CN114672879A - 多晶金刚石自立基板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

提供正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均优异的多晶金刚石自立基板。本发明的多晶金刚石自立基板(100)具有正面(100A)和背面(100B)。正面(100A)的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，背面(100B)的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，正面(100A)的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，厚度为300μm以上且3mm以下。

Description

多晶金刚石自立基板及其制备方法
技术领域
本发明涉及多晶金刚石自立基板及其制备方法。
背景技术
作为用于制作高频器件或功率器件等高耐压的半导体器件的基板，多晶金刚石自立基板受到关注。
在专利文献1中，记载了用化学气相生长法(CVD法)使厚度为5~2000μm的多晶金刚石层在基体上生长，然后，除去基体以将多晶金刚石层制成自立基板的内容。在专利文献1中，记载了通过在成膜时使气氛中含有氮，金刚石粒子的粒径不会随着膜厚的增大而增大，从而可在生长面和内部双方均形成粒径低于1μm的多晶金刚石层的要点。因此，若在形成多晶金刚石层后除去基体，则应可得到两面的金刚石粒子的粒径均低于1μm的多晶金刚石自立基板。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-172988号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1中，由于多晶金刚石层的厚度薄至5~2000μm，所以作为自立基板无法得到充分的机械强度，在除去基体后多晶金刚石层会破裂。另外，即使在形成厚的多晶金刚石层，从而作为自立基板得到充分的机械强度的情况下，本发明人仍认识到存在以下的课题。
设想在多晶金刚石自立基板的一面粘贴异种基板，在该异种基板上制作半导体器件的情况。在多晶金刚石自立基板的两面中，将上述一面称为“正面”，将另一面称为“背面”。在这种情况下，对于多晶金刚石自立基板的正面，要求与异种基板的良好接合性。另外，若考虑半导体器件的自身发热，则对于多晶金刚石自立基板的背面，要求高散热性。已知在专利文献1中，即使在形成厚的多晶金刚石层，从而作为自立基板得到充分的机械强度的情况下，正面的与异种基板的接合性和背面的散热性也都不能充分获得。
鉴于上述课题，本发明的目的在于提供正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均优异的多晶金刚石自立基板、及其有利的制备方法。此外，本发明的目的在于提供使用该多晶金刚石自立基板的层叠基板及其制备方法。
解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明人进行了深入研究，得到以下的见解。首先知晓，为了得到正面的与异种基板的优异的接合性，需要使正面的算术平均粗糙度Ra为3nm以下。另外知晓，为了得到背面的优异的散热性，重要的是使正面的金刚石粒子的平均粒径为100nm以下这样的极微细，并且有意地使背面的金刚石粒子的平均粒径增大到1000nm以上。
另外，为了在正面使金刚石粒子成为平均粒径100nm以下的极细微，且在背面使金刚石粒子成为平均粒径1000nm以上的粗大，发现采用以下的制备方法为宜。首先，在半导体基板上附着平均粒径为100nm以下的金刚石粒子，以金刚石粒子为核，通过CVD法，在半导体基板上生长厚度为300μm以上且3mm以下的多晶金刚石层。多晶金刚石层具有与半导体基板相接的生长开始面和与半导体基板相反一侧的生长面。接着，除去半导体基板，得到多晶金刚石自立基板。此时，由于以平均粒径为100nm以下的金刚石粒子为核，所以在多晶金刚石层的生长开始面，金刚石粒子的平均粒径为100nm以下。因此，只要将多晶金刚石层的生长开始面设定为多晶金刚石自立基板的正面即可。另一方面，在成膜的过程中，随着多晶金刚石层的厚度增加，金刚石粒子的粒径增大，因此在多晶金刚石层的生长面，金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上。因此，只要将多晶金刚石层的生长面设定为多晶金刚石自立基板的背面即可。
