(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-18
(45)【発行日】2022-10-26
(54)【発明の名称】ダイヤモンド基板層の製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/04 20060101AFI20221019BHJP
C30B 25/18 20060101ALI20221019BHJP
C01B 32/25 20170101ALI20221019BHJP
C23C 16/27 20060101ALI20221019BHJP
【ＦＩ】
C30B29/04 Q
C30B25/18
C01B32/25
C23C16/27
C30B29/04 W
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2018527626
(86)(22)【出願日】2017-07-12
(86)【国際出願番号】 JP2017025393
(87)【国際公開番号】W WO2018012529
(87)【国際公開日】2018-01-18
【審査請求日】2020-06-29
(31)【優先権主張番号】P 2016138991
(32)【優先日】2016-07-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000240477
【氏名又は名称】アダマンド並木精密宝石株式会社
(72)【発明者】
【氏名】會田 英雄
(72)【発明者】
【氏名】金 聖祐
(72)【発明者】
【氏名】木村 豊
(72)【発明者】
【氏名】川又 友喜
(72)【発明者】
【氏名】池尻 憲次朗
【審査官】安齋 美佐子
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－２８４２８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１５１０９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１９９１８０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－２４８８８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０５９０６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０１３３２２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５１６６０１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ １／００－３５／００
Ｃ０１Ｂ ３２／２５
Ｃ２３Ｃ １６／２７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
単結晶ダイヤモンド基板成長用の下地基板として、ＭｇＯ単結晶，α－Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ，石英，白金，イリジウム，チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）の何れかを材質とし、表面粗さＲａが１０ｎｍ以下の面を有する前記下地基板を用意し、前記下地基板の前記面上にイリジウム単結晶膜を成膜し、
前記下地基板を成長炉内に配置し、
水素、炭素を含む気体としてメタン／水素ガス流量比０．００１％～３０％でメタンを前記成長炉内に導入し、
前記成長炉の炉内圧力を１．３×１０３Ｐａ～１．３×１０５Ｐａに保ち、
周波数２．４５ＧＨｚ（±５０ＭＨｚ）、或いは９１５ＭＨｚ（±５０ＭＨｚ）のマイクロ波を電力１００Ｗ～６０ｋＷ投入することによりプラズマを発生させ、
前記プラズマによる加熱で温度を７００℃～１３００℃に保った前記下地基板片面上に活性種を堆積させて、
前記イリジウム単結晶膜上に単結晶ダイヤモンド基板を３０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで気相成長させ、
ウェットエッチングで前記下地基板と前記イリジウム単結晶膜を除去して、前記単結晶ダイヤモンド基板の表面及び裏面に加工変質層がなく、前記裏面を表面粗さＲａ＝１０ｎｍ以下の面にし、
前記単結晶ダイヤモンド基板の前記裏面側に再度気相成長を行い、ホモエピタキシャルでダイヤモンド基板層を成長させる前記単結晶ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド基板層の製造方法。
【請求項2】
前記裏面を表面粗さ
Ｒａ＝５ｎｍ以下の面にする、請求項１記載のダイヤモンド基板層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は研削、研磨等の表面加工が行われていない単結晶ダイヤモンド基板に関する。
【背景技術】
【0002】
