KR101698912B1 - 삼중 주입을 사용하는, 클리빙에 의해 실리콘 박막을 분리하는 방법 - Google Patents
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Abstract
실리콘 박막을 초기 기판으로부터 클리빙에 의하여 분리하기 위하여, 상기 초기 기판(10) 안에 물질을 자유 표면을 통해서 주입하는 방법은 연약층(13)을 형성하기 위하여 수행되고, 보강제를 사용하여 상기 자유 표면에 밀접하게 접촉시키는 선택적 고정 단계 이전 및/또는 이후에 적어도 450℃의 하나 이상의 중간 단계가 수행되고, 그 후 상기 연약층을 따라서 클리빙에 의한 분리 단계가 이루어진다. 상기 주입 단계는 붕소, 헬륨 및 수소를 임의의 순서로 상기 붕소 및 헬륨 농도가 동일한 깊이에서 최대 10nm의 길이로 얻어지도록 하는 주입 에너지로 상기 붕소, 헬륨 및 수소를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 최대 농도는 최대 수소 농도보다 적은 레벨이고 상기 붕소 투여량은 최하 5 x 1013 B/cm2이고 헬륨 및 수소의 전체 투여량은 최하 1016 atoms/cm2 이고 최대 4 x 1016 atoms/cm2이고 바람직하게는 3 x 1016 atoms/cm2이다.
Description
본 발명은 기판에서 박막을 분리하고 여러 종류의 주입 과정을 수행하고 고온 열처리에 대한 제어된 감도를 가지는 과정에 관한 것이다.
연약층을 형성하기 위하여 적절한 종류의 주입 과정을 사용하여 기반에서 박막을 분리하는 기술은 특히 특허 문서 US 5 374 564(Bruel), 및 특허 문서 US 6 020 252(Aspar)와 같이 보다 더 개량된 기술에 관한 문서에 기재되어 있다. 이러한 과정을 흔히 "스마트 컷(Smart Cut)TM"으로 불린다.
상기 스마트 컷TM 과정은 박막이 분리되고 케리어로 전송되도록 이하 단계들;
단계 1. 미세 공동층, 즉 연약층을 (선택적 열처리 이후에) 생성하기에 충분한 농도로 이온을 주입시키기 위하여 초기 기판의 한쪽 면을 기체류(H, 또는 헬륨과 같은 비활성 기체)와 충돌시키는 단계;
단계 2. 직접 또는 분자 결합에 의하여 상기 기판의 상기 한쪽 면을 케리어(실무적으로는 실리콘과 같은 재질로 만들어진 또 다른 기판)와 밀접하게 접촉시키는 단계(상기 단계 1에서 언급된 열처리는 상기 직접 결합을 강화시키기 위하여 이와 같이 밀접하게 접촉시킨 이후에 수행되는 열처리일 수 있다);
단계 3. 강화 열처리 및/또는 분리 스트레스(예를 들어, 두 개의 기판 사이에 날(blade)을 삽입, 및/또는 장성 및/또는 굴곡성 및/또는 전단 스트레스의 적용, 및/또는 적절한 전력 및 주파수를 가지는 초음파 또는 마이크로파의 적용)에 의하여 상기 미세 공동층에서 발생하는 클리빙(cleaving) 단계로서, 박막(상기 초기 기판층은 상기 미세 공동이 만들어지는 곳 밑에 있다) 및 잔여 기판이 얻어지는(상기 박막의 두께 때문에, 실무상에서 상기 잔여 기판의 두께는 약간 감소한다), 단계; 및
단계 4. 새로운 주입 단계, 상기 접촉 단계, 및 상기 클리빙 단계를 위하여 상기 기판(즉, 단계 3.의 잔여 기판)을 재활용하는 단계;를 사용한다.
단계 1은 일반적으로 10 내지 210keV의 에너지 및 약 1016/cm2 내지 1017/cm2 의 투여량(dose)으로 수소 또는 헬륨을 주입하는 단계로 구성된다. 단계 3, 즉 클리빙 단계는 그 후 선택된 주입 조건(에너지, 투여량, 온도, 이온 플럭스 등등)에 따라 200 내지 700℃의 온도에서 이루어지는 어닐링(annealing) 열처리일 수 있다(일정량의 또 다른 형태의 에너지가 사용될 수도 있다). 클리브(cleave)를 얻기 위하여 상기 열처리에 걸리는 시간은 상기 강화 열처리 시간(및 주입 조건 및 선택적 결합 강화 어닐링(anneal)이나 그 밖의 열처리가 사전에 행하여 졌는지)에 따라 달라진다. 일반적으로, 그 밖의 모든 조건이 동일하다면, 더 높은 강화 온도일 수록 상기 클리브를 얻기 위하여 상기 강화에 필요한 시간은 더 짧아진다(1998년 10월에 Aspar 등에 의하여 1998 IEEE 국제 SOI 컨퍼런스에 공개된 "Kinetics of Splitting in the Smart CutTM Process"을 참조).
헤테로 구조(Ge-Si 또는 GaN-사파이어) 전달과 같은 임의의 적용 방법에서는 연결 재료들의 서로 다른 열팽창의 차이에 의하여 기계적 스트레스를 제한하기 때문에, 매우 낮은 온도에서 수행될 수 있는 클리빙 어닐링을 필요로 한다. 또 다른 적용 방법에서는, 비록 구성 요소가 높은 온도에 대한 내성을 가지지 않지만, 상기 클리빙 단계 이전에, 상기 구성 요소는 적어도 부분적으로 장래 박막 상에서 형성될 수 있다. 이러한 측면에 있어서, 여러 변형 실시예는 산업적 관점에서 받아들여지지 않을 정도로 긴 이러한 클리빙 처리를 피하면서 상기 클리빙 처리 온도를 감소시킬 수 있다. 이는 이하의 문서에 기재되어 있다.
- APL(Applied Physics Letters) 72, 49페이지(1998); 및
- US 5 877 070 (Goesele 등)
상기 문서는 붕소와 수소의 공주입(coimplantation)이 200oC 정도로 낮게 클리빙 어닐 온도를 감소시킬 수 있고 그 후 상기 클리브가 24시간 내로 얻어질 수 있다.
