JP4450126B2

JP4450126B2 - シリコン系結晶薄膜の形成方法

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Publication number: JP4450126B2
Application number: JP2000012618A
Authority: JP
Inventors: 浩二三宅; 潔緒方
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2020-01-21
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、太陽電池用基板、液晶ディスプレイ用基板、半導体装置用基板などに用いることができるシリコン系結晶薄膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素イオン注入剥離法が、支持基板の上にシリコン系結晶薄膜を形成する手法として注目を集めている。水素イオン注入剥離法は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板や、太陽電池用基板などを作製するときに利用されている。
【０００３】
水素イオン注入剥離法を利用して、ＳＯＩ基板を形成する手法の一例を図９を参照して説明する。
【０００４】
まず、Ｓｉ結晶基板９１に熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）９１１を形成する（図９（Ｂ）参照）。
【０００５】
次いで、水素イオンを熱酸化膜側からＳｉ結晶基板９１に注入する（図９（Ｃ）参照）。イオン加速電圧によって、水素イオンの注入深さは制御される。後の工程において、この水素イオン注入位置９１３で結晶基板９１を分離するため、５×１０¹⁶個／ｃｍ²程度以上の注入密度で水素イオンは注入される。
【０００６】
次いで、Ｓｉ結晶基板９１のイオン注入面（熱酸化膜）上に支持基板９２をのせ、これらを加熱することでＳｉ結晶基板９１のイオン注入位置９１３に多数のボイド（微小空孔）９１４を形成する（図９（Ｄ）参照）。Ｓｉ結晶基板９１に注入された水素が加熱によってガス化することで、ボイド９１４は形成される。３５０°Ｃ〜６００°Ｃ程度で数分間加熱することで、ボイド９１４は形成される。隣合うボイド同士がつながるなどして、Ｓｉ結晶基板９１内のボイド形成位置には層状に脆弱な部分が形成される。Ｓｉ結晶基板９１のイオン注入面が、支持基板９２によって加圧されているため、水素ガスの圧力で基板９１の表層部分が部分的に剥離してしまうことが抑制される。Ｓｉ結晶基板９１のイオン注入面をこのように何らかの方法で加圧しておかないと、結晶基板９１の表層部分において直径数μｍ以下のクレータ状に剥離が発生してしまう。
【０００７】
次いで、１０００°Ｃ程度以上の高温で、Ｓｉ結晶基板９１と支持基板９２を加熱して、これらを接着する。
【０００８】
この後、Ｓｉ結晶基板９１をボイド９１４に沿って分離する（図９（Ｅ）参照）。これにより、ＳｉＯ₂膜９１１上には結晶基板９１の一部であったＳｉ結晶薄膜９１２１が残る。したがって、Ｓｉ結晶薄膜９１２１、ＳｉＯ₂膜（絶縁膜）９１１が順に形成された支持基板９２、すなわちＳＯＩ基板が得られる。残りのＳｉ結晶基板部分９１２２は、次のＳＯＩ基板の形成時に再利用できる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようにシリコン系結晶基板にイオン注入し、ボイドを形成するなどして、支持基板上にシリコン系結晶薄膜を形成する手法には、次のような問題がある。
【００１０】
一つの問題は、上記の手法では支持基板上に数十μｍといった比較的厚いシリコン系結晶薄膜を効率良く形成することが難しいことである。以下、さらに詳しく説明する。
【００１１】
Ｓｉ結晶薄膜が形成された基板を太陽電池の作製に利用する場合、高い光電変換効率を達成するためには、Ｓｉ結晶薄膜の厚みを７μｍ以上、好ましくは１０μｍ程度とする必要がある。
【００１２】
支持基板上に形成されるＳｉ結晶薄膜の膜厚は、水素イオン注入時のイオン注入深さに対応し、イオン注入深さを深くすれば最終的に得られるＳｉ結晶薄膜の膜厚を厚くすることができる。イオン注入時の加速電圧を大きくすれば、限界はあるにしても、イオン注入深さは深くすることができる。水素イオンを例えば結晶基板の表面（イオン注入面）から１０μｍの深さの位置に注入するときには、７００ｋｅＶ程度の加速電圧でイオン注入を行えばよい。しかし、注入深さを１０μｍ程度、或いは、それ以上とするときには、大がかりなイオン注入装置が必要となり、イオン注入処理にコストがかかる。また、イオンが注入される結晶基板の過昇温を抑制するために、イオンビーム電流を抑制する必要があり、効率よく必要な密度までイオン注入を行うことができない。
【００１３】
このように上記の手法では比較的厚いシリコン系結晶薄膜を効率よく安価に形成することは難しい。
【００１４】
別の問題として、Ｓｉ系結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあった場合には、ボイド形成のための加熱時に、結晶基板の表層にミクロな剥離やクラックが生じることがある。図１０を参照してさらに説明する。
【００１５】
図１０（Ａ）に示すように、結晶基板９１のイオン注入面９１５上にパーティクル９３があり、支持基板９２と結晶基板９１の間にパーティクル９３が入り込んでいると、イオン注入面９１５に支持基板９２によって押圧されていない部分ができる。このような状態で、ボイド形成のための加熱を行うと、その押圧されていない部分やその近傍において、図１０（Ｂ）に示すような、ミクロな剥離やクラックが結晶基板９１の表層において発生してしまうことがある。ボイド形成時にこのようなミクロな剥離やクラックが生じていると、最終的に得た結晶薄膜付きの基板は不良なものとなってしまう。ひいては、シリコン系結晶薄膜の生産性が低下するとともに、シリコン系結晶薄膜の製造コストが高くなり、シリコン系結晶薄膜が高価になる。
【００１６】
例えば、極めてクリーン度（清浄度）の高いクリーンルーム内において、各工程を行えば、上記のようなパーティクルによる問題の発生は抑制できると考えられる。しかし、上記のようなパーティクルの問題を防止するのに必要なクリーン度の高いクリーンルームは、建設費、維持費、運転費が高く、それだけＳｉ系結晶薄膜付き基板の製造コストも高くなる。
【００１７】
そこで、本発明は、生産性よく、できるだけ安価にシリコンを含む結晶薄膜を形成することができるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することを課題とする。
【００２０】
また、本発明は、シリコンを含む結晶基板にイオン注入し、ボイドを形成するなどして、シリコンを含む結晶薄膜を形成する方法であって、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあったとしても、ボイド形成時の結晶基板のミクロな剥離やクラックの発生を抑制できるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することを課題とする。
【００２１】
また、本発明は、シリコンを含む結晶基板にイオン注入し、ボイドを形成するなどして、支持基板上にシリコンを含む結晶薄膜を形成する方法であって、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあったとしても、ボイド形成時の結晶基板のミクロな剥離やクラックの発生を抑制できるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することを課題とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は後述する第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供する。第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法を説明する前に、参考例として次の第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法を説明する。
