JPH1131828A

JPH1131828A - 半導体基板の製造方法

Info

Publication number: JPH1131828A
Application number: JP9186653A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsushita; 孟史松下
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1997-07-11
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 1999-02-02
Anticipated expiration: 2017-07-11
Also published as: JP4035862B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ポーラスシリコン層の均一性を向上させるこ
とができ、且つ半導体素子の製造コストを下げることが
できる半導体基板の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、大面積薄膜単結晶シリコン半
導体素子形成用の半導体基板の製造方法に関するもので
ある。ここで、接着層は、ポリシリコン層１２からな
り、接着を可能にするためそのポリシリコン層１２を表
面研磨する。単結晶シリコン基板１４から薄膜単結晶シ
リコン層１３を剥離するため、その単結晶シリコン基板
１４に剥離用のポーラスシリコン層２を形成し、そのポ
ーラスシリコン層２の上に薄膜単結晶シリコン層１３を
エピタキシャル成長させる。ポーラスシリコン層２は陽
極化成により形成される。薄膜単結晶シリコン層１３の
支持基板１１への転写は、支持基板１１と単結晶シリコ
ン基板１４とを低温で張り合わせた後、高温に昇温する
際、または高温でのアニール時に支持基板１１と単結晶
シリコン基板１４の熱膨張率の差により剪断応力が加え
られて剥離、転写が起こることにより行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポーラスシリコン
の不均一分布を避けて基板の再利用化を容易にし、且つ
半導体素子の製造コストを下げる半導体基板の製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜結晶半導体素子を製造する方法とし
て、単結晶シリコン基板上にポーラスシリコン層を形成
し、その層上に半導体素子となる半導体層を成長し、そ
の半導体層上にプラスチックフィルム等を接着剤を用い
て接着し、引っ張り応力により単結晶基板から半導体層
とプラスチックフィルム等を剥離し、薄膜単結晶半導体
素子とする発明がすでに出願されている（特開平８−２
１３６４５）。これにより、シリコン基板を再利用し、
省資源および低コスト化を図ることができる。

【０００３】また、基板から半導体層を容易に剥離でき
るように、ポーラスシリコン層内の多孔率を深さ方向で
変化させ、剥離が容易で且つ多孔質層上の半導体層の品
質を向上させる発明もすでに出願されている（特願平９
−５３３５４）。特にシリコン基板に最初１ｍＡ／ｃｍ
²、次いで７ｍＡ／ｃｍ²、更に２００ｍＡ／ｃｍ^２の
陽極化成電流を流し、ポーラスシリコン層を形成する
時、その層上にシリコンをエピタキシャル成長させる
と、ポーラスシリコン層内に引っ張り強度の弱い剥離層
が形成できることが判明している。

【０００４】上記製造方法において、ポーラスシリコン
を形成するため、陽極化成法によるシリコンエッチング
を行うが、そのシリコンエッチング速度はシリコン基板
中の不純物濃度に強く依存する。シリコン基板にはもと
もと不純物濃度の不均一な分布が存在し、その結果シリ
コン基板内に形成されたポーラスシリコン層は不純物濃
度の不均一性に依存した不均一分布を示す。この不均一
分布により剥離層が不均一に形成され、剥離される部分
と剥離できない部分とが形成されてしまうので、この不
均一分布を除去する必要がある。またシリコン基板の再
利用化を図るためにもこの不均一分布を除去する必要が
ある。

【０００５】一方、太陽電池のコストを下げるには、シ
リコン基板をシリコンインゴットの長さ方向に切り出し
て長尺化した大面積基板上に形成することが有効であ
り、すでに特許出願されている（特願平８−６１５５
１）。この長尺単結晶シリコン基板を薄膜化することが
できれば、シリコン基板の材料費を節約できる。

