JP2001185496A - 埋め込み金属層を持つ単結晶ダイヤモンドとその形成方法 - Google Patents
埋め込み金属層を持つ単結晶ダイヤモンドとその形成方法Info
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Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】ダイヤモンド単結晶内部に金属層を素入する技
術の開発。 【解決手段】ダイヤモンド単結晶表面にダイヤモンドの
ラテラル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積させ、こ
の金属層上にラテラル成長が主となる条件においてダイ
ヤモンドを堆積させることによりダイヤモンド単結晶内
部に埋め込み金属層を形成する。
術の開発。 【解決手段】ダイヤモンド単結晶表面にダイヤモンドの
ラテラル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積させ、こ
の金属層上にラテラル成長が主となる条件においてダイ
ヤモンドを堆積させることによりダイヤモンド単結晶内
部に埋め込み金属層を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、ダイヤモンドの
任意の位置に任意の数の金属薄膜を挿入した単結晶ダイ
ヤモンドおよびその形成方法に関するものである。
任意の位置に任意の数の金属薄膜を挿入した単結晶ダイ
ヤモンドおよびその形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】従来、金属上に堆積させたダ
イヤモンドはすべて多結晶薄膜であった。そのため、単
結晶ダイヤモンド上に金属を堆積させ、続いてダイヤモ
ンドを堆積するという方法では、金属層を挟み込むダイ
ヤモンドが多結晶である、という問題がある。
イヤモンドはすべて多結晶薄膜であった。そのため、単
結晶ダイヤモンド上に金属を堆積させ、続いてダイヤモ
ンドを堆積するという方法では、金属層を挟み込むダイ
ヤモンドが多結晶である、という問題がある。
【０００３】また、単結晶ダイヤモンド上に金属を堆積
させ、続いてダイヤモンドを堆積する場合、堆積される
ダイヤモンドの結晶性が下地である金属層の元素種や結
晶方位、結晶性に大きく依存するため、使用する金属が
制限される。
させ、続いてダイヤモンドを堆積する場合、堆積される
ダイヤモンドの結晶性が下地である金属層の元素種や結
晶方位、結晶性に大きく依存するため、使用する金属が
制限される。
【０００４】金属原子を単結晶ダイヤモンドにイオン打
ち込みすることにより埋め込み金属層を形成することも
できるが、その場合にはイオンが通過した領域のダイヤ
モンドに高密度の欠陥が発生し、特に打ち込みイオンの
数が多い場合にはグラファイトに変性してしまう問題を
有している。
ち込みすることにより埋め込み金属層を形成することも
できるが、その場合にはイオンが通過した領域のダイヤ
モンドに高密度の欠陥が発生し、特に打ち込みイオンの
数が多い場合にはグラファイトに変性してしまう問題を
有している。
【０００５】また、イオン打ち込みにより金属層を作製
する場合、表面より深い位置では薄い金属層を形成する
ことができず、更に金属層とダイヤモンドの境界が急峻
でなくなる、という問題を有している。
する場合、表面より深い位置では薄い金属層を形成する
ことができず、更に金属層とダイヤモンドの境界が急峻
でなくなる、という問題を有している。
【０００６】金属を堆積させた単結晶ダイヤモンド同士
を張り合わせることにより埋め込み金属層を形成する場
合、張り合わせるために必要な加熱処理によりダイヤモ
ンドの一部がグラファイトへ変性してしまう、という問
題を有している。また、この方法では、炭化層や炭素の
固溶体を形成しない金属を埋め込み金属に使用した場
合、張り合わせ部の密着性が低いという本質的な問題を
有している。
を張り合わせることにより埋め込み金属層を形成する場
合、張り合わせるために必要な加熱処理によりダイヤモ
ンドの一部がグラファイトへ変性してしまう、という問
題を有している。また、この方法では、炭化層や炭素の
固溶体を形成しない金属を埋め込み金属に使用した場
合、張り合わせ部の密着性が低いという本質的な問題を
有している。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に関わる単結晶ダ
