CN115555744A - 金刚石基板制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种金刚石基板制造方法，能够降低将单晶金刚石加工成金刚石基板时的损失量。金刚石基板制造方法包括：将使激光(B)聚光的激光聚光部(190)配置为面对单晶金刚石晶块(10)的上表面(10a)的工序；以及使用激光聚光部(190)以规定照射条件朝晶块(10)的上表面(10a)照射激光(B)，使激光(B)聚光于晶块(10)的内部，同时使激光聚光部(190)和晶块(10)以二维状相对移动，从而从晶块(10)的上表面(10a)至规定深度沿着单晶金刚石的(111)面形成包含石墨加工痕(21b)和从该加工痕(21b)开始沿着(111)面延伸的裂纹(22b)的改性层(20)的工序。

Description

金刚石基板制造方法
技术领域
本发明涉及金刚石基板制造方法，详细地，涉及使用激光对单晶金刚石进行加工来制造金刚石基板的金刚石基板制造方法。
背景技术
以往，作为适于功率器件的半导体材料，一直提供碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)来替代硅(Si)，但金刚石半导体与这些半导体材料相比，具有高介电击穿电场、高功率控制指数并且热导率最高，因而作为下一代材料受到关注，正在朝实用化进行研究、开发。此外，金刚石中的氮-空位色心(NV色心)能够在室温进行高灵敏度的磁检测，因此期待其在磁传感器中的应用，该研究也在进行中(参照专利文献1)。
期待应用于这些半导体的单晶金刚石可通过高温高压法(HPHT法)、同质外延生长来合成，但通过这些合成法，难以将用于半导体工艺的单晶金刚石的块状基板大面积化。对此，将单晶氧化镁(MgO)作为基底晶体使单晶金刚石进行异质外延生长的气相合成法(CVD法)在大面积化方面有优势，因而一直适用。
在通过该CVD法的异质外延生长中，能够得到在与基底MgO晶体的结晶方位同方位上生长的单晶金刚石的块状晶体。即，在基底MgO晶体的结晶方位为[100]时，得到结晶方位[100]的金刚石块状晶体，在基底MgO晶体的结晶方位为[111]时，得到结晶方位[111]的金刚石块状晶体。在将单晶金刚石应用于磁传感器时，需要形成高密度的NV色心并使NV色心的取向轴对齐，由于确立了通过CVD法使高密度NV色心沿[111]方向取向的技术，因此由将(111)面作为主表面的单晶金刚石形成(111)块状晶体的必要性提高了(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开2015/107907号
专利文献2：国际公开2015/046294号
专利文献3：日本特开2021-080153号公报
发明内容
发明要解决的课题
另一方面，通过异质外延生长得到的单晶金刚石的块状晶体要进行切片来加工成板状的基板，但金刚石的硬度高，不容易加工。作为切片出基板的加工方法，可利用通过离子注入来导入缺陷层并通过蚀刻等将其除去从而进行剥离的智能切割技术，但存在为了进行离子注入而需要高真空环境的装置且加工时间长的问题。此外，虽能够以数μm厚度进行剥离，但尚无数百μm厚度下的剥离事例。
作为用于加工成基板的其他方法，有将从基底晶体分离的单晶金刚石的块状晶体进行研磨或实施化学机械研磨(CMP)直至期望厚度的方法。此外，对于由现有的HPHT法得到的单晶金刚石，要实施从晶锭、将晶锭进一步切断为固定长度而得的晶块切片出基板的加工，但存在以切割余量的形式产生损耗的问题。由于[111]方位的单晶金刚石的块状晶体特别难以研磨，因而要求开发出用于得到(111)基板的制造方法。
如上所述，对于期待应用于高精度磁传感器的(111)单晶金刚石的块状晶体、晶锭或晶块，要求一种通过较简单的方法降低因切割余量造成的加工损耗来切片出基板的制造方法。
