JPH10135147A

JPH10135147A - 結晶薄膜の製造方法及び太陽電池の製造方法

Info

Publication number: JPH10135147A
Application number: JP8307062A
Authority: JP
Inventors: Goji Kawakami; 剛司川上; Takashi Nishioka; 孝西岡; Takumi Yamada; 巧山田; Takeshi Yamada; 武山田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-11-01
Filing date: 1996-11-01
Publication date: 1998-05-22

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン注入量を大幅に低減し、スループット
を向上させる結晶薄膜の製造方法を提供すること。【解決手段】本発明は、イオン注入を部分的に行うこ
とにより、さらに結晶の劈開性を利用することにより、
全体としてのイオン注入量を大幅に減少させるものであ
る。具体的には、結晶面として劈開性を有する結晶面と
し、イオン注入を点状または線状に行うこと、さらに点
状における点を結ぶ線または線状パタンの形成する線の
方向を、劈開が容易な方向に指定するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜トランジス
タ、太陽電池などに使用される半導体材料の結晶薄膜の
製造方法、及びこれを用いた太陽電池の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで薄膜トランジスタや太陽電池な
どに使用される半導体結晶薄膜の製造方法として、ゾー
ンメルト法、固相成長法などがあった。この方法は、た
とえばガラス基板上に多結晶または微結晶またはアモル
ファス層を形成した後、熱または光または電子ビームな
どで部分的に溶解または昇温させ、またはそれを走査す
ることにより結晶薄膜を作製していた。しかしこの方法
では、作製速度が遅く、いわゆるスループットが悪い上
に、作製される結晶薄膜は、多結晶または微結晶である
ため結晶品質が悪く、太陽電池等の変換効率を低下させ
るなどの問題があった。これに代わり最近、スマートカ
ットと呼ばれる方法が開発され、例えば文献エレクトロ
ニクスレーター（Electronics Letter）Vol 31, p1201-
1202（1995）に記載されている。

【０００３】図７は、この方法の原理を示したもので、
（ａ）はイオン注入する結晶面の平面図、（ｂ）および
（ｃ）は同断面図で、（ｂ）はイオン注入後剥離される
前、（ｃ）は剥離された結晶薄膜である。剥離される結
晶薄膜の厚さは、イオン注入の際の加速電圧できまり、
１μｍ以下から１０μｍ以上のものまで、任意に選定で
きる。通常、薄膜化は、ＳＯＩや太陽電池などの用途に
より別の基板、例えば他のシリコン基板や、ガラス基
板、金属基板、プラスチック基板などに張り合わせて行
われる。上記文献では、ＳＯＩ用薄膜を得るために、
（１００）面のシリコン基板１を用い、注入するイオン
２としてプロトン（Ｈ⁺）を使用し、結晶全面に渡りド
ーズ量として面積密度２×１０¹⁵〜１×１０¹⁷ｃｍ^-2の
イオン量が打ち込まれた。このドーズ量は、通常のドー
ピングなどに用いられる半導体素子作製用のドーズ量に
比べて、２〜３桁近く多いもので、これを全面に行うこ
とは通常長時間を要する。注入されたプロトンは打ち込
み加速電圧で定まるある深さのところでその濃度のピー
クを持ち一つの層３をなす。この水素濃度の多い層は、
通常結晶歪や欠陥の多い脆弱な層であり、薄膜形成用の
分離層としてはたらく。イオン注入後別の基板に張りつ
け、室温から４００〜５００℃の温度まで徐々にアニー
ルしていくと、ある温度で分離層３から水素ガスの発生
が激しくなり、分離層３により注入部が基板１から分離
され、結晶薄膜４が生成される。

