JP6989091B2 - Diamond Structures, Diamond Cantilever, and Methods for Manufacturing Diamond Structures - Google Patents

Diamond Structures, Diamond Cantilever, and Methods for Manufacturing Diamond Structures Download PDF

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Description

本発明はナノおよびマイクロ電子機械システムデバイス等に関し、特にそのようなデバイスのコア素子として使用可能な単結晶タイヤモンド構造体に関する。 The present invention relates to nano- and micro-electromechanical system devices and the like, and particularly to single crystal tiremond structures that can be used as core elements of such devices.

センサー機器や信号処理機器の高度化、小型化、携行化およびウェアラブル化が進んでおり、それらを支えるコア素子としてのMEMS(Micro Electro Mechanical System)およびNEMS(Nano Electro Mechanical System)によるカンチレバーおよび共振子の高精度化要求が高まっている。
MEMS/NEMSカンチレバー、共振子の重要な性能指数の1つは、品質因子(Quality factor)Qであり、高い品質因子(高いQ値)を得るための技術開発が不断に進められている。
Sensor devices and signal processing devices are becoming more sophisticated, smaller, portable and wearable, and cantilever and resonators using MEMS (Micro Electro Electrical System) and NEMS (Nano Electro Electrical System) as core elements to support them. The demand for higher precision is increasing.
One of the important performance indexes of the MEMS / NEMS cantilever and the resonator is the quality factor Q, and technological development for obtaining a high quality factor (high Q value) is constantly being promoted.

ダイヤモンドは、ヤング率が高く、最高の硬度をもち、熱伝導率も高く、疎水性の表面であり、耐腐食性にも優れるなどの特筆すべき特性が数多くある。このため、ダイヤモンドは、既存のシリコンなど材料と比べ、高い品質因子をもつMEMS/NEMSのカンチレバー、共振子を実現する理想に近い材料である。 Diamond has many notable properties such as high Young's modulus, highest hardness, high thermal conductivity, hydrophobic surface, and excellent corrosion resistance. For this reason, diamond is a near-ideal material that realizes a MEMS / NEMS cantilever and resonator with higher quality factors than existing materials such as silicon.

ダイヤモンドを使用したこれまでのMEMS/NEMSに関する研究は、ほとんど異種基板上に成長された多結晶(PCD)、ナノ結晶(NCD)、および超ナノ結晶ダイヤモンド(UNCD)であった(特許引用文献1および非特許引用文献1,2参照)。
しかしながら、これらのダイヤモンドでは、結晶粒界およびsp2コンポーネントが作用するので、MEMS/NEMSに求められる性能を完全には引き出せない。例えば、熱弾性損失はMEMS/NEMSに固有のエネルギー損失であり、それはデバイスの品質因子の決定要因になっているが、これらのダイヤモンドでは熱弾性損失はダイヤモンド単結晶のレベルには至っていない不十分なものである。
Previous studies on MEMS / NEMS using diamond have been mostly polycrystalline (PCD), nanocrystal (NCD), and ultra-nanocrystal diamond (UNCD) grown on dissimilar substrates (Patent Reference 1). And see Non-Patent References 1 and 2).
However, since the grain boundaries and sp2 components act on these diamonds, the performance required for MEMS / NEMS cannot be fully achieved. For example, thermoelastic loss is an energy loss inherent in MEMS / NEMS, which is a determinant of device quality factors, but in these diamonds thermoelastic loss is inadequate, not at the level of diamond single crystals. It is a thing.

一方、単結晶ダイヤモンド(SCD)は弾性損失、熱弾性損失が極めて少ない。このため、SCDのMEMS/NEMSカンチレバー、共振子への使用は、PCD,NCDおよびUNCDの使用よりも適していると考えられる。 On the other hand, single crystal diamond (SCD) has extremely low elastic loss and thermal elastic loss. Therefore, it is considered that the use of SCD for MEMS / NEMS cantilever and resonator is more suitable than the use of PCD, NCD and UNCD.

単結晶ダイヤモンドを用いたMEMSとしては、ダイヤモンド・オン・インシュレータ(DOI)法で作製されたSCD共振子が報告されている(非特許文献3参照)。しかしながら、このDOI法におけるダイヤモンドMEMSは、異種基板に結合しているので、ダイヤモンドと基板との間の熱膨張係数の差に基づく品質因子の低下等の問題があった。さらに、例えば600℃というような高温下適用の場合に、異種基板に結合されたMEMS/NEMSには信頼性低下の問題があった。
また、特許文献2に開示されているように、本発明者らは、イオン注入補助リフトオフ(IAL)法を用いたSCDカンチレバーを発明した。しかしながら、この方法によるSCDカンチレバー(機械共振子)の品質因子は1000のレベルに留まっていた。
As a MEMS using a single crystal diamond, an SCD resonator produced by a diamond-on-insulator (DOI) method has been reported (see Non-Patent Document 3). However, since the diamond MEMS in this DOI method is bonded to a different type of substrate, there is a problem that the quality factor is lowered based on the difference in the coefficient of thermal expansion between the diamond and the substrate. Further, in the case of application under a high temperature such as 600 ° C., the MEMS / NEMS bonded to the dissimilar substrate has a problem of deterioration in reliability.
Further, as disclosed in Patent Document 2, the present inventors have invented an SCD cantilever using an ion implantation assisted lift-off (IAL) method. However, the quality factor of the SCD cantilever (mechanical resonator) by this method remained at the level of 1000.

