JP2020100517A - 多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品質な化合物半導体層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を製造することが可能な、多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法を提供する。【解決手段】ダイヤモンド粒子を含有する溶液を化合物半導体基板１０上に塗布し、その後、化合物半導体基板１０に熱処理を施すことによって、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４を付着させる。ダイヤモンド粒子１４を核として、化学気相成長法により、化合物半導体基板１０上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。その後、化合物半導体基板１０を減厚して、化合物半導体層１８とする。これらの工程を経て、多結晶ダイヤモンド層１６が化合物半導体層１８の支持基板として機能する多結晶ダイヤモンド自立基板１００を得る。【選択図】図１
Description
本発明は、支持基板としての多結晶ダイヤモンド層上に化合物半導体層が形成されてなる多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法に関する。
高周波デバイスやパワーデバイス等の高耐圧の半導体デバイスにおいては、デバイスの自己発熱が問題となる。この対策として、デバイス形成領域の下に熱伝導率が大きい材料を配置する技術が知られている。
例えば、半導体デバイスを形成するためのデバイス層となる窒化ガリウム（ＧａＮ）層等の化合物半導体層の直下に、放熱性の高いダイヤモンド層を配置する技術が知られている。特許文献１には、ダイヤモンド上の窒化ガリウム型ウェーハの製造方法が開示されている。この方法は、支持基板上に位置するＧａＮ層上に６０ｎｍ以下の薄い窒化珪素膜を形成した後に、当該窒化珪素膜の表面に乾式スクラッチによりダイヤモンド粒子を埋め込み固定する工程と、前記表面に固定されたダイヤモンド粒子を核として、化学気相成長法によりＧａＮ層上に前記窒化ケイ素膜を介してダイヤモンド層を成長させる工程と、前記支持基板を除去する工程と、を含み、ダイヤモンド上に窒化ガリウム層が形成されたウェーハを製造するものである。
しかしながら、本発明者の検討によると、特許文献１に記載の方法では、前記埋め込みに起因してＧａＮ層にクラックが入り、その後の化学気相成長法による高温長時間の熱処理の過程でＧａＮ層内をクラックが進展し、転位が発生することが判明した。このようなＧａＮ層に半導体デバイスを形成すると、リーク電流が増加して、デバイス特性が悪化するおそれがある。
上記課題に鑑み、本発明は、高品質な化合物半導体層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を製造することが可能な、多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく、本発明者は鋭意研究を進め、以下の知見を得た。まず、本発明者は、特許文献１のような、支持基板上に位置する化合物半導体層上にダイヤモンド層を成長させるのではなく、予め用意した化合物半導体基板にダイヤモンド層を成長させることを着想した。しかしながら、化合物半導体基板の表面に、特許文献１と同様にダイヤモンド粒子を埋め込み固定し、当該ダイヤモンド粒子を核として化学気相成長法によりダイヤモンド層を成長させると、化合物半導体基板が割れることが分かった。これは、やはり前記埋め込みに起因して化合物半導体基板の表面に導入されたクラックが起点となったものと推測される。
そこで、本発明者がさらに検討したところ、化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布し、その後熱処理して溶媒を蒸発させる方法で、化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を付着させることで、化合物半導体基板が割れることなく、多結晶ダイヤモンド層を成長させることができることが分かった。その後、化合物半導体基板を減厚して得た化合物半導体層には、転位が発生することがなかった。
上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布し、その後、前記化合物半導体基板に熱処理を施すことによって、前記化合物半導体基板上に前記ダイヤモンド粒子を付着させる工程と、
前記ダイヤモンド粒子を核として、化学気相成長法により、前記化合物半導体基板上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層を成長させる工程と、
その後、前記化合物半導体基板を減厚して、化合物半導体層とする工程と、
