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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024082981
(43)【公開日】2024-06-20
(54)【発明の名称】ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/27 20060101AFI20240613BHJP
C23C 16/511 20060101ALI20240613BHJP
C30B 29/04 20060101ALI20240613BHJP
C01B 32/25 20170101ALI20240613BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240613BHJP
【ＦＩ】
C23C16/27
C23C16/511
C30B29/04 E
C30B29/04 G
C01B32/25
H01L21/205
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022197231
(22)【出願日】2022-12-09
(71)【出願人】
【識別番号】000190149
【氏名又は名称】信越半導体株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102532
【弁理士】
【氏名又は名称】好宮 幹夫
(74)【代理人】
【識別番号】100194881
【弁理士】
【氏名又は名称】小林 俊弘
(74)【代理人】
【識別番号】100215142
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 徹
(72)【発明者】
【氏名】大槻 剛
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 温
(72)【発明者】
【氏名】松原 寿樹
(72)【発明者】
【氏名】阿部 達夫
【テーマコード（参考）】
4G077
4G146
4K030
5F045
【Ｆターム（参考）】
4G077AA03
4G077BA03
4G077DB19
4G077DB21
4G077EA02
4G077EE10
4G077EF01
4G077FK08
4G077HA06
4G077TA08
4G077TE03
4G146AA04
4G146AB07
4G146AC16B
4G146AD20
4G146AD28
4G146BA12
4G146BC09
4G146DA16
4K030AA10
4K030AA17
4K030BA28
4K030BB03
4K030CA04
4K030CA12
4K030DA02
4K030FA01
4K030FA17
4K030GA02
4K030JA01
4K030JA05
4K030JA09
4K030JA10
4K030JA11
4K030JA16
4K030JA18
4K030KA23
4K030KA30
5F045AA09
5F045AB07
5F045AC07
5F045AD12
5F045AE23
5F045AF03
5F045BB16
5F045DP03
5F045DQ10
5F045EH03
5F045EH20
5F045EK07
(57)【要約】
【課題】
高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンドの成長方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
【選択図】図４
高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンドの成長方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
【請求項2】
前記成長工程において、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド成長方法。
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド成長方法。
【請求項3】
前記成長工程後に、
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド成長方法。
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド成長方法。
【請求項4】
前記基板としてシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載のダイヤモンド成長方法。
【請求項5】
基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
【請求項6】
前記加熱制御機構は、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド成長装置。
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする請求項５に記載のダイヤモンド成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンドは高硬度や良好な熱伝導性、高いキャリア移動度、ワイドバンドギャップであることなどの優れた物性値から、各種半導体素子・電子デバイスへの応用が期待されている。この半導体素子・電子デバイス用途としては、人工的に合成されたダイヤモンドが使われている。ダイヤモンド合成には、超高圧を用いて成長させる方法と、気相成長の２つがあり、半導体への応用では、気相成長（ＣＶＤ成長）が、大口径を得られることから、注目されている（特許文献１～３）。
【0003】
ＣＶＤ成長は、反応管の内部に基板を搭載し、常圧ないしは減圧下で原料ガス及びキャリアガスを流して、熱分解やプラズマによって原料ガスを分解・活性化して、基板上に成長する方法である。
ＣＶＤでダイヤモンドを成長させる場合、マイクロ波プラズマや、ＤＣプラズマ、タングステンのようなフィラメントを用いるホットフィラメント法が採用されるが、単結晶成長においてはマイクロ波プラズマ方式が注目されている。このマイクロ波プラズマを利用したダイヤモンドの成長はマイクロ波にて反応化学種を活性化し、合成をおこなう手法であるが、マイクロ波は波長が短く、また、反応容器内で共振させる必要があることから、様々な工夫が行われている。また、大口径には９１５ＭＨｚが好適である（特許文献４）が、民生での通信信号帯がこの波長であり、また電波の到達距離が長いことから９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマＣＶＤの工業的な応用にはハードルがあり、主に２．４５ＧＨｚ帯が使用されている。