【０００６】ここで、太陽電池を例として、従来の薄膜
結晶半導体素子の製造方法を、図４を参照しながら説明
する。

【０００７】まず、図４に示すように、単結晶シリコン
基板（ｐ型、０．０１〜０．０２Ω・ｃｍ）にポーラス
シリコン層を陽極化成により形成する。

【０００８】次に、ポーラスシリコン膜上に結晶性のよ
いエピタキシャル層が形成できるように、まず多孔率の
小さなポーラスシリコンを形成し、次いで多孔率が中程
度のポーラスシリコンを形成し、次いで多孔率が大きな
ポーラスシリコンを形成する。第三のポーラスシリコ
ン形成時にポーラスシリコン層内に分離層の元となる多
孔率の非常に大きい層が発生する。

【０００９】次に、水素アニールを行い、ポーラスシリ
コン表面に存在する穴を塞いだ後、ポーラスシリコン層
上にＳｉＨ_４等のガスを用いてエピタキシャル成長さ
せる。

【００１０】この水素アニールとエピタキシャル成長を
している間に、ポーラスシリコン膜中のシリコン原子が
移動し再配列される結果、ポーラスシリコン膜中の多孔
率が大きかった部分が大きく変化し、引っ張り強度が著
しく弱い層即ち剥離層になる。

【００１１】次いでエピタキシャル膜中にｎ型拡散層や
反射防止膜、電極を形成して太陽電池を作製し、プラス
チックフィルム等の基板を接着剤で太陽電池の表面に接
着する。尚、図４には省略してあるが、太陽電池の裏面
に形成されたポーラスシリコン層を高効率のため除去す
るのが望ましく、この層を除去した後裏面に電極を形成
し、別のプラスチックフィルムを接着剤で接着し、太陽
電池が完成する。又、シリコン基板は、表面に形成され
たポーラスシリコン層を除去した後に、再利用に回すこ
とができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかし、陽極化成によ
るシリコンエッチングでは、そのエッチング速度がシリ
コン基板中の不純物濃度に強く依存するので、シリコン
基板の不均一な不純物濃度分布の影響を受け、不均一な
ポーラスシリコン層が形成されてしまう。特に０．０１
〜０．０２Ω・ｃｍのように不純物濃度が高い場合にこ
の不均一性が大になり、シリコンウエーハではＳｗｉｒ
ｌとして知られている。

【００１３】このシリコン基板の濃度分布による影響を
避けるには、シリコン基板にシリコンをエピタキシャル
層を成長させ、この層内にポーラスシリコンを形成すれ
ば、エピタキシャル層内の不純物分布がシリコン基板よ
りも均一性が著しく高いため、均一なポーラスシリコン
層が形成され、均一な剥離層が形成されると共に再利用
化が容易になる。

【００１４】但し、この方法を採用すると、エピタキシ
ャル成長の回数が２倍になるので、太陽電池のコストが
高くなるという問題があった。

【００１５】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであり、ポーラスシリコン層の均一性を向上させる
ことができ、且つ半導体素子の製造コストを下げること
ができる半導体基板の製造方法を提供することを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板の製
造方法は、大面積薄膜単結晶シリコン半導体素子形成用
の半導体基板の製造方法において、単結晶シリコン基板
から薄膜単結晶シリコン層を剥離し、接着層を形成させ
た導電性のある支持基板上に転写する工程を有するもの
である。

【００１７】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
支持基板が、ＳｉＣ基板あるいはグラファイトにＳｉＣ
薄膜をコーティングした基板からなる上述構成のもので
ある。

【００１８】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
接着層が、ポリシリコン層からなり、接着を可能にする
ためそのポリシリコン層を表面研磨した上述構成のもの
である。

【００１９】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
単結晶シリコン基板から薄膜単結晶シリコン層を剥離す
るため、その単結晶シリコン基板に剥離用のポーラスシ
リコン層を形成し、そのポーラスシリコン層の上に薄膜
単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させた上述構成
のものである。