（１）第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法
第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法は、
シリコンを１０ｗｔ％以上含有するシリコン系結晶基板に水素イオン又はヘリウムイオンを注入するイオン注入工程と、
イオン注入された結晶基板を加熱して、該基板のイオン注入位置にボイドを形成するボイド形成工程と、
イオン注入された結晶基板をシリコンを含有する金属融液に浸し、該融液を冷却してゆくことで、エピタキシャル成長によってシリコンを主成分とする単結晶薄膜又は多結晶薄膜を該基板のイオン注入面上に形成するエピタキシャル成長工程と、
結晶薄膜が形成された結晶基板をボイド形成位置で分離する分離工程とを含み、
前記ボイド形成工程におけるボイド形成のための前記結晶基板の加熱が、該結晶基板の少なくともイオン注入面を前記エピタキシャル成長工程で用いる金属融液に浸すことで行われるシリコン系結晶薄膜の形成方法である。
【００２３】
第１タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法において、後述する支持基板接着工程をさらに設けることによって、支持基板の上にシリコン系結晶薄膜を形成することもできる。第１タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、例えば、太陽電池の作製などに利用できるシリコン系結晶薄膜が形成できる。また、第１タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、電力用デバイスなどに用いられる炭化珪素単結晶薄膜を支持基板上に形成することもできる。また、第１タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板も形成できる。
【００２４】
第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法は、イオン注入工程、ボイド形成工程、エピタキシャル成長工程及び分離工程を含んでいる。第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法は、いわゆるイオン注入剥離法（スマートカット法ともよばれている）を利用したものである。以下、各工程ついて順に詳しく説明する。
（１−１）イオン注入工程
イオン注入工程においては、シリコン系結晶基板に水素イオン又はヘリウムイオンを注入する。
【００２５】
シリコン系結晶基板は、シリコンを１０ｗｔ％以上含有する単結晶又は多結晶からなる基板である。シリコン系結晶基板は、例えば、ドナーやアクセプタとなる不純物を含んでいてもよい。シリコン系結晶基板は、例えば、ウェハー状のものとすればよい。
【００２６】
水素イオン又はヘリウムイオンは、シリコン系結晶基板の表面から所定深さの位置に注入する。イオン注入は、例えば、イオン注入装置を使って行うことができる。イオン注入深さは、イオン注入するときのイオン加速電圧などによって調整できる。イオン加速電圧を大きくすれば、深い位置にイオンを注入できる。イオン注入深さは、例えば、０．０数μｍ〜数十μｍとすることができる。
【００２７】
同じイオン注入条件下でイオン注入を行っても、イオン種によってイオン注入深さが異なるため、注入するイオン種は質量分離を行うなどして一種だけにすることが好ましい。例えば水素正イオンを注入する場合、水素正イオンは複数存在するので、質量分離を行って、所定の一つの種類の水素正イオンだけを注入することが好ましい。水素負イオンを注入する場合には、水素負イオンはＨ^-しか存在しないので、質量分離を行わなくても、イオン注入深さを揃えることができる。
【００２８】
イオン注入工程は、後述するボイド形成工程でシリコン系結晶基板にボイド（空孔）を形成し、後述する分離工程でボイド形成位置で結晶基板を分離するための前工程（前処理）である。結晶基板の分離を容易にするなどのためには、イオン注入工程において例えば水素イオンを５×１０¹⁶個／ｃｍ²程度以上の注入密度で注入すればよい。
【００２９】
イオン注入深さは、後述する分離工程で、イオン注入されたシリコン系結晶基板を分離するときの分離位置に影響し、最終的に形成されるシリコン系結晶薄膜の膜厚に影響する。イオン注入深さが深いほど、シリコン系結晶薄膜の膜厚は厚くなる。
【００３０】
イオン注入深さを深くするためには、前述のようにイオン加速電圧を大きくすればよいが、そうするには大がかりなイオン注入装置が必要になる。また、イオン加速電圧を大きくすると、シリコン系結晶基板の過昇温の問題も発生する。
【００３１】
第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、イオン注入工程の後に行うエピタキシャル成長工程において、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にシリコンを主成分とする結晶薄膜を形成するので、シリコン注入深さが比較的浅くても、比較的厚いシリコン系結晶薄膜を最終的に得ることができる。
【００３２】
イオン注入工程においては、シリコン系結晶基板の少なくとも一方の面からイオン注入を行う。イオン注入工程においては、シリコン系結晶基板の両面からイオン注入を行ってもよい。シリコン系結晶基板の両面からイオン注入を行えば、最終的に二つのシリコン系結晶薄膜を得ることができる。
（１−２）ボイド形成工程
ボイド形成工程においては、イオン注入工程でイオン注入されたシリコン系結晶基板を加熱することで、結晶基板のイオン注入位置にボイド（空孔）を形成する。
【００３３】
シリコン系結晶基板に注入された水素又はヘリウムは、加熱することでガス化する。このガス化によって、結晶基板のイオン注入位置には、ボイドが形成される。
【００３４】
ボイド形成には、結晶基板を例えば３５０°Ｃ〜６００°Ｃ程度、或いはそれ以上で、数分間程度加熱すればよい。
（１−３）エピタキシャル成長工程
エピタキシャル成長工程においては、シリコンを主成分とする結晶薄膜（シリコンを主成分とする単結晶薄膜又は多結晶薄膜）を、シリコン系結晶基板のイオン注入面上に形成する。シリコンを主成分とする結晶薄膜をエピタキシャル成長させて、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にシリコンを主成分とする結晶薄膜を形成する。
【００３５】
イオン注入されたシリコン系結晶基板をシリコンを含有する金属融液に浸し、該融液を冷却してゆくことで、過飽和となったシリコンをシリコン系結晶基板上に析出させ、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にシリコンを主成分とする結晶薄膜を形成する。すなわち、エピタキシャル成長法の一種である液相成長法によって、シリコン結晶基板のイオン注入面上にシリコンを主成分とする結晶薄膜を形成する。
【００３６】
エピタキシャル成長法としては、液相成長法の他に、シラン系ガスなどを用いる気相成長法も知られているが、液相成長法の方が気相成長法に比べて、コスト的に有利であり、また量産性にも優れている。
【００３７】
シリコン系結晶基板の少なくともイオン注入面（結晶薄膜を形成する面）を金属融液に浸すことで、結晶基板上に結晶薄膜を形成する。シリコン系結晶基板全体を金属融液に浸してもよい。
【００３８】
イオン注入工程において、シリコン系結晶基板の両面からイオン注入行った場合には、少なくとも一方のイオン注入面を金属融液に浸せばよい。この場合、両イオン注入面を同時に金属融液に浸せば、最終的に二つのシリコン系結晶薄膜を効率よく得ることができる。
【００３９】
シリコン系結晶基板を浸す金属融液は、シリコンの他に、例えば、Ｉｎ（インジウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）のうちの少なくとも一種を含むものとすればよく、これらのうちの２種以上を含むものでもよい。シリコン系結晶基板を浸す金属融液は、シリコンの他に、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｃｕのうちの少なくとも１種をシリコン以外のそれらのものの合計で例えば１０ｗｔ％以上含有するものとすればよい。