ＣＶＤでダイヤモンドを成長させる場合、マイクロ波プラズマや、ＤＣプラズマ、タングステンのようなフィラメントを用いるホットフィラメント法が採用されるが、単結晶成長においてはマイクロ波プラズマ方式が注目されている。このマイクロ波プラズマを利用したダイヤモンドの成長はマイクロ波にて反応化学種を活性化し、合成をおこなう手法であるが、マイクロ波は波長が短く、また、反応容器内で共振させる必要があることから、様々な工夫が行われている。また、大口径には９１５ＭＨｚが好適である（特許文献４）が、民生での通信信号帯がこの波長であり、また電波の到達距離が長いことから９１５ＭＨｚのマイクロ波プラズマＣＶＤの工業的な応用にはハードルがあり、主に２．４５ＧＨｚ帯が使用されている。
【0004】
これらを背景にして、例えば特許文献５には、ミラーを用いてマイクロ波を共振させる方法（ただし得られるダイヤモンドは多結晶）や、マイクロ波導入管の組み合わせによるモードの改善が開示されている。また、特許文献６には、アプリケータ（共振器）の形状を矩形から円筒形にすることで、比較的大面積に成膜できることが記載されている。また、マイクロ波を低次モード（低次モードとは、ＴＭｎｍモード、ＴＥｎｍモード等において、ｎ又はｍが０か１の場合）にすることで 面内に均一な成膜が可能であるとされている。また、高次モードの例としては、ＴＭ２０に言及されており、比較的大きな基板を加工できると記載されているが、このような高次モードでは局所的にマイクロ波が強くなりプラズマが強い箇所ができてしまい、基板の温度ムラが生じることで品質が劣化することが指摘されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００１－３５４４９１号公報
【特許文献2】特開２００４－１７６１３２号公報
【特許文献3】特開２００６－１４３５６１号公報
【特許文献4】特開２０１６－１１３３０３号公報
【特許文献5】特表２００６－５０１１２２号公報
【特許文献6】特開平０７－１４２１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
このように、ダイヤモンド基板は放熱特性などの点から注目されており、単結晶基板に対応した成長方法はマイクロ波プラズマ成長であるが、大口径化が可能とされる高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤでは基板の温度ムラで品質が劣化する問題がある。そのため、大口径化が難しい低次モードのプラズマを使用するしかなく、プラズマを照射できる面積の制約から直径３００ｍｍのような大口径化が不可能であった。
【0007】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンドの成長方法及びダイヤモンドの成長装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は上記課題を解決するための半導体基板上への人工的なダイヤモンド成長に関しての技術であり、より詳しくは、シリコン基板上へＣＶＤ（化学気相成長法）による単結晶ダイヤモンドを成長させる際の、ダイヤモンド成長方法とダイヤモンド成長装置に関するものである。
すなわち、本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法を提供する。
この構成では、課題であるマイクロ波プラズマＣＶＤによる大口径基板へのダイヤモンド成長に対応できる成長方法として、基板上にダイヤモンドを成長させる際に、マイクロ波プラズマとして、積極的に高次モードを採用することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能とし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和（１か所のプラズマ密度を低下）させる、また基板を加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能とする。
さらに、この構成では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向（バーティカル）にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向（ラテラル）の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができる。
よって、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能である。
すなわち、本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法を提供する。
この構成では、課題であるマイクロ波プラズマＣＶＤによる大口径基板へのダイヤモンド成長に対応できる成長方法として、基板上にダイヤモンドを成長させる際に、マイクロ波プラズマとして、積極的に高次モードを採用することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能とし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和（１か所のプラズマ密度を低下）させる、また基板を加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能とする。
さらに、この構成では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向（バーティカル）にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向（ラテラル）の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができる。
よって、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能である。
【0009】
前記成長工程において、前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御してもよい。
このように基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
このように基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
【0010】
前記成長工程後に、前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行ってもよい。
