JP5097552B2 - 分離可能な基板の形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は基板上に成長マスクを形成する方法に関する。本発明は更に、分離可能な基板の形成、即ち、例えば応力を加えることによって分離可能な薄膜を、基板の一方の表面に形成することを可能にする。
電子デバイスは活性な薄膜を使用する場合が多く、このような薄膜内で種々の電気現象が起こる。通常、前記薄膜は、高純度の単結晶基板上でエピタキシャル成長を行うことよって形成される。しかしながら、このような基板の使用は、薄膜の製造コストの上昇を招く。より安価に薄膜を製造する1つの手段は、分離可能な基板として知られるものを使用することである。前記分離可能な基板とは脆性を有する基板であり、基板表面と埋め込み式脆性領域の間に表面層を有している。分離可能な基板に応力を加えると、基板の表面層を分離することができ、よって活性な薄膜を得ることができる。
これら分離可能な基板は、活性な薄膜を含むコンポーネントを製造する技術的工程の実施に対して適合性を有する。分離可能な基板の重要性は増大しており、特に光起電性デバイスの分野において、その使用により安価な光起電性デバイスが得られる。
−結晶性の基板上に成長マスクを形成する工程、
−基板が露出している領域、即ち、基板の、マスクによって覆われてない領域に結晶を堆積させる工程であって、結晶を、基板が露出している部分から始めて横方向に、マスクの表面全体を覆うまで成長させる工程。
−成長マスクの表面全体に所望の大きさの結晶質からなる活性な薄膜が得られるまで堆積及び成長を継続する工程。
結晶質からなる活性な薄膜を基板の残りの部分から分離する付加的工程により、薄膜を得ることができる。
本発明の目的の1つは、所定の基板上に成長マスクを形成するための新規な方法を提供することである。
従って、本発明は、初期の結晶性基板の表面上に成長マスクを形成する方法に関し、本方法は、
−第一の材料からなる初期基板の一方の面の上に、第二の材料からなる層を形成する工程、及び
−第二の材料からなる層の厚さ内にパターンを形成することにより、前記初期基板の一方の面の領域を露出させ、これら領域を初期基板上に成長窓を形成する領域とする工程
を有し、
パターンを形成する工程が、第二の材料からなる層の下方に位置する初期基板の表面層内へのイオン注入により行われ、この注入条件として、注入直後又は熱処理の後に、前記初期基板の面の上に、第一の材料からなる剥離領域が形成されて、第一の材料の剥離領域を覆う第二の材料からなる領域が局所的に除去されることにより、初期基板が局所的に露出し、初期基板上に成長窓が形成されるような条件を用いることを特徴とする。
イオン注入の条件は、初期基板表面の特定領域が剥離された位置に成長窓が出現するように選択される。前記剥離領域は、イオン注入直後に現れるか、又は必要に応じて行われる熱処理の後に現れる。各剥離領域は、基板が露出した状態にあるので、成長窓となる。
有利には、第二の材料からなる層は、第一の材料からなる初期基板の表面に第二の材料を(例えばプラズマ又はPECVDにより)堆積させることにより形成する。
−前述の方法により、第一の材料からなる初期結晶性基板の少なくとも一方の面の上に成長窓を形成する工程、及び
−マスクを有する基板の(一又は複数の)面の上に、第三の材料からなる結晶性の薄膜を形成する工程
を有することを特徴とする。
結晶性薄膜は、連続的でも、非連続的でもよい。
一変形例によれば、例えば、初期結晶性基板の両面に成長マスクを形成し、次いで、それぞれ成長マスクを有するこれら二つの面の上に二つの結晶性薄膜を形成することにより、1つの基板上に二つの結晶性薄膜を同時に形成することができる。
好適には、成長マスクを形成する材料(第二の材料)は、薄膜の成長に有利でない材料である。従って、薄膜を形成する材料は、先ず初期基板の露出領域に薄膜を形成する。
有利には、第三の材料からなる薄膜は、初期基板上の成長窓から第三の材料を横方向に成長させることによって形成する。このような横方向への成長は、ELOG成長(Epitaxial Lateral Overgrowth)とすることができる。このように、第三の材料は、初期基板が露出してその表面が剥離されている成長窓から成長し、第三の材料の結晶構造は初期基板の結晶性構造によって得られる。
本発明は結晶性薄膜の形成方法に関し、
