JP4452789B2 - シリコン系結晶薄板の製造方法および光電変換素子用基板の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば太陽電池用基板、液晶ディスプレイ用基板、半導体装置用基板等として用いられるものであって、シリコンを含有するシリコン系結晶薄板の製造方法および当該シリコン系結晶薄板を用いた光電変換素子用基板の製造方法に関し、より具体的には、従来必要だった注入面の押圧を不要にする手段に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコン系結晶基板の所定深さに水素イオンを注入し、その後350℃程度以上に加熱した後に、表層の結晶薄膜を剥離する水素イオン注入剥離法は、特にSOI(Silicon On Insulator)基板の製造方法の主要な技術として注目されている。上記のように加熱するのは、水素イオンの注入層に多数の空孔(ボイド)を形成して剥離を可能にするためである。
【0003】
但し、基板に水素イオンを注入後、注入面を押圧しない状態で加熱すると、注入層に空孔は形成されるけれども、それと同時に、基板の表面(注入面)に数μm程度の大きさのクレーターのような凹凸が無数に生じる。これは、注入された水素が加熱によってガス化し、それによって基板の表層が吹き飛ばされるためである。このような凹凸が生じると、表層を剥離させようとしても微小な剥離しか行えないので、即ち表層がぼろぼろに剥がれるので、注入層から上側をうまく剥離させて大面積の結晶薄膜を得ることはできない。
【0004】
そのために従来は、シリコン系結晶基板の注入面に支持基板を接着し、加熱中にこの支持基板によって注入面を押圧することによって、上記のような凹凸が生じることを防止している。
【0005】
このような方法による従来のSOI基板の製造方法の一例を図4に示す。
【0006】
まず、表層に酸化シリコン(SiO2 )層を熱酸化等によって形成しているシリコン系結晶基板2に水素イオン6を注入して、表面(注入面)5から1μm程度の深さR1 の所に注入層8を形成する(注入工程。図4A)。酸化シリコン層4の厚さは、例えば0.8〜0.9μm程度である。
【0007】
次に、支持基板10を用意して(図4B)、それを上記シリコン系結晶基板2の注入面5に押し付けた状態で、シリコン系結晶基板2および支持基板10を高温に加熱して、両者を接着すると同時に、注入層8に空孔を形成する(加熱工程。図4C)。両者の高温加熱による接着には、一般的に1000℃以上が必要である。この支持基板10による注入面5の押圧によって、加熱中にシリコン系結晶基板2の注入面5に微小な凹凸が無数に生じることを防止することができる。
【0008】
次に、上記シリコン系結晶基板2と支持基板10とに引っ張り力を加えることによって、シリコン系結晶基板2の注入層8から上側を剥離させる(剥離工程。図4D)。これによって、シリコン系結晶基板2の注入層8から上側が支持基板10側に移行して、支持基板10上に酸化シリコン層4およびその上にシリコン結晶薄膜(基板2がシリコン単結晶基板の場合はシリコン単結晶薄膜)12が形成された構造のSOI基板が得られる。ちなみに図4Dの上下を反転させて見れば、支持基板10上に上記酸化シリコン層4およびシリコン結晶薄膜12が形成されていると見ることができる。シリコン結晶薄膜12の厚さは、この例の場合は0.1〜0.2μm程度である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の技術では、加熱中にシリコン系結晶基板の表面に微小な凹凸が無数に生じることを防止するために、支持基板等によって加熱中に注入面を押圧しておかなければならず、そのぶん工程が複雑になるという課題があった。
【0010】
そこでこの発明は、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧を不要にすることを主たる目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法は、シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素の負イオンを注入して、表面から8μm以上の深さの所に注入層を形成する注入工程と、その後前記シリコン系結晶基板を加熱して前記注入層に空孔を形成する加熱工程と、その後前記シリコン系結晶基板の前記注入層から上側を剥離させてシリコン系結晶薄板を得る剥離工程とを備えることを特徴としている。