これによりマイクロ波プラズマＣＶＤで基板上に成長させたダイヤモンド上に、大口径成長が可能なホットフィラメントＣＶＤ装置を使用して、さらにダイヤモンドの成長を行うことで、さらに厚いダイヤモンドを大口径基板に成長させることが可能になる。
これによりマイクロ波プラズマＣＶＤで基板上に成長させたダイヤモンド上に、大口径成長が可能なホットフィラメントＣＶＤ装置を使用して、さらにダイヤモンドの成長を行うことで、さらに厚いダイヤモンドを大口径基板に成長させることが可能になる。
【0011】
なお、前記基板としてシリコン単結晶基板を用いてもよい。
この構成では、基板としてシリコン単結晶を用いるので、安価な基板上にダイヤモンドを成長させられる。
この構成では、基板としてシリコン単結晶を用いるので、安価な基板上にダイヤモンドを成長させられる。
【0012】
また本発明は、基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置を提供する。
この装置ではマイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる際に、モード設定機構でマイクロ波を高次モードに設定することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能なものとし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和（１か所のプラズマ密度を低下）させる。また、加熱制御機構でステージを加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能なものとなる。
さらに、この装置では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向（バーティカル）にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向（ラテラル）の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができるものとなる。
よって、本発明は高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなる。
この装置ではマイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる際に、モード設定機構でマイクロ波を高次モードに設定することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能なものとし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和（１か所のプラズマ密度を低下）させる。また、加熱制御機構でステージを加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能なものとなる。
さらに、この装置では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向（バーティカル）にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向（ラテラル）の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができるものとなる。
よって、本発明は高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなる。
【0013】
前記加熱制御機構は、前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であってもよい。
このように、加熱制御機構が基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
このように、加熱制御機構が基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
【発明の効果】
【0014】
以上のように、本発明のダイヤモンドの成長方法によれば、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能となる。また、本発明のダイヤモンドの成長装置によれば、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなる。
より具体的には、本発明の構成により、大口径の単結晶ダイヤモンドの成長が可能になる。
より具体的には、本発明の構成により、大口径の単結晶ダイヤモンドの成長が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明のダイヤモンド成長方法で基板上にダイヤモンドを成長させることで製造されたダイヤモンド基板の概念図を示す。
【図2】本発明のダイヤモンド成長装置の概念図を示す。
【図3】本発明のダイヤモンド成長装置及び成長方法を用いてダイヤモンドを成長させる際の、マイクロ波のモードと、マイクロ波の長さの関係を示す。
【図4】本発明のダイヤモンド成長方法のフロー図を示す。
【図5】ホットフィラメントＣＶＤ装置の概念図を示す。
【図6】シリコン基板上に本発明のダイヤモンド成長方法を用いてマイクロ波プラズマＣＶＤによって成長させたダイヤモンド膜を示す図であって、（ａ）はラマンスペクトルを示し、（ｂ）はダイヤモンド膜の表面を光学顕微鏡で観察して得た画像を示す。
【図7】シリコン基板上に本発明のダイヤモンド成長方法を用いてマイクロ波プラズマＣＶＤによってダイヤモンドを成長させ、さらに追加でホットフィラメントＣＶＤでダイヤモンドを成長させた場合のダイヤモンド膜を示す図であって、（ａ）はラマンスペクトルを示し、（ｂ）はダイヤモンド膜の表面を光学顕微鏡で観察して得た画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【0016】
上述のように、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンド成長方法およびダイヤモンド成長装置が求められていた。
【0017】
本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法により、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であることを見出し、本発明を完成した。
