JP2006248883A - 積層基板、積層基板の製造方法及びデバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜が各界面で剥離しにくく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板を提供する。
【解決手段】少なくとも、単結晶MgO基板と、該MgO基板上にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム(Ir)膜と、該Ir膜上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記Ir膜の結晶性が、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°または2θ=47.3°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.40°以下のものであることを特徴とする積層基板。
【選択図】図１
【解決手段】少なくとも、単結晶MgO基板と、該MgO基板上にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム(Ir)膜と、該Ir膜上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記Ir膜の結晶性が、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°または2θ=47.3°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.40°以下のものであることを特徴とする積層基板。
【選択図】図１
Description
本発明は、デバイス等の作製に用いられる積層基板、特に、ダイヤモンド膜を有する積層基板に関する。
ダイヤモンドは、5.47eVのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も10MV/cmと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電力デバイスとして有利である。
一方、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Johnson性能指数を比較しても、半導体の中で最も高速電力デバイスとして有利である。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
そのため、基板にダイヤモンド膜等を積層した積層基板が注目されている。
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、高圧法で合成されたIb型と呼ばれるダイヤモンドがほとんどである。このIb型ダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、かつ５mm角程度のサイズ迄しか得られず、実用性は低い。
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、高圧法で合成されたIb型と呼ばれるダイヤモンドがほとんどである。このIb型ダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、かつ５mm角程度のサイズ迄しか得られず、実用性は低い。
それに対して、気相合成(Chemical Vapor Deposition:CVD)法では、多結晶ダイヤモンドならば、高純度に６インチ（１５０ｍｍ）径程度の大面積なダイヤモンド膜が得られるという利点がある。しかしながら、気相合成法では、従来、通常の電子デバイスに適する単結晶化が困難であった。これは、基板として従来単結晶Siが用いられていたことに起因する。すなわち、Siとダイヤモンドとでは格子定数の違いが大きく（ミスマッチ度52.6%）、シリコン基板上にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることが非常に困難だからである。
このため、種々の検討が進み、PtやIrを下地膜としてその上にダイヤモンド膜を気相合成法により製膜することが有効であるとの報告がある（例えば、非特許文献１，２参照）。
現状では、特にIrに関する研究が最も進んでいる。これは、先ず単結晶MgOを基板としてその上にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させ、次に、DCプラズマ法で水素希釈メタンガスによるイオン照射によりIr膜表面を前処理し、そのIr膜上にダイヤモンド膜の成長を行うものである。これにより、当初のサブミクロンサイズから現在では数ミリサイズのダイヤモンドが得られている。
現状では、特にIrに関する研究が最も進んでいる。これは、先ず単結晶MgOを基板としてその上にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させ、次に、DCプラズマ法で水素希釈メタンガスによるイオン照射によりIr膜表面を前処理し、そのIr膜上にダイヤモンド膜の成長を行うものである。これにより、当初のサブミクロンサイズから現在では数ミリサイズのダイヤモンドが得られている。
しかしながら、MgO基板とIr膜、更にはダイヤモンド膜の線膨脹係数がそれぞれ、13.8×10-6K-1、7.1×10-6K-1、1.1×10-6K-1であり、その差が大きいことから、Irやダイヤモンドの成長条件によって生じるIrやダイヤモンドの膜特性の差により、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面で剥離を生じてしまっていた。現状では、１０mm角サイズや２５mm径サイズの大面積でのダイヤモンド膜の製膜が検討されているが、１０mm角サイズでさえも連続膜となることはなく、数mm程度の膜が不連続に弱く付着しているか、場合によっては数mm程度の破片でバラバラに剥離してしまう問題があった。
Y.Shintani,J.Mater.Res.11,2955(1996)
K.Ohtsuka,Jpn.J.Appl.Phys.35,L1072(1996)
