JP4356808B2

JP4356808B2 - Diamond single crystal growth method

Info

Publication number: JP4356808B2
Application number: JP2002166536A
Authority: JP
Inventors: 誠嘉数; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: JP2004010429A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高品質なダイヤモンド単結晶を作製するダイヤモンド単結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、正孔の飽和速度が１×１０^７cm／ｓ、絶縁破壊電界が１０^７Ｖ／cmであり（D. L. Dreifus and B. A. Fox, Mark A. Prelas 著、Handbook of industrial diamonds and diamond films, Marcel Dekker, Inc. New York 1998, 1043ページ）、ダイヤモンド膜を用いた、GaAsの１０倍の遮断周波数をもつ電子デバイス（電界効果トランジスター）の実現が期待されている。
【０００３】
ダイヤモンド結晶の薄膜の作製例を図５に示す。図５（ａ）に示すように、ダイヤモンド以外のSiなどの材質の基板１０１上に、ダイヤモンドパウダー１０２を塗布する。この後、ダイヤモンドパウダー１０２が表面に塗布された基板１０１の上下を反転し、フェルトなどの材質の布に基板１０１を置く。基板１０１の裏面から押し付けながら、基板１０１を面内で１５分、回転させる。その間、ダイヤモンドパウダー１０２が、基板１０１の表面上に付着する。
【０００４】
ダイヤモンドパウダー１０２の付着後、マイクロ波ＣＶＤ（気相堆積）装置にＨ_２ガスとＣＨ_４ガスを供給し、マイクロ波ＣＶＤ（気相堆積）成長法で、図５（ｂ）に示すように、ダイヤモンド結晶１０３のダイヤモンド薄膜を成長する。
【０００５】
こうして、基板１０１上に付着したダイヤモンドパウダー１０２からダイヤモンド薄膜が成長する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、基板１０１（図５（ａ））表面を微視的に見ると、ダイヤモンドパウダー１０２は、各々ランダムな方位を向いているため、ダイヤモンドパウダー１０２から成長するダイヤモンド結晶１０３の面方位は無秩序である。そのため、大きく成長した結晶間には、結晶境界と呼ばれる結晶欠陥１０４が多数含まれてしまう。
【０００７】
また、基板１０１とダイヤモンド薄膜との間の格子不整合や熱膨張率差からも、結晶欠陥１０４が多数存在する。この結晶の水素終端機構（川原田洋他著、応用物理学会誌７０巻、５号、２０００年、５３６頁）を使った正孔移動度を室温で測定したところ、後述する表１に示すように、３０cm^２／Ｖｓと極めて低く、実用にはならなかった。
【０００８】
つまり、図５（ａ）に示す最初の工程で、基板１０１上に核付けされたダイヤモンドパウダー１０２の結晶面方位が無秩序であるため、そこから成長する結晶の面方位は無秩序であった。その結晶が合体する際に、多くの結晶欠陥ができてしまった。また、ダイヤモンド以外の材質の基板１０１を用いた場合、基板１０１とその上のダイヤモンド薄膜との間の格子不整合、熱膨張率差が大きく、結晶欠陥１０４が形成されやすかった。結晶欠陥１０４は、電子、正孔などキャリアの電気伝導を妨げるため、ダイヤモンド固有の高い移動度を得ることができず、そのため電子デバイスが実現しなかった。
【０００９】
このように、従来のダイヤモンド作製方法では、高品質なダイヤモンド薄膜結晶を得るのは極めて困難である。ダイヤモンド以外の材質を用いた基板の場合、基板とその上のダイヤモンド薄膜との間に、大きな格子不整合、熱膨張率差が存在するため、多くの結晶欠陥が生じるためである。また、高温高圧ダイヤモンドを基板として用いた場合であっても、高温高圧ダイヤモンド基板は、結晶欠陥、触媒金属、グラファイト相が多数含まれており、結晶品質は劣悪である。そのため、基板上のダイヤモンド薄膜は、基板から結晶欠陥を引き継ぎ、また残留不純物が拡散するので、結晶品質が劣悪である。
【００１０】
本発明は、前記の課題を解決し、ダイヤモンドの固有の優れた電気的特性、高温で動作し、高周波で動作する電子デバイスを実現することができるダイヤモンド単結晶成長方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、ダイヤモンド以外の材質を持つ基板上にダイヤモンドパウダーを付着させる第１の工程と、ダイヤモンドパウダーが付着した基板上に、複数の等間隔に配置された開口部を有するマスクを堆積する第２の工程と、当該開口部内の基板表面にダイヤモンドの微細結晶を形成する第３の工程と、当該ダイヤモンド結晶が融合するまで（１１１）面方位を出現させる成長条件で成長する第４の工程と、第４の工程で成長した当該ダイヤモンド結晶を残し基板を除去する第５の工程と、第５の工程で残した当該ダイヤモンド結晶上に、第４の工程とは異なる（００１）面方位を出現させる成長条件でダイヤモンド結晶を成長し、異なる結晶面方位を組み合わせる第６の工程とを有することを特徴とするダイヤモンド単結晶成長方法である。
