CN112813409A - 金刚石衬底及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种形成具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底的制造方法，其为利用CVD法并使用包含烃气与氢气的原料气体而在基底衬底上形成金刚石晶体的方法，该方法中，为了在所述金刚石晶体的至少一部分形成所述具有氮空位中心的金刚石晶体层，在将氮气或氮化物气体混入所述原料气体的同时，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，将烃气的量设为0.005体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.995体积％；将氮气或氮化物气体的量设为5.0×10‑5体积％以上且5.0×10‑1体积％以下。由此，提供一种金刚石衬底的制造方法，其通过以规定的条件进行CVD，能够在基底衬底上形成一种NV轴为[111]高度取向且具有高密度的氮‑空位中心(NVC)的金刚石晶体。
Description
技术领域
本发明涉及一种金刚石衬底及其制造方法。
背景技术
金刚石在室温具有5.47eV的较宽能隙(bandgap)，作为宽能隙半导体(widebandgap semiconductor)而为人所知。
在宽能隙半导体中，金刚石的介电击穿电场强度(dielectric breakdownelectric field strength)极高，为10MV/cm，可在高电压下进行运作。此外，金刚石在已知物质中具有最高的导热率，因此散热性也优异。进一步，由于载流子迁移率和饱和漂移速度极大，因此金刚石适合作为高速器件。
因此，即便是与碳化硅或氮化镓之类的半导体相比，金刚石也表现出了最高的表示作为高频高功率器件的性能的约翰逊性能指标(Johnson’s figure of merit，JFOM)的值，其被称为终极半导体。
进一步，关于金刚石，具有存在于晶体中的氮-空位中心(nitrogen-vacancycenter，NVC)的现象，而具有可在室温下操作并检测出单一自旋(single spin)，且能够将该状态利用光学探测磁共振(optically detected magnetic resonance，ODMR)来成像的特征。期待活用此特征而作为磁场、电场、温度、压强等的高灵敏度传感器应用于广泛的领域中。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：US 2013/0143022 A1
非专利文献
非专利文献1：M.Hatano et al.,OYOBUTURI 85,311(2016)
非专利文献2：T.Fukui,et al.,APEX 7,055201(2014)
非专利文献3：H.Ozawa,et.al.,NDF Dia.Symp.29,16(2015)
发明内容
本发明要解决的技术问题
如上所述，期待金刚石作为半导体材料、或电子及磁性器件用材料而实用化，并期望提供大面积且高质量的金刚石衬底。例如，专利文献1已针对利用通过化学气相沉积法进行的异质外延生长来形成金刚石(111)晶体的技术进行了报告。此外，特别是在金刚石的用途中重要性较高的NVC器件用途中，氮-空位轴(NV轴)需为高度取向，因此，期望金刚石表面为NV轴在[111]方向上对齐的(111)晶面(非专利文献1)。此外，若考虑到应用于例如医疗用的核磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)领域，则只要成为磁性传感器部分的金刚石衬底为大直径(大口径)，就可实现能够效率良好地测定较广泛的区域的装置。此外，在制造成本方面也有利。
此外，当将该金刚石衬底用于电子及磁性器件时，关于传感器部分，在金刚石晶体中，NV轴不仅需要在[111]方向上对齐，进一步还需要高密度地形成。
迄今为止所报告的[111]取向且形成有高密度NVC的金刚石晶体的制作如下所述。
将通过高温高压合成(high-pressure high-temperature，HPHT)法而合成的单晶金刚石作为基底衬底，利用微波等离子体化学气相沉积(microwave-plasma chemicalvapor deposition，MPCVD)法，并将氮添加至氢稀释甲烷中来进行生长，从而进行了探讨(非专利文献2、3)。
然而，在已报告的文献中，仅将实用上难以获得大尺寸的HPHT的Ib型(111)金刚石作为基础(base)衬底，进一步，在非专利文献2中，不清楚化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)中的气体组成的细节。此外，在非专利文献3中，不清楚文献中的CVD条件是否已最优选化。
本发明为了解决上述问题而完成，目的在于提供一种金刚石衬底的制造方法，其通过以规定的条件进行CVD，能够在基底衬底上形成一种NV轴为[111]高度取向且具有高密度的氮-空位中心(NVC)的金刚石晶体。此外，本发明目的还在于提供这种金刚石衬底。
解决技术问题的技术手段
本发明为了达成上述目的而完成，本发明提供一种金刚石衬底的制造方法，其为利用微波等离子体CVD法、直流等离子体CVD法、热丝CVD法、及电弧放电等离子体喷射CVD法(arc plasma jet chemical vapor deposition)中的任一种CVD法，并使用包含烃气(hydrocarbon gas)与作为稀释用气体的氢气的原料气体，在基底衬底上形成金刚石晶体以制造金刚石衬底的方法，所述制造方法的特征在于，为了在形成于所述基底衬底上的金刚石晶体的至少一部分形成具有氮空位中心的金刚石晶体层，在将氮气或氮化物气体混入所述原料气体的同时，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，将烃气的量设为0.005体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.995体积％；将氮气或氮化物气体的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下，从而形成所述具有氮空位中心的金刚石晶体层。
根据这种CVD条件的金刚石衬底的制造方法，能够制造一种形成有高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC的金刚石晶体层的金刚石衬底。这种金刚石晶体能够适用于电子及磁性器件。
此时，作为所述烃气，能够使用甲烷气体；作为混入所述原料气体中的氮气或氮化物气体，能够使用氮气；并且，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，能够将甲烷气体的量设为0.1体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.900体积％；将氮气的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下。