또한, 산업상 허용 가능할 정도의 시간을 걸리긴하지만, 헬륨과 수소의 공주입이 클리빙 온도를 감소시킬 수 있게 한다는 것은 이미 알려져 있는 사실이다(특히, C. Lagahe-Blanchard등이 2003년 4월 27일 부터 3월 2일까지 프랑스 파리에서 열린 Proceedings on the Semiconductor Wafer Bonding VII: Science, Technology, and Applications에서 공개된 Electrochemical Society, Pennington, NJ, 2003, Vol. PV2003-19, p. 346, 또는 P. Nguyen 등이 2003년 9월 29일부터 10월 2일까지 미국 캘리포니아주의 Newport Beach에서 열린 Proceedings of the 2003 IEEE International SOI Conference에서 공개된 IEEE, Piscataway, NJ, 2003, p. 132를 참조).
또한 본 명세서를 보는 사람들은 US 6 600 173 (Tiwari), WO 2004/042779 (SOITEC-CEA), WO 2004/044976 (CEA), WO 2005/013318 (SOITEC), 또는 WO 2004/043615 (SOITEC-CEA)를 참조하거나, 또는 Agarwal 등이 쓴 "Efficient production of silicon-on-insulator films by co-implantation of He+ with H+"라는 문서(1998년 3월 공개된 APL(Applied Physics Letters)의 Vol. 72, No. 9)를 참조할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 수소와 함께 붕소 또는 헬륨을 주입하는 주된 목적은 총 주입 투여량 및/또는 상기 클리브에 필요한 써멀 버짓(thermal budget)을 유리하게 감소시킴으로써 상기 클리빙을 용이하게 만드는데 있다(또는 표면 품질을 향상시키는데 있다).
반대로, 어느 특정 실시예에 있어서, 상기 주입 이후 상기 클리빙 단계 이전에 또는 결합 단계 이전에 고온의 열처리에 관한 단계를 수행할 필요가 있다. 상기 클리빙 단계의 열처리의 클리빙의 효과는 오직 이러한 클리빙 단계의 열처리의 온도가 이전 단계의 온도에 비하여 매우 높은 경우에 한해서 이루어 질 수 있다. 이점에 있어서, 상기 단계 2의 직접 결합 단계는 고온에서 강화되는 것보다 더 바람직하다(더 높은 결합력을 가진다). 예를 들어, 상기 설명한 실시예에 비하여 상기 클리빙 어닐의 써멀 버짓이 더 높을 수록(장시간의 고온 상태), 상기 클리빙 단계 이전에 형성된 결합이 더 강해지고, 그 결과 (특히, 상기 케리어와의 결합에 있어서) 전송된 박막의 품질이 더 높아진다. 그 밖의 실시예의 경우, 700℃에서 생성되고 2 내지 3 ㎛의 두께를 가지는 웨이퍼 상에 주입된(그 결과 박막이 분리되게 될 기판 상에 주입된) 고온의 산화(HTO) 침전물은 상기 웨이퍼 결합을 가능하게 할 필요가 있을 수 있다. 하지만, 고온이라는 환경은 클리빙 시간이 산업적으로 허용될 수 없을 정도로 매우 짧아지게 만든다. 더 나아가, 상기 클리빙 단계가 열처리 동안에 상기 클리브를 획득하는 단계보다 앞서서 발생하지 않도록 보장할 필요가 있다.
최근, 본 명세서의 하기에 기재되어 있듯이, 분리에 의하여 노출되는 면의 표면에 대하여 빠르고 저렴한 양질의 표면 마감 처리를 가하면서, 2 ㎛ 미만 또는 더 나아가 300 nm 미만의 매우 얇은 두께의 박막과 같이 매우 다양한 두께의 박막을 분리하는 기술이 요구되고 있다.
이와 같이, 박막을 부분적으로 분리시킬 필요가 있는 경우 (산업상 실시 가능한 시간 및 고온의 환경에서) 써멀 크리브 또는 용이하게 제어 가능한 이후의 기계적 크리브를 허용하는, (블리스터(blister)의 형성 또는 박리물(exfoliation)을 통해서) 표면을 손상시키지 않는 높은 써멀 버짓(thermal budget)(특히 450℃ 내지 500℃)과 관련된 기술적 단계를 주입 단계 이후에 처리할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 (300nm 이하의) 매우 얇은 두께의 박막에 대하여, 특정 기술 단계(일반적으로 애피텍시얼 박막 또는 요소의 형성 등) 또는 상기 클리빙 단계 동안에 수행되고, 일반적으로 500℃ 이상의 고온의 열처리와 호환 가능한 (주입을 통한) 분리 방법을 제공하는 것이다.
일반적으로, 본 발명은 열적 분리가 고온에서 수행되고 충분히 긴 시간(산업적으로 호환 가능한 시간) 동안에 수행되도록 상기 클리빙 단계를 지연시키는 것을 그 목적으로 한다. 따라서, 본 발명의 목적은 반대로 말하면 낮은 온도에서 분리 클리브를 가능케 하기 위하여 수소 및 붕소 또는 헬륨을 주입하는 단계를 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명은,
- 연약층(13)을 형성하기 위하여, 자유 표면을 통해서 도너 기판(donor substrate) 안에 물질(species)을 주입하는 단계로서, 상기 도너 기판은 적어도 상기 자유 표면 밑에 있는 부분이 분리 대상이 되는 박막의 두께보다 더 깊고 실리콘 재질로 이루어져 있는, 단계;
- 450℃이상의 열처리 과정을 포함하는 하나 이상의 중간 단계; 및
- 상기 연약층을 따라 클리빙(cleaving)에 의하여 박막을 분리하는 단계;를 포함하는 도너 기판(10)으로부터 실리콘으로 이루어진 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법에 있어서,
상기 주입하는 단계는,
- 헬륨의 최대 농도와 붕소의 최대 농도가 서로 최대 10nm 떨어진 실질적으로 동일한 깊이에서 얻어지고,
- 수소의 최대 농도가 상기 헬륨 및 붕소의 최대 농도의 깊이보다 최소 20nm 더 깊은 깊이에서 얻어지도록 하는 주입 에너지로 붕소, 헬륨 및 수소를 임의의 순서로 주입하는 단계를 포함하고, 주입 투여량(dose)은,
● 상기 붕소 투여량이 최소 5 x 1013 B/cm2이고,
● 헬륨 및 수소의 전체 투여량이 최소 1016 atoms/cm2 이고 최대 4 x 1016 atoms/cm2이도록 하는 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 모든 종류의 실리콘; 즉, 단일 결정, 다결정 또는 비결정 실리콘 또는 도핑 처리가 된 또는 되지 않은 실리콘에 모두 적용 가능하다.
