JP2000077287A - 結晶薄膜基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 支持基板が高温に曝されることを防止して、
支持基板として使用できる材料の範囲拡大を可能にす
る。 【解決手段】 この製造方法は、結晶基板２に水素イオ
ンまたはヘリウムイオン４を注入する注入工程（図１
Ａ）と、次いで結晶基板２のイオン注入面６を結晶基板
２の自重で基板台１８に押圧した状態で、結晶基板２を
加熱してイオン注入位置８にボイドを形成するボイド形
成工程（図１Ｂ）と、次いで結晶基板２のイオン注入面
６に支持基板１０を接着材を用いて接着する接着工程
（図１Ｃ）と、次いで結晶基板２と支持基板１０とを結
晶基板２中のイオン注入位置８で剥離させて、支持基板
１０上に結晶薄膜１２を得る剥離工程（図１Ｄ）とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば太陽電池
用基板、液晶ディスプレイ用基板、半導体装置用基板等
として用いられるものであって、支持基板上に結晶薄膜
を形成した構造の結晶薄膜基板を製造する方法に関し、
より具体的には、支持基板が高温に曝されることを防止
して、支持基板として使用できる材料の範囲拡大を可能
にする手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、太陽電池においては、単結晶シ
リコン基板を用いた場合の発電効率は、多結晶シリコン
やアモルファスシリコン基板を用いた場合に比べて高い
にも拘わらず、生産コストが高いために単結晶シリコン
基板は十分に利用されていないのが現状である。生産コ
ストが高いのは、原料となる単結晶シリコン基板のコス
トが高いことが最も大きな要因である。

【０００３】直接遷移型である単結晶シリコンに必要な
膜厚は、ＢＳＦ構造（Back SurfaceField構造。即ち、
基板の裏面に電界層を設けてキャリアの再結合ロスを低
減させる構造）を採用する等して構造を工夫すれば、１
０〜２０μｍ程度あれば良く、これを大きく超えるほど
に厚くなれば、シリコン基板中でトラップ準位によって
電子および正孔の消滅する確率が高くなるので、効率が
低下して不利になる。

【０００４】しかし現状では、単結晶シリコンインゴッ
トの切断に用いられるワイヤソーの技術的な限界から、
２００μｍ前後の厚さ以上にしなければ、基板の割れや
クラック発生が多発するため、量産ラインでは２００μ
ｍ前後に切断後、ワイヤソーによってダメージを受けた
各面を数十μｍ程度エッチングによって削って、最終的
に１２０〜１５０μｍ程度の厚さの単結晶シリコン基板
を得ている。

【０００５】このような製造方法には、基板の膜厚が
大き過ぎて太陽電池の発電効率が低くなる、単結晶シ
リコンインゴットから２００〜３００μｍ厚さ当たり１
枚しか基板が得られないので、材料を無駄遣いして基板
が極めて高コストになる、という課題がある。

【０００６】このような課題を解決する技術の一つとし
て、金属基板やガラス基板等の支持基板上に、厚さ０．
数μｍ〜数十μｍの結晶薄膜、典型的には単結晶薄膜を
形成して結晶薄膜基板を製造する方法が、例えば特開平
１０−９３１２２号公報に提案されている。これを図１
４を参照して説明する。

【０００７】まず、シリコン単結晶基板等の結晶基板２
に、水素イオンまたはヘリウムイオン４を４０〜４００
ｋｅＶ程度のエネルギーで概ね０．５〜４μｍ程度の厚
さに概ね１０¹⁶ｃｍ^-2以上注入する（注入工程。図１４
Ａ）。６はイオン注入面、８はイオン注入位置である。

【０００８】次いで、上記結晶基板２のイオン注入面６
に支持基板１０を積載後（図１４Ｂ）、加熱によってイ
オン注入位置８に高濃度のボイド（空孔）を形成する
（ボイド形成工程。図１４Ｃ）。ボイドを形成するの
は、その層の機械強度を低下させて、後でその層を境に
して剥がしやすくするためである。ボイド形成には、一
般的には３８０〜６００℃程度の加熱が必要である。

【０００９】次いで、上記結晶基板２および支持基板１
０を高温に加熱して、両者を接着する（接着工程。図１
４Ｄ）。両者の高温加熱による接着には、一般的には１
０００℃以上が必要である。

【００１０】次いで、上記結晶基板２と支持基板１０と
を、機械的な力を加えることによって、結晶基板２中の
イオン注入位置８、即ちボイド形成位置で剥離させる
（剥離工程。図１４Ｅ）。これによって、結晶基板２の
イオン注入位置８から上の層が支持基板１０側に移行し
て、支持基板１０上に結晶薄膜（結晶基板２がシリコン
単結晶基板の場合は、シリコン単結晶薄膜）１２が得ら
れる。即ち、支持基板１０上に結晶薄膜１２を形成した
構造の結晶薄膜基板１６が得られる。結晶薄膜１２の膜
厚は、上記イオン注入位置８の深さに相当しており、例
えば０．５〜４μｍ程度である。

【００１１】結晶薄膜の膜厚を大きくしたい場合は、上
記結晶薄膜１２上に更に結晶薄膜１３をエピタキシャル
成長させる（エピ成長工程。図１４Ｆ）。これによっ
て、全体で（即ち結晶薄膜１２と１３の合計で）１０〜
２０μｍ程度の膜厚を得ることができる。このエピタキ
シャル成長には、シリコンの場合は一般的に１０００℃
前後の加熱が必要である。