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜が各界面で剥離しにくく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、単結晶MgO基板と、該MgO基板上にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム(Ir)膜と、該Ir膜上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記Ir膜の結晶性が、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°または2θ=47.3°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.40°以下のものであることを特徴とする積層基板を提供する（請求項１）。
このように、本発明が提供する積層基板のIr膜は、結晶性が良好で、完全な単結晶Irに近い線膨張係数、格子定数など所望の物性値を有する。このため、本発明の積層基板は、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面での剥離が起こりにくい。したがって、本発明の積層基板は、例えば１０mm角以上の大面積のダイヤモンド膜を連続膜として有することができる。
そして、本発明の積層基板では、前記Ir膜の応力が、圧縮1×10２〜１×104MPaであるのが好ましい（請求項２）。
Ir膜の応力としては、Ir膜上にダイヤモンド膜を製膜した場合の反り低減のためにも引張応力が望ましいが、MgOとIrとの間の線膨脹係数差から応力は圧縮極性になることは避けられない。本発明の積層基板としては、Ir膜の応力値が、圧縮1×10２〜１×104MPaであるものであれば、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面での剥離をより確実に防ぐことができる。
また、本発明の積層基板では、前記Ir膜の厚みが、1.5μm以下であるのが好ましい（請求項３）。
Ir膜の厚みが1.5μmを超えると突起形状の欠陥が発生することがあり、この欠陥が発生したIr膜上にダイヤモンド膜を成長させた場合、そのダイヤモンド膜にも突起状の欠陥が発生してしまう恐れがある。そこで、上記のようにIr膜の厚みを、1.5μm以下とすることで、Ir膜に発生する欠陥をより確実に防ぐことができ、結果として、より高品質の単結晶ダイヤモンド膜を高い歩留りで得ることができる。
また、本発明は、前記積層基板を用いて作製したデバイスを提供する（請求項４）。
上記のように本発明では、高品質のダイヤモンド膜を有する積層基板を提供することができるので、このような積層基板を用いることで、高品質のデバイスを高歩留りで作製することができる。
また、本発明は、少なくとも、MgO基板上にイリジウム(Ir)膜をヘテロエピタキシャル成長させる工程と、該Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程を有する積層基板の製造方法において、前記Ir膜のヘテロエピタキシャル成長を、R.F.マグネトロンスパッター法により、ターゲットにIr、基板温度600〜1000℃、ガス圧3×10-2〜１×10-1Torr(約3.9〜1.3×10Pa)の条件で行うことを特徴とする積層基板の製造方法を提供する（請求項５）。
本発明によれば、Ir膜成長時に、上記範囲に基板温度、ガス圧を制御することで、結晶性が良好で、完全な単結晶Irに近い線膨張係数、格子定数など所望の物性値を有するIr膜をMgO基板上に成長させることができる。そして、この成長させたIr膜は、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面での剥離をより確実に防ぐことのできる適度な膜応力を有する。このため、このIr膜上に気相合成したダイヤモンド膜は、例えば１０mm角以上の大面積でも単結晶の連続膜にできる。
そして、本発明の積層基板の製造方法では、前記ヘテロエピタキシャル成長させるIr膜の厚みを、1.5μm以下とするのが好ましい（請求項６）。
このようにIr膜の厚みを、1.5μm以下とすることで、Ir膜に欠陥が発生するのを十分に防ぐことができ、結果として、高品質のダイヤモンド膜を得ることができる。
また、本発明の積層基板の製造方法では、前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波CVD法により、基板温度800〜1000℃の条件で行うのが好ましい（請求項７）。
これにより、剥離がほとんどなく、大面積の単結晶ダイヤモンドの連続膜をより確実に得ることができる。
また、本発明の積層基板の製造方法では、前記Ir膜のヘテロエピタキシャル成長工程後、ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記Ir膜の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理するのが好ましい（請求項８）。
このようにIr膜の表面を前処理することで、Ir膜の表面上にナノサイズのダイヤモンド微粒子が形成されると考えられる。そのため、その後のIr膜上でのダイヤモンド膜の合成が容易となる。
以上説明したように、本発明によれば、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面での剥離がほとんどなく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
前述のように、従来の積層基板は、Ir膜とダイヤモンド膜の膜特性の差などにより、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面で剥離を生じやすく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として得ることができないという問題があった。
そこで、本発明者は、このような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者は、積層基板の中間層となるIr膜の結晶性が良好であれば、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面で剥離が生じ難くなり、Ir膜上に大面積であっても高品質のダイヤモンド膜を得ることができることを見出し、そのように結晶性が良好なIr膜を成長させるための条件を精査することで本発明を完成させた。
前述のように、従来の積層基板は、Ir膜とダイヤモンド膜の膜特性の差などにより、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面で剥離を生じやすく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として得ることができないという問題があった。
