(57)【要約】【課題】自立できる、一以上の分離可能な半導体膜を形成するためのシステム。【解決手段】本装置は、第一のエネルギーレベルにある複数の平行化した荷電粒子を生成するイオン源を備える。本システムは、１からＮ個の相互に連続した高周波四重極（ＲＦＱ）エレメントを有するリニア加速器を備え、Ｎは１より大きな整数である。本リニア加速器は、第一のエネルギーレベルにある複数の平行化した荷電粒子を、第二のエネルギーレベルを有する荷電粒子ビーム内へと、制御して加速する。１番目のＲＦＱエレメントは、イオン源に動作可能に接続される。本システムは、ＲＦＱリニア加速器の番号ＮのＲＦＱエレメントに接続される出口アパーチャを備える。具体的な実施形態において、本システムは出口アパーチャに接続されるビームエキスパンダを備え、該ビームエキスパンダは第二のエネルギーレベルにある荷電粒子ビームを処理し、荷電粒子の拡大ビームとするよう構成される。本システムは、ビームエキスパンダと、注入のためにプロセスチャンバ内に供給されるワークピースとに接続する、プロセスチャンバを備える。【選択図】図１
2010509714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自立できる一以上の分離可能な半導体膜の製造のために荷電粒子を提供する装置であって、
複数の荷電粒子を生成するイオン源であって、前記複数の荷電粒子は第一のエネルギーレベルにある平行化したビームとして提供されるイオン源と、
高周波四重極（ＲＦＱ）リニア加速器であって、前記ＲＦＱリニア加速器は１からＮまでの番号が付けられた複数のモジュール式高周波四重極（ＲＦＱ）エレメントを含み、Ｎは１より大きな整数であり、前記複数のモジュール式ＲＦＱエレメントのそれぞれは相互に連続して接続され、ＲＦＱリニア加速器は前記荷電粒子を第一のエネルギービームに制御及び加速して第二のエネルギーレベルを有する荷電粒子のビームとし、番号１のＲＦＱエレメントは前記イオン源に接続されて動作可能である加速器と、
ＲＦＱリニア加速器の番号ＮのＲＦＱエレメントに接続される出口アパーチャと、
前記出口アパーチャに接続されるビームエキスパンダであって、前記ビームエキスパンダは前記第二のエネルギーレベルにある荷電粒子の前記ビームを荷電粒子の拡大ビームに処理するよう構成されるビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダに接続されるプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内に供給されるワークピースであって、前記ワークピースは荷電粒子の前記拡大ビームによって注入される表面領域を含むワークピースと、
を含む装置。
【請求項２】
前記イオン源は、ＥＣＲイオン源、マイクロ波イオン源、ＩＣＰイオン源又は他から選択される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記イオン源によって生成した前記複数の荷電粒子は、Ｈ−又はＨ＋（陽子）又はＨ２＋から選択することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記イオン源は、３０ｍＡまでの調節可能な電流を用いて約２５ｋｅＶのエネルギーレベルにあるイオンビームを生成することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記イオン源は、連続モード、又は１０から１００μｓの調節可能なパルス幅及び１０から３０００Ｈｚの調節可能な繰り返し周期を有するパルス化モードにおいて動作することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
番号１の前記ＲＦＱエレメントは、２５ｋｅＶのエネルギーから少なくとも０．７５ＭｅＶのエネルギーまでのイオンビームの、集束、圧縮（ｂｕｎｃｈｉｎｇ）及び加速が可能である、約２００ＭＨｚの共振周波数を有するＲＦＱライナックサブシステムを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
番号Ｎの前記ＲＦＱエレメントを出る前記加速されたビームは、０．５から７ＭｅＶのエネルギーレベルにおける約３０ｍＡまでの電流を有する陽子ビームであってもよい、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ビームエキスパンダは、四重極又は八重極の磁場を用いて、３ｍｍ以下から約５０ｃｍまで調節可能なビームサイズを有する前記ビームを処理することができる、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記プロセスチャンバは、少なくとも前記表面領域の部分が、前記第二のレベルにある荷電粒子のビームで照射されるように、前記ワークピースを支持するトレイデバイスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記トレイデバイスは、荷電粒子の前記ビームが、前記表面領域を横切って走査することと、前記ワークピースに注入されることと、を可能とするために移動するよう構成される、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記イオン源のビーム電流、高周波電源、ビーム動力学、注入又は劈開プロセスを制御するよう構成されるコンピュータ制御システムを、さらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
デバイス用途の自立できる一以上の分離可能な半導体膜を製造するために荷電粒子を導入する方法であって、
イオン源を用いて、第一のエネルギーレベルにあるビーム電流を有する荷電粒子のビームを生成するステップと、
前記イオン源に接続される高周波四重極（ＲＦＱ）リニア加速器を通じて、第一のエネルギーレベルにある前記ビームを、第二のエネルギーレベルにあるビームに移送するステップであって、前記ＲＦＱリニア加速器は１からＮの番号が付けられたモジュール式ＲＦＱエレメントを含み、Ｎは１より大きな整数であるステップと、
前記荷電粒子を注入することができるビームサイズを拡大するために、前記ＲＦＱリニア加速器に接続されるビームエキスパンダを用いて、前記第二のエネルギーレベルにある前記ビームを処理するステップと、
前記第二のエネルギーレベルにある前記ビームを表面領域を通じてワークピースに照射するステップであって、前記ワークピースは、前記表面領域を横切って走査し、前記ワークピースの表面領域から約５０マイクロメートルを超える深さに、平均注入線量を有する劈開領域を作り出せるように、前記ビームエキスパンダに接続されるプロセスチャンバ内にマウントされるステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記第二のエネルギーレベルは、約０．５から７ＭｅＶの間である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
荷電粒子の前記ビームは、水素イオンを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ビームを照射するステップは、前記ビームを走査すること又は前記ワークピースを平行移動することにより、前記ワークピース上の前記ビームの位置を変えるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
低エネルギーイオンビームを出力するよう構成されるイオン源と、
前記イオン源から受けた前記低エネルギーイオンビームを集束するよう構成される低エネルギーイオンビーム輸送（ＬＥＢＴ）部と、
前記集束した低エネルギーイオンビームを高エネルギーイオンビームに変換するよう構成されるリニア加速器と、
前記高エネルギーイオンビームを受けるよう構成される高エネルギーイオンビーム輸送（ＨＥＢＴ）部と、
バルク材料を、前記バルク材料が前記高エネルギーイオンビームに露出されるように支持するよう構成される端部ステーションと、
を含むシステム。
【請求項１７】
前記イオン源は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）又は水素イオンを含むビームのマイクロ波源を含み、
前記ＬＥＢＴ部は、アインツェルレンズ又はソレノイドレンズを含み、
前記リニア加速器は、水素イオンの前記ビームを約０．５〜７ＭｅＶの間のエネルギーに加速するよう構成される、一連の連続した高周波四重極（ＲＦＱ）ステージを含み、
前記ＨＥＢＴ部は走査デバイスを含み、前記端部ステーションは、共通トレイ上に複数のバルク材料を支持するよう構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ＨＥＢＴ部は、複数の前記バルク材料の一つを横切って前記ビームを走査するよう構成される装置を含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記走査デバイスは、静電又は磁気素子を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記走査デバイスは、前記走査される高エネルギービームを、法線から約４度未満の角度で前記バルク材料の表面に衝突させるよう構成される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記端部ステーションは、前記イオンビームへの露出の間、少なくとも一つの軸に沿って前記バルク材料を物理的に平行移動するよう構成される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ＨＥＢＴ部は、ビームエキスパンダを、さらに含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２３】
