JP2003292398A

JP2003292398A - 単結晶シリコンウェファの製造方法

Info

Publication number: JP2003292398A
Application number: JP2002095995A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Nakagawa; 克己中川; Akiyuki Nishida; 彰志西田; Takao Yonehara; 隆夫米原; Kazuaki Omi; 和明近江
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15
Also published as: US7077901B2; US20030183159A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高価な同位体を濃縮したシリコン原料を有効
に使用し、薄く熱伝導性の良好な大口径の単結晶シリコ
ンウェファを製造する。【解決手段】単結晶シリコンウェファの製造方法が、
少なくとも、質量数２８の同位体濃度が９２．５％以下
のシリコンからなる単結晶シリコン基板１００の表面に
多孔質層１０１を形成する工程と、高温還元性雰囲気下
で、メルト１０３中に質量数２８の同位体濃度が９８％
以上の原料シリコンを過飽和状態まで溶解する工程と、
メルト１０３中に単結晶シリコン基板１００を浸漬し、
多孔質層１０１の表面に単結晶シリコン層１０６を成長
させる工程と、単結晶シリコン層１０６をウェファとし
て多孔質層１０１の部分から剥離する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高いクロック周波
数で動作するマイクロプロセッサーなどの発熱の大きな
素子、あるいは高集光条件下で使用される太陽電池等の
外部からの強い輻射に晒される素子の製造に好適な単結
晶シリコンウェファの製造方法に係り、特に、高熱伝導
性を有する単結晶シリコンウェファの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】コンピューターの性能は日進月歩で向上
している。そのうち、特に処理速度の向上をもたらして
いる大きな要因は、使用されるマイクロプロセッサーの
クロック周波数の増加である。

【０００３】しかし、クロック周波数の増加は使用電力
の増大をもたらす。現在でも、Ｃｏｍｐａｑ社のＡｌｐ
ｈａ２１２６４チップは６００ＭＨｚで動作し、消費電
力は１０９Ｗであるが、さらに動作周波数の高いマイク
ロプロセッサーが開発されており消費電力が増大しつつ
ある。それに伴い、チップが高温になると、電子やホー
ルなどの易動度が低下しマイクロプロセッサーとしての
動作特性が低下し、さらにはホットスポットとよばれる
局所的な温度上昇により致命的な損傷を受ける虞れがあ
る。

【０００４】このような問題を解決するために、チップ
を冷却するための工夫が進められているが、消費電力の
増大に伴いチップの内部における熱伝導が問題にされる
ようになってきた。

【０００５】また、シリコン単結晶はＸ線光学系で、Ｂ
ｒａｇｇ反射を利用したミラーとして利用されている。
この分野においては、シンクロトロンなどの次世代の強
力なＸ線光源の普及が進んでいる。それに伴い強い放射
線の輻射を受けてもミラーが発熱による損傷を受けない
ように、シリコン単結晶の冷却法が工夫されている。

【０００６】また太陽光発電において、発電コストを削
減するため、光学系で太陽光を１０〜５００倍位に集光
し、焦点面に単結晶で作られた高性能の太陽電池を置い
て発電を行う集光型太陽光発電が注目されている。この
場合、原理的には変換効率が高まるはずであるが、強力
な光の輻射に対し冷却が不十分であると、太陽電池が高
温になり温度上昇に伴う特性低下が起こるため、結局、
高集光による変換効率上昇のメリットが受けられない。
したがって、この場合も太陽電池の冷却法に工夫が凝ら
されている。

【０００７】しかし、Ｘ線光学系や高集光用太陽電池で
も、今後さらに性能の向上を求めると、シリコン単結晶
内部の熱伝導が問題になると予想される。熱伝導性は物
質としての基本的な物性である。

【０００８】そこで、これらの用途に発熱の少ない、あ
るいは温度上昇があっても特性低下の少ない、あるいは
熱伝導性の高いシリコン以外の半導体を使用することも
試みられている。

【０００９】しかし、材料が本質的に希少であったり、
環境に対して有害であったりして、シリコンに置き換え
られる材料は容易には見つからない。また、特にマイク
ロプロセッサーのように複雑なプロセスにより製造され
るデバイスでは、半導体材料を変更するために、一連の
プロセスや各プロセスに使用される材料の殆どすべてを
見直すことが必要となり、容易に実現し難い。

【００１０】この様な状況を打開するために、ＵＳＰ
５，１４４，４０９号には、質量数２８の同位体の純度
を高めたシリコンで素子を製造することが提案されてい
る。すなわち、一般にシリコンは質量数２８、２９、３
０の３種類の安定な同位体から構成され、それぞれ自然
界における標準的な存在比は、９２．２％、４．７％、
３．１％であると言われている。これらの同位体は化学
的には殆ど識別できないが、質量数が異なるため原子核
の熱振動に影響し、フォノンの散乱を増加させるため、
これらの混合物では熱伝導性が低下する。

