WO2024122495A1 - 半導体素子の製造方法および製造装置 - Google Patents

半導体素子の製造方法および製造装置 Download PDF

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WO2024122495A1
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growth substrate
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support substrate
semiconductor device
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賢太郎 村川
元久 宇佐川
知紘 北林
幸介 太田
佳伸 川口
剛 神川
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京セラ株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof

Definitions

  • This disclosure relates to a method and apparatus for manufacturing semiconductor devices.
  • the method for manufacturing a semiconductor element according to the present disclosure includes the steps of bonding a plurality of elements, each of which includes a semiconductor layer grown on a growth substrate, to the surface of a support substrate, applying an external force to the back surface of one of the growth substrate and the support substrate such that the pressure distribution is non-uniform within the surface, and peeling off the plurality of elements bonded to the support substrate from the growth substrate.
  • FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing a growth substrate and a number of elements.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are plan views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus for a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus for a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1A to 1C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus for a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus for a semiconductor element according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor substrate according to an embodiment
  • 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor substrate according to an embodiment
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of FIG. 21 and FIG. 22.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor substrate according to an embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor substrate according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing a growth substrate and a plurality of elements.
  • FIGS. 3 to 5 are cross-sectional views showing the method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • FIG. 6 is a plan view showing the method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment. As shown in FIGS.
  • the method for manufacturing a semiconductor element includes a step (S10) of bonding a plurality of elements SL, each of which includes a semiconductor layer 8 grown on a growth substrate TS, to the surface of a support substrate MS, a step (S20) of applying an external force to the back surface UF of one of the growth substrate TS and the support substrate MS so as to result in an in-plane non-uniform pressure distribution, and a step (S30) of peeling off the plurality of elements SL bonded to the support substrate MS from the growth substrate TS.
  • the elements SL when multiple elements SL are bonded to the surface of the support substrate MS, for example, by applying an external force to the back surface UT of the growth substrate TS that results in a non-uniform pressure distribution in the plane, the elements SL will tilt with respect to the growth substrate TS, and the bonded portion J can be easily broken. Specifically, by creating a pressure distribution in which the pressure changes in the first direction X, the bonded portion J with the growth substrate TS will tilt with respect to the normal to the growth substrate TS, and shear stress will concentrate near the interface between the growth substrate TS and the bonded portion J, causing the bonded portion J to break. It is preferable to apply an external force to the back surface UM of the support substrate MS that results in a pressure distribution that is uniform in the plane and does not change over time.
  • the method of manufacturing a semiconductor element according to this embodiment improves the yield when transferring multiple elements SL to a support substrate MS.
  • the growth substrate TS and the support substrate MS may be rigid substrates.
  • Each of the growth substrate TS and the support substrate MS may include a silicon-based substrate (e.g., a Si substrate, a SiC substrate).
  • the growth substrate TS may include a base substrate BS and a mask pattern 6 including a mask portion 5 and an opening K.
  • the bonding material that bonds the element SL and the support substrate MS may be rigid. This can further increase the yield.
  • the semiconductor layer 8 contains a nitride semiconductor as a main component.
  • Specific examples include GaN-based semiconductors, AlN (aluminum nitride), InAlN (indium aluminum nitride), and InN (indium nitride).
  • a GaN-based semiconductor is a semiconductor that contains gallium atoms (Ga) and nitrogen atoms (N), and typical examples include GaN, AlGaN, AlGaInN, and InGaN.
  • the semiconductor layer 8 may be doped (e.g., n-type containing a donor) or non-doped.
  • the growth substrate TS includes a main substrate 1.
  • the main substrate 1 and the underlayer 4 are sometimes referred to as a base substrate BS.
  • the growth substrate TS includes a plurality of seed regions SA arranged in stripes in the first direction X, and each of the multiple elements SL may be connected to a plurality of seed regions SA.
  • the multiple elements SL may be spaced apart in the first direction X, and a gap GP may be formed between two adjacent elements SL.
  • the first direction X may be the a-axis direction ( ⁇ 11-20> direction) of the semiconductor layer 8 (a nitride semiconductor such as GaN).
  • the second direction Y may be the m-axis direction ( ⁇ 1-100> direction) of the semiconductor layer 8.
  • the third direction Z may be the c-axis direction ( ⁇ 0001> direction) of the semiconductor layer 8.
  • the semiconductor layer 8 can be formed by the ELO (Epitaxial Lateral Overgrowth) method, starting from the base layer 4 (seed area SA) exposed under the opening K.
  • the base layer 4 may be, for example, a single layer of AlN, a multilayer of an AlN layer (lower layer) and a GaN layer (upper layer), or a multilayer of an Al layer (lower layer) and an AlN layer (upper layer).
  • the bonding portion J located within the opening K is an initial formation layer, and bonds with the exposed base layer 4 (seed area SA).
  • the base portion B located above the opening K becomes a dislocation inheritance portion with many threading dislocations
  • the wing portion F located above the mask portion 5 becomes a low-defect portion with a lower threading dislocation density than the dislocation inheritance portion.
  • the base substrate BS may have a main substrate 1 which is a heterogeneous substrate having a lattice constant different from that of the semiconductor layer 8.