また、本発明者らは上記課題について鋭意検討を重ねた結果、基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置により、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなることを見出し、本発明を完成した。
また、本発明者らは上記課題について鋭意検討を重ねた結果、基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置により、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなることを見出し、本発明を完成した。
【0018】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、図１を参照して本発明のダイヤモンド成長方法で製造されるダイヤモンド基板１００の構成について説明する。
図１に示すようにダイヤモンド基板１００は基板２とダイヤモンド膜１３を備える。
基板２はダイヤモンド膜１３を成長させる際の土台となる部材である。具体的な基板２の材料としてはダイヤモンド膜１３を表面に成長させることができ、成長時の温度や雰囲気で意図しない変質が生じない材料であればよいが、例えばシリコン単結晶が挙げられる。
基板２の形状は一般にはウェハーと呼ばれる円板状であり、直径（口径ともいう）は成長させたいダイヤモンド膜１３の直径以上である。基板２の厚さはダイヤモンド膜１３の成長中に反りや割れが生じない程度の厚さである。
ダイヤモンド膜１３は基板２上に形成されたダイヤモンドの膜である。具体的な膜の構造としては多結晶ダイヤモンドでもよいが、単結晶ダイヤモンドであると、半導体デバイスを形成するのに好適である。ダイヤモンド膜１３の寸法は、直径が基板２の直径以下である。ダイヤモンド膜１３の厚さの下限はデバイスを形成する際のエッチングや研磨で消失しない厚さであり、厚さの上限はデバイスを形成した際に例えばデバイスを形成する際に利用されない無駄な部分が出てこない厚さであることが好ましい。
まず、図１を参照して本発明のダイヤモンド成長方法で製造されるダイヤモンド基板１００の構成について説明する。
図１に示すようにダイヤモンド基板１００は基板２とダイヤモンド膜１３を備える。
基板２はダイヤモンド膜１３を成長させる際の土台となる部材である。具体的な基板２の材料としてはダイヤモンド膜１３を表面に成長させることができ、成長時の温度や雰囲気で意図しない変質が生じない材料であればよいが、例えばシリコン単結晶が挙げられる。
基板２の形状は一般にはウェハーと呼ばれる円板状であり、直径（口径ともいう）は成長させたいダイヤモンド膜１３の直径以上である。基板２の厚さはダイヤモンド膜１３の成長中に反りや割れが生じない程度の厚さである。
ダイヤモンド膜１３は基板２上に形成されたダイヤモンドの膜である。具体的な膜の構造としては多結晶ダイヤモンドでもよいが、単結晶ダイヤモンドであると、半導体デバイスを形成するのに好適である。ダイヤモンド膜１３の寸法は、直径が基板２の直径以下である。ダイヤモンド膜１３の厚さの下限はデバイスを形成する際のエッチングや研磨で消失しない厚さであり、厚さの上限はデバイスを形成した際に例えばデバイスを形成する際に利用されない無駄な部分が出てこない厚さであることが好ましい。
【0019】
次に、図２を参照して本発明のダイヤモンド成長装置１１の概略構成を説明する。
図２に示すダイヤモンド成長装置１１は、マイクロ波により反応容器１内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスを分解・活性化させてＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置である。
図２に示すダイヤモンド成長装置１１は、マイクロ波により反応容器１内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスを分解・活性化させてＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置である。
【0020】
具体的には図２に示すようにダイヤモンド成長装置１１は反応容器１、原料ガス導入管６、マイクロ波導入管４、マイクロ波発生装置５、及び基板加熱ステージ３を備える。
反応容器１はダイヤモンドの成長が行われる容器であり、基板２が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される。反応容器１は基板２を収納できる寸法・形状で、ダイヤモンド成長の際の温度や圧力に耐えられるものであれば、具体的な構造や材料は適宜選択できる。
原料ガス導入管６はダイヤモンドの原料となる元素を含む化合物である原料ガスや、容器の中で原料ガスを均一に拡散させるために原料ガスに混合されるキャリアガスを反応容器１に導入するガス管であり、一端が反応容器１に接続され、他端が原料ガスやキャリアガスが封入された図示しないガスボンベ等に接続される。
反応容器１はダイヤモンドの成長が行われる容器であり、基板２が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される。反応容器１は基板２を収納できる寸法・形状で、ダイヤモンド成長の際の温度や圧力に耐えられるものであれば、具体的な構造や材料は適宜選択できる。
原料ガス導入管６はダイヤモンドの原料となる元素を含む化合物である原料ガスや、容器の中で原料ガスを均一に拡散させるために原料ガスに混合されるキャリアガスを反応容器１に導入するガス管であり、一端が反応容器１に接続され、他端が原料ガスやキャリアガスが封入された図示しないガスボンベ等に接続される。
【0021】
マイクロ波導入管４はマイクロ波を反応容器１に導入する導波管であり、反応容器１に接続される。マイクロ波導入管４の具体的な寸法・形状は所望のモードのマイクロ波を反応容器１に導入できる構造であれば適宜選択できる。
マイクロ波発生装置５はマイクロ波を発生させる装置であり、マグネトロンを例示できる。
なお、マイクロ波導入管４とマイクロ波発生装置５は、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構としての機能を備える。マイクロ波のモードは例えばマイクロ波導入管４の寸法・形状で調整できる。
マイクロ波発生装置５はマイクロ波を発生させる装置であり、マグネトロンを例示できる。
なお、マイクロ波導入管４とマイクロ波発生装置５は、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構としての機能を備える。マイクロ波のモードは例えばマイクロ波導入管４の寸法・形状で調整できる。
【0022】
ここで本発明で高次モードのマイクロ波を用いる理由について説明する。