イヤモンドは、ダイヤモンド単結晶内部に埋め込み金属
層を有していることを特徴とする。
イヤモンドは、ダイヤモンド単結晶内部に埋め込み金属
層を有していることを特徴とする。
【０００８】本発明に関わる単結晶ダイヤモンドの形成
方法は、ダイヤモンド単結晶上にダイヤモンドのラテラ
ル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積させ、この金属
層上にラテラル成長が主となる条件においてダイヤモン
ドを堆積させることによりダイヤモンド単結晶内部に埋
め込み金属層を形成することを特徴とする。
方法は、ダイヤモンド単結晶上にダイヤモンドのラテラ
ル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積させ、この金属
層上にラテラル成長が主となる条件においてダイヤモン
ドを堆積させることによりダイヤモンド単結晶内部に埋
め込み金属層を形成することを特徴とする。
【０００９】ラテラル成長距離とは、金属膜表面上にお
いてダイヤモンドの構成元素である炭素を有する分子及
びそのラジカルが、金属表面に飛来してから、その運動
を停止するまでに移動した距離を意味し、この距離は、
金属の種類、金属薄膜表面温度、ダイヤモンド成長時の
圧力、水素に対する炭素を有する分子及びそのラジカル
の濃度、水素に対する炭素以外の分子及びラジカルの濃
度、ダイヤモンドの面方位に大きく依存する。金を使用
し、その温度を９００℃、圧力を１００Ｔｏｒｒ、水素
に対する炭素濃度を１％、リンの濃度を０．００２％、
ダイヤモンドの面方位を[１００]とした場合のラテラル
成長距離は約１０μｍである。
いてダイヤモンドの構成元素である炭素を有する分子及
びそのラジカルが、金属表面に飛来してから、その運動
を停止するまでに移動した距離を意味し、この距離は、
金属の種類、金属薄膜表面温度、ダイヤモンド成長時の
圧力、水素に対する炭素を有する分子及びそのラジカル
の濃度、水素に対する炭素以外の分子及びラジカルの濃
度、ダイヤモンドの面方位に大きく依存する。金を使用
し、その温度を９００℃、圧力を１００Ｔｏｒｒ、水素
に対する炭素濃度を１％、リンの濃度を０．００２％、
ダイヤモンドの面方位を[１００]とした場合のラテラル
成長距離は約１０μｍである。
【００１０】ラテラル成長が主となる条件とは、ダイヤ
モンドの面に対して垂直方向へのダイヤモンド成長速度
より、ダイヤモンドの面に対して平行方向へのダイヤモ
ンド成長速度の方が大きくなるときのダイヤモンドの成
長条件を意味し、ダイヤモンド表面に金属薄膜が存在す
る場合、この条件は、金属の種類、金属薄膜表面温度、
ダイヤモンド成長時の圧力、水素に対する炭素を有する
分子及びそのラジカルの濃度、水素に対する炭素以外の
分子及びラジカルの濃度、ダイヤモンドの面方位に大き
く依存する。金を使用し、その温度を９００℃、圧力を
１００Ｔｏｒｒ、水素に対する炭素濃度を１％、リンの
濃度を０．００２％、ダイヤモンドの面方位を[１００]
とした成長条件は、ラテラル成長が主となる条件であ
る。
モンドの面に対して垂直方向へのダイヤモンド成長速度
より、ダイヤモンドの面に対して平行方向へのダイヤモ
ンド成長速度の方が大きくなるときのダイヤモンドの成
長条件を意味し、ダイヤモンド表面に金属薄膜が存在す
る場合、この条件は、金属の種類、金属薄膜表面温度、
ダイヤモンド成長時の圧力、水素に対する炭素を有する
分子及びそのラジカルの濃度、水素に対する炭素以外の
分子及びラジカルの濃度、ダイヤモンドの面方位に大き
く依存する。金を使用し、その温度を９００℃、圧力を
１００Ｔｏｒｒ、水素に対する炭素濃度を１％、リンの
濃度を０．００２％、ダイヤモンドの面方位を[１００]
とした成長条件は、ラテラル成長が主となる条件であ
る。
【００１１】金属電極は、半導体ダイヤモンドの全ての
電子デバイス応用、電気物性評価及び一部の光物性評価
において利用される。本発明の方法により得られる埋め
込み金属層を電極に使用することにより、ダイヤモンド
電子デバイスにおける電極部での漏れ電流の抑制、また
ダイヤモンド物性評価における測定データの精度が改善
される。また、ダイヤモンド電子デバイスは、耐環境性
に優れたデバイス用材料として期待されているが、従来
法により形成された電極の耐性は、これに用いるには十
分でない。本発明の形成技術により作製された電極は、
電極表面がダイヤモンドで覆われているため、機械的耐
性、耐薬品性に優れているため、従来法に比較して、実