【００１２】
請求項２の発明は、ダイヤモンド以外の材質を持つ基板上にダイヤモンドパウダーを付着させる第１の工程と、ダイヤモンドパウダーが付着した基板上に、複数の等間隔に配置された開口部を有するマスクを堆積する第２の工程と、当該開口部内の基板表面にダイヤモンドの微細結晶を形成する第３の工程と、当該ダイヤモンド結晶が融合するまで（００１）面方位を出現させる成長条件で成長する第４の工程と、第４の工程で成長した当該ダイヤモンド結晶を残し基板を除去する第５の工程と、第５の工程で残した当該ダイヤモンド結晶上に、第４の工程とは異なる（１１１）面方位を出現させる成長条件でダイヤモンド結晶を成長し、異なる結晶面方位を組み合わせる第６の工程とを含むことを特徴とするダイヤモンド単結晶成長方法である。
【００１３】
請求項３の発明は、（００１）面方位を有するダイヤモンド基板上に複数の等間隔に配置された開口部を有するマスクを堆積する第１の工程と、当該開口部内の基板表面にダイヤモンドの微細結晶を形成する第２の工程と、当該ダイヤモンド結晶が融合するまで（１１１）面方位を出現させる成長条件で成長する第３の工程と、第３の工程で成長した当該ダイヤモンド結晶上に、第３の工程とは異なる（００１）面方位を出現させる成長条件でダイヤモンド結晶を成長し、異なる結晶面方位を組み合わせる第４の工程とを含むことを特徴とするダイヤモンド単結晶成長方法である。
【００１４】
請求項４の発明は、（１１１）面方位を有するダイヤモンド基板上に複数の等間隔に配置された開口部を有するマスクを堆積する第１の工程と、当該開口部内の基板表面にダイヤモンドの微細結晶を形成する第２の工程と、当該ダイヤモンド結晶が融合するまで（００１）面方位を出現させる成長条件で成長する第３の工程と、第３の工程で成長した当該ダイヤモンド結晶上に、第３の工程とは異なる（１１１）面方位を出現させる成長条件でダイヤモンド結晶を成長し、異なる結晶面方位を組み合わせる第４の工程とを含むことを特徴とするダイヤモンド単結晶成長方法である。
【００１５】
本発明によれば、結晶欠陥が無く、残留不純物の無いダイヤモンド薄膜結晶を得ることができる。これを電子デバイスに応用することにより、高速の大電力デバイスが実現する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
本発明の実施の形態１によるダイヤモンド単結晶成長方法について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。図１（ａ）に示すように、ダイヤモンド以外の材質をもつ、例えばSi基板１を用意する。基板１の表面上に、２ミクロンから４ミクロン粒径のダイヤモンドパウダー２を塗布する。基板１の表裏を反転し、フェルトなどの布上に置く。基板１に裏面から圧力を掛けながら、基板１をフェルト布面上で１５分回転させる。回転速度は毎秒６０回転である。これによって、ダイヤモンドパウダー１２が基板１に核付けされる。
【００１８】
つぎに、基板１上に、１μm以上の厚さで、SiＯ_２またはＷのマスク３を、スパッター、ＥＣＲプラズマ堆積装置などにより堆積させる。この後、図１（ｂ）に示すように、リソグラフィーにより、開口部の幅０.１μm、１μmの周期で、マスク３を開口する。開口部３Ａの形状は、櫛形、長方形、三角、円などがある。
【００１９】
この後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に基板１を置く。基板温度を８００℃から９５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。このとき、開口部３Ａ内の基板表面に、ダイヤモンドの微細結晶が形成される。すると、（１１１）ファセットが出現する成長条件で成長する。図１（ｃ）に示すように、ダイヤモンド結晶４が開口部３Ａより成長する。隣りの結晶と合体するまで、ダイヤモンド結晶４を成長する。
【００２０】
ダイヤモンド結晶４が成長すると、基板１とダイヤモンド結晶４とを一旦外部に取り出す。そして、ダイヤモンド結晶４をレジストなどで保護し、図１（ｄ）に示すように、基板１のみを反応性エッチング装置で除去する。エッチングの際に使用するガスは酸素ガスである。
【００２１】
基板１が除去されたダイヤモンド結晶４をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に再び入れる。今度は、基板温度を６５０℃から７５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。（００１）ファセットが出現する成長条件で成長する。すると、図１（ｅ）に示すように、ダイヤモンド結晶５がダイヤモンド結晶４上に成長する。ダイヤモンド結晶５は極めて平坦で、結晶欠陥が少なかった。水素終端機構による室温での正孔移動度は、表１に示すように、４３０cm^２／Ｖｓであった。