【００４０】
Ｃｕを含む金属融液を採用すると、その金属融液からシリコン系結晶基板を引き上げるときの金属融液の離れがよくなる。
【００４１】
Ｉｎ、Ｇａ又はＡｌを含む金属融液を採用すると、結晶基板上に形成されるシリコンを主成分とする結晶薄膜に、ドーパントとしてＩｎ、Ｇａ又はＡｌを含ませることができる。ドーパントしてＩｎ、Ｇａ又はＡｌを含むシリコンを主成分とする結晶薄膜には、ｐ型やｎ型の電気的特性を持たせることができる。
【００４２】
シリコン系結晶基板を浸す金属融液に含ませる材料は、最終的に得るシリコン系結晶薄膜の用途等に応じて選択すればよい。
【００４３】
シリコン系結晶基板を浸す金属融液には、効率よくシリコン系結晶薄膜を形成するなどのために、十分な量のシリコンを溶かしておくことが好ましい。例えばＩｎを含む金属融液を採用するときには、十分な量のシリコンを溶かすなどのために、該金属融液を例えば８００°Ｃ程度以上１０００°Ｃ程度以下まで加熱して、飽和するまでシリコンを溶かせばよい。
【００４４】
シリコン系結晶基板を浸す金属融液を冷却してゆくときにおける温度を下げる割合は、結晶基板上に形成されるシリコンを主成分とする結晶薄膜の結晶性に大きく影響する。例えば０．１°Ｃ／ｍｉｎ〜５°Ｃ／ｍｉｎ程度の割合で金属融液を冷却すると、結晶性の良好な結晶薄膜を形成することができる。
【００４５】
このようにしてシリコンを主成分とする結晶薄膜を形成するシリコン系結晶基板は、これが浸されている金属融液が固まらないうちに、金属融液から取り出せばよい。
【００４６】
シリコン系結晶基板を金属融液から取り出した後、必要に応じて、結晶基板に形成した結晶薄膜上の金属（シリコンを溶かすために用いた金属）をエッチングなどによって除去してもよい。
（１−４）分離工程
分離工程においては、シリコンを主成分とする結晶薄膜が形成されたシリコン系結晶基板をボイド形成位置（すなわち、イオン注入位置）で分離する。
【００４７】
例えば、ボイドが層状に形成されているシリコン系結晶基板の両面からボイドによる層に沿う互いに異なる方向に、結晶基板に力を加えることで、或いは、シリコン系結晶基板をその両面から該面の法線方向外側に引っ張ることで、結晶基板を分離することができる。結晶基板のボイドが形成されている部分は脆弱になっているため、結晶基板をボイドに沿って、ボイド形成位置で分離（剥離）することができる。
【００４８】
これにより、シリコン系結晶基板の一部であったシリコン系結晶薄膜の上に、エピタキシャル成長工程で形成したシリコンを主成分とする結晶薄膜が形成されたシリコン系結晶薄膜が得られる。このシリコン系結晶薄膜のシリコン系結晶基板の一部であった部分の厚みは、結晶基板のイオン注入面からイオン注入位置（ボイド形成位置）までの厚みに相当する。
【００４９】
なお、シリコン系結晶基板の残りの部分は、その残りの部分の厚みにもよるが、次のシリコン系結晶薄膜の形成時に再利用できる。
（１−５）第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、ボイド形成工程におけるボイド形成のための結晶基板の加熱が、エピタキシャル成長工程で用いる金属融液に結晶基板を浸すことで行われる。以下、さらに詳しく説明する。
【００５０】
エピタキシャル成長工程においては、前述のようにシリコンを金属融液に十分な量溶かすには、例えば、所定第１温度まで金属融液を加熱する必要がある。金属融液が例えばＩｎを含むものであるときには、この第１温度は、前述のように、例えば８００°Ｃ〜１０００°Ｃ程度である。また、エピタキシャル成長工程においては、シリコンを析出するために、第１温度から金属融液を固まらない程度の所定第２温度（例えば、３５０°Ｃ程度）まで冷却する必要がある。第２温度まで冷却した金属融液を別のシリコン系結晶基板への結晶薄膜形成に利用するときには、例えば、再度金属融液を第１温度まで加熱する必要がある。例えば金属融液を３５０°Ｃから８００°Ｃまで加熱し、８００°Ｃから３５０°Ｃまで冷却する場合、良好な結晶を得るために例えば５°Ｃ／ｍｉｎ以下の割合で金属融液を冷却すると、冷却だけでも９０分は要する。また、３５０°Ｃから８００°Ｃに金属融液を加熱するのにも、加熱装置の性能等にもよるが、数分程度は要する。
【００５１】
一方、ボイド形成工程においては、前述のようにボイド形成のために、イオン注入されたシリコン系結晶基板を、例えば、３５０°Ｃ〜６００°Ｃで数分間程度加熱する必要がある。
【００５２】
したがって、エピタキシャル成長工程において用いる金属融液に、イオン注入された結晶基板を浸すことで、ボイド形成のために必要な温度を結晶基板に加えることができる。イオン注入された結晶基板は、ボイド形成のために、金属融液の加熱中に金属融液に浸してもよく、冷却中に金属融液に浸してもよい。金属融液の冷却を開始してから結晶基板を金属融液に浸すときには、ボイド形成と析出による薄膜形成を同時に行うことができる。要するに、ボイド形成に必要な温度の金属融液中に必要な時間、結晶基板を浸せばよい。
【００５３】
結晶基板をボイド形成のために、例えば、金属融液の加熱中に金属融液に浸す場合などにおいては、金属融液がボイド形成に必要な温度より低い温度のときから、結晶基板を金属融液に浸しておいてもよい。結晶基板をボイド形成のために、例えば、金属融液の加熱中に金属融液に浸す場合などにおいて、ボイド形成に必要な温度を必要な時間結晶基板に加えた後、一旦結晶基板を金属融液から取り出してもよいが、結晶基板上への結晶薄膜形成が終了するまで結晶基板を金属融液に浸しておいてもよい。
【００５４】
このように第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、ボイド形成工程の一部又は全部をエピタキシャル工程と並行して行うことができる。エピタキシャル工程で行う処理中に、ボイド形成処理を行うことができる。また、ボイド形成のために結晶基板を加熱するためだけの加熱装置を別途必要としない。したがって、時間及び工数少なく、効率良くシリコン系結晶薄膜を形成することができる。また、それだけ安価にシリコン系結晶薄膜を形成することができる。
【００５５】
また、第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、金属融液に結晶基板を浸してボイドを形成するため、シリコン系結晶基板をボイド形成のために加熱しているときに、結晶基板のイオン注入面に圧力も加えることができる。
【００５６】
ここで、ボイド形成のため結晶基板を加熱しているときにおいて、結晶基板のイオン注入面に圧力を加えておかないと、注入イオンがガス化したときのガス圧によって、結晶基板のイオン注入面側の表層が部分的に剥離するなどして、直径数μｍ程度以下のクレータ状の穴がイオン注入面にできてしまう。
【００５７】
これに対して、第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、前述のように、結晶基板を金属融液に浸すことでイオン注入面に圧力を加えながら、結晶基板をボイド形成のために加熱することができるので、このような部分剥離を抑制できる。イオン注入面を加圧するための手段を別途用意することなく、ボイド形成時にイオン注入面を加圧することができる。それだけ安価にボイドを形成することができ、ひいてはそれだけ安価にシリコン系結晶薄膜を形成することができる。
（１−６）第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、エピタキシャル成長工程において形成した結晶薄膜に支持基板を接着する接着工程をさらに行ってもよい。
【００５８】
接着工程を行うことで、支持基板の上に、エピタキシャル成長工程において形成したシリコンを主成分とする結晶薄膜、シリコン系結晶基板の一部であった結晶薄膜が順に形成されたものを得ることができる。
【００５９】