【００１１】そこで、質量数２８の同位体の純度を高め
て熱伝導性の改善を図るというのが、ＵＳＰ５，１４
４，４０９号の趣旨である。実際に、Ｔ．Ｒｕｆ、Ｒ．
Ｗ．Ｈｅｎｎ、Ｍ．Ａｓｅｎ−Ｐａｌｍｅｒ、Ｅ．Ｇｍ
ｅｌｉｎ、Ｍ．Ｃａｒｄｏｎａ、Ｈ．−Ｊ．Ｐｏｈｌ、
Ｇ．Ｇ．ＤｅｖｙａｔｙｃｈａｎｄＰ．Ｇ．Ｓｅｎ
ｎｉｋｏｖは、質量数２８の存在比を９９．８６％に高
めたシリコンでは、室温でも通常のシリコンより熱伝導
率が６０％程度改善されることを実証した。室温以下で
は、熱伝導率の改善効果がさらに高まる。

【００１２】質量数２８のシリコン同位体の純度を高め
るための方法としては、ＵＳＰ４，５８４，０７３号に
記載されているような、シリコンフッ化物分子のレーザ
ー光の吸収係数が同位体により異なることを利用した熱
分解による方法や、ＵＳＰ５，１７６，８８５号に記載
されているような、酸溶液にしてイオン交換樹脂の吸着
能の違いを利用する方法などが提案されている。質量数
２８のシリコンの濃縮には、軍用の設備が冷戦の終結に
より転用可能になったと言われており、今後同位体の純
度を高めたシリコンは急速に生産が増加するものと見ら
れる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、質量数
２８の純度を高めたシリコン原料を製造する工程は、元
来、化学的な性質が殆ど同じ同位体を濃縮する必要があ
るため煩雑化し、得られたシリコン原料はいきおい高価
とならざるを得ない。

【００１４】また、通常単結晶シリコンウェファは、チ
ョクラルスキー（Ｃｚ）法やフローティングゾーン（Ｆ
ｚ）法で引き上げたインゴットを、スライス・研磨して
生産されている。質量数２８の同位体の純度を高めたシ
リコン単結晶ウェファをこの方法で製造すると、特にス
ライスや表面研磨の過程で原料にかなりの無駄が出る。

【００１５】さらに、単結晶シリコンウェファは大口径
化の一途をたどっており、現在、半導体の製造ラインは
８インチφが主流で、さらに１２インチφへの置き換え
が進められている。しかし、高価な同位体濃縮シリコン
原料を大量に用いて大口径なインゴットを引き上げるの
は困難である。そこで、通常のシリコンのウェファ上に
質量数２８の同位体の純度を高めたシリコンをエピタキ
シャル成長したエピウェファが試作されている。この場
合にはシリコン原料の利用率が高く、大口径化が容易で
あるが、基板に熱伝導率の低い通常のシリコンを使用し
ているため、チップ面内の発熱の不均一性改善には有効
としても、厚さ方向の熱伝導の改善が不十分であった。

【００１６】また、シリコンのエピタキシャル成長法と
して、標準的に使用される気相成長法では、容器内に原
料としてシラン、塩化シランなどシリコンを含むガスを
流し、高温に保持した基板上で熱分解させてエピタキシ
ャル成長を行うが、その際に流したガスのかなりの部分
が基板上に成長することなく流れ去る。そのため、気相
成長法によると、同位体の純度を高めたシリコンからな
る高価な原料ガスの相当量が無駄となり、結果として、
エピウェファが高価にならざるを得なかった。この観点
から、エピタキシャル成長の方法として、液相成長法が
大変有効である。すなわち、液相成長法においては坩堝
にインジウム、錫、ガリウム、アルミニウム、銅などの
比較的低融点の金属を溶融し、その中にシリコンを飽和
となるまで溶解しメルトを形成する。次いで、メルトを
徐々に冷却する等の方法により、シリコンを過飽和とし
つつその中に基板を浸漬すると、過飽和になったシリコ
ンは基板上に析出・成長する。液相成長法の場合には、
シリコンは成長により基板とともにメルト持ち出される
他は、外部に流出することがなく全く無駄を生じない。

【００１７】しかしこの場合でも、前述したように現実
的には基板として同位体の純度を高めたシリコンが使用
できないので、エピタキシャル成長したシリコンの熱伝
導性が高いことによるメリットが十分生かしきれない恨
みが残る。そこで、同位体の純度を高めたシリコンから
なるエピ層を持つエピウェファの裏面から、ケミカルメ
カニカルグラインディング等の方法でエピタキシャル層
を残してウェファを裏面から所望の厚さまで研削するこ
とも考えられるが、ウェファの厚さを３０μｍ程度残さ
ないと、次工程での取り扱いに困難である。マイクロプ
ロセッサー等の作りこみには厚さ１０μｍもあれば十分
であり、研削による方法では原料シリコンのコスト削
減、熱伝導改善の効果とも不十分であった。

【００１８】本発明は、上記の課題に鑑みて創案された
ものであり、その目的は、高価な同位体を濃縮したシリ
コン原料を無駄なく有効に使用して、薄く熱伝導性の良
好な大口径の単結晶シリコンウェファを製造することが
できる単結晶シリコンウェファの製造方法を提供するこ
とにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成すべ
く、本発明の単結晶シリコンウェファの製造方法は、少
なくとも、質量数２８の同位体の濃度が９２．５％以下
であるシリコンからなる単結晶シリコン基板の表面に多
孔質層を形成する工程と、高温の還元性雰囲気下で、メ
ルト中に質量数２８の同位体の濃度が９８％以上である
原料シリコンを過飽和状態まで溶解する工程と、メルト
中に上記単結晶シリコン基板を浸漬し、多孔質層の表面
に単結晶シリコン層を成長させる工程と、単結晶シリコ
ン層をウェファとして多孔質層の部分から剥離する工程
とを有する、質量数２８の同位体の平均含有率が９８％
以上であるシリコンからなる単結晶シリコンウェファの
製造方法である。