【００２２】
表１

【００２３】
本実施の形態により、従来の作製方法によるダイヤモンド結晶１０３（図５（ｂ））の正孔移動度に比べて、極めて高くすることができた。
【００２４】
［実施の形態２］
本発明の実施の形態２によるダイヤモンド単結晶成長方法について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。図２（ａ）に示すように、ダイヤモンド以外の材質をもつ、例えばSi基板１１を用意する。基板１１の表面上に、２ミクロンから４ミクロン粒径のダイヤモンドパウダー１２を塗布する。基板１１の表裏を反転し、フェルトなどの布上に置く。基板１１に裏面から圧力を掛けながら、基板１１をフェルト布面上で１５分回転させる。回転速度は毎秒６０回転である。これによって、ダイヤモンドパウダー１２が基板１１上に核付けされる。
【００２５】
つぎに、基板１１上に、１μm以上の厚さで、SiＯ_２またはＷのマスク１３をスパッター、ＥＣＲプラズマ堆積装置などにより堆積させる。この後、図２（ｂ）に示すように、リソグラフィーにより、開口部の幅０.１μm、１μmの周期で、マスク１３を開口する。開口部１３Ａの形状は、櫛形、長方形、三角、円などがある。
【００２６】
この後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に基板１１を置く。そして、基板温度を６５０℃から７５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。このとき、開口部１３Ａ内の基板表面に、ダイヤモンドの微細結晶が形成される。すると、（００１）ファセットが出現する成長条件で成長する。図２（ｃ）に示すように、ダイヤモンド結晶１４は開口部１３Ａより成長する。隣りの結晶と合体するまで、ダイヤモンド結晶１４を成長する。
【００２７】
ダイヤモンド結晶１４が成長すると、基板１１とダイヤモンド結晶１４とを一旦外部に取り出す。そして、ダイヤモンド結晶１４をレジストなどで保護して、図１（ｄ）に示すように、基板１１のみを反応性エッチング装置で除去する。エッチングの際に使用するガスは酸素ガスである。
【００２８】
基板１１が除去されたダイヤモンド結晶４をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に再び入れる。今度は、基板温度を８００℃から９５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。（１１１）ファセットが出現する成長条件で成長する。すると、図２（ｅ）に示すように、ダイヤモンド結晶１５がダイヤモンド結晶１４上に成長する。ダイヤモンド結晶１５は極めて平坦で、結晶欠陥が少ない。
【００２９】
前記の表１に示すように、水素終端機構による室温での正孔移動度は５２０cm^２／Ｖｓであった。本実施の形態により、従来の作製方法によるダイヤモンド結晶１０３（図５（ｂ））の正孔移動度３０cm^２／Ｖｓに比べて、極めて高くすることができた。
【００３０】
［実施の形態３］
本発明の実施の形態３によるダイヤモンド単結晶成長方法について、図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。図３（ａ）に示すように、（００１）面方位のダイヤモンド基板２１を用意する。基板２１上に、１μm以上の厚さで、SiＯ_２またはＷのマスク２２をスパッター、ＥＣＲプラズマ堆積装置などにより堆積させる。
【００３１】
この後、図３（ｂ）に示すように、マスク２２をリソグラフィーにより、開口部の幅０.１μm、１μmの周期で開口する。開口部２２Ａの形状は、櫛形、長方形、三角、円などがある。
【００３２】
この後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に基板２１を置く。基板温度を８００℃から９５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。このとき、開口部２２Ａ内の基板表面に、ダイヤモンドの微細結晶が形成される。すると、（１１１）ファセットが出現する成長条件で成長する。図３（ｃ）に示すように、ダイヤモンド結晶２３が開口部２２Ａより成長する。隣りの結晶と合体するまで、ダイヤモンド結晶２３を成長する。
【００３３】
ダイヤモンド結晶２３が成長すると、基板２１とダイヤモンド結晶２３とを一旦外部に取り出す。そして、ダイヤモンド結晶２３をレジストなどで保護して、図３（ｄ）に示すように、基板２１のみを反応性エッチング装置で除去する。
【００３４】
基板２１が除去されたダイヤモンド結晶２３をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に再び入れる。今度は、基板温度を６５０℃から７５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。（００１）ファセットが出現する成長条件で成長する。すると、図３（ｅ）に示すように、ダイヤモンド結晶２４がダイヤモンド結晶２３上に成長する。ダイヤモンド結晶２４は極めて平坦で、結晶欠陥が少ない。