【００１２】上記構造の結晶薄膜基板１６は、太陽電池
用基板以外にも様々な用途がある。例えば、支持基板と
してのガラス基板上に５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の厚さ
のシリコン単結晶薄膜を形成することによって、多結晶
シリコン（ｐ−Ｓｉ）薄膜より１桁程度高い電子移動度
が得られ、また結晶粒界の存在によるソース・ドレイン
間のリーク電流を劇的に低減できるため、極めて高機能
かつ高速なＴＦＴ−ＬＣＤ（薄膜トランジスタ方式液晶
ディスプレイ）を実現することができる。また、半導体
装置用のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板としても
用いることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した結
晶薄膜基板の従来の製造方法においては、支持基板１０
は、ボイド形成工程において３８０〜６００℃程度、
接着工程において１０００℃以上、更にエピ成長工
程を行う場合は１０００℃前後、というような高温に曝
される。従来の製造方法においてボイド形成工程前から
支持基板１０を積載しておくのは、仮に支持基板１０を
結晶基板２上に積載していない状態で３８０〜６００℃
程度まで加熱してボイド層を形成しようとすると、ボイ
ド形成と同時に、注入イオンが凝集・気化することによ
ってイオン注入位置８付近に急激に発生する水素ガスま
たはヘリウムガスの圧力のために、ボイド層より上層部
に凹凸が生じ、ひいては結晶基板２の表面に凹凸が生じ
てしまうので、これを避けるために加熱前から支持基板
１０を積載しておき、この支持基板１０によって凹凸の
発生を防止する必要があるからであると考えられる。

【００１４】従って、支持基板１０には、上記のような
高温において溶融、歪み等を生じないことが要求され、
従ってこれに使用できる材料は非常に限定されてしま
う。例えば、上記結晶薄膜基板１６をＴＦＴ−ＬＣＤ用
基板に利用する場合、支持基板１０には、通常のソーダ
ガラスのような軟化点の低い安価なガラス基板は使用で
きず、軟化点は高いけれども高価な石英基板を用いざる
を得ない。

【００１５】そこでこの発明は、上記支持基板が高温に
曝されることを防止して、支持基板として使用できる材
料の範囲拡大を可能にすることを主たる目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る製造方法
の一つは、シリコンまたはその化合物から成る結晶基板
に水素イオンまたはヘリウムイオンを注入する注入工程
と、次いで前記結晶基板のイオン注入面を支持基板以外
の押圧手段で押圧した状態で、当該結晶基板を加熱して
前記イオンの注入位置にボイドを形成するボイド形成工
程と、次いで前記結晶基板のイオン注入面に支持基板を
接着材を用いて接着する接着工程と、次いで前記結晶基
板と前記支持基板とを前記結晶基板中の前記イオンの注
入位置で剥離させて、前記支持基板上に結晶薄膜を得る
剥離工程とを備えることを特徴としている（請求項
１）。

【００１７】上記製造方法によれば、ボイド形成工程後
に支持基板を結晶基板に接着するので、支持基板がボイ
ド形成工程時の高温に曝されることを防止することがで
きる。

【００１８】しかも、ボイド形成工程では、結晶基板の
イオン注入面を支持基板以外の押圧手段で押圧した状態
で加熱するので、結晶基板の表面に凹凸が生じることを
防止することができる。

【００１９】また、接着工程では、接着材を用いる接着
を採用しており、接着材による接着では従来の高温加熱
による接着と違って高温加熱を要しないので、接着工程
においても支持基板が高温に曝されることを防止するこ
とができる。

【００２０】このようにこの発明では、支持基板が高温
に曝されることを防止することができるので、支持基板
として使用できる材料の範囲拡大が可能になる。

【００２１】上記ボイド形成工程と接着工程との間に、
結晶基板のイオン注入面上に結晶薄膜をエピタキシャル
成長させるエピ成長工程を設け、この結晶薄膜に支持基
板を接着するようにしても良い（請求項２）。

【００２２】このようにエピ成長工程を付加する場合で
も、エピ成長工程後に支持基板を接着するので、支持基
板が、ボイド形成工程時の高温だけでなく、エピ成長工
程時の高温に曝されることをも防止することができる。
しかもエピ成長工程の付加によって、結晶薄膜の厚さを
簡単に増大させることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る結晶薄膜
基板の製造方法の一例を示す工程図である。図２は、こ
の発明に係る結晶薄膜基板の製造方法の他の例を示す工
程図である。図１４の従来例と同一または相当する部分
には同一符号を付している。

【００２４】図１はエピ成長工程を設けていない場合の
例であり、まずこの例を説明する。

【００２５】まず、結晶基板２に、水素イオンまたはヘ
リウムイオン４を注入する（注入工程。図１Ａ）。６は
イオン注入面である。結晶基板２は、シリコン基板に限
らず、シリコン化合物（例えばＳｉＣ、ＳｉＧｅ、Ｆｅ
Ｓｉ₂ 等）から成る基板でも良い。シリコン化合物から
成る基板においても水素イオンまたはヘリウムイオン４
の注入、加熱によってボイド層が形成されることを確認
している。結晶基板２は、典型的にはこれらシリコン等
の単結晶基板であるが、多結晶基板でも良い。多結晶基
板とすれば、後の工程で得られる結晶薄膜１２は多結晶
薄膜となる。

【００２６】イオン４のエネルギーは、結晶基板２中で
のイオン注入位置８を、換言すれば後の工程で得られる
結晶薄膜１２の厚さを決定する。イオン４のエネルギー
を例えば４０〜４００ｋｅＶにすれば、イオン注入位置
８は前述したように概ね０．５〜４μｍ程度の深さにな
る。イオン４の注入量は、ボイド形成のために、概ね１
０¹⁶ｃｍ^-2以上とする。

【００２７】上記イオン４を注入するのに好適なイオン
注入方法の例を、後で図６〜図１３を参照して説明す
る。

【００２８】次いで、この例では、上記結晶基板２を、
そのイオン注入面６を基板台１８に密着させて載せた状
態で、当該結晶基板２を加熱して、結晶基板２中の上記
イオン注入位置８にボイドを形成する（ボイド形成工
程。図１Ｂ）。この加熱温度は、例えば前述したように
３８０〜６００℃程度とする。加熱時間は、例えば１０
〜３０分程度である。