通过设为这种CVD条件的金刚石衬底的制造方法，能够更加有效地制造一种形成有高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC的金刚石晶体层的金刚石衬底。
此时，能够将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的气体压强设为1.3kPa(10Torr)以上且50.0kPa(376Torr)以下。
进一步，能够将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的气体压强设为12.0kPa(90Torr)以上且33.3kPa(250Torr)以下。
通过这种气体压强条件，能够更加有效地抑制非单晶金刚石的生长，从而能够获得具有高结晶性的单晶金刚石。
此外，能够将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的放电功率密度设为188W/cm2以上且942W/cm2以下。
通过这种放电功率密度条件，能够更加有效地抑制非单晶金刚石的生长，从而能够获得具有高结晶性的单晶金刚石。
此外，能够将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的放电电流密度设为0.09A/cm2以上且0.85A/cm2以下。
通过这种放电电流密度条件，能够更加有效地抑制非单晶金刚石的生长，从而能够获得具有高结晶性的单晶金刚石。
此外，在本发明的金刚石衬底的制造方法中，能够将所述基底衬底设为单晶金刚石的单层衬底。
通过以此方式采用单晶金刚石作为基底衬底，能够更加有效地以[111]高度取向、高密度的方式形成含有NVC的金刚石晶体的NV轴。
此时，优选将所述单晶金刚石的单层衬底设为单晶金刚石(111)，且主表面相对于晶面方位(111)在晶轴[-1-1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角(offset angle)，该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
通过将这种单晶金刚石(111)用作基底衬底，易于进行台阶流生长(step-flowgrowth)，进而能够形成小丘(hillock)、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石。
此外，能够将所述单晶金刚石的单层衬底设为高温高压合成单晶金刚石、异质外延单晶金刚石、CVD合成同质外延金刚石、及将它们进行组合而得到的单晶金刚石中的任一种。
作为本发明的金刚石衬底的制造方法中的基底衬底，能够适当采用这些单晶金刚石。
此外，在本发明的金刚石衬底的制造方法中，能够将所述基底衬底设为由下层衬底与该下层衬底上的中间层组成的层叠结构。
作为本发明的金刚石衬底的制造方法中的基底衬底，也能够采用具有这种层叠结构的衬底。
此时，能够将所述中间层的最外表面设为选自铱(Ir)、铑(Rh)、钯(Pd)、及铂(Pt)的金属层。
通过利用这种金属层来形成中间层的最外表面，在成核处理(偏压处理)时，金刚石晶核易于成为高密度，并易于在其上方形成单晶金刚石层。
此外，能够将所述下层衬底设为：由单一的硅(Si)、氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、或碳化硅(SiC)组成的衬底；或者，由选自Si、MgO、Al2O3、SiO2、Si3N4、或SiC的层的多层组成的层叠体。
若将这些材料作为下层衬底，则易于设定中间层还有基底衬底的主表面的晶面方位(包含偏移角)，因此优选作为基底衬底的下层衬底的材料。
此外，能够将所述下层衬底设为Si(111)、或设为在所述下层衬底与所述中间层之间进一步包含Si(111)层。
通过设为这种结构，能够进行有利于金刚石衬底的大面积化的外延生长。
此时，能够将所述下层衬底的Si(111)、或所述下层衬底与所述中间层之间的Si(111)层设为：主表面相对于晶面方位(111)，在晶轴[-1-1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
通过以此方式构成基底衬底的层叠结构，易于进行台阶流生长，能够形成小丘、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石晶体。
此外，能够将所述下层衬底设为MgO(111)、或设为在所述下层衬底与所述中间层之间进一步包含MgO(111)层。
通过制成这种结构，能够进行有利于金刚石衬底的大面积化的外延生长。
此时，能够将所述下层衬底的MgO(111)、或所述下层衬底与所述中间层之间的MgO(111)层设为：主表面相对于晶面方位(111)，在晶轴[-1-12]方向或其三重对称方向上具有偏移角，该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
通过以此方式构成基底衬底的层叠结构，易于进行台阶流生长，能够形成小丘、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石晶体。此外，这种MgO(111)由于晶格常数与金刚石相近，因此能够进行高质量的金刚石晶体的外延生长。
此外，本发明在上述金刚石衬底的制造方法中，能够在利用所述CVD法进行金刚石晶体的形成的腔室中，不使用含Si构件。
由此，不会有Si混入所形成的金刚石晶体中，在将制造出的金刚石衬底用作电性及磁性器件时，没有来自硅-空位中心的噪声(noise)影响，能够高灵敏度化。
此时，能够将蓝宝石用于所述腔室的观察窗。
由此，能够在没有Si混入所形成的金刚石晶体中的情况下，肉眼观查CVD中的制程的情况，且同时能够利用辐射温度计(radiation thermometer)进行温度的确认等。
此外，本发明也能够自通过上述金刚石衬底的制造方法所获得的包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底去除所述基底衬底，以获得包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的单晶金刚石自立式衬底。
由此，能够获得一种单晶金刚石自立式衬底，其包含高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC的金刚石晶体层。该单晶金刚石自立式衬底可适用于电子及磁性器件。
