JP5196212B2

JP5196212B2 - 薄膜デバイスの製造方法

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Publication number: JP5196212B2
Application number: JP2006056641A
Authority: JP
Inventors: 光敏宮坂
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: JP2007234981A

Description

本発明は、転写技術を用いて薄膜素子や薄膜回路等の薄膜デバイスを製造する技術の改良に関する。

薄膜デバイスの製造方法として転写技術を用いる手法が知られている（例えば、特許文献１〜５参照）。かかる手法によれば、製造条件の異なる複数種類の薄膜素子や薄膜回路等をそれぞれ最適な条件で転写元基板上に形成した後に、転写先基板へ移動させることにより、所望の電子デバイスを製造することができる。

しかし、上述した転写技術を用いたプロセスでは、被転写体にクラックやひび割れが入り、被転写体が損傷してしまう場合があった。このような不都合は、製造時に転写技術が用いられていない薄膜素子に比較して、転写技術を用いて製造された薄膜素子（例えば、薄膜トランジスタ等の半導体装置）の信頼性、耐久性を低下させる要因となる。このため、かかる不都合を改善し得る技術が望まれていた。

特開平１０−１２５９２９号公報特開平１０−１２５９３０号公報特開２００１−１６６３００号公報特開２００３−３１８１９５号公報特開２００５−２６７０６号公報

そこで、本発明は、転写技術を用いて形成される薄膜素子の信頼性、耐久性を向上させることが可能な製造技術を提供することを目的とする。

本発明の薄膜デバイスの製造方法は、第１基板の一方面に拡散防止層を形成する第１工程と、上記拡散防止層上に剥離層を形成する第２工程と、上記剥離層上に、薄膜素子を含む被転写層を形成する第３工程と、接着材を介在させる等の方法により上記第１基板上の上記被転写層と第２基板とを接合する第４工程と、上記第１基板と上記被転写層とを分離し、当該被転写層を上記第２基板上へ移動させる第５工程と、上記第２基板上の上記被転写層と第３基板との間に接着剤を介在させることによって、上記被転写層と上記第３基板とを接合する第６工程と、上記第６工程後に行われる後工程と、を含み、上記被転写層は上記剥離層上に形成される下地絶縁膜を含み、当該下地絶縁膜は上記拡散防止層よりも薄く、上記拡散防止層の厚さは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、上記下地絶縁膜の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、上記第３工程の温度は４５０℃以上５００℃以下であり、上記後工程の最高温度は３００℃以下である。ここで、「薄膜素子」には、例えば薄膜トランジスタ、薄膜ダイオード、その他の薄膜半導体素子、当該半導体素子を含んで構成される薄膜回路、太陽電池やイメージセンサ等に用いられる光電変換素子、スイッチング素子、メモリ、圧電素子等のアクチュエータ、マイクロミラー（ピエゾ薄膜セラミックス）、磁気記録媒体、光磁気記録媒体、光記録媒体等の記録媒体、磁気記録ヘッド、コイル、インダクタ、薄膜高透磁材料およびそれらを組み合わせたマイクロ磁気デバイス、フィルタ、反射膜、ダイクロックミラー、偏光素子等の光学薄膜、半導体薄膜、超伝導薄膜（例えばＹＢＣＯ薄膜）、磁性薄膜、金属多層薄膜、金属セラミック多層薄膜、金属半導体多層薄膜、セラミック半導体多層薄膜、有機薄膜と他の物質の多層薄膜等が含まれる。

かかる方法では、薄膜素子の製造時の高温環境下（例えば、４５０℃〜５００℃程度）において、第１基板から発生した不純物（例えばガラス基板であればナトリウムイオン等）が拡散し、薄膜素子へ悪影響を及ぼすことが拡散防止層によって防止される。また、薄膜素子を第２基板へ転写した後には、この拡散防止層は薄膜素子とは分離されるので、薄膜素子が割れにくくなり、信頼性及び耐久性が著しく改善する。
また、前述のとおり、上述した被転写層は、剥離層上に形成される下地絶縁膜を含む。この場合の下地絶縁膜としては、例えば酸化シリコン膜が好ましい。下地絶縁膜を設けることにより、薄膜素子を保護する機能が得られる。また、この下地絶縁膜として酸化シリコン膜を用いた場合には、薄膜素子の界面での準位が少なく、完全空乏型デバイスで良好な特性が得られる。
また、前述のとおり、下地絶縁膜は、その膜厚が拡散防止層の膜厚より薄い。拡散防止層が存在するので、薄膜素子の形成時における第１基板からの不純物の拡散を抑制する役割を下地絶縁膜が果たす必要がないからである。具体的には、下地絶縁膜の膜厚は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが好ましい。下地絶縁膜が５０ｎｍ以上であれば膜がほぼつながるので、薄膜素子を保持する機能が得られる。また、下地絶縁膜が３００ｎｍ以下であれば、第２基板へ転写した後の薄膜素子に付加される下地絶縁膜が薄いので、薄膜素子の耐久性を向上させることができる。

