JP4369040B2 - 固体材料からなる薄膜の作製方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体材料からなる薄膜の作製方法に関するものである。本方法によれば、より詳細には、同種のまたは異種の固体材料薄膜を、同種のまたは異種の固体材料からなる支持体上に転写することができる。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
仏国特許出願公開明細書第２ ６８１ ４７２号には、半導体材料からなる薄膜の作製方法が開示されている。この文献には、半導体材料製基板への希ガスまたは水素の打込（インプランテーション）によって、打込イオンの平均侵入深さあたりの深さ位置に、マイクロキャビティまたはマイクロバブル（特に、「プレートレット」と称される）を形成できることが開示されている。この基板の打込面に対してスティフナーを緊密に当接させ、その状態で、十分な温度でもって熱処理を施したときには、マイクロキャビティどうしの間のまたはマイクロバブルどうしの間の相互作用が誘起され、半導体基板が、２つの部材へと分離することとなる。つまり、これら２つの部材の一方は、スティフナーに対して固着された半導体薄膜であり、他方は、半導体基板の残部である。分離は、マイクロキャビティまたはマイクロバブルが存在する位置において起こる。熱処理は、打込によって形成されたマイクロキャビティどうしの間のまたはマイクロバブルどうしの間の相互作用によって、薄膜と基板残部との間の分離を引き起こすためのものである。したがって、当初基板から、薄膜のための支持体として使用されているスティフナーへの、薄膜の転写（移動、移送）が行われる。
【０００３】
この方法は、また、結晶であるか否かにかかわらず、半導体材料以外の固体材料（導体材料、あるいは、絶縁体材料）からなる薄膜の作製に対しても、応用することができる。
【０００４】
基板内に形成された薄膜が、（厚さに基づいて、あるいは、材料の機械的特性に基づいて）自立的に十分に剛直である場合には（それ自身でもって十分に剛直である場合には）、転写後にアニールを行うことによって、自己支持性の（自立性の）薄膜を得ることができる。この技術内容は、仏国特許出願公開明細書第２ ７３８ ６７１号に開示されている。
【０００５】
これに対して、スティフナーがない場合、基板の幅全体にわたって脆弱部分を誘起するには薄すぎるときには、バブルが、イオンの平均打込深さのところにおける微小割れ目の存在を伝達する表面上に現れる。この場合には、熱処理を行っても、自立性の層を得ることができず、フレーク（破片）が得られるのみである。
【０００６】
上記の仏国特許出願公開明細書第２ ６８１ ４７２号においては、熱処理は、打込ステップの次のステップにおけるアニール（焼鈍）温度によって決定される。このアニール温度は、打込温度よりも高温であり、薄膜と基板残部との間の分離を引き起こし得るものでなければならない。
【０００７】
上記において引用した文献は、熱処理を、打込温度よりも高温で行うことを明記している。上記仏国特許出願公開明細書第２ ６８１ ４７２号においては、シリコン基板の場合には、打込温度が好ましくは２０℃〜４５０℃であること、および、アニールのためにはそれよりも高温が必要であること（例えば５００℃）、が示されている。
【０００８】
しかしながら、場合によっては、また、ある種の応用においては、高温の熱処理温度が、欠点を引き起こすことがある。実際、低温と見なされる温度で、基板に裂け目を得ることが有利である。特に、打込温度よりも低い温度で、基板に裂け目を得ることが有利である。このことは、とりわけ、互いに異なる熱膨張率を有した材料どうしの間で転写が行われる場合には、重要である。
【０００９】
熱処理ステップにおいて使用される温度よりも高温でイオン打込ステップを行うことが、有利である。このことの興味は、打込温度に制限が存在しないときには、基板を冷却する必要なく、大きな打込電流密度が得られることにある。この場合には、打込に要する時間が、著しく短縮される。
【００１０】
