JP2007173354A - Ｓｏｉ基板およびｓｏｉ基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透明絶縁性基板上に形成されたＳＯＩ層の剥離面の平坦性を高めること。
【解決手段】単結晶Ｓｉ基板１０の表面側（接合面側）には、表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に均一なイオン注入層１１が形成される。この単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の表面を接合面として密着させ、この状態で３５０℃以下の温度で加熱して接合処理を施す。この３５０℃以下という温度選択は、単結晶Ｓｉと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶Ｓｉ基板１０ならびに透明絶縁性基板２０の厚みを考慮して決定され、好ましくは１００〜３００℃とされる。このような接合工程の後、外部から衝撃を加えることでイオン注入層１１内でのＳｉ−Ｓｉ結合を切り、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＳＯＩ基板およびＳＯＩ基板の製造方法に関し、より詳細には、透明絶縁性基板上に張り合わされて形成された単結晶シリコン薄膜の剥離面の表面粗さを抑制させたＳＯＩ基板およびその製造方法に関する。

耐放射線特性やラッチアップ特性に優れるとともにショートチャネル効果の抑制にも優れるＭＯＳトランジスタの形成を目的として、酸化膜などの絶縁膜上に単結晶のシリコン（Ｓｉ）層を設けたいわゆるＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエーハがデバイス形成用基板として用いられており、なかでも、貼り合わせ技術の適用による低欠陥のＳＯＩ基板が注目されている。また、近年では、このようなＳＯＩ基板を、光学デバイスの製造用基板として用いることも検討され始めてきている（例えば、特許文献１乃至５）。

ところで、液晶表示ディスプレイパネル（ＬＣＤ）をはじめとする電気光学装置の駆動方式のなかでも、アクティブマトリックス方式は、応答速度が速く表示装置とした場合に高画質のものが得られるなどの理由から、一般的に広く用いられている駆動方式である。

このようなアクティブマトリクス駆動方式の電気光学装置の一般的な構成は、上面ガラス基板と下面ガラス基板の２枚のガラス基板に液晶を挟み込んで設け、上面ガラス基板にはパターン全体に共通した上面電極（対向電極）を形成する一方、下面ガラス基板には画素電極と当該画素電極を駆動するためのスイッチング素子としてのＴＦＴを設ける。下面ガラス基板上には、各画素毎に設けられたＴＦＴのゲート入力部としてのＸ電極とソース入力部としてのＹ電極とがパターン形成されており、これらの電極を介して各々のＴＦＴへの電気信号を入力制御し、これによりＴＦＴをスイッチング素子として制御する。画素電極と対向電極に挟まれた領域の液晶は、上下電極間に形成される電界に応じてその配列が変化して液晶シャッタとして機能する。つまり、液晶シャッタのスイッチング素子としてのＴＦＴのオン／オフを行うことで、各画素の駆動がなされることとなる。

従来、このようなＴＦＴは、下面ガラス基板上に設けられた非晶質Ｓｉ（ａ−Ｓｉ）や多結晶Ｓｉ（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）の膜に設けられていたが、画素スイッチングの高速制御のためにはスイッチング素子としてのＴＦＴの高速動作が求められるため、非晶質Ｓｉや多結晶ＳｉのＴＦＴに代えて単結晶ＳｉのＴＦＴを用いることが検討され、絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を有するＳＯＩ基板を用いることが検討されてきた。つまり、貼り合わせ等の手法により絶縁体層上に設けられた単結晶Ｓｉ層にＴＦＴを作り込むことで、非晶質ＳｉのＴＦＴや多結晶ＳｉのＴＦＴよりも格段に高速のスイッチングを可能とするのである。
特開平１１−１４５４３８号公報 特開平６−１８９２６号公報 特開平１１−１６３３６３号公報 特開２００３−２８２８８５号公報 特開２００２−１１０９９８号公報 特許第３０４８２０１号明細書

ＳＯＩ基板を上述したような光学デバイス用の基板として用いる場合には、透明絶縁性基板上に単結晶シリコンの薄膜を設けたＳＯＩ基板とする必要があり、しかも、当該単結晶シリコン薄膜にＴＦＴ等の電子デバイスを作り込むために、その単結晶シリコン薄膜は高い表面平坦性をもち、膜厚の面内均一性に優れ、しかも光散乱の原因となるような構造的欠陥が少ないなどの高品質な膜であることが要求される。