本发明是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种由通过CVD法进行异质外延生长的[111]方位的单晶金刚石的块状晶体和通过HTHP法得到的单晶金刚石的晶锭、晶块来加工损耗少地制作(111)基板的金刚石基板制造方法。
用于解决课题的方法
为了解决上述课题，本申请涉及的金刚石基板制造方法包括：将使激光聚光的激光聚光部配置为面对单晶金刚石晶块的上表面的工序；以及从激光聚光部朝晶块的上表面照射激光，使激光聚光于晶块的内部，同时使激光聚光部与晶块以二维状相对移动，从而从晶块的上表面至规定深度沿着单晶金刚石的(111)面形成包含石墨加工痕和从该加工痕开始在周围沿着(111)面延伸的裂纹的改性层的工序。
晶块可以具有将上表面作为单晶金刚石的(111)面的板状形状。形成改性层的工序还可以包括：使激光聚光部和晶块在规定扫描方向上相对移动的工序；以及使激光聚光部和晶块在与上述扫描方向正交的方向上隔着规定间隔相对移动的工序。
激光是脉冲波的激光，加工痕的石墨可以在扫描方向和与上述扫描方向正交的方向上利用被裂纹反射的激光来形成，所述裂纹从在至少一个方向上相邻的其他加工痕开始延伸。形成改性层的工序也可以在上表面的整个面上以规定深度形成改性层。
还可以进一步包括使晶块中的从上表面至到达改性层的深度为止的部分与比改性层更深的部分自发地剥离的工序。激光的脉冲宽度可以是数ns至数百ns的范围。
发明效果
根据本发明，能够由[111]方位的单晶金刚石的块状晶体和通过HTHP法得到的单晶金刚石晶锭、晶块在减少加工损耗的情况下制作(111)基板，进而能够提高制造金刚石基板时的成品率。
附图说明
图1是显示加工装置的概略结构的立体图。
图2是说明金刚石的晶体结构的立体图。
图3是说明激光扫描的单晶金刚石晶块的平面图。
图4A是说明在单晶金刚石晶块中形成改性层的平面图。
图4B是说明在单晶金刚石晶块中形成改性层的平面图。
图5A是说明在单晶金刚石晶块中形成改性层的截面图。
图5B是说明在单晶金刚石晶块中形成改性层的截面图。
图6是显示在改性层处剥离的单晶金刚石晶块的剥离面的照片。
图7是在改性层处剥离的单晶金刚石晶块的第一部分的下表面的显微镜照片。
图8是在改性层处剥离的单晶金刚石晶块的第二部分的上表面的显微镜照片。
图9是将粘着带压接于在改性层处剥离的单晶金刚石晶块的剥离面之后剥离的粘着带的显微镜照片。
符号说明
10：晶块，10a：上表面，20：改性层，21：加工痕，22：裂纹，100：加工装置，190：激光聚光部。
具体实施方式
接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。在以下附图的记载中，对相同或相似的部分赋予相同或相似的符号。但需要注意的是，附图为示意图，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度比率等与实际有所不同。因此，具体的厚度、尺寸应参考以下说明来判断。另外，不言而喻，在附图相互之间也包括彼此的尺寸关系、比率不同的部分。
另外，以下所示的实施方式例示的是用于使本发明的技术思想具体化的装置、方法，在本发明的实施方式中，构成部件的材质、形状、结构、配置等不特定于以下这些。可以在权利要求的范围内对本发明的实施方式进行各种改变。
图1是显示加工装置100的概略结构的立体图。加工装置100具有：用于载置单晶金刚石晶块10的基座110、支撑基座110以能够在水平面内的XY方向上移动的基座支撑部120、和固定单晶金刚石晶块10固定具130。固定具130可以适用粘着层、机械卡盘、静电卡盘、真空卡盘等。
作为加工对象物的将单晶金刚石的晶锭切断为规定长度而得的具有矩形外周的板状晶块10以作为主表面的偏离角为0°的(111)面为上表面10a而被固定在基座110上。加工对象物的形状不限于此，只要同样地将上表面10a作为(111)面，则也可以是例如单晶金刚石的晶锭、圆盘状的晶片，还可以是单晶金刚石的块状晶体。
