JP4789009B2 - ダイヤモンド基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
ダイヤモンドを半導体や光学材料として利用するためには、他の半導体材料と同様に大型の単結晶基板が必要である。なぜならデバイスの作製に必須である半導体ウェハプロセスおよびその装置は、数インチ径のウェハを前提として設計開発されているからである。
(1)シリコン基板上に単結晶ダイヤモンド種基板が配置されたダイヤモンド基板であって、シリコン基板に凹部が存在し、この凹部上に主面の面方位が(111)である単結晶ダイヤモンド種基板が配置されており、シリコン基板の凹部以外の表面上に(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層が設けられており、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層を介して接合され、該ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板とが表面近傍で密着し、両者の表面が実質的に平坦化且つ一体化されていることを特徴とするダイヤモンド基板。
(3)前記単結晶ダイヤモンド種基板の形状が、主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする前記(1)または(2)に記載のダイヤモンド基板。
(5)前記シリコン基板が、主面の面方位が(100)の単結晶であることを特徴とする前記(1)から(4)のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
(7)前記ダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする前記(1)から(6)のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
(8)前記シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さが10μm以上であることを特徴とする前記(1)から(7)のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
(10)前記溝が、深さ3μm以下、幅20μm以下であることを特徴とする前記(9)に記載のダイヤモンド基板。
凹部となる第1の領域と、該第1の領域を取り囲む第2の領域とを含む主面を有するシリコン基板の第1の領域に、第1の領域の凹部深さよりも板厚が厚く、かつ主面の面方位が(111)である単結晶ダイヤモンド種基板を載置する載置工程と、
気相合成法を用いて前記単結晶ダイヤモンド種基板と前記第2の領域上に、第2の領域上のダイヤモンド層が(100)配向もしくは(110)配向となるように気相合成ダイヤモンド層を形成して互いを接続する接続工程と、
単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層全部と、第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する研磨工程と、
を有することを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。
(13)前記第1の領域に載置する単結晶ダイヤモンド種基板の形状が、主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする前記(11)または(12)に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(15)第1の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際に、単結晶ダイヤモンド種基板と前記第1の領域の凹部との隙間が200μm以下となることを特徴とする前記(11)から(14)のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(16)第1の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際に、単結晶ダイヤモンド種基板と前記第1の領域の凹部との隙間に対する単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板の主面部における第2の領域との段差の比が0.3以上120以下となることを特徴とする前記(11)から(15)のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(18)前記研磨工程後のダイヤモンド基板の表面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする前記(11)から(17)のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(19)前記研磨工程後のダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする前記(11)から(18)のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(20)前記研磨工程後における第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の厚さが、10μm以上であることを特徴とする前記(11)から(19)のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(22)前記単結晶ダイヤモンド種基板の周囲に発生した溝が、深さ3μm以下、幅20μm以下であることを特徴とする前記(21)に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
本発明のダイヤモンド基板は、シリコン基板上に単結晶ダイヤモンド種基板が配置されたダイヤモンド基板であって、シリコン基板に凹部が存在し、この凹部上に主面の面方位が(111)である単結晶ダイヤモンド種基板が配置されており、シリコン基板の凹部以外の表面上に(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層が設けられており、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層を介して接合され、該ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板とが表面近傍で密着し、両者の表面が実質的に平坦化且つ一体化されている。