従来の一般的なＳＯＩ基板の製造方法（例えば、特許文献６など）では、製造工程中で設けられる熱処理で比較的高い温度（例えば、５００〜１２００℃）が採用されている。

このような条件下でも、単結晶シリコン基板とこれと張り合わせる基板との熱膨張係数や機械的強度（剛性率など）の差が比較的小さい場合には比較的平坦な表面の薄膜単結晶シリコン層を得ることができるが、単結晶シリコン基板と透明絶縁性基板（例えば、石英基板）とを張り合わせてＳＯＩ基板を製造するような場合には、張り合わされる２枚の基板間の熱膨張係数や機械的強度（剛性率など）の差が大きくなるために、上記のような高い温度で熱処理を施すと、剛性の低い基板（多くの場合、透明絶縁性基板である）が割れたり接合面における局所的な剥離などが発生するといった不都合が生じたり、或いは、単結晶シリコン基板の貼り合せ面の表面近傍領域に微細なクラックが生じたりして薄膜の単結晶シリコン層（ＳＯＩ層）として剥離する際のヘキ開がスムースに行われずに表面荒れが生じたりするといった問題が生じる。

本発明は、かかる要求に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、透明絶縁性基板上に貼り合せ技術により形成されたＳＯＩ層を備えたＳＯＩ基板であって、当該ＳＯＩ層の剥離面が高い平坦性を有するＳＯＩ基板を提供することにある。

本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、貼り合せによるＳＯＩ基板の製造方法であって、単結晶シリコン基板の一方主面に平均イオン注入深さＬの水素イオン注入層を形成する第１のステップと、透明絶縁性基板の一方主面及び前記単結晶シリコン基板の一方主面の少なくとも一方に表面処理を施す第２のステップと、前記単結晶シリコン基板の一方主面と前記透明絶縁性基板の一方主面とを密着させる第３のステップと、前記単結晶シリコン基板と前記透明絶縁性基板とを密着させた状態で３５０℃以下の温度で加熱して接合処理を施す第４のステップと、前記平均イオン注入深さＬに相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離して前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する第５のステップとを備えていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第４のステップの熱処理温度は１００〜３００℃であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第１のステップにおける水素イオンのドーズ量は０．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第１のステップにおける水素イオンの注入ドーズ量は１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項３又は４に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第１のステップにおける水素イオンのドーズ量は３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記透明絶縁性基板は、石英基板、サファイア(アルミナ)基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板の何れかであることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記単結晶シリコン基板は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）または浮遊帯域法（ＦＺ法）で結晶成長させた準完全結晶（ＮＰＣ）単結晶シリコン基板であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法において、前記第２のステップの表面処理は、プラズマ処理及びオゾン処理の少なくとも一方の処理であることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法で製造されたＳＯＩ基板であって、前記ＳＯＩ層の剥離面の粗さがＲＭＳ値で１０ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載のＳＯＩ基板において、前記ＲＭＳ値は６ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明においては、透明絶縁性基板と水素イオン注入層形成後の単結晶Ｓｉ基板との接合処理の温度を３５０℃以下としたので、当該熱処理工程中で導入される熱歪量が抑止され、単結晶Ｓｉ基板と透明絶縁性基板の諸物性値の差に起因する基板割れや接合面における局所的剥離などの不都合が回避できる。

また、３５０℃以下という熱処理温度は、シリコン原子の結合手の状態変化を生じさせるために必要な温度に比較して十分に低温であるので、イオン注入により導入された水素イオン注入層内の局所的なダメージ状態が当該熱処理工程中に維持され、剥離後の表面荒れが抑制されたＳＯＩ層を得ることが可能となる。

このようなＳＯＩ基板は、表面平坦性と膜厚面内均一性に優れ、且つ、光散乱の原因となる構造的欠陥も少ないため、光学デバイスの製造に特に好適なＳＯＩ基板の提供が可能となる。