上述した第１基板及び拡散防止層は、透光性を有することが好ましい。それにより、第５工程において第１基板と被転写層とを分離するために必要なエネルギーの供給を光照射によって行うことが可能となる。

上述した拡散防止層としては、例えば酸化シリコン膜が好ましい。それにより、不純物拡散の防止効果をより高めることができる。また、剥離層と拡散防止層との剥離性が高まる。また、第１基板としてガラス基板を用いた場合には、拡散防止層と第１基板との密着性が良好になる。

また、上述した拡散防止層は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜であることも好ましい。それにより、不純物の拡散を防止する効果をより高めることができる。

また、拡散防止層が上記のように積層膜である場合に、酸化シリコン膜が第１基板上に形成され、窒化シリコン膜が酸化シリコン膜上に形成されることがより好ましい。なお、窒化シリコン膜が第１基板上に形成され、酸化シリコン膜が窒化シリコン膜上に形成されてもよい。特に第１基板としてガラス基板を用いた場合に、第１基板側に酸化シリコンを配置することにより拡散防止層全体と第１基板との密着性が高まる。また、窒化シリコン膜を用いることにより、酸化シリコン膜のみを用いる場合によりも更に不純物の拡散を防ぐ効果を高めることができる。

また、拡散防止層が上記のように積層膜である場合には、第１酸化シリコン膜が第１基板上に形成され、窒化シリコン膜が第１酸化シリコン膜上に形成され、第２酸化シリコン膜が窒化シリコン膜上に形成されることも好ましい。上記と同様、特に第１基板としてガラス基板を用いた場合に、第１基板側に酸化シリコンを配置することにより拡散防止層全体と第１基板との密着性が高まる。また、窒化シリコン膜を用いることにより、酸化シリコン膜のみを用いる場合によりも更に不純物の拡散を防ぐ効果を高めることができる。更に、剥離層側にも酸化シリコンを配置することにより、剥離層と拡散防止層との剥離性が高まる。

また、拡散防止層は、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。拡散防止層を２００ｎｍ以上とすることにより、不純物の拡散を抑制する効果が十分に得られる。また、拡散防止層を１０００ｎｍ以下とすることにより、薄膜素子の形成時におけるクラックの発生を防止できる。

上述した剥離層は、アモルファスシリコン膜であることが好ましい。後工程において半導体素子を形成する場合には、その製造設備を用いて剥離層も形成できるので工程の大幅な変更の必要がなく、また、半導体素子に金属が拡散する等の影響もないからである。

また、下地絶縁膜は、その膜厚を拡散防止膜の膜厚より薄いものとすることもできる。拡散防止膜が存在するので、薄膜素子の形成時における第１基板からの不純物の拡散を抑制する役割を下地絶縁膜が果たす必要がないからである。具体的には、下地絶縁膜の膜厚は、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。下地絶縁膜が５０ｎｍ以上であれば膜がほぼつながるので、薄膜素子を保持する機能が得られる。また、下地絶縁膜が３００ｎｍ以下であれば、第２基板へ転写した後の薄膜素子に付加される下地絶縁膜が薄いので、薄膜素子の耐久性を向上させることができる。

上述した第５工程は、上記第１基板を介して上記剥離層にレーザを照射し、上記剥離層と上記第１基板との界面又は当該剥離層内に剥離を生じさせることにより、上記第１基板と上記被転写層とを分離することが好ましい。

レーザを用いることにより、剥離層に剥離を生じさせ得る高エネルギーを容易に与えることが可能となる。

また、上述した薄膜デバイスの製造方法を種々の電子機器の製造に適用してもよい。ここで「電子機器」とは、回路基板やその他の要素を備え、一定の機能を奏する機器一般をいい、その構成に特に限定はない。かかる電子機器としては、例えば、ＩＣカード、携帯電話、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータ、ヘッドマウントディスプレイ、デジタルカメラのファインダ、電子手帳等が含まれる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１〜図３は、一実施形態の薄膜デバイスの製造方法について説明する図である。

まず、転写元基板１０を用意する（図１（Ａ））。本工程における転写元基板１０としては、適度な厚さを有し、石英ガラスやソーダガラス等の耐熱性材料、例えば半導体装置のプロセス温度である３５０℃〜１０００℃程度に耐えうるものが用いられる。このような透光性を有する基板を転写元基板１０として用いることは、後の転写工程においても都合がよい。この点については後述する。

