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JP2012186229A - Manufacturing method for single-crystal silicon thin film, manufacturing method for single-crystal silicon thin-film device, manufacturing method for solar cell device, single-crystal silicon thin film, and single-crystal silicon thin-film device and solar cell device including the single-crystal silicon thin film - Google Patents

Manufacturing method for single-crystal silicon thin film, manufacturing method for single-crystal silicon thin-film device, manufacturing method for solar cell device, single-crystal silicon thin film, and single-crystal silicon thin-film device and solar cell device including the single-crystal silicon thin film Download PDF

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JP2012186229A
JP2012186229A JP2011046988A JP2011046988A JP2012186229A JP 2012186229 A JP2012186229 A JP 2012186229A JP 2011046988 A JP2011046988 A JP 2011046988A JP 2011046988 A JP2011046988 A JP 2011046988A JP 2012186229 A JP2012186229 A JP 2012186229A
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JP
Japan
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crystal silicon
thin film
silicon thin
single crystal
sacrificial layer
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Withdrawn
Application number
JP2011046988A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Noda
優 野田
Yoshiko Tsuji
佳子 辻
Kenichi Ishibashi
健一 石橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HANG-ICHI KK
University of Tokyo NUC
Original Assignee
HANG-ICHI KK
University of Tokyo NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HANG-ICHI KK, University of Tokyo NUC filed Critical HANG-ICHI KK
Priority to JP2011046988A priority Critical patent/JP2012186229A/en
Publication of JP2012186229A publication Critical patent/JP2012186229A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a single-crystal silicon thin film, which easily performs etching of a sacrificial layer when a single-crystal silicon thin film is manufactured using epitaxial lift off (ELO), a manufacturing method for a single-crystal silicon thin-film device, a manufacturing method for a solar cell device, a single-crystal silicon thin film, and a single-crystal silicon thin-film device and a solar cell device including the single-crystal silicon thin film.SOLUTION: A sacrificial layer 2 which has etching selectivity to and has an epitaxial property with respect to silicon is provided on a surface of a single-crystal silicon substrate 1. A single-crystal silicon thin film 40 is epitaxially grown on the sacrificial layer 2. A plurality of penetration holes 42 are formed through the single-crystal silicon thin film 40. The sacrificial layer 2 is etched through the penetration holes 42, thereby separating a single-crystal silicon thin film 4.

Description

本発明は、単結晶シリコン薄膜の製造方法、単結晶シリコン薄膜デバイスの製造方法及び太陽電池デバイスの製造方法並びに単結晶シリコン薄膜及びそれを用いた単結晶シリコン薄膜デバイス及び太陽電池デバイスに関する。   The present invention relates to a method for producing a single crystal silicon thin film, a method for producing a single crystal silicon thin film device, a method for producing a solar cell device, a single crystal silicon thin film, a single crystal silicon thin film device using the same, and a solar cell device.

従来の単結晶シリコン薄膜の製造方法としては、以下の(a)〜(e)の方法が知られている。   As a conventional method for producing a single crystal silicon thin film, the following methods (a) to (e) are known.

(a)酸素イオン注入法
単結晶シリコン基板に酸素イオンを注入した後、熱処理を施すことで、単結晶シリコン/二酸化シリコン/単結晶シリコン基板の構造を作製する方法である(特許文献1参照)。
(A) Oxygen ion implantation method A method of fabricating a single crystal silicon / silicon dioxide / single crystal silicon substrate structure by performing heat treatment after implanting oxygen ions into a single crystal silicon substrate (see Patent Document 1). .

しかしながら、この方法では、単結晶シリコン基板への酸素イオン注入に際して、上部単結晶シリコンに欠陥が多く入ることや、イオン注入のコストが高いといった問題がある。   However, this method has a problem that, when oxygen ions are implanted into a single crystal silicon substrate, there are many defects in the upper single crystal silicon and the cost of ion implantation is high.

(b)水素イオン注入法
単結晶シリコン基板に水素イオン(H+およびH-)を注入し、支持基板に貼り合わせた後、熱処理を施し、水素イオンが注入された層を破壊し、はぎとることで、サブμmオーダーの単結晶シリコン薄膜を支持基板上に形成する方法である。
(B) Hydrogen ion implantation method After implanting hydrogen ions (H + and H ) into a single crystal silicon substrate and bonding them to a support substrate, heat treatment is performed to destroy and peel off the layer into which hydrogen ions have been implanted. In this method, a single crystal silicon thin film on the order of sub-μm is formed on a support substrate.

しかしながら、この方法では、水素の注入深さがサブμmオーダーに留まるため、例えば、太陽電池の用途では1000℃以上の高温で化学蒸着法又は物理蒸着法により単結晶シリコン薄膜を10μm前後に厚膜化することが必要となるが、耐熱性・熱膨張力の要件を満たす安価な基板を得ることが困難である。また、水素イオン注入層を基板から剥がす前に厚膜化する方法については、厚膜化条件下で水素イオン注入層が壊れてしまうので不可能である(特許文献2参照)。また、イオン注入のコストが高いといった問題もある。   However, in this method, since the hydrogen injection depth remains on the order of sub-μm, for example, in the application of solar cells, a single-crystal silicon thin film is thickened to about 10 μm by chemical vapor deposition or physical vapor deposition at a high temperature of 1000 ° C. or higher. However, it is difficult to obtain an inexpensive substrate that satisfies the requirements of heat resistance and thermal expansion force. Further, it is impossible to thicken the hydrogen ion implanted layer before peeling it from the substrate because the hydrogen ion implanted layer is broken under the thickened condition (see Patent Document 2). There is also a problem that the cost of ion implantation is high.

(c)ポーラスシリコン法
単結晶シリコン基板表面を陽極酸化すると、細孔を高密度に形成できる。この細孔表面に酸化処理を施し、フッ酸により外表面に近い部分のみ酸化層を除去した後、水素雰囲気下でアニールすると、最表面が単結晶の連続膜に戻り、その下に空隙を多数含んだ構造ができる。これを支持基板に貼り付けた後、空隙を含んだ層を液相法により化学的に溶解することや、ウォータージェット等により機械的に破壊することで、単結晶シリコン薄膜を分離する方法である(特許文献3参照)。
(C) Porous silicon method When the surface of the single crystal silicon substrate is anodized, pores can be formed with high density. The surface of the pores is oxidized and the oxide layer is removed only in the vicinity of the outer surface with hydrofluoric acid. After annealing in a hydrogen atmosphere, the outermost surface returns to a single-crystal continuous film with many voids below it. Containing structure is possible. This is a method of separating a single crystal silicon thin film by pasting it on a support substrate and then chemically dissolving a layer containing voids by a liquid phase method or mechanically destroying it with a water jet or the like. (See Patent Document 3).

しかしながら、この方法では、上部シリコン膜厚は表面張力の寄与する1μm前後にしかならず、太陽電池に応用するには、CVD法による厚膜化が必須である。更に、機械的破壊による剥離の際、単結晶シリコン基板も傷んでしまい、繰り返し利用が制限されるという問題もある。また、プロセス的にも多数のステップが必要で、複雑である。   However, in this method, the upper silicon film thickness is only about 1 μm, to which the surface tension contributes, and in order to apply it to a solar cell, it is essential to increase the film thickness by the CVD method. Furthermore, there is also a problem that the single crystal silicon substrate is damaged at the time of peeling due to mechanical breakage, and the repeated use is limited. Also, the process is complicated and requires many steps.

(d)溶融再結晶化法・溶融結晶化法
シリコン基板上に、二酸化シリコン膜、多結晶ないしアモルファスシリコン薄膜、二酸化シリコンからなる保護膜の順に積層させ、ランプ加熱等による線状の溶融帯のスキャンを行うことで、面内方向に結晶粒径の発達した多結晶シリコン薄膜を作製できる。その後、保護膜を薬液により除去し、CVD法により多結晶シリコン薄膜を厚膜化した後、二酸化シリコン膜をフッ酸によりエッチングすることにより、多結晶シリコン薄膜を分離する方法である(特許文献4参照)。
(D) Melt recrystallization method / melt crystallization method A silicon dioxide film, a polycrystalline or amorphous silicon thin film, and a protective film made of silicon dioxide are laminated in this order on a silicon substrate, and a linear melt zone formed by lamp heating or the like is formed. By performing scanning, a polycrystalline silicon thin film having a crystal grain size developed in the in-plane direction can be produced. Thereafter, the protective film is removed with a chemical solution, the polycrystalline silicon thin film is thickened by a CVD method, and then the silicon dioxide film is etched with hydrofluoric acid to separate the polycrystalline silicon thin film (Patent Document 4). reference).