加えて、イオン打込ステップと裂け目をもたらす熱処理ステップ（またはアニールステップ）との間において、打込表面を処理することができる。例えば、半導体材料から形成されている基板の場合には、電子回路を集中形成するといったような処理を行うことができる。このような中間処理は、アニール温度が高すぎると、悪影響を受けることがある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来の問題点を解決し得るものである。本発明者らは、実際、方法の様々なステップ（イオン打込ステップ、行われる場合にはスティフナーに対しての基板の固着ステップ、行われる場合には中間処理ステップ、および、分離を行うためのアニールステップ）を通して基板に対して供給される熱の熱的組合せを考慮すれば、アニール温度を低減できることをことを見出した。熱的組合せという用語は、熱が供給されるステップ（例えば、アニールステップ）においては、熱が基板に対して供給されるに際して、温度だけでなく、時間と温度との組合せをも考慮しなければいけないことを意味するものとして理解される。
【００１２】
例えば弱くドーピングされるとともに８０℃の温度において５分間にわたって６９ｋｅＶというエネルギーの水素イオンＨ+ で５．５×１０16個／ｃｍ2 という照射量でイオン打込されたシリコン基板の場合、等温アニールを行うと、裂け目は、時間と温度との組合せを考慮した熱的組合せにおいて現れる。この場合の熱的組合せは、４５０℃で２時間１５分間である。イオン打込の照射量がさらに大きい場合には、例えば８０℃の温度において５分間にわたって６９ｋｅＶというエネルギーの水素イオンＨ+ で１０17個／ｃｍ2 という照射量でイオン打込された弱ドーピングシリコン基板の場合、裂け目を得るために必要な熱的組合せは、４５０℃で２分２２秒間である、あるいは、３００℃で１時間２９分間である。よって、等温アニールの場合には、裂け目は、熱的組合せに依存して起こる。熱的組合せは、履歴によって異なるものの、時間と温度との組合せに依存するものである。熱的組合せの選択は、また、材料のタイプに依存し、材料がドーピングされている場合にはドーピングレベルに依存する。
【００１３】
例えば強くドーピングされたシリコンの場合には、８０℃の温度において５分間にわたって６９ｋｅＶというエネルギーの水素イオンＨ+ で５．５×１０16個／ｃｍ2 という照射量でイオン打込されたときには、裂け目は、３００℃で４分１５秒間という熱的組合せで、あるいは、２２５℃で１時間４３分間という熱的組合せで、得られる。
【００１４】
熱処理が温度を徐々に上昇させつつ行うようなものである場合には、このような温度上昇時に基板に対して供給される熱的組合せも、裂け目に対して寄与するものであることにより、このような温度上昇時の熱的組合せも、考慮に入れなければならない。
【００１５】
一般的に言えば、脆弱部を得るために使用される熱的組合せの選択は、基本材料に対してまたは打込ステップを開始する構造に対して供給される熱的組合せの総和に依存する。これらすべての熱的組合せは、構造内に裂け目を得ることができるような熱バランスシートに対して寄与する。この熱バランスシートは、少なくとも２つの熱的組合せ、すなわち、打込の熱的組合せおよびアニールの熱的組合せ、によって形成される。
【００１６】
このような考え方は、用途に応じて、他のタイプの熱的組合せに適用することができる。例えば、固着境界における分子結合を補強するための熱的組合せ、あるいは、固着境界における分子結合を形成するための熱的組合せ、また、活性素子を形成するための熱的組合せ、が例示される。
【００１７】
よって、本発明の目的は、固体材料からなる薄膜の作製方法であって、
−固体材料からなる基板の体積内においてイオンの平均侵入深さのあたりにマイクロキャビティ層またはマイクロバブル層を形成し得るようなイオンを使用して、基板の一面を通して、所定温度でもって所定時間にわたって、イオン打込を行うステップと、
−マイクロキャビティ層またはマイクロバブル層を境界として基板に裂け目を得る目的で、マイクロキャビティ層またはマイクロバブル層を所定時間にわたって所定温度とするというアニールステップと、
を少なくとも具備してなり、
