DE112019006396T5 - FREE-STANDING POLYCRYSTALLINE DIAMOND SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats bereitgestellt, bei dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität gebildet wird. Eine polykristalline Diamantschicht 16 mit einer Dicke von 100 µm oder mehr wird auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 durch chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung der Diamantpartikel 14 als Keime aufgewachsen. Dabei ist der Wert, der sich durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht 16 durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 ergibt, 0,20 oder weniger. Danach wird die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht planarisiert. Das Verbindungshalbleitersubstrat 20 und die polykristalline Diamantschicht 16 werden dann durch Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden miteinander verbunden. Anschließend wird die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 reduziert, um eine Verbindungshalbleiterschicht 26 zu erhalten. Das einkristalline Siliciumsubstrat wird entfernt. So erhält man ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat 100, bei dem die polykristalline Diamantschicht 16 als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht 26 dient.There is provided a method of manufacturing a polycrystalline diamond freestanding substrate in which a high quality compound semiconductor layer is formed. A polycrystalline diamond layer 16 having a thickness of 100 µm or more is grown on a single crystal silicon substrate 10 by chemical vapor deposition using the diamond particles 14 as seeds. Here, the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface 16A of the polycrystalline diamond layer 16 by the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 is 0.20 or less. Thereafter, the surface 16A of the polycrystalline diamond layer is planarized. The compound semiconductor substrate 20 and the polycrystalline diamond layer 16 are then bonded to each other by normal temperature vacuum bonding or plasma bonding. Subsequently, the thickness of the compound semiconductor substrate 20 is reduced in order to obtain a compound semiconductor layer 26. The single crystal silicon substrate is removed. In this way, a free-standing polycrystalline diamond substrate 100 is obtained, in which the polycrystalline diamond layer 16 serves as a carrier substrate for the compound semiconductor layer 26.

Description

TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA

Diese Offenbarung bezieht sich auf ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat, bei dem eine Verbindungshalbleiterschicht auf einer polykristallinen Diamantschicht als Trägersubstrat ausgebildet ist, und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.This disclosure relates to a freestanding polycrystalline diamond substrate in which a compound semiconductor layer is formed on a polycrystalline diamond layer as a carrier substrate, and to a method of manufacturing the same.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Bei Hochspannungs-Halbleiterbauelementen, wie z. B. Hochfrequenzbauelementen und Leistungsbauelementen, ist die Selbsterhitzung der Bauelemente problematisch. Als Maßnahme zur Bewältigung dieses Problems ist eine Technik bekannt, bei der ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit unter einem Bauelementbildungsbereich angeordnet wird.In high-voltage semiconductor components, such as. B. high-frequency components and power components, the self-heating of the components is problematic. As a measure to cope with this problem, there is known a technique in which a material having high thermal conductivity is disposed under a device formation area.

Beispielsweise ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine stark wärmeableitende Diamantschicht direkt unter einer Verbindungshalbleiterschicht wie einer Galliumnitrid (GaN)-Schicht, die als Bauelementeschicht dient, zur Herstellung eines Halbleiterbauelements angeordnet wird. JP 2015-509479 A (PTL 1) offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Galliumnitrid-auf-Diamant-Wafers. Das Verfahren stellt einen Wafer her, in dem eine Galliumnitridschicht auf Diamant gebildet wird, und das Verfahren umfasst: nach dem Bilden eines dünnen Siliciumnitridfilms von 60 nm oder weniger auf einer GaN-Schicht, die sich auf einem Trägersubstrat befindet, einen Schritt des Einbettens und Fixierens von Diamantpartikel in einer Oberfläche des Siliciumnitridfilms durch trockenes Kratzen; einen Schritt des Aufwachsens einer Diamantschicht auf der GaN-Schicht mit dem Siliciumnitridfilm dazwischen durch chemische Dampfabscheidung unter Verwendung der in der Oberfläche fixierten Diamantpartikel als Keime; und einen Schritt des Entfernens des Trägersubstrats.For example, a method is known in which a highly heat-dissipating diamond layer is disposed directly under a compound semiconductor layer such as a gallium nitride (GaN) layer, which serves as a component layer, for manufacturing a semiconductor component. JP 2015-509479 A (PTL 1) discloses a method for manufacturing a gallium nitride-on-diamond wafer. The method manufactures a wafer in which a gallium nitride layer is formed on diamond, and the method comprises: after forming a thin silicon nitride film of 60 nm or less on a GaN layer provided on a supporting substrate, a step of embedding and Fixing diamond particles in a surface of the silicon nitride film by dry scratching; a step of growing a diamond layer on the GaN layer with the silicon nitride film therebetween by chemical vapor deposition using the diamond particles fixed in the surface as seeds; and a step of removing the carrier substrate.

Weiterhin offenbart JP 2015-046486 A (PTL 2) ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundsubstrats, das mit einer Nitrid-Halbleiter-Dünnschicht auf einem Trägersubstrat versehen ist, und umfasst mindestens: einen Schritt des Implantierens von Ionen durch eine Oberfläche hindurch, um ein Nitrid-Halbleitersubstrat mit einer ionenimplantierten Schicht zu erhalten; einen Schritt des Durchführens einer Oberflächenaktivierungsbehandlung auf der Oberfläche des Nitrid-Halbleitersubstrats, die mit den Ionen implantiert wurde, und/oder einer Oberfläche des Trägersubstrats, die mit dem Nitrid-Halbleitersubstrat verbunden werden soll; einen Schritt des Veranlassens, dass die ionenimplantierte Oberfläche des Nitrid-Halbleitersubstrats und die Oberfläche des Trägersubstrats einander zugewandt und übereinander gelegt werden, wodurch sie unter einem Druck von 0.5 MPa bis 5,0 MPa verbunden werden; und einen Schritt des Trennens des Nitrid-Halbleitersubstrats entlang der ionenimplantierten Schicht, wodurch der Nitrid-Halbleiter-Dünnfilm auf das Trägersubstrat übertragen wird (Anspruch 1). In PTL 2 ist das Nitrid-Halbleitersubstrat ein GaN-Substrat oder ein AIN-Substrat (Anspruch 6), und das Trägersubstrat ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Saphir, Aluminiumoxid, SiC, AlN, SiN und Diamant (Anspruch 7).Also disclosed JP 2015-046486 A (PTL 2) a method of manufacturing a composite substrate provided with a nitride semiconductor thin film on a carrier substrate, comprising at least: a step of implanting ions through a surface to a nitride semiconductor substrate having an ion-implanted layer obtain; a step of performing a surface activation treatment on the surface of the nitride semiconductor substrate implanted with the ions and / or a surface of the support substrate to be bonded to the nitride semiconductor substrate; a step of causing the ion-implanted surface of the nitride semiconductor substrate and the surface of the support substrate to face and overlay each other, thereby bonding them under a pressure of 0.5 MPa to 5.0 MPa; and a step of separating the nitride semiconductor substrate along the ion-implanted layer, thereby transferring the nitride semiconductor thin film onto the support substrate (claim 1). In PTL 2, the nitride semiconductor substrate is a GaN substrate or an AlN substrate (claim 6), and the carrier substrate is selected from the group consisting of silicon, sapphire, aluminum oxide, SiC, AlN, SiN and diamond (claim 7).

ZITATLISTEQUOTE LIST

PatentliteraturPatent literature

  • PTL 1: JP 2015-509479 A PTL 1: JP 2015-509479 A
  • PTL 2: JP 2015-046486 A PTL 2: JP 2015-046486 A

ZUS AMMENFAS SUNGSUMMARY

(Technisches Problem)(Technical problem)

Gemäß den Untersuchungen des Erfinders dieser Offenbarung werden bei dem in PTL 1 offengelegten Verfahren aufgrund der Einbettung Risse in der GaN-Schicht gebildet, und die Risse breiten sich in der GaN-Schicht durch den nachfolgenden Prozess der langzeitigen Hochtemperatur-Wärmebehandlung durch chemische Gasphasenabscheidung aus, wodurch Versetzungen gebildet werden. Wenn ein Halbleiterbauelement auf einer solchen GaN-Schicht gebildet wird, ist der Leckstrom hoch, was die Bauelementeigenschaften verschlechtern würde.According to the investigations of the inventor of this disclosure, in the method disclosed in PTL 1, cracks are formed in the GaN layer due to the embedding, and the cracks are propagated in the GaN layer by the subsequent process of long-term high-temperature chemical vapor deposition heat treatment, whereby dislocations are formed. When a semiconductor device is formed on such a GaN layer, the leakage current is high, which would deteriorate the device properties.

Vor diesem Hintergrund hat der Erfinder erwogen, anstatt eine Diamantschicht auf einer Verbindungshalbleiterschicht wachsen zu lassen, ein Verbindungshalbleitersubstrat und eine polykristalline Diamantschicht, die zuvor auf einem anderen Substrat (d. h. einem einkristallinen Siliciumsubstrat) gewachsen ist, durch Vakuumbonden bei normaler Temperatur oder durch Plasmabonden miteinander zu verbinden. Die Untersuchungen des Erfinders haben jedoch gezeigt, dass es nicht möglich ist, eine polykristalline Diamantschicht, die auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat und einem Verbindungshalbleitersubstrat gewachsen ist, miteinander zu verbinden.With this in mind, the inventor has considered, instead of growing a diamond layer on a compound semiconductor layer, a compound semiconductor substrate and a polycrystalline one Diamond layer previously grown on another substrate (ie a single crystal silicon substrate) to be connected to one another by vacuum bonding at normal temperature or by plasma bonding. However, the inventor's studies have shown that it is not possible to bond a polycrystalline diamond layer grown on a single crystal silicon substrate and a compound semiconductor substrate to each other.

PTL 2 beschreibt, dass ein Trägersubstrat, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Silicium, Saphir, Aluminiumoxid, SiC, AlN, SiN und Diamant, an ein Nitrid-Halbleitersubstrat gebunden wird. Die Beispiele in PTL 2 zeigen jedoch nur, dass das Bonden zwischen einem Saphirsubstrat und einem GaN-Substrat sowie zwischen einem Siliciumsubstrat und einem GaN-Substrat möglich war, und beschreiben nicht, dass ein Diamantsubstrat und ein Nitrid-Halbleitersubstrat miteinander verbunden werden können. Ferner wird in PTL 2 keine Bedingung genannt, die es ermöglicht, eine auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat gewachsene polykristalline Diamantschicht und ein Nitrid-Halbleitersubstrat miteinander zu verbinden.PTL 2 describes that a carrier substrate selected from the group consisting of silicon, sapphire, aluminum oxide, SiC, AlN, SiN and diamond is bonded to a nitride semiconductor substrate. However, the examples in PTL 2 only show that the bonding between a sapphire substrate and a GaN substrate and between a silicon substrate and a GaN substrate was possible, and do not describe that a diamond substrate and a nitride semiconductor substrate can be connected to one another. Furthermore, no condition is specified in PTL 2 which enables a polycrystalline diamond layer grown on a monocrystalline silicon substrate and a nitride semiconductor substrate to be connected to one another.

Es könnte daher hilfreich sein, ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats bereitzustellen, das es ermöglicht, ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat herzustellen, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität unter Verwendung von Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden gebildet wird. Es könnte auch hilfreich sein, ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat bereitzustellen, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität ausgebildet ist.It may therefore be helpful to provide a method of manufacturing a freestanding polycrystalline diamond substrate which enables a freestanding polycrystalline diamond substrate to be manufactured by forming a high quality compound semiconductor layer using normal temperature vacuum bonding or plasma bonding. It may also be helpful to provide a freestanding polycrystalline diamond substrate in which a high quality compound semiconductor layer is formed.

(Lösung des Problems)(The solution of the problem)

Der Erfinder führte sorgfältige Untersuchungen durch, um die oben genannten Herausforderungen zu lösen, und fand Folgendes. Es wurde festgestellt, dass die Frage, ob eine polykristalline Diamantschicht, die auf einem einkristallinen Siliciumsubstrat aufgewachsen ist, und ein Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden können oder nicht, eng mit der maximalen Korngröße der Kristallkörner in einer Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht zusammenhängt und daher die Verbindung nicht nur durch einfaches Polieren und Planarisieren der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht möglich gemacht werden kann. Der Erfinder führte weitere Untersuchungen durch und fand heraus, dass mit zunehmender Dicke einer aufgebrachten polykristallinen Diamantschicht die Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht größer werden und auch die Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht größer werden. Eine detaillierte Bewertungsanalyse hat gezeigt, dass, wenn der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt, die polykristalline Diamantschicht und ein Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden können.The inventor made careful studies in order to solve the above-mentioned challenges and found the following. It has been found that the question of whether or not a polycrystalline diamond layer grown on a single crystal silicon substrate and a compound semiconductor substrate can be bonded to each other is closely related to the maximum grain size of crystal grains in a surface of the polycrystalline diamond layer and hence the connection is not related can only be made possible by simply polishing and planarizing the surface of the polycrystalline diamond layer. The inventor made further investigations and found that as the thickness of an applied polycrystalline diamond layer increases, the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer become larger and the irregularities on the surface of the polycrystalline diamond layer also become larger. Detailed evaluation analysis has shown that when the value obtained by dividing the maximum grain size of crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less, the polycrystalline diamond layer and a compound semiconductor substrate are bonded together can be.

Diese Offenbarung, die auf der Grundlage der obigen Erkenntnisse fertiggestellt wurde, umfasst vor allem die folgenden Merkmale.

