(57)【要約】【課題】ベース基板上に形成された半導体薄膜が意図せず剥離されにくくする。【解決手段】半導体素子の製造方法は、第１基板１０１の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する結合層１０２を形成する結合層形成工程と、結合層領域及び結合層領域以外の非結合層領域に半導体薄膜１０３を形成する薄膜形成工程と、第１基板１０１と異なるピックアップ基板１４０が有する有機物層を半導体薄膜１０３に結合することにより、第１基板１０１から半導体薄膜１０３を分離する分離工程と、第１基板１０１から分離した後の半導体薄膜１０３の剥離面に付着した結合層１０２を除去する付着物除去工程と、第１基板１０１と異なる第２基板２０１に結合層１２２を除去した後の半導体薄膜１０３を接合する接合工程と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する結合層を形成する結合層形成工程と、
前記結合層領域及び前記結合層領域以外の非結合層領域に前記半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記第１基板と異なる分離用基板が有する有機物層を前記半導体薄膜に結合することにより、前記第１基板から前記半導体薄膜を分離する分離工程と、
前記第１基板から分離した後の前記半導体薄膜の剥離面に付着した前記結合層を除去する付着物除去工程と、
前記第１基板と異なる第２基板に、前記結合層を除去した後の前記半導体薄膜を接合する接合工程と、
を有する、
半導体素子の製造方法。
【請求項２】
前記結合層形成工程において、前記結合層領域の面積が前記非結合層領域の面積よりも大きくなるように前記結合層を形成する、
請求項１に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項３】
前記分離工程の前に、
前記半導体薄膜の一部を除去する薄膜除去工程と、
前記半導体薄膜から前記半導体薄膜が除去された領域まで延在する固定層を形成する固定層形成工程をさらに有する、
請求項１又は２に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項４】
前記薄膜除去工程において、前記非結合層領域に形成された前記半導体薄膜を除去する、
請求項３に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記結合層形成工程は、
前記結合層領域及び前記非結合層領域に前記結合層を形成する工程と、
前記結合層を形成した後に、前記非結合層領域に形成された前記結合層を除去する工程と、
を有し、
前記固定層形成工程において、前記半導体薄膜から前記非結合層領域まで延在する前記固定層を形成する、
請求項３又は４に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項６】
前記薄膜形成工程と前記固定層形成工程との間に、前記結合層上に形成された前記半導体薄膜に溝を形成することにより、前記半導体薄膜を複数の島に分割する工程をさらに有し、
前記結合層形成工程において、前記溝が形成された領域の少なくとも一部の領域に含まれる前記結合層を除去する、
請求項３から５のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項７】
前記分離工程において、前記分離用基板を前記第１基板から離れる向きに移動させることにより前記固定層を切断する、
請求項３から６のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項８】
前記結合層形成工程において、炭素原子を含む材料が露出した前記結合層を形成する、
請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項９】
前記薄膜形成工程において、窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｓｉを含む半導体、及び酸化物半導体のいずれかから選択された半導体を含む前記半導体薄膜を形成する、
請求項１から８のいずれか一項に記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】
第１基板の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する結合層を形成する結合層形成工程と、
前記結合層領域に前記半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記半導体薄膜から前記半導体薄膜が形成されていない領域まで延在する固定層を形成する固定層形成工程と、
前記第１基板と異なる分離用基板が有する有機物層を前記半導体薄膜に結合することにより、前記第１基板から前記半導体薄膜を分離する分離工程と、
前記第１基板から分離した後の前記半導体薄膜の剥離面に付着した前記結合層を除去する付着物除去工程と、
前記第１基板と異なる第２基板に、前記結合層を除去した後の前記半導体薄膜を接合する接合工程と、
を有する、
半導体素子の製造方法。
【請求項１１】
ベース基板と、
前記ベース基板の一部の結合層領域に形成された結合層と、
前記結合層領域に形成された結合層上と、前記結合層領域以外の非結合層領域の前記ベース基板上と、に形成された半導体薄膜と、
を有し、
