(57)【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水素の負イオンを注入して、表面から８μｍ以上の深さの所に注入層を形成する注入工程と、その後前記シリコン系結晶基板を加熱して前記注入層に空孔を形成する加熱工程と、その後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シリコン系結晶薄板の製造方法。
【請求項２】
前記注入工程における水素原子の注入量を、前記シリコン系結晶基板の注入面１ｃｍ2 あたり１０17個以上にする請求項１記載のシリコン系結晶薄板の製造方法。
【請求項３】
前記シリコン系結晶基板としてｐ型シリコン結晶基板を用いて、請求項１または２記載の製造方法によってｐ型の前記シリコン系結晶薄板を製造し、次いでこのシリコン系結晶薄板の剥離側の面にｎ型不純物を添加してｎ型半導体層を形成し、このｎ型半導体層を受光面とする光電変換素子用基板を作ることを特徴とする光電変換素子用基板の製造方法。
【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、シリコンを含有するシリコン系結晶薄板の製造方法および当該シリコン系結晶薄板を用いた光電変換素子用基板の製造方法に関し、より具体的には、従来必要だった注入面の押圧を不要にする手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン系結晶基板の所定深さに水素イオンを注入し、その後３５０℃程度以上に加熱した後に、表層の結晶薄膜を剥離する水素イオン注入剥離法は、特にＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の製造方法の主要な技術として注目されている。上記のように加熱するのは、水素イオンの注入層に多数の空孔（ボイド）を形成して剥離を可能にするためである。
【０００３】
但し、基板に水素イオンを注入後、注入面を押圧しない状態で加熱すると、注入層に空孔は形成されるけれども、それと同時に、基板の表面（注入面）に数μｍ程度の大きさのクレーターのような凹凸が無数に生じる。これは、注入された水素が加熱によってガス化し、それによって基板の表層が吹き飛ばされるためである。このような凹凸が生じると、表層を剥離させようとしても微小な剥離しか行えないので、即ち表層がぼろぼろに剥がれるので、注入層から上側をうまく剥離させて大面積の結晶薄膜を得ることはできない。
【０００４】
そのために従来は、シリコン系結晶基板の注入面に支持基板を接着し、加熱中にこの支持基板によって注入面を押圧することによって、上記のような凹凸が生じることを防止している。
【０００５】
このような方法による従来のＳＯＩ基板の製造方法の一例を図４に示す。
【０００６】
まず、表層に酸化シリコン（ＳiＯ2 ）層を熱酸化等によって形成しているシリコン系結晶基板２に水素イオン６を注入して、表面（注入面）５から１μｍ程度の深さＲ1 の所に注入層８を形成する（注入工程。図４Ａ）。酸化シリコン層４の厚さは、例えば０．８〜０．９μｍ程度である。
【０００７】
次に、支持基板１０を用意して（図４Ｂ）、それを上記シリコン系結晶基板２の注入面５に押し付けた状態で、シリコン系結晶基板２および支持基板１０を高温に加熱して、両者を接着すると同時に、注入層８に空孔を形成する（加熱工程。図４Ｃ）。両者の高温加熱による接着には、一般的に１０００℃以上が必要である。この支持基板１０による注入面５の押圧によって、加熱中にシリコン系結晶基板２の注入面５に微小な凹凸が無数に生じることを防止することができる。
【０００８】
次に、上記シリコン系結晶基板２と支持基板１０とに引っ張り力を加えることによって、シリコン系結晶基板２の注入層８から上側を剥離させる（剥離工程。図４Ｄ）。これによって、シリコン系結晶基板２の注入層８から上側が支持基板１０側に移行して、支持基板１０上に酸化シリコン層４およびその上にシリコン結晶薄膜（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が形成された構造のＳＯＩ基板が得られる。ちなみに図４Ｄの上下を反転させて見れば、支持基板１０上に上記酸化シリコン層４およびシリコン結晶薄膜１２が形成されていると見ることができる。シリコン結晶薄膜１２の厚さは、この例の場合は０．１〜０．２μｍ程度である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の技術では、加熱中にシリコン系結晶基板の表面に微小な凹凸が無数に生じることを防止するために、支持基板等によって加熱中に注入面を押圧しておかなければならず、そのぶん工程が複雑になるという課題があった。