従来より、ダイヤモンドはその優れた特性から究極の半導体デバイスとして期待されており、一例として下地基板となるダイヤモンド基板上にｎ型ダイヤモンド層やｐ型ダイヤモンド層を積層した構成が提案されている。この様な構成について、積層されるダイヤモンドの品質は、下地基板として用いられるダイヤモンド基板の品質や表面状態に左右される。即ち、半導体デバイスを作製する下地基板には結晶品質だけではなく、下地基板の成長面となる表面について、平坦かつ加工変質層が無いことが求められる。この為、当該基板の表面加工方法として特開平０１－０６２４８４号公報（以下特許文献１として記載）等に記載のエッチング及び、ＣＭＰ研磨といった平坦化技術が用いられている。また、当該平坦化前の下地基板については国際公開第２０１５／０４６２９４号（以下特許文献２として記載）等のヘテロエピタキシャル成長を用いた大径化技術が使用されており、当該大径化による量産性の向上及びチップ単価の低下を可能としていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平０１－０６２４８４号公報
【文献】国際公開第２０１５／０４６２９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上述した効果を有している一方で近年、特許文献２等により大径化された前記基板について、特許文献１記載の加工方法では結晶表面について気相成長に必要な高精度の表面粗さを付与することができず、当該結晶表面を用いたダイヤの気相成長に際してヒロック（Ｈｉｌｌｏｃｋ：微小な突起）の発生を抑制することができないという課題を有している。加えて、他の加工方法についても、古くから宝石加工に用いられてきたレーザー切断やダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨となる為、加工面が粗くなると共に、加工変質層を生じてしまう。
【0005】
上記課題に対し、本願記載の発明では、表面に加工変質層を生じることなく、高精度かつ滑らかな表面粗さを有する単結晶ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド基板層の製造方法の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記目的のために本願記載の発明は、単結晶ダイヤモンド基板成長用の下地基板として、ＭｇＯ単結晶，α－Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ，石英，白金，イリジウム，チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）の何れかを材質とし、表面粗さＲａが１０ｎｍ以下の面を有する下地基板を用意し、下地基板の面上にイリジウム単結晶膜を成膜し、その下地基板を成長炉内に配置し、水素、炭素を含む気体としてメタン／水素ガス流量比０．００１％～３０％でメタンを成長炉内に導入し、成長炉の炉内圧力を１．３×１０３Ｐａ～１．３×１０５Ｐａに保ち、周波数２．４５ＧＨｚ（±５０ＭＨｚ）、或いは９１５ＭＨｚ（±５０ＭＨｚ）のマイクロ波を電力１００Ｗ～６０ｋＷ投入することによりプラズマを発生させ、そのプラズマによる加熱で温度を７００℃～１３００℃に保った下地基板片面上に活性種を堆積させて、イリジウム単結晶膜上に単結晶ダイヤモンド基板を３０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで気相成長させ、ウェットエッチングで下地基板とイリジウム単結晶膜を除去して、単結晶ダイヤモンド基板の表面及び裏面に加工変質層がなく、裏面を表面粗さＲａ＝１０ｎｍ以下の面にし、単結晶ダイヤモンド基板の裏面側に再度気相成長を行い、ホモエピタキシャルでダイヤモンド基板層を成長させる単結晶ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド基板層の製造方法としたことをその技術的特徴としている。
【0007】
また、本発明第２の態様記載の発明は、当該製造方法について裏面を表面粗さＲａ＝５ｎｍ以下の面にすることをその技術的特徴としている。
【発明の効果】
【0008】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、気相成長のみを用いた高精度な育成表面の形成が可能となっている。即ち、従来のヘテロエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンド基板の成長面は未研磨状態では粗く、従来の加工技術を用いて平坦化する必要がある為に、平坦かつ加工変質層のない面に仕上げることが不可能であった。一方、気相成長後ダイヤモンド層成長用の下地基板から分離された裏面はその育成方法上、高精度かつ滑らかな状態でダイヤモンド層の成長が可能な状態となっている。これに伴い、本願記載の単結晶ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド基板層の製造方法では、当該育成した育成表面を底面とし、前記下地基板から分離された裏面側に再度気相成長を行うことによって表面、裏面の両方を加工変質層のない面にすると共に、当該裏面を用いた気相成長によって研磨加工を施さなくても滑らかな表面粗さを有する単結晶ダイヤモンド基板を提供することが可能となる。