(57)【要約】【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第１のイオン種として水素イオンを注入する工程と、第２のイオン種を当該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前記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注入層から上側を剥離させてシリコン系結晶薄板を得る剥離工程と、を備える。ここで、第１のイオン種である水素イオンは、シリコン系結晶基板に均一に注入され、第２のイオン種は、周期的な直線状のパターンで注入され、第２のイオン種の注入領域は、互いにオーバーラップしない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含有するシリコン系結晶基板に第１のイオン種として水素イオンを注入する工程と、第２のイオン種を当該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前記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注入層から上側を剥離させてシリコン系結晶薄板を得る剥離工程と、を備えることを特徴とする半導体薄膜フィルムの製造方法
【請求項２】
第１のイオン種である水素イオンは、シリコン系結晶基板に均一に注入され、第２のイオン種は、周期的な直線状のパターンで注入され、第２のイオン種の注入領域は、互いにオーバーラップしないこと、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。
【請求項３】
さらに第３のイオン種が注入され、第３のイオン種は、周期的な直線状のパターンで注入され、第３のイオン種の注入領域は、互いにオーバーラップせず、かつ、第２と第３のイオン種の注入走査方向は、互いに交差していること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
【請求項４】
第１のイオン種、第２のイオン種、第３のイオン種の平均の注入深さは、それぞれシリコン系結晶基板の表面から５μｍ〜１００μｍであり、第１のイオン種、第２のイオン種、第３のイオン種は、互いに１μｍ以下の深さの違いで注入されること、を特徴とする請求項３に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
【請求項５】
第１のイオン種は水素イオンであり、第２のイオン種ならびに第３のイオン種は、水素、シリコン、炭素、窒素、または希ガス元素のいずれかの同種または異種であること、を特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
【請求項６】
少なくとも第１のイオン種と第２のイオン種とが注入されたシリコン系結晶基板に支持基板を接しさせて、熱処理によりシリコン系結晶基板と支持基板とを密着させ、支持基板とシリコン系結晶基板のイオン種が注入された領域よりも表面側とを、シリコン系結晶基板から引き剥がし、半導体薄膜フィルムとすること、を特徴とする請求項１ないし請求項５に記載の半導体薄膜フィルムの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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を含有するシリコン系結晶薄板の製造方法に関するものであり、特にシリコン系結晶薄膜がシリコンカーバイドであるものに関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、水素イオン９を注入することによって、厚さ数ｍｍの厚いシリコン基板４から薄膜を剥離させる従来の技術の説明図であり、図４では基板４の断面図を表している。図４（Ａ）では、シリコン系基板４の表面に均一に注入面１から水素イオン９を注入する。注入層１１は水素イオンが注入された位置である。イオン注入量は、１×１０１７原子／ｃｍ２レベルである。基板４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４（Ｂ）から（Ｃ）では、支持基板１０を用意し、支持基板１０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。１２は結晶基板４と支持基板１０との接合面である。
【０００３】
例えば、シリコン系基板をシリコン結晶基板４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は空孔が形成される。図４（Ｄ）は、厚いシリコン系結晶基板４から支持基板１０を引っ張り力によって、イオン注入層を剥離面１３として分離することを示す。このようにして、支持基板１０上にシリコン系結晶薄層が形成された基板を形成することができる。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−２１１１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
