JP2014138152A - 半導体薄膜フィルムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より少ない水素イオン注入量で、半導体薄膜フィルムを厚い結晶基板から剥離することを可能にする。
【解決手段】シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素イオンを注入する工程と、水素とは異なる第２のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、前記シリコン系結晶基板を加熱して水素イオン注入層を加熱する工程と、前記シリコン系結晶基板の前記水素イオン注入層から上側を剥離させてシリコン系薄膜フィルムを得る剥離工程とを備え、水素イオンと第２のイオン種とのピークの注入深さが互いに異なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばパワー半導体デバイス、太陽電池、液晶ディスプレイなどの基板として用いられるシリコン系結晶薄膜フィルムの製造方法に関するもので、特にシリコン系結晶薄膜フィルムが、シリコンカーバイドのものに関するものである。

図２は、水素イオン７を注入することによって、厚さ数ｍｍの厚いシリコン系結晶基板５から薄膜を剥離させる従来の技術の説明図である。
図２は、シリコン系結晶基板５の断面図を表している。図２（Ａ）では、シリコン系結晶基板５の表面に均一に注入面１から水素イオン７を注入する。注入層８は水素イオン７が注入された位置である。イオン注入量は、１×１０^１７原子／ｃｍ^２レベルである。シリコン系結晶基板５の表面からのイオン注入の深さは数μｍ以下程度である。図２（Ｂ）から（Ｃ）では、支持基板９を用意し、支持基板９をイオン注入側表面に押圧して接着する。接着のために１０００℃程度に加熱する。１０はシリコン系結晶基板５と支持基板９との接合面である。

例えば、シリコン系結晶基板５をシリコン結晶基板とすると、この加熱過程で、注入された水素原子は、Ｓｉ−Ｓｉ結合をＳｉ−Ｈ結合へと変換し、結合を切断する効果を有する。さらに余剰の水素原子は水素分子（水素ガス）を生成する過程で、シリコン結晶中に空孔を形成する。図２（Ｄ）は、厚いシリコン系結晶基板５から支持基板９を引っ張り力によって、剥離面１１から分離することを示す。このようにして、支持基板９上にシリコン系結晶薄膜フィルムが形成された基板を形成することができる。

特許文献１には、半導体結晶基板に、イオン注入により、注入箇所に微小気泡の層を形成して、半導体材料フィルムを製造する方法が開示されている。

特開平５−２１１１２８号公報

シリコン系結晶基板５をシリコン結晶基板とすると、シリコン結晶基板を剥離するための水素イオン濃度は１×１０^２１／ｃｍ^３レベルである。つまり、シリコン原子の原子密度は５×１０^２２／ｃｍ^３であるから、ほぼ、シリコン原子の１割ほどの水素イオン７を注入することが必要と考えられている。シリコン系結晶基板５にイオンを注入する場合、打ち込まれたイオンが分布する範囲は、ピークの注入深さの増加にともなって拡大してしまうことが知られている。したがって、イオン注入によって１０μｍ〜１００μｍ程度の層を剥離するためには、より多くの水素イオン７を注入することが必要となる。
本発明が解決しようとする課題は、より少ない水素イオン量で、半導体薄膜フィルムを厚い基板から剥離することにある。

上記の課題を解決するために、本発明によれば、
シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素イオンを注入する工程と、水素とは異なる第２のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、前記シリコン系結晶基板を加熱して水素イオン注入層を加熱する工程と、前記シリコン系結晶基板の前記水素イオン注入層から上側を剥離させてシリコン系薄膜フィルムを得る剥離工程とを備え、水素イオンと第２のイオン種とのピークの注入深さが互いに異なることとする。
また、シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素イオンを注入する工程と、水素とは異なる第２のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、第２のイオン種と同種または異種である第３のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、前記シリコン系結晶基板を加熱して水素イオン注入層を加熱する工程と、前記シリコン系結晶基板の前記水素イオン注入層から上側を剥離させてシリコン系薄膜フイルムを得る剥離工程とを備え、水素イオンと第２のイオン種と第３のイオン種とのピークの注入深さが互いに異なることとする。

