JP2014034473A - ダイヤモンドの製造方法及び直流プラズマｃｖｄ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ダイヤモンドの安定した成長速度を維持し、かつ高品質なダイヤモンドが得られるダイヤモンドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板Ｓを保持したステージ電極１２と電圧印加電極１３との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板Ｓ上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極１２と電圧印加電極１３との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加する。
【選択図】図１
【解決手段】基板Ｓを保持したステージ電極１２と電圧印加電極１３との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板Ｓ上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極１２と電圧印加電極１３との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加する。
【選択図】図１
Description
本発明は、ダイヤモンドの製造方法及びダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置に関するものである。
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、高出力電子デバイスとして有利である。
また、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子デバイスとして有利である。Ｊｏｈｎｓｏｎ性能指数とは、デバイス中の電力移動の速度を示すもので高いほど移動速度が速い。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。
それに対して、化学気相合成（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シリコンが用いられていたことに起因する。すなわち、シリコン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が、これは、先ず単結晶ＭｇＯを基板とし、その上にＩｒ膜をへテロエピタキシャル成長させ、次に、直流プラズマＣＶＤ法で水素希釈メタンガスによるバイアス処理によりＩｒ膜表面を前処理し、そのＩｒ膜上にダイヤモンド膜の製膜を行うものである。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。ダイヤモンド部分の厚みとしては数μｍ〜１００μｍ程度である。例えば、非特許文献３では、１００μｍ厚程のダイヤモンドを得るのに８時間の製膜を行っている。
しかしながら、従来の直流プラズマＣＶＤ装置で数時間以上のダイヤモンドの製膜を行うと、製膜したダイヤモンドが絶縁物のため、基板表面がチャージアップしてしまった。また、他方の電極表面にも異物が生成してしまい、これもチャージアップの原因となる。これらのチャージアップによって、ダイヤモンドの成長速度が減少したり、スパークも発生し易くなって、ダイヤモンドの欠陥や割れの原因にもなっていた。
なお、本発明に関連する先行技術として、下記特許文献１，２がある。
なお、本発明に関連する先行技術として、下記特許文献１，２がある。
Ｙ．Ｓｈｉｎｔａｎｉ，ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．１１，２９５５ （１９９６）
Ｋ．Ｏｈｔｓｕｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５，Ｌ１０７２ （１９９６）
前田真太郎ら、第１８回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集、ｐｐ．１０−１１ （２００４）
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、ダイヤモンドの安定した成長速度を維持し、かつ高品質なダイヤモンドが得られるダイヤモンドの製造方法、及びダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するため、下記のダイヤモンドの製造方法及びダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置を提供する。
〔１〕 基板を保持したステージ電極と電圧印加電極との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加することを特徴とするダイヤモンドの製造方法。
