JP4397792B2 - 化合物半導体素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製造工程において、接着物により支持基板に接合された後、支持基板から分離される化合物半導体素子の製造方法に関するものである。

従来から、例えば、太陽電池のように、化合物半導体素子を大量に必要とする装置の製造においては、製造コストを抑制することが大きな課題であり、例えば、製造プロセスに要する時間を短縮したり、使用される化学物質を再利用したりすることによって製造コストの抑制が図られている。

化合物半導体素子を製造する従来の方法としては、例えば、非特許文献１に記載された方法が挙げられる。同文献に示されているように、化合物半導体素子（薄膜化合物半導体素子）は、その製造において、ワックスなどによって支持基板に接着されるプロセス（工程）を含んでいる。この支持基板は、所望の化合物半導体素子が形成されるまでの間は必要であるが、所望の化合物半導体素子が形成された後は不要となる。このため、支持基板上で所望の化合物半導体素子が形成された後に、これらを有機溶剤に浸し、接着物としてのワックスを取り除いて、支持基板を化合物半導体素子から剥がす工程が必要となる。

また、上記の有機溶剤に浸す以外の方法としては、ワックスを高温にして溶かして、支持基板から化合物半導体素子を剥がす方法がある。
「High rate epitaxial lift-off of InGaP films from GaAs substrates」, J.J.Schermer, et al, Applied Physics Letters, Volume 76,No.15,2131P-2133P

しかしながら、上記した従来の方法には、以下のような問題がある。まず、有機溶剤に浸してワックスを取り除く方法の問題について説明する。例えば、太陽電池のように大きな面積を有する化合物半導体素子を必要とする装置の場合、その製造プロセスにおいて、面積の大きな支持基板上で化合物半導体素子を作製する必要がある。ここで、化合物半導体素子と支持基板とを接着するために使用されるワックスの量は、化合物半導体素子の面積に比例するから、当該ワックスを取り除くために使用される有機溶剤が多量になるという問題がある。

また、支持基板上において作製される化合物半導体素子の面積が大きくなるほど、その分離に要する時間（分離時間）が長くなるという問題もある。具体的には、支持基板として、直径２インチの基板を用いた場合、有機溶剤に浸して支持基板を化合物半導体素子から剥がす工程には、約３０分を要することとなる。

つづいて、ワックスを高温にして溶かし、支持基板から化合物半導体素子を剥がす方法の問題について説明する。化合物半導体素子と支持基板との接着に用いられるワックスは一般に、接着を目的として用いられるよりも高い温度において粘性を持っている。このため、ワックスを加熱して溶かすことによって、支持基板から化合物半導体素子を剥がすことが可能となるものの、ワックスが粘性を持っていることにより、化合物半導体素子に過剰な力が加わるという問題がある。

また、ワックスを加熱して溶かすことによって、支持基板から化合物半導体素子を分離することができるが、分離（分離）された後の化合物半導体素子と支持基板との接着面には、接着に用いられたワックスの全量がそのまま付着する。このため、分離後において、化合物半導体素子及び支持基板を有機溶剤で洗浄して、ワックスを取り除く必要がある。そして、この洗浄により、分離後の化合物半導体素子及び支持基板に付着するワックス、すなわち接着物として使用されたワックスの全てが、有機溶剤に溶解することとなる。

上述したとおり、従来の方法は何れも、支持基板と化合物半導体素子との接着に用いられたワックスを、有機溶剤に溶かして取り除くものである。このため、ワックスは有機溶剤に溶け込んだ状態で回収されるが、有機溶剤に溶けた状態のワックスは再利用することが困難であるという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、化合物半導体素子のエピタキシャル成長に用いた基板を除去することによる薄膜化のコストを低減し、化合物半導体素子のスループットの向上を実現する、化合物半導体素子の製造方法を提供することである。また、本発明は、有機溶剤の使用量を減少させること、並びに接着物として用いられるワックスを簡便に再利用することによる、化合物半導体素子の製造コストの低減をも目的としている。

本発明の発明者らは、鋭意検討した結果、接着物により接着された支持基板と化合物半導体素子とを冷却することにより、両者を極めて短い時間で分離できることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明の製造方法は、上記の課題を解決するために、支持基板と化合物半導体素子とを接合している接着物を冷却し、支持基板と化合物半導体とを分離する冷却分離工程を含んでいることを特徴としている。これにより、支持基板と化合物半導体素子とを極めて短時間で分離できるから、化合物半導体素子から支持基板を除去するために要するコストの低減及び化合物半導体素子のスループットの向上を実現することができる。