気相合成法を用いて前記単結晶ダイヤモンド種基板と前記第2の領域上に、第2の領域上のダイヤモンド層が(100)配向もしくは(110)配向となるように気相合成ダイヤモンド層を形成して互いを接続する接続工程と、
単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層全部と、第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する研磨工程、
により製造することができる。ただし、本発明に係るダイヤモンド基板は、上記の製造方法に限定されるものではない。
シリコン基板に形成された凹部に載置する単結晶ダイヤモンド種基板の形状は、主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることが望ましい。
シリコン基板上への凹部形成方法としては、エンドミル加工やドリル加工などの機械加工、ウェットエッチング、又はドライエッチングが好ましい。機械加工やウェットエッチング加工では安価で短時間の加工が可能となり、また、ドライエッチングでは加工精度の高い凹部形成が可能となる。
シリコン基板上に形成した凹部のサイズは、単結晶ダイヤモンド種基板サイズに対してその周囲の最大の隙間(以下、隙間量と称す)が200μm以下となるのが好ましい。より好ましくは20μm以上100μm以下である。これにより、最低限の気相合成ダイヤモンド層の形成によって、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板を接続することができる。また、凹部の深さは10μm以上500μm以下、好ましくは20μm以上300μm以下が望ましい。深さが浅いと単結晶ダイヤモンド載置時に位置が動く場合がある。一方、深すぎると、凹部加工の時間がかかるだけでなく、研磨時のシリコン基板割れに繋がる。凹部の深さが前記範囲にあることにより、低コストで再現性よくダイヤモンド基板を得ることができる。
前記段差量と隙間量の関係が、隙間量に対する段差量の比が0.3以上120以下となることが好ましく、より好ましくは0.4以上5以下である。隙間量に対する段差量の比がこの範囲内であると、続く工程中で、シリコン基板から単結晶ダイヤモンド種基板が脱落することがなく、製造工程での不良率を低減できる。
本発明で用いるシリコン基板は、直径2インチ以上で厚さは0.3mm以上5mm以下のウェハ状が望ましい。これにより、大面積でウェハプロセスに投入可能なダイヤモンド基板を提供できる。
研磨工程は、単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層全部と、第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する。第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層は、第2の領域上に気相合成ダイヤモンド層が残るように、その一部を、全面又は面の一部において研磨除去し、ダイヤモンド種基板と第2の領域上の気相合成ダイヤモンド層を実質的に平坦化する。
さらにダイヤモンド基板裏面のシリコン基板部分と、第1の領域の凹部に含まれる単結晶ダイヤモンド種基板を研磨等の機械的に除去することにより、自立型ダイヤモンド基板として使用できる。
これにより、さらに薄いダイヤモンド基板となり、既存のウェハプロセスに適用しやすくなる。
[実施例1]
本実施例の製造工程は以下の4つからなる。
第一の工程はシリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板をそれぞれ準備し、シリコン基板主面には第1の領域となる凹加工を施し、シリコン基板主面部の凹部に単結晶ダイヤモンド種基板を載置する工程(以下、載置工程とする)。第二工程は気相合成法によりシリコン基板主面部及び単結晶ダイヤモンド種基板主面部に気相合成ダイヤモンド層を形成して両者を接続する工程(以下、接続工程とする)。第三工程は単結晶ダイヤモンド種基板上及びシリコン基板主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層を機械的に研磨する工程(以下、研磨工程とする)。そして、完成した製品の評価を行う工程(以下、評価工程とする)である。
載置工程を模式的に図1に示す。用意した単結晶ダイヤモンド種基板1は、高温高圧合成法で得られたIb型単結晶ダイヤモンドで、主面の面方位は(111)、サイズは縦2mm、横2mm、厚さ300μmの角が丸くなった4角型であり、主面方向から見た4角の角半径5は50μmとした(図1(b))。シリコン基板2は多結晶体であり、サイズは直径2インチで厚さは1mmとした。シリコン基板主面部にはエンドミル加工で凹部となる第1の領域3が形成され、そのサイズは縦2.1mm、横2.1mm、図1(c)に示す凹部深さ7は250μmとし、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部の隙間4を50μmとして単結晶ダイヤモンド種基板1を載置した(図1(a)(c))。単結晶ダイヤモンド種基板1載置後の単結晶ダイヤモンド種基板1とシリコン基板2主面部の段差6は50μmとした(図1(c))。
ここでは気相合成法を用いて、単結晶ダイヤモンド種基板1主面部及びシリコン基板2主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には、公知のマイクロ波プラズマCVD法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比(メタン流量/水素流量)1%、シリコン基板の温度が850℃、圧力が1.5×104Paとして、30時間合成した。
気相合成ダイヤモンド層形成後の基板の断面を模式的に図2に示す。シリコン基板2上に形成された気相合成ダイヤモンド層8及び単結晶ダイヤモンド種基板1上に形成された気相合成ダイヤモンド層9は、(110)配向ダイヤモンドであった。シリコン基板2の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層8の厚さは60±8μm、単結晶ダイヤモンド種基板1の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層9の厚さは80μmであった。