米国特許出願公開第2010/0055806号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2010/0055806 特開2011−168460号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-168460

Microelectromech.Syst.,vol.24,p.2152(2015)Microelectromech. System. , Vol. 24, p. 2152 (2015) J.Micromech.Microeng.,vol.19,p.115016(2009)J. Micromech. Microeng. , Vol. 19, p. 115016 (2009) Appl.Phys.Lett.,vol101,p.163505(2012)Apple. Phys. Let. , Vol101, p. 163505 (2012)

本発明が解決しようとしている課題は、単結晶ダイヤモンドが有している優れた特性を活かして、極めて高い品質因子を有し、かつ高温化でも性能低下が少ないダイヤモンド構造体およびその製造方法を提供することである。
具体的には、弾性損失、熱弾性損失が極めて少なく、600℃というような高温下でも性能の低下が少なく、500,000以上という極めて優れた品質因子をもつMEMS/NEMSカンチレバーおよび機械共振子および機械共振子とそれらの製造方法を提供することである。
The problem to be solved by the present invention is to provide a diamond structure having extremely high quality factors and little deterioration in performance even at high temperatures, and a method for manufacturing the same, by utilizing the excellent properties of single crystal diamond. It is to be.
Specifically, MEMS / NEMS cantilever and mechanical resonators with extremely low elastic loss and thermal elastic loss, little deterioration in performance even at high temperatures such as 600 ° C, and extremely excellent quality factors of 500,000 or more. It is to provide mechanical resonators and methods for their manufacture.