此外，本发明也能够将通过上述金刚石衬底的制造方法所获得的包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底的所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的表面平滑化。
由此，能够抑制在具有NVC的金刚石晶体层的表面处的光的漫射，能够增加可提取的氮空位中心光(NV-中心光)。
此外，本发明提供一种金刚石衬底，其包含具有氮空位中心的金刚石晶体层，该金刚石衬底的特征在于，利用光致发光(photoluminescence，PL)装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间(integration time)为1秒、累计次数(number ofintegration times)为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对所述具有氮空位中心的金刚石晶体层进行测定时，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-≥2800计数(counts)。
这种金刚石衬底为高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC。此外，因而可适用于电子及磁性器件。
此时，优选：利用所述光致发光装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对所述具有氮空位中心的金刚石晶体层进行测定时，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼≥0.04。
此外，优选：所述具有氮空位中心的金刚石晶体层中的氮浓度[N]为：5×1017个原子/cm3≤[N]≤9×1019个原子/cm3。
通过具有这些物性，能够制成一种具有特性更加良好的含有NVC的金刚石晶体的金刚石衬底。
此外，优选所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的表面的平均表面粗糙度Ra为：Ra≤270nm。
若为这种表面粗糙度，则能够抑制在具有NVC的金刚石晶体层的表面处的光的漫射，能够增加可提取的NV-中心光。
发明效果
如上所述，根据本发明的金刚石衬底的制造方法，能够制造一种金刚石衬底，其形成有高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC的金刚石晶体层。这种金刚石晶体能够适用于电子及磁性器件。
此外，根据本发明的金刚石衬底，能够提供一种高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC，并可适用于电子及磁性器件的金刚石衬底。
附图说明
图1示出在本发明的单层基底衬底上形成了含有NVC的金刚石的例子。
图2示出在本发明的层叠基底衬底上形成了含有NVC的金刚石的例子。
图3示出在本发明的层叠基底衬底上形成了未掺杂氮的金刚石、含有NVC的金刚石的例子。
图4示出本发明的残留了含有NVC的金刚石层/未掺杂氮的金刚石层的金刚石衬底的例子。
图5是说明衬底的晶面方位的示意图。
具体实施方式
以下，详细说明本发明，但本发明不受限于这些实施方式。
如上所述，需求获得一种适用于电子及磁性器件、大直径(大口径)、高结晶性、NV轴为[111]高度取向、且具有高密度的NVC的金刚石衬底。
本申请的发明人针对上述问题反复进行了深入研究，其结果，发现通过以下的金刚石衬底的制造方法，能够获得高结晶性、NV轴为[111]高度取向、且具有高密度的NVC的金刚石衬底，从而完成了本发明，该金刚石衬底的制造方法为利用微波等离子体CVD法、直流等离子体CVD法、热丝CVD法、及电弧放电等离子体喷射CVD法中的任一种CVD法，并使用包含烃气与作为稀释用气体的氢气的原料气体，在基底衬底上形成金刚石晶体以制造金刚石衬底的方法，该制造方法的特征在于，为了在形成于所述基底衬底上的金刚石晶体的至少一部分形成具有氮空位中心的金刚石晶体层，在将氮气或氮化物气体混入所述原料气体的同时，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，将烃气的量设为0.005体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.995体积％；将氮气或氮化物气体的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下，从而形成所述具有氮空位中心的金刚石晶体层。
在用于形成具有NVC的金刚石晶体层的原料气体中，作为烃气，能够使用甲烷气体、乙炔、乙烯、乙烷、丙烷等，但甲烷气体易于廉价地取得高纯度气体也易于操作，故而优选。
若甲烷气体等烃气的量小于0.005体积％，则基于氢的蚀刻效果会变高，进而金刚石会变得不易生长。烃气的量的更优选范围为0.01体积％以上，进一步优选为0.05体积％以上，最优选为0.1体积％以上为宜。另一方面，当烃气的量超过6.0体积％时，若进行长时间生长，则金刚石会多晶化，因此不易获得质量良好的单晶。烃气的量更优选为5.5体积％以下，进一步优选为5.0体积％以下为宜。
此外，在该原料气体中，当氮气或氮化物气体的量小于5.0×10-5体积％时，对金刚石晶体的氮掺杂量过少，NVC密度也会变低。氮气或氮化物气体的更优选范围为5.0×10-4体积％以上，进一步优选为1.0×10-3体积％以上为宜。另一方面，当该氮气或氮化物气体的量超过5.0×10-1体积％时，若进行长时间生长，则金刚石容易多晶化，因此难以获得质量良好的单晶。更优选的氮气或氮化物气体的量的范围为1.0×10-2体积％以下为宜。作为氮化物气体，能够使用氨气、氧化氮、二氧化氮等，但氮气易于廉价地取得高纯度气体也易于操作，故而优选。
如上所述，作为烃气，优选使用甲烷气体，作为混入原料气体中的氮气或氮化物气体，优选使用氮气。在此情况下，作为原料气体所包含的各种气体的量，优选将甲烷气体的量设为0.1体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.900体积％；将氮气的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下。
此时，若将利用各种CVD法形成金刚石晶体时的气体压强设为1.3kPa(10Torr)以上且50.0kPa(376Torr)以下，则能够有效防止金刚石的多晶化，因此能够获得质量良好的单晶，故而优选。若气体压强过低，则难以发生放电，而且等离子体密度过低，难以获得质量良好的单晶金刚石。另一方面，若气体压强过高，则放电仍然难以发生，或容易发生因高温造成结晶性下降，进而导致金刚石的形成范围变小等问题。气体压强的更优选范围是12.0kPa(90Torr)以上且33.3kPa(250Torr)以下。