基板に裂け目を得るためのアニールステップを、イオン打込ステップにおける熱的組合せと打込イオンの照射量と打込イオンのエネルギーと他のステップが行われる場合にはそのステップにおける熱的組合せとを考慮して決定される熱的組合せに従って、行うことを特徴とする方法である。
【００１８】
裂け目という用語は、すべてのタイプの脆弱部を包含するという広い意味の概念として定義される。
【００１９】
本発明による方法によれば、結晶性または非結晶性の固体材料からなる薄膜を作製することができる。この場合、固体材料は、導体材料とすることも、半導体材料とすることも、絶縁体材料とすることもできる。固体材料からなる基板は、層の形態とすることもできる。アニールステップにおいて適用される熱的組合せは、打込イオンの照射量や打込イオンのエネルギーといったような打込ステップにおけるパラメータを考慮して決定することができる。
【００２０】
打ち込まれるイオン種は、有利には、希ガスイオンや水素イオンとすることができる。イオンの打込方向は、基板の打込面に対して直角とすることができる、あるいは、やや傾斜した角度とすることができる。
【００２１】
水素という概念は、原子の形態（例えば、Ｈ）、あるいは、分子の形態（例えば、Ｈ2 ）、あるいは、イオンの形態（Ｈ+、Ｈ2 +、… ）、あるいは、同位体の形態（重水素）、あるいは、重水素イオンの形態、等といったガス腫として理解される。
【００２２】
アニールステップの熱的組合せは、自然的に基板に裂け目が得られるように、あるいは、基板に対して応力が加えられた後に基板に裂け目が得られるように、決定することができる。
【００２３】
アニールステップの熱的組合せは、少なくとも１回の急激な温度上昇と少なくとも１回の急激な温度下降とのうちの、一方または双方を備えたものとすることができる。このような急激な温度変化とは、１分あたり数℃の程度から、１秒あたり数十℃から数百℃の程度（急速熱アニール（ＲＴＡ）のタイプにおけるアニール処理）、を意味している。これらアニール処理は、ある種の打込条件においては、マイクロキャビティの形成（あるいは、核形成）ステップを容易なものとすることにより、有利である。
【００２４】
アニールステップの熱的組合せは、また、ゼロとすることもでき、基板の裂け目は、機械的応力の使用によってあるいは熱的応力の使用によってあるいはこれら機械的応力と熱的応力との併用によって得ることができる。実際、熱的組合せは、印加される温度と持続時間との関数であって、アニールステップに対しての熱的組合せは、例えば０℃〜１０００℃以上にわたるような様々な温度とすることができ、また、０秒間〜数時間にわたる様々な持続時間とすることができる。よって、アニールステップの前のステップにおける熱的組合せが、高温で行われたおよび／または長時間にわたって行われたものである場合、打込イオンの照射量およびエネルギーが大きいとき（例えば、シリコンに対して、Ｈ2 が１０17個／ｃｍ2、 １００ｋｅＶのエネルギー）には、熱アニールにおける熱的組合せは、持続時間に関しても温度に関しても、ゼロとすることさえできる。この場合には、単に応力によって、裂け目が発生する。このような応力は、機械的応力（例えば、剪断応力、および／または、引張り応力）、あるいは、熱的応力（例えば、構造の冷却）とすることができる。
【００２５】
加えて、本発明による方法においては、支持体上に基板の打込面を固定するというステップを具備することができる。支持体上への基板打込面の固定は、接着剤を利用して行うことができる。固定ステップにおいては、熱処理を行うことができる。
【００２６】
アニールステップは、パルス状加熱によって行うことができる。
【００２７】
本発明による方法は、特に、単結晶シリコン薄膜の作製に応用することができる。この場合、基板に裂け目を形成する前に、薄膜を形成することとなる基板領域に、少なくとも１つの活性素子の全部または一部を形成しておくことができる。イオン打込ステップに先立って基板のイオン打込面がマスキングされる場合には、マスクは、裂け目が得られる程度に互いに十分に近接したマイクロキャビティ層またはマイクロバブル層がイオン打込ステップによって形成され得るようなものとされる。
【００２８】
本発明による方法は、イオン打込面がパターン化されているような基板から出発して薄膜を得ることに対しても、同様に応用することができる。