〔２〕 前記ダイヤモンド成長用直流電圧の印加時には、前記ステージ電極をアノードとし、前記電圧印加電極をカソードとすることを特徴とする〔１〕に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔３〕 前記ステージ電極と電圧印加電極の間のチャージアップ電圧がダイヤモンド成長用直流電圧の１／３以上となった時に、前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔４〕 １００μｓに１回以下の一定周期で前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載のダイヤモンドの製造方法。
〔５〕 前記逆極性の単パルス電圧の大きさが前記ダイヤモンド成長用直流電圧値の１／３０倍以上１倍以下であることを特徴とする〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔６〕 真空槽と、真空槽内に組合せて配置される、基板を保持するステージ電極及び電圧印加電極と、ステージ電極と電圧印加電極との間に直流電圧を印加する直流電源と、直流電源の出力電圧にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳器と、真空槽内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、ステージ電極と電圧印加電極との間にダイヤモンド成長用直流電圧を印加して基板上にダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を印加する電圧制御を所定のタイミングで行うことを特徴とするダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置。
〔１〕 基板を保持したステージ電極と電圧印加電極との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加することを特徴とするダイヤモンドの製造方法。
〔２〕 前記ダイヤモンド成長用直流電圧の印加時には、前記ステージ電極をアノードとし、前記電圧印加電極をカソードとすることを特徴とする〔１〕に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔３〕 前記ステージ電極と電圧印加電極の間のチャージアップ電圧がダイヤモンド成長用直流電圧の１／３以上となった時に、前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする〔１〕又は〔２〕に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔４〕 １００μｓに１回以下の一定周期で前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載のダイヤモンドの製造方法。
〔５〕 前記逆極性の単パルス電圧の大きさが前記ダイヤモンド成長用直流電圧値の１／３０倍以上１倍以下であることを特徴とする〔１〕〜〔４〕のいずれか１項に記載のダイヤモンドの製造方法。
〔６〕 真空槽と、真空槽内に組合せて配置される、基板を保持するステージ電極及び電圧印加電極と、ステージ電極と電圧印加電極との間に直流電圧を印加する直流電源と、直流電源の出力電圧にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳器と、真空槽内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、ステージ電極と電圧印加電極との間にダイヤモンド成長用直流電圧を印加して基板上にダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を印加する電圧制御を所定のタイミングで行うことを特徴とするダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置。
本発明によれば、ステージ電極と電圧印加電極の間にダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加して基板上におけるチャージアップを抑制するので、電極間のチャージアップによるダイヤモンドの成長速度の低下が抑えられ、かつチャージアップ起因のスパークによるダイヤモンドにおける欠陥もなくなり、ダイヤモンドを高速で製造できるとともに、高品質のダイヤモンド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。
まず、本発明で利用する直流プラズマＣＶＤ法とは、プラズマを援用する形式の化学気相合成（ＣＶＤ）法であって、２つの電極間に直流（ＤＣ）電圧を印加して原料ガスをプラズマ状態にして基板上に堆積させる方法である。この直流プラズマＣＶＤ法は、装置構成が簡単であり、大面積に高速で成長が可能であるという特徴を有している。