【００２０】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
薄膜単結晶シリコン層の支持基板への転写が、支持基板
と単結晶シリコン基板とを低温で張り合わせた後、高温
に昇温する際、または高温でのアニール時に支持基板と
単結晶シリコン基板の熱膨張率の差により剪断応力が加
えられて剥離、転写が起こることにより行う上述構成の
ものである。

【００２１】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
薄膜単結晶シリコン層が、単結晶シリコン基板にエピタ
キシャル成長膜を形成しその膜中にポーラスシリコン層
を形成した後に、そのポーラスシリコン層の上に、エピ
タキシャル成長させて形成させた上述構成のものであ
る。

【００２２】また、本発明の半導体基板の製造方法は、
薄膜単結晶シリコン層が、一枚の支持基板上に複数枚転
写された上述構成のものである。

【００２３】本発明の半導体基板の製造方法によれば、
単結晶シリコン基板から薄膜単結晶シリコン層を剥離
し、接着層を形成させた導電性のある支持基板上に転写
することにより、半導体素子を剥離するのに必要なポー
ラスシリコン層の均一性を向上させることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体基板の
製造方法の実施例について図１〜図３を参照しながら説
明する。

【００２５】上述したように、陽極化成によるシリコン
エッチングでは、そのエッチング速度がシリコン基板中
の不純物濃度に強く依存するので、シリコン基板の不均
一な不純物濃度分布の影響を受け、不均一なポーラスシ
リコン層が形成されてしまう。このシリコン基板の濃度
分布による影響を避けるには、シリコン基板にシリコン
をエピタキシャル層を成長させ、この層内にポーラスシ
リコンを形成すれば、エピタキシャル層内の不純物分布
がシリコン基板よりも均一性が著しく高いため、均一な
ポーラスシリコン層が形成され、剥離層が均一化される
と共に再利用化が容易になる。

【００２６】また、この方法を採用すると、エピタキシ
ャル成長の回数が２倍になるので、太陽電池のコストが
高くなるという欠点があるが、太陽電池のコストを下げ
る手段としては、一つはシリコン基板をシリコンインゴ
ットの長さ方向に切り出した長尺単結晶シリコン基板を
使用すること、他の一つはシリコン基板の厚さを薄くす
ることにより、シリコン基板の材料コストを下げること
ができる可能性がある。

【００２７】ここで、シリコン基板を薄くすると機械的
強度が弱くなるので、他の基板例えば、ＳｉＣ基板ある
いはグラファイトにＳｉＣコーティングした基板等にシ
リコン基板を張り合わせて基板とすることができる。以
下に、実施例の具体的内容について説明する。

【００２８】実施例１本実施例は、大面積薄膜単結晶シリコン半導体素子形成
用の半導体基板の製造方法において、単結晶シリコン基
板から薄膜単結晶シリコン層を剥離し、接着層を形成さ
せた導電性のある支持基板上に転写する工程を有するこ
とを特徴とするものである。

【００２９】図２に上記基板を作製する方法を示す。ま
ず、単結晶シリコン基板から薄膜単結晶シリコン層を剥
離するため、その単結晶シリコン基板に剥離用のポーラ
スシリコン層を形成し、そのポーラスシリコン層の上に
薄膜単結晶シリコン層をエピタキシャル成長させる。す
なわち、図２右上に示すように、長尺のシリコン基板１
４に、図１で説明したような剥離用のポーラスシリコン
層２を形成し、さらに数μｍから数十μｍの厚さの単結
晶シリコン層１３をエピタキシャル成長させる。ここ
で、ポーラスシリコン層は陽極化成により形成される。

【００３０】一方、図２左上に示すように、ＳｉＣ基板
またはグラファイトにＳｉＣコーティングした基板で
は、シリコンとボイドが無い状態で張り合わせするため
には、その表面を研磨しなくてはならない。しかしその
表面にはかなりの凹凸が存在するので、ＳｉＣ表面に高
濃度ボロンをドープしたポリシリコン層（接着層）を５
μｍ程度成長させる。なお、ここでボロンをドープした
のは、後のプロセスで陽極化成するが、その際に化成電
流が容易に流れるようにするためである。