【0012】
上記製造方法によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板の表面から8μm以上の深さの所に注入層を形成することによって、注入層から上の層は、その厚さが従来よりも遙かに大きくなるので、注入された水素が加熱工程時にガス化する圧力に耐えることができる。従って、シリコン系結晶基板の注入面に微小な凹凸が生じることを防止することができる。代わりに、上記圧力は注入層に沿う方向に空孔を押し広げる働きをするので、注入層に沿って多数の空孔同士が互いにつながり、広い領域の剥離層が形成される。
【0013】
これらの結果、加熱工程中に注入面を押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層から上側を大きな面積で剥離させることができる。即ち、大きな面積のシリコン系結晶薄板を得ることができる。
【0014】
従って、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧が不要になる。その結果、工程を簡略化することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。図4に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【0016】
まず、前述したようなシリコンを含有するシリコン系結晶基板2に水素イオン6を注入して、表面(注入面)5から8μm以上の深さR2 の所に注入層8を形成する(注入工程。図1A)。
【0017】
上記深さR2 は、イオンの注入深さまたは平均射影飛程とも呼ばれるものである。この深さR2 は、水素イオン6のエネルギー(運動エネルギー)によって調整することができる。例えば、深さR2 は、水素イオン6が単原子イオン(H+ またはH- )の場合、そのエネルギーを600keV程度にすれば8μm程度になり、700keV程度にすれば10μm程度になる。
【0018】
シリコン系結晶基板2は、シリコン基板でも良いし、シリコンを主成分とする基板でも良い。例えば、シリコン系結晶基板2はシリコン単結晶基板またはシリコン多結晶基板であるが、これに限らず、シリコン化合物(例えばSiC、Si
Ge 、FeSi2等)の単結晶基板または多結晶基板でも良い。シリコン化合物基板においても、水素イオンの注入および加熱によって注入層に空孔が形成されるので、剥離可能である。
【0019】
次に、上記シリコン系結晶基板2を加熱して、上記注入層8に空孔(ボイド)を形成する(加熱工程。図1B)。この加熱は、例えば350〜600℃程度で、数分〜10分程度行う。この加熱によって、注入された水素がガス化し、注入層8に多数の空孔が生じる。
【0020】
次に、上記シリコン系結晶基板2にその注入層8を境にして引っ張り力を加えることによって、注入層8から上側を剥離させる(剥離工程。図1C)。これによってシリコン系結晶薄板16が得られる。このシリコン系結晶薄板16は、元のシリコン系結晶基板2を単結晶基板としておけば単結晶薄板であり、シリコン系結晶基板2を多結晶基板としておけば多結晶薄板である。また、このシリコン系結晶薄板16の厚さは上記深さR2 に相当している。
【0021】
上記製造方法によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板2の表面から8μm以上の深さR2 の所に注入層8を形成することによって、注入層8から上の層は、その厚さが従来よりも遙かに大きくなるので、注入された水素が加熱工程時にガス化する圧力に十分に耐えることができる。従って、シリコン系結晶基板2の注入面5に微小な凹凸が生じることを防止することができる。代わりに、上記圧力は注入層8に沿う方向に空孔を押し広げる働きをするので、注入層8に沿って多数の空孔同士が互いにつながり、広い領域の剥離層が形成される。
【0022】
これらの結果、加熱工程中に注入面5を支持基板等によって押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層8から上側を十分に大きな面積で剥離させることができる。即ち、十分に大きな面積のシリコン系結晶薄板16を得ることができる。例えば、シリコン系結晶基板2のほぼ全面に相当する大きさのシリコン系結晶薄板16を剥離させることも可能である。
【0023】