前記リニア加速器は、ＲＦＱ、ＱＦＩ、ＲＦＩ、又はＤＴＬエレメントを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２４】
バルク材料から自立膜を作る方法であって、
前記バルク材料の表面を、ＲＦＱリニア加速器に接続されるＥＣＲイオン源によって生成したイオンの高エネルギービームに露出するステップであって、前記イオンビームからの水素イオンが前記バルク材料の中に約２０マイクロメートル以上の深さに注入されるようにするステップと、
前記自立膜を前記深さにおいて前記バルク材料から劈開するステップと、
を含む方法。
【請求項２５】
前記ビームは、約０．５及から７ＭｅＶの間のエネルギーを有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記バルク材料の表面を横切って前記高エネルギービームを走査するステップを、さらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記露出するステップの間に、少なくとも一つの軸に沿って前記バルク材料を平行移動するステップを、さらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
ＥＣＲイオン源と、
アインツェルレンズを含み、前記ＥＣＲイオン源と連通して真空にある入口を有する低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）部と、
前記ＬＥＢＴ部からの水素イオンのビームの出口を、約０．５から７ＭｅＶの間のエネルギーに上昇する、３つの連続するＲＦＱステージを含むリニア加速器部と、
前記リニア加速器部の前記出口と連通して真空にあり、ビームスキャナを含む、高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）部と、
バルク材料の表面を、前記表面が走査される高エネルギービームに露出される間に、軸に沿って平行移動するよう構成される端部ステーションと、
を含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、全ての目的で全体を参照により本願明細書に援用する、２００６年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６０／８６４９６６号の優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明に係る実施形態は、概して、半導体材料プロセスのために荷電粒子を導入する装置及び方法を含む技術に関する。より具体的には、本装置及び方法は、光発電セルを含むデバイス応用のための、自立できる一以上の分離可能な半導体膜を製造するために、ＭｅＶのエネルギーレベルを有する粒子ビームを得る、高周波四重極リニア加速器等の、リニア加速器（Ｌｉｎａｃ、ライナック）を用いるシステムを提供する。しかし、本発明はより広い範囲の適用性があることが認識されるだろう。集積半導体デバイスの三次元パッケージ、光又は光電子デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（“ＭＥＭＳ”）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学及び生物医学デバイス等、他の種類の応用にも適用することが可能である。
【背景技術】
【０００３】
太古から、人間は、ほとんど全ての有用なエネルギーの形態を得るために「太陽」に依存してきた。こうしたエネルギーは、石油、放射、木、及び、様々な形態の熱エネルギーからもたらされる。一例に過ぎないが、人間は需要の大半を石炭及びガス等の石油資源に大幅に頼ってきた。残念なことに、このような石油資源は枯渇してきており、他の問題を引き起こしている。代替として、部分的に、石油資源への依存を減らするために、太陽エネルギーが提案された。一例に過ぎないが、太陽エネルギーは、一般的にシリコンで作られる「太陽電池」から得ることができる。
【０００４】
シリコン太陽電池は、太陽からの太陽放射にさらされると電力を発生する。日射は、シリコン原子と相互作用し、シリコン本体内のｐドープ及びｎドープ領域に移動して電位差及びドープ領域間の電流を生じる、電子及びホールを形成する。用途によるが、太陽電池は、効率を改善するために集光素子を集積している。一例としては、日射を活性光発電材料の一以上の部分に導く集光素子を用いて、太陽放射を集め、焦点を合わせる。効率的ではあるが、このような太陽電池にはまだ多くの制約がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一例に過ぎないが、太陽電池はシリコン等の出発材料に依存する。このようなシリコンは、大抵、ポリシリコン及び／又は単結晶シリコン材料のいずれかを用いて作られる。これらの材料は、大抵、製造するのが困難である。ポリシリコンセルは、大抵、ポリシリコンプレートの製造により形成される。これらのプレートは効率的に形成される場合もあるが、高効率な太陽電池のための最適特性を有していない。単結晶シリコンは、高品位の太陽電池に適した特性を有する。しかしながら、このような単結晶シリコンは高価であり、効率的かつ費用効果的な様式で太陽電池用途に用いることは困難である。概して、薄膜太陽電池は低価格であるが、単結晶シリコン基板から製作される高価なバルクシリコン電池よりも効率は低い。成功してはいるが、太陽電池又は他の材料膜を形成するために従来の技術を用いるならば、まだ多くの制約がある。
【０００６】
上述から、半導体材料を製造するための、費用効果的かつ効率的な技術が求められていることが分かる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、概して、半導体材料プロセスのために荷電粒子を導入する装置及び方法を含む技術に関する。より具体的には、本願の装置及び方法は、光発電セルを含むデバイス応用のための、自立できる一以上の分離可能な半導体膜を製造するために、ＭｅＶのエネルギーレベルを有する粒子ビームを得る、高周波四重極リニア加速器等の、リニア加速器（ＲＦＱ  Ｌｉｎａｃ）を用いるシステムを提供する。しかし、本発明はさらに広い応用範囲を有することが認識され、集積半導体デバイスの三次元パッケージ、光又は光電子デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（“ＭＥＭＳ”）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学及び生物医学デバイス等の、他の種類の応用にも適用することが可能である。
【０００８】
具体的な実施形態において、本発明は、デバイス応用のための、自立できる一以上の分離可能な半導体膜を製造するために、荷電粒子を導入するための装置を提供する。本装置は、複数の荷電粒子を生成するイオン源を備える。このイオン源は、具体的な実施形態における電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）又はマイクロ波イオン源でありうる。複数の荷電粒子は、第一のエネルギーレベルにあるビームとして平行化される。加えて、この装置は、１からＮまでの番号が付けられた複数のモジュール式高周波四重極（ＲＦＱ）エレメントを備え、Ｎは１より大きい整数である。複数のモジュール式ＲＦＱエレメントのそれぞれは連続して接続され、ＲＦＱリニア加速器を形成する。番号１のＲＦＱエレメントは、低エネルギービーム抽出及び集束エレメントを介して、イオン源に接続される。本装置は、複数のモジュール式ＲＦＱライナック（Ｌｉｎａｃ）エレメントのそれぞれを通じて、第一のエネルギーにある荷電粒子ビームを、第二のエネルギーを有する荷電粒子ビームへと、制御し、加速する。本装置は、ＲＦＱリニア加速器の番号ＮのＲＦＱエレメントに接続される、出口アパーチャを、さらに含む。好適な実施形態において、本装置は、拡大され成形された荷電粒子のビームを提供するために、出口アパーチャに接続される、ビームエキスパンダ、ポテンシャルビーム成形光学系、質量分析器及び／又はビームスキャナを備える。具体的な実施形態において、表面領域を含むワークピースが供給される。ワークピースには、ワークピースの厚さの範囲内のある深さに、複数の不純物粒子を供給するための第二のエネルギーにある荷電粒子の拡大ビームを用いて、注入を行うことが可能である。複数の不純物粒子は、具体的な実施形態における表面領域から、約２０マイクロメートルを超え、おそらく約５０マイクロメートルを超える深さに、劈開領域を形成する。
【０００９】