此外，通过提高在利用各种CVD法形成金刚石晶体时的放电功率密度，能够有效进行金刚石的生长，因此优选将该放电功率密度设为188W/cm2以上且942W/cm2以下。该放电功率密度更优选为210W/cm2以上为宜。若放电功率密度过高，则在进行长时间生长时，容易引起金刚石的多晶化，因此更优选为800W/cm2以下为宜。由此，能够获得质量良好的单晶。
此外，由于通过提高利用各种CVD法形成金刚石晶体时的放电电流密度，能够有效推进金刚石的生长，因此优选将该放电电流密度设为0.09A/cm2以上且0.85A/cm2以下。该放电电流密度更优选为0.10A/cm2以上为宜。若放电电流密度过高，则进行长时间生长时，容易引起金刚石的多晶化，因此更优选为0.70A/cm2以下为宜。由此，能够获得质量良好的单晶。
以下，参照附图进行说明。首先，对本说明书所使用的术语加以定义。
在本说明书中，将主表面为(111)面的晶体层、晶体膜简称为“(111)层”、“(111)膜”。例如，将主表面为(111)面的单晶金刚石层称为“单晶金刚石(111)层”。
此外，图5示出偏移角的关系。图5示出了主面为(111)面的衬底的[-1 -1 2]方向与其三重对称方向、即[-1 2 -1]、[2 -1 -1]方向与偏移角的概念图。另外，在本说明书中，将
方向标记为[-1 -1 2]方向。其他方向也同样地将通常的米勒指数(Millerindex)的标记中的附加在数字上方的线以数字前的“-”代替。
(含有NVC的金刚石衬底的制造方法)
如上所述，对于本发明中的用于在基底衬底上形成金刚石晶体的化学气相沉积(CVD)法，能够举出微波等离子体CVD法、直流等离子体CVD法、热丝CVD法、电弧放电等离子体喷射CVD法。其中，利用微波等离子体CVD法和直流等离子体CVD法所获得的金刚石为高结晶性，并且为小丘、异常生长粒子、位错缺陷较少且杂质控制性良好的高质量的单晶金刚石。
为了将NV轴以[111]高度取向、高密度的方式形成，优选将基底衬底设为单晶金刚石的单层衬底，特别是以设为在基底衬底上使用单晶金刚石(111)的外延生长为宜。图1示出在基底衬底11上形成了含有NVC的金刚石层12的金刚石衬底100。若参照图1进行说明，则作为基底衬底11，优选使用单晶金刚石的单层衬底，且特别优选使用单晶金刚石(111)。
此外，在此情况下，作为用作基底衬底11的单晶金刚石(111)，优选设为：主表面相对于晶面方位(111)，在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，且该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。通过将这种单晶金刚石(111)用作基底衬底11，易于进行台阶流生长，进而能够形成小丘、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石。
此外，能够将用作基底衬底11的单晶金刚石的单层衬底设成：高温高压合成单晶金刚石、异质外延单晶金刚石、CVD合成同质外延金刚石、及对它们进行组合而得到的单晶金刚石中的任一种。作为本发明的基底衬底11，能够适当采用这些单晶金刚石。
除此之外，在本发明的金刚石衬底的制造方法中，可将基底衬底设为由下层衬底与该下层衬底上的中间层组成的层叠结构。图2示出在层叠结构的基底衬底上形成了含有NVC的金刚石层的金刚石衬底200。即，图2的金刚石衬底200中，使用由下层衬底13与中间层14组成的层叠结构作为基底衬底21并在该基底衬底21上形成了含有NVC的金刚石层15。
中间层14可以是单层，也可以是多层的层叠体。中间层14的最外表面优选设为选自Ir、Rh、Pd、及Pt的金属层。若使用这种金属膜，则在成核处理(偏压处理)时，金刚石晶核易于成为高密度，易于在其上方形成单晶金刚石层，故而优选。
此外，在此情况下，可将下层衬底13设为：由单一的Si、MgO、Al2O3、SiO2、Si3N4、或SiC组成的衬底；或者，由选自Si、MgO、Al2O3、SiO2、Si3N4、或SiC的层的多层组成的层叠体。若将这些材料作为下层衬底13，则易于设定中间层14还有基底衬底21的主表面的晶面方位(包含偏移角)，因此优选作为基底衬底21的下层衬底13的材料。而且，这些材料的价格相对廉价且能够易于获取。
此外，可将下层衬底13设为Si(111)、或设为在下层衬底13与中间层14之间进一步包含Si(111)层。通过使用这种由Si(111)组成的下层衬底13或具有Si(111)层的基底衬底21，能够进行有利于直径4英寸(100mm)以上的衬底等金刚石衬底200的大面积化的外延生长。
此外，在此情况下，优选将下层衬底13的Si(111)、或下层衬底与中间层之间的Si(111)层设为：主表面相对于晶面方位(111)，在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，且该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。通过使用这种由Si(111)组成的下层衬底13或具有Si(111)层的基底衬底21，易于进行台阶流生长，能够形成小丘、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石晶体。当偏移角在超过-0.5°的范围内或小于+0.5°的范围内时，难以进行朝向台阶(step)方向的生长，因此无法获得良好的晶体。此外，当偏移角在小于-8.0°的范围内或超过+8.0°的范围内时，若进行长时间生长，则会发生多晶化，因此无法获得质量良好的单晶。
此外，如图2所示，在使用层叠结构的基底衬底21时，可将下层衬底13设为MgO(111)、或设为在下层衬底13与中间层14之间进一步包含MgO(111)层。通过使用这种由MgO(111)组成的下层衬底13或具有MgO(111)层的基底衬底21，能够进行有利于直径4英寸(100mm)以上的衬底等金刚石衬底200的大面积化的外延生长。此外，这种MgO(111)由于晶格常数与金刚石相近，因此能够进行高质量的金刚石晶体的外延生长。
此外，在此情况下，优选将下层衬底13的MgO(111)、或下层衬底13与中间层14间的MgO(111)层设为：主表面相对于晶面方位(111)，在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，且该偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。通过使用这种由MgO(111)组成的下层衬底13或具有MgO(111)层的基底衬底21，易于进行台阶流生长，能够形成小丘、异常生长粒子、位错缺陷等较少的高质量的单晶金刚石晶体。只要偏移角在-0.5°以下的范围内或+0.5°以上的范围内，则易于进行朝向台阶方向的生长，因此易于获得良好的晶体。此外，当偏移角在-8.0°以上的范围内或+8.0°以下的范围内时，即使进行长时间生长也不易发生多晶化，因此易于获得质量良好的单晶。