を有し、前記多結晶ダイヤモンド層が、前記化合物半導体層の支持基板として機能する多結晶ダイヤモンド自立基板を得ることを特徴とする多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（１）化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布し、その後、前記化合物半導体基板に熱処理を施すことによって、前記化合物半導体基板上に前記ダイヤモンド粒子を付着させる工程と、
前記ダイヤモンド粒子を核として、化学気相成長法により、前記化合物半導体基板上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層を成長させる工程と、
その後、前記化合物半導体基板を減厚して、化合物半導体層とする工程と、
を有し、前記多結晶ダイヤモンド層が、前記化合物半導体層の支持基板として機能する多結晶ダイヤモンド自立基板を得ることを特徴とする多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（２）前記溶液中の前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である、上記（１）に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（３）前記溶液中の前記ダイヤモンド粒子が負電荷に帯電している、上記（１）又は（２）に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（４）前記熱処理では、前記化合物半導体基板の温度を１００℃未満に１分以上３０分以下保持する、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（５）前記多結晶ダイヤモンド層の表面を平坦化する工程をさらに有する、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（６）前記化合物半導体基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、又はＳｉＧｅからなる、上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
（７）前記化合物半導体層の厚さを１μｍ以上５００μｍ以下とする、上記（１）〜（７）のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
本発明の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法によれば、高品質な化合物半導体層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を製造することが可能である。
（多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法）
図１を参照して、本発明の一実施形態による多結晶ダイヤモンド自立基板１００の製造方法は、以下の工程を有する。まず、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布する。これにより、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子含有液膜１２が形成される。その後、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、化合物半導体基板１０に熱処理を施すことによって、ダイヤモンド粒子含有液膜１２中の溶媒を蒸発させ、かつ化合物半導体基板１０の表面とダイヤモンド粒子１４との結合力を強化して、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４を付着させる。その後、図１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ダイヤモンド粒子１４を核として、化学気相成長法（ＣＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、化合物半導体基板１０上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。その後、任意に、図１（Ｄ），（Ｅ）に示すように、多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化してもよい。その後、図１（Ｅ），（Ｆ）に示すように、化合物半導体基板１０を減厚して、化合物半導体層１８とする。