単結晶ダイヤモンド種基板1上及びシリコン基板2主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層8,9を、自公転・乾式の研磨装置を用いて機械的に研磨した。研磨荷重は5kgとした。40時間の研磨後、単結晶ダイヤモンド種基板を露出させることができ、表面全面が鏡面に研磨された。研磨後のダイヤモンド基板の板厚は1.039〜1.049mm(すなわち気相合成ダイヤモンド層の厚さは39〜49μm)であった。この時の基板反り量は、表面(ダイヤモンド面)が凸(+)10μm、裏面(シリコン面)が凹(−)10μmであった。研磨後の基板の断面を模式的に図3に示す。図3において、単結晶ダイヤモンド種基板1がシリコン基板2上に形成された気相合成ダイヤモンド層8を介してシリコン基板2に接合され、単結晶ダイヤモンド種基板1と気相合成ダイヤモンド層8とが表面近傍で密着し、両者の表面が実質的に平坦化且つ一体化されていることが分かる。
まず、単結晶ダイヤモンド種基板1表面と、その周囲の研磨済み気相合成ダイヤモンド層8の接続部を、光学顕微鏡で観察した。その結果、図3中、表面接合領域10を図4に模式的に示すように、種基板1の表面周囲の一部に、2重にわたる単結晶ダイヤモンド種基板1周辺の接合領域に生じた溝11が観察された(図4(a))。図4(b)に基板の断面の様子を示すように、この溝11のサイズを原子間力顕微鏡(AFM)で評価したところ、内側の溝深さは354nm、幅は11μmで、外側の溝深さ13は2.8μm、溝幅12は19μmであった。単結晶ダイヤモンド種基板1と気相合成ダイヤモンド層8の段差14は0.6μmであった。また、単結晶ダイヤモンド種基板1の表面粗さはRaで2nmであった。
ここで比較例1として、シリコン基板に凹部を形成しないで作製した例について述べる。ここでは、実施例1と同じ仕様の単結晶ダイヤモンド種基板、シリコン基板を用意したが、<載置工程>において、図5に示すように、シリコン基板2には凹部を形成せず、そのまま平面の表面上に単結晶ダイヤモンド種基板1を載置した。<接続工程>は実施例1と同じとし、<研磨工程>を行ったところ、研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板が脱落した。このことから、シリコン基板に凹部を形成することの優位性が明らかになった。
さらに比較例2として、図6に示すように、シリコン基板2凹部の深さと、単結晶ダイヤモンド種基板1の板厚が一致した例について述べる。ここでは、実施例1と同じ仕様の単結晶ダイヤモンド種基板、シリコン基板を用意したが、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が250μmである点のみが異なる。
<接続工程>は実施例1と同じとし、<研磨工程>を行ったところ、単結晶ダイヤモンド種基板1上の気相合成ダイヤモンド層の厚さが10μmより薄くなった時点で、単結晶ダイヤモンド種基板1が脱落し、種基板表面を露出させることはできなかった。このことから、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚はシリコン基板に形成した凹部の深さよりも厚い必要があり、また、シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さは10μm以上ある必要があることがわかった。
さらに比較例3として、<接続工程>におけるシリコン基板上に形成する気相合成多結晶ダイヤモンド層を(111)配向で成長させた以外は実施例1と同じとし、ダイヤモンド基板を作製した。
ダイヤモンド合成条件はメタン流量比(メタン流量/水素流量)0.25%、シリコン基板の温度が1150℃、圧力が1.2×104Paとして、30時間合成した。X線回折により、多結晶ダイヤモンドが(111)配向であることを確認した。その後研磨工程を通した後、実施例1と同様にリンを不純物としたn型ドーピング層を形成した。その結果、合成済みの基板は単結晶部分が周囲の多結晶より1.9〜3.3μm低く窪んでしまった。
本実施例の製造工程は実施例1と同じ4つから成る。
<載置工程>
載置工程の模式図が図7である。用意した単結晶ダイヤモンド種基板1は3枚あり、いずれも高温高圧合成法で得られたIIa型単結晶ダイヤモンドで、主面の面方位は(111)、サイズは直径2mm、厚さ100μmの円板状である。シリコン基板2は主面が(111)の単結晶基板であり、サイズは直径2インチで厚さは0.3mmとした。シリコン基板主面部には、図7(a)に示すように、マスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で凹部となる第1の領域3を3ヶ所形成した。その形状は直径2.05mm、深さ70μmの円筒状とし、単結晶ダイヤモンド種基板1に対して側面の隙間を25μm取った。図7(b)に示すように、単結晶ダイヤモンド種基板1載置後のシリコン基板2主面部と単結晶ダイヤモンド種基板1主面部との段差は30μmとした。
ここでは気相合成法を用いて、単結晶ダイヤモンド種基板1主面部及びシリコン基板2主面部に気相合成ダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には、公知の熱フィラメントCVD法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比(メタン流量/水素流量)1.0%、シリコン基板の温度が1000℃、圧力が1.3×104Paとして、30時間合成した。
実施例1の<研磨工程>と同様の条件で研磨したが、単結晶ダイヤモンド種基板1が露出するまでの研磨時間は35時間であった。研磨後のダイヤモンド基板の板厚は0.31mmであった。この時の基板反り量は、表面(ダイヤモンド面)が−10μm、裏面(シリコン面)が+10μmであった。また、<接続工程>で認められた、単結晶ダイヤモンド種基板1とこの上に成長した気相合成ダイヤモンド層9の界面近傍に存在した亀裂領域15は完全に消失し、研磨で除去されていることがわかった。これにより、単結晶ダイヤモンド種基板1の主面が(111)で、周囲を(100)配向ダイヤモンドで囲われたダイヤモンド基板が得られた。