【００２９】この例では、上記結晶基板２の自重でその
イオン注入面６を押圧しており、結晶基板２自身が、加
熱時にそのイオン注入面６を押圧する押圧手段を構成し
ている。これによれば、押圧手段としてそれ専用のもの
を用いなくて済むので、工程や装置が簡単になる。

【００３０】但し、押圧手段は、要は加熱処理中に結晶
基板２のイオン注入面６を、内部からのガス圧に抗して
押圧できるものであれば良く、上記例以外のものでも良
い。例えば、図３に示す例のように、結晶基板２のイオ
ン注入面６に密着させて載せた押圧用基板２０でも良
く、この押圧用基板２０はボイド形成工程の直後に除去
すれば良い。また、結晶基板２の少なくともイオン注入
面６に加圧状態にある気体または液体を充満させて、こ
れらでイオン注入面６を押圧しても良い。あるいは、結
晶基板２のイオン注入面６に例えばＣＶＤ（化学気相成
長）法やスパッタ法等によって薄膜を形成し、この薄膜
でイオン注入面６を押圧しても良い。イオン注入位置８
の深さによっては、具体的にはイオン注入位置８が深い
場合は、このような薄膜でも十分に押圧手段の作用をす
る。

【００３１】次いで、上記結晶基板２の温度が例えば室
温程度に低下した後、そのイオン注入面６に支持基板１
０を接着材を用いて接着する（接着工程。図１Ｃ）。接
着材は、例えば接着樹脂、融点の低い金属材料等であ
る。より具体的には、支持基板１０が例えばガラス基板
のように透明性のある基板の場合は、接着材として紫外
線硬化樹脂を用い、これを接着面に塗布して貼り合わせ
た後、支持基板１０側から紫外線を照射して当該紫外線
硬化樹脂を硬化させて接着しても良い。また、支持基板
１０が例えば金属基板の場合は、接着材として上記融点
の低い金属材料を用いれば良い。また、水等によって分
子的結合で接着させても良い。

【００３２】次いで、上記結晶基板２と支持基板１０と
を、結晶基板２中のイオン注入位置８で、即ちボイド形
成位置で剥離させる（剥離工程。図１Ｄ）。これによっ
て、結晶基板２のイオン注入位置８から上の層が支持基
板１０側に移行して、支持基板１０上に結晶薄膜（結晶
基板２が例えばシリコン単結晶基板の場合は、シリコン
単結晶薄膜）１２が得られる。即ち、支持基板１０上に
結晶薄膜１２を形成した構造の結晶薄膜基板１６が得ら
れる。結晶薄膜１２の膜厚は、上記イオン注入位置８の
深さに相当しており、例えば０．５〜４μｍ程度であ
る。

【００３３】上記剥離は、例えば図４に示すように、結
晶基板２と支持基板１０とを一対の真空チャック２２、
２４でそれぞれ吸着した状態で、矢印Ａ、Ｂに示すよう
に両方に引っ張れば良い。このようにすれば、結晶基板
２および支持基板１０に割れ、欠け等の発生を防止しつ
つ、剥離させることができる。

【００３４】この製造方法によれば、ボイド形成工程
（図１Ｂ）後に支持基板１０を結晶基板２に接着するの
で、支持基板１０がボイド形成工程時の高温に曝される
ことを防止することができる。

【００３５】しかも、ボイド形成工程では、結晶基板２
のイオン注入面６を支持基板１０以外の押圧手段で（図
１の例では結晶基板２の自重で）押圧した状態で加熱す
るので、結晶基板２の表面（イオン注入面６）に凹凸が
生じることを防止することができる。

【００３６】また、接着工程（図１Ｃ）では接着材を用
いる接着を採用しており、接着材による接着では従来の
高温加熱による接着と違って高温加熱を要しないので、
接着工程においても支持基板１０が高温に曝されること
を防止することができる。

【００３７】このように上記製造方法では、支持基板１
０が高温に曝されることを防止することができるので、
支持基板１０として使用できる材料の範囲拡大が可能に
なる。即ち、支持基板１０として耐熱性に劣る様々な基
板を使用することが可能になる。例えば、支持基板１０
としてソーダガラス等の安価なガラス基板を使用するこ
とも可能になる。

【００３８】なお、本発明者の実験によれば、ボイド形
成工程時に、結晶基板２のイオン注入面６を押圧手段に
よって押圧せずに、３８０℃または４２０℃の一定温度
でいずれも３時間かけてゆっくり加熱したところ、結晶
基板２の表面に凹凸は殆ど生じずに後の剥離工程で剥離
可能であったが、加熱温度が４５０℃を超えると結晶基
板２の表面に凹凸が現れ始めた。

【００３９】しかし、上記のように加熱に３時間もかけ
る方法では、スループットが大幅に低下するので好まし
くない。これに対して、この発明のように押圧手段を用
いれば、ボイド形成工程時の加熱は従来例と同様に１０
〜３０分程度で良いので、スループットを低下させずに
済む。例えば、図３の例のようにシリコン基板から成る
押圧用基板２０を用いて５００℃で１０分間加熱したと
ころ、結晶基板２の表面の凹凸は問題の無い程度であ
り、その後ガラス基板から成る支持基板１０を紫外線硬
化樹脂を用いて接着した後、引き剥がす方向に力を加え
たところ、イオン注入位置８で剥離を行うことができ
た。