図１を参照して、本発明の一実施形態による多結晶ダイヤモンド自立基板１００の製造方法は、以下の工程を有する。まず、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布する。これにより、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子含有液膜１２が形成される。その後、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、化合物半導体基板１０に熱処理を施すことによって、ダイヤモンド粒子含有液膜１２中の溶媒を蒸発させ、かつ化合物半導体基板１０の表面とダイヤモンド粒子１４との結合力を強化して、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４を付着させる。その後、図１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ダイヤモンド粒子１４を核として、化学気相成長法（ＣＶＤ法：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により、化合物半導体基板１０上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。その後、任意に、図１（Ｄ），（Ｅ）に示すように、多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化してもよい。その後、図１（Ｅ），（Ｆ）に示すように、化合物半導体基板１０を減厚して、化合物半導体層１８とする。
本実施形態では、以上の工程を経て、多結晶ダイヤモンド層１６が化合物半導体層１８の支持基板として機能する多結晶ダイヤモンド自立基板１００を製造することができる。ここで、化合物半導体層１８は、半導体デバイスを形成するためのデバイス層となる。以下、本実施形態における各工程を詳細に説明する。
［化合物半導体基板の用意］
図１（Ａ）を参照して、まず、化合物半導体基板１０を用意する。化合物半導体基板１０を構成する化合物半導体は、特に限定されず、化合物半導体層１８に形成する半導体デバイスの種類等に応じて適宜選定すればよく、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、又はＳｉＧｅからなるものとすることが好ましい。また、化合物半導体基板１０の厚さは、２００μｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。２００μｍ未満の場合、化合物半導体基板が反ることにより多結晶ダイヤモンドの剥がれが発生したり、化合物半導体基板の割れを発生する。また、３ｍｍ超えの場合、後述の化合物半導体基板１０の減厚の工程におけるプロセスタイムや材料コストの観点から好ましくない。
図１（Ａ）を参照して、まず、化合物半導体基板１０を用意する。化合物半導体基板１０を構成する化合物半導体は、特に限定されず、化合物半導体層１８に形成する半導体デバイスの種類等に応じて適宜選定すればよく、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、又はＳｉＧｅからなるものとすることが好ましい。また、化合物半導体基板１０の厚さは、２００μｍ以上３ｍｍ以下とすることが好ましい。２００μｍ未満の場合、化合物半導体基板が反ることにより多結晶ダイヤモンドの剥がれが発生したり、化合物半導体基板の割れを発生する。また、３ｍｍ超えの場合、後述の化合物半導体基板１０の減厚の工程におけるプロセスタイムや材料コストの観点から好ましくない。
［ダイヤモンド粒子含有溶液の塗布］
次に、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布して、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子含有液膜１２を形成する。塗布方法としては、スピンコート法、スプレー法、及び浸漬法を挙げることができ、スピンコート法が特に好ましい。スピンコート法によれば、化合物半導体基板１０の両面のうちダイヤモンド粒子１４を付着させたい片側の表面のみに、ダイヤモンド粒子含有溶液を均一に塗布することができる。
次に、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布して、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子含有液膜１２を形成する。塗布方法としては、スピンコート法、スプレー法、及び浸漬法を挙げることができ、スピンコート法が特に好ましい。スピンコート法によれば、化合物半導体基板１０の両面のうちダイヤモンド粒子１４を付着させたい片側の表面のみに、ダイヤモンド粒子含有溶液を均一に塗布することができる。
