JP3631366B2

JP3631366B2 - 単結晶ダイヤモンド合成用基板

Info

Publication number: JP3631366B2
Application number: JP06022298A
Authority: JP
Inventors: 武史橘; 嘉宏横田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2018-03-11
Also published as: JPH11255599A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はトランジスタ、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、耐摩耗材料、装飾材料及びそのコーティング材等に使用される単結晶ダイヤモンド膜を気相合成する際に使用する単結晶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ており、バンドギャップが５．５ｅＶと大きく、通常は絶縁体であるが、不純物のドーピングにより半導体化できる。また、絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きく、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有する。このような利点により、ダイヤモンドは高温、高周波及び高電界用の電子デバイス及びセンサ用材料として期待されている。
【０００３】
また、ダイヤモンドのバンド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、物質中で最も硬いという特性を生かした表面弾性波素子への応用、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適用等が進められている。
【０００４】
これらの種々の用途において、ダイヤモンドの特性を最大限に活用するためには、結晶の構造欠陥を低減した高品質の単結晶を合成することが必要である。
【０００５】
そこで、本発明者等は単結晶のダイヤモンド膜を大面積で低コストで気相合成する方法を提案した（特開平８−１５１２９６号公報）。この従来方法においては、白金の（１１１）結晶面を基板として気相合成で単結晶ダイヤモンド膜を得るものである。この方法により合成されるダイヤモンド膜は表面で結晶間の融合が自発的に進行し、平滑な表面が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の従来方法は従前よりも大面積且つ低コストの単結晶ダイヤモンド膜を形成できたものの、一般的に、ダイヤモンド膜の基板となる白金単結晶はチョコラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ法）により製造されるため、従来方法により製造される白金単結晶基板はなお高価であり、得られる単結晶の面積も高々２５ｍｍ径に止まるものであり、近時の更に一層の大面積且つ低コストの要求を満足できるものではなかった。
【０００７】
また、本願発明者等はこの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見出し、既に特許出願した（特開平８−１５１２９５号公報）。しかし、この方法においても、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。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、大面積の単結晶ダイヤモンド膜を低コストで合成することを可能とする単結晶ダイヤモンド合成用基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板は、単結晶シリコン基体と、この基体上に形成された単結晶サファイア層と、前記単結晶サファイア層上に形成された単結晶白金層とを有することを特徴とする。
【００１０】
この単結晶ダイヤモンド合成用基板において、前記単結晶シリコン基体の表面は（１１１）面であり、前記単結晶サファイア層の表面は（０００１）面であり、前記単結晶白金層の表面は（１１１）であることが好ましい。
【００１１】
また、前記単結晶シリコン基体と、前記単結晶サファイア層との間に、表面が立方晶（１１１）面又は六方晶（０００１）面である単結晶炭化珪素層を形成することもできる。
【００１２】
本発明に係る他の単結晶ダイヤモンド合成用基板は、表面が立方晶（１１１）面又は六方晶（０００１）面である単結晶炭化珪素基体と、この単結晶炭化珪素基体の上に形成され表面が（０００１）面である単結晶サファイア層と、この単結晶サファイア層の上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層とを有することを特徴とする。
【００１３】
これらの単結晶ダイヤモンド合成用基板において、前記単結晶白金層の厚さが０．０１μｍ以上１μｍ未満であるか、又は１乃至１０μｍであるように構成することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の第１実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。本実施例の単結晶ダイヤモンド合成用基板においては、単結晶シリコン基体１上に単結晶サファイア層２が形成されており、このサファイア層２上に単結晶白金層３が形成されている。
【００１５】
本実施例においては、単結晶サファイア層２上に単結晶白金層３を形成するから、ダイヤモンド膜形成の基体となる単結晶白金層３を大面積で且つ低コストで形成することができる。このため、この単結晶白金層３上に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を形成することができ、単結晶ダイヤモンド膜の形成用基板として極めて有用である。
