是表示激光L被照射到工件3的形态的图。图2 Ca)表示激光对工件3的照射方法，图2 (b)是放大表示图2 Ca)的X部的图，图2 (b)中，示出了工件3的各照射区域的被照射的激光的光强度分布的截面的一例。另外，图2所示的工件3上的实线只不过是假设地表示激光的照射区域。工件3被搬送机构32在图2所示的箭头HA、HB、HC的方向上反复搬送。激光L被从蓝宝石的基板I的背面照射，被照射到基板I与材料层2的界面。激光L的形状形成为大致方形状。工件3如图1、2所示那样，对应于工件自身的尺寸，依次被执行以下的搬送动作，SP :向图I的箭头A的方向搬送的第一搬送动作HA ;向与第一搬送动作HA的搬送方向正交的方向(图I的箭头C的方向)、搬送如下距离即从与激光的I次发射的照射区域S相当的距离中减去照射区域重叠的重叠区域ST后得到的距离的第二搬送动作HB;以及向图I的箭头B的方向搬送的第三搬送动作HC。第一搬送动作HA以及第三搬送动作HC的各自的搬送方向有180°的差异。这里，激光的光学系统被保持固定的状态而不被搬送。即，通过在对激光的光学系统进行了固定的状态下仅搬送工件3，使工件3上的激光L的照射区域如图2的箭头所示那样，按SI、…S10、…的顺序相对地不断变化。
接着，更具体地说明本发明的实施例的激光剥离处理。图2所示的实施例中，工件3具有圆形状的轮廓，激光的照射区域大致呈方形状，说明与这样的方形状的照射区域相对的激光照射方法。如图2所示，将工件3向图2的HA方向搬送，对SI、S2、S3、S4这四个照射区域，一边使照射区域的端部(边缘部)重叠，一边分别各一次合计四次地照射激光。这是第一搬送动作。接着，为了将激光照射到工件3的接下来的照射区域S5，将工件3向图2的HB方向搬送。这是第二搬送动作。工件3被向箭头HB方向搬送的距离，等于从与脉冲激光的I次发射(I脉冲)量的照射区域相当的距离中减去重叠区域ST后得到的距离。接着，一边将工件3向图2的!1(方向搬送，一边对55、56、57、58、59、510这六个照射区域分别各一次合计六次地照射激光。这是第三搬送动作。对于工件3的其他照射区域，也通过按照上述一系列的顺序搬送工件3，从而遍及工件3的整个区域地照射激光。 激光的照射区域如图2所示那样以S1、S2、S3的顺序相对地移动，各个照射区域例如为O. 5mmX0. 5mm、面积为O. 25mm2。相对于此,工件3的面积为4560mm2。S卩，激光的照射区域SI、S2、S3远远小于工件面积。根据本实施例的激光剥离处理，比工件3小的照射区域的激光一边在图I所示的箭头A及B的方向(即工件的左右方向)上扫描一边对工件3照射。另外，也可以与本发明的实施例相反，在将工件固定的状态下，按照上述搬送动作HA至HC将激光的光学系统搬送。重要的是，对工件照射激光以便工件上的激光的照射区域与时间一起不断变化即可。向工件3照射的脉冲激光如图2 (b)所示那样，在工件3的搬送方向HA上相互邻接的照射区域S1、S2、S3中，各自的宽度方向的端部重叠。进而，向工件3照射的脉冲激光，在与工件3的搬送方向HA正交的方向上相互邻接的照射区域SI及S9、S2及S8、S3及S7、S4及S6的各自中，各自的宽度方向重叠。工件3的重叠区域ST的宽度例如为O. 1mm。激光的脉冲间隔考虑工件的搬送速度、向工件3上的邻接的照射区域S1、S2、S3…照射的激光的重叠区域ST的宽度而适当设定。基本上来说，以工件向接下来的照射区域移动前激光不会被照射到工件上的方式来决定激光的脉冲间隔。即，例如将激光的脉冲间隔设定得比使工件移动与激光的I个发射量的照射区域相当的距离所需的时间短。例如，在工件3的搬送速度为IOOmm /秒、激光的重叠区域ST的宽度为O. Imm的情况下，激光的脉冲间隔为O. 004秒(250Hz)。图3是表示本发明的实施例的激光剥离装置的光学系统的构成的概念图。