JP2004292172A

JP2004292172A - ダイヤモンド単結晶基材及びその製造方法

Info

Publication number: JP2004292172A
Application number: JP2003065124A
Authority: JP
Inventors: Hideo Oshima; 秀夫大島; Ryuichi Matsuki; 竜一松木
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-10-21

Abstract

【課題】例えばダイヤモンド単結晶を気相から合成してエピタキシャル成長させていくときに、欠陥や異常成長が生じるのを抑制する。
【解決手段】表面に、ダイヤモンド単結晶が気相から合成されてエピタキシャル成長させられていくダイヤモンド単結晶基材において、表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖを４ｎｍ以下に設定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイヤモンド単結晶基材に関し、とくに、ダイヤモンド単結晶を気相から合成してエピタキシャル成長させていくときに用いられるダイヤモンド単結晶基材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、耐熱性に優れる、熱伝導率が大きい、バンドギャップが広いなどといった多数の優れた性質を有しているために、例えば半導体、光学部品、電子部品などの各種材料への応用が期待されており、その要求は年々増加する一方である。とくに、上述した半導体や光学部品などの優れた結晶品質が要求される材料には、欠陥や異常成長がなく、配向性のよいダイヤモンド単結晶の使用が望まれている。
工業的に用いられるダイヤモンド単結晶は、そのほとんどが高温高圧下で合成を行う超高圧法によって製造されているのが現状であるが、近年では、ダイヤモンド単結晶を気相（ガス）から合成してエピタキシャル成長させていく方法が検討されている（例えば、特許文献１・２参照）。
【０００３】
ダイヤモンド単結晶のエピタキシャル成長には、例えば超高圧法で製造されたダイヤモンド単結晶を基材としてその表面に膜を成長させていくホモエピタキシャル成長と、例えばｃＢＮ、Ｎｉ、Ｓｉなどの非ダイヤモンドを基材としてその表面に膜を成長させていくヘテロエピタキシャル成長とがあるが、高品質のダイヤモンド単結晶の膜を得るためには、前者のダイヤモンド単結晶基材を用いたホモエピタキシャル成長が選択される。
これは、ダイヤモンド単結晶をヘテロエピタキシャル成長させる場合、ダイヤモンド粒子の侵食、傾き、不要な炭化物層の成長などの問題が生じてしまうからである。なお、近年、エピタキシャルＩｒ（イリジウム）薄膜表面にヘテロエピタキシャル成長させることで、比較的高品質のダイヤモンド単結晶を得ることができるのが分かってきたが、未だ研究段階であり短期間での実用化は難しい。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１０７４９４号公報
【特許文献２】
特開平６−８７６９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高品質のダイヤモンド単結晶をホモエピタキシャル成長させるためには、当然のように、極力平坦な表面を有するダイヤモンド単結晶基材が要求されるので、例えば超高圧法で製造されたダイヤモンド単結晶基材の表面に対して、これと同等の硬度を有するダイヤモンド砥粒で機械研磨を施すようにしている。
しかしながら、ダイヤモンド砥粒は、形状がランダムでサイズに分布が生じているものであるから、表面粗さ１〜３ｎｍＲｍｓ（二乗平均粗さが１〜３ｎｍ）程度になるまでダイヤモンド単結晶基材の表面を機械研磨したとしても、研磨後の表面は、様々な周期を有する凹凸が存在する不均質な面とならざるを得ない。
【０００６】
すなわち、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨は、ダイヤモンド単結晶基材の表面に対してダイヤモンド砥粒によるスクラッチ（傷）を導入し、このダイヤモンド砥粒の寸法を徐々に小さくしていくことにより、スクラッチ寸法を徐々に小さくして表面粗さを向上させるといった加工であるので、研磨後の表面には、ダイヤモンド砥粒によるスクラッチの存在が不可避となり、どうしても上述したような様々な周期を有する凹凸が生じてしまうのである。
それゆえ、ダイヤモンド単結晶基材の表面に対してダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を施したとしても、ダイヤモンド単結晶のエピタキシャル成長に適するような十分に平坦な面を得ることはできず、エピタキシャル成長させられたダイヤモンド単結晶には欠陥や異常成長が生じやすくなっていて、高品質のダイヤモンド単結晶を製造する上での大きな障害となっていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく種々検討した結果、ダイヤモンド単結晶のエピタキシャル成長に際し、欠陥や異常成長を生じさせる要因が、ダイヤモンド単結晶基材の表面に存在している様々な周期を有する凹凸のうち、比較的長い周期を有する凹凸にあるのではなく、２００ｎｍ以下の短い周期を有する凹凸にあることに着目した。