前記結合層は、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する、半導体基板。
【請求項１２】
ベース基板と、
前記ベース基板の一部の結合層領域に形成された結合層と、
前記結合層領域に形成された結合層上に形成された半導体薄膜と、
前記半導体薄膜から前記結合層領域以外の非結合層領域まで延在する固定層と、
を有し、
前記結合層は、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する、半導体基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法及び半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体エピタキシャル層を母材基板から取り外し、取り外した半導体エピタキシャル層を他の基板に移動させる技術が知られている。特許文献１には、ベース基板に形成されたグラフェン層上に窒化物半導体層を形成した後に、窒化物半導体層をベース基板から剥離させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０７０２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術では、窒化物半導体薄膜がグラフェン層を介して、例えばファンデルワールス力の弱い力によってベース基板に接合している。したがって、窒化物半導体薄膜の膜厚が厚くなるといった変化に伴って窒化物半導体薄膜の膜応力が大きくなると、ＳｉＣ基板上に半導体薄膜を結晶成長させている間に、ベース基板から窒化物半導体薄膜が意図せず剥離してしまう場合があった。また、窒化物半導体薄膜層を加工して素子形成や素子分離等の加工を行う工程においても窒化物半導体薄膜がベース基板から意図せず剥離してしまう場合があった。
【０００５】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、ベース基板上に形成された半導体薄膜が意図せず剥離されにくい半導体素子の製造方法及び半導体基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様の半導体素子の製造方法は、第１基板の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する結合層を形成する結合層形成工程と、前記結合層領域及び前記結合層領域以外の非結合層領域に前記半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記第１基板と異なる分離用基板が有する有機物層を前記半導体薄膜に結合することにより、前記第１基板から前記半導体薄膜を分離する分離工程と、前記第１基板から分離した後の前記半導体薄膜の剥離面に付着した前記結合層を除去する付着物除去工程と、前記第１基板と異なる第２基板に、前記結合層を除去した後の前記半導体薄膜を接合する接合工程と、を有する。
【０００７】
前記結合層形成工程において、前記結合層領域の面積が前記非結合層領域の面積よりも大きくなるように前記結合層を形成してもよい。
【０００８】
前記分離工程の前に、前記半導体薄膜の一部を除去する薄膜除去工程と、前記半導体薄膜から前記半導体薄膜が除去された領域まで延在する固定層を形成する固定層形成工程をさらに有してもよい。前記薄膜除去工程において、前記非結合層領域に形成された前記半導体薄膜を除去してもよい。
【０００９】
前記結合層形成工程は、前記結合層領域及び前記非結合層領域に前記結合層を形成する工程と、前記結合層を形成した後に、前記非結合層領域に形成された前記結合層を除去する工程と、を有し、前記固定層形成工程において、前記半導体薄膜から前記非結合層領域まで延在する前記固定層を形成してもよい。
【００１０】
半導体素子の製造方法は、前記薄膜形成工程と前記固定層形成工程との間に、前記結合層上に形成された前記半導体薄膜に溝を形成することにより、前記半導体薄膜を複数の島に分割する工程をさらに有し、前記結合層形成工程において、前記溝が形成された領域の少なくとも一部の領域に含まれる前記結合層を除去してもよい。
【００１１】
前記分離工程において、前記分離用基板を前記第１基板から離れる向きに移動させることにより前記固定層を切断してもよい。
前記結合層形成工程において、炭素原子を含む材料が露出した前記結合層を形成してもよい。
【００１２】
前記薄膜形成工程において、窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｓｉを含む半導体、及び酸化物半導体のいずれかから選択された半導体を含む前記半導体薄膜を形成してもよい。
【００１３】
本発明の第２の態様の半導体素子の製造方法は、第１基板の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する結合層を形成する結合層形成工程と、前記結合層領域に前記半導体薄膜を形成する薄膜形成工程と、前記半導体薄膜から前記半導体薄膜が形成されていない領域まで延在する固定層を形成する固定層形成工程と、前記第１基板と異なる分離用基板が有する有機物層を前記半導体薄膜に結合することにより、前記第１基板から前記半導体薄膜を分離する分離工程と、前記第１基板から分離した後の前記半導体薄膜の剥離面に付着した前記結合層を除去する付着物除去工程と、前記第１基板と異なる第２基板に、前記結合層を除去した後の前記半導体薄膜を接合する接合工程と、を有する。