该图中，激光剥离装置10具备产生脉冲激光的激光源20、用于将激光形成为规定形状的激光光学系统40、载放工件3的工件台31、搬送工件台31的搬送机构32、以及对由激光源20产生的激光的照射间隔以及搬送机构32的动作进行控制的控制部33。激光光学系统40具备柱状透镜(cylindrical lens)41、42、将激光向工件的方向反射的镜43、用于将激光形成为规定形状的掩模(mask)44、以及将通过了掩模44的激光L的像投影到工件3上的投影透镜45。脉冲激光向工件3的照射区域的面积及形状能够通过激光光学系统40来适当地设定。在激光光学系统40的前部配置有工件3。工件3被载放在工件台31上。工件台31被载放于搬送机构32，被搬送机构32搬送。由此，工件3被向图I所示的箭头A、B的方向依次搬送，工件3上的激光的照射区域不断变化。控制部33控制由激光源20产生的脉冲激光的脉冲间隔，以使向工件3的邻接的照射区域照射的各激光的重叠度成为所希望的值。从激光源20产生的激光L是产生波长248nm的紫外线的例如KrF准分子激光器。作为激光源，也可以使用ArF激光或YAG激光。这里，工件3的光入射面3A配置在比投影透镜45的焦点F在激光的光轴方向上更靠远方侧。与此相反，也可以是，在激光的光轴方向上，将工件3的光入射面3A配置得比投影透镜45的焦点F更接近投影透镜45。这样，通过将工件3的光入射面3A配置为与投影透镜45的焦点F不一致，可得图4所示的具有截面为梯形状的光强度分布的激光。 由激光源20产生的脉冲激光L在通过了柱状透镜41、42、镜43、掩模44后，被投影透镜45投影到工件3上。脉冲激光L如图I所示那样通过基板I而照射到基板I与材料层2的界面。在基板I与材料层2的界面，通过照射脉冲激光L，材料层2的与基板I之间的界面附近的GaN被分解。这样，材料层2被从基板I剥离。材料层2通过被照射脉冲激光，材料层2的GaN分解为Ga和N2。GaN分解时，产生犹如爆发那样的现象，对脉冲激光向材料层2的照射区域的边缘部而言带来不小的损伤。在本发明的激光剥离处理中，如后述那样，将向材料层2照射的脉冲激光的照射区域的面积和周长设定为规定的关系，由此，减轻GaN分解时对脉冲激光的照射区域的边缘部造成的损伤，防止向材料层2的裂缝产生。图4是表示以在图2所示的工件3的相互邻接的区域S1、S2中重叠的方式向工件照射的激光的光强度分布的图，是图2 (b)的a — a'线截面图。该图中，纵轴表示向工件的各照射区域照射的激光的强度(能量值)，横轴表示工件的搬送方向。此外，LI、L2分别表示向工件的照射区域SI、S2照射的激光的分布图(profile)。另外，激光L1、L2不是同时地照射，而是从照射激光LI起间隔I个脉冲后照射激光L2。在该例中，如图4所示，激光LI、L2的截面形成为，继沿周向平缓地扩展的边缘部LE之后在顶部(峰值能量PE)具有平坦面的大致梯形状。并且，激光LI、L2如图4中虚线所示那样，在超过分解阈值VE的能量区域中重叠，该分解阈值VE是将GaN类化合物的材料层分解并从蓝宝石的基板剥离所需的阈值。即，各激光的光强度分布中的、激光LI与L2之间的交叉位置C处的激光的强度(能量值)CE被设定成超过上述分解阈值VE的值。这是因为，如上述那样，当向图2的照射区域SI照射了激光后使照射区域从SI转移到了 S2时，由于区域SI的温度已经成为降低到了室温水平的状态，因此即使在照射区域SI的温度降低到了室温水平的状态下向照射区域S2照射了激光，向各个照射区域S1、S2照射的脉冲激光的照射量也不被累计。通过将激光LI与L2之间的交叉位置C处的激光的强度CE、即激光重叠照射的区域中的各个脉冲激光的强度设定成超过上述分解阈值VE的值，能够施加用于将材料层从基板剥离的足够的激光能量，能够不使在基板上形成的材料层中产生破裂而将材料层可靠地从基板剥离。