JP4103447B2

JP4103447B2 - 大面積単結晶シリコン基板の製造方法

Info

Publication number: JP4103447B2
Application number: JP2002128582A
Authority: JP
Inventors: 紀仁河口; 隆彦村山; 幹人石井; 健一郎西田; みゆき正木
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-04-30
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-04-30
Also published as: JP2003324188A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大面積単結晶シリコン基板の製造方法に係り、特に、大面積のガラス基板表面に単結晶シリコン薄膜を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯情報端末、及びテレビ等の表示手段として液晶ディスプレイの需要が高まっている。現在、液晶ディスプレイの駆動回路・制御回路等を構成する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、主に、ガラス基板上に多結晶シリコン（特に、低温ポリシリコン）膜を形成してなるものである。低温ポリシリコン膜は、ガラス基板表面に形成したアモルファスシリコン膜をエキシマレーザ等によって結晶化させることで形成され、近年では、粒径が数μｍ以上という大粒径結晶構造の、低温ポリシリコン結晶粒が得られている。
【０００３】
この低温ポリシリコン膜は、結晶粒成長の際に種結晶を用いていないため、各結晶粒の結晶方位はそれぞれバラバラで、不揃いである。ここで、ガラス基板表面に形成するシリコン膜として好ましいものは、各結晶粒の結晶方位の揃ったシリコン膜、理想的には単結晶シリコン膜である。
【０００４】
近年、絶縁基板の表面に、単結晶のシリコンウェハから剥離させた単結晶シリコン薄膜を接合することにより、絶縁基板表面が単結晶シリコン薄膜で覆われたＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハを製造する方法が提案されている（特開平１１−１４５４３８号公報等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、現行の単結晶シリコンウェハはその径が最大でφ１２インチ（約φ３００ｍｍ）であることから、単結晶シリコン薄膜の径もφ１２インチが限界である。これに対して、液晶ディスプレイなどで用いられている大面積のガラス基板は、そのサイズが、例えば６００ｍｍ×７２０ｍｍもあり、単結晶シリコンウェハと比較して面積が非常に大きい。このため、従来、大面積のガラス基板表面を単結晶シリコン薄膜で覆ったＳＯＩウェハは、製造することができなかった。
【０００６】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、大面積のガラス基板を用いた大面積単結晶シリコン基板の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法は、単結晶シリコンウェハから単結晶シリコン薄膜を剥離形成し、その単結晶シリコン薄膜を複数枚、結晶方位を揃えてガラス基板表面に貼設し、その後、ガラス基板表面にアモルファスシリコン膜を形成して各単結晶シリコン薄膜全体を覆い、その後、アモルファスシリコン膜の表面にエッチング処理を施して各単結晶シリコン薄膜の表面を露出させ、その後、残りのアモルファスシリコン膜を各単結晶シリコン薄膜の結晶方位に倣って単結晶化する結晶化処理を施し、ガラス基板の表面全面に単結晶シリコン薄膜を形成するものである。
【０００８】
また、上記エッチング処理後、各単結晶シリコン薄膜とアモルファスシリコン膜との界面へのレーザ照射を順次繰り返して結晶化処理を施してもよい。
【０００９】
また、上記エッチング処理後、ガラス基板全体を加熱炉内で加熱して結晶化処理を施してもよい。
【００１０】
また、上記結晶化処理後、単結晶シリコン薄膜の表面全面に平滑化処理を施してもよい。
【００１１】
以上の方法によれば、大面積のガラス基板であっても、その表面に単結晶のシリコン薄膜を形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００１３】
第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法を説明するための斜視概略図を図１〜図５に示す。
【００１４】