接着工程における結晶薄膜と支持基板の接着は、例えば、接着剤を用いて行えばよい。結晶薄膜と支持基板の接着は、これらを重ね合わせた後、これらを高温加熱することで行ってもよい。
【００６０】
接着工程は、例えば、分離工程の後に行えばよい。すなわち、分離工程においてシリコン系結晶薄膜を得た後、その結晶薄膜を支持基板に接着してもよい。このとき、接着剤を用いて接着を行えば、支持基板は高温に曝されないため、軟化点が低い基板も採用でき、比較的広い範囲の中から支持基板を選択することができる。例えば、支持基板としてソーダガラスのような軟化点の低い安価なガラス基板も採用できる。
【００６１】
接着工程は、エピタキシャル成長工程の後であって、分離工程の前に行ってもよい。すなわち、エピタキシャル成長工程においてシリコン系結晶基板上に結晶薄膜を形成した後、或いは、必要に応じて結晶薄膜上の金属（シリコンを溶かすために用いた金属）を除去した後、結晶薄膜上に支持基板を接着してもよい。このとき、接着剤を用いて接着を行えば、上記と同様に、比較的広い範囲の中から支持基板を選択することができる。
（２）本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法
第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法は、
シリコンを主成分とするシリコン系結晶基板に水素イオン又はヘリウムイオンを注入するイオン注入工程と、
前記シリコン系結晶基板のイオン注入面上に所定膜を形成する膜形成工程と、前記膜が形成された結晶基板を加熱して、該基板のイオン注入位置にボイドを形成するボイド形成工程と、
前記結晶基板をボイド形成位置で分離する分離工程とを含み、
前記膜形成工程において、前記所定膜の表面からイオン注入位置までの厚さが２μｍ以上となるように、該膜を形成するシリコン系結晶薄膜の形成方法である。
【００６２】
第２タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法において、後述する支持基板接着工程をさらに設けることによって、支持基板の上にシリコン系結晶薄膜を形成することもできる。第２タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、例えば、太陽電池の作製などに利用でき、ｐｎ構造、ｎｐｐ⁺構造などを有する薄膜を支持基板上に形成することができる。また、第２タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、電力用デバイスなどに用いられる炭化珪素単結晶薄膜を支持基板上に形成することもできる。また、第２タイプのシリコン系結晶薄膜形成方法によると、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板も形成できる。
【００６３】
第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法は、イオン注入工程、膜形成工程、ボイド形成工程及び分離工程を含んでいる。第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法も、前記第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法と同様に、いわゆるイオン注入剥離法を利用したものである。以下、各工程ついて順に詳しく説明する。
（２−１）イオン注入工程
イオン注入工程においては、シリコンを主成分とするシリコン系結晶基板に水素イオン又はヘリウムイオンを注入する。後述するボイド形成工程において、シリコン系結晶基板にボイドを形成する処理の前処理としてイオン注入を行う。
【００６４】
前記（１−１）のイオン注入工程の説明の中で述べたことは、第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法におけるイオン注入工程においても、同様のことが言える。
（２−２）膜形成工程
膜形成工程においては、シリコン系結晶基板に１又は２以上の所定膜を形成する。
【００６５】
膜形成工程は、イオン注入工程の後、且つ、後述するボイド形成工程の前に行う。
【００６６】
膜形成工程においては、シリコン系結晶基板のイオン注入面上に所定膜を形成する。
【００６７】
なお、イオン注入工程の前に（すなわち膜形成工程の前に）、シリコン系結晶基板には熱酸化膜等の膜を形成しておいてもよい。このようにイオン注入工程及び膜形成工程前に、シリコン系結晶基板に既に膜形成が行われている場合であっても、膜形成工程においては上記のようにシリコン系結晶基板のイオン注入面上に所定膜を形成する。この場合、イオン注入前にシリコン系結晶基板に形成した膜（熱酸化膜等）側からイオン注入を行ったときには、膜形成工程においては、イオン注入面であるイオン注入工程前に形成した膜の上にさらに所定膜を形成する。
【００６８】
すなわち、膜形成工程で形成される所定膜は、イオン注入工程の後に形成される膜であって、シリコン系結晶基板のイオン注入面上に形成される膜である。
【００６９】
膜形成工程においては、例えば、ＣＶＤ法、ペースト塗布法などによって膜を形成すればよい。
【００７０】
膜形成工程においては、例えば、絶縁膜をシリコン系結晶基板上に形成すればよい。絶縁膜は、例えば、ＳｉＯ₂膜とすればよい。
【００７１】
膜形成工程においては、導電性膜をシリコン系結晶基板上に形成してもよい。導電性膜は、例えば、Ａｌを主成分とする膜とすればよい。導電性膜は、例えば、電極として利用することができる。
（２−３）ボイド形成工程
ボイド形成工程においては、膜形成工程において膜を形成したシリコン系結晶基板を加熱して、結晶基板のイオン注入位置にボイドを形成する。
【００７２】
前記（１−２）のボイド形成工程の説明の中で述べたことは、第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法におけるボイド形成工程においても、同様のことが言える。
（２−４）分離工程
分離工程においては、シリコン系結晶基板をボイド形成位置で分離する。
【００７３】
これにより、シリコン系結晶基板の一部であったシリコンを主成分とする結晶薄膜の上に、膜形成工程で形成した膜が形成されたシリコン系結晶薄膜が得られる。
【００７４】
前記（１−４）の分離工程の説明の中で述べたことは、第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法における分離工程においても、同様のことが言える。
（２−５）本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法の膜形成工程においては、膜の表面からイオン注入位置までの厚さが２μｍ以上となるように、イオン注入面上に該膜を形成する。また、膜形成工程は、前述のように、イオン注入工程の後であってボイド形成工程の前に行う。
【００７５】
これにより、ボイド形成工程においてシリコン系結晶基板にボイドを形成するとき、結晶基板のイオン注入面は膜形成工程においてイオン注入面上に形成された膜によって加圧される。したがって、ボイド形成時においてシリコン系結晶基板のイオン注入面側の表層の部分的なミクロな剥離を抑制できる。シリコン系結晶基板のイオン注入面を加圧するための手段を別途用意することなく、部分的な剥離を抑制できる。膜形成工程において形成した膜を加圧手段として利用して、シリコン系結晶基板のイオン注入面を加圧し、部分的な剥離を抑制できる。
【００７６】
シリコン系結晶基板のイオン注入面上にたとえパーティクルがあったときでも、本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、次に述べるように、ボイド形成時の結晶基板のミクロな剥離を抑制できる。
【００７７】
なお、本発明の第２タイプの方法とは異なる次の手法を採用して、イオン注入面を加圧しながらボイドを形成するときには、結晶基板にミクロな剥離等が生じやすい。すなわち、イオン注入面上に直接第２の基板を載せて、その第２基板でイオン注入面を加圧しながらボイドを形成するときには、イオン注入面上にパーティクルがあると、換言すれば、結晶基板と第２基板の間にパーティクルがあると、ミクロな剥離やクラックが生じやすい。これは、結晶基板のイオン注入面側の表面からイオン注入位置までの距離（イオン注入深さ）が通常１μｍ程度と小さいことや、パーティクルによってイオン注入面に押圧されない部分ができてしまうことが原因であると考えられる。