【００３５】
水素終端機構による室温での移動度は、前記の表１で示すように、１４３０cm^２／Ｖｓであった。本実施の形態により、従来の作製方法によるダイヤモンド結晶１０３（図５（ｂ））の正孔移動度３０cm^２／Ｖｓに比べて、極めて高くすることができた。
【００３６】
［実施の形態４］
本発明の実施の形態４によるダイヤモンド単結晶成長方法について、図４を用いて説明する。図４は、本実施の形態によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。図４（ａ）に示すように、（１１１）面方位のダイヤモンド基板３１を用意する。基板３１上に、１μm以上の厚さで、SiＯ_２またはＷのマスク３２をスパッター、ＥＣＲプラズマ堆積装置などにより堆積させる。この後、図４（ｂ）に示すように、マスク３２をリソグラフイーにより、開口部の幅０.１μm、１μmの周期で開口する。開口部３２Ａの形状は、櫛形、長方形、三角、円などがある。
【００３７】
この後、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に基板３１を置く。そして、基板温度を６５０℃から７５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。このとき、開口部３２Ａ内の基板表面に、ダイヤモンドの微細結晶が形成される。すると、（００１）ファセットが出現する成長条件で成長する。図４（ｃ）に示すように、ダイヤモンド結晶３３は開口部３２Ａより成長する。隣りの結晶と合体するまで、ダイヤモンド結晶３３を成長する。
【００３８】
ダイヤモンド結晶３３が成長すると、基板３１とダイヤモンド結晶３３とを一旦外部に取り出す。そして、ダイヤモンド結晶３３をレジストなどで保護して、図４（ｄ）に示すように、基板３１のみを反応性エッチング装置で除去する。
【００３９】
基板３１が除去されたダイヤモンド結晶３３をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置内に再び入れる。今度は、基板温度を８００℃から９５０℃にし、Ｈ_２ガスを３００ccm、ＣＨ_４ガスを３ccmの流量で導入し、圧力５０Torr、マイクロ波出力１３００Ｗでダイヤモンドを成長する。（１１１）ファセットが出現する成長条件で成長する。すると、図４（ｅ）に示すように、ダイヤモンド結晶３４がダイヤモンド結晶３３上に成長する。ダイヤモンド結晶３４は極めて平坦で、結晶欠陥が少ない。
【００４０】
水素終端機構による室温での移動度は、前記の表１で示すように、１５３０cm^２／Ｖｓであった。本実施の形態により、従来の作製方法によるダイヤモンド結晶１０３（図５（ｂ））の正孔移動度３０cm^２／Ｖｓに比べて、極めて高くすることができた。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、本発明に含まれる。
【００４２】
【発明の効果】
以上、説明したように、シリコンなどダイヤモンド以外の材質を持つ基板上の等間隔の開口部を有するマスクにより核の位置を制御し、基板を除去することにより、ダイヤモンド結晶が厚くなった後の、基板とダイヤモンド結晶との熱膨張率差によるひずみを回避することができる。
【００４３】
また、本発明では、ダイヤモンド基板上に等間隔の開口部を有するマスクにより核の位置を制御し、ダイヤモンド結晶が厚くなった後の、基板とダイヤモンド結晶との熱膨張率差によるひずみを回避することができる。
【００４４】
いずれも結晶欠陥の全く無いダイヤモンド単結晶を得ることができる。これを電子デバイスに応用することにより、高速の大電力デバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。
【図２】本発明の実施の形態２によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。
【図３】本発明の実施の形態３によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施の形態４によるダイヤモンド単結晶成長方法を説明するための説明図である。
【図５】従来の作製方法を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、３１基板
２、１２ダイヤモンドパウダー
３、１３、２２、３２マスク
３Ａ、１３Ａ、２２Ａ、３２Ａ開口部
４、５、１４、１５、２３、２４、３３、３４ダイヤモンド結晶[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diamond single crystal growth method for producing a high-quality diamond single crystal.