本発明の構成を下記に示す。
(構成1)
単結晶ダイヤモンド層上に支持部を介してダイヤモンドの梁が形成されたダイヤモンド構造体において、
前記梁は表面欠陥層と本体層からなり、
前記表面欠陥層はダイヤモンドライクカーボンからなり、
前記表面欠陥層の厚さは前記本体層の厚さに対して2%以下であり、
前記本体層は単結晶ダイヤモンドからなる、ダイヤモンド構造体。
(構成2)
前記支持部はグラファイトを含む、構成1に記載のダイヤモンド構造体。
(構成3)
前記支持部はグラファイトからなる、構成に記載のダイヤモンド構造体。
(構成4)
前記支持部はダイヤモンドを含む、構成1に記載のダイヤモンド構造体。
(構成5)
前記表面欠陥層の厚さは前記梁の厚さに対して1%以下である、構成1から4の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。
(構成6)
前記表面欠陥層の厚さは前記梁の厚さに対して0.2%以下である、構成1から4の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。
(構成7)
前記梁は片持ち梁である、構成1から6の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。
(構成8)
構成1から7の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の構造を有する、ダイヤモンド・カンチレバー。
(構成9)
少なくとも表面の一部に単結晶ダイヤモンド層が形成された基板を準備する基板準備工程と、
前記基板の前記単結晶ダイヤモンド層が形成された面側からイオン注入を行ってグラファイトライクカーボン損傷層を前記単結晶ダイヤモンド層中に形成するイオン注入工程と、
第1の熱処理を伴って前記単結晶ダイヤモンド層の表面にダイヤモンド・エピタキシャル層を形成し、かつ前記第1の熱処理により前記グラファイトライクカーボン損傷層をグラファイト改質層とするダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程と、
前記ダイヤモンド・エピタキシャル層に第2の熱処理を施してダイヤモンドの結晶欠陥を低減する高品質結晶化熱処理工程と、
前記ダイヤモンド・エピタキシャル層の上に梁を形成するためのエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、
少なくとも前記グラファイト改質層に達する深さまでドライエッチングを行って前記梁を形成するための加工を行うドライエッチング工程と、
前記グラファイト改質層の一部を、酸を含んだ溶液によるウェットエッチングにより除去し、前記梁を形成するウェットエッチング工程と、
酸素雰囲気中で前記梁に形成された欠陥層の少なくとも一部をエッチングする欠陥層エッチング工程と、を含んでダイヤモンド構造体を製造するダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成10)
前記基板は、単結晶ダイヤモンド基板である、構成9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成11)
前記基板は、単結晶ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド層がエピタキシャル形成されたものである、構成9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成12)
前記基板は、剛性を有する基体上に単結晶ダイヤモンド膜が貼り合わされたものである、請求項9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成13)
前記欠陥層エッチング工程は、500℃以上1500℃以下の熱処理条件下で行われる、構成9から12の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成14)
前記欠陥層エッチング工程は、酸素分圧が10Pa以上10Pa以下の環境下で行われる、構成9から13の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成15)
前記高品質結晶化熱処理工程の熱処理は、真空下で、500℃以上1500℃以下で行われる、構成9から14の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成16)
前記エッチングマスクは金属からなる、構成9から15の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成17)
前記ウェットエッチングは硫酸を含む酸で行われる、構成9から15の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成18)
前記欠陥層エッチング工程の後に有機物または/および異物を除去するクリーニングが行われる、構成9から17の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
(構成19)
前記クリーニングは、水素プラズマ、オゾン、酸素プラズマの群から選ばれる少なくとも1以上により行われる、構成18に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。
The configuration of the present invention is shown below.
(Structure 1)
In a diamond structure in which a diamond beam is formed on a single crystal diamond layer via a support portion.
The beam consists of a surface defect layer and a body layer.
The surface defect layer is made of diamond-like carbon and is made of diamond-like carbon.
The thickness of the surface defect layer is 2% or less with respect to the thickness of the main body layer.
The main body layer is a diamond structure made of single crystal diamond.
(Structure 2)
The diamond structure according to configuration 1, wherein the support portion contains graphite.
(Structure 3)
The diamond structure according to configuration 1 , wherein the support portion is made of graphite.
(Structure 4)
The diamond structure according to configuration 1, wherein the support portion includes diamond.
(Structure 5)
The diamond structure according to any one of configurations 1 to 4, wherein the thickness of the surface defect layer is 1% or less with respect to the thickness of the beam.
(Structure 6)
The diamond structure according to any one of configurations 1 to 4, wherein the thickness of the surface defect layer is 0.2% or less with respect to the thickness of the beam.
(Structure 7)
The diamond structure according to any one of configurations 1 to 6, wherein the beam is a cantilever.
(Structure 8)
A diamond cantilever having the structure of the diamond structure according to any one of configurations 1 to 7.
(Structure 9)
A substrate preparation process for preparing a substrate having a single crystal diamond layer formed on at least a part of the surface,
An ion implantation step of forming a graphite-like carbon damaged layer in the single crystal diamond layer by implanting ions from the surface side of the substrate on which the single crystal diamond layer is formed.
The first heat-treated with forming a diamond epitaxial layer on a surface of the single crystal diamond layer, and the first of the graphite-like carbon damage layer Graphite modified layer to the diamond epitaxial layer forming step by heat treatment When,
A high-quality crystallization heat treatment step of applying a second heat treatment to the diamond epitaxial layer to reduce crystal defects of diamond, and
An etching mask forming step of forming an etching mask for forming a beam on the diamond epitaxial layer, and an etching mask forming step.
And dry etching step for processing to form the beam dry etching is performed until at least the Graphite modified layer reaches a depth,
A portion of the Graphite modified layer is removed by wet etching using a solution containing acid, and wet etching process for forming the beam,
A method for manufacturing a diamond structure, comprising: a defect layer etching step of etching at least a part of a defect layer formed on the beam in an oxygen atmosphere, and a method for manufacturing a diamond structure.
(Structure 10)
The method for manufacturing a diamond structure according to the configuration 9, wherein the substrate is a single crystal diamond substrate.
(Structure 11)
The method for manufacturing a diamond structure according to Configuration 9, wherein the substrate is a single crystal diamond substrate in which a single crystal diamond layer is epitaxially formed.
(Structure 12)
The method for manufacturing a diamond structure according to claim 9, wherein the substrate is a rigid substrate on which a single crystal diamond film is bonded.
(Structure 13)
The method for producing a diamond structure according to any one of configurations 9 to 12, wherein the defect layer etching step is performed under heat treatment conditions of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
(Structure 14)
The defect layer etching step, the oxygen partial pressure is carried out under 10 2 Pa or more 10 5 Pa or less environment, producing a diamond structure according to any one of the configurations 9 13.
(Structure 15)
The method for producing a diamond structure according to any one of configurations 9 to 14, wherein the heat treatment in the high-quality crystallization heat treatment step is performed under vacuum at 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower.
(Structure 16)
The method for manufacturing a diamond structure according to any one of configurations 9 to 15, wherein the etching mask is made of metal.
(Structure 17)
The method for producing a diamond structure according to any one of configurations 9 to 15, wherein the wet etching is performed with an acid containing sulfuric acid.
(Structure 18)
The method for producing a diamond structure according to any one of configurations 9 to 17, wherein cleaning for removing organic substances and / or foreign substances is performed after the defect layer etching step.
(Structure 19)
The method for producing a diamond structure according to configuration 18, wherein the cleaning is performed by at least one selected from the group of hydrogen plasma, ozone, and oxygen plasma.

本発明によれば、弾性損失、熱弾性損失が極めて少なく、600℃というような高温下でも性能の低下が少なく、500,000以上という極めて優れた品質因子をもつMEMS/NEMSカンチレバーおよび機械共振子および機械共振子とそれらの製造方法を提供することが可能になる。 According to the present invention, a MEMS / NEMS cantilever and a mechanical resonator having extremely low elastic loss and thermal elastic loss, little deterioration in performance even at a high temperature such as 600 ° C., and an extremely excellent quality factor of 500,000 or more. And it becomes possible to provide mechanical resonators and their manufacturing methods.