しかしながら、前述のように、従来の直流プラズマＣＶＤ装置でダイヤモンドを成長させる場合には、ダイヤモンドが導体ではないため、ダイヤモンドの厚みが増すと次第に基板上におけるチャージアップ量も増加し、ダイヤモンドの成長速度が低下してしまう。また、ＣＶＤ法を行うと他方の電圧印加電極の表面にも次第に表面に絶縁性の堆積物が形成され、結果としてチャージアップして成長速度を低下させることになる。更に、基板表面や電極表面でのチャージアップは、時にはスパークを引き起こすため、ダイヤモンド膜に欠陥が混入する原因にもなる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。
まず、本発明で利用する直流プラズマＣＶＤ法とは、プラズマを援用する形式の化学気相合成（ＣＶＤ）法であって、２つの電極間に直流（ＤＣ）電圧を印加して原料ガスをプラズマ状態にして基板上に堆積させる方法である。この直流プラズマＣＶＤ法は、装置構成が簡単であり、大面積に高速で成長が可能であるという特徴を有している。
しかしながら、前述のように、従来の直流プラズマＣＶＤ装置でダイヤモンドを成長させる場合には、ダイヤモンドが導体ではないため、ダイヤモンドの厚みが増すと次第に基板上におけるチャージアップ量も増加し、ダイヤモンドの成長速度が低下してしまう。また、ＣＶＤ法を行うと他方の電圧印加電極の表面にも次第に表面に絶縁性の堆積物が形成され、結果としてチャージアップして成長速度を低下させることになる。更に、基板表面や電極表面でのチャージアップは、時にはスパークを引き起こすため、ダイヤモンド膜に欠陥が混入する原因にもなる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、チャージアップにより成長速度低下やスパークが発生する前に、チャージアップを打ち消すために所定のタイミングで、ステージ電極と電圧印加電極の間に逆極性の単パルス電圧を印加することで、ダイヤモンドの成長速度を低下させることなく、かつスパーク発生も抑えて欠陥が混入しないようにすることができ、その結果、高速に高品質なダイヤモンドが得られることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明に係るダイヤモンドの製造方法は、基板を保持したステージ電極と電圧印加電極との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加することを特徴とするものである。
本発明では、例えば図１に示す直流プラズマＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを製造する。
本発明では、例えば図１に示す直流プラズマＣＶＤ装置を用いてダイヤモンドを製造する。
図１は、本発明に係るダイヤモンドの製造方法に用いられる直流プラズマＣＶＤ装置の構成を示す断面図である。
図１に示すように、直流プラズマＣＶＤ装置１０は、真空槽であるチャンバー１１と、チャンバー１１内で組合せて配置される、基板Ｓを保持するステージ電極１２及び電圧印加電極１３と、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に直流電圧を印加する直流電源１４と、直流電源１４の出力電圧にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳器１５と、原料ガス供給手段１６と、装置全体を制御する制御部１８とを備える。
図１に示すように、直流プラズマＣＶＤ装置１０は、真空槽であるチャンバー１１と、チャンバー１１内で組合せて配置される、基板Ｓを保持するステージ電極１２及び電圧印加電極１３と、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に直流電圧を印加する直流電源１４と、直流電源１４の出力電圧にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳器１５と、原料ガス供給手段１６と、装置全体を制御する制御部１８とを備える。
ここで、チャンバー１１は、ステンレススチールなどからなる密閉可能な真空容器であり、インシュレータを介してステージ電極１２及び電圧印加電極１３が内部に挿入されている。また、チャンバー１１内部は、真空ポンプなどの真空排気装置（不図示）により真空排気される。
ステージ電極１２は、チャンバー１１内の底部に配置され、基板Ｓを保持するものである。
電圧印加電極１３は、チャンバー１１内のステージ電極１２に対向してその上方に配置されている。
なお、ステージ電極１２及び電圧印加電極１３は、プラズマ放電中の高熱に耐えるように、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗなどの高融点金属からなる。
直流電源１４は、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に、ダイヤモンド成長のための直流電圧を供給するものである。このとき、ステージ電極１２側を接地電位（アース）とし、ステージ電極１２をアノード、電圧印加電極１３をカソードとするとよい。
パルス電圧重畳器１５は、直流電源１４から出力される負の直流電圧に単発でごく短時間の正電圧パルスを重畳するものであり、これによりステージ電極１２と電圧印加電極１３の間にダイヤモンド成長用直流電圧に対して逆極性の単パルス電圧が印加される。