【００４０】上記図３に示す例のように、ボイド形成工
程時に押圧用基板２０を用いて結晶基板２のイオン注入
面６を押圧する場合は、加熱中に押圧用基板２０が結晶
基板２に接着されないように、押圧用基板２０の表面
（押圧面）に、６００℃程度まで加熱しても水分子等と
化学結合を生じない材料、例えば金等の薄膜を形成して
おくか、またはそのような材料から成る押圧用基板２０
を用いることが好ましい。または、水分子との結合を防
ぐために、押圧用基板２０の押圧面にフッ素イオンを注
入したり、フッ素系の薄膜を形成して、押圧面を疎水性
にしておくことも効果的である。または、押圧する前
に、押圧用基板２０を加熱やプラズマ処理することによ
って、その押圧面の水や油を除去しておくことも効果的
である。

【００４１】図１に示す例のように、結晶基板２のイオ
ン注入面６を基板台１８に密着させて載せる場合も、基
板台１８の表面（載置面）に上記のような接着防止処理
を施しておくことが好ましい。

【００４２】上記結晶薄膜基板１６は例えばＴＦＴ−Ｌ
ＣＤ用基板に用いる場合は、結晶薄膜１２として、例え
ば５０〜１００ｎｍ程度の厚さの単結晶薄膜があれぱ良
いため、上記図１の製造方法で十分であるが、例えば太
陽電池用基板のように１０〜２０μｍ程度の厚さの単結
晶シリコン薄膜が必要な場合は、上記図１の製造方法で
は、注入深さの深い水素イオン注入の場合でも、１Ｍｅ
Ｖ以上の高エネルギーで注入しなければならず、このよ
うな高エネルギーでイオンを注入する方法は、イオン注
入装置が複雑、高価になるのであまり現実的ではない。

【００４３】このような場合は、エピタキシャル成長を
併用するのが好ましく、そのようにすれば低コストで上
記のような膜厚の結晶薄膜を簡単に得ることができる。
その場合の製造方法の一例を図２に示す。

【００４４】この図２の製造方法を、図１の例との相違
点を主体に説明すると、図２Ａに示すイオン注入工程お
よび図２Ｂに示すボイド形成工程（これらは、それぞ
れ、図１Ａおよび図１Ｂの工程に相当）に次いで、結晶
基板２のイオン注入面６上に結晶薄膜１３をエピタキシ
ャル成長させ（エピ成長工程。図２Ｃ）、その後冷却し
て上記結晶薄膜１３に支持基板１０を接着し（接着工
程。図２Ｄ。これは図１Ｃに相当）、その後イオン注入
位置８で剥離して（剥離工程。図２Ｅ。これは図１Ｄに
相当）、支持基板１０上に所定膜厚の結晶薄膜１４を形
成した構造の結晶薄膜基板１６を得る。上記エピ成長工
程においては、シリコンの場合は、結晶基板２を１００
０℃前後に加熱する。

【００４５】上記結晶薄膜１４は、結晶基板２の上層部
を剥離して得られる前記結晶薄膜１２と、上記エピタキ
シャル成長による結晶薄膜１３とが互いに積層されたも
のであるが、結晶薄膜１３はエピタキシャル成長による
ものであるため結晶薄膜１２と結晶性を同一にしてお
り、両結晶薄膜１２および１３は一体化された一つの結
晶薄膜１４となる。なお、結晶基板２が多結晶基板の場
合は、上記結晶薄膜１２〜１４はいずれも多結晶薄膜と
なる。

【００４６】このようにエピ成長工程（図２Ｃ）を付加
する場合でも、エピ成長工程後に支持基板１０を接着す
るので、支持基板１０が、ボイド形成工程（図２Ｂ）時
の高温だけでなく、エピ成長工程時の高温に曝されるこ
とをも防止することができる。しかもエピ成長工程の付
加によって、結晶薄膜１４の厚さを低コストで簡単に増
大させることができる。

【００４７】上記エピタキシャル成長は、基板とエピタ
キシャル薄膜の構成材料が互いに同じであるホモエピタ
キシャルに限定されるものではなく、互いに異種のヘテ
ロエピタキシャルでも良い。

【００４８】次に、上記図１および図２に示した実施例
の変形例等について説明する。

【００４９】ＴＦＴ−ＬＣＤ基板やＳＯＩ基板等の用途
において、支持基板１０上に形成された結晶薄膜１２と
して、イオン注入欠陥のない、高品質の結晶薄膜が求め
られる場合は、剥離工程後に、結晶薄膜１２の表層（こ
れはイオン注入位置８に近くて注入欠陥の多い部分であ
る）をエッチングや研磨等によって削っても良い。エピ
タキシャル成長による結晶薄膜１３を形成している場合
は（図２Ｅ参照）、上の結晶薄膜１２全体をエッチング
等によって削って除去しても良い。そのようにすれば、
イオン注入欠陥のない高品質の結晶薄膜が得られる。

【００５０】先に、ボイド形成工程時の押圧手段とし
て、結晶基板２のイオン注入面６に薄膜を形成しても良
いことを述べたが、この薄膜として例えばａ−Ｓｉ（ア
モルファスシリコン）等の結晶化されていない薄膜を形
成しておき、ボイド形成工程の直後（即ち接着工程の
前）に、例えば１０００℃程度の加熱またはレーザー等
の光照射によって、ａ−Ｓｉ層を結晶化しても良い。そ
のようにすれば、エピタキシャル成長に依らなくても、
結晶薄膜の膜厚を簡単に増大させることができる。加熱
を行っても、支持基板１０の接着前であるから、支持基
板１０の耐熱性に関する問題は生じない。

【００５１】上記結晶薄膜基板１６を例えば太陽電池基
板として利用する場合は、結晶基板２としてｎ型シリコ
ン単結晶基板を用い、そのイオン注入面６にエピタキシ
ャル成長によって結晶薄膜１３としてｐ型シリコン単結
晶薄膜を形成し、これに支持基板１０を接着した後にイ
オン注入位置８で剥離すれば、図５に示すように、支持
基板１０上に、ｐ型の結晶薄膜１３とｎ型の結晶薄膜１
２とが互いに接合されたｐｎ接合の太陽電池を形成する
ことができる。