【００１０】
そこでこの発明は、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧を不要にすることを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法は、シリコンを含有するシリコン系結晶基板に水素の負イオンを注入して、表面から８μｍ以上の深さの所に注入層を形成する注入工程と、その後前記シリコン系結晶基板を加熱して前記注入層に空孔を形成する加熱工程と、その後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している。
【００１２】
上記製造方法によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板の表面から８μｍ以上の深さの所に注入層を形成することによって、注入層から上の層は、その厚さが従来よりも遙かに大きくなるので、注入された水素が加熱工程時にガス化する圧力に耐えることができる。従って、シリコン系結晶基板の注入面に微小な凹凸が生じることを防止することができる。代わりに、上記圧力は注入層に沿う方向に空孔を押し広げる働きをするので、注入層に沿って多数の空孔同士が互いにつながり、広い領域の剥離層が形成される。
【００１３】
これらの結果、加熱工程中に注入面を押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層から上側を大きな面積で剥離させることができる。即ち、大きな面積のシリコン系結晶薄板を得ることができる。
【００１４】
従って、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧が不要になる。その結果、工程を簡略化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。図４に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。
【００１６】
まず、前述したようなシリコンを含有するシリコン系結晶基板２に水素イオン６を注入して、表面（注入面）５から８μｍ以上の深さＲ2 の所に注入層８を形成する（注入工程。図１Ａ）。
【００１７】
上記深さＲ2 は、イオンの注入深さまたは平均射影飛程とも呼ばれるものである。この深さＲ2 は、水素イオン６のエネルギー（運動エネルギー）によって調整することができる。例えば、深さＲ2 は、水素イオン６が単原子イオン（Ｈ+ またはＨ- ）の場合、そのエネルギーを６００ｋｅＶ程度にすれば８μｍ程度になり、７００ｋｅＶ程度にすれば１０μｍ程度になる。
【００１８】
シリコン系結晶基板２は、シリコン基板でも良いし、シリコンを主成分とする基板でも良い。例えば、シリコン系結晶基板２はシリコン単結晶基板またはシリコン多結晶基板であるが、これに限らず、シリコン化合物（例えばＳiＣ、Ｓi
Ｇe 、ＦeＳi2等）の単結晶基板または多結晶基板でも良い。シリコン化合物基板においても、水素イオンの注入および加熱によって注入層に空孔が形成されるので、剥離可能である。
【００１９】
次に、上記シリコン系結晶基板２を加熱して、上記注入層８に空孔（ボイド）を形成する（加熱工程。図１Ｂ）。この加熱は、例えば３５０〜６００℃程度で、数分〜１０分程度行う。この加熱によって、注入された水素がガス化し、注入層８に多数の空孔が生じる。
【００２０】
次に、上記シリコン系結晶基板２にその注入層８を境にして引っ張り力を加えることによって、注入層８から上側を剥離させる（剥離工程。図１Ｃ）。これによってシリコン系結晶薄板１６が得られる。このシリコン系結晶薄板１６は、元のシリコン系結晶基板２を単結晶基板としておけば単結晶薄板であり、シリコン系結晶基板２を多結晶基板としておけば多結晶薄板である。また、このシリコン系結晶薄板１６の厚さは上記深さＲ2 に相当している。
【００２１】