而且发现，若正面的金刚石粒子的平均粒径为100nm以下，则可容易地使正面的算术平均粗糙度Ra为3nm以下。具体而言，若正面的金刚石粒子的平均粒径为3nm以下，则基本上可不抛光正面而使Ra为3nm以下。即使在正面的金刚石粒子的平均粒径超过3nm的情况下，只要为100nm以下，则通过抛光正面也可容易地使Ra为3nm以下。
基于上述见解而完成的本发明的主旨构成如下。
[1] 多晶金刚石自立基板，其是具有正面和背面的多晶金刚石自立基板，其中，
所述正面的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，
所述背面的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，
所述正面的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，
厚度为300μm以上且3mm以下。
[2] 层叠基板，其具有：
上述[1]所述的多晶金刚石自立基板，和
贴合在所述正面的SiC基板、GaN基板、Ga2O3基板或单晶金刚石基板。
[3] 多晶金刚石自立基板的制备方法，其具有：
在半导体基板上附着平均粒径为1nm以上且100nm以下的金刚石粒子的工序，
以所述金刚石粒子为核，通过化学气相生长法，在所述半导体基板上生长厚度为300μm以上且3mm以下的多晶金刚石层，所述多晶金刚石层具有与所述半导体基板相接的生长开始面和与所述半导体基板相反一侧的生长面的工序，
然后，除去所述半导体基板而使所述生长开始面露出，得到由所述多晶金刚石层构成的多晶金刚石自立基板的工序，和
将所述多晶金刚石层的生长开始面设定为所述多晶金刚石自立基板的正面，将所述多晶金刚石层的生长面设定为所述多晶金刚石自立基板的背面的工序；
得到所述多晶金刚石自立基板，其中，所述正面的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，所述背面的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，所述正面的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，厚度为300μm以上且3mm以下。
[4] 上述[3]所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，其还具有抛光所述多晶金刚石自立基板的正面的工序。
[5] 上述[3]或[4]所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，其中，所述半导体基板为硅基板、蓝宝石基板或SiC基板。
[6] 层叠基板的制备方法，其具有：
上述[3]~[5]中任一项所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，和
在所述多晶金刚石自立基板的正面贴合SiC基板、GaN基板、Ga2O3基板或单晶金刚石基板，得到层叠基板的工序。
发明的效果
本发明的多晶金刚石自立基板的正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均优异。根据本发明的多晶金刚石自立基板的制备方法，可制备正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均优异的多晶金刚石自立基板。此外，本发明可提供使用该多晶金刚石自立基板的层叠基板及其制备方法。
附图说明
[图1] 根据本发明的一个实施方式的多晶金刚石自立基板100的示意截面图。
[图2] (A)~(E)是说明根据本发明的一个实施方式的多晶金刚石自立基板100的制备方法的示意截面图。
[图3] 根据本发明的一个实施方式的层叠基板200的示意截面图。
[图4] (A)、(B)是说明根据本发明的一个实施方式的层叠基板200的制备方法的示意截面图。
[图5] 发明例1的多晶金刚石自立基板的拉曼光谱。
具体实施方式
(多晶金刚石自立基板)
参照图1，根据本发明的一个实施方式的多晶金刚石自立基板100具有正面100A和背面100B，正面100A的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，背面100B的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，正面100A的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，厚度为300μm以上且3mm以下。