次に、転写元基板１０の一方面に拡散防止層１２を形成する（図１（Ｂ））。拡散防止層１２は、ガラス基板等からなる転写元基板１０に含まれる不純物が後の工程において拡散するのを防止する機能を果たす。このような拡散防止層１２は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を用いることができる。また、拡散防止層１２は、酸化シリコン膜と窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を２層以上積層したもの（積層膜）であることも好ましい。この場合の積層順は任意である。例えば、転写元基板１０上に酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を形成するとよい。反対に、転写元基板１０上に窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜の上に酸化シリコン膜を形成してもよい。また、転写元基板１０上に第１酸化シリコン膜を形成し、この第１酸化シリコン膜の上に窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜の上に第２酸化シリコン膜を形成することも好ましい。酸化シリコンや窒化シリコンのような透光性を有する膜を用いて拡散防止層１２を形成することは、後の転写工程においても都合がよい。この点については後述する。また、拡散防止層１２の厚さは、不純物拡散を十分に防止する観点からは２００ｎｍ以上であることが望ましく、後工程におけるクラック発生を防止する観点からは１０００ｎｍ以下であることが望ましい。

次に、拡散防止層１２上に剥離層１４を形成する（図１（Ｃ））。剥離層１４としては、光照射などのエネルギー付与を受けることによって剥離を生じる特性を有するものが用いられる。剥離層１４としては、アモルファスシリコン膜を用いることが好ましい。後工程において半導体素子を形成する場合には、その製造設備を用いて剥離層１４も形成できるので工程の大幅な変更の必要がなく、また、半導体素子に金属が拡散する等の影響もないからである。なお、剥離層１４として、金属膜、導電性の酸化物膜、導電性の高分子膜又は導電性のセラミックスなどを用いてもよい。

次に、剥離層１４上に下地絶縁膜１６を形成し（図１（Ｄ））、この下地絶縁膜１６上に、薄膜素子を含む薄膜素子層１８を形成する（図２（Ａ））。以後、これらの下地絶縁膜１６と薄膜素子層１８を合わせて「被転写層２８」と呼ぶ。下地絶縁膜１６は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を用いることができる。また、下地絶縁膜１６の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることが望ましい。この下地絶縁膜１６は、拡散防止層１２よりも薄くすることができる。不純物の拡散を防止する役割は拡散防止層１２によって十分に果たされるからである。図２（Ａ）では、薄膜素子の一例としてゲート電極５０、半導体膜５２、ソース／ドレイン電極５４、５６を含んで構成される薄膜トランジスタＴが示されている。薄膜トランジスタＴの製造には公知技術が適宜用いられる。なお、薄膜素子はこれに限定されない。

次に、被転写層２８と仮転写基板２２との相互間に接着材２０を介在させることによって、被転写層２８と仮転写基板２２とを接合する（図２（Ｂ））。本実施形態では、仮転写基板２２としても石英ガラスやソーダガラス等のガラス基板を用いる。接着材２０としては、後工程における除去の容易さを考慮すると水溶性の接着材を用いることが特に好ましいが、これに限定されない。

次に、転写元基板１０を介して剥離層１４にレーザを照射することにより、剥離層１４と転写元基板１０との界面又は剥離層１４の層内に剥離を生じさせ、転写元基板１０と被転写層２８とを分離する（図２（Ｃ））。上述したように、転写元基板１０及び拡散防止層１２が透光性を有するため、本工程においては、剥離層１４に対するエネルギーの付与をレーザ光の照射によって行うことが可能となる。具体的には、転写元基板１０を介して剥離層１４にレーザを照射することにより、剥離層１４にレーザアブレーションを生じさせる。アブレーションとは、照射される光を吸収した固体材料が光化学的または熱的に励起され、その表面や内部の原子または分子の結合が切断されて放出される状態をいい、本例では、剥離層１４の構成材料の全部または一部が溶融、蒸散（気化）等の相変化を生じる現象として現れる。また、相変化によって微小な発泡状態となり、結合力が低下することもある。なお、剥離層１４に対するエネルギーの付与はレーザ照射以外の方法によって行われてもよい。

次に、転写元基板１０を取り外し、被転写層２８を仮転写基板２２上に移動させる（図３（Ａ））。これにより、被転写層２８が転写元基板１０から仮転写基板２２へ転写される。例えば、仮転写基板２２を真空吸着等の方法によって固定し、転写元基板１０に対して外力を加えることによって転写元基板１０が取り外される。

次に、仮転写基板２２上の被転写層２８と転写先基板２６との相互間に接着材２４を介在させることによって、被転写層２８と転写先基板２６を接合する（図３（Ｂ））。本工程において用いられる接着材２４としては、アクリレート樹脂系やエポキシ樹脂系の接着材などが挙げられる。

次に、水溶性の接着材２０に対して溶解用液体としての水を供給することにより、接着材２０を溶解、除去する。これにより、被転写層２８が仮転写基板２２から転写先基板２６へ転写される（図３（Ｃ））