本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたカンチレバーの構造を示す説明図。(a)が平面図で、(b)、(c)は断面図。Explanatory drawing which shows the structure of the cantilever using the single crystal diamond of this invention. (A) is a plan view, and (b) and (c) are sectional views. 本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたカンチレバーの製造工程を要部断面図で示した工程図。The process diagram which showed the manufacturing process of the cantilever using the single crystal diamond of this invention by the cross-sectional view of the main part. 本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたカンチレバーの製造工程を要部断面図で示した工程図。The process diagram which showed the manufacturing process of the cantilever using the single crystal diamond of this invention by the cross-sectional view of the main part. 本発明の基板の構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the substrate of this invention. 本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたカンチレバーの製造工程を示した製造フロー図。The manufacturing flow diagram which showed the manufacturing process of the cantilever using the single crystal diamond of this invention. 実施例1で作製したダイヤモンド・カンチレバーおよび共振子を上面から観察した光学顕微鏡写真。An optical micrograph of the diamond cantilever and resonator produced in Example 1 observed from above. 実施例1で作製したダイヤモンド・カンチレバーを上面から観察した光学顕微鏡写真。An optical micrograph of the diamond cantilever produced in Example 1 observed from above. 単結晶ダイヤモンド・カンチレバーの振動スペクトルを示す特性図。A characteristic diagram showing the vibration spectrum of a single crystal diamond cantilever. 単結晶ダイヤモンド・カンチレバーの共振周波数と梁の長さの関係を示す特性図。A characteristic diagram showing the relationship between the resonance frequency of a single crystal diamond cantilever and the length of a beam. 単結晶ダイヤモンド・カンチレバーの共振周波数と原子層エッチングの関係を示す特性図。A characteristic diagram showing the relationship between the resonance frequency of a single crystal diamond cantilever and atomic layer etching. 作製した単結晶ダイヤモンド・カンチレバーの品質因子の原子層エッチング時間依存性を示す特性図。A characteristic diagram showing the atomic layer etching time dependence of the quality factor of the produced single crystal diamond cantilever. リングダウン法による品質因子測定例を示す特性図。A characteristic diagram showing an example of quality factor measurement by the ring-down method. 欠陥層の厚み比率と品質因子の関係を示す特性図。A characteristic diagram showing the relationship between the thickness ratio of the defect layer and the quality factor. 共振周波数をパラメータにして品質因子を欠陥層エッチングの有無でプロットしたマッピング図。A mapping diagram in which quality factors are plotted with or without defect layer etching with the resonance frequency as a parameter. 作製した単結晶ダイヤモンド・カンチレバーの測定温度600℃における共振周波数特性を示す特性図。The characteristic figure which shows the resonance frequency characteristic at the measurement temperature 600 degreeC of the produced single crystal diamond cantilever.

最初に、本発明のダイヤモンド構造体の構成を説明する。
本発明のダイヤモンド構造体101は、図1に示すように、ダイヤモンド単結晶からなる構造体部12と、グラファイト改質層13および欠陥層14で構成されている支持部と、少なくもその表面に単結晶ダイヤモンド層が形成されている基体11からなる。そして、構造体部12は梁部12aと支え部12bからなる。ここで、グラファイト改質層13と欠陥層14からなる支持部はグラファイト、ダイヤモンドを含むが、グラファイトからなるようにすることも可能である。
なお、図1(a)は平面視図であり、図1(b)は図1(a)のAとA′を結んだ面で断面をとったときの断面図、そして図1(c)は図1(a)のBとB′を結んだ面で断面をとったときの断面図を示す。
First, the structure of the diamond structure of the present invention will be described.
As shown in FIG. 1, the diamond structure 101 of the present invention has a structure portion 12 made of a diamond single crystal, a support portion composed of a graphite modified layer 13 and a defect layer 14, and at least on the surface thereof. It is composed of a substrate 11 on which a single crystal diamond layer is formed. The structure portion 12 is composed of a beam portion 12a and a support portion 12b. Here, the support portion composed of the graphite modified layer 13 and the defect layer 14 contains graphite and diamond, but it can also be made of graphite.
1 (a) is a plan view, FIG. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the plane connecting A and A'of FIG. 1 (a), and FIG. 1 (c). 1 (a) shows a cross-sectional view when a cross section is taken at the plane connecting B and B'in FIG. 1 (a).

このダイヤモンド構造体101において、梁部12aを共振させたときの品質因子Qは、エアダンピング、支持部由来の損失、梁部(ビーム部)バルク損失、梁部表面損失、熱弾性損失などの様々な要因の影響を受けて低下する。
そこで、これらの要因を詳細に分析した。
その結果、梁部12aの露出部の下面に欠陥層14bが形成されていて、その欠陥層14bが品質因子Qを低下させていることが分かった。
In this diamond structure 101, the quality factor Q when the beam portion 12a is resonated includes various factors such as air damping, loss derived from the support portion, beam portion (beam portion) bulk loss, beam portion surface loss, and thermoelastic loss. It decreases under the influence of various factors.
Therefore, these factors were analyzed in detail.
As a result, it was found that the defect layer 14b was formed on the lower surface of the exposed portion of the beam portion 12a, and the defect layer 14b lowered the quality factor Q.