シリコン系結晶基板をシリコン単結晶とすると、基板を剥離するための水素イオン濃度は１×１０２１原子／ｃｍ３レベルである。つまり、シリコン原子の原子密度は５×１０２２原子／ｃｍ３であるから、ほぼ、シリコン原子の１割ほどの水素イオンを注入することが必要と考えられている。シリコン系基板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、平均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５μｍ〜１００μｍ程度の層を剥離するためには、より多くの水素イオン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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、上記した課題を解決するために、
シリコンを含有するシリコン系結晶基板に第１のイオン種として水素イオンを注入する工程と、第２のイオン種を当該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前記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注入層から上側を剥離させてシリコン系結晶薄板を得る剥離工程と、を備えることとする。
【０００８】
ここで、第１のイオン種である水素イオンは、シリコン系結晶基板に均一に注入され、第２のイオン種は、周期的な直線状のパターンで注入され、第２のイオン種の注入領域は、互いにオーバーラップしないこと、が好ましい。オーバーラップすると、イオン注入量が増えてしまう。
【０００９】
また、さらに第３のイオン種が注入され、第３のイオン種は、周期的な直線状のパターンで注入され、第３のイオン種の注入領域は、互いにオーバーラップせず、かつ、第２と第３のイオン種の注入走査方向は、互いに交差していること、が好適である。
【００１０】
加えて、第１のイオン種、第２のイオン種、第３のイオン種の平均の注入深さは、それぞれシリコン系結晶基板の表面から５μｍ〜１００μｍである。注入深さが、５μｍ〜１００μｍが好ましい理由は、半導体薄膜フィルムとして使用される、パワーＩＣから高耐圧パワーデバイス（耐圧１３ｋＶ）に求められる基板厚さが、この範囲であるためである。第１のイオン種、第２のイオン種、第３のイオン種は、互いに１μｍ以下の深さの違いで注入されること、がさらに好ましい。
【００１１】
さらにまた、第１のイオン種は水素イオンであり、第２のイオン種ならびに第３のイオン種は、水素、シリコン、炭素、窒素、または希ガス元素のいずれかの同種または異種であること、が適している。
【００１２】
薄膜の作り方としては、少なくとも第１のイオン種と第２のイオン種とが注入されたシリコン系結晶基板に支持基板を接しさせて、熱処理によりシリコン系結晶基板と支持基板とを密着させ、支持基板とシリコン系結晶基板のイオン種が注入された領域よりも表面側とを、シリコン系結晶基板から引き剥がし、半導体薄膜フィルムとすることが好適である。
【００１３】
注入するイオン種としては、シリコンの結晶にシリコンを注入すれば、注入箇所が膨張する。またシリコンカーバイドの結晶に炭素を注入すれば、注入箇所が膨張する。窒素はシリコンカーバイドの結合を切り、同じく体積膨張する。酸素もシリコンカーバイドの結合を切り、体積膨張する。希ガスは注入箇所にダメージを与え、剥離し易くする。希ガスとしては、原子番号が大きいほど与えるダメージが大きいので好ましい。
そして上記のような発明によって、厚いシリコン基板（またはシリコンカーバイド基板）から薄膜が剥離する過程は、次のようにして起こると考えている。
【００１４】
・  注入された水素イオンは、シリコンと反応し、Ｓｉ−Ｈの結合を持つ複合構造を形成する。Ｓｉ−Ｈ結合の生成は、Ｓｉ−Ｓｉ結合を切断することになり、結晶の脆化を引き起こし、剥離し易くなる。
【００１５】
・  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、空孔を形成し、空孔の膨張力で剥離し易くなる。
このように、剥離は、水素イオンによる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、過剰な水素原子が水素ガスを形成し、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とにより構成されている。水素ガスが膨張する過程では、空孔の内圧が高まり、この応力によって脆化した層を境に剥離が発生すると考えている。
本発明は、水素イオン濃度の高い部分と低い部分を効果的にイオン注入層に配置することによって、より少ないイオン注入量で剥離を誘起させようとするものである。
【発明の効果】