ダイヤモンド粒子含有溶液に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径は１ｎｍ以上５０ｎｍ以下とすることが好ましく、１０ｎｍ以下とすることがより好ましい。１ｎｍ以上であれば、多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる初期段階において、ダイヤモンド粒子１４がスパッタリング作用により化合物半導体基板１０の表面から弾き飛ばされる現象を抑制することができ、５０ｎｍ以下であれば、多結晶ダイヤモンド層が異常成長なく緻密に成膜でき、さらに多結晶ダイヤモンド表面への平坦化（研磨）プロセスを容易に実施することができるからである。このようなサイズのダイヤモンド粒子は、公知の爆轟法や爆縮法や粉砕法によりグラファイトから好適に作製することができる。なお、「ダイヤモンド粒子含有溶液に含まれるダイヤモンド粒子の平均粒径」は、ＪＩＳ ８８１９−２に従って算出されるものであり、公知のレーザー回折式粒度分布測定装置によって測定された粒度分布が正規分布に従うと仮定して算出された平均粒径を意味する。
ここで、ダイヤモンド粒子含有溶液を塗布する前の化合物半導体基板１０は、その表面に付着した金属不純物を除去するために、一般的にフッ酸などを用いて酸洗浄される。酸洗浄された化合物半導体基板１０の表面は活性な撥水面であるので、その表面にはパーティクルが付着しやすい。このため、酸洗浄した化合物半導体基板１０を純水などで洗浄して、化合物半導体基板１０の表面を自然酸化膜が形成された親水性面とすることが好ましい。あるいは、酸洗浄した化合物半導体基板１０をクリーンルーム内に長時間放置して、化合物半導体基板１０の表面に自然酸化膜を形成することが好ましい。これにより、化合物半導体基板１０の表面にパーティクルが付着するのを抑制することができる。この時、自然酸化膜中には正電荷を有する固定電荷が発生する。そのため、正電荷に帯電した自然酸化膜上に、負電荷に帯電させたダイヤモンド粒子を含有するダイヤモンド粒子含有溶液を塗布すれば、化合物半導体基板１０とダイヤモンド粒子１４とがクーロン引力により強固に結合する。その結果、多結晶ダイヤモンド層１６の化合物半導体基板１０に対する密着性が向上する。このように負電荷に帯電させたダイヤモンド粒子は、ダイヤモンド粒子に酸化処理を施すことによって、カルボキシル基やケトン基でダイヤモンド粒子を終端することで得られる。例えば、酸化処理としては、ダイヤモンド粒子を酸化熱する方法や、オゾン溶液、硝酸溶液、過酸化水素水溶液、又は過塩素酸溶液にダイヤモンド粒子を浸漬する方法などが挙げられる。
ダイヤモンド粒子含有溶液の溶媒としては、水の他、メタノール、エタノール、２−プロパノ−ル、及びトルエン等の有機溶媒が挙げられ、これらの溶媒を単独で用いてもよく、２種以上組み合わせて用いてもよい。
ダイヤモンド粒子含有溶液におけるダイヤモンド粒子の含有量は、ダイヤモンド粒子含有溶液全体に対して０．０３質量％以上１０質量％以下とすることが好ましい。０．０３質量％以上であれば、ダイヤモンド粒子１４を化合物半導体基板１０上に均一に付着させることができ、１０質量％以下であれば、付着したダイヤモンド粒子１４がダイヤモンド層１６の成長過程で異常成長するのを抑制することができるからである。
ダイヤモンド粒子１４と化合物半導体基板１０との密着性を向上させる観点から、ダイヤモンド粒子含有溶液をジェル状のものとすることが好ましく、ダイヤモンド粒子含有溶液に増粘剤を含有させてもよい。増粘剤としては、寒天、カラギーナン、キサンタンガム、ジェランガム、グアーガム、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸塩系増粘剤、水溶性セルロース類、ポリエチレンオキサイドなどが挙げられ、これらの一種又は二種以上を用いることができる。増粘剤を含有させる場合、ダイヤモンド粒子含有溶液のｐＨを６以上８以下の範囲とすることが好ましい。
ダイヤモンド粒子含有溶液の調製は、上記の溶媒にダイヤモンド粒子を混合して撹拌することにより、溶媒中にダイヤモンド粒子を分散させるようにして行えばよい。撹拌速度は５００ｒｐｍ以上３０００ｒｐｍ以下とすることが好ましく、撹拌時間は１０分以上１時間以下とすることが好ましい。
［熱処理］
次に、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、化合物半導体基板１０に熱処理を施す。これにより、ダイヤモンド粒子含有液膜１２中の溶媒が蒸発し、かつ化合物半導体基板１０の表面とダイヤモンド粒子１４との結合力が強化されて、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４が付着する。熱処理中の化合物半導体基板１０の温度は、１００℃未満とすることが好ましく、３０℃以上８０℃以下とすることがより好ましい。１００℃未満であれば、ダイヤモンド粒子含有溶液の沸騰に伴う泡の発生を抑制することができるので、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４が部分的に存在しない部位が発生することがなく、この部位を起点として多結晶ダイヤモンド層１６が剥離するおそれもない。３０℃以上であれば、化合物半導体基板１０とダイヤモンド粒子１４とが十分に結合するので、ＣＶＤ法によって多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる過程で、スパッタリング作用によりダイヤモンド粒子１４が弾き飛ばされるのを抑制することができ、多結晶ダイヤモンド層１６を均一に成長させることができる。また、熱処理時間は１分以上３０分以下とすることが好ましい。なお、熱処理装置としては、公知の熱処理装置を用いればよく、例えば、加熱したホットプレート上に化合物半導体基板１０を載置することにより行うことができる。