すなわち、支持基板と化合物半導体素子とを接合する接着物は、所定の温度範囲においては接着性を発揮するが、当該温度範囲の下限値よりも低い温度ではその接着性が低下するから、当該接着物を冷却することよって支持基板と化合物半導体素子とを極めて短時間で分離することが可能となる。

また、上記冷却分離工程が、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子とを液体に浸して、支持基板と化合物半導体とを分離する工程であることが好ましい。

これにより、接着物を素早く冷却できるから、支持基板と化合物半導体素子との分離に要する時間を短くすることができる。なお、本発明の冷却分離工程において用いられる「液体」とは、上記冷却分離工程において凝固せず、液体状態を維持できるものをいうが、１気圧において、−２０℃以下で凝固しない液体が好ましく用いられる。例えば、液体窒素が、上記「液体」として好ましく用いられる。

本発明の製造方法は、上記接着物がワックスである場合に特に好適な方法である。接着物として用いられるワックスは、所定の温度よりも低い温度では接着性が低下し、支持基板と化合物半導体素子とを分離できることに加えて、当該分離後においては、その多くが支持基板と化合物半導体素子との接着面から剥がれ落ちることとなる。このため、接着物として用いられるワックスを簡便に再利用できるとともに、分離後の支持基板と化合物半導体素子とからワックスを取り除くための有機溶剤の使用量を減少させることができる。

したがって、上記接着物がワックスである場合に本発明の製造方法を用いれば、ワックスを再利用すること、及び有機溶剤の量を減少させることができるから、コストダウンを実現することができる。なお、本発明において上記「ワックス」とは、高級脂肪酸と高級１価アルコールとのエステルのことをいい、所定の温度範囲内において接着性があり、所定の温度以上にすれば溶け、所定の温度以下にすれば固化するものをいう。

本発明の製造方法は、上記化合物半導体素子が反射防止膜を介して上記支持基板に接合されている場合に特に好適な方法であり、上記反射防止膜はＴｉＯ_２とＭｇＦ_２とからなるものであることが好ましい。化合物半導体素子の表面よりも反射防止膜の表面のほうが、ワックスなどの接着物が剥れやすいから、再利用可能な接着物の量を増やすと共に、接着物を取り除くために要する有機溶剤の量を減少させることができる。これにより、更なる、コストダウンを実現することができる。

本発明の化合物半導体素子の製造方法は、以上のように、支持基板と化合物半導体素子と接合している接着物を冷却する冷却分離工程を含んでいるから、支持基板と化合物半導体素子の分離に要する時間を極めて短くできるという効果を奏する。

本発明の化合物半導体素子の製造方法は、支持基板と化合物半導体素子と接合している接着物を冷却し、支持基板と化合物半導体とを分離する冷却分離工程を含んでいる。当該冷却分離工程において、接着物が冷却される温度としては、接着物の種類に応じた適切な範囲に設定すればよく、接着物の接着能が支持基板と化合物半導体素子とを分離するのに十分な程度に低下する温度とすればよい。

上記支持基板としては、支持基板上に化合物半導体素子が接合された状態で使用される薬液に侵されないものであって、かつ、冷却分離工程における低温に耐えることができる割れ等の生じない物質が用いられる。例えば、ガラス、テフロン（登録商標）などのフッ素樹脂、ステンレス等が、上記支持基板として好ましく用いられる。

また、上記冷却分離工程において接着物を冷却する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子とを液体に浸す工程、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子との雰囲気温度を低くする工程、接着物に冷却媒体を吹き付ける工程などとすることができる。

上記冷却分離工程が、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子とを液体に浸す工程である場合、冷却分離工程に用いられる液体としては、低温で固化しない溶媒、例えば、液体窒素、水、エチレングリコール、ガルデン(フッ素系不活性化学液)等を用いることができ、これらが互いに溶解するものである場合は、混合物として用いても良い。

化合物半導体と支持基板との接着物がワックスである場合、冷却分離工程の温度は、０℃以下とすることが好ましく、−２０℃以下とすることがより好ましい。また、温度範囲の下限値は液体窒素温度の−１９６℃以上である。上記の範囲にすることにより、ワックスの接着能力が支持基板と化合物半導体素子とを分離するのに十分な程度に低下させることができる。

また、接着物がワックスである場合には、冷却分離工程を、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子とを液体に浸す工程とし、当該液体としてワックスを溶解しない液体を用いることが好ましい。これにより、冷却分離工程において液体中において固化したワックスを容易に再利用することができるから、化合物半導体素子の製造に要するコストを削減することが可能になる。