  • (1) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats, wobei das Verfahren umfasst:
    • einen Anbringungsschritt des Anbringens von Diamantpartikeln an ein einkristallines Siliciumsubstrat;
    • einen Schritt des Aufwachsens einer polykristallinen Diamantschicht mit einer Dicke von 100 µm oder mehr auf dem einkristallinen Siliciumsubstrats durch chemische Dampfabscheidung unter Verwendung der Diamantpartikel als Keime in einer solchen Weise, dass ein Wert, der durch Dividieren einer maximalen Korngröße von Kristallkörnern in einer Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt;
    • einen Planarisierungsschritt des Planarisierens der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht;
    • einen Schritt des anschließenden Verbindens eines Verbindungshalbleitersubstrats und der polykristallinen Diamantschicht durch eines von Normaltemperatur-Vakuumbonden und Plasmabonden, um ein verbundenes Substrat zu erhalten;
    • einen Schritt des anschließenden Reduzierens einer Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats, um eine Verbindungshalbleiterschicht zu erhalten; und
    • einen Schritt des Entfernens des einkristallinen Siliciumsubstrats von dem verbundenen Substrat, um ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat zu erhalten, in dem die polykristalline Diamantschicht als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht dient.
  • (2) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß (1) oben, wobei das Normaltemperatur-Vakuumbonden umfasst:
    • einen Schritt des Bestrahlens der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und einer Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats mit einem von einem Ionenstrahl oder
    • einem neutralen Atomstrahl unter Vakuum bei einer normalen Temperatur, um die Oberflächen in aktivierte Oberflächen zu verwandeln; und
    • einen Schritt des In-Kontakt-Bringens der Oberflächen miteinander noch unter Vakuum bei einer normalen Temperatur, wodurch die polykristalline Diamantschicht und das Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden.
  • (3) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß (1) oben, wobei das Plasmabonden umfasst:
    • einen Schritt der Durchführung von mindestens einem von;
      1. (i) Bilden eines Siliciumoxidfilms mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger auf der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und
      2. (ii) (ii-A) Bilden eines Siliciumoxidfilms mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger auf einer Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats oder (ii-B) thermisches Oxidieren des Verbindungshalbleitersubstrats, wodurch ein Oxidfilm mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger in einem Oberflächenteil des Verbindungshalbleitersubstrats gebildet wird;
    • einen Schritt des Durchführens einer Plasmabehandlung auf Oberflächen des Siliciumoxidfilms und des Oxidfilms und auf einem von der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats, auf der der Siliciumoxidfilm und der Oxidfilm nicht gebildet sind, in einer Atmosphäre, die eines oder mehrere von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon enthält; und
    • einen Schritt des Aufeinanderlegens der polykristallinen Diamantschicht und des Verbindungshalbleitersubstrats mit dem Siliciumoxidfilm und dem Oxidfilm dazwischen und des Durchführens einer Wärmebehandlung bei einer Umgebungstemperatur von 300 °C oder mehr und 1000 °C oder weniger, wodurch die polykristalline Diamantschicht und das Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden.
  • (4) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß einem der obigen (1) bis (3), wobei die Sauerstoffkonzentration in dem einkristallinen Siliciumsubstrat 5 × 1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt.
  • (5) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß einem der obigen (1) bis (4), wobei der Anbringungsschritt durchgeführt wird durch Auftragen einer Lösung, die Diamantpartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 50 nm oder weniger enthält, auf das einkristalline Siliciumsubstrat und anschließendes Unterziehen des einkristallinen Siliciumsubstrats einer Wärmebehandlung.
  • (6) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß (5) oben, wobei die Diamantpartikel in der Lösung negativ geladen sind.
  • (7) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß (5) oder (6) oben, wobei bei der Wärmebehandlung eine Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats bei weniger als 100 °C für 1 min oder mehr und 30 min oder weniger gehalten wird.
  • (8) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß einem der obigen (1) bis (7), wobei in dem Planarisierungsschritt eine Oberflächenrauhigkeit Ra der polykristallinen Diamantschicht auf 3 nm oder weniger reduziert wird.
  • (9) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß einem der obigen (1) bis (8), wobei das Verbindungshalbleitersubstrat hergestellt ist aus einem von GaN, AlN, InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb und SiGe.
  • (10) Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß einem der obigen (1) bis (9), wobei eine Dicke der Verbindungshalbleiterschicht 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt.
  • (11) Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat, umfassend:
    • ein Trägersubstrat, das aus einer polykristallinen Diamantschicht mit einer Dicke von 100 µm oder mehr besteht; und
    • eine Verbindungshalbleiterschicht, die auf oder über einer Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht gebildet ist,
    • wobei ein Wert, der durch Dividieren einer maximalen Korngröße von Kristallkörnern in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt.
  • (12) Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat gemäß (11) oben, umfassend eine amorphe Diamantschicht und eine amorphe Schicht, in der ein Verbindungshalbleiter der Verbindungshalbleiterschicht amorphisiert ist, die eine Gesamtdicke von 2 nm oder mehr und 10 nm oder weniger aufweisen und zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Verbindungshalbleiterschicht vorgesehen sind.
  • (13) Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat gemäß (11) oben, umfassend mindestens einen von einem Siliciumoxidfilm und einem Oxidfilm, in dem ein Verbindungshalbleiter der Verbindungshalbleiterschicht oxidiert ist, der eine Gesamtdicke von 200 nm oder mehr und 2 µm oder weniger aufweist und zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Verbindungshalbleiterschicht vorgesehen ist.
  • (14) Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat gemäß einem der obigen (11) bis (13), wobei die Verbindungshalbleiterschicht hergestellt ist aus einem von GaN, AlN, InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb und SiGe.
  • (15) Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat gemäß einem der obigen (11) bis (14), wobei eine Dicke der Verbindungshalbleiterschicht 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt.
This disclosure, completed on the basis of the above finding, mainly includes the following features.
  • (1) A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate, the method comprising:
    • an attaching step of attaching diamond particles to a single crystal silicon substrate;
    • a step of growing a polycrystalline diamond layer with a thickness of 100 microns or more on the single crystal silicon substrate by chemical vapor deposition using the diamond particles as seeds in such a way that a value obtained by dividing a maximum grain size of crystal grains in a surface of the polycrystalline Diamond layer obtained by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less;
    • a planarizing step of planarizing the surface of the polycrystalline diamond layer;
    • a step of subsequently bonding a compound semiconductor substrate and the polycrystalline diamond layer by one of normal temperature vacuum bonding and plasma bonding to obtain a bonded substrate;
    • a step of subsequently reducing a thickness of the compound semiconductor substrate to obtain a compound semiconductor layer; and
    • a step of removing the single crystal silicon substrate from the bonded substrate to obtain a freestanding polycrystalline diamond substrate in which the polycrystalline diamond layer serves as a support substrate for the compound semiconductor layer.
  • (2) The method of manufacturing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to (1) above, wherein the normal temperature vacuum bonding comprises:
    • a step of irradiating the surface of the polycrystalline diamond layer and a surface of the compound semiconductor substrate with one of an ion beam or
    • a neutral atomic beam under vacuum at a normal temperature to turn the surfaces into activated surfaces; and
    • a step of bringing the surfaces into contact with each other still under vacuum at a normal temperature, thereby bonding the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate to each other.
  • (3) The method of manufacturing a freestanding polycrystalline diamond substrate according to (1) above, wherein the plasma bonding comprises:
    • a step of performing at least one of;
      1. (i) forming a silicon oxide film with a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less on the surface of the polycrystalline diamond layer and
      2. (ii) (ii-A) forming a silicon oxide film with a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less on a surface of the compound semiconductor substrate or (ii-B) thermally oxidizing the compound semiconductor substrate, thereby forming an oxide film with a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less is formed in a surface part of the compound semiconductor substrate;
    • a step of performing plasma treatment on surfaces of the silicon oxide film and the oxide film and on one of the surface of the polycrystalline diamond layer and the surface of the compound semiconductor substrate on which the silicon oxide film and the oxide film are not formed in an atmosphere containing one or more of oxygen, Contains nitrogen, hydrogen and argon; and
    • a step of superposing the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate with the silicon oxide film and the oxide film therebetween and performing heat treatment at an ambient temperature of 300 ° C or more and 1000 ° C or less, thereby bonding the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate to each other.
  • (4) The method for producing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to any one of (1) to (3) above, wherein the oxygen concentration in the single crystal silicon substrate is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less.
  • (5) The method for producing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to any one of (1) to (4) above, wherein the attaching step is carried out by applying a solution containing diamond particles with an average particle size of 50 nm or less to the silicon single crystal substrate and then subjecting the single crystal silicon substrate to a heat treatment.
  • (6) The method for producing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to (5) above, wherein the diamond particles in the solution are negatively charged.
  • (7) The method for producing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to (5) or (6) above, wherein, in the heat treatment, a temperature of the single crystal silicon substrate is maintained at less than 100 ° C for 1 minute or more and 30 minutes or less.
  • (8) The method for manufacturing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to any one of (1) to (7) above, wherein in the planarizing step, a surface roughness Ra of the polycrystalline diamond layer is reduced to 3 nm or less.
  • (9) The method for manufacturing a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of (1) to (8) above, wherein the compound semiconductor substrate is made of one of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb and SiGe.
  • (10) The method for manufacturing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to any one of the above (1) to (9), wherein a thickness of the compound semiconductor layer is 1 µm or more and 500 µm or less.
  • (11) A freestanding polycrystalline diamond substrate comprising:
    • a supporting substrate composed of a polycrystalline diamond layer having a thickness of 100 µm or more; and
    • a compound semiconductor layer formed on or over a surface of the polycrystalline diamond layer,
    • wherein a value obtained by dividing a maximum grain size of crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less.
  • (12) freestanding polycrystalline diamond substrate according to (11) above, comprising an amorphous diamond layer and an amorphous layer in which a compound semiconductor of the compound semiconductor layer is amorphized, which have a total thickness of 2 nm or more and 10 nm or less and between the surface of the polycrystalline Diamond layer and the compound semiconductor layer are provided.
  • (13) freestanding polycrystalline diamond substrate according to (11) above, comprising at least one of a silicon oxide film and an oxide film in which a compound semiconductor of the compound semiconductor layer is oxidized, which has a total thickness of 200 nm or more and 2 μm or less and between the surface of the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor layer is provided.
  • (14) The free-standing polycrystalline diamond substrate according to any one of (11) to (13) above, wherein the compound semiconductor layer is made of one of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb and SiGe.
  • (15) The polycrystalline diamond freestanding substrate according to any one of (11) to (14) above, wherein a thickness of the compound semiconductor layer is 1 µm or more and 500 µm or less.

(Vorteilhafte Wirkung)(Beneficial effect)

Ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß dieser Offenbarung kann ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat herstellen, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität gebildet wird, unter Verwendung von Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden. Ferner ist ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat gemäß dieser Offenbarung eines, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität ausgebildet ist.A method of manufacturing a freestanding polycrystalline diamond substrate according to this disclosure can manufacture a freestanding polycrystalline diamond substrate in which a high quality compound semiconductor layer is formed using normal temperature vacuum bonding or plasma bonding. Further, according to this disclosure, a polycrystalline diamond freestanding substrate is one in which a high quality compound semiconductor layer is formed.

FigurenlisteFigure list

In den beigefügten Zeichnungen:

  • 1A bis 1L sind schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats 100 unter Verwendung von Normaltemperatur-Vakuumbonden gemäß Ausführungsform 1 dieser Offenbarung zeigen;
  • 2Abis 2K sind schematische Querschnittsansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats 200 durch Plasmabonden gemäß Ausführungsform 2 dieser Offenbarung zeigen; und
  • 3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Normaltemperatur-Vakuumbonding-Vorrichtung 50, die in einer Ausführungsform dieser Offenbarung verwendet wird.
In the attached drawings:
  • 1A until 1L Fig. 13 are schematic cross-sectional views showing a method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate 100 using normal temperature vacuum bonding according to Embodiment 1 of this disclosure;
  • 2Abis 2K are schematic cross-sectional views illustrating a method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate 200 by plasma probing according to Embodiment 2 of this disclosure; and
  • 3 Fig. 3 is a schematic cross-sectional view of a normal temperature vacuum bonding apparatus 50 used in an embodiment of this disclosure.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNGDETAILED DESCRIPTION

(Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats)(Method of Making a Freestanding Polycrystalline Diamond Substrate)

Unter Bezugnahme auf die 1A bis 1L wird ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats 100 unter Verwendung des Normaltemperatur-Vakuumbondens gemäß Ausführungsform 1 beschrieben. Zunächst wird, wie in 1A und 1B dargestellt, eine Lösung, die Diamantpartikel enthält, auf ein einkristallines Siliciumsubstrat 10 aufgetragen. Dadurch wird ein diamantpartikelhaltiger Flüssigkeitsfilm 12 auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 gebildet. Danach wird, wie in 1B und 1C dargestellt, durch Wärmebehandlung des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 ein Lösungsmittel in dem diamantpartikelhaltigen Flüssigkeitsfilm 12 verdampft und die Bindungsstärke zwischen einer Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 und den Diamantpartikeln 14 erhöht, wodurch die Diamantpartikel 14 auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 angebracht werden. Anschließend wird, wie in 1C und 1D dargestellt, eine polykristalline Diamantschicht 16 mit einer Dicke von 100 µm oder mehr auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung der Diamantpartikel 14 als Keime gebildet. Danach wird, wie in 1D und 1E dargestellt, eine Oberfläche 16A einer polykristallinen Diamantschicht planarisiert.With reference to the 1A until 1L discloses a method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate 100 using the normal temperature vacuum bonding according to Embodiment 1 will be described. First, as in 1A and 1B shown, a solution containing diamond particles on a single crystal silicon substrate 10 applied. This creates a liquid film containing diamond particles 12th on the single crystal silicon substrate 10 educated. After that, as in 1B and 1C by heat treating the single crystal silicon substrate 10 a solvent in the diamond particle-containing liquid film 12th evaporated and the bond strength between a surface of the single crystal silicon substrate 10 and the diamond particles 14th increases, reducing the diamond particles 14th on the single crystal silicon substrate 10 be attached. Then, as in 1C and 1D shown, a polycrystalline diamond layer 16 with a thickness of 100 µm or more on the single crystal silicon substrate 10 by chemical vapor deposition (CVD) using the diamond particles 14th formed as germs. After that, as in 1D and 1E shown, a surface 16A a polycrystalline diamond layer planarized.

Anschließend werden, wie in 1F, 1G, 1H und 1I dargestellt, die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht und eine Oberfläche 20A eines Verbindungshalbleitersubstrats 20 mit einem Ionenstrahl oder einem neutralen Atomstrahl unter Vakuum bei einer normalen Temperatur bestrahlt, wodurch die Oberflächen 16A und 20A in aktivierte Oberflächen verwandelt werden. An diesem Punkt wird, wie in 1G dargestellt, in einem Oberflächenteil der polykristallinen Diamantschicht 16 ein Bereich 18 gebildet, in dem Diamant(sp3)-Partikel teilweise in sp2-Diamantpartikel umgewandelt werden (im Folgenden als „sp2-Bereich“ bezeichnet). Ferner wird, wie in 1I dargestellt, eine amorphe Verbindungshalbleiterschicht 22 in einem Oberflächenteil des Verbindungshalbleitersubstrats 20 gebildet. Danach werden, wie in 1G, 1I und 1J dargestellt, die aktivierten Oberflächen noch unter Vakuum bei einer normalen Temperatur miteinander in Kontakt gebracht, so dass die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 unter Verwendung der aktivierten Oberflächen als Verbindungsflächen (Verbindungsebene) miteinander verbunden werden, wodurch ein verbundenes Substrat 30 erhalten wird. Anschließend wird, wie in 1J und 1K dargestellt, die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 reduziert, um eine Verbindungshalbleiterschicht 26 zu erhalten. Danach wird, wie in 1K und 1L dargestellt, das einkristalline Siliciumsubstrat 10 von dem verbundenen Substrat 30 entfernt.Then, as in 1F , 1G , 1H and 1I shown, the surface 16A the polycrystalline diamond layer and a surface 20A a compound semiconductor substrate 20th irradiated with an ion beam or a neutral atomic beam under vacuum at a normal temperature, whereby the surfaces 16A and 20A can be transformed into activated surfaces. At this point, as in 1G shown in a surface part of the polycrystalline diamond layer 16 an area 18th formed in which diamond (sp 3 ) particles are partially converted into sp 2 diamond particles (hereinafter referred to as “sp 2 region”). Furthermore, as in 1I shown, an amorphous compound semiconductor layer 22nd in a surface part of the compound semiconductor substrate 20th educated. After that, as in 1G , 1I and 1Y shown, the activated surfaces are still brought into contact with each other under vacuum at a normal temperature, so that the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th using the activated surfaces as connection surfaces (connection plane) are connected to one another, creating a connected substrate 30th is obtained. Then, as in 1Y and 1K shown, the thickness of the compound semiconductor substrate 20th reduced to a compound semiconductor layer 26th to obtain. After that, as in 1K and 1L shown, the single crystal silicon substrate 10 from the bonded substrate 30th removed.

In dieser Ausführungsform kann durch die oben genannten Schritte ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat 100 hergestellt werden, bei dem die polykristalline Diamantschicht 16 als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht 26 dient. Dabei dient die Verbindungshalbleiterschicht 26 als Bauelementeschicht, in der ein Halbleiterbauelement ausgebildet werden soll. In dem freistehenden polykristallinen Diamantsubstrat 100 befinden sich zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht 16 und der Verbindungshalbleiterschicht 26 eine amorphe Diamantschicht (sp2-Bereich) 18 und die amorphe Verbindungshalbleiterschicht 22.In this embodiment, a free-standing polycrystalline diamond substrate can be obtained through the above steps 100 in which the polycrystalline diamond layer 16 as a carrier substrate for the compound semiconductor layer 26th serves. The compound semiconductor layer is used here 26th as a component layer in which a semiconductor component is to be formed. In the freestanding polycrystalline diamond substrate 100 are located between the surface of the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor layer 26th an amorphous diamond layer (sp 2 region) 18 and the amorphous compound semiconductor layer 22nd .

Unter Bezugnahme auf 2A bis 2K wird ein Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats 200 unter Verwendung von Plasmabonden gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. Die Schritte von 2A bis 2E sind die gleichen wie die Schritte von 1A bis 1E, so dass die Beschreibung nicht wiederholt wird.With reference to 2A until 2K discloses a method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate 200 using plasma probes according to embodiment 2 is described. The steps of 2A until 2E are the same as the steps of 1A until 1E so that the description is not repeated.

Nach den Schritten von 2A bis 2E werden, wie in 2E, 2F, 2G und 2H dargestellt, ein Oxidfilm 24A und ein Oxidfilm 24B, die als Haftschichten dienen, auf der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht bzw. der Oberfläche 20A des Verbindungshalbleitersubstrats 20 gebildet. Danach wird, wie in 2F, 2H und 21 dargestellt, die polykristalline Diamantschicht 16 mit dem Verbindungshalbleitersubstrat 20 durch Plasmabonden verbunden, wodurch ein verbundenes Substrat 40 erhalten wird. Insbesondere werden die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 in einer Atmosphäre, die mindestens eines von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon enthält, nachdem die Oberflächen des Oxidfilms 24A und des Oxidfilms 24B einer Plasmabehandlung unterzogen wurden, mit den dazwischen liegenden Oxidfilmen 24A und 24B übereinander gelegt und einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 miteinander verbunden werden. Anschließend wird, wie in 21 und 2J dargestellt, die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 reduziert, um eine Verbindungshalbleiterschicht 26 zu erhalten. Danach wird, wie in 2J und 2K dargestellt, das einkristalline Siliciumsubstrat 10 von dem verbundenen Substrat 40 entfernt.Following the steps of 2A until 2E become, as in 2E , 2F , 2G and 2H shown, an oxide film 24A and an oxide film 24B , which serve as adhesive layers, on the surface 16A the polycrystalline diamond layer or the surface 20A of the compound semiconductor substrate 20th educated. After that, as in 2F , 2H and 21 shown, the polycrystalline diamond layer 16 with the compound semiconductor substrate 20th connected by plasma probes, creating a bonded substrate 40 is obtained. In particular, the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th in an atmosphere containing at least one of oxygen, nitrogen, hydrogen and argon after the surfaces of the oxide film 24A and the oxide film 24B were subjected to plasma treatment with the oxide films therebetween 24A and 24B placed on top of each other and subjected to a heat treatment, creating the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th be connected to each other. Then, as in 21 and 2Y shown, the thickness of the compound semiconductor substrate 20th reduced to a compound semiconductor layer 26th to obtain. After that, as in 2Y and 2K shown, the single crystal silicon substrate 10 from the bonded substrate 40 removed.

In dieser Ausführungsform kann durch die obigen Schritte ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat 200 hergestellt werden, bei dem die polykristalline Diamantschicht 16 als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht 26 dient. Dabei dient die Verbindungshalbleiterschicht 26 als Bauelementeschicht, in der ein Halbleiterbauelement ausgebildet werden soll. In dem freistehenden polykristallinen Diamantsubstrat 200 ist zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht 16 und der Verbindungshalbleiterschicht 26 eine Oxidschicht 24 vorhanden.In this embodiment, a polycrystalline diamond freestanding substrate can be obtained through the above steps 200 in which the polycrystalline diamond layer 16 as a carrier substrate for the compound semiconductor layer 26th serves. The compound semiconductor layer is used here 26th as a component layer in which a semiconductor component is to be formed. In the freestanding polycrystalline diamond substrate 200 is between the surface of the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor layer 26th an oxide layer 24 available.