  • the semiconductor layer 8 may include a GaN-based semiconductor, and the heterogeneous substrate, the main substrate 1, may be a silicon substrate.
  • examples of the heterogeneous substrate include a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate and a silicon carbide (SiC) substrate.
  • the surface orientation of the main substrate 1 is, for example, the (111) surface of a silicon substrate, the (0001) surface of a sapphire substrate, and the 6H-SiC (0001) surface of a SiC substrate. These are merely examples, and any substrate and surface orientation may be used as long as the semiconductor layer 8 can be grown by the ELO method.
  • the mask pattern 6 includes a mask portion 5 and an opening portion K.
  • the opening portion K functions as a growth initiation hole that exposes a portion (seed area SA) of the underlayer 4 and initiates the growth of the semiconductor layer 8, and the mask portion 5 may function as a selective growth mask (deposition inhibition mask) for growing the semiconductor layer 8 laterally, and the surface of the mask portion 5 becomes a growth inhibition area (non-seed area) DA.
  • the mask portion 5 may be, for example, a single layer film including one of a silicon oxide film (SiOx), a titanium nitride film (TiN, etc.), a silicon nitride film (SiNx), a silicon oxynitride film (SiON), and a metal film having a high melting point (e.g., 1000 degrees or higher), or a laminated film including at least two of these.
  • a thermal oxide film obtained by subjecting a silicon substrate, a silicon nitride substrate, etc. to a thermal oxidation process may also be used as the mask portion 5.
  • the mask portion 5 may be a laminated film in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are formed in this order.
  • the upper film in contact with the semiconductor layer 8 may be a silicon nitride film.
  • the element SL may include a functional layer 9 located on the semiconductor layer 8, and the functional layer 9 may include an active layer, a p-type layer, and electrodes (e.g., an anode and a cathode).
  • the active layer may have a quantum well structure.
  • the semiconductor layer 8 and the active layer and p-type layer may be GaN-based semiconductors, and may be formed successively in an MOCVD apparatus.
  • the support substrate MS may be a submount substrate and may include electrode pads PA and PC.
  • the element SL and the electrode pad PA may be joined via solder H.
  • the anode of the element SL and the electrode pad PA may be joined via solder H.
  • the solder H may be a Sn-Au alloy.
  • step S10 in Figure 1 may be selective transfer. That is, the multiple elements SL bonded to the support substrate MS may be a selected element group SG selected from all the elements on the growth substrate TS.
  • FIGs 1 to 5 multiple elements SL (selected element group) are bonded to a support substrate MS without removing the mask portion 5 of the growth substrate TS.
  • a part of the element SL may be embedded in the mask portion 5.
  • Figure 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing method of a semiconductor element according to this embodiment. As shown in Figure 7, after removing the mask portion 5 of the growth substrate TS by wet etching or the like, multiple elements SL (selected element group) are bonded to a support substrate MS, and the element SL may be tilted with respect to the growth substrate TS to break the joint portion J.
  • FIG. 8 and 9 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • an external force is applied to the back surface UF of the growth substrate TS, but this is not limited thereto.
  • FIG. 8 and FIG. 9 in a state in which a plurality of elements SL are bonded to the surface of the support substrate MS, by applying an external force to the back surface UM of the support substrate MS such that the pressure distribution is non-uniform in the plane, the elements SL are tilted with respect to the growth substrate TS, and the joint J can be easily broken.
  • the joint J with the growth substrate TS is tilted with respect to the normal line of the growth substrate TS, and shear stress is concentrated near the interface between the growth substrate TS and the joint J, causing the joint J to break. It is preferable to apply an external force to the back surface UT of the growth substrate TS such that the pressure distribution is uniform in the plane and does not change with time.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • the pressure distribution on the back surface of the growth substrate TS may be changed over time.
  • a plate PT tilted at a predetermined positive angle around an axis (Y direction, m-axis of the semiconductor layer 8) perpendicular to the first direction X is pressed against the back surface of the growth substrate TS, and then a plate PT tilted at a predetermined negative angle is pressed against the back surface of the growth substrate TS.
  • the predetermined positive angle may be 1° to 3°
  • the predetermined negative angle may be -1° to -3°.
  • the selection element group SG multiple elements SL to be subjected to selective transfer
  • the selection element group SG tilted in the positive and negative directions relative to the growth substrate TS, and even if there is a joint J (see FIG. 4) in the selection element group SG that was not broken by the positive tilt, it can be broken by the negative tilt, thereby increasing the transfer yield of the selection element group SG.
  • the inclination is less than 1°, the yield will decrease due to insufficient tilt, and if it is 3° or more, the plate PT may float above the growth substrate TS, making it difficult to apply force appropriately.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • the pressure distribution on the rear surface of the support substrate MS may be changed over time.
  • a plate PT tilted at a predetermined positive angle around an axis (Y direction, m-axis of the semiconductor layer 8) perpendicular to the first direction X is pressed against the rear surface of the support substrate MS, and then a plate PT tilted at a predetermined negative angle is pressed against the rear surface of the support substrate MS.
