JP4873368B2

JP4873368B2 - ダイヤモンド基板

Info

Publication number: JP4873368B2
Application number: JP2007013264A
Authority: JP
Inventors: 圭祐谷崎; 貴一目黒; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: JP2008179498A

Description

本発明は、単結晶ダイヤモンドを含むダイヤモンド基板に関し、特に半導体リソグラフィープロセスや大型光学部品、半導体材料、放熱基板等に好適な大型ダイヤモンド基板に関する。

ダイヤモンドは高熱伝導率、高い電子・正孔移動度、高い絶縁破壊電界強度、低誘電損失、そして広いバンドギャップといった、半導体材料として他に類を見ない、優れた特性を数多く備えている。特に近年では、優れた高周波特性を持つ電界効果トランジスタなどが開発され、パワーデバイス用半導体としても期待されている。また、ダイヤモンドは負の電子親和力を持つとされ、電子放出素子として応用研究が進められている。光学特性に関しては、ダイヤモンドは紫外領域（２２５〜４００ｎｍ）においても高透過率・高屈折率を有している。このため、紫外領域光学材料としても期待されている。

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。現在、工業的に大型のダイヤモンド単結晶を得る方法として、高温高圧合成法や気相合成法が開発されており、これらによって（１００）面ではホモエピタキシャル成長により１０ｍｍ径程の大型基板が得られるようになっている。しかし、直径１インチ以上の大径化の目処は現時点では立っていない。特にリンのドーピングが可能で、ｎ型の導電性が得やすいとされている（１１１）面の面方位を持つダイヤモンド基板は、高温高圧合成法で製造された量産市販品では高々数ｍｍ角程度のサイズであり、気相合成法では良質な結晶性を保ったままの大型化が困難である。

これに対して、比較的大型の異種基板上にダイヤモンド単結晶を成長させるヘテロエピタキシャル成長は、現状では結晶性が十分でなく、半導体や光学用途としての利用は限られている。
また、半導体ウェハプロセスに対応したダイヤモンド基板は特許文献１，２，３のように、デバイスを作製する箇所は単結晶ダイヤモンドで、それ以外の領域は大口径化できる多結晶ダイヤモンドから構成され一体化した複合型のダイヤモンド基板がある。
特開２００６−０９６６４３号公報特開２００６−３３５６３７号公報特開２００６−２７３５９２号公報特開平８−２０８３８７号公報ＷＯ２００５／０１０２４５Ａ１

半導体ウェハプロセスに適応させるため、特許文献１，２，３のような複合型のダイヤモンド基板が作製されているが、単結晶ダイヤモンド種基板と気相合成ダイヤモンド層を接合、一体化させるために、単結晶ダイヤモンド種基板をベース基板となるシリコン基板に配置する方法として、シリコン基板に凹部を形成している。そのため凹部形成工程によるコスト増と、十分な接合を得るために数１０時間の合成時間を要しており、生産性の点で難点がある。

また、特許文献２，３ではシリコン基板主面に凹部形成無しに単結晶ダイヤモンド種基
板を配置した例が示されているが、研磨工程において単結晶ダイヤモンド種基板が脱落する問題がある。

単結晶ダイヤモンドをシリコン基板主面に配置しただけの例として、特許文献４がある。特許文献４は主にセンサー、光学窓用途を意図しているが、単結晶ダイヤモンド基板と多結晶ダイヤモンド膜を接合させるために２２０時間もの合成時間を要しており、同様に生産性の点で難点がある。