In den obigen Ausführungsformen 1 und 2 ist es wichtig, dass in den Stufen von 1D und 2D ein Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt. Dessen technische Bedeutung wird weiter unten beschrieben. Die Schritte der obigen Ausführungsformen 1 und 2 werden nun im Detail beschrieben.In the above Embodiments 1 and 2, it is important that in the steps of 1D and 2D a value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface 16A of the polycrystalline diamond layer through the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 is obtained, 0.20 or less amounts to. Its technical significance is described below. The steps of Embodiments 1 and 2 above will now be described in detail.

[Diamantpartikel-Anbringungsschritt][Diamond Particle Attachment Step]

Der Schritt des Anbringens der Diamantpartikel 14 auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 erfolgt vorzugsweise durch Auftragen einer Lösung, die Diamantpartikel enthält, auf das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und anschließendes Unterziehen des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 einer Wärmebehandlung.The step of attaching the diamond particles 14th on the single crystal silicon substrate 10 is preferably carried out by applying a solution containing diamond particles to the monocrystalline silicon substrate 10 and then subjecting the single crystal silicon substrate 10 a heat treatment.

[[Auftragen einer diamantpartikelhaltigen Lösung]][[Applying a solution containing diamond particles]]

Wie in 1A und 1B und 2A und 2B dargestellt, wird eine Lösung, die Diamantpartikel enthält, auf das einkristalline Siliciumsubstrat 10 aufgetragen, um den Diamantpartikel enthaltenden Flüssigkeitsfilm 12 auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 zu bilden. Beispiele für das Aufbringungsverfahren sind Schleuderbeschichten, Sprühbeschichten und Tauchbeschichten; besonders bevorzugt ist das Schleuderbeschichten. Bei der Schleuderbeschichtung wird die diamantpartikelhaltige Lösung gleichmäßig nur auf eine der Oberflächen des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 aufgetragen, auf der die Diamantpartikel 14 angebracht werden sollen.As in 1A and 1B and 2A and 2 B illustrated, a solution containing diamond particles is applied to the single crystal silicon substrate 10 applied to the liquid film containing diamond particles 12th on the single crystal silicon substrate 10 to build. Examples of the application method are spin coating, spray coating and dip coating; spin coating is particularly preferred. In the spin-coating process, the solution containing diamond particles is applied uniformly to only one of the surfaces of the single-crystal silicon substrate 10 applied on which the diamond particles 14th should be attached.

Die durchschnittliche Partikelgröße der in der diamantpartikelhaltigen Lösung enthaltenen Diamantpartikel beträgt vorzugsweise 1 nm oder mehr und 50 nm oder weniger, besonders bevorzugt 10 nm oder weniger. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße 1 nm oder mehr beträgt, kann verhindert werden, dass die Diamantpartikel 14 in frühen Stadien des Wachstums der Diamantschicht 16 durch den Sputtereffekt von der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 weggeschleudert werden. Wenn die durchschnittliche Partikelgröße 50 nm oder weniger beträgt, kann ein dichter polykristalliner Diamant ohne abnormales Wachstum gezüchtet werden, und der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht 16 durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, kann 0,20 oder weniger betragen, selbst wenn die Dicke der Diamantschicht 16 100 µm oder mehr beträgt. So kann bei der zu beschreibenden Planarisierung eine Ebenheit erreicht werden, die ein Wafer-Verbinden ermöglicht. Diamantpartikel mit einer solchen Größe können in geeigneter Weise aus Graphit durch ein bekanntes Verfahren wie Detonation, Implosion oder Pulverisierung hergestellt werden. Es ist zu beachten, dass „die durchschnittliche Partikelgröße der in der diamantpartikelhaltigen Lösung enthaltenen Diamantpartikel“ auf der Grundlage von JIS 8819-2 berechnet wird und die durchschnittliche Partikelgröße bedeutet, die unter der Annahme berechnet wird, dass die mit einem bekannten Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysator gefundene Größenverteilung mit der Normalverteilung übereinstimmt.The average particle size of the diamond particles contained in the diamond particle-containing solution is preferably 1 nm or more and 50 nm or less, particularly preferably 10 nm or less. When the average particle size is 1 nm or more, the diamond particles can be prevented from being 14th in the early stages of diamond layer growth 16 by the sputtering effect from the surface of the single crystal silicon substrate 10 be thrown away. When the average particle size is 50 nm or less, a dense polycrystalline diamond can be grown without abnormal growth and the value obtained by dividing the maximum grain size of crystal grains in the surface 16A the polycrystalline diamond layer 16 obtained by the thickness of the polycrystalline diamond layer may be 0.20 or less even if the thickness of the diamond layer 16 Is 100 µm or more. In this way, in the planarization to be described, a flatness can be achieved that enables wafer bonding. Diamond particles having such a size can be suitably made from graphite by a known method such as detonation, implosion or pulverization. It should be noted that “the average particle size of diamond particles contained in the diamond particle-containing solution” is calculated based on JIS 8819-2 and means the average particle size calculated assuming that found with a known laser diffraction particle size analyzer Size distribution is consistent with the normal distribution.

Hier wird das einkristalline Siliciumsubstrat 10 vor der Beschichtung mit der diamantpartikelhaltigen Lösung typischerweise gebeizt, z. B. mit Flusssäure, um auf seiner Oberfläche abgelagerte Metallverunreinigungen zu entfernen. Da die Oberfläche des gebeizten einkristallinen Siliciumsubstrats 10 jedoch eine aktive, abstoßende Oberfläche ist, haften die Partikel leicht an der Oberfläche. Daher wird das gebeizte einkristalline Siliciumsubstrat 10 vorzugsweise mit reinem Wasser oder ähnlichem gewaschen, um die Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 in eine hydrophile Oberfläche zu verwandeln, auf der eine natürliche Oxidschicht gebildet ist. Alternativ wird das gebeizte einkristalline Siliciumsubstrat 10 vorzugsweise für längere Zeit in einem Reinraum belassen, um einen natürlichen Oxidfilm auf der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 zu bilden. So kann verhindert werden, dass sich Partikel an der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 festsetzen. An diesem Punkt werden positive feste Ladungen in der natürlichen Oxidschicht erzeugt. Wenn die diamantpartikelhaltige Lösung, die negativ geladene Diamantpartikel enthält, auf den positiv geladenen natürlichen Oxidfilm aufgebracht wird, werden dementsprechend das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und die Diamantpartikel 14 aufgrund der Coulomb-Anziehung fest aneinander gebunden. Dadurch wird die Haftung zwischen der polykristallinen Diamantschicht 16 und dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 verbessert. Solche negativ geladenen Diamantpartikel können erhalten werden, indem man eine Oxidation an den Diamantpartikeln durchführt, um die Diamantpartikel mit Carboxylgruppen oder Ketongruppen abzuschließen. Beispiele für den Oxidationsprozess sind z.B. Verfahren, bei denen die Diamantpartikel thermisch oxidiert werden, und Verfahren, bei denen die Diamantpartikel in eine Ozonlösung, eine Salpetersäurelösung, eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung oder eine Perchlorsäurelösung getaucht werden.Here becomes the single crystal silicon substrate 10 typically pickled prior to coating with the diamond particle-containing solution, e.g. B. with hydrofluoric acid to remove metal contaminants deposited on its surface. As the surface of the pickled single crystal silicon substrate 10 however, is an active, repellent surface, the particles easily adhere to the surface. Therefore, the pickled single crystal silicon substrate becomes 10 preferably washed with pure water or the like to cover the surface of the single crystal silicon substrate 10 into a hydrophilic surface on which a natural oxide layer is formed. Alternatively, the pickled single crystal silicon substrate becomes 10 preferably left in a clean room for a long time to form a natural oxide film on the surface of the single crystal silicon substrate 10 to build. In this way, particles can be prevented from being deposited on the surface of the single crystal silicon substrate 10 fix. At this point positive solid charges are created in the natural oxide layer. Accordingly, when the diamond particle-containing solution containing negatively charged diamond particles is applied to the positively charged natural oxide film, the monocrystalline silicon substrate becomes 10 and the diamond particles 14th tightly bound together due to Coulomb attraction. This increases the adhesion between the polycrystalline diamond layer 16 and the single crystal silicon substrate 10 improved. Such negatively charged diamond particles can be obtained by performing oxidation on the diamond particles to terminate the diamond particles with carboxyl groups or ketone groups. Examples of the oxidation process include methods in which the diamond particles are thermally oxidized and methods in which the diamond particles are immersed in an ozone solution, a nitric acid solution, an aqueous hydrogen peroxide solution or a perchloric acid solution.

Beispiele für ein Lösungsmittel für die diamantpartikelhaltige Lösung sind neben Wasser auch organische Lösungsmittel wie Methanol, Ethanol, 2-Propanol und Toluol. Eines dieser Lösungsmittel kann allein verwendet werden oder zwei oder mehr von ihnen können in Kombination verwendet werden.Examples of a solvent for the solution containing diamond particles are not only water but also organic solvents such as methanol, ethanol, 2-propanol and toluene. One of these solvents can be used alone, or two or more of them can be used in combination.

Der Gehalt der Diamantpartikel in der diamantpartikelhaltigen Lösung beträgt vorzugsweise 0,03 Masse-% oder mehr und 10 Masse-% oder weniger, bezogen auf die gesamte diamantpartikelhaltige Lösung. Wenn der Gehalt 0,03 Masse-% oder mehr beträgt, können die Diamantpartikel 14 gleichmäßig an das einkristalline Siliciumsubstrat 10 angebracht werden, und ein Gehalt von 10 Masse-% oder weniger kann die angebrachten Diamantpartikel 14 daran hindern, während des Wachstumsprozesses der Diamantschicht 16 abnormal zu wachsen.The content of the diamond particles in the solution containing diamond particles is preferably 0.03% by mass or more and 10% by mass or less, based on the total solution containing diamond particles. When the content is 0.03 mass% or more, the diamond particles can 14th uniformly to the single crystal silicon substrate 10 can be attached, and the content of 10 mass% or less can be attached diamond particles 14th prevent during the growth process of the diamond layer 16 to grow abnormally.

Im Hinblick auf die Verbesserung der Haftung zwischen den Diamantpartikeln 14 und dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 liegt die diamantpartikelhaltige Lösung vorzugsweise in Form eines Gels vor. Alternativ kann ein Verdickungsmittel in der diamantpartikelhaltigen Lösung enthalten sein. Beispiele für das Verdickungsmittel sind Agar, Carrageen, Xanthan, Gellan, Guarkernmehl, Polyvinylalkohol, Verdickungsmittel auf Polyacrylatbasis, wasserlösliche Cellulosen und Polyethylenoxid. Einer oder mehrere von ihnen können verwendet werden. Wenn das Verdickungsmittel enthalten ist, liegt der pH-Wert der Diamantpartikel enthaltenden Lösung vorzugsweise im Bereich von 6 oder mehr und 8 oder weniger.With a view to improving the adhesion between the diamond particles 14th and the single crystal silicon substrate 10 the solution containing diamond particles is preferably in the form of a gel. Alternatively, a thickening agent can be contained in the diamond particle-containing solution. Examples of the thickener are agar, carrageenan, xanthan, gellan, guar gum, polyvinyl alcohol, polyacrylate-based thickeners, water-soluble celluloses and polyethylene oxide. One or more of them can be used. When the thickener is contained, the pH of the diamond particle-containing solution is preferably in the range of 6 or more and 8 or less.

Die diamantpartikelhaltige Lösung kann durch Mischen und Rühren von Diamantpartikeln in dem oben genannten Lösungsmittel hergestellt werden, so dass die Diamantpartikel in dem Lösungsmittel dispergiert werden. Die Rührgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise 500 U/min oder mehr und 3000 U/min oder weniger, und die Rührzeit beträgt vorzugsweise 10 min oder mehr und 1 h oder weniger.The diamond particle-containing solution can be prepared by mixing and stirring diamond particles in the above-mentioned solvent so that the diamond particles are dispersed in the solvent. The stirring speed is preferably 500 rpm or more and 3000 rpm or less, and the stirring time is preferably 10 minutes or more and 1 hour or less.

[[Wärmebehandlung]][[Heat treatment]]

Als nächstes wird, wie in 1B und 1C und 2B und 2C dargestellt, eine Wärmebehandlung des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 durchgeführt. Dadurch wird das Lösungsmittel in dem diamantpartikelhaltigen Flüssigkeitsfilm 12 verdampft und die Bindungsstärke zwischen der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 und den Diamantpartikeln 14 erhöht, wodurch die Diamantpartikel 14 auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 angebracht werden. Die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 während der Wärmebehandlung beträgt vorzugsweise weniger als 100 °C, besonders bevorzugt 30 °C oder mehr und 80 °C oder weniger. Eine Temperatur von weniger als 100 °C kann verhindern, dass sich während des Kochens der diamantpartikelhaltigen Lösung Blasen bilden, wodurch die Bildung von Bereichen vermieden wird, in denen die Diamantpartikel 14 nicht auf dem einkristallinen Siliciumsubstrats 10 vorhanden sind, und die Ablösung der polykristallinen Diamantschicht 16 vermieden wird, die von diesen Bereichen ausgehen würde. Wenn die Temperatur 30 °C oder mehr beträgt, sind das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und die Diamantpartikel 14 ausreichend aneinander gebunden; so kann verhindert werden, dass die Diamantpartikel 14 aufgrund des Sputtereffekts während des Wachstums der polykristallinen Diamantschicht 16 durch CVD abgeschlagen werden, und die polykristalline Diamantschicht 16 kann gleichmäßig wachsen. Die Wärmebehandlungszeit beträgt vorzugsweise 1 min oder mehr und 30 min oder weniger. Als Wärmebehandlungsgerät kann ein bekanntes Wärmebehandlungsgerät verwendet werden; zum Beispiel kann die Wärmebehandlung durchgeführt werden, indem das einkristalline Siliciumsubstrat 10 auf eine beheizte Heizplatte gelegt wird.Next, as in 1B and 1C and 2 B and 2C shown, a heat treatment of the single crystal silicon substrate 10 carried out. This causes the solvent in the diamond particle-containing liquid film 12th evaporated and the bond strength between the surface of the single crystal silicon substrate 10 and the diamond particles 14th increases, reducing the diamond particles 14th on the single crystal silicon substrate 10 be attached. The temperature of the single crystal silicon substrate 10 during the heat treatment is preferably less than 100 ° C, particularly preferably 30 ° C or more and 80 ° C or less. A temperature of less than 100 ° C can prevent bubbles from forming during the boiling of the diamond particle-containing solution, thereby avoiding the formation of areas where the diamond particles are 14th not on the single crystal silicon substrate 10 are present, and the peeling of the polycrystalline diamond layer 16 which would emanate from these areas is avoided. When the temperature is 30 ° C or more, they are single crystal silicon substrate 10 and the diamond particles 14th sufficiently bound together; this can prevent the diamond particles 14th due to the sputtering effect during the growth of the polycrystalline diamond layer 16 be chipped off by CVD, and the polycrystalline diamond layer 16 can grow evenly. The heat treatment time is preferably 1 minute or more and 30 minutes or less. As the heat treatment apparatus, a known heat treatment apparatus can be used; for example, the heat treatment can be performed by the single crystal silicon substrate 10 is placed on a heated hot plate.

Das Verfahren zum Anbringen der Diamantpartikel auf der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats ist nicht auf das Aufbringungsverfahren beschränkt und kann ein bekanntes Verfahren wie ein Tauchbeschichtungsverfahren oder ein Kratzverfahren sein. Im Falle eines Kratzverfahrens werden die Diamantpartikel in die Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats eingebettet, wodurch die Diamantpartikel an der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats angebracht werden. Beispiele für das Verfahren zum Einbetten der Diamantpartikel umfassen: (1) ein Verfahren, bei dem Diamantpulver in einem getrockneten Zustand auf der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats verteilt wird und eine Druckkraft auf die Oberfläche des Substrats ausgeübt wird, (2) ein Verfahren, bei dem ein Strahl eines Hochgeschwindigkeitsgases, das Diamantpartikel enthält, auf die Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats geschickt wird, (3) ein Verfahren, bei dem das einkristalline Siliciumsubstrat in einem Wirbelbett aus Diamantpartikeln platziert wird, und (4) ein Verfahren, bei dem eine Ultraschallreinigung des einkristallinen Siliciumsubstrats in einer Lösung, in der Diamantpartikel dispergiert sind, durchgeführt wird. Bei dem Kratzverfahren würde sich die Glätte der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht verschlechtern, wenn die Variation der Tiefe der eingebetteten Diamantpartikel zu einer ungleichmäßigen Dicke der polykristallinen Diamantschicht führt und wenn die Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats während der Einbettung der Diamantpartikel stark beschädigt wird. Daher wird vorzugsweise ein Aufbringungsverfahren verwendet.The method for attaching the diamond particles on the surface of the single crystal silicon substrate is not limited to the application method and may be a known method such as a dip coating method or a scratch method. In the case of a scratching process, the diamond particles are embedded in the surface of the single crystal silicon substrate, whereby the diamond particles are attached to the surface of the single crystal silicon substrate. Examples of the method for embedding the diamond particles include: (1) a method in which diamond powder is spread in a dried state on the surface of the single crystal silicon substrate and a compressive force is applied to the surface of the substrate; (2) a method in which a jet of a high-velocity gas containing diamond particles is sent onto the surface of the single crystal silicon substrate, (3) a method in which the single crystal silicon substrate is placed in a fluidized bed of diamond particles, and (4) a method in which an ultrasonic cleaning of the single crystal Silicon substrate is carried out in a solution in which diamond particles are dispersed. In the scratching method, the smoothness of the surface of the polycrystalline diamond layer would deteriorate if the variation in the depth of the embedded diamond particles leads to an uneven thickness of the polycrystalline diamond layer and if the surface of the single crystal silicon substrate is badly damaged during the embedding of the diamond particles. Therefore, an application method is preferably used.