本実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法は、先ず、図１（ａ）に示すように、水素イオン剥離法（スマートカット法）により、単結晶シリコンウェハ１１の表面から水素イオンを注入し、ウェハ１１内部に水素イオンを浸入させて微小気泡層（図示せず）を形成する。その後、ウェハ１１に熱処理を施し、結晶の再配列と気泡の凝集とによって、微小気泡層を劈開面として膜厚が数十ｎｍ〜１μｍの単結晶シリコン薄膜１２を剥離形成する。その後、図１（ｂ）に示すように、単結晶シリコン薄膜１２を所定形状、例えば、図１（ｂ）中では矩形状に切断する。
【００１５】
その後、図２に示すように、複数枚（図２中では４枚）の単結晶シリコン薄膜１２を、結晶方位を揃えてガラス基板２１の表面に貼設する。この時、結晶方位を揃えることなくガラス基板２１の表面に各単結晶シリコン薄膜１２を貼設すると、後述するアモルファスシリコン部３２を再結晶化する際、各単結晶シリコン薄膜１２の界面にミスフィット（不整合）が生じるために好ましくない。ここでいうガラス基板２１は、石英基板（シリコン基板）を含む広義のものである。
【００１６】
その後、図３に示すように、ガラス基板２１の表面に、蒸着などの方法により、各単結晶シリコン薄膜１２全体を覆うようにアモルファスシリコン膜３１を形成する。
【００１７】
その後、アモルファスシリコン膜３１の表面にエッチング処理を施して、図４に示すように、各単結晶シリコン薄膜１２の表面１２ａを露出させることで、各単結晶シリコン薄膜１２の周りにアモルファスシリコン部（残りのアモルファスシリコン膜３１）４１を形成、即ち、各単結晶シリコン薄膜１２の周りをアモルファスシリコン部４１が取り囲んだ表面部４２を形成する。
【００１８】
その後、アモルファスシリコン部４１に対して結晶化処理を施し、アモルファスシリコン部４１を各単結晶シリコン薄膜１２の結晶方位に倣って単結晶化する。具体的には、各単結晶シリコン薄膜１２とアモルファスシリコン部４１との境界部にエキシマレーザなどのレーザ源からレーザを照射する。このレーザの照射によって、レーザ照射されたアモルファスシリコン部４１は溶融し、その後の急冷によって再結晶化する。この再結晶時、各単結晶シリコン薄膜１２が種結晶として作用するため、溶融されたアモルファスシリコン部４１は、各単結晶シリコン薄膜１２と同じ結晶方位で単結晶成長する。
【００１９】
その後、各単結晶シリコン薄膜１２とアモルファスシリコン部４１との境界部から各単結晶シリコン薄膜１２の中間部に向かって、順次、照射域を移動させながらレーザ照射することで、アモルファスシリコン部４１が全て単結晶化し、図５に示すように、ガラス基板２１の表面全面に単結晶シリコン薄膜５１が形成される。ここで、各単結晶シリコン薄膜１２の結晶方位が全て同一であった場合、各単結晶シリコン薄膜１２の界面においてミスフィット（不整合）が生じることはなく、単結晶シリコン薄膜５１は完全な単結晶体となる。
【００２０】
最後に、単結晶シリコン薄膜５１の表面に、適宜、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等による平滑処理を施して平滑化を図り、任意の膜厚ｔの単結晶シリコン薄膜５１を得る。
【００２１】
ここで、各単結晶シリコン薄膜１２の形状、サイズ、及び配置間隔、つまり表面部４２に占めるアモルファスシリコン部４１の割合によって、アモルファスシリコン部４１の単結晶化の可否が左右されることはなく、単結晶シリコン薄膜１２同士の配置間隔が非常に大きくても、アモルファスシリコン部４１を単結晶化することができる。また、各単結晶シリコン薄膜１２同士の配置間隔を数μｍ程度に制御することができた場合、レーザを１ショット照射するだけでアモルファスシリコン部４１を単結晶化することができる。
【００２２】
表面部４２に占めるアモルファスシリコン部４１の割合は、特に限定するものではないが、アモルファスシリコン部４１を単結晶化するのに要する時間を短くするためにも、表面部４２に占めるアモルファスシリコン部４１の割合は小さい方が好ましい。このため、その割合が小さくなるように、各単結晶シリコン薄膜１２の形状、サイズ、及び配置間隔を調整することが好ましい。
【００２３】
単結晶シリコン薄膜５１の膜厚ｔは、各単結晶シリコン薄膜１２の膜厚以下であり、できるだけ薄い方が好ましいが、特に限定するものではなく、例えば、５０〜１００ｎｍ程度である。この膜厚ｔは、エッチング処理及び／又は平滑処理によって任意に調整可能である。
【００２４】
レーザ源としては、パルス発振レーザ又は連続発振レーザ（ＣＷレーザ）のいずれを用いてもよい。
【００２５】
以上、本実施の形態の製造方法によれば、シリコンウェハと比較して面積が大きい大面積のガラス基板であっても、その表面に単結晶シリコン薄膜を形成することができる。