同様に、ベース基板主面に単結晶ダイヤモンドを配置した例として特許文献５があるが、多結晶ダイヤモンド膜を数１００μｍ成膜しており、生産性の点で難点がある。

本発明は、前記課題を解決し、半導体ウェハプロセスや光学部品、半導体材料、放熱基板等に好適な大型ダイヤモンド基板を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は次の（１）〜（４）の態様を有する。
（１）単結晶ダイヤモンド種基板とダイヤモンド層とが接合しているダイヤモンド基板において、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ており、該単結晶ダイヤモンド種基板の板厚は１０μｍ以上６００μｍ未満であり、該単結晶ダイヤモンド種基板の側面は単結晶ダイヤモンド種基板の底面と９０℃未満の角度をなして傾斜している傾斜面であり、シリコン基板の表面上にダイヤモンド層が設けられており、ダイヤモンド層の膜厚が１０μｍ以上６００μｍ未満であり、ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板の側面とが密着し、両者の表面は略平坦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。
（２）単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が、ダイヤモンド層を介して接合されたダイヤモンド基板において、この断面構造が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ており、該単結晶ダイヤモンド種基板の上面の一部又は全部が傾斜して傾斜面を形成しており、当該傾斜面の傾斜角が、単結晶ダイヤモンド種基板を側面から見たときに、１）底面と傾斜面とが交わる一点と、上面と前記傾斜面に対向する側面とが交わる一点とを結んだ直線と底面のなす角より大きく、２）９０°未満であることを特徴とする上記（１）に記載のダイヤモンド基板である。
（３）前記単結晶ダイヤモンド種基板の上面の一部又は全部が傾斜しており、当該傾斜角が、単結晶ダイヤモンド種基板を側面から見たときに、１）底面と傾斜面とが交わる一点と、底面の中点を通る底面に垂直な直線と上面とが交わる一点とを結んだ直線と底面のなす角より大きく、２）８０°以下であることを特徴とする上記（２）に記載のダイヤモンド基板である。
（４）前記単結晶ダイヤモンド種基板の底面における凹凸部分の垂直差を１μｍ以下にしたことを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか一に記載のダイヤモンド基板である。
（５）前記単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が１０μｍ以上５０μｍ未満であり、かつ前記ダイヤモンド層の膜厚が１０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれか一に記載のダイヤモンド基板である。

本発明のダイヤモンド基板によれば、ウェハプロセス等において取り扱いが容易となる大面積のダイヤモンド基板を、工程時間を短縮して製造することが可能となり、結果的に低コストで提供することができる。更に単結晶ダイヤモンド種基板の板厚とダイヤモンド層の膜厚を同じくすることで、単結晶ダイヤモンド種基板は脱落せずに強固に結合するという効果を奏する。

本発明に係るダイヤモンド基板の実施の形態の一例を以下に示す。なお、以下に示す実施の形態は本発明に係るダイヤモンド基板の一例であって、本発明を限定するものではな
い。

本発明のダイヤモンド基板は、シリコン基板の主面に単結晶ダイヤモンド種基板を配置し、シリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板を、ダイヤモンド層を介して接続した構造となっている。
単結晶ダイヤモンド種基板とダイヤモンド層は化学的に結合されており、単結晶ダイヤモンド種基板が脱落することは無く、単結晶ダイヤモンド種基板とダイヤモンド層の表面が平坦かつ一体となっている。

単結晶ダイヤモンド種基板の板厚とダイヤモンド層の膜は共に、１０μｍ以上６００μｍ未満が好ましい。これにより、ハンドリングしやすい単結晶ダイヤモンド種基板の板厚を自由に選択することができる。また、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚とダイヤモンド層の膜厚を同じにすることで、単結晶ダイヤモンド種基板は脱落せずに強固に結合する。
さらに好ましくは、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚とダイヤモンド層の膜厚は共に１０μｍ以上５０μｍ未満である。単結晶ダイヤモンド種基板を薄くすることで、ダイヤモンド層を単結晶ダイヤモンド種基板と同じ厚さの膜厚を成膜し、合成時間の短縮と生産性を向上させることができる。

また、板厚の薄い単結晶ダイヤモンド種基板をシリコン基板主面部に隙間が１μｍ以下で密着させるために、単結晶ダイヤモンド種基板の裏面を反応性化学ドライエッチングした。これにより、単結晶ダイヤモンド種基板裏面の表面状態が平滑化かつ活性化された状態となり、シリコン基板の主面表面との張り合わせ性が向上され、単結晶ダイヤモンド種基板の研磨工程における脱落を防止することができる。また、単結晶ダイヤモンド種基板をシリコン基板主面に配置した際に、振動などによる移動と配置精度を１００μｍ以内に抑えることができる。

また、本発明のダイヤモンド基板は、シリコン基板の主面に単結晶ダイヤモンド種基板を配置し、シリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板を、ダイヤモンド層を介して接続した構造となっている。
該単結晶ダイヤモンド種基板とダイヤモンド層との接合部分に当たるダイヤモンド種基板の側面形状は、側面に角度をつけた形状（以下、テーパー角と称する）となっている。かかるテーパー角について、単結晶ダイヤモンド種基板を側面から見たときの断面図である図１に則して説明する。
テーパー角は、テーパー角１［図１（ａ）］より大きくテーパー角２の９０°［図１（ｂ）］より小さい場合が好ましい。さらにテーパー角は、テーパー角３［図２（ａ）］より大きくテーパー角４の８０°［図２(ｂ)］より小さい場合がより好ましい。