【００３１】次に、接着層であるポリシリコン層は、接
着を可能にするためそのポリシリコン層を表面研磨す
る。すなわち、ハードクロスで研磨してポリシリコンの
表面の凹凸を除去した後、ソフトクロスで研磨して張り
合わせに十分な平坦化を実現し、シリコン基板と室温
（低温）にて張り合わせる。

【００３２】次に、機械的に強固な張り合わせを得るた
め、酸素雰囲気中で１１００℃に昇温しアニールを開始
する。

【００３３】この昇温中あるいは１１００℃でアニール
中、シリコン基板とＳｉＣ基板（支持基板）との熱膨張
率の差によりシリコン基板とＳｉＣ基板との間に剪断応
力がかかり、ポーラスシリコン膜中に形成されている剥
離層が剥離する。

【００３４】１１００℃で約２時間アニールすると、シ
リコンエピタキシャル層とＳｉＣ上のポリシリコンが機
械的に強固に張り合わされ、結局ＳｉＣ上に薄膜単結晶
シリコン膜が形成された基板が完成する。

【００３５】次に、薄膜単結晶シリコン層上のポーラス
シリコン層およびシリコン基板上のポーラスシリコン層
は、エッチングおよび／または研磨により除去する。

【００３６】なお、ポーラスシリコン層を除去したシリ
コン基板は、図２右上に示すシリコン基板として再利用
することができる。

【００３７】このようにして形成されたシリコンエピタ
キシャル層１３付きＳｉＣ基板１１（支持基板）を、図
１に示すように使用して薄膜単結晶シリコン太陽電池を
作製することができた。すなわち、図１の一番上に示す
ように、シリコンエピタキシャル層１３付きＳｉＣ基板
１１（支持基板）を従来のシリコン基板に代えて用い
る。

【００３８】次に、シリコンエピタキシャル層１３にポ
ーラスシリコン層２を陽極化成により形成する。まずポ
ーラスシリコン層２上に結晶性のよいエピタキシャル層
が形成できるように、例えば０．５〜３ｍＡ／ｃｍ²程
度の電流密度で８分間第一の陽極化成を行うことによ
り、多孔率の小さなポーラスシリコンを形成し、次いで
３〜２０ｍＡ／ｃｍ²程度の電流密度で８分間第二の陽
極化成により、多孔率が中程度のポーラスシリコンを形
成し、４０〜３００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で数秒間第
三の陽極化成により、多孔率が大きなポーラスシリコン
を形成する。第三のポーラスシリコン形成時にポーラス
シリコン層内に分離層の元となる多孔率の非常に大きい
層が発生する。尚、陽極化成する際の溶液はＨＦ：Ｃ₂
Ｈ₅ＯＨ＝１：１を用いた。

【００３９】次に、１１００℃で３０分間水素アニール
を行い、ポーラスシリコン表面に存在する穴を塞いだ
後、ポーラスシリコン層２上にＳｉＨ₄等のガスを用い
て１０７０℃でエピタキシャル成長させた。単結晶シリ
コン太陽電池の場合、膜厚は１〜５０μｍ程度成長せる
のがよい。この水素アニールとエピタキシャル成長をし
ている間に、ポーラスシリコン膜中のシリコン原子が移
動し再配列される結果、ポーラスシリコン膜中の多孔率
が大きかった部分が大きく変化し、引っ張り強度が著し
く弱い層即ち剥離層になる。

【００４０】次に、エピタキシャル膜中にｎ型拡散層や
反射防止膜、電極を形成して太陽電池を作製し、プラス
チックフィルム等の基板を接着剤で太陽電池の表面に接
着する。尚、図１には省略してあるが、太陽電池の裏面
に形成されたポーラスシリコン層を除去後、裏面に電極
を形成し、別のプラスチックフィルムを接着剤で接着
し、太陽電池が完成する。