【００１４】
本発明の第３の態様の半導体基板は、ベース基板と、前記ベース基板の一部の結合層領域に形成された結合層と、前記結合層領域に形成された結合層上と、前記結合層領域以外の非結合層領域の前記ベース基板上と、に形成された半導体薄膜と、を有し、前記結合層は、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する。
【００１５】
本発明の第４の半導体基板は、ベース基板と、前記ベース基板の一部の結合層領域に形成された結合層と、前記結合層領域に形成された結合層上に形成された半導体薄膜と、前記半導体薄膜から前記結合層領域以外の非結合層領域まで延在する固定層と、を有し、前記結合層は、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜を結合する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ベース基板上に形成された半導体薄膜が意図せず剥離されにくい半導体基板を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態の半導体素子を製造するための半導体基板の構成の概要を示す図である。
【図２】本実施形態の半導体製造方法で用いる半導体基板の構造を示す図である。
【図３】半導体薄膜が意図せず第１基板から剥離することを防止する半導体基板の構造の変形例を示す図である。
【図４】第１基板の上方に複数の半導体薄膜の島が形成された半導体基板の構造を示す図である。
【図５】半導体薄膜の島を加工する工程の例を示す図である。
【図６】分離した後の半導体薄膜の島を第２基板に接合する工程を説明するための図である。
【図７】分離した後の半導体薄膜の島を第２基板に接合する工程を説明するための図である。
【図８】半導体薄膜の島を第１基板から分離して第２基板に接合する工程のフローチャートである。
【図９】半導体薄膜の島の直下の結合層の少なくとも一部の領域を除去する方法を示す図である。
【図１０】半導体薄膜の島の直下の結合層の少なくとも一部の領域を除去する他の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［半導体基板１００の構成］
図１は本実施の形態の半導体素子を製造するための半導体基板１００の構成の概要を示す図である。半導体基板１００は、ベース基板としての第１基板１０１と、結合層１０２と、半導体薄膜１０３とを有する。半導体薄膜１０３は、結合層１０２を介して、第１基板１０１の上方に形成されている。結合層１０２は、共有結合よりも弱い結合力で、半導体薄膜１０３と第１基板１０１とを結合するための層である。共有結合よりも弱い結合力は、例えばファンデルワールス力である。
【００１９】
結合層１０２を構成する材料は、例えば、炭素原子が２次元に配列した層が積層した構造を有する。このような積層構造は他の層と共有結合しないので、ファンデルワールス力の弱い力によって第１基板１０１と結合する。結合層１０２は、例えば、少なくともグラフェン層を含むことができる。第１基板１０１の材料は、例えばＳｉＣである。ＳｉＣ基板である第１基板１０１を高温に加熱することにより、第１基板１０１の表面に結合層１０２としてのグラフェン層を形成することができる。
【００２０】
第１基板１０１は、ＳｉＣ基板の他に、例えばＳｉ基板、ＧａＡｓ基板、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体基板、サファイア基板（Ａｌ２Ｏ３基板）、Ｇａ２Ｏ３基板、ＺｎＯ基板等の酸化物基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＮ基板等の窒化物基板であってもよい。また、第１基板１０１の表面に、結合層１０２として、単層又は複数層のグラフェン層を貼りつけてもよい。第１基板１０１の材料としては、第１基板１０１の上方に設ける半導体薄膜１０３の材料の格子定数、結晶系、又は熱的特性等の特性に基づいて、半導体薄膜１０３の結晶成長に適した材料を選択することができる。
【００２１】
半導体薄膜１０３の材料は、例えばＩｎｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）又はＡｌｘＧａ１―ｘＮ（０≦ｘ≦１）等の窒化物半導体である。半導体薄膜１０３は、ＡｌｘＧａ１―ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）、ＡｌｘＧａｙＩｎ１―ｘ―ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）、ＧａＡｓｘＰ１―ｘ（０≦ｘ≦１）、ＩｎｘＧａ１―ｘＡｓｙＰ１―ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｓｉ、ＳｉＧｅ等のＳｉを含む半導体であってもよい。半導体薄膜１０３は、第１基板１０１の上方において結合層１０２上に結晶成長した半導体層であってもよい。
【００２２】