【０００４】しかしこの方法では、イオン注入は結晶全
面で行う必要があること、イオン注入先端領域が剥離層
として働くためには大量のイオン注入を行う必要がある
ことから、形成される剥離層４中には残留する結晶欠陥
４ａが多く、結晶性の劣化が全面にわたるとともに、全
体としてのイオン注入量も多量になるなどの欠点があっ
た。このため、薄膜形成に要する時間も長くなる欠点を
有していたが、所要時間の長時間化は、太陽電池のよう
に大面積の結晶薄膜が必要となるものでは、大きな障害
となっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、高変換効率の薄膜太
陽電池などに用いる高品質な結晶薄膜の製造において、
イオン注入を全面に行わず部分的に行うことにより、ま
た熱アニールによる分離に加え超音波や引っ張りによる
機械的破断も併用することにより、結晶のほとんどの領
域において品質の低下を起こさせず、また全体としての
イオン注入量を大幅に低減して、スループットを向上さ
せる結晶薄膜の製造方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は次の各項目を発明の特徴とする。（１）結晶基板に上面からイオン注入を行い引き続き前
記結晶基板を熱アニールすることにより、注入先端に形
成されるイオン濃度が高い層を境に基板結晶から結晶薄
膜を剥離する薄膜製造方法において、上記イオン注入を
線状または格子状もしくは点状の領域に行うことを特徴
とする結晶薄膜の製造方法。（２）結晶基板がダイヤモンド形の（１１１）面または
（１１０）面または（１００）面または（２１１）面で
あることを特徴とする（１）記載の結晶薄膜の製造方
法。（３）結晶基板がジンクブレンド形の（１１１）面また
は（１１０）面または（１００）面または（２１１）面
であることを特徴とする（１）記載の結晶薄膜の製造方
法。（４）線状および格子状の方位、または点状の点を結ぶ
線の方位が〔１００〕、または〔１１０〕または、〔１
１１〕または“化３”である（１）又は（２）記載の結
晶薄膜の製造方法。（５）線状および格子状の方位、または点状の点を結ぶ
線の方位が〔１００〕、または〔１１０〕または、〔１
１１〕または“化４”である（１）又は（３）記載の結
晶薄膜の製造方法。（６）発生する結晶欠陥が前記薄膜に形成される電子デ
バイスの性能を劣化させない注入量で、イオン注入を全
面に行う第１の工程と、線状または格子状または点状に
行う第２の工程とを含むことを特徴とする（１）記載の
結晶薄膜の製造方法。

【化３】

【化４】

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、イオン注入を部分的に
行うことにより、さらに結晶の劈開性を利用することに
より、全体としてのイオン注入量を大幅に減少させるも
のである。具体的には、結晶面として劈開性を有する結
晶面とし、イオン注入を点状または線状に行うこと、さ
らに点状における点を結ぶ線または線状パタンの形成す
る線の方向を、大面積での劈開が容易な方向に指定する
ものである。

【０００８】

【実施例】図１は本発明における第一の実施例であり、
（ａ）はイオン注入する結晶面の平面図、（ｂ），
（ｃ）は同断面図で、（ｂ）はイオン注入後で剥離前、
（ｃ）は剥離された結晶薄膜である。まずもとの結晶１
１において結晶面は劈開が容易な面であり、シリコンの
ようなダイアモンド形結晶では例えば（１１１）面、Ｇ
ａＡｓのようなジンクブレンド形結晶では例えば（１１
０）面である。これらはそれぞれの結晶の最も劈開の容
易な結晶面である。本実施例では、イオン注入１２は平
面的にみて線状パタン１３、線上方向１５で行われた。
この後、従来の方法と同様な熱アニールにより、または
機械的破断の併用により薄膜の剥離、形成を行った。注
入領域１３ａ，１４ａにおけるドーズ量は従来と同一量
であり、注入領域１３ａと非注入領域１３ｂ，１４ｂの
比（＝Ｌ／Ｓ：Line & space）として１／２０でおこな
ったが、基板からの薄膜単結晶の剥離は容易であった。
これは結晶面に劈開面を使用しているため、薄層の剥離
はある線からとなりの線へ劈開の伝播１６が生じている
ためである。従ってこの場合は、全体のドーズ量は１／
２０となり、２０倍のスループットの向上が得られた。
また単結晶層の中の非注入領域１４ｂは、イオンが全く
打ち込まれていない領域であり、欠陥の発生は全くない
ものである。本来スマートカット法の利点は、ゾーンメ
ルトや固相成長に比べて、単結晶基板の良好な結晶特性
がそのまま使用できるところにあるが、本実施例の方法
では、従来のスマートカット法でみられたような欠陥の
導入４ａはなく、部分的にイオン注入をおこなった極く
一部（本実施例では１／２０）に限られる。従ってより
一層結晶性のよい薄膜単結晶が得られる。基板結晶がシ
リコンの場合、結晶面を（１１１）、プロトン注入の線
状方向を“化５”とすると、劈開の伝播の方向は“化
７”となり、最も少ないドーズ量でシリコン薄膜が得ら
れた。