[Aufwachsen der polykristallinen Diamantschicht][Growing the polycrystalline diamond layer]

Als nächstes wird, wie in 1C und 1D und 2C und 2D dargestellt, die polykristalline Diamantschicht 16 mit einer Dicke von 100 µm oder mehr auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 durch CVD unter Verwendung der Diamantpartikel 14 als Keime aufgewachsen. Dabei ist es wichtig, dass der Wert, der sich durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht 16 durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 ergibt, 0,20 oder weniger beträgt. Für das CVD-Verfahren können in geeigneter Weise plasmaunterstütztes CVD, Heißfilament-CVD usw. verwendet werden.Next, as in 1C and 1D and 2C and 2D shown, the polycrystalline diamond layer 16 with a thickness of 100 µm or more on the single crystal silicon substrate 10 by CVD using the diamond particles 14th grew up as germs. It is important that the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface 16A the polycrystalline diamond layer 16 through the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 is 0.20 or less. For the CVD method, plasma-assisted CVD, hot filament CVD, etc. can be suitably used.

In dieser Beschreibung sind „die Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht“ und „die Dicke der polykristallinen Diamantschicht“ wie folgt definiert. Drei Bereiche von 10 µm 10 × µm, die an insgesamt drei Punkten zentriert sind, die aus dem Mittelpunkt der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht (d.h. dem Mittelpunkt des einkristallinen Siliciumsubstrats) und zwei Schnittpunkten des Umfangs eines Kreises mit einem Radius, der 95% des Radius der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht beträgt, und einer Durchmesserlinie der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht bestehen, werden einer Draufsichtsbeobachtung unter einem optischen Mikroskop unterzogen. Dabei fällt der Mittelpunkt des Kreises mit dem Mittelpunkt der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht zusammen. Von den Hauptachsen aller Kristallkörner in den drei Regionen wird die maximale Länge als „maximale Korngröße der Kristallkörner“ definiert. Der Mittelwert der Dicken der drei Bereiche, gemessen durch Beobachtung der entsprechenden Querschnitte, wird als „Dicke der polykristallinen Diamantschicht“ verwendet.In this specification, “the grain size of crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer” and “the thickness of the polycrystalline diamond layer” are defined as follows. Three areas of 10 µm 10 × µm centered at a total of three points that are off the center of the surface 16A the polycrystalline diamond layer (ie the center of the single crystal silicon substrate) and two points of intersection of the perimeter of a circle with a radius that is 95% of the radius of the surface 16A of the polycrystalline diamond layer, and a diameter line of the surface 16A of the polycrystalline diamond layer are subjected to plan observation under an optical microscope. The center of the circle coincides with the center of the surface 16A the polycrystalline diamond layer. Of the major axes of all crystal grains in the three regions, the maximum length is defined as the “maximum grain size of crystal grains”. The mean value of the thicknesses of the three areas, measured by observing the corresponding cross sections, is used as the “thickness of the polycrystalline diamond layer”.

Bei Verwendung von plasmaunterstütztem CVD wird die polykristalline Diamantschicht 16 beispielsweise durch Einleiten eines Quellgases wie Methan in eine Kammer mit Wasserstoff als Trägergas gezüchtet, wobei die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 auf 700 °C oder mehr und 1300 °C oder weniger geregelt wird. Im Hinblick auf die Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 wird vorzugsweise mikrowellenplasmaunterstütztes CVD verwendet. Mikrowellenplasmaunterstütztes CVD ist ein Verfahren, bei dem ein Quellgas, wie z. B. Methan, durch Mikrowellen aufgeschlossen wird, um in einer Plasmakammer ein Plasma zu bilden, und das das Plasma bildende Quellgas auf das erhitzte einkristalline Siliciumsubstrat 10 geleitet wird, wodurch die polykristalline Diamantschicht 16 wächst. Dabei werden der Druck in der Plasmakammer, die Leistung der Mikrowellen und die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 vorzugsweise wie folgt eingestellt. Der Druck in der Plasmakammer beträgt vorzugsweise 1,3 × 103 Pa oder mehr und 1,3 × 105 Pa oder weniger, besonders bevorzugt 1,1 × 104 Pa oder mehr und 4,0 × 104 Pa oder weniger. Die Leistung der Mikrowellen ist vorzugsweise 0,1 kW oder mehr und 100 kW oder weniger, mehr bevorzugt 1 kW oder mehr und 10 kW oder weniger. Die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 beträgt vorzugsweise 700 °C oder mehr und 1300 °C oder weniger, mehr bevorzugt 900 °C oder mehr und 1200 °C oder weniger.When using plasma-assisted CVD, the polycrystalline diamond layer becomes 16 grown for example by introducing a source gas such as methane into a chamber with hydrogen as the carrier gas, the temperature of the monocrystalline silicon substrate 10 is controlled at 700 ° C or more and 1300 ° C or less. With a view to improving the uniformity of the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 microwave plasma-assisted CVD is preferably used. Microwave plasma-assisted CVD is a process in which a source gas, such as e.g. B. methane, is broken down by microwaves to form a plasma in a plasma chamber, and the source gas forming the plasma on the heated monocrystalline silicon substrate 10 is conducted, creating the polycrystalline diamond layer 16 grows. The pressure in the plasma chamber, the power of the microwaves and the temperature of the monocrystalline silicon substrate are thereby determined 10 preferably set as follows. The pressure in the plasma chamber is preferably 1.3 × 10 3 Pa or more and 1.3 × 10 5 Pa or less, particularly preferably 1.1 × 10 4 Pa or more and 4.0 × 10 4 Pa or less. The power of the microwave is preferably 0.1 kW or more and 100 kW or less, more preferably 1 kW or more and 10 kW or less. The temperature of the single crystal silicon substrate 10 is preferably 700 ° C or more and 1300 ° C or less, more preferably 900 ° C or more and 1200 ° C or less.

Wenn Heißfilament-CVD verwendet wird, werden Kohlenstoffradikale aus einem kohlenwasserstoffbasierten Quellgas wie Methan unter Verwendung eines Filaments aus Wolfram, Tantal, Rhenium, Molybdän, Iridium oder dergleichen bei einer Filamenttemperatur von etwa 1900 °C oder mehr und 2300 °C oder weniger erzeugt. Die Kohlenstoffradikale werden auf das erhitzte einkristalline Siliciumsubstrat 10 gerichtet, wodurch die polykristalline Diamantschicht 16 wächst. Heißfilament-CVD kann leicht auf Wafer mit größerem Durchmesser angewendet werden. Dabei werden der Druck in der Kammer, der Abstand zwischen dem Filament und dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 und die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 vorzugsweise wie folgt eingestellt. Der Druck in der Kammer beträgt vorzugsweise 1,3 × 103 Pa oder mehr und 1,3 × 105 Pa oder weniger. Der Abstand zwischen dem Filament und dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 beträgt vorzugsweise 5 mm oder mehr und 20 mm oder weniger. Die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 beträgt vorzugsweise 700 °C oder mehr und 1300 °C oder weniger.When using hot filament CVD, carbon radicals are generated from a hydrocarbon-based source gas such as methane using a filament made of tungsten, tantalum, rhenium, molybdenum, iridium, or the like at a filament temperature of about 1900 ° C or more and 2300 ° C or less. The carbon radicals are deposited on the heated single crystal silicon substrate 10 directed, creating the polycrystalline diamond layer 16 grows. Hot filament CVD can easily be applied to larger diameter wafers. The pressure in the chamber, the distance between the filament and the monocrystalline silicon substrate are thereby determined 10 and the temperature of the single crystal silicon substrate 10 preferably set as follows. The pressure in the chamber is preferably 1.3 × 10 3 Pa or more and 1.3 × 10 5 Pa or less. The distance between the filament and the single crystal silicon substrate 10 is preferably 5 mm or more and 20 mm or less. The temperature of the single crystal silicon substrate 10 is preferably 700 ° C or more and 1300 ° C or less.

Da die polykristalline Diamantschicht 16 als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht 26 dient, beträgt ihre Dicke 100 µm oder mehr, vorzugsweise 500 µm oder mehr. Obwohl es keine besondere Obergrenze für die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 gibt, beträgt die Dicke vorzugsweise 3 mm oder weniger, um zu verhindern, dass das Wachstum durch CVD für eine übermäßig lange Prozesszeit durchgeführt wird.As the polycrystalline diamond layer 16 as a carrier substrate for the compound semiconductor layer 26th is used, its thickness is 100 µm or more, preferably 500 µm or more. Although there is no particular upper limit on the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 the thickness is preferably 3 mm or less in order to prevent the growth by CVD from being carried out for an excessively long process time.

(Planarisieren der polykristallinen Diamantschicht)(Planarizing the polycrystalline diamond layer)

Als nächstes wird, wie in 1D und 1E sowie 2D und 2E dargestellt, die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht planarisiert. Das Planarisierungsverfahren ist nicht besonders eingeschränkt, aber es kann z. B. ein bekanntes chemisch-mechanisches Polierverfahren (CMP) geeignet eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass auch nach der Planarisierung die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 100 µm oder mehr, vorzugsweise 500 µm oder mehr beträgt.Next, as in 1D and 1E as 2D and 2E shown, the surface 16A the polycrystalline diamond layer is planarized. The planarization process is not special restricted, but it can e.g. B. a known chemical-mechanical polishing process (CMP) can be used appropriately. It should be noted that even after planarization, the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 Is 100 µm or more, preferably 500 µm or more.

Hierbei ist es in den Ausführungsformen 1 und 2 wichtig, dass die polykristalline Diamantschicht 16 mit der Oberfläche 16A, in der der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt, einer Planarisierung unterzogen wird. Die auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 durch CVD gebildete Diamantschicht weist polykristalline Kristallinität auf. Wenn hier die Korngröße der Kristallkörner des Diamanten groß ist, können die Kristallkörner nicht dicht auf der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht angeordnet werden, und ein Kristallkom und die das Kristallkorn umgebenden Kristallkörner sind in ihren Tiefenpositionen unterschiedlich, so dass sich um das Kristallkorn herum Abstände bilden. Dementsprechend werden, selbst wenn die Oberfläche eines Kristallkorns poliert ist, Kristallkörner in tieferen Positionen in einem unpolierten Zustand in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht freigelegt. Ein solches Phänomen tritt in jedem Teil der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht auf; daher würde die Oberflächenrauhigkeit Ra der polykristallinen Diamantschicht nicht verringert werden, selbst wenn die Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht poliert wird. Wenn dagegen der Wert, der sich durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht ergibt, 0,20 oder weniger beträgt, kann die Oberflächenrauhigkeit Ra auf 3 nm oder weniger eingestellt werden, wenn die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht poliert wird. Wenn die Rauheit Ra der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht nach der Planarisierung 3 nm oder weniger beträgt, können die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 durch das zu beschreibende Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden miteinander verbunden werden. Die Oberflächenrauheit Ra bedeutet hier eine arithmetische mittlere Rauheit Ra gemäß JIS B 0601 (2001).Here, in Embodiments 1 and 2, it is important that the polycrystalline diamond layer 16 with the surface 16A in which the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less, is subjected to planarization. The ones on the single crystal silicon substrate 10 Diamond layer formed by CVD has polycrystalline crystallinity. Here, if the grain size of the crystal grains of the diamond is large, the crystal grains cannot be densely arranged on the surface of the polycrystalline diamond layer, and a crystal grain and the crystal grains surrounding the crystal grain are different in their depth positions, so that spaces are formed around the crystal grain. Accordingly, even if the surface of a crystal grain is polished, crystal grains in deeper positions are exposed in an unpolished state in the surface of the polycrystalline diamond layer. Such a phenomenon occurs in any part of the surface of the polycrystalline diamond layer; therefore, the surface roughness Ra of the polycrystalline diamond layer would not be reduced even if the surface of the polycrystalline diamond layer is polished. On the other hand, when the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less, the surface roughness Ra can be set to 3 nm or less when the surface 16A the polycrystalline diamond layer is polished. When the roughness Ra of the surface 16A of the polycrystalline diamond layer after planarization is 3 nm or less, the polycrystalline diamond layer may be used 16 and the compound semiconductor substrate 20th are connected to one another by the normal temperature vacuum bonding or plasma bonding to be described. The surface roughness Ra here means an arithmetic mean roughness Ra according to JIS B 0601 (2001).

[Verbinden durch Normaltemperatur-Vakuumbonden][Joining by normal temperature vacuum bonding]

In Ausführungsform 1 werden, wie in 1F, 1G, 1H und 1I dargestellt, das Verbindungshalbleitersubstrat 20 und die polykristalline Diamantschicht 16 durch Normaltemperatur-Vakuumbonden miteinander verbunden, wodurch das verbundene Substrat 30 erhalten wird. Das Normaltemperatur-Vakuumbonden ist ein Verfahren zum Verbinden des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 und des Verbindungshalbleitersubstrats 20 unter Vakuum bei normaler (Raum-)Temperatur ohne Erwärmung. In dieser Ausführungsform werden die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht und die Oberfläche 20A des Verbindungshalbleitersubstrats einer Aktivierung durch Bestrahlung der Oberflächen mit einem Ionenstrahl oder einem neutralen Atomstrahl unter Vakuum bei einer normalen Temperatur unterzogen, um die Oberflächen 16A und 20A in aktivierte Oberflächen zu verwandeln. Dadurch entstehen auf den aktivierten Oberflächen freie Bindungen. Wenn die beiden aktivierten Oberflächen anschließend unter Vakuum bei normaler Temperatur miteinander in Kontakt gebracht werden, wirkt die Adhäsionskraft sofort, und die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 werden fest miteinander verbunden, wobei die aktivierten Oberflächen als Bindungsflächen dienen.In Embodiment 1, as shown in FIG 1F , 1G , 1H and 1I shown, the compound semiconductor substrate 20th and the polycrystalline diamond layer 16 bonded together by normal temperature vacuum bonding, thereby forming the bonded substrate 30th is obtained. Normal temperature vacuum bonding is a method of joining the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th under vacuum at normal (room) temperature without heating. In this embodiment the surface 16A the polycrystalline diamond layer and the surface 20A of the compound semiconductor substrate is subjected to activation by irradiating the surfaces with an ion beam or a neutral atom beam under vacuum at a normal temperature to the surfaces 16A and 20A to turn them into activated surfaces. This creates free bonds on the activated surfaces. When the two activated surfaces are then brought into contact with each other under vacuum at normal temperature, the adhesive force acts immediately, and the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th are firmly connected to each other, with the activated surfaces serving as bonding surfaces.

Beispiele für das Aktivierungsverfahren umfassen ein Verfahren, bei dem ein in einer Plasmaatmosphäre ionisiertes Element in Richtung der Oberflächen der Substrate beschleunigt wird, und ein Verfahren, bei dem ein beschleunigtes ionisiertes Element von einer Ionenstrahlvorrichtung in Richtung der Oberflächen der Substrate beschleunigt wird. Eine Ausführungsform einer Vorrichtung, die dieses Verfahren implementiert, wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Eine Normaltemperatur-Vakuumbondvorrichtung 50 hat eine Plasmakammer 51, einen Gaseinlass 52, eine Vakuumpumpe 53, eine Impulsspannungs-Anlegevorrichtung 54 und Waferhalter 55A, 55B.Examples of the activation method include a method in which an element ionized in a plasma atmosphere is accelerated toward the surfaces of the substrates and a method in which an accelerated ionized element is accelerated toward the surfaces of the substrates by an ion beam device. One embodiment of an apparatus that implements this method is described with reference to FIG 3 described. A normal temperature vacuum bonding device 50 has a plasma chamber 51 , a gas inlet 52 , a vacuum pump 53 , a pulse voltage applying device 54 and wafer holder 55A , 55B .

Zunächst werden das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 in die Plasmakammer 51 gelegt und an den Waferhaltern 55A, 55B befestigt. Als nächstes wird die Plasmakammer 51 mit Hilfe der Vakuumpumpe 53 drucklos gemacht, und dann wird ein Quellgas durch den Gaseinlass 52 in die Plasmakammer 51 eingeleitet. Anschließend wird durch die Impulsspannungs-Anlegevorrichtung 54 eine negative Impulsspannung an die Waferhalter 55Aund 55B (und an das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20) angelegt. So können, während das Plasma des Quellengases erzeugt wird, die im erzeugten Plasma enthaltenen Ionen des Quellengases in Richtung der Oberfläche der auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 gebildeten polykristallinen Diamantschicht 16 und der Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats 20 beschleunigt werden, um die Oberflächen zu bestrahlen.First, the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th into the plasma chamber 51 placed and on the wafer holders 55A , 55B attached. Next up is the plasma chamber 51 with the help of the vacuum pump 53 depressurized, and then a source gas is introduced through the gas inlet 52 into the plasma chamber 51 initiated. Then, by the pulse voltage applying device 54 a negative pulse voltage to the wafer holders 55A and 55B (and to the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th ) created. Thus, while the plasma of the source gas is being generated, the ions of the source gas contained in the generated plasma can move toward the surface of the monocrystalline silicon substrate 10 formed polycrystalline diamond layer 16 and the surface of the compound semiconductor substrate 20th accelerated to irradiate the surfaces.

Das für die Bestrahlung verwendete Element ist vorzugsweise mindestens eines, ausgewählt aus Ar, Ne, Xe, H, He und Si.The element used for irradiation is preferably at least one selected from Ar, Ne, Xe, H, He and Si.