以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

本発明においては、透明絶縁性基板の一方主面と、予めその一方主面に平均イオン注入深さＬの水素イオン注入層を形成した単結晶Ｓｉ基板との接合処理の温度を３５０℃以下の温度、好ましくは１００〜３００℃の温度に設定する。ここで、透明絶縁性基板としては、石英基板、サファイア(アルミナ)基板、ホウ珪酸ガラス基板、結晶化ガラス基板などが選択されるが、これらの基板は単結晶Ｓｉ基板との間での熱膨張係数や機械的強度（剛性率など）の差が比較的大きく、接合処理工程中で付与される熱により、割れや接合面における局所的剥離などを発生させ易い。そこで、本発明においては、接合処理温度を３５０℃以下に選択して導入される熱歪量を抑止し、単結晶Ｓｉ基板と透明絶縁性基板の諸物性値の差に起因する上記不都合を回避することとしている。

また、３５０℃以下という熱処理温度は、シリコン原子の結合手の状態変化を生じさせるために必要な温度に比較して十分に低温であるために、水素イオン注入により導入された水素イオン注入層内の局所的なダメージ状態も当該熱処理工程中に維持される。このため、その後の剥離工程で単結晶シリコン薄膜のヘキ開の開始点として作用するような微細なクラック等が生じることもない。その結果、ヘキ開条件としての水素イオンの注入状態が維持され、剥離後の表面荒れが抑制されたＳＯＩ層を得ることが可能となる。

本発明においては、単結晶Ｓｉ基板への水素イオンの注入ドーズ量の上限値は３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²とされる。このような上限を設けるのは、生産性の低下を避けるという理由に加え、ドーズ量がこの値以上となるとイオン注入時のダメージが大きくなりすぎ、その結果、単結晶シリコン薄膜中に形成されるヘキ開開始点が過剰に形成されて剥離後のＳＯＩ層の表面荒れを生じさせ易くなるためである。なお、水素イオンの注入ドーズ量の下限値はヘキ開に必要なダメージを単結晶シリコン薄膜に付与するに十分な値に選択されるが、好ましくは０．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であり、さらに好ましくは１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上である。

以下に、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではないことはいうまでもない。なお、説明の簡略化のために、貼り合せに用いられる透明絶縁性基板は石英基板であるものと仮定する。

図１は、本発明のＳＯＩ基板の製造プロセス例を説明するための図で、先ず、同一の径を有する単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０とを準備する（図１（Ａ））。ここで、単結晶Ｓｉ基板１０は、例えば、ＣＺ法（チョクラルスキー法）により育成された一般に市販されているＳｉ基板であり、その導電型や比抵抗率などの電気特性値や結晶方位や結晶径は、本発明のＳＯＩ基板が供されるデバイスの設計値やプロセスあるいは製造されるデバイスの表示面積などに依存して適宜選択される。この単結晶Ｓｉ基板として、ＣＺ法（チョクラルスキー法）または浮遊帯域法（ＦＺ法）で結晶成長させた準完全結晶（ＮＰＣ）単結晶シリコン基板を用いることとしてもよい。なお、後のデバイス形成プロセスの便宜のため、透明絶縁性基板２０にも単結晶Ｓｉ基板１０に設けられているオリエンテーション・フラット（ＯＦ）と同様のＯＦを設けておき、これらのＯＦ同士を一致させて貼り合わせるようにすると好都合である。

単結晶Ｓｉ基板１０の表面側（接合面側）には、後の工程で所定の厚さのＳＯＩ層が得られるように水素イオンが注入され（図１（Ｂ））、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に均一なイオン注入層１１が形成される（図１（Ｃ））。イオン注入層１１の単結晶Ｓｉ基板１０表面からの深さ（平均イオン注入深さＬ）は、イオン注入時の加速電圧により制御される。このイオン注入により、単結晶Ｓｉ基板１０表面領域での平均イオン注入深さＬに対応する領域には、当該領域に局在する微小気泡層が形成される。

ここで、イオン注入深さはどの程度の厚さのＳＯＩ層を剥離させるかに依存して決定されるが、例えば水素イオンの平均イオン注入深さＬは０．５μｍ以下とされ、イオン注入条件は、ドーズ量０．５×１０¹⁷〜３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²、加速電圧５０〜１００ｋｅＶ、などとされる。