此外，加工装置100具有发出脉冲激光的激光源160、以及包括物镜170和像差调整部180的激光聚光部190，将由激光源160发出的激光B经由激光聚光部190朝单晶金刚石晶块10的上表面的(111)面照射。
图2是说明金刚石的晶体结构的立体图。如图2(a)所示，在金刚石的晶体中，由白色圆表示的碳原子通过在以碳原子为中心的正四面体的四个顶点方向上延伸的sp3杂化轨道的臂而与相邻的碳元素相互形成共价键。共价键用实线表示。这样与相邻的四个碳原子形成共价键的碳原子形成被称为金刚石结构的体心立方晶格。
图2(b)示出了金刚石结构中的(111)面。已知：在金刚石结构中，由于碳原子与相邻的四个碳原子形成了共价键，因此单晶金刚石非常硬。但是，碳原子在<111>方向上与相邻的1个碳原子仅通过sp3杂化轨道的一个臂形成了共价键。因此，在与<111>方向正交的(111)面方向上，仅切断一个臂的共价键，就能够较容易地断开，该(111)面就成为开裂面。
图3是说明激光B的扫描的单晶金刚石晶块10的平面图。对于载置于图1的加工装置100的基座110上并将主表面的偏离角为0°的(111)面作为上表面10a的单晶金刚石晶块10，使其面对激光聚光部190在水平面内的XY方向上相对地二维移动，使得从激光聚光部190照射的激光B朝单晶金刚石晶块10的上表面10a的规定位置进行照射。
激光B的扫描线31首先在[-1-12]方向上以点间距dp进行扫描，然后，在与上述[-1-12]方向正交的[1-10]方向上仅以线间距d转移后，激光B在[11-2]方向上以点间距dp进行扫描，形成新的扫描线31。通过反复进行这样的扫描线31形成，从而沿着单晶金刚石晶块10内部的(111)面连续地逐渐形成改性层20。需说明的是，本说明书中可使用的文字有限，因此为了方便，在密勒指数的表示中将数字所带的上划线用数字之前的负号“-”代替。以下也同样。
在单晶金刚石晶块10的内部，激光B被聚光于从上表面10a开始的规定深度，形成石墨加工痕和在该加工痕的周围沿着(111)面扩展的裂纹。石墨加工痕是通过从激光源160发出的纳秒脉冲激光的激光B被沿着开裂面的(111)面形成的裂纹反射从而将金刚石热分解而形成的。这里的纳秒脉冲激光是指脉冲宽度(即脉冲持续时间)在数ns至数百ns范围内的激光，具体而言，是1ns以上且小于1μs的范围内的激光。
图4A和图4B是说明在单晶金刚石晶块10中形成改性层20的平面图。图5A和图5B是说明在单晶金刚石晶块10中形成改性层20的截面图。图5A中的(a)和(b)以及图5B中的(c)和(d)分别对应图4A中的(a)和(b)以及图4B中的(c)和(d)中沿切断线的截面。
参照图4A(a)和图5A(a)，第一扫描线31朝着[-1-12]方向，在单晶金刚石晶块10中形成朝着与上表面10a相对的下表面10b的加工痕21a，同时，通过从加工痕21a开始的开裂而沿着(111)面形成在[-110]方向上延伸的裂纹22a和在[1-10]方向上延伸的裂纹22bi，在第一扫描线31的周边形成包括加工痕21a、裂纹22a和裂纹22bi的改性层20。加工痕21a是利用聚光的激光B将金刚石热分解为石墨，具有以裂纹22a和22bi附近为底面且以下表面10b的方向为顶点的圆锥状的形状。此处，在[1-10]方向上延伸的裂纹22bi的长度22biL通过受聚光点处的激光B的能量、照射的点间距dp和焦点深度控制的加工痕21a的膨胀等进行调整。
参照图4A(b)和图5A(b)，第二扫描线31是从第一扫描线31开始在与该第一扫描线31的扫描方向正交的[1-10]方向上仅以线间距d使激光聚光部190以二维状相对移动后进行的。此时按照激光B的焦点落在裂纹22bi上的方式设定线间距d。即，线间距d与裂纹22bi的长度22biL之间的关系为长度22biL＞线间距d。
第二扫描线31朝着[11-2]方向，在形成朝着上表面10a的加工痕21b的同时，通过从加工痕21b开始的开裂而沿着(111)面形成在[1-10]方向上延伸的裂纹22b，在第二扫描线31的周边形成包括加工痕21b、裂纹22b和22bi的改性层20。加工痕21b是利用聚光的激光B将金刚石热分解为石墨，具有以裂纹22bi和裂纹22b附近为底面且以上表面10a的方向为顶点的圆锥状的形状。