しかしながら、この方法で得られるのはあくまでも多結晶シリコン薄膜であるため、発電効率が劣る上、溶融帯のスキャニングの際、シリコン基板まで劣化してしまうという問題があり、さらに、プロセス的にも多数のステップからなり複雑である。   However, since a polycrystalline silicon thin film can only be obtained by this method, power generation efficiency is inferior, and there is a problem that the silicon substrate is deteriorated when the molten zone is scanned. It consists of steps and is complicated.

(e)元素組成の異なる犠牲層を用いたエピタキシャルリフトオフ(ELO)法
エピタキシャルリフトオフ(ELO)法とは、単結晶基板を鋳型に用い、その上に犠牲層をエピタキシャル成長させ、更にその上に目的膜をエピタキシャル成長させ、犠牲層を除去することで目的材料の単結晶薄膜を得る方法のことである。
(E) Epitaxial lift-off (ELO) method using sacrificial layers having different elemental compositions In the epitaxial lift-off (ELO) method, a single crystal substrate is used as a mold, a sacrificial layer is epitaxially grown thereon, and a target film is further formed thereon. Is epitaxially grown and the sacrificial layer is removed to obtain a single crystal thin film of the target material.

ところで、単結晶シリコン基板は、太陽電池として用いる場合には発電効率や安全性・安定性等で優れているが、そのコストが高いことが問題となっている。太陽電池に用いられる高純度シリコン原料が、太陽電池のコストの多くを占めているのが現状である。従って単結晶シリコンを、基板から薄膜に置き換えることができれば、コストの問題を解決できる。   By the way, the single crystal silicon substrate is excellent in power generation efficiency, safety and stability when used as a solar cell, but its cost is a problem. At present, high-purity silicon raw materials used for solar cells account for most of the cost of solar cells. Therefore, if single crystal silicon can be replaced with a thin film from the substrate, the problem of cost can be solved.

そこで、本願発明者は、単結晶シリコン薄膜をELO法で製造する方法を提案した(特許文献5、6参照)。   Therefore, the present inventor has proposed a method of manufacturing a single crystal silicon thin film by the ELO method (see Patent Documents 5 and 6).

ここでは、犠牲層として、金属シリサイドやドープシリコン層、さらには、結晶欠陥を含んだシリコン層を用いることで、シリコンでもELO法の適用が可能になることを提案した。具体的には、単結晶シリコン基板上に、純シリコンとは組成の異なる層、具体的には金属シリサイドや高濃度ドープシリコン、あるいは結晶欠陥を含んだシリコン層を犠牲層(中間層)としてエピタキシャル成長させ、更にその上にシリコンをエピタキシャル成長させることで単結晶シリコン薄膜を成膜し、犠牲層を化学的にエッチング・除去することで、単結晶シリコン基板と単結晶シリコン薄膜を分離し、単結晶シリコン基板を繰り返し再利用しながら、単結晶シリコン薄膜を製造する方法を提案した。   Here, it is proposed that the ELO method can be applied even to silicon by using a metal silicide, a doped silicon layer, or a silicon layer including crystal defects as a sacrificial layer. Specifically, on a single crystal silicon substrate, a layer having a composition different from that of pure silicon, specifically, a metal silicide, highly doped silicon, or a silicon layer containing crystal defects is epitaxially grown as a sacrificial layer (intermediate layer). Further, a single crystal silicon thin film is formed by epitaxially growing silicon thereon, and the single crystal silicon substrate and the single crystal silicon thin film are separated by chemically etching and removing the sacrificial layer. A method of manufacturing a single crystal silicon thin film while repeatedly reusing a substrate was proposed.

しかしながら、上記したような犠牲層を用いる方法でも、犠牲層をエッチングで除去するプロセスに多大な時間がかかるという問題があった。すなわち、犠牲層を除去するさいに、単結晶シリコン基板に設けた貫通孔を介してエッチングで除去するが、単結晶シリコン基板に形成できる貫通孔のピッチは基板厚さと同程度となるため、かかる貫通孔ピッチと犠牲層の厚さを考慮すると、アスペクト比で1000倍程度のエッチング処理を行う必要があり、犠牲層と単結晶シリコンとエッチング速度差が大きいエッチャントを用いても長時間のエッチング処理を行う必要があるという問題があった。   However, even the method using the sacrificial layer as described above has a problem that it takes a long time to remove the sacrificial layer by etching. That is, when removing the sacrificial layer, it is removed by etching through a through hole provided in the single crystal silicon substrate. However, the pitch of the through holes that can be formed in the single crystal silicon substrate is approximately the same as the thickness of the substrate. Considering the pitch of the through holes and the thickness of the sacrificial layer, it is necessary to perform an etching process with an aspect ratio of about 1000 times. Even if an etchant having a large etching rate difference between the sacrificial layer and the single crystal silicon is used, the etching process takes a long time. There was a problem that it was necessary to do.

特開2000−077352号公報JP 2000-077732 A 特開平11−040785号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-040785 特開平05−275663号公報JP 05-275663 A 特開平07−226528号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-226528 国際公開第2002/040751号パンフレットInternational Publication No. 2002/040751 Pamphlet 国際公開第2005/069356号パンフレットInternational Publication No. 2005/069356 Pamphlet

本発明は、ELOを利用して単結晶シリコン薄膜を製造するに際し、犠牲層のエッチングを容易にする単結晶シリコン薄膜の製造方法、単結晶シリコン薄膜デバイスの製造方法及び太陽電池デバイスの製造方法並びに単結晶シリコン薄膜及びそれを用いた単結晶シリコン薄膜デバイス及び太陽電池デバイスを提供することを目的とする。   The present invention relates to a method for manufacturing a single crystal silicon thin film, a method for manufacturing a single crystal silicon thin film device, a method for manufacturing a solar cell device, and a method for manufacturing a solar cell device, which facilitate etching of a sacrificial layer when manufacturing a single crystal silicon thin film using ELO. An object is to provide a single crystal silicon thin film, a single crystal silicon thin film device using the same, and a solar cell device.

前記目的を達成する本発明の第1の態様は、単結晶シリコン基板の表面にシリコンに対してエッチング選択性を有し且つエピタキシャルな関係にある犠牲層を設け、該犠牲層上に単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させ、該単結晶シリコン薄膜に複数の貫通孔を形成すると共に当該貫通孔を介して前記犠牲層をエッチングし、単結晶シリコン薄膜を分離することを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, a sacrificial layer having etching selectivity with respect to silicon and having an epitaxial relationship is provided on the surface of a single crystal silicon substrate, and the single crystal silicon is provided on the sacrificial layer. Epitaxially growing a thin film, forming a plurality of through holes in the single crystal silicon thin film, etching the sacrificial layer through the through holes, and separating the single crystal silicon thin film, Is in the way.

本発明の第2の態様は、第1の態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記犠牲層を設けた後又は前記犠牲層を設ける前に結晶成長阻害部を形成する工程を実施して前記犠牲層上に部分的に結晶成長阻害部を設け、該結晶成長阻害部を設けた前記犠牲層の上に前記単結晶シリコン薄膜を成長させ、該単結晶シリコン薄膜の前記結晶成長阻害部に対応する部分の結晶欠陥を含んだシリコンを選択的にエッチングして前記貫通孔とすることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   According to a second aspect of the present invention, in the method for producing a single crystal silicon thin film according to the first aspect, the step of forming a crystal growth inhibiting portion is performed after the sacrifice layer is provided or before the sacrifice layer is provided. A crystal growth inhibiting portion is partially provided on the sacrificial layer, the single crystal silicon thin film is grown on the sacrificial layer provided with the crystal growth inhibiting portion, and the crystal growth inhibiting portion of the single crystal silicon thin film is formed on the sacrificial layer. In the method of manufacturing a single crystal silicon thin film, the silicon including a crystal defect in a corresponding portion is selectively etched to form the through hole.