上記製造方法によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板２の表面から８μｍ以上の深さＲ2 の所に注入層８を形成することによって、注入層８から上の層は、その厚さが従来よりも遙かに大きくなるので、注入された水素が加熱工程時にガス化する圧力に十分に耐えることができる。従って、シリコン系結晶基板２の注入面５に微小な凹凸が生じることを防止することができる。代わりに、上記圧力は注入層８に沿う方向に空孔を押し広げる働きをするので、注入層８に沿って多数の空孔同士が互いにつながり、広い領域の剥離層が形成される。
【００２２】
これらの結果、加熱工程中に注入面５を支持基板等によって押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層８から上側を十分に大きな面積で剥離させることができる。即ち、十分に大きな面積のシリコン系結晶薄板１６を得ることができる。例えば、シリコン系結晶基板２のほぼ全面に相当する大きさのシリコン系結晶薄板１６を剥離させることも可能である。
【００２３】
従って、従来必要だった加熱工程中の注入面５の押圧が不要になる。その結果、支持基板等の押圧体の準備、その接着および押圧等が一切不要になるので、工程を簡略化することができる。
【００２４】
上記シリコン系結晶薄板１６として、例えば太陽電池用のシリコン単結晶薄板を得る場合、十分な光電変換効率を得るためには、その厚さは１０μｍ程度にするのが好ましい。その場合は、例えば、シリコン系結晶基板２に７００ｋｅＶ程度のエネルギーで水素イオン（Ｈ+ またはＨ- ）６を注入すれば、表面から約１０μｍの深さＲ2 に注入層８が形成されるので、上記厚さを実現することができる。
【００２５】
上記シリコン系結晶薄板１６は、８μｍ以上の厚さでは自立可能（即ちそれ自身で一体性を保つことができること）であるので、支持基板が無くても良い。あるいは、必要に応じて、剥離工程後にシリコン系結晶薄板１６と支持基板とを接着しても良い。その場合、従来と違って支持基板は、加熱工程を経ないので、耐熱温度の低い安価なもので済ませることができる。
【００２６】
上記注入工程において、水素イオン６の注入に非質量分離の水素正イオンビームを用いると、通常は当該イオンビーム中にＨ+ の他にＨ2+ 、Ｈ3+ 等の複数
種類の分子イオンも存在するために、注入層８が複数形成される可能性がある。そうなると、所望の深さでシリコン系結晶薄板１６を剥離させることができなくなる。これを防止するためには、水素正イオンビームを質量分離してＨ+ のみを選択的に注入すれば良いけれども、そのようにすると、質量分離器が必要になると共に、質量分離器によってイオンビームの断面積が制約を受けるので大面積のイオンビームを得ることができず処理速度（生産性）が低下する。
【００２７】
これに対して、水素イオン６の注入に水素の負イオン（Ｈ- ）を用いると、水素の場合は負イオンはＨ- という一種類の単原子イオンしか存在しないので、質量分離を行う必要がなくなる。従って、質量分離器が不要になると共に、高い処理速度（生産性）を実現することができる。
【００２８】
また、シリコン系結晶基板２に対する水素イオン６の注入量は、通常は、水素原子の注入量で見て、注入面５の１ｃｍ2 あたり５×１０16個（即ち５×１０16個／ｃｍ2 ）程度であるが、これを１×１０17個／ｃｍ2 以上にするのが好ましい。そのようにすれば、加熱工程で発生する注入層８での水素ガス量が多くなり、このガスによる圧力が高くなるので、剥離工程におけるシリコン系結晶薄板１６の剥離が容易になる。
【００２９】
図４に示した従来の製造方法では、水素イオン６の注入深さＲ1 が１μｍ程度と浅いため、上記のように大きな注入量では、前述した微小な剥離がより多発するため不向きであるが、この発明の製造方法のように水素イオン６の注入深さＲ2 を８μｍ以上にする場合は、上述した理由から微小な剥離は起こらないので、シリコン系結晶薄板１６の剥離が容易になるという効果を奏することができる。
【００３０】
ところで、上記シリコン系結晶薄板１６の剥離側の面１８には、詳しく見れば、加熱工程で注入層８に形成された多数の空孔の名残があるため、図２に拡大して示すように、数十ｎｍ〜１μｍ程度の大きさおよび深さの凹凸が多数存在している。なお、図２は図１Ｃのシリコン系結晶薄板１６を上下反転させて図示したものである。
【００３１】