また、接着物と化合物半導体素子の間に、反射防止膜が形成されている場合に、本発明の化合物半導体素子の製造方法は特に好適であり、上記反射防止膜としては、例えば、ＴｉＯ_２とＭｇＦ_２とからなるもの、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の一実施例について図１ないし図３に基づいて説明すると以下の通りである。
図１は、本実施例において用いた、ｐ−ＧａＡｓ基板１１上にエピタキシャル成長させた、ＩｎＧａＰ太陽電池２０のエピタキシャル層の断面図を示している。同図に示すように、本実施例においては、ＧａＡｓ基板１１上形成されたＡｌＡｓ中間層１２上にＩｎＧａＰ太陽電池２０を形成した。

図１に示すように、ＩｎＧａＰ太陽電池２０は、ＩｎＧａＰ層１３、ｐ−ＧａＡｓ層１４、Ｐ＋ＩｎＧａＰ層１５、ｐ−ＩｎＧａＰ層１６、ｎ−ＩｎＧａＰ層１７、ｎ−ＡｌＩｎＰ層１８、及びｎ−ＧａＡｓ層１９からなっており、これらの各層を成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いた。上記Ｐ+ＩｎＧａＰ層１６は、ＩｎＧａＰ層１５よりも、更に高濃度のｐ型のドーパントをドープして形成された層である。
ｐ−ＧａＡｓ基板１１上に、当該ｐ−ＧａＡｓ基板１１と、ＩｎＧａＰ太陽電池２０を構成する中間層とを分離するためのＡｌＡｓ中間層１２を形成した後に、当該ＡｌＡｓ中間層１２上にＩｎＧａＰ太陽電池２０を形成した。なお、ＡｌＡｓ層１２の成長においては、原料として、ＴＭＡｌ及びＡｓＨ_３を用いた。また、本実施例においては、ｐ−ＧａＡｓ基板１１として２インチφｐ−ＧａＡｓ基板を用いた。

ＩｎＧａＰ太陽電池２０を構成する各層の成長温度は、７００℃（基板温度）とした。ｐ−ＧａＡｓ層１４、及びｎ−ＧａＡｓ層１９の成長においては、原料として、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）及びＡｓＨ_３（アルシン）を用いた。また、ＩｎＧａＰ層１３、Ｐ＋ＩｎＧａＰ層１５、ｐ−ＩｎＧａＰ層１６、及びｎ−ＩｎＧａＰ層１７の成長においては、原料として、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＴＭＧ、及びＰＨ_３（ホスフィン）を用いた。また、ｎ−ＡｌＩｎＰ層１８の成長においては、原料として、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ、及びＰＨ_３を用いた。そして、ｐ−ＧａＡｓ層１４、ｎ−ＧａＡｓ層１９、ＩｎＧａＰ層１３、Ｐ＋ＩｎＧａＰ層１５、ｐ−ＩｎＧａＰ層１６、ｎ−ＩｎＧａＰ層１７、及びｎ−ＡｌＩｎＰ層１８の全ての成長において、ｎ型層形成のための不純物としてはＳｉＨ_４（モノシラン）を用い、ｐ型層形成のための不純物としてはＤＥＺｎを用いた。

上記のようにして形成した、図１に示すエピタキシャル膜のｎ−ＧａＡｓ層１９側の面に、フォトリソグラフィー法によってパターンを形成した後、ＩｎＧａＰ太陽電池２０のｎ−ＧａＡｓ層１９及びｐ−ＧａＡｓ層１４をアルカリ溶液によりエッチングし、ｎ−ＡｌＩｎＰ層１８、ｎ−ＩｎＧａＰ層１７、ｐ−ＩｎＧａＰ層１６、Ｐ＋ＩｎＧａＰ層１５、及びＩｎＧａＰ層１３を酸溶液でエッチングして、ＡｌＡｓ中間層１２を露出させた。なお、上記のエッチングは、ＡｌＡｓ中間層１２を露出させるまで、上記の各層に応じてアルカリ溶液又は酸溶液を用いて繰り返し行った。

上記のようにして、ｎ−ＧａＡｓ層１９側の面にパターンを形成しエッチングを行った後、ｎ−ＧａＡｓ層１９側の面にフォトリソグラフィー法により、上記とは別のパターニングを行い、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極を形成させた。さらに、ＥＢ（Electron Beam）蒸着法により、上記Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極が形成された側のＩｎＧａＰ太陽電池２０の表面に、反射防止膜３０としてＴｉＯ_２膜（膜厚５５ｎｍ）とＭｇＦ_２膜（膜厚１００ｎｍ）とを連続して形成した。