−前述の、結晶性基板の上に結晶性薄膜を形成する方法により、第一の材料からなる初期結晶性基板の、第二の材料からなる成長マスクを有する面の上に、結晶性薄膜を形成する工程、及び
−初期結晶性基板から前記結晶性薄膜を分離する工程
を有する。
有利には、初期基板からの薄膜の分離は、機械的及び/又は化学的な応力の印加によって行われる。これは、牽引及び/又は機械的剪断応力とすることができる。分離は、埋め込み式脆性領域(即ち、マイクロキャビティが位置する領域)の位置に切開応力を印加することにより、或いはその代わりに、脆性層及び/又は第二の材料の層(マスク)に選択的化学侵食を加えることにより行ってもよい。分離はまた、これらの方法を組み合わせて行なうことができる。
−前述の、結晶性基板上に結晶性薄膜を形成する方法により、第一の材料からなる初期結晶性基板の、第二の材料からなる成長マスクを含む面の上に第三の材料からなる結晶性薄膜を形成する工程、
−ホスト基板の一面上に結晶性薄膜を接触させて接着する工程、及び
−初期結晶性基板から結晶性薄膜を分離することにより、結晶性薄膜を支持するホスト基板から初期基板を分離する工程
を有する。
有利には、薄膜のホスト基板の一面上への接着は、薄膜及び/又はホスト基板上に接着層を形成することによって行なう。変形例として、分子付着による結合によって接着を行なうことができる。
有利には、本発明によってホスト基板上に結晶性薄膜を移転する方法は、結晶性薄膜を形成する工程の後に、第二の材料からなる成長マスクを化学侵食する工程を更に有する。この追加的工程は、薄膜の分離を容易にする。この工程は、ホスト基板への結合の前又は後に実施することができる。
本成長マスクの形成方法は、成長マスクの安価な形成を可能にする。この方法を用いることにより、フォトリソグラフィー工程及び選択的エッチング工程を、イオン注入という簡単な工程に置き換えることができ、有利である。
剥離領域の大きさ及び密度、並びにマイクロキャビティの大きさ及び密度は制御可能であり、容易に調整できる。これらパラメータは、主に注入条件(即ち、用量、エネルギー、及び注入温度)と、選択した初期基板及び薄膜に適用される注入後の熱処理(温度、時間、温度傾斜、気圧)に依存する。従って、イオン注入条件、及び必要に応じて行われる熱処理条件を慎重に選択することにより、初期基板上における成長窓の分布、及び埋め込み式脆性領域の脆弱性を調整することができる。
第一の実施例では、一方の面にシリコンからなる薄膜を有するシリコン基板である、分離可能なシリコン基板の一実施形態により本発明を説明する。
方位性を有する単結晶シリコン(100)又は(111)からなる初期基板1が使用されており、この基板1に熱酸化が行われる。このようなシリカからなる酸化層により、初期シリコン基板の一方又は両方の面の上に成長マスクを形成することが可能となる。シリコン基板の酸化は、所定の厚さのシリコン酸化層が得られるように行なう。この層の厚さは、続いて実施される注入がシリコン基板内に行き亘るのに十分に小さいが、続いて実施されるシリコン薄膜の成長用のマスク層を形成するのに十分に大きい。ここで行われる酸化は、例えば、760トールの酸素流の下で約2時間半に亘り、1100℃のオーブン中にシリコン基板を配置するか、又は760トールの水蒸気流の下で50分に亘り、900℃のオーブン中にシリコン基板を配置することによって行なう。これにより、初期シリコン基板1上に、厚さ200nmの酸化層2を得ることができる(図1A参照)。
第二の変形例によれば、5.1016H+/cm2のH+イオンにより約40KeVでイオン注入の工程を実施する。この場合、イオン注入後に、350℃〜1100℃の温度範囲の熱処理を行うことができる。熱処理により、マイクロキャビティ内のガス圧が増大することにより、埋め込まれたマイクロキャビティの発達、及び基板表面上での剥離領域の形成が可能となる。有利には、薄膜の成長に使用したものと同じエピタキシ治具において注入後の熱処理を実行する。これにより、これら二つの工程の間に構造体を操作することを回避し、及び/又は汚染を防ぐことができる。
これにより、実験で得られた注入条件(用量、エネルギー、温度)、及び/又は、熱処理(温度、時間、温度傾斜)、及び/又は基板及びマスクの材料の選択によって制御可能な種々の大きさ、深度、及び密度の成長窓6を(シリコン基板1の剥離領域5の位置に)有する成長マスク20を得ることができ、前記成長窓は、図2に示すように、初期基板1の剥離領域5の位置において初期基板への到達口となる。