[0002]
[Prior art]
Diamond has a hole saturation rate of 1 × 10 ⁷ cm / s and a breakdown electric field of 10 ⁷ V / cm (by DL Dreifus and BA Fox, Mark A. Prelas, Handbook of industrial diamonds and diamond films, Marcel Dekker, Inc. New York 1998, p. 1043), it is expected to realize an electronic device (field effect transistor) using a diamond film and having a cutoff frequency 10 times that of GaAs.
[0003]
An example of producing a diamond crystal thin film is shown in FIG. As shown in FIG. 5A, diamond powder 102 is applied onto a substrate 101 made of a material such as Si other than diamond. Thereafter, the substrate 101 on which the diamond powder 102 is applied is turned upside down, and the substrate 101 is placed on a cloth made of felt or the like. While pressing from the back surface of the substrate 101, the substrate 101 is rotated in the surface for 15 minutes. Meanwhile, diamond powder 102 adheres on the surface of the substrate 101.
[0004]
After the diamond powder 102 is attached, H ₂ gas and CH ₄ gas are supplied to a microwave CVD (vapor deposition) apparatus, and a microwave CVD (vapor deposition) growth method is used, as shown in FIG. A diamond thin film of diamond crystal 103 is grown.
[0005]
Thus, a diamond thin film grows from the diamond powder 102 attached on the substrate 101.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the surface of the substrate 101 (FIG. 5A) is viewed microscopically, since the diamond powders 102 are oriented in random directions, the plane orientation of the diamond crystal 103 grown from the diamond powder 102 is disordered. is there. Therefore, a large number of crystal defects 104 called crystal boundaries are included between crystals that have grown greatly.
[0007]
Many crystal defects 104 also exist due to lattice mismatch and thermal expansion coefficient difference between the substrate 101 and the diamond thin film. The hole mobility of this crystal using the hydrogen termination mechanism (Hiro Kawahara et al., Journal of Applied Physics, Vol. 70, No. 5, 2000, p. 536) was measured at room temperature. 30 cm ² / Vs, which is extremely low and has not been put into practical use.
[0008]
That is, in the first step shown in FIG. 5A, the crystal plane orientation of the diamond powder 102 nucleated on the substrate 101 is disordered, and therefore the crystal plane orientation of the crystal grown therefrom is disordered. Many crystal defects were formed when the crystals merged. Further, when the substrate 101 made of a material other than diamond was used, the lattice mismatch between the substrate 101 and the diamond thin film thereon was large and the difference in thermal expansion coefficient was large, so that the crystal defect 104 was easily formed. Since the crystal defect 104 hinders electric conduction of carriers such as electrons and holes, the high mobility inherent in diamond cannot be obtained, and thus an electronic device cannot be realized.
[0009]
Thus, it is extremely difficult to obtain a high-quality diamond thin film crystal by the conventional diamond manufacturing method. This is because in the case of a substrate using a material other than diamond, a large lattice mismatch and a difference in thermal expansion coefficient exist between the substrate and the diamond thin film thereon, so that many crystal defects are generated. Even when high-temperature and high-pressure diamond is used as a substrate, the high-temperature and high-pressure diamond substrate contains many crystal defects, catalytic metals, and graphite phases, and the crystal quality is poor. Therefore, the diamond thin film on the substrate inherits crystal defects from the substrate, and residual impurities diffuse, so that the crystal quality is poor.
[0010]
An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a diamond single crystal growth method capable of realizing an excellent electrical characteristic of diamond, an electronic device operating at a high temperature and operating at a high frequency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 includes a first step of depositing diamond powder on a substrate having a material other than diamond, and a plurality of equal intervals on the substrate to which diamond powder is adhered. A second step of depositing a mask having a formed opening, a third step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening, and a (111) plane orientation appears until the diamond crystal is fused a fourth step of growing at a growth condition for a fifth step of removing the substrate leaving a grown the diamond crystals in the fourth step, on the fifth step in the diamond crystals left, the fourth the diamond crystal was grown in growth conditions that would give different (001) plane orientation is a process characterized by having a sixth step of combining the different crystal orientation Iyamondo is a single crystal growth method.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a first step of depositing diamond powder on a substrate having a material other than diamond, and a mask having a plurality of openings arranged at equal intervals on the substrate to which diamond powder is adhered. A second step of depositing, a third step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening, and a fourth step of growing under a growth condition in which a (001) plane orientation appears until the diamond crystal is fused. The fifth step of removing the substrate while leaving the diamond crystal grown in the fourth step, and the (111) plane different from the fourth step on the diamond crystal left in the fifth step growing diamond crystals in growth conditions that would give the orientation, a diamond single crystal growth method characterized by comprising a sixth step of combining different crystal plane orientation That.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a first step of depositing a plurality of masks having openings arranged at equal intervals on a diamond substrate having a (001) plane orientation, and fine diamond particles on the substrate surface in the openings. a second step of forming a crystal, a third step of the diamond crystal is grown at a growth condition that would give the (111) orientation until the fusion on the diamond crystals grown in the third step, the A diamond single crystal growth method comprising: a fourth step of growing a diamond crystal under a growth condition that causes a different (001) plane orientation to appear, and combining the different crystal plane orientations .