【００２９】
また、互いに異なる化学種からなる複数の層を備えた基板から出発して薄膜を得ることに対しても、応用することができる。
【００３０】
また、成長によって得られたような少なくとも１つの層を備えた基板から出発して薄膜を得ることに対しても、応用することができる。この成長は、エピタキシーによって得ることができる。この場合、脆弱部は、エピタキシー層に形成することも、エピタキシー層とは反対側に形成することも、境界に形成することも、できる。
【００３１】
本発明は、本発明を制限することなく本発明を単に例示するものとしての以下の説明を読むことにより、より明瞭に理解されるであろう。
【００３２】
【発明の実施の形態】
本発明における第１実施形態においては、比較的高温で打込ステップを行う。
【００３３】
装置の生産性を向上させるためには、特に、打込装置の生産性を向上させるためには、大きな電流密度を供給する装置を使用することが興味深いように思われる。例えば、１００ｃｍ2 という表面積にわたって４ｍＡという電流値を使用すれば、２００秒間にわたってすなわち約３分間にわたって、水素イオンＨ+ に関して５×１０16個／ｃｍ2 という照射量を得ることが可能である。この打込が５０ｋｅＶで行われる場合には（５００ｎｍの程度の平均深さをもたらす）、２Ｗ／ｃｍ2 の程度のパワーが得られる。このことは、シリコンの場合、冷却を使用しない通常の打込装置を使用したときには、４７０℃の程度の温度をもたらす。
【００３４】
これを要約すれば、打込に必要な照射量は、４７０℃という温度でありかつ約３分間の程度という時間の打込によって、得られる。
【００３５】
この基板に対してスティフナーが付加され、かつ、４５０℃で１時間というアニール熱処理がこの基板に対して行われたときには、この場合の熱処理の熱的組合せは、マイクロキャビティどうしが互いに相互作用することができて脆弱部分をもたらし得るようなものとなっている。よって、シリコンからスティフナーへの転写が得られる。
【００３６】
この例は、打込と熱処理とにわたって基板に対して供給される熱的組合せに関していくつかの注意点が考慮されたならば、打込温度よりも低温で裂け目を得ることができることを、うまく示している。
【００３７】
結論として、本発明においては、熱処理を、裂け目が得られるような最小の熱的組合せで行うものである。この最小の熱的組合せは、すべての熱的組合せを考慮しなければならないものであり、特に、打込によりもたらされる熱的組合せとアニールによりもたらされる熱的組合せとを考慮しなければならないものである。
【００３８】
本発明の第２実施形態は、転写されるべき材料の熱膨張率と支持体の熱膨張率とが相違する場合に、応用可能なものである。これは、ヘテロ構造の場合である。
【００３９】
純シリカ上へのシリコンの転写の場合には、半導体材料の熱膨張率とは異なる熱膨張率を有したスティフナーが使用される。単結晶シリコンが弱くドーピングされたシリコンである場合、単結晶シリコンの転写を可能とする熱的組合せは、４５０℃で数時間（６時間）の程度である。この温度においては、基板の一部と支持体（スティフナー）の一部とが、アニールによって緊密接触することとなる。このような緊密接触が起こるのは、基板と支持体との境界であって、マイクロキャビティ層またはマイクロバブル層が位置しているところではない。これに対して、シリカ製とされた支持体の厚さが十分に薄ければ（例えば４００μｍ）、アセンブリは、２５０℃までは、分離することはない。シリコンが強くドーピングされている場合には（例えば、ホウ素による１０20個／ｃｍ2 というレベルでのｐタイプドーピング）、裂け目は、水素イオンによる５×１０16個／ｃｍ2 という程度の照射量の打込に対しては、２５０℃で１時間という熱的組合せによって得ることができる。上述のように、このような照射量は、約４７０℃という打込温度の場合には、数分間の程度の時間で得ることができる。
【００４０】
この場合においても、裂け目は、打込温度よりも低温のアニール温度で得られる。
【００４１】
本発明の考え方は、アニール温度が打込温度よりも大きい場合にも成立することは、理解されるであろう。