특히, 두꺼운 두께(일반적으로 2 미크론 이상의 두께)의 박막 분리의 경우, (밀접한 접촉을 통해서) 케리어에 결합하는 단계가 필요가 없을 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 특히 단계 1을 제외하고, 일명 스마트 컷(Smart CutTM)으로 최근에 알려진 종래 방법을 사용하고 있다.
그 이유는, 본 발명에 따른 상기 단계 1이 이하 3 개의 이온화 물질(species), 즉 붕소, 헬륨 및 수소를 주입하는 단계를 포함하고, 상기 주입하는 단계는 복수의 매우 정확한 조건으로 제어되기 때문이다.
흔히 알려져 있듯이, 붕소는 작은 원자 가스인 수소 및 헬륨과는 상이한 성질을 가지는 물질이다.
상기 설명하였듯이, 헬륨을 수소와 함께 주입하는 것을 이미 알려져 있는 기술이다. 또한 붕소를 수소와 함께 주입하는 것 역시 알려져 있다. 하지만, 이들의 공주입(coimplantation)은 본질적으로 수소(또는 헬륨) 하나만을 주입하는 것에 비하여 분리 온도 및 주입 투여량을 떨어트리는 목적으로 사용되고 있다.
하지만, 놀랍게도, 수소만을 주입하는 것에 비하여, 상기 언급한 문서 US 5 374 564(Bruel)에서 설명하였듯이, 10 내지 1000 keV 사이의 에너지 및 500℃이상에서 얻어지는 써멀 크리브를 사용하여 약 1016/cm2 의 투여량으로, 본 발명에 따른 조건하에 추가적으로 헬륨 및 붕소를 주입하는 단계는 상기 써멀 크리브가 더 높은 써멀 버짓을 필요로 하게 된다는 이점을 가지게 되기 때문에 너무 이른 클리빙의 위험성을 피하면서 고온에서의 처리 방법을 가능하게 한다는 장점을 가진다.
더 나아가, 놀랍게도, 수소를 붕소와 함께 주입하는 것에 비하여, 상기 언급한 문서 US 5 877 070(Goesele)에서 기재된 바와 같이, 60 또는 129 keV의 에너지, 수소 투여량(180 keV의 에너지를 가지는 5 x 1014 B/cm2 )의 0.1% 내지 1% 사이의 붕소 투여량, 250℃의 예민화 열처리(sensitizing heat treatment)을 사용한 후 상기 예민화 열처리 온도 이상의 온도에서 클리빙을 하고, 추가적으로 헬륨을 본 발명에 따른 조건하에 주입하는 것은 써멀 크리브를 지연시키는 (또는 추가적인 에너지가 기계적인 형태로 제공되는 경우는 상기 써멀 크리브를 방지하는) 이점을 가진다.
또한, 수소를 헬륨과 함께 주입하는 방법과 관련하여, 상기 언급된 문서 WO 2004/04279에서 설명된 바와 같이, 예를 들어 30 keV의 에너지를 가지는 4.5 x 1016 H/cm3의 수소 투여량, 45keV의 에너지를 가지는 2 x 1016 He/cm3의 수소 투여량, 및 274℃의 분리 클리브를 사용하여, 추가적으로 본 발명에 따른 조건하에 붕소를 주입하는 것은 써멀 크리브를 지연시키는 (또는 추가적인 에너지가 기계적인 형태로 제공되는 경우는 상기 써멀 크리브를 방지하는) 이점을 가진다.
사실, 수소, 헬륨, 및 붕소와 관련된 삼중 주입 방법은 이미 문서 EP 1 798 765(Corning)에서 언급되었지만, 이는 단지 2중 주입 방법의 경우와 관련한 실시예만을 기재하였기 때문에 단순히 추상적이고 부정확한 방법으로 기재되어 있다. 또한, 상기 문서에 의하여 제기된 다중 주입 방법의 목적은 가격을 절감하기 위한 것이지만, 이와 반대로 본 발명에 의하여 제기된 기술적 문제를 해결하기 위한 지연 기술을 그 목적으로 하고 있다. 더 나아가, 상기 문서는 본 발명에 의하여 제기된 주입 조건에 대한 어떠한 기재도 존재하지 않고, 이에 따른 효과도 기재되어 있지 않다.
유리하게, 상기 설명한 내용은 박막, 특히 작은 두께(최대 몇백 나노미터)의 박막을 분리하는 경우, (케리어와의 밀접한 접촉을 통해서) 케리어와 결합하는 단계가 상기 주입 단계와 상기 클리빙 분리 단계 사이에서 제공된다(중간 고온 단계뿐 아니라 상기 분리 단계까지 결합 계면이 강화되게 하는 처리 방법으로 이루어져 있을 수 있다). 보다 일반적으로, 상기 중간 단계(단일 단계일 필요는 없다)는 유리하게 강화 처리 뿐만 아니라 특히 애피택시 증착 등과 같이 일반적으로 450℃, 더 나아가 500℃ 이상의 높은 써멀 버짓을 가지는 기술일 수 있다.
본 발명의 유리하 특징을 따르면, 선택적으로 이하와 같은 특징을 포함할 수 있다.