この欠陥層14bは、単結晶ダイヤモンドからなる構造体部12とほぼ同じヤング率を有し、後述のグラファイト改質層13を加工するときのウェットエッチングに対しても除去されない薄い層である。この欠陥層14bは構造体部12とほぼ同じヤング率を有するため、この欠陥層14bの存在は共振周波数からは推察しにくい。また、一般に、エッチングレートの遅いソフトなウェットエッチングは被加工物にダメージを与えにくく、欠陥層を生みにくい。また、通常、欠陥層は欠陥のない本体に比べウェットエッチングのエッチングレートが速いので、ウェットエッチングを行うと欠陥層を除去しやすい。さらに、欠陥層が形成されている場所が、基体11と僅かな間隔で隔てている構造体部12の裏側なので分析もしにくい。
このような状況の中で、欠陥層14bが品質因子Qを低下させていることを詳細な検討の結果、見出した。
The defect layer 14b has a Young's modulus substantially the same as that of the structure portion 12 made of single crystal diamond, and is a thin layer that is not removed even by wet etching when processing the graphite modified layer 13 described later. Since the defect layer 14b has almost the same Young's modulus as the structure portion 12, the existence of the defect layer 14b is difficult to infer from the resonance frequency. Further, in general, soft wet etching with a slow etching rate is less likely to damage the workpiece and less likely to form a defect layer. Further, since the defect layer usually has a faster etching rate for wet etching than the main body without defects, it is easy to remove the defect layer by performing wet etching. Further, since the place where the defect layer is formed is the back side of the structure portion 12 which is separated from the substrate 11 at a slight interval, it is difficult to analyze.
Under such circumstances, it was found as a result of detailed examination that the defect layer 14b reduces the quality factor Q.

さらに詳細な分析を行った結果、欠陥層14bの厚さがダイヤモンド単結晶からなる構造体部12の厚さに対して2%以下、好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.02%以下になると品質因子Qは大幅に大きくなることを見出した。
本発明のダイヤモンド構造体101は、梁部12aの下面の露出部の欠陥層14bの厚さが、ダイヤモンド単結晶からなる構造体部12の厚さに対して2%以下、好ましくは1%以下、さらに好ましくは0.02%以下であることを特徴とする。
本構造により高い品質因子Qをもったカンチレバーなどのダイヤモンド構造体を供給することが可能になる。
As a result of further detailed analysis, the thickness of the defect layer 14b is 2% or less, preferably 1% or less, more preferably 0.02% or less with respect to the thickness of the structure portion 12 made of a diamond single crystal. It was found that the quality factor Q becomes significantly larger.
In the diamond structure 101 of the present invention, the thickness of the defective layer 14b of the exposed portion on the lower surface of the beam portion 12a is 2% or less, preferably 1% or less, based on the thickness of the structure portion 12 made of a diamond single crystal. , More preferably 0.02% or less.
This structure makes it possible to supply a diamond structure such as a cantilever having a high quality factor Q.

また、上記説明では、ダイヤモンド構造体101が片持ちの梁をもつ構造の場合を説明したが、梁は片持ちに限らず両持ち(ブリッジ)とすることもできる。
片持ち梁の構造体は、振幅が大きく振動の検出がしやすいという点と、端部にプローブ針をつけての測定に適するという点から優れている。したがって、片持ち梁の構造体はカンチレバーに特に適する。
一方、両持ち梁の構造体は、強度が優れ、耐久性に富むという特長がある。
Further, in the above description, the case where the diamond structure 101 has a cantilever beam has been described, but the beam is not limited to the cantilever and can be a cantilever (bridge).
The cantilever structure is excellent in that it has a large amplitude and is easy to detect vibration, and that it is suitable for measurement with a probe needle attached to the end. Therefore, the cantilever structure is particularly suitable for cantilever.
On the other hand, the double-sided beam structure has the features of excellent strength and high durability.

<製造方法>
次に、本発明のダイヤモンド構造体101の製造方法を図2から図5を参照しながら説明する。
<Manufacturing method>
Next, the method for manufacturing the diamond structure 101 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 5.

本発明のダイヤモンド構造体101は、工程フローを示した図5に示すように、大きく分けて母体形成工程C1、形状形成工程C2および欠陥除去工程C3からなる。そして、母体形成工程C1は、基板準備工程S1、グラファイトライクカーボン損傷層を形成するイオン注入工程S2、ダイヤモンド・エピタキシャル層形成とグラファイト層を形成する工程S3、および結晶高品質化を行う熱処理工程S4からなる。形状形成工程C2は、エッチングマスク形成工程S5、ドライエッチング工程S6、およびウェットエッチング工程S7からなる。そして、欠陥除去工程C3は、欠陥層エッチング工程S8とクリーニング工程S9からなり、クリーニング工程S9を終えるとダイヤモンド構造体が提供されて終了(S10)となる。 As shown in FIG. 5, which shows the process flow, the diamond structure 101 of the present invention is roughly divided into a mother body forming step C1, a shape forming step C2, and a defect removing step C3. The matrix forming step C1 includes a substrate preparation step S1, an ion implantation step S2 for forming a graphite-like carbon damaged layer, a step S3 for forming a diamond epitaxial layer and forming a graphite layer, and a heat treatment step S4 for improving crystal quality. Consists of. The shape forming step C2 includes an etching mask forming step S5, a dry etching step S6, and a wet etching step S7. The defect removing step C3 includes a defect layer etching step S8 and a cleaning step S9, and when the cleaning step S9 is completed, the diamond structure is provided and the process ends (S10).