【００２０】また、前記単結晶シリコン基板の表面に多
孔質層を形成する工程において、面方位が（１１１）で
ある単結晶シリコン基板を用いることが好ましい。

【００２１】さらに、前記単結晶シリコン基板の表面に
多孔質層を形成する工程において、矩形の単結晶シリコ
ン基板を用いることが好ましい。

【００２２】そして、前記原料シリコンを過飽和状態ま
で溶解する工程において、分子を構成するシリコン原子
のうち、質量数２８の同位体の濃度が９８％以上である
ガスをメルト中に溶解することが好ましい。

【００２３】また、前記多孔質層の表面に単結晶シリコ
ン層を成長させる工程において、１００μｍ以下の厚さ
で単結晶シリコン層を成長させることが好ましい。

【００２４】さらに、前記多孔質層の表面に単結晶シリ
コン層を成長させる工程と前記単結晶シリコン層を剥離
する工程との間に、単結晶シリコン層に少なくとも半導
体接合を形成する工程を有することが好ましい。

【００２５】或いは、前記多孔質層の表面に単結晶シリ
コン層を成長させる工程と前記単結晶シリコン層を剥離
する工程との間に、単結晶シリコン層の表面に少なくと
も酸化シリコン層を形成する工程を有することが好まし
い。

【００２６】そして、前記単結晶シリコン層を剥離する
工程において、単結晶シリコン層の表面に基板を貼り付
けた後、該基板と単結晶シリコン基板との間に力を作用
させ、単結晶シリコン層を多孔質層の部分から剥離する
ことが好ましい。

【００２７】或いは、前記単結晶シリコン層を剥離する
工程において、単結晶シリコン層の表面と単結晶シリコ
ン基板の裏面との間に急激に温度勾配を付けて、両者の
熱膨張率の差により作用するせん断力で単結晶シリコン
層を多孔質層の部分から剥離することが好ましい。

【００２８】加えて、前記単結晶シリコン層を剥離する
工程の終了後、単結晶シリコン基板の表面を平滑化し、
再使用することが好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明するが、本発明は本実施形態に限られな
い。

【００３０】図１は、本発明の単結晶シリコンウェファ
の製造方法を示す概略図である。図１（ａ）において、
１００は同位体の濃縮が行われていないシリコン原料か
ら作成された単結晶基板であり、標準的には質量数２８
の割合が９２．２％、質量数２９の割合が４．７％、質
量数３０の割合が３．１％であるが、不純物の精製方法
により若干の変動はあり得る。この単結晶基板１００
は、円形のものに限らず、矩形のものを採用することが
でき、矩形の単結晶基板１００は太陽電池の製造に適し
ている。

【００３１】この単結晶基板１００の表面に、陽極化成
法と呼ばれる電気化学的方法により、大きさ数百オング
ストローム程度の微細な多数の孔を有する多孔質層１０
１を形成する。陽極化成においては、単結晶基板１００
が比抵抗０．０１〜０．１Ωｃｍ程度の低抵抗のｐ型シ
リコンであると好都合であるが、より高抵抗乃至ｎ型の
シリコンも、光を照射する等の手段を併用すれば使用可
能である。

【００３２】また、単結晶シリコン基板の面方位は、最
も一般的な（１００）ばかりでなく、（１１１）も好適
に使用される。特に、厚さ１００μｍ以下の薄いウェフ
ァを製造する場合には、強度の強い（１１１）はデバイ
スの製造工程において割れが起こり難く、歩留まりが高
まるので有利である。従来、面方位（１１１）のウェフ
ァは、酸化層との界面に準位が多いとして敬遠されてい
たが、最近、酸化膜の形成にプラズマを利用することで
大幅に特性が改善され、一般のデバイスの製造に利用さ
れる目処が得られ、注目を集めている（大見忠弘、須川
成利、平山昌樹：日経マイクロデバイス２０００年８
月号、ｐ２１３〜２２０）。

【００３３】さらに、多孔質層１０１の上に液相法でエ
ピタキシャル成長を行う場合には、（１１１）の基板を
用いると成長後の表面の平坦性が出やすく、特にマイク
ロプロセッサを始めとするＩＣの製造に使用するウェフ
ァとして有利である。

【００３４】そして、図１（ｂ）に示すように、石英ガ
ラスやカーボンの坩堝１０２に、インジウム、錫、ガリ
ウム、アルミニウム、銅などの比較的低融点の金属を装
入し、加熱し溶融した中に、質量数２８の同位体を濃縮
した原料シリコン１０４を装入する。時間の経過に伴っ
て、シリコンは溶融した金属の中に飽和するまで溶け、
メルト１０３となる。この際、シリコンやシリコンの濃
度が高いメルトは密度が低いため、メルトの表面付近に
溜まりやすいので、撹拌手段１０５により、メルト１０
３の濃度が均一になるよう撹拌すると効果的である。