- 상기 붕소 주입 투여량은 최소 헬륨 및 수소의 총 투입량의 1%이고 최대 총 투여량의 10%이다, 즉 상기 붕소 투여량은 헬륨 및 수소의 전체 투여량의 매우 작은 부분을 차지한다.
- 상기 헬륨 및 수소 각각의 투여량은 최소 1015 atoms/cm2이다, 즉 상기 물질 각각은 상당한 레벨이고 상기 물질들 사이에 실질적인 상승 작용이 있다.
- 상기 헬륨의 투여량과 상기 수소의 투여량은 1/2 비율과 2비율 사이에 있다, 즉 이들 물질은 유리하게 동일한 정도의 투여량을 가진다.
- 상기 헬륨 및 붕소의 최대 농도와 상기 수소의 최대 농도 사이의 거리는 최대 200nm이다.
- 상기 클리빙은 최소 450℃, 더 나아가 최소 600℃의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 클리빙 열처리를 통해서 얻어진다.
- 상기 클리빙은 기계적 에너지(자극 또는 충격, 날(blade) 삽입, 초음파 등)를 가하여 발생된다.
본 발명의 목적, 특징 및 효과는 첨부된 도면을 참고하여 하기의 기재 내용을 통해 명백하게 되지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 과정 중 주입 단계의 대상이 되는 기판의 도식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판을 제2 기판에 밀접하게 접촉시키는 단계 이후의 도식적 단면도이다.
도 3은 클리빙(cleaving) 단계 이후의 도식적 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 새로운 사이클을 위하여 준비 중인 초기 기판의 도식적 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 과정 중 주입 단계의 대상이 되는 기판의 도식적 단면도이다.
도 2는 도 1의 기판을 제2 기판에 밀접하게 접촉시키는 단계 이후의 도식적 단면도이다.
도 3은 클리빙(cleaving) 단계 이후의 도식적 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 새로운 사이클을 위하여 준비 중인 초기 기판의 도식적 단면도이다.
도 1은 단일 결정 실리콘으로 만들어진 초기 기판(10)을 나타낸다. 다양한 변형 실시예로서, 상기 기판은 특히 다중 결정 실리콘으로 만들어진 케리어 기판에 의하여 지지되고 있는 단일 결정의 실리콘층으로 구성되어 있을 수 있다. 종래 기술로서, 상기 기판(10)은 이전 단계에서 만들어진 열적 산화층(Thermal oxidation layer)(11)으로 덮여 있다(이러한 산화층은 생략될 수 있다).
상기 초기 기판은 삼중 주입, 즉 붕소 주입, 수소 주입, 및 헬륨 주입의 대상이 된다.
이들 세 개의 물질의 주입 순서는 상기 클리빙 분리 방법의 결과에 영향을 주기 때문에 여기서는 표시하지 않았다.
주입 에너지는 헬륨 및 붕소 피크가 다음과 같도록 선택된다.
- 최소 20nm의 거리, 유리하게 최대 200nm의 거리로 상기 수소 피크보다 덜 깊고,
- 서로 동일한 깊이에 위치하거나 서로 짧은 거리(실제 10nm 이하)에 위치된다.
이러한 깊이 측정을 하기 위한 적절한 기술은, CTRIM(crystal transport of ions in matter) 소프트웨어와 같은 시뮬레이션을 사용하여 얻어질 수 있는 값들의 차이값을 그 결과로서 얻는 이차 이온 질량 분석(secondary ion mass spectroscopy) 방법일 수 있다.
상기 주입 투여량은,
- 붕소 투여량이 최소 5 x 1013 B/cm2, 바람직하게는 최소 1014 B/cm2 이고, 바람직하게는 기판의 비정질화(amorphization)를 피하기 위하여 1016 B/cm2 이하이고, 보다 바람직하게 상기 붕소 투여량은 수소와 헬륨의 혼합 투여량의 10% 이상이 되지 않고;
- 수소와 헬륨의 총 투여량(H 투여량 + He 투여량)은 최소 1016 /cm2이고, 바람직하게는 최대 4 x 1016 /cm2 이고, 보다 바람직하게는 최대 3 x 1016 /cm2이도록; 선택된다.
따라서, 상기 붕소 투여량은 바람직하게 H + He의 누적 투여량 보다 1배 내지 100배 더 작다.
(상기 주입에 의한 손상(이 손상은 상기 삼중 주입 방법 및 클리빙 사이에서 변경될 수 있다)이 매우 집중된 경우) 이후의 박막은 상기 주입이 수행되는 상기 표면과 상기 헬륨과 붕소 피크 사이에 위치한다.
공지된 스카트 컷(Smart CutTM) 방법과 유사하게, 상기 기판(10)은 그 후 케리어(12)에 밀접하게 접촉되고(도 2 참조), 여기서 상기 기판은 상기 초기 기판(10)과 동일한 성질, 특 단일 결정의 실리콘 성질을 가진다(또한, 상기 기판(10)을 마주보는 표면 걸쳐서 산화층(도시되지 않음)으로 덮여있을 수 있다). 이러한 접촉은 유리하게 직접 결합 방법을 통해서 이루어질 수 있고, 그 후 열처리는 상기 박막이 분리되기 전에 이러한 결합을 강화시키는데 사용될 수 있다.
도 2에 있어서, 도면부호(13)은 상기 언급한 삼중 주입 방법, 및 상기 케리어와의 결합을 강화시키기 위하여 상기 삼중 주입 방법 중 또는 그 이후에 행하여질 수 있는 열처리에 의하여 만들어지는 연약층을 나타낸다.
그 후, 상기 클리빙 단계는, (도 3에서 볼 때) 예를 들어 분리 스트레스를 가함으로써 (예를 들어 두 기판 사이에 날(blade)을 삽입함으로써, 및/또는 장력, 탄력 및/또는 전단력을 가함으로써, 및/또는 적합한 전력 및 주파수를 가지는 초음파 또는 마이크로파를 가함으로써) 다른 형태의 에너지로 보완될 수 있는 열적 에너지(도 3에서 화살표로 도시됨)를 가하여 상기 붕소 및 헬륨 주입 시 상기 연약층(13)에서 주로 발생된다. 따라서, 상기 제2 기판(12)에 부착된 상태로 남아 있는 초기 기판의 부분으로 이루어진 박막(15), 및 여기서 도면부호(10')로 표시된 초기 기판의 잔여물이 얻어진다.