また、イオン注入時の単結晶Ｓｉ基板１０の温度は、２５０〜４５０℃程度に保持される。なお、Ｓｉ結晶中へのイオン注入プロセスにおいて注入イオンのチャネリング抑制のために、通常行われているように、単結晶Ｓｉ基板１０のイオン注入面に予め酸化膜等の絶縁膜を形成させておき、この絶縁膜を通してイオン注入を施すようにしてもよい。

このようにしてイオン注入層１１を形成した単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０のそれぞれの接合面に、表面清浄化や表面活性化などを目的としたプラズマ処理やオゾン処理を施す（図１（Ｄ））。なお、このような表面処理は、接合面となる表面の有機物除去や表面上のＯＨ基を増大させて表面活性化を図るなどの目的で行われるものであり、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の双方の接合面に処理を施す必要は必ずしもなく、何れか一方の接合面にのみ施すこととしてもよい。

この表面処理をプラズマ処理により実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板を真空チャンバ内の試料ステージに載置し、当該真空チャンバ内にプラズマ用ガスを所定の真空度となるように導入する。なお、ここで用いられるプラズマ用ガス種としては、単結晶Ｓｉ基板の表面処理用として、酸素ガス、水素ガス、アルゴンガス、またはこれらの混合ガス、あるいは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスなどがあり、単結晶Ｓｉ基板の表面状態や目的などにより適宜変更され得る。

また、当該表面処理が単結晶Ｓｉ表面を酸化させることをも目的とするような場合には、少なくとも酸素ガスを含有するものをプラズマ用ガスとして用いる。なお、透明絶縁性基板として、石英基板などのようにその表面が酸化状態にあるものを用いる場合には、このようなプラズマ用ガス種の選定に特別な制限はない。プラズマ用ガスの導入後、１００Ｗ程度の電力の高周波プラズマを発生させ、プラズマ処理される単結晶Ｓｉウエーハおよび／または絶縁性基板の表面に５〜１０秒程度の処理を施して終了する。

表面処理をオゾン処理で実行する場合には、予めＲＣＡ洗浄等を施した表面清浄な単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板を酸素含有の雰囲気とされたチャンバ内の試料ステージに載置し、当該チャンバ内に窒素ガスやアルゴンガスなどのプラズマ用ガスを導入した後に所定の電力の高周波プラズマを発生させ、当該プラズマにより雰囲気中の酸素をオゾンに変換させ、処理される単結晶Ｓｉ基板および／または透明絶縁性基板の表面に所定の時間の処理が施される。

上記のような表面処理が施された単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の表面を接合面として密着させ（図１（Ｅ））、この状態で３５０℃以下の温度で加熱して接合処理を施す（図１（Ｆ））。この３５０℃以下という温度選択は、単結晶Ｓｉと石英との熱膨張係数差と当該熱膨張係数差に起因する歪量、およびこの歪量と単結晶Ｓｉ基板１０ならびに透明絶縁性基板２０の厚みを考慮したものである。単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の厚みが概ね同程度である場合、単結晶Ｓｉの熱膨張係数（２．３３×１０^-6）と石英の熱膨張係数（０．６×１０^-6）の間に大きな差異があるために、３５０℃を超える温度で熱処理を施した場合には、両基板間の剛性差に起因して、熱歪によるクラックや接合面における剥離などが生じたり、極端な場合には単結晶Ｓｉ基板や石英基板が割れてしまうということが生じ得る。このため、熱処理温度の上限を３５０℃と選択し、好ましくは１００〜３００℃の温度範囲で熱処理を施す。

単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の少なくとも一方の表面（接合面）は、上述のプラズマ処理やオゾン処理などにより表面処理が施されて活性化しているために、従来の貼り合わせＳＯＩ製造プロセスで必要とされていたような高温熱処理を施さなくても、後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルの接合強度を得ることができる。従って、高温での熱処理時に、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０の熱膨張係数や機械的強度特性の違いに起因して生じる熱歪やクラックあるいは接合面における局所的な剥離などの発生が抑制されることとなる。本発明者らの実験によれば、全く熱処理を施すことなく室温で密着させただけでも、その接合強度は後工程での機械的剥離や機械研磨に十分耐え得るレベルにあることが確認されている。また、密着・接合時の雰囲気や当該雰囲気の圧力にも特別な制約はない。