此外，在本发明的金刚石衬底的制造方法中，优选在进行利用CVD法进行金刚石晶体形成的腔室中，不使用含Si构件。在以往进行金刚石制造的通常的CVD装置中，腔室内壁使用了不锈钢，载台(stage)类使用了不锈钢及钼，绝缘体类使用了Si3N4、SiC、Al2O3、氮化硼(BN)等，观察窗使用了SiO2。若使用这种通常的CVD装置进行金刚石制造，则Si会混入金刚石晶体中，这会形成硅-空位中心(SiVC)，进而在将金刚石衬底用于电子及磁性传感器时，会成为噪声源。因此，在本发明中，优选在进行利用各种CVD方法进行金刚石晶体的形成的腔室构件(腔室内壁、载台类、观察窗等)中，不使用含Si构件。
特别是，被认为是Si混入来源的为CVD装置的腔室的观察窗。因此，优选将蓝宝石用于腔室的观察窗。
此外，在本发明中，能够自通过上述金刚石衬底的制造方法所获得的包含具有NVC的金刚石晶体层的金刚石衬底去除基底衬底。由此，能够获得包含具有NVC的金刚石晶体层的单晶金刚石自立式衬底。由此，由于在增大了含有NVC部分的存在比率的金刚石衬底中，能够减少实际使用时的噪声的原因，因此可实现高灵敏度的电子及磁性器件。另外，在基底衬底为单层时，能够去除基底衬底整体。此外，在基底衬底由下层衬底与中间层组成时，能够仅去除下层衬底，也能够去除下层衬底以及中间层。此外，也能够去除基底衬底的一部分。
图3示出当在层叠结构的基底衬底21上依次形成(由单晶组成的)未掺杂氮的金刚石层16以及(由单晶组成的)含有NVC的金刚石层15时的金刚石衬底300。图4示出自图3的金刚石衬底300去除基底衬底21的一部分(下层衬底13及中间层14)而制成由含有NVC的金刚石层15/未掺杂氮的金刚石层16组成的金刚石衬底400(金刚石衬底的自立式构造衬底)的情况。
基底衬底11、21的去除方法并无特别限定。可根据基底衬底11、21和下层衬底13及中间层14的材料而适当选择抛光等机械性处理、湿式或干式蚀刻处理等。此外，也能够组合上述各种处理。
此外，可加入将含有NVC的金刚石晶体层的表面平滑化的工序。为了平滑化，可进行机械性抛光、化学机械抛光、等离子体处理、溅镀处理、化学蚀刻等。若将含有NVC的金刚石晶体层的表面的平均表面粗糙度Ra设成270nm以下，则能够抑制光的漫射，能够增大可提取的NV-中心光。
通过上述本发明的金刚石衬底的制造方法，能够获得下述金刚石衬底。即，一种包含具有NVC的金刚石晶体层的金刚石衬底，其中，利用光致发光装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对具有NVC的金刚石晶体层进行测定时，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-≥2800计数。上述测定所使用的光致发光装置能够设为HORIBA,Ltd.制造的LabRAM-HR PL。
这种金刚石衬底为高结晶性、NV轴为[111]高度取向且具有高密度的NVC。此外，因而可适用于电子及磁性器件。
此处，优选：利用上述光致发光装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对上述具有NVC的金刚石晶体层进行测定时，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼≥0.04。
此外，优选上述具有NVC的金刚石晶体层中的氮浓度[N]为：5×1017个原子/cm3≤[N]≤9×1019个原子/cm3。
通过具有这些物性，能够制成具有特性更加良好的含有NVC的金刚石晶体的金刚石衬底。
此外，若以上述方式将含有NVC的金刚石晶体层的表面的平均表面粗糙度Ra设为270nm以下，则能够抑制光的漫射，能够增大可提取的NV-中心光，故而优选。
实施例
以下，举出实施例对本发明进行详细说明，但这些实施例并非用于限定本发明。
(实施例1)
作为基底衬底，准备直径为20.0mm、厚度为1.0mm、且主表面为(111)面、并在晶轴[-1-12]方向上具有2°的偏移角的、经单面抛光的单晶MgO衬底(以下，称为“单晶MgO(111)衬底”)。
随后，通过射频磁控溅射法(RF magnetron sputtering)，在所准备的单晶MgO(111)衬底的表面上形成单晶Ir膜的中间层。形成单晶Ir膜时，使用将直径为6英寸(150mm)、厚度为5.0mm、纯度为99.9％以上的Ir作为靶材的高频(RF)磁控溅射法(13.56MHz)。
将作为下层衬底的单晶MgO(111)衬底加热至800℃，并在确认到基准压强(basepressure)已成为6×10-7Torr(约8.0×10-5Pa)以下后，以50sccm导入氩(Ar)气。随后，调节通往排气系统的阀的开口度，从而使压强成为3×10-1Torr(约39.9Pa)后，输入1000W的RF功率，进行15分钟的制膜。
由此，获得厚度为1.0μm的单晶Ir膜。
以上述方式获得的在单晶MgO(111)衬底上层叠单晶Ir膜而成的结构按照单晶MgO衬底所带有的偏移角进行了异质外延生长。利用波长
的X射线衍射(X-raydiffraction，XRD)法对该单晶Ir膜进行分析，结果，表面为(111)面，且在晶轴[-1 -1 2]方向上附加有2°的偏移角。此外，归属于Ir(111)的位于2θ＝40.7°处的衍射峰的半值宽度(full width at half maximum，FWHM)为0.187°。以下，将该单晶Ir膜称为“Ir(111)膜”。
随后，作为用于进行金刚石成核的预处理，进行了成核处理(偏压处理)。在处理室内的直径为25mm的平板型电极上，使Ir(111)膜侧朝上而设置衬底。在确认到基准压强已成为1×10-6Torr(约1.3×10-4Pa)以下后，将氢稀释甲烷气体(CH4/(CH4+H2)＝5.0体积％)以500sccm的流量导入至处理室内。调节通往排气系统的阀的开口度，从而使压强成为100Torr(约1.3×104Pa)后，对衬底侧电极施加负电压并暴露于等离子体下90秒，从而对衬底(Ir(111))膜)表面进行偏压处理。
通过直流等离子体CVD法，使金刚石在以上述方式制成的Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底上异质外延生长。将已进行了偏压处理的Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底设置于直流等离子体CVD装置的腔室内，并在确认到基准压强已成为1×10-6Torr(约1.3×10-4Pa)以下后，将作为原料的甲烷气体、氢气的混合气体，以下述体积比并以200sccm的流量导入至腔室内。调节通往排气系统的阀的开口度，从而使腔室内的压强成为110Torr(约1.5×104Pa)后，流通6.0A的直流放电电流，进行20小时的制膜，由此进行制膜直至厚度达到约130μm。