本発明の第3の態様は、第2の態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶成長阻害部が、非晶質材料もしくはシリコン化合物で構成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the method for producing a single crystal silicon thin film according to the second aspect, wherein the crystal growth inhibition portion is made of an amorphous material or a silicon compound. It is in the manufacturing method of a thin film.

本発明の第4の態様は、第2の態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶成長阻害部が所定のパターンで設けられていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the method for producing a single crystal silicon thin film according to the second aspect, wherein the crystal growth inhibiting portion is provided in a predetermined pattern. is there.

本発明の第5の態様は、第2〜4の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記結晶成長阻害部が、前記単結晶シリコン薄膜の厚さの1倍以上100倍以下の間隔で設けられていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   According to a fifth aspect of the present invention, in the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the second to fourth aspects, the crystal growth inhibition portion is 1 to 100 times the thickness of the single crystal silicon thin film. In the method of manufacturing a single crystal silicon thin film, the first crystal silicon thin film is provided at intervals of

本発明の第6の態様は、第1〜5の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記犠牲層が、他元素がドープされた高濃度ドープシリコン、結晶欠陥を含んだシリコン及びフッ化カルシウム(CaF)から選択される材料で形成されることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。 According to a sixth aspect of the present invention, in the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to fifth aspects, the sacrificial layer is highly doped silicon doped with other elements, silicon containing crystal defects. And a method for producing a single crystal silicon thin film, characterized by being formed of a material selected from calcium fluoride (CaF 2 ).

本発明の第7の態様は、第1〜6の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記貫通孔の開口面積が、100〜10000μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。 According to a seventh aspect of the present invention, in the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to sixth aspects, the opening area of the through hole is 100 to 10,000 μm 2. It is in the manufacturing method of a thin film.

本発明の第8の態様は、第1〜7の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン薄膜の厚さが、5〜100μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   An eighth aspect of the present invention is the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to seventh aspects, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 100 μm. It exists in the manufacturing method of a silicon thin film.

本発明の第9の態様は、第1〜7の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、前記単結晶シリコン薄膜の厚さが、5〜50μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法にある。   A ninth aspect of the present invention is the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to seventh aspects, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 50 μm. It exists in the manufacturing method of a silicon thin film.

本発明の第10の態様は、第1〜9の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法を用いて単結晶シリコン薄膜デバイスを製造することを特徴とする単結晶シリコン薄膜デバイスの製造方法にある。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a single crystal silicon thin film device, wherein a single crystal silicon thin film device is manufactured using the method for manufacturing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to ninth aspects. It is in.

本発明の第11の態様は、第1〜9の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜の製造方法を用いて太陽電池用発電層を製造することを特徴とする太陽電池デバイスの製造方法にある。   An eleventh aspect of the present invention resides in a method for producing a solar cell device, comprising producing a power generation layer for a solar cell using the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of the first to ninth aspects. .

本発明の第12の態様は、厚さが5〜100μmの単結晶シリコン薄膜であり、複数の貫通孔を具備することを特徴とする単結晶シリコン薄膜にある。   A twelfth aspect of the present invention is a single crystal silicon thin film having a thickness of 5 to 100 μm and having a plurality of through holes.

本発明の第13の態様は、第12の態様に記載の単結晶シリコン薄膜において、厚さが5〜50μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜にある。   A thirteenth aspect of the present invention is the single crystal silicon thin film according to the twelfth aspect, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 50 μm.

本発明の第14の態様は、第12又は13の態様の単結晶シリコン薄膜において、前記貫通孔が所定のパターンで形成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜にある。   A fourteenth aspect of the present invention is the single crystal silicon thin film according to the twelfth or thirteenth aspect, wherein the through holes are formed in a predetermined pattern.

本発明の第15の態様は、第12〜14の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜において、前記貫通孔の開口面積が、100〜10000μmであり、前記貫通孔の表面がシリコンの(111)面で構成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜にある。 According to a fifteenth aspect of the present invention, in the single crystal silicon thin film according to any one of the twelfth to fourteenth aspects, an opening area of the through hole is 100 to 10,000 μm 2 , and a surface of the through hole is made of silicon (111 ) Surface, the single crystal silicon thin film is characterized.

本発明の第16の態様は、第12〜15の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜を用いたことを特徴とする単結晶シリコン薄膜デバイスにある。   A sixteenth aspect of the present invention is a single crystal silicon thin film device characterized by using the single crystal silicon thin film according to any one of the twelfth to fifteenth aspects.

本発明の第17の態様は、第12〜15の何れかの態様の単結晶シリコン薄膜を用いたことを特徴とする太陽電池デバイスにある。   A seventeenth aspect of the present invention is a solar cell device using the single crystal silicon thin film according to any one of the twelfth to fifteenth aspects.

本発明の一実施形態に係る単結晶シリコン薄膜の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the single crystal silicon thin film which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の結晶成長阻害部の製造プロセスを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the crystal growth inhibition part of this invention. 本発明の結晶成長阻害部の製造プロセスの他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the manufacturing process of the crystal growth inhibition part of this invention. 本発明の一実施形態の単結晶シリコン薄膜の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the single crystal silicon thin film of one Embodiment of this invention. 本発明の犠牲層の形成プロセスの他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the formation process of the sacrificial layer of this invention. 本発明の他の実施形態に係る単結晶シリコン薄膜の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the single crystal silicon thin film which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る単結晶シリコン薄膜の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the single crystal silicon thin film which concerns on other embodiment of this invention. 結晶欠陥を有する多結晶シリコン部を有する単結晶シリコン薄膜の表面の走査型電子顕微鏡像(a)及び断面の走査型電子顕微鏡像(b)である。It is the scanning electron microscope image (a) of the surface of the single crystal silicon thin film which has the polycrystalline-silicon part which has a crystal defect, and the scanning electron microscope image (b) of a cross section. 単結晶シリコン基板から剥離して、ガラス基板上に転写した単結晶シリコン薄膜の写真である。It is a photograph of the single crystal silicon thin film peeled off from the single crystal silicon substrate and transferred onto the glass substrate.

以下、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、一実施形態に係る単結晶シリコン薄膜の製造方法の工程を示す断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a process of a method for producing a single crystal silicon thin film according to an embodiment.

まず、図1(a)に示すように、単結晶シリコン基板1を用意する。単結晶シリコン基板1は、例えば、(100)単結晶シリコンウエハであり、例えば、400〜700μmの厚さのものを用いることができる。   First, as shown in FIG. 1A, a single crystal silicon substrate 1 is prepared. The single crystal silicon substrate 1 is, for example, a (100) single crystal silicon wafer, and for example, a substrate having a thickness of 400 to 700 μm can be used.

次に、図1(b)に示されるように、単結晶シリコン基板1の表面に、犠牲層2をエピタキシャル成長させる。ここで、犠牲層2は、シリコンに対してエッチング選択性を有するものであればよく、製造する単結晶シリコン薄膜や単結晶シリコン基板に金属元素を混入させないものが好ましい。好適には、他元素が高濃度ドープされた高濃度ドープシリコン、結晶欠陥を含んだシリコン及びフッ化カルシウム(CaF)から選択される材料を用いることができる。 Next, as shown in FIG. 1B, a sacrificial layer 2 is epitaxially grown on the surface of the single crystal silicon substrate 1. Here, the sacrificial layer 2 only needs to have etching selectivity with respect to silicon, and a single crystal silicon thin film or a single crystal silicon substrate to be manufactured is preferably not mixed with a metal element. Preferably, a material selected from highly doped silicon highly doped with other elements, silicon containing crystal defects, and calcium fluoride (CaF 2 ) can be used.