用面で有利である。
電子デバイス応用、電気物性評価及び一部の光物性評価
において利用される。本発明の方法により得られる埋め
込み金属層を電極に使用することにより、ダイヤモンド
電子デバイスにおける電極部での漏れ電流の抑制、また
ダイヤモンド物性評価における測定データの精度が改善
される。また、ダイヤモンド電子デバイスは、耐環境性
に優れたデバイス用材料として期待されているが、従来
法により形成された電極の耐性は、これに用いるには十
分でない。本発明の形成技術により作製された電極は、
電極表面がダイヤモンドで覆われているため、機械的耐
性、耐薬品性に優れているため、従来法に比較して、実
用面で有利である。
【００１２】さらに、本発明の埋め込み金属層を有して
いるダイヤモンド単結晶構造を使用することにより、厚
さが１μｍ程度のダイヤモンドキャパシター（容量素
子）を作製することが可能である。また、金属／ダイヤ
モンド／金属・・・・・・／ダイヤモンド／金属という
積み重ね構造を作製することが可能であるため、これを
利用した新しいダイヤモンド素子の実現が可能となる。
いるダイヤモンド単結晶構造を使用することにより、厚
さが１μｍ程度のダイヤモンドキャパシター（容量素
子）を作製することが可能である。また、金属／ダイヤ
モンド／金属・・・・・・／ダイヤモンド／金属という
積み重ね構造を作製することが可能であるため、これを
利用した新しいダイヤモンド素子の実現が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明において、ダイヤモンドの
ラテラル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積すると
は、例えば、図１の平面図の（ａ）に示すように、金属
層に穴が存在する形態、（ｂ）に示すように、金属層が
ストライプ状の長方形で存在する形態、（ｃ）に示すよ
うに、金属層が島状で存在する形態など様々な形態にお
いて巾Ｌの金属層が設けられているものをいう。例え
ば、穴を形成するには、金属層をダイヤモンド表面上に
堆積させた後、穴にすべき領域の金属を削る方法、ワイ
ヤーで吊ったマスクの上方から金属源を飛ばし、マスク
の陰が穴になるように金属を堆積する方法、金属膜をダ
イヤモンドに堆積させた後でダイヤモンドを昇温させ、
金属を熱凝集させる方法などを利用できる。その他の形
態も、同様な方法で形成できる。
ラテラル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積すると
は、例えば、図１の平面図の（ａ）に示すように、金属
層に穴が存在する形態、（ｂ）に示すように、金属層が
ストライプ状の長方形で存在する形態、（ｃ）に示すよ
うに、金属層が島状で存在する形態など様々な形態にお
いて巾Ｌの金属層が設けられているものをいう。例え
ば、穴を形成するには、金属層をダイヤモンド表面上に
堆積させた後、穴にすべき領域の金属を削る方法、ワイ
ヤーで吊ったマスクの上方から金属源を飛ばし、マスク
の陰が穴になるように金属を堆積する方法、金属膜をダ
イヤモンドに堆積させた後でダイヤモンドを昇温させ、
金属を熱凝集させる方法などを利用できる。その他の形
態も、同様な方法で形成できる。
【００１４】本発明は、上記の通りの形態を持つ金属層
をダイヤモンド単結晶表面に堆積し、続いてこの金属層
上に単結晶ダイヤモンドを堆積することにより、埋め込
み金属層を有する単結晶ダイヤモンドを提供するもので
ある。図２は、埋め込み金属層を有する単結晶ダイヤモ
ンドの形成過程を示す模式図である。(a)は、金属薄膜
堆積前、(b)は、金属薄膜堆積後、(c)は、ダイヤモンド
堆積初期、(d)は、ダイヤモンド堆積後期を示してい
る。形成の過程は、まずダイヤモンド基板１上（図２
ａ）に穴を有する巾Ｌをもつ金属薄膜２を堆積させる
（図２ｂ）。次に金属薄膜２の穴の位置でダイヤモンド
３が成長を開始し（図２ｃ）、続いてダイヤモンドが金
属薄膜２の表面でラテラル成長することにより金属薄膜
２を覆い（図２ｄ）、最終的に金属薄膜２がダイヤモン
ド３に埋め込まれる。
をダイヤモンド単結晶表面に堆積し、続いてこの金属層
上に単結晶ダイヤモンドを堆積することにより、埋め込
み金属層を有する単結晶ダイヤモンドを提供するもので
ある。図２は、埋め込み金属層を有する単結晶ダイヤモ
ンドの形成過程を示す模式図である。(a)は、金属薄膜
堆積前、(b)は、金属薄膜堆積後、(c)は、ダイヤモンド
