JP2001278691A

JP2001278691A - 単結晶ダイヤモンド合成用基板

Info

Publication number: JP2001278691A
Application number: JP2000093710A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tachibana; 武史橘
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-10

Abstract

(57)【要約】【課題】基板が剥離及び破損等することなく高品質で
低コスト且つ大面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成する
ことができるダイヤモン合成用基板を提供する。【解決手段】ダイヤモンド合成用基板１０は、例えば
サファイア、酸化マグネシウム、又はチタン酸ストロン
チウム等の単結晶からなる基体１上に中間層２及び中間
層３が積層され、更にこの上に白金又はイリジウム等か
らなる金属単結晶膜４が形成されている。基体１と金属
単結晶４との間に挿入される中間層のうち、基体１上の
中間層２は、基体１の結晶性を金属単結晶膜４に伝達
し、この中間層２と金属単結晶膜４との間の中間層３
は、金属単結晶膜４よりも線熱膨張係数及び炭素拡散係
数が小さい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶ダイヤモン
ド膜を合成するための積層構造を有するダイヤモンド合
成用基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れ、エネルギ
ーギャップが５．５ｅＶと大きいことが特徴であり、通
常は絶縁体であるが、不純物をドーピングすることによ
り半導体化することができる。また、ダイヤモンドは絶
縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きく、更に誘電率
が小さいという優れた電気的特性を有する。このような
電気的特性を利用して、ダイヤモンドは、高温、高周
波、高電界又は高出力用の電子デバイス及びセンサ等の
材料として期待されている。

【０００３】また、ダイヤモンドのエネルギーギャップ
が大きいことを利用した紫外線等の短波長領域に対応す
る光センサ及び発光素子への応用、熱伝導率が大きく、
比熱が小さいことを利用した放熱基板材料への応用、物
質の中で最も硬いという特性を利用した表面弾性波素子
への応用並びに高い光透過性及び屈折率を利用したＸ線
窓及び光学材料への応用等が研究されている。更に、ダ
イヤモンドは、工具の耐摩耗性が必要な部分にも使用さ
れている。

【０００４】これらの種々の応用において、ダイヤモン
ドの特性を最大限に発揮させるには、結晶中に存在する
結晶構造欠陥を低減した高品質の結晶を合成することが
必要である。また、実用化には低コストで大面積の単結
晶ダイヤモンド膜が必要とされる。

【０００５】そこで、本願発明者等は、単結晶ダイヤモ
ンド膜を低コストで大面積に気相合成する方法を見い出
した（特開平８−１５１２９５号公報、従来例１）。こ
れは、白金の単体又は合金材に対する圧延工程及び焼鈍
工程の一連の工程を１又は複数回繰り返すことにより、
その厚さを０．５ｍｍ以下にすると共に、前記白金の単
体又は合金材の表面の全部又は一部に（１１１）結晶面
又はこの（１１１）結晶面から±１０゜以内の範囲で傾
斜した結晶面を形成し、白金の（１１１）又は（００
１）結晶面を基板とした気相合成で単結晶ダイヤモンド
膜を得る方法である。この方法によって合成されるダイ
ヤモンドは、表面で結晶間の融合が自発的に進行して平
滑な表面が得られる。

【０００６】また、本願発明者等は白金単結晶の膜をチ
タン酸ストロンチウム単結晶上に形成することにより、
更に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を形成できることを
提案した（特開平８−１５１２９６号公報、従来例
２）。

【０００７】更に、本願発明者等は、サファイア又は炭
化珪素からなる基体上に白金単結晶膜を形成した基板上
に単結晶ダイヤモンドが得られることを提案した（特開
平１１−２５５５９９号公報、従来例３）。この場合
は、良質で安価な基板な基板が容易に入手可能であるた
め、大面積の基板が得られ、面積的には問題がない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
１に記載のダイヤモンド膜の基板となる白金単結晶は、
一般に融液引き上げ法で製造されるため、高価であり、
得られる単結晶の面積も高々２５ｍｍ径である。