そこで、本発明者は、このような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者は、積層基板の中間層となるIr膜の結晶性が良好であれば、MgO基板とIr膜、Ir膜とダイヤモンド膜の各界面で剥離が生じ難くなり、Ir膜上に大面積であっても高品質のダイヤモンド膜を得ることができることを見出し、そのように結晶性が良好なIr膜を成長させるための条件を精査することで本発明を完成させた。
ここで、図１に本発明の積層基板の一例を示す。この積層基板１は、単結晶MgO基板２と、MgO基板２上にヘテロエピタキシャル成長させたIr膜３と、Ir膜３上に気相合成させたダイヤモンド膜４を有する。
本発明では、Ir膜３の結晶性が、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°または2θ=47.3°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.40°以下のものである。すなわち、本発明の積層基板１では、Ir膜３は、結晶性が良好で、完全な単結晶Irに近い線膨張係数、格子定数など所望の物性値を有する。このため、本発明の積層基板１は、MgO基板２とIr膜３、Ir膜３とダイヤモンド膜４が各界面で剥離しにくい。したがって、例えば１０mm角以上の大面積のダイヤモンド膜を連続膜として有することができる。
また、Ir膜３の応力としては、Ir膜３上にダイヤモンド膜４を製膜した場合の反り低減のためにも引張応力が望ましいが、MgOとIrとの間の線膨脹係数差から応力は圧縮極性になることは避けられない。本発明の積層基板１としては、Ir膜３の応力値が、圧縮1×10２〜１×104(MPa)であるものであれば、MgO基板２とIr膜３、Ir膜３とダイヤモンド膜４の各界面での剥離をより確実に防ぐことができる。
次に、図２に、このような本発明の積層基板を製造する方法の一例をフロー図として示す。
図２に示すように、本発明の積層基板は、MgO基板上にイリジウム(Ir)膜をヘテロエピタキシャル成長させる工程（Ａ）と、該Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程（Ｃ）を経て製造することができる。そして、任意の工程として、Ir膜のヘテロエピタキシャル成長工程（Ａ）後、ダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）前に、Ir膜の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理する工程（Ｂ）を行うこともできる。
図２に示すように、本発明の積層基板は、MgO基板上にイリジウム(Ir)膜をヘテロエピタキシャル成長させる工程（Ａ）と、該Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程（Ｃ）を経て製造することができる。そして、任意の工程として、Ir膜のヘテロエピタキシャル成長工程（Ａ）後、ダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）前に、Ir膜の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理する工程（Ｂ）を行うこともできる。
先ず、Ir膜のヘテロエピタキシャル成長工程（Ａ）について説明する。
Ir膜は、例えば図３に示すようなスパッター装置１０を用いて、R.F.マグネトロンスパッター法によってMgO基板１１上にヘテロエピタキシャル成長させることができる。
その概略を説明すると、MgO基板１１を、Irから成るターゲット電極材料１２と対向して配置し、そのターゲット電極材料１２をプラズマでスパッタリングして、MgO基板１１表面にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させるのである。
Ir膜は、例えば図３に示すようなスパッター装置１０を用いて、R.F.マグネトロンスパッター法によってMgO基板１１上にヘテロエピタキシャル成長させることができる。
その概略を説明すると、MgO基板１１を、Irから成るターゲット電極材料１２と対向して配置し、そのターゲット電極材料１２をプラズマでスパッタリングして、MgO基板１１表面にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させるのである。
その詳細を説明する。先ず、スパッター装置１０にIrからなるターゲット電極材料１２を取り付け、単結晶MgO基板１１を抵抗加熱ヒーター１３上にセットした後、ガス排出管１５から真空ポンプで排気してチャンバー１４内を１０−７Torr（約1.3×10-5Pa）まで減圧する。次に、ヒーター１３で基板１１の温度が６００〜１０００℃に成るように加熱する。温度が当該範囲内でなければIr膜のエピタキシャル成長が困難である。そして、引き続き真空排気を行い、チャンバー内が再び１０−７Torrになるまで減圧する。次に、ガス（例えばアルゴン：Ar）を導入管１６から導入して、電極に１３．５６ＭＨｚの電圧を印加して放電を行い、プラズマ１７を発生させてIr膜をMgO基板上にエピタキシャル成長させる。チャンバー１４内のガス圧は3×10-2〜１×10-1Torrの範囲とし、この圧力範囲にしないと成長させるIr膜の引張応力が強すぎて剥離したり、所望の結晶性に仕上がらない。
また、この時製膜するIr膜３の厚みが、1.5μm以下であるのが望ましい。
Ir膜の厚みが1.5μmを超えると突起形状の欠陥が発生することがあり、この欠陥が発生したIr膜上にダイヤモンド膜を成長させた場合、そのダイヤモンド膜にも突起形状の欠陥が発生してしまう恐れがある。そこで、上記のようにIr膜の厚みを、1.5μm以下とすることで、Ir膜に欠陥が発生するのを十分に防ぐことができ、結果として、高品質のダイヤモンドを得ることができる。また、Ir膜の厚さがこのように薄いと応力に対しても柔軟性を有することから、剥離が生じにくいので好ましい。
Ir膜の厚みが1.5μmを超えると突起形状の欠陥が発生することがあり、この欠陥が発生したIr膜上にダイヤモンド膜を成長させた場合、そのダイヤモンド膜にも突起形状の欠陥が発生してしまう恐れがある。そこで、上記のようにIr膜の厚みを、1.5μm以下とすることで、Ir膜に欠陥が発生するのを十分に防ぐことができ、結果として、高品質のダイヤモンドを得ることができる。また、Ir膜の厚さがこのように薄いと応力に対しても柔軟性を有することから、剥離が生じにくいので好ましい。
次に、任意の工程である、ＤＣプラズマ法による前処理工程（Ｂ）について説明する。