甲烷气体 5.000体积％；
氢气 95.000体积％。
接着，将作为原料的甲烷气体、氢气、进一步添加了氮气的混合气体变更为下述体积比并以200sccm的流量导入至腔室内。将压强、放电电流保持得与之前相同。在此条件下，进行6小时的制膜，由此对氮掺杂层进行制膜直至厚度达到约20μm。
甲烷气体 2.000体积％；
氢气 97.995体积％；
氮气 5.0×10-3体积％。
由此，在Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底上使金刚石层异质外延生长，从而获得层叠衬底。
此后，去除Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底，进行自立式衬底化。首先，蚀刻去除单晶MgO(111)衬底后，利用抛光去除Ir(111)膜。其结果，获得了直径为20mm的、由厚度约为20μm的氮掺杂的单晶金刚石膜和厚度约为130μm的未掺杂的单晶金刚石(111)衬底组成的单晶金刚石(111)层叠衬底。
对该层叠结构的金刚石衬底的表面侧进行抛光加工并作为最终加工。
最后，对最终加工后的层叠衬底，进行二次离子质谱分析(secondary ion massspectroscopy，SIMS)、XRD、PL、表面粗糙度的各种分析。
利用二次离子质谱分析(SIMS)装置(CAMECA IMS-7f)，测定晶体中的氮浓度[N]。其结果，从膜的最外表面算起约10μm的深度处的氮浓度[N]为：[N]＝8×1018个原子/cm3。
利用X射线衍射(XRD)装置(RIGAKU SmartLab)，从膜的最外表面测定结晶性。其结果，仅观察到2θ＝43.9°的归属于金刚石(111)的衍射强度峰，确认到了氮掺杂的单晶金刚石膜在未掺杂的单晶金刚石(111)层上进行了外延生长。
进一步，利用光致发光(PL)装置(HORIBA,Ltd.LabRAM-HR PL)，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、室温测定(298K)的条件下进行测定。其结果，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-＝15090(计数)。
此外，INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼＝1.54。
因此，所获得的氮掺杂膜为高密度地形成有NVC的单晶金刚石(111)晶体。
另外，针对金刚石衬底的表面，使用光学式表面粗糙度仪(ZYGO公司New View5032)，对290μm×218μm的区域进行测定，结果，平均表面粗糙度Ra为147nm。
若将该含有NVC的金刚石(111)衬底适用于电子及磁性器件，则能够获得高性能器件。例如，能够获得高灵敏度的磁性传感器。
(实施例2)
作为基底衬底，准备直径为20mm、厚度为125μm、且主表面为(111)、并在晶轴[-1 -1 2]方向上具有2°的偏移角的、经单面抛光的单晶金刚石衬底。该单晶金刚石衬底的制造方法如下。首先，以与实施例1相同的顺序进行至未掺杂氮的单晶金刚石层的形成，获得未掺杂氮的单晶金刚石层/Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底。随后，去除Ir(111)膜/单晶MgO(111)衬底而进行自立式衬底化。具体而言，蚀刻去除单晶MgO(111)衬底后，利用抛光去除Ir(111)膜。结果，获得了直径为20mm且厚度约为130μm的未掺杂氮的单晶金刚石(111)自立式单层衬底。对该衬底的表面侧进行抛光加工，获得成为基底衬底的直径为20mm、厚度约为120μm、且主表面为(111)并在晶轴[-1 -1 2]方向上具有2°的偏移角的、经单面抛光的单晶金刚石衬底。
通过直流等离子体CVD法，使氮掺杂的单晶金刚石在以上述方式制成的基底衬底上外延生长。将基底衬底设置在直流等离子体CVD装置的腔室内，在确认到基准压强已成为1×10-6Torr(约1.3×10-4Pa)以下后，将作为原料的甲烷气体、氢气、进一步添加了氮气的混合气体以下述体积比并以200sccm的流量导入至腔室内。调节通往排气系统的阀的开口度，从而使腔室内的压强成为110Torr(约1.5×104Pa)后，流通6.0A的直流放电电流，进行20小时的制膜，由此对氮掺杂的单晶金刚石层进行制膜直至厚度达到约70μm。
甲烷气体 0.200体积％；
氢气 99.795体积％；
氮气 5.0×10-3体积％。
由此，获得氮掺杂的单晶金刚石层/未掺杂的单晶金刚石(111)衬底的层叠金刚石衬底。
最后，对最终加工后的层叠衬底进行SIMS、XRD、PL、表面粗糙度的各种分析。
利用二次离子质谱分析(SIMS)装置(CAMECA IMS-7f)，测定晶体中的氮浓度[N]。其结果，从膜的最外表面算起约15μm的深度处的氮浓度[N]为：[N]＝8×1018个原子/cm3。
利用X射线衍射(XRD)装置(RIGAKU SmartLab)，从膜的最外表面测定结晶性。其结果，仅观察到2θ＝43.9°的归属于金刚石(111)的衍射强度峰，确认到了氮(N)掺杂的膜在未掺杂的单晶金刚石(111)衬底上进行了外延生长。
进一步，利用光致发光(PL)装置(HORIBA,Ltd.LabRAM-HR PL)，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、室温测定(298K)的条件下进行测定。其结果，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-＝341213(计数)。
此外，INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼＝4.35。
因此，所获得的氮掺杂膜为高密度地形成有NVC的单晶金刚石(111)晶体。
另外，针对金刚石衬底的表面，使用光学式表面粗糙度仪(ZYGO公司New View5032)，对290μm×218μm的区域进行测定，结果，平均表面粗糙度Ra为261nm。
若将该含有NVC的金刚石(111)衬底适用于电子及磁性器件，则能够获得高性能器件。例如，能够获得高灵敏度的磁性传感器。
(实施例3)
通过直流等离子体CVD法，并以下述方式，使氮掺杂的单晶金刚石在以与实施例2相同的方式制成的直径为20mm、厚度约为120μm、且主表面为(111)、并在晶轴[-1 -1 2]方向上具有2°的偏移角的、经单面抛光的未掺杂的单晶金刚石组成的基底衬底上外延生长。
