CN111051579B - 金刚石层叠硅晶片的制造方法及金刚石层叠硅晶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金刚石层中的金刚石粒子被小粒径化的金刚石层叠硅晶片的制造方法。本发明的金刚石层叠硅晶片(100)的制造方法的特征在于，使金刚石粒子(14)附着于氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片(10)上之后，通过化学气相沉积法以金刚石粒子(14)为晶核而使金刚石层(16)在硅晶片(10)上生长。

Description

金刚石层叠硅晶片的制造方法及金刚石层叠硅晶片
技术领域
本发明涉及一种在硅晶片上形成金刚石层而成的金刚石层叠硅晶片的制造方法及金刚石层叠硅晶片。
背景技术
由于金刚石具有宽的带隙，因此在硅晶片上形成金刚石层而成的金刚石层叠硅晶片被应用于适合于气体传感器器件、温度传感器器件、放射线/红外线检测器件等的宽带隙半导体。
作为金刚石层叠硅晶片的制造方法，一般采用使金刚石粒子附着于硅晶片的正面并以所附着的金刚石粒子为晶核而使金刚石层生长的方法。例如，在专利文献1中提出有使接近50nm以下的临界晶核直径的金刚石粒子附着于硅晶片的正面之后，通过化学气相沉积(CVD：chemical vapor deposition)法使金刚石层生长。根据专利文献1，报道有由于使用接近临界晶核直径的金刚石粒子，因此金刚石层的表面粗糙度降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-306617号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
近年来，为了进一步提高气体传感器器件、温度传感器器件、放射线/红外线检测器件等的器件特性，需求金刚石层中的金刚石粒子被小粒径化的金刚石层叠硅晶片。并且，当将金刚石层叠硅晶片用作立式器件时，要求将金刚石层的厚度设为10μm以上。然而，得知即使在作为用于使金刚石层生长的晶核而将附着于硅晶片的正面的金刚石粒子设为如专利文献1那样的50nm以下的微粒的情况下，若加厚金刚石层，则金刚石层中的金刚石粒子也不会被小粒径化，若在这种金刚石层上形成器件，则泄漏电流增加而有可能导致器件特性恶化。
因此，本发明鉴于上述技术问题，其目的在于提供一种金刚石层中的金刚石粒子被小粒径化的金刚石层叠硅晶片的制造方法及金刚石层叠硅晶片。
用于解决技术问题的方案
本发明人等为了解决上述技术问题而进行了深入研究，结果得知若金刚石层中的金刚石粒子的粒径超过器件的栅级宽度(2μm左右)，则上述泄漏电流有可能增加。而且，本发明人等以金刚石层中的金刚石粒子的小粒径化为目的进行了进一步的研究，结果发现了硅晶片中的氧浓度与金刚石层中的金刚石粒子的粒径之间具有相关性。而且，发现了若将氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片用作金刚石层的基底基板，则即使加厚金刚石层，也能够将金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径设为2μm以下。
本发明是根据上述见解而完成的，其主旨方案如下。
(1)一种金刚石层叠硅晶片的制造方法，其特征在于，使金刚石粒子附着于氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片上之后，通过化学气相沉积法以所述金刚石粒子为晶核而使金刚石层在所述硅晶片上生长。
(2)根据上述(1)所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，在所述硅晶片上涂布含金刚石粒子的液体之后，或者在将所述硅晶片浸渍于含金刚石粒子的液体之后，通过对所述硅晶片实施热处理而使所述金刚石粒子附着于所述硅晶片上。
(3)根据上述(2)所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，所述含金刚石粒子的液体中的金刚石粒子带负电荷。
(4)根据上述(2)或(3)所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，所述含金刚石粒子的液体中的金刚石粒子的平均粒径为50nm以下。
(5)根据上述(2)至(4)中任一项所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，在所述热处理中，所述硅晶片的温度低于100℃。