  • the predetermined positive angle may be 1° to 3°
  • the predetermined negative angle may be -1° to -3°.
  • selection element group SG multiple elements SL to be subjected to selective transfer
  • the selection element group SG tilted in the positive and negative directions relative to the growth substrate TS, and even if there is a joint J (see FIG. 4) in the selection element group SG that was not broken due to the positive tilt, it can be broken by the negative tilt, and the transfer yield of the selection element group SG can be increased.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • a roller R pressed against the back surface of the growth substrate TS may be moved in a first direction X to change the pressure distribution on the back surface of the growth substrate TS over time.
  • the growth substrate TS may be adsorbed to the roller R after the transfer of the selection element group SG.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • a roller R pressed against the back surface of the support substrate MS may be moved in a first direction X to change the pressure distribution on the back surface of the support substrate MS over time.
  • the support substrate MS including the selection element group SG
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor element manufacturing apparatus according to this embodiment.
  • the semiconductor element manufacturing apparatus 50 may include a device G1 that can suction-hold and transport the workpiece 30 from its underside, and a device G2 that drives a plate PT that can change the inclination while applying a compressive force from the top surface of the workpiece 30.
  • the device G1 can move in the X direction, Y direction, and rotate within the XY plane, and aligns the position of the workpiece 30 and the orientation of the selection element group SG with respect to the plate PT.
  • the device G2 can move in the Z direction and rotate within the XZ plane.
  • the semiconductor element manufacturing apparatus 50 releases the selection element group SG from the growth substrate TS by releasing the workpiece 30 while still suction-holding its top and bottom surfaces.
  • the semiconductor device manufacturing apparatus 50 may include a device G1 that can suction-hold and transport the workpiece 30 from its underside, and a device G3 that drives a roller R that applies a compressive force from the top of the workpiece 30.
  • the device G1 can move in the X direction, the Y direction, and rotate in the XY plane, and aligns the position of the workpiece 30 and the orientation of the selection element group SG with respect to the roller R.
  • the semiconductor device manufacturing apparatus 50 applies a compressive force from the roller R to the support substrate MS from one end to the other end by moving the device G1 in the X direction.
  • the roller R is in an adsorption state, and after applying a force to the workpiece 30, the upper side of the workpiece (support substrate MS and selection element group SG) is adsorbed to the roller R side to perform peeling.
  • the pressure of the roller R is applied to the support substrate MS, but this is not limited thereto, and the pressure of the roller R may also be applied to the growth substrate TS.
  • FIG. 16 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • the method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment includes a step (S60) of bonding a plurality of elements SL, each of which includes a semiconductor layer 8 grown on a growth substrate TS, to a surface of a support substrate MS, a step (S70) of applying an external force in a first direction (X direction) perpendicular to the substrate thickness direction to one of the growth substrate TS and the support substrate MS, and a step (S80) of peeling off the plurality of elements SL bonded to the support substrate MS from the growth substrate TS.
  • S60 of bonding a plurality of elements SL, each of which includes a semiconductor layer 8 grown on a growth substrate TS, to a surface of a support substrate MS
  • FIGS. 17 and 18 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor element according to this embodiment.
  • an external force in a first direction may be applied to the growth substrate TS.
  • an external force in the opposite direction to the first direction may be applied to the support substrate MS.
  • an external force in a first direction may be applied to the support substrate MS.
  • an external force in the opposite direction to the first direction may be applied to the growth substrate TS.
  • the semiconductor device manufacturing apparatus 50 may include a device G1 capable of suction-holding and transporting the workpiece 30 from its underside, and a device G4 having a pressure unit PB that suction-holds the upper surface of the workpiece 30 and applies a force in a first direction (X direction) to the workpiece 30.
  • a device G1 capable of suction-holding and transporting the workpiece 30 from its underside
  • a device G4 having a pressure unit PB that suction-holds the upper surface of the workpiece 30 and applies a force in a first direction (X direction) to the workpiece 30.
  • an external force in the first direction (X direction) is applied to the growth substrate TS by the pressure unit PB, and then the workpiece upper and lower surfaces are released while still being held by suction, thereby peeling off the selection element group SG from the growth substrate TS.
  • an external force in the first direction (X direction) is applied to the growth substrate TS, but this is not limited thereto.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view showing a semiconductor element manufacturing apparatus according to this embodiment.
  • semiconductor element manufacturing apparatus 50 may include device G1 that can suction-hold and transport workpiece 30 from its underside, and device G5 that moves in a first direction (X direction) while suction-holding the upper surface of workpiece 30.
  • device G5 moves a small amount in the first direction (X direction) and device G1 moves a small amount in the opposite direction to the first direction (-X direction), and then releases the workpiece upper and lower surfaces while still suction-holding them, thereby peeling off selected element group SG from growth substrate TS.
  • FIG. 21 and 22 are plan views showing the configuration of the semiconductor substrate according to this embodiment.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view of FIG. 21 and FIG. 22.
  • an element SL including a wing portion F (one wing) of a semiconductor layer 8 includes an anode EA and a cathode EC, and the element SL may be held on a growth substrate (template substrate) TS via a tether portion TZ located on a seed region SA.