Der Kammerdruck der Plasmakammer 51 beträgt vorzugsweise 1 × 10-5 Pa oder weniger. Wenn der Kammerdruck 1 × 10-5 Pa oder weniger beträgt, haftet das gesputterte Element kaum an den Oberflächen der Substrate wieder an, was eine Verringerung der Bildungsrate von freien Bindungen verhindert.The chamber pressure of the plasma chamber 51 is preferably 1 × 10 -5 Pa or less. When the chamber pressure is 1 × 10 -5 Pa or less, the sputtered element is hard to reattach to the surfaces of the substrates, preventing the rate of dangling from decreasing.

Die an das Einkristall-Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 angelegte Pulsspannung ist vorzugsweise so eingestellt, dass die Beschleunigungsenergie eines auf die Oberflächen der Substrate gerichteten Elements 100 eV oder mehr und 10 keV oder weniger beträgt. Wenn die Impulsspannung 100 eV oder mehr beträgt, kann das Bestrahlungselement daran gehindert werden, sich auf der Oberfläche der Substrate abzulagern; wenn die Impulsspannung 10 keV oder weniger beträgt, würde das Bestrahlungselement nicht in die Substrate eingeführt werden, was zu einer stabilen Bildung von freien Bindungen führt.Those attached to the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th applied pulse voltage is preferably set so that the acceleration energy of an element directed onto the surfaces of the substrates 100 eV or more and 10 keV or less. When the pulse voltage 100 eV or more, the irradiation element can be prevented from being deposited on the surface of the substrates; when the pulse voltage 10 keV or less, the irradiation element would not be introduced into the substrates, resulting in stable formation of dangling bonds.

Die Frequenz der Impulsspannung bestimmt, wie oft Ionen oder neutrale Atome an das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 aufgebracht werden. Die Frequenz der Pulsspannung beträgt vorzugsweise 10 Hz oder mehr und 10 kHz oder weniger. Eine Pulsspannungsfrequenz von 10 Hz oder mehr kann die Variation der Bestrahlung mit Ionen oder neutralen Atomen berücksichtigen, was zu einer stabilen Bestrahlungsdosis mit Ionen oder neutralen Atomen führt, während eine Frequenz von 10 kHz oder weniger eine stabile Plasmabildung durch Glimmentladung ermöglicht.The frequency of the pulse voltage determines how often ions or neutral atoms attach to the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th be applied. The frequency of the pulse voltage is preferably 10 Hz or more and 10 kHz or less. A pulse voltage frequency of 10 Hz or more can account for the variation in irradiation with ions or neutral atoms, resulting in a stable irradiation dose with ions or neutral atoms, while a frequency of 10 kHz or less enables stable plasma formation by glow discharge.

Die Pulsbreite der Pulsspannung bestimmt die Zeit, für die Ionen oder neutrale Atome auf das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 aufgebracht werden. Die Pulsbreite beträgt vorzugsweise 1 µs oder mehr und 10 ms oder weniger. Wenn die Pulsbreite 1 µs oder mehr beträgt, können die Substrate stabil mit Ionen oder neutralen Atomen bestrahlt werden, und wenn die Pulsbreite 10 ms oder weniger beträgt, wird ein Plasma durch Glimmentladung stabil gebildet.The pulse width of the pulse voltage determines the time for the ions or neutral atoms on the monocrystalline silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th be applied. The pulse width is preferably 1 microsecond or more and 10 ms or less. When the pulse width is 1 µs or more, the substrates can be stably irradiated with ions or neutral atoms, and when the pulse width is 10 ms or less, a glow discharge plasma is stably formed.

Da das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 nicht beheizt werden, ist die Temperatur der Substrate eine normale Temperatur (typischerweise 30 °C bis 90 °C).As the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th are not heated, the temperature of the substrates is a normal temperature (typically 30 ° C to 90 ° C).

Die Verwendung des Normaltemperatur-Vakuumbondens in dieser Weise führt zu folgendem Vorgang und Effekt. Beim Normaltemperatur-Vakuumbonden werden das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 nicht erhitzt. Dementsprechend können Verunreinigungen im einkristallinen Siliciumsubstrat 10 daran gehindert werden, zu dem Verbindungshalbleitersubstrat 20 auszudiffundieren. Dadurch können auch Fehler und Versetzungen vermieden werden, da die beiden Substrate sofort und fest miteinander verbunden werden können. Außerdem wird die polykristalline Diamantschicht 16 nicht durch thermische Spannungen aufgrund einer Hochtemperatur-Wärmebehandlung belastet. Außerdem ermöglicht die Aktivierung durch das Vakuumbonden bei normaler Temperatur die Bildung der amorphen Schicht 22 mit einer Dicke von 1 nm oder mehr und 5 nm oder weniger im Oberflächenteil des Verbindungshalbleitersubstrats 20 (1I). Die amorphe Schicht 22 dient als Getterschicht und kann verhindern, dass Sauerstoff und Verunreinigungen im einkristallinen Siliciumsubstrat 10 zum Verbindungshalbleitersubstrat 20 ausdiffundieren. Außerdem trägt die amorphe Schicht 22, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, zur Verbesserung der Wärmeableitungsfähigkeit des polykristallinen, freistehenden Diamantsubstrats 100 bei, das ein Endprodukt ist.Using the normal temperature vacuum bonding in this way results in the following operation and effect. In normal temperature vacuum bonding, the single crystal silicon substrate becomes 10 and the compound semiconductor substrate 20th not heated. Accordingly, there may be impurities in the single crystal silicon substrate 10 are prevented from becoming the compound semiconductor substrate 20th diffuse out. This also avoids errors and misalignments, since the two substrates can be immediately and firmly connected to one another. It also becomes the polycrystalline diamond layer 16 not burdened by thermal stresses due to high temperature heat treatment. In addition, activation by vacuum bonding at normal temperature enables the amorphous layer to be formed 22nd with a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less in the surface part of the compound semiconductor substrate 20th ( 1I ). The amorphous layer 22nd serves as a getter layer and can prevent oxygen and impurities in the single crystal silicon substrate 10 to the compound semiconductor substrate 20th diffuse out. In addition, the amorphous layer carries 22nd , which has good thermal conductivity, to improve the heat dissipation ability of the polycrystalline freestanding diamond substrate 100 at that is an end product.

[Verbinden durch Plasmabonden][Connect by plasma bonding]

In Ausführungsform 2 werden, wie in den 2E, 2F, 2G und 2H dargestellt, das Verbindungshalbleitersubstrat 20 und die polykristalline Diamantschicht 16 durch Plasmabonden miteinander verbunden, wodurch das verbundene Substrat 40 erhalten wird. Das Plasmabonden ist ein Waferbondverfahren, bei dem die Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und die Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats einer Plasmaatmosphäre ausgesetzt werden, wodurch in den Oberflächen freie Bindungen gebildet werden, und die freien Bindungen miteinander verbunden werden. Typischerweise werden die Plasmaaktivierung und das Waferbonden in getrennten Apparaten durchgeführt, so dass aktivierte freie Bindungen vorübergehend der Luft ausgesetzt werden und die Dichte der freien Bindungen abnimmt, wodurch die Haftfestigkeit des Wafers reduziert wird. Um die Wafer-Haftfestigkeit zu sichern, ist daher eine Wärmebehandlung nach dem Waferbonden erforderlich.In Embodiment 2, as shown in FIGS 2E , 2F , 2G and 2H shown, the compound semiconductor substrate 20th and the polycrystalline diamond layer 16 interconnected by plasma probes, creating the interconnected substrate 40 is obtained. Plasma bonding is a wafer bonding method in which the surface of the polycrystalline diamond layer and the surface of the compound semiconductor substrate are exposed to a plasma atmosphere, thereby forming dangling bonds in the surfaces, and bonding the dangling bonds to one another. Typically, plasma activation and wafer bonding are performed in separate apparatus so that activated dangling bonds are temporarily exposed to air and the density of dangling bonds decreases, thereby reducing the adhesive strength of the wafer. In order to ensure the wafer adhesive strength, therefore, a heat treatment is required after the wafer bonding.

[[Bildung eines Oxidfilms]][[Formation of an oxide film]]

Zunächst werden der Oxidfilm 24A und der Oxidfilm 24B, die als Adhäsionsschichten dienen, auf der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht bzw. der Oberfläche 20A des Verbindungshalbleitersubstrats 20 gebildet. In dieser in 2 dargestellten Ausführungsform werden sowohl der Oxidfilm 24A als auch der Oxidfilm 24 gebildet; es kann jedoch auch mindestens einer der Oxidfilme gemäß dieser Offenbarung gebildet werden.First of all, the oxide film 24A and the oxide film 24B that serve as adhesive layers on the surface 16A the polycrystalline diamond layer or the surface 20A of the compound semiconductor substrate 20th educated. In this in 2 illustrated embodiment are both the oxide film 24A as well as the oxide film 24 educated; however, at least one of the oxide films according to this disclosure can also be formed.

Der Oxidfilm 24A wird vorzugsweise durch das folgende Verfahren gebildet. Da sich polykristalliner Diamant im thermischen Oxidationsprozess in CO2-Gas verwandelt, ist es schwierig, den Oxidfilm durch den thermischen Oxidationsprozess zu bilden. Dementsprechend wird der Siliciumoxidfilm 24A mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger, mehr bevorzugt 100 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, auf der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch einen Abscheidungsprozess (zum Beispiel CVD, Sputtern) gebildet.The oxide film 24A is preferably formed by the following method. Since polycrystalline diamond turns into CO 2 gas in the thermal oxidation process, it is difficult to form the oxide film by the thermal oxidation process. Accordingly, the silicon oxide film becomes 24A having a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less, more preferably 100 nm or more and 500 nm or less, is formed on the surface of the polycrystalline diamond layer by a deposition process (for example, CVD, sputtering).

Der Oxidfilm 24B kann entweder durch den thermischen Oxidationsprozess oder durch einen Abscheidungsprozess gebildet werden. Dementsprechend kann der Siliciumoxidfilm 24B mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger, mehr bevorzugt 100 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, auf der Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats durch einen Abscheidungsprozess (z. B. CVD, Sputtern) gebildet werden. Alternativ kann der Oxidfilm 24B mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger, besonders bevorzugt 100 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, auf dem Oberflächenteil des Verbindungshalbleitersubstrats durch Ausführen einer thermischen Oxidation auf dem Verbindungshalbleitersubstrat gebildet werden.The oxide film 24B can be formed either by the thermal oxidation process or by a deposition process. Accordingly, the silicon oxide film 24B having a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less, more preferably 100 nm or more and 500 nm or less, are formed on the surface of the compound semiconductor substrate by a deposition process (e.g. CVD, sputtering). Alternatively, the oxide film 24B having a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less, more preferably 100 nm or more and 500 nm or less, are formed on the surface part of the compound semiconductor substrate by performing thermal oxidation on the compound semiconductor substrate.

[[Plasmabehandlung]][[Plasma treatment]]

Als nächstes werden die Oberfläche des Oxidfilms 24Aund die Oberfläche des Oxidfilms 24B einer Plasmabehandlung in einer Atmosphäre unterzogen, die mindestens eines von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon enthält. Wenn der Oxidfilm 24A oder der Oxidfilm 24B nicht gebildet wird, wird die Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht oder die Oberfläche 20A des Verbindungshalbleitersubstrats einer Plasmabehandlung unterzogen.Next, the surface of the oxide film 24A and the surface of the oxide film become 24B subjected to a plasma treatment in an atmosphere containing at least one of oxygen, nitrogen, hydrogen and argon. When the oxide film 24A or the oxide film 24B is not formed, the surface becomes 16A the polycrystalline diamond layer or the surface 20A of the compound semiconductor substrate is subjected to plasma treatment.

Um eine Plasmaatmosphäre zu bilden, wird vorzugsweise eine elektrische Leistung von 50 W oder mehr und 200 W oder weniger an das Innere der Plasmakammer angelegt. Eine Plasmaatmosphäre kann mit 50 W oder mehr stabil gebildet werden, und ein Plasma kann mit 200 W oder weniger homogen gebildet werden.In order to form a plasma atmosphere, an electric power of 50 W or more and 200 W or less is preferably applied to the interior of the plasma chamber. A plasma atmosphere can be stably formed with 50 W or more, and a plasma can be formed homogeneously with 200 W or less.

Der Kammerdruck in der Plasmakammer wird vorzugsweise in einem Bereich von 10 Pa oder mehr und 100 Pa oder weniger eingestellt. Wenn der Kammerdruck 100 Pa oder weniger beträgt, haftet das gesputterte Element kaum wieder an der Oberflächen der Substrate an, was eine Verringerung der Bildungsrate von freien Bindungen verhindert.The chamber pressure in the plasma chamber is preferably set in a range of 10 Pa or more and 100 Pa or less. When the chamber pressure is 100 Pa or less, the sputtered element is hard to reattach to the surfaces of the substrates, preventing the rate of dangling from decreasing.

Die Frequenz der zur Bildung des Plasmas angelegten Impulsspannung beträgt vorzugsweise 0,5 MHz oder mehr und 2 MHz oder weniger. Wenn die Frequenz 0,5 MHz oder mehr beträgt, kann das Plasma stabil gebildet werden, und wenn die Frequenz 2 MHz oder weniger beträgt, können freie Bindungen in der Oberfläche, die einer Plasmabehandlung unterzogen werden soll, stabil gebildet werden.The frequency of the pulse voltage applied to form the plasma is preferably 0.5 MHz or more and 2 MHz or less. When the frequency is 0.5 MHz or more, the plasma can be stably formed, and when the frequency is 2 MHz or less, dangling bonds can be stably formed in the surface to be subjected to plasma treatment.

Die Plasmabedingungen für das einkristalline Siliciumsubstrat 10 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 sind vorzugsweise so eingestellt, dass die Beschleunigungsenergie eines Elements (Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon), das auf die Oberflächen der Substrate gerichtet ist, 100 eV oder mehr und 10 keV oder weniger beträgt. Wenn die Beschleunigungsenergie 100 eV oder mehr beträgt, kann verhindert werden, dass sich das Bestrahlungselement auf der Oberfläche der Substrate ablagert; wenn die Beschleunigungsenergie hingegen 10 keV oder weniger beträgt, wird das Bestrahlungselement nicht in die Substrate eingeführt, was zu einer stabilen Bildung von freien Bindungen führt.The plasma conditions for the single crystal silicon substrate 10 and the compound semiconductor substrate 20th are preferably set so that the acceleration energy of an element (oxygen, nitrogen, hydrogen and argon) directed to the surfaces of the substrates is 100 eV or more and 10 keV or less. When the acceleration energy 100 eV or more, the irradiation element can be prevented from being deposited on the surface of the substrates; on the other hand, when the acceleration energy is 10 keV or less, the irradiation element is not inserted into the substrates, resulting in stable formation of dangling bonds.

[[Wärmebehandlung]][[Heat treatment]]

Danach werden die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 mit den dazwischen liegenden Oxidfilmen 24A, 24B übereinandergelegt und einer Wärmebehandlung unterzogen, wodurch die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 miteinander verbunden werden. Die Wärmebehandlung wird vorzugsweise in einer Atmosphäre, die eines oder mehrere von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon enthält, bei einer Umgebungstemperatur von 300 °C oder mehr und 1000 °C oder weniger für 10 min oder mehr und 2 h oder weniger durchgeführt. Es ist zu beachten, dass die Temperatur des Substrats im Wesentlichen gleich der Umgebungstemperatur in der Wärmebehandlungskammer ist.After that the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th with the oxide films in between 24A , 24B superimposed and subjected to a heat treatment, creating the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th together get connected. The heat treatment is preferably carried out in an atmosphere containing one or more of oxygen, nitrogen, hydrogen and argon at an ambient temperature of 300 ° C. or more and 1000 ° C. or less for 10 minutes or more and 2 hours or less. It should be noted that the temperature of the substrate is substantially the same as the ambient temperature in the heat treatment chamber.

Die Verwendung des Plasmabondens in dieser Weise führt zu folgendem Vorgang und Effekt. Da beim Plasmabonden die polykristalline Diamantschicht 16 und das Verbindungshalbleitersubstrat 20 mit den dazwischen liegenden Oxidfilmen verbunden wird, können Verunreinigungen, die aus der polykristallinen Diamantschicht in das Verbindungshalbleitersubstrat diffundieren, in den Oxidfilmen eingefangen werden, wodurch die Diffusion von Verunreinigungen in das Verbindungshalbleitersubstrat gehemmt werden kann.Using plasma bonding in this way results in the following process and effect. Because with plasma bonding the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor substrate 20th is bonded to the oxide films therebetween, impurities that diffuse from the polycrystalline diamond layer into the compound semiconductor substrate can be trapped in the oxide films, whereby the diffusion of impurities into the compound semiconductor substrate can be inhibited.

[Dickenreduzierung eines Verbindungshalbleitersubstrats][Thickness reduction of a compound semiconductor substrate]

Als nächstes wird, wie in 1J und 1K und 2I und 2J dargestellt, die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 reduziert, um die Verbindungshalbleiterschicht 26 zu bilden. Insbesondere wird die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 durch Schleifen und Polieren des Verbindungshalbleitersubstrats 20 von der der Verbindungsebene gegenüberliegenden Oberfläche reduziert. Die Dicke der Verbindungshalbleiterschicht 26 kann in Abhängigkeit vom Typ oder der Struktur des zu bildenden Halbleiterbauelements in geeigneter Weise bestimmt werden und beträgt vorzugsweise 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger. Für das Schleifen und Polieren können zweckmäßigerweise alle bekannten oder vorgegebenen Schleif- und Polierverfahren verwendet werden. Konkrete Beispiele sind das Flächenschleifen und das Hochglanzpolieren.Next, as in 1Y and 1K and 2I and 2Y shown, the thickness of the compound semiconductor substrate 20th reduced to the compound semiconductor layer 26th to build. In particular, the thickness of the compound semiconductor substrate becomes 20th by grinding and polishing the compound semiconductor substrate 20th reduced from the surface opposite the connection plane. The thickness of the compound semiconductor layer 26th can be appropriately determined depending on the type or structure of the semiconductor device to be formed, and is preferably 1 µm or more and 500 µm or less. All known or specified grinding and polishing methods can expediently be used for grinding and polishing. Specific examples are surface grinding and mirror polishing.