代替の具体的な実施形態において、本発明は、デバイス応用のための、自立できる一以上の分離可能な半導体材料を製造するために、荷電粒子の導入装置を提供する。本装置は、第一の複数の平行化した荷電粒子を生成するイオン源を備える。第一の複数の平行化した荷電粒子は、第一のエネルギーレベルで提供される。本装置は、第一のエネルギーレベルを有する荷電粒子を、第二のエネルギーレベルを有するビームに、集束して加速するために、高周波四重極（ＲＦＱ）ライナックサブシステムを、さらに含む。加えて、本装置は、互いに連続して接続される、番号１からＮの、複数のモジュール式高周波四重極／ドリフトチューブ（ＲＱＤ）を備える。Ｎは１より大きな整数である。具体的な実施形態において、番号１のエレメントは、ＲＦＱライナックサブシステムに接続される。複数のモジュール式ＲＱＤエレメントのそれぞれは、円柱状の中空構造の長軸に沿った、２つの部分からなるドリフトチューブを含み、この２つの部分からなるドリフトチューブは、大きい方も小さい方も、放射状のステムにより支持され、高周波四重極との間に双方向に、２つの部分からなるドリフトチューブの対向端部に向いた、２つのロッドを有する。隣接するＲＱＤエレメントの、２つの部分からなるドリフトチューブ間の空間的なギャップは、複数のモジュール式ＲＱＤエレメントのそれぞれを通じて、第二のエネルギーレベルを有するビームを、第三のエネルギーレベルを有するビームに加速するために、適切に広げられる。本装置は、番号ＮのＲＱＤエレメントに接続される出口アパーチャをさらに含む。好適な実施形態において、本装置は、出口アパーチャに接続されるビームエキスパンダ、シェーパー、及び質量分析光学エレメントを備える。ビームエキスパンダは、第三のエネルギーレベルにあるビームを、複数の荷電粒子を注入することが可能な拡大ビームサイズへと処理するよう構成される。本発明に係る装置は、ビームエキスパンダに動作可能に接続されるプロセスチャンバを備える。プロセスチャンバ内には、表面領域を含むワークピースが供給される。ワークピースは、具体的な実施形態において、第三のエネルギーレベルにある複数の粒子を用いて注入を行うことが可能な、表面領域を備える好適には、複数の不純物粒子は、ワークピースの表面領域から、約２０マイクロメートルを超え、おそらく約５０マイクロメートルを超える深さに、劈開領域を形成する。
【００１０】
さらなる代替の具体的な実施形態において、本発明は、デバイス応用のための、自立できる一以上の分離可能な半導体膜を製造するために、荷電粒子を導入する方法を提供する。本方法は、イオン源を用いて、第一のエネルギーレベルにあるビーム電流により、荷電粒子のビームを生成することを含む。加えて、本方法は、イオン源に接続される高周波四重極（ＲＦＱ）リニア加速器を通じて、第一のエネルギーレベルにあるビームを、第二のエネルギーレベルにあるビームに移送することを含む。ＲＦＱリニア加速器は、番号１からＮの複数のモジュール式ＲＦＱエレメントを含み、Ｎは１を超える整数である。本方法は、荷電粒子を注入することが可能なビームサイズを拡大するために、ＲＦＱリニア加速器に接続されるビームエキスパンダを用いて、第二のエネルギーレベルにあるビームを処理することを、さらに含む。さらに、本方法は、第二のエネルギーレベルにあるビームを、表面領域を通過してワークピース内に放射することを含む。このワークピースは、特定のビームサイズを有して第二のエネルギーレベルにあるビームが、表面領域を横切って走査することができ、ワークピースの表面領域から、約２０マイクロメートルを超え、おそらくは約５０マイクロメートルを超える深さに、平均注入線量を有する劈開領域を作り出せるように、ビームエキスパンダに接続されるプロセスチャンバ内にマウントされる。
【００１１】
本発明のさらなる他の実施形態において、荷電粒子ビームは、費用効果的なリニア加速器システムを用いて、約１ＭｅＶから５ＭｅＶまで加速される。このようなリニア加速器システムは、荷電粒子ビームを供給するために、高周波四重極又はドリフトチューブ、又はこれらの組み合わせを備えてもよい。荷電粒子ビームは、さらに拡大してもよく、すなわちリニア加速器システムの出口アパーチャに接続されるビームエキスパンダを用いて、そのビーム径を増すことができる。拡大ビームは、ワークピースに注入するための、制御された線量率を有する荷電粒子の高エネルギービームである。ワークピースは、ビームエキスパンダに動作可能に接続されるプロセスチャンバ内のトレイデバイスに取り付けられる、一以上のタイル形状の半導体材料でありうる。高エネルギー荷電粒子の拡大ビームを用いて、ワークピースの厚さの範囲内の深さに、ワークピースへの注入を行うことができる。複数の不純物粒子は、具体的な実施形態における分離可能な材料の厚さを画定する表面領域から、ある深さに劈開領域を形成する。分離可能な材料の厚さは、具体的な実施形態において、約２０マイクロメートルを超え、おそらくは約５０マイクロメートルを超える厚さでありうる。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００１２】
本発明の実施形態を用いて、既存の技術以上に数多くの利益がもたらされる。特に、本発明の実施形態は、厚膜転写技術に対して、高エネルギー注入プロセスのための粒子ビームを提供するために、費用効果的なリニア加速器システム及びビームエキスパンダを使用することを含む、装置及び方法を使用する。このようなリニア加速器システムは、ドリフトチューブ法、一般的にＲＦＱと呼ばれる高周波四重極、高周波櫛形（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔｅｄ、一般にＲＦＩとして知られる）、又は他のリニア加速方法、及びこれらの組み合わせを含むが、これらに限定されない。具体的な実施形態において、本装置は、注入を受ける材料に過剰の損傷を与える最大フラックスよりも十分に低いが、効率的なプロセスを用いて、平方メートルサイズ等のワークピース上に均一に印加するためには十分に高い、所望のパワーのフラックスを有するビームを供給する、ビームエキスパンダを備える。好適な実施形態において、リニア加速器システムは、ドナー基板内の劈開面により画定する、転写可能な材料層を形成する注入プロセスを提供する。転写可能な材料層は、光発電デバイス、３Ｄ  ＭＥＭＳ又は集積回路、ＩＣパッケージング、半導体デバイス、これらの任意の組み合わせ等の、高品質の半導体材料を提供するために、さらに処理してもよい。好適な実施形態において、本発明の方法は、とりわけ非常に効率的な光発電セルのための、単結晶シリコン厚膜を提供する。本発明に係る好適な代替実施形態は、さらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層を提供することのできる、シード層を提供することができる。ヘテロ構造エピタキシャルプロセスは、とりわけ、薄い多接合光発電セルの形成に用いることができる。一例に過ぎないが、ＧａＡｓ及びＧａＩｎＰ層を、ゲルマニウムシード層の上に、ヘテロエピタキシャル的に蒸着してもよく、本発明の一実施形態によれば、これは注入プロセスを用いて形成される転写層である。実施形態にもよるが、これらの一以上の利点を達成することもできる。
【００１３】
本発明は、周知のプロセス技術の文脈において、これら及び他の利益を得ている。しかしながら、本発明の性質及び利益のさらなる理解は、以下の明細書及び添付図面部分を参照することにより、理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る、半導体材料の分離可能な自立膜を製作するために、荷電粒子ビームを導入する装置を示す、簡略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、複数の高エネルギー荷電粒子を生成する方法を示す、簡略化したフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、基板から分離可能な厚膜を形成するステップの上面図を示す、簡略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、半導体材料への荷電粒子の注入方法を示す、簡略図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、半導体基板から劈開プロセスにより形成される自立膜を示す、簡略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、半導体基板から分離可能な厚膜を形成する方法を示す、簡略図である。
【図７】図７は、本発明に係る、注入を実施するための装置の実施形態の構成要素を示す、簡略化したブロック図である。
【図７Ａ】図７Ａは、イオン源及び図７の装置の低エネルギービーム輸送部の拡大ブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７の装置のリニア加速器の拡大ブロック図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７の装置のビーム走査デバイスの拡大ブロック図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、本発明の一実施形態に係る、ワークピース表面上への高エネルギーイオンビームの走査をシミュレートした様々なプロットである。
【図７Ｅ】図７Ｅは、本発明の一実施形態に係る、ワークピース表面上への高エネルギーイオンビームの走査をシミュレートした様々なプロットである。
【図７Ｆ】図７Ｆは、本発明の一実施形態に係る、ワークピース表面上への高エネルギーイオンビームの走査をシミュレートした様々なプロットである。
【図７Ｇ】図７Ｇは、本発明の一実施形態に係る、ワークピース表面上への高エネルギーイオンビームの走査をシミュレートした様々なプロットである。
【図８】本発明の実施形態に関連して用いられる、コンピュータシステムのブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図８のコンピュータシステムの、基本的なサブシステムの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、概して、半導体材料プロセスのために荷電粒子を導入する装置及び方法を含む技術に関する。より具体的には、本発明の装置及び方法は、光発電セルを含むデバイス応用のための、一以上の分離可能な半導体膜を製造するために、ＭｅＶエネルギーレベルを有する粒子ビームを得るための、例えば、高周波四重極リニア加速器等の、リニア加速器を用いるシステムを提供する。しかし、本発明はより広い応用範囲を有すると認識され、集積半導体デバイスの三次元パッケージ、光又は光電子デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、微小電気機械システム（“ＭＥＭＳ”）、ナノテクノロジー構造、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学及び生物医学デバイス等の、他の種類の応用にも適用することが可能である。