次に、図１（Ｂ），（Ｃ）に示すように、化合物半導体基板１０に熱処理を施す。これにより、ダイヤモンド粒子含有液膜１２中の溶媒が蒸発し、かつ化合物半導体基板１０の表面とダイヤモンド粒子１４との結合力が強化されて、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４が付着する。熱処理中の化合物半導体基板１０の温度は、１００℃未満とすることが好ましく、３０℃以上８０℃以下とすることがより好ましい。１００℃未満であれば、ダイヤモンド粒子含有溶液の沸騰に伴う泡の発生を抑制することができるので、化合物半導体基板１０上にダイヤモンド粒子１４が部分的に存在しない部位が発生することがなく、この部位を起点として多結晶ダイヤモンド層１６が剥離するおそれもない。３０℃以上であれば、化合物半導体基板１０とダイヤモンド粒子１４とが十分に結合するので、ＣＶＤ法によって多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる過程で、スパッタリング作用によりダイヤモンド粒子１４が弾き飛ばされるのを抑制することができ、多結晶ダイヤモンド層１６を均一に成長させることができる。また、熱処理時間は１分以上３０分以下とすることが好ましい。なお、熱処理装置としては、公知の熱処理装置を用いればよく、例えば、加熱したホットプレート上に化合物半導体基板１０を載置することにより行うことができる。
本実施形態では、上記のように、化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布し、その後熱処理する方法を採用することが肝要である。この方法であれば、化合物半導体基板１０の表面にクラックが導入されることがなく、そのため、化合物半導体基板１０が割れることなく、多結晶ダイヤモンド層１６を成長させることができる。そして、化合物半導体基板１０を減厚して得た化合物半導体層１８に転位が発生することもない。
［多結晶ダイヤモンド層の成長］
次に、図１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ダイヤモンド粒子１４を核として、ＣＶＤ法により、化合物半導体基板１０上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法および熱フィラメントＣＶＤ法等を好適に用いることができる。
次に、図１（Ｃ），（Ｄ）に示すように、ダイヤモンド粒子１４を核として、ＣＶＤ法により、化合物半導体基板１０上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。ＣＶＤ法としては、プラズマＣＶＤ法および熱フィラメントＣＶＤ法等を好適に用いることができる。
プラズマＣＶＤ法を用いる場合、例えば、水素をキャリアガスとして、メタン等のソースガスをチャンバー内に導入して、化合物半導体基板１０の温度を７００℃以上１３００℃以下として、多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。多結晶ダイヤモンド層１６の厚さの均一性を向上させる観点から、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いることが好ましい。マイクロ波プラズマＣＶＤ法とは、プラズマチャンバー内でメタン等のソースガスをマイクロ波によって分解してプラズマ化し、プラズマ化したソースガスを加熱した化合物半導体基板１０上に導くことにより、多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる方法である。ここで、プラズマチャンバー内の圧力、マイクロ波の出力、及び化合物半導体基板１０の温度は、以下のように設定することが好ましい。プラズマチャンバー内の圧力は、１．３×１０3Ｐａ以上１．３×１０5Ｐａ以下とすることが好ましく、１．１×１０4Ｐａ以上４．０×１０4Ｐａ以下とすることがより好ましい。マイクロ波の出力は、０．１ｋＷ以上１００ｋＷ以下とすることが好ましく、１ｋＷ以上１０ｋＷ以下とすることがより好ましい。化合物半導体基板１０の温度は、７００℃以上１３００℃以下とすることが好ましく、９００℃以上１２００℃以下とすることがより好ましい。