【００３５】前述したように、質量数２８の割合は９８
％以上に濃縮可能で、この程度まで濃縮されていると、
熱伝導性向上の効果が顕著に現れる。また、同位体の濃
縮はＳｉ₂Ｆ₆等のガスの形で行われるので、原料シリコ
ンを多結晶等の固体の形状で供給する代わりに、ガスを
メルトに吹き込み熱で分解する方法によると能率的であ
る。

【００３６】次に、図１（ｃ）に示すように、シリコン
で飽和となったメルトを冷却し、所定の過飽和度となっ
たところで、メルト１０３内に多孔質層１０１を形成し
た単結晶基板１００を浸漬する。すると、多孔質層１０
１の上に、質量数２８の割合が高い単結晶シリコン層１
０６が成長し始める。多孔質層１０１は多数の微細孔が
開いているが、単結晶としての性質を保持しており、そ
の上にエピタキシャル成長が起こる。

【００３７】引き続き冷却を続け、単結晶シリコン層１
０６が所望の厚さとなったところで、メルト１０３から
単結晶基板１００を引き上げる。具体的には、１００μ
ｍ以下の厚さで単結晶シリコン層１０６を成長させるこ
とが好ましい。成長したシリコン層１０６中の同位体の
割合は、図１（ｂ）の工程で使用した原料シリコンの同
位体の割合とほぼ一致する。

【００３８】図１（ｃ）では、単結晶基板１００の裏面
や端面にはシリコンの成長が起こらない様に描いてある
が、そのためには、単結晶基板１００の裏面に不図示の
石英ガラス等でできたマスクを当てたり、単結晶基板１
００の裏面に酸化シリコン層を形成する等の工夫が必要
である。

【００３９】なお、液相成長法には、ここで説明した徐
冷法の他にも、メルト中に温度差によるシリコンの飽和
濃度の分布を付け、相対的に高温に保持した原料シリコ
ンから相対的に低温に保持した基板へシリコン原子を拡
散させ成長を行う温度差法と呼ばれる方法もある。

【００４０】続いて、図１（ｄ）に示すように、単結晶
シリコン層１０６が成長した単結晶シリコン基板１０１
に、急激に単結晶シリコン層１０６側が低温となり、単
結晶シリコン基板１０１側が高温となる温度勾配をかけ
る。例えば、単結晶シリコン基板１０１を温度調整機能
のあるステージに強く固定して所定の温度に保持しなが
ら、単結晶シリコン層１０６側に零下１０℃以下の冷気
１０７を吹きかける等の方法がある。

【００４１】多孔質層１０１は微細孔が形成されている
ため熱伝導性が低く、また質量数２８の割合が高い単結
晶シリコン層１０６は熱伝導性が高いため、表面から急
冷されると、単結晶シリコン層１０６だけが急激に冷却
され収縮して、単結晶シリコン基板１００との界面にズ
レ応力が発生して、微細孔が形成され強度の落ちた多孔
質層１０１が破壊されて、単結晶シリコン層１０６が剥
離する。

【００４２】単結晶シリコン層１０６を剥離するための
方法としては、特開平１０−１８９９２４号公報に記載
されているように、予め単結晶シリコン層１０６の表面
に接着剤等を用いて基板を貼り付けておいてから、力を
加えて多孔質層１０１を破壊する方法を用いることもで
きる。

【００４３】剥離後、図１（ｅ）に示すように、単結晶
シリコン基板１００や単結晶シリコン層１０６には、多
孔質層の残渣１０８が残る。これを除去するには硝酸等
の酸化剤を含むフッ酸やアルカリ溶液を用いてエッチン
グする方法が簡便であるが、さらに水素雰囲気で１００
０℃以上でアニールすると平坦度を一層高めることがで
きる。

【００４４】そして、図１（ｆ）に示すように、剥離後
多孔質層残渣１０８を除去した単結晶シリコン層１０６
は、所望の厚さのシリコンウェファ１０９となる。これ
までの説明で明らかなように、本発明の単結晶シリコン
ウェファの製造方法によれば、製造工程で高価な同位体
を濃縮した原料シリコンの無駄が生じることが殆どな
い。

【００４５】一方、図１（ｇ）に示すように、多孔質層
残渣１０８を除去した単結晶シリコン基板１００は、図
１（ａ）に示す工程へ戻して、再使用することができ
る。

【００４６】図１では、説明の都合上、多孔質層１０１
を極めて厚く描いているが、実際には厚さ５〜１０μｍ
で良く、厚さ６００μｍ程度の単結晶シリコン基板１０
０は、数十回以上繰り返し使用可能で、シリコンウェフ
ァの製造コスト低減にさらに寄与することができる。

【００４７】すなわち、本実施形態の単結晶シリコンウ
ェファの製造方法によれば、安価な通常のシリコンから
なる基板を用いながら、液相成長法により同位体を濃縮
したシリコンからなるエピタキシャル層を形成し、基板
から剥離することによって、所望の厚さで熱伝導性の良
好な同位体の純度が高められたシリコンからなるウェフ
ァを得ることができる。

【００４８】必要があれば、図１（ｃ）の工程と図１
（ｄ）の工程との間において、エピタキシャル層の表面
に熱伝導性の良い適当な支持基板を貼り付けてもよい。
また剥離の際には、支持基板を貼り付けておき、剥離後
支持基板を取り外して自立したシリコンウェファとする
こともできる。