【００５２】更に、上記太陽電池基板の両結晶薄膜１２
および１３の膜厚を、例えばそれぞれ約０．７μｍおよ
び約２０μｍにしておき、上層の結晶薄膜１２に水素イ
オンまたはヘリウムイオン４を例えば６０ｋｅＶ程度の
エネルギーで１０¹⁶ｃｍ^-2以上注入した後に加熱するこ
とによって、結晶薄膜１２中のイオン注入位置２８にボ
イドを形成しても良い。そのようにすれば、文献"Possi
bility of increasingthe efficiency of solar silico
n elements in implanting H⁺ and He⁺ ions";Phyics a
nd Chemistry of Materials Treatment 1994 28(6) pp.
365-368 に詳述されているように、上記ボイドの形成に
よって、直接遷移型であるシリコン単結晶の禁制帯中に
新しいエネルギー準位を形成して、特に長波長域の光吸
収係数を高めることによって、太陽電池を飛躍的に高効
率化することができる。

【００５３】但し、上記イオン注入を、非質量分離の正
イオン注入で行うと、複数のイオン種によって複数の注
入層が形成されてしまい、安定したエネルギー準位の形
成が難しくなるので、正イオン注入の場合は質量分離型
で行うのが好ましい。上記イオン注入を、水素の負イオ
ン（Ｈ^- ）注入で行うと、水素の場合は負イオンはＨ^-
しか存在しないため、非質量分離でも安定したエネルギ
ー準位を形成することができる。

【００５４】また、上記結晶薄膜基板１６を太陽電池に
利用する場合、製造工程の間あるいは後に、ｐ型、ｎ型
としての性質を持たせるために不純物を注入したり、固
相拡散させたり、ｐ型あるいはｎ型のアモルファスシリ
コン膜等を形成したり、バンドギャップの異なるＳｉＣ
薄膜、ＳｉＧｅ薄膜等を積層することによって、更に光
電変換効率を高めたり、エッチングによって表面形状を
変えた後に接着する方法等を必要に応じて併用しても良
い。

【００５５】上記結晶薄膜基板１６を液晶ディスプレイ
用基板に適用することによって、非常に高性能なＴＦＴ
−ＬＣＤを安価に作製することができる。即ち、支持基
板１０としてガラス基板を用い、その上に結晶薄膜１２
〜１４としてシリコン単結晶薄膜を形成すると、ガラス
基板上に形成したシリコン単結晶薄膜には原理的に結晶
粒界が存在しないため、電子移動度は単結晶基板とほぼ
同等であり、ｐ−Ｓｉ（多結晶シリコン）薄膜と比較し
て１桁高い値が得られる。このために、非常に高精細か
つ高速なＴＦＴ−ＬＣＤを作製することが可能になる。
しかも、ｐ−Ｓｉを結晶化する場合に必要なレーザーア
ニールのような工程が不要になるので、非常に安価に製
作することが可能である。

【００５６】更に、上記結晶薄膜基板１６を用いれば、
いわゆるシステム・オン・パネルを実現することも可能
になる。即ち、低温でｐ−Ｓｉ薄膜を形成する技術が開
発されたことから、１枚のガラス基板上に、ＴＦＴのみ
ならず、半導体装置プロセスを応用してメモリ素子、ロ
ジック素子等を混載するシステム・オン・パネルが一時
取り沙汰されたが、ｐ−Ｓｉでは結晶粒界の存在のた
め、粒界に沿って流れる電流が大きく、結果としてソー
ス・ドレイン間のリーク電流が大きいため、実現に至っ
ていない。また、ＴＦＴの構造自体も、この問題のた
め、ＬＤＤ（LightDoped Drain ）等の特殊なプロセ
ス、構造を採用しなければならないのが現状である。

【００５７】これに対して、この発明に係る製造方法に
よれば、ガラス基板上に１層または複数層のシリコン単
結晶薄膜を形成して成る結晶薄膜基板１６を製造するこ
とが可能であり、これによれば結晶粒界に起因する上記
問題を解決することが可能である。即ち、１枚のガラス
基板上に１層または複数層のシリコン単結晶薄膜を形成
し、そこにＴＦＴ、メモリ素子、ロジック素子、あるい
は光電変換素子（太陽電池）等を形成し、配線すること
によって、システム・オン・パネルを実現することが可
能になる。しかも、ガラス基板に耐熱温度の低い安価な
ガラス基板を使用することができるので、その分、製造
コストを下げることができる。

【００５８】なお、上記支持基板１０を結晶基板２のイ
オン注入面６や（図１Ｃ参照）、エピタキシャル成長に
よる結晶薄膜１３に（図２Ｄ参照）接着する際に、支持
基板１０からイオン注入面６や結晶薄膜１３への不純物
拡散を防止するバリア層や、拡散に伴う応力を緩和する
応力緩和層を、支持基板１０と相手との間に形成する技
術を必要に応じて併用しても良い。

【００５９】また、先に、結晶薄膜１３のエピタキシャ
ル成長（図２Ｃ参照）は、ヘテロエピタキシャルでも良
いことを述べたが、これの応用例として次の技術が挙げ
られる。即ち、例えばＧａＡｓのような化合物半導体
は、バルクの結晶基板を大口径にすることが非常に困難
であるため、大口径のシリコン基板上にＧａＡｓをエピ
タキシャル成長させて大口径のＧａＡｓ膜を得ることが
試みられているが（例えば特開平８−２８８２１４号公
報参照）、シリコン原子がＧａＡｓ膜中に拡散すること
によってデバイス特性が劣化する問題が深刻である。