このような接合工程の後、外部から衝撃を加えることでイオン注入層１１内でのＳｉ−Ｓｉ結合を切り、単結晶Ｓｉ基板１０の表面近傍の所定の深さ（平均イオン注入深さＬ）に相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離する。これにより、ＳＯＩ層１２は透明絶縁性基板２０の一方主面上に貼り合わされたまま単結晶Ｓｉ基板１０のバルク部１３から剥離され（図１（Ｇ））、透明絶縁性基板２０の主面上にＳＯＩ層１２を備えるＳＯＩ基板が得られることとなる（図１（Ｈ））。

なお、機械的剥離を実行する際の雰囲気や試料温度に特別な制限はなく、室温大気中での剥離も可能である。また、大きな熱歪、クラック、接合面における剥離などの発生の虞のない程度の温度に試料を保持した状態で機械的剥離を施すこととしてもよい。

図２は、上記の剥離工程で外部から衝撃を与える手法の例示のための図である。衝撃付与手法としては種々のものが考えられるが、例えば、ガスや液体などの流体をノズル３０の先端部３１からジェット状に噴出させて単結晶Ｓｉ基板１０の側面から吹き付けることで衝撃を与えたり（図２（Ａ））、あるいはブレード４０の先端部４１をイオン注入層１１の近傍領域に押し当てるなどして衝撃を付与する（図２（Ｂ））などの手法によることができる。

このようにして得られた本実施例における剥離後のＳＯＩ層の表面粗さは、何れもＲＭＳ値で１０ｎｍ以下であり、上述の接合工程での熱処理温度条件と水素イオン注入条件を最適化することでＲＭＳ値６ｎｍ以下のＳＯＩ層を得ることも可能であった。なお、このＲＭＳ値は、剥離後のＳＯＩ層表面の１０μｍ×１０μｍの領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で測定した平均値である。

このように、本発明においては、単結晶Ｓｉ基板１０と透明絶縁性基板２０との接合工程およびＳＯＩ層の剥離工程の何れの工程においても、従来法のような高温処理を必要とせず、一貫して低温（３５０℃以下）での処理が可能である。従来から知られているＳＯＩ基板の製造方法の多くは高温処理工程を備えているために、熱歪に起因して生じるクラックや剥離を回避するための特別の工夫が必要であったが、本発明によるプロセスの低温化は、ＳＯＩ基板の製造工程の安定化と簡易化の観点から極めて有利である。

例えば、特許文献１（特開平１１−１４５４３８号公報）には、単結晶Ｓｉウエーハと絶縁性基板とを接合する際の熱膨張係数の差異に起因する熱歪、剥離、ひび割れ等の発生を抑制するために、１００〜３００℃で加熱して仮接合し、単結晶Ｓｉ層の厚みをエッチングにより薄くして３５０〜４５０℃で熱処理して本接合し、さらに単結晶Ｓｉ層を研磨で薄くして５００°以上の加熱によりイオン注入層の水素脆化を生ぜしめて劈開面として剥離するという手法が開示されている。しかし、このような手順により剥離やひび割れの問題が解決されたとしても、ＳＯＩ基板製造のための工程数が増えてプロセスそのものは煩雑なものとならざるを得ない。

これに対して、本発明が採用する低温プロセスは、接合工程および剥離工程の何れの工程においても低温化が可能であるために、ＳＯＩウエーハの製造プロセスの簡易化と安定化とを同時に実現可能であるという大きな利点を有するのである。

なお、必要に応じて、ＳＯＩ層１２と透明絶縁性基板２０との結合強度を更に向上させるために、図１（Ｇ）の剥離工程の後に更に熱処理工程を付加するようにしてもよい。一般的には、図１（Ｇ）の剥離工程直後のＳＯＩ層１２の厚みは０．５μｍ以下とされるため、このような厚みのＳｉ層をその表面に有する透明絶縁性基板２０を比較的高温で熱処理しても、透明絶縁性基板２０の割れやＳＯＩ層１２の剥離などの問題は生じない。したがって、この場合の熱処理温度は比較的高温とすることが可能であり、例えば１０００〜１２５０℃程度の温度範囲で実行することも可能である。