【０００９】また、従来例２に記載の方法においても、
得られる単結晶膜の面積は最大で５０ｍｍ角である。近
時の要求を満足し、電子デバイスの分野で単結晶ダイヤ
モンド膜を実用化するためには、更に一層低コストで大
面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成することが必要であ
る。

【００１０】更に、従来例３の技術においては、１ｃｍ
²以上の大きさの基板を使用してダイヤモンドを合成す
ると、基体と白金単結晶との間に剥離が生じ、ダイヤモ
ンド膜が破壊する場合がある。

【００１１】このように、これらの従来技術では近時の
要求を満足することができず、電子デバイスの分野で単
結晶ダイヤモンド膜を実用化するためには、更に一層低
コストで大面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成すること
が必要である。

【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、基板が剥離及び破損等することなく高品質
で低コスト且つ大面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成す
ることができるダイヤモン合成用基板を提供することを
目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド合成用基板は、基体と、金属単結晶膜と、前記基体と
前記金属単結晶膜との間に設けられた２層以上の中間層
とを有し、前記中間層は少なくとも１層が前記基体及び
前記金属単結晶膜とは異なる化学組成であって、前記金
属単結晶膜より炭素拡散係数及び／又は線形膨張係数が
小さいものであることを特徴とする。

【００１４】更に、前記金属単結晶膜は、白金又はイリ
ジウムであることが好ましい。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳細に
説明する。本願発明者等は、上述の課題を解決するべく
鋭意実験研究した結果、基体と金属単結晶膜との間に少
なくとも１層が金属単結晶膜よりも拡散係数が小さい及
び／又は線熱膨張係数が小さい２層以上の中間層を挿入
することにより、基板を大面積化し、電子デバイス作製
プロセスに好適で安価で大面積のダイヤモンド膜を得る
ことができることを見出した。

【００１６】ダイヤモンドは通常、８００℃前後の高温
で気相合成されるが、本願発明者等は、ダイヤモンド合
成用基板として、金属単結晶膜及び基体からなる基板を
使用すると、ダイヤモンド膜合成後に室温に降温した際
には、ダイヤモンドと金属単結晶膜及び基体からなるダ
イヤモンド合成用基板との熱膨張率の違いにより、機械
的応力が生じるために、金属単結晶膜が基体から剥離す
ることを知見し、金属単結晶膜と基体との間に、少なく
とも金属単結晶膜とは化学組成が異なり金属単結晶膜よ
り線熱膨張係数が小さい層を１層含む２層以上の中間層
を挿入することにより、これを緩和できることを見出し
た。

【００１７】また、金属単結晶膜をダイヤモンドの合成
に使用する際には、基板は８００℃前後の高温に曝され
る。本願発明者等は、このような高温に基板が曝される
と、原料ガス成分の炭素が金属単結晶膜を拡散し、金属
単結晶膜と基体との界面に達して、その接合を劣化させ
ることを知見し、金属単結晶膜と基体との間に、少なく
とも金属単結晶膜よりも炭素拡散係数が小さい中間層を
１層含む２層以上の中間層を挿入することにより、炭素
の拡散を防止し、基体とダイヤモンド膜との接合強度を
保つことができることを見出した。

【００１８】なお、最上層の金属単結晶膜は、この金属
単結晶膜上に単結晶ダイヤモンド膜を合成するため、単
結晶であることが必要である。この最上膜の単結晶性
は、基体に由来するため、中間層には基体の単結晶性を
伝達する役割として、中間層と基体との界面において基
体との相性がよいことが必要である。即ち、基体上に基
体の単結晶性を伝達することができ且つ中間層自体が単
結晶であることが必要である。

【００１９】また、本発明のダイヤモンド合成用基板
は、積層型基板であるため、従来の金属単結晶膜及び基
体からなる２層構造と比較すると、より複雑化しており
コスト的に不利である。しかしながら、上述の如く優れ
た作用を有するために、技術的な優位性を発揮でき、結
果的には大面積のダイヤモンド膜を従来よりも安価に製
造することができる。