【００６０】このような場合、結晶基板２として例えば
シリコン基板を用い、そのイオン注入面６上にＧａＡｓ
をエピタキシャル成長させてＧａＡｓから成る結晶薄膜
１３を形成し（図２Ｃ参照）、これに上述したバリア層
を介して支持基板１０を接着し（図２Ｄ参照）、その後
イオン注入位置８で剥離（図２Ｅ参照）した後に、Ｓｉ
から成る結晶薄膜１２をエッチングによって除去し、あ
るいは当該結晶薄膜１２およびエピタキシャル成長中に
シリコン原子が拡散して来た層の結晶薄膜１３を除去
し、表面を平坦化することによって、シリコン原子の拡
散を防止したＧａＡｓ薄膜を表面に有する結晶薄膜基板
１６を得ることができる。

【００６１】次に、上記水素イオンまたはヘリウムイオ
ン４を注入するのに好適なイオン注入技術（装置あるい
は方法）の例を説明する。なお、以下の各例において同
一または相当する部分には同一符号を付し、各例間の相
違点を主体に説明する。

【００６２】図６に、非質量分離で水素またはヘリウム
の正イオンを注入する装置の一例を示す。プラズマ室３
２および引出し電極系３６を有するイオン源３０内で水
素またはヘリウムのプラズマ３４を生成し、このプラズ
マ３４から引出し電極系３６によって正イオンビーム３
８を引き出し、真空容器４０内の支持体４２上に支持さ
れた前記結晶基板２に注入する。この正イオンビーム３
８が前記イオン４に相当する。水素プラズマを生成した
場合は、Ｈ⁺ 、Ｈ₂ ⁺ 、Ｈ₃ ⁺ 等の正イオンが生成され引
き出される。ヘリウムイオンを生成した場合は、Ｈ
ｅ⁺ 、Ｈｅ₂ ⁺ 等の正イオンが生成され引き出される。

【００６３】図７に、プラズマイマージョン（Plasma I
mmersion Ion Implantation:PIII）法によって非質量分
離で水素またはヘリウムの正イオンを注入する装置の一
例を示す。高周波コイル４８、高周波電源５０および整
合回路５２を有するプラズマ生成手段によって、支持体
４２上の結晶基板２の近傍にプラズマ５４を生成し、結
晶基板２にパルスバイアス電源５６から負のパルスバイ
アス電圧Ｖ_B を印加することによって、プラズマ５４中
の正イオンが結晶基板２に向けて加速されて注入され
る。パルスバイアス電源５６は、この例では直流電源５
８と、その出力をオンオフするスイッチ６０とを有して
いる。

【００６４】図８は、図７の装置を改良したものであ
る。即ちこの例では、高周波電源５０に直列にスイッチ
６２を挿入しており、このスイッチ６２によって、支持
体４２と高周波コイル４８との間に供給する高周波電力
ＲＦをオンオフしてプラズマ生成をオンオフするように
している。更に、上記スイッチ６２およびパルスバイア
ス電源５６内のスイッチ６０を、互いに同期させて、し
かもスイッチ６２のオン時点から所定の期間内にスイッ
チ６０がオンするというタイミング（時間差）で、周期
的にオンオフさせるタイミング制御回路６４を設けてい
る。

【００６５】図８の例における高周波電力ＲＦ、プラズ
マ５４からの発光強度Ｉ_P 、プラズマ密度Ｎ_P およびパ
ルスバイアス電圧Ｖ_B の時間変化の一例を図９に示す。
高周波電力ＲＦのオン直後に発光強度Ｉ_P およびプラズ
マ密度Ｎ_P は急激に上昇し、時間ｔ₃ 経過後に定常状態
に移行する。プラズマ密度Ｎ_P は、高周波電力ＲＦのオ
ン時点から時間ｔ₁ 後に定常状態の値以上になり、時間
ｔ₂ 後に最大値に達する。ｔ₁ は約５〜１０μｓｅｃ、
ｔ₂ は約１００〜２００μｓｅｃ、ｔ₃ は約５００μｓ
ｅｃ〜１ｍｓｅｃである。

【００６６】従って、スイッチ６２のオン時点からスイ
ッチ６０のオン時点までの時間ｔ₄を、ｔ₁ ≦ｔ₄ ≦ｔ
₃ とすることによって、具体的にはｔ₄ を好ましくは５
μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃ、より好ましくは１０μｓｅｃ〜
５００μｓｅｃにすることによって、定常プラズマより
も高密度のプラズマ５４からイオンを引き出してそれを
結晶基板２に注入することができるので、図７の例より
もイオン注入量を１０〜３０％程度増大させることがで
き、スループットを高めることができる。

【００６７】上記図７、図８、更には後述する図１０の
装置では、パルスバイアス電圧Ｖ_Bの印加時にプラズマ
５４と結晶基板２間のイオンシース５５が広がり、これ
が注入イオンのエネルギーの均一性およびイオン注入量
を制限する一因になる。これに対しては、図１２に示す
例のように、支持体４２上の結晶基板２に間隔をあけて
対向する接地電位の多孔電極６６を設けておくのが好ま
しい。多孔電極６６は、多数の小孔を有するものでも良
いし、多数の例えば直径が１ｍｍ以下の金属細線を格子
状に（メッシュ状に）配置したものでも良いし、このよ
うな金属細線を互いに平行に（すだれ状に）配置したも
のでも良い。

【００６８】このような多孔電極６６を設けると、パル
スバイアス電圧Ｖ_B の印加時に、イオンシースの広がり
は多孔電極６６の位置で止まるので、即ち多孔電極６６
によってイオンシースの広がりを抑制することができる
ので、結晶基板２に対する注入イオンエネルギーの均一
性の向上およびイオン注入量の増大が可能になる。