これにより、ダイヤモンド基板の製造方法において、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚よりも薄いダイヤモンド層を成膜しても、ダイヤモンド基板主面を研磨加工する際に単結晶ダイヤモンド種基板にかかる力を分散し、脱落することなく平坦化することができる。
また、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚と同じ膜厚のダイヤモンド層を成膜する必要がないので、合成時間の短縮と、生産性を向上させることができる。

また、シリコン基板主面部に気相合成で成長させるダイヤモンド層は多結晶であっても、配向膜でもよく、単結晶ダイヤモンド種基板の面方位も（１００）、（１１１）、（１１０）、また、それ以外でもよく、ダイヤモンド層の成長条件と単結晶ダイヤモンド種基板の面方位を自由に設定することができる。
また、単結晶ダイヤモンド種基板は、高温高圧法、気相合成法で製造されたもの、または天然産であってもよい。

用意した単結晶ダイヤモンド種基板５は高温高圧法で製造されたＩｂ型ダイヤモンドで、面方位は（１１１）、サイズは縦２ｍｍ横２ｍｍ。厚さは１０、２０、３０、４０、４９μｍの５種類を用意した。
単結晶ダイヤモンド種基板を縦２ｍｍ×横２ｍｍに切り出す際に、ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を使用し、レーザー径を約３ｍｍに設定しフォーカスし加工した。レーザー径を変えフォーカシングすることにより、テーパー角を自由に変えることができる。
本実施例におけるテーパー角は、上記５種類の単結晶ダイヤモンド種基板の全てにおいて７０°とした。
また、公知の研磨において単結晶ダイヤモンド種基板側面部を傾けて研磨をすることによりテーパー角を自由に変えることができる。
次にシリコン基板６としては、直径３インチ、厚さ１００μｍ、面方位（１００）の単結晶基板を用意した。

単結晶ダイヤモンド種基板５の裏面部に反応性化学エッチングを１０分間施した。
エッチング条件は、圧力２Ｐａ、ガス流量はＣＦ₄ガスが０．５ｓｃｃｍ、酸素が６０
ｓｃｃｍとした。
単結晶ダイヤモンド種基板５をシリコン基板主面に配置し、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板６との隙間量を確認したところ、光学顕微鏡で干渉縞がないことを確認した。また、走査型電子顕微鏡により、隙間を観察したところ２００ｎｍの隙間があることを確認した。
図３（ａ）のように１枚のシリコン基板主面に厚さ１０μｍの単結晶ダイヤモンド種基板５を２５枚配置した。
配置位置は縦横それぞれ５列、５ｍｍ間隔とした（これをダイヤモンド基板Ｎo.１とする）。
同様にして、シリコン基板６主面に厚さ２０、３０、４０、４９μｍの単結晶ダイヤモンド種基板５を配置したものを５種類そろえた（以下、ダイヤモンド基板Ｎo.２〜５とする）。

シリコン基板６と単結晶ダイヤモンド種基板５を接合するダイヤモンド層７の形成方法は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、多結晶ダイヤモンド膜を成膜した。
合成条件は、メタン流量比（メタン流量／水素流量）３％、圧力１．３×１０-⁴Ｐａとした。
成膜時間は、ダイヤモンド基板Ｎo.１，２，３，４，５の場合で、それぞれ１時間、２時間、３時間、４時間、４．９時間合成し、多結晶ダイヤモンド膜の膜厚はそれぞれ１０、２０、３０、４０、４９μｍであった。
ダイヤモンド基板Ｎo.１、２、３、４、５の主面部を機械研磨加工によって平滑化し、全面鏡面仕上げにした。
上記のようにして作製した５種類のダイヤモンド基板については、全て機械研磨によって単結晶ダイヤモンド種基板が脱落することなく、単結晶ダイヤモンド種基板５をダイヤモンド基板主面部に露出することができた［図３（ｂ）］。
こうして得られたダイヤモンド基板に対し、半導体ウェハプロセスの一例としてフォトリソグラフィープロセスのテストを行った。基板表面にフォトレジストをスピンコートした。この結果、単結晶ダイヤモンド種基板上のレジストの膜厚分布は１％以下であった。
また、接触型アライナー露光器により露光試験を行ったところ、フォトマスクとダイヤモンド基板は密着させることができ、露光ムラが無いことを確認した。