在此，由于加工痕21b的膨胀，使得在裂纹22b处沿着(111)面在[1-10]方向上产生长度22bL的开裂，改性层20扩大。这时，裂纹22bi和裂纹22a中也会因加工痕21b的膨胀作用而使开裂进一步发展，作为结果，在裂纹22a、裂纹22bi和裂纹22b处形成连续的开裂面。
需说明的是，第一扫描线31和第二扫描线31的激光B的扫描方向不限于分别为[-1-12]方向和[11-2]方向，也可以是分别相反的方向，也可以仅在一个方向上扫描。但是，从使激光聚光部190和单晶金刚石晶块10相对移动的效率出发，优选为进行往复动作的扫描方向。
参照图4B(c)和图5B(c)，第三扫描线31是从第二扫描线31开始在与该第二扫描线31正交的[1-10]方向上仅以线间距d使激光聚光部190以二维状相对移动后进行的。此时，为了使激光B的焦点落在产生了开裂的裂纹22b上，线间距d与裂纹长度22bL的关系为长度22bL＞线间距d。
第三扫描线31朝着[-1-12]方向，在形成朝着上表面10a的加工痕21b的同时，通过从加工痕21b开始的开裂而沿着(111)面形成在[1-10]方向上延伸的裂纹22b，在第三扫描线31的周边形成包括加工痕21b、裂纹22b的改性层20。加工痕21b是利用聚光的激光B将金刚石热分解为石墨，具有以裂纹22bi附近为底面且以上表面10a的方向为顶点的圆锥状的形状。由于加工痕21b的膨胀，使得在裂纹22b处沿着(111)面在[1-10]方向上产生长度22bL的开裂，改性层20扩大。
参照图4B(d)和图5B(d)，在第四扫描线31以后也重复进行同样的动作直至到达晶块10的端面的第n扫描线31。其结果是，在晶块10内部全面地形成在(111)面沿着裂纹22b开裂的改性层20。由于在形成加工痕21时的急剧温度变化、从金刚石向石墨的晶体结构变化等，导致在改性层20中蓄积了较大的内部应力。为了释放这样的内部应力，改性层20会沿着开裂面的(111)面自发地分裂。因此，单晶金刚石晶块10会在改性层20中自发地剥离成从上表面10a直至到达改性层20的第一部分11和从改性层20直至到达下表面10b的第二部分12。这些剥离的第一部分11和第二部分12中的至少一方可以作为单晶金刚石的基板。该基板也可以包括晶片。
剥离为第一部分11和第二部分12的单晶金刚石晶块10中，改性层20相当于因加工而损失的“切割余量”。改性层20的厚度为具有大致圆锥状的形状的石墨加工痕21b的高度的程度，可以设为数μm以下的范围。因此，能够减少在对单晶金刚石晶块10进行加工而制造金刚石基板时所损失的单晶金刚石的量。进而能够提高对单晶金刚石晶块10进行加工而制造金刚石基板时的成品率。
实施例
在图1所示的加工装置100中，激光源160使用如表1所示规格的纳秒激光器。此外，如表2所示使单晶金刚石晶块10相对于激光聚光部190以二维状相对移动，朝作为(111)面的上表面10a照射激光B，从上表面10a开始至规定深度形成改性层20。本实施例中，使用由HPHT法制成的Ib型金刚石。
[表1]
激光光源的规格
激光振荡器种类 Hippo532-11(Spectra Physics公司制)
波长 532nm
脉冲宽度 10ns
重复频率 20kHz
输出 1W
[表2]
激光照射的设定
扫描速度 10mm/s
点间距dp 0.5μm
线间距d 60μm
上述的激光源160和照射的条件是考虑到裂纹22b的长度和加工痕21b的大小来设定的。对于裂纹22b的长度，通过激光B的聚光部的蓄热来推进石墨化，因而经石墨化的加工痕21b越大且点间距dp、线间距d的间隔越窄，则越难以控制裂纹22b的长度，越无法控制因加工痕21b的膨胀而导致的(111)面的开裂进展。因此，以能够控制(111)面的开裂的方式设定了条件，以得到稳定的加工和剥离状态。