このようにして、ＡｌＡｓ中間層１２とｐ−ＧａＡｓ基板１１とがこの順に、ＩｎＧａＰ層１３側の面に当該面に近い側から積層されており、Ａｕ−Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕ電極と反射防止膜３０とがこの順に、ｎ−ＧａＡｓ層１９側の面に当該面に近い側から積層されたＩｎＧａＰ太陽電池２０を作製した。このようにして作製されたＩｎＧａＰ太陽電池２０の反射防止膜３０表面にワックス４０を塗り、当該ワックス４０が塗布された表面を支持基板５０と張り合わせた。本実施例では、支持基板５０としてステンレスを用いた。

その後、ＩｎＧａＰ太陽電池２０のＩｎＧａＰ層１３側に積層されているＡｌＡｓ中間層１２を１０％ＨＦ溶液で端面からエッチングすることにより、ＩｎＧａＰ太陽電池２０からｐ−ＧａＡｓ基板１１を剥がした。この後に、ＩｎＧａＰ太陽電池２０のＩｎＧａＰ層１３側に裏面電極６０を形成した。このようにして、一方の面に裏面電極６０が形成されており、他方の面に反射防止膜３０が形成されているＩｎＧａＰ太陽電池２０が、反射防止膜３０表面のワックス４０によって、支持基板５０と接合された、図２に示す構造体を作製した。

図２に示した構造体を同図に示した状態で液体窒素に浸した。液体窒素に浸してから５秒後には、反射防止膜３０と裏面電極６０とを備えたＩｎＧａＰ太陽電池２０が、反射防止膜５０から分離された。このように、上記構造体を液体窒素に浸してワックス４０を冷却する冷却分離工程によれば、従来の有機溶剤に浸す方法を用いた場合に必要な時間（約３０分）に比べて、はるかに早くＩｎＧａＰ太陽電池２０を支持基板５０から分離することができた。

また、上記のように分離した後の反射防止膜３０表面には、接着物として用いられたワックス４０が殆ど残っていなかった。具体的には、分離された後の反射防止膜３０及び支持基板５０表面に残ったワックス４０は、接着物として用いられたワックス４０に比較して非常に少ない量であった。このため、分離後の反射防止膜３０及び支持基板５０からワックス４０を取り除くための有機溶剤の量を、従来よりも大きく削減することができた。

更に、上記冷却分離工程において、反射防止膜３０及び支持基板５０から剥れ落ちたワックス４０は、液体窒素の容器内に沈殿し固化しており、接着物として使用されたワックス４０の約７０％を回収することができた。このように、本実施例の方法によれば、有機溶剤に溶解した状態ではなく、そのまま回収することができるから、ワックス４０を容易に再利用することができる。また、回収したワックス４０を再利用し、性能が全く変化していないことを確認した。

本実施例の方法によって、製造されたＩｎＧａＰ太陽電池（１×１ｃｍ）の評価結果を図３に示す。図３に示すように、従来の有機溶媒で剥がして作製したＩｎＧａＰ太陽電池とほぼ同等の特性が得られた。

太陽電池に用いられるもののような、大きな面積を必要とする、化合物半導体素子を低コストで製造する用途に適用できる。

本発明の実施例を示すものであり、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させた、ＩｎＧａＰ太陽電池のエピタキシャル層の断面図である。 支持基板と薄膜太陽電池とが、ワックスを接着物として接合された構造体の概略を示す正面図である。 本発明の実施例の方法により製造されたＩｎＧａＰ太陽電池のＩ−Ｖ特性を示すグラフである。

Claims (6)

1. 支持基板と化合物半導体素子とを接合している接着物を冷却し、支持基板と化合物半導体とを分離する冷却分離工程を含んでいることを特徴とする化合物半導体素子の製造方法。
2. 上記冷却分離工程が、接着物により接合されている支持基板と化合物半導体素子とを液体に浸して、支持基板と化合物半導体とを分離する工程であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体素子の製造方法。
3. 上記冷却分離工程における液体が、液体窒素であることを特徴とする請求項２に記載の化合物半導体素子の製造方法。
4. 上記接着物が、ワックスであることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の化合物半導体素子の製造方法。
5. 上記化合物半導体素子が反射防止膜を介して上記支持基板に接合されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。
6. 上記反射防止膜は、ＴｉＯ_２とＭｇＦ_２とからなるものであることを特徴とする請求項５に記載の化合物半導体素子の製造方法。

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