[金刚石粒子的平均粒径]
在本实施方式中，重要的是多晶金刚石自立基板100的正面100A的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下。在该平均粒径超过100nm的情况下，从背面的散热性不充分。认为其原因在于，若在正面侧的表层部形成大的金刚石粒子，则粒子间的间隙变大，热滞留在该间隙中，向背面的热传输性差。若在正面侧的表层部高密度地形成小的金刚石粒子，则粒子间的间隙变小，向背面的热传输性提高，背面的散热性优异。因此，该平均粒径设为100nm以下。另外，通过将该平均粒径设为100nm以下，可容易地使正面100A的算术平均粗糙度Ra为3nm以下。需说明的是，从作为核附着的金刚石粒子的平均粒径的下限(参照后述的制备方法)的观点出发，正面100A的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上。
在本实施方式中，重要的是多晶金刚石自立基板100的背面100B的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下。在该平均粒径低于1000nm的情况下，背面的散热性不充分。在该平均粒径超过4000nm的情况下，在真空吸附背面以进行基板输送时，有导致吸附失误之虞。
在本发明中，正面100A和背面100B各自的“金刚石粒子的平均粒径”遵照以下的定义。即，在正面和背面的各面，用光学显微镜观测以多晶金刚石自立基板的中心点和多晶金刚石自立基板的半径95%的圆周与直径的2个交点的共计3个点分别为中心的10μm×10μm的3个区域，将这3个区域的全部金刚石粒子的粒径的算术平均值定义为“金刚石粒子的平均粒径”。需说明的是，“金刚石粒子的粒径”是金刚石粒子的长轴的长度。
由于后述的制备方法，沿着多晶金刚石自立基板100的厚度方向的金刚石粒子的平均粒径的变化成为在从正面100A向背面100B渐增后，逐渐饱和的形态。
[正面的算术平均粗糙度Ra]
在本实施方式中，重要的是多晶金刚石自立基板100的正面100A的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下。因此，正面的与异种基板的接合性优异。在该Ra超过3nm的情况下，正面的与异种基板的接合性不充分。需说明的是，在本发明中“正面的算术平均粗糙度Ra”是依据JIS B0601-2001的算术平均粗糙度。具体而言，在正面，使用具有直径为7nm的探针的原子力显微镜(AFM：Atomic Force Microscope)观察以多晶金刚石自立基板的中心点和多晶金刚石自立基板的半径95%的圆周与直径的2个交点的共计3个点分别为中心的20μm×20μm的3个区域，将表面形状图像化。从得到的表面形状，依据JIS B0601-2001算出各区域的算术平均粗糙度Ra，采用其算术平均值作为“正面的算术平均粗糙度Ra”。
[多晶金刚石自立基板的厚度和直径]
多晶金刚石自立基板100的厚度为300μm以上且3mm以下。在该厚度低于300μm的情况下，作为自立基板无法得到充分的机械强度，在除去半导体基板10后多晶金刚石层会破裂。在该厚度超过3mm的情况下，加工时间变得过长。多晶金刚石自立基板100的直径无特殊限定，例如可设为50mm以上且300mm以下。需说明的是，对于“多晶金刚石自立基板的厚度”，采用：在以多晶金刚石自立基板的中心点和多晶金刚石自立基板的半径95%的圆周与直径的2个交点的共计3个点分别为中心的10μm×10μm的3个区域，用光学显微镜进行截面观察而测定的厚度的平均值。
在本发明中，多晶金刚石自立基板的“正面”是制作半导体器件或粘贴异种基板的面，多晶金刚石自立基板的“背面”是正面的相反侧的表面。在这里，在多晶金刚石自立基板的正面或背面，刻印记录有产品信息的识别符(激光标记)。因此，将多晶金刚石自立基板的正面和背面明确地区分开来。需说明的是，在本实施方式中，优选在多晶金刚石自立基板的背面刻印激光标记。
(多晶金刚石自立基板的制备方法)
