JPWO2005069356A1 - 単結晶薄膜の製造方法及びその単結晶薄膜デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
(a)酸素イオン注入法
単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入した後、熱処理を施すことで、単結晶シリコン/二酸化珪素/単結晶シリコン基板の構造を作製する。
(b)水素イオン注入法
単結晶シリコン基板に水素イオン(H+およびH-)を注入し、支持基板に貼り合わせた後、熱処理を施し、水素イオンが注入された層を破壊し、はぎとることで、サブμmオーダーの単結晶シリコン薄膜を支持基板上に形成することができる。
(c)ポーラスシリコン法
単結晶シリコン基板表面を陽極酸化すると、細孔を高密度に形成できる。この細孔表面に酸化処理を施し、フッ酸により外表面に近い部分のみ酸化層を除去した後、水素雰囲気下でアニールすると、最表面が単結晶の連続膜に戻り、その下に空隙を多数含んだ構造ができる。これを支持基板に貼り付けた後、空隙を含んだ層を液相法により化学的に溶解することや、ウォータージェット等により機械的に破壊することで、単結晶シリコン薄膜を分離することができる(下記特許文献3参照)。
(d)溶融再結晶化法・溶融結晶化法
シリコン基板上に、二酸化シリコン膜、多結晶ないしアモルファスシリコン薄膜、二酸化珪素からなる保護膜の順に積層させ、ランプ加熱等による線状の溶融帯のスキャンを行うことで、面内方向に結晶粒径の発達した多結晶シリコン薄膜を作製できる。その後、保護膜を薬液により除去し、CVD法により多結晶シリコン薄膜を厚膜化した後、二酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングすることにより、多結晶シリコン薄膜を分離できる(下記特許文献4参照)。
(e)元素組成の異なる犠牲層を用いたエピタキシャルリフトオフ(ELO)法
エピタキシャルリフトオフ(ELO)法とは、単結晶基板を鋳型に用い、その上に犠牲層をエピタキシャル成長させ、更にその上に目的膜をエピタキシャル成長させ、犠牲層を除去することで目的材料の単結晶薄膜を得る方法のことである。
犠牲層に金属シリサイド(CoSi2,NiSi2,CrSi2)膜2を用いる場合には、エッチング剤はHF水溶液とし、この金属シリサイド膜2の選択エッチングは容易であるが、単結晶シリコン膜3へ金属原子が混入するために、高純度の単結晶シリコン膜を製造することができなかった。
B,P,…(p,nともに可能であり、<10-2Ωcm)をドーパントとした高濃度ドープシリコン膜12を犠牲層とした場合、エッチング剤は、HF/HNO3/CH3COOHとし、ドーパントの単結晶シリコン膜13への混入の問題は少ないが、単結晶シリコン膜13をエピタキシャル成長させる際に、拡散によりドーパントの分布が大きく広がるために、単結晶シリコン膜13のリフトオフが不完全であるといった問題があった。
(1)まず、図13(a)に示すように、間隔をとって穴91Aが形成された単結晶シリコン基板91を用意する。
(1)まず、図15(a)に示すように、表面に凹凸101Aが形成された単結晶シリコン基板101を用意する。
(a)酸素イオン注入法
単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入した後、熱処理を施すことで、単結晶シリコン/二酸化珪素/単結晶シリコン基板の構造を作製する。
(b)水素イオン注入法
単結晶シリコン基板に水素イオン(H+ およびH- )を注入し、支持基板に貼り合わせた後、熱処理を施し、水素イオンが注入された層を破壊し、はぎとることで、サブμmオーダーの単結晶シリコン薄膜を支持基板上に形成することができる。
(c)ポーラスシリコン法
単結晶シリコン基板表面を陽極酸化すると、細孔を高密度に形成できる。この細孔表面に酸化処理を施し、フッ酸により外表面に近い部分のみ酸化層を除去した後、水素雰囲気下でアニールすると、最表面が単結晶の連続膜に戻り、その下に空隙を多数含んだ構造ができる。これを支持基板に貼り付けた後、空隙を含んだ層を液相法により化学的に溶解することや、ウォータージェット等により機械的に破壊することで、単結晶シリコン薄膜を分離することができる(下記特許文献3参照)。
(d)溶融再結晶化法・溶融結晶化法
シリコン基板上に、二酸化シリコン膜、多結晶ないしアモルファスシリコン薄膜、二酸化珪素からなる保護膜の順に積層させ、ランプ加熱等による線状の溶融帯のスキャンを行うことで、面内方向に結晶粒径の発達した多結晶シリコン薄膜を作製できる。その後、保護膜を薬液により除去し、CVD法により多結晶シリコン薄膜を厚膜化した後、二酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングすることにより、多結晶シリコン薄膜を分離できる(下記特許文献4参照)。
(e)元素組成の異なる犠牲層を用いたエピタキシャルリフトオフ(ELO)法
エピタキシャルリフトオフ(ELO)法とは、単結晶基板を鋳型に用い、その上に犠牲層をエピタキシャル成長させ、更にその上に目的膜をエピタキシャル成長させ、犠牲層を除去することで目的材料の単結晶薄膜を得る方法のことである。
犠牲層に金属シリサイド(CoSi2 ,NiSi2 ,CrSi2 )膜2を用いる場合には、エッチング剤はHF水溶液とし、この金属シリサイド膜2の選択エッチングは容易であるが、単結晶シリコン膜3へ金属原子が混入するために、高純度の単結晶シリコン膜を製造することができなかった。
B,P,…(p,nともに可能であり、<10-2Ωcm)をドーパントとした高濃度ドープシリコン膜12を犠牲層とした場合、エッチング剤は、HF/HNO3 /CH3 COOHとし、ドーパントの単結晶シリコン膜13への混入の問題は少ないが、単結晶シリコン膜13をエピタキシャル成長させる際に、拡散によりドーパントの分布が大きく広がるために、単結晶シリコン膜13のリフトオフが不完全であるといった問題があった。
(1)まず、図12(a)に示すように、間隔をとって穴91Aが形成された単結晶シリコン基板91を用意する。
(1)まず、図14(a)に示すように、表面に凹凸101Aが形成された単結晶シリコン基板101を用意する。
Claims (43)
- (a)単結晶基板を準備し、
(b)該単結晶基板上に同一の物質で結晶欠陥を含んだ犠牲層をエピタキシャル成長させ、
(c)該犠牲層上に同一の物質で前記犠牲層より結晶欠陥の少ない単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、