ここで、高濃度ドープシリコンは、III族ないしV族元素から選択される他元素を高濃度でドープしたシリコンであり、単結晶シリコン基板1表面にシリコン源とドーパント源を所定比率で供給することにより、高濃度にドープされた単結晶シリコンからなる犠牲層2を形成することができる。ここで、他元素として、好ましくは、ホウ素(B)やリン(P)を挙げることができる。また、高濃度とは、ドーパント濃度が1018原子/cm以上であることをいう。 Here, the heavily doped silicon is silicon doped with other elements selected from Group III to Group V elements at a high concentration, and a silicon source and a dopant source are supplied to the surface of the single crystal silicon substrate 1 at a predetermined ratio. Thus, the sacrificial layer 2 made of highly doped single crystal silicon can be formed. Here, preferably, other elements include boron (B) and phosphorus (P). Further, high concentration means that the dopant concentration is 10 18 atoms / cm 3 or more.

また、高濃度ドープシリコンは、III族ないしV族元素から選定される他元素を、熱拡散法ないしイオン注入法により単結晶シリコン基板1表面にドープすることでも形成することができる。この方法の詳細は後述する。   Highly doped silicon can also be formed by doping the surface of the single crystal silicon substrate 1 with another element selected from group III or group V elements by thermal diffusion or ion implantation. Details of this method will be described later.

また、結晶欠陥を含んだシリコンは、結晶欠陥を含んでシリコンに対してエッチング選択性を有するものであり、結晶欠陥としては、双晶、空孔、格子間原子、刃状転位、螺旋転位などを挙げることができる。ここで、結晶欠陥は、数密度が単結晶シリコン基板1と犠牲層2との界面において、1/μm2〜1/nm2であれば、シリコンに対するエッチング選択性を有することになる。 In addition, silicon containing crystal defects has etching selectivity with respect to silicon including crystal defects. Examples of crystal defects include twins, vacancies, interstitial atoms, edge dislocations, and screw dislocations. Can be mentioned. Here, the crystal defect has etching selectivity with respect to silicon if the number density is 1 / μm 2 to 1 / nm 2 at the interface between the single crystal silicon substrate 1 and the sacrificial layer 2.

このような結晶欠陥を含んだシリコンからなる犠牲層2を形成する方法は、例えば、残留ガス圧が比較的高く、かつ比較的低温下の成膜条件で、シリコンをエピタキシャル成長させることにより、双晶の入った単結晶シリコンからなる犠牲層2を成長させることができる。なお、このような結晶欠陥を含むシリコンからなる犠牲層2の場合、後述するように、犠牲層2上に単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させる前に、還元性雰囲気下でのアニールにより、双晶などの結晶欠陥を含むシリコンからなる犠牲層2の表面の双晶を消失させるのが好ましい。   A method for forming the sacrificial layer 2 made of silicon containing such crystal defects is, for example, by growing silicon epitaxially under film forming conditions with a relatively high residual gas pressure and a relatively low temperature. The sacrificial layer 2 made of single crystal silicon containing can be grown. In the case of the sacrificial layer 2 made of silicon containing such crystal defects, as will be described later, before the single crystal silicon thin film is epitaxially grown on the sacrificial layer 2, twin crystal or the like is obtained by annealing in a reducing atmosphere. It is preferable to eliminate the twins on the surface of the sacrificial layer 2 made of silicon containing the above crystal defects.

また、フッ化カルシウムからなる犠牲層2とする場合には、例えば、フッ化カルシウムを原料とした真空蒸着により形成することができる。
ここで、犠牲層2の厚さは、例えば、100nm〜1000nmとするのが好ましい。
Further, when the sacrificial layer 2 made of calcium fluoride is used, it can be formed by, for example, vacuum deposition using calcium fluoride as a raw material.
Here, the thickness of the sacrificial layer 2 is preferably, for example, 100 nm to 1000 nm.

次に、図1(c)に示すように、所定のパターンで、例えば、所定間隔の格子状に配置された結晶成長阻害部3を設ける。   Next, as shown in FIG. 1C, crystal growth inhibition units 3 are provided in a predetermined pattern, for example, arranged in a lattice pattern with a predetermined interval.

ここで、結晶成長阻害部3は、非晶質材料もしくはシリコン化合物からなるものであり、例えば、SiO、SiN、SiC、SiOなどを挙げることができる。結晶成長阻害部3は、犠牲層2上に単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長させた際に、エピタキシャル成長を阻害して結晶欠陥を含むシリコンを形成するものであればよく、単結晶シリコンと格子定数が合わない結晶でもよい。 Here, the crystal growth inhibiting part 3 is made of an amorphous material or a silicon compound, and examples thereof include SiO x , SiN x , SiC, and SiO x N y . The crystal growth inhibiting unit 3 may be any unit that inhibits epitaxial growth and forms silicon containing crystal defects when the single crystal silicon thin film 40 is epitaxially grown on the sacrificial layer 2. Crystals that do not match may be used.

このような所定のパターンで配置された結晶成長阻害部3を設ける方法の例を図2及び図3に示す。   An example of a method of providing the crystal growth inhibition unit 3 arranged in such a predetermined pattern is shown in FIGS.

第1の方法では、図2(a)に示すように、単結晶シリコン基板1の上に、犠牲層2を設け、次いで、図2(b)に示すように、レジストなどからなる所定パターンで設けられた開口6aを有するマスク6を設けた後、図2(c)に示すように、SiOなどの材料をスパッタリング等により開口6a内に成膜して、図2(d)に示すように、所定のパターンで結晶成長阻害部3を形成する。 In the first method, as shown in FIG. 2 (a), a sacrificial layer 2 is provided on a single crystal silicon substrate 1, and then, as shown in FIG. 2 (b), in a predetermined pattern made of a resist or the like. After providing the mask 6 having the provided opening 6a, as shown in FIG. 2C, a material such as SiO 2 is formed in the opening 6a by sputtering or the like, as shown in FIG. In addition, the crystal growth inhibiting portion 3 is formed in a predetermined pattern.

第2の方法では、図3(a)に示すように、単結晶シリコン基板1の上に、犠牲層2を設け、次いで、図3(b)に示すように、SiOなどの結晶成長阻害膜30を全面に設けた後、フォトリソグラフィーによりパターニングされたドット形状のパターン7aのレジストマスク7を設けた後、表面が露出している結晶成長阻害膜30をエッチングで除去し、図3(d)に示すように、所定のパターンで結晶成長阻害部3を形成する。 In the second method, a sacrificial layer 2 is provided on a single crystal silicon substrate 1 as shown in FIG. 3A, and then crystal growth inhibition such as SiO 2 is inhibited as shown in FIG. 3B. After the film 30 is provided on the entire surface, a resist mask 7 of a dot-shaped pattern 7a patterned by photolithography is provided, and then the crystal growth inhibition film 30 whose surface is exposed is removed by etching, and FIG. ), The crystal growth inhibiting portion 3 is formed in a predetermined pattern.

結晶成長阻害部3の形成方法はこれに限定されるものではなく、所定のパターンで形成できれば、特に形成方法は限定されるものではない。例えば、インクジェット法にて結晶成長阻害部3を犠牲層2の上にパターン印刷しても良い。   The formation method of the crystal growth inhibition part 3 is not limited to this, and the formation method is not particularly limited as long as it can be formed in a predetermined pattern. For example, the crystal growth inhibiting portion 3 may be pattern printed on the sacrificial layer 2 by an inkjet method.

また、結晶成長阻害部3は、ランダムに配置されていてもよい。例えば、シリカゾルを犠牲層2上に噴霧することにより、ランダムに配置されたSiOからなる結晶成長阻害部3を形成することができる。 Moreover, the crystal growth inhibition part 3 may be arrange | positioned at random. For example, by spraying silica sol on the sacrificial layer 2, the crystal growth inhibiting portion 3 made of randomly disposed SiO 2 can be formed.

このように犠牲層2上に結晶成長阻害部3を設けた後のプロセスを説明する。   A process after providing the crystal growth inhibiting part 3 on the sacrificial layer 2 will be described.

図1(d)に示すように、結晶成長阻害部3を設けた犠牲層2上に、結晶欠陥の少ない高純度の単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長させて形成する。   As shown in FIG. 1D, a high-purity single crystal silicon thin film 40 with few crystal defects is epitaxially grown on the sacrificial layer 2 provided with the crystal growth inhibiting portion 3.