参照图2(A)~(E)，根据本发明的一个实施方式的多晶金刚石自立基板100的制备方法具有以下的工序。首先，如图2(A)、(B)所示，在半导体基板10上附着平均粒径为1nm以上且100nm以下的金刚石粒子12。然后，如图2(B)、(C)所示，以金刚石粒子12为核，通过化学气相生长法(CVD法：Chemical Vapor Deposition)，在半导体基板10上生长厚度为300μm以上且3mm以下的多晶金刚石层14。此时，多晶金刚石层14具有与半导体基板10相接的生长开始面14A和与半导体基板10相反一侧的生长面14B。然后，如图2(D)、(E)所示，除去半导体基板10而使生长开始面14A露出，得到由多晶金刚石层14构成的多晶金刚石自立基板100。在这里，在本实施方式中，重要的是将多晶金刚石层14的生长开始面14A设定为多晶金刚石自立基板100的正面100A，且将多晶金刚石层14的生长面14B设定为多晶金刚石自立基板100的背面100B，为了对此进行描绘，在图2(E)中，使图2(D)的多晶金刚石自立基板反转。
本实施方式的多晶金刚石自立基板100的制备方法中，作为任选的工序，可在除去半导体基板10前(图2(C)之后且图2(D)之前)抛光多晶金刚石层14的生长面14B而使其平坦化。
本实施方式的多晶金刚石自立基板100的制备方法中，作为任选的工序，可在除去半导体基板10后(图2(D)之后)抛光多晶金刚石层的生长开始面14A而使其平坦化。
这样，可得到图1所示的多晶金刚石自立基板100。以下，详细地说明本实施方式的各工序。
[半导体基板的准备]
参照图2(A)，首先，准备半导体基板10。半导体基板10优选为硅基板、蓝宝石基板或SiC基板。半导体基板10的厚度优选设为200μm以上且3mm以下。在厚度低于200μm的情况下，由于半导体基板翘曲而产生多晶金刚石层的剥离，或产生半导体基板的破裂。另外，在厚度超过3mm的情况下，从后述的半导体基板10的除去工序的加工时间或材料成本的观点出发是不优选的。半导体基板10的直径可设为与所希望的多晶金刚石自立基板100的直径相同。
[金刚石粒子的附着]
如图2(A)、(B)所示，在半导体基板10上附着平均粒径为1nm以上且100nm以下的金刚石粒子12。在半导体基板10上附着金刚石粒子12的方法无特殊限定，作为一个实例，可列举出以下的方法。
[[含有金刚石粒子的溶液的涂布]]
首先，在半导体基板10上涂布含有金刚石粒子的溶液，在半导体基板10上形成含有金刚石粒子的液膜。作为涂布方法，可列举出旋涂法、喷雾法和浸渍法，特别优选旋涂法。根据旋涂法，可只在半导体基板10的两面中想要附着金刚石粒子12的一侧的表面均匀地涂布含有金刚石粒子的溶液。
重要的是使含有金刚石粒子的溶液中所含有的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下。若该平均粒径为1nm以上，则在使多晶金刚石层14生长的初期阶段，可抑制金刚石粒子因溅射作用而从半导体基板10的表面被弹飞的现象，另外，可使附着在半导体基板10上的金刚石粒子12的平均粒径为1nm以上。若该平均粒径为100nm以下，则使多晶金刚石层不会异常生长而能够致密地成膜，另外，可使附着在半导体基板10上的金刚石粒子12的平均粒径为100nm以下。这样的尺寸的金刚石粒子可通过公知的爆轰法、内爆法或粉碎法由石墨适合地制作。需说明的是，“含有金刚石粒子的溶液中所含有的金刚石粒子的平均粒径”是依据JIS 8819-2算出的平均粒径，指假定通过公知的激光衍射式粒度分布测定装置测定的粒度分布遵循正态分布而算出的平均粒径。
在这里，涂布含有金刚石粒子的溶液前的半导体基板10中，为了除去附着在其表面的金属杂质，通常使用氢氟酸等进行酸洗涤。由于经酸洗涤的半导体基板10的表面为活性的疏水面，所以颗粒容易附着在其表面上。因此，优选用纯水等洗涤经酸洗涤的半导体基板10，使半导体基板10的表面成为形成有自然氧化膜的亲水性面。或者，优选将经酸洗涤的半导体基板10长时间放置在洁净室内，在半导体基板10的表面形成自然氧化膜。由此，可抑制颗粒附着在半导体基板10的表面。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有金刚石粒子的溶液，则半导体基板10与金刚石粒子12因库仑引力而牢固地结合。由此，多晶金刚石层14对半导体基板10的密合性提高。这样带负电荷的金刚石粒子可通过对金刚石粒子实施氧化处理，使金刚石粒子以羧基或酮基为末端而得到。例如，作为氧化处理，可列举出将金刚石粒子热氧化的方法，或将金刚石粒子浸渍在臭氧溶液、硝酸溶液、过氧化氢水溶液或高氯酸溶液中的方法等。
作为含有金刚石粒子的溶液的溶剂，除水以外，可列举出甲醇、乙醇、2-丙醇和甲苯等有机溶剂，可单独使用这些溶剂，或组合2种以上使用。