すなわち、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨を施すことによって、ダイヤモンド単結晶基材の表面を理想的な平坦面にすることは現実的ではないという認識から、無理に理想的な平坦面を作り出そうと試みるのではなく、少なくとも２００ｎｍ以下の短い周期を有する凹凸さえなくして（小さくして）やれば、微視的には、ほぼ平坦面と見なすことが可能となり、ダイヤモンド単結晶のエピタキシャル成長を阻害する要因を減らすことができるのを見出したのである。
【０００８】
そして、ダイヤモンド単結晶基材の表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の短い周期を有する凹凸をなくすための方法として、本発明者らが採用したのは、ダイヤモンドよりも遙かに硬度の低いＳｉＯ_２スラリーを研磨液として用いた湿式研磨である。
ＳｉＯ_２スラリーに含まれる粒子は、ダイヤモンドよりも硬度が劣るとともに、非常に微細な球形をなしているため、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨では不可避であったスクラッチを生じさせることがないのは理解できるが、存在する物質中で最も硬度の高いダイヤモンドを、これよりも遙かに柔らかいＳｉＯ_２スラリーによって研磨することは、従来では考えられないことである。
しかしながら、実際に、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨を施した後に、ＳｉＯ_２スラリーを研磨液として用いた湿式研磨を施したところ、ダイヤモンド単結晶基材の表面に存在している２００ｎｍ以下の短い周期を有する凹凸を小さくできることが確認された。これは、ＳｉＯ_２スラリーによる機械的な研磨作用だけではなく、何らかの化学的な研磨作用が生じているためと思われる。
【０００９】
このようにしてなされた本発明のダイヤモンド単結晶基材は、表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖが４ｎｍ以下に設定されていることを特徴とするものであり、とくに、前記表面に、ダイヤモンド単結晶が気相から合成されてエピタキシャル成長させられていくことを特徴とするものである。
また、本発明のダイヤモンド単結晶基材の製造方法は、ダイヤモンド単結晶基材の表面に対し、ＳｉＯ_２スラリーを研磨液として用いた湿式研磨を施すことにより、前記表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖを４ｎｍ以下に設定することを特徴とするものである。
【００１０】
本発明において、小さくすべき凹凸を、少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有するものに限定した理由は、これよりも長い周期を有する凹凸を小さくしたとしても、ダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させるときの主たる阻害要因をなくしたことにはならず、高品質のダイヤモンド単結晶を製造することができないおそれがあるからである。
ここで、凹凸とは、ダイヤモンド単結晶基材の表面に存在している波状の溝山のことを示し、その周期とは、対象とする表面に存在している凹凸において、任意の凹部分底部（あるいは凸部分頂部）から、隣接する凹部分底部（あるいは凸部分頂部）までの平面上の距離のことを示しているのであり、周期が小さくなるほど、上記の凹凸は細かい波状の溝山となる。
なお、小さくすべき凹凸の対象としては、１００ｎｍ以下の周期を有する凹凸であることがより好ましい。逆に、周期の下限については、周期の短い凹凸ほどダイヤモンド単結晶のエピタキシャル成長において、欠陥や転位の生成要因となることから、ないといっても差し支えない。
【００１１】
また、本発明において、短い周期を有する凹凸のＰ−Ｖを４ｎｍ以下に限定した理由は、これよりもＰ−Ｖが大きくなってしまうと、短い周期を有する凹凸を十分に小さくできているとは言えなくなり、ダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させるときの主たる阻害要因をなくすことができなくなって、高品質のダイヤモンド単結晶を製造することができないおそれがあるからである。
ここで、凹凸のＰ−Ｖ（ＰｅａｋＴｏＶａｌｌｅｙ）とは、対象とする表面についての表面粗さデータをフーリエ変換して得られる、各周期の凹凸の高さの差の最大値を示している、つまり、対象とする表面に存在している各周期の凹凸において、最も高さが異なっている凹部分底部と隣接する凸部分頂部とについての、これらの高さの差のことを示しているのであり、Ｐ−Ｖが小さくなるほど、上記の凹凸は小さくなっていく。
なお、短い周期を有する凹凸のＰ−Ｖについては、２ｎｍ以下に設定することがより好ましい。逆に、Ｐ−Ｖの下限としては、現時点での技術的な限界を考慮すると、０．５ｎｍ以上となる。
【００１２】
さらに、本発明においては、２００ｎｍ以下の短い周期を有する凹凸のＰ−Ｖを４ｎｍ以下に設定するだけでも十分な効果を発揮することができるのであるが、さらなる効果の増大を期待するのであれば、２００ｎｍより大きい比較的長い周期を有する凹凸についても、そのＰ−Ｖを小さく、例えば１０ｎｍ以下に設定することがより好ましい。
加えて、湿式研磨を施した後の表面粗さについては、１ｎｍＲｍｓ以下に設定されていることが好ましい。
【００１３】