그 후, 적절한 세척 및 열 처리와 같은 선택적인 재활용 단계 이후에 상기 잔여물은 또 다른 주입-결합-클리브 사이클에 사용될 수 있다(도 4).
실험 결과
상기 삼중 주입을 위한 바람직한 동작 조건은 이하의 결과에 기초한다.
주입 순서의 영향
주입을 위한 동작 조건은 다음과 같은 기준에 의하여 결정되었다.
- 붕소(80 keV 및 1015 /cm2), 헬륨(34 keV 및 1.2 x 1016 /cm2), 수소(27 keV 및 1.2 x 1016 /cm2).
어닐링은 그 후 이러한 동작 조건의 영향을 평가하기 위하여 500℃에서 10분 동안 또는 700℃에서 10분 동안 이루어진다.
상기 주입은 다음과 같은 순서로 수행되었다.
- B 이후 He 이후 H;
- B 이후 H 이후 HE;
- H 이후 B 이후 HE;
- H 이후 HE 이후 B;
- HE 이후 H 이후 B; 및
- HE 이후 B 이후 H.
이러한 다양한 주입 순서의 조합은 그 밖의 조건이 동일하다는 전재하에 (10분 동안) 500℃ 및 (10분 동안) 700℃ 양쪽 모두에서 동일한 결과를 도출하였다, 즉 상기 어닐링의 마지막에 블리스터(blister)가 발생하지 않으며, 이는 열처리가 끝나기 전에 때 때 이른 클리빙이 일어나지 않고 이러한 주입 조건들이 500℃ 또는 700℃에서 10분 후에 써멀 클리브를 일으키지 않으며, 특히 기계적 에너지와 같은 그 밖의 형태의 에너지를 가하는데 있어 유용한 클리브를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
하지만 이러한 삼중 주입 방법을 하지 않는다면, 상기 클리빙이 보다 빠르게 발생한다는 것을 유의해야 한다. 따라서, 예를 들어 수소 주입만을 단독으로 사용한 경우 상기 언급된 총 헬륨 및 수소 투입량과 유사한 투입량을 사용하거나, 또는 붕소 없이 수소와 헬륨을 주입하는 경우 순수한 써멀 클리브(즉, 추가적인 기계적 에너지 없음)가 500℃에서 10분 후에 얻어진다. 헬륨 없이 수소와 붕소를 주입하는 경우 순수한 써멀 클리브가 500℃에서 약 11초 이후에 얻어진다. 본 발명에 따른 상기 삼중 주입 방법을 사용한다면, 써멀 크리브가 500℃에서 2시간 후에 관찰되게 된다.
수소의 단독 주입이 약(weakness)평면에서 약 50 내지 100nm의 길이를 가지는 미소균열 타입의 신장된 공동(cavity)에 가까운 결합을 유발할 수 있는데 반해, 본 발명에 따른(적어도 본 발명의 일 부분에 따른) 상기 삼중 주입 방법은 그 대신에 약 10nm 내지 20nm의 직경을 가지는 완전한 구형 상의 결함을 유발할 수 있다.
헬륨 주입 에너지 및 수소 주입 에너지의 영향
헬륨 주입 에너지의 영향을 설명하기 위하여, 상기 동작 조건은 상기 언급된 조건과 유사하게 다음과 같은 기준으로 설정되었다.
- 붕소(80 keV 및 1015 /cm2), 헬륨(가변 에너지 및 1.2 x 1016 /cm2), 수소(27 keV 및 1.2 x 1016 /cm2).
상기 주입의 영향은 위에서와 같이 500℃에서 10분 또는 700℃에서 10분 동안의 어닐링으로 평가된다.
55keV에서 24keV으로 He 주입 에너지가 감소되는 경우,
- 상기 에너지가 55keV에서 34keV로 감소된 때, 가장 높은 에너지에서 관찰되었던 블리스터링은 감소되게 되고;
- 상기 에너지가 34keV인 때, 블리스터링은 발생되지 않고;
- 상기 에너지가 그 후 34에서 24keV로 더 감소되는 때, 상기 블리스터링은 증가되게 되는 현상;을 관찰할 수 있다.
따라서, 34keV의 헬륨 주입은 분리 클리브에 기여하는 열적 효과의 최대 지연에 대응되고, 이러한 지연 현상은 이러한 최선의 값 이상이든 이하이든 관계 없이 상기 최선의 값으로부터의 추가 에너지에 점점 덜 유효하게 된다. 다시 말하면, 붕소의 주입 깊이에 대응하는 최적의 주입 깊이(이하 표에 따르면, 100nm의 두께를 가지는 열적 산화층으로 덮힌 실리콘의 경우 약 200nm, 즉 상기 열적 산화층의 밑으로 약 100nm)를 의미한다.
수소 주입 에너지의 영향을 평가하기 위하여, 상기 동작 조건은 다음과 같은 기준으로 설정되었다(상기 설명한 동작 조건과 유사하다).
- 붕소(80 keV 및 1015 /cm2), 헬륨(34 keV 및 1.2 x 1016 /cm2), 수소(가변 에너지 및 1.2 x 1016 /cm2); 및
- 500℃에서 10분 또는 700℃에서 10분 동안의 어닐링.
H 주입 에너지가 50keV에서 20keV로 감소되는 경우(즉, 상기 헬륨의 경우에서와 실질적으로 동일한 변동 범위),
- 상기 에너지가 50에서 27keV로 감소되는 때, 블리스터링은 발생하지 않고,
- 상기 에너지가 27에서 20keV로 감소되는 때, 블리스터링은 증가하는 현상이 관찰된다.