【００４１】また、ＳｉＣ基板１１に残っているポーラ
スシリコン層を除去する。ただし、ＳｉＣ基板との界面
に残っているエピタキシャル層は再利用化のため必ず残
るようにする。また必要ならば、このエピタキシャル層
にさらに一定厚さのエピタキシャル層を形成してもよ
い。このようにＳｉＣ基板はエピタキシャル層を形成す
ることにより再利用することができる。

【００４２】このように、従来は陽極化成によるシリコ
ンエッチングでは、そのエッチング速度がシリコン基板
中の不純物濃度に強く依存するので、シリコン基板の不
均一な不純物濃度分布の影響を受け、不均一なポーラス
シリコン層が形成されてしまうこと、すなわち、シリコ
ンウエーハではＳｗｉｒｌとして知られていた問題点を
解消することができる。

【００４３】本実施例では、このシリコン基板の濃度分
布による影響を避けるため、シリコン基板にシリコンを
エピタキシャル層を成長させ、この層内にポーラスシリ
コンを形成させているので、エピタキシャル層内の不純
物分布がシリコン基板よりも均一性が著しく高く、その
結果、均一なポーラスシリコン層が形成され、再利用化
が容易になる。

【００４４】尚、ＳｉＣ基板の抵抗率は１００００Ω・
ｃｍと高いため陽極化成溶液との界面抵抗が高くなり、
陽極化成電流が流れにくい。この場合、ＳｉＣ基板の裏
面に高濃度ポリシリコンを形成して、界面抵抗を下げる
ことが望ましい。

【００４５】実施例２実施例１においては、図２右上に示すように、長尺のシ
リコン基板に剥離用のポーラスシリコン層２を形成し、
さらに数μｍの厚さの単結晶シリコン層をエピタキシャ
ル成長させたが、本実施例では、長尺単結晶シリコン基
板に直接ポーラスシリコンを形成するのでなく、一旦シ
リコンエピタキシャル層を１０μｍ程度成長させた後、
そのエピタキシャル層内にポーラスシリコン層２を形成
した。このほかは、実施例１と同じである。

【００４６】この方法を採用すると、長尺シリコン基板
に形成するポーラスシリコン層が均一になり、その上に
形成するエピタキシャル層の結晶性が向上するという利
点がある。

【００４７】実施例３上述した実施例１および実施例２では、一枚のＳｉＣ基
板に一枚のシリコン基板を張り合わせたが、ＳｉＣ基板
（例えばＣＶＤ法で形成された基板）は単結晶シリコン
基板のようにサイズが制限されず、大面積基板が可能で
ある。

【００４８】そこで、本実施例では、図３に示すように
一枚のＳｉＣ基板に複数の単結晶シリコン基板を張り合
わせたＳｉＣ基板を、太陽電池製造用大面積基板とし
た。この方法を採用すると、再利用する基板のサイズが
単結晶シリコンインゴットのサイズよりも大きくでき、
太陽電池製造コストを低減することができる。

【００４９】以上の如く、本実施例によれば、ＳｉＣの
ような機械的強度が強い基板を使用することにより、従
来のシリコン基板を用いる時よりも再利用回数を増加さ
せることが可能になった。また、ＳｉＣ上のシリコン層
は薄膜であり、一枚の約１ｍｍ厚のシリコン基板から、
十枚以上の薄膜シリコン付きＳｉＣ基板を形成すること
が可能であり、太陽電池コストは著しく低減できる。

【００５０】なお、本発明を薄膜単結晶シリコン太陽電
池の例で説明したが、本発明を大面積の集積回路、発光
素子、液晶ディスプレイ素子等へ応用することは容易で
ある。また、これらの半導体素子を支持基板から剥離
し、ガラス、プラスチック等の絶縁物、ＳＵＳ等の金
属、あるいはシリコン等の半導体に転写することができ
る。