熱フィラメントＣＶＤ法を用いる場合、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、イリジウム等からなるフィラメントを用いて、フィラメント温度を１９００℃以上２３００℃以下程度とし、メタン等の炭化水素系のソースガスから炭素ラジカルを生成する。この炭素ラジカルを加熱した化合物半導体基板１０上に導くことにより、多結晶ダイヤモンド層１６を成長させる。熱フィラメントＣＶＤ法によれば、ウェーハの大口径化に容易に対応することができる。ここで、チャンバー内の圧力、フィラメントと化合物半導体基板１０との距離、及び化合物半導体基板１０の温度は、以下のように設定することが好ましい。チャンバー内の圧力は１．３×１０3Ｐａ以上１．３×１０5Ｐａ以下とすることが好ましい。フィラメントと化合物半導体基板１０との距離は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましい。化合物半導体基板１０の温度は７００℃以上１３００℃以下とすることが好ましい。
多結晶ダイヤモンド層１６は化合物半導体層１８の支持基板として機能するものであるため、その厚さは１００μｍ以上とし、５００μｍ以上とすることがより好ましい。また、多結晶ダイヤモンド層１６の厚さについて、上限は特に限定されないが、ＣＶＤ法による成長時のプロセスタイムを過大としない観点から、３ｍｍ以下とすることが好ましい。
［多結晶ダイヤモンド層の平坦化］
次に、図１（Ｄ），（Ｅ）に示すように、多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化してもよい。成膜後の多結晶ダイヤモンド層１６の表面には過度の凹凸が形成されている。多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化することにより、その後得られる多結晶ダイヤモンド自立基板１００を半導体プロセス装置の試料台へ確実にセット（チャック）することができる。平坦化方法は特に限定されないが、例えば公知の化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を好適に用いることができる。なお、平坦化後も、多結晶ダイヤモンド層１６の厚さは１００μｍ以上とし、５００μｍ以上とすることがより好ましい。
次に、図１（Ｄ），（Ｅ）に示すように、多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化してもよい。成膜後の多結晶ダイヤモンド層１６の表面には過度の凹凸が形成されている。多結晶ダイヤモンド層１６の表面を平坦化することにより、その後得られる多結晶ダイヤモンド自立基板１００を半導体プロセス装置の試料台へ確実にセット（チャック）することができる。平坦化方法は特に限定されないが、例えば公知の化学機械研磨（ＣＭＰ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法を好適に用いることができる。なお、平坦化後も、多結晶ダイヤモンド層１６の厚さは１００μｍ以上とし、５００μｍ以上とすることがより好ましい。
［化合物半導体基板の減厚］
次に、図１（Ｅ），（Ｆ）に示すように、化合物半導体基板１０を減厚して、化合物半導体層１８とする。具体的には、化合物半導体基板１０を、多結晶ダイヤモンド層１６との界面とは反対側の表面から研削及び研磨することにより減厚する。これにより、所望厚さの化合物半導体層１８が支持基板としての多結晶ダイヤモンド層１６上に積層された多結晶ダイヤモンド自立基板１００を得ることができる。化合物半導体層１８の厚さは、そこに形成する半導体デバイスの種類や構造に応じて適宜決定することができ、１μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。なお、この研削及び研磨には、公知又は任意の研削法及び研磨法を好適に用いることができ、具体的には平面研削法及び鏡面研磨法を用いることができる。
次に、図１（Ｅ），（Ｆ）に示すように、化合物半導体基板１０を減厚して、化合物半導体層１８とする。具体的には、化合物半導体基板１０を、多結晶ダイヤモンド層１６との界面とは反対側の表面から研削及び研磨することにより減厚する。これにより、所望厚さの化合物半導体層１８が支持基板としての多結晶ダイヤモンド層１６上に積層された多結晶ダイヤモンド自立基板１００を得ることができる。化合物半導体層１８の厚さは、そこに形成する半導体デバイスの種類や構造に応じて適宜決定することができ、１μｍ以上５００μｍ以下とすることが好ましい。なお、この研削及び研磨には、公知又は任意の研削法及び研磨法を好適に用いることができ、具体的には平面研削法及び鏡面研磨法を用いることができる。
（実施例１）
［本発明例１］
図１（Ａ）〜（Ｆ）に示す工程を経て、本発明例１−１に係る多結晶ダイヤモンド自立基板を作製した。
［本発明例１］
図１（Ａ）〜（Ｆ）に示す工程を経て、本発明例１−１に係る多結晶ダイヤモンド自立基板を作製した。