【００１６】
また、図２は本発明の第２実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。本実施例においても、単結晶シリコン基体４上に、単結晶サファイア層５が形成されており、この単結晶サファイア層５上に単結晶白金層６が形成されている。而して、本実施例においては、単結晶シリコン基体４の表面は（１１１）面であり、単結晶サファイア層５の表面は（０００１）面であり、単結晶白金層６の表面は（１１１）面である。
【００１７】
このように、各層の表面方位を規定することにより、より一層大面積の単結晶ダイヤモンド膜を形成することができる。即ち、単結晶ダイヤモンド膜に直接接する白金層５であるが、白金（１１１）単結晶はサファイア（０００１）上にスパッタ法などで蒸着形成できる（Ｂ．Ｍ．Ｌａｉｒｓｏｎ：Ｍ．Ｒ．Ｖｉｓｏｋａｙ，Ｒ．Ｓｉｎｃｌａｉｒ，Ｓ．ＨａｇｓｔｒｏｍａｎｄＢ．Ｍ．Ｃｌｅｍｅｎｓ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，６１（１９９２）Ｐ１３９０）。サファイア層５は大型単結晶を人工的に作製できるので、これ自体も有用な単結晶ダイヤモンド合成用の基板であるが、ダイヤモンドを電子デバイス材料として使用することまで含めて考えると、シリコンウエハをプラットフォームとした方が好ましい。
【００１８】
従って、サファイア層５を如何にしてシリコン基体４上に形成するかが課題となる。サファイアをシリコン上に形成する技術は、一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）又はＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｓａｐｐｈｉｒｅ）といわれる半導体集積回路形成用基板の作成に関連して広く知られている。しかし、この技術では、サファイアは多結晶である場合が殆どであり、サファイアを単結晶とする場合も基体となるシリコン表面が（１１１）面でなく、（１００）面であり、更にサファイア自体もγ−サファイアといわれる立方体結晶である（Ｍ．Ｉｓｈｉｄａ，Ｋ．Ｓａｗａｄａ，Ｓ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ，Ｔ．ＮａｋａｍｕｒａａｎｄＴ．Ｓｕｚａｋｉ；ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，５５（１９８９）Ｐ５５６）。このため、本発明で必要とする白金（１１１）単結晶層の形成には役にたたない。
【００１９】
そこで、我々はサファイア（０００１）単結晶層５を如何にしてシリコン基体４上に形成するかを実験的に検討した。その結果、単結晶サファイア層５、シリコン（１１１）基体４上に、熱ＣＶＤ（ＣｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマＣＶＤ及びレーザーアブレーション等の方法により形成することができることを見いだした。そして、サファイア層５を蒸着する際、シリコン表面の温度を１３５０乃至１４１０℃に保つことにより、熱力学的にも最も安定なα−サファイアが形成され、更にシリコン（１１１）を基板とすることで、α−サファイア（０００１）層がエピタキシャル成長する。
【００２０】
これにより、本実施例においては、単結晶白金層６をより大面積で形成することができ、単結晶ダイヤモンドを単結晶白金層６上に大面積で形成することを可能とする。
【００２１】
更に、図３は本発明の第３実施例を示す断面図である。本実施例においては、表面が（１１１）面の単結晶シリコン基体７上に、表面が（１１１）又は（０００１）面である単結晶炭化珪素層８が形成されており、この単結晶炭化珪素層８上に表面が（０００１）面のサファイア層９が形成されている。そして、この単結晶サファイア層９上に表面が（１１１）面の単結晶シリコン層１０が形成されている。
【００２２】
このように、サファイア（０００１）層９とシリコン（１１１）基体７との間に、炭化珪素層８を挿入すると、結晶性が優れたサファイア（０００１）単結晶層９が得られる。これは、炭化珪素層８がサファイア層９とシリコン基体７との間の格子定数の違いを緩和するように作用したためである。サファイア層９の（０００１）面と、シリコン基体７の（１１１）面の原子間距離は夫々４．７６Å及び３．８４Åであるのに対し、立法晶炭化珪素層８の場合は３．０８Åである。一見すると、炭化珪素層８の存在は格子定数の差異を拡大するように思われるが、結晶構造の周期性を考慮すると、炭化珪素層８の３周期に対してサファイア層９の２周期がほぼ対応する（格子不整合＝３％）ため、格子間の歪みは図２の実施例のようにサファイア層をシリコン基体上に直接形成する場合に比べて低減するのである。
【００２３】
図４は本発明の第４実施例を示す断面図である。本実施例は、シリコン基体を省略したものである。即ち表面が（１１１）面（立方晶）又は（０００１）面（六方晶）の炭化珪素基体１１の上に、表面が（０００１）面のサファイア層１２及び表面が（１１１）面の白金層１３が形成されている。
【００２４】
このように、炭化珪素を基体としても図３と同様の効果を奏する単結晶合成用基板を得ることができる。
【００２５】
而して、これらの各実施例において、白金層の膜厚はダイヤモンドの合成時に重要な作用を及ぼす。この白金層の膜厚が０．０１μｍ以上１μｍ未満であると、白金の特性が作用してダイヤモンドが自発的に融合し、粒界が消滅するため、単結晶化する。同時に、ダイヤモンド合成の還元雰囲気化で白金は徐々に昇華するため、結果的にダイヤモンドはサファイア層の表面の結晶構造を反映して方位整合し、単結晶となる。このように白金の膜厚を０．０１μｍ以上１μｍ未満とすると、白金の結晶性の乱れに影響されずにダイヤモンドを合成できる利点がある。