【００４９】したがって、エピタキシャル成長や、基板
からエピタキシャル層を剥離する工程での高価な同位体
を濃縮した原料シリコンの無駄が生じることがない。し
かも、必要最小限の厚さのエピタキシャル層が形成で
き、その後、熱伝導性の低い通常のシリコンウェファを
取り除けるので、同位体の濃縮効果と相俟って、熱伝導
性を極限まで高めたシリコンウェファを製造することが
できるものである。

【００５０】また、質量数２８の同位体の濃度が９２．
５％以下のシリコンからなる単結晶シリコン基板は比較
的安価にて入手可能であり、この点においても本発明は
低コスト化の効果を奏するものである。

【００５１】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を説明するが、
本発明はこれらの実施例に限られない。

【００５２】〔実施例１〕本実施例は、本発明の製造方
法を同位体濃縮シリコンよりなる薄型単結晶シリコンウ
ェファの製造に適用した例であり、高いクロック周波数
で動作するマイクロプロセッサ等の製造に好適である。

【００５３】図１（ａ）に示す単結晶基板１００は、同
位体の濃縮が行われていないシリコン原料から作成され
た８インチφの面方位（１１１）のウェファであり、質
量数２８の割合が９２．４％、質量数２９の割合が４．
６％、質量数３０の割合が３．０％、比抵抗は０．２Ω
ｃｍである。

【００５４】この単結晶基板１００の表面に、陽極化成
法で多孔質層１０１を形成した。すなわち、フッ酸：イ
ソプロピルアルコール＝１：１の混合液に、単結晶基板
１００と不図示の白金電極を間隔５ｃｍで対向させつつ
浸漬し、単結晶基板１００が陽極となるように直流電圧
を加えた。始めの１０分は６Ａの電流が流れるよう制御
し、引き続き１５Ａを２分流した。この操作により、単
結晶基板１００の表面から１０μｍの深さまで比較的微
細孔の径の小さな多孔質層が形成され、さらにその奥に
比較的微細孔の径の大きな多孔質層が形成された。な
お、図１では、これら両者の多孔質層を区別することな
く、１０１で示している。

【００５５】続いて、単結晶基板１００の裏面と周囲へ
シリコンが成長するのを防止するため、当該部分を不図
示の石英ガラス製のマスク部材で覆った。

【００５６】次に、図１（ｂ）に示すように、周囲から
気密を保つことができる不図示の成長炉に収納された坩
堝１０２内にインジウムを装入し、９００℃に加熱融解
した。その中に、質量数２８のシリコンの濃度を９８．
３％にまで濃縮したシリコンのペレットを１０．０ｇ溶
解し飽和とした。

【００５７】続いて、図１（ｃ）に示すように、メルト
の温度を徐々に下げ、８９０℃となったところで、表面
に多孔質層１０１を形成した単結晶基板１００をメルト
１０３に浸漬した。そのまま温度を下げて、８５０℃と
なったところで単結晶基板１００を引き上げ、マスク部
材を外したところ、単結晶基板１００の所定の部分に単
結晶シリコン層１０６が綺麗に成長した。メルト１０３
が単結晶基板１００やマスク部材の表面に付着すること
はなかった。

【００５８】成長の前後で、単結晶基板１００の重量は
２．０ｇ増加した。成長した単結晶シリコン層１０６に
おける質量数２８の同位体の濃度は９８．２％で、溶解
した原料シリコンと殆ど変化がなかった。

【００５９】次いで、図１（ｄ）に示すように、不図示
の表面温度２５℃に保持されたステージに単結晶基板１
００の裏面を真空チャックし、この状態で零下１０℃の
乾燥窒素の冷気１０７を単結晶シリコン層１０６中の表
面より吹きかけた。

【００６０】約１５秒後、図１（ｅ）に示すように、単
結晶シリコン層１０６は単結晶基板１００より剥離し
た。剥離した単結晶シリコン層１０６には、亀裂等の欠
陥は認められなかった。

【００６１】図１（ｆ）に示すように、剥離した単結晶
シリコン層１０６の表面は完全な光沢面であったが、裏
面には多孔質層の残渣が見られたので、裏面を上に向け
パイレックス（登録商標）ガラス製の平底容器の底に設
けた目の細かいスノコの上に置き、上から静かに有機ア
ルカリ溶液を注いだ。残渣がエッチングされ裏面がシリ
コンの光沢を示したところで、有機アルカリ溶液を容器
底面に設けた排液孔より捨て、排液孔を空けたまま純水
を流し続けてリンスした。

【００６２】乾燥後、さらに剥離した単結晶シリコン層
１０６を水素アニール炉に入れ、１１００℃で水素アニ
ールした。アニール処理により、単結晶シリコン層１０
６の両面は、金属顕微鏡で観察して全く欠陥の見られな
い完全な平面となった。こうして質量数２８の同位体が
濃縮された厚さ３０μｍの８インチφウェファ１０９が
得られた。

【００６３】一方、図１（ｇ）に示すように、残った単
結晶基板１００も、有機アルカリによる多孔質層残渣１
０８のエッチング、水素アニールの工程を経て、表面は
完全な平面になった。