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first step of depositing a plurality of masks having openings arranged at equal intervals on a diamond substrate having a (111) plane orientation, and fine diamonds on the substrate surface in the openings. a second step of forming a crystal, a third step of the diamond crystal is grown at a growth condition that would give the (001) orientation until the fusion on the diamond crystals grown in the third step, the A diamond single crystal growth method comprising: a fourth step of growing a diamond crystal under a growth condition that causes a different (111) plane orientation to appear, and combining the different crystal plane orientations .
[0015]
According to the present invention, it is possible to obtain a diamond thin film crystal having no crystal defects and no residual impurities. By applying this to an electronic device, a high-speed high-power device is realized.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0017]
[Embodiment 1]
A diamond single crystal growth method according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to the present embodiment. As shown in FIG. 1A, for example, a Si substrate 1 having a material other than diamond is prepared. On the surface of the substrate 1, diamond powder 2 having a particle diameter of 2 to 4 microns is applied. The front and back of the substrate 1 are reversed and placed on a cloth such as felt. The substrate 1 is rotated on the felt cloth surface for 15 minutes while pressure is applied to the substrate 1 from the back surface. The rotational speed is 60 revolutions per second. Thereby, the diamond powder 12 is nucleated on the substrate 1.
[0018]
Next, a SiO ₂ or W mask 3 having a thickness of 1 μm or more is deposited on the substrate 1 by sputtering, an ECR plasma deposition apparatus or the like. Thereafter, as shown in FIG. 1B, the mask 3 is opened by lithography with a period of widths of 0.1 μm and 1 μm by lithography. The shape of the opening 3A includes a comb shape, a rectangle, a triangle, a circle, and the like.
[0019]
Thereafter, the substrate 1 is placed in a microwave plasma CVD apparatus. The substrate temperature is changed from 800 ° C. to 950 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. At this time, a fine diamond crystal is formed on the surface of the substrate in the opening 3A. Then, it grows under the growth conditions in which the (111) facet appears. As shown in FIG. 1C, the diamond crystal 4 grows from the opening 3A. The diamond crystal 4 is grown until it merges with the adjacent crystal.
[0020]
When the diamond crystal 4 grows, the substrate 1 and the diamond crystal 4 are once taken out. Then, the diamond crystal 4 is protected with a resist or the like, and only the substrate 1 is removed by a reactive etching apparatus as shown in FIG. The gas used for etching is oxygen gas.
[0021]
The diamond crystal 4 from which the substrate 1 has been removed is again placed in the microwave plasma CVD apparatus. Next, the substrate temperature is changed from 650 ° C. to 750 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. (001) Grows under growth conditions in which facets appear. Then, the diamond crystal 5 grows on the diamond crystal 4 as shown in FIG. The diamond crystal 5 was extremely flat and had few crystal defects. As shown in Table 1, the hole mobility at room temperature by the hydrogen termination mechanism was 430 cm ² / Vs.
[0022]
Table 1

[0023]
According to this embodiment, the hole mobility of the diamond crystal 103 (FIG. 5B) obtained by the conventional manufacturing method can be made extremely high.
[0024]
[Embodiment 2]
A diamond single crystal growth method according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to the present embodiment. As shown in FIG. 2A, for example, a Si substrate 11 having a material other than diamond is prepared. A diamond powder 12 having a particle diameter of 2 to 4 microns is applied on the surface of the substrate 11. The substrate 11 is turned upside down and placed on a cloth such as felt. The substrate 11 is rotated on the felt cloth surface for 15 minutes while pressure is applied to the substrate 11 from the back surface. The rotational speed is 60 revolutions per second. As a result, the diamond powder 12 is nucleated on the substrate 11.