以下、各工程につきその詳細を説明する。 The details of each step will be described below.

1.基板準備工程(S1)
基板準備工程S1では、少なくとも表面の一部に単結晶ダイヤモンド層が形成された基板11を準備する(図2(a))。ここで、図2は、各工程での断面図を示す。(α)列である左側は、図1(a)のAとA′を結んだ線で分割したときの断面を、(β)列である右側は、図1(a)のBとB′を結んだ線で分割したときの断面を示す。
この基板としては、単結晶ダイヤモンド基板21(図4(a))、単結晶ダイヤモンド基板21上に単結晶ダイヤモンド層が22がエピタキシャル形成された基板(図4(b))、およびSiウェーハ、ポリカーボネイト基板などのプラスチック基板、アルミニウム基板などの金属基板、合成石英基板などのガラス基板など、剛性を有する基体23上に劈開などで切り出された単結晶ダイヤモンド膜24が貼り合わされた基板(図4(c))などを挙げることができる。
単結晶ダイヤモンド層としては、ノンドープの単結晶ダイヤモンドに加え、窒素、ホウ素、リンなどを添加したドープド単結晶ダイヤモンドを使用することもできる。単結晶ダイヤモンドの型としては、例えば、Ib型、IIa型を挙げることができる。また、単結晶ダイヤモンド層の面方位としては、(100)面のほか、(111)面や(110)面などの任意の面を用いることができる。
1. 1. Board preparation process (S1)
In the substrate preparation step S1, a substrate 11 having a single crystal diamond layer formed on at least a part of the surface is prepared (FIG. 2A). Here, FIG. 2 shows a cross-sectional view in each step. The left side of column (α) is the cross section when divided by the line connecting A and A'in FIG. 1 (a), and the right side of column (β) is B and B'in FIG. 1 (a). The cross section when divided by the line connecting is shown.
The substrate includes a single crystal diamond substrate 21 (FIG. 4 (a)), a substrate in which a single crystal diamond layer 22 is epitaxially formed on the single crystal diamond substrate 21 (FIG. 4 (b)), a Si wafer, and a polycarbonate. A substrate (FIG. 4 (c)) in which a single crystal diamond film 24 cut out by opening or the like is bonded onto a rigid substrate 23 such as a plastic substrate such as a substrate, a metal substrate such as an aluminum substrate, or a glass substrate such as a synthetic quartz substrate. )) And so on.
As the single crystal diamond layer, in addition to the non-doped single crystal diamond, a doped single crystal diamond to which nitrogen, boron, phosphorus or the like is added can also be used. Examples of the type of single crystal diamond include Ib type and IIa type. Further, as the plane orientation of the single crystal diamond layer, in addition to the (100) plane, any plane such as the (111) plane or the (110) plane can be used.

2.イオン注入工程(S2)
上記の単結晶ダイヤモンド基板11aの表面に選択的に高エネルギーイオン注入を行い、グラファイトライクカーボン損傷層をダイヤモンド層中に形成する。より詳しく述べると、高エネルギーイオン注入を行って、図2(b)に示すように、ダイヤモンド層11中にグラファイトライクカーボン損傷層13aを形成する。このときグラファイトライクカーボン損傷層13aに接して、欠陥層14aもダイヤモンド層11中に形成される。
イオン注入のイオン種としては、ホウ素イオン(B)、炭素イオン(C)、水素イオン(He)などを挙げることができ、イオンエネルギーとしては180keV以上1MeV以下、ビーム電流としては180nA/cm以上500nA/cm以下、注入角度としては0°以上7°以下、注入量としては1×1016個/cm以上5×1016個/cm以下を挙げることができる。
イオン注入後は、洗浄を行って表面をクリーニングする。この洗浄には、例えば、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液を用いることができる。
2. 2. Ion implantation step (S2)
High-energy ion implantation is selectively performed on the surface of the single crystal diamond substrate 11a to form a graphite-like carbon damaged layer in the diamond layer. More specifically, high energy ion implantation is performed to form a graphite-like carbon damaged layer 13a in the diamond layer 11 as shown in FIG. 2 (b). At this time, the defect layer 14a is also formed in the diamond layer 11 in contact with the graphite-like carbon damaged layer 13a.
Examples of the ion type for ion implantation include boron ion (B + ), carbon ion (C + ), and hydrogen ion (He + ). The ion energy is 180 keV or more and 1 MeV or less, and the beam current is 180 nA /. Examples include cm 2 or more and 500 nA / cm 2 or less, an injection angle of 0 ° or more and 7 ° or less, and an injection amount of 1 × 10 16 pieces / cm 2 or more and 5 × 10 16 pieces / cm 2 or less.
After ion implantation, the surface is cleaned by cleaning. For this cleaning, for example, a mixed acid solution consisting of nitric acid and hydrofluoric acid can be used.