単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長させる方法として、物理蒸着(PVD;Physical Vapor Deposition)法がある。一般的には、実験室で理想的環境(超高真空等)下、低温でゆっくりとシリコンを成長させる方法として用いられている。一方、生産プロセスでは、化学気相成長(CVD;Chemical Vapor Deposition)法が、高温で高速に半導体層を堆積させる方法として用いられる。   As a method for epitaxially growing the single crystal silicon thin film 40, there is a physical vapor deposition (PVD; Physical Vapor Deposition) method. Generally, it is used as a method of growing silicon slowly at low temperature in an ideal environment (ultra-high vacuum or the like) in a laboratory. On the other hand, in a production process, a chemical vapor deposition (CVD) method is used as a method for depositing a semiconductor layer at a high speed at a high speed.

CVD法により単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させると、例えば、クロロシランを原料にした場合は、成膜速度はSiCl2やHCl等の化学種の脱離が律速となり、1200℃付近では1−10μm/minの成長速度が限界となる。高温にすることにより速度を上げられるが、しかし原料供給律速となり易く、数μm/minが実用上の上限となる。これは、犠牲層2の劣化を防ぐ成膜速度の下限とほぼ同程度の速度となってしまい、CVD法では犠牲層2の劣化抑制が困難である。また、犠牲層2として、ドープシリコンを用いた場合、ドープシリコンの犠牲層2上に単結晶シリコン薄膜をCVD法により成長させると、上記した成長速度では10μmの単結晶シリコン薄膜を形成するのに1−10分かかってしまい、その時間内にドーパントが単結晶シリコン薄膜40中に拡散してしまうため、犠牲層2を維持できないという問題がある。 When the single crystal silicon thin film is epitaxially grown by the CVD method, for example, when chlorosilane is used as a raw material, the film formation rate is rate-determined by desorption of chemical species such as SiCl 2 and HCl, and the vicinity of 1200 ° C. is 1-10 μm / min. The growth rate is the limit. Although the speed can be increased by increasing the temperature, it is likely to be the rate of raw material supply, and a practical upper limit is several μm / min. This is almost the same speed as the lower limit of the film formation rate for preventing the sacrificial layer 2 from being deteriorated, and it is difficult to suppress the deterioration of the sacrificial layer 2 by the CVD method. Further, when doped silicon is used as the sacrificial layer 2, when a single crystal silicon thin film is grown on the sacrificial layer 2 of the doped silicon by the CVD method, a single crystal silicon thin film of 10 μm is formed at the above growth rate. Since it takes 1-10 minutes and the dopant diffuses into the single crystal silicon thin film 40 within that time, there is a problem that the sacrificial layer 2 cannot be maintained.

一方、PVD法ではシリコンのみが吸着するため、化学種の脱離がない。そのため、脱離律速の上限を超え、成膜速度を任意に増大させることができる。ただし、成膜速度を上げすぎると、低温ではシリコンがエピタキシャル成長せずに、多結晶もしくは非晶質となってしまう。しかしながら、例えばシリコンの融点1410℃での融液成長では、10mm/s、即ち、600,000μm/minもの速度でエピタキシャル成長することが知られている。そこで、温度を融点近くまで上げれば、急速蒸着(RVD;Rapid Vapor Deposition)法でもエピタキシャル成長できる。   On the other hand, in the PVD method, since only silicon is adsorbed, there is no desorption of chemical species. Therefore, the upper limit of the desorption rate limit is exceeded, and the film formation rate can be increased arbitrarily. However, if the film formation rate is increased too much, silicon does not grow epitaxially at low temperatures, and becomes polycrystalline or amorphous. However, for example, melt growth of silicon at a melting point of 1410 ° C. is known to epitaxially grow at a rate of 10 mm / s, that is, 600,000 μm / min. Therefore, if the temperature is raised to near the melting point, epitaxial growth can also be performed by a rapid vapor deposition (RVD) method.

RVD法の特徴について、犠牲層2としてBやPを用いた高濃度ドープシリコンを用いた場合について具体的に説明する。目的の単結晶シリコン薄膜40の厚さが10μmとすると、犠牲層2の厚さとしては1/10以下、即ち1μm以下が望ましい。ドーパント(B,P)が1μm拡散すると、犠牲層2の構造が劣化してしまうが、その時定数は、拡散係数をDとすると、(1μm)2/Dで表される。この時間内に、単結晶シリコン薄膜40が10μm以上成長する必要があるため、成膜速度GRは、GR>10D/1μmが必要となる。既知の拡散係数Dと温度Tの関係を用いることにより、GR>2×1012exp(−325[kJ/mol]/8.31[J/mol・K]/(T+273)[K])の関係式が得られる。実際に、基板温度800℃、シリコン融液温度1800℃にてPVDを行ったところ、10μm/minで単結晶シリコン薄膜40のエピタキシャル成長に成功した。これは目標の成膜速度より20000倍も速く成長できたこととなり、犠牲層2の構造劣化の抑制が容易となることが明らかである。 The characteristics of the RVD method will be specifically described in the case of using heavily doped silicon using B or P as the sacrificial layer 2. If the thickness of the target single crystal silicon thin film 40 is 10 μm, the thickness of the sacrificial layer 2 is desirably 1/10 or less, that is, 1 μm or less. When the dopant (B, P) diffuses by 1 μm, the structure of the sacrificial layer 2 deteriorates. The time constant is represented by (1 μm) 2 / D, where D is the diffusion coefficient. Since it is necessary to grow the single crystal silicon thin film 40 by 10 μm or more within this time, the film formation speed GR needs to be GR> 10D / 1 μm. By using the relationship between the known diffusion coefficient D and temperature T, GR> 2 × 10 12 exp (−325 [kJ / mol] /8.31 [J / mol · K] / (T + 273) [K]) A relational expression is obtained. Actually, when PVD was performed at a substrate temperature of 800 ° C. and a silicon melt temperature of 1800 ° C., the single crystal silicon thin film 40 was successfully epitaxially grown at 10 μm / min. This means that the growth was 20000 times faster than the target film formation rate, and it is clear that the structure deterioration of the sacrificial layer 2 can be easily suppressed.

このように単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長する際、結晶成長阻害部3の上にはエピタキシャル成長しないので、結晶欠陥を多く含む多結晶シリコン部41が形成される。すなわち、本発明では、単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長すると、単結晶シリコン薄膜40は、結晶成長阻害部3に対応した領域に多結晶シリコン部41が形成される。   As described above, when the single crystal silicon thin film 40 is epitaxially grown, since it does not grow epitaxially on the crystal growth inhibiting portion 3, a polycrystalline silicon portion 41 containing many crystal defects is formed. That is, in the present invention, when the single crystal silicon thin film 40 is epitaxially grown, the polycrystalline silicon portion 41 is formed in the region corresponding to the crystal growth inhibiting portion 3 in the single crystal silicon thin film 40.

このような多結晶シリコン部41は、単結晶シリコンに対してエッチング選択性を有するので、図1(e)に示すように、多結晶シリコン部41のみを、例えば、フッ酸と酸化剤の混合溶液での選択エッチングにより除去し、貫通孔42を形成することができる。なお、結晶成長阻害部3上に形成される多結晶シリコン部41は必ずしも多結晶である必要はなく、結晶欠陥を含むシリコンからなり、単結晶シリコンに対してエッチング選択性を有するものであればよい。   Since such a polycrystalline silicon portion 41 has etching selectivity with respect to single crystal silicon, as shown in FIG. 1E, only the polycrystalline silicon portion 41 is mixed with, for example, hydrofluoric acid and an oxidizing agent. The through-hole 42 can be formed by removing by selective etching with a solution. Note that the polycrystalline silicon portion 41 formed on the crystal growth inhibiting portion 3 does not necessarily have to be polycrystalline, as long as it is made of silicon containing crystal defects and has etching selectivity with respect to single crystal silicon. Good.

次に、図1(f)に示すように、貫通孔42を介して犠牲層2を選択エッチングして犠牲層2を除去し、貫通孔4aを具備する単結晶シリコン薄膜4を製造することができる。ここで、選択エッチングにより、結晶成長阻害部3も除去されるか、もしくは結晶成長阻害部3と単結晶シリコン薄膜40の境界部がエッチングされ、貫通孔42が犠牲層2に到達する。なお、単結晶シリコン薄膜4を分離した単結晶シリコン基板1は、再利用することができる。   Next, as shown in FIG. 1 (f), the sacrificial layer 2 is selectively etched through the through holes 42 to remove the sacrificial layer 2 to manufacture the single crystal silicon thin film 4 having the through holes 4a. it can. Here, the crystal growth inhibition portion 3 is also removed by selective etching, or the boundary between the crystal growth inhibition portion 3 and the single crystal silicon thin film 40 is etched, and the through hole 42 reaches the sacrifice layer 2. Note that the single crystal silicon substrate 1 from which the single crystal silicon thin film 4 is separated can be reused.