堆積初期、(d)は、ダイヤモンド堆積後期を示してい
る。形成の過程は、まずダイヤモンド基板１上（図２
ａ）に穴を有する巾Ｌをもつ金属薄膜２を堆積させる
（図２ｂ）。次に金属薄膜２の穴の位置でダイヤモンド
３が成長を開始し（図２ｃ）、続いてダイヤモンドが金
属薄膜２の表面でラテラル成長することにより金属薄膜
２を覆い（図２ｄ）、最終的に金属薄膜２がダイヤモン
ド３に埋め込まれる。
【００１５】本発明の形成技術に用いるダイヤモンド単
結晶基板の種類、埋め込み金属の種類、金属層上に形成
するダイヤモンド薄膜の製造方法には特に制限はない。
ダイヤモンド単結晶基板としては、広く一般に使用され
ている高圧合成[１００]ダイヤモンド基板を、埋め込み
金属としては、炭化層も炭素の固溶体も形成しないため
に密着性が最も小さくなることが予想される金を、さら
に、金属層上に形成するダイヤモンド薄膜としては、平
滑な表面を作製することが困難であるリンドープダイヤ
モンドを、それぞれ使用することが、埋め込み金属層を
有するダイヤモンド単結晶の作製が最も困難な組み合わ
せであるが、本発明においては、下記の実施例に示すよ
うに、このような組み合わせにおいても目的とするダイ
ヤモンド単結晶が得られる。
結晶基板の種類、埋め込み金属の種類、金属層上に形成
するダイヤモンド薄膜の製造方法には特に制限はない。
ダイヤモンド単結晶基板としては、広く一般に使用され
ている高圧合成[１００]ダイヤモンド基板を、埋め込み
金属としては、炭化層も炭素の固溶体も形成しないため
に密着性が最も小さくなることが予想される金を、さら
に、金属層上に形成するダイヤモンド薄膜としては、平
滑な表面を作製することが困難であるリンドープダイヤ
モンドを、それぞれ使用することが、埋め込み金属層を
有するダイヤモンド単結晶の作製が最も困難な組み合わ
せであるが、本発明においては、下記の実施例に示すよ
うに、このような組み合わせにおいても目的とするダイ
ヤモンド単結晶が得られる。
【００１６】
【実施例】実施例１ 高圧合成[１００]ダイヤモンド基板１上において、約２
μｍ間隔に形成された直径約５μｍの穴３を有する、膜
厚が１００ｎｍの金薄膜２を電子ビーム蒸着装置により
堆積させた。図３は、金薄膜を堆積させる前の２〜１０
μｍ間隔の穴（黒い斑点）を持つ金属膜２の光学顕微鏡
写真である。続いてCVDダイヤモンド薄膜堆積装置にお
いて、膜厚５μｍのリンドープダイヤモンドを９００℃
で堆積させた。これにより、金薄膜２からなる金属埋め
込み層を有する単結晶ダイヤモンド３を作製した。図４
は、金薄膜上に堆積したダイヤモンド層３表面の光学顕
微鏡写真である。
μｍ間隔に形成された直径約５μｍの穴３を有する、膜
厚が１００ｎｍの金薄膜２を電子ビーム蒸着装置により
堆積させた。図３は、金薄膜を堆積させる前の２〜１０
μｍ間隔の穴（黒い斑点）を持つ金属膜２の光学顕微鏡
写真である。続いてCVDダイヤモンド薄膜堆積装置にお
いて、膜厚５μｍのリンドープダイヤモンドを９００℃
で堆積させた。これにより、金薄膜２からなる金属埋め
込み層を有する単結晶ダイヤモンド３を作製した。図４
は、金薄膜上に堆積したダイヤモンド層３表面の光学顕
微鏡写真である。
【００１７】比較例１ 高圧合成[１００]ダイヤモンド基板上において、穴を有
しない、膜厚が１００ｎｍの金を電子ビーム蒸着装置に
より堆積させ、続いてCVDダイヤモンド薄膜堆積装置に
おいて、膜厚５μｍのリンドープダイヤモンドを９００
℃で堆積させた。金表面全面に単結晶ダイヤモンドが形
成されないため、金埋め込み層を有する単結晶ダイヤモ
ンドは作製されなかった。
しない、膜厚が１００ｎｍの金を電子ビーム蒸着装置に
より堆積させ、続いてCVDダイヤモンド薄膜堆積装置に
おいて、膜厚５μｍのリンドープダイヤモンドを９００
℃で堆積させた。金表面全面に単結晶ダイヤモンドが形
成されないため、金埋め込み層を有する単結晶ダイヤモ
ンドは作製されなかった。
【図１】図１は、ダイヤモンドのラテラル成長距離以下
の巾をもつ金属層の形態の例を示す平面図である。
の巾をもつ金属層の形態の例を示す平面図である。
【図２】図２は、金埋め込み層を有する単結晶ダイヤモ
ンドの形成過程を示す模式図である。
ンドの形成過程を示す模式図である。
【図３】図３は、２〜１０μｍの間隔の穴（黒い斑点）
を持つ金属膜の表面の図面代用の光学顕微鏡写真であ
る。
を持つ金属膜の表面の図面代用の光学顕微鏡写真であ
る。
【図４】図４は、金属膜の上に堆積したダイヤモンド層