(Entfernen des einkristallinen Siliciumsubstrats)(Removing the single crystal silicon substrate)

Als nächstes wird, wie in 1K, 1L und 2J, 2K dargestellt, das einkristalline Siliciumsubstrat 10 von den verbundenen Substraten 30, 40 entfernt. So erhält man die freistehenden polykristallinen Diamantsubstrate 100, 200, in denen die Verbindungshalbleiterschicht 26 mit einer gewünschten Dicke auf oder über der als Trägersubstrat dienenden polykristallinen Diamantschicht 16 ausgebildet ist. Als Entfernungsverfahren können z. B. alle bekannten oder vorgegebenen Schleif- und Polierverfahren geeignet eingesetzt werden. Konkrete Beispiele sind das Flächenschleifen und das Hochglanzpolieren. Alternativ kann ein chemisches Ätzverfahren wie z. B. Nassätzen oder Trockenätzen eingesetzt werden.Next, as in 1K , 1L and 2Y , 2K shown, the single crystal silicon substrate 10 of connected substrates 30th , 40 removed. This is how the freestanding polycrystalline diamond substrates are obtained 100 , 200 in which the compound semiconductor layer 26th with a desired thickness on or above the polycrystalline diamond layer serving as a carrier substrate 16 is trained. As a removal method, for. B. all known or specified grinding and polishing processes can be used appropriately. Specific examples are surface grinding and mirror polishing. Alternatively, a chemical etching process such as e.g. B. wet etching or dry etching can be used.

[Einkristallines Siliciumsubstrat][Single crystal silicon substrate]

Als einkristallines Siliciumsubstrat 10 kann eine Scheibe eines einkristallinen Siliciumblocks verwendet werden, der nach dem Czochralski-Verfahren (CZ-Verfahren), dem magnetfeldbeaufschlagten Czochralski-Verfahren (MCZ-Verfahren), bei dem ein Magnetfeld im CZ-Verfahren verwendet wird, oder dem Floating-Zone-Schmelzverfahren (FZ-Verfahren) gezüchtet und mit einer Drahtsäge oder dergleichen geschnitten wurde.As a single crystal silicon substrate 10 For example, a slice of a monocrystalline silicon ingot can be used, which is produced by the Czochralski process (CZ process), the magnetic field applied Czochralski process (MCZ process), in which a magnetic field is used in the CZ process, or the floating zone melting process (FZ method) and cut with a wire saw or the like.

Die Sauerstoffkonzentration in dem einkristallinen Siliciumsubstrat 10 beträgt vorzugsweise 5 × 1017 Atome/cm3 oder weniger. Es ist zu beachten, dass die „Sauerstoffkonzentration“ hier den Durchschnitt der Sauerstoffkonzentrationen eines Substrats in Dickenrichtung, gemessen durch FT-IR-Spektroskopie (altes ASTM F 121-1979), bedeutet. Die von dem Erfinder angestellten Untersuchungen zeigten eine Korrelation zwischen der Sauerstoffkonzentration im einkristallinen Siliciumsubstrat 10 und der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht. Weiterhin wurde festgestellt, dass, wenn das einkristalline Siliciumsubstrat 10 mit einer niedrigen Sauerstoffkonzentration, wie oben beschrieben, verwendet wird, selbst wenn die polykristalline Diamantschicht 16 bis zu einer Dicke von 100 µm oder mehr gebildet wird, der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche 16A der polykristallinen Diamantschicht 16 durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 erhalten wird, auf 0,20 oder weniger gesteuert werden kann, ohne dass die Filmbildung durch CVD besonders entwickelt wird.The oxygen concentration in the single crystal silicon substrate 10 is preferably 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. It should be noted that the “oxygen concentration” here means the average of the oxygen concentration of a substrate in the thickness direction, measured by FT-IR spectroscopy (old ASTM F 121-1979). The investigations made by the inventor revealed a correlation between the oxygen concentration in the single crystal silicon substrate 10 and the maximum grain size of the crystal grains in the surface 16A the polycrystalline diamond layer. Further, it was found that when the single crystal silicon substrate 10 with a low oxygen concentration as described above is used even if the polycrystalline diamond layer 16 to a thickness of 100 µm or more, the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface 16A the polycrystalline diamond layer 16 through the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 can be controlled to 0.20 or less without particularly developing film formation by CVD.

Dies kann auf die folgenden Gründe zurückgeführt werden. Wenn die Sauerstoffkonzentration im einkristallinen Siliciumsubstrat hoch ist, ätzt der aus dem einkristallinen Siliciumsubstrat herausdiffundierte Sauerstoff aufgrund der Wärme im Prozess des Wachstums der polykristallinen Diamantschicht vorzugsweise einen Graphitbereich (sp2-Orbital-Berich) mit schwacher Bindungskraft, der die wachsenden Diamantkristallkörner bildet, so dass vermutlich nur ein Diamantbereich (sp3-Orbital-Bereich) mit hoher Bindungskraft schnell wachsen kann. Wenn dagegen die Sauerstoffkonzentration im einkristallinen Siliciumsubstrat niedrig ist, wird die Ausdiffusion von Sauerstoff gehemmt, wodurch das Ätzen des Graphitbereichs gehemmt wird. Dementsprechend wird der Diamantbereich gezüchtet, während der Graphitbereich im Plasma geätzt wird, wodurch das schnelle Wachstum des Diamantbereichs abgeschwächt würde.This can be attributed to the following reasons. When the oxygen concentration in the single crystal silicon substrate is high, the oxygen diffused out of the single crystal silicon substrate preferably etches a graphite area (sp 2 orbital area) with weak bonding force which forms the growing diamond crystal grains due to the heat in the process of growing the polycrystalline diamond layer, so that presumably only a diamond area (sp 3 orbital area) with a high binding force can grow rapidly. On the other hand, when the oxygen concentration in the single crystal silicon substrate is low, the out-diffusion of oxygen is inhibited, whereby the etching of the graphite area is inhibited. Accordingly, the diamond area is grown while the graphite area is etched in the plasma, which would weaken the rapid growth of the diamond area.

Die Dicke des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 kann in Abhängigkeit von der Dicke der polykristallinen Diamantschicht 16 festgelegt werden. Da der Verzug des einkristallinen Siliciumsubstrats größer ist, wenn die polykristalline Diamantschicht 16 dicker ist, ist das einkristalline Siliciumsubstrat 10 vorzugsweise dick, um den Verzug zu verhindern. Insbesondere ist die Dicke des einkristallinen Siliciumsubstrats 10 vorzugsweise 1 mm oder mehr und 5 mm oder weniger.The thickness of the single crystal silicon substrate 10 may depend on the thickness of the polycrystalline diamond layer 16 be determined. Since the warpage of the single crystal silicon substrate is larger when the polycrystalline diamond layer 16 is thicker, the single crystal silicon substrate is 10 preferably thick to prevent warpage. In particular, the thickness of the single crystal silicon substrate is 10 preferably 1 mm or more and 5 mm or less.

[Verbindungshalbleitersubstrat][Compound semiconductor substrate]

Der Verbindungshalbleiter, der das Verbindungshalbleitersubstrat 20 bildet, ist nicht besonders begrenzt und kann in geeigneter Weise ausgewählt werden, z. B. in Abhängigkeit von der Art eines Halbleiterbauelements, das in der Verbindungshalbleiterschicht 26 gebildet werden soll. Beispielsweise besteht der Verbindungshalbleiter vorzugsweise aus GaN, AlN,InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb oder SiGe. Weiterhin ist die Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 vorzugsweise 200 µm oder mehr und 3 mm oder weniger. Wenn die Dicke weniger als 200 µm beträgt, wird das Verbindungshalbleitersubstrat verzogen, was zu einer Trennung des polykristallinen Diamanten oder zu Rissen im Verbindungshalbleitersubstrat führen würde. Ferner ist eine Dicke von mehr als 3 mm im Hinblick auf die Prozesszeit und die Materialkosten bei dem zu beschreibenden Schritt der Reduzierung der Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats 20 nicht bevorzugt.The compound semiconductor that is the compound semiconductor substrate 20th forms is not particularly limited and can be appropriately selected, e.g. B. depending on the type of semiconductor component that is in the compound semiconductor layer 26th should be formed. For example, the compound semiconductor preferably consists of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb or SiGe. Furthermore, the thickness of the compound semiconductor substrate is 20th preferably 200 µm or more and 3 mm or less. If the thickness is less than 200 µm, the compound semiconductor substrate is warped, which would lead to separation of the polycrystalline diamond or cracks in the compound semiconductor substrate. Furthermore, a thickness of more than 3 mm is in view of the process time and the material cost in the step to be described of reducing the thickness of the compound semiconductor substrate 20th not preferred.

Das so beschriebene Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß dieser Ausführungsform kann ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat herstellen, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität unter Verwendung von Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden gebildet ist.The thus-described method of manufacturing a polycrystalline diamond freestanding substrate according to this embodiment can manufacture a diamond polycrystalline freestanding substrate in which a high quality compound semiconductor layer is formed using normal temperature vacuum bonding or plasma bonding.

(Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat)(Freestanding polycrystalline diamond substrate)

Bezugnehmend auf 1L weist das gemäß Ausführungsform 1 dieser Offenbarung hergestellte freistehende polykristalline Diamantsubstrat 100 ein Trägersubstrat auf, das aus der polykristallinen Diamantschicht 16 mit einer Dicke von 100 µm oder mehr und der über der polykristallinen Diamantschicht 16 gebildeten Verbindungshalbleiterschicht 26 besteht. Zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht 16 und der Verbindungshalbleiterschicht 26 befinden sich die amorphe Diamantschicht 18 und die amorphe Schicht 22, in der ein Verbindungshalbleiter eines Oberflächenteils der Verbindungshalbleiterschicht amorphisiert ist, die eine Gesamtdicke von 2 nm oder mehr und 10 nm oder weniger aufweisen. Die Dicke jeder der Schichten 18, 22 beträgt 1 nm oder mehr und 5 nm oder weniger.Referring to 1L comprises the polycrystalline diamond freestanding substrate made according to Embodiment 1 of this disclosure 100 a carrier substrate, which consists of the polycrystalline diamond layer 16 having a thickness of 100 µm or more and that over the polycrystalline diamond layer 16 formed compound semiconductor layer 26th consists. Between the surface of the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor layer 26th the amorphous diamond layer is located 18th and the amorphous layer 22nd in which a compound semiconductor is amorphized of a surface part of the compound semiconductor layer having a total thickness of 2 nm or more and 10 nm or less. The thickness of each of the layers 18th , 22nd is 1 nm or more and 5 nm or less.

Bezugnehmend auf 2K weist das gemäß Ausführungsform 2 dieser Offenbarung hergestellte freistehende polykristalline Diamantsubstrat 200 ein Trägersubstrat auf, das durch die polykristalline Diamantschicht 16 mit einer Dicke von 100 µm oder mehr und die Verbindungshalbleiterschicht 26 gebildet wird, die auf der polykristallinen Diamantschicht 16 ausgebildet ist. Zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht 16 und der Verbindungshalbleiterschicht 26 ist der Oxidfilm 24 (d.h. mindestens einer von einem Siliciumoxidfilm und einem Oxidfilm, in dem ein Verbindungshalbleiter der Verbindungshalbleiterschicht oxidiert ist) vorhanden, die eine Gesamtdicke von 200 nm oder mehr und 2 µm oder weniger aufweist.Referring to 2K comprises the polycrystalline diamond freestanding substrate made according to Embodiment 2 of this disclosure 200 a carrier substrate, which is through the polycrystalline diamond layer 16 with a thickness of 100 µm or more and the compound semiconductor layer 26th that is formed on the polycrystalline diamond layer 16 is trained. Between the surface of the polycrystalline diamond layer 16 and the compound semiconductor layer 26th is the oxide film 24 (ie, at least one of a silicon oxide film and an oxide film in which a compound semiconductor of the compound semiconductor layer is oxidized) having a total thickness of 200 nm or more and 2 µm or less.

Für beide freistehenden polykristallinen Diamantsubstrate 100, 200 beträgt der Wert, der sich durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht ergibt, 0,20 oder weniger. Die freistehenden polykristallinen Diamantsubstrate 100, 200 haben jeweils die Verbindungshalbleiterschicht 26 hoher Qualität und die polykristalline Diamantschicht 16 mit hoher Wärmeleitfähigkeit und weisen somit eine hohe Wärmeableitungsfähigkeit auf. Ferner hat bei dem freistehenden polykristallinen Diamantsubstrat 100 die amorphe Schicht 22 ebenfalls eine hohe Wärmeleitfähigkeit, wodurch eine noch höhere Wärmeableitungsfähigkeit erreicht werden kann.For both freestanding polycrystalline diamond substrates 100 , 200 the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less. The freestanding polycrystalline diamond substrates 100 , 200 each have the compound semiconductor layer 26th high quality and the polycrystalline diamond layer 16 with high thermal conductivity and thus have a high heat dissipation capacity. Further, in the freestanding polycrystalline diamond substrate 100 the amorphous layer 22nd also a high thermal conductivity, whereby an even higher heat dissipation capacity can be achieved.

Die Verbindungshalbleiterschicht 26 besteht vorzugsweise aus GaN, AlN,InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb oder SiGe, und ihre Dicke beträgt wie bereits beschrieben vorzugsweise 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger.The compound semiconductor layer 26th preferably consists of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb or SiGe, and their thickness is preferably 1, as already described µm or more and 500 µm or less.

BEISPIELEEXAMPLES

(Beispiel 1: Normaltemperatur-Vakuumbonden)(Example 1: normal temperature vacuum bonding)

Durch die in 1A bis 1L dargestellten Schritte wurden freistehende polykristalline Diamantsubstrate gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellt.The in 1A until 1L In the steps illustrated, free-standing polycrystalline diamond substrates were produced in accordance with the examples and comparative examples.

Ein einkristalliner Siliciumblock, der durch das CZ-Verfahren gezüchtet wurde, wurde in Scheiben geschnitten und die Scheiben wurden bearbeitet, um einkristalline Siliciumsubstrate mit einem Durchmesser von 2 in, einer Dicke von 3 mm und einem spezifischen Widerstand von 10Ω·cm herzustellen, die eine in Tabelle 1 angegebene Sauerstoffkonzentration aufwiesen. Weiterhin wurden GaN-Substrate mit einem Durchmesser von 2 in und einer Dicke von 600 µm durch Schneiden und Bearbeiten eines Galliumnitrid (GaN)-Einkristalls hergestellt, der durch Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) gebildet wurde.A silicon monocrystalline ingot grown by the CZ method was sliced, and the disks were processed to produce silicon monocrystalline substrates having a diameter of 2 inches, a thickness of 3 mm and a resistivity of 10 Ω · cm, the one indicated in Table 1 oxygen concentration. Furthermore, GaN substrates having a diameter of 2 µm and a thickness of 600 µm were prepared by cutting and machining a gallium nitride (GaN) single crystal formed by hydride gas phase epitaxy (HVPE).

Als nächstes wurden Diamantpartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 nm durch Detonation hergestellt. Die Diamantpartikel wurden in eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung getaucht, um mit einer Carboxylgruppe (COOH) terminiert zu werden und waren somit negativ geladen. Anschließend wurden die Diamantpartikel in einem Lösungsmittel (H2O) gemischt und gerührt, um eine diamantpartikelhaltige Lösung mit einem Diamantpartikelgehalt von 6 Masse-% herzustellen. Die Rührgeschwindigkeit betrug 1100 U/min, die Rührzeit 50 min und die Temperatur der diamantpartikelhaltigen Lösung während des Rührens 25 °C. Anschließend wurde jedes Einkristall-Siliciumsubstrat mit gereinigtem Wasser gereinigt, und nachdem sich ein natürlicher Oxidfilm auf seiner Oberfläche gebildet hatte, wurde die diamantpartikelhaltige Lösung durch Schleuderbeschichtung auf eine Oberfläche des Einkristall-Siliciumsubstrats aufgebracht; so wurde ein diamantpartikelhaltiger Flüssigkeitsfilm gebildet.Next, diamond particles having an average particle diameter of 6 nm were produced by detonation. The diamond particles were immersed in an aqueous hydrogen peroxide solution to be terminated with a carboxyl group (COOH) and were thus negatively charged. Then, the diamond particles were mixed and stirred in a solvent (H 2 O) to prepare a diamond particle-containing solution with a diamond particle content of 6 mass%. The stirring speed was 1100 rpm, the stirring time was 50 min and the temperature of the solution containing diamond particles was 25 ° C. during stirring. Subsequently, each single crystal silicon substrate was cleaned with purified water, and after a natural oxide film was formed on its surface, the solution containing diamond particles was spin-coated on a surface of the single crystal silicon substrate; a liquid film containing diamond particles was thus formed.

Als nächstes wurde das einkristalline Siliciumsubstrat für 5 min auf eine auf 80 °C erhitzte Heizplatte gelegt, um eine Wärmebehandlung zur Stärkung der Bindung zwischen dem einkristallinen Siliciumsubstrat und den Diamantpartikeln durchzuführen; dadurch wurden die Diamantpartikel an der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats angebracht.Next, the single crystal silicon substrate was placed on a hot plate heated to 80 ° C. for 5 minutes to perform a heat treatment to strengthen the bond between the single crystal silicon substrate and the diamond particles; thereby the diamond particles were attached to the surface of the single crystal silicon substrate.