その概略を説明すると、図４に示すようなDCプラズマ装置２０を用いて、エピタキシャル成長させたIr膜の表面を、イオン照射する。
その詳細を説明する。先ず、単結晶MgO基板上にIrをヘテロエピタキシャル成長させた基板２１を負電圧印加側の電極２２上にセットした後、チャンバー２３内をガス排出管２４から真空ポンプで排気して１０−７Torrまで減圧する。次に、ガス（例えば水素希釈メタン：H2/CH4）をガス導入管２５から導入して、電極にDC電圧を印加して放電を行い、プラズマ２６を発生させて基板２１のIr膜表面を前処理する。
この前処理によってIr膜上にナノサイズのダイヤモンド微粒子（ダイヤモンドの核）が形成されると考えられる。このため、この後のダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）において、Ir膜上でのダイヤモンド膜の合成が容易となる。
その概略を説明すると、図４に示すようなDCプラズマ装置２０を用いて、エピタキシャル成長させたIr膜の表面を、イオン照射する。
その詳細を説明する。先ず、単結晶MgO基板上にIrをヘテロエピタキシャル成長させた基板２１を負電圧印加側の電極２２上にセットした後、チャンバー２３内をガス排出管２４から真空ポンプで排気して１０−７Torrまで減圧する。次に、ガス（例えば水素希釈メタン：H2/CH4）をガス導入管２５から導入して、電極にDC電圧を印加して放電を行い、プラズマ２６を発生させて基板２１のIr膜表面を前処理する。
この前処理によってIr膜上にナノサイズのダイヤモンド微粒子（ダイヤモンドの核）が形成されると考えられる。このため、この後のダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）において、Ir膜上でのダイヤモンド膜の合成が容易となる。
そして最後に、ダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）について説明する。
概略を説明すると、図５に示すようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いて、Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成する。
その詳細を説明する。このマイクロ波ＣＶＤ装置３０は、ガス導入管３１とガス排出管３２を備えたチャンバー３３内にヒータ等の加熱体が装着された基板台３４が配置されている。そして、チャンバー３３内にプラズマを発生できるように、マイクロ波電源３５が導波管３６を介してマイクロ波導入窓３８に接続されている。
概略を説明すると、図５に示すようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いて、Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成する。
その詳細を説明する。このマイクロ波ＣＶＤ装置３０は、ガス導入管３１とガス排出管３２を備えたチャンバー３３内にヒータ等の加熱体が装着された基板台３４が配置されている。そして、チャンバー３３内にプラズマを発生できるように、マイクロ波電源３５が導波管３６を介してマイクロ波導入窓３８に接続されている。
このマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いて、ダイヤモンド膜の気相合成を行うには、Ir膜をエピタキシャル成長させたMgO基板３７を基板台３４上に載置し、その後チャンバー３３内をロータリーポンプで排気して１０−３Torr(約1.3×10-1Pa)以下に減圧する。次に、所望流量の原料ガス、例えば水素希釈メタンガスをガス導入管３１からチャンバー３３内に導入する。次に、ガス排出管３２のバルブを調節してチャンバー３３内を所望の圧力にした後、マイクロ波電源３５および導波管３６からマイクロ波を印加してチャンバー３３内にプラズマを発生させ基板３７上にダイヤモンド膜をヘテロエピタキシャル成長させる。
尚、DCプラズマ法によりダイヤモンド膜を製膜しようとすると、基板温度が1100℃から1400℃にも達し、MgOとIrとの層間の線膨脹差によりダイヤモンド膜が剥離する恐れがある。これに対して、マイクロ波ＣＶＤ法であれば、プラズマと基板温度とを比較的独立に制御できるので、ダイヤモンド膜を気相合成させてかつより剥離し難い製膜時基板温度である800〜1000℃に設定することが容易である。この時、周波数は2.45GHzと915MHzのいずれでも良い。
そして、このようなマイクロ波ＣＶＤ法であれば、１０mm角以上の大形基板サイズにも対応できる。
そして、このようなマイクロ波ＣＶＤ法であれば、１０mm角以上の大形基板サイズにも対応できる。
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
10.0mm角、厚さが0.5mmで方位（100）の両面研磨単結晶MgOを基板として用意した。
そして、このMgO基板のダイヤモンド製膜を行う面側にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させた。
Ir膜は、図３に示すようなスパッター装置１０を用いて、R.F.(13.56MHz)マグネトロンスパッター法により、MgO基板１１上に成長させた。
ここでは、直径６インチ（１５０ｍｍ）、厚み５mm、純度99.9％以上のIrをターゲット電極材料１２として用いた。そして、MgO基板１１を800℃に加熱し、ベースプレッシャーが６×10-7Torr(約7.8×10-5Pa)以下になるのを確認した後、ガス導入管１６よりArガスを10sccmで導入した。そして、ガス排出管１５に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー１４内を５×10-２Torr(約6.5Pa)とした後、R.F.電力1000Wを入力して15分間Ir膜の製膜を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.30°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は圧縮3300MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは、0.7μmであった。
（実施例１）
10.0mm角、厚さが0.5mmで方位（100）の両面研磨単結晶MgOを基板として用意した。
そして、このMgO基板のダイヤモンド製膜を行う面側にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させた。