【００６４】このように再生された単結晶基板１００を
図１（ａ）の工程へ戻し、該単結晶基板１００の表面に
再び多孔質層１０１を形成した。

【００６５】そして、図１（ｂ）に示すように、１回目
の成長が終わってシリコンの濃度が下がったメルト１０
３を再度９００℃まで加熱し、その中に質量数２８の同
位体を濃縮したシリコンのペレットを装入したところ、
２．１ｇ溶解したところで飽和となった。即ち、１回目
の成長では２．１ｇのシリコンが消費され、前述したよ
うに、２．０ｇが基板上に成長し、それが無駄なくシリ
コンウェファとして利用された。原料の利用効率は約９
５％と推定された。

【００６６】以下、図１（ｃ）〜（ｇ）に示すように、
１回目と同様な工程を順次経て、２枚目のウェファを得
ることができた。

【００６７】比較のため、図１（ｂ）の工程において、
同位体の濃縮を行っていない通常の原料シリコンを用い
た以外は全く本実施例と同様な工程により、８インチφ
の単結晶シリコンウェファを形成した。室温にて両者の
熱伝導率を測定したところ、通常の原料シリコンを用い
たウェファでは、熱伝導率＝１５２Ｗ／ｍ・ｄｅｇであ
ったのに対し、本発明の製造方法によるウェファでは、
熱伝導率＝２４５Ｗ／ｍ・ｄｅｇと大幅な改善が見られ
た。

【００６８】〔実施例２〕本実施例は、本発明の製造方
法を同位体濃縮シリコンよりなるエピタキシャル層と高
熱伝導性基材から構成されるＳＯＩウェファの製造に適
用した例であり、高いクロック周波数で動作するマイク
ロプロセッサ等の製造に好適である。また本実施例で
は、実施例１で用いた工程と異なる部分についてのみ説
明する。

【００６９】図１（ｃ）において、本実施例では、単結
晶基板１００を８９０℃のメルト１０３に浸漬した後、
そのままメルト１０３の温度を下げて、８８５℃となっ
たところで単結晶基板１００を引き上げ、マスク部材を
外した。このときの単結晶シリコン層１０６の厚さは５
μｍであった。

【００７０】その後、図２（ｈ）に示すように、単結晶
シリコン層１０６の表面に、水素雰囲気でのスパッタに
より厚さ１μｍの薄膜ダイヤモンド層２０１をコーティ
ングしたモリブデン板２００のコート面を合わせて圧着
した後、５００℃でアニールしたところ、両者は原子間
の結合形成により強く接着した。

【００７１】基板として薄膜ダイヤモンド層２０１をコ
ートしたモリブデン板２００を使用したのは、ダイヤモ
ンドが絶縁物としは極めて熱伝導性が良好なこと、モリ
ブデンは比較的熱伝導性が良好な上、金属としては熱膨
張率が小さく、デバイスの形成に伴いＳＯＩウェファを
高温に晒しても膜剥がれや歪み等のトラブルを生じない
ためである。

【００７２】この後、図２（ｉ）に示すように、単結晶
基板１００をステージに真空チャッキングし、楔２０２
を多孔質層１０１に挿入したところ、多孔質層１０１が
破壊され、薄膜ダイヤモンド層２０１がコーティングさ
れたモリブデン板２００が単結晶基板１００から剥離し
た。

【００７３】図２（ｊ）に示すように、剥離面に残った
多孔質層１０８は、有機アルカリ溶液によりエッチング
除去した。その際、モリブデン板２００にはアルカリ液
が触れないようにした。リンス・乾燥の後、実施例１と
同様に水素アニールを行った。金属顕微鏡で観察しても
表面に欠陥は認められず、表面は平坦かつ平滑で、良好
なＳＯＩウェファ２０３が得られた。

【００７４】一方、図２（ｋ）に示すように、残った単
結晶基板１００も、有機アルカリによる多孔質層残渣１
０８のエッチング、水素アニールの工程を経て、表面は
完全な平面になった。

【００７５】このように再生された単結晶基板１００を
図１（ａ）の工程へ戻し、該単結晶基板１００の表面に
再び多孔質層１０１を形成した。

【００７６】〔実施例３〕本実施例は、本発明の製造方
法を太陽電池素子の製造に適用した例であり、同位体濃
縮シリコンよりなる活性層と高熱伝導性基材から構成さ
れる高い倍率で集光された太陽光の下で動作させるのに
好適である。

【００７７】図１（ａ）において、単結晶基板１００
は、同位体の濃縮が行われていないシリコン原料から作
成された１辺が５ｃｍの正方形をなすＣｚ単結晶ウェフ
ァであり、質量数２８の割合が９２．３％、質量数２９
の割合が４．７％、質量数３０の割合が３．０％、比抵
抗は０．２Ωｃｍであった。この単結晶基板１００の表
面の方位は（１１１）である。

【００７８】この単結晶基板１００の表面に、陽極化成
法で多孔質層１０１を形成した。陽極化成条件は実施例
１と本質的に同様であるが、電流値は基板の面積に合せ
て調整した。すなわち、フッ酸：イソプロピルアルコー
ル（ＩＰＡ）＝１：１の混合液に、単結晶基板１００と
不図示の白金電極を間隔５ｃｍで対向させつつ浸漬し、
単結晶基板１００が陽極となるように直流電圧を加え
た。始めの１０分は０．５Ａが流れるよう制御し、引き
続き１．２５Ａを２分流した。この操作により、単結晶
基板１００の表面から深さ１０μｍまで、比較的微細孔
の径の小さな多孔質層が形成され、さらにその奥に比較
的微細孔の径の大きな多孔質層が形成された。