따라서, 50keV 내지 27keV의 에너지의 수소 주입은 상기 분리 클리브에 기여하는 열적 효과의 최대 지연 현상에 대응하고, 상기 지연 현상은 상기 에너지가 27keV 이하로 감소되는 때에 점점 덜 유효하다. 다시 말하면, 이는 최소 주입 깊이(이하 표에 따르면, 100nm의 두께를 가지는 열적 산화층으로 덮힌 실리콘의 경우 약 230nm, 즉 상기 열적 산화층의 밑으로 약 130nm)를 의미한다.
34keV 이상 또는 이하로 변하는 에너지를 가지는 헬륨, 27keV 이상 또는 이하로 변하는 에너지를 가지는 수소, 또는 상기 언급된 가장 바람직한 값의 붕소를 주입함으로써 얻어지는 결과값이, 10nm의 두께를 가지는 열적 산화층으로 덮힌 단일 결정의 실리콘 재질의 도너 기판에 대한 이하 표에서 보여진다. Cmax 값은 상기 주입 농도가 최대인 경우의 깊이를 말한다(상기 CTRIM 소프트웨어 및 SIMS 측정 방법을 사용하여 시뮬레이션되었다).
| 이온/에너지 | Cmax 깊이(SIMS) | Cmax 깊이(CTRIM) |
| 붕소 80 keV | 195 nm | 190 nm |
| 수소 20 keV | 190 nm | 200 nm |
| 수소 27 keV | 230 nm | 253 nm |
| 수소 40 keV | 346 nm | 370 nm |
| 수소 50 keV | 400 nm | 447 nm |
| 헬륨 25 keV | 134 nm | 185 nm |
| 헬륨 34 keV | 200 nm | 265 nm |
| 헬륨 45 keV | 280 nm | 340 nm |
| 헬륨 55 keV | 334 nm | 400 nm |
여러 피크들의 상대적인 위치를 강제하는 것이 상기 SIMS 측정을 기초로 결정되었다. 이는 장래의 박막의 두께를 결정하는 상기 붕소 피크의 위치를 나타낸다.
붕소, 헬륨, 및 수소 주입 투여량의 영향
붕소 주입 에너지의 영향을 설명하기 위하여, 상기 동작 조건은 다음과 같은 기준으로 설정되었다(상기 언급된 조건과 유사하다).
- 붕소(80 keV 및 가변 투여량), 헬륨(34 keV 및 1.2 x 1016 /cm2), 수소(27 keV 및 1.2 x 1016 /cm2), 및
- 500℃에서 10분 또는 700℃에서 10분 동안 어닐링.
6 x 1014 at/cm3 내지 10 x 1014 at/cm3 사이의 붕소 농도를 사용한다면, 단위 면적 당 투여량은 거의 1010 at/cm2, 즉 매우 낮은 투여량으로서, 미소균열 타입의 결함과 관련된 단순한 수소 주입에 대하여 특히 관찰되는 것과 같이 전형적인 클리브가 관찰된다.
만약 상기 붕소 투여량(투여 결과 붕소 농도)이 (인수 10을 곱함으로써) 자리수가 증가된다면, 상기 클리빙이 가속화되는 것이 관찰된다.
주입에 의하여 붕소의 투여량(농도)이 한번 더 증가되어 1013 at/cm2 정도가 된다면(6 x 1017 at/cm3) 클리브 지연 형상이 일어나고, 이는 상기 클리빙 시간이 인수 3으로 증가되는 것을 의미하거나 상기 클리빙이 일어나기 전에 동일한 시간 길이를 유지하는 반면에 약 25℃까지 상기 클리빙 어닐링 온도를 증가시키는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 이는 본 발명의 효과가 이 정도에서 시작된다는 것을 의미하지만, 여전히 특정의 고온 기술 단계를 적용하는 동안에 때 이른 클리빙이 일어나는 위험성이 존재하기 때문에, 이러한 임계치 이상의 투여량을 가지는 것이 바람직하다.
상기 붕소 투여량을 한 자리수 더 증가시켜 1014 at/cm2 자리수로 되는 것(6 x 1018 at/cm3)이 써멀 클리빙을 방지하는 효과를 갖는 것으로 관찰되었다. 특히, 600℃ 내지 900℃에서 1시간 동안 어닐링한 이후 상기 클리빙은 그 자체가 상기 클리빙을 일으키기에 불충분하고, (날(blade)를 삽입함으로써) 다른 형태의 에너지를 추가할 필요가 있다.
이러한 써멀 클리빙 방지 또한 블리스터링이 발생하는 일 없이 더 높은 투여량, 즉 1015 /cm2 (6 x 1019 at/cm3) 정도까지 증가되는 것이 관찰된다.
따라서, 1013 at/cm2 의 붕소 투여량 이하에서 상기 붕소의 존재는 본 발명의 목표 달성을 방해하게 되지만, 상기 붕소 투여량 이상에서 상기 붕소의 존재는 수소 및 헬륨과 함께 동일한 하나 이상의 열처리 동안에 미세 공동층의 변화를 지연시키는데 기여를 하고 그 결과 클리빙을 지연시키는데 기여한다. 상기 지연 효과는 특히 1014 at/cm2에서부터 현저하게 발생하고 더 높은 투여량, 특히 1015 at/cm2 이상의 투여량에서 발생한다(하지만, 이러한 범위를 현저히 초과하는 범위 만큼 붕소 투여량을 증가시키는 것은 상기 붕소가 가질 수 있는 또 다른 효과, 특히 비정질화(amorphization)와 같은 효과 때문에 바람직하지 못하다).
소수 주입 투여량의 영향을 평가하기 위하여, 상기 동작 조건은 다음과 같은 조건으로 설정되었어(위에서 설명한 것과 유사하다).
- 붕소(80 keV 및 1015 at/cm), 헬륨(34 keV 및 1 x 1016 at/cm2), 수소(27 keV 및 가변 투여량), 및
- 500℃에서 10분 또는 700℃에서 10분 동안 어닐링.
상기 투여량이 4 x 1016 at/cm2에서 1 x 1016 at/cm2로 증가됨에 따라서 상기 블리스터링은 1016 at/cm2의 감지 불가능할 정도까지 감소된다.