(6)根据上述(1)至(5)中任一项所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，所述金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下。
(7)根据上述(1)至(6)中任一项所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，所述金刚石层的厚度为10μm以上。
(8)根据上述(1)至(7)中任一项所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，所述硅晶片的电阻率为1000Ω·cm以上。
(9)一种金刚石层叠硅晶片，其特征在于，具有：
氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片；及形成于所述硅晶片上的金刚石层，
所述金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下。
(10)根据上述(9)所述的金刚石层叠硅晶片，其中，所述金刚石层的厚度为10μm以上。
(11)根据上述(9)或(10)所述的金刚石层叠硅晶片，其中，所述硅晶片的电阻率为1000Ω·cm以上。
发明效果
根据本发明，能够得到金刚石层中的金刚石粒子被小粒径化的金刚石层叠硅晶片。
附图说明
图1(A)～(D)是说明基于本发明的一实施方式的金刚石层叠硅晶片100的制造方法的示意剖视图。
图2是在发明例1～3及比较例1中金刚石层的正面的基于光学显微镜观察的照片。
图3是表示在发明例7、8中金刚石层有无剥离的照片。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的一实施方式进行详细说明。另外，在图1中，为了方便说明，与实际厚度的比例不同，相对于硅晶片10夸大地示出金刚石粒子涂布层12的厚度、金刚石粒子14的粒径及金刚石层16的厚度。
(金刚石层叠硅晶片的制造方法)
将本发明的金刚石层叠硅晶片的一实施方式示于图1。
参考图1对基于本发明的一实施方式的金刚石层叠硅晶片100的制造方法进行说明。首先，准备氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片10(图1(A))。接着，在硅晶片10上涂布含金刚石粒子的液体(图1(A)、(B))。由此，在硅晶片10上形成金刚石粒子涂布层12(图1(B))。接着，通过对硅晶片10实施热处理，使金刚石粒子涂布层12中的溶剂蒸发，且增强硅晶片10的正面与金刚石粒子14的结合力，从而使金刚石粒子14附着于硅晶片10的正面(图1(B)、(C))。接着，通过CVD法以所附着的金刚石粒子14为晶核而使金刚石层16在硅晶片10上生长(图1(C)、(D))。如此制作金刚石层叠硅晶片100。以下，对本实施方式中的各工序进行详细说明。
(硅晶片的准备)
参考图1(A)，首先准备5×1017atom/cm3以下的氧浓度的硅晶片10。在此，本说明书中的“硅晶片的氧浓度”是指通过FT-IR法(Old ASTM F121-19 79)测定时的遍及硅晶片10的厚度方向的氧浓度的平均值。详细内容后述，通过使用这种低氧浓度的硅晶片，在图1(C)、(D)所示的金刚石层16生长时，可抑制硅晶片10中的氧向金刚石层16向外扩散，因此能够将金刚石层16中的金刚石粒子的最大粒径设为2.0μm以下。另外，硅晶片10的厚度只要根据所形成的金刚石层16的厚度进行设定即可。即，金刚石层16变得越厚，金刚石层叠硅晶片100的翘曲变得越大，因此优选加厚硅晶片10以免产生翘曲。具体而言，硅晶片10的厚度优选设为280μm以上且10cm以下。
并且，优选将硅晶片10的电阻率设为1000Ω·cm以上。这种高电阻的硅晶片中硼或磷等成为载流子的杂质少，因此能够抑制这些杂质在金刚石层16的生长过程中向金刚石层16的向外扩散，从而能够抑制金刚石层16中的电阻变动。
(含金刚石粒子的液体的涂布)
接着，参考图1(A)、(B)，在硅晶片10上涂布含金刚石粒子的液体而形成金刚石粒子涂布层12。以下，对形成金刚石粒子涂布层12时的优选条件进行详细说明。