本発明のＳＯＩ基板の製造方法の基本工程は図１に示したとおりであるが、得られたＳＯＩ層１２の表面にタッチポリッシュなどの機械研磨が施される場合もある。

図３は、必要により設けられる機械研磨の工程を説明するための図で、図３（Ａ）に示した例では、剥離工程直後のＳＯＩ層１２の膜厚は０．３μｍ程度であり、通常のＳｉ基板製造工程における鏡面研磨と同様の手順でＳＯＩ層１２表面を鏡面研磨して概ね０．１μｍまで薄膜化する。この鏡面加工により、剥離工程でＳＯＩ層１２表面に生じたヘイズなどの表面粗さが除去される。

図３（Ｂ）は上記の鏡面研磨工程終了後のＳＯＩ層１２の様子を図示しており、この状態のＳＯＩ層１２は、鏡面研磨によりその厚さは概ね０．１μｍまで薄膜化されるとともに、前工程で誘起された表面荒れが除去されているが、水素のイオン注入によって誘起された残存ダメージや結晶欠陥、さらには鏡面研磨を施すことにより新たに誘起される僅かなダメージがＳＯＩ層１２のＳｉ結晶格子に導入された状態にある。このようなダメージ起因の微細な格子欠陥は、それ自身がキャリア再結合中心となってキャリアの挙動に影響を与えることのほか、後のデバイス製造工程での熱処理を受けて転位等のマクロな欠陥となり、デバイスの電気的特性を低下させる遠因となり得る。このため、これらのＳＯＩ層１２中のダメージを除去するための処理を施しておく必要がある。なお、このようなダメージ除去は、例えば、熱処理炉やランプ加熱装置を用いた加熱処理によることができる。

図３（Ｃ）は、ＳＯＩ層１２の全面にわたって上記のダメージ除去処理を施した場合を例示したものであり、加熱処理によってＳＯＩ層１２内のダメージが全面にわたって除去されている。なお、ＳＯＩ層中からダメージ除去がなされたことは、キャリア・ライフタイム測定によるなどして簡易かつ迅速にモニタすることが可能である。このようなダメージ除去処理によって、Ｓｉ結晶中でのキャリアの再結合中心（捕獲中心）として作用する格子歪や格子欠陥などが除去され、ＳＯＩ層１２の電気的特性（キャリアの移動度やライフタイムなど）はＳＯＩ層１２の本来の値にまで回復することとなる。

実施例１で用いた単結晶Ｓｉ基板の貼り合せ面には熱酸化膜等の絶縁層を設けていないが、予め表面に酸化膜を形成した単結晶Ｓｉ基板を用いてＳＯＩ層を形成するようにしてもよい。

本実施例で用いた単結晶Ｓｉ基板は、貼り合せ面側に１００ｎｍの熱酸化膜が形成されている直径２００ｍｍ（８インチ）のものである。なお、熱酸化膜の表面粗さは、原子間力顕微鏡による１０μｍ×１０μｍの測定領域のＲａ値で０．２ｎｍであった。

この単結晶Ｓｉ基板と張り合わせる透明絶縁性基板には、直径２００ｍｍ（８インチ）の石英基板を用い、その貼り合せ面は研磨加工が施されて表面粗さはＲａ値０．１９ｎｍである。なお、表面粗さの測定条件は上述の熱酸化膜のそれと同様である。

単結晶Ｓｉ基板に熱酸化膜側から、加速電圧３５ＫｅＶ、ドーズ量２．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²で水素イオンを注入した。このときの水素イオンの熱酸化膜と単結晶Ｓｉ基板との界面からの平均注入深さは０．３μｍである。

水素イオン注入後の単結晶Ｓｉ基板と石英基板の双方に通常のＲＣＡ洗浄を施した後に、両基板をプラズマ処理用チャンバ内にセットし、プラズマ用ガス（空気）をチャンバに導入した。その後、チャンバ内圧力を２ｔｏｒｒとし、この減圧下で、直径３００ｍｍの平行平板電極間に１３．５６ＭＨｚの高周波を１００Ｗの高周波パワーで印加させ、単結晶Ｓｉ基板と石英基板の貼り合せ面に５〜１０秒間の高周波プラズマ処理を施した。