より具体的には、当該裏面の状態が表面粗さＲａ＝１０ｎｍ以下の状態となるように気相成長を行った後、ウェットエッチングで下地基板を除去することで育成表面を底面とし、裏面に気相成長を行うことによって、加工変質層が無く、高精度かつ滑らかな結晶表面を有するホモエピタキシャル用単結晶ダイヤモンド基板を提供することができる。これは、ダイヤモンドに極性が無く、裏面にダイヤモンドを成長させることが可能であることによる効果となっている。また、本発明では上述した表面加工を必要としない為、表面、裏面共に加工変質層を生じることのないホモエピタキシャル用の単結晶ダイヤモンド基板を用いたダイヤモンド気相成長により、前記ヒロックのない高品質な単結晶ダイヤモンド基板を得ることができる。
【0009】
上述した効果に加えて、本発明第２の態様記載の発明により、前記気相成長した裏面の表面粗さを更に向上することができる。即ち、上記気相成長に於いて、一定の値までは下地基板の表面及び成長条件によって表面粗さを制御することが可能となっている。より具体的には、上記ヘテロエピタキシャル成長によって得られた単結晶ダイヤモンドを用いて単結晶ダイヤモンド基板を再度育成する際、育成条件及び育成する厚みによって表面粗さＲａを一定値まで滑らかにすることができる。本発明記載の単結晶ダイヤモンド基板は、当該裏面における結晶育成段階で育成する結晶表面の粗さを５ｎｍ以下とすることによって前記裏面でホモエピタキシャル成長させる単結晶ダイヤモンドを、結晶性の良い厚膜のダイヤモンド単結晶に成長させることを可能にしている。
【0010】
以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることによって表面に加工変質層を生じることなく、高精度かつ滑らかな表面粗さを有する単結晶ダイヤモンド基板を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
【0013】
図１に本実施形態で用いる単結晶ダイヤモンド基板の製造方法説明図を、図２に同基板の基板表面（ａ）及び裏面（ｂ）に於けるＡＦＭ測定画像を、それぞれ示す。尚、育成用ステージ、チャンバー及びターゲットといった育成装置については、図中での記載を省略している。
【0014】
図１（ａ）～（ｇ）から解るように、本実施形態では初めにＭｇＯ単結晶からなる下地基板１上にＣＶＤ法等を用いて単結晶ダイヤモンド層３を気相成長させており、当該ダイヤモンド層から下地基板等を分離して得られたダイヤモンド基板の裏面を成長層として用いることで、前記高精度な表面粗さを有するダイヤモンド単結晶基板を成長可能なホモエピタキシャル用ダイヤモンド単結晶基板（以下ホモエピ用基板として記載）４を得ることができた。
【0015】
以下に、詳細な説明を述べる。初めのダイヤモンド層を形成する下地基板１について、本実施形態ではＭｇＯ単結晶を使用するが、それ以外の材質としては、酸化アルミニウム（α－Ａｌ２Ｏ３：サファイア）、Ｓｉ、石英、白金、イリジウム、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等が挙げられる。これらのうちＭｇＯ単結晶基板と酸化アルミニウム（サファイア）単結晶基板は、熱的に極めて安定していると共に、８インチ（約２０３．２ｍｍ）までの直径の基板が出ているため、簡単に入手可能との理由から、前記ホモエピ用基板作成時に用いるダイヤモンド層用の基板として好ましい。
【0016】
また、前記下地基板１は、少なくとも片面が鏡面研磨されたものを用いる。これは、後述するダイヤモンド層３の成長工程において、ダイヤモンド層３が鏡面研磨された面側に成長形成される事に起因する。当該鏡面研磨は、少なくとも片面でダイヤモンド層が成長可能な程度まで平滑となるように行われれば良く、目安としては表面粗さＲａで１０ｎｍ以下まで研磨することが好ましい。これは、Ｒａが１０ｎｍを超えると、片成長させるダイヤモンド層の品質悪化を招いてしまう為である。尚、当該片面上にはクラックが無いものとする。また、Ｒａの測定は、表面粗さ測定機により行うことができる。当該基板については、必要に応じて両面が鏡面研磨された基板を用いても良く、この場合何れか一方の面をダイヤモンド層の成長面として任意に利用できる。
【0017】
尚、下地基板１にＭｇＯ単結晶基板を用いる場合、ダイヤモンド層の成長面として（００１）面を用いることが好ましいが、（００１）以外の面も使用可能である。また、ダイヤモンド層用の基板について、平面方向の形状は特に限定されず、例えば円形状や方形でも良い。また、当該基板が円形状の場合は大型化という観点から、直径２インチ（約５０．８ｍｍ）以上であることが好ましく、３インチ（約７６．２ｍｍ）以上であることがより好ましく、６インチ（約１５２．４ｍｍ）以上であることが更に好ましい。当該基板について直径の上限値は特に限定されないが、実用上の観点から８インチ以下が好ましい。本願では基板の寸法公差を考慮し、直径２インチに関しては５０．８ｍｍの２％に当たる１．０ｍｍを減算した、直径４９．８ｍｍ以上～５０．８ｍｍの範囲も２インチに該当すると定義する。