含有金刚石粒子的溶液中的金刚石粒子的含量优选相对于含有金刚石粒子的溶液整体设为0.03质量%以上且10质量%以下。其原因在于，若为0.03质量%以上，则可使金刚石粒子12均匀地附着在半导体基板10上，若为10质量%以下，则可抑制附着的金刚石粒子12在多晶金刚石层14的生长过程中异常生长。
从提高金刚石粒子12与半导体基板10的密合性的观点出发，优选使含有金刚石粒子的溶液成为凝胶状，也可使含有金刚石粒子的溶液中含有增稠剂。作为增稠剂，可列举出琼脂、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，可使用它们中的一种或两种以上。在含有增稠剂的情况下，优选将含有金刚石粒子的溶液的pH设为6以上且8以下的范围。
含有金刚石粒子的溶液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，使金刚石粒子分散在溶剂中来进行即可。搅拌速度优选设为500rpm以上且3000rpm以下，搅拌时间优选设为10分钟以上且1小时以下。
[[热处理]]
接着，对半导体基板10实施热处理。由此，含有金刚石粒子的液膜中的溶剂蒸发，并且半导体基板10的表面与金刚石粒子12的结合力得到强化，从而在半导体基板10上附着金刚石粒子12。热处理中的半导体基板10的温度优选设为低于100℃，更优选设为30℃以上且80℃以下。若低于100℃，则可抑制含有金刚石粒子的溶液的沸腾所伴有的气泡的产生，因此不会在半导体基板10上产生局部不存在金刚石粒子12的部位，也没有多晶金刚石层14以该部位为起点剥离之虞。若为30℃以上，则半导体基板10与金刚石粒子12充分地结合，因此在通过CVD法使多晶金刚石层14生长的过程中，可抑制金刚石粒子12因溅射作用而被弹飞，可使多晶金刚石层14均匀地生长。另外，热处理时间优选设为1分钟以上且30分钟以下。需说明的是，作为热处理装置，只要使用公知的热处理装置即可，例如可通过将半导体基板10载置在经加热的热板上来进行。
[[其它的附着方法]]
作为在半导体基板10上附着金刚石粒子12的方法的其它的实例，可列举出损伤法。在损伤法中，通过在半导体基板10的表面埋入金刚石粒子12，在半导体基板10上附着金刚石粒子12。作为埋入金刚石粒子的方法，可列举出：(1) 使干燥状态的金刚石粉末分布在硅晶片的表面，并对半导体基板的表面施加按压力的方法，(2) 将含有金刚石粒子的高速气体喷射到半导体基板的表面的方法，(3) 在金刚石粒子的流化床中放置半导体基板的方法，(4) 在分散有金刚石粒子的溶液中对半导体基板进行超声波洗涤的方法等。
[多晶金刚石层的生长]
然后，如图2(B)、(C)所示，以金刚石粒子12为核，通过CVD法，在半导体基板10上生长厚度为300μm以上且3mm以下的多晶金刚石层14。作为CVD法，可适合地使用等离子体CVD法和热丝CVD法等。
在使用等离子体CVD法的情况下，例如，以氢为载气，将甲烷等源气体导入到腔室内，将半导体基板10的温度设为700℃以上且1300℃以下，使多晶金刚石层14生长。从提高多晶金刚石层14的厚度的均匀性的观点出发，优选使用微波等离子体CVD法。微波等离子体CVD法是在等离子体腔室内利用微波将甲烷等源气体分解而等离子体化，并将经等离子体化的源气体引导到经加热的半导体基板10上，由此使多晶金刚石层14生长的方法。在这里，等离子体腔室内的压力、微波的功率和半导体基板10的温度优选如下进行设定。等离子体腔室内的压力优选设为1.3×103Pa以上且1.3×105Pa以下，更优选设为1.1×104Pa以上且4.0×104Pa以下。微波的功率优选设为0.1kW以上且100kW以下，更优选设为1kW以上且10kW以下。半导体基板10的温度优选设为700℃以上且1300℃以下，更优选设为900℃以上且1200℃以下。
在使用热丝CVD法的情况下，使用由钨、钽、铼、钼、铱等构成的丝，将丝温度设为1900℃以上且2300℃以下左右，由甲烷等烃系的源气体生成碳自由基。通过将该碳自由基引导到经加热的半导体基板10上，使多晶金刚石层14生长。通过热丝CVD法，可容易地应对基板的大口径化。在这里，腔室内的压力、丝与半导体基板10的距离和半导体基板10的温度优选如下进行设定。腔室内的压力优选设为1.3×103Pa以上且1.3×105Pa以下。丝与半导体基板10的距离优选设为5mm以上且20mm以下。半导体基板10的温度优选设为700℃以上且1300℃以下。
由于多晶金刚石层14构成多晶金刚石自立基板100，所以在半导体基板10上生长的多晶金刚石层14的厚度设为300μm以上且3mm以下。