含金刚石粒子的液体中所包含的金刚石粒子的平均粒径优选设为1nm以上且50nm以下。这是因为，若为1nm以上，则在使金刚石层16生长的初期阶段，能够抑制金刚石粒子14由于溅射作用而从硅晶片10的正面被弹飞的现象，若为50nm以下，则即使在将金刚石层16的厚度设为10μm以上的情况下，也能够将金刚石层16中的金刚石粒子的最大粒径设为2.0μm以下。这种金刚石粒子能够通过公知的爆轰(Detonation)法或内爆(Implosion)法或粉碎法由石墨适当地制作。另外，“含金刚石粒子的液体中所包含的金刚石粒子的平均粒径”是按照JIS 8819-2计算的平均粒径，是指假定通过公知的激光衍射式粒度分布测定装置测定出的粒度分布为正态分布而计算出的平均粒径。
涂布含金刚石粒子的液体之前的硅晶片10为了去除附着于其正面的金属杂质而一般使用氢氟酸等进行酸洗。经酸洗的硅晶片10的正面为活性的疏水面，容易附着微粒。因此，优选用纯水等清洗经酸洗的硅晶片10而使硅晶片10的正面成为形成有自然氧化膜的亲水性面。或者，优选在无尘室内长时间放置经酸洗的硅晶片10而在硅晶片10的正面形成自然氧化膜。由此，能够抑制微粒附着于硅晶片10的正面。此时，在自然氧化膜中产生具有正电荷的固定电荷。因此，若在带正电荷的自然氧化膜上涂布含有带负电荷的金刚石粒子的含金刚石粒子的液体，则硅晶片10和金刚石粒子14通过库仑引力牢固地结合，由此能够提高金刚石层16对硅晶片10的密接性。如此带负电荷的金刚石粒子是通过对金刚石粒子实施氧化处理来将金刚石粒子以羧基或酮基作末端而得到。例如，作为氧化处理，可以举出对金刚石粒子加热氧化的方法、或在臭氧溶液、硝酸溶液、过氧化氢水溶液或高氯酸溶液中浸渍金刚石粒子的方法等。
作为含金刚石粒子的液体的溶剂，除了水以外，可以举出甲醇、乙醇、2-丙醇及甲苯等有机溶剂。可以单独使用这些溶剂，也可以组合使用2种以上。
含金刚石粒子的液体中的金刚石粒子的含量相对于含金刚石粒子的液体整体，优选设为0.03质量％以上且10质量％以下。这是因为，若为0.03质量％以上，则能够通过图1(B)、(C)所示的热处理在硅晶片10上使金刚石粒子14均匀地附着于晶片面内而将其用作生长晶核。并且是因为，若为10质量％以下，则能够抑制所附着的金刚石粒子14在图1(C)、(D)所示的金刚石层16的生长过程中异常生长。
从提高金刚石粒子14与硅晶片10的密接性的观点考虑，含金刚石粒子的液体优选设为啫喱状的溶液，且可以在含金刚石粒子的液体中含有增稠剂。作为增稠剂，可以举出琼脂、角叉菜胶、黄原胶、结冷胶、瓜尔胶、聚乙烯醇、聚丙烯酸盐系增稠剂、水溶性纤维素类、聚环氧乙烷等，能够使用这些中的一种或两种以上。当含有增稠剂时，优选将含金刚石粒子的液体的pH设在6～8的范围。
含金刚石粒子的液体的制备只要通过在上述溶剂中混合金刚石粒子并进行搅拌而使金刚石粒子分散于溶剂中即可。搅拌速度优选设为500～3000rpm，搅拌时间优选设为10分钟～1小时。
将如此制备出的含金刚石粒子的液体涂布于硅晶片10(图1(A)、(B))。在此，作为涂布含金刚石粒子的液体的方法，例如能够使用公知的旋转涂布法。若使用旋转涂布法，则能够仅在欲附着金刚石粒子的晶片面侧，面内均匀地涂布含金刚石粒子的液体。
(热处理)
接着，参考图1(B)、(C)，对硅晶片10实施热处理。由此，金刚石粒子涂布层12中的溶剂蒸发，金刚石粒子14附着于硅晶片10上(图1(C))。通过实施热处理，能够增强金刚石粒子14与硅晶片10的结合。热处理中的晶片的温度优选设为低于100℃，更优选设为30℃以上且80℃以下。在100℃以上的温度下，含金刚石粒子的液体沸腾而产生气泡，在硅晶片10上会产生局部不存在金刚石粒子的金刚石粒子非附着部位。若产生金刚石粒子非附着部位，则有可能以该部位为起点而金刚石层16发生剥离。当低于30℃时，金刚石粒子14与硅晶片10的结合弱，在通过CVD法使金刚石层16生长的过程中，由于溅射作用，金刚石粒子14被弹飞，有可能难以使金刚石层均匀地生长。并且，热处理时间优选设为1～30分钟。作为热处理装置，只要使用公知的热处理装置即可，例如能够通过在经加热的加热板上载置硅晶片10来进行。
(金刚石层的生长)
接着，参考图1(C)、(D)，通过CVD法在一般的条件下以附着于硅晶片10的正面的金刚石粒子14为生长晶核而使金刚石层16在硅晶片10上生长。作为CVD法，能够优选使用等离子体CVD法及热丝CVD法等。