3.ダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程(S3)
この工程では、単結晶ダイヤモンド層11上にダイヤモンド・エピタキシャル層15を成長させる(図2(c))。
ダイヤモンド・エピタキシャル層15の形成方法としては、マイクロ波プラズマ気相成長(MPCVD)法を挙げることができる。
ダイヤモンド・エピタキシャル層15の膜厚は適宜決定すればよいが、例えば0.2μm以上5μm以下を挙げることができる。
3. 3. Diamond epitaxial layer forming step (S3)
In this step, the diamond epitaxial layer 15 is grown on the single crystal diamond layer 11 (FIG. 2 (c)).
As a method for forming the diamond epitaxial layer 15, a microwave plasma vapor deposition (MPCVD) method can be mentioned.
The film thickness of the diamond epitaxial layer 15 may be appropriately determined, and examples thereof include 0.2 μm and more and 5 μm or less.

MPCVDの原料ガスとしてはメタン(CH)、キャリア(希釈)ガスとしては水素(H)を挙げることができる。成膜条件の一例を挙げると、CHの流量0.4sccm、水素ガスの流量500sccm、成長中の圧力10KPa、マイクロ波パワーの400W、基板温度960℃、成長時間8時間を挙げることができる。ここで、この条件でのエピタキシャル層15の厚さは約0.3μmである。
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、水素雰囲気下で基板温度に保持して、ダイヤモンド・エピタキシャル層15の表面を水素終端された状態にすることが好ましい。
Examples of the raw material gas for MPCVD include methane (CH 4 ), and examples of the carrier (diluted) gas include hydrogen (H 2 ). Examples of the film forming conditions include a CH 4 flow rate of 0.4 sccm, a hydrogen gas flow rate of 500 sccm, a growing pressure of 10 KPa, a microwave power of 400 W, a substrate temperature of 960 ° C., and a growth time of 8 hours. Here, the thickness of the epitaxial layer 15 under this condition is about 0.3 μm.
Here, it is preferable that the supply of methane gas is stopped after the growth is completed, and then the temperature is maintained at the substrate temperature in a hydrogen atmosphere to bring the surface of the diamond epitaxial layer 15 into a hydrogen-terminated state.

その後、混酸溶液処理を行って表面伝導層を除去し、ダイヤモンド・エピタキシャル層15の表面を酸素終端層とする。混酸溶液としては、硫酸と硝酸からなる混酸溶液を挙げることができ、例えば、体積比が硫酸:硝酸=1:1の混酸溶液中で300℃60分間の処理を行う。 Then, a mixed acid solution treatment is performed to remove the surface conductive layer, and the surface of the diamond epitaxial layer 15 is used as an oxygen termination layer. Examples of the mixed acid solution include a mixed acid solution composed of sulfuric acid and nitric acid. For example, a treatment is performed at 300 ° C. for 60 minutes in a mixed acid solution having a volume ratio of sulfuric acid: nitric acid = 1: 1.

なお、このダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程の熱処理により、イオン注入によって単結晶ダイヤモンド層11中に形成されたグラファイトライクカーボン損傷層13aは、グラファイト改質層13bに変化する。 By the heat treatment in this diamond epitaxial layer forming step, the graphite-like carbon damaged layer 13a formed in the single crystal diamond layer 11 by ion implantation is changed to the graphite modified layer 13b.

4.熱処理工程(S4)
ダイヤモンド・エピタキシャル層15および単結晶ダイヤモンド層11の欠陥を減少させるために、試料を高真空下でアニーリングする。
アニーリングの温度は500℃以上1500℃以下が好ましい。500℃を下回るとアニーリングが不足してダイヤモンド・エピタキシャル層15および単結晶ダイヤモンド層11の欠陥を十分に低減することができず、その結果、作製された試料の品質因子Qを十分高いものとすることはできない。1500℃を上回ると、ダイヤモンド・エピタキシャル層15および単結晶ダイヤモンド層11に割れが入りやすくなるなどの問題が生じやすくなる。代表的な処理温度としては、1100℃を挙げることができる。
アニーリングの時間としては、1時間以上10時間以下が好ましい。1時間を下回ると欠陥を十分に低減することが難しくなる。10時間を超えたアニーリングは、時間の浪費で、製造スループットを低下させる。代表的なアニーリング時間は6時間である。
真空度は100Pa以下が好ましい。特に、活性な物質などが環境下にあるのは好ましくない。例えば、酸素が環境下にあると、ダイヤモンドが酸化エッチングされる。
4. Heat treatment step (S4)
Samples are annealed under high vacuum to reduce defects in the diamond epitaxial layer 15 and the single crystal diamond layer 11.
The annealing temperature is preferably 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. Below 500 ° C., annealing is insufficient and defects in the diamond epitaxial layer 15 and the single crystal diamond layer 11 cannot be sufficiently reduced, and as a result, the quality factor Q of the produced sample is sufficiently high. It is not possible. If the temperature exceeds 1500 ° C., problems such as easy cracking in the diamond epitaxial layer 15 and the single crystal diamond layer 11 are likely to occur. As a typical processing temperature, 1100 ° C. can be mentioned.
The annealing time is preferably 1 hour or more and 10 hours or less. If it is less than 1 hour, it becomes difficult to sufficiently reduce the defects. Annealing for more than 10 hours is a waste of time and reduces manufacturing throughput. A typical annealing time is 6 hours.
The degree of vacuum is preferably 100 Pa or less. In particular, it is not preferable that an active substance or the like is in the environment. For example, when oxygen is in the environment, diamond is oxidatively etched.