【００５１】また、本発明は上述の実施例に限らず本発
明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得
ることはもちろんである。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
太陽電池を製造する際のシリコン材料のコストを低減で
きる。また、基板の機械的強度が強いため、再利用する
回数が増加する。また、再利用する基板のサイズが単結
晶シリコンインゴットのサイズよりも大きくでき、太陽
電池製造コストを低減できる。また、太陽電池を剥離す
るのに必要なポーラスシリコン層の均一性が向上し、太
陽電池の効率を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体基板の製造方法の実施例に
おける、半導体素子の製造工程を示す図である。

【図２】本発明に係る半導体基板の製造方法の実施例に
おける、半導体基板の製造工程を示す図である。

【図３】本発明に係る半導体基板の製造方法の実施例に
おける、大面積基板を示す図である。

【図４】従来の半導体素子の製造工程を示す図である。

【符号の説明】

１シリコン基板、２ポーラスシリコン層、３剥離
層、４太陽電池、５接着剤、６プラスチックフィ
ルム、７薄層単結晶シリコン太陽電池、１１ＳｉＣ
基板、１２ポリシリコン層、１３シリコンエピタキ
シャル層、１４シリコン基板、１５薄層シリコン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】大面積薄膜単結晶シリコン半導体素子形
成用の半導体基板の製造方法において、単結晶シリコン基板から薄膜単結晶シリコン層を剥離
し、接着層を形成させた導電性のある支持基板上に転写
する工程を有することを特徴とする半導体基板の製造方
法。
【請求項２】前記支持基板は、ＳｉＣ基板あるいはグ
ラファイトにＳｉＣ薄膜をコーティングした基板からな
ることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方
法。
【請求項３】前記接着層は、ポリシリコン層からな
り、接着を可能にするためそのポリシリコン層を表面研
磨したことを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製
造方法。
【請求項４】前記単結晶シリコン基板から薄膜単結晶
シリコン層を剥離するため、その単結晶シリコン基板に
剥離用のポーラスシリコン層を形成し、そのポーラスシ
リコン層の上に薄膜単結晶シリコン層をエピタキシャル
成長させたことを特徴とする請求項１記載の半導体基板
の製造方法。
【請求項５】前記ポーラスシリコン層は陽極化成によ
り形成されることを特徴とする請求項４記載の半導体基
板の製造方法。
【請求項６】前記薄膜単結晶シリコン層の支持基板へ
の転写は、支持基板と単結晶シリコン基板とを低温で張
り合わせた後、高温に昇温する際、または高温でのアニ
ール時に支持基板と単結晶シリコン基板の熱膨張率の差
により剪断応力が加えられて剥離、転写が起こることに
より行うことを特徴とする請求項１記載の半導体基板の
製造方法。
【請求項７】前記薄膜単結晶シリコン層は、単結晶シ
リコン基板にエピタキシャル成長膜を形成しその膜中に
ポーラスシリコン層を形成した後に、そのポーラスシリ
コン層の上に、エピタキシャル成長させて形成させたこ
とを特徴とする請求項１記載の半導体基板の製造方法。
【請求項８】前記薄膜単結晶シリコン層は、一枚の支
持基板上に複数枚転写されたことを特徴とする請求項１
記載の半導体基板の製造方法。
【請求項９】前記半導体基板上には、太陽電池等の受
光素子、発光素子、液晶ディスプレイ素子、集積回路等
の半導体素子を形成させることを特徴とする請求項１記
載の半導体素子の製造方法。
【請求項１０】前記半導体素子を支持基板から剥離
し、ガラス、プラスチック等の絶縁物、ＳＵＳ等の金
属、あるいはシリコン等の半導体に転写することを特徴
とする請求項９記載の半導体素子の製造方法。
【請求項１１】前記半導体基板上には、太陽電池等の
受光素子、発光素子、液晶ディスプレイ素子、集積回路
等の半導体素子を形成させることを特徴とする請求項７
記載の半導体素子の製造方法。