【００７９】そして、単結晶基板１００の裏面と周囲へ
シリコンが成長するのを防止するため、当該部分を不図
示の石英ガラス製のマスク部材で覆った。

【００８０】続いて、図１（ｂ）に示すように、実施例
１と同様にして、シリコンで飽和した９００℃のメルト
１０３を用意した。

【００８１】次に、図１（ｃ）に示すように、メルト１
０３の温度を徐々に下げ、８９０℃となったところで、
表面に多孔質層１０１を形成した単結晶基板１００を浸
漬した。そのまま温度を下げて、８００℃となったとこ
ろで単結晶基板１００を引き上げ、マスク部材を外した
ところ、単結晶基板１００の所定部分に単結晶シリコン
層１０６が綺麗に成長しており、特にメルトが単結晶基
板１００やマスク部材の表面に付着することはなかっ
た。

【００８２】成長の前後で、単結晶基板１００の重量は
０．２７ｇ増加した。成長した単結晶シリコン層１０６
における質量数２８の同位体の濃度は、９８．３％であ
った。

【００８３】次いで、図３（ｌ）に示すように、単結晶
シリコン層１０６の表面に、熱酸化により厚さ０．５μ
ｍの酸化シリコン層３００を形成した。引き続いて、標
準的なフォトリソグラフィー工程によって、酸化シリコ
ン層３００に幅４０μｍ、ピッチ１００μｍの櫛刃状の
貫通孔を形成した。貫通孔はｐ電極用３０１とｎ電極用
３０２とからなる。貫通孔３０１，３０２の形状を明確
に示すため、図３（ｌ’）には図３（ｌ）の平面図を示
した。

【００８４】そして、図３（ｍ）に示すように、ｐ電極
用貫通孔３０１に合せて、ボロンを含む銀ペーストのパ
ターン３０５を印刷すると共に、ｎ電極用貫通孔３０２
に合せて、リンを含む銀ペーストのパターン３０６を印
刷した。その後、銀ペーストのパターン３０５，３０６
を焼成した。その際、ｐ型電極のパターン３０５の直下
にはボロンが拡散し、単結晶シリコン層１０６の中にｐ
⁺型の拡散領域が形成され、またｎ型電極のパターン３
０６の直下にはリンが拡散し、単結晶シリコン層１０６
の中にｎ⁺型の拡散領域が形成され、半導体接合が形成
された。このように電極３０５、３０６が形成されたと
ころで、電流取り出し用の不図示の２枚のタブを、図３
（ｌ’）に示す各々３０３、３０４の位置に貼り付け
た。

【００８５】次に、図３（ｎ）に示すように、電極やタ
ブが形成された単結晶シリコン層１０６の上から、銅プ
レート３０７をエポキシ接着剤３０８で貼り付けた。そ
の際、タブは各々プレートの端から飛び出させ、電流が
取り出せるようにした。

【００８６】この後、図３（ｏ）に示すように、銅プレ
ート３０７をステージに真空チャッキングし、楔２０２
を多孔質層１０１に挿入したところ、多孔質層１０１が
破壊され、単結晶基板１００が銅プレート３０７の貼り
付けられた単結晶シリコン層１０６から剥離した。

【００８７】次いで、図３（ｐ）に示すように、標準の
フォトリソ工程により、剥離面に残った多孔質層１０８
の除去と併せ、一辺が２μｍの四角錐状のテクスチャ３
０９を形成した。こうして、銅プレートに支持された厚
さ５０μｍの活性層を持つ集光用太陽電池が作成され
た。なお、図３（ｐ）において、３１０は太陽光であ
る。

【００８８】この太陽電池では、電極は光入射面から見
て裏面に形成されているので、入射光を遮ることが無く
なるため、より大きな光電流が得られる。

【００８９】一方、図３（ｑ）に示すように、残った単
結晶基板１００も、有機アルカリによる多孔質層残渣１
０８のエッチング、水素アニールの工程を経て、表面は
完全な平面になった。

【００９０】そして、このように再生された単結晶基板
１００を図１（ａ）の工程へ戻して、該単結晶基板１０
０の表面に再び多孔質層１０１を形成した。

【００９１】続いて、図１（ｂ）に示すように、１回目
の成長が終わってシリコンの濃度が下がったメルト１０
３を再度９００℃まで加熱し、その中に質量数２８のシ
リコンを濃縮したシリコンのペレットを装入したとこ
ろ、０．２７ｇ溶解したところで飽和となった。即ち、
１回目の成長でのシリコンの消費量と基板上に成長した
量とが等しく、同位体を濃縮した原料シリコンウェファ
の損失は認められなかった。

【００９２】比較のため、図１（ｂ）の工程において、
同位体の濃縮を行っていない通常の原料シリコンを用い
た以外は全く本実施例と同様な工程により、銅プレート
に支持された厚さ５０μｍの活性層を持つ太陽電池（以
下、「比較電池」という。）を作成した。