次いで、成長マスク20を有する基板1の一方又は両方の面に、シリコンの薄膜7を形成することにより、分離可能な基板30を得ることができる(図3B)。このような薄膜7は、シリコン基板の露出領域から(即ち、成長窓6の位置から)結晶性シリコンを横方向に成長させること(ELOG)によって得ることができる。この技術は、シリコンの、縦方向より横方向への成長に有利に働く。従って、成長につれてシリコンは成長マスクを徐々に覆う(図3A参照、シリコンが、剥離領域5によって構成された空間に突出するシャンパンのコルク状に表わされている)。有利には、シリコンの融合が成長マスクの表面全体に亘るまで成長を継続させる(図3B)。この結果、所望の厚さ及び結晶質を有する連続的なエピタキシャル層7が形成される。これにより形成された薄膜7の厚さは、例えば50μmとすることができる。
シリコン薄膜の成長は、標準的な液相エピタキシャル治具で行なうことができる。このために、超高純度H2の流れを有するエピタキシ炉内に、エピタキシャル成長させる基板(少なくとも一方の面がシリコン酸化物からなる成長マスク20で覆われた初期シリコン基板1)と、シリコン及び溶媒(スズ又はインジウム)から構成された成長溶液を同時に導入する。次に、エピタキシャル成長させる基板と成長溶液とを約2時間に亘って高温(約950℃)に保ち、液状化した成長溶液をシリコンで飽和させる。飽和後、成長溶液はエピタキシャル成長させるシリコン基板と接触する。最後に、成長溶液と成長基板とをゆっくり冷却(0.5℃/分の温度傾斜で)させて、選択されたSi溶媒システムの液体−固体の熱力学的均衡曲線に従うように成長溶液及び成長基板の温度を下げる。これにより、エピタキシャル成長させたシリコン薄膜7は、初期基板1と同じ結晶特性を獲得する。成長速度は約0.1〜1μm/分であるので、厚さ50μmのシリコン層<111>の成長には約2時間掛かる。
有利には、移転の後で、選択的な化学侵食、又は機械−化学研磨処理を実効することにより薄膜と一体化している熱酸化物の領域(マスク20)を除去することができ、よって基板9上に移転した薄膜7だけを保存することができる。このような層には、コンポーネントの形成に必要な技術的処理(蒸着、エッチング)を行うことができる。
第一の変形例によれば、1.1017H+/cm2のH+イオン注入量により、80KeVのエネルギーで、基板への注入を行なう。これらの注入条件は、基板の所定の深さにマイクロキャビティの形成を促し、基板表面に剥離領域を出現させる。この結果、シリカ層は、下層のゲルマニウムからなる基板を露出させる成長窓を有する。
一変形例として、注入はマスクを堆積させる工程の前に行なうことができる。
成長マスクを備えたこのような基板に対し、露出したゲルマニウム領域から、ゲルマニウムを堆積又は成長させることができる(剥離領域はマスクの成長窓から視認可能である)。このような成長は、例えば、標準的な液相エピタキシャル治具で行なうことができる。このために、ゲルマニウム及び溶媒(例えば鉛を含む溶媒)から構成される成長溶液を使用する。成長溶液と、エピタキシャル成長の対象となる、成長マスクを有する基板とを、1つの炉に同時に投入する。炉にはアルゴンを大量に流し、次いでシステムを5.10−6トールの真空状態にする。次に、超純度H2流を流しながら(H2の流量は1L/分)炉の温度を300℃まで上昇させる。次いで、成長溶液とエピタキシャル成長させる基板の温度を、液状化した成長溶液がゲルマニウムで飽和するまで、約5時間半に亘って高温(約655℃)に保つ。飽和後、約653℃で、エピタキシャル成長させるゲルマニウム基板に成長溶液を接触させる。飽和温度に対する僅かな温度差(約2℃)により成長が開始する。次に、成長溶液と成長基板とを、12時間掛けて340℃まで冷却する。これにより、約35〜50μmのエピタキシャル層が得られる。
有利には、化学的に、及び/又は機械−化学研磨によって、初期基板及び成長マスクの残留部分を除去することにより、移転された層7の表面を良好な状態に戻す。ここで、移転された層7に対し、コンポーネントを製造するための様々な技術的工程(例えばPECVD蒸着、エッチング、セリグラフィー)を実行することができる。
[1]WO81/02948(1980年4月)
[2]K.J.Weberによる「Lift-off of silicon epitaxial layers for solar cell applications」(26t PVSC、1997年、カリフォルニア州アナハイム)