半導体薄膜１０３は、単層の上記の半導体材料により構成されていてもよく、上記の半導体材料を含む複数の層が積層されていてもよい。半導体薄膜１０３の結晶成長方法としては、ＭＯＣＶＤ法 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、ＭＢＥ法 (Molecular Beam Epitaxy)、ＣＶＤ法 (Chemical Vapor Deposition)、レーザーアブレーション法、又はミスト成長法等の結晶成長方法を用いることができる。半導体薄膜１０３の結晶成長方法は、半導体薄膜１０３を構成する半導体材料、又は半導体薄膜の積層構造等に応じて適宜選択してもよい。
【００２３】
結合層１０２を介して第１基板１０１の上方に半導体薄膜１０３を結晶成長させる際、半導体薄膜１０３の膜応力の大きさは、半導体薄膜１０３の材料、層構造、層厚及び結晶成長温度等の諸条件に依存する。半導体薄膜１０３の膜応力が、結合層１０２を構成する層間の結合力（例えば結合層１０２を構成するグラフェン層間の結合力）よりも大きくなると、半導体薄膜１０３の結晶成長工程、又は半導体薄膜１０３に半導体素子構造を形成する工程等の半導体素子製造工程で、半導体薄膜１０３が第１基板１０１から意図せず剥離しうる。本実施形態の半導体製造方法で用いる半導体基板によれば、半導体薄膜１０３が意図せず剥離するリスクを軽減することができる。
【００２４】
図２は、本実施形態の半導体製造方法で用いる半導体基板１００の構造を示す図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図２（ｃ）に示す半導体基板１００を作成する過程の半導体構造の上面図及び断面図を示している。
【００２５】
図２（ｃ）に示す半導体基板１００は、第１基板１０１と、第１基板１０１の一部の結合層領域に形成された結合層１０２と、結合層領域に形成された結合層１０２上と、結合層領域以外の非結合層領域の第１基板１０１上と、に形成された半導体薄膜１０３と、を有する。結合層領域は、結合層１０２が形成される領域である。
【００２６】
図２（ａ）は、結合層１０２を第１基板１０１の上方に形成した状態の半導体構造の上面図である。図２（ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。図２に示す第１基板１０１は円形であるが、第１基板１０１は、円形以外の任意の形状（例えば矩形）であってもよい。図２（ａ）に示すように、結合層１０２の面積は、第１基板１０１の面積よりも小さく、結合層１０２の外周が、第１基板１０１の外周よりも内側になるように結合層１０２が形成されている。そして、第１基板１０１の外周と結合層１０２の外周との間には、第１基板１０１が露出している露出領域１１０が形成されている。
【００２７】
図２（ａ）に示す半導体構造は、例えば以下の工程により作製することができる。まず、第１基板１０１上の全面に結合層１０２を形成する。次に、標準的なフォトリソグラフィ法により形成したレジストマスク又はメタルマスク等を利用して、結合層１０２を残す領域をマスクした状態で、ドライエッチング（例えばＯ２等のガスを使ったドライエッチング）を施すことにより、第１基板１０１上の一部の領域（露出領域１１０に対応する領域）の結合層１０２を除去する。フォトリソグラフィを使った工程を用いる場合、一部の領域の結合層１０２を除去した後にレジストマスクを除去して、第１基板１０１上の一部の領域の結合層１０２を除去する工程が完了する。
【００２８】
図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す半導体構造を作製する工程の後に、半導体薄膜１０３を結晶成長した後の半導体基板１００の断面図である。図２（ｃ）において、非結合層領域１１２は、第１基板１０１上の結合層１０２を除去した露出領域１１０の上に半導体薄膜１０３が結晶成長した領域であり、結合層領域１１１は結合層１０２上に半導体薄膜１０３が結晶成長した領域である。結合層領域１１１の半導体薄膜１０３と非結合層領域１１２の半導体薄膜１０３とは、同一の結晶成長工程で同時に結晶成長する。したがって、結合層領域１１１の半導体薄膜１０３と非結合層領域１１２の半導体薄膜１０３とは、連続した半導体薄膜として第１基板１０１上に形成される。
【００２９】
半導体薄膜１０３は、第１基板１０１上の結合層領域１１１では、共有結合を有しない弱い力（例えばファンデルワールス力）で、結合層１０２を介して第１基板１０１と結合している。一方、半導体薄膜１０３は、第１基板１０１上の非結合層領域１１２では、結合層領域１１１よりも強い結合力（例えば共有結合に基づく力）により第１基板１０１と直接結合している。そのため、半導体薄膜１０３の膜応力が結合層１０２の結合力よりも大きくなっても、半導体薄膜１０３は、非結合層領域１１２において第１基板１０１に強く結合して固定され、半導体薄膜１０３の結晶成長工程、及び半導体薄膜１０３を加工する半導体素子作製工程等において、半導体薄膜１０３が第１基板１０１から意図せず剥離することを防止できる。なお、図２では、結合層１０２を設けない結合層領域１１１を第１基板１０１の外周から等距離の全領域としたが、結合層領域１１１は第１基板１０１の外周から任意の距離の一部の領域としてもよいし、その他種々の変形が可能である。
【００３０】
図３は、半導体薄膜１０３が意図せず第１基板１０１から剥離することを防止する半導体基板の構造の変形例を示す図である。図３に示す半導体基板の構造においては、第１基板１０１上で複数の領域に分割された結合層１０２、及び結合層１０２を複数の領域に分割する第１基板１０１の露出領域１１０が形成されている。
【００３１】