表面に露出した単結晶ダイヤモンド種基板1の、正確な面方位を特定するため、ωスキャン法とX線全反射法を組み合わせて、基板面方位を測定した。この結果、単結晶ダイヤモンド種基板1表面は(111)面から0.5度ずれた方向を向いていることがわかった。
本実施例では<接続工程>における気相合成ダイヤモンド層の形成条件を変更して、接続さらに研磨後のダイヤモンド基板の反り量が変化した例を述べる。
<載置工程>
実施例1の<載置工程>と同様の試料を7組用意した。
気相合成ダイヤモンド層の形成条件は、シリコン基板2の温度と合成時間以外は実施例1の<接続工程>と同じとした。基板温度とダイヤモンド合成時間は次の通りである。(i)950℃22時間、(ii)980℃20時間、(iii)1050℃20時間、(iv)1100℃25時間、(v)900℃25時間、(vi)860℃28時間、(vii)800℃40時間。合成後のダイヤモンド面の反りはそれぞれ−20〜+80μm、裏面(シリコン面)の反りは−20〜+20μmであった。また、シリコン基板上のダイヤモンド層の平均厚さはいずれの試料も60μmで、その厚さ分布はそれぞれ±2.5〜45μmであった。得られた気相合成ダイヤモンド層は(vii)のみが(100)配向で、その他は(110)配向であった。
実施例1の<研磨工程>と同様行い、研磨後の両面の反りを測定した。さらに、実施例1の<評価工程>で述べたフォトレジスト塗布を行い、ステッパー及びアライナーを用いてパターン形成テストを行った。結果を下記表1に示す。
本実施例では、<研磨工程>における研磨条件を変更させて、図4に示したような、研磨後表面の単結晶ダイヤモンド種基板1周辺の接合領域に生じた溝11の溝幅12、及び単結晶ダイヤモンド種基板1及び気相合成ダイヤモンド層8の段差14を変化させた時の例について述べる。
実施例1の<載置工程>と同様の試料を5組用意した。
<接続工程>
実施例1の<接続工程>と同様とした。
<研磨工程>
実施例1の<研磨工程>と同様に行い、研磨荷重を試料毎に1〜9kgの範囲で変化させた。単結晶ダイヤモンド種基板1が表面に露出した時に研磨を終了した。
<評価工程>
研磨終了時に種基板外周に生じた溝の最大幅、深さ、段差を計測し、その後実施例1と同様の方法でレジスト塗布を行い、レジストの膜厚分布を測定した。
本実施例では<載置工程>において段差量を変化させたときの例を述べる。
<載置工程>
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたIb型単結晶ダイヤモンドである。
主面の面方位は(111)、サイズは直径2mm、厚さは260μmから450μmまで10μm毎に厚さの異なるものを準備した。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量を10μmから400μmまで10μm毎に変化させた試料を準備した。段差量毎に試料を100組、合計4000組用意した。
気相合成法を用いて単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には公知のマイクロ波プラズマCVD法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比(メタン流量/水素流量)3%、シリコン基板の温度が1000℃、圧力が1.2×104Paとして、膜厚が段差量と同じ厚さになるまで合成した。
シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層はいずれも(100)配向であった。
単結晶ダイヤモンド種基板上及びシリコン基板主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層を、自公転・乾式の研磨装置を用いて機械的に研磨した。研磨荷重は4kgとした。
単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは、実施例1の<評価工程>と同様にラマン分光測定によって判断した。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量が30μmから100μmのときは研磨工程において単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が全く起きなかったが、上記範囲から大きく外れていくと単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が徐々に増加する傾向にある。
これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
本実施例は<載置工程>において隙間量を最適化することで単結晶ダイヤモンド種基板が<研磨工程>において脱落を防止することができることを述べる。
<載置工程>
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたIb型単結晶ダイヤモンドである。主面の面方位は(111)、サイズは直径2.0mm、厚さは340μmとした。
シリコン基板凹部の深さは250μmの円筒状とし、シリコン基板凹部に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した。
隙間量を0μmから300μmまで10μm毎に変化させた試料を準備し、各隙間量毎に試料を100組、合計3100組用意した。このときの単結晶ダイヤモンド種基板の段差量は80μmとした。
気相合成法を用いて単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には公知のマイクロ波プラズマCVD法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比(メタン流量/水素流量)3%、シリコン基板の温度が950℃、圧力が1.2×104Paとして、膜厚が段差量80μmと同じ厚さになるまで合成した。合成時間は約27時間。
シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層はいずれも(100)配向であった。
実施例4の<研磨工程>と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例1の<評価工程>と同様にラマン分光測定によって判断した。