关于加工痕21b的大小，为了降低剥离后的损耗，也需要控制加工痕21b，即经石墨化的部分的生长。考虑到需要将在单晶金刚石晶块10中形成的加工痕21b的深度(生长高度)控制在最大30μm以下来设定条件。
这样考虑了裂纹22b的长度和加工痕21b的大小而得到的条件是：在激光输出1W、振荡频率20kHz下点间距dp的合适范围为0.5μm～1.0μm，此时的线间距d的范围为50μm～100μm。由于难以实际测量裂纹22b的长度，因而认为根据上述线间距d的范围所推测的范围是100μm～150μm。表1和表2是通过这样的探讨来设定的。
以上述那样的条件对单晶金刚石晶块10的整个上表面10a进行扫描，从上表面10a至规定深度形成改性层20。其结果是，金刚石的单晶晶块10在改性层20处自发地剥离，得到从上表面10a至到达改性层20为止的第一部分11和比改性层20更深的第二部分12。
图6是显示在改性层20处剥离的单晶金刚石晶块10的剥离面的照片。图6(a)是第一部分11的下表面的照片，图6(b)是第二部分12的上表面的照片，分别示出了改性层20的剥离面。
图7是在改性层20处剥离的单晶金刚石晶块10的第一部分11的下表面的基于扫描型电子显微镜(SEM)的显微镜照片。图7(a)示出了第一部分11的整个下表面，图7(b)是将图7(a)的一部分进一步放大的照片。均示出了第一部分11的下表面的改性层20的剥离面。在图7(b)中观察到在改性层20的剥离面处加工痕21发生了膨胀或凹陷。
图8是在改性层20处剥离的单晶金刚石晶块10的第二部分12的上表面的基于扫描型电子显微镜(SEM)的显微镜照片。图8(a)示出了第二部分12的整个上表面，图8(b)是将图8(a)的一部分进一步放大的照片。均示出了第二部分12的上表面的改性层20的剥离面。在图8(b)中观察到改性层20的加工痕21很牢固。
图9是将粘着带压接于在改性层20处剥离的单晶金刚石晶块10的剥离面之后剥离的粘着带的显微镜照片。在粘着带的粘着面观察到石墨从剥离面发生了转印。因此可知，在剥离面，来自在改性层20中形成的加工痕21的石墨通过粘着带的压接而以能够容易剥离的状态存在。
工业上的可利用性
本发明可以在使用金刚石基板的功率器件、磁传感器的制造中利用。

Claims (7)

1.一种金刚石基板制造方法，包括：
将使激光聚光的激光聚光部配置为面对单晶金刚石晶块的上表面的工序；以及
从所述激光聚光部向所述晶块的上表面照射激光，使所述激光聚光于所述晶块的内部，同时使所述激光聚光部和所述晶块以二维状相对移动，从而从所述晶块的上表面至规定深度沿着单晶金刚石的(111)面形成包含石墨加工痕和从该加工痕开始在周围沿着所述(111)面延伸的裂纹的改性层的工序。
2.如权利要求1所述的金刚石基板制造方法，其中，
所述晶块具有将上表面作为单晶金刚石的(111)面的板状形状。
3.如权利要求1或2所述的金刚石基板制造方法，其中，
形成所述改性层的工序包括：使所述激光聚光部和所述晶块在规定扫描方向上相对移动的工序；以及使所述激光聚光部和所述晶块在与所述扫描方向正交的方向上隔着规定间隔相对移动的工序。
4.如权利要求3所述的金刚石基板制造方法，其中，
所述激光是脉冲波的激光，所述加工痕的石墨在所述扫描方向和在与所述扫描方向正交的方向上利用被裂纹反射的激光来形成，所述裂纹从在至少一个方向上相邻的其他加工痕开始延伸。
5.如权利要求1或2所述的金刚石基板制造方法，其中，
在形成所述改性层的工序中，在所述上表面的整个面上以规定深度形成改性层。
6.如权利要求1或2所述的金刚石基板制造方法，其中，
进一步包括：使所述晶块中的从所述上表面至到达所述改性层的深度为止的部分与比所述改性层更深的部分自发地剥离的工序。
7.如权利要求1或2所述的金刚石基板制造方法，其中，
所述激光的脉冲宽度为数ns至数百ns的范围。
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