原料ガス供給手段１６は、ダイヤモンド成長のために必要な原料ガスをチャンバー１１内に供給するものであり、例えば少なくとも炭素含有ガスと水素ガスの混合ガス（好適にはメタンガスと水素ガスの混合ガス）を供給する。なお、ダイヤモンド成長時には、チャンバー１１に設置された圧力センサ（不図示）により検知されるチャンバー１１内の圧力の値に基づき、開閉バルブ（不図示）で排気ガスの流量が調整されて、所望の圧力に制御される。
制御部１８は、直流プラズマＣＶＤ装置１０の各部の動作を総合的に制御するものであり、例えば真空排気装置によるチャンバー１１内の真空排気制御、直流電源１４及びパルス電圧重畳器１５による電力供給制御、原料ガス供給手段１６による原料ガス供給制御を行う。
本発明に係るダイヤモンドの製造方法は、以上の構成のダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いてダイヤモンドを製造するものであり、具体的には次のような手順でダイヤモンドの成長を行う。
（手順１） ステージ電極１２上に基板Ｓを設置する。ここで使用する基板Ｓは、プラズマＣＶＤ法により単結晶のダイヤモンドを成長させることができるものであればよく、例えば単結晶ＭｇＯ基材に単結晶Ｉｒをヘテロエピタキシャル成長させたもの、ＨＰＨＴ（高温高圧）単結晶ダイヤモンド基材、単結晶ＳｉＣ基材に単結晶Ｉｒ膜又はＲｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させたものなどが挙げられる。なお、基板Ｓは必要に応じてバイアス処理を施すとよい。このバイアス処理は、例えば特開２００７−２３８３７７号公報に記載の方法でよく、具体的には予め基板Ｓ側電極をカソードとした直流放電で基板Ｓ表面にダイヤモンド成長核を形成する前処理である。
（手順２） 真空排気装置によりチャンバー１１内を例えば１×１０-3Ｔｏｒｒ以下に真空排気する。
（手順３） 次に、原料ガス供給手段１６から少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガス、例えば水素ガスで希釈したメタンガスをチャンバー１１内に導入して、所定の圧力に調整する。
（手順３） 次に、原料ガス供給手段１６から少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガス、例えば水素ガスで希釈したメタンガスをチャンバー１１内に導入して、所定の圧力に調整する。
（手順４） 次に、直流電源１４から直流電圧をステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に印加して、チャンバー１１内にプラズマを発生させ、基板Ｓ上にダイヤモンドを成長させる。このとき、ステージ電極１２を接地電位（アース）かつアノードとし、電圧印加電極１３にステージ電極１２に対して負極性電位とする電圧を印加して該電圧印加電極１３をカソードとする。また、ステージ電極１２−電圧印加電極１３の間に印加する直流電圧（ダイヤモンド成長用直流電圧（以下、成長用直流電圧ともいう））は、例えば−１０００Ｖ〜−４００Ｖ程度であり、これにより原料ガスを分解するプラズマが発生する。
（手順５） 手順４のダイヤモンド成長中に、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に前記成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加する。すなわち、連続して成長用直流電圧を印加している最中に、パルス電圧重畳器１５が直流電源１４の出力電圧にパルス電圧を重畳することにより、前記成長用直流電圧とは逆極性であって所定の直流電圧の単パルス電圧をステージ電極１２−電圧印加電極１３間に短時間印加することを所定のタイミングで行う。これにより、ダイヤモンド成長中に溜まったステージ電極１２と電圧印加電極１３の間のチャージアップが解消される。
ここで、成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を印加するとは、連続して成長用直流電圧を印加している最中に、ステージ電極１２がカソード、電圧印加電極１３がアノード（かつアース）となるような直流電圧のパルス（逆電圧パルス）を単発的に印加するものである。このとき、ダイヤモンドの膜質を低下させない程度の条件で行う。
すなわち、このような逆電圧パルスの印加のタイミングは、ダイヤモンド成長のための放電維持に必要な電流と電圧との関係で制御しているときに、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間のチャージアップ電圧がダイヤモンド成長用直流電圧Ｖの１／３以上（≧Ｖ／３）となった時であることが好ましい。これにより、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間のチャージアップが効果的に解消される。ダイヤモンド成長用直流電圧Ｖの１／３未満ではチャージアップに対する改善効果が少なく、むしろダイヤモンドの成長が進まなくなるため好ましくない。