【００１６】
以下の開示の目的に対し、「自立膜」又は「自立層」という用語は、取っ手又は転写基板等の支持部材との恒常的な接触のない、自身の構造の全体を維持することのできる（すなわち、崩壊も分解もしない）材料の膜として定義する。通常は、例えば、約５〜１０μｍよりも薄いシリコン薄膜等の極薄のフィルムは、破壊なしに取り扱うことはできない。従来は、そのような薄膜は支持構造を用いて取り扱われ、これは最初の場所に薄膜を作るためにも必要な場合がある。より厚い膜（すなわち、２０〜５０μｍの間の厚さを有するシリコン膜）の取り扱いは、支持体の使用により容易になる場合があるが、このような支持体は必須ではない。従って、本発明の実施形態は、２０μｍを超える厚さを有する、シリコンの自立膜を作ることに関する。
【００１７】
本発明の実施形態は、自立膜の形成に限定されない。代替実施形態は、基板により支持される膜の形成を含んでもよい。さらに、太陽光発電の応用に用いる膜が、光発電セルのプロセス中に真に自立しているか、取り扱い又は転写基板に支持されるかに関わらず、プロセスを受けるセルは、光電力モジュール全体の一部としての最終的な応用のために、通常は、ガラス又はプラスチック等の機械的表面にマウントされる。
【００１８】
同様に、以下の開示に対し、「バルク材料」という用語はバルク形態で存在する材料を指す。このようなバルク材料の例としては、ほぼ円環状のインゴット又は単結晶シリコン若しくは成長した他の類似材料のブール、又は切削側面を有してほぼ円環状の断面形状以外を示す、成長したシリコンインゴット又は他の類似の材料が挙げられる。バルク材料の他の実施例としては、正方形、長方形、又は台形の形状を示す、多結晶のシリコンプレート又はタイルが挙げられる。バルク材料のさらに他の実施例については後述する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る、デバイス応用のための、半導体材料の分離可能な自立膜を製作するために、荷電粒子ビームを導入する装置を示す、簡略図である。この図は一例に過ぎず、本願明細書に列挙する特許請求の範囲を過度に制約してはならない。当業者であれば、多くの変形、変更及び代替物を認識する。図示のように、装置１は、デバイス応用のための、自立できる分離可能な半導体材料の膜を製作するために、荷電粒子ビームを導入している。より具体的には、装置１は、荷電粒子ビーム生成システムとしてのシステム３、及びビーム印加システムとしてのシステム５の、２つのシステムを備える。システム３は、次の構成要素を備える。すなわち、イオン源１０、第一のエネルギーレベルにある当初の粒子ビーム１２を取り込み、導くための低エネルギービーム輸送ユニット１５、複数のモジュール式高周波四重極又は他のライナックエレメント４０、高周波電力システム２０、真空システム３０、高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）ユニット５３及びビーム成形、質量分析、及びビームスキャナ及びエキスパンダ５５である。使用に適切な粒子を選択するために、質量分析及びビームスキャナを用いることができる。加えて、装置５５のフィルタ基板には適切な厚さがあり、不必要な汚染粒子をさらに最小限にするために用いてもよい。システム５は、ビームエキスパンダ５５に接続されるプロセスチャンバであり、拡大ビーム径を有し、第二のエネルギーレベルにある荷電粒子ビーム５８が印加される。システム５は、ワークピース７０、トレイデバイス７５、二軸の移動ステージを、さらに含む。加えて、システム３及びシステム５の両者は、操作及びプロセス制御を提供するコンピュータシステム９０と連結される。
【００２０】
具体的な実施形態において、装置１は、複数の荷電粒子を生成するためのイオン源１０を備える。このイオン源は、実施形態によって、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、マイクロ波により生成するプラズマ、誘導結合プラズ、プラズマ系マグネトロンイオン源、又はペニング源、他により生成することができる。当業者であれば、多くの他の変形、変更及び代替物を認識する。好適な実施形態において、複数の荷電粒子は、第一のエネルギーレベルで供給される、第一のビーム１２として平行化される。
【００２１】
再び図１を参照すると、第一のエネルギーレベルにある第一のビーム１２は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）ユニット１５によって、リニア加速器サブシステムに導かれる。リニア加速器サブシステムは、互いに連続して接続される、番号１からＮの複数のモジュール式高周波四重極（ＲＦＱ）エレメント４０を備える。例えば、ＬＥＢＴ装置は、第一のビーム１２をＲＦＱアパーチャに導くために用いることができ、三軸ステージにマウントされた電極を収容する、単一の連結したアインツェル（Ｅｉｎｚｅｌ）レンズに基づく。第一のビーム１２をＲＦＱエレメント４０に導くため、横方向の動きが用いられる。レンズ電圧及び縦軸の動きを用いて、複数のＲＦＱエレメント４０の範囲内において、第一のエネルギーレベルにある第一のビーム１２を最適化することができる。他の実施形態において、複数ソレノイド等による磁気拘束も、ライナック（高周波）エレメントへのビーム成形及び荷電粒子の抽出を行うために用いることができる。
【００２２】
具体的な実施形態において、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント４０を用い、第一のエネルギーレベルにある第一のビームを圧縮し（ｂｕｎｃｈ）、集束し、加速して、第二のエネルギーレベルにある第二のビームとすることができる。特に、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント４０のそれぞれは、２００ＭＨｚの共振周波数で動作する、高周波の円筒状構造における高周波共振キャビティとなるよう構成される。高周波の円筒状構造は、高エネルギーの荷電粒子を制限するか又は横方向に集束することが可能な、四重極電極を備えることができる。一実施例において、この四重極電極は、キャビティ内の電場分布を制御するよう構成される。これらは、一定の構成の羽根又は支柱の形式とすることが考えられる。四重極電極は、ビーム内の荷電粒子の分布を、加速方向にあるときには粒子が電場にさらされ、減速方向にあるときには遮へいされるように、制御するよう構成することができる。内部の高周波電場の正味の効果は、第一のビーム１２に対して加速効果である。代替実施形態において、ＲＦＱエレメント４０、又は具体的には番号２のＲＦＱエレメントは、ドリフトチューブ法により他の高周波四重極、並びに他のライナック構成（ＲＦＩ、ＱＦＩ等）と接続してもよい。複数のモジュール式ＲＦＱエレメントを通じて、第一のビームを、第二のエネルギーレベルにあるビームに加速することができる。具体的な実施形態において、第二のエネルギーレベルは、番号ＮのＲＦＱエレメントの出口アパーチャにおいて、１ＭｅＶから５ＭｅＶの範囲でありうる。
【００２３】
図１に戻って参照すると、複数のＲＦＱエレメント４０は、少なくとも５０ｋＷの連続波（ＣＷ）出力及び／又は約３０％デューティにおいて１５０ｋＷのパルス出力を供給することが可能な高周波電力システム２０により、電力供給される。例えば、高周波電力システム２０は、１０００ＭＨｚまでの動作を定格として、少なくとも２．５ｋＷの陽極定格出力を有する場合がある。このような高周波出力の変換を提供するためには、三極管、四極管、クライストロード（Ｋｌｙｓｔｒｏｄｅ）、誘導出力管（ＩＯＴ）又は同軸ＩＯＴ（Ｃ−ＩＯＴ）等の、他の実施形態もある。高周波電力システム及びそれぞれの複数のモジュール式ＲＦＱエレメントは、システムを過熱から防ぐために、冷却システム（図示せず）に接続される。例えば、冷却システムは、水又は他の冷却流体を用いる、複数の並列した冷却回路を備えてもよい。別の実施形態において、低エネルギービーム輸送ユニット及びそれぞれの複数のモジュール式ＲＦＱエレメントは、高真空環境３０に設けられる。例えば、少なくとも一以上の、毎秒４００リットルのターボ分子真空ポンプを用いて、６．７×１０−５Ｐａ（５×ｌ０−７Ｔｏｒｒ）程度よりも低圧の真空を提供してもよい。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００２４】