首先，将基底衬底设置在直流等离子体CVD装置的腔室内，在确认到基准压强已成为1×10-6Torr(约1.3×10-4Pa)以下后，将作为原料的乙炔(C2H2)气体、氢气、进一步添加了氨(NH3)气的混合气体变更为下述体积比并以200sccm的流量导入至腔室内。调节通往排气系统的阀的开口度，从而使腔室内的压强成为110Torr(约1.5×104Pa)后，流通6.0A的直流放电电流，进行5小时的制膜，由此对氮掺杂的层进行制膜直至厚度达到约20μm。
乙炔气体 0.500体积％；
氢气 99.485体积％；
氨气 1.5×10-2体积％。
由此，能够获得直径为20mm、由厚度约为20μm的氮掺杂的单晶金刚石膜和厚度约为120μm的未掺杂的单晶金刚石(111)衬底组成的单晶金刚石(111)层叠衬底。
对该层叠结构的金刚石衬底的表面侧进行抛光加工并作最终加工。
最后，对最终加工后的层叠衬底进行SIMS、XRD、PL、表面粗糙度的各种分析。
利用二次离子质谱分析(SIMS)装置(CAMECA IMS-7f)，测定晶体中的氮浓度[N]。其结果，从膜的最外表面算起约10μm的深度处的氮浓度[N]为：[N]＝1×1019个原子/cm3。
利用X射线衍射(XRD)装置(RIGAKU SmartLab)，从膜的最外表面测定结晶性。其结果，仅观察到2θ＝43.9°的归属于金刚石(111)的衍射强度峰，确认到了氮掺杂的单晶金刚石膜在未掺杂的单晶金刚石(111)层上进行了外延生长。
进一步，利用光致发光(PL)装置(HORIBA,Ltd.LabRAM-HR PL)，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、室温测定(298K)的条件下进行测定。其结果，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-＝84290(计数)。
此外，INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：
INV-/I拉曼＝2.93。
因此，所获得的氮掺杂膜为高密度地形成有NVC的单晶金刚石(111)晶体。
另外，针对金刚石衬底的表面，使用光学式表面粗糙度仪(ZYGO公司New View5032)，对290μm×218μm的区域进行测定，结果，平均表面粗糙度Ra为12nm。
若将该含有NVC的金刚石(111)衬底适用于电子及磁性器件，则能够获得高性能器件。例如，能够获得高灵敏度的磁性传感器。
(实施例4)
作为基底衬底，准备2.0mm的正方形、厚度为0.5mm、且主表面为(111)面、并在晶轴[-1-1 2]方向上具有2°的偏移角的、经单面抛光的高温高压合成Ib型单晶金刚石衬底(以下，称为“HPHT(111)衬底”)。
随后，通过直流等离子体CVD法，使金刚石在所准备的HPHT(111)衬底上外延生长。将该衬底设置在直流等离子体CVD装置的腔室内，在确认到基准压强已成为1×10-6Torr(约1.3×10-4Pa)以下后，将作为原料的甲烷气体、氢气、进一步添加了氮气的混合气体以下述体积比并以200sccm的流量导入至腔室内。调节通往排气系统的阀的开口度，从而使腔室内的压强成为110Torr(约1.5×104Pa)后，流通6.0A的直流放电电流，进行20小时的制膜，由此进行制膜直至厚度达到约3μm。
甲烷气体 0.005体积％；
氢气 99.995体积％；
氮气 5.0×10-5体积％。
由此，获得2.0mm的正方形的、由厚度约为3μm的氮掺杂的单晶金刚石膜和厚度约为0.5mm的基底的HPHT(111)衬底组成的单晶金刚石(111)层叠衬底。
最后，对最终加工后的层叠衬底进行SIMS、XRD、PL、表面粗糙度的各种分析。
利用二次离子质谱分析(SIMS)装置(CAMECA IMS-7f)，测定晶体中的氮浓度[N]。其结果，从膜的最外表面算起约10μm的深度处的氮浓度[N]为：[N]＝5×1017个原子/cm3。
利用X射线衍射(XRD)装置(RIGAKU SmartLab)，从膜的最外表面测定结晶性。其结果，仅观察到2θ＝43.9°的归属于金刚石(111)的衍射强度峰，确认到了氮掺杂的单晶金刚石膜在未掺杂的单晶金刚石(111)层上进行了外延生长。
进一步，利用光致发光(PL)装置(HORIBA,Ltd.LabRAM-HR PL)，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、室温测定(298K)的条件下进行测定。其结果，NV-中心光(波长637nm)的光强度INV-为：INV-＝2890(计数)。
此外，INV-与拉曼散射光(波长573nm)的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼＝0.05。
因此，所获得的氮掺杂膜为高密度地形成有NVC的单晶金刚石(111)晶体。
另外，针对金刚石衬底的表面，使用光学式表面粗糙度仪(ZYGO公司New View5032)，对290μm×218μm的区域进行测定，结果，平均表面粗糙度Ra为40nm。
若将该含有NVC的金刚石(111)衬底适用于电子及磁性器件，则能够获得高性能器件。例如，能够获得高灵敏度的磁性传感器。
另外，本发明不限于上述实施方式。上述实施方式仅为例示，任何与本发明的申请专利范围所记载的技术构思具有实质相同的构成、发挥同样技术效果的技术方案均包含于本发明的技术范围内。
Claims (24)
1.一种金刚石衬底的制造方法，其为利用微波等离子体CVD法、直流等离子体CVD法、热丝CVD法、及电弧放电等离子体喷射CVD法中的任一种CVD法，并使用包含烃气与作为稀释用气体的氢气的原料气体，在基底衬底上形成金刚石晶体以制造金刚石衬底的方法，该制造方法的特征在于，
为了在形成于所述基底衬底上的金刚石晶体的至少一部分形成具有氮空位中心的金刚石晶体层，在将氮气或氮化物气体混入所述原料气体的同时，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，将烃气的量设为0.005体积％以上且6.000体积％以下；将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.995体积％；将氮气或氮化物气体的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下，从而形成所述具有氮空位中心的金刚石晶体层。
2.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，
作为所述烃气，使用甲烷气体，
作为混入所述原料气体中的氮气或氮化物气体，使用氮气，
并且，对于所述原料气体所包含的各种气体的量，
将甲烷气体的量设为0.1体积％以上且6.000体积％以下；
将氢气的量设为93.500体积％以上且小于99.900体积％；
将氮气的量设为5.0×10-5体积％以上且5.0×10-1体积％以下。