次に、気相合成法で製造した図４に示すような単結晶ダイヤモンド種基板を用意した。
サイズは４×４ｍｍ、厚さ３００μｍ、面方位は（１００）とした。
単結晶ダイヤモンド種基板８のテーパー角ｄ（図４）は、５°から９０°まで、５°間隔に、１８種類のテーパー角、各テーパー角の単結晶ダイヤモンド種基板８を１０枚ずつ準備した。
配置されるシリコン基板９は、（１００）単結晶、サイズは直径３インチ、厚さ２００μｍとした。
１枚のシリコン基板主面に、テーパー角５°の単結晶ダイヤモンド種基板８を１枚配置したものを１０組用意した［図５（ａ）］。
同様にして、各テーパー角の単結晶ダイヤモンド種基板８についても１０組ずつ、全部で１８０枚のダイヤモンド基板を用意した。
シリコン基板９と単結晶ダイヤモンド種基板８を接合するダイヤモンド層１０の形成方法は、熱フィラメント法を用いて、多結晶ダイヤモンド膜１０を成膜することにより行った。

合成条件はメタン流量比（メタン流量/水素流量）５％、圧力１．２×１０-⁴Ｐａとし
た。
合成時間は、全て３０時間で多結晶ダイヤモンド膜の膜厚は４５μｍとした。
次に、ダイヤモンド基板の主面部を機械研磨によって平坦化かつ鏡面加工［図５（ｂ）］を行ったところ、図６のように、単結晶ダイヤモンド種基板８の脱落率は、テーパー角９０°では５０％、テーパー角８０°から８５°まで２０％、テーパー角１０°から７５°までは０％、テーパー角５°では２０％であった。
これにより、単結晶ダイヤモンド種基板が脱落しないようにテーパー角を施すことが有効であり、テーパー角の範囲を広く自由に選択することができる。
次に、板厚が２００μｍの単結晶ダイヤモンド種基板を用いて、ｉ）テーパー角５０°で多結晶ダイヤモンド膜の膜厚を４５μｍとしたときと、ii）テーパー角無しで多結晶ダイヤモンド膜の膜厚を単結晶ダイヤモンド種基板と同じ板厚の２００μｍとしたとき（比較例）の、それぞれの合成時間と研磨時間の違いを以下の表に載せた。

上記比較より、テーパー角付きの単結晶ダイヤモンド種基板（ｉ）を使用することにより、合成時間と研磨時間を短縮することができることが分かった。

次に用意した面方位（１００）の単結晶ダイヤモンド種基板１１は、気相合成法で製造されたIIａ型ダイヤモンドで、サイズは直径５ｍｍ、厚さは、１０μｍから５９０μｍまで１０μｍ間隔で５９種類の厚さの異なるものとした（図７）。
また、単結晶ダイヤモンド種基板１１の各板厚において、１０μｍから２００μｍまではテーパー角を５°から９０°まで５°間隔で１８種類、板厚が２１０μｍから４００μｍまではテーパー角を１０°から９０°まで５°間隔で１７種類、板厚が４１０μｍから５９０μｍまではテーパー角を１５°から９０°まで５°間隔で１６種類準備した。
上記板厚毎に各テーパー角ずつの基板を用意した。
シリコン基板１２の主面部には単結晶ダイヤモンド種基板１１を１枚のみ配置し、全部で１００４種類のダイヤモンド基板を用意した。
シリコン基板は直径４インチ、厚さ５００μｍ、面方位は（１００）のものを用意した
。
シリコン基板１２と単結晶ダイヤモンド種基板１１を接合するダイヤモンド層１３の形成方法は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、（１１１）配向膜を成膜した。
合成条件はメタン流量比（メタン流量／水素流量）８％、圧力１．４×１０-⁴Ｐａとした。

