JP6002100B2

JP6002100B2 - ダイヤモンド成長用基板及びその作製方法、並びにこの基板を用いた大面積単結晶ダイヤモンド薄膜及び自立膜の作製方法

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Publication number: JP6002100B2
Application number: JP2013175746A
Authority: JP
Inventors: 一行平間; 慎一狩元; 芳孝谷保; 山本　秀樹; 秀樹山本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: JP2015044700A

Description

本発明は、ダイヤモンド成長用基板及びその作製方法、並びにこの基板を持いた大面積でクラックがなく、さらに転位密度の低い高品質の単結晶ダイヤモンド薄膜及び自立膜の作製方法に関する。

ダイヤモンドは、大きなバンドギャップエネルギー(5.5eV)を有することから、ダイヤモンド、および単結晶ダイヤモンド薄膜の高耐圧電子デバイスや紫外発光デバイスへの応用が期待されている。このため、単結晶ダイヤモンド薄膜の作製に多くの努力がなされてきた。しかしながら、現在、1インチよりも大面積の単結晶ダイヤモンド薄膜は得られていない（非特許文献１）。これは、従来技術では、１インチよりも大面積の単結晶ダイヤモンドを作製するための、大面積のダイヤモンド成長用基板の作製が困難であることに起因する。また、従来のダイヤモンド成長用基板とダイヤモンドの結晶構造が大きく異なるため、従来のダイヤモンド成長用基板を用いて作製した単結晶ダイヤモンド薄膜はその転位密度が高く、この単結晶ダイヤモンドを用いて作製したデバイスにおいて、優れたデバイス特性が得られないという問題もある。さらに単結晶ダイヤモンド薄膜と成長用基板を容易に分離できないため単結晶ダイヤモンド自立膜が得られないという問題もある。上記の問題により、単結晶ダイヤモンド薄膜のデバイス応用は進んでいない。

以下に従来のダイヤモンド成長用基板とその製造方法、及び該ダイヤモンド成長用基板を用いて作製した単結晶ダイヤモンド薄膜について述べる。

従来のダイヤモンド成長用基板の作製工程を図1に示す。まず下地基板1上に単結晶Ir薄膜２を成長させる(図1(a))。下地基板1はMgO(001)またはSi(001)基板である。単結晶Ir薄膜2に負の電圧を印加しながら、メタンと水素のプラズマに暴露することで、高密度のダイヤモンド粒子核から成るダイヤモンド核成長層3を単結晶Ir薄膜2上に形成する(図１(b))。このダイヤモンド核成長層3の形成には下地基板にバイアス電圧を印可可能なプラズマCVD法が使われるが、この方法は大面積の下地基板に適用するのが難しい。このため、現在ダイヤモンド成長用基板の大きさと、この基板を用いて作製した単結晶ダイヤモンド薄膜の大きさは共に1インチ以下に留まっている。

図２は図１(b)に示すダイヤモンド成長用基板上に作製された従来の単結晶ダイヤモンド薄膜の概略図である。図2の単結晶ダイヤモンド薄膜は、図１(b)のダイヤモンド成長用基板をメタンと水素のプラズマに暴露することで形成する。図３は、上記の方法で1インチのダイヤモンド成長用基板上に作製した、膜厚450μmの単結晶ダイヤモンド薄膜表面の光学顕微鏡像である。図3の単結晶ダイヤモンド薄膜表面には複数のクラック5a〜5eが観察された。これらのクラックは、従来のダイヤモンド成長用基板に含まれている単結晶Ir薄膜と単結晶ダイヤモンド薄膜との間の大きな熱膨張係数差に起因している。図3の単結晶ダイヤモンド薄膜の転位密度は10⁷ /cm²と高い。この高い転位密度は従来のダイヤモンド成長用基板に含まれている単結晶Ir薄膜と単結晶ダイヤモンド薄膜との間の大きな格子不整合に起因している。また、図２の構造から単結晶ダイヤモンド薄膜のみを分離し、単結晶ダイヤモンド自立膜を得ることはできない。

このように単結晶Ir薄膜とダイヤモンド核成長層とを利用する従来技術では、大きさが1インチ以上であり、かつクラックのない厚膜の単結晶ダイヤモンド薄膜及び自立膜を成長させることはできなかった。

「ヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板の開発とそのデバイス応用」The journal of the Surface Finishing Society of Japan 62(3), 163-169, 2011-03-01

以上のように、従来技術では1インチ以上の大きさのダイヤモンド成長用基板を作製できないため、1インチ以上の大きさの単結晶ダイヤモンド薄膜は成長できず、さらに膜厚が400μm以上に厚くなると単結晶ダイヤモンド薄膜表面にはクラックが生じる。またダイヤモンド成長用基板と単結晶ダイヤモンド薄膜を分離することができないため、単結晶ダイヤモンド自立膜が得られていない。

本発明の目的は、大面積の単結晶ダイヤモンド薄膜を作製できない問題、製作した単結晶ダイヤモンド薄膜の膜厚が厚い場合に表面にクラックが生じる問題、製作した単結晶ダイヤモンドの転位密度が高い問題、および自立膜を作成できない問題を解決し、大面積かつクラックのない単結晶ダイヤモンド薄膜及び自立膜を提供することである。

大面積の単結晶ダイヤモンド薄膜を作製できない問題、単結晶ダイヤモンド薄膜の膜厚が厚い場合に表面にクラックが生じる問題、および製作した単結晶ダイヤモンドの転位密度が高い問題を解決するため、本発明のダイヤモンド薄膜成長用基板は、立方晶窒化ホウ素(cBN)層がMBE法を用いて下地基板上に形成され、前記cBN層上にhBNを含む層が形成され、該hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることを特徴とする。また、下地基板がSi(001)、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、MgO(111)のいずれかであることを特徴とする。

従来のダイヤモンド成長用基板の作製工程を示す概略図である。従来のダイヤモンド成長用基板上に作製された単結晶ダイヤモンド薄膜の概略図である。従来のダイヤモンド成長用基板上に作製された単結晶ダイヤモンド薄膜表面の光学顕微鏡像である。図4(a)は本発明のダイヤモンド成長用基板の概略図であり、図4(b)は本発明のダイヤモンド成長用基板と作製した単結晶ダイヤモンド薄膜の概略図である。本発明の実施例3にかかる単結晶ダイヤモンド自立膜を形成する作製工程を示す概略図である。本発明の実施例4にかかる単結晶ダイヤモンド自立膜を形成する作製工程を示す概略図である。

［実施例1］
本実施例のダイヤモンド成長用基板を図4(a)に示す。下地基板6となる3インチのSi(001)上に、膜厚100nmのcBN層7をMBE法で成長した。ボロンは電子線加熱により高純度のボロン金属から供給した。窒素は窒素原子ラジカルと窒素分子イオンの両方、またはどちらかひとつによって供給した。窒素原子ラジカルはRFラジカルソースに、窒素分子イオンはRFイオンソースにより生成した。cBN構造の形成に必要なエネルギーを与えるために、成長中のBN薄膜にArイオンを照射した。ArイオンはRFイオンソースにより生成した。基板温度は400℃である。窒素原子の量とボロン原子の量の比であるV/III比は1、Arイオンが1ボロン原子当りに付与した運動量は200(eV*amu)^1/2である。V/III比は窒素原子ラジカルと窒素分子イオンとボロンの供給量によって制御した。上記運動量はRFイオンソースの加速電圧によって制御した。

下地基板としてSi(001)を使用したが、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、またはMgO(111)も同様に使用することが出来る。

また下地基板の大きさを3インチとしが、上記MBE法では12インチ基板上にも均一にcBN層を形成できるため、さらに大面積のダイヤモンド成長用基板も原理的には容易に得られると期待される。

［実施例2］
実施例1で作製したダイヤモンド成長用基板上に、単結晶ダイヤモンド薄膜を形成する工程を説明する(図4(b))。実施例1の、3インチのSi(001)を下地基板6とし、その上にcBN層7成長させたダイヤモンド成長用基板上に、膜厚600μmの単結晶ダイヤモンド(001)薄膜8をプラズマCVD法で成長した。原料はメタンと水素である。基板温度は700℃である。下地基板にバイアス電圧は印可していない。作製した、膜厚600μmの単結晶ダイヤモンド薄膜8の表面にはクラックが形成されていなかった。cBN層7を含むダイヤモンド成長用基板上で、cBN層の膜厚に関わらずクラックのない単結晶ダイヤモンド薄膜8が得られた。また従来技術と比較して転位密度が大幅に低減した。