  • the element SL can be separated from the growth substrate TS by cutting (breaking) the boundary CL between the tether portion TZ and the wing portion F (one wing) and the functional layer 9 overlapping therewith using the semiconductor element manufacturing method according to this embodiment.
  • the element SL may be a light-emitting diode (LED).
  • the tether portion TZ may be provided in the center (FIG. 21), or may be provided in a plurality at intervals (FIG. 22).
  • the tether portion TZ is formed by patterning (partially removing by dry etching, etc.) the semiconductor layer 8 and the functional layer 9 overlapping it, in the region located above the seed region SA.
  • FIG. 24 and 25 are cross-sectional views showing the configuration of a semiconductor substrate according to this embodiment.
  • a gap VS may be provided between a wing portion F (one wing) of the semiconductor layer 8 and the growth substrate TS.
  • the base layer 4 is formed in a ridge shape, and the side surface of the base layer 4 is covered with a mask portion 5, so that the wing portion F of the semiconductor layer 8 can grow laterally while being raised above the growth substrate TS.
  • the method for manufacturing a semiconductor element may be used to obtain an element SL comprising a semiconductor layer 8 (including both wings) and a functional layer 9 overlapping it from the semiconductor substrate 10 of FIG. 24, or an element SL comprising a wing portion F and a functional layer 9 overlapping it.
  • the element SL may be separated from the growth substrate TS.
  • a gap VS may be provided between the wing portion F (one wing) of the semiconductor layer 8 and the growth substrate TS.
  • the wing portion F of the semiconductor layer 8 (nitride semiconductor layer) can be grown laterally while floating above the growth substrate TS.
  • the growth substrate TS template substrate
  • a modified region 4D and a non-modified region 4S are formed in the base layer 4, the non-modified region 4S functions as a seed region SA, and the modified region 4D functions as a growth suppression region (non-seed region) DA.
  • the modified region 4D can be formed by performing a plasma treatment or the like on the base layer 4 (e.g., an AlN layer).
  • the method for manufacturing a semiconductor element may be used to obtain an element SL having a semiconductor layer 8 (including both wings) and a functional layer 9 overlapping it from the semiconductor substrate 10 of FIG. 25, or an element SL having a wing portion F and a functional layer 9 overlapping it.
  • the element SL may be separated from the growth substrate TS.

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Abstract

本半導体素子の製造方法は、成長用基板TS上に成長した半導体層8をそれぞれが含む複数の素子SLを支持基板MSの表面に接合する工程と、成長用基板TSおよび支持基板MSの一方の裏面UFに、面内不均一な押圧分布となるような外力を加える工程と、支持基板MSに接合する複数の素子SLを、成長用基板TSから剥離する工程とを含む。

Description

半導体素子の製造方法および製造装置
 本開示は、半導体素子の製造方法および製造装置に関する。