【００６９】以上のいずれの方法も、非質量分離で水素
またはヘリウムの正イオンを結晶基板２に注入する方法
であり、分子イオンが多く注入されるために単位時間当
たりの注入量は多いけれども、原子イオン、分子イオン
等の多くのイオン種が注入されるため注入深さがそれぞ
れ異なり、これに応じて色々な深さに上記ボイドが形成
される恐れがある。また、質量数の大きい分子イオンが
注入されることによって、ボイトが形成される層よりも
上層の結晶基板２中に生じる結晶欠陥が多くなる恐れが
ある。従って、上記注入技術は、膜厚均一性や結晶品質
に対する要求が厳しくない用途に用いるのが好ましい。

【００７０】図１０の例は、図８の例を変形して、水素
の負イオンを注入するものである。このためにこの例で
は、上記パルスバイアス電源５６中の直流電源５８の極
性を反対にして、結晶基板２に正のパルスバイアス電圧
Ｖ_B を印加するパルスバイアス電源５７を、上記パルス
バイアス電源５６の代わりに設けている。また、上記の
ようなタイミング制御回路６４の代わりに、上記二つの
スイッチ、即ちスイッチ６２およびパルスバイアス電源
５７内のスイッチ６０を、互いに同期させて、しかもス
イッチ６２のオフ時点から所定の期間内にスイッチ６０
がオンするというタイミング（時間差）で、周期的にオ
ンオフさせるタイミング制御回路６５を設けている。

【００７１】図１０の例における高周波電力ＲＦ、プラ
ズマ５４中の電子密度Ｎ_E 、負イオン密度Ｎ_I およびバ
イアス電圧Ｖ_B の時間変化の一例を図１１に示す。高周
波電力ＲＦのオフに伴ってプラズマ５４内の電子密度Ｎ
_E は急速に（５μｓｅｃ程度で）低下し、１〜２ｅＶ程
度の低エネルギー電子が支配的なプラズマとなる。これ
に分子あるいは励起分子が付着解離して、負イオンが生
成される。電子密度Ｎ_E は負イオン密度Ｎ_I と逆比例す
るかのように急速に減衰し（即ち負イオン密度Ｎ_I は急
速に増大し）、高周波電力ＲＦオフ後、約１０μｓｅｃ
以降では、正イオンと負イオンが支配的な特異なプラズ
マが形成される。負イオン密度Ｎ_I は、高周波電力ＲＦ
オフ後約３０〜４０μｓｅｃで最大値に達し、その後徐
々に減衰し、高周波電力ＲＦオフ後１ｍｓｅｃ程度でほ
ぼ０になる。

【００７２】電子が豊富なプラズマ５４のときに結晶基
板２に正のパルスバイアス電圧Ｖ_Bを印加しても、結晶
基板２に入射するのは軽くて移動度の高い電子が殆どで
あり、負イオン注入を行うことはできない。ところが、
上記のようにプラズマ生成をオンオフすることによって
特異なプラズマを形成し、その負イオン密度Ｎ_I の高い
期間内に、具体的には電子密度Ｎ_E が負イオン密度Ｎ_I
の概ね１／１０以下となる期間内に、より具体的には高
周波電力ＲＦオフ時点から１０μｓｅｃ後〜１ｍｓｅｃ
後の期間内に、結晶基板２に正のパルスバイアス電圧Ｖ
_B を印加することによって、負イオン注入を行うことが
できる。そのために、タイミング制御回路６５は、スイ
ッチ６２のオフから時間ｔ₅ だけ遅れさせてスイッチ６
０をオンさせるようにしている。この時間ｔ₅ は、上記
のように１０μｓｅｃ〜１ｍｓｅｃが好ましく、２０μ
ｓｅｃ〜２００μｓｅｃがより好ましい。後者の方が、
結晶基板２に対する負イオンの注入量をより増大させる
ことができる。

【００７３】図１３の例は、図６の例を変形して、イオ
ン源３０から水素の負イオンビーム７０を引き出してそ
れを結晶基板２に注入するものである。そのために図６
の例とは、電源４４および４６の極性を反対にしてい
る。負イオンビーム７０と共に引き出される電子は、結
晶基板２やその周辺を加熱させ、悪影響を及ぼすことが
多いため、例えばこの例のように、プラズマ室３２内に
導体７２を設けてそれに通電して弱い磁場７４を形成
し、これによって電子を除去するのが好ましい。

【００７４】水素の場合は、負イオンはＨ^- しか存在し
ないため、水素の負イオン注入の場合は質量分離器を設
けることなく単一のイオン種を注入することが可能であ
り、また簡単に大面積基板に均一に注入することが可能
である。従って、製造コストの低減が可能であり、しか
もスループットも非常に高い。また、イオン種は一つの
Ｈ^- のみであるため、極めて精度良く所定の深さに注入
することが可能であり、しかも原子イオンしか注入され
ないために、ボイドが形成される層よりも上層の結晶基
板２中に生じる結晶欠陥も極めて少ない。従って、水素
の負イオン注入技術は、膜厚均一性や結晶品質に対する
要求の厳しい分野にも適用可能である。

【００７５】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、結晶基
板の表面に凹凸が生じることを防止しつつ、しかもスル
ープットを低下させずに、支持基板が高温に曝されるこ
とを防止することができる。その結果、支持基板として
使用できる材料の範囲拡大が可能になり、例えば、支持
基板として耐熱性の低い安価なガラス基板を使用するこ
とも可能になる。

【００７６】請求項２記載の発明によれば、支持基板
が、ボイド形成工程時の高温だけでなく、エピ成長工程
時の高温に曝されることをも防止することができ、しか
もエピ成長工程の付加によって結晶薄膜の厚さを簡単に
増大させることができる、という更なる効果を奏する。