ダイヤモンド成長用基板の下地基板としてSi(001)を使用したが、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、またはMgO(111)も同様に使用することが出来、これらを使用した場合においてもクラックのない単結晶ダイヤモンド薄膜が得られた。

またダイヤモンド成長用基板の大きさを3インチとして説明したが、上記プラズマCVD法ではさらに大面積のダイヤモンド成長用基板上にも均一なダイヤモンドの成長が可能であることから、さらに大面積の単結晶ダイヤモンド薄膜も原理的には容易に得られると期待される。

作製した、下地基板の材料と、下地基板の面方位と、単結晶ダイヤモンド薄膜の面方位との関係を表1に示す。

［実施例3］
本実施例にかかる単結晶ダイヤモンド自立膜を形成する製造工程を図５に示す。３インチのSi(001)を下地基板９として、その上に実施例1と同様の方法で膜厚100nmのcBN層１０を形成する(図５(a))。このcBN層上に、膜厚100nmのhBNを含む分離層11を形成することで、cBN層１０、hBNを含む分離層11が形成された下地基板９をダイヤモンド成長用基板とした(図5(b))。ここで、「hBNを含む分離層」とは、hBNと乱層構造窒化ホウ素(tBN)との混合の層である。hBNの割合が50%以上になると分離が起こるようになり、hBNの割合が高いほど分離がしやすくなる。hBNを含む分離層11の形成にはMBE法を用いた。ボロンは電子線加熱により高純度のボロン金属から供給した。窒素は窒素原子ラジカルと窒素分子イオンの両方、またはどちらかひとつによって供給した。V/III比を0.5以下とすることで、hBNを含む分離層が形成される。上記ダイヤモンド成長用基板のhBNを含む分離層11上に、プラズマCVD法で膜厚600μmの単結晶ダイヤモンド薄膜１２を成長した(図5(c))。hBNは、グラファイトと同様に、六角網面の層が積層された構造を有し、各層間は、弱いファンデルワールス力で結合されている。そのため、hBNは六角網面の層に沿ってへき開されることから、図５(d)、(e)に示すように、hBNを含む分離層11をhBNを含む分離層11a、11bに分離が可能である。最後に単結晶ダイヤモンド薄膜１２の裏面に残ったhBNを含む分離層１１bを熱混酸によって除去することで、下地基板の大きさに対応した大面積の単結晶ダイヤモンド自立膜１３が得られた(図5(f))。単結晶ダイヤモンド自立膜の表面にクラックは形成されておらず、従来技術と比較して転位密度が大幅に低減していた。

cBN層の膜厚を100 nmとして説明したが、cBN層の膜厚に関わらず同様の単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた。またhBNを含む分離層の膜厚を100 nmとして説明したが、hBNを含む分離層の膜厚に関わらず同様の単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた。

ダイヤモンド成長用基板の下地基板をSi(001)として説明したが、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、MgO(111)とした場合も同様の工程であり、クラックのない単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた。

下地基板と単結晶ダイヤモンド自立膜の面方位の関係は、実施例2の表1と同じであった。

またダイヤモンド成長用基板の大きさを3インチとしたが、上記プラズマCVD法ではさらに大面積のダイヤモンド成長用基板上にも均一なダイヤモンドの成長が可能であることから、さらに大面積の単結晶ダイヤモンド自立膜も原理的には容易に得られると期待される。

［実施例4］
本実施例にかかる単結晶ダイヤモンド自立膜を形成する製造工程を図６に示す。３インチのSi(001)を下地基板14として、その上に膜厚100nm以下のhBNを含む分離層１５をMBE法で形成した(図６(a))。成長条件は実施例３と同様である。次にhBNを含む分離層15上に、膜厚100nmのcBN層１６をMBE法で形成することで、hBNを含む分離層１５、cBN層１６が形成された下地基板１４をダイヤモンド成長用基板とした(図６(b))。このダイヤモンド成長用基板上に、プラズマCVD法で膜厚600μmの単結晶ダイヤモンド薄膜17を成長した(図６(c))。次に図6(d)のように、hBNを含む分離層１５を、hBNを含む分離層15a、15bに分離することによって、単結晶ダイヤモンド薄膜と下地基板を分離する。最後に単結晶ダイヤモンド薄膜１７の裏面に残ったcBN層16とhBNを含む分離層１５bを酸素プラズマでエッチングによって除去することで(図６(e))、下地基板の大きさに対応した大面積の単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた(図６(f))。単結晶ダイヤモンド自立膜の表面にクラックは形成しておらず、従来技術と比較して転位密度が大幅に低減していた。