ここで、第２のイオン種のピークの注入深さと、第３のイオン種のピークの注入深さの間に、水素イオンのピークの注入深さが位置することが好ましい。
水素イオンのピークの注入深さと第２のイオン種のピークの注入深さとが、水素イオンの注入プロファイルの半値幅をＷとしたとき、２Ｗないし３Ｗ異なることが好ましい。
また、水素イオンのピークの注入深さと第３のイオン種のピークの注入深さとが、水素イオンの注入プロファイルの半値幅をＷとしたとき、２Ｗないし３Ｗ異なることが好ましい。
さらに、水素イオンと異なる第２のイオン種ならびに第３のイオン種が、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガス元素から選ばれるものであることが好ましい。

本発明によれば、より少ないイオン注入量で、剥離のスループットを上げて、シリコン系結晶基板から半導体薄膜フィルムを、容易に製造することができる。

本発明の第１の実施例と第２の実施例を示す模式図。 従来技術の説明図。 本発明の原理の説明図。 注入プロファイルを示す説明図。

発明の実施の形態

本明細書では、以下の図１、図３で、水素イオン、第２のイオン種、第３種のイオン種を、総称してイオン２と表すものとする。
厚いシリコン系結晶基板５から薄膜フィルムが剥離する過程は以下のとおりである。
まず、注入された水素イオン２は、熱処理によってシリコンと反応し、Ｓｉ−Ｈの結合を有する構造を形成する。Ｓｉ−Ｈ結合の生成は、Ｓｉ−Ｓｉ結合を切断することにより、結晶の脆化を引き起こす。
また、注入された過剰な水素が水素ガスを発生させ、ガスの膨張により結晶内に応力を発生させるとともに、空孔を形成する。

このように、剥離は、第１に、水素イオン２によるＳｉ−Ｓｉ結合が切断され結合の弱い微小な領域（脆化した領域）が形成される過程と、第２に、その微小な脆化した領域が、熱によって移動・凝集しながら巨視的なサイズの空孔に成長する過程で構成されている。この脆化した領域が凝集する過程では、水素ガスの膨張による応力によるＳｉ−Ｓｉ結合が切断される微小な分裂も起こっていると考えられる。

本発明は、このように、水素イオン２が注入されて形成されている脆化層のみならず、水素イオン２が注入されているピークの注入深さとは異なる箇所に、第２のイオン種、または第２のイオン種と第３のイオン種とを注入して、さらに効果的に半導体薄膜フィルムの剥離を実現させるものである。すなわち、第２のイオン種と第３のイオン種とにより、シリコン系結晶基板に、膨張・収縮の力を与え、水素イオン２の注入により結合が弱っている部分で、薄膜を容易に剥離しようとするものである。膨張または収縮の力の片方だけでも、単に水素のみをイオン注入した場合よりも薄膜は剥離し易くなる。

第２のイオン種と第３のイオン種の注入個所は、水素イオン２の注入プロファイル（おおよそガウシアン分布）の半値幅Ｗの２倍から３倍異なる箇所が良い。換言すると、注入された水素イオンの、ピーク箇所であって、そのピークの水素量の１０％程度の水素量の値の所に、第２のイオン種ならびに第３のイオン種の注入プロファイル（おおよそガウシアン分布）の裾野が交わるようにすることが良い。この様子を、図４の注入プロファイルを示す図に示す。ここで、上記した半値幅Ｗは、打ち込み深さが１０μｍの場合は０．５２μｍ程度、打ち込み深さが１００μｍの場合は４．０μｍ程度となる。

シリコン系結晶基板５がシリコン結晶基板の場合、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガスの注入によりシリコン結晶基板の注入箇所は膨張する。
シリコン系結晶基板５がシリコンカーバイド結晶基板の場合、シリコン、炭素、窒素、希ガスの注入によりシリコンカーバイド結晶基板の注入箇所は膨張する。
シリコンカーバイド結晶基板の場合には、酸素を注入することで、酸素注入箇所は収縮する。