【００２６】
一方、白金の膜厚を１乃至１０μｍとすると、白金は上述とは異なる作用を奏する。この場合、白金膜は十分厚いので、ダイヤモンド膜の合成後も残存する。ダイヤモンド膜は白金の結晶構造を反映して単結晶となる。ダイヤモンド膜とサファイア層とは熱膨張率が大きく異なるので、通常８５０〜９５０℃の範囲で実施されるダイヤモンド膜の合成後、ウエハを室温に戻すと、内部応力によりダイヤモンドが剥離・破損してしまう。しかし、ダイヤモンドとサファイアとの間に十分厚い白金層が存在する場合には、これが応力緩和層として作用し、ダイヤモンドの剥離・破損の問題を回避できる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明の効果を実証するために、実際に本発明の実施例に係る単結晶ダイヤモンド膜合成用基板を製造してその特定を評価した結果について説明する。
実施例１
シリコン（１１１）を基体として熱ＣＶＤ法によりサファイア（０００１）層を作製した。基板温度を１４００℃に保持し、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を原料ガスとした。サファイアの単結晶はＲＨＥＥＤ（ＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＨｉｇｈ−ＥｎｅｒｇｙＥｌｅｃｔｒｏｎＤｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）で確認した。更に、サファイア表面にスパッタ法で白金層を０．０１μｍの厚さに蒸着した。蒸着時の基板温度は５００℃とした。
【００２８】
これを基板としてダイヤモンドを気相合成した。グラファイトをターゲットとし、２００ｍＴｏｒｒの酸素ガス雰囲気中で、ＫｒＦエキシマレザーを用いてレーザアブレーションにより炭素を飛散させた。４時間の合成後、基板を取り出し、Ｘ線回折とＳＥＭ（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）でダイヤモンド（１１１）が形成されたことを確認した。
実施例２
シラン（ＳｉＨ_４）とエチレン（Ｃ_２Ｈ_４）を原料として熱ＣＶＤ法でシリコン（１１１）表面に立方晶炭化珪素を形成した。これを基板として、ＭＢＥ（ＭｏｌｅｃｕｌｅＢｅａｍＥｐｉｔａｘｙ）法によりサファイア（０００１）膜を作製した。トリメチルアルミニウムをＡｌ源、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）を酸素源とし、基板温度は１４００℃に保持した。更に、サファイア表面スパッタ法で白金を１μｍ蒸着した。蒸着時の基板温度は４００℃とした。
【００２９】
これを基板としてダイヤモンドを気相合成した。基板表面を予めダイヤモンドパウダー懸濁液中で超音波処理した上で、メタン（ＣＨ_４）を原料ガスとして１０時間のマイクロ波ＣＶＤを行ったところ、（１１１）ダイヤモンド膜が合成されたことを確認した。
実施例３
六法晶炭化珪素（０００１）ウエハを基板として、実施例１と同様に、トリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を原料ガスとし、基板温度を１４００℃でサファイア（０００１）膜を作製した。その後、サファイア表面にスパッタ法で、白金を５μｍ蒸着した。蒸着時の基板温度は６００℃とした。
【００３０】
これを基板として実施例２と同様にダイヤモンドを気相合成した。基板表面を予めダイヤモンドパウダー懸濁液中で超音波処理した上で、メタン（ＣＨ_４）を原料ガスとして３０時間のマイクロ波ＣＶＤを行ったところ、（１１１）ダイヤモンドが合成された。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を使用すれば、大面積の単結晶ダイヤモンド膜を低コストで合成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【符号の説明】
１，４，７：単結晶シリコン基体
２，５，９，１２：単結晶サファイア層
３，６，１０，１３：白金層
８：単結晶炭化珪素層
１１：単結晶炭化珪素基体

Claims

単結晶シリコン基体と、この基体上に形成された単結晶サファイア層と、前記単結晶サファイア層上に形成された単結晶白金層とを有することを特徴とする単結晶ダイヤモンド合成用基板。
前記単結晶シリコン基体の表面は（１１１）面であり、前記単結晶サファイア層の表面は（０００１）面であり、前記単結晶白金層の表面は（１１１）であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド合成用基板。
前記単結晶シリコン基体と、前記単結晶サファイア層との間に、表面が立方晶（１１１）面又は六方晶（０００１）面である単結晶炭化珪素層が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド合成用基板。
表面が立方晶（１１１）面又は六方晶（０００１）面である単結晶炭化珪素基体と、この単結晶炭化珪素基体の上に形成され表面が（０００１）面である単結晶サファイア層と、この単結晶サファイア層の上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層とを有することを特徴とする単結晶ダイヤモンド合成用基板。
前記単結晶白金層の厚さが０．０１μｍ以上１μｍ未満であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド合成用基板。
前記単結晶白金層の厚さが１乃至１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド合成用基板。