図３（ａ）に示す上面図における破線内の斜線領域が結合層１０２であり、それ以外の領域が第１基板１０１の露出領域１１０である。図３（ｂ）に示すＡ−Ａ線断面図は、第１基板１０１の上方に半導体薄膜１０３が形成された状態を示している。図３に示した変形例でも、第１基板１０１上に形成された半導体薄膜１０３は、結合層１０２が設けられた領域では結合層１０２を介して第１基板１０１と弱い力で結合しているが、第１基板１０１が露出している領域では第１基板１０１と強い力で結合している。したがって、半導体薄膜１０３の膜応力が大きくなっても、半導体薄膜１０３の結晶成長工程、及び半導体薄膜１０３内に半導体素子を作製する工程等で、半導体薄膜１０３が第１基板１０１から意図せず剥離することを防止できる。
【００３２】
［固定層１２０を有する半導体基板］
図４は、第１基板１０１の上方に複数の半導体薄膜の島１２３が形成された半導体基板１００ａの構造を示す図である。図４における半導体薄膜の島１２３の直下には、結合層１２２が形成されている。図４に示す半導体基板１００ａは、第１基板１０１と、第１基板１０１の一部の結合層領域に形成された結合層１２２と、結合層領域に形成された結合層１２２上に形成された半導体薄膜の島１２３と、半導体薄膜の島１２３から結合層領域以外の非結合層領域まで延在する固定層１２０と、を有する。結合層１２２は、共有結合力よりも弱い力で半導体薄膜の島１２３を結合する。
【００３３】
図４（ａ）の上面図、及び図４（ｂ）のＡ−Ａ線断面図に示すように、半導体基板１００ａにおいては、半導体薄膜の島１２３を形成した後に、半導体薄膜の島１２３から第１基板１０１の表面に至るまで延在する固定層１２０が形成されている。固定層１２０は、第１基板１０１から分離する対象となる半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離するまでの間に第１基板１０１上に仮固定するための構造体である。固定層１２０は、例えば薄膜で構成することができる。
【００３４】
固定層１２０を成膜する前に、第１基板１０１上の半導体薄膜１０３を分割して半導体薄膜の島１２３を形成する際に、複数の島１２３の間の領域のうち、固定層１２０を第１基板１０１上に固定する領域の結合層１２２を除去することにより、第１基板１０１に固定層１２０を成膜することができる。固定層１２０の材料は無機材料、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等とすることができる。固定層１２０は、有機材料により形成されていてもよい。
【００３５】
固定層１２０は、例えば、プラズマＣＶＤ又はスパッタ法等で成膜することができる。例えば、感光性有機材料を使って、半導体薄膜の島１２３の上面から第１基板１０１の表面が露出する領域に至るように固定層１２０を形成することができる。
【００３６】
図４では、固定層１２０の形状が、半導体薄膜の島１２３の上面から左右に延びる形状である場合を例示しているが、適宜変形が可能である。例えば、固定層１２０は、半導体薄膜の島１２３の上面において連続した形状でなくてもよく、半導体薄膜の島１２３の上面の全てを被覆する形態であってもよい。また、固定層１２０は、半導体薄膜の島１２３の直交する両辺から延伸する形態であってもよい。固定層１２０の加工は、標準的なフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によって行うことができる。
【００３７】
図５は、結合層１２２を介して第１基板１０１に結合している半導体薄膜が第１基板１０１から意図せず剥離することを防止しながら、半導体薄膜の島１２３を加工する工程の例を示す図である。図５における領域１２５ａ及び領域１２５ｂは半導体薄膜の島１２３が形成される予定の領域である。
【００３８】
まず、図５の領域１３１ａ、領域１３１ｂ及び領域１３１ｃで半導体薄膜及び結合層１２２を除去し、第１基板１０１の表面を露出する（図５（ａ））。次に、半導体薄膜の島が形成される予定の領域１２５ａ及び領域１２５ｂの上面から第１基板１０１の領域１３１ａ、領域１３１ｂ及び領域１３１ｃに延びる固定層１２０を形成する（図５（ｂ））。
【００３９】
次に、領域１３２ａ及び領域１３２ｂで半導体薄膜及び結合層１２２を除去し、第１基板１０１の表面を露出させる（図５（ｃ））。図５（ｃ）における領域１３５は、半導体薄膜の島１２３の周囲で第１基板１０１の表面が露出した領域を示している。
上記の工程を経て、第１基板１０１の上方に固定層１２０で仮固定された半導体薄膜の島１２３の加工が完了する。
【００４０】
［半導体薄膜を他の基板に移動させる方法］
以下、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離し、分離した後の半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１に接合する工程について説明する。図６及び図７は、分離した後の半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１に接合する工程を説明するための図である。
【００４１】
まず、図６（ａ）に示すように、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離して第２基板２０１上に接合するためのピックアップ基板１４０を作製する。ピックアップ基板１４０は、第３基板１４１と有機材料バンプ１４２とを有する。有機材料バンプ１４２は、例えば第３基板１４１の主面に感光性有機材料を塗布し、標準的なフォトリソグラフィ法を用いることにより、半導体薄膜の島１２３の形状及びサイズに適合した形状及びサイズに形成することができる。有機材料バンプ１４２を構成する有機材料としては、感光性塗布材料の他、感光性材料のシートを使うこともできる。