次に、上述した製造方法によって製造される薄膜デバイスを備える電子機器の例について説明する。本実施形態にかかる薄膜デバイスは、各種の電子機器において、表示部を構成する液晶パネルやＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルなどの製造や、回路部の製造などに適用することができる。

図４は、電子機器を例示する斜視図である。図４（Ａ）は、電子機器の一例である電子ブックを示す斜視図である。この電子ブック１０００は、ブック形状のフレーム１００１と、このフレーム１００１に対して回動自在に設けられた（開閉可能な）カバー１００２と、操作部１００３と、表示部１００４と、を備えている。図４（Ｂ）は、電子機器の一例である腕時計を示す斜視図である。この腕時計１１００は、表示部１１０１を備えている。図４（Ｃ）は、電子機器の一例である電子ペーパーを示す斜視図である。この電子ペーパー１２００は、紙と同様の質感および柔軟性を有するリライタブルシートで構成される本体部１２０１と、表示部１２０２と、を備えている。

以上のように本実施形態によれば、薄膜素子の製造時の高温（例えば、４５０℃〜５００℃程度）環境下において、第１基板（転写元基板）から発生した不純物（例えばガラス基板であればナトリウムイオン等）が拡散し、薄膜素子へ悪影響を及ぼすことが拡散防止層によって回避される。また、薄膜素子を第２基板（仮転写基板又は転写先基板）へ転写した後には、この拡散防止層は薄膜素子とは分離されるので、薄膜素子が割れにくくなり、信頼性及び耐久性が著しく改善する。また、拡散防止層は製造工程中に用いられるが、薄膜素子を第２基板へ転写した後には当該薄膜素子とは分離されるので、薄膜素子への影響を考慮することなく拡散防止層を十分に厚くすることが可能となる。

また、転写先基板（例えば、プラスチック基板）へ薄膜素子が転写された後には、この転写先基板の耐熱温度によって後工程の最高温度が決まり、通常は１５０℃程度、最高でも３００℃以下と低いので、拡散防止層が存在しなくても、下地絶縁膜によって不純物の拡散を防ぐことができる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されることなく、本発明の要旨の範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、いわゆる２回転写プロセスにおいて本発明を適用した場合を例示していたが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、１回の転写プロセスによって被転写体の転写を完了させる場合においても適用可能である。

一実施形態の薄膜デバイスの製造方法について説明する図である。一実施形態の薄膜デバイスの製造方法について説明する図である。一実施形態の薄膜デバイスの製造方法について説明する図である。電子機器の例を示す概略斜視図である。

符号の説明

１０…転写元基板、１２…拡散防止層、１４…剥離層、１６…下地絶縁膜、１８…薄膜素子層、２０…接着材、２２…仮転写基板、２４…接着材、２６…転写先基板、２８…被転写層

Claims

第１基板の一方面に拡散防止層を形成する第１工程と、
前記拡散防止層上に剥離層を形成する第２工程と、
前記剥離層上に、薄膜素子を含む被転写層を形成する第３工程と、
前記被転写層と第２基板とを接合する第４工程と、
前記第１基板と前記被転写層とを分離し、当該被転写層を前記第２基板上へ移動させる第５工程と、
前記第２基板上の前記被転写層と第３基板との間に接着剤を介在させることによって、前記被転写層と前記第３基板とを接合する第６工程と、
前記第６工程後に行われる後工程と、
を含み、
前記被転写層は前記剥離層上に形成される下地絶縁膜を含み、該下地絶縁膜は前記拡散防止層よりも薄く、
前記拡散防止層の厚さは、２００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であり、
前記下地絶縁膜の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、
前記第３工程の温度は４５０℃以上５００℃以下であり、前記後工程の最高温度は３００℃以下である、
薄膜デバイスの製造方法。
前記第１基板及び前記拡散防止層は、透光性を有する、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記拡散防止層は、酸化シリコン膜を含む、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記拡散防止層は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜を含む、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記酸化シリコン膜は、前記第１基板上に形成され、
前記窒化シリコン膜は、前記酸化シリコン膜上に形成される、請求項４に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記酸化シリコン膜は、第１酸化シリコン膜と第２酸化シリコン膜を含み、
前記第１酸化シリコン膜は、前記第１基板上に形成され、
前記窒化シリコン膜は、前記第１酸化シリコン膜上に形成され、
前記第２酸化シリコン膜は、前記窒化シリコン膜上に形成される、請求項４に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記剥離層は、アモルファスシリコン膜を含む、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記下地絶縁膜は、酸化シリコン膜を含む、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。
前記第５工程は、前記第１基板を介して前記剥離層にレーザを照射し、前記剥離層と前記第１基板との界面又は当該剥離層内に剥離を生じさせることにより、前記第１基板と前記被転写層とを分離する、請求項１に記載の薄膜デバイスの製造方法。