ここで、犠牲層2の選択エッチングは、犠牲層2が高濃度ドープシリコンの場合には、例えば、フッ酸・硝酸・酢酸混合溶液をエッチャントとして容易に実施できる。また、犠牲層2が結晶欠陥を含むシリコンの場合には、多結晶シリコン部41と同様に、例えば、フッ酸と酸化剤の混合溶液での選択エッチングすることができ、この場合には、多結晶シリコン部41の選択エッチングに連続して行うこともできる。また、犠牲層2がフッ化カルシウムからなる場合には、例えば、硝酸を用いて選択エッチングすることができる。   Here, the selective etching of the sacrificial layer 2 can be easily performed using, for example, a hydrofluoric acid / nitric acid / acetic acid mixed solution as an etchant when the sacrificial layer 2 is highly doped silicon. In the case where the sacrificial layer 2 is silicon containing crystal defects, it can be selectively etched with a mixed solution of hydrofluoric acid and an oxidizing agent, for example, in the same manner as the polycrystalline silicon portion 41. The selective etching of the crystalline silicon portion 41 can also be performed continuously. When the sacrificial layer 2 is made of calcium fluoride, selective etching can be performed using nitric acid, for example.

本発明において、犠牲層2の選択エッチングは、単結晶シリコン基板1よりも大幅に薄い単結晶シリコン薄膜40に所定のピッチで形成された貫通孔42を介して行うことができるので、非常に効率的に短時間で行うことができる。   In the present invention, the selective etching of the sacrificial layer 2 can be performed through the through-holes 42 formed at a predetermined pitch in the single crystal silicon thin film 40 that is significantly thinner than the single crystal silicon substrate 1. In a short time.

以上説明した本発明の単結晶シリコン薄膜の製造方法では、単結晶シリコン薄膜40に設けた貫通孔42を介して犠牲層2を効率的に除去できるので、単結晶シリコン薄膜4を短時間、低コストで製造することができる。また、特に、RVD法を採用すると、単結晶シリコン薄膜40のエピタキシャル成長速度を上げることにより生産性が上がるだけでなく、基板全体が高温に曝される時間が短くなるために犠牲層2の構造変化が抑えられ、犠牲層2の選択エッチングによる単結晶シリコン薄膜4と単結晶シリコン基板1との分離が良好となり、結果として高純度で欠陥のない単結晶シリコン薄膜4を得ることができ、非常に有望なプロセスとなる。   In the method for manufacturing a single crystal silicon thin film of the present invention described above, the sacrificial layer 2 can be efficiently removed through the through hole 42 provided in the single crystal silicon thin film 40. Can be manufactured at cost. In particular, when the RVD method is adopted, not only the productivity is increased by increasing the epitaxial growth rate of the single crystal silicon thin film 40, but also the structure change of the sacrificial layer 2 is shortened because the time during which the entire substrate is exposed to high temperature is shortened. And the separation between the single crystal silicon thin film 4 and the single crystal silicon substrate 1 by selective etching of the sacrificial layer 2 becomes good, and as a result, a single crystal silicon thin film 4 having high purity and no defects can be obtained. It will be a promising process.

このようにして形成された単結晶シリコン薄膜4の概略構成を図4に示す。単結晶シリコン薄膜4は、所定パターンで貫通孔4aを有するものである。貫通孔4aは、図示では開口が正方形としているが、実際には、結晶成長阻害部の形状に応じて種々の形状を取る。一方で、貫通孔4aの表面(内面)は、シリコンの(111)面5で形成される。   A schematic configuration of the single crystal silicon thin film 4 thus formed is shown in FIG. The single crystal silicon thin film 4 has through holes 4a in a predetermined pattern. The through-hole 4a has a square opening in the drawing, but actually has various shapes depending on the shape of the crystal growth inhibiting portion. On the other hand, the surface (inner surface) of the through-hole 4a is formed by the (111) surface 5 of silicon.

ここで、単結晶シリコン薄膜4の厚さは特に限定されず、200μm程度あるいはそれ以上の厚さのものも比較的容易に形成できるが、従来では容易には形成できない5μm〜50μmの厚さのフレキシブル単結晶シリコン薄膜も比較的容易に製造できる。   Here, the thickness of the single crystal silicon thin film 4 is not particularly limited, and a thickness of about 200 μm or more can be formed relatively easily, but the thickness of 5 μm to 50 μm which cannot be easily formed conventionally. A flexible single crystal silicon thin film can also be manufactured relatively easily.

ここで、貫通孔4aの大きさや間隔は、単結晶シリコン薄膜4の厚さや犠牲層2の選択エッチングの工程時間、さらには、貫通孔4aを後のデバイス化プロセスで用いる場合にはその配置状態等を考慮して適宜設定すればよく、特に限定されるものではない。例示すると、貫通孔4aの開口面積は100μm(10μm角)〜10000μm(100μm角)で、間隔は10〜1000μm、好ましくは100〜1000μm、被覆率は0.01〜50%程度、好ましくは、0.01〜10%程度である。
かかる単結晶シリコン薄膜4は、従来では製造できないものである。
Here, the size and interval of the through-holes 4a are the thickness of the single crystal silicon thin film 4 and the process time for selective etching of the sacrificial layer 2, and the arrangement state when the through-holes 4a are used in a later device fabrication process. It may be set as appropriate in consideration of the above, and is not particularly limited. For example, the opening area of the through-hole 4a is 100 μm 2 (10 μm square) to 10,000 μm 2 (100 μm square), the interval is 10 to 1000 μm, preferably 100 to 1000 μm, and the coverage is about 0.01 to 50%, preferably , About 0.01 to 10%.
Such a single crystal silicon thin film 4 cannot be manufactured conventionally.

また、単結晶シリコン薄膜4を単結晶シリコン薄膜デバイスに用いる際に、貫通孔4aを配線などのために有効利用してもよい。勿論、貫通孔4aを用いることなく単結晶シリコン薄膜デバイスを製造してもよいことはいうまでもない。   Further, when the single crystal silicon thin film 4 is used in a single crystal silicon thin film device, the through hole 4a may be effectively used for wiring or the like. Of course, it goes without saying that a single crystal silicon thin film device may be manufactured without using the through hole 4a.

以上説明した実施形態では、犠牲層2をエピタキシャル成長で形成した例を説明したが、これに限定されるものではない。例えば、単結晶シリコン基板の表面に、他元素を拡散法ないしイオン注入法にてドーピングし、アニールする。これにより、単結晶シリコン基板の表面に犠牲層(他元素がドープされた部分)を設けることができる。この方法では、単結晶シリコン基板と実質的に連続した結晶構造を有したエピタキシャル関係にある犠牲層となるので、上述した実施形態と同様に、結晶成長阻害部を設けた後、単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させ、その後、同様に犠牲層を除去することにより、同様な単結晶シリコン薄膜を得ることができる。   In the embodiment described above, the example in which the sacrificial layer 2 is formed by epitaxial growth has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the surface of the single crystal silicon substrate is doped with another element by a diffusion method or an ion implantation method and annealed. Thereby, a sacrificial layer (portion doped with other elements) can be provided on the surface of the single crystal silicon substrate. In this method, a sacrificial layer having an epitaxial relationship with a substantially continuous crystal structure with the single crystal silicon substrate is formed. Therefore, as in the above-described embodiment, after the crystal growth inhibition portion is provided, the single crystal silicon thin film is formed. Is grown epitaxially, and then the sacrificial layer is similarly removed, whereby a similar single crystal silicon thin film can be obtained.

また、単結晶シリコン基板に他元素をドーピングする方法では、犠牲層を形成するより前に結晶成長阻害部を形成することもできる。この例を図5に示す。   Further, in the method of doping other elements into the single crystal silicon substrate, the crystal growth inhibiting portion can be formed before the sacrifice layer is formed. An example of this is shown in FIG.