【0018】
上記下地基板１について円形の場合に於けるサイズを規定する一方、当該基板が方形の場合は大型化という観点から、５０ｍｍ×５０ｍｍ以上であることが好ましく、７５ｍｍ×７５ｍｍ以上であることがより好ましい。また、寸法の上限値は実用上の観点から、２００ｍｍ×２００ｍｍ以下が好ましい。従って、ダイヤモンド層用の基板は、少なくとも２０ｃｍ２の表面積を有する。更に、大型化という観点から、１２９７ｃｍ２までの表面積を有することが、より好ましい。
【0019】
また、前記下地基板１の厚みは、３．０ｍｍ以下であることが好ましく、１．５ｍｍ以下であることがより好ましく、１．０ｍｍ以下であることが更に好ましい。厚みの下限値は特に限定されないが、剛性を確保する観点から０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．４ｍｍ以上であることがより好ましい。尚、平面方向の形状が円形状で、直径５０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下のときは当該厚みが０．３ｍｍ以上、直径が１５０ｍｍを超えるときは、厚みが０．６ｍｍ以上あることが、それぞれ好ましい。
【0020】
尚、本実施形態では、下処理として下地基板１の面上に、イリジウム（Ｉｒ）単結晶膜２を成膜し、当該Ｉｒ単結晶膜上にダイヤモンド層を成長形成している。
【0021】
次に、片面にダイヤモンド単結晶から成るダイヤモンド層３を成長させて形成する。ダイヤモンド層の成長方法は特に限定されず、公知の方法が利用できる。成長方法の具体例としては、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ：Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法や、化学気相蒸着法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の気相成長法がある。
【0022】
前記ＣＶＤ法を用いる場合、ＣＶＤ成長炉内にダイヤモンド層用の基板を配置し、当該基板片面上にＣＶＤダイヤモンド単結晶を成長させる。成長方法は、直流プラズマ法、熱フィラメント法、燃焼炎法、アークジェット法等が利用可能であるが、不純物の混入が少ない高品質なダイヤモンドを得るためにはマイクロ波プラズマ法が好ましい。
【0023】
当該マイクロ波プラズマＣＶＤによるダイヤモンド層のエピタキシャル成長では、原料ガスとして水素、炭素を含む気体を使用する。水素、炭素を含む気体としてメタン／水素ガス流量比０．００１％～３０％でメタンを成長炉内に導入する。炉内圧力は約１．３×１０３Ｐａ～１．３×１０５Ｐａに保ち、周波数２．４５ＧＨｚ（±５０ＭＨｚ）、或いは９１５ＭＨｚ（±５０ＭＨｚ）のマイクロ波を電力１００Ｗ～６０ｋＷ投入することによりプラズマを発生させる。そのプラズマによる加熱で温度を７００℃～１３００℃に保った基板片面上に活性種を堆積させて、ＣＶＤダイヤモンドを成長させる。ダイヤモンド層の厚みは、３０μｍ以上５００μｍ以下の厚みで成長することが好ましい。
【0024】
上記ダイヤモンド層３を形成後、下地基板１を分離する。本実施形態では、硝酸等を用いたウェットエッチングによって下地基板１を除去すると共に、残ったＩｒ膜２について半田と合金化後、同様の方法で除去している。
【0025】
上記述べた方法によって製造された図１記載のホモエピ用基板４について、本実施形態では育成された表面Ｏを底面とし、裏面Ｕに再度上記ダイヤモンド基板層の気相成長を行った。（図１中（ｅ）参照）尚、当該成長の条件は前記ダイヤモンド基板層の気相成長時と同条件を用いている。当該再度の気相成長により、本実施形態では同一材質上へのホモエピタキシャル成長によって高品質な単結晶ダイヤモンド基板を得ることができた。
【0026】
図２に本実施形態で得られたホモエピ用基板４の表面ＡＦＭ測定画像を示す。ここで、図２（ａ）が上記表面Ｏの結晶表面、（ｂ）が裏面Ｕの育成用結晶表面であり、表面の表面粗さＲａ＝１９．１ｎｍ、裏面の表面粗さＲａ＝４．０ｎｍとなっている。図２から解るように、本実施形態で得られたホモエピ用基板は、表面よりも裏面の表面粗さが滑らかに形成されている。これは、上記下地基板の表面が分離した裏面の結晶表面に影響している為で、透過型電子顕微鏡を用いた当該裏面の観察により、加工に起因する原子の乱れ、即ち加工変質層が無いことを確認することができた。
【0027】
以上述べたように、本願実施形態記載のホモエピ用基板を用いることで、表面に加工変質層を生じることなく、高精度かつ滑らかな表面粗さを有する単結晶ダイヤモンド基板を提供することができる。
【符号の説明】
【0028】
１ 下地基板
２ Ｉｒ層
３ ダイヤモンド基板層
４ ホモエピタキシャル成長用単結晶ダイヤモンド基板
Ｏ 表面
Ｕ 裏面
２ Ｉｒ層
３ ダイヤモンド基板層
４ ホモエピタキシャル成長用単結晶ダイヤモンド基板
Ｏ 表面
Ｕ 裏面
【図1】
【図2】