図１に示すように、粒子生成システム３は、番号ＮのＲＦＱエレメントの出口アパーチャに、ビームエキスパンダ５５にビームを取り込み、導くための、高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）ユニット５３を、さらに含む。例えば、ビームエキスパンダは、荷電粒子ビームを、より大きい直径を有するものに均一に再配分する、四重極、六重極、八重極及び／又はより多くの多重極構成にある複数の磁石によって操作される磁場を用いることができる。このビーム拡大は、ビームの距離上のドリフトによっても同様に発生する可能性があり、ビームは所望のビーム径及びビーム流束の空間分布に自然に拡大する。ビームエキスパンダを用いると、第二のエネルギーレベルにある荷電粒子ビーム５８は、基板上において５００ｍｍまでのビーム径を有することができる。拡大ビーム径は、高エネルギー粒子の電力束を減少させ、基板の過熱を防止できる。拡大ビームは、基板表面の損傷も防止する。加えて、少なくともビーム径の調節及びビーム電流の制御により、基板へのイオンの線量率を最適化することができる。例えば、拡大された荷電イオンビームの全電流は２０ｍＡまででありうる。電力束は十分に低く、拡大ビームを低速走査しても（あるいは走査しない場合でも）表面の過熱が起きないようにすることができるため、５００ｍｍのビーム径に対する電力束は、５０Ｗ／ｃｍ２以下に制御可能である。例えば、５ｃｍ等の小ビーム径（各タイル内にパターン化した注入線量特性を生成するために有用）を用いると、電力束は５〜１０ｋｗ／ｃｍ２の大きさとなり、過熱を防ぐためには、磁気的又は静電的な高速走査が必要となりうる。別の実施形態において、ビームエキスパンダの出力ポートは、荷電粒子の拡大ビームを、例えば半導体基板に注入するために用いることのできる、ビーム印加システムに、直接的に接続される。注入された半導体基板は、光発電セル等の応用に用いられる、一以上の自立厚膜を形成するために、さらに処理することができる。さらに、ＨＥＢＴは、基板内にのみ必要な化学種を提供するために、磁気的又は電気的な質量分析のための要素を収容することができる。これは、同様に、いくつかのビーム成形、並びにビームの方向を変えることを可能にし、システム全体のパッケージ化の改良になる。
【００２５】
一実施形態において、システム５は、ビームエキスパンダに接続して動作可能であり、荷電粒子の高エネルギービームを受け取ることのできるプロセスチャンバでありうる具体的な実施形態において、拡大ビームを用いて、ＭｅＶレベルにある荷電粒子の高エネルギービームを提供することが可能である。例えば、ワークピース７０は、一以上のタイル形状の半導体材料とすることが可能であり、トレイデバイス７５上にマウントし、荷電粒子の高エネルギービームに露出することができる。具体的な実施形態において、このようなワークピースは、荷電粒子の高エネルギービームの方向に対して、ほぼ垂直となるように配置してもよい。別の実施形態において、トレイデバイスは、トレイデバイス７５が二次元的に移動でき、これにより荷電粒子の高エネルギービームをワークピースの表面全体にわたって走査することのできる、二軸ステージ８０を備えてもよい。別の実施形態において、システム性能を向上するために、三次元におけるワークピースの移動を用いることも可能である。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００２６】
再び図１を参照すると、制御システム９０が装置に接続される。制御システムは、コンピュータシステムでありうる。制御システムは、システム３及びシステム５の両者に対して、それぞれ、操作及びプロセス制御を提供する。システム３に対しては、例えば３０ｍＡまでの所望の電流を有する平行化した荷電粒子ビームを提供するよう、イオン源１０を調節することが可能である。高周波電力システム２０は、連続波（ＣＷ）モード又はパルス化されたモードで動作できる。制御システムは、複数のモジュール式ＲＦＱエレメントにより形成されるリニア加速器に送られる、所望の電力レベル及び周波数整合を含めて、ＲＦ電力を制御する。例えば、ＲＦＱエレメントは、ＣＷモードにおいて、ＲＦ四重極エレメント、ドリフトチューブ、又は組み合わせを備えることができる。ＣＷモードにおいて、ＲＦ四重極ユニット（又は番号１のＲＦＱエレメント）における全ＲＦ電力損失は、小さくとも４０ｋＷである可能性があり、残りのＲＦＱエレメント（すなわち、番号２からＮまでのＲＦＱエレメント）への全ＲＦ電力損失は、小さくとも２６ｋＷである。ビーム輸送ユニットは、最適なビーム取り込みを提供するために、三軸移動ステージ及びレンズ電圧の調節により、制御システムによって同様に制御される。出力ビームの所望のビーム径及びビームの均一性を目的として、ビームエキスパンダには制御システムが連結される。具体的な実施形態において、ビームエキスパンダは、磁場を用いて制御される。代替の実施形態において、制御システム９０は、トレイデバイス内の温度計測及びワークピース制御等のプロセス制御を提供するために、ビーム印加システムに接続される。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００２７】
具体的な実施形態において、本発明の方法は、質量選別された高エネルギーの注入を取り扱い、これは適切なビーム強度を有している。費用効果的とするためには、注入ビーム電流は、数十ミリアンペアのオーダーの、Ｈ＋又はＨ−イオンビーム電流とすべきである。このような十分に高いエネルギーを、システムが注入することができれば、線量率をより高くするために、Ｈ２＋イオンも利用することができる。このようなイオン注入装置は、米国カリフォルニア州プレザントンのＡｃｃｓｙｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃ．社、米国ニューメキシコ州８７１０９アルバカーキのＬｉｎａｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，ＬＬＣ社等から入手可能な、高周波四重極リニア加速器（ＲＦＱ  Ｌｉｎａｃ）、ドリフトチューブ・ライナック（ＤＴＬ）、高周波（ラジオ波）集束櫛形（ＲＦＩ）又は四重極集束櫛形（ＱＦＩ）技術を用いることにより、最近、利用できるようになった。
【００２８】
具体的な実施形態において、本発明の実施形態に係る装置は、注入プロセスを提供するために、ＭｅＶエネルギーレベルにある荷電粒子ビームを供給する。注入プロセスは、半導体基板の厚さの範囲内の選択された深さに、複数の不純物粒子を導入し、当該厚さの範囲内に劈開領域を画定する。用途によるが、好適な実施形態によれば、材料領域への損傷の可能性を低減するために、一般的には、より質量の小さい粒子が選択される。すなわち、より質量の小さい粒子は、その粒子が通過して横断する材料にほぼ損傷を与えることなく、基板材料内の選択された深さに容易に達する。例えば、より質量の小さい粒子（又はエネルギー性の粒子）、及び又は中性の原子又は分子、又は電子等は、ほとんど全てが帯電（例えば、正又は負に）できる。具体的な実施形態において、粒子は、水素及びその同位体のイオン、ヘリウム及びその同位体等の希ガスイオン、及びネオン等のイオン、又は実施形態によっては他のものを含む、荷電粒子であってよい。粒子は、例えば、水素ガス、水蒸気、メタン、及び水素化合物、及び他の軽い原子質量の粒子等の、化合物にも由来しうる。あるいは、粒子は、上記の粒子の任意の組み合わせ、及び又はイオン及び又は分子種及び又は原子種でありうる。粒子は、一般的には、表面を通過して表面下の選択された深さに貫入する充分な運動エネルギーを有する。
【００２９】
ここで図２を参照すると、これは、本発明の一実施形態に係る、高エネルギー荷電粒子を生成する方法の簡略化したフロー図である。図示のように、本方法は、第一のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を生成するステップ（ステップ２０１）を含む。具体的な実施形態において、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ、プラズマ系マグネトロンイオン源又はペニング源等のイオン源を用いて、第一のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を提供してもよい。第一のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子は、低エネルギー輸送（ＬＥＢＴ）装置においてリニア加速器に導かれる（ステップ２０３）。リニア加速器は、第一のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を加速し、第二のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を作り出す（ステップ２０５）。第二のエネルギーレベルは、第一のエネルギーレベルより高い。第二のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子は、第二のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子のビーム径を拡大するためのビームエキスパンダに入れられる（ステップ２０７）。本方法は、この拡大ビームをワークピース上に照射する（ステップ２０９）。具体的な実施形態において、ワークピースは、トレイデバイスに設けられる半導体基板のタイルでありうる。複数の荷電粒子の拡大ビームが走査され（ステップ２１１）、例えば、光発電の応用のための基板を形成するための、注入プロセスを提供する。もちろん、当業者であれば、多くの変形、変更及び代替物を認識し、一以上のステップを加えてもよく、一以上のステップを除いてもよく、又は異なる順序でステップを設けてもよい。
【００３０】
一例としては、シリコンウエハへの注入種として水素を用い、特定の条件セットによって注入プロセスが実施される。注入線量は、約１×１０１５から約１×１０１６原子／ｃｍ２の範囲であり、好適には、線量は約５×１０１６原子／ｃｍ２未満である。注入エネルギーは、光発電応用に有用な厚膜形成に対して、約１ＭｅＶ以上から約５ＭｅＶ以上の範囲である。注入温度は、約−５０から約５５０℃の範囲であり、好適には、注入したウエハからの水素イオンの拡散を防ぐため、約４００℃未満である。水素イオンは、約±０．０３から±１．５マイクロメートルの精度で、選択された深さに、シリコンウエハ内に選択的に導入することが可能である。もちろん、使用するイオンの種類及びプロセス条件は、用途による。
【００３１】