表面の表面の図面代用の光学顕微鏡写真である。
表面の表面の図面代用の光学顕微鏡写真である。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BA03 DB01 ED06 EE06 4M104 AA10 FF01 FF11 5F045 AB07 AB40 AD13 AE25 AF02 AF13 CB10
Claims (3)
- 【請求項１】 ダイヤモンド単結晶内部に埋め込み金属
層を有していることを特徴とするダイヤモンド単結晶。 - 【請求項２】 埋め込み金属層が電極であることを特徴
とする請求項１記載のダイヤモンド単結晶。 - 【請求項３】 ダイヤモンド単結晶表面にダイヤモンド
のラテラル成長距離以下の巾をもつ金属層を堆積させ、
この金属層上にラテラル成長が主となる条件においてダ
イヤモンドを堆積させてダイヤモンド単結晶膜を形成す
ることを特徴とするダイヤモンド単結晶内部に埋め込み
金属層を形成する方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36898899A JP3303135B2 (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 埋め込み金属層を金属電極として持つ単結晶ダイヤモンド電子デバイスとその形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36898899A JP3303135B2 (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 埋め込み金属層を金属電極として持つ単結晶ダイヤモンド電子デバイスとその形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001185496A true JP2001185496A (ja) | 2001-07-06 |
| JP3303135B2 JP3303135B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=18493281
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36898899A Expired - Lifetime JP3303135B2 (ja) | 1999-12-27 | 1999-12-27 | 埋め込み金属層を金属電極として持つ単結晶ダイヤモンド電子デバイスとその形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3303135B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104651928A (zh) * | 2015-01-17 | 2015-05-27 | 王宏兴 | 金刚石同质外延横向生长方法 |
| WO2015197632A1 (fr) * | 2014-06-23 | 2015-12-30 | Univ Paris Xiii Paris-Nord Villetaneuse | Procede de formation d'un monocristal de materiau a partir d'un substrat monocristallin |
-
1999
- 1999-12-27 JP JP36898899A patent/JP3303135B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015197632A1 (fr) * | 2014-06-23 | 2015-12-30 | Univ Paris Xiii Paris-Nord Villetaneuse | Procede de formation d'un monocristal de materiau a partir d'un substrat monocristallin |
| CN104651928A (zh) * | 2015-01-17 | 2015-05-27 | 王宏兴 | 金刚石同质外延横向生长方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3303135B2 (ja) | 2002-07-15 |
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