従って、従来必要だった加熱工程中の注入面5の押圧が不要になる。その結果、支持基板等の押圧体の準備、その接着および押圧等が一切不要になるので、工程を簡略化することができる。
【0024】
上記シリコン系結晶薄板16として、例えば太陽電池用のシリコン単結晶薄板を得る場合、十分な光電変換効率を得るためには、その厚さは10μm程度にするのが好ましい。その場合は、例えば、シリコン系結晶基板2に700keV程度のエネルギーで水素イオン(H+ またはH- )6を注入すれば、表面から約10μmの深さR2 に注入層8が形成されるので、上記厚さを実現することができる。
【0025】
上記シリコン系結晶薄板16は、8μm以上の厚さでは自立可能(即ちそれ自身で一体性を保つことができること)であるので、支持基板が無くても良い。あるいは、必要に応じて、剥離工程後にシリコン系結晶薄板16と支持基板とを接着しても良い。その場合、従来と違って支持基板は、加熱工程を経ないので、耐熱温度の低い安価なもので済ませることができる。
【0026】
上記注入工程において、水素イオン6の注入に非質量分離の水素正イオンビームを用いると、通常は当該イオンビーム中にH+ の他にH2 + 、H3 + 等の複数
種類の分子イオンも存在するために、注入層8が複数形成される可能性がある。そうなると、所望の深さでシリコン系結晶薄板16を剥離させることができなくなる。これを防止するためには、水素正イオンビームを質量分離してH+ のみを選択的に注入すれば良いけれども、そのようにすると、質量分離器が必要になると共に、質量分離器によってイオンビームの断面積が制約を受けるので大面積のイオンビームを得ることができず処理速度(生産性)が低下する。
【0027】
これに対して、水素イオン6の注入に水素の負イオン(H- )を用いると、水素の場合は負イオンはH- という一種類の単原子イオンしか存在しないので、質量分離を行う必要がなくなる。従って、質量分離器が不要になると共に、高い処理速度(生産性)を実現することができる。
【0028】
また、シリコン系結晶基板2に対する水素イオン6の注入量は、通常は、水素原子の注入量で見て、注入面5の1cm2 あたり5×1016個(即ち5×1016個/cm2 )程度であるが、これを1×1017個/cm2 以上にするのが好ましい。そのようにすれば、加熱工程で発生する注入層8での水素ガス量が多くなり、このガスによる圧力が高くなるので、剥離工程におけるシリコン系結晶薄板16の剥離が容易になる。
【0029】
図4に示した従来の製造方法では、水素イオン6の注入深さR1 が1μm程度と浅いため、上記のように大きな注入量では、前述した微小な剥離がより多発するため不向きであるが、この発明の製造方法のように水素イオン6の注入深さR2 を8μm以上にする場合は、上述した理由から微小な剥離は起こらないので、シリコン系結晶薄板16の剥離が容易になるという効果を奏することができる。
【0030】
ところで、上記シリコン系結晶薄板16の剥離側の面18には、詳しく見れば、加熱工程で注入層8に形成された多数の空孔の名残があるため、図2に拡大して示すように、数十nm〜1μm程度の大きさおよび深さの凹凸が多数存在している。なお、図2は図1Cのシリコン系結晶薄板16を上下反転させて図示したものである。
【0031】
太陽電池としてシリコン結晶基板を用いる場合、受光面に異方性エッチングを施すことによってわざと凹凸形状として光を乱反射させ、結果的に入射光量を増やして光電変換効率を上げるという方法が従来から良く行われている。
【0032】
ところが、この発明の製造方法では、上述したようにシリコン系結晶薄板16の剥離側の面18には、剥離した状態そのままで適度な凹凸が存在するため、この剥離側の面18を受光面とする光電変換素子または光電変換素子用基板を作れば、光電変換効率を高めるための上記のようなエッチングを行う必要がなくなるので、生産性を大幅に高めることが可能になる。
【0033】
光電変換素子用基板の製造方法の例を説明すると、まず、上記シリコン系結晶基板2としてp型シリコン結晶(単結晶または多結晶)基板を用いて、上述した製造方法によってp型のシリコン系結晶薄板16を製造する。これによって、図2Aに示すように、剥離側の面18が適度に荒れたp型のシリコン系結晶薄板16が得られる。
【0034】