当使用等离子体CVD法时，例如以氢为载气，将甲烷等源气体导入到腔室内，并将晶片的温度设为700～1300℃而使金刚石层16生长。从进一步提高金刚石层16的厚度的均匀性的观点考虑，优选使用微波等离子体CVD法。微波等离子体CVD法是指如下方法：在等离子体腔室内通过微波将甲烷等源气体分解而等离子体化，并将等离子体化的源气体导入到经加热的硅晶片10上，由此使金刚石层16生长。在此，优选如下设定等离子体腔室内的压力、微波的输出及晶片的温度。等离子体腔室内的压力优选设为10～1000Torr，更优选设为80～300Torr。微波的输出优选设为0.1k～100kW，更优选设为1k～10kW。晶片的温度优选设为700～1300℃，更优选设为900～1200℃。
当使用热丝CVD法时，使用包含钨、钽、铼、钼、铱等的细丝，将细丝温度设为1900～2300℃左右而从甲烷等烃系的源气体生成碳自由基。通过将该碳自由基导入到经加热的硅晶片10上而使金刚石层16生长。若使用热丝CVD法，则能够容易应对晶片的大口径化。在此，优选如下设定腔室内的压力、细丝的与硅晶片10的距离及晶片的温度。腔室内的压力优选设为10～1000Torr。细丝与硅晶片10的距离优选设为5～20mm。晶片的温度优选设为700～1300℃。
另外，生长的金刚石层16的厚度能够根据金刚石层叠硅晶片100的用途适当地选择。例如，在对高频器件的用途等将金刚石层16用作用于在横向(水平方向)上形成器件的活性层的情况下，需要0.1μm～1mm厚度的金刚石层。另一方面，在对功率器件的用途等将金刚石层16用作用于在纵向(垂直方向)上形成器件的活性层的情况下，需要10μm～1mm厚度的金刚石层。
本实施方式的特征性的部分为，使用氧浓度为5.0×1017atoms/cm3以下的低氧的硅晶片10作为金刚石层16的基底基板。通过使用低氧的硅晶片而将金刚石层16中的金刚石粒子小粒径化的机理推测如下。
推测为如下，即，若硅晶片10的氧浓度超过5×1017atom/cm3，则在金刚石层的生长过程中，因热而从硅晶片10向外扩散的氧会优先蚀刻构成生长的金刚石粒子的结合力弱的石墨(sp2轨道)区域，仅有结合力强的金刚石(sp3轨道)区域会急剧生长。因此，认为由于金刚石粒子的粒径变大，金刚石粒子的正面的凹凸变大，因此金刚石粒子之间的间隙变大，从而金刚石层16的致密性降低。另一方面，推测为如下，即，若使用低氧的硅晶片，则可抑制氧的向外扩散，因此可抑制石墨区域的蚀刻，通过一边用等离子体对石墨区域进行蚀刻一边进行金刚石区域的生长，可缓解金刚石区域的急剧生长。因此，认为可得到金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下的致密的金刚石层16。从该观点考虑，优选使用不含有氧的气体作为使金刚石层16生长时的载气来抑制石墨区域的蚀刻。
以上，以本实施方式为例子对本发明的金刚石层叠硅晶片的制造方法进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在权利要求书中能够适当地加以改变。
使金刚石粒子附着于硅晶片上的方法并不限定于涂布法，也可以为公知的浸渍法或划痕法。当基于浸渍法时，能够通过将硅晶片浸渍于已叙述的含金刚石粒子的液体之后进行已叙述的热处理而使金刚石粒子附着于硅晶片上。当基于划痕法时，通过将金刚石粒子埋入硅晶片的正面而使金刚石粒子附着于硅晶片上。作为埋入金刚石粒子的方法，可以举出(1)将干燥状态的金刚石粉末分布于硅晶片的正面并对晶片正面施加按压力的方法、(2)向硅晶片的正面喷射包含金刚石粒子的高速气体的方法、(3)在金刚石粒子的流化床中放置硅晶片的方法、(4)在分散有金刚石粒子的溶液中超声波清洗硅晶片的方法等。另外，在划痕法中，若由于在金刚石粒子的埋入深度上产生偏差而金刚石层的厚度变得不均匀或者在金刚石粒子的埋入时在硅晶片的正面产生的划痕大，则具有金刚石层正面的平滑性变差的倾向，因此优选使用涂布法或浸渍法。
并且，优选将硅晶片10的晶面取向设为(100)。在该情况下，去除(蚀刻)形成于金刚石层内的除器件区域以外的金刚石层而在硅晶片内制作器件(例如，CMOS器件、存储器器件、CIS器件、IGBT器件等)，由此能够将形成于金刚石层内的器件和形成于硅晶片内的器件SoC(System on Chip：片上系统)化。
(金刚石层叠硅晶片)
参考图1(D)，对通过上述制造方法得到的金刚石层叠硅晶片100进行说明。金刚石层叠硅晶片100具有氧浓度为5.0×1017atoms/cm3的硅晶片10和形成于硅晶片10上的金刚石层16。另外，金刚石层16中的金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下。