一例として、ＭｅＶ範囲の注入条件がレウトフらによって開示されており（Ｖ．Ｆ．Ｒｅｕｔｏｖ  ａｎｄ  Ｓｈ．Ｓｈ．Ｉｂｒａｇｉｍｏｖ、“Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ”、ＵＳＳＲ’ｓ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ  Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ  Ｎｏ．１２８２７５７、１９８３年１２月３０日）、参照により本願明細書に援用するものとする。レウトフ及びイブラギモフの文献においては、注入期間中に適宜加熱を行い、７ＭｅＶまでの陽子注入を使用すること、及び注入後に再使用可能基板を加熱することが開示され、分離したシリコンウエハの厚さは３５０μｍまでであった。１ＭｅＶの陽子注入を用いる、１６μｍのシリコン膜の熱的劈開が、同様に、Ｍ．Ｋ．Ｗｅｌｄｏｎら、“Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、Ｂ１５（４）、１９９７年７月／８月に開示されており、参照により本願明細書に援用するものとする。この文脈における「分離した」又は「転写したシリコンの厚さ」という用語は、注入したイオンの範囲によって形成されるシリコン膜厚を、自立状態に解放できるか、あるいは永続的な基板、又は最終的には自立基板として使用するための一時的な基板に解放できるか、あるいは永続的な基板上に設置することができることを意味する。好適な実施形態において、シリコン材料は、十分に厚く、支持部材として作用するハンドル基板からは自由な状態である。もちろん、膜の取り扱い及びプロセスのための具体的方法は、特定の方法及び用途に依存する。
【００３２】
図３に、本発明の一実施形態に係る、連続法を用いて基板を形成するためのシステム３００の簡略図を示す。この図は単に例示であり、本願明細書において過度に特許請求の範囲を制約してはならない。当業者であれば、他の変形、変更及び代替物を認識する。図３に示すように、本システムは、少なくとも一つの基板部材３０１を設けることを含む。基板部材のそれぞれは、その上に配置される複数のタイル３０３を備える。複数の部位のそれぞれは、注入するための再使用可能な基板部材３０３を備える。具体的な実施形態において、複数のタイルのそれぞれは、単結晶シリコンウエハ、ポリシリコン・キャストウエハ、タイル、又は基板等の半導体基板、シリコン・ゲルマニウム・ウエハ、ゲルマニウム・ウエハ、ＩＩＩ／Ｖ族材料、ＩＩ／ＶＩ族材料、窒化ガリウム等を含んでもよい。劈開を容易にする等の利点をもたらす特定の方向、好適なデバイス方向等に、任意の単結晶材料を切断することができる。例えば、シリコン太陽電池は、主に（１００）、（１１０）、又は（１１１）の表面又は方向を有するように切断することができ、この種類の自立基板が得られる。もちろん、主要な結晶方向から意図的に誤って切断した配向面を有する出発材料も、同様に準備できる。本システムは、注入装置（図示せず）も備える。注入装置は、プロセスチャンバ３０５に収容される。具体的な実施形態において、注入装置は、走査注入プロセスを提供する。このような注入装置は、具体的な実施形態において、リニア加速器に生成する拡大した高エネルギーイオンビームを使用することができる。図４に示すように、注入装置は、複数のタイルに注入用の不純物を供給するため、イオン注入ヘッド４０２を備える。本システムは、可動トラック部４０４も備える。可動トラック部は、ある実施形態において、ローラー、エアベアリング、又は可動トラックを含むことができる。可動トラック部４０４は、走査注入プロセスのために、基板部材の空間移動を提供する。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００３３】
本発明に係るある実施形態は、注入のための走査モードを使用してもよい。このような実施形態の実施例を、図７から７Ｃの簡略図に示す。具体的には、図７は、本発明に係る注入を実施するための装置の一実施形態の構成要素を示す簡略ブロック図である。図７Ａに、図７の装置のイオン源及び低エネルギービーム輸送部の、拡大した簡略図を示す。
【００３４】
装置７００は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）部７０４と真空連通する、イオン源７０２を含む。ＬＥＢＴ部７０４は、電気的及び磁気的なビーム抽出、成形及び集束を含んでよい。ＬＥＢＴ部７０４は、少なくとも以下の機能を実施する。
【００３５】
図７Ａを参照すると、ＬＥＢＴは、イオン源チャンバ７０３内のアパーチャ７０３ａから流れ出るイオンを取り込み、このイオンを比較的低いエネルギー（１００ｋｅＶ以下、ここでは約３０ｋｅＶ）に加速する。このイオンの加速により、後続するリニア加速器（ライナック）部７２０の、最初の高周波四重極（ＲＦＱ）ステージ７２２への接続に必要な、共鳴速度が得られる。あるいは、これは、磁気的にビームを抽出、成形、集束することができる複数のソレノイドを用いることにより、達成できる。
【００３６】
イオン源の例としては、ＥＣＲ、マイクロ波イオン源、マグネトロンイオン源及びペニング源が挙げられる。イオン化法の例としては、ｅビーム、レーザー、冷陰極及び熱陰極放出及び熱的な技術の使用が挙げられる。
【００３７】
ＬＥＢＴ７０４は、また、通常はライナック部７２０の第一のＲＦＰステージ７２２への受け入れを最適化するために、イオンビームを成形するよう機能する。この特定の実施形態において、ビーム成形エレメントは、アインツェルレンズ７０６である。しかしながら、代替実施形態において、ソレノイド（磁場レンズ作用）等の異なるデザインを用いるＬＥＢＴレンズを使用することができる。
【００３８】
ＬＥＢＴ７０４は、電子サプレッサエレメント７０８を備える。このエレメント７０８は、ＬＥＢＴの露出表面と相互作用する不規則なイオンによって生成した、二次電子を抑止するのに役立つ。
【００３９】
ライナック部７２０への入口において、イオンビームは、連続するステージによって、ますます高いエネルギーに加速される。図７Ｂに、リニア加速器部７２０の簡略図を示す。
【００４０】
第一のＲＦＱステージ７２２において、イオンは約３０ｋｅＶのエネルギーから約１．１ＭｅＶのエネルギーに加速される。第二のライナックステージ７２４において、イオンは約２．１ＭｅＶまで加速される。第三及び最後のライナックステージ７２６において、イオンは約３．５ＭｅＶ以上に加速される。
【００４１】
ＬＥＢＴによって第一の加速器７２２の入口に生じるイオンビームは、イオン源のパルス期間中は連続的である。しかしながら、ＲＦ加速器７２０の加速／集束機構の切り替えにより、この連続的なビームは、これらのライナック内で加速されるにつれて、一時的に一つのＲＦ期間を引き離して間隔を空けた、パケット又はバンチ（ｂｕｎｃｈ）に変換される。図７Ｂに、典型的なレベルＲＦアンプ、フィードバック制御、及びライナックへのＲＦ接続を示す。一つ又は複数のＲＦ入力は、ＲＦＱ及びＲＦＩライナックの、一以上の組み合わせに接続する。動作中は、ＲＦＱ及びＲＦＩキャビティからの反射電力がモニタされる。閉じたフィードバックループにおいて、全てのキャビティ内の共振を同時に維持することにより、反射電力を最小とするよう、ＲＦ周波数が調節される。
【００４２】
ＲＦＱ及びＲＦＩの組み合わせは、システムの効率を最大とするように選択できる。陽子エネルギーが約０．７５ＭｅＶを上回るとＲＦＱ技術の効率は低下するため、最終的なビームエネルギーを達成するために、ＲＦＩライナック（ＲＦＱライナックよりも高効率）を、後続のステージ内に用いてもよい。
【００４３】
ライナック部７２０の出口アパーチャ７２０ａを通過すると、イオンビームは、高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）部７４０に入る。ＨＥＢＴ部７４０の機能は、最後のライナックステージ７２６（例えば、楕円から円形の）から出る非常に高エネルギーのイオンビームを成形すること、非常に高エネルギーのイオンビームの経路を屈曲すること、及び、適切であれば目標上におけるビーム走査に達することである。ビーム成形及び集束は、四重極又は六重極等の磁場集束の様々な組み合わせを用いて行われ、この磁場は、好適な方向にビームを成形する様式に構成される。ビームは、一組の診断エレメントを通過し、質量分析用の二極磁石に入る。この点では、荷電粒子の運動量を分析するように、磁場が構成される。
【００４４】
具体的には、高エネルギー化されたイオンは、最初に、分析磁石７４２に適宜露出され、高エネルギービームの当初の汚染物質がビームダンプ７４４に送られるようにビームの方向を変更し、例示的実施形態の各所に記載される清浄化機能を実施する。
【００４５】
ある実施形態によれば、分析磁石７４２は、常に一致した力をビームに対して作用させ、その結果、清浄化したビームの方向が変化しないようにする。しかしながら、代替実施形態によれば、分析磁石は、経時的に変化するビームに対して力を作用する場合があり、ビームの方向は実際には変化する。詳細を後述するように、分析磁石によって達成されるビーム方向のこのような変化を、一つの軸に沿ってビームの所望の走査を達成するために役立ててもよい。
【００４６】
この分析磁石エレメントの後には、さらなるビームの集束が生じてもよく、最終的に、ＤＣオフセット及びＡＣ可変ビームの両者を提供する様々な方法を用いて、ビームを走査することになる。領域範囲の全体、又はパターン化した範囲（すなわち、ライン又はスポットのみ）を線書きするためには、洗練された制御システムがありうる。
【００４７】
具体的には、分析磁石を出ると、清浄化したイオンビームはビームスキャナ７４８に入る。図７Ｃに、本発明に係る、ビームスキャナ７４８の一実施形態の簡略ブロック図を示す。具体的には、ビームスキャナ７４８は、第一の平面内でビームの場所を変化させるために走査するよう構成される、第一のスキャナ双極子７４７を含む。ビームスキャナ７４８は、第一の平面に対して垂直な第二の平面内で、ビームの場所を変化させるために走査するよう構成される、第二のスキャナ双極子７４９も備える。