図10は、グラフに隙間量を変化させたときの、単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率を示したグラフである。脱落率の定義は実施例5の<研磨工程>と同様とした。
隙間量が200μmより大きくなると単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が徐々に増加する傾向にある。
隙間量を変化させたことにより研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が発生し、脱落が隙間量に依存していることがわかった。
これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
本実施例では<載置工程>において単結晶ダイヤモンド種基板の段差量と隙間量の両方を変化させ、単結晶ダイヤモンド種基板が<研磨工程>において脱落しないように、単結晶ダイヤモンド種基板の段差量と隙間量の関係比を求めた。
<載置工程>
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたIb型単結晶ダイヤモンドである。
主面の面方位は(111)、サイズは直径2mm、厚さは260μmから450μmまで10μm毎に厚さの異なるものを準備した。
シリコン基板主面部の中心に1箇所凹部をマスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で形成した。その形状は直径2.0mmから2.3mmまでの10μm毎に直径の異なるシリコン基板を準備した。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量を10μmから200μmまで10μm毎に、また隙間量も同様にして0μmから300μmまで10μm毎に変化させた試料を準備した。各段差量、各隙間量毎に試料を10枚、合計6200枚用意した。
実施例4の<接続工程>と同様とした。
<研磨工程>
実施例4の<研磨工程>と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例1の<評価工程>と同様にラマン分光測定によって判断した。
図11は、段差量と隙間量を変化させたときの、単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率が0%となる領域を示したグラフである。脱落率の定義は実施例5と同様とする。
段差量と隙間量を変化させたことにより研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が発生し、脱落が段差量と隙間量の双方に依存していることがわかった。
これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
本実施例では<載置工程>において、板厚の厚いシリコン基板を用いてダイヤモンド基板を作製し、最終工程でシリコン基板裏面部を平面研削によってシリコン基板板厚を薄くする加工を追加したことを述べる。各工程は、<載置工程>、<接続工程>、<研磨工程>そして最後に<平面研削工程>となっている。
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたIb型単結晶ダイヤモンドである。主面の面方位は(111)、サイズは直径2mm、厚さは280μmとした。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量は上述より80μm、隙間量は50μmである。
試料は1組用意した。
実施例1の<接続工程>と同様とした。
<研磨工程>
実施例1の<研磨工程>と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例1の<評価工程>と同様にラマン分光測定によって判断した。
本研磨工程では単結晶ダイヤモンド種基板の脱落は無く、ダイヤモンド基板の全面に渡って鏡面仕上げとなった。
平面研削機を用いてダイヤモンド基板裏面のシリコン基板部分を板厚にして2.5mm削り込んだ。研削用砥石にはGC砥石を使用し、削り込み量を5μmとして500ターンで平面研削が終了した。
気相合成ダイヤモンド層も含めてダイヤモンド基板の板厚は580μmとなり、シリコン基板を薄くしたことでウェハプロセスに適用しやすくなった。
2 シリコン基板
3 凹部となる第1の領域
4 単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部の隙間
5 単結晶ダイヤモンド種基板の角半径
6 単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板主面の段差
7 凹部深さ
8 シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層
9 単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層
10 表面接合領域
11 単結晶ダイヤモンド種基板周辺の接合領域に生じた溝
12 溝幅
13 溝深さ
14 単結晶ダイヤモンド種基板と気相合成ダイヤモンド層の段差
15 単結晶ダイヤモンド種基板及び気相合成ダイヤモンド層に生じた亀裂領域
Claims (22)
- シリコン基板上に単結晶ダイヤモンド種基板が配置されたダイヤモンド基板であって、シリコン基板に凹部が存在し、この凹部上に主面の面方位が(111)である単結晶ダイヤモンド種基板が配置されており、シリコン基板の凹部以外の表面上に(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層が設けられており、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が(100)配向もしくは(110)配向の気相合成ダイヤモンド層を介して接合され、該ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板とが表面近傍で密着し、両者の表面が実質的に平坦化且つ一体化されていることを特徴とするダイヤモンド基板。
- 前記シリコン基板における凹部の形状が、シリコン基板の主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド基板。