なお、本発明は、２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸の全てについて、そのＰ−Ｖが４ｎｍ以下に設定されていることが厳密に必要となるのではなく、例えば、２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸の８０％以上について、そのＰ−Ｖが４ｎｍ以下になっていれば、本発明の効果を十分に期待することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のダイヤモンド単結晶基材及びその製造方法を実施の形態により具体的に説明する。
まず、例えば超高圧法を用い、高温高圧下で合成することによって製造されたダイヤモンド単結晶基材（例えば、（００１）面を有するＩｂ型）を用意する。次に、ダイヤモンド単結晶基材の表面に対して、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨を施した。この状態では、ダイヤモンド単結晶基材の表面は、表面粗さ１〜３ｎｍＲｍｓ程度となり、この表面に存在している凹凸のうち、２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖは、例えば１０ｎｍ〜３０ｎｍとなっている。
【００１５】
そして、ダイヤモンド砥粒を用いた機械研磨が施された後のダイヤモンド単結晶基材の表面に対して、ＳｉＯ_２スラリー（水系スラリー、平均粒径１００ｎｍ以下、固形分濃度：１０〜４０％、ＰＨ：７〜１０）を研磨液として用いて研磨パッド（Ｒｏｄｅｌ社Ｓｕｂａ８００）で湿式研磨を施した。
なお、湿式研磨時の面圧は５０〜３００ｇ／ｃｍ^２とし、研磨時間は１５〜６０ｈｒとした。ここで、湿式研磨時の面圧を５０〜３００ｇ／ｃｍ^２としたのは、面圧が５０ｇ／ｃｍ^２よりも小さくなると、湿式研磨を施した後の表面粗さを上述した好ましい範囲である１ｎｍＲｍｓ以下に設定することが困難となるおそれがあり、逆に、面圧が３００ｇ／ｃｍ^２よりも大きくなると、過負荷により加工中にダイヤモンド表面に損傷を与えるおそれがあり、また、研磨パッドの消耗が激しく、実質的に研磨加工を継続することが困難となるためである。
これにより、ダイヤモンド単結晶基材の表面が、表面粗さ０．４ｎｍＲｍｓ〜０．８ｎｍＲｍｓ程度になり、この表面に存在している凹凸のうち、２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖが、４ｎｍ以下になった。
【００１６】
以下、上述のようにして製造されたダイヤモンド単結晶基材の表面に対し、ダイヤモンド単結晶を気相から合成してエピタキシャル成長させる試験を行った。
【００１７】
＜試験１＞
機械研磨と湿式研磨とを施すことによって、表面粗さ１．５ｎｍＲｍｓの表面を有するダイヤモンド単結晶基材（湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材と称する）と、表面粗さ０．５ｎｍＲｍｓの表面を有するダイヤモンド単結晶基材（湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材と称する）とを、評価用の基材として５個ずつ用意した。比較のため、機械研磨のみを施すことによって、表面粗さ１．５ｎｍＲｍｓの表面を有するダイヤモンド単結晶基材（機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材と称する）を、評価用の基材として５個用意した。
【００１８】
ここで、図１に、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材の表面をＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で観察したときの写真を示し、図２に、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材の表面をＡＦＭで観察したときの写真を示す。
これら図１及び図２に示すように、機械研磨しただけの状態である図２に対して、機械研磨後に湿式研磨した状態である図１の方が、短い周期を有する凹凸が小さくなっていて、より平滑な面になっていることが分かる。なお、図１及び図２では、表面粗さＲｍｓの違いに基づき、図１の方が、より平坦面に近い状態となっている。
【００１９】
そして、評価用として用意されたダイヤモンド単結晶基板の表面のそれぞれに、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド単結晶を気相（ガス）から合成してエピタキシャル成長させていった。
合成条件は、ガス混合比ＣＨ_４：Ｈ_２＝０．２％、ガス圧力２５Ｔｏｒｒ、総ガス流量４００ＣＣＭ、マイクロ波出力７５０Ｗ、基材温度８００゜Ｃ、合成時間６ｈｒとした。この条件で得られたダイヤモンド単結晶の膜厚は、いずれの基材でも約２μｍであった。
【００２０】
エピタキシャル成長させられたダイヤモンド単結晶の膜表面を光学顕微鏡で観察したところ、検出された異常成長が、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材では平均１８個／ｍｍ^２となっていたのに対し、湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材では平均４個／ｍｍ^２、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材では平均２個／ｍｍ^２となっていた。