【００１６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す図。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す図。
【図４】従来技術を示す図。
【図５】本発明の原理を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、トータルのイオン注入量を少なくして、半導体薄膜フィルムを製造するものである。
そのために、水素をイオン注入して、
Ｓｉ−Ｓｉ＋２Ｈ→２Ｓｉ−Ｈ
の反応を生じせしめてシリコン結合を切り、フィルムを剥離させる。
【００１９】
また水素イオンの注入により、
２Ｈ→Ｈ２
の反応も生じせしめてイオン注入箇所を膨張させて、フィルムを剥離させる。
【００２０】
イオン注入のトータルの量を減少させるには、第２、第３のイオン種を注入して、第１（水素イオン）の注入量を減らして、トータルのイオン注入の量を減らすとともに、ある箇所だけイオン注入の量を大きくして、半導体薄膜フィルムの剥離のスループットを上げる。ある箇所だけ体積膨張させて、応力を基板に与えて剥離するわけである。
【００２１】
イオン注入は、深さが深くなるほど、注入深さがずれてくる。本発明では、イオン注入の加速電圧（ｅＶ）を調節して、第１のイオン種、第２のイオン種、第３のイオン種の注入深さのずれが、１μｍ以下の範囲に収まるようにする。
【００２２】
半導体薄膜フィルムを、イオン注入箇所から剥離するために、支持基板を結晶基板に密着させる。支持基板を結晶基板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、マイナス０．１気圧〜マイナス１気圧程度である。
【００２３】
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℃／分程度となるように、９００℃の炉に、室温から１分程度で入れ、９００℃に炉内で保持る時間は１５分程度の時間である。
【００２４】
支持基板としては、結晶基板がシリコンカーバイドの場合、シリコンカーバイドの価格の安い物（例えばＳｉＣ焼結体）を用いる。このようにすれば、熱膨張係数も、基板のＳｉＣと同じくらいになる。
【００２５】
結晶基板の表面、ならびに支持基板の表面は、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。
図１は、本発明の第１の実施形態を表すものである。図１（Ａ）は、従来技術の図４（Ａ）のイオン注入の工程に対応する。
本実施形態では、第２のイオン種も水素イオンである。
【００２６】
まず、第１のイオン種として、水素イオンを注入層３の平均深さがＲ１（例えば１５μｍ〜２０μｍ）になるように注入面全体が均一になるように、注入量Ｄ１原子／ｃｍ２で照射する（図１（Ａ））。その後、注入層３の平均深さがＲ１になるように、次に第２のイオン種も水素イオンとして、水素イオンを、図１（Ｂ）の走査路の位置に注入量Ｄ２原子／ｃｍ２で照射する。ここで、注入量Ｄ２はＤ１よりも高濃度である。図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の断面位置５における表面からの深さＲ１での水素濃度を表している。イオン注入量Ｄ１とＤ２の例としては、それぞれ、１×１０１６原子／ｃｍ２、１×１０１７原子／ｃｍ２である。図１（Ｃ）は、注入量Ｄ１とＤ２の幅が、それぞれＷ１、Ｗ２であることを表している。Ｗ１の幅は数μｍであり、Ｗ２の幅は、Ｗ１の幅の４分の１〜５分の１程度である。高濃度のＤ２の走査路の幅Ｗ２を拡げるためには、走査路６に沿って複数回走査位置をスライドさせてイオン照射を実施することによっておこなう。ただし、走査位置はオーバーラップさせない。
【００２７】
図２は、本発明の第２の実施形態を表すものであり、図２（Ａ）は図１（Ａ）と同じく、従来技術の図４（Ａ）のイオン注入の工程に対応する。
第１のイオン種として、水素イオンを注入層の平均深さがＲ１になるように注入面全体に均一に、注入量Ｄ１原子／ｃｍ２で照射し（図２（Ａ））、その後、注入層の平均深さがＲ１になるように、今度は水素イオンと異なる第２のイオン種を、図２（Ｂ）の走査路の位置に注入量Ｄ２原子／ｃｍ２で照射する。ここで、注入量Ｄ２はＤ１よりも高濃度である。
【００２８】
図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）の断面位置５における表面からの深さＲ１での水素注入量および第２のイオン種の注入量を表している。点線が水素注入量８を示し、実線が第２のイオン種の注入量７を示している。
この図のように、走査路の位置の第２のイオン種の濃度は水素イオンの注入量よりも高い。イオン注入量Ｄ１とＤ２の例としては、それぞれ、１×１０１６原子／ｃｍ２、１×１０１７原子／ｃｍ２である。図２（Ｃ）におけるＷ１、Ｗ２を調整するためには、図１（Ｃ）で説明したように、イオン照射の走査路６に沿って複数回走査位置をスライドさせて、イオン照射を実施することによっておこなう。