Ir膜は、図３に示すようなスパッター装置１０を用いて、R.F.(13.56MHz)マグネトロンスパッター法により、MgO基板１１上に成長させた。
ここでは、直径６インチ（１５０ｍｍ）、厚み５mm、純度99.9％以上のIrをターゲット電極材料１２として用いた。そして、MgO基板１１を800℃に加熱し、ベースプレッシャーが６×10-7Torr(約7.8×10-5Pa)以下になるのを確認した後、ガス導入管１６よりArガスを10sccmで導入した。そして、ガス排出管１５に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー１４内を５×10-２Torr(約6.5Pa)とした後、R.F.電力1000Wを入力して15分間Ir膜の製膜を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.30°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は圧縮3300MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは、0.7μmであった。
次に、Ir膜の表面にダイヤモンドの核を形成するため、ＤＣプラズマ法による前処理を行った。
ここでは、図４に示したようなDCプラズマ装置２０を用いた。先ず、単結晶MgO基板上にIrをヘテロエピタキシャル成長させた基板２１を14mm角で平板型の負電圧印加電極２２上にセットし、ベースプレッシャーが１×10-6Torr(約1.3×10-4Pa)以下になるのを確認した後、水素希釈メタン（CH４／（CH４＋H２）＝２.０vol.%）をガス導入管２５から500sccmで導入した。次に、ガス排出管２４に通じるバルブの開口度を調節して100Torr(約1.3×104Pa)とした後、基板側電極に-500Vを印加して1min間基板２１をプラズマ２６にさらして、基板２１のIr膜表面を前処理した。このとき、電流密度が低くしかも短時間であったため、基板温度は500℃程度迄しか上がらなかった。
ここでは、図４に示したようなDCプラズマ装置２０を用いた。先ず、単結晶MgO基板上にIrをヘテロエピタキシャル成長させた基板２１を14mm角で平板型の負電圧印加電極２２上にセットし、ベースプレッシャーが１×10-6Torr(約1.3×10-4Pa)以下になるのを確認した後、水素希釈メタン（CH４／（CH４＋H２）＝２.０vol.%）をガス導入管２５から500sccmで導入した。次に、ガス排出管２４に通じるバルブの開口度を調節して100Torr(約1.3×104Pa)とした後、基板側電極に-500Vを印加して1min間基板２１をプラズマ２６にさらして、基板２１のIr膜表面を前処理した。このとき、電流密度が低くしかも短時間であったため、基板温度は500℃程度迄しか上がらなかった。
そして最後にマイクロ波（2.45GHz）CVD法によってダイヤモンド膜をIr膜上に気相合成させた。
ここでは、図５に示したようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いた。先ず、前処理した基板３７をマイクロ波CVD装置３０のチャンバー３３内にセットし、ロータリーポンプでガス排出管３２を通じて10-3Torr(約1.3×10-1Pa)以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン（CH４／（CH４＋H２）＝３.０vol.%）をガス導入管３１から1000sccmで導入した。次に、ガス排出管３２に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー３３内を110Torr(約1.4×104)にした後、電力3000Wのマイクロ波を入力して10時間、ダイヤモンド膜の気相合成を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ880℃であった。
ここでは、図５に示したようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いた。先ず、前処理した基板３７をマイクロ波CVD装置３０のチャンバー３３内にセットし、ロータリーポンプでガス排出管３２を通じて10-3Torr(約1.3×10-1Pa)以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン（CH４／（CH４＋H２）＝３.０vol.%）をガス導入管３１から1000sccmで導入した。次に、ガス排出管３２に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー３３内を110Torr(約1.4×104)にした後、電力3000Wのマイクロ波を入力して10時間、ダイヤモンド膜の気相合成を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ880℃であった。
得られたダイヤモンド膜は、１０mm角の基板全面で剥離も無く完全な連続膜であった。SEM観察の結果からダイヤモンド膜の膜厚は3.5μmであることが判った。また、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることも判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
（実施例２）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を3×10-2Torr(約3.9Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.36°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮9500MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を3×10-2Torr(約3.9Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.36°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮9500MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