(d)前記犠牲層をエッチングし、結晶欠陥の少ない単結晶薄膜を製造することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。 - 請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで前記犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶シリコン基板、前記犠牲層がシリコン犠牲層、前記単結晶薄膜が単結晶シリコン薄膜であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶GaAs基板であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1又は2記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶基板が単結晶MgO基板であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程を、400〜1200℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥を含んだシリコン犠牲層をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥が双晶、空孔、格子間原子、刃状転移、螺旋転移であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3、6又は7記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2〜1/nm2であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜8の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2〜1/nm2の数密度で双晶が存在することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜9の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで、還元性雰囲気下、温度1000〜1400℃で熱アニールを行うことにより、前記シリコン犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項10記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記アニール処理後に、前記シリコン犠牲層表面における双晶の数密度が、前記シリコン犠牲層と前記単結晶シリコン基板との界面における双晶の数密度の、100分の1以下であることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜11の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程を、基板温度1000〜1400℃で物理蒸着法又は化学蒸着法で行うことにより、結晶欠陥の少ない単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜12の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記(c)工程に次いで前記単結晶シリコン薄膜を支持基材に保持した後、前記シリコン犠牲層をエッチングし、単結晶シリコン薄膜を製造することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜13の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜14の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以下にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面の凹凸を100nm以下に抑えることを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜14の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層の厚さを100nm以上にすることで、前記単結晶シリコン薄膜の下面に100nm以上のテクスチャ構造を導入することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜16の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項3又は6〜17の何れか一項記載の単結晶薄膜の製造方法において、前記シリコン犠牲層のエッチングをフッ酸と酸化剤の混合溶液で行うことを特徴とする単結晶薄膜の製造方法。
- 請求項1から5のいずれか一項記載の単結晶薄膜の製造方法によって得られる単結晶薄膜デバイス。
- 請求項3又は6〜18のいずれか一項記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法によって得られる単結晶薄膜デバイス。
- 請求項20記載の単結晶薄膜デバイスにおいて、前記単結晶シリコン薄膜が太陽電池用発電層であることを特徴とする単結晶薄膜デバイス。
- 請求項20記載の単結晶薄膜デバイスにおいて、前記単結晶シリコン薄膜がSOI用単結晶シリコン薄膜であることを特徴とする単結晶薄膜デバイス。
- (a)単結晶シリコン基板を準備し、
(b)該基板上にエピタキシャルな犠牲層を形成し、
(c)該犠牲層上に単結晶シリコン薄膜を急速にエピタキシャル成長させ、
(d)前記犠牲層をエッチングし、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 請求項23記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン薄膜を、温度T(℃)において成膜速度GR(μm/min)が
GR>2×1012exp〔−325(kJ/mol)/8.31(J/mol・K)/(T+273)(K)〕