マイクロ波のモードとは、反応容器１内で共振しているマイクロ波の長さを示すものである。例えば図３で「ＴＭ１０モード」と記載されているマイクロ波は長さが１／２波長である。このように１／２波長でマイクロ波が共振している状態を「低次モード」と称す。低次モードではマイクロ波の周波数がＣＶＤに一般的な２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波の長さＬ１は１２ｃｍ程度になり、ダイヤモンドを成膜できる範囲がおよそ１／２波長分の長さに該当する。ただし、図３の波形でプラズマを生成させた場合、プラズマ強度が波の腹の部分と節の部分で大きな分布差が生じるため、実際にダイヤモンドの成長に使えるのは波の一部で、最大でも１／２程度（６ｃｍ）、実際は１／４くらいになる。そのため、低次モードで成長させられるダイヤモンドの口径は最大でも２インチ（５．０５ｃｍ）程度になる。
マイクロ波のモードとは、反応容器１内で共振しているマイクロ波の長さを示すものである。例えば図３で「ＴＭ１０モード」と記載されているマイクロ波は長さが１／２波長である。このように１／２波長でマイクロ波が共振している状態を「低次モード」と称す。低次モードではマイクロ波の周波数がＣＶＤに一般的な２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波の長さＬ１は１２ｃｍ程度になり、ダイヤモンドを成膜できる範囲がおよそ１／２波長分の長さに該当する。ただし、図３の波形でプラズマを生成させた場合、プラズマ強度が波の腹の部分と節の部分で大きな分布差が生じるため、実際にダイヤモンドの成長に使えるのは波の一部で、最大でも１／２程度（６ｃｍ）、実際は１／４くらいになる。そのため、低次モードで成長させられるダイヤモンドの口径は最大でも２インチ（５．０５ｃｍ）程度になる。
【0023】
一方で、図３で「ＴＭ２０モード」と記載されているマイクロ波は長さが１波長であり、「ＴＭ４０モード」と記載されているマイクロ波は長さが２波長である。このように長さが１波長以上でマイクロ波が共振している状態を「高次モード」と称す。高次モードでは低次モードよりもマイクロ波の長さが長くなるため、生成されるプラズマの面積が大きくなり、成長させられるダイヤモンドの口径が大きくなる。例えば「ＴＭ２０モード」ではマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波の長さＬ２は２４ｃｍ程度になり、実際にダイヤモンドの成長に使える部分の長さは１２ｃｍ程度であるため、成長させられるダイヤモンドの口径は最大で４インチ（１０．２ｃｍ）になる。また「ＴＭ４０モード」ではマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波の長さＬ３は４８ｃｍ程度になり、実際にダイヤモンドの成長に使える部分の長さは２４ｃｍ程度であるため、成長させられるダイヤモンドの口径は最大で８インチ（２０．３ｃｍ）になる。
【0024】
このように高次モードのマイクロ波を用いることで、大口径のダイヤモンドを成長させられる。これが本発明で高次モードのマイクロ波を用いる理由である。
なお、高次モードのマイクロ波を用いる場合、低次モードの場合よりもダイヤモンドの成長レートは小さくなるが、マイクロ波のピークのエネルギーが相対的に小さくなるため、プラズマの分布は低次モードに比べて均一になる。
また、プラズマ密度の高い箇所では縦方向（バーティカル）にダイヤモンドが成長し、プラズマ密度の低い位置では横方向（ラテラル）の成長が進行するため、ダイヤモンド内での欠陥の減少に寄与することができるものとなる。
なお、マイクロ波には電界が入射面に垂直な成分のみを持つ平面波であるＴＥ波（直交偏波）と、磁界が入射面に垂直な成分のみを持つＴＭ波（平行偏波）がある。図３ではＴＭ波を例示しているが、ＴＥ波を用いても同様に成長させられるダイヤモンドの口径を大きくできる効果が得られる。
なお、高次モードのマイクロ波を用いる場合、低次モードの場合よりもダイヤモンドの成長レートは小さくなるが、マイクロ波のピークのエネルギーが相対的に小さくなるため、プラズマの分布は低次モードに比べて均一になる。
また、プラズマ密度の高い箇所では縦方向（バーティカル）にダイヤモンドが成長し、プラズマ密度の低い位置では横方向（ラテラル）の成長が進行するため、ダイヤモンド内での欠陥の減少に寄与することができるものとなる。
なお、マイクロ波には電界が入射面に垂直な成分のみを持つ平面波であるＴＥ波（直交偏波）と、磁界が入射面に垂直な成分のみを持つＴＭ波（平行偏波）がある。図３ではＴＭ波を例示しているが、ＴＥ波を用いても同様に成長させられるダイヤモンドの口径を大きくできる効果が得られる。
【0025】
基板加熱ステージ３は反応容器１内で基板２を保持する台座であるとともに、高次モードでダイヤモンドを成長中に基板２を加熱することで基板２の温度を制御する加熱制御機構であり、反応容器１内に設けられる。
具体的には、基板加熱ステージ３は上面に設けられた図示しないチャック機構で基板２を保持する。基板加熱ステージ３の寸法・形状は基板２を保持できる寸法・形状であればよく、基板２がウェハーの場合は基板加熱ステージ３も円板状で、直径が基板２よりも大きい。
また基板加熱ステージ３の内部には発熱体であるヒータ７が内蔵されており、高次モードでダイヤモンドを成長中は、ヒータ７が発熱することで基板加熱ステージ３を介して熱を基板２に伝達して加熱する。
具体的には、基板加熱ステージ３は上面に設けられた図示しないチャック機構で基板２を保持する。基板加熱ステージ３の寸法・形状は基板２を保持できる寸法・形状であればよく、基板２がウェハーの場合は基板加熱ステージ３も円板状で、直径が基板２よりも大きい。
また基板加熱ステージ３の内部には発熱体であるヒータ７が内蔵されており、高次モードでダイヤモンドを成長中は、ヒータ７が発熱することで基板加熱ステージ３を介して熱を基板２に伝達して加熱する。
【0026】
このように、高次モードでダイヤモンドを成長中に加熱制御機構で基板２を加熱して基板２の面内の温度ムラを吸収することで、ダイヤモンドを成長中に基板２を加熱しない場合と比べて基板２上にダイヤモンドを均一に成長させることができ、高品質なダイヤモンドを成長可能なものとなる。
【0027】
加熱制御機構としての基板加熱ステージ３は、基板２内の位置に応じて個別に該位置における基板２の温度を制御可能な機構であるのが好ましい。
このような機構としては、平面視で基板加熱ステージ３の基板載置面の中心に対して同心円状に複数のヒータ７を基板加熱ステージ３に内蔵させ、複数のヒータ７の温度設定を個別に調整することで、基板加熱ステージ３の径方向位置に応じて個別に温度を調整する機構が挙げられる。