【化５】

【化７】

【０００９】上記はそれぞれ最も劈開の容易な結晶面で
行ったが、第二，第三の劈開面、（１１０）面，（１０
０）面，（２１１）面などを使用してもよい。ＧａＡｓ
などのジンクブレンド形半導体の場合には、最も劈開し
やすい面は（１１０）面であり、次いで（１１１）面な
どとなる。線状方向１５は劈開を容易にするため、ある
いは劈開ができるだけ大きな面積で行われるように、
〔１１０〕，〔１１１〕，〔１００〕，“化６”方向な
どを指定することができる。具体的な面と方向との関係
は、ステレオ投影図によって決定される。例えば、（１
００）面結晶から薄膜を得る場合には、（００１）面の
投影図、図８（ａ）から決定される。シリコンの場合、
最も劈開しやすい面は（１１１）であるため、できるだ
け大きな薄膜を得るためには、（１１１）面を含まない
方向、即ち〔０１０〕または〔００１〕方向の一方また
は両方が選ばれる。ＧａＡｓなどのジンクブレンド形の
場合も、同様にして決定され、〔０１０〕または〔００
１〕方向の一方または両方が選ばれる。

【化６】（１１１）面の場合には（１１１）面の投影図、図８
（ｂ）から決定されシリコン、ＧａＡｓとも〔１０
１〕、〔１１０〕、“化８”方向の一方向または二方向
が選ばれる。なお二方向を選んだ場合、これらは互いに
α＝６０°で交差する。また残りの方向は自動的に含ま
れることになる。この場合、上記または従来法と比較し
面積当たりのドーズ量は幾分増大させる必要があった
が、全体のドーズ量は従来の方法に比べて１／５以下に
少なくすることができた。またイオン注入を行なってい
ない大部分の領域１４ｂでは、元の結晶品質はそのまま
保たれたものであった。なお、イオン注入の線幅及び間
隔も結晶面と線方向により任意に指定することができ
る。劈開性の高い面では、線幅は狭くてもよく、また間
隔は広くてよい。劈開性の低い面ではこの逆である。

【化８】

【００１０】図２は第二の実施例であるが、線状パタン
を２組の方向１５ａ，１５ｂで、即ち格子状にイオン注
入を行ったものである。なお２組の線状の交差角αは、
例えば第一の実施例に記載された方向の中から選択され
た２組の線状方位によって定まるものである。この場合
のドーズ量は、各々の方向のＬ／Ｓとして１／２０およ
び１／４０を選ぶと、約１／１３となった。従って全面
注入に比べて１３倍の高スループットが得られた。同様
に、欠陥導入領域も１／１３に減少する。

【００１１】図３は第三の実施例であるが、イオン注入
を点状に行ったものである。点が作る線状の方向１５
ａ，１５ｂ，１５ｃは第二の実施例と同様のものが選ば
れた。この場合、打ち込み領域と非打ち込み領域の比
（＝Ｄ／Ｓ： dot & Space）はＬ／Ｓで１／２０と１／
４０にすると１／８００となり、全面注入に比べて８０
０倍の高スループットが得られた。欠陥導入領域は１／
８００となり、ほとんど素子特性に影響を及ぼさない。
全面注入するイオンのドーズ量は、剥離した基板に電子
デバイス、たとえば太陽電池を形成する場合には、その
効率を劣化させない範囲で行えば良い。

【００１２】図４は第四の実施例である。線状または格
子状または点状に行うことは第一の実施例と同じである
が、これに加えてさらに上記と比較して少量のドーズ量
（面積当たり）での全面注入を併用したものである。こ
れは、もとの結晶面が劈開面でない場合や、イオン注入
による欠陥がある量まで許される場合に用いることがで
きる。

【００１３】図５は第五及び第六の実施例で、剥離する
具体的方法に関するものである。（ａ）は剥離工程中、
（ｂ）は剥離後のものである。従来の方法では、熱アニ
ールのみで剥離を行っていたが、本実施例ではこれに加
えて、超音波、または機械的引っ張り力を併用する。イ
オン注入された結晶は、接着剤２１を用いて保持用の他
の基板２２に接着される。超音波併用の場合は、この状
態で保持用基板に超音波を印加する。超音波の振動方向
は、結晶基板に水平でかつ本実施例における線状方向、
または点が作る線状方向に直交する方向にした場合（例
えば第一の実施例で１６の方向）が、最も剥離が容易で
あった。また機械的な力を併用する場合は別の治具２３
を結晶裏面に接着するかまたは押し当て、基板との間で
引っ張り力を印加する。その方向は上記超音波の印加す
る方向と同一である。これにより、熱アニールだけの場
合と比べ、温度上昇を低く、イオン注入量を少なくする
ことができた。