を満足する速度でエピタキシャル成長させることにより、前記犠牲層の構造変化を防ぐことを特徴とする太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜の製造方法。 - 請求項23又は24記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン薄膜の急速なエピタキシャル成長を、物理蒸着法により行うことを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23、24又は25記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記犠牲層が結晶欠陥を含んだ結晶シリコンであることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項26記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥が双晶、空孔、格子間原子、刃状転移、螺旋転移であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項26又は27記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶欠陥の数密度が、前記単結晶シリコン基板と前記シリコン犠牲層との界面において、1/μm2〜1/nm2であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項25から28の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記(b)工程に次いで前記犠牲層の表面の結晶欠陥を消失させることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23、24又は25記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、結晶の犠牲層が高濃度ドープされた単結晶シリコンであることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項30記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記高濃度にドープされた単結晶シリコン中のドーパントが、III族ないしV族元素であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項30又は31記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記高濃度にドープされた単結晶シリコン中のドーパント濃度が、1018原子/cm3以上であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項30、31、32の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、単結晶シリコン基板表面にドーパント源を供給することにより、高濃度にドープされた単結晶シリコン犠牲層を形成することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項30、31、32の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、単結晶シリコン基板上にシリコン源とドーパント源を同時に供給することにより、高濃度にドープされた単結晶シリコン犠牲層を形成することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項30、31、32の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、シリコン源とドーパント源の比率を時間に対して制御して単結晶シリコン基板上に供給することにより、急速にエピタキシャル成長するシリコン膜中にドーパント濃度の高い層と低い層を形成し、前者を犠牲層とし後者を太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜とすることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23、24又は25記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、結晶の犠牲層がシリコンを含む化合物結晶であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項36記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記シリコンを含む化合物結晶がCoSi2、NiSi2、CrSi2などの金属シリサイドであることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23、24又は25記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、結晶の犠牲層がシリコンを含まない結晶であることを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23〜38の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、犠牲層をフッ酸を含む水溶液でエッチングすることにより、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23〜39の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記(c)工程に次いで前記太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を支持基材に保持した後、前記シリコン犠牲層をエッチングし、太陽電池発電層単結晶シリコン薄膜を製造することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23から40の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板に間隔をとって穴を形成することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23から41の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン基板の表面に凹凸を形成することを特徴とする太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法。
- 請求項23から42の何れか一項記載の太陽電池用単結晶シリコン薄膜の製造方法によって得られる単結晶シリコン薄膜太陽電池。
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