基板加熱ステージ３が、基板２内の位置に応じて個別に温度を制御可能であると、基板２内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板２内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板２内の温度を均一にできる。よって基板２の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
このような機構としては、平面視で基板加熱ステージ３の基板載置面の中心に対して同心円状に複数のヒータ７を基板加熱ステージ３に内蔵させ、複数のヒータ７の温度設定を個別に調整することで、基板加熱ステージ３の径方向位置に応じて個別に温度を調整する機構が挙げられる。
基板加熱ステージ３が、基板２内の位置に応じて個別に温度を制御可能であると、基板２内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板２内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板２内の温度を均一にできる。よって基板２の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
【0028】
なお、ヒータ７は基板加熱ステージ３を介して基板２を所望の温度に加熱できる構造であれば抵抗発熱体、高周波加熱、ランプ等の公知の加熱装置を用いればよい。
また、基板２の温度分布は例えば基板２を支持するチャックに搭載した熱電対で測定すればよい。熱電対の搭載位置は、基板２を搭載した状態で、少なくとも平面視で基板２の中心部と、基板２の外周部１４０ｍｍの２か所以上であるのが好ましい。
以上が本発明のダイヤモンド成長装置１１の構成の説明である。
また、基板２の温度分布は例えば基板２を支持するチャックに搭載した熱電対で測定すればよい。熱電対の搭載位置は、基板２を搭載した状態で、少なくとも平面視で基板２の中心部と、基板２の外周部１４０ｍｍの２か所以上であるのが好ましい。
以上が本発明のダイヤモンド成長装置１１の構成の説明である。
【0029】
【0030】
具体的には、まず図２に示すダイヤモンド成長装置１１の反応容器１の図示しない扉を開けて基板２を反応容器１内に入れ、基板加熱ステージ３に搭載して扉を閉める。この際、基板２としてはダイヤモンド基板等を用いてもよいが、シリコン単結晶基板を用いると、安価な基板上にダイヤモンドを成長させられる。また、基板としてシリコン単結晶基板を用いる場合、予め基板２の表面を粗化してダメージを導入することで成長の核とするスクラッチ処理と呼ばれる処理等を行う。次に反応容器１内を排気して反応容器１内を減圧してから、原料ガス導入管６を介して原料ガスとキャリアガスを反応容器１内に導入する。ダイヤモンドを成長させる場合、原料ガスは例えばメタンガスであり、キャリアガスは例えば水素ガスである。
次にマイクロ波発生装置５を作動させてマイクロ波を生成し、マイクロ波導入管４を介してマイクロ波を反応容器１に照射する。
照射されたマイクロ波は反応容器１内で共振し、基板２の上部を覆うようにマイクロ波プラズマが形成される。形成されたマイクロ波プラズマは原料ガス、例えばメタンを分解・活性化させ、ＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させる。
次にマイクロ波発生装置５を作動させてマイクロ波を生成し、マイクロ波導入管４を介してマイクロ波を反応容器１に照射する。
照射されたマイクロ波は反応容器１内で共振し、基板２の上部を覆うようにマイクロ波プラズマが形成される。形成されたマイクロ波プラズマは原料ガス、例えばメタンを分解・活性化させ、ＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させる。
【0031】
この際、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に基板加熱ステージ３のヒータ７を作動させて基板２を加熱することで、基板２の温度を制御する。
具体的なマイクロ波のモードは、マイクロ波の長さが、成長させるダイヤモンドの口径以上になるように選択する。またヒータ７の加熱温度は温度ムラを吸収して基板２の温度分布を均一にできる温度で、かつダイヤモンドの成長を阻害しない温度であればよいが、例えば８００℃～１０００℃程度である。
また、基板２内の温度分布はなるべく均一であるのが好ましく、例えば面内温度差が±１０％以下であるのが好ましい。
具体的なマイクロ波のモードは、マイクロ波の長さが、成長させるダイヤモンドの口径以上になるように選択する。またヒータ７の加熱温度は温度ムラを吸収して基板２の温度分布を均一にできる温度で、かつダイヤモンドの成長を阻害しない温度であればよいが、例えば８００℃～１０００℃程度である。
また、基板２内の温度分布はなるべく均一であるのが好ましく、例えば面内温度差が±１０％以下であるのが好ましい。
【0032】
なお、成長時間は長ければ長いほどダイヤモンドを厚くできるが、ある程度の成長時間以上になるとダイヤモンドを均一に成長させるのが難しくなるため、ダイヤモンドを均一に成長させられる範囲で成長時間を設定する。
【0033】
Ｓ１でマイクロ波プラズマにて成長させたダイヤモンド膜１３は厚さが十分であればこのまま後工程でデバイスの形成等に用いても良いが、さらにダイヤモンド膜１３を厚く成長させるためには、マイクロ波プラズマだけで成長させるのではなく、Ｓ１でマイクロ波プラズマ成長させた基板２を、図５に示すようなホットフィラメント方式によるダイヤモンド成長装置（以下、ホットフィラメントＣＶＤ装置１７と称す）を用いてさらにダイヤモンドを追加で成長させることも可能である。
【0034】
具体的にはホットフィラメントＣＶＤ装置１７は基板２が収納されダイヤモンドの成長が行われる反応容器２１、原料ガスおよびキャリアガスが導入される原料ガス導入管２３、及び抵抗発熱体であるフィラメント２５を備える。
ホットフィラメントＣＶＤ装置１７を用いる場合、原料ガスとしてメタンを、キャリアガスとして水素を原料ガス導入管２３から反応容器２１内に導入し、基板２の上方に設置したタングステンの等のフィラメント２５に通電して原料ガスを通電加熱して分解し基板２上にダイヤモンドを成長させることで、大口径の基板２の全体にダイヤモンドを成長させる（図４のＳ２、追加成長工程）。
ホットフィラメントＣＶＤ装置１７を用いる場合、原料ガスとしてメタンを、キャリアガスとして水素を原料ガス導入管２３から反応容器２１内に導入し、基板２の上方に設置したタングステンの等のフィラメント２５に通電して原料ガスを通電加熱して分解し基板２上にダイヤモンドを成長させることで、大口径の基板２の全体にダイヤモンドを成長させる（図４のＳ２、追加成長工程）。