Als nächstes wurde eine polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 300 µm durch die oben beschriebene mikrowellenplasmaunterstützte CVD mit Wasserstoff als Trägergas, Methan als Quellgas und den auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat angebrachten Diamantpartikeln als Keime gezüchtet. Man beachte, dass der Druck in der Plasmakammer 1,5 × 104 Pa, die Leistung der Mikrowellen 5 kW und die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 1050 °C betrug. Hier wurde die maximale Korngröße der Kristallkörner in einer Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht mit der oben beschriebenen Methode gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.Next, a polycrystalline diamond layer having a thickness of 300 µm was grown by the above-described microwave plasma-assisted CVD using hydrogen as the carrier gas, methane as the source gas and the diamond particles attached to the single crystal silicon substrate as seeds. Note that the pressure in the plasma chamber was 1.5 × 10 4 Pa, the power of the microwave was 5 kW, and the temperature of the single crystal silicon substrate was 1050 ° C. Here, the maximum grain size of crystal grains in a surface of each polycrystalline diamond layer was measured by the method described above. The results are given in Table 1.

Als nächstes wurde die Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht durch CMP planarisiert. Die Dicke der planarisierten polykristallinen Diamantschicht betrug 290 µm. Die Oberflächenrauhigkeit Ra der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben.Next, the surface of each polycrystalline diamond layer was planarized by CMP. The thickness of the planarized polycrystalline diamond layer was 290 µm. The surface roughness Ra of the surface of the polycrystalline diamond layer was measured according to the method described above. The measurement results are shown in Table 1.

Als nächstes wurde ein Plasma erzeugt, indem Ar in eine Vakuumkammer bei 25 °C bei 1 × 10-5 Pa eingeleitet wurde, und die Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht und eine Oberfläche des entsprechenden GaN-Substrats wurden bestrahlt mit Ar-Ionen bei Beschleunigungsenergie: 1,0 keV, Frequenz: 140 Hz, Pulsbreite: 55 µs, wodurch die Oberflächen zu aktivierten Oberflächen wurden. Anschließend wurden die aktivierten Oberflächen im Vakuum bei Normaltemperatur miteinander in Kontakt gebracht, um zu versuchen, die polykristalline Diamantschicht und das GaN-Substrat unter Verwendung der aktivierten Oberflächen als Bindungsflächen miteinander zu verbinden. Ob das Verbinden gelungen ist oder nicht, ist in Tabelle 1 angegeben. Durch diese Aktivierung wurde auf der Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht eine amorphe Schicht mit einer Dicke von 1 nm gebildet, und auf einem Oberflächenteil des betreffenden GaN-Substrats wurde eine amorphe Schicht mit einer Dicke von 1 nm gebildet.Next, a plasma was generated by introducing Ar into a vacuum chamber at 25 ° C at 1 × 10 -5 Pa, and the surface of each polycrystalline diamond layer and a surface of the corresponding GaN substrate were irradiated with Ar ions at accelerating energy: 1 , 0 keV, frequency: 140 Hz, pulse width: 55 µs, whereby the surfaces became activated surfaces. Then, the activated surfaces were brought into contact with each other in a vacuum at normal temperature to try to bond the polycrystalline diamond layer and the GaN substrate using the activated surfaces as bonding surfaces. Table 1 shows whether the connection was successful or not. By this activation, an amorphous layer with a thickness of 1 nm was formed on the surface of each polycrystalline diamond layer, and an amorphous layer with a thickness of 1 nm was formed on a surface part of the GaN substrate concerned.

Für jedes der Beispiele, in denen die Bindung erfolgreich war, wurde das GaN-Substrat geschliffen und poliert, um eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm zu erhalten. Außerdem wurde jedes einkristalline Siliciumsubstrat durch Schleifen und Polieren entfernt. Auf diese Weise wurden freistehende polykristalline Diamantsubstrate erhalten, bei denen jeweils die GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm auf die polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 290 µm gestapelt war. Bei der Betrachtung eines Querschnitts jeder GaN-Schicht unter TEM wurden keine Versetzungen gefunden, wie in Tabelle 1 angegeben.For each of the examples in which the bonding was successful, the GaN substrate was ground and polished to obtain a GaN layer having a thickness of 10 µm. In addition, each single crystal silicon substrate was removed by grinding and polishing. In this way, freestanding polycrystalline diamond substrates were obtained, each of which had the GaN layer with a thickness of 10 μm stacked on the polycrystalline diamond layer with a thickness of 290 μm. When a cross section of each GaN layer was observed under TEM, as shown in Table 1, no dislocations were found.

Tabelle 1 Nr. Herstellungsbedingungen Untersuchungsergebnisse Kategorie SauerstoffKonzentration im Si-Substrat (1017 Atome/cm3) Maximale Korngröße der Kristallkörner (µm) Maximale Korngröße /Dicke Ra nach Planarisation (nm) Ergebnis der Verbindung Ergebnis der Querschnitts- TEM-Beobachtung der GaN-Schicht 1 1 39 0,13 2,3 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 2 3 41 0,14 2,4 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 3 5 47 0,16 2,6 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 4 9 65 0,22 10,6 Erfolglos - Vergleichsbeispiel 5 12 70 0,24 15,2 Erfolglos - Vergleichsbeispiel Table 1 No. Manufacturing conditions Investigation results category Oxygen concentration in the Si substrate (10 17 atoms / cm 3 ) Maximum grain size of the crystal grains (µm) Maximum grain size / thickness Ra after planarization (nm) Result of the connection Result of the cross-sectional TEM observation of the GaN layer 1 1 39 0.13 2.3 Successfully No transfer example 2 3 41 0.14 2.4 Successfully No transfer example 3 5 47 0.16 2.6 Successfully No transfer example 4th 9 65 0.22 10.6 Unsuccessful - Comparative example 5 12th 70 0.24 15.2 Unsuccessful - Comparative example

Wie aus den Ergebnissen von Nr. 1 bis 5 ersichtlich, wurden die polykristalline Diamantschicht und das GaN-Substrat erfolgreich durch Normaltemperatur-Vakuumbonden miteinander verbunden, wenn der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wurde, 0,20 oder weniger betrug.As can be seen from the results of Nos. 1 to 5, the polycrystalline diamond layer and the GaN substrate were successfully bonded to each other by normal temperature vacuum bonding when the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer was 0.20 or less.

(Beispiel 2: Plasmabonden)(Example 2: plasma probes)

Durch die in 2A bis 2L dargestellten Schritte wurden freistehende polykristalline Diamantsubstrate gemäß den Beispielen und Vergleichsbeispielen hergestellt.The in 2A until 2L In the steps illustrated, free-standing polycrystalline diamond substrates were produced in accordance with the examples and comparative examples.

Ein einkristalliner Siliciumblock, der durch das CZ-Verfahren gezüchtet wurde, wurde in Scheiben geschnitten und die Scheiben wurden bearbeitet, um einkristalline Siliciumsubstrate mit einem Durchmesser von 2 in, einer Dicke von 3 mm und einem spezifischen Widerstand von 10Ω·cm herzustellen, die eine in Tabelle 2 angegebene Sauerstoffkonzentration aufwiesen. Weiterhin wurden GaN-Substrate mit einem Durchmesser von 2 in und einer Dicke von 600 µm durch Schneiden und Bearbeiten eines Galliumnitrid (GaN)-Einkristalls hergestellt, der durch Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) gebildet wurde.A silicon monocrystalline ingot grown by the CZ method was sliced, and the disks were processed to produce silicon monocrystalline substrates having a diameter of 2 inches, a thickness of 3 mm and a resistivity of 10 Ω · cm, the one indicated in Table 2 oxygen concentration. Furthermore, GaN substrates having a diameter of 2 µm and a thickness of 600 µm were prepared by cutting and machining a gallium nitride (GaN) single crystal formed by hydride gas phase epitaxy (HVPE).

Als nächstes wurden Diamantpartikel mit einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser von 6 nm durch Detonation hergestellt. Die Diamantpartikel wurden in eine wässrige Wasserstoffperoxidlösung getaucht, um mit Carboxylgruppen (COOH) terminiert zu werden und waren somit negativ geladen. Anschließend wurden die Diamantpartikel in einem Lösungsmittel (H2O) gemischt und gerührt, um eine diamantpartikelhaltige Lösung mit einem Diamantpartikelgehalt von 3 Masse-% herzustellen. Die Rührgeschwindigkeit betrug 1100 U/min, die Rührzeit 50 min und die Temperatur der diamantpartikelhaltigen Lösung während des Rührens 25 °C. Anschließend wurde jedes Einkristall-Siliciumsubstrat mit gereinigtem Wasser gereinigt, und nachdem sich ein natürlicher Oxidfilm auf seiner Oberfläche gebildet hatte, wurde die diamantpartikelhaltige Lösung durch Schleuderbeschichtung auf eine Oberfläche des Einkristall-Siliciumsubstrats aufgebracht; so wurde ein diamantpartikelhaltiger Flüssigkeitsfilm gebildet.Next, diamond particles having an average particle diameter of 6 nm were produced by detonation. The diamond particles were immersed in an aqueous hydrogen peroxide solution to be terminated with carboxyl groups (COOH) and were thus negatively charged. Subsequently, the diamond particles were mixed and stirred in a solvent (H 2 O) to prepare a diamond particle-containing solution with a diamond particle content of 3 mass%. The stirring speed was 1100 rpm, the stirring time was 50 min and the temperature of the solution containing diamond particles was 25 ° C. during stirring. Subsequently, each single crystal silicon substrate was cleaned with purified water, and after a natural oxide film was formed on its surface, the solution containing diamond particles was spin-coated on a surface of the single crystal silicon substrate; a liquid film containing diamond particles was thus formed.

Als nächstes wurde das einkristalline Siliciumsubstrat für 5 min auf eine auf 80 °C erhitzte Heizplatte gelegt, um eine Wärmebehandlung zur Stärkung der Bindung zwischen dem einkristallinen Siliciumsubstrat und den Diamantpartikeln durchzuführen; dadurch wurden die Diamantpartikel an der Oberfläche des einkristallinen Siliciumsubstrats angebracht.Next, the single crystal silicon substrate was placed on a hot plate heated to 80 ° C. for 5 minutes to perform a heat treatment to strengthen the bond between the single crystal silicon substrate and the diamond particles; thereby the diamond particles were attached to the surface of the single crystal silicon substrate.

Als nächstes wurde eine polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 300 µm durch die oben beschriebene mikrowellenplasmaunterstützte CVD mit Wasserstoff als Trägergas, Methan als Quellgas und den auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat angebrachten Diamantpartikeln als Keime gezüchtet. Man beachte, dass der Druck in der Plasmakammer 1,5 × 104 Pa, die Leistung der Mikrowellen 5 kW und die Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats 1050 °C betrug. Hier wurde die maximale Korngröße der Kristallkörner in einer Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht mit der oben beschriebenen Methode gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.Next, a polycrystalline diamond layer having a thickness of 300 µm was grown by the above-described microwave plasma-assisted CVD using hydrogen as the carrier gas, methane as the source gas and the diamond particles attached to the single crystal silicon substrate as seeds. Note that the pressure in the plasma chamber was 1.5 × 10 4 Pa, the power of the microwave was 5 kW, and the temperature of the single crystal silicon substrate was 1050 ° C. Here, the maximum grain size of the crystal grains in a surface of each polycrystalline diamond layer was measured by the method described above. The results are given in Table 2.

Als nächstes wurde die Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht durch CMP planarisiert. Die Dicke der planarisierten polykristallinen Diamantschicht betrug 290 µm. Die Oberflächenrauhigkeit Ra der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren gemessen. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.Next, the surface of each polycrystalline diamond layer was planarized by CMP. The thickness of the planarized polycrystalline diamond layer was 290 µm. The surface roughness Ra of the surface of the polycrystalline diamond layer was measured according to the method described above. The measurement results are shown in Table 2.

Als nächstes wurden Siliciumoxidfilme mit einer Dicke von jeweils 100 nm auf der Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht und einer Oberfläche des entsprechenden GaN-Substrats durch CVD gebildet. Danach wurden die Oberflächen der Siliciumoxidfilme einer Plasmabehandlung unterzogen, indem eine elektrische Leistung von 100 W bei 1 MHz mit einer Beschleunigungsenergie von 300 eV in einer Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 40 Pa in einer Kammer angelegt wurde. Danach wurden die polykristalline Diamantschicht und die GaN-Schicht mit den dazwischen liegenden Siliciumoxidfilmen übereinander gelegt und einer Wärmebehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 500 °C für 1 h unterzogen, um eine Verbindung der polykristallinen Diamantschicht und der GaN-Schicht zu versuchen. Ob die Bindung gelungen ist oder nicht, ist in Tabelle 2 angegeben.Next, silicon oxide films each 100 nm thick were formed on the surface of each polycrystalline diamond layer and a surface of the corresponding GaN substrate by CVD. Thereafter, the surfaces of the silicon oxide films were subjected to plasma treatment by applying an electric power of 100 W at 1 MHz with an acceleration energy of 300 eV in an oxygen atmosphere at a pressure of 40 Pa in a chamber. Thereafter, the polycrystalline diamond layer and the GaN layer with the silicon oxide films therebetween were superposed and subjected to a heat treatment in a nitrogen atmosphere at 500 ° C. for 1 hour to try to bond the polycrystalline diamond layer and the GaN layer. Table 2 shows whether the bond was successful or not.

Für jedes der Beispiele, in denen die Bindung erfolgreich war, wurde das GaN-Substrat geschliffen und poliert, um eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm zu erhalten. Außerdem wurde jedes einkristalline Siliciumsubstrat durch Schleifen und Polieren entfernt. Auf diese Weise wurden freistehende polykristalline Diamantsubstrate erhalten, bei denen jeweils die GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm auf die polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 290 µm gestapelt war. Bei der Betrachtung eines Querschnitts jeder GaN-Schicht unter TEM, wurden keine Versetzungen gefunden, wie in Tabelle 2 angegeben.For each of the examples in which the bonding was successful, the GaN substrate was ground and polished to obtain a GaN layer having a thickness of 10 µm. In addition, each single crystal silicon substrate was removed by grinding and polishing. In this way, freestanding polycrystalline diamond substrates were obtained, each of which had the GaN layer with a thickness of 10 μm stacked on the polycrystalline diamond layer with a thickness of 290 μm. When a cross section of each GaN layer was observed under TEM, as shown in Table 2, no dislocations were found.

Tabelle 2 Nr. Herstellungsbedingungen Untersuchungsergebnisse Kategorie SauerstoffKonzentration im Si-Substrat (1017 Atome/cm3) Maximale Korngröße der Kristallkörner (µm) Maximale Korngröße /Dicke Ra nach Planarisation (um) Ergebnis der Verbindung Ergebnis der Querschnitts- TEM-Beobachtung der GaN-Schicht 1 1 37 0,13 2,0 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 2 3 43 0,15 2,5 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 3 5 57 0,20 2,6 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 4 9 63 0,22 10,4 Erfolglos - Vergleichsbeispiel 5 12 75 0,26 15,9 Erfolglos - Vergleichsbeispiel Table 2 No. Manufacturing conditions Investigation results category Oxygen concentration in the Si substrate (10 17 atoms / cm 3 ) Maximum grain size of the crystal grains (µm) Maximum grain size / thickness Ra after planarization (um) Result of the connection Result of the cross-sectional TEM observation of the GaN layer 1 1 37 0.13 2.0 Successfully No transfer example 2 3 43 0.15 2.5 Successfully No transfer example 3 5 57 0.20 2.6 Successfully No transfer example 4th 9 63 0.22 10.4 Unsuccessful - Comparative example 5 12th 75 0.26 15.9 Unsuccessful - Comparative example

Wie aus den Ergebnissen von Nr. 1 bis 5 ersichtlich, wurden die polykristalline Diamantschicht und das GaN-Substrat erfolgreich durch Plasmabonden miteinander verbunden, wenn der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wurde, 0,20 oder weniger betrug.As can be seen from the results of Nos. 1 to 5, the polycrystalline diamond layer and the GaN substrate were successfully bonded to each other by plasma bonding when the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline Diamond layer obtained was 0.20 or less.

(Beispiel 3: Plasmabonden)(Example 3: plasma probes)

Ein Experiment wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 durchgeführt, außer dass kein Siliciumoxidfilm auf der Oberfläche jeder polykristallinen Diamantschicht gebildet wurde und ein Siliciumoxidfilm mit einer Dicke von 100 nm nur auf der Oberfläche des entsprechenden GaN-Substrats durch CVD gebildet wurde. Ob die Bindung erfolgreich war oder nicht, ist in Tabelle 3 angegeben.An experiment was carried out in the same manner as in Example 2 except that a silicon oxide film was not formed on the surface of each polycrystalline diamond layer and a silicon oxide film with a thickness of 100 nm was formed only on the surface of the corresponding GaN substrate by CVD. Table 3 shows whether the binding was successful or not.

Für jedes der Beispiele, in denen die Bindung erfolgreich war, wurde das GaN-Substrat geschliffen und poliert, um eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm zu erhalten. Außerdem wurde jedes einkristalline Siliciumsubstrat durch Schleifen und Polieren entfernt. Auf diese Weise wurden freistehende polykristalline Diamantsubstrate erhalten, bei denen jeweils die GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm auf die polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 290 µm gestapelt war. Bei der Betrachtung eines Querschnitts jeder GaN-Schicht unter TEM wurden keine Versetzungen gefunden, wie in Tabelle 3 angegeben.For each of the examples in which the bonding was successful, the GaN substrate was ground and polished to obtain a GaN layer having a thickness of 10 µm. In addition, each became single crystal Silicon substrate removed by grinding and polishing. In this way, freestanding polycrystalline diamond substrates were obtained, each of which had the GaN layer with a thickness of 10 μm stacked on the polycrystalline diamond layer with a thickness of 290 μm. When a cross section of each GaN layer was observed under TEM, as shown in Table 3, no dislocations were found.