（実施例３）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を1×10-1Torr(約1.3×10Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.4°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮1900MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を1×10-1Torr(約1.3×10Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.4°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮1900MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
（実施例４）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を600℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.4°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮5200MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を600℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.4°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮5200MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
（実施例５）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を1000℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.35°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮10000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を1000℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.35°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮10000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して、ダイヤモンド膜を調査した。すると、このダイヤモンド膜は、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドであることが判った。更にラマン分光分析でも評価した結果、非ダイヤモンド成分を含まない高純度ダイヤモンドであることも確認できた。
（比較例１）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を１×10-2Torr(約1.3Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.49°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮20000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して観察すると、ダイヤモンド膜は既に基板全面で数mm程度のサイズにバラバラの状態に亀裂が入っており、MgO基板とIr膜との界面で剥離していた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を１×10-2Torr(約1.3Pa)とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.49°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮20000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出して観察すると、ダイヤモンド膜は既に基板全面で数mm程度のサイズにバラバラの状態に亀裂が入っており、MgO基板とIr膜との界面で剥離していた。
（比較例２）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を2×10-１Torr（約2.6×10Pa）とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.5°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮2000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様の条件で前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し観察すると、ダイヤモンド膜に突起状の欠陥が発生していた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際にArガス圧を2×10-１Torr（約2.6×10Pa）とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.5°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮2000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様の条件で前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し観察すると、ダイヤモンド膜に突起状の欠陥が発生していた。
（比較例３）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を1100℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.3°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮20000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し観察すると、ダイヤモンド膜は既に基板全面で数mm程度のサイズにバラバラの状態に亀裂が入っており、MgO基板とIr膜との界面で剥離していた。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に、基板温度を1100℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.3°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮20000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し観察すると、ダイヤモンド膜は既に基板全面で数mm程度のサイズにバラバラの状態に亀裂が入っており、MgO基板とIr膜との界面で剥離していた。