[0025]
Next, a SiO ₂ or W mask 13 is deposited on the substrate 11 with a thickness of 1 μm or more by sputtering, an ECR plasma deposition apparatus or the like. Thereafter, as shown in FIG. 2B, the mask 13 is opened by lithography with a cycle of the width of the opening of 0.1 μm and 1 μm. The shape of the opening 13A includes a comb shape, a rectangle, a triangle, a circle, and the like.
[0026]
Thereafter, the substrate 11 is placed in a microwave plasma CVD apparatus. Then, the substrate temperature is changed from 650 ° C. to 750 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. At this time, a fine diamond crystal is formed on the surface of the substrate in the opening 13A. Then, it grows under the growth condition in which the (001) facet appears. As shown in FIG. 2C, the diamond crystal 14 grows from the opening 13A. The diamond crystal 14 is grown until it merges with the adjacent crystal.
[0027]
When the diamond crystal 14 grows, the substrate 11 and the diamond crystal 14 are once taken out to the outside. Then, the diamond crystal 14 is protected with a resist or the like, and only the substrate 11 is removed by a reactive etching apparatus as shown in FIG. The gas used for etching is oxygen gas.
[0028]
The diamond crystal 4 from which the substrate 11 has been removed is put back into the microwave plasma CVD apparatus. Next, the substrate temperature is changed from 800 ° C. to 950 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. (111) Grows under growth conditions in which facets appear. Then, the diamond crystal 15 grows on the diamond crystal 14 as shown in FIG. The diamond crystal 15 is extremely flat and has few crystal defects.
[0029]
As shown in Table 1 above, the hole mobility at room temperature by the hydrogen termination mechanism was 520 cm ² / Vs. According to the present embodiment, the hole mobility of the diamond crystal 103 (FIG. 5B) according to the conventional manufacturing method can be made extremely higher than the hole mobility of 30 cm ² / Vs.
[0030]
[Embodiment 3]
A diamond single crystal growth method according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to the present embodiment. As shown in FIG. 3A, a diamond substrate 21 having a (001) orientation is prepared. A SiO ₂ or W mask 22 having a thickness of 1 μm or more is deposited on the substrate 21 by sputtering, an ECR plasma deposition apparatus or the like.
[0031]
Thereafter, as shown in FIG. 3B, the mask 22 is opened by lithography with a period of width of 0.1 μm and 1 μm by lithography. The shape of the opening 22A includes a comb shape, a rectangle, a triangle, a circle, and the like.
[0032]
Thereafter, the substrate 21 is placed in a microwave plasma CVD apparatus. The substrate temperature is changed from 800 ° C. to 950 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. At this time, a fine diamond crystal is formed on the substrate surface in the opening 22A. Then, it grows under the growth conditions in which the (111) facet appears. As shown in FIG. 3C, the diamond crystal 23 grows from the opening 22A. The diamond crystal 23 is grown until it merges with the adjacent crystal.
[0033]
When the diamond crystal 23 grows, the substrate 21 and the diamond crystal 23 are once taken out. Then, the diamond crystal 23 is protected with a resist or the like, and only the substrate 21 is removed by a reactive etching apparatus as shown in FIG.
[0034]
The diamond crystal 23 from which the substrate 21 has been removed is placed in the microwave plasma CVD apparatus again. Next, the substrate temperature is changed from 650 ° C. to 750 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. (001) Grows under growth conditions in which facets appear. Then, the diamond crystal 24 grows on the diamond crystal 23 as shown in FIG. The diamond crystal 24 is extremely flat and has few crystal defects.
[0035]
As shown in Table 1 above, the mobility at room temperature by the hydrogen termination mechanism was 1430 cm ² / Vs. According to the present embodiment, the hole mobility of the diamond crystal 103 (FIG. 5B) according to the conventional manufacturing method can be made extremely higher than the hole mobility of 30 cm ² / Vs.
[0036]
[Embodiment 4]
A diamond single crystal growth method according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to the present embodiment. As shown in FIG. 4A, a diamond substrate 31 having a (111) orientation is prepared. A SiO ₂ or W mask 32 having a thickness of 1 μm or more is deposited on the substrate 31 by sputtering, an ECR plasma deposition apparatus or the like. Thereafter, as shown in FIG. 4B, the mask 32 is opened with a period of 0.1 μm and 1 μm in width of the opening by lithography. The shape of the opening 32A includes a comb shape, a rectangle, a triangle, a circle, and the like.
[0037]
Thereafter, the substrate 31 is placed in a microwave plasma CVD apparatus. Then, the substrate temperature is changed from 650 ° C. to 750 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. At this time, a fine diamond crystal is formed on the surface of the substrate in the opening 32A. Then, it grows under the growth condition in which the (001) facet appears. As shown in FIG. 4C, the diamond crystal 33 grows from the opening 32A. The diamond crystal 33 is grown until it merges with the adjacent crystal.