 特許文献1には、マスクパターンを有する成長用基板上に、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法を用いて複数の半導体層(例えばGaN層)を形成し、各半導体層をダイシングテープを用いて成長用基板から剥離する手法が開示されている。
特開2013-251304号公報
 本開示にかかる半導体素子の製造方法は、成長用基板上に成長した半導体層をそれぞれが含む複数の素子を支持基板の表面に接合する工程と、前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に、面内不均一な押圧分布となるような外力を加える工程と、前記支持基板に接合する前記複数の素子を、前記成長用基板から剥離する工程とを含む。
本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 成長用基板および複数の素子を示す平面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す平面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。 本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。 実施形態に係る半導体基板の構成を示す平面図である。 実施形態に係る半導体基板の構成を示す平面図である。 図21および図22の断面図である。 実施形態に係る半導体基板の構成を示す断面図である。 実施形態に係る半導体基板の構成を示す断面図である。
 図1は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図2は、成長用基板および複数の素子を示す平面図である。図3~図5は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図6は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す平面図である。図1~図6に示すように、本実施形態に係る半導体素子の製造方法は、それぞれが成長用基板TS上に成長した半導体層8を含む複数の素子SLを支持基板MSの表面に接合する工程(S10)と、成長用基板TSおよび支持基板MSの一方の裏面UFに、面内不均一な押圧分布となるような外力を加える工程(S20)と、支持基板MSに接合する複数の素子SLを、成長用基板TSから剥離する工程(S30)とを含む。
 図4に示すように、複数の素子SLを支持基板MSの表面に接合した状態において、例えば成長用基板TSの裏面UTに面内不均一な押圧分布となるような外力を加えることで、素子SLが成長用基板TSに対して傾き、結合部Jを容易に破断させることができる。具体的には、第1方向Xについて押圧が変化する押圧分布とすることで、成長用基板TSとの結合部Jが成長用基板TSの法線に対して傾き、成長用基板TSおよび結合部Jの界面近傍にせん断応力が集中して結合部Jが破断する。なお、支持基板MSの裏面UMには、面内均一で時間的に変化しない押圧分布となるような外力を加えるとよい。
 これまでは、成長用基板上の複数の素子を支持基板へ転写するプロセスの歩留まりが低いという問題があったが、本実施形態に係る半導体素子の製造方法によれば、複数の素子SLを支持基板MSに転写する際の歩留まりが改善する。
 成長用基板TSおよび支持基板MSは剛性基板であってよい。成長用基板TSおよび支持基板MSそれぞれがシリコン系基板(例えば、Si基板、SiC基板)を含んでいてもよい。成長用基板TSは、ベース基板BSと、マスク部5および開口部Kを含むマスクパターン6とを備えてよい。素子SLおよび支持基板MSを接合する接合材が剛性を有していてもよい。これにより、歩留まりをより高めることができる。
 半導体層8は、主成分として窒化物半導体を含む。窒化物半導体は、例えば、AlxGayInzN(0≦x≦1;0≦y≦1;0≦z≦1;x+y+z=1)と表すことができ、具体例として、GaN系半導体、AlN(窒化アルミニウム)、InAlN(窒化インジウムアルミニウム)、InN(窒化インジウム)を挙げることができる。GaN系半導体とは、ガリウム原子(Ga)および窒素原子(N)を含む半導体であり、典型的な例として、GaN、AlGaN、AlGaInN、InGaNを挙げることができる。
 半導体層8は、ドープ型(例えば、ドナーを含むn型)でもノンドープ型でもよい。成長用基板TSは主基板1を含む。主基板1および下地層4を含めてベース基板BSと呼びことがある。成長用基板TSは、第1方向Xにストライプ状に並ぶ複数のシード領域SAを含み、複数の素子SLそれぞれが複数のシード領域SAに繋がっていてよい。
 複数の素子SLは、第1方向Xに離間形成されていてよく、隣り合う2つの素子SLの間にギャップ(間隙)GPが形成されてよい。第1方向Xは、半導体層8(GaN等の窒化物半導体)のa軸方向(<11-20>方向)であってよい。第2方向Yは、半導体層8のm軸方向(<1-100>方向)であってよい。第3方向Z(半導体層8の厚さ方向)は、半導体層8のc軸方向(<0001>方向)であってよい。
 図2~図4に示すように、半導体層8は、開口部K下に露出した下地層4(シード領域SA)を起点として、ELO(Epitaxial Lateral Overgrowth)法によって形成することができる。下地層4は、例えば、AlN層の単層でもよいし、AlN層(下層)とGaN層(上層)の複層でもよいし、Al層(下層)とAlN層(上層)の複層でもよい。開口部K内に位置する結合部Jは、初期形成層であり、露出した下地層4(シード領域SA)と結合する。半導体層8のうち、開口部Kの上方に位置する基部Bは、貫通転位が多い転位継承部となり、マスク部5の上方に位置するウィング部Fは、転位継承部と比較して貫通転位密度が小さい低欠陥部となる。
 ベース基板BSは、半導体層8と格子定数の異なる異種基板である主基板1を有してもよい。半導体層8がGaN系半導体を含み、異種基板である主基板1がシリコン基板であってもよい。異種基板としては、シリコン基板のほかに、サファイア(Al)基板、シリコンカーバイド(SiC)基板等を挙げることができる。主基板1の面方位は、例えば、シリコン基板の(111)面、サファイア基板の(0001)面、SiC基板の6H-SiC(0001)面である。これらは例示であって、半導体層8をELO法で成長させることができる基板および面方位であればよい。
 マスクパターン6は、マスク部5および開口部Kを含む。開口部Kは下地層4の一部(シード領域SA)を露出させ、半導体層8の成長を開始させる、成長開始用ホールとして機能し、マスク部5は、半導体層8を横方向成長させるための選択成長マスク(堆積抑制マスク)として機能してもよく、マスク部5の表面は、成長抑制領域(非シード領域)DAとなる。