hBNを含む分離層の膜厚を100nmとしたが、hBNを含む分離層の膜厚に関わらず同様の単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた。またcBN層の膜厚を100 nmとして説明したが、cBN層の膜厚に関わらず同様の単結晶ダイヤモンド自立膜が得られた。

またダイヤモンド成長用基板の大きさを3インチとして説明したが、上記プラズマCVD法ではさらに大面積のダイヤモンド成長用基板上にも均一なダイヤモンドの成長が可能であることから、さらに大面積の単結晶ダイヤモンド自立膜も原理的には容易に得られると期待される。

１、６、９、１４下地基板
２単結晶Ir薄膜
３、１２ダイヤモンド核成長層
４単結晶ダイヤモンド薄膜
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅクラック
７、１０、１６ cBN層
８単結晶ダイヤモンド薄膜
１１、１１a、１１b、１５、１５a、１５b hBNを含む分離層
１３単結晶ダイヤモンド自立膜

Claims

下地基板と、
前記下地基板上に形成された、単相膜からなるcBN層と、
前記cBN層上に形成された、hBNを含む層であって、該hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
を備えたことを特徴とするダイヤモンド成長用基板。
下地基板と、
前記下地基板上に形成された、hBNを含む層であって、該hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む層上に形成された、単相膜からなるcBN層と
を備えたことを特徴とするダイヤモンド成長用基板。
前記下地基板が、Si(001)、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、MgO(111)のいずれか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成長用基板。
下地基板上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と、
前記cBN層上に、hBNを含む層を成長させる工程であって、前記hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと
を備えたことを特徴とするダイヤモンド成長用基板の作製方法。
下地基板上に、hBNを含む層を成長させる工程であって、前記hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む層上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と
を備えたことを特徴とするダイヤモンド成長用基板の作製方法。
前記下地基板が、Si(001)、Si(110)、Si(111)、サファイヤ(0001)、サファイヤ(10-12)、MgO(001)、MgO(111)のいずれかであることを特徴とする請求項4または5に記載のダイヤモンド成長用基板の作製方法。
下地基板上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と、
前記cBN層上に、hBNを含む層を成長させる工程であって、前記hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む層上に、単結晶ダイヤモンド薄膜を成長させる工程と
を備えたことを特徴とする単結晶ダイヤモンド薄膜の作製方法。
下地基板上に、hBNを含む層を成長させる工程であって、前記hBNを含む層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む層上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と、
前記cBN層上に、単結晶ダイヤモンド薄膜を成長させる工程と
を備えたことを特徴とする単結晶ダイヤモンド薄膜の作製方法。
下地基板上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と、
前記cBN層上に、hBNを含む分離層を成長させる工程であって、前記分離層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む分離層上に、単結晶ダイヤモンド薄膜を成長させる工程と
前記hBNを含む分離層を、前記hBNを含む分離層の積層方向と垂直な面でへき開して、前記cBN層と前記単結晶ダイヤモンド薄膜を分離する工程と、
前記単結晶ダイヤモンド薄膜に付着している分離した前記hBNを含む分離層を除去する工程と
を備えたことを特徴とする単結晶ダイヤモンド自立膜の作製方法。
下地基板上に、hBNを含む分離層を成長させる工程であって、前記分離層は、hBNとtBNとの混合の層であり、hBNの割合が50%以上であることと、
前記hBNを含む分離層上に、単相膜からなるcBN層を成長させる工程と、
前記cBN層上に、単結晶ダイヤモンド薄膜を成長させる工程と
前記hBNを含む分離層を、前記hBNを含む分離層の積層方向と垂直な面でへき開して、前記下地基板と前記cBN層を分離する工程と、
前記単結晶ダイヤモンド薄膜に付着している、前記cBN層と分離した前記hBNを含む分離層とを除去する工程と
を備えたことを特徴とする単結晶ダイヤモンド自立膜の作製方法。