JP6910047B2 - ランダムマイクロニードル - Google Patents

Description

本発明はダイヤモンド基板の気相成長に用いる下地基板に関する。

現在、各種半導体分野で用いられている単結晶基板の製造方法は、気相成長法と液相成長法とに大別され、一方の気相成長法は高輝度ＬＥＤやパワーデバイス用基板として使用されるＧａＮ基板等の育成に、他方の液相成長法は当該ＧａＮ基板の下地基板等として使用されるサファイア基板の育成に、それぞれ用いられている。これらの育成方法に関して、ＧａＮ基板等気相成長では、育成する結晶と育成に使用する基板との材質が異なるヘテロエピタキシャル成長により結晶を成長させる。この為、当該材質の違いに伴う熱膨張係数の差によって基板に発生する反りを、特許４２０４１６３（以下引用文献１として記載）に記載されたピラー等により低減させる必要がある。

この様なヘテロエピタキシャル成長法の分野で近年、上記ＧａＮ基板等よりも優れた物理特性を有するダイヤ単結晶基板の製造に用いる研究が進められており、前述の反り発生についても特開２０１６−０５０１３９（以下引用文献２として記載）に記載されたモザイク成長等を用いることで、当該反りを低減することが可能となっている。ここで、引用文献２記載のモザイク成長では、ダイヤ単結晶核群を成長後、各ダイヤ単結晶核からダイヤ結晶を選択的に成長させ、隣接したダイヤ単結晶間の成長及び一体化（モザイク成長）による大面積ダイヤ単結晶基板の製造を可能にしたことをその技術的特徴としている。

特許４２０４１６３ 特開２０１６−０５０１３９

上述した技術的特徴を有している一方、特許文献２記載のダイヤ単結晶基板はその製法上、前記一体化された境界に結晶欠陥が形成される為、均質な単結晶基板を得ることができないという課題を有している。また、ダイヤ基板について引用文献１の様なピラーを形成するには、レーザー露光装置等を用いて成長させたダイヤ層上にＮｉ薄膜によるパターンを積層し、水素雰囲気下での熱加工処理を行わなければならない。この場合、当該気相成長用の装置とは別にレーザー露光装置等が必要になると共に、当該パターン形成時に使用したレジスト材をウェットエッチングにより常温で除去しなければならず、再度気相成長装置を用いてピラー上に単結晶ダイヤを成長させる際、基板が熱収縮及び反りを生じてしまう。

上記課題に対し、本願記載の発明では上記反りを低減しつつ、高品質のダイヤ単結晶を育成可能で、安価な下地基板の提供を目的としている。

上記目的のために本願記載の発明は、200℃以下のスパッタにより、ダイヤ単結晶上に膜厚０．１〜１．０μｍでＮｉ膜を積層し、次に、Ｎｉ膜を加熱して凝集し、配向性を持たない斑状のランダムマイクロパターンを形成し、次に、ダイヤ単結晶を水素雰囲気下で再度加熱し、Ｎｉ膜下のダイヤ単結晶を900℃〜1000℃で熱加工して、ランダムマイクロニードルを形成し、ランダムマイクロニードル間に於ける隣接した頂点同士の間隔を40μｍ以下として粗密を有すると共に、高さ30〜500μｍ以下でランダムマイクロニードルを形成する、ランダムマイクロニードルの製造方法としたことをその技術的特徴としている。

上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、ダイヤ気相成長に於ける反りの低減と共に、育成するダイヤ単結晶の結晶品質向上という効果をも得ることができる。これは、柱状のピラーではなく、針状のマイクロニードルをランダムに形成することによる効果となっている。即ち、本発明記載のランダムマイクロニードルは、その形成過程に於いて、形成対象となるダイヤ単結晶層上へＮｉ薄膜を一定の厚み範囲で積層し、加熱することで当該ニードルを加工するためのランダムパターンを形成することができる。これは、当該加熱によってＮｉが凝集し、積層されたダイヤ単結晶上にＮｉ膜を再形成する為で、当該再形成されたＮｉ膜は配向性を持たない状態で斑状のランダムマイクロパターンを構成することが可能となる。

これにより、本願記載のランダムマイクロニードルは、当該パターン形成工程に於いてレーザー露光装置等を用いることなく、反りの低減という効果を下地基板に付与することができる。より具体的には、前記パターン形成済の基板を水素雰囲気下にて再度加熱し、Ｎｉ下のダイヤ単結晶膜を熱加工することで、当該ニードルを形成することが可能となっている。従って、本願記載の発明では前記気相成長中の応力吸収及び、それに伴う反りの低減といった効果を有するランダムマイクロニードルを、同一チャンバ内の積層と加熱とによって容易に形成することができる。加えて、当該同一チャンバ内での形成により、リソグラフィ及びエッチング等といった各装置間の移動に際して生じる温度変化を無くし、前記ニードル形成前、当該温度変化よる基板の反り発生を防ぐこともまた、可能となっている。