この方法では、図5(a)に示すように、単結晶シリコン基板1上に、所定パターンで結晶成長阻害部3を設けた後、図5(b)に示すように、他元素をドーピングする。これにより、単結晶シリコン基板1の表層部が犠牲層2Aとなる。この後のプロセスは上述した実施形態と同様に行うことができる。   In this method, as shown in FIG. 5A, after the crystal growth inhibiting portion 3 is provided in a predetermined pattern on the single crystal silicon substrate 1, other elements are doped as shown in FIG. 5B. . As a result, the surface layer portion of the single crystal silicon substrate 1 becomes the sacrificial layer 2A. The subsequent processes can be performed in the same manner as in the above-described embodiment.

さらに、上述した実施形態では、単結晶シリコン薄膜に貫通孔を形成するために、結晶成長阻害部を設けて単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させて、多結晶シリコン部を設け、この多結晶シリコン部を選択エッチングで除去して貫通孔としたが、単結晶シリコン薄膜に貫通孔を形成する方法は、これに限定されるものではない。   Furthermore, in the above-described embodiment, in order to form a through-hole in the single crystal silicon thin film, a crystal growth inhibition portion is provided, and the single crystal silicon thin film is epitaxially grown to provide a polycrystalline silicon portion. Although the through hole is removed by selective etching, the method of forming the through hole in the single crystal silicon thin film is not limited to this.

図6及び図7には、単結晶シリコン薄膜に貫通孔を形成する他の例を示す。
図6の方法は、図6(a)及び(b)に示すように、単結晶シリコン基板1の上に犠牲層2を形成し、次いで、図6(c)に示すように、犠牲層2上に単結晶シリコン薄膜40Aを形成した後、図6(d)に示すように、所定パターンで開口8aを有するマスク8を設けた後、図6(e)に示すように、単結晶シリコン薄膜40Aの開口8aに対応する領域を異方性エッチングすることにより、貫通孔42Aを形成するものである。その後、図6(f)に示すように、貫通孔42Aを介して犠牲層2を選択エッチングにより除去し、単結晶シリコン薄膜4を製造する。
6 and 7 show another example of forming a through hole in a single crystal silicon thin film.
6, the sacrificial layer 2 is formed on the single crystal silicon substrate 1 as shown in FIGS. 6A and 6B, and then the sacrificial layer 2 as shown in FIG. After the single crystal silicon thin film 40A is formed thereon, as shown in FIG. 6D, a mask 8 having openings 8a in a predetermined pattern is provided, and then as shown in FIG. 6E, the single crystal silicon thin film is formed. The region corresponding to the opening 8a of 40A is anisotropically etched to form the through hole 42A. Thereafter, as shown in FIG. 6F, the sacrificial layer 2 is removed by selective etching through the through-hole 42A, and the single crystal silicon thin film 4 is manufactured.

図7の方法は、図7(a)に示すように、単結晶シリコン基板1上に犠牲層2を設けた後、犠牲層2上に単結晶シリコン薄膜40Bをエピタキシャル成長させ、その後、図7(b)に示すように、開口9aを有するマスク9を介して他元素をドーピングすることにより、単結晶シリコン薄膜40Bにドープシリコン部41Bを設ける。次いで、図7(c)に示すように、ドープシリコン部41Bを選択エッチングにより除去し、図7(d)に示すように、貫通孔42Bを形成する。その後、図7(e)に示すように、貫通孔42Bを介して犠牲層2を選択エッチングすることにより除去し、単結晶シリコン薄膜4を製造する。   7A, the sacrificial layer 2 is provided on the single crystal silicon substrate 1, and then the single crystal silicon thin film 40B is epitaxially grown on the sacrificial layer 2, as shown in FIG. As shown in b), a doped silicon portion 41B is provided in the single crystal silicon thin film 40B by doping other elements through a mask 9 having an opening 9a. Next, as shown in FIG. 7C, the doped silicon portion 41B is removed by selective etching to form a through hole 42B as shown in FIG. 7D. Thereafter, as shown in FIG. 7E, the sacrificial layer 2 is removed by selective etching through the through hole 42B, and the single crystal silicon thin film 4 is manufactured.

(実施例1)
図3及び図1の手順にて行った検討結果を説明する。(100)単結晶シリコン基板1の表面に、リンをイオン注入によりドープすることにより犠牲層2を形成した。ドープ量は1×1020原子/cm3以上とし、犠牲層2の厚さは120nmとなった。犠牲層2の上に、スパッタ法にて厚さ100nmのSiO膜を形成し、スピンコート法にてレジスト層を形成した。更にUVリソグラフィによりレジストにドット状パターン7aのレジストマスク7を形成した上で、SiO膜をエッチングすることにより、ドット状の結晶成長阻害部3を形成した。ここで、結晶成長阻害部3は、大きさが20μm角であり、ピッチ100μmで格子状に設けた。この基板の上に、RVD法にて1100℃にて1min間シリコンを蒸着することで、厚さ約10μmの単結晶シリコン薄膜40をエピタキシャル成長させた。その上で、フッ酸・硝酸・酢酸の混合溶液で、マイルドにエッチングした結果を図8に示す。図8(a)は単結晶シリコン薄膜の表面の走査型電子顕微鏡像であり、結晶成長阻害部に対応したパターンで単結晶シリコン薄膜表面のエッチングが始まっていることが分かる。図8(b)は同じサンプルの断面の走査型電子顕微鏡像であり、阻害部を底辺とした台形状に結晶欠陥を含んだ多結晶シリコンが単結晶シリコン薄膜中に形成されていることが分かる。
Example 1
The result of the study performed in the procedure of FIGS. 3 and 1 will be described. A sacrificial layer 2 was formed on the surface of the (100) single crystal silicon substrate 1 by doping phosphorus by ion implantation. The doping amount was 1 × 10 20 atoms / cm 3 or more, and the thickness of the sacrificial layer 2 was 120 nm. On the sacrificial layer 2, a 100 nm thick SiO 2 film was formed by sputtering, and a resist layer was formed by spin coating. Further, a resist mask 7 having a dot-like pattern 7a was formed on the resist by UV lithography, and the SiO 2 film was etched to form the dot-like crystal growth inhibiting portion 3. Here, the crystal growth inhibiting part 3 has a size of 20 μm square and is provided in a lattice shape with a pitch of 100 μm. A single crystal silicon thin film 40 having a thickness of about 10 μm was epitaxially grown on this substrate by depositing silicon at 1100 ° C. for 1 min by the RVD method. Then, the result of mild etching with a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid is shown in FIG. FIG. 8A is a scanning electron microscope image of the surface of the single crystal silicon thin film, and it can be seen that etching of the surface of the single crystal silicon thin film starts with a pattern corresponding to the crystal growth inhibition portion. FIG. 8B is a scanning electron microscope image of the cross section of the same sample. It can be seen that polycrystalline silicon containing a crystal defect in a trapezoidal shape with the inhibition portion as the base is formed in the single crystal silicon thin film. .

(実施例2)
ここでは、図3及び図1に示す単結晶シリコン薄膜の製造の手順においてリフトオフ方法を検討した結果について説明する。図1(a)〜図1(d)に示されている手順にしたがって実施例1と同様に単結晶シリコン基板1上に多結晶シリコン部41を含む単結晶シリコン薄膜40を設けた後、これを、フッ酸、硝酸、酢酸の混合液からなるエッチャント中に浸漬した。このエッチャントは単結晶シリコン薄膜40と多結晶シリコン部41の間にエッチングレートの差があり、多結晶シリコン部41のエッチングレートが高くなるように調整したものである。この結果、多結晶シリコン部41のみがエッチングされ、表面から犠牲層2に通じる貫通孔4aが形成された。
(Example 2)
Here, the result of examining the lift-off method in the procedure of manufacturing the single crystal silicon thin film shown in FIGS. 3 and 1 will be described. After the single crystal silicon thin film 40 including the polycrystalline silicon portion 41 is provided on the single crystal silicon substrate 1 in the same manner as in the first embodiment according to the procedure shown in FIGS. Was immersed in an etchant composed of a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid and acetic acid. This etchant is adjusted so that there is a difference in etching rate between the single crystal silicon thin film 40 and the polycrystalline silicon portion 41, and the etching rate of the polycrystalline silicon portion 41 is increased. As a result, only the polycrystalline silicon portion 41 was etched, and a through hole 4a leading from the surface to the sacrificial layer 2 was formed.