［実施例１］
図１（Ａ）に、本発明の実施例１を示す。
本実施例１は、水素イオン２を、注入面１から、注入層のピーク深さがＲ１（図で注入層Ａ３）（１０μｍ）になるように注入した後、水素イオンとは異なる第２のイオン種を注入層のピーク深さがＲ２（図で注入層Ｂ４で示す）（１０μｍ−（マイナス）１．２μｍ）になるように注入する。注入する水素イオン量は１×１０^１７／ｃｍ^２程度である。第２のイオン種の注入量は１×１０^１６／ｃｍ^２レベルである。図１（Ａ）では、水素イオンのピークの注入層Ｒ１よりも第２のイオン種の注入層のピークの深さＲ２が浅い条件（Ｒ１＞Ｒ２の場合）を表している。このほか、Ｒ１＜Ｒ２（水素イオンのピークの注入層Ｒ１よりも第２のイオン種の注入層のピークの深さＲ２が深い条件）でも良い。第２のイオン種としては、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）である。
注入の順序に関しては、水素イオン２を先にする場合も、第２のイオン種を先にする場合もある。

半導体薄膜フィルムを、水素イオン注入箇所から剥離するために、支持基板９をシリコン系結晶基板５に密着させる。支持基板９をシリコン系結晶基板５に密着させる際には、静電圧力で１気圧から１０気圧を発生させる。また半導体薄膜フィルムを引き剥がす力は、ほぼ剥離しているものを引き剥がすだけなので、−０．１気圧〜−１気圧程度である。

剥離反応を引き起こすための温度と時間の条件は、昇温は５００℃／分で降温は−５０℃／分程度になるように、９００℃の炉に、室温から１分程度で入れ、９００℃に炉内保持する時間は１５分程度である。

シリコン系結晶基板５がシリコンカーバイド結晶基板の場合、支持基板９としては、シリコンカーバイドの価格の安い物（例えばシリコンカーバイド焼結体）を用いる。このようにすれば、熱膨張係数もシリコンカーバイド結晶基板と同じくらいになる。

シリコン系結晶基板５の表面、ならびに支持基板９の表面は、密着性を高めるため、前記熱膨張係数に加え、清浄であることが必要である。また表面が酸化されていても良い。

［実施例２］
図１（Ｂ）は、本発明の実施例２を示すものである。
この実施例２では、水素イオン２を注入面１から注入層のピーク深さがＲ１（１００μｍ）（図で注入層A３で示す）になるように注入した後、水素イオン２とは異なる第２、第３のイオン種を、注入層のピーク深さが、それぞれＲ２、Ｒ３（１００μｍ±１０．０μｍ）（図でそれぞれ注入層Ｂ４、注入層Ｃ６で示す）になるように注入するものである。
図１（Ｂ）では、水素イオン２の注入層のピーク深さＲ１と第２、第３のイオン種の注入層のピーク深さをそれぞれＲ２、Ｒ３としたとき、Ｒ３＞Ｒ１＞Ｒ２の関係が成り立つ条件を示している。
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の関係としては、この他、Ｒ３＞Ｒ２＞Ｒ１、Ｒ１＞Ｒ２＞Ｒ３、Ｒ１＞Ｒ３＞Ｒ２、Ｒ２＞Ｒ１＞Ｒ３、などが挙げられる。

上記第２、第３のイオン種としては、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガス（Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅ，Ｒｎ）である。第２、第３のイオン種は、それぞれ異なる組み合わせ、同じイオン種の組み合わせもある。注入の順序に関しては、水素イオン２を先に注入する場合も、第２、第３のイオン種を先に注入する場合もある。

上記のイオン注入をおこなった後、支持基板９を用意し、イオン注入面１に支持基板９を接合させた状態で、高温の熱処理を実施する。熱処理温度は、シリコン系結晶基板５の種類によって異なるが、シリコン結晶基板の場合は、９００℃〜１０００℃、シリコンカーバイド結晶基板の場合は９００℃〜１３００℃が多く採用される。
剥離条件については熱処理条件（実施例１で述べた最高温度、昇温および降温の条件など）の最適化がおこなわれる。
熱処理によって、支持基板９がシリコン系結晶基板５に接合されると同時に、水素イオン注入層Ａ３が脆化し、空孔が形成される。最後にシリコン系結晶基板５と支持基板９とに引っ張り力を加えることにより、水素イオン注入層A３の部分から剥離が発生し、シリコン系結晶基板５と支持基板９が分離される。