【００７７】請求項３記載の発明によれば、押圧手段と
してそれ専用のものを用いなくて済むので、工程や装置
が簡単になる、という更なる効果を奏する。

【００７８】請求項７記載の発明によれば、エピタキシ
ャル成長に依らなくても、結晶薄膜の膜厚を簡単に増大
させることができる、という更なる効果を奏する。

【００７９】請求項８記載の発明によれば、イオン注入
欠陥のない高品質の結晶薄膜を得ることができる、とい
う更なる効果を奏する。

【００８０】請求項９記載の発明によれば、次のような
更なる効果を奏する。即ち、水素の場合は、負イオンは
Ｈ^- しか存在しないため、質量分離器を設けることなく
単一のイオン種を注入することが可能であり、また簡単
に大面積基板に均一に注入することが可能である。従っ
て、製造コストの低減が可能であり、しかもスループッ
トも非常に高い。また、イオン種は一つのＨ^- のみであ
るため、極めて精度良く所定の深さに注入することが可
能であり、しかも原子イオンしか注入されないために、
ボイドが形成される層よりも上層の結晶基板中に生じる
結晶欠陥も極めて少ない。従って、膜厚均一性および結
晶品質に優れた結晶薄膜を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る結晶薄膜基板の製造方法の一例
を示す工程図である。

【図２】この発明に係る結晶薄膜基板の製造方法の他の
例を示す工程図である。

【図３】押圧手段の他の例を示す図である。

【図４】剥離手段の一例を示す図である。

【図５】太陽電池基板の一例を示す図である。

【図６】非質量分離型のイオン注入装置の一例を示す図
である。

【図７】プラズマイマージョン法によるイオン注入装置
の一例を示す図である。

【図８】プラズマイマージョン法によるイオン注入装置
の他の例を示す図である。

【図９】図８の装置における高周波電力、プラズマ発光
強度、プラズマ密度およびパルスバイアス電圧の時間変
化の一例を示す図である。

【図１０】プラズマイマージョン法によるイオン注入装
置の他の例を示す図である。

【図１１】図１０の装置における高周波電力、プラズマ
中の電子密度、プラズマ中の負イオン密度およびパルス
バイアス電圧の時間変化の一例を示す図である。

【図１２】図７、図８および図１０の装置に多孔電極を
付加した例を示す図である。

【図１３】非質量分離型のイオン注入装置の他の例を示
す図である。

【図１４】従来の結晶薄膜基板の製造方法の一例を示す
工程図である。

【符号の説明】

２ 結晶基板 ４ 水素またはヘリウムイオン ６ イオン注入面 ８ イオン注入位置 １０ 支持基板 １２〜１４ 結晶薄膜 １６ 結晶薄膜基板 １８ 基板台 ２０ 押圧用基板

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 支持基板上に結晶薄膜を形成した構造の
   結晶薄膜基板を製造する方法において、シリコンまたは
   その化合物から成る結晶基板に水素イオンまたはヘリウ
   ムイオンを注入する注入工程と、次いで前記結晶基板の
   イオン注入面を支持基板以外の押圧手段で押圧した状態
   で、当該結晶基板を加熱して前記イオンの注入位置にボ
   イドを形成するボイド形成工程と、次いで前記結晶基板
   のイオン注入面に支持基板を接着材を用いて接着する接
   着工程と、次いで前記結晶基板と前記支持基板とを前記
   結晶基板中の前記イオンの注入位置で剥離させて、前記
   支持基板上に結晶薄膜を得る剥離工程とを備えることを
   特徴とする結晶薄膜基板の製造方法。
2. 【請求項２】 支持基板上に結晶薄膜を形成した構造の
   結晶薄膜基板を製造する方法において、シリコンまたは
   その化合物から成る結晶基板に水素イオンまたはヘリウ
   ムイオンを注入する注入工程と、次いで前記結晶基板の
   イオン注入面を支持基板以外の押圧手段で押圧した状態
   で、当該結晶基板を加熱して前記イオンの注入位置にボ
   イドを形成するボイド形成工程と、次いで前記結晶基板
   のイオン注入面上に結晶薄膜をエピタキシャル成長させ
   るエピ成長工程と、次いで前記結晶基板上の前記結晶薄
   膜に支持基板を接着材を用いて接着する接着工程と、次
   いで前記結晶基板と前記支持基板とを前記結晶基板中の
   前記イオンの注入位置で剥離させて、前記支持基板上に
   結晶薄膜を得る剥離工程とを備えることを特徴とする結
   晶薄膜基板の製造方法。
3. 【請求項３】 前記押圧手段が、前記結晶基板のイオン
   注入面に密着させて載せた押圧用基板であり、この押圧
   用基板を前記ボイド形成工程の直後に除去する請求項１
   または２記載の結晶薄膜基板の製造方法。
4. 【請求項４】 前記結晶基板のイオン注入面を基板台に
   密着させて載せることによって、当該結晶基板自身を前
   記押圧手段としている前記請求項１または２記載の結晶
   薄膜基板の製造方法。
5. 【請求項５】 前記押圧手段が、加圧状態にある気体ま
   たは液体である請求項１または２記載の結晶薄膜基板の
   製造方法。
6. 【請求項６】 前記押圧手段が、前記結晶基板のイオン
   注入面に形成された薄膜である請求項１または２記載の
   結晶薄膜基板の製造方法。
7. 【請求項７】 前記イオン注入面に形成された薄膜を、
   前記ボイド形成工程の直後に、加熱または光照射によっ
   て結晶化させる結晶化工程を更に備える請求項６記載の
   結晶薄膜基板の製造方法。
8. 【請求項８】 前記剥離工程に次いで、前記支持基板上
   の結晶薄膜の表層をエッチングによって削るエッチング
   工程を更に備える請求項１ないし７のいずれかに記載の
   結晶薄膜基板の製造方法。
9. 【請求項９】 前記注入工程において、水素の負イオン
   を注入する請求項１ないし８のいずれかに記載の結晶薄
   膜基板の製造方法。