また、前記ダイヤ気相成長について、本発明では形成されたランダムマイクロニードルに対し、メタン雰囲気での気相成長を行うことで、当該ニードル上へのダイヤ単結晶成長が可能となる。より具体的には、隣接したニードルの頂点間で生じる横方向エピタキシャル成長によって、各ニードルの頂点から成長した結晶がその成長過程で隣接した結晶と一体化し、当該ニードル先端に板状のダイヤ単結晶基板を形成後、当該基板の厚み方向となる上下方向へと結晶成長が進むことで、当該基板の厚みを増加していくことができる。この為、本発明のランダムマイクロニードルから形成された基板は、前述した境界での結晶欠陥を生じず、低い転位密度と高い結晶性を有するダイヤ単結晶基板となる。更に、この結晶成長中、当該基板はニードルを通じて冷却することができる為、マイクロ波プラズマ気相成長等の基板温度が高温となる方法を用いた長時間での結晶成長に際しても、ダイヤ単結晶のグラファイト化を防ぎ、長時間の結晶成長に際しても、安定して基板の厚みを増加していくことが可能となる。

上述した効果に加えて、前記ニードルの形成後、各ニードル基底部に残留したＮｉを除去せずに前記気相成長を行う際、使用するメタン雰囲気中に水素を混合することで成長したダイヤ基板を、当該ニードルを支持する基板から分離させることができる。即ち、本発明記載のランダムマイクロニードルは、その先端部から成長したダイヤ単結晶基板が生じる反りを吸収しつつ、当該基板を冷却することで前記長時間の結晶成長を可能にしている。この為、ニードル基部に残留したＮｉ下のダイヤ単結晶膜を前記混合した水素を介して加工し、各ニードルを分離させることにより前記ダイヤ単結晶基板が自動的に取り外された状態とすることが可能となる。

また、前記ランダムマイクロニードルを用いた単結晶ダイヤの結晶品質を向上させることができる。これは、当該ニードル間の間隔を特定範囲以下に制限した事による効果となっている。即ち、本発明では各ニードル間に於ける隣接した頂点同士の距離を４０μｍ以下に制限することで、前記ニードルの密度及び高さ分布を規定している。これにより、前記ニードルを用いて横方向エピタキシャル成長を行う際、前記頂点から成長していく単結晶ダイヤ同士が一体化する大きさを一定範囲内に納めて結晶品質を向上し、結晶欠陥及び転位密度を低減した単結晶ダイヤ基板を得ることが可能となる。

以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることによって高品質のダイヤモンド単結晶を育成可能で安価な下地基板を提供することができる。

本発明の最良の実施形態に於いて用いるランダムマイクロニードルの説明図 図１に示したランダムマイクロニードルを形成するランダムマイクロパターンの画像及びランダムマイクロニードルの画像 図１に示したランダムマイクロニードルの形成及びそれを用いた厚膜単結晶ダイヤモンド基板の気相成長方法

以下に、図１、図２及び図３を用いて本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。

図１に本実施形態で用いるランダムマイクロニードルを備えた基板を、図２に当該ランダムマイクロニードルの画像（図２中ｂ）及びランダムマイクロニードルを形成するランダムマイクロパターンの画像（図２中ａ）を、図３に当該ニードルを用いた気相成長方法を、それぞれ示す。尚、気相成長に用いる装置等については、図中での記載を省略している。

図１及び図２中ｂから解るように、本実施形態記載のランダムマイクロニードルは、下地ダイヤ単結晶基板１上に針状の先端を有する複数の凸部を乱立させて配置した構造となっている（図２中ｂ参照）。より具体的には、当該複数の凸部が粗密を有する状態で形成されていることをその特徴としている。この様な構造を用いたことで本実施形態記載のランダムマイクロニードル２は、前記反りを低減し、高品質の厚膜ダイヤ単結晶基板を気相成長することが可能となる。

当該効果について、図３に示すランダムマイクロニードル２の形成及びそれを用いた厚膜単結晶ダイヤ基板６の気相成長方法を用いて説明する。図３から解るように、本実施形態では始めに下地ダイヤ単結晶基板上にＮｉ膜を積層、凝集することによって斑状のランダムマイクロパターンを形成している（図２中ａ及び図３中ａ〜ｃ参照）。尚、当該Ｎｉ膜３を積層する下地ダイヤ単結晶基板１の厚みは、ランダムマイクロニードル２の長さ以上であれば良く、より具体的には３０〜５００μｍ以下の厚みにすることで前述の横方向結晶成長による厚膜単結晶ダイヤ基板５の成長が可能となる。これは、当該ニードル２の機能と品質に起因する数値範囲であり、当該範囲未満ではその短さによりニードルが機能せず、厚すぎればニードル形成に際して温度差に起因した反りが発生し、ニードル全体の品質が低下する為である。