【００７８】
これに対して、本発明の第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にたとえパーティクルがあったとしても、膜形成工程においてそのイオン注入面上にＣＶＤ法やペースト塗布法などによって膜を形成することで、その膜内にパーティクルを埋没させることができる。パーティクルがあると、膜表面に多少の凹凸が生じることもあるが、膜表面からイオン注入位置までの距離を２μｍ以上にすることで、ミクロな剥離を抑制できる。イオン注入面上に形成した膜内にパーティクルを埋没させることで、イオン注入面に押圧されない部分ができず、これによりミクロな剥離を抑制できるものと考えられる。
【００７９】
したがって、本発明の第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、結晶基板のイオン注入面上にたとえパーティクルがあっても、勿論その量にもよるが、従来のような不良が発生せず、十分に目的とする機能を達成できるシリコン系結晶薄膜が得られる。たとえパーティクルがイオン注入面上にあっても、従来のように作製されたシリコン系結晶薄膜は不良品とならないので、それだけ生産性高く、安価にシリコン系結晶薄膜を形成することができる。また、比較的クリーン度の低い環境下（例えば、比較的クリーン度の低いクリーンルーム内）においても、目的とする機能を達成できるシリコン系結晶薄膜を形成することができる。これによっても、それだけ安価にシリコン系結晶薄膜を形成することができる。
（２−６）本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、膜形成工程において形成した膜に支持基板を接着する接着工程をさらに行ってもよい。
【００８０】
接着工程を行うことで、支持基板の上に、膜形成工程において形成した所定膜、シリコン系結晶基板の一部であった結晶薄膜が順に形成されたものを得ることができる。膜形成工程で絶縁膜（例えばＳｉＯ₂膜）を形成していれば、支持基板上に絶縁膜、シリコンを主成分とする膜が順に形成された、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が得られる。また、膜形成工程で電極として利用する導電性膜（例えばＡｌ膜）を形成していれば、支持基板上に電極、シリコンを主成分とする膜が順に形成されたものが得られる。
【００８１】
接着工程における膜と支持基板の接着は、例えば、接着剤を用いて行えばよい。膜と支持基板の接着は、これらを重ね合わせた後、これらを高温加熱することで行ってもよい。
【００８２】
接着工程は、例えば、分離工程の後に行えばよい。すなわち、分離工程においてシリコン系結晶薄膜を得た後、その結晶薄膜を支持基板に接着してもよい。このとき、接着剤を用いて接着を行えば、支持基板は高温に曝されないため、軟化点が低い基板も採用でき、比較的広い範囲の中から支持基板を選択することができる。例えば、支持基板としてソーダガラスのような軟化点の低い安価なガラス基板も採用できる。
【００８３】
接着工程は、ボイド形成工程の後であって、分離工程の前に行ってもよい。このとき、接着剤を用いて接着を行えば、上記と同様に、比較的広い範囲の中から支持基板を選択することができる。
【００８４】
接着工程は、膜形成工程の後であって、ボイド形成工程の前に行ってもよい。この場合、支持基板も結晶基板とともに、ボイド形成のために高温に曝されることになるので、その高温に耐えうる支持基板を採用すればよい。
（２−７）本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法においては、膜形成工程において形成する膜は前述のように例えば導電性膜とすればよい。この導電性膜をアルミニウムを主成分とする膜とし、この導電性膜が形成されたシリコン系結晶基板を５００°Ｃ以上で１時間以上加熱する加熱工程をさらに行ってもよい。この加熱工程を行うことで、結晶基板として例えばｐ型シリコン基板を採用しているときには、アルミニウムの熱拡散によりｐ⁺層を形成することができる。これによりｐｐ⁺、電極層の構造の薄膜ができる。分離工程の後シリコン系結晶基板の分離面（剥離面）側からリンなどを拡散させることでｎ層を形成すれば、ｎｐｐ⁺、電極層の構造の薄膜ができる。
【００８５】
なお、シリコン系結晶基板を５００°Ｃ以上で１時間以上加熱すれば、シリコンへのアルミニウムの拡散を行えるとともに、ボイドも形成することができる。したがって、加熱工程における加熱と、ボイド形成工程におけるボイド形成のための加熱は、同時に、一つの工程で行ってもよい。
【００８６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（１）図１（Ａ）に、参考例であるシリコン系結晶薄膜の形成方法（前記第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法）により形成できるシリコン系結晶薄膜の一例の概略断面図を示す。
【００８７】
図１（Ａ）に示すシリコン系結晶薄膜Ｆ１は、シリコン単結晶薄膜１１とシリコン単結晶薄膜２１が積層されたものである。
【００８８】
このシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、図１（Ｂ）に示すように、シリコン系結晶薄膜Ｆ１を支持基板５上に形成することもできる。支持基板５としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板などが採用できる。
【００８９】
以下、シリコン系結晶薄膜Ｆ１を形成するときの、このシリコン系結晶薄膜の形成方法について、図２の工程図を参照して説明する。
【００９０】
まず、シリコン単結晶基板１を用意する。本例では、ウェハ状の結晶基板１を用意した。
【００９１】
次いで、シリコン単結晶基板１の両面から水素イオンを注入する（図２（Ａ）参照）。本例では、加速電圧２０ｋＶで水素負イオンを結晶基板１に注入した。これにより、結晶基板１の両表面からそれぞれ約０．２μｍの深さの位置に水素イオンは注入される。本例では、水素負イオンを注入するので、質量分離を行わなくても、イオン注入深さを揃えることができる。結晶基板１の両面から水素イオンを注入するのは、最終的に二つのシリコン系結晶薄膜Ｆ１を一度に得るためである。水素イオンは、後の工程において結晶基板１の分離を容易にするために、注入密度５×１０¹⁶個／ｃｍ²程度以上注入する。
【００９２】
なお、同じ深さに注入するには加速電圧を水素イオンを注入するときに比べて大きくする必要はあるが、水素イオンに代えてヘリウムイオンを結晶基板に注入してもよい。
【００９３】
次いで、カーボンボート８１内に、イオン注入されたシリコン単結晶基板１、インジウム微粉末及びシリコン微粉末を入れて、これらを加熱する。インジウムの融点（約１５７°Ｃ）を超えると、インジウム粉末は徐々に溶融し、結晶基板１の全面を融液が覆うようになる（図２（Ｂ）参照）。さらに温度を上げると、インジウム融液中にシリコンが徐々に溶けはじめる。シリコンの融点は１４００°Ｃ以上であるので、シリコンだけを加熱しても１０００°Ｃ以下ではシリコンは溶けないが、このようにインジウム等の金属とともにシリコンを加熱することで、比較的低温でシリコンを溶かすことができる。８００°Ｃ〜１０００°Ｃ程度まで融液を加熱して、シリコンを飽和状態まで溶かす。これらにより、結晶基板１全体をシリコン及びインジウムを含む融液中に浸し、結晶基板１を加熱する。この後、０．１°Ｃ／ｍｉｎ〜５°Ｃ／ｍｉｎ程度の割合で、シリコン及びインジウムを含む融液を冷却する。
【００９４】
この加熱及び冷却を行っている間に、イオン注入されたシリコン単結晶基板１には、３５０°Ｃ〜６００°Ｃ程度の熱が数分間は加わる。これにより結晶基板１のイオン注入位置１３、１４には、多数のボイド（空孔）１５が層状に形成される図２（Ｃ）参照）。結晶基板１に注入された水素が加熱により、ガス化してボイド１５は形成される。結晶基板１にボイド１５が形成されたことで、結晶基板１のボイド形成位置は強度が弱くなる。