太陽電池としてシリコン結晶基板を用いる場合、受光面に異方性エッチングを施すことによってわざと凹凸形状として光を乱反射させ、結果的に入射光量を増やして光電変換効率を上げるという方法が従来から良く行われている。
【００３２】
ところが、この発明の製造方法では、上述したようにシリコン系結晶薄板１６の剥離側の面１８には、剥離した状態そのままで適度な凹凸が存在するため、この剥離側の面１８を受光面とする光電変換素子または光電変換素子用基板を作れば、光電変換効率を高めるための上記のようなエッチングを行う必要がなくなるので、生産性を大幅に高めることが可能になる。
【００３３】
光電変換素子用基板の製造方法の例を説明すると、まず、上記シリコン系結晶基板２としてｐ型シリコン結晶（単結晶または多結晶）基板を用いて、上述した製造方法によってｐ型のシリコン系結晶薄板１６を製造する。これによって、図２Ａに示すように、剥離側の面１８が適度に荒れたｐ型のシリコン系結晶薄板１６が得られる。
【００３４】
次に、光電変換素子においては通常はｎ型層が受光面であるため、上記シリコン系結晶薄板１６の剥離側の面１８にリン（Ｐ）、ヒ素（Ａs ）等のｎ型不純物を拡散法、イオン注入法等によって添加して、図２Ｂに示すようにｎ型半導体層２０を形成する。これによって、ｐｎ接合を有していてｎ型半導体層２０を受光面とする光電変換素子用基板２２が得られる。この光電変換素子用基板２２に所望の電極を付与する等することによって、太陽電池等の光電変換素子を得ることができる。
【００３５】
このような製造方法によれば、前述したように、光電変換効率を高めるために受光面をわざわざエッチングする必要がないので、工程の簡素化によって生産性を大幅に高めることが可能になる。
【００３６】
なお、図３に示す例のように、注入工程に入る前に、シリコン単結晶基板から成るシリコン系結晶基板２の表層に、酸化シリコン（ＳiＯ2 ）層４を、熱酸化等によって、水素イオン６の注入深さＲ2 よりも小さい厚さ（例えば０．５〜１μｍ程度、より具体的には０．８〜０．９μｍ程度）に形成しておいても良い。そのようにすれば、図３Ｃに示すように、表層に酸化シリコン層４を有するシリコン系結晶薄板１６が得られる。即ちこれを上下反転させて見れば、酸化シリコン層４を下に有するＳＯＩ構造をしたシリコン系結晶薄板１６を得ることができる。
【００３７】
【発明の効果】
この発明は、上記のとおり構成されているので、次のような効果を奏する。
【００３８】
請求項１記載の発明によれば、注入工程時にシリコン系結晶基板の表面から８μｍ以上の深さの所に注入層を形成するので、加熱工程中に注入面を支持基板等によって押圧しなくても、剥離工程時に微小な剥離を防止して、注入層から上側を十分に大きな面積で剥離させることができる。従って、従来必要だった加熱工程中の注入面の押圧が不要になる。その結果、支持基板等の押圧体の準備、その接着および押圧等が一切不要になるので、工程を簡略化することができる。
【００３９】
しかも、水素の場合は負イオンはＨ- という一種類のイオンしか存在しないので、質量分離を行う必要がなくなる。従って、質量分離器が不要になると共に、高い生産性を実現することができる。
【００４０】
請求項２記載の発明によれば、加熱工程で発生する注入層での水素ガス量が多くなり、このガスによる圧力が高くなるので、剥離工程におけるシリコン系結晶薄板の剥離が容易になる。
【００４１】
請求項３記載の発明によれば、剥離側の面である受光面に適度な凹凸が存在するので、光電変換素子の光電変換効率を高めるために受光面をわざわざエッチングする必要がない。従って、エッチング工程の省略によって生産性を大幅に高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】この発明に係る光電変換素子用基板の製造方法の工程の一部を示す図である。
【図３】この発明に係る製造方法によるＳＯＩ構造のシリコン系結晶薄板の製造方法の一例を示す工程図である。
【図４】従来のＳＯＩ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  シリコン系結晶基板
５  注入面
６  水素イオン
８  注入層
１６  シリコン系結晶薄板
２０  ｎ型半導体層
２２  光電変換素子用基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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