まず、ＨＶＰＥ（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により作製した窒化ガリウム（ＧａＮ）単結晶から切り出し加工した、直径が２インチ、厚さが６００μｍのＧａＮ基板を用意した。
次に、爆轟法によって、平均粒径が４ｎｍのダイヤモンド粒子を用意した。このダイヤモンド粒子を、過酸化水素水溶液に浸漬することによりカルボキシル基（ＣＯＯＨ）で終端して、負電荷に帯電させた。次に、ダイヤモンド粒子を溶媒（Ｈ2Ｏ）に混合し、撹拌して、ダイヤモンド粒子の含有量が６質量％のダイヤモンド粒子含有溶液を調製した。なお、撹拌速度は１１００ｒｐｍ、撹拌時間は５０分とし、撹拌中のダイヤモンド粒子含有溶液の温度は２５℃とした。続いて、ＧａＮ基板を純水により洗浄して、表面に自然酸化膜を形成した後、スピンコート法によってＧａＮ基板上にダイヤモンド粒子含有溶液を塗布し、ダイヤモンド粒子含有液膜を形成した。
次に、８０℃に設定したホットプレート上にＧａＮ基板を５分間置くことにより、ＧａＮ基板とダイヤモンド粒子との結合を強化する熱処理を施し、ＧａＮ基板上にダイヤモンド粒子を付着させた。
次に、水素をキャリアガス、メタンをソースガスとして、既述のマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ基板上に付着したダイヤモンド粒子を核として、厚さ３００μｍの多結晶ダイヤモンド層を成長させた。なお、プラズマチャンバー内の圧力を１．５×１０4Ｐａ、マイクロ波の出力を５ｋＷ、ＧａＮ基板の温度を１０５０℃とした。
次に、ＣＭＰ法により多結晶ダイヤモンド層の表面を平坦化した。平坦化後の多結晶ダイヤモンド層の厚さは２９０μｍとした。
次に、ＧａＮ基板を研削及び研磨して、厚さが１０μｍのＧａＮ層とした。このようにして、厚さ２９０μｍの多結晶ダイヤモンド層上に厚さが１０μｍのＧａＮ層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を得た。
本発明例では、ＧａＮ基板が割れることなく、多結晶ダイヤモンド層を成長させることができた。ＧａＮ層の断面をＴＥＭにて観察したところ、転位は観察されなかった。
［比較例１−１］
ダイヤモンド粒子の付着方法を変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
ダイヤモンド粒子の付着方法を変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
発明例１と同様のＧａＮ基板を用意した。次に、公知の傷付け法によって、ＧａＮ基板の表面にダイヤモンド粒子を埋め込んだ。すなわち、平均粒径１μｍのダイヤモンド粒子を含有する溶液中で、ＧａＮ基板を超音波洗浄することによって、ＧａＮ基板の表面にダイヤモンド粒子を埋め込んだ。次に、発明例１と同様の条件で、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ＧａＮ基板上に埋め込んだダイヤモンド粒子を核として、厚さ３００μｍの多結晶ダイヤモンド層の成膜を試みた。
比較例１−１では、多結晶ダイヤモンド成膜中にＧａＮ基板が割れた。これは、埋め込みに起因してＧａＮ基板の表面に導入されたクラックが起点となり、１０５０℃の高温での多結晶ダイヤモンド成膜中に、当該クラックがＧａＮ基板を進展したためと考えられる。割れた箇所をＴＥＭで観察した結果、割れの起点にクラックが存在していることがわかった。
［比較例１−２］
多結晶ダイヤモンド層の厚さを５μｍに変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
多結晶ダイヤモンド層の厚さを５μｍに変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
比較例１−２では、ＧａＮ基板の研削の過程で、多結晶ダイヤモンド層とともにＧａＮ基板が割れた。すなわち、多結晶ダイヤモンド層は、厚さ５μｍでは自立基板としては機能しないことが分かった。
（実施例２）
［本発明例２］
化合物半導体基板の種類をＧａＮ基板からＳｉＣ基板に変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を行った。
［本発明例２］
化合物半導体基板の種類をＧａＮ基板からＳｉＣ基板に変更した以外は、発明例１と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を行った。
まず、昇華再結晶法により作製した炭化ケイ素（ＳｉＣ）単結晶から切り出し加工した、直径が２インチ、厚さが６００μｍの４Ｈ−ＳｉＣ基板を用意した。
以降は発明例１と同様の手順及び条件にて、厚さ４６０μｍの多結晶ダイヤモンド層上に厚さが１０μｍのＳｉＣ層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を得た。
本発明例では、ＳｉＣ基板が割れることなく、多結晶ダイヤモンド層を成長させることができた。ＳｉＣ層の断面をＴＥＭにて観察したところ、転位は観察されなかった。