【００１４】図６は、上記発明を用いた太陽電池の作製
の一実施例である。本実施例では、太陽電池はｐｎ接合
形であり、薄膜形成前にｐｎ接合が作製されたもので
（ａ）、ｐ形基板１１ａの上に、エピ成長もしくはイオ
ン注入によりｎ層１１ｂが形成されている。この上面か
ら薄膜形成用部分イオン注入１２が行われる（ｂ）。こ
れに、一方の電極配線が形成してある基板２２ａに張り
付け、薄膜形成が行われる。この場合、接着剤は導電性
のもの２１ａが使用される。薄膜が形成された後、他方
の電極２４、及び無反射膜（ＡＲ膜）２５が形成され、
太陽電池が完成する（ｃ）。なお剥離後の基板結晶は、
次の太陽電池作製に何度も繰り返して使用でき、従って
結晶性のよい高効率の太陽電池が大量に、シリコン原料
の使用量は極めて少なく、生産性よく作製することがで
きる。

【００１５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、イオン
注入を部分的に行うことにより、結晶品質を上げ、スル
ープットの良好な薄膜形成法を提供することができた。
なお上記実施例では、半導体材料としてシリコンを主と
したものであったが、他の半導体材料、ゲルマニウム
や、シリコンとゲルマニウムの混晶、ＧａＡｓ、ＩｎＰ
などの化合物半導体でも応用できる。またイオン注入は
プロトンであったが、ヘリウム等でもよくこれに限定さ
れる必要はない。また本実施例で示した太陽電池はｐｎ
接合形の最も簡単なものであるが、ｐ，ｎのタイプの逆
のものも可能であり、またアモルファスシリコンとのヘ
テロ接合型など、他のタイプの太陽電池や、高変換効率
化の電極構造や光閉じ込め構造を付加することはもちろ
ん可能である。プロセス手順も目的に応じて最適なもの
を選ぶことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す。

【図２】本発明の第二の実施例を示す。

【図３】本発明の第三の実施例を示す。

【図４】本発明の第四の実施例を示す。

【図５】本発明の第五及び第六の実施例を示す。

【図６】本発明の太陽電池の作製例を示す。

【図７】従来例を示す。

【図８】説明図を示す。

【符号の説明】

１半導体結晶基板１１半導体結晶基板２プロトン注入１２プロトン注入３プロトン注入領域１３プロトン注入領域１３ｃ少ドーズ量のプロトン注入領域４剥離される結晶薄膜部１４剥離される結晶薄膜部４ａ剥離される結晶薄膜部のプロトン注入領域１４ａ剥離される結晶薄膜部のプロトン注入領域１４ｂ剥離される結晶薄膜部のプロトン非注入領域１５ａプロトン注入の線状方向１５ｂプロトン注入の線状方向１５ｃプロトン注入の線状方向１６劈開の伝播方向２１接着剤２１ａ導電性接着剤２２保持用基板２２ａ保持用基板２３機械力印加用治具２４電極２５ＡＲ膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田武東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶基板に上面からイオン注入を行い引
き続き前記結晶基板を熱アニールすることにより、注入
先端に形成されるイオン濃度が高い層を境に基板結晶か
ら結晶薄膜を剥離する薄膜製造方法において、上記イオ
ン注入を線状または格子状もしくは点状の領域に行うこ
とを特徴とする結晶薄膜の製造方法。
【請求項２】結晶基板がダイヤモンド形の（１１１）
面または（００１）面または（１１０）面または（２１
１）面であることを特徴とする請求項１記載の結晶薄膜
の製造方法。
【請求項３】結晶基板がジンクブレンド形の（１１
０）面または（１１１）面または（００１）面または
（２１１）面であることを特徴とする請求項１記載の結
晶薄膜の製造方法。
【請求項４】線状および格子状の方位、または点状の
点を結ぶ線の方位が〔１００〕、または〔１１０〕また
は、〔１１１〕または“化１”である請求項１又は２記
載の結晶薄膜の製造方法。【化１】
【請求項５】線状および格子状の方位、または点状の
点を結ぶ線の方位が〔１００〕、または〔１１０〕また
は、〔１１１〕または“化２”である請求項１又は３記
載の結晶薄膜の製造方法。【化２】
【請求項６】発生する結晶欠陥が前記薄膜に形成され
る電子デバイスの性能を劣化させない注入量で、イオン
注入を全面に行う第１の工程と、線状または格子状また
は点状に行う第２の工程とを含むことを特徴とする請求
項１記載の結晶薄膜の製造方法。
【請求項７】前記熱アニールの際に超音波を印加する
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６記載の
結晶薄膜の製造方法。
【請求項８】前記熱アニールの際に引っ張り力を印加
することを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，
７記載の結晶薄膜の製造方法。
【請求項９】光電変換を行う半導体層が請求項１ない
し８記載の結晶薄膜の製造方法で形成されることを特徴
とする太陽電池の製造方法。
【請求項１０】剥離後の結晶基板を繰り返して使用す
ることを特徴とする請求項９記載の太陽電池の製造方
法。