【００２６】
また、本実施の形態の製造方法により得られた大面積単結晶シリコン基板は、各種の表示手段の下地シリコン基板などとして用いることができ、その適用範囲は広い。
【００２７】
次に、本発明の他の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２８】
前実施の形態においては、アモルファスシリコン部４１を各単結晶シリコン薄膜１２の結晶方位に倣って単結晶化する際、各単結晶シリコン薄膜１２とアモルファスシリコン部４１との境界部にレーザを照射することで、結晶化処理を行っていた。
【００２９】
これに対して、第２の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法は、エッチング処理後のガラス基板２１、即ち表面部４２を有する基板２１（図４参照）を加熱炉内で加熱して結晶化処理を行うものである。具体的には、加熱炉内で基板２１全体を加熱処理することによって、表面部４２におけるアモルファスシリコン部４１が溶融する。その後、基板２１を加熱炉内から取り出して冷却することによって、溶融したアモルファスシリコン部４１が、各単結晶シリコン薄膜１２を種結晶として再結晶化し、溶融されたアモルファスシリコン部４１は単結晶シリコンとして成長する。これによって、アモルファスシリコン部４１が全て単結晶化し、図５に示すように、ガラス基板２１の表面全面に、膜厚ｔの単結晶シリコン薄膜５１が形成される。ここで、この時の冷却速度は、溶融したアモルファスシリコン部４１が、再びアモルファス化することなく結晶成長する程度の冷却速度であれば特に限定するものではない。
【００３０】
加熱処理としては、基板２１全体を加熱炉内で加熱する方法以外に、表面部４２のみを加熱し、かつ、各単結晶シリコン薄膜１２とアモルファスシリコン部４１との境界部から各単結晶シリコン薄膜１２の中間部に向かって、順次、溶融域を移動させながら加熱する帯域溶融法（zone melting）を用いてもよい。
【００３１】
本実施の形態においても、前実施の形態と同様の作用効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、大面積のガラス基板であっても、その表面に単結晶のシリコン薄膜を形成することができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法における単結晶シリコン薄膜の剥離工程を説明するための斜視概略図である。図１（ａ）はシリコンウェハの斜視図、図１（ｂ）は単結晶シリコン薄膜の平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法における単結晶シリコン薄膜の貼り付け工程を説明するための斜視概略図である。
【図３】第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法におけるアモルファスシリコン膜の形成工程を説明するための斜視概略図である。
【図４】第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の製造方法におけるエッチング工程を説明するための斜視概略図である。
【図５】第１の実施の形態に係る大面積単結晶シリコン基板の斜視概略図である。
【符号の説明】
１１単結晶シリコンウェハ
１２単結晶シリコン薄膜
１２ａ単結晶シリコン薄膜表面
２１ガラス基板
３１アモルファスシリコン膜
４１アモルファスシリコン部（残りのアモルファスシリコン膜）
５１単結晶シリコン薄膜

Claims

単結晶シリコンウェハから単結晶シリコン薄膜を剥離形成し、その単結晶シリコン薄膜を複数枚、結晶方位を揃えてガラス基板表面に貼設し、その後、ガラス基板表面にアモルファスシリコン膜を形成して各単結晶シリコン薄膜全体を覆い、その後、アモルファスシリコン膜の表面にエッチング処理を施して各単結晶シリコン薄膜の表面を露出させ、その後、残りのアモルファスシリコン膜を各単結晶シリコン薄膜の結晶方位に倣って単結晶化する結晶化処理を施し、ガラス基板の表面全面に単結晶シリコン薄膜を形成することを特徴とする大面積単結晶シリコン基板の製造方法。
上記エッチング処理後、各単結晶シリコン薄膜とアモルファスシリコン膜との界面へのレーザ照射を順次繰り返して結晶化処理を施す請求項１記載の大面積単結晶シリコン基板の製造方法。
上記エッチング処理後、ガラス基板全体を加熱炉内で加熱して結晶化処理を施す請求項１記載の大面積単結晶シリコン基板の製造方法。
上記結晶化処理後、単結晶シリコン薄膜の表面全面に平滑化処理を施す請求項１から３いずれかに記載の大面積単結晶シリコン基板の製造方法。