【００２０】以下、本発明の実施例に係るダイヤモンド
合成用基板について説明する。図１は、本発明の実施例
に係るダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。図
１に示すように、本実施例のダイヤモンド合成用基板１
０においては、例えばサファイア、酸化マグネシウム、
又はチタン酸ストロンチウム等の単結晶からなる基体１
上に中間層２及び中間層３が積層され、更にこの上に金
属単結晶膜４が形成されている。本実施例においては、
基体１と金属単結晶４との間に挿入される中間層２及び
３のうち、基体１上面上の中間層２は単結晶であり、且
つ金属単結晶膜４に基体１の結晶性を継承させるために
基体１の結晶性を伝達する。また、この中間層２と金属
単結晶膜４との間に形成される中間層３は、金属単結晶
膜４よりも線熱膨張係数及び炭素拡散係数が小さい材料
の単結晶膜からなる。

【００２１】金属単結晶膜４として、白金を使用する場
合は、白金より線膨張係数及び炭素拡散係数が小さいイ
リジウム、又は白金より線膨張係数が小さい白金−チタ
ン等の合金等からなる単結晶膜を中間層２、３として使
用することができる。また、金属単結晶膜４として、イ
リジウムを使用する場合は、イリジウムより炭素拡散係
数が小さい白金−タングステン等の合金等からなる単結
晶膜を使用することができる。

【００２２】本実施例によれば、このダイヤモンド合成
用基板１０上にダイヤモンドを気相合成しても、金属単
結晶膜４よりも線膨張係数が小さい中間層２が形成され
ているため、基体１と金属単結晶膜４との間の機械応力
を緩和すると共に金属単結晶膜４よりも炭素拡散係数が
小さい中間層３が形成されているため、金属単結晶膜４
からダイヤモンド合成用の原料ガスに含まれる炭素が拡
散することを防止する。これにより、ダイヤモンド気相
合成後、このダイヤモンド合成用基板を合成されたダイ
ヤモンド膜と共に室温にもどしても、金属単結晶膜４が
その下層の中間層３から剥がれることなく、また、合成
したダイヤモンド膜が金属単結晶膜４から剥離及び損傷
することがない。

【００２３】なお、上述した如く、基体１と中間層２と
界面、及び中間層３と金属単結晶膜４との界面における
材料同士の相性が合うものであれば中間層２に金属単結
晶膜４よりも炭素拡散係数及び線熱膨張係数が小さいも
のを使用してもよい。また、線膨張係数が金属単結晶膜
より小さいか、又は炭素拡散係数が金属単結晶膜より小
さい層を中間層として形成することもできる。

【００２４】

【実施例】以下、本発明のダイヤモンド気相合成用基板
を実際に製造し、そのダイヤモンド合成用基板を使用し
てダイヤモンドを気相合成した実施例について説明す
る。

【００２５】実施例１図２は、実施例１のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。図２に示すように、サファイア（０００１）
を基体とし、このサファイア基体１１上面に、白金（１
１１）、イリジウム（１１１）、及び白金（１１１）を
直流スパッタ法により順次蒸着し、サファイア基体１１
上に、白金層１２、イリジウム層１３及び白金層１４か
らなる３層を積層したダイヤモンド合成用基板２０を作
製した。なお、イリジウム層１３は、白金層１４より、
熱膨張係数及び炭素拡散係数が小さい。各層は、１乃至
５μｍの厚さであった。また、蒸着温度は、６００℃と
した。得られた基板を真空中で９００℃に熱した後、冷
却した。最上面の白金層１４の単結晶性は、Ｘ線回折に
より確認した。

【００２６】次に、このダイヤモンド合成用基板２０の
白金層１４表面をダイヤモンドパウダー懸濁中で超音波
処理してキズ付け処理をした。その後、ダイヤモンド気
相合成用の反応器に、このダイヤモンド合成用基板２０
を設置し、反応器内を真空排気した後、メタンガス０．
３体積％を含む水素・メタン混合ガスを流し、反応器中
の圧力を６６５０Ｐａに保持した。その後、マイクロ波
プラズマを発生し、基板温度を８７０℃に維持して１０
０時間の成膜を行った。これにより、厚さが３０μｍ
で、粒界がなく、面積１ｃｍ²のダイヤモンド膜を剥離
なく形成することができた。