在本实施方式中，由于以平均粒径为1nm以上且100nm以下的金刚石粒子12为核来进行CVD法，在多晶金刚石层14的生长开始面14A，可以使金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下。另外，在成膜的过程中，随着多晶金刚石层14的厚度增加，金刚石粒子的粒径增大，因此在多晶金刚石层14的生长面14B，金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下。
[生长面的抛光]
然后，在除去半导体基板10前(图2(C)之后且图2(D)之前)，可抛光多晶金刚石层14的生长面14B而使其平坦化。在成膜后的多晶金刚石层14的表面(生长面14B)形成过度的凹凸。通过使多晶金刚石层14的表面平坦化，可将其后得到的多晶金刚石自立基板100可靠地安置(夹紧)在半导体加工装置的试样台上。平坦化方法无特殊限定，例如可适合地使用公知的化学机械抛光(CMP：Chemical Mechanical Polishing)法。需说明的是，在平坦化后，多晶金刚石层14的厚度也设为300μm以上且3mm以下。
[半导体基板的除去]
然后，如图2(D)、(E)所示，除去半导体基板10而使生长开始面14A露出，得到由多晶金刚石层14构成的多晶金刚石自立基板100。半导体基板10的除去方法无特殊限定，可使用磨削、抛光和化学蚀刻中的一种以上。例如，通过对半导体基板10从与多晶金刚石层14的界面相反一侧的表面磨削而进行某种程度的减厚，然后，利用不溶解金刚石而只溶解半导体基板10的蚀刻液进行化学蚀刻，由此可除去半导体基板10而使生长开始面14A露出。在磨削和抛光中，可适合地使用公知或任意的磨削法和抛光法，具体而言，可使用平面磨削法和镜面抛光法。另外，作为蚀刻液，可使用氢氧化钾(KOH)、羟化四甲铵(TMAH)等碱性蚀刻液。
[正面/背面的设定]
将多晶金刚石层14的生长开始面14A设定为多晶金刚石自立基板100的正面100A，将多晶金刚石层14的生长面14B设定为多晶金刚石自立基板100的背面100B。为了对此进行描绘，在图2(E)中，使图2(D)的多晶金刚石自立基板反转，例如，具体而言，进行使生长面14B吸附在输送用镊子上，将生长开始面14A配置成正侧的操作。另外，在成为多晶金刚石自立基板的正面的生长开始面14A或成为背面的生长面14B上，刻印记录有产品信息的识别符(激光标记)。在将多晶金刚石自立基板100与异种基板贴合来使用的情况下，若在接合面存在激光标记，则会产生贴合不良。因此，优选在成为多晶金刚石自立基板的背面的生长面14B刻印激光标记。由此，可得到正面100A的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，背面100B的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下的多晶金刚石自立基板100。
[正面(生长开始面)的抛光]
在除去半导体基板10后(图2(D)之后)，可抛光多晶金刚石层的生长开始面14A(多晶金刚石自立基板的正面100A)而使其平坦化。若多晶金刚石自立基板的正面100A的金刚石粒子的平均粒径为3nm以下，则基本上可不抛光正面100A而使Ra为3nm以下。但是，在正面100A的金刚石粒子的平均粒径超过3nm的情况下，通过抛光正面100A，可使正面100A的Ra为3nm以下。需说明的是，若正面100A的金刚石粒子的平均粒径超过100nm，则难以通过抛光将Ra调整为3nm以下，若该平均粒径为100nm以下，则通过抛光正面，可容易地使Ra为3nm以下。
(层叠基板)
参照图3，根据本发明的一个实施方式的层叠基板200具有多晶金刚石自立基板100和贴合在该多晶金刚石自立基板的正面100A上的异种基板20。由于多晶金刚石自立基板100的正面100A的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，所以与异种基板的接合性优异。因此，根据本实施方式的层叠基板200的多晶金刚石自立基板100与异种基板20的接合性良好。在异种基板20上可形成高频器件或功率器件等所希望的半导体器件。
(层叠基板的制备方法)
参照图4(A)、(B)，在根据本发明的一个实施方式的层叠基板200的制备方法中，进行已述的多晶金刚石自立基板100的制备方法，然后，在多晶金刚石自立基板100的正面100A贴合异种基板20，得到层叠基板200。
[异种基板的准备]