[3]H.Raidtによる「Adhesion in growth of defect-free silicon over silicon oxide」(J.Appl.Phys.80(7)、1996年、p4101)
Claims (13)
- 初期結晶性基板(1)の表面上に成長マスク(20)を形成する方法であって、
−第一の材料からなる初期基板(1)の一方の面の上に、第二の材料からなる層(2)を形成する工程、
−第二の材料からなる層(2)の厚さ内にパターンを形成することにより前記初期基板の面の上の領域を露出させ、よって前記領域を初期基板上における成長窓とする工程
を有し、
パターンの形成を、第二の材料からなる層(2)の下方に位置する初期基板(1)の表面層にイオン注入を行なうことによって行い、このときの注入条件として、注入直後又は熱処理後に、前記初期基板の面の上に第一の材料の剥離領域(5)が出現することにより、第一の材料からなる剥離領域(5)を覆う第二の材料からなる領域が局所的に除去され、よって初期基板(1)が局所的に露出し、初期基板上に成長窓(6)が形成されるような条件を用いることを特徴とする、マスク形成方法。 - 第二の材料からなる層(2)を、第一の材料からなる基板(1)の面を酸化することによって形成することを特徴とする、請求項1に記載のマスク形成方法。
- 第二の材料からなる層(2)を、第一の材料からなる初期基板(1)の面に第二の材料を堆積させることによって形成することを特徴する、請求項1に記載のマスク形成方法。
- 初期結晶性基板上に少なくとも1つの結晶性薄膜を形成する方法であって、
−請求項1ないし3のいずれか1項に記載の方法によって、第一の材料からなる初期結晶性基板(1)の少なくとも一方の面の上に成長マスク(20)を形成する工程、及び
−マスク(20)を有する基板の面の上に、第三の材料からなる結晶性薄膜(7)を形成する工程
を有することを特徴とする方法。 - 第三の材料からなる薄膜(7)を、初期基板(1)上の成長窓(6)から第3の材料を横方向に成長させることによって形成することを特徴とする、請求項4に記載の少なくとも1つの薄膜を形成する方法。
- 前記第一の材料と第三の材料とが同一であることを特徴とする、請求項4又は5に記載の少なくとも1つの薄膜を形成する方法。
- 結晶性薄膜の形成方法であって、
−請求項4ないし6のいずれか1項に記載の方法によって、第一の材料からなる初期結晶性基板(1)の、第二の材料からなる成長マスク(20)を有する面の上に、結晶性薄膜(7)を形成する工程、及び
−初期結晶性基板(1)から結晶性薄膜(7)を分離する工程
を有する方法。 - 初期結晶性基板からの薄膜(7)の分離を、機械的及び/又は化学的応力の印加によって実施することを特徴とする、請求項7に記載の薄膜形成方法。
- 結晶性薄膜をホスト基板上に移転する方法であって、
−請求項4ないし6のいずれか1項に記載の方法によって、第一の材料からなる初期結晶性基板(1)の、第二の材料からなる成長マスク(20)を有する面の上に、第三の材料からなる結晶性薄膜(7)を形成する工程、
−ホスト基板(9)の1つの面の上に、結晶性薄膜(7)を接触させて接着する工程、及び
−初期結晶性基板(1)から前記結晶性薄膜(7)を分離することによって、結晶性薄膜を支持するホスト基板から初期基板を分離する工程
を有する方法。 - ホスト基板(9)の1つの面への薄膜(7)の接着を、薄膜及び/又はホスト基板上に接着層(8)を形成することによって行うことを特徴とする、請求項9に記載の結晶性薄膜をホスト基板上に移転する方法。
- ホスト基板(9)の1つの面への薄膜(7)の接着を、分子付着法によって行うことを特徴とする、請求項9に記載の結晶性薄膜をホスト基板上に移転する方法。
- 薄膜(7)の分離工程を、機械的及び/又は化学的応力の印加によって行なうことを特徴とする、請求項9ないし11のいずれか1項に記載の結晶性薄膜をホスト基板上に移転する方法。
- 結晶性薄膜(7)を形成する工程の後に、第二の材料からなる成長マスク(20)の化学侵食を実施する工程を更に含むことを特徴とする、請求項9ないし12のいずれか1項に記載の結晶性薄膜をホスト基板上に移転する方法。
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