合成時間は、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が１０μｍから３０μｍまでは、それぞれ、０．８、１．６、２．４時間とした。
単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が４０μｍ以上の場合は、合成時間３．２時間で膜厚４０μｍとした。
ダイヤモンド基板主面部を機械研磨加工によって平坦化し、全面鏡面仕上げにした。
このとき、単結晶ダイヤモンド種基板が研磨中に脱落した割合を、テーパー角と単結晶ダイヤモンド種基板の板厚との関係を図８に示した。
図８に示す如く、テーパー角が小さいほど単結晶ダイヤモンド種基板の脱落する割合が小さくなることが分かった。
これにより、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚に対して、ダイヤモンド層の膜厚が薄い場合であっても、単結晶ダイヤモンド種基板に施されたテーパー角の効果により、研磨によって脱落することなくダイヤモンド基板を平坦かつ鏡面に仕上げることができる。また、テーパー角と単結晶ダイヤモンド種基板の板厚の選択範囲を広く選ぶこともできる。

本発明に係るダイヤモンド種基板の側面形状におけるテーパー角度の好ましい範囲を示す図である。（ａ）は角度の下限値を示す図であり、（ｂ）は角度の上限値を示す図である。各図中、上側は平面図であり、下側は側面図である。本発明に係るダイヤモンド種基板の側面形状におけるテーパー角度のより好ましい範囲を示す図である。（ａ）は角度の下限値を示す図であり、（ｂ）は角度の上限値を示す図である。各図中、上側は平面図であり、下側は側面図である。実施例１に係る単結晶ダイヤモンド種基板を示す図である。上側は平面図であり、下側は側面図である。実施例２に係る単結晶ダイヤモンド種基板を示す図である。上側は平面図であり、下側は側面図である。実施例２に係るダイヤモンド基板を示す図である。（ａ）はダイヤモンド層を形成する前のもの、（ｂ）はダイヤモンド層を製膜した状態を示す図である。上側は平面図であり、下側は側面図である。ダイヤモンド基板における単結晶ダイヤモンド種基板のテーパー角度と脱落率との関係を示すグラフである。（ａ）はダイヤモンド層を形成する前のもの、（ｂ）はダイヤモンド層を製膜した状態を示す図である。上側は平面図であり、下側は側面図である。実施例３に係る単結晶ダイヤモンド基板を示す図である。（ａ）はダイヤモンド層を形成する前のもの、（ｂ）はダイヤモンド層を製膜した状態を示す図である。上側は平面図であり、下側は側面図である。テーパー角と単結晶ダイヤモンド種基板の板厚との関係による単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率を示すグラフである。

符号の説明

１，３テーパー角の最小値
２，４テーパー角の最大値
５，８，１１単結晶ダイヤモンド種基板
６，９，１２ダイヤモンド基板
７，１０，１３ダイヤモンド層

Claims

単結晶ダイヤモンド種基板とダイヤモンド層とが接合しているダイヤモンド基板において、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ており、該単結晶ダイヤモンド種基板の板厚は１０μｍ以上６００μｍ未満であり、該単結晶ダイヤモンド種基板の側面は単結晶ダイヤモンド種基板の底面と９０℃未満の角度をなして傾斜している傾斜面であり、シリコン基板の表面上にダイヤモンド層が設けられており、ダイヤモンド層の膜厚が１０μｍ以上６００μｍ未満であり、ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板の側面とが密着し、両者の表面は略平坦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。
単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が、ダイヤモンド層を介して接合されたダイヤモンド基板において、この断面構造が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ており、該単結晶ダイヤモンド種基板の上面の一部又は全部が傾斜して傾斜面を形成しており、当該傾斜面の傾斜角が、単結晶ダイヤモンド種基板を側面から見たときに、１）底面と傾斜面とが交わる一点と、上面と前記傾斜面に対向する側面とが交わる一点とを結んだ直線と底面のなす角より大きく、２）９０°未満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上面の一部又は全部が傾斜しており、当該傾斜角が、単結晶ダイヤモンド種基板を側面から見たときに、１）底面と傾斜面とが交わる一点と、底面の中点を通る底面に垂直な直線と上面とが交わる一点とを結んだ直線と底面のなす角より大きく、２）８０°以下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底面における凹凸部分の垂直差を１μｍ以下にしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一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板厚が、１０μｍ以上５０μｍ未満であり、かつ前記ダイヤモンド層の膜厚が１０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載のダイヤモンド基板。