また、当該Ｎｉ膜３の積層に際して、本実施形態では２００℃以下でのスパッタによりＮｉ膜３を積層することで当該Ｎｉ膜３の配向性を低下させ、加熱による凝集時、ランダムマイクロパターン４を形成することを可能としている。即ち、前述した従来のレーザー露光装置等によるパターン形成及びピラーの加工ではその目的及び方法上、高い配向性を有するＮｉ膜のパターンが形成される。この為、当該加工によって得られるピラーの形状及び密度を正確に制御できる一方、前述したリソグラフィ装置及びパターン形成時のレジスト除去が必須となる上に、当該レジストの除去に際して熱収縮を生じてしまい、厚膜ダイヤ単結晶基板用の下地基板として安価に量産することができないという課題を生じてしまう。これに対して本実施形態記載のランダムマイクロニードルではＮｉ膜３の膜厚を一定範囲内に収めることで当該ニードル間の間隔を４０μｍ以下に設定し、当該熱収縮及びそれに起因した反りを生じることなく、高品質で安価な下地基板の提供を可能にしている。より具体的には、Ｎｉ膜の膜厚を０．１〜１．０μｍの範囲にすることで、Ｎｉ凝集時に形成されるランダムマイクロパターンを調整し、熱加工にてランダムマイクロニードルを形成できる構造としている。

次に、図２ｂ及び図３ｄに示すランダムマイクロニードル２の熱加工について述べる。本実施形態では上記マイクロパターンの形成後、前記ランダムマイクロパターンを水素雰囲気下にて加熱することにより、前記Ｎｉを触媒としたダイヤ単結晶の熱加工及びニードルの形成を可能にしている。ここで、形成するランダムマイクロニードル２について、本実施形態では下地ダイヤ単結晶基板１を全て熱加工せず、９００℃〜１０００℃にて熱加工した後、底部の下地ダイヤ単結晶基板１を残した状態で厚膜ダイヤ単結晶基板６の気相成長を開始することにより、ニードル形成と厚膜成長とを並行して進める。これは、本実施形態記載の下地ダイヤ基板が別途下地基板を有していないことによる。

即ち、厚膜ダイヤ単結晶基板６の気相成長過程に於いて、本実施形態では下地ダイヤ単結晶基板１を直接冷却しながら前記ニードル先端からの横方向結晶成長による気相成長を行う。この為、当該ニードル２を用いた気相成長時、育成雰囲気となるメタンに水素を混合し、前記ニードル形成と厚膜成長とを並行して進めることで、ニードル２を介した厚膜ダイヤ単結晶６の冷却を効率的に行い、当該基板のグラファイト化を防ぐと共に、基礎となる下地ダイヤ単結晶基板１が有する結晶品質を向上し、結晶欠陥を低減した厚膜ダイヤ単結晶基板を得ることが可能となる。また、当該気相成長中、下地ダイヤ単結晶基板１と、厚膜ダイヤ単結晶基板６と、の間の温度差等に起因した応力Ｂ及び反りの発生について、本実施形態では前記ニードル２を設けたことで当該応力を吸収して反りを低減することができた。加えて、当該厚膜ダイヤ単結晶基板６の形成完了に際して、下地ダイヤ単結晶基板１の底面までニードル２を形成することで各ニードル間を自動的に分割し、育成完了の時点で厚膜ダイヤ単結晶基板６を応力フリーの状態とすることもまた、可能となっている。

尚、本実施形態と同じ技術的見地から、ＭｇＯ等の下地基板上に形成したダイヤ単結晶を下地ダイヤ単結晶基板１として用いても、前記結晶品質の向上という効果を得ることができる。この場合、従来のピラー等を用いない気相成長法ではＭｇＯ等の下地基板と、下地ダイヤ単結晶基板と、の間に於ける熱膨張係数及び格子定数の違いに起因して、より強い反り方向の応力が働き、気相成長する厚膜単結晶ダイヤ基板に反りを生じてしまうが、前記ランダムマイクロニードル２を用いることで当該応力を吸収し、反りを低減すると共に、前記ニードル間の分割により、厚膜ダイヤ単結晶基板完成時に当該基板の内部応力を開放することもまた、可能となる。

以上述べたように、本願実施形態記載のランダムマイクロニードルを用いることによって、従来技術で生じていた反りを低減しつつ、高品質のダイヤモンド単結晶を育成可能で、熱加工のみにて形成可能なことによる安価な下地基板を提供することができた。

１ 下地ダイヤ単結晶基板
２ ランダムマイクロニードル
３ Ｎｉ膜
４ ランダムマイクロパターン
５ Ｎｉ
６ 厚膜ダイヤ単結晶基板
Ｂ 応力

Claims (1)

1. 200℃以下のスパッタにより、ダイヤ単結晶上に膜厚０．１〜１．０μｍでＮｉ膜を積層し、
   次に、Ｎｉ膜を加熱して凝集し、配向性を持たない斑状のランダムマイクロパターンを形成し、
   次に、ダイヤ単結晶を水素雰囲気下で再度加熱し、Ｎｉ膜下のダイヤ単結晶を900℃〜1000℃で熱加工して、ランダムマイクロニードルを形成し、
   ランダムマイクロニードル間に於ける隣接した頂点同士の間隔を40μｍ以下として粗密を有すると共に、高さ30〜500μｍ以下でランダムマイクロニードルを形成する、ランダムマイクロニードルの製造方法。

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