 マスク部5として、例えば、シリコン酸化膜(SiOx)、窒化チタン膜(TiN等)、シリコン窒化膜(SiNx)、シリコン酸窒化膜(SiON)、および高融点(例えば1000度以上)をもつ金属膜のいずれか1つを含む単層膜、またはこれらの少なくとも2つを含む積層膜を用いることができる。シリコン基板、窒化シリコン基板等を熱酸化処理を施して得られる熱酸化膜をマスク部5として用いてもよい。マスク部5として、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜をこの順に形成した積層膜を用いることができる。半導体層8に接する上層膜はシリコン窒化膜としてもよい。
 素子SLは、半導体層8上に位置する機能層9を含んでよく、機能層9は、活性層およびp型層並びに電極(例えばアノードおよびカソード)を含んでよい。活性層が量子井戸構造であってもよい。半導体層8並びに活性層およびp型層をGaN系半導体とし、これらをMOCVD装置で連続形成してもよい。
 支持基板MSがサブマウント基板であってよく、電極パットPA・PCを含んでもよい。素子SLおよび電極パットPAを半田Hを介して接合してもよい。素子SLのアノードと電極パットPAとが半田Hを介して接合されてもよい。半田HがSn-Au合金であってもよい。
 図3および図6に示すように、図1のステップS10は、選択転写であってよい。すなわち、支持基板MSに接合される複数の素子SLは、成長用基板TS上の全素子の中から選択された選択素子群SGであってよい。
 図1~図5では、成長用基板TSのマスク部5を除去することなく、複数の素子SL(選択素子群)を、支持基板MSに接合する。この場合、図4に示すように、素子SLを成長用基板TSに対して傾けたときに、素子SLの一部がマスク部5にめり込んでもよい。図7は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図7に示すように、成長用基板TSのマスク部5をウェットエッチング等で除去した後に、複数の素子SL(選択素子群)を支持基板MSに接合し、素子SLを成長用基板TSに対して傾けて結合部Jを破断させてもよい。
 図8および図9は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図3および図4では成長用基板TSの裏面UFに外力を加えているが、これに限定されない。図8および図9に示すように、複数の素子SLを支持基板MSの表面に接合した状態において、支持基板MSの裏面UMに面内不均一な押圧分布となるような外力を加えることで、素子SLが成長用基板TSに対して傾き、結合部Jを容易に破断させることができる。具体的には、第1方向Xについて押圧が変化する押圧分布とすることで、成長用基板TSとの結合部Jが成長用基板TSの法線に対して傾き、成長用基板TSおよび結合部Jの界面近傍にせん断応力が集中して結合部Jが破断する。成長用基板TSの裏面UTには、面内均一で時間的に変化しない押圧分布となるような外力を加えるとよい。
 図10は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図10に示すように、成長用基板TSの裏面の押圧分布を時間的に変化させてもよい。例えば、成長用基板TSの裏面に、第1方向Xに直交する軸(Y方向、半導体層8のm軸)まわりに所定のプラス角度だけ傾けたプレートPTを圧接させた後、所定のマイナス角度だけ傾けたプレートPTを圧接させる。所定のプラス角度は、1°~3°、所定のマイナス角度は、-1°~-3°であってよい。これにより、選択素子群SG(選択転写の対象たる複数の素子SL)を成長用基板TSに対してプラス方向およびマイナス方向に傾けることができ、選択素子群SGにプラス方向の傾きで破断しなかった結合部J(図4参照)があったとしても、マイナス方向の傾きで破断させることができ、選択素子群SGの転写歩留まりを高めることができる。ここで、1°未満だと傾きが足りずに歩留まりが低下し、3°以上だと成長用基板TSからプレートPTが浮いてしまい適切に力を加えられなくなるおそれがある。
 図11は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図11に示すように、支持基板MSの裏面の押圧分布を時間的に変化させてもよい。例えば、支持基板MSの裏面に、第1方向Xに直交する軸(Y方向、半導体層8のm軸)まわりに所定のプラス角度だけ傾けたプレートPTを圧接させた後、所定のマイナス角度だけ傾けたプレートPTを圧接させる。所定のプラス角度は、1°~3°、所定のマイナス角度は、-1°~-3°であってよい。これにより、選択素子群SG(選択転写の対象たる複数の素子SL)を成長用基板TSに対してプラス方向およびマイナス方向に傾けることができ、選択素子群SGにプラス方向の傾きで破断しなかった結合部J(図4参照)があったとしても、マイナス方向の傾きで破断させることができ、選択素子群SGの転写歩留まりを高めることができる。
 図12は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図12に示すように、成長用基板TSの裏面に圧接させたローラRを、第1方向Xに移動させることで、成長用基板TSの裏面の押圧分布を時間的に変化させてもよい。これにより、選択素子群SG(選択転写の対象たる複数の素子SL)を成長用基板TSに対してプラス方向およびマイナス方向に傾けることができ、選択素子群SGにプラス方向の傾きで破断しなかった結合部J(図4参照)があったとしても、マイナス方向の傾きで破断させることができ、選択素子群SGの転写歩留まりを高めることができる。選択素子群SGの転写後に成長用基板TSがローラRに吸着されてもよい。
 図13は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図13に示すように、支持基板MSの裏面に圧接させたローラRを、第1方向Xに移動させることで、支持基板MSの裏面の押圧分布を時間的に変化させてもよい。これにより、選択素子群SG(選択転写の対象たる複数の素子SL)を成長用基板TSに対してプラス方向およびマイナス方向に傾けることができ、選択素子群SGにプラス方向の傾きで破断しなかった結合部J(図4参照)があったとしても、マイナス方向の傾きで破断させることができ、選択素子群SGの転写歩留まりを高めることができる。選択素子群SGの転写後に(選択素子群SGを含む)支持基板MSがローラRに吸着されてもよい。