【００９５】
また、飽和状態まで溶かしたシリコンを含む融液を冷却することで、シリコン単結晶基板１の表面上には過飽和となったシリコンが析出する。これにより、シリコン単結晶基板１のイオン注入面を含む表面には、シリコン単結晶膜４が形成される。シリコン単結晶膜４は、シリコン単結晶からなる基板１上にシリコン単結晶がエピタキシャル成長することで形成される。すなわち、シリコン単結晶膜４は、エピタキシャル成長法の一種である液相成長法によって形成される。
【００９６】
なお、本例では、インジウム及びシリコンが溶けていないときから、これらを収納したカーボンボート８１内に結晶基板１を入れておいたが、例えば、インジウムが融液状態になってから、結晶基板１をその融液に浸してもよい。
【００９７】
前述のように融液を０．１°Ｃ／ｍｉｎ〜５°Ｃ／ｍｉｎ程度の割合で冷却することで、結晶性の良好なシリコン単結晶膜４を形成することができる。
【００９８】
次いで、インジウムが固まらないうちにシリコン単結晶膜４が形成された結晶基板１を融液から取り出す。結晶基板１を融液から取り出すタイミングなどによって、エピタキシャル成長により形成するシリコン単結晶膜４の膜厚を調整できる。エピタキシャル成長により、シリコン単結晶膜４の膜厚は、数十μｍ程度にまで厚くすることができる。一回のエピタキシャル成長によって、さらに言うと、一回の融液冷却によるシリコン析出によって、必要なシリコン単結晶膜４の膜厚が得られないときには、２回以上このようなエピタキシャル成長工程を行ってもよい。
【００９９】
次いで、シリコン単結晶膜４の表面上の不要なインジウムをエッチングにより除去する。
【０１００】
次いで、シリコン単結晶膜４が形成された結晶基板１をその両面から面法線方向に引っ張る（図２（Ｄ）参照）。本例では、静電チャック８２１、８２２を用いて結晶基板１をその両面から引っ張った。これにより、結晶基板１のボイド１５の形成位置で、結晶基板１を分離する（図２（Ｅ）参照）。本例では、前述のように結晶基板１の両面から水素イオンを注入したため、結晶基板１の二つの位置で層状にボイド１５が形成されており、結晶基板１を三つに分離することができる。
【０１０１】
これにより、シリコン単結晶基板１の一部であったシリコン単結晶膜１１と、シリコン単結晶膜４１が積層されたシリコン単結晶膜Ｆ１が得られる。また、シリコン単結晶基板１の一部であったシリコン単結晶膜１２と、シリコン単結晶膜４２が積層されたシリコン単結晶膜Ｆ１も得られる。結晶基板１の両面にイオン注入を行ったため、このように一度に二つのシリコン単結晶膜Ｆ１が得られる。シリコン単結晶膜Ｆ１中のシリコン単結晶基板１の一部であった単結晶膜部分１１、１２の膜厚は、イオン注入時のイオン注入深さにほぼ相当する。なお、残りのシリコン単結晶基板部分１６は、次のシリコン単結晶膜Ｆ１の形成に利用することができる。
【０１０２】
シリコン単結晶膜Ｆ１を得た後、支持基板５上に膜Ｆ１を接着することで、シリコン単結晶膜Ｆ１を支持基板５上に形成することもできる（図２（Ｆ）参照）。シリコン単結晶膜Ｆ１は例えば接着剤によって支持基板５に接着すればよい。シリコン単結晶膜Ｆ１と支持基板５を重ね合わせた後、これらを高温に加熱することでも、これらを接着することができる。接着剤を用いてシリコン単結晶膜Ｆ１と支持基板５を接着するときには、支持基板５として比較的耐熱性の低い、それだけ安価な基板（例えばソーダガラス基板等）を採用することができる。加熱によりシリコン単結晶基板Ｆ１と支持基板５を接着するときには、支持基板５としては接着のための加熱に耐えうる基板（例えば、シリコン基板等）を採用すればよい。
【０１０３】
次のようにしても、支持基板５上にシリコン単結晶膜Ｆ１を形成することができる。シリコン単結晶膜４が形成されたシリコン単結晶基板１を融液から取り出し、シリコン単結晶膜４表面上のインジウムを除去した後、支持基板５をシリコン単結晶膜４１、４２表面上に接着する（図２（Ｇ）参照）。この後、結晶基板１をボイド形成位置で分離することで、支持基板５上にシリコン単結晶膜Ｆ１が形成されたものが得られる（図２（Ｈ）参照）。
【０１０４】
なお、シリコン単結晶膜１１、１２の分離面を、必要に応じて、研磨等により平坦化してもよい。また、シリコン単結晶膜Ｆ１を支持基板５に接着した後などにおいて、シリコン単結晶基板の一部であったシリコン単結晶膜１１（１２）部分をエッチング等により除去してもよい。このように、シリコン単結晶膜１１（１２）部分を除去しても、支持基板５上にはエピタキシャル成長工程において形成したシリコン単結晶膜４１（４２）が残る。さらに言うと、支持基板５上にはイオン注入欠陥のない高品質のシリコン単結晶膜４１（４２）だけが残る。
【０１０５】
以上説明したシリコン系結晶薄膜の形成方法（前記第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法）によると、イオン注入工程において深い位置に水素イオンを注入しなくても、エピタキシャル成長工程においてシリコン単結晶膜４を形成するため、比較的厚いシリコン単結晶膜Ｆ１が得られる。したがって、イオン注入時の加速電圧をそれほど大きくする必要がなく、大がかりでない普通のイオン加速装置でイオン注入を行うことができる。また、加速電圧を大きくする必要がないため、イオン注入時の結晶基板１の過昇温も抑制できる。また、加速電圧を大きくする必要がないので、イオンビーム電流をそれほど制限する必要もなく、効率的に必要な密度までイオンを注入することができる。
【０１０６】
また、このシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、結晶基板１にボイド１５を形成するボイド形成工程とシリコン単結晶薄膜を形成するエピタキシャル成長工程を並行して行うことができる。ボイド形成だけに用いる加熱装置を別途必要としない。したがって、時間及び工数少なく、さらに言うと、効率よく比較的厚いシリコン単結晶膜Ｆ１が得られる。それだけ、シリコン単結晶薄膜Ｆ１の製造コストを安くすることができる。
【０１０７】
シリコンボート８１内のシリコン及びインジウムを含む融液を次のシリコン単結晶薄膜の形成に利用するときには、冷却した融液を、十分な量のシリコンを溶かすために８００°Ｃ〜１０００°Ｃ程度まで再度加熱する必要がある。シリコンを十分溶かすための融液の加熱中に、次の結晶基板をボイド形成のために加熱することもできる。連続してシリコン単結晶膜Ｆ１を形成するときにも、このように効率的に膜形成を行うことができる。
【０１０８】
また、融液に結晶基板１の全体を浸してボイド１５を形成するため、ボイド１５の形成のための結晶基板１の加熱時に、結晶基板１のイオン注入面に圧力を加えておくことができる。これにより、ボイド形成時の結晶基板１のイオン注入面にクレータ状のミクロな剥離が発生することを抑制することができる。結晶基板１のイオン注入面を押圧するための加圧手段を別途用意することなく、ミクロな剥離を抑制することができる。
（２）図３（Ａ）に、前記第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できるシリコン系結晶薄膜の一例（参考例）の概略断面図を示す。
【０１０９】
図３（Ａ）に示すシリコン系結晶薄膜Ｆ２は、シリコン単結晶膜２２１、絶縁性のＳｉＯ₂膜２１、絶縁性のＳｉＯ₂膜６が積層されたものである。すなわち、シリコン系結晶薄膜Ｆ２は、シリコン単結晶膜２２１と、絶縁膜であるＳｉＯ₂膜２１、６が積層されたものである。
【０１１０】
図３（Ｂ）に示すように、シリコン系結晶薄膜Ｆ２を支持基板５上に形成することもできる。すなわち、いわゆるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を形成することもできる。
【０１１１】
以下、シリコン系結晶薄膜Ｆ２を形成するときのシリコン系結晶薄膜の形成方法について、図４の工程図を参照して説明する。
【０１１２】
まず、シリコン単結晶基板２を用意する（図４（Ａ）参照）。本例では、ウェハ状の結晶基板２を用意した。
【０１１３】