また、逆電圧パルスの印加のタイミングとしては、連続してダイヤモンド成長用直流電圧を印加している最中に、周期的に逆電圧パルスを印加して、チャージアップを防いでもよい。この場合の周期Ｔ（＝１／ｆ）は、１００μｓに１回以下の周期、すなわちｆ≦１０ｋＨｚが好ましい。１００μｓに１回超の周期（ｆ＞１０ｋＨｚ）では、本来の直流プラズマＣＶＤ法により得られる膜の特性に高周波などの交流プラズマＣＶＤ法により得られる膜特性が含まれるようになり、ダイヤモンドの結晶性の低下が現れる場合がある。
また、この逆電圧パルスの大きさが前記ダイヤモンド成長用直流電圧値（電位Ｖ）の１／３０倍以上１倍以下（逆電圧パルスの電位としては、−Ｖ〜−Ｖ／３０）であることが好ましい。逆電圧パルスの大きさが前記成長用直流電圧値の１／３０倍未満ではチャージアップ打ち消しの効果が少なくなる場合があり、１倍（等倍）超ではその逆極性の直流電圧によるプラズマ放電が発生してダイヤモンドの膜質が低下するおそれがある。
（手順６） 最後に、必要に応じて基板Ｓからダイヤモンドを分離し、ダイヤモンド基板を得る。この分離は、ウェットエッチングや機械的研磨などにより行うとよい。
ダイヤモンドを分離することなく、そのままダイヤモンドと基板Ｓの積層基板として用いてもよい。
ダイヤモンドを分離することなく、そのままダイヤモンドと基板Ｓの積層基板として用いてもよい。
以上の製造方法により、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間のチャージアップを打ち消しながらダイヤモンド成長を行うことにより、安定したダイヤモンド成長速度を維持しつつ、スパークの発生を抑制するので、欠陥のない高品質のダイヤモンドを高速で製造することができる。
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］
本発明のダイヤモンドの製造方法に基づき、以下の条件でダイヤモンドを製造した。
（基板の準備）
直径２５．０ｍｍ、厚み１．００ｍｍで方位（１００）の両面研磨加工した単結晶ＭｇＯ基板を用意した。この単結晶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た。製膜は、Ｉｒをターゲットとし、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ａｒガス６×１０-2Ｔｏｒｒ、基板温度７００℃の条件で単結晶Ｉｒを膜厚が１．５μｍになるまでスパッタ製膜して仕上げた。
また、バイアス処理及び直流プラズマＣＶＤ処理を行う際の電気的導通を確保するために、基板温度を１００℃とした他は同じ条件で、裏面にも厚さ１．５μｍのＩｒを製膜した。
（バイアス処理）
次に、この基板の単結晶Ｉｒ膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。先ず、基板をバイアス処理装置の負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基板を６００℃に加熱してから、３ｖｏｌ％水素希釈メタンガスを導入し、圧力を１６０ｈＰａ（１２０Ｔｏｒｒ）とし、バイアス処理を行った。すなわち、両電極間に直流電圧を印加して、所定の直流電流を流した。
（ダイヤモンド成長）
次に、このバイアス処理済み基板上に、図１に示す直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により、単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。詳しくは、基板をステージ電極１２上に載せてチャンバー１１内を真空排気した後に、基板を基板温度９００℃まで加熱し、次いで原料ガスとして４ｖｏｌ％水素希釈メタンガスを導入して、チャンバー１１内の圧力を１６０ｈＰａ（１２０Ｔｏｒｒ）とした。
次いで、アースされたステージ電極１２をアノードとし、電圧印加電極１３をカソードとして、ダイヤモンド成長用直流電圧（−５００Ｖ）を印加して、１５時間のダイヤモンド成長を行った（第１回成長）。なお、逆電圧パルスの印加条件として、ダイヤモンド成長中に、チャージアップ電圧が直流電圧の半分（電位−Ｖ／２）になった時に、パルス電圧重畳器１５から直流電源１４の出力電圧にその直流電圧の逆極性の単パルス電圧を印加して、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に電圧Ｖ／１０の逆電圧パルスを印加時間５μｓだけ印加した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った（第２回成長）。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１５０μｍとなっていた（成長速度５μｍ／ｈ）。
第１回成長、第２回成長ともに、高い成長速度が維持された。
本発明のダイヤモンドの製造方法に基づき、以下の条件でダイヤモンドを製造した。
（基板の準備）