 図14は、本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。図14に示すように、半導体素子の製造装置50は、ワーク30を下面から吸着保持し搬送できる装置G1と、ワーク30の上面から圧縮方向の力を加えながら傾きを変化させうるプレートPTを駆動する装置G2とを備えてよい。装置G1は、X方向移動、Y方向移動、およびXY平面内の回転が可能であり、プレートPTに対してワーク30の位置および選択素子群SGの向きを合わせる。装置G2は、Z方向移動およびXZ平面内の回転が可能である。半導体素子の製造装置50は、ワーク30に力を加えたのち、ワーク上面とワーク下面を吸着保持したまま離していくことで、選択素子群SGを成長用基板TSから剥離する。
 図15は、本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。図15に示すように、半導体素子の製造装置50は、ワーク30を下面から吸着保持し搬送できる装置G1と、ワーク30の上面から圧縮方向の力を加えるローラRを駆動する装置G3とを備えてよい。装置G1は、X方向移動、Y方向移動、およびXY平面内の回転が可能であり、ローラRに対してワーク30の位置および選択素子群SGの向きを合わせる。半導体素子の製造装置50は、装置G1をX方向に移動させることでローラRによる圧縮方向の力を支持基板MSの一端から他端まで加える。ローラRは吸着状態とし、ワーク30に力を加えたのち、ワーク上側(支持基板MSおよび選択素子群SG)はローラR側へ吸着されることで剥離を行う。図15では、ローラRの押圧を支持基板MSに加えているがこれに限定されず、ローラRの押圧を成長用基板TSに加えてもよい。
 図16は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示すフローチャートである。図16に示すように、本実施形態に係る半導体素子の製造方法は、それぞれが成長用基板TS上に成長した半導体層8を含む複数の素子SLを、支持基板MSの表面に接合する工程(S60)と、成長用基板TSおよび支持基板MSの一方に、基板厚さ方向と直交する第1方向(X方向)の外力を加える工程(S70)と、支持基板MSに接合する複数の素子SLを、成長用基板TSから剥離する工程(S80)とを含む。
 図17および図18は、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を示す断面図である。図17に示すように、成長用基板TSに第1方向(X方向)の外力を加えてもよい。この場合、支持基板MSに第1方向と逆方向(-X方向)の外力を加えてもよい。また、図18に示すように、支持基板MSに第1方向(X方向)の外力を加えてもよい。この場合、成長用基板TSに第1方向と逆方向(-X方向)の外力を加えてもよい。
 図19は、本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。図19に示すように、半導体素子の製造装置50は、ワーク30を下面から吸着保持し搬送できる装置G1と、ワーク30の上面を吸着保持するとともに、ワーク30に第1方向(X方向)の力を加える圧力部PBを有する装置G4とを備えてよい。ワーク30の上面および下面を吸着保持した状態で圧力部PBによって成長用基板TSに第1方向(X方向)の外力を加えた後、ワーク上面とワーク下面を吸着保持したまま離していくことで、選択素子群SGを成長用基板TSから剥離する。図19では、成長用基板TSに第1方向(X方向)の外力を加えているが、これに限定されない。支持基板MSに第1方向(X方向)の外力を加えてもよい。
 図20は、本実施形態に係る半導体素子の製造装置を示す断面図である。図20に示すように、半導体素子の製造装置50は、ワーク30を下面から吸着保持し搬送できる装置G1と、ワーク30の上面を吸着保持しながら、第1方向(X方向)に移動する装置G5とを備えてよい。半導体素子の製造装置50では、ワーク30の上面および下面を吸着保持した状態で、装置G5が第1方向(X方向)に微小量移動するとともに、装置G1が第1方向の逆方向(-X方向)に微小量移動し、その後にワーク上面とワーク下面を吸着保持したまま離していくことで、選択素子群SGを成長用基板TSから剥離する。
 図21および図22は、本実施形態に係る半導体基板の構成を示す平面図である。図23は、図21および図22の断面図である。図21~図23に示すように、成長用基板および半導体素子を含む半導体基板10では、半導体層8のウィング部F(片翼)を含む素子SLがアノードEAおよびカソードECを含み、素子SLが、シード領域SA上に位置するテザー部TZを介して成長用基板(テンプレート基板)TSに保持されてよい。この場合、テザー部TZと、ウィング部F(片翼)およびこれに重畳する機能層9との境界CLを、本実施形態に係る半導体素子の製造方法を用いて断つ(破断させる)ことで素子SLを成長用基板TSから分離することができる。素子SLは、発光ダイオード(LED)であってよい。テザー部TZは、中央部に1個設けてもよいし(図21)、間隔をあけて複数設けてもよい(図22)。図21~図23に示す半導体基板10では、半導体層8およびこれに重畳する機能層9のうち、シード領域SA上に位置する領域をパターニングする(ドライエッチング等で部分的に除去する)ことでテザー部TZが形成される。
 図24および図25は、本実施形態に係る半導体基板の構成を示す断面図である。図24に示すように、半導体層8のウィング部F(片翼)と成長用基板TSとの間に空隙VSを設けてもよい。図24の半導体基板10では、下地層4を畝状(リッジ状)に形成し、下地層4の側面をマスク部5で覆うことで、半導体層8のウィング部Fを、成長用基板TSから浮かした状態で横方向成長させることができる。
 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を用いて、図24の半導体基板10から、半導体層8(両翼含む)とこれに重なる機能層9とを備える素子SLを得てもよいし、ウィング部Fとこれに重なる機能層9とを備える素子SLを得てもよい。図21・図22のようなテザー構造(シード領域SA上の半導体層8および機能層9がパターニングされた構造)を形成した後に、成長用基板TSから素子SLを分離してもよい。
 図25に示すように、半導体層8のウィング部F(片翼)と成長用基板TSとの間に空隙VSを設けてもよい。図25の半導体基板10では、成長用基板TS上に、畝状の隆起部R(例えばGaN系半導体部)および隆起部Rに接する成長抑制膜7(例えば窒化珪素膜)を連続形成した後に、半導体層8(窒化物半導体層)のウィング部Fを、成長用基板TSから浮かした状態で横方向成長させることができる。図25の成長用基板TS(テンプレート基板)では、下地層4に、改質領域4Dおよび非改質領域4Sが形成され、非改質領域4Sがシード領域SAとして機能し、改質領域4Dが成長抑制領域(非シード領域)DAとして機能する。改質領域4Dは、下地層4(例えば、AlN層)にプラズマ処理等を施して形成することができる。