【００２７】実施例２図３は、実施例２のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。図３に示すように、酸化マグネシウムを基体
とし、この酸化マグネシウム基体２１上に、電子ビーム
蒸着法により、白金（００１）、５５質量％白金−４５
質量％タングステン（００１）、及びイリジウム（００
１）を順次蒸着し、酸化マグネシウム基体２１上に、白
金層２２、５５質量％白金−４５質量％タングステン層
２３、及びイリジウム層２４からなる３層を積層したダ
イヤモンド合成用基板３０を作製した。なお、５５質量
％白金−４５質量％タングステン層２３はイリジウム層
２４より炭素拡散係数が小さい。

【００２８】得られたダイヤモンド合成用基板３０を使
用して、ダイヤモンドを気相合成した。原料ガスにはメ
タンを使用し、１０時間の直流プラズマＣＶＤを行った
ところ、剥離の問題なく、（００１）ダイヤモンドが合
成できた。

【００２９】実施例３図４は、実施例３のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。図４に示すように、チタン酸ストロンチウム
を基板として、このチタン酸ストロンチウム基体３１上
に、直流スパッタ法により、白金（１１１）、４８質量
％白金−５２質量％チタン（１１１）、及び白金（１１
１）を順次蒸着し、チタン酸ストロンチウム基板３１上
に白金層３２、４８質量％白金−５２質量％チタン層３
３、及び白金層３４の３層を積層したダイヤモンド合成
用基板４０を作製した。なお、４８質量％白金−５２質
量％チタン層３３は、白金層３４より線膨張係数が小さ
い。各層は、１乃至５μｍの厚さであった。蒸着時の温
度は６００℃であった。

【００３０】得られた基板を真空中で９００℃に加熱し
た後、冷却した。表面の白金層の単結晶性は、Ｘ線によ
り確認した。

【００３１】次に、このダイヤモンド合成用基板４０を
使用して、ダイヤモンドを合成した。グラファイトをタ
ーゲットとし、圧力２６．６Ｐａの酸素ガス雰囲気中
で、ＫｒＦエキシマレーザを使用して、レーザアブレー
ションにより炭素を飛翔させた。４時間の合成後、ダイ
ヤモンド合成用基板４０を取り出し、Ｘ線回折と電子顕
微鏡観察により、単結晶ダイヤモンドの形成を確認し
た。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
基体と金属単結晶膜との間に線熱膨張係数及び／又は炭
素拡散係数が小さい層を形成したため、この基板を用い
て単結晶ダイヤモンド膜を合成しても、基板が剥離せ
ず、従って、粒界がなく高品質な単結晶ダイヤモンド膜
を広域面積で、剥離破損なく気相合成することができ
る。こうして得られた高品質で低コスト、大面積で得ら
れるダイヤモンド膜を、トランジスタ、ダイオード、各
種センサ等の電子装置、ヒートシンク、表面弾性波素
子、Ｘ線窓、光学関連材料、耐摩耗性、塗装材料及びそ
のコーティング等にの電子デバイスの分野で実用化るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るダイヤモンド合成用基板
を示す断面図である。

【図２】実施例１のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。

【図３】実施例２のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。

【図４】実施例３のダイヤモンド合成用基板を示す模式
図である。

【符号の説明】

１；基体２、３；中簡層４；単結晶金属膜１０、２０、３０、４０：ダイヤモンド合成用基板１１；サファイア基体１１１２、１４、２４、３２、３４；白金層１３、２２；イリジウム層２１；酸化マグネシウム基体２３；５５質量％白金−４５質量％タングステン層３１；チタン酸ストロンチウム基板３３；４８質量％白金−５２質量％チタン層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基体と、金属単結晶膜と、前記基体と前
記金属単結晶膜との間に設けられた２層以上の中間層と
を有し、前記中間層は少なくとも１層が前記基体及び前
記金属単結晶膜とは異なる化学組成であって、前記金属
単結晶膜より炭素拡散係数及び／又は線形膨張係数が小
さいものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド合
成用基板。
【請求項２】前記金属単結晶膜は、白金又はイリジウ
ムであることを特徴とする請項１に記載の単結晶ダイヤ
モンド合成用基板。