3.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的气体压强设为1.3kPa以上且50.0kPa以下，也就是10Torr以上且376Torr以下。
4.根据权利要求3所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的气体压强设为12.0kPa以上且33.3kPa以下，也就是90Torr以上且250Torr以下。
5.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的放电功率密度设为188W/cm2以上且942W/cm2以下。
6.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将利用所述CVD法形成金刚石晶体时的放电电流密度设为0.09A/cm2以上且0.85A/cm2以下。
7.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述基底衬底设为单晶金刚石的单层衬底。
8.根据权利要求7所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述单晶金刚石的单层衬底设为单晶金刚石(1 1 1)，且主表面相对于晶面方位(1 1 1)在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，所述偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
9.根据权利要求7所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述单晶金刚石的单层衬底设为高温高压合成单晶金刚石、异质外延单晶金刚石、CVD合成同质外延金刚石、及将它们进行组合而得到的单晶金刚石中的任一种。
10.根据权利要求1所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述基底衬底设为由下层衬底与该下层衬底上的中间层组成的层叠结构。
11.根据权利要求10所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述中间层的最外表面设为选自Ir、Rh、Pd、及Pt的金属层。
12.根据权利要求10所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述下层衬底设为：由单一的Si、MgO、Al2O3、SiO2、Si3N4、或SiC组成的衬底；或者，由选自Si、MgO、Al2O3、SiO2、Si3N4、或SiC的层的多层组成的层叠体。
13.根据权利要求10所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述下层衬底设为Si(1 1 1)、或设为在所述下层衬底与所述中间层之间进一步包含Si(1 1 1)层。
14.根据权利要求13所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述下层衬底的Si(1 1 1)、或所述下层衬底与所述中间层之间的Si(1 1 1)层设为：主表面相对于晶面方位(1 1 1)，在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，所述偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
15.根据权利要求10所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述下层衬底设为MgO(1 1 1)、或设为在所述下层衬底与所述中间层之间进一步包含MgO(1 1 1)层。
16.根据权利要求15所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将所述下层衬底的MgO(1 1 1)、或所述下层衬底与所述中间层之间的MgO(1 1 1)层设为：主表面相对于晶面方位(1 1 1)，在晶轴[-1 -1 2]方向或其三重对称方向上具有偏移角，所述偏移角在-8.0°以上且-0.5°以下、或+0.5°以上且+8.0°以下的范围内。
17.一种金刚石衬底的制造方法，其特征在于，在权利要求1～16中任一项所述的金刚石衬底的制造方法中，在利用所述CVD法进行金刚石晶体的形成的腔室中，不使用含Si构件。
18.根据权利要求17所述的金刚石衬底的制造方法，其特征在于，将蓝宝石用于所述腔室的观察窗。
19.一种金刚石衬底的制造方法，其特征在于，自通过权利要求1～16中任一项所述的金刚石衬底的制造方法所获得的包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底，去除所述基底衬底，以获得包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的单晶金刚石自立式衬底。
20.一种金刚石衬底的制造方法，其中，将通过权利要求1～16中任一项所述的金刚石衬底的制造方法所获得的包含所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的金刚石衬底的所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的表面平滑化。
21.一种金刚石衬底，其包含具有氮空位中心的金刚石晶体层，该金刚石衬底的特征在于，
利用光致发光装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对所述具有氮空位中心的金刚石晶体层进行测定时，波长637nm的NV-中心光的光强度INV-为：INV-≥2800计数。
22.根据权利要求21所述的金刚石衬底，其特征在于，利用所述光致发光装置，在激发光波长为532nm、激发光强度为2.0mW、累计时间为1秒、累计次数为3次、孔径为100μm、物镜为15倍、298K的室温测定的条件下，对所述具有氮空位中心的金刚石晶体层进行测定时，波长637nm的NV-中心光的光强度INV-与波长573nm的拉曼散射光的光强度I拉曼的比INV-/I拉曼为：INV-/I拉曼≥0.04。
23.根据权利要求21所述的金刚石衬底，其特征在于，所述具有氮空位中心的金刚石晶体层中的氮浓度[N]为：5×1017个原子/cm3≤[N]≤9×1019个原子/cm3。
24.根据权利要求21所述的金刚石衬底，其特征在于，所述具有氮空位中心的金刚石晶体层的表面的平均表面粗糙度Ra为：Ra≤270nm。
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