异种基板20可以设为SiC基板、GaN基板、Ga2O3基板或单晶金刚石基板。异种基板20的厚度可考虑其强度来适当地确定，优选设为300μm以上且1000μm以下。异种基板20的直径可设为与多晶金刚石自立基板100的直径相同。
[异种基板的贴合]
异种基板20向多晶金刚石自立基板100贴合的方法无特殊限定，例如可列举出利用公知的真空常温接合法或等离子体接合法的贴合。
真空常温接合法是不对多晶金刚石自立基板100和异种基板20进行加热而在常温下使其贴合的方法。在本实施方式中，对多晶金刚石自立基板100的正面100A和异种基板20的表面进行在真空常温下照射离子束或中性原子束的活化处理，从而使双方的表面成为活化面。由此，在活化面出现悬空键。因此，若继续在真空常温下使上述双方的活化面接触，则接合力瞬间发挥作用，以上述活化面为贴合面，将多晶金刚石自立基板100与异种基板20牢固地贴合。
等离子体接合法是通过将多晶金刚石自立基板100的正面100A和异种基板20的表面暴露在等离子体气氛中，在各表面形成悬空键，并使该悬空键彼此结合的晶片接合方法。通常，由于用不同装置实施等离子体活化处理和晶片接合处理，所以经活化的悬空键一旦暴露在大气中，则悬空键密度减少，晶片接合强度会降低。因此，为了确保晶片接合强度，优选在晶片接合后进行热处理。
[异种基板的减厚]
然后，可对异种基板20进行减厚。具体而言，可通过对异种基板20从与接合面相反一侧的表面磨削和抛光来进行减厚。减厚后的异种基板20的厚度可根据在此形成的半导体器件的种类或结构来适当地确定，优选设为1μm以上且500μm以下。需说明的是，在该磨削和抛光中，可适合地使用公知或任意的磨削法和抛光法，具体而言，可使用平面磨削法和镜面抛光法。
实施例
(发明例1~6)
经过图2(A)~(E)所示的工序，制作发明例1~6的多晶金刚石自立基板。
首先，准备从通过CZ(Czochralski，切克劳斯基)法培育的无COP(COP-FREE)的单晶硅锭中切出而加工的直径为2英寸、厚度为3mm、面方位为(100)、电阻率为10Ω·cm、氧浓度(ASTM F121-1979)为1.0×1018个原子/cm3的p型硅晶片。
接着，通过爆轰法，准备具有表1所示的平均粒径的金刚石粒子。通过将该金刚石粒子浸渍在过氧化氢水溶液中来以羧基(COOH)为末端，使其带负电荷。接着，将金刚石粒子混合到溶剂(H2O)中并搅拌，从而制备金刚石粒子的含量为0.2质量%的含有金刚石粒子的溶液。需说明的是，搅拌速度设为1100rpm，搅拌时间设为50分钟，搅拌中的含有金刚石粒子的溶液的温度设为25℃。接着，用纯水洗涤硅晶片，在表面形成自然氧化膜后，通过旋涂法在硅晶片上涂布含有金刚石粒子的溶液，形成含有金刚石粒子的液膜。
接着，通过将硅晶片在设定为90℃的热板上放置3分钟，实施强化硅晶片与金刚石粒子的结合的热处理，从而在硅晶片上附着金刚石粒子。
接着，以氢为载气，以甲烷为源气体，使用已述的微波等离子体CVD法，以附着在硅基板上的金刚石粒子为核，生长各种厚度的多晶金刚石层。需说明的是，将等离子体腔室内的压力设为1.5×104Pa，将微波的功率设为5kW，将硅晶片的温度设为1050℃。
接着，通过CMP法抛光多晶金刚石层的生长面而使其平坦化。
接着，通过磨削和随之的利用KOH的蚀刻，除去硅晶片，使多晶金刚石层的生长开始面露出。
在发明例1~6中，将多晶金刚石层的生长开始面设定为多晶金刚石自立基板的正面，将多晶金刚石层的生长面设定为多晶金刚石自立基板的背面。在表2中将此记载为“有反转”。具体而言，在成为背面的生长面上刻印激光标记。
接着，如表1的“正面抛光”栏所示，在一部分发明例中，通过CMP法抛光多晶金刚石自立基板的正面而使其平坦化。
(比较例1、2)
在比较例1、2中，将多晶金刚石层的生长开始面设定为多晶金刚石自立基板的背面，将多晶金刚石层的生长面设定为多晶金刚石自立基板的正面。在表2中将此记载为“无反转”。具体而言，在成为背面的生长开始面上刻印激光标记。除这一点以外，与发明例1~6相同地制作多晶金刚石自立基板。
(比较例3)
除将多晶金刚石层的厚度设为100μm以外，在与发明例1相同的条件下，尝试制作多晶金刚石自立基板。但是，在除去硅晶片后，多晶金刚石层产生破裂，无法制成自立基板。
[利用拉曼分光法的分析]
在发明例1~6中，使用拉曼分析法评价多晶金刚石自立基板的表面。作为代表，将发明例1的拉曼光谱示出于图5中。发现存在由sp3结构形成的D峰(D line，1330-1340cm-1)和由sp2结构形成的G峰(G line，1580-1620cm-1)，D峰的信号强度比G峰大。即，发现sp3结构占优，可制作以sp3结构为主的金刚石自立基板。