続いて、上記エッチャントは形成された貫通孔4aを通して、犠牲層2まで到達し、貫通孔4a周辺の犠牲層2の溶解が始まり、貫通孔4aに対して横方向(貫通孔の深さ方向に直交する方向)のエッチングが進行する。最終的には単結晶シリコン薄膜40の面内のそれぞれの貫通孔4aから横方向に進行する犠牲層2のエッチングがお互いに結びつきあい、エピタキシャル成長した単結晶シリコン薄膜4が鋳型となる単結晶シリコン基板1から剥離された。   Subsequently, the etchant reaches the sacrificial layer 2 through the formed through-hole 4a, the dissolution of the sacrificial layer 2 around the through-hole 4a starts, and the lateral direction (in the depth direction of the through-hole) with respect to the through-hole 4a. Etching in the orthogonal direction) proceeds. Finally, the etching of the sacrificial layer 2 proceeding laterally from the respective through holes 4a in the plane of the single crystal silicon thin film 40 is connected to each other, and the single crystal silicon thin film 4 which is epitaxially grown serves as a template. 1 was peeled off.

図9は、このようにして製造した単結晶シリコン薄膜4を単結晶シリコン基板1から剥離して、ガラス基板上に転写した単結晶シリコン薄膜4の写真である。   FIG. 9 is a photograph of the single crystal silicon thin film 4 that was peeled from the single crystal silicon substrate 1 and transferred onto the glass substrate.

本発明は、単結晶シリコン薄膜デバイス、特に、太陽電池の発電層、半導体デバイスの単結晶シリコン薄膜基板の製造等に適している。   The present invention is suitable for manufacturing a single crystal silicon thin film device, in particular, a power generation layer of a solar cell, a single crystal silicon thin film substrate of a semiconductor device, and the like.

1 単結晶シリコン基板
2 犠牲層
3 結晶成長阻害部
4 単結晶シリコン薄膜
4a 貫通孔
40、40A、40B 単結晶シリコン薄膜
41 多結晶シリコン部
42、42A、42B 貫通孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single crystal silicon substrate 2 Sacrificial layer 3 Crystal growth inhibition part 4 Single crystal silicon thin film 4a Through hole 40, 40A, 40B Single crystal silicon thin film 41 Polycrystalline silicon part 42, 42A, 42B Through hole

Claims (17)

単結晶シリコン基板の表面にシリコンに対してエッチング選択性を有し且つエピタキシャルな関係にある犠牲層を設け、
該犠牲層上に単結晶シリコン薄膜をエピタキシャル成長させ、
該単結晶シリコン薄膜に複数の貫通孔を形成すると共に当該貫通孔を介して前記犠牲層をエッチングし、単結晶シリコン薄膜を分離する
ことを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
A sacrificial layer having etching selectivity with respect to silicon and having an epitaxial relationship is provided on the surface of the single crystal silicon substrate,
Epitaxially growing a single crystal silicon thin film on the sacrificial layer;
A method for producing a single crystal silicon thin film, comprising: forming a plurality of through holes in the single crystal silicon thin film; and etching the sacrificial layer through the through holes to separate the single crystal silicon thin film.
請求項1記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記犠牲層を設けた後又は前記犠牲層を設ける前に結晶成長阻害部を形成する工程を実施して前記犠牲層上に部分的に結晶成長阻害部を設け、
該結晶成長阻害部を設けた前記犠牲層の上に前記単結晶シリコン薄膜を成長させ、該単結晶シリコン薄膜の前記結晶成長阻害部に対応する部分の結晶欠陥を含んだシリコンを選択的にエッチングして前記貫通孔とする
ことを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of Claim 1,
After the sacrificial layer is provided or before the sacrificial layer is provided, a step of forming a crystal growth inhibition portion is performed to partially provide the crystal growth inhibition portion on the sacrificial layer,
The single crystal silicon thin film is grown on the sacrificial layer provided with the crystal growth inhibiting portion, and the silicon including crystal defects in a portion corresponding to the crystal growth inhibiting portion of the single crystal silicon thin film is selectively etched. A method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the through-hole is used.
請求項2記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記結晶成長阻害部が、非晶質材料もしくはシリコン化合物で構成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of Claim 2,
The method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the crystal growth inhibition portion is made of an amorphous material or a silicon compound.
請求項2記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記結晶成長阻害部が所定のパターンで設けられていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of Claim 2,
A method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the crystal growth inhibiting portion is provided in a predetermined pattern.
請求項2〜4の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記結晶成長阻害部が、前記単結晶シリコン薄膜の厚さの1倍以上100倍以下の間隔で設けられていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of any one of Claims 2-4,
The method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the crystal growth inhibiting portions are provided at an interval of 1 to 100 times the thickness of the single crystal silicon thin film.
請求項1〜5の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記犠牲層が、他元素がドープされた高濃度ドープシリコン、結晶欠陥を含んだシリコン及びフッ化カルシウム(CaF)から選択される材料で形成されることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of any one of Claims 1-5,
The sacrificial layer is formed of a material selected from highly doped silicon doped with other elements, silicon containing crystal defects, and calcium fluoride (CaF 2 ). Method.
請求項1〜6の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記貫通孔の開口面積が、100〜10000μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of any one of Claims 1-6,
The opening area of the through hole, the method for producing a single-crystal silicon thin film, which is a 100~10000μm 2.
請求項1〜7の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記単結晶シリコン薄膜の厚さが、5〜100μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of any one of Claims 1-7,
The method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 100 μm.
請求項1〜7の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法において、
前記単結晶シリコン薄膜の厚さが、5〜50μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜の製造方法。
In the manufacturing method of the single-crystal silicon thin film of any one of Claims 1-7,
The method for producing a single crystal silicon thin film, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 50 μm.
請求項1〜9の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法を用いて単結晶シリコン薄膜デバイスを製造することを特徴とする単結晶シリコン薄膜デバイスの製造方法。   A method for producing a single crystal silicon thin film device, comprising producing a single crystal silicon thin film device using the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜9の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜の製造方法を用いて太陽電池用発電層を製造することを特徴とする太陽電池デバイスの製造方法。   A method for producing a solar cell device, comprising producing a power generation layer for a solar cell using the method for producing a single crystal silicon thin film according to any one of claims 1 to 9. 厚さが5〜100μmの単結晶シリコン薄膜であり、複数の貫通孔を具備することを特徴とする単結晶シリコン薄膜。   A single crystal silicon thin film having a thickness of 5 to 100 μm and comprising a plurality of through holes. 請求項12記載の単結晶シリコン薄膜において、厚さが5〜50μmであることを特徴とする単結晶シリコン薄膜。   13. The single crystal silicon thin film according to claim 12, wherein the single crystal silicon thin film has a thickness of 5 to 50 [mu] m. 請求項12又は13に記載の単結晶シリコン薄膜において、前記貫通孔が所定のパターンで形成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜。   The single crystal silicon thin film according to claim 12 or 13, wherein the through holes are formed in a predetermined pattern. 請求項12〜14の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜において、前記貫通孔の開口面積が、100〜10000μmであり、前記貫通孔の表面がシリコンの(111)面で構成されていることを特徴とする単結晶シリコン薄膜。 15. The single crystal silicon thin film according to claim 12, wherein an opening area of the through hole is 100 to 10,000 μm 2 , and a surface of the through hole is configured by a (111) plane of silicon. A single crystal silicon thin film characterized by comprising: 請求項12〜15の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜を用いたことを特徴とする単結晶シリコン薄膜デバイス。   A single crystal silicon thin film device using the single crystal silicon thin film according to any one of claims 12 to 15. 請求項12〜15の何れか1項に記載の単結晶シリコン薄膜を用いたことを特徴とする太陽電池デバイス。
A solar cell device using the single crystal silicon thin film according to any one of claims 12 to 15.
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