另一方面，在上述照射区域SI和S2各自的边缘部相重叠的区域ST中的、各个脉冲激光的强度相对于用于将上述材料层从上述基板剥离所需的分解阈值而言过大时，已被确认会产生材料层将再粘接于基板等不良情况。这可以被考虑为，通过向同一区域2次照射强度大的脉冲激光，从基板一度被剥离的材料层因第2次照射的脉冲激光而再粘接。根据实验等，可以得知，优选的是，各激光相 重叠的区域中的激光的强度，相对于将上述材料层从上述基板剥离所需的分解阈值VE而言，成为VEX I. 15以下。S卩，若将[激光相重叠的区域中的激光的强度(最大值)]/ [分解阈值VE]定义为重叠度T，则为了不使在基板上形成的材料层中产生破裂且不使基板再粘接地将材料层从基板可靠地剥离，优选使重叠度TSl = T=I. 15。另外，对于工件3与激光的相对移动量，预先调整激光的脉冲间隔，以使向工件3的邻接的照射区域照射的激光如上述那样地重叠。在该图所示的实施例中，由于材料层为GaN，因此分解阈值为500 1500J / cm2。分解阈值VE需要按构成材料层的每个物质进行设定。为了确认以上情况，如图5 (a)的比较例所示，当向工件照射了激光LI与L2各自的光强度分布在低于分解阈值VE的能量区域相交叉的激光时，构成材料层的GaN的未分解区域形成，无法将材料层从基板充分剥离。GaN的未分解区域与工件上激光LI与L2相重叠的重叠区域ST —致。另一方面，将图5 (b)的比较例所示的激光照射到工件上的情况下，由于激光LI与L2的重叠度T过大，因此如后述的实验结果的图6 (b — 4)所示，剥离后的材料层的表面状态是，在表面形成大量的黑色污迹那样的污溃。这可以被考虑为，由于能量大的激光被2次照射到同一部位，一度从基板剥离了的材料层由于第2次照射的激光而再粘接，附着了构成基板的蓝宝石的成分。这样，在材料层的表面形成的黑色污迹对发光特性带来不良影响。为了确认以上情况，将图6(a)所示的具有矩形状的光强度分布的激光Ll、L2(KrF激光器输出的脉冲激光)向在蓝宝石基板上形成有GaN材料层的工件照射，并研究了剥离后的材料层的表面。实验中，使激光LI、L2相重叠的区域中的激光的强度相对于GaN材料层的分解阈值VE (870mJ / cm2)变化为105%、110%、115%、120%来进行照射，并研究了剥离后的材料层的表面。图6 (b — l)、(b — 2)、(b — 3)、(b — 4)中，示出了将重叠的区域中的激光的强度相对于分解阈值VE分别变化为105 %、110 %、115 %、120 %的情况下的剥离后的材料层的表面。如图6 (b — l)、(b - 2)、(b - 3)所示，在重叠的区域中的激光的强度相对于分解阈值VE为105^^110^^115%的情况下，剥离后的材料层的表面状态良好，没有发现污溃、损伤等对发光特性带来不良影响的现象。相对于此，若使激光的强度相对于分解阈值VE成为120%，则如图6 (b - 4)所示，剥离后的材料层的表面状态是，形成了大量黑色污迹那样的污溃。根据以上情况，通过使激光能量相对于GaN的分解阈值VE成为VEXl VEX I.15的范围，包含激光重叠照射的区域在内，能够不对GaN材料层的表面带来损伤地进行激光剥离处理。如以上那样，为了防止激光剥离时对材料层带来的损伤，需要适当地选择激光的强度，然而进一步进行研究的结果确认了，激光剥离时的激光的光的照射面积将对给予材料层的损伤造成较大影响。 如上述那样，材料层2被照射脉冲激光，从而材料层2的GaN分解为Ga和N2。GaN分解时，产生犹如爆发那样的现象，对脉冲激光向材料层2的照射区域的边缘部而言带来损伤，可以认为，该分解带来的损伤的大小较大地依赖于激光的照射面积。即，可以认为，照射面积S越大，上述N2气的产生量越多等，向脉冲激光的照射区域的边缘部施加越大的力。另一方面，若边缘部的长度(照射区域的周长)L变长，则即使向上述边缘部施加的力变大，每单位长度施加的力也变小，即使照射面积相同，损伤也变小。