【００４２】
有機材料バンプ１４２は、第１基板１０１から分離する予定の半導体薄膜の島１２３の第１基板１０１上の配列に対応するように連続した有機材料層であってもよい。この場合、第３基板１４１上に有機材料バンプ又は有機材料層を予め形成することができるため、第３基板１４１と有機材料バンプ又は有機材料層との間の結合強度が高い。
【００４３】
ピックアップ基板１４０は、他の種々の構成を有してもよい。ピックアップ基板１４０を構成する第３基板１４１の材料としては、例えば、Ｓｉ基板、ガラス基板、石英基板、セラミック基板又は金属基板を使用することができる。また、第３基板１４１は、第３基板１４１の材料と異なる材料で表面がコーティングされていてもよい。
【００４４】
続いて、ピックアップ基板１４０の有機材料バンプ１４２を半導体薄膜の島１２３に位置合わせして、ピックアップ基板１４０を半導体薄膜の島１２３に圧接する。具体的には、有機材料バンプ１４２を半導体薄膜の島１２３及び固定層１２０に密着させ、有機材料バンプ１４２を半導体薄膜の島１２３に結合する（図６（ｂ））。
【００４５】
続いて、図７（ａ）に示すように、例えば半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離する方向（例えば上方）にピックアップ基板１４０を移動する。半導体薄膜の島１２３は、結合層１２２を介して弱い力で第１基板１０１に結合しているため、ピックアップ基板１４０を移動した時に移動しやすい領域（すなわち破断する力が集中する領域）付近で固定層１２０が破断する。すなわち、固定層１２０における半導体薄膜の島１２３の底部付近で固定層１２０が破断して固定層１２０ａとなる（図７（ａ））。第１基板１０１には、固定層１２０の一部が固定層１２０ｂとして残留している。なお、図７（ａ）で示している固定層１２０の破断形状は，あくまで模式的に描いたものにすぎない。
【００４６】
第１基板１０１から分離した半導体薄膜の島１２３の分離面には、結合層１２２の全部又は一部が残留する。半導体薄膜の島１２３の分離面に結合層１２２が残留した状態で第２基板２０１へ接合すると、残留している結合層１２２と第２基板２０１の間は弱い力で接合し、半導体薄膜の島１２３が第２基板２０１から意図せず剥離するリスクがある。そのため、半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１に接合する工程を実行する前に、半導体薄膜の島１２３の分離面に残留する結合層１２２を除去してもよい（図７（ｂ））。結合層１２２の除去は、例えばドライエッチング（例えばＯ２ガスを使ったエッチング処理）により行うことができる。
【００４７】
次に、半導体薄膜上に残留する結合層１２２を除去した半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１上に圧接して、半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１に接合する（図７（ｃ））。半導体薄膜の島１２３が第２基板２０１に接合する力は、例えば分子間力である。半導体薄膜の島１２３が第２基板２０１に接合する力は、結合層１２２の層間の結合力（ファンデルワールス力）よりも大きい。
【００４８】
半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１に接合する工程に先立って、第２基板２０１の表面、又は第２基板２０１の表面の一部の領域に、無機膜、有機膜、金属膜、又はこれらの積層膜を設けて、その上に半導体薄膜の島１２３を接合してもよい。また、接合に先立って、適宜接合面の表面を処理する工程を実行してもよい。
【００４９】
半導体薄膜の島１２３を第２基板２０１上に接合した後、例えばアセトン等の有機溶剤等に浸漬して有機材料バンプ１４２を溶解することにより、第２基板２０１に接合した半導体薄膜の島１２３から、第３基板１４１及び有機材料バンプ１４２を除去する（図７（ｄ））。
【００５０】
［半導体薄膜の島１２３を移動させる工程のフローチャート］
図８は、図４に示した半導体基板１００ａにおける第１基板１０１に結合層１２２を介して形成した半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離して第２基板２０１に接合する工程のフローチャートである。
【００５１】
まず、第１基板１０１の一部の結合層領域に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜１０３を結合する結合層１０２を形成する結合層形成工程を実行する（Ｓ１）。結合層領域は、例えば、図２における結合層１０２が形成されている領域である。結合層形成工程においては、炭素原子を含む材料が露出した結合層１０２を形成する。炭素原子を含む材料は、例えばグラフェンである。
【００５２】
結合層形成工程においては、例えば結合層領域の面積が非結合層領域の面積よりも大きくなるように結合層１０２を形成する。具体的には、結合層形成工程においては、結合層領域及び非結合層領域に結合層１０２を形成する工程と、結合層１０２を形成した後に、非結合層領域に形成された結合層１０２を除去する工程と、を有する。これにより、第１基板１０１の一部の領域に結合層１０２が形成されており、他の一部の領域に結合層１０２が形成されていない状態になる。