【００４８】
ＨＥＢＴの全体にわたり、ビームは、専用のドリフト部分を許容することによって、拡大することができる。ビームエキスパンダは、ＨＥＢＴの最後のエレメントであってもよい。ビームエキスパンダは、装置（磁気八重極、等）でもよく、ビームが自分自身の上で拡大できる移動の長さでもよい。スキャナを用いることにより、スキャナ下流のビームの能動的な拡大／成形は、極めて困難になりうるので、追加の移動によるビーム拡大が好適な場合がある。要約すると、ビームは、ライナックからビームアナライザ、次いでビームスキャナに輸送され、最後にビーム拡大を受ける。
【００４９】
図７ＤからＧに、本発明の一実施形態に係る、ワークピース上におけるイオンの高エネルギービーム走査を、シミュレーションした結果を示す。具体的には、図７Ｄは、５３２のスポット露出のラスタパターンを示す。図７Ｅは、図７Ｄにおける５３２のスポット露出の電力密度を三次元プロットしたものである。図７Ｅは、図７Ｄにおける５３２のスポット露出の電力密度を二次元プロットしたものである。
【００５０】
図７Ｇは、１ｍドリフト後の、５ｃｍウエハ上における分布に対する電力密度の棒グラフである。総合すれば、これらの図は、３Ｅ１６毎平方センチメートルの陽子密度を用い、直径５ｃｍのワークピースを、５％以内の電力密度の均一度で照射することが可能であることを示している。
【００５１】
図７Ｃに示すビームスキャナの特定の実施形態は、二つの二極磁石を備えるが、これは本発明に必須ではない。代替実施形態によれば、ビームスキャナは、単一の二極磁石のみを備えることができる。具体的には、ある実施形態によれば、ビームスキャナの単一の二極磁石によって走査が行われる平面に対し、垂直な面内における走査を提供するために、ビームスキャナの上流に位置する分析磁石を用いることができる。そのような一つの実施形態においては、分析磁石の磁場における時間変動は、法線から＋／−４°まで方向が変化する励起ビームを生成する場合がある。分析磁石に存在する、清浄化したビームの方向におけるこのような「ふらつき」を、ビームスキャナの第二の二極磁石に替えて、走査に用いてもよい。あるいは、このようなふらつきのあるビームを、第二の二極磁石を有するビームスキャナと連動し、このふらつきの方向における走査の大きさが増加するように用いてもよい。このようなビームスキャナは、ＤＣシフトによってビームを移動し、次いでふらつきが起きるように用いることも可能である。
【００５２】
ＨＥＢＴの全体にわたり、専用のドリフト部を割り当てることにより、ビームを拡大することが可能である。ビームエキスパンダは、ＨＥＢＴの最後のエレメントである。ビームエキスパンダは、装置（磁気八重極等）でありうるか、又はビームに対して自然な拡大を許容する、移動の長さでありうる。ビームスキャナの使用により、ビーム拡大に対する下流でのアプローチは困難になるため、追加の移動によるビーム拡大が好適な場合がある。要約すると、ビームは、ライナックから、ビームアナライザへ、次いでビームスキャナへ輸送され、最終的にビーム拡大を受ける。
【００５３】
図７に示す特定の実施形態は、ビーム経路の成形及び制御のためのエレメントを備えるが、これらは本発明に必須ではない。本発明に係る代替実施形態は、このようなエレメントがなく、加速器から出た後にビーム形状を拡大可能な、ドリフトチューブ構成を使用することができる。
【００５４】
図７に、端部ステーション７５９を含む、装置の残りの構成要素を示す。この端部ステーション７５９において、エネルギー性のイオンビームによる走査プロセスにあるタイル７６０は、真空状態で走査ステージ７６２に支持される。タイル７６０は、ロボットチャンバ７６４及びロードロック７６６を介して、走査ステージに送られる。
【００５５】
走査ステージ７６２は、粒子ビームを受け取るワークピース又はバルク材料の位置を平行移動するように機能してもよい。ある実施形態によれば、走査ステージは、単一の軸のみに沿って移動するよう構成してもよい。さらに他の実施形態によれば、走査ステージは、二つの軸に沿って移動するよう構成してもよい。図７の特定の実施形態に示すように、走査装置単独の動作によるビームの走査によって、又はビームフィルタにより行われる走査と組み合わせて、走査ステージにより目標材料を物理的に平行移動してもよい。走査ステージは、本発明に必須ではなく、ある実施形態においては、ワークピースを、照射への露出中に静止した様式で支持してもよい。
【００５６】
図７から７Ｃの装置の様々な構成要素は、通常は、プロセッサ７８２及びコンピュータ可読記憶媒体７８４を含むホストコンピュータ７８０の管理下にある。具体的には、プロセッサは、イオン源、加速器、ＬＥＢＴ、ＨＥＢＴ及び端部ステーションを備える装置７００の異なるエレメントと電子的に通信するよう構成される。コンピュータ可読記憶媒体には、これらの様々な構成要素のいずれかの操作を命令するためのコードが格納される。プロセッサから受信する命令によって制御してもよいプロセスの態様の例としては、端部ステーション及びＨＥＢＴ等の様々な構成要素内の圧力、ビーム電流、ビーム形状、走査パターン（スキャナ及び／又は分析磁石を利用するビームを走査することによる、及び／又は基板位置でのＸＹ駆動ステージを用いる平行移動を利用して目標を移動すること、すなわち塗装による）、ビームタイミング、端部ステーションへの／からのタイル供給、ビーム清浄化装置（すなわち分析磁石）の操作、及びイオン源に適用するガス及び／又は電力が挙げられるが、これらに限定されない。
【００５７】
上述のクーポンシステム（ｃｏｕｐｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）の様々な構成要素は、様々な特徴を有するコンピュータシステムを用いて実装できる。図８に、ディスプレイ装置８２０、ディスプレイ画面８３０、筐体８４０、キーボード８５０及びマウス８７０を備える、一般的なコンピュータシステム８１０の例を示す。マウス８７０及びキーボード８５０は、代表的な「ユーザ入力デバイス」である。マウス８７０は、グラフィカルユーザインタフェースデバイス上のボタンを選択するための、ボタン８８０を備える。ユーザ入力デバイスの他の実施例は、タッチスクリーン、ライトペン、トラックボール、データグローブ、マイクロホン他である。図８は、本発明を実施するためのシステムの、単に一つの種類を表す。当業者であれば、多くのシステムの種類及び構成が、本発明と連動して用いるために適切であることは直ちに明らかである。好適な実施形態において、コンピュータシステム８１０はマイクロソフト社製ＷｉｎｄｏｗｓＮＴ（登録商標）オペレーティングシステムが動作する、ペンティアム（登録商標）クラス系のコンピュータを備える。しかしながら、本発明の範囲から離れることなく、本装置には当業者によって他のオペレーティングシステム及びアーキテクチャが容易に適用される。
【００５８】
前述のように、マウス８７０は、ボタン８８０等の、一以上のボタンを有することができる。筐体８４０は、ディスクドライブ、プロセッサ、記憶装置等の、普通のコンピュータ構成要素を収容する。記憶装置は、ディスクドライブ、磁気テープ、半導体メモリ、バブルメモリ等を備えるが、これらに限定されない。筐体８４０は、コンピュータシステム８１０を外部装置、外部記憶、他のコンピュータ、又は詳細を後述する追加の周辺機器に接続するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェースカード等を備えることができる。
【００５９】
図８Ａは、図８のコンピュータシステム８１０の、基本的なサブシステムの説明図である。この図は単に説明であり、本願における特許請求の範囲を制約してはならない。当業者であれば、他の変形、変更及び代替物を認識する。ある実施形態において、このサブシステムは、システムバス８７５を介して相互接続する。プリンタ８７４、キーボード８７８、固定ディスク８７９、ディスプレイ・アダプタ８８２に接続されるモニタ８７６、他の追加サブシステムを示す。周辺機器及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置は、Ｉ／Ｏコントローラ８７１と接続し、シリアルポート８７７等、当業に公知の任意の数字の手段によって、コンピュータシステムに接続できる。例えば、シリアルポート８７７は、コンピュータシステムをモデム８８１に接続するために用いることができ、同様にインターネット等のワイドエリアネットワーク、マウス入力デバイス又はスキャナに接続する。システムバスを介する相互接続によって、中央プロセッサ８７３は、各サブシステムと通信し、システムメモリ８７２又は固定ディスク８７９からの命令の実行、並びにサブシステム間の情報交換を制御することができる。当業者によれば、サブシステムの他の構成及び相互接続は、直ちに達成可能である。システムメモリ、及び固定ディスクは、コンピュータプログラムの格納のための有形媒体の例であり、他のタイプの有形媒体としては、フロッピー（登録商標）ディスク、リムーバブルハードディスク、ＣＤ−ＲＯＭ及びバーコード等の光学記憶媒体、及びフラッシュメモリ、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）及びバッテリ支援メモリ等の半導体メモリが挙げられる。
【００６０】