따라서, 상기 그 밖의 모든 조건이 유사하다면, 약 1016 at/cm2(물론 상기 기준 조건에서 언급된 총값은 1.2 x 1016 at/cm2)의 수소 투여량이 최적의 투여량이 된다(즉, 이 투여량 이하에서 상기 투여량은, 클리빙 분리 이후에 최종적으로 만족스러운 표면 마감을 얻기에 충분히 균일한 미세 공동층을 생성하기에 충분히 높지 않다).
헬륨 주입 투여량의 영향을 평가하기 위하여, 상기 동작 조건은 다음과 같은 조건으로 설정되었어(위에서 설명한 것과 유사하다).
- 붕소(80 keV 및 1015 at/cm2), 헬륨(34 keV 및 가변 투여량), 수소(27 keV 및 1 x 1016 at/cm2), 및
- 500℃에서 10분 또는 700℃에서 10분 동안 어닐링.
상기 헬륨 투여량이 4 x 1016 at/cm2에서 1 x 1016 at/cm2까지 감소됨에 따라서 상기 블라스터링은 초기에 (4 x 1016 at/cm2 내지 3 x 1016 at/cm2 사이에서) 증가되고 그 후 상기 블리스터링은 1 x 1016 at/cm2에서 거의 인지할 수 없을 정도까지 감소된다.
따라서, 모든 조건이 위에서와 유사하다면, 약 1016 at/cm2(물론 상기 기준 조건에서 언급된 총값은 1.2 x 1016 at/cm2)의 헬륨 투여량이 최적의 투여량이 된다(즉, 이 투여량 이하에서 상기 투여량은, 클리빙 분리 이후에 최종적으로 만족스러운 표면 마감을 얻기에 충분히 균일한 미세 공동층을 생성하기에 충분히 높지 않다).
보다 일반적으로, 임의의 순서로 이루어지는 상기 삼중 주입 방법을 위한 특히 유리한 동작 범위는 다음과 같이 정의된다.
- 헬륨 및 붕소 농도의 최대값이 각각 최대 10nm의 동일한 깊이에서 실질적으로 얻어지고,
- 이들 최대값은 상기 수소 농도 최대값보다 덜 깊도록, 상기 주입 에너지가 결정되고,
● 상기 붕소 투여량은 최소 1013 B/cm2 (일반적으로 최소 5 x 1013 B/cm2)이고,
● 상기 헬륨과 수소의 총 투여량은 1016 atoms/cm2 내지 4 x 1016 atoms/cm2 사이에 있고, 바람직하게는 최대 3 x 1016 atoms/cm2가 되도록, 상기 주입 투여량이 결정된다.
실리콘에 대한 본 발명의 예시적인 몇 가지 실시예가 이하 설명된다.
실시예 1
100nm의 두께를 가지는 SiO2 열적 산화층으로 코팅된 (100) 결정 방위의 단일 결정의 실리콘 기판은 다음과 같은 조건으로 주입된다: 붕소(80 keV 및 1015 at/cm2) + 헬륨 (34 keV 및 1.2 x 1016 at/cm2) + 수소 (27 keV 및 1.2 x 1016 at/cm2). 상기 주입 대상인 기판은 그 후 환원되고 그 후 표준 수소성 직접 결합(standard hydrophobic direct bonding)에 의하여 (110) 단일 결정의 Si 기판에 결합된다(HF 환원 후 HF-라스트(last)(즉 HF가 질소로 건조되기 전에 30초 동안 1% 적용되었다는 것을 의미한다)). 상기 결합 에너지가 실온(20 mJ/m2)보다 낮기 때문에, 상기 결합은 다음에 이루어지는 박막 전송에 견디기 위하여 700 내지 800℃에서 강화되어야만 하고, 그 후 상기 결합 에너지는 약 1.5 내지 2J/m2에 달하게 된다. 상기 클리빙 열 처리(상기 결합 계면을 동시에 강화시키는 클리빙 열 처리)는 그 후 긴 어닐링 단계로 구성되고, 이는 예를 들어 실온에서 800℃까지의 0.25 내지 5oC/min의 증가량(ramp-up)을 가지고 선택적으로 100℃ 마다 2 내지 6 시간의 긴 정체기 이후 0.25 내지 3℃/min 비율의 느린 온도 감소량(ramp-down)을 가진다. 이러한 열 처리는 그 자체에 의하여 클리빙을 유발시키지 않는다 - 즉, 상기 클리빙은 날(blade)을 상기 결합 계면 안에 삽임함으로써 기계적으로 유발된다. (110) Si 기판에 연결된 약 225nm(~225nm) 두께의 (100) Si 박막이 얻어지게 되고, 상기 박막은 진보된 초소형 요소를 생산하는데 사용될 수 있다.
상기 주입 조건은 상기 언급한 최상의 조건과 (적어도 거의) 부합한다는 것에 유의하여야 한다.
고온의 열처리에 매우 긴 시간이 걸림에도 불구하고(600℃ 이상으로 수 시간 걸림), 분리 클리브의 타이밍을 제어하는 것이 매우 용이하고 상기 클리브는 오직 날(blade) 삽입 시에만 발생한다는 효과를 가진다. 반대로, 상기 본 발명에 따른 상기 삼중 주입 방법을 사용하지 않는다면, 때 이른 써멀 크리브가 500℃ 이하의 낮은 온도에서 발생하게 될 것이 분명하기 때문에, 상기 열 처리 동안에 상기 결합 계면을 강화하는 것이 불가능할 것이다(즉 그 결과 결함이 있는 박막이 생김)(주의: 상기 연결 계면과 상기 클리브 모두의 강화를 보장하기 위하여 800℃의 동일한 열 처리를 사용하는 것이 유리할 수 있다).