［発明の原理］
図３は、本発明の原理の説明図である。
図３（Ａ）は、シリコン系結晶基板５にイオン注入をおこなった試料の断面構造を示す。
ここでは、シリコン系結晶基板５を、シリコン結晶基板とする。
水素イオン２をピーク深さＲ１＝１０μｍの位置に打ち込んだ後、熱処理をおこなうと注入層Ａ３は脆化し、この位置で剥離が発生する。ここで、注入層Ａ３よりも１．２μｍ程度（２Ｗ〜３Ｗに相当）浅い側に位置する注入層Ｂ４に第２のイオン種を注入する場合を考える。第２のイオン種をシリコンとすると、シリコンイオンはシリコンの結晶格子の間に入り込み、結晶格子の膨張を引き起こす。この結果、水素イオン２を注入した脆化層の面内に引っ張り応力が発生するため、脆化層の面には、応力によるせん断歪が発生する。このため、水素イオン２の注入のみで脆化層の剥離をする場合と比較して、より少ない水素イオン注入量で、剥離を誘起することができる。

図３（Ｂ）は、水素イオン注入をおこなった注入層Ａ３（平均の深さ１００μｍ）を挟んで、１０μｍ上側、１０μｍ下側（２Ｗ〜３Ｗに相当）に異なるイオン種が注入された注入層Ｂ４と注入層Ｃ６をそれぞれ形成したことを表す断面図である。
シリコン系結晶基板５がシリコンカーバイド結晶基板である場合を考える。注入層Ｂ４を形成する第２のイオン種をシリコンとすると、シリコン系結晶基板５をシリコン結晶基板とした場合と同じく、注入層Ｂ４は第２のイオン種のシリコンカーバイド結晶格子内への入り込みにより膨張し、応力を発生させる。一方、注入層Ｃ６を形成する第３のイオン種を酸素とすると、注入された酸素は炭素と結合し、ＳｉＣ+Ｏ→ＳｉＯ+ＣＯとなり、一部は一酸化炭素、二酸化炭素として、注入層Ｃ６から拡散してシリコンカーバイド結晶基板外に散逸する。この結果、注入層Ｃ６は収縮し、応力を発生する。この場合、水素を注入した剥離面の上部と下部とで応力の方向１２が、膨張・収縮という反対方向であるため、脆化した注入層Ａ３には、特に大きなせん断歪が発生し、水素イオン２の注入だけで脆化層の剥離をおこなう場合と比較して、より一層少ない水素イオン注入量で、剥離を誘起することができる。

１ 注入面
２ イオン
３ 注入層Ａ
４ 注入層Ｂ
５ シリコン系結晶基板
６ 注入層Ｃ
７ 水素イオン
８ 注入層
９ 支持基板
１０ 接合面
１１ 剥離面
１２ 応力の方向

Claims (7)

1. シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素イオンを注入する工程と、水素とは異なる第２のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、前記シリコン系結晶基板を加熱して水素イオン注入層を加熱する工程と、前記シリコン系結晶基板の前記水素イオン注入層から上側を剥離させてシリコン系薄膜フィルムを得る剥離工程とを備え、水素イオンと第２のイオン種とのピークの注入深さが互いに異なることを特徴とする、半導体薄膜フィルムの製造方法。
2. シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素イオンを注入する工程と、水素とは異なる第２のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、第２のイオン種と同種または異種である第３のイオン種を前記シリコン系結晶基板に注入する工程と、前記シリコン系結晶基板を加熱して水素イオン注入層を加熱する工程と、前記シリコン系結晶基板の前記水素イオン注入層から上側を剥離させてシリコン系薄膜フィルムを得る剥離工程とを備え、水素イオンと第２のイオン種と第３のイオン種とのピークの注入深さが互いに異なることを特徴とする、半導体薄膜フィルムの製造方法。
3. 第２のイオン種のピークの注入深さと、第３のイオン種のピークの注入深さの間に、水素イオンのピークの注入深さが位置することを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
4. 水素イオンのピークの注入深さと第２のイオン種のピークの注入深さとが、水素イオンの注入プロファイルの半値幅をＷとしたとき、２Ｗないし３Ｗ異なることを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
5. 水素イオンのピークの注入深さと第３のイオン種のピークの注入深さとが、水素イオンの注入プロファイルの半値幅をＷとしたとき、２Ｗないし３Ｗ異なることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
6. 水素イオンと異なる第２のイオン種が、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガス元素から選ばれるものであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
7. 水素イオンと異なる第２のイオン種ならびに第３のイオン種が、シリコン、炭素、酸素、窒素、希ガス元素から選ばれるものであることを特徴とする、請求項２に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。