次に、光電変換素子においては通常はn型層が受光面であるため、上記シリコン系結晶薄板16の剥離側の面18にリン(P)、ヒ素(As )等のn型不純物を拡散法、イオン注入法等によって添加して、図2Bに示すようにn型半導体層20を形成する。これによって、pn接合を有していてn型半導体層20を受光面とする光電変換素子用基板22が得られる。この光電変換素子用基板22に所望の電極を付与する等することによって、太陽電池等の光電変換素子を得ることができる。
【0035】
このような製造方法によれば、前述したように、光電変換効率を高めるために受光面をわざわざエッチングする必要がないので、工程の簡素化によって生産性を大幅に高めることが可能になる。
【0036】
なお、図3に示す例のように、注入工程に入る前に、シリコン単結晶基板から成るシリコン系結晶基板2の表層に、酸化シリコン(SiO2 )層4を、熱酸化等によって、水素イオン6の注入深さR2 よりも小さい厚さ(例えば0.5〜1μm程度、より具体的には0.8〜0.9μm程度)に形成しておいても良い。そのようにすれば、図3Cに示すように、表層に酸化シリコン層4を有するシリコン系結晶薄板16が得られる。即ちこれを上下反転させて見れば、酸化シリコン層4を下に有するSOI構造をしたシリコン系結晶薄板16を得ることができる。
【0037】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【0038】
請求項1記載の発明によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板の表面から8μm以上の深さの所に注入層を形成するので、加熱工程中に注入面を支持基板等によって押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層から上側を十分に大きな面積で剥離させることができる。従って、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧が不要になる。その結果、支持基板等の押圧体の準備、その接着および押圧等が一切不要になるので、工程を簡略化することができる。
【0039】
しかも、水素の場合は負イオンはH- という一種類のイオンしか存在しないので、質量分離を行う必要がなくなる。従って、質量分離器が不要になると共に、高い生産性を実現することができる。
【0040】
請求項2記載の発明によれば、加熱工程で発生する注入層での水素ガス量が多くなり、このガスによる圧力が高くなるので、剥離工程におけるシリコン系結晶薄板の剥離が容易になる。
【0041】
請求項3記載の発明によれば、剥離側の面である受光面に適度な凹凸が存在するので、光電変換素子の光電変換効率を高めるために受光面をわざわざエッチングする必要がない。従って、エッチング工程の省略によって生産性を大幅に高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。
【図2】この発明に係る光電変換素子用基板の製造方法の工程の一部を示す図である。
【図3】この発明に係る製造方法によるSOI構造のシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。
【図4】従来のSOI基板の製造方法の一例を示す工程図である。
【符号の説明】
2 シリコン系結晶基板
5 注入面
6 水素イオン
8 注入層
16 シリコン系結晶薄板
20 n型半導体層
22 光電変換素子用基板
Claims (3)
- シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素の負イオンを注入して、表面から8μm以上の深さの所に注入層を形成する注入工程と、その後前記シリコン系結晶基板を加熱して前記注入層に空孔を形成する加熱工程と、その後前記シリコン系結晶基板の前記注入層から上側を剥離させてシリコン系結晶薄板を得る剥離工程とを備えることを特徴とするシリコン系結晶薄板の製造方法。
- 前記注入工程における水素原子の注入量を、前記シリコン系結晶基板の注入面1cm2 あたり1017個以上にする請求項1記載のシリコン系結晶薄板の製造方法。
- 前記シリコン系結晶基板としてp型シリコン結晶基板を用いて、請求項1または2記載の製造方法によってp型の前記シリコン系結晶薄板を製造し、次いでこのシリコン系結晶薄板の剥離側の面にn型不純物を添加してn型半導体層を形成し、このn型半導体層を受光面とする光電変換素子用基板を作ることを特徴とする光電変換素子用基板の製造方法。
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