（比較例４）
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に基板温度を400℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.6°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮7000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し、得られたダイヤモンド膜を、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって調べた結果、多結晶ダイヤモンドであることがわかった。
Ir膜をR.F.マグネトロンスパッター法によりMgO基板上に成長させる際に基板温度を400℃とする他は、実施例１と同様の条件で、Ir膜の成長を行った。
得られたIr膜の結晶性は、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.6°のものであった。また、製膜前後での基板の反りの変化量から求めたIr膜の応力は、圧縮7000MPaであった。さらに、断面SEM観察の結果、Ir膜の厚さは0.7μmであった。
その後、実施例１と同様に前処理およびダイヤモンド膜の気相合成を行った。
そして、ダイヤモンド膜の気相合成後、基板をチャンバー内から取り出し、得られたダイヤモンド膜を、SEM観察、X線回折（θ-2θ、極点図）によって調べた結果、多結晶ダイヤモンドであることがわかった。
以下の表１に、実施例１〜５、比較例１〜４の製膜条件、及び結果をまとめた。
表１から、Ir膜を成長させる時に、基板温度を600〜1000℃、Arガス圧を3×10-2〜１×10-1Torrの条件とすることで、結晶性が良好で、膜応力が適度なIr膜を成長させることができることが判る。そして、このようなIr膜上に、ダイヤモンド膜を気相合成することで、１０ｍｍ角の大面積であっても高品質の単結晶ダイヤモンド膜を得ることができることが判る。
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
１…積層基板、 ２…MgO基板、 ３…Ir膜、 ４…ダイヤモンド膜、
１０…スパッター装置、 １１…基板、 １２…ターゲット電極材料、
１３…ヒーター、 １４…チャンバー、 １５…ガス排出管、１６…ガス導入管、
１７…プラズマ、
２０…DCプラズマ装置、 ２１…基板、 ２２…負電圧印加電極、
２３…チャンバー、 ２４…ガス排出管、 ２５…ガス導入管、 ２６…プラズマ、
３０…マイクロ波CVD装置、 ３１…ガス導入管、 ３２…ガス排出管、
３３…チャンバー、 ３４…基板台、 ３５…マイクロ波電源、 ３６…導波管、
３７…基板。
１０…スパッター装置、 １１…基板、 １２…ターゲット電極材料、
１３…ヒーター、 １４…チャンバー、 １５…ガス排出管、１６…ガス導入管、
１７…プラズマ、
２０…DCプラズマ装置、 ２１…基板、 ２２…負電圧印加電極、
２３…チャンバー、 ２４…ガス排出管、 ２５…ガス導入管、 ２６…プラズマ、
３０…マイクロ波CVD装置、 ３１…ガス導入管、 ３２…ガス排出管、
３３…チャンバー、 ３４…基板台、 ３５…マイクロ波電源、 ３６…導波管、
３７…基板。
Claims (8)
- 少なくとも、単結晶MgO基板と、該MgO基板上にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム(Ir)膜と、該Ir膜上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記Ir膜の結晶性が、波長λ＝1.54ÅのX線回折法で分析したIr(200)帰属の2θ=46.5°または2θ=47.3°における回折強度ピークの半値幅(FWHM)が0.40°以下のものであることを特徴とする積層基板。
- 前記Ir膜の応力が、圧縮1×10２〜１×104MPaであることを特徴とする請求項１に記載の積層基板。
- 前記Ir膜の厚みが、1.5μm以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の積層基板。
- 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の積層基板を用いて作製したデバイス。
- 少なくとも、MgO基板上にイリジウム(Ir)膜をヘテロエピタキシャル成長させる工程と、該Ir膜上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程を有する積層基板の製造方法において、前記Ir膜のヘテロエピタキシャル成長を、R.F.マグネトロンスパッター法により、ターゲットにIr、基板温度600〜1000℃、ガス圧3×10-2〜１×10-1Torrの条件で行うことを特徴とする積層基板の製造方法。
- 前記ヘテロエピタキシャル成長させるIr膜の厚みを、1.5μm以下とすることを特徴とする請求項５に記載の積層基板の製造方法。
- 前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波CVD法により、基板温度800〜1000℃の条件で行うことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の積層基板の製造方法。
- 前記Ir膜のヘテロエピタキシャル成長工程後、ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記Ir膜の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理することを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の積層基板の製造方法。
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