[厚度、正面和背面的平均粒径以及正面的算术平均粗糙度Ra]
通过已述的方法，在发明例1~6和比较例1、2中测定多晶金刚石自立基板的厚度、正面和背面的平均粒径以及正面的算术平均粗糙度Ra，将结果示出于表1中。
[正面接合性的评价]
尝试通过真空常温接合法将发明例1~6和比较例1、2的多晶金刚石自立基板(直径：2英寸)与SiC基板(直径：2英寸)贴合。在低于1×10-5Pa的真空常温下，对多晶金刚石自立基板的正面和SiC基板的表面照射氩离子，使双方的表面成为活化面。接着，在真空常温下使上述双方的活化面接触，尝试将多晶金刚石自立基板与SiC基板接合。在发明例1~6中，由于可实现牢固的接合，所以在表1“正面接合性”栏中标记为○。在比较例1、2中，2块基板发生错动，判断为不可接合，因此在表1“正面接合性”栏中标记为×。
[背面散热性的评价]
对于发明例1~6和比较例1、2的多晶金刚石自立基板以使正面的温度达到200℃的方式实施热处理。通过测定热处理前后的电阻，求出多晶金刚石自立基板的热传导率。从背面的散热性越高，越可得到高的热传导率。在表1中示出了热传导率相对于350W/mK有百分之几高。
[表1]
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表1可知，发明例1~6的正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均优异。与之相对的是，在比较例1、2中，正面的与异种基板的接合性和背面的散热性两者均不充分。
产业上的可利用性
根据本发明的多晶金刚石自立基板和层叠基板适合作为制作高频器件或功率器件等高耐压的半导体器件的基板。
符号说明
100 多晶金刚石自立基板
100A 多晶金刚石自立基板的正面
100B 多晶金刚石自立基板的背面
10 半导体基板
12 金刚石粒子
14 多晶金刚石层
14A 多晶金刚石层的生长开始面
14B 多晶金刚石层的生长面
200 层叠基板
20 异种基板。

Claims (6)

1.多晶金刚石自立基板，其是具有正面和背面的多晶金刚石自立基板，其中，
所述正面的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，
所述背面的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，
所述正面的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，
厚度为300μm以上且3mm以下。
2.层叠基板，其具有：
根据权利要求1所述的多晶金刚石自立基板，和
贴合在所述正面的SiC基板、GaN基板、Ga2O3基板或单晶金刚石基板。
3.多晶金刚石自立基板的制备方法，其具有：
在半导体基板上附着平均粒径为1nm以上且100nm以下的金刚石粒子的工序，
以所述金刚石粒子为核，通过化学气相生长法，在所述半导体基板上生长厚度为300μm以上且3mm以下的多晶金刚石层，所述多晶金刚石层具有与所述半导体基板相接的生长开始面和与所述半导体基板相反一侧的生长面的工序，
然后，除去所述半导体基板而使所述生长开始面露出，得到由所述多晶金刚石层构成的多晶金刚石自立基板的工序，和
将所述多晶金刚石层的生长开始面设定为所述多晶金刚石自立基板的正面，将所述多晶金刚石层的生长面设定为所述多晶金刚石自立基板的背面的工序；
得到所述多晶金刚石自立基板，其中，所述正面的金刚石粒子的平均粒径为1nm以上且100nm以下，所述背面的金刚石粒子的平均粒径为1000nm以上且4000nm以下，所述正面的算术平均粗糙度Ra为1nm以上且3nm以下，厚度为300μm以上且3mm以下。
4.根据权利要求3所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，其还具有抛光所述多晶金刚石自立基板的正面的工序。
5.根据权利要求3或4所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，其中，所述半导体基板为硅基板、蓝宝石基板或SiC基板。
6.层叠基板的制备方法，其具有：
根据权利要求3~5中任一项所述的多晶金刚石自立基板的制备方法，和
在所述多晶金刚石自立基板的正面贴合SiC基板、GaN基板、Ga2O3基板或单晶金刚石基板，得到层叠基板的工序。
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