실시예 2
이하의 조건으로 Si 기판에 주입이 행하여진다: 붕소(150 keV 및 5 x 1014 at/cm2) + 헬륨(65 keV 및 1016 at/cm2) + 수소(60 keV 및 2 x 1016 at/cm2). 단일 결정의 Si로 이루어진 후막(~10 내지 50 ㎛ 두께)는 700℃에서 상기 주입 대상인 기판 상에 액상 애피택시(liquid phase epitaxy)에 의하여 부착된다. 그 후 태양 전지를 생성하는데 사용되는 HIT(진성의 얇은 층을 사용하는 이종 접합, heterojunction with intrinsic thin layer) 기술로 처리된다. 이렇게 처리된 애피택시적 성장 표면은 그 후 금속 박막(알루미늄 또는 금속 포일)에 금속 접착제 또는 전도 폴리머를 사용하여 결합되고 상기 클리브는 상기 주입된 영역에서 기계적 힘(벗기는 힘, 초음파, 장력, 전단력 등)을 가함으로써 기계적으로 발생된다. 이러한 방법으로, ~10 내지 50 ㎛ 두께의 단일 결정의 SI 광전지가 얻어진다.
상기 실시예 1의 주입 조건에 비하여 본 실시예 2의 주입 조건으로서, 절반의 투여량을 가지지만 더 높은 에너지의 붕소 주입을 하였으며, 동일한 투여량을 가지지만 거의 두 배의 에너지의 헬륨 주입을 하였으며, 투여량 및 에너지 모두 거의 두 배인 수소 주입을 하였다는 것에 유의하여야 한다. 하지만, 주입 깊이는 헬륨 및 붕소의 경우와 실질적으로 동일한 깊이(약 500nm)로서, 수소 주입의 깊이보다 약 70nm 정도 덜 깊다.
본 발명은, 애피택시 성장 및 유용한 성분 형성의 경우, 고온의 열처리가 존재함에도 불구하고, 상기 분리 클리브의 타이밍을 용이하게 제어할 수 있고, 상기 클리브는 오직 날(blade)의 삽입 시에 만 일어나는 장점을 가진다. 반대로, 본 발명에 따른 삼중 주입 방법을 사용하지 않는다면, 기판의 블리스터링 또는 박리 현상이 발생되게 될 것이다(블리스터링은 상기 애픽택시 박막의 품질을 손상시키지만 박리 현상은 상기 주입 영역의 손실을 가져오기 때문에 상기 클리빙을 보다 무작위로 제어하게 하는 약점이 줄어든다).
실시예 3
이하의 조건으로 Si 기판에 주입이 행하여진다: 붕소(80 keV 및 1014 at/cm2) + 헬륨(34 keV 및 1.2 x 1016 at/cm2) + 수소(27 keV 및 1.2 x 1016 at/cm2). 상기 주입 기판은 그 후 총 1시간 30분 동안 500℃에서 어닐링하는 방법과 관련된 하나 이상의 기술 단계의 대상이 된다. 이러한 기술 단계는 500℃의 조밀 어닐링 이후에 두꺼운 결합층(SiO2, Si3N4, 다결정 Si)의 증착을 특징으로 한다. 상기 주입 기판 및 처리 기판은 그 후 직접 결합에 의하여 지지 기판에 결합된다. 상기 클리브는 그 후 10분 동안 600℃의 등온 어닐링에 의하여 열적으로 발생된다.
상기 주어진 최선의 조건에 비하여, 상기 붕소 투여량은 10배 이하라는 점을 유의하여야 한다. 하지만, 댜양한 열 처리가 행하여짐에도 불구하고, 여기서는 열적으로 최소 600℃에서만 상기 분리 클리브의 타이밍이 용이하게 제어된다. 하지만, 본 발명에 따른 삼중 주입 방법을 사용하지 않는다면, 실시예 2에서 설명한 바와 같이 블리스터링 또는 박막 현상이 발생되게 될 것이다.
Claims (10)
- - 연약층(13)을 형성하기 위하여, 자유 표면을 통해서 도너 기판(donor substrate) 안에 물질(species)을 주입하는 단계로서, 상기 도너 기판은 적어도 상기 자유 표면 밑에 있는 부분이 분리 대상이 되는 박막의 두께보다 더 깊고 실리콘 재질로 이루어져 있는, 단계;
- 450℃이상의 열처리 과정을 포함하는 하나 이상의 중간 단계; 및
- 상기 연약층을 따라서 클리빙(cleaving)에 의하여 상기 박막을 분리하는 단계;를 포함하는 도너 기판(10)으로부터 박막(15)을 클리빙에 의해 분리하는 방법에 있어서,
상기 주입하는 단계는,
- 헬륨의 최대 농도와 붕소의 최대 농도가 서로 최대 10nm 떨어진 깊이에서 얻어지도록 하는 주입에너지, 및
- 수소의 최대 농도가 상기 헬륨 및 붕소의 최대 농도의 깊이 보다 최소 20nm 더 깊은 깊이에서 얻어지도록 하는 주입 에너지로 붕소, 헬륨 및 수소를 임의의 순서로 주입하는 단계를 포함하고, 주입 투여량(dose)은,
● 상기 붕소 투여량이 최소 5 x 1013 atoms/cm2이고,
● 헬륨 및 수소의 전체 투여량이 최소 1016 atoms/cm2 이고 최대 4 x 1016 atoms/cm2이도록 하는 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 자유 표면을 케리어(12)에 밀접하게 접촉시키는 결합 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 붕소 주입 투여량은 최소 헬륨 및 수소의 총 투입량의 1%이고 최대 총 투여량의 10%인 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 헬륨 및 수소 각각의 투여량은 최소 1015 atoms/cm2인 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 헬륨의 투여량과 상기 수소의 투여량은 1/2 내지 2의 비율인 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 헬륨 및 붕소의 최대 농도와 상기 수소의 최대 농도 사이의 거리는 최대 200nm인 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 클리빙은 최소 450℃의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 클리빙 열처리를 통해서 얻어지는 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제7항에 있어서,
상기 클리빙은 최소 600℃의 온도에서 적어도 부분적으로 수행되는 클리빙 열처리에 의하여 얻어지는 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 클리빙은 기계적 에너지를 가하여 발생되는 것을 특징으로 하는, 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
헬륨 및 수소의 총 투여량은 최대 3 x 1016 atoms/cm2인 것을 특징으로 하는 도너 기판으로부터 박막을 클리빙에 의해 분리하는 방법.
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