表I表示激光剥离处理中的照射区域的形状(X，y)、面积(S)、边的长度(L)、S / L、向各边施加的应力和实验中的评价结果。这里，将照射区域的形状设为矩形状，在表I中，X (mm),y (mm)是照射区域的纵、横的长度，S (mm2)是照射区域的面积(xXy)，L (mm)是照射区域的周围的长度(2x + 2y)，S / L是面积S与边的长度L的比。此外，计算因GaN的分解而产生的队的压力时，应力(Pa)是6000气压(由于体积成为6000倍，因此成为大气压的6000倍的压力)，该应力(Pa)为对因该压力带来的对GaN的形变应力进行仿真、求出形变应力分布中的最大值而得到的。此外，实验中的评价结果是对在表中所示的条件下、实际进行了激光剥离处理时、的材料层的表面状态进行研究后的结果。该实验中，采用将波长248nm的激光射出的KrF激光器，使激光对工件的照射能量
相对于GaN材料层的分解阈值VE设为VE X I. I。另外，GaN材料层的分解阈值是870J /
2
cm ο另外，可以认为，在将激光能量相对于GaN的分解阈值VE在VEX I VEX I. 15的范围内进行了改变的情况下，也可以得到与上述表I所示的结果相同的结果。表I中，〇表示激光剥离处理后的材料层的表面状态良好的情况(无损伤)，X表示形成了污溃的情况(有损伤)。图7是示意性地表示该实验结果的图，该图(a) (e)分别示出了表I的No. I、
4、6、7、9的实验结果。另外，对于表I的No. 2、3、5，没有进行上述实验。[表 I]
权利要求
1.一种激光剥离方法，对于在基板上形成结晶层而得到的工件，透过上述基板而照射脉冲激光，一边不断改变脉冲激光向上述工件照射的照射区域，一边在上述基板与上述结晶层之间的界面处将上述结晶层从上述基板剥离，该激光剥离方法的特征在于， 将脉冲激光向上述工件照射的照射区域设定为，在将该照射区域的面积设为S mm2、将照射区域的周长设为L mm时满足S / L写O. 125的关系。
2.如权利要求I所述的激光剥离方法，其特征在于， 脉冲激光向上述工件照射的照射区域是四方形。
3.一种激光剥离装置，对于在基板上形成结晶层而得到的工件，透过上述基板而照射脉冲激光，一边不断改变脉冲激光向上述工件照射的照射区域，一边在上述基板与上述结晶层之间的界面处将上述结晶层从上述基板剥离，该激光剥离装置的特征在于，具备 激光源，产生用于透射上述基板并且分解上述结晶层所需的波段的脉冲激光； 搬送机构，搬送上述工件；以及 激光光学系统，使从上述激光源发出的脉冲激光形成为，在将脉冲激光向上述工件照射的照射区域的面积设为S mm2、将照射区域的周长设为Lmm时满足S /L^O. 125的关系O
4.如权利要求3所述的激光剥离装置，其特征在于， 上述激光光学系统将脉冲激光向上述工件照射的照射区域形成为四方形。
全文摘要
能够不使在基板上形成的材料层中产生破裂而从该基板将该材料层剥离。为了在基板(1)与上述材料层(2)之间的界面处使上述材料层从上述基板剥离，对于在基板(1)上形成材料层(2)而得到的工件(3)，透过基板(1)，以一边不断改变脉冲激光L对工件(3)照射的照射区域、一边使上述工件(3)中邻接的各照射区域相重叠的方式进行照射。脉冲激光(L)向上述工件(3)照射的照射区域被设定为，在将该照射区域的面积设为S(mm2)、将照射区域的周长设为L(mm)时，满足S／L≦0．125的关系。由此，能够不使在基板上形成的材料层中产生破裂地将材料层从基板可靠地剥离。
文档编号H01L21/268GK102986001SQ20108006795
公开日2013年3月20日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年7月20日
发明者松田僚三, 鸣海惠司, 田中一也, 筱山一城, 松元峻士 申请人:优志旺电机株式会社