Claims (16)

  1. 固体材料からなる薄膜の作製方法であって、
    −前記固体材料からなる基板の体積内においてイオンの平均侵入深さのあたりにマイクロキャビティ層またはマイクロバブル層を形成し得るようなイオンを使用して、前記基板の一面を通して、所定打込温度でもって所定打込時間にわたって、イオン打込を行うステップと、
    −前記マイクロキャビティ層または前記マイクロバブル層を境界として前記基板に裂け目を得る目的で、前記マイクロキャビティ層または前記マイクロバブル層を所定アニール時間にわたって所定アニール温度とするというアニールステップと、
    を少なくとも具備してなり、
    前記基板に裂け目を得るための前記アニールステップを、前記所定アニール温度が前記所定打込温度よりも低温であるようにして、なおかつ、前記イオン打込ステップにおける熱的組合せと前記アニールステップにおける熱的組合せとの合計が、前記裂け目が得られるような最小の熱的組合せとなるようにして、行うことを特徴とする方法。
  2. 請求項１記載の方法において、
    前記アニールステップの前記熱的組合せを、自然的に前記基板に裂け目が得られるように、あるいは、前記基板に対して応力が加えられた後に前記基板に裂け目が得られるように、決定することを特徴とする方法。
  3. 請求項１または２記載の方法において、
    前記アニールステップの前記熱的組合せを、少なくとも１回の急激な温度上昇と少なくとも１回の急激な温度下降とのうちの、一方または双方を備えたものとすることを特徴とする方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の方法において、
    さらに、支持体上に前記基板の打込面を固定するというステップを具備することを特徴とする方法。
  5. 請求項４記載の方法において、
    前記支持体上への前記基板打込面の固定ステップを、接着剤を利用して行うことを特徴とする方法。
  6. 請求項４または５記載の方法において、
    前記固定ステップにおいて、熱処理を行うことを特徴とする方法。
  7. 請求項４記載の方法において、
    前記固定ステップを、分子接着によって行うことを特徴とする方法。
  8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法において、
    前記アニールステップを、パルス状加熱によって行うことを特徴とする方法。
  9. 単結晶シリコン薄膜の作製方法であって、
    請求項１〜７のいずれかに記載された方法を使用して、単結晶シリコン薄膜を作製することを特徴とする方法。
  10. 請求項９記載の方法において、
    基板に裂け目を形成する前に、前記薄膜を形成することとなる基板領域に、少なくとも１つの活性素子の全部または一部を形成しておくことを特徴とする方法。
  11. 請求項９または１０記載の方法において、
    前記イオン打込ステップに先立って、前記基板のイオン打込面を、前記裂け目が得られる程度に互いに十分に近接したマイクロキャビティ層またはマイクロバブル層がイオン打込ステップによって形成され得るようなマスクでもって、マスキングすることを特徴とする方法。
  12. 請求項９記載の方法において、
    イオン打込面がパターン化されているような基板から出発して前記薄膜を得ることを特徴とする方法。
  13. 請求項９記載の方法において、
    互いに異なる化学種からなる複数の層を備えた基板から出発して前記薄膜を得ることを特徴とする方法。
  14. 請求項９記載の方法において、
    成長によって得られたような少なくとも１つの層を備えた基板から出発して前記薄膜を得ることを特徴とする方法。
  15. 請求項１４記載の方法において、
    前記成長が、エピタキシーによるものであることを特徴とする方法。
  16. 請求項１記載の方法において、
    前記熱的組合せの前記合計に、他のステップが行われる場合にはそのステップにおける熱的組合せを含ませることを特徴とする方法。
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