【0035】
この態様ではマイクロ波プラズマＣＶＤで基板上に成長させたダイヤモンド上に、大口径成長が可能なホットフィラメントＣＶＤ装置１７を使用して、さらにダイヤモンドの成長を行うことで、さらに厚いダイヤモンドを大口径の基板２に成長させることが可能になる。
以上が本発明のダイヤモンド成長方法の説明である。
以上が本発明のダイヤモンド成長方法の説明である。
【実施例0036】
以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
マイクロ波プラズマＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させる際に、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に基板２を加熱することで、基板２の温度を制御しながらダイヤモンドを成長させ、成長後のダイヤモンドの物性および外観を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
マイクロ波プラズマＣＶＤで基板２上にダイヤモンドを成長させる際に、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に基板２を加熱することで、基板２の温度を制御しながらダイヤモンドを成長させ、成長後のダイヤモンドの物性および外観を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
【0037】
（実施例１：マイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド成長）
基板２として直径２００ｍｍ、表面の面方位が（１１１）のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板（抵抗率１００Ω・ｃｍ）を準備し、＃８０００砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板２をＴＭ２０モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図２に示すダイヤモンド成長装置１１の基板加熱ステージ３に搭載し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１５００Ｗの条件で反応容器１内に導入してプラズマを形成し、Ｈ２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ４濃度：３％、基板温度：８５０℃、反応容器１内の圧力が６０Ｔｏｒｒ．（７９９９．３４Ｐａ）の条件でＣＶＤによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で８５０℃±５℃の範囲になるように、基板加熱ステージ３のヒータ７の温度を調整した。
基板２として直径２００ｍｍ、表面の面方位が（１１１）のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板（抵抗率１００Ω・ｃｍ）を準備し、＃８０００砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板２をＴＭ２０モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図２に示すダイヤモンド成長装置１１の基板加熱ステージ３に搭載し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１５００Ｗの条件で反応容器１内に導入してプラズマを形成し、Ｈ２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ４濃度：３％、基板温度：８５０℃、反応容器１内の圧力が６０Ｔｏｒｒ．（７９９９．３４Ｐａ）の条件でＣＶＤによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で８５０℃±５℃の範囲になるように、基板加熱ステージ３のヒータ７の温度を調整した。
【0038】
そのあと、成長後のダイヤモンド膜１３に対してラマン分光法による測定を行い、さらに光学顕微鏡でダイヤモンド膜１３の表面を観察してダイヤモンドの成長を評価した。測定で得られたラマンスペクトルを図６（ａ）に示し、観察して得られた光学顕微鏡画像を図６（ｂ）に示す。
図６（ａ）に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数１３３２ｃｍ－１付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図６（ｂ）に示すように光学顕微鏡の像でもダイヤモンドの析出を示す微細な凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
図６（ａ）に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数１３３２ｃｍ－１付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図６（ｂ）に示すように光学顕微鏡の像でもダイヤモンドの析出を示す微細な凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
【0039】
よって、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であることがわかった。
【0040】
（実施例２：マイクロ波プラズマＣＶＤとホットフィラメントＣＶＤによるダイヤモンド成長）
基板２として直径３００ｍｍ、表面の面方位が（１１１）のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板（抵抗率１００Ω・ｃｍ）を準備し、＃８０００砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板２をＴＭ２０モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図２に示すダイヤモンド成長装置１１の基板加熱ステージ３に搭載し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１５００Ｗの条件で反応容器１内に導入してプラズマを形成し、Ｈ２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ４濃度：３％、基板温度：８５０℃、６０Ｔｏｒｒ．（７９９９．３４Ｐａ）の条件でＣＶＤによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で８５０℃±５℃の範囲になるように、基板加熱ステージ３のヒータ７の温度を調整した。