次いで、シリコン単結晶基板２の片面の表層部分に熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）２１を形成する（図４（Ｂ）参照）。本例では、膜厚０．９μｍのＳｉＯ₂膜２１を形成した。これにより、ＳｉＯ₂膜２１、シリコン単結晶膜２２が積層されたものを得る。
【０１１４】
次いで、シリコン単結晶基板２のＳｉＯ₂膜２１側から水素イオンを注入する（図４（Ｃ）参照）。本例では、加速電圧１００ｋＶで、水素負イオンを注入した。これにより、ＳｉＯ₂膜２１表面から約１．０μｍの位置に水素イオンを注入した。水素イオンは、注入密度５×１０¹⁶個／ｃｍ²程度以上注入した。
【０１１５】
次いで、基板２のイオン注入面上に、すなわち、熱酸化により形成したＳｉＯ₂膜２１上に、さらにＳｉＯ₂膜６を形成する（図４（Ｄ）参照）。本例では、ＳｉＯ₂膜６は、ＣＶＤ法で３５０°Ｃ以下の環境下において形成した。本例では、ＳｉＯ₂膜６の膜厚は、１．０μｍとした。すなわち、結晶基板２上に、膜表面からイオン注入位置２３までの距離が２μｍ以上となるように、ＳｉＯ₂膜６を形成した（図５参照）。このような膜厚にＳｉＯ₂膜６を形成した理由については後述する。
【０１１６】
次いで、ＳｉＯ₂膜６が形成された結晶基板２を加熱して、結晶基板２のイオン注入位置にボイド２４を形成する（図４（Ｅ）参照）。本例では、結晶基板２を３５０°Ｃで１０分間以上加熱することで、ボイド２４を形成した。
【０１１７】
この後、結晶基板２をボイド２４の形成位置で分離することで、シリコン系結晶薄膜Ｆ２を得た。シリコン系結晶薄膜Ｆ２は、シリコン単結晶基板２の一部であったシリコン単結晶膜２２１、熱酸化により形成したＳｉＯ₂膜２１、ＣＶＤ法によって形成したＳｉＯ₂膜６が順に積層されたものである。
【０１１８】
シリコン系結晶薄膜Ｆ２を得た後、この薄膜Ｆ２のＳｉＯ₂膜６に支持基板５を接着することで、薄膜Ｆ２を支持基板５上に形成することができる（図４（Ｇ）参照）。これにより、シリコン単結晶膜２２１、絶縁膜であるＳｉＯ₂膜２１、６が支持基板５上に形成されたいわゆるＳＯＩ基板が得られる。支持基板５と薄膜Ｆ２（ＳｉＯ₂膜６）は、接着剤を用いて接着してもよく、加熱することで接着してもよい。支持基板５と薄膜Ｆ２は、これらを重ね合わせた後、例えば、１１００°Ｃ程度で１時間以上加熱することで、接着することができる。前述と同様に、接着剤を用いて支持基板と薄膜Ｆ２を接着すれば、支持基板として耐熱性の低い、安価な基板も採用することができる。
【０１１９】
シリコン系結晶薄膜Ｆ２を得た後、この薄膜Ｆ２を支持基板５に接着することに代えて、次のようにしても、支持基板５上に薄膜Ｆ２を形成することができる。
【０１２０】
例えば、結晶基板２にボイド２４を形成した後、ボイド形成位置で結晶基板２を分離する前に支持基板５を接着し（図４（Ｈ）参照）、その後結晶基板２を分離すればよい（図４（Ｉ）参照）。この場合も、接着剤を用いて支持基板５を接着すれば、支持基板５として比較的耐熱性の低い基板が採用できる。
【０１２１】
或いは、結晶基板２上にＳｉＯ₂膜６を形成した後、このＳｉＯ₂膜６上に支持基板５を載置し（図４（Ｊ）参照）、加熱によりボイド２４を形成するとともい、ＳｉＯ₂膜６と支持基板５を接着し（図４（Ｋ）参照）、結晶基板２をボイド形成位置で分離してもよい（図４（Ｌ）参照）。この場合、ボイド形成及び接着のための加熱は、例えば、次のように行えばよい。例えば、まず、ボイド２４の形成のために、３５０°Ｃ以上で１０分間以上加熱し、その後、１１００°Ｃ程度で１時間以上加熱すればよい。この場合、支持基板５としては、１１００°Ｃ程度の熱に耐えうる例えばシリコン基板を採用すればよい。
【０１２２】
以上説明したシリコン系結晶薄膜Ｆ２の形成方法においては、前述のように、シリコン単結晶基板２のイオン注入面（本例では、ＳｉＯ₂膜２１の面）上にＳｉＯ₂膜６を形成した後、加熱によるボイド２４の形成が行われる。また、ＳｉＯ₂膜６の表面からイオン注入位置までの距離が、２μｍ以上となるように、ＳｉＯ₂膜６は形成される。
【０１２３】
そのため、ボイド形成のための加熱時に、結晶基板２のイオン注入面をＳｉＯ₂膜６によって加圧することができる。したがって、ボイド形成時において結晶基板２のイオン注入面側の表層が部分的にクレータ状に剥離してしまうことを抑制できる。膜形成工程において形成したＳｉＯ₂膜６を加圧手段として利用して、イオン注入面を加圧し、ミクロな剥離を抑制できる。１μｍ程度の膜厚のＳｉＯ₂膜６によっても、十分にイオン注入面を加圧して、ミクロな剥離を抑制できる。イオン注入面を加圧するための加圧手段を別途用意することなく、ミクロな剥離を抑制できる。
【０１２４】
また、前述のようにＳｉＯ₂膜６表面から、イオン注入位置までの距離が２μｍ以上となるように、ＳｉＯ₂膜６を形成することで、たとえイオン注入面上にパーティクルが存在していたとしても、図１０に示すようなミクロな剥離や、クラックの発生を抑制できることを確認した。次に述べる理由により、ミクロな剥離等が抑制できるものと考えられる。イオン注入面（本例では、熱酸化により形成したＳｉＯ₂膜２１）上に、パーティクル９３があったとしても、このイオン注入面上にさらにＣＶＤ法によってＳｉＯ₂膜６を形成することで、図６（Ａ）に示すように、ＳｉＯ₂膜６中にパーティクル９３を埋没させることができる。ＳｉＯ₂膜６中にパーティクル９３を埋没させることで、イオン注入面に図１０に示すような押圧されない部分ができず、ミクロな剥離等を抑制できると考えられる。
（３）図７（Ａ）に、本発明に係るシリコン系結晶薄膜の形成方法（前記第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法）により形成できるシリコン系結晶薄膜の例の概略断面図を示す。
【０１２５】
図７（Ａ）に示すシリコン系結晶薄膜Ｆ３は、ｎ型シリコン単結晶膜３４１２、ｐ型シリコン単結晶膜３４１１、ｐ⁺型シリコン単結晶膜３３及びＡｌ膜７が順に積層されたものである。
【０１２６】
本発明に係るシリコン系結晶薄膜の形成方法によると、図７（Ｂ）に示すように、薄膜Ｆ３を支持基板５上に形成することもできる。図７（Ｂ）に示す薄膜Ｆ３付きの支持基板５は、電極として利用できるＡｌ膜７上にｎｐｐ⁺構造が形成されており、例えば、太陽電池等の作製に利用できる。
【０１２７】
以下、シリコン系結晶薄膜Ｆ３を形成するときの本発明に係るシリコン系結晶薄膜の形成方法について、図８の工程図を参照して説明する。
【０１２８】
まず、ｐ型シリコン単結晶基板３を用意する（図８（Ａ）参照）。本例では、ウェハ状の結晶基板３を用意した。
【０１２９】
次いで、結晶基板３に水素イオンを注入する（図８（Ｂ）参照）。本例では、加速電圧１００ｋＶで、水素負イオンを注入した。これにより、結晶基板３の表面から約１．０μｍの位置に水素イオンを注入した。水素イオンは、５×１０¹⁶個／ｃｍ²程度以上の密度で注入した。
【０１３０】
次いで、結晶基板３のイオン注入面上にＡｌ膜７を形成する（図８（Ｃ）参照）。ペースト状のアルミニウムを塗布することで、簡単に、且つ、安価にＡｌ膜７を形成することができる。本例では、Ａｌ膜７の膜厚は、１μｍとした。すなわち、Ａｌ膜７の表面からイオン注入位置までの距離が２μｍ以上となるように、Ａｌ膜７は形成した。このような膜厚でＡｌ膜７を形成した理由は、前記シリコン系結晶薄膜Ｆ２を形成するときに、ＳｉＯ₂膜６を同様な膜厚にした理由と同じである。
【０１３１】
次いで、Ａｌ膜７が形成された結晶基板３を３５０°Ｃ〜６００°Ｃ程度で数分間以上加熱することで、イオン注入位置３１にボイド３２を形成する（図８（Ｄ）参照）。
【０１３２】
このとき、５００°Ｃ以上で１時間以上結晶基板３を加熱することで、Ａｌ膜７中のアルミニウムをｐ型シリコン単結晶基板３中に熱拡散させることができる。これにより、結晶基板３のＡｌ膜７の近傍部分をｐ⁺層（ｐ⁺型シリコン単結晶膜）３３に変えることができる（図８（Ｄ）参照）。結晶基板３の残りの部分３４は、元のｐ型特性のままである。
【０１３３】
次いで、結晶基板３をボイド３２の形成位置で分離する（図８（Ｅ）参照）。これにより、Ａｌ膜７、ｐ⁺型シリコン単結晶膜３３、ｐ型シリコン単結晶膜３４１が順に積層されたものを得る。
【０１３４】