并且，本说明书中的“金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径”按照以下定义。即，利用光学显微镜观察将晶片的中心点及晶片的半径95％的圆周与晶片的直径的2个交点这3个点分别作为中心的10μm×10μm的3个区域，将这3个区域中的所有金刚石粒子的粒径中的最大的粒径定义为“金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径”。另外，“金刚石粒子的粒径”是指金刚石粒子的长轴的长度。
硅晶片10的厚度优选为280μm以上且10cm以下，硅晶片10的电阻率优选为1000Ω·cm以上，硅晶片10的晶面取向优选为(100)。并且，关于金刚石层16的厚度，在对高频器件的用途等将金刚石层16用作用于在横向上形成器件的活性层的情况下，优选为0.1μm～1mm，在对功率器件的用途等将金刚石层16用作用于在纵向上形成器件的活性层的情况下，优选为10μm～1mm。关于这些原因的详细内容，援用已叙述的说明。
以上，以本实施方式为例子对本发明的金刚石层叠硅晶片进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，在权利要求书中能够适当地加以改变。
实施例
<实验1>
在实验1中，按照以下说明的方法制作发明例1～6及比较例1、2的金刚石层叠硅晶片，并调查了金刚石层的致密性。
(发明例1)
经过图1(A)～(D)所示的工序制作出发明例1的金刚石层叠硅晶片。
首先，准备了从通过MCZ(Magnetic field applied Czochralski：磁场直拉)法生长的单晶硅锭切出并加工的、直径为2英寸、厚度为3mm、晶面取向为(100)、电阻率为1000Ω·cm、氧浓度(ASTM F121-1979)为5.0×1017atoms/cm3的硅晶片(图1(A))。
接着，作为金刚石粒子，使用了通过爆轰法制作出的平均粒径为4nm的金刚石粒子。另外，将该金刚石粒子浸渍于过氧化氢水溶液中而以羧基(COOH)作末端，由此使金刚石粒子带负电荷。接着，将溶剂设为H2O，向该溶剂中混合相对于溶液整体为0.1质量％的金刚石粒子并进行搅拌而制备出含金刚石粒子的液体。另外，搅拌速度设为1100rpm，搅拌时间设为50分钟，搅拌中的含金刚石粒子的液体的温度设为25℃。随后，利用纯水进行清洗，通过旋转涂布法在正面形成有自然氧化膜的硅晶片上涂布含金刚石粒子的液体而在硅晶片上形成了金刚石粒子涂布层(图1(A)、(B))。
接着，通过在设定为80℃的加热板上将硅晶片放置3分钟，实施增强硅晶片与金刚石粒子的结合的热处理，使金刚石粒子附着于硅晶片上(图1(B)、(C))。
接着，以氢为载气，并以甲烷为源气体，使用已叙述的微波等离子体CVD法以所附着的金刚石粒子为生长晶核而使厚度10μm的金刚石层在硅晶片上生长(图1(C)、(D))。在金刚石层的生长中，将等离子体腔室内的压力设为135Torr，将微波的输出设为5kW，将晶片的温度设为1050℃，将生长时间设为2小时。如此得到了金刚石层叠硅晶片。
(发明例2)
作为发明例2，使用通过MCZ法制作出的氧浓度为2×1017atom/cm3的硅晶片，除此以外，利用与发明例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(发明例3)
作为发明例3，使用通过FZ(Floating Zone：浮区)法制作出的氧浓度为6×1016atom/cm3的硅晶片，除此以外，利用与发明例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(发明例4)
作为发明例4，将金刚石层的厚度设为1000μm，除此以外，利用与发明例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(发明例5)
作为发明例5，将金刚石层的厚度设为1000μm，除此以外，利用与发明例2相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(发明例6)
作为发明例6，将金刚石层的厚度设为1000μm，除此以外，利用与发明例3相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(比较例1)