【００５３】
続いて、結合層領域及び結合層領域以外の非結合層領域に半導体薄膜１０３を形成する薄膜形成工程を実行する（Ｓ２）。薄膜形成工程においては、例えば、窒化物半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、Ｓｉを含む半導体、及び酸化物半導体のいずれかから選択された半導体を含む半導体薄膜１０３を形成する。
【００５４】
続いて、半導体薄膜１０３の一部を除去する薄膜除去工程を実行する（Ｓ３）。薄膜除去工程においては、例えば、非結合層領域に形成された半導体薄膜１０３を除去する。続いて、半導体薄膜１０３から半導体薄膜１０３が除去された領域まで延在する固定層１２０を形成する固定層形成工程を実行する（Ｓ４）。固定層形成工程においては、例えば半導体薄膜１０３から非結合層領域まで延在する固定層１２０を形成する。
【００５５】
続いて、第１基板１０１と異なる分離用基板であるピックアップ基板１４０が有する有機物層である有機材料バンプ１４２を半導体薄膜１０３に結合することにより、第１基板１０１から半導体薄膜１０３を分離する分離工程を実行する（Ｓ５）。分離工程においては、ピックアップ基板１４０を第１基板１０１から離れる向きに移動させることにより固定層１２０を切断する。
【００５６】
続いて、第１基板１０１から分離した後の半導体薄膜１０３の剥離面に付着した結合層１０２を除去する付着物除去工程を実行した後に（Ｓ６）、第１基板１０１と異なる第２基板２０１に半導体薄膜１０３を接合する接合工程を実行する（Ｓ７）。
【００５７】
なお、薄膜形成工程と固定層形成工程との間に、結合層１０２上に形成された半導体薄膜１０３に溝を形成することにより、図４に示したように、半導体薄膜１０３を複数の島１２３に分割する工程をさらに有してもよい。この場合、結合層形成工程において、溝が形成された領域の少なくとも一部の領域に含まれる結合層１０２を除去する。
【００５８】
また、以上の説明においては、固定層１２０を形成する場合を例示したが、固定層１２０を形成することなく、結合層領域及び結合層領域以外の非結合層領域に半導体薄膜１０３を形成した後に、ピックアップ基板１４０によって半導体薄膜１０３を第１基板１０１から分離してもよい。
【００５９】
上記の説明では、半導体薄膜１０３に所定の半導体素子構造を形成する工程を省略したが、半導体薄膜に固定層１２０を形成する工程よりも前に、半導体薄膜に所定の半導体素子構造（半導体素子の動作領域、配線、電極等）を形成する工程を実行してもよい。
【００６０】
また、図８に示すフローチャートにおいては、図４に示した半導体基板１００ａにおいて、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離する場合の工程を例示したが、同様の工程により、図２に示した半導体基板１００から半導体薄膜１０３を分離することもできる。
【００６１】
具体的には、まず、第１基板１０１の一部の結合層領域１１１に、共有結合よりも弱い力で半導体薄膜１０３を結合する結合層１０２を形成する結合層形成工程を実行した後に、結合層領域１１１及び結合層領域１１１以外の非結合層領域１１２に半導体薄膜１０３を形成する薄膜形成工程を実行する。続いて、第１基板１０１と異なる分離用基板としてのピックアップ基板１４０が有する有機物層を半導体薄膜１０３に結合することにより、第１基板１０１から半導体薄膜１０３を分離する分離工程を実行する。その後、第１基板１０１から分離した後の半導体薄膜１０３の剥離面に付着した結合層１０２を除去する付着物除去工程を実行した後に、第１基板１０１と異なる第２基板２０１に半導体薄膜１０３を接合する接合工程を実行する。
【００６２】
結合層領域１１１においては、半導体薄膜１０３が共有結合力よりも弱い力で第１基板１０１と結合し、非結合層領域１１２においては、結合層領域１１１よりも強い力で第１基板１０１と結合している。非結合層領域１１２の面積が、結合層領域１１１の面積よりも十分に小さいことにより、ピックアップ基板１４０により容易に半導体薄膜１０３を第１基板１０１から分離することができる。
【００６３】
［結合層１２２の一部を除去する変形例］
図９は、半導体薄膜の島１２３の直下の結合層１２２の少なくとも一部の領域を除去する方法を示す図である。例えば、図９に示すように、半導体薄膜の島１２３にピックアップ基板１４０を結合する前に、半導体薄膜の島１２３の直下の結合層１２２の少なくとも一部を除去する工程を実行してもよい。図９における空隙１５１は、半導体薄膜の島１２３の直下の結合層１２２の一部を除去した後に形成される空隙である。残留層１５２は、半導体薄膜の島１２３の直下に残留している結合層１２２である。結合層１２２は、例えばＯ２ガスを使ったドライエッチング法により除去することができる。
【００６４】
図９に示すように、半導体薄膜の島１２３の直下の少なくとも一部を除去することにより、結合層１２２を介して半導体薄膜の島１２３が第１基板１０１に結合する面積が減少する。その結果、ピックアップ基板１４０により、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離する工程で、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離するために必要になる力を低減することができる。