Tabelle 3 Nr. Herstellungsbedingungen Untersuchungsergebnisse Kategorie SauerstoffKonzentration im Si-Substrat (1017 Atome/cm3) Maximale Korngröße der Kristallkörner (µm) Maximale Korngröße /Dicke Ra nach Planarisation (um) Ergebnis der Verbindung Ergebnis der Querschnitts- TEM-Beobachtung der GaN-Schicht 1 1 40 0,14 2,2 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 2 3 48 0,17 2,6 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 3 5 56 0,19 2,8 Erfolgreich Keine Versetzungei Beispiel 4 9 70 0,24 11,4 Erfolglos - Vergleichsbeispiel 5 12 79 0,27 16,9 Erfolglos - Vergleichsbeispiel Table 3 No. Manufacturing conditions Investigation results category Oxygen concentration in the Si substrate (10 17 atoms / cm 3 ) Maximum grain size of the crystal grains (µm) Maximum grain size / thickness Ra after planarization (um) Result of the connection Result of the cross-sectional TEM observation of the GaN layer 1 1 40 0.14 2.2 Successfully No transfer example 2 3 48 0.17 2.6 Successfully No transfer example 3 5 56 0.19 2.8 Successfully No transfer example 4th 9 70 0.24 11.4 Unsuccessful - Comparative example 5 12th 79 0.27 16.9 Unsuccessful - Comparative example

Wie aus den Ergebnissen von Nr. 1 bis 5 ersichtlich, wurden die polykristalline Diamantschicht und das GaN-Substrat erfolgreich durch Plasmabonden miteinander verbunden, wenn der Wert, der durch Dividieren der maximalen Korngröße der Kristallkörner in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wurde, 0,20 oder weniger betrug.As can be seen from the results of Nos. 1 to 5, the polycrystalline diamond layer and the GaN substrate were successfully bonded to each other by plasma bonding when the value obtained by dividing the maximum grain size of the crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline Diamond layer obtained was 0.20 or less.

(Beispiel 4)(Example 4)

Ein einkristallines Siliciumsubstrat mit einem Durchmesser von 2 in, einer Dicke von 3 mm, einem spezifischen Widerstand von 10Ω·cm und einer Sauerstoffkonzentration von 3,0 × 1017 Atomen/cm3 wurde hergestellt. Eine GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm wurde unter Verwendung von MOCVD durch Strömen von Trimethylgalliumgas und Ammoniakgas auf dem einkristallinen Siliciumsubstrat bei 1100 °C gebildet. Anschließend wurden Diamantpartikel in eine Oberfläche der GaN-Schicht unter Verwendung eines bekannten Kratzverfahrens eingebettet. Konkret wurde das einkristalline Siliciumsubstrat einer Ultraschallreinigung in einer flüssigen Lösung unterzogen, die die Diamantpartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1 µm enthielt, wodurch die Diamantpartikel in die Oberfläche der GaN-Schicht eingebettet wurden. Anschließend wurde eine polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 300 µm durch mikrowellenplasmaunterstützte CVD unter den gleichen Bedingungen wie in den Beispielen 1 und 2 aufgewachsen, wobei die in die GaN-Schicht eingebetteten Diamantpartikel als Keime verwendet wurden.A single crystal silicon substrate having a diameter of 2 inches, a thickness of 3 mm, a specific resistance of 10 Ω · cm, and an oxygen concentration of 3.0 × 10 17 atoms / cm 3 was prepared. A GaN layer having a thickness of 10 µm was formed on the single crystal silicon substrate at 1100 ° C. by flowing trimethylgallium gas and ammonia gas using MOCVD. Then diamond particles were embedded in a surface of the GaN layer using a known scratching method. Concretely, the single crystal silicon substrate was subjected to ultrasonic cleaning in a liquid solution containing the diamond particles with an average particle size of 1 µm, whereby the diamond particles were embedded in the surface of the GaN layer. Subsequently, a polycrystalline diamond layer with a thickness of 300 μm was grown by microwave plasma-assisted CVD under the same conditions as in Examples 1 and 2, the diamond particles embedded in the GaN layer being used as seeds.

Weiterhin wurde das einkristalline Siliciumsubstrat durch Schleifen und Polieren entfernt. So wurde ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat erhalten, bei dem die GaN-Schicht mit einer Dicke von 10 µm auf die polykristalline Diamantschicht mit einer Dicke von 300 µm gestapelt war. Bei der Betrachtung eines Querschnitts der GaN-Schicht unter TEM wurden jedoch Versetzungen gefunden.Furthermore, the single crystal silicon substrate was removed by grinding and polishing. Thus, there was obtained a free-standing polycrystalline diamond substrate in which the GaN layer with a thickness of 10 µm was stacked on the polycrystalline diamond layer with a thickness of 300 µm. However, when a cross section of the GaN layer was observed under TEM, dislocations were found.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEITCOMMERCIAL APPLICABILITY

Das offenbarte Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats gemäß dieser Ausführungsform kann ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat herstellen, in dem eine Verbindungshalbleiterschicht hoher Qualität unter Verwendung von Normaltemperatur-Vakuumbonden oder Plasmabonden gebildet wird.The disclosed method for manufacturing a freestanding polycrystalline diamond substrate according to this embodiment can manufacture a freestanding polycrystalline diamond substrate by forming a high quality compound semiconductor layer using normal temperature vacuum bonding or plasma bonding.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100, 200100, 200
Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat Freestanding polycrystalline diamond substrate
1010
Einkristallines SiliciumsubstratSingle crystalline silicon substrate
1212th
Diamantpartikelhhaltiger FlüssigkeitsfilmLiquid film containing diamond particles
1414th
DiamantpartikelDiamond particles
1616
Polykristalline DiamantschichtPolycrystalline diamond layer
16A16A
Oberfläche der polykristallinen DiamantschichtSurface of the polycrystalline diamond layer
1818th
sp2-Bereichsp 2 area
2020th
VerbindungshalbleitersubstratCompound semiconductor substrate
20A20A
Oberfläche des VerbindungshalbleitersubstratsSurface of the compound semiconductor substrate
2222nd
Amorphe SchichtAmorphous layer
24, 24A, 24B24, 24A, 24B
OxidfilmOxide film
2626th
VerbindungshalbleiterschichtCompound semiconductor layer
3030th
Verbundenes SubstratConnected substrate
4040
Verbundenes SubstratConnected substrate
5050
Normaltemperatur-Vakuumbonding-VorrichtungNormal temperature vacuum bonding device
5151
PlasmakammerPlasma chamber
5252
GaseinlassGas inlet
5353
VakuumpumpeVacuum pump
5454
Vorrichtung zum Anlegen der ImpulsspannungDevice for applying the pulse voltage
55A, 55B55A, 55B
WaferhalterWafer holder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2015509479 A [0003, 0004]JP 2015509479 A [0003, 0004]
  • JP 2015046486 A [0004]JP 2015046486 A [0004]

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats, wobei das Verfahren umfasst: einen Anbringungsschritt des Anbringens von Diamantpartikeln an ein einkristallines Siliciumsubstrat; einen Schritt des Aufwachsens einer polykristallinen Diamantschicht mit einer Dicke von 100 µm oder mehr auf dem einkristallinen Siliciumsubstrats durch chemische Dampfabscheidung unter Verwendung der Diamantpartikel als Keime in einer solchen Weise, dass ein Wert, der durch Dividieren einer maximalen Korngröße von Kristallkörnern in einer Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt; einen Planarisierungsschritt des Planarisierens der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht; einen Schritt des anschließenden Verbindens eines Verbindungshalbleitersubstrats und der polykristallinen Diamantschicht durch eines von Normaltemperatur-Vakuumbonden und Plasmabonden, um ein verbundenes Substrat zu erhalten; einen Schritt des anschließenden Reduzierens einer Dicke des Verbindungshalbleitersubstrats, um eine Verbindungshalbleiterschicht zu erhalten; und einen Schritt des Entfernens des einkristallinen Siliciumsubstrats von dem verbundenen Substrat, um ein freistehendes polykristallines Diamantsubstrat zu erhalten, in dem die polykristalline Diamantschicht als Trägersubstrat für die Verbindungshalbleiterschicht dient.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate, the method comprising: an attaching step of attaching diamond particles to a single crystal silicon substrate; a step of growing a polycrystalline diamond layer with a thickness of 100 microns or more on the single crystal silicon substrate by chemical vapor deposition using the diamond particles as seeds in such a way that a value obtained by dividing a maximum grain size of crystal grains in a surface of the polycrystalline Diamond layer obtained by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less; a planarizing step of planarizing the surface of the polycrystalline diamond layer; a step of subsequently bonding a compound semiconductor substrate and the polycrystalline diamond layer by one of normal temperature vacuum bonding and plasma bonding to obtain a bonded substrate; a step of subsequently reducing a thickness of the compound semiconductor substrate to obtain a compound semiconductor layer; and a step of removing the single crystal silicon substrate from the bonded substrate to obtain a freestanding polycrystalline diamond substrate in which the polycrystalline diamond layer serves as a support substrate for the compound semiconductor layer. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach Anspruch 1, wobei das Normaltemperatur-Vakuumbonden umfasst: einen Schritt des Bestrahlens der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und einer Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats mit einem von einem Ionenstrahl oder einem neutralen Atomstrahl unter Vakuum bei einer normalen Temperatur, um die Oberflächen in aktivierte Oberflächen zu verwandeln; und einen Schritt des In-Kontakt-Bringens der Oberflächen miteinander noch unter Vakuum bei einer normalen Temperatur, wodurch die polykristalline Diamantschicht und das Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden.A method for making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to Claim 1 wherein the normal temperature vacuum bonding comprises: a step of irradiating the surface of the polycrystalline diamond layer and a surface of the compound semiconductor substrate with one of an ion beam or a neutral atom beam under vacuum at a normal temperature to turn the surfaces into activated surfaces; and a step of bringing the surfaces into contact with each other still under vacuum at a normal temperature, thereby bonding the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate to each other. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach Anspruch 1, wobei das Plasmabonden umfasst: einen Schritt der Durchführung von mindestens einem von; (i) Bilden eines Siliciumoxidfilms mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger auf der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und (ii) (ii-A) Bilden eines Siliciumoxidfilms mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger auf einer Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats oder (ii-B) thermisches Oxidieren des Verbindungshalbleitersubstrats, wodurch ein Oxidfilm mit einer Dicke von 100 nm oder mehr und 1 µm oder weniger in einem Oberflächenteil des Verbindungshalbleitersubstrats gebildet wird; einen Schritt des Durchführens einer Plasmabehandlung auf Oberflächen des Siliciumoxidfilms und des Oxidfilms und auf einem von der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Oberfläche des Verbindungshalbleitersubstrats, auf der der Siliciumoxidfilm und der Oxidfilm nicht gebildet sind, in einer Atmosphäre, die eines oder mehrere von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Argon enthält; und einen Schritt des Aufeinanderlegens der polykristallinen Diamantschicht und des Verbindungshalbleitersubstrats mit dem Siliciumoxidfilm und dem Oxidfilm dazwischen und des Durchführens einer Wärmebehandlung bei einer Umgebungstemperatur von 300 °C oder mehr und 1000 °C oder weniger, wodurch die polykristalline Diamantschicht und das Verbindungshalbleitersubstrat miteinander verbunden werden.A method for making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to Claim 1 wherein the plasma bonding comprises: a step of performing at least one of; (i) forming a silicon oxide film with a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less on the surface of the polycrystalline diamond layer; and (ii) (ii-A) forming a silicon oxide film with a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less on a surface of the compound semiconductor substrate or (ii-B) thermally oxidizing the compound semiconductor substrate, thereby forming an oxide film having a thickness of 100 nm or more and 1 µm or less in a surface part of the compound semiconductor substrate; a step of performing plasma treatment on surfaces of the silicon oxide film and the oxide film and on one of the surface of the polycrystalline diamond layer and the surface of the compound semiconductor substrate on which the silicon oxide film and the oxide film are not formed in an atmosphere containing one or more of oxygen, Contains nitrogen, hydrogen and argon; and a step of superposing the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate with the silicon oxide film and the oxide film therebetween and performing heat treatment at an ambient temperature of 300 ° C or more and 1000 ° C or less, thereby bonding the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor substrate to each other. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sauerstoffkonzentration in dem einkristallinen Siliciumsubstrat 5 × 1017 Atome/cm3 oder weniger beträgt.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of Claims 1 until 3 wherein the oxygen concentration in the single crystal silicon substrate is 5 × 10 17 atoms / cm 3 or less. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Anbringungsschritt durchgeführt wird durch Auftragen einer Lösung, die Diamantpartikel mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 50 nm oder weniger enthält, auf das einkristalline Siliciumsubstrat und anschließendes Unterziehen des einkristallinen Siliciumsubstrats einer Wärmebehandlung.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of Claims 1 until 4th wherein the attaching step is performed by applying a solution containing diamond particles having an average particle size of 50 nm or less to the single crystal silicon substrate, and then subjecting the single crystal silicon substrate to heat treatment. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach Anspruch 5, wobei die Diamantpartikel in der Lösung negativ geladen sind.A method for making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to Claim 5 , with the diamond particles in the solution being negatively charged. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach Anspruch 5 oder 6, wobei bei der Wärmebehandlung eine Temperatur des einkristallinen Siliciumsubstrats bei weniger als 100 °C für 1 min oder mehr und 30 min oder weniger gehalten wird.A method for making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to Claim 5 or 6th wherein, in the heat treatment, a temperature of the single crystal silicon substrate is maintained at less than 100 ° C for 1 minute or more and 30 minutes or less. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei in dem Planarisierungsschritt eine Oberflächenrauhigkeit Ra der polykristallinen Diamantschicht auf 3 nm oder weniger reduziert wird.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of Claims 1 until 7th wherein, in the planarization step, a surface roughness Ra of the polycrystalline diamond layer is reduced to 3 nm or less. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verbindungshalbleitersubstrat hergestellt ist aus einem von GaN, AlN, InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb und SiGe.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of Claims 1 until 8th wherein the compound semiconductor substrate is made of one of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb and SiGe. Verfahren zur Herstellung eines freistehenden polykristallinen Diamantsubstrats nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Dicke der Verbindungshalbleiterschicht 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt.A method of making a freestanding polycrystalline diamond substrate according to any one of Claims 1 until 9 wherein a thickness of the compound semiconductor layer is 1 µm or more and 500 µm or less. Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat, umfassend: ein Trägersubstrat, das aus einer polykristallinen Diamantschicht mit einer Dicke von 100 µm oder mehr besteht; und eine Verbindungshalbleiterschicht, die auf oder über einer Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht gebildet ist, wobei ein Wert, der durch Dividieren einer maximalen Korngröße von Kristallkörnern in der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht durch die Dicke der polykristallinen Diamantschicht erhalten wird, 0,20 oder weniger beträgt.A freestanding polycrystalline diamond substrate comprising: a supporting substrate composed of a polycrystalline diamond layer having a thickness of 100 µm or more; and a compound semiconductor layer formed on or over a surface of the polycrystalline diamond layer, wherein a value obtained by dividing a maximum grain size of crystal grains in the surface of the polycrystalline diamond layer by the thickness of the polycrystalline diamond layer is 0.20 or less. Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat nach Anspruch 11, umfassend eine amorphe Diamantschicht und eine amorphe Schicht, in der ein Verbindungshalbleiter der Verbindungshalbleiterschicht amorphisiert ist, die eine Gesamtdicke von 2 nm oder mehr und 10 nm oder weniger aufweisen und zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Verbindungshalbleiterschicht vorgesehen sind.Freestanding polycrystalline diamond substrate after Claim 11 comprising an amorphous diamond layer and an amorphous layer in which a compound semiconductor of the compound semiconductor layer is amorphized, which have a total thickness of 2 nm or more and 10 nm or less and are provided between the surface of the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor layer. Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat nach Anspruch 11, umfassend mindestens einen von einem Siliciumoxidfilm und einem Oxidfilm, in dem ein Verbindungshalbleiter der Verbindungshalbleiterschicht oxidiert ist, der eine Gesamtdicke von 200 nm oder mehr und 2 µm oder weniger aufweist und zwischen der Oberfläche der polykristallinen Diamantschicht und der Verbindungshalbleiterschicht vorgesehen ist.Freestanding polycrystalline diamond substrate after Claim 11 comprising at least one of a silicon oxide film and an oxide film in which a compound semiconductor of the compound semiconductor layer is oxidized, which has a total thickness of 200 nm or more and 2 µm or less and is provided between the surface of the polycrystalline diamond layer and the compound semiconductor layer. Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verbindungshalbleiterschicht hergestellt ist aus einem von GaN, AlN, InN, SiC, Al2O3, Ga2O3, MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb und SiGe.Freestanding polycrystalline diamond substrate according to one of the Claims 11 until 13th wherein the compound semiconductor layer is made of one of GaN, AlN, InN, SiC, Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 , MgO, ZnO, CdO, GaAs, GaP, GaSb, InP, InAs, InSb and SiGe. Freistehendes polykristallines Diamantsubstrat nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei eine Dicke der Verbindungshalbleiterschicht 1 µm oder mehr und 500 µm oder weniger beträgt.Freestanding polycrystalline diamond substrate according to one of the Claims 11 until 14th wherein a thickness of the compound semiconductor layer is 1 µm or more and 500 µm or less.
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