作为比较例1，使用氧浓度为1×1018atom/cm3的硅晶片，除此以外，利用与发明例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
作为比较例2，将金刚石层的厚度设为1000μm，除此以外，利用与比较例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片。
(评价方法)
在各发明例及比较例中，利用已叙述的方法测定金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径，并调查了金刚石层的致密性。将测定结果示于表1。并且，在图2中示出关于发明例1～3及比较例1，利用已叙述的方法并使用光学显微镜观察金刚石层的正面的中心时的照片。在此，在图2中，白色部分为金刚石粒子，黑色部分为基底的硅晶片。
[表1]
Figure BDA0002376920650000131
(评价结果的说明)
在使用了氧浓度超过5×1017atom/cm3的硅晶片的比较例1、2中，金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径超过2.0μm，相对于此，在使用了氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片的发明例1～6中，金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径均为2.0μm以下。因此，在发明例1～6中，与比较例1、2相比，得到了致密的金刚石层。认为这是因为，通过使用氧浓度为5×1017atom/cm3以下的低氧硅晶片，从硅晶片向金刚石层的氧的向外扩散得到了抑制。
<实验2>
在实验2中，按照以下说明的方法制作发明例7、8的金刚石层叠硅晶片，并调查了金刚石层的密接性。具体而言，关于使带负电荷的金刚石粒子附着于硅晶片的情况和使带正电荷的金刚石粒子附着于硅晶片的情况，分别在使金刚石层生长之后进行抛光处理来调查了金刚石层有无剥离。
(发明例7)
作为发明例7，利用与发明例1相同的方法制作出金刚石层叠硅晶片之后，通过CMP(Chemical Mechanical Polishing：化学机械抛光)法对金刚石层的正面以去除1μm的方式进行了镜面抛光。即，发明例7为如下实验例：将利用爆轰法制作出的金刚石粒子浸渍于过氧化氢水溶液而将金刚石粒子以羧基(COOH)作末端，由此使金刚石粒子带负电荷。
(发明例8)
在发明例8中，使金刚石粒子带正电荷，除此以外，利用与发明例1相同的方法制作金刚石层叠硅晶片，然后，以与发明例7相同的方式对金刚石层的正面进行了镜面抛光。另外，为了使金刚石粒子带正电荷，只要将金刚石粒子以氢或氨基作末端即可，例如可以举出在氢气氛中进行等离子体处理的方法或在氨气氛中进行等离子体处理的方法等。在发明例8中，对利用爆轰法制作出的金刚石粒子在氨气氛中实施等离子体处理而将金刚石粒子以氨基(NH2)作末端，由此使金刚石粒子带正电荷。
(评价方法)
在发明例7、8中，肉眼观察金刚石层正面中有无金刚石层的剥离来调查了密接性。将调查结果示于图3。
(评价结果的说明)
在使金刚石粒子带正电荷的发明例8中，金刚石层的正面发生了剥离，相对于此，在使金刚石粒子带负电荷的发明例7中，金刚石层的正面未发生剥离。推测这是因为，通过存在于硅晶片的正面的带正电的自然氧化膜与带负电的金刚石粒子之间的库仑力而金刚石层的密接性得到了提高。
产业上的可利用性
根据本发明，能够得到金刚石层中的金刚石粒子被小粒径化的金刚石层叠硅晶片。
附图标记说明
100-金刚石层叠硅晶片，10-硅晶片，12-金刚石粒子涂布层，14-金刚石粒子，16-金刚石层。

Claims (8)

1.一种金刚石层叠硅晶片的制造方法，其特征在于，
使金刚石粒子附着于氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片上之后，通过化学气相沉积法以所述金刚石粒子为晶核而使金刚石层在所述硅晶片上生长，
所述金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下，
所述金刚石层的厚度为10μm以上。
2.根据权利要求1所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，
在所述硅晶片上涂布含金刚石粒子的液体之后，或者在将所述硅晶片浸渍于含金刚石粒子的液体之后，通过对所述硅晶片实施热处理而使所述金刚石粒子附着于所述硅晶片上。