直径２５．０ｍｍ、厚み１．００ｍｍで方位（１００）の両面研磨加工した単結晶ＭｇＯ基板を用意した。この単結晶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た。製膜は、Ｉｒをターゲットとし、ＲＦマグネトロンスパッタリング法で、Ａｒガス６×１０-2Ｔｏｒｒ、基板温度７００℃の条件で単結晶Ｉｒを膜厚が１．５μｍになるまでスパッタ製膜して仕上げた。
また、バイアス処理及び直流プラズマＣＶＤ処理を行う際の電気的導通を確保するために、基板温度を１００℃とした他は同じ条件で、裏面にも厚さ１．５μｍのＩｒを製膜した。
（バイアス処理）
次に、この基板の単結晶Ｉｒ膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。先ず、基板をバイアス処理装置の負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基板を６００℃に加熱してから、３ｖｏｌ％水素希釈メタンガスを導入し、圧力を１６０ｈＰａ（１２０Ｔｏｒｒ）とし、バイアス処理を行った。すなわち、両電極間に直流電圧を印加して、所定の直流電流を流した。
（ダイヤモンド成長）
次に、このバイアス処理済み基板上に、図１に示す直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により、単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。詳しくは、基板をステージ電極１２上に載せてチャンバー１１内を真空排気した後に、基板を基板温度９００℃まで加熱し、次いで原料ガスとして４ｖｏｌ％水素希釈メタンガスを導入して、チャンバー１１内の圧力を１６０ｈＰａ（１２０Ｔｏｒｒ）とした。
次いで、アースされたステージ電極１２をアノードとし、電圧印加電極１３をカソードとして、ダイヤモンド成長用直流電圧（−５００Ｖ）を印加して、１５時間のダイヤモンド成長を行った（第１回成長）。なお、逆電圧パルスの印加条件として、ダイヤモンド成長中に、チャージアップ電圧が直流電圧の半分（電位−Ｖ／２）になった時に、パルス電圧重畳器１５から直流電源１４の出力電圧にその直流電圧の逆極性の単パルス電圧を印加して、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に電圧Ｖ／１０の逆電圧パルスを印加時間５μｓだけ印加した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った（第２回成長）。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１５０μｍとなっていた（成長速度５μｍ／ｈ）。
第１回成長、第２回成長ともに、高い成長速度が維持された。
得られた単結晶ダイヤモンド基板は、ラマン分光分析、Ｘ線ロッキングカーブ、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、欠陥がなく良好な結晶性を示すことが確認できた。
［実施例２］
実施例１において、ダイヤモンド成長における電圧印加条件として、逆電圧パルスの印加条件を次の通りとした他は、実施例１と同様な条件でダイヤモンドを製造した。
（逆電圧パルス条件）
ダイヤモンド成長中に、成長時間２５０μｓごとに（すなわち、ｆ＝４ｋＨｚとして）、パルス電圧重畳器１５から直流電源１４の出力電圧（電位Ｖ）にその成長用直流電圧の逆極性の単パルス電圧を印加して、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に電圧Ｖ／２０（電位−Ｖ／２０）の逆電圧パルスを印加時間５μｓだけ印加した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った（第２回成長）。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１５０μｍとなっていた（成長速度５μｍ／ｈ）。
第１回成長、第２回成長ともに、高い成長速度が維持された。
得られた単結晶ダイヤモンド基板は、ラマン分光分析、Ｘ線ロッキングカーブ、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、欠陥がなく良好な結晶性を示すことが確認できた。
実施例１において、ダイヤモンド成長における電圧印加条件として、逆電圧パルスの印加条件を次の通りとした他は、実施例１と同様な条件でダイヤモンドを製造した。
（逆電圧パルス条件）
ダイヤモンド成長中に、成長時間２５０μｓごとに（すなわち、ｆ＝４ｋＨｚとして）、パルス電圧重畳器１５から直流電源１４の出力電圧（電位Ｖ）にその成長用直流電圧の逆極性の単パルス電圧を印加して、ステージ電極１２と電圧印加電極１３の間に電圧Ｖ／２０（電位−Ｖ／２０）の逆電圧パルスを印加時間５μｓだけ印加した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った（第２回成長）。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１５０μｍとなっていた（成長速度５μｍ／ｈ）。
第１回成長、第２回成長ともに、高い成長速度が維持された。