[0038]
When the diamond crystal 33 grows, the substrate 31 and the diamond crystal 33 are once taken out. Then, the diamond crystal 33 is protected with a resist or the like, and only the substrate 31 is removed by a reactive etching apparatus as shown in FIG.
[0039]
The diamond crystal 33 from which the substrate 31 has been removed is placed in the microwave plasma CVD apparatus again. Next, the substrate temperature is changed from 800 ° C. to 950 ° C., H ₂ gas is introduced at a flow rate of 300 ccm, CH ₄ gas is introduced at a flow rate of ₃ ccm, and diamond is grown at a pressure of 50 Torr and a microwave output of 1300 W. (111) Grows under growth conditions in which facets appear. Then, the diamond crystal 34 grows on the diamond crystal 33 as shown in FIG. The diamond crystal 34 is extremely flat and has few crystal defects.
[0040]
The mobility at room temperature by the hydrogen termination mechanism was 1530 cm ² / Vs as shown in Table 1 above. According to the present embodiment, the hole mobility of the diamond crystal 103 (FIG. 5B) according to the conventional manufacturing method can be made extremely higher than the hole mobility of 30 cm ² / Vs.
[0041]
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the specific configuration is not limited to the present embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, Included in the invention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, the position of the nuclei is controlled by a mask having equally-spaced openings on a substrate having a material other than diamond such as silicon, and the diamond crystal is thickened by removing the substrate. Distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the diamond crystal can be avoided.
[0043]
Further, in the present invention, the position of the nucleus is controlled by a mask having openings at equal intervals on the diamond substrate to avoid distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the diamond crystal after the diamond crystal is thickened. be able to.
[0044]
In either case, a diamond single crystal having no crystal defects can be obtained. By applying this to an electronic device, a high-speed high-power device can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a diamond single crystal growth method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram for describing a conventional manufacturing method.
[Explanation of symbols]
1, 11, 21, 31 Substrate 2, 12 Diamond powder 3, 13, 22, 32 Mask 3A, 13A, 22A,

32A Openings

4, 5, 14, 15, 23, 24, 33, 34 Diamond crystal

Claims

A first step of depositing diamond powder on a substrate having a material other than diamond;
A second step of depositing a plurality of masks having openings arranged at equal intervals on a substrate to which diamond powder is adhered;
A third step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening;
A fourth step of growing under a growth condition in which a (111) plane orientation appears until the diamond crystal is fused;
A fifth step of removing the substrate while leaving the diamond crystal grown in the fourth step;
A sixth step of growing a diamond crystal on the diamond crystal left in the fifth step under a growth condition that causes a different (001) plane orientation to appear in the fourth step and combining the different crystal plane orientations; A diamond single crystal growth method characterized by the above.

A first step of depositing diamond powder on a substrate having a material other than diamond;
A second step of depositing a plurality of masks having openings arranged at equal intervals on a substrate to which diamond powder is adhered;
A third step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening;
A fourth step of growing under a growth condition in which a (001) plane orientation appears until the diamond crystal is fused;
A fifth step of removing the substrate while leaving the diamond crystal grown in the fourth step;
Including a sixth step of growing the diamond crystal on the diamond crystal left in the fifth step under a growth condition that causes a (111) plane orientation different from that in the fourth step to appear, and combining the different crystal plane orientations. A diamond single crystal growth method characterized by the above.

A first step of depositing a mask having a plurality of equally spaced openings on a diamond substrate having a (001) plane orientation;
A second step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening;
A third step of growing under growth conditions in which a (111) plane orientation appears until the diamond crystal is fused;
Including a fourth step of growing a diamond crystal on the diamond crystal grown in the third step under a growth condition that causes a (001) plane orientation different from that in the third step to appear, and combining different crystal plane orientations. A diamond single crystal growth method characterized by the above.

A first step of depositing a mask having a plurality of equally spaced openings on a diamond substrate having a (111) plane orientation;
A second step of forming a diamond fine crystal on the substrate surface in the opening;
A third step of growing under growth conditions in which a (001) plane orientation appears until the diamond crystal is fused;
Including a fourth step of growing a diamond crystal on the diamond crystal grown in the third step under a growth condition that causes a (111) plane orientation different from that in the third step to appear, and combining different crystal plane orientations. A diamond single crystal growth method characterized by the above.