この結果から、本発明の一例である湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材及び湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材の方が、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材よりも、異常成長の少ない高品質なダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることができていたのが分かる。
とくに、湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材のうちでも、表面粗さＲｍｓの小さい湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓの方が、より異常成長の少ない高品質のダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることができていたのが分かる。
【００２１】
＜試験２＞
試験１で用いたのと同じダイヤモンド単結晶基材（湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材）を評価用の基材として用意した。
そして、評価用として用意されたダイヤモンド単結晶基板の表面のそれぞれに、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド単結晶を気相（ガス）から合成してエピタキシャル成長させていった。
合成条件は、ガス混合比ＣＨ_４：Ｈ_２＝０．１５％、ガス圧力２５Ｔｏｒｒ、総ガス流量４００ＣＣＭ、マイクロ波出力７５０Ｗ、基材温度８００゜Ｃ、合成時間６０ｈｒとした。この条件で得られたダイヤモンド単結晶の膜厚は、いずれの基材でも約１５μｍであった。
【００２２】
エピタキシャル成長させられたダイヤモンド単結晶の膜のＸ線ロッキングカーブ測定を行い、その半値幅を比較したところ、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材の半値幅を１としたときに、湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材では０．９２となり、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材では０．８５となっていた。
この結果から、本発明の一例である湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材及び湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材の方が、機械研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材よりも、欠陥の少ない高品質なダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることができていたのが分かる。
とくに、湿式研磨１．５ｎｍＲｍｓ基材、湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓ基材のうちでも、表面粗さＲｍｓの小さい湿式研磨０．５ｎｍＲｍｓの方が、より欠陥の少ない高品質のダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させることができていたのが分かる。
【００２３】
なお、本発明は、とくにダイヤモンド単結晶を気相から合成してエピタキシャル成長させていくときに用いられるダイヤモンド単結晶基材として説明されているが、これに限定されることはなく、例えば、高透過率が要求され、かつ、入射光の表面散乱等を極力防ぐ必要のある、窓材等の光学部品などに用いることも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、ダイヤモンド単結晶基材の表面に存在している２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖが４ｎｍ以下に設定されていることから、例えばその表面にダイヤモンド単結晶をエピタキシャル成長させていくときの阻害要因を減らすことができ、欠陥や異常成長が生じるのを抑制して、高品質のダイヤモンド単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械研磨を施した後に湿式研磨を施した状態のダイヤモンド単結晶基材の表面をＡＦＭで観察したときの写真である。
【図２】機械研磨を施したのみの状態のダイヤモンド単結晶基材の表面をＡＦＭで観察したときの写真である。

Claims

表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖが４ｎｍ以下に設定されていることを特徴とするダイヤモンド単結晶基材。
前記表面に、ダイヤモンド単結晶が気相から合成されてエピタキシャル成長させられていくことを特徴とするダイヤモンド単結晶基材。
請求項１または請求項２に記載のダイヤモンド単結晶基材の製造方法であって、
ダイヤモンド単結晶基材の表面に対し、ＳｉＯ_２スラリーを研磨液として用いた湿式研磨を施すことにより、
前記表面に存在している少なくとも２００ｎｍ以下の周期を有する凹凸のＰ−Ｖを４ｎｍ以下に設定することを特徴とするダイヤモンド単結晶基材の製造方法。