- 前記単結晶ダイヤモンド種基板の形状が、主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする請求項1または2に記載のダイヤモンド基板。
- 前記単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部との隙間量が、200μm以下であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記シリコン基板が、主面の面方位が(100)の単結晶であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記ダイヤモンド基板の表面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記ダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さが10μm以上であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部に溝が存在することを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載のダイヤモンド基板。
- 前記溝が、深さ3μm以下、幅20μm以下であることを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド基板。
- ダイヤモンド単結晶を含むダイヤモンド基板の製造方法であって、
凹部となる第1の領域と、該第1の領域を取り囲む第2の領域とを含む主面を有するシリコン基板の第1の領域に、第1の領域の凹部深さよりも板厚が厚く、かつ主面の面方位が(111)である単結晶ダイヤモンド種基板を載置する載置工程と、
気相合成法を用いて前記単結晶ダイヤモンド種基板と前記第2の領域上に、第2の領域上のダイヤモンド層が(100)配向もしくは(110)配向となるように気相合成ダイヤモンド層を形成して互いを接続する接続工程と、
単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層全部と、第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する研磨工程と、
を有することを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。 - 前記第1の領域の形状が、シリコン基板の主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする請求項11に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記第1の領域に載置する単結晶ダイヤモンド種基板の形状が、主面部上方から見たときに円形、楕円形、又は全ての角半径が50μm以上である、角が丸くなった多角形であることを特徴とする請求項11または12に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 第1の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際に、単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板の主面部における第2の領域との段差が30μm以上、100μm以下となることを特徴とする請求項11から13のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 第1の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際に、単結晶ダイヤモンド種基板と前記第1の領域の凹部との隙間が200μm以下となることを特徴とする請求項11から14のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 第1の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際に、単結晶ダイヤモンド種基板と前記第1の領域の凹部との隙間に対する単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板の主面部における第2の領域との段差の比が0.3以上120以下となることを特徴とする請求項11から15のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記シリコン基板が主面の面方位が(100)の単結晶であることを特徴とする請求項11から16のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記研磨工程後のダイヤモンド基板の表面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする請求項11から17のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記研磨工程後のダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±10μm以内であることを特徴とする請求項11から18のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記研磨工程後における第2の領域上に形成された気相合成ダイヤモンド層の厚さが、10μm以上であることを特徴とする請求項11から19のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記研磨工程の際、単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部に溝を発生させることを特徴とする請求項11から20のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
- 前記単結晶ダイヤモンド種基板の周囲に発生した溝が、深さ3μm以下、幅20μm以下であることを特徴とする請求項21に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
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