【００６５】
図１０は、半導体薄膜の島１２３の直下の結合層１２２の少なくとも一部の領域を除去する他の方法を示す図である。図１０に示すように、ピックアップ基板１４０を半導体薄膜の島１２３に結合した後に、例えばドライエッチング法を用いて結合層１２２の一部の領域を除去することもできる。
【００６６】
［本実施の形態の半導体素子の製造方法による効果］
本実施の形態の半導体素子の製造方法によれば、第１基板１０１上に設けた結合層１０２を介して第１基板１０１上に形成した半導体薄膜１０３において、第１基板１０１上の少なくとも一部領域で第１基板１０１の表面に、半導体薄膜１０３が結晶成長する露出領域１１０を設けた。したがって、第１基板１０１上に形成する半導体薄膜１０３の材料、層構造、層厚、結晶成長温度などの諸条件により、半導体薄膜１０３の膜応力が増加して半導体薄膜１０３の膜応力が、結合層１０２を介して半導体薄膜１０３が第１基板１０１上に結合する結合力よりも大きくなっても、半導体薄膜１０３の結晶成長過程、半導体薄膜１０３の加工過程、半導体素子の作製工程などの工程で半導体薄膜１０３が第１基板１０１から意図せず剥離することを防止できる。
【００６７】
また、本実施の形態の半導体素子の他の製造方法によれば、半導体薄膜の島１２３から第１基板１０１の表面に至る固定層１２０を設けたので、半導体薄膜の島１２３の材料、層構造、層厚、結晶成長温度などの諸条件により、半導体薄膜の膜応力が、半導体薄膜の島１２３が結合層１２２を介して第１基板１０１に結合する結合力よりも大きい場合であっても、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１上から分離するまでの工程で、半導体薄膜の島１２３が第１基板１０１から意図せず剥離することを防止することができる。
【００６８】
さらに本実施の形態の半導体素子の製造方法によれば、パターン形成が容易な有機材料バンプ１４２あるいは連続した有機物層を備えたピックアップ基板１４０を半導体薄膜の島１２３に圧接して結合することにより、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離することができる。したがって、支持体を接着する接着剤、接着層、又は接着剤を備えた支持体が不要である。また、精密な機械加工などによって半導体薄膜の島１２３をピックアップする治具を準備する必要がなく、第１基板１０１から分離する予定の半導体薄膜の島１２３の形状に適合した形状及びサイズの有機材料バンプ１４２を備えたピックアップ基板１４０を、容易にかつ精密に作製することができる。
【００６９】
また、第３基板１４１上に設けた有機材料バンプ１４２あるいは有機物層は、アセトンなどの有機溶剤などを使って容易に第３基板１４１から除去することができるので、ピックアップ基板１４０を構成する第３基板１４１を容易に再利用することができる。すなわち、工程を省力化でき、必要部材を省部材化できる。
【００７０】
さらに、第１基板１０１上に形成した半導体薄膜の島１２３の中から所定の半導体薄膜の島１２３を選択し、選択した半導体薄膜の島１２３だけを第１基板１０１から分離し、第２基板２０１に接合することも容易に実行することができる。
【００７１】
さらに本実施の形態の半導体素子の製造方法によれば、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離する前に結合層１２２の一部を除去するので、半導体薄膜の島１２３を第１基板１０１から分離する力を低減する効果が得られる。
【００７２】
さらに本実施の形態の半導体素子の製造方法は、第１基板１０１から分離した半導体薄膜の島１２３の分離面に残留する結合層１２２を除去する工程を有することで、半導体薄膜の島１２３と第２基板２０１と間の結合力においてファンデルワールス力よりも強い結合力を得ることができる。また、個々の半導体薄膜の島１２３と第２基板２０１との間の結合力のばらつきを小さくすることができる。
【００７３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の分散・統合の具体的な実施の形態は、以上の実施の形態に限られず、その全部又は一部について、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を合わせ持つ。
【符号の説明】
【００７４】
１００、１００ａ  半導体基板
１０１  第１基板
１０２  結合層
１０３  半導体薄膜
１１０  露出領域
１１１  結合層領域
１１２  非結合層領域
１２０  固定層
１２２  結合層
１２３  島
１４０  ピックアップ基板
１４１  第３基板
１４２  有機材料バンプ
１５１  空隙
１５２  残留層
２０１  第２基板
【図１】
2020057791.tif 000003
【図２】
2020057791.tif 000004
【図３】
2020057791.tif 000005
【図４】
2020057791.tif 000006
【図５】
2020057791.tif 000007
【図６】
2020057791.tif 000008
【図７】
2020057791.tif 000009
【図８】
2020057791.tif 000010
【図９】
2020057791.tif 000011
【図１０】
2020057791.tif 000012