得られた単結晶ダイヤモンド基板は、ラマン分光分析、Ｘ線ロッキングカーブ、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）観察、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、欠陥がなく良好な結晶性を示すことが確認できた。
［比較例１］
実施例１において、ダイヤモンド成長における電圧印加条件として、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加するのみで逆電圧パルスの印加なしとした他は、実施例１と同様な条件でダイヤモンドを製造した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１０５μｍとなっていた（成長速度２μｍ／ｈ）。第１回成長に比べて第２回成長の成長速度が大幅に低下した。更に、第２回成長の途中でスパークの発生が起こり、基板の一部が破損した。
実施例１において、ダイヤモンド成長における電圧印加条件として、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加するのみで逆電圧パルスの印加なしとした他は、実施例１と同様な条件でダイヤモンドを製造した。
第１回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが７５μｍであった（成長速度５μｍ／ｈ）。
その後、第１回成長と同一の条件でもう一度直流プラズマＣＶＤ装置１０を用いた直流プラズマＣＶＤ法により１５時間の成長を行った。第２回成長の終了後、チャンバー１１から取り出した製造物は、ダイヤモンドの厚みが１０５μｍとなっていた（成長速度２μｍ／ｈ）。第１回成長に比べて第２回成長の成長速度が大幅に低下した。更に、第２回成長の途中でスパークの発生が起こり、基板の一部が破損した。
以上のように、本発明のダイヤモンドの製造方法によれば、成長中のチャージアップによるダイヤモンドの成長速度の低下が抑えられ、かつスパークによる欠陥の発生も無くなり、高速に高品質なダイヤモンドを得ることができた。また、このようなダイヤモンドの基板を用いれば、非常に優れた高周波・高出力電子デバイスを高歩留まりで作製することができる。
なお、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。
１０ 直流プラズマＣＶＤ装置
１１ チャンバー
１２ ステージ電極
１３ 電圧印加電極
１４ 直流電源
１５ パルス電圧重畳器
１６ ガス供給手段
１８ 制御部
Ｓ 基板
１１ チャンバー
１２ ステージ電極
１３ 電圧印加電極
１４ 直流電源
１５ パルス電圧重畳器
１６ ガス供給手段
１８ 制御部
Ｓ 基板
Claims (6)
- 基板を保持したステージ電極と電圧印加電極との間に、直流電圧を印加する直流プラズマＣＶＤ法により、少なくとも炭素含有ガスと水素ガスとの混合ガスを原料として、基板上にダイヤモンドを成長させるダイヤモンドの製造方法であって、ダイヤモンド成長用直流電圧を印加してダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を所定のタイミングで印加することを特徴とするダイヤモンドの製造方法。
- 前記ダイヤモンド成長用直流電圧の印加時には、前記ステージ電極をアノードとし、前記電圧印加電極をカソードとすることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドの製造方法。
- 前記ステージ電極と電圧印加電極の間のチャージアップ電圧がダイヤモンド成長用直流電圧の１／３以上となった時に、前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンドの製造方法。
- １００μｓに１回以下の一定周期で前記逆極性の単パルス電圧を印加することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンドの製造方法。
- 前記逆極性の単パルス電圧の大きさが前記ダイヤモンド成長用直流電圧値の１／３０倍以上１倍以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のダイヤモンドの製造方法。
- 真空槽と、真空槽内に組合せて配置される、基板を保持するステージ電極及び電圧印加電極と、ステージ電極と電圧印加電極との間に直流電圧を印加する直流電源と、直流電源の出力電圧にパルス電圧を重畳するパルス電圧重畳器と、真空槽内に原料ガスを供給する原料ガス供給手段とを備え、ステージ電極と電圧印加電極との間にダイヤモンド成長用直流電圧を印加して基板上にダイヤモンドを成長させている時に、前記ステージ電極と電圧印加電極との間に前記ダイヤモンド成長用直流電圧とは逆極性の単パルス電圧を印加する電圧制御を所定のタイミングで行うことを特徴とするダイヤモンド製造用の直流プラズマＣＶＤ装置。
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