基板２として直径３００ｍｍ、表面の面方位が（１１１）のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板（抵抗率１００Ω・ｃｍ）を準備し、＃８０００砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板２をＴＭ２０モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図２に示すダイヤモンド成長装置１１の基板加熱ステージ３に搭載し、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を１５００Ｗの条件で反応容器１内に導入してプラズマを形成し、Ｈ２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ４濃度：３％、基板温度：８５０℃、６０Ｔｏｒｒ．（７９９９．３４Ｐａ）の条件でＣＶＤによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で８５０℃±５℃の範囲になるように、基板加熱ステージ３のヒータ７の温度を調整した。
【0041】
次にこの基板２を、図５に示すホットフィラメントＣＶＤ装置１７に入れ、フィラメント温度：２２００℃、Ｈ２流量：１０ＳＬＭ、ＣＨ４濃度：３％、基板温度：８５０℃、５Ｔｏｒｒ．（６６６．６１２Ｐａ）の条件で４時間のダイヤモンド成長を行った。
そのあと、成長後のダイヤモンド膜１３に対してラマン分光法による測定を行い、さらに光学顕微鏡でダイヤモンド膜１３の表面を観察してダイヤモンドの成長を評価した。測定で得られたラマンスペクトルを図７（ａ）に示し、観察して得られた光学顕微鏡の画像を図７（ｂ）に示す。
図７（ａ）に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数１３３２ｃｍ－１付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図７（ｂ）に示すように光学顕微鏡の画像でもダイヤモンドの析出を示す凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
そのあと、成長後のダイヤモンド膜１３に対してラマン分光法による測定を行い、さらに光学顕微鏡でダイヤモンド膜１３の表面を観察してダイヤモンドの成長を評価した。測定で得られたラマンスペクトルを図７（ａ）に示し、観察して得られた光学顕微鏡の画像を図７（ｂ）に示す。
図７（ａ）に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数１３３２ｃｍ－１付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図７（ｂ）に示すように光学顕微鏡の画像でもダイヤモンドの析出を示す凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
【0042】
よって、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマＣＶＤであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であり、さらにホットフィラメントＣＶＤでダイヤモンドをさらに成長させられることも分かった。
【0043】
本明細書は、以下の態様を包含する。
［１］：マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
［２］：前記成長工程において、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする上記［１］に記載のダイヤモンド成長方法。
［３］：前記成長工程後に、
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする上記［１］または上記［２］に記載のダイヤモンド成長方法。
［４］：前記基板としてシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする上記［１］から上記［３］のいずれかに記載のダイヤモンド成長方法。
［５］：基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
［６］：前記加熱制御機構は、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする上記［５］に記載のダイヤモンド成長装置。
［１］：マイクロ波プラズマＣＶＤで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
［２］：前記成長工程において、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする上記［１］に記載のダイヤモンド成長方法。
［３］：前記成長工程後に、
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする上記［１］または上記［２］に記載のダイヤモンド成長方法。
［４］：前記基板としてシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする上記［１］から上記［３］のいずれかに記載のダイヤモンド成長方法。
［５］：基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してＣＶＤで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
［６］：前記加熱制御機構は、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする上記［５］に記載のダイヤモンド成長装置。
【0044】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【0045】
１…反応容器、 ２…基板、 ３…基板加熱ステージ ４…マイクロ波導入管、 ５…マイクロ波発生装置、 ６…原料ガス導入管、 ７…ヒータ、 １１…ダイヤモンド成長装置、１３…ダイヤモンド膜、 １７…ホットフィラメントＣＶＤ装置、 ２１…反応容器、 ２３…原料ガス導入管、 ２５…フィラメント、 １００…ダイヤモンド基板。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