このプラズマ処理の後に、単結晶Ｓｉ基板と石英基板とを重ね合わせて密着させ、これらの基板を指で強く押し付けることで貼り合せ（接合）を開始させた。両基板の貼り合せ面はプラズマ処理されているために活性化しており、このような極めて簡易な手法によっても強い接合強度が得られるが、より接合強度を増すために、基板を張り合わせた状態で２５０℃で３０時間の加熱処理を施した。この加熱処理後の接合面を目視観察したところ、基板全面に渡る均一な接合状態が確認された。なお、この接合面に平行な基板のズレを生じさせるような外力を指で加えてみたが、２枚の基板が相対的にズレることはなく、接合状態は維持されたままであった。

ＳＯＩ層形成のための剥離には、紙切りバサミの刃を用いた。紙切りバサミの刃を楔とし、貼り合せ基板の外周面（基板側面）の８箇所（概ね４５°間隔）から打ち込むと、貼り合せ基板の全面で均一な剥離が生じ、石英基板上に単結晶Ｓｉ薄膜のＳＯＩ層が転写・形成された。このＳＯＩ層の剥離後の表面粗さは、原子間力顕微鏡による１０μｍ×１０μｍの測定領域のＲａ値で５．８ｎｍであった。

本発明によれば、透明絶縁性基板上に単結晶シリコン薄膜を有する貼り合せＳＯＩ基板であって、当該透明絶縁性基板上に形成されるＳＯＩ層の剥離面の平坦性の高いＳＯＩ基板を提供することが可能となる。

このＳＯＩ基板は、表面平坦性と膜厚面内均一性に優れ、且つ、光散乱の原因となる構造的欠陥も少ないため、光学デバイスの製造に特に好適なＳＯＩ基板である。

本発明のＳＯＩ基板の製造プロセス例を説明するための図である。 本発明の剥離工程で外部から衝撃を与える手法の例示のための図である。 必要により設けられる機械研磨の工程を説明するための図である。

符号の説明

１０ 単結晶Ｓｉ基板
１１ イオン注入層
１２ ＳＯＩ層
１３ 単結晶Ｓｉ基板のバルク部
２０ 透明絶縁性基板
３０ ノズル
３１ ノズルの先端部
４０ ブレード
４１ ブレードの先端部

Claims (10)

1. 貼り合せによるＳＯＩ基板の製造方法であって、
   単結晶シリコン基板の一方主面に平均イオン注入深さＬの水素イオン注入層を形成する第１のステップと、
   透明絶縁性基板の一方主面及び前記単結晶シリコン基板の一方主面の少なくとも一方に表面処理を施す第２のステップと、
   前記単結晶シリコン基板の一方主面と前記透明絶縁性基板の一方主面とを密着させる第３のステップと、
   前記単結晶シリコン基板と前記透明絶縁性基板とを密着させた状態で３５０℃以下の温度で加熱して接合処理を施す第４のステップと、
   前記平均イオン注入深さＬに相当する位置の結晶面に沿って単結晶シリコン薄膜を機械的に剥離して前記透明絶縁性基板上にＳＯＩ層を形成する第５のステップとを備えていることを特徴とするＳＯＩ基板の製造方法。
2. 前記第４のステップの熱処理温度は１００〜３００℃であることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
3. 前記第１のステップにおける水素イオンのドーズ量は０．５×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
4. 前記第１のステップにおける水素イオンの注入ドーズ量は１×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以上であることを特徴とする請求項３に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
5. 前記第１のステップにおける水素イオンのドーズ量は３×１０¹⁷ａｔｏｍｓ／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項３又は４に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
6. 前記透明絶縁性基板は、石英基板、サファイア(アルミナ)基板、ホウ珪酸ガラス基板、又は結晶化ガラス基板の何れかであることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
7. 前記単結晶シリコン基板は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）または浮遊帯域法（ＦＺ法）で結晶成長させた準完全結晶（ＮＰＣ）単結晶シリコン基板であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
8. 前記第２のステップの表面処理は、プラズマ処理及びオゾン処理の少なくとも一方の処理であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＳＯＩ基板の製造方法。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法で製造されたＳＯＩ基板であって、前記ＳＯＩ層の剥離面の粗さがＲＭＳ値で１０ｎｍ以下であることを特徴とするＳＯＩ基板。
10. 前記ＲＭＳ値は６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載のＳＯＩ基板。
    
    

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