 本実施形態に係る半導体素子の製造方法を用いて、図25の半導体基板10から、半導体層8(両翼含む)およびこれに重なる機能層9を備える素子SLを得てもよいし、ウィング部Fおよびこれに重なる機能層9とを備える素子SLを得てもよい。図21・図22のようなテザー構造(シード領域SA上の半導体層8および機能層9がパターニングされた構造)を形成した後に、成長用基板TSから素子SLを分離してもよい。
 (附記)
 以上の開示は例示および説明を目的とするものであり、限定を目的とするものではない。これら例示および説明に基づけば、多くの変形形態が当業者にとって自明となるのであるから、これら変形形態も実施形態に含まれることに留意されたい。
 1 主基板
 4 下地層
 5 マスク部
 6 マスクパターン
 8 半導体層
 30 ワーク
 50 半導体素子の製造装置
 K 開口部
 B 基部
 F ウィング部
 J 結合部
 H 半田
 SG 選択素子群
 G1~G5 装置
 PA・PC パッド電極
 SL 素子
 SA シード領域
 MS 支持基板
 TS 成長用基板

Claims (20)

  1.  それぞれが成長用基板上に成長した半導体層を含む複数の素子を、支持基板の表面に接合する工程と、
     前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に、面内不均一な押圧分布となるような外力を加える工程と、
     前記支持基板に接合する前記複数の素子を、前記成長用基板から剥離する工程とを含む、半導体素子の製造方法。
  2.  前記押圧分布を時間的に変化させる、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  3.  前記外力によって前記複数の素子を前記成長用基板に対して傾け、前記成長用基板との結合部を破断させる、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  4.  前記成長用基板および前記支持基板の他方の裏面には、面内均一で時間的に変化しない押圧分布となるような外力を加える、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  5.  前記成長用基板および前記支持基板は剛性基板である、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  6.  前記成長用基板は、第1方向にストライプ状に並ぶ複数のシード領域を含み、
     前記複数の素子それぞれが前記複数のシード領域に繋がる、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  7.  前記複数の素子は、前記第1方向に離間形成されている、請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  8.  前記押圧分布においては、前記第1方向に押圧が変化する、請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  9.  前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に、前記第1方向に直交する軸まわりに所定のプラス角度だけ傾けたプレートを圧接させる、請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  10.  前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に、前記所定のプラス角度だけ傾けたプレートを圧接させた後に、所定のマイナス角度だけ傾けたプレートを圧接させる、請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
  11.  前記所定のプラス角度は、1°~3°である、請求項9に記載の半導体素子の製造方法。
  12.  前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に圧接させたローラを、前記第1方向に移動させる、請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  13.  前記成長用基板は、前記複数のシード領域の間に位置するマスク部を含み、
     前記マスク部を除去することなく、前記複数の素子を、前記成長用基板から剥離する、請求項6に記載の半導体素子の製造方法。
  14.  前記複数の素子は、前記成長用基板上に位置する素子群の中から選択的に前記支持基板に接合される、請求項1に記載の半導体素子の製造方法。
  15.  それぞれが成長用基板上に成長した半導体層を含む複数の素子を、前記成長用基板から剥離する、半導体素子の製造装置であって、
     前記複数の素子を支持する支持基板および前記成長用基板の一方の裏面に、面内不均一な押圧分布となるような外力を加える、半導体素子の製造装置。
  16.  前記押圧分布を時間的に変化させる、請求項15に記載の半導体素子の製造装置。
  17.  プレートおよび前記プレートの駆動機構を備え、
     前記駆動機構は、前記裏面に対してプラス方向に傾けた前記プレートを前記裏面に圧接させた後、前記裏面に対してマイナス方向に傾けた前記プレートを前記裏面に圧接させる、請求項16に記載の半導体素子の製造装置。
  18.  ローラおよび前記ローラの駆動機構を備え、
     前記駆動機構は、前記ローラを、前記成長用基板および前記支持基板の一方の裏面に圧接しながら回転させる、請求項16に記載の半導体素子の製造装置。
  19.  前記成長用基板および前記支持基板を、前記ローラの回転方向に応じた向きに移動させるワーク移動機構を備える、請求項18に記載の半導体素子の製造装置。
  20.  それぞれが成長用基板上に成長した半導体層を含む複数の素子を、支持基板の表面に接合する工程と、
     前記成長用基板および前記支持基板の一方に、基板厚さ方向と直交する第1方向の外力を加える工程と、
     前記支持基板に接合する前記複数の素子を、前記成長用基板から剥離する工程とを含む、半導体素子の製造方法。
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