［比較例２−１］
ダイヤモンド粒子の付着方法を変更した以外は、発明例２と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
ダイヤモンド粒子の付着方法を変更した以外は、発明例２と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
発明例２と同様のＳｉＣ基板を用意した。次に、公知の傷付け法によって、ＳｉＣ基板の表面にダイヤモンド粒子を埋め込んだ。すなわち、平均粒径１μｍのダイヤモンド粒子を含有する溶液中で、ＳｉＣ基板を超音波洗浄することによって、ＳｉＣ基板の表面にダイヤモンド粒子を埋め込んだ。次に、発明例２と同様の条件で、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＣ基板上に埋め込んだダイヤモンド粒子を核として、厚さ４６０μｍの多結晶ダイヤモンド層の成膜を試みた。
比較例２−１では、多結晶ダイヤモンド成膜中にＳｉＣ基板が割れた。これは、埋め込みに起因してＳｉＣ基板の表面に導入されたクラックが起点となり、１０５０℃の高温での多結晶ダイヤモンド成膜中に、当該クラックがＳｉＣ基板を進展したためと考えられる。割れた箇所をＴＥＭで観察した結果、割れの起点にクラックが存在していることがわかった。
［比較例２−２］
多結晶ダイヤモンド層の厚さを５μｍに変更した以外は、発明例２と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
多結晶ダイヤモンド層の厚さを５μｍに変更した以外は、発明例２と同様の方法で多結晶ダイヤモンド自立基板の作製を試みた。
比較例２−２では、ＳｉＣ基板の研削の過程で、多結晶ダイヤモンド層とともにＳｉＣ基板が割れた。すなわち、多結晶ダイヤモンド層は、厚さ５μｍでは自立基板としては機能しないことが分かった。
本発明の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法によれば、高品質な化合物半導体層が積層された多結晶ダイヤモンド自立基板を製造することが可能である。
１００ 多結晶ダイヤモンド自立基板
１０ 化合物半導体基板
１２ ダイヤモンド粒子含有液膜
１４ ダイヤモンド粒子
１６ 多結晶ダイヤモンド層
１８ 化合物半導体層
１０ 化合物半導体基板
１２ ダイヤモンド粒子含有液膜
１４ ダイヤモンド粒子
１６ 多結晶ダイヤモンド層
１８ 化合物半導体層
Claims (7)
- 化合物半導体基板上にダイヤモンド粒子を含有する溶液を塗布し、その後、前記化合物半導体基板に熱処理を施すことによって、前記化合物半導体基板上に前記ダイヤモンド粒子を付着させる工程と、
前記ダイヤモンド粒子を核として、化学気相成長法により、前記化合物半導体基板上に厚さが１００μｍ以上の多結晶ダイヤモンド層を成長させる工程と、
その後、前記化合物半導体基板を減厚して、化合物半導体層とする工程と、
を有し、前記多結晶ダイヤモンド層が、前記化合物半導体層の支持基板として機能する多結晶ダイヤモンド自立基板を得ることを特徴とする多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。 - 前記溶液中の前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が５０ｎｍ以下である、請求項１に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
- 前記溶液中の前記ダイヤモンド粒子が負電荷に帯電している、請求項１又は２に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
- 前記熱処理では、前記化合物半導体基板の温度を１００℃未満に１分以上３０分以下保持する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
- 前記多結晶ダイヤモンド層の表面を平坦化する工程をさらに有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
- 前記化合物半導体基板は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｇａ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、又はＳｉＧｅからなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
- 前記化合物半導体層の厚さを１μｍ以上５００μｍ以下とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の多結晶ダイヤモンド自立基板の製造方法。
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