3.根据权利要求2所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，
所述含金刚石粒子的液体中的金刚石粒子带负电荷。
4.根据权利要求2所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，
所述含金刚石粒子的液体中的金刚石粒子的平均粒径为50nm以下。
5.根据权利要求2所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，
在所述热处理中，所述硅晶片的温度低于100℃。
6.根据权利要求1所述的金刚石层叠硅晶片的制造方法，其中，
所述硅晶片的电阻率为1000Ω·cm以上。
7.一种金刚石层叠硅晶片，其特征在于，具有：
氧浓度为5×1017atom/cm3以下的硅晶片；及形成于所述硅晶片上的金刚石层，
所述金刚石层中的金刚石粒子的最大粒径为2.0μm以下，
所述金刚石层的厚度为10μm以上。
8.根据权利要求7所述的金刚石层叠硅晶片，其中，
所述硅晶片的电阻率为1000Ω·cm以上。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114032525B (zh) * 2021-11-04 2023-09-12 西南科技大学 金刚石-多层石墨烯复合阴极材料及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2254733A (en) * 1991-03-29 1992-10-14 Kobe Steel Ltd Diamond schottky gate fet
EP0844319A1 (en) * 1996-06-12 1998-05-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Diamond film and process for preparing the same

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1081589A (ja) * 1996-06-12 1998-03-31 Matsushita Electric Ind Co Ltd ダイヤモンド膜およびその製造方法
JP2005306617A (ja) 2004-04-16 2005-11-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd ダイヤモンド薄膜およびその製造方法
JP2009091234A (ja) * 2007-09-18 2009-04-30 Tokyo Univ Of Science 導電性ダイヤモンド膜が形成された基板及び導電性ダイヤモンド膜が形成された基板の製造方法
JP4984263B2 (ja) * 2008-09-17 2012-07-25 住友電工ハードメタル株式会社 ダイヤモンド膜及びその製造方法
JP5510256B2 (ja) * 2010-10-06 2014-06-04 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリコンウェーハの製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2254733A (en) * 1991-03-29 1992-10-14 Kobe Steel Ltd Diamond schottky gate fet
EP0844319A1 (en) * 1996-06-12 1998-05-27 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Diamond film and process for preparing the same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Influence of substrate treatments on diamond thin film nucleation;Paul A.Dennig et al.;《The Solid Films》;19921231;第63-67页 *

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