本出願に記載のソフトウェア構成要素又は機能は、いずれも、例えばＪａｖａ（登録商標）、例えば従来の又はオブジェクト指向技術を用いるＣ＋＋（登録商標）又はＰｅｒｌ（登録商標）等の、任意の適切なコンピュータ言語を用いて、プロセッサによって実行されるソフトウェアコードとして実装してもよい。ソフトウェアコードは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードドライブ又はフロッピー（登録商標）ディスク等の磁気媒体、又はＣＤ−ＲＯＭ等の光学媒体等の、コンピュータ可読媒体上の一連の命令又はコマンドとして格納されてもよい。このようなコンピュータ可読媒体は、いずれも、単一のコンピュータ装置上にあってもよく、内蔵されてもよく、システム又はネットワーク内の異なるコンピュータ装置上にあってもよく、内蔵されてもよい。
【００６１】
事実上、注入された粒子は、選択された深さにおいて、基板上面に平行な面に沿って、応力を加えるか、又は破壊エネルギーを低減する。このエネルギーは、部分的には、注入種及び状態に依存する。これらの粒子は、選択された深さにおいて、基板の破壊エネルギーレベルを低下させる。これにより、選択された深さにおいて、注入面に沿った劈開を制御することができる。
【００６２】
特定の実施形態によれば、注入は、全ての内部位置における基板のエネルギー状態が、不可逆的な破壊（すなわち、分離又は劈開）を開始するのに不十分であるような条件下において、起こりうる。あるいは、パターン化した注入を用い、基板のある領域のみに粒子を供給するか、又はある領域に導入する線量を低くすることが可能である。
【００６３】
このようなある実施形態によれば、劈開が開始される領域のみが最大又は高線量を受けるように、パターン化した注入を用いることができる。劈開が進行するだけの他の領域は、受ける線量を低下させるか又は全く無線量としてもよい。このような線量の変動は、特定の領域におけるビームの滞留時間を制御することにより、特定の領域をビームに露出する回数を制御することにより、又はこれらの二つのアプローチの何らかの組み合わせにより、達成することができる。一実施形態において、２０ｍＡのＨ＋イオンのビームは、最小滞留時間２００μ秒、走査速度２．５ｋｍ／秒（直径５ｃｍのビーム径を用い、トレイ幅１ｍ以内において、対応する走査周波数は１．２５ｋＨｚ）の結果として、１．２５×１０１７Ｈ原子／（ｃｍ２秒）のフラックスを供給し、パス当たり最小線量を２．５×１０１３Ｈ原子／ｃｍ２とすることができる。もちろん、滞留時間が長ければ、受ける線量は増加する。
【００６４】
ある実施形態によれば、高線量領域における劈開の作用は、物理的打撃（ブレード）、超音波、又は異種材料間の熱膨張／収縮係数の差による応力を含む、他の力によって開始できるが、限定されない。一実施形態によれば、基板を金属層に接着してもよく、これは基板／金属の組み合わせが冷却するにつれて、高い注入線量を受ける領域において、劈開を開始するために十分な応力を誘起し、かつ／又は予め存在する注入開始領域を拡大する。
【００６５】
しかしながら、注入により、例えば、熱アニール又は急速な熱アニール等の、後続の熱処理によって少なくとも部分的には修復可能な、ある量の欠陥（例えば、微小欠陥）が、一般的には、大抵基板内に実際に生じることに留意しなければならない。適宜、具体的な実施形態において、本方法は、注入プロセス後の熱処理プロセスを含む。具体的な実施形態において、本発明の方法は、シリコン材料に対して、約４５０℃から約６００℃の範囲の熱プロセスを用いる。好適な実施形態において、導通、対流、放射、又はこれらの技術の任意の組み合わせを用いて、熱処理が生じうる。高エネルギーの粒子ビームは、所望の注入温度に到達するための、部分的な、及び外部の熱源との組み合わせによる、熱エネルギーを供給することもできる。ある実施形態において、高エネルギーの粒子ビームは、単独で、注入に求められる熱エネルギーの全体を提供することができる。好適な実施形態において、この処理プロセスにより、後続の劈開プロセスに対する、劈開領域の予備処理が生じる。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００６６】
具体的な実施形態において、本方法は、劈開プロセスを用いて、自立する分離可能な材料層を分離するステップを含み、この分離可能な材料は、図５に示すような上部支持部材又は同様品から分離される。図示のように、分離可能な材料５０１は、残りの基板部５０５から取り外される。具体的な実施形態において、この分離するステップは、劈開プロセスの制御を用いて実施することができる。劈開プロセスの制御により、ドナー基板の部分的な劈開領域内に、選択されたエネルギーが供給される。単に一例として、劈開プロセスの制御は、米国特許第６０１３５６３号、発明の名称「劈開プロセス制御」、米国カリフォルニア州サンノゼのシリコン・ジェネシス社出願に記載され、本願明細書の参照により全ての目的に対して援用する。図示のように、本方法は、材料層を基板から分離し、完全に材料層を取り外す。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００６７】
一実施形態において、本方法は、劈開作用の開始を容易にするために、一以上のパターン領域を用いる。具体的な実施形態において、本発明の方法は、表面領域及び厚さを有する半導体基板を提供する。本方法は、劈開領域内に複数のゲッターサイトのパターン領域を形成するために、半導体基板の表面領域を、リニア加速器によって生成する第一の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含む。好適な実施形態において、劈開領域は、表面領域の下方に、分離される材料の画定した厚さまで設けられる。半導体基板は、第一の温度に維持される。本方法は、半導体基板を、熱処理等の処理プロセスにさらすことを含む。本方法は、半導体基板の表面を、劈開領域の応力レベルを第一の応力レベルから第二の応力レベルに増すために設けられる、第二の複数の高エネルギー粒子にさらすことを含む。本方法は、劈開プロセスを用いて、分離可能な材料層の一部を分離するために、パターン領域の選択領域において、劈開作用を開始することと、劈開プロセスを用いて分離可能な材料層を分離することを含む。
【００６８】
パターン化した注入シーケンスは、表面を線量の変動にさらし、開始領域は、通常は、高線量及び／又はサーマルバジェットシーケンス（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｕｄｇｅｔ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を用いて展開される。劈開動作を完了するための劈開の進行は、数多くのやり方で起こすことができる。一つのアプローチとして、劈開が進行する前線ガイドとして、線量を追加した領域が用いられる。劈開の進行に対する別のアプローチとして、応力制御を用いる深さのガイドが挙げられる。さらに別の劈開進行のアプローチとして、自然な結晶劈開面が挙げられる。
【００６９】
いくつかの又は大抵の領域は、使われた特定の劈開技術によっては、より少ない線量で注入が行われる場合もあり、全く注入が行われない場合もある。このような低線量領域は、基板からそれぞれの膜を分離するために必要な全線量を低減することによって、注入システムの全体的な生産性を向上させるのに役立てることができる。
【００７０】
図６に、本発明の別の実施形態に係る、分離可能な材料６１０の層を分離する方法６００を例示する。図示のように、劈開面６０２は、表面領域６０６を有する基板６０４に設けられる。この基板は、シリコンウエハ等でありうる。劈開面は、具体的な実施形態において、本願明細書に別途記載の、注入水素種を用いて設けることができる。他の注入種を用いてもよい。これらの他の注入種は、ヘリウム種、又は組み合わせを含むことができる。具体的な実施形態において、基板は、予め定められた温度範囲に維持される。図示のように、チャック部材６０８が設けられる。チャック部材は、真空、加熱ガス、及び極低温／低温ガスを供給する手段を備える。分離可能な材料を外すために、チャック部材は表面領域に接続され、基板の温度を他の範囲に上昇するための加熱ガスを放出する。基板は、基板から厚膜材料を分離するために、極低温／低温ガスを用いて冷やされる。次いで、表面領域６１２を真空とすることによって、分離した厚膜材料を取り外すことができる。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００７１】
具体的な実施形態において、本発明の方法は、他のプロセスを実行することができる。例えば、本方法は、分離した材料の厚膜を支持部材に乗せることができ、これが後にロセスを受ける。加えて又は適宜、本方法は、第一の複数の高エネルギー粒子に表面領域をさらす前に、半導体基板上において一以上のプロセスを実施してもよい。実施形態にもよるが、本方法は、光発電セル、集積回路、光学装置、これらの任意の組み合わせ等の形成のためになりうる。もちろん、他の変形、変更及び代替物がありうる。
【００７２】
本願明細書に記載される実施例及び実施形態は例示のみの目的であり、それらの考慮における様々な変更又は変化は、当業者には示唆されること、及び本出願及び添付の特許請求の範囲の精神及び趣旨の範囲内に含まれることも理解されたい。
【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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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図８】
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【図８Ａ】
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【国際調査報告】
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