【００２９】
図３は、本発明の第３の実施形態を表すものであり、上記第１、第２の実施形態と同じく、従来技術の図４（Ａ）のイオン注入の工程に対応する。本実施形態では、第１のイオン種として、水素イオンを注入層の平均深さがＲ１になるように注入面全体に均一に、注入量Ｄ１原子／ｃｍ２で照射し（図１（Ａ））、その後、注入層の平均深さがＲ１になるように、今度は水素イオンまたは水素イオンと異なる第２のイオン種を、図１（Ｂ）の走査路の位置に注入量Ｄ２原子／ｃｍ２で照射する。ここで、注入量Ｄ２はＤ１よりも高濃度である。図３（Ｂ）に示すように、走査路６は、縦と横の走査路から構成されており、互いに垂直な場合を表している。縦、横の走査路に沿って注入する第２のイオン種としては、縦横ともに、第１のイオン種と同じ水素イオン、あるいは第１のイオン種とは異なる第２のイオン種である。縦が水素、横が水素と異なる第２のイオン種であってもよい。また、結晶基板４に水素イオンを均一に注入し、縦に第２のイオン種、横に第３のイオン種を注入してもよい。この他、縦、横の走査路の相互の交差角は、９０°から外れてもよい。また、縦横の２種類の走査路に加えて、必要に応じて第３の走査路を設けてイオン注入することもある。イオン注入量Ｄ１とＤ２の例としては、それぞれ、１×１０１６原子／ｃｍ２、１×１０１７原子／ｃｍ２である。図２（Ｃ）におけるＷ１、Ｗ２を調整するためには、図１（Ｃ）で説明したように、走査路６に沿って複数回走査位置をスライドさせてイオン照射を実施することによっておこなう。
【００３０】
上記第２のイオン種、第３のイオン種としては、Ｓｉ、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）、希ガス（Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ、Ｒｎ）が挙げられる。注入の順序に関しては、水素を先にする場合も、第２のイオン種を先に注入する場合がある。上記実施形態においては、Ｒ１＝１５μｍ〜２０μｍである。
【００３１】
上記イオン注入を行った後、従来技術と同様に支持基板１０を用意し、イオン注入した結晶基板４の表面に支持基板１０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、シリコン系の基板の種類によって異なるが、シリコンの場合は、９００℃〜１０００℃、シリコンカーバイドの場合は、９００℃〜１３００℃が多く採用される。剥離条件に対しては、熱処理条件（最高温度、昇温および降温の条件など）は最適化がおこなわれる。熱処理によって、支持基板１０がシリコン系結晶基板４に接合されると同時に、イオン注入層１１が脆化し、空孔が形成される。最後にシリコン系結晶基板４と支持基板１０に引っ張り力を加えることによって、イオン注入層１１の部分から剥離が発生し、基板４と支持基板１０とが分離される。
【００３２】
図５は、本発明の原理の説明図である。
図５は、シリコン系結晶基板４にイオン注入をおこなった試料の走査路に垂直な断面を示している。ここでは、シリコン系結晶基板４をシリコン単結晶基板として原理を説明する。
水素イオンを平均の深さＲ１＝１５μｍ〜２０μｍの位置に打ち込んだ後、熱処理をおこなうと注入層１１は脆化し、この位置で剥離が発生する（Ｓｉ−Ｓｉ＋２Ｈ→２Ｓｉ−Ｈ）。過剰な水素は水素ガス（２Ｈ→Ｈ２）として凝集、膨張して空孔を形成する。この膨張（膨張の方向１６を矢印で示す）によって空孔内の圧力が増加することにより、剥離が促進される。図１（Ｃ）で説明したとおり、本発明では、基板表面に均一にイオン注入量Ｄ１で注入した部分と、均一なイオン注入量に加え、走査路に沿って注入量Ｄ２を注入している。
【００３３】
図５の高濃度の注入層１４は、走査方向に対して垂直な断面を表している。図１の発明のように走査路に高濃度の水素を注入した場合、過剰の水素がガス化することによって内圧を増加させ、空孔を形成するとともに、高濃度の注入層１４に挟まれた低濃度の注入層１５（水素による注入層の脆化は起こっているが、空孔は生成していない領域）を上下に引き剥がす力を与える。この結果、低濃度の領域でも剥離を誘起させる効果がある。
【００３４】
図２の実施形態では、走査路に沿った高濃度の注入領域には、水素と異なる第２のイオン種が注入される。この場合も、高濃度の注入領域で体積の膨張が生じ、低濃度の水素を注入した領域を上下に引き剥がす効果がある。
【符号の説明】
【００３５】
１：イオン注入面
２：イオン
３：イオン注入層
４：シリコン系結晶基板
５：断面位置
６：イオン照射の走査路
７：第２のイオン種の注入量
８：水素注入量
１０：支持基板
１１：イオン注入層
１２：支持基板と結晶基板との接合面
１３：剥離面
１４：高濃度の注入層
１５：低濃度の注入層
１６：膨張の方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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