【００９３】銅プレート側から水冷をかけ、本発明によ
る太陽電池と比較電池の変換効率を比較した。標準（Ａ
Ｍ１．５）の照射条件の下では、本発明の双方の電池と
も変換効率２２．０％であったが、２００倍の集光条件
の下では、本発明の太陽電池は変換効率２６．０％とな
ったのに対し、比較電池では変換効率２３．０％と、集
光による変換効率の上昇の割合が少なかった。これは本
発明の太陽電池の活性層が熱伝導性の良好な同位体を濃
縮したシリコンを用いているためであると考えられる。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高価な原料シリコンを殆ど無駄にせずに、熱伝導性の良
好な質量数２８の同位体を濃縮したシリコンからなるデ
バイスの機能を果たすために必要最小限の厚さの薄膜単
結晶シリコンを形成できる。そのため、この薄膜単結晶
シリコンを用いたデバイスの冷却効果が高まるばかりで
なく、製造コストが大幅に下げることができる。

【００９５】したがって、発熱の多い高いクロック周波
数で作動するマイクロプロセッサや、強烈な輻射熱に晒
され温度が上昇しやすい高集光用太陽電池の性能の向上
や低価格化に寄与するところが大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を熱伝導性の良好なシリコン
ウェファの製造に適用する例を示す説明図である。

【図２】本発明の製造方法を熱伝導性の良好なＳＯＩウ
ェファの製造に適用する例を示す説明図である。

【図３】本発明の製造方法を高集光用の太陽電池の製造
に適用する例を示す説明図である。

【符号の説明】

１００単結晶シリコン基板１０１多孔質層１０２坩堝１０３メルト１０４原料シリコン１０５撹拌手段１０６単結晶シリコン層１０７冷気１０８多孔質層の残渣１０９単結晶シリコンウェファ２００モリブデン基板２０１薄膜ダイヤモンド層２０２楔２０３ＳＯＩウェファ３００酸化シリコン層３０１ｐ電極用の貫通孔３０２ｎ電極用の貫通孔３０３、３０４タブの貼り付け位置３０５ｐ電極３０６ｎ電極３０７銅プレート３０８エポキシ接着剤３０９テクスチャ３１０太陽光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米原隆夫東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者近江和明東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AA03 BA04 CG02 CG05 EA02 EC01 FJ03 HA06 QA04 QA11 QA72 5F051 AA02 CB04 5F053 AA03 DD01 FF01 GG01 HH04 JJ01 JJ03 PP07 RR13 RR20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、質量数２８の同位体の濃度
が９２．５％以下であるシリコンからなる単結晶シリコ
ン基板の表面に多孔質層を形成する工程と、高温の還元性雰囲気下で、メルト中に質量数２８の同位
体の濃度が９８％以上である原料シリコンを過飽和状態
まで溶解する工程と、メルト中に上記単結晶シリコン基板を浸漬し、多孔質層
の表面に単結晶シリコン層を成長させる工程と、単結晶シリコン層をウェファとして多孔質層の部分から
剥離する工程とを有する、質量数２８の同位体の平均含
有率が９８％以上であるシリコンからなる単結晶シリコ
ンウェファの製造方法。
【請求項２】前記単結晶シリコン基板の表面に多孔質
層を形成する工程において、面方位が（１１１）である単結晶シリコン基板を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンウェ
ファの製造方法。
【請求項３】前記単結晶シリコン基板の表面に多孔質
層を形成する工程において、矩形の単結晶シリコン基板を用いることを特徴とする請
求項１または２に記載の単結晶シリコンウェファの製造
方法。
【請求項４】前記原料シリコンを過飽和状態まで溶解
する工程において、分子を構成するシリコン原子のうち、質量数２８の同位
体の濃度が９８％以上であるガスをメルト中に溶解する
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の単
結晶シリコンウェファの製造方法。
【請求項５】前記多孔質層の表面に単結晶シリコン層
を成長させる工程において、１００μｍ以下の厚さで単結晶シリコン層を成長させる
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の単
結晶シリコンウェファの製造方法。
【請求項６】前記多孔質層の表面に単結晶シリコン層
を成長させる工程と前記単結晶シリコン層を剥離する工
程との間に、単結晶シリコン層に少なくとも半導体接合を形成する工
程を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか
に記載の単結晶シリコンウェファの製造方法。
【請求項７】前記多孔質層の表面に単結晶シリコン層
を成長させる工程と前記単結晶シリコン層を剥離する工
程との間に、単結晶シリコン層の表面に少なくとも酸化シリコン層を
形成する工程を有することを特徴とする請求項１から６
のいずれかに記載の単結晶シリコンウェファの製造方
法。
【請求項８】前記単結晶シリコン層を剥離する工程に
おいて、単結晶シリコン層の表面に基板を貼り付けた後、該基板
と単結晶シリコン基板との間に力を作用させ、単結晶シ
リコン層を多孔質層の部分から剥離することを特徴とす
る請求項１から７のいずれかに記載の単結晶シリコンウ
ェファの製造方法。
【請求項９】前記単結晶シリコン層を剥離する工程に
おいて、単結晶シリコン層の表面と単結晶シリコン基板の裏面と
の間に急激に温度勾配を付けて、両者の熱膨張率の差に
より作用するせん断力で単結晶シリコン層を多孔質層の
部分から剥離することを特徴とする請求項１から７のい
ずれかに記載の単結晶シリコンウェファの製造方法。
【請求項１０】前記単結晶シリコン層を剥離する工程
の終了後、単結晶シリコン基板の表面を平滑化し、再使
用することを特徴とする請求項１から９のいずれかに記
載の単結晶シリコンウェファの製造方法。