次いで、ｐ型シリコン単結晶膜３４１の分離面側から、リンなどを拡散させることで、膜３４１の表層部分にｎ層（ｎ型シリコン単結晶膜）３４１２を形成することができる（図８（Ｆ）参照）。膜３４１の残りの部分３４１１は、元のｐ型特性のままである。
【０１３５】
これらにより、シリコン系結晶薄膜Ｆ３が得られる。シリコン系結晶薄膜Ｆ３は、Ａｌ膜７上に、アルミニウムの熱拡散により形成したｐ⁺型シリコン単結晶膜３３、結晶基板３の一部であったｐ型シリコン単結晶膜３４１１、リン等の拡散により形成したｎ型シリコン単結晶膜３４１２が順に形成されたものである。さらに言えば、薄膜Ｆ３は、ｎｐｐ⁺構造の薄膜が、電極として利用できるＡｌ膜７上に形成されたものである。
【０１３６】
シリコン系結晶薄膜Ｆ３を得た後、この薄膜Ｆ３のＡｌ膜７に支持基板５を接着することで、薄膜Ｆ３を支持基板５上に形成することができる（図８（Ｇ）参照）。この薄膜Ｆ３付きの基板５は、例えば、太陽電池の作製に利用することができる。電極として利用するＡｌ膜７上に、ｎｐｐ⁺構造の薄膜が形成されているため、光電変換効率の良い太陽電池を作製することができる。
【０１３７】
支持基板５と薄膜Ｆ３（Ａｌ膜７）は、接着剤を用いて接着してもよく、加熱することで接着してもよい。なお、支持基板５をＡｌ膜に接着した後、ボイド形成位置で基板３を分離しても、薄膜Ｆ３を支持基板５上に形成することができる。
【０１３８】
薄膜Ｆ３を形成する場合も、前記薄膜Ｆ２を形成するときと同様に、ボイド形成のための加熱するときにおいて、イオン注入面上にＡｌ膜７が形成されているため、Ａｌ膜７によりイオン注入面を加圧して、ミクロな剥離を抑制できる。また、Ａｌ膜７の表面からイオン注入位置までの距離が２μｍ以上となるように、Ａｌ膜７を形成するので、たとえイオン注入面上にパーティクルがあったとしても、図１０に示すようなミクロな剥離や、クラックの発生を抑制できる。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明は、生産性よく、できるだけ安価にシリコンを含む結晶薄膜を形成することができるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
【０１４２】
また、本発明は、シリコンを含む結晶基板にイオン注入し、ボイドを形成するなどして、シリコンを含む結晶薄膜を形成する方法であって、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあったとしても、ボイド形成時の結晶基板のミクロな剥離やクラックの発生を抑制できるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
【０１４３】
また、本発明は、シリコンを含む結晶基板にイオン注入し、ボイドを形成するなどして、支持基板上にシリコンを含む結晶薄膜を形成する方法であって、シリコン系結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあったとしても、ボイド形成時の結晶基板のミクロな剥離やクラックの発生を抑制できるシリコン系結晶薄膜の形成方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できるシリコン系結晶薄膜の一例の概略断面図であり、図１（Ｂ）は該シリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できる支持基板上にシリコン系結晶薄膜が形成されたものの一例の概略断面図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｈ）は、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すシリコン系結晶薄膜を形成するときの第１タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法の一例の工程図である。
【図３】図３（Ａ）は第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できるシリコン系結晶薄膜の例の概略断面図であり、図３（Ｂ）は該シリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できる支持基板上にシリコン系結晶薄膜が形成されたものの例の概略断面図である。
【図４】図４（Ａ）〜（Ｌ）は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すシリコン系結晶薄膜を形成するときのシリコン系結晶薄膜の形成方法の一例の工程図である。
【図５】膜形成工程において、イオン注入面上に形成する膜の膜厚を示す図である。
【図６】図６（Ａ）及び（Ｂ）は、結晶基板のイオン注入面上にパーティクルがあったときに、ボイドを形成する様子を示す図である。
【図７】図７（Ａ）は本発明に係る第２タイプのシリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できるシリコン系結晶薄膜の例の概略断面図であり、図７（Ｂ）は該シリコン系結晶薄膜の形成方法により形成できる支持基板上にシリコン系結晶薄膜が形成されたものの例の概略断面図である。
【図８】図８（Ａ）〜（Ｇ）は、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すシリコン系結晶薄膜を形成するときの本発明に係るシリコン系結晶薄膜の形成方法の一例の工程図である。
【図９】従来のシリコン系結晶薄膜の形成方法の一例の工程図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、図９の従来のシリコン系結晶薄膜の形成方法によりシリコン系結晶薄膜を形成する場合において、イオン注入面にパーティクルがあったときにミクロな剥離やクラックが生じる様子を示している。
【符号の説明】
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３シリコン系結晶薄膜
１シリコン単結晶基板
１１、１２シリコン単結晶薄膜
１３、１４イオン注入位置
１５ボイド
２シリコン単結晶基板
２１熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）
２３シリコン注入位置
２４ボイド
２２１シリコン単結晶膜
３シリコン単結晶基板（ｐ型）
３１イオン注入位置
３２ボイド
３３シリコン単結晶膜（ｐ⁺型）
３４１、３４１１シリコン単結晶膜（ｐ型）
３４１２シリコン単結晶膜（ｎ型）
４、４１、４２エピタキシャル成長により形成されたＳｉ膜
５支持基板
６ＳｉＯ₂膜
７Ａｌ膜
９３パーティクル
９１シリコン結晶基板
９１１熱酸化膜（ＳｉＯ₂膜）
９１３イオン注入位置
９１４ボイド
９１５イオン注入面
９１２１シリコン結晶薄膜
９２支持基板

Claims

シリコンを主成分とするシリコン系結晶基板としてｐ型シリコン単結晶基板を採用し、該結晶基板に水素イオン又はヘリウムイオンを注入するイオン注入工程と、
前記イオン注入工程によりイオン注入された前記結晶基板のイオン注入面上にアルミニウムを主成分とする導電性膜を形成する膜形成工程と、
前記導電性膜が形成された前記結晶基板を加熱して、該基板のイオン注入位置にボイドを形成するボイド形成工程と、
前記結晶基板をボイド形成位置で分離する分離工程とを含み、
前記膜形成工程においては、前記導電性膜の表面からイオン注入位置までの厚さが２μｍ以上となるように、該導電性膜を形成し、
前記ボイド形成工程における該導電性膜が形成された結晶基板の加熱による前記ボイドの形成は、該導電性膜を５００℃以上で１時間以上加熱することで行い、該導電性膜を５００℃以上で１時間以上加熱することで該結晶基板の導電性膜近傍部分をｐ⁺層に変換し、
さらに、前記分離工程後に、前記導電性膜が形成された前記結晶基板に、該分離工程による分離面からリン等を拡散させる工程を含んでおり、前記導電性膜上にｎｐｐ ⁺ 構造の薄膜を得ることを特徴とするシリコン系結晶薄膜の形成方法。
前記膜形成工程において形成された前記導電性膜に支持基板を接着する接着工程をさらに含んでいる請求項１記載のシリコン系結晶薄膜の形成方法。