5.エッチングマスク形成工程(S5)
エッチングマスク形成工程(S5)では、ダイヤモンド・エピタキシャル層15上にダイヤモンドを加工するときのエッチングマスク17を形成する(図3(a))。
ダイヤモンドは酸素系のガスでドライエッチングするので、エッチングマスク17は酸素系ガスのドライエッチングに対してドライエッチング耐性を有し、かつダイヤモンドをエッチングすることなくウェットエッチング除去できるものが好ましい。
このことから、エッチングマスク17としてはアルミニウム(Al)、金(Au)、チタン(Ti)、クロム(Cr)などの金属を好んで用いることができる。ここで、Auを用いる場合は、底側にTiなどのウェットエッチングで容易に除去可能な金属を形成した積層構造とすることが好ましい。また、炭化タングステン(WC)、炭化ハフニウム(HfC)などの化合物、アルミナ(Al)、酸化ケイ素(SiO)などの酸化物を用いることもできる。
5. Etching mask forming step (S5)
In the etching mask forming step (S5), an etching mask 17 for processing diamond is formed on the diamond epitaxial layer 15 (FIG. 3A).
Since the diamond is dry-etched with an oxygen-based gas, it is preferable that the etching mask 17 has dry etching resistance to the dry etching of the oxygen-based gas and can be removed by wet etching without etching the diamond.
For this reason, as the etching mask 17, metals such as aluminum (Al), gold (Au), titanium (Ti), and chromium (Cr) can be preferably used. Here, when Au is used, it is preferable to have a laminated structure in which a metal such as Ti that can be easily removed by wet etching is formed on the bottom side. Further, compounds such as tungsten carbide (WC) and hafnium carbide (HfC), and oxides such as alumina (Al 2 O 3 ) and silicon oxide (SiO X ) can also be used.

エッチングマスク17は、ダイヤモンド・エピタキシャル層15上にエッチングマスクとなる加工用膜を形成し、その上にリソグラフィによってレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとしてその加工用膜をドライエッチングして形成することもできるし、リフトオフ法により形成することもできる。
例えば、リフトオフ法で形成する場合は、ダイヤモンド・エピタキシャル層15上にレジストパターン16を形成し(図2(d))、真空蒸着法やスパッタリング法でAl(アルミニウム)膜17aを堆積させた後(図2(e))、リフトオフを行って、Alからなるエッチングマスク17を形成することができる(図3(a))。エッチングマスク17の膜厚としては、例えば、300nmを挙げることができる。
In the etching mask 17, a processing film to be an etching mask is formed on the diamond epitaxial layer 15, a resist pattern is formed on the processing film by lithography, and the processing film is dry-etched using the resist pattern as an etching mask. It can be formed or it can be formed by the lift-off method.
For example, in the case of forming by the lift-off method, a resist pattern 16 is formed on the diamond epitaxial layer 15 (FIG. 2 (d)), and an Al (aluminum) film 17a is deposited by a vacuum vapor deposition method or a sputtering method (see FIG. 2 (d)). FIG. 2 (e)), the etching mask 17 made of Al can be formed by performing lift-off (FIG. 3 (a)). As the film thickness of the etching mask 17, for example, 300 nm can be mentioned.

6.ドライエッチング工程(S6)
しかる後、ドライエッチング工程(S6)として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行ってダイヤモンド層の加工を行う。このドライエッチングでは、少なくともグラファイト改質層13bの底部が除去される深さまでエッチングを行う(図3(b))。ここで、反応性イオンエッチングに代えて、収束イオンビームエッチング、レーザービームによるエッチングとしてもよい。
酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングのエッチング条件としては、例えば、Oガス流量90sccm、高周波電力800W、バイアス電力20W、作動圧力0.5Paを挙げることができる。この条件でのダイヤモンドのエッチングレートは60nm/minである。
6. Dry etching process (S6)
After that, as a dry etching step (S6), reactive ion etching using oxygen gas is performed to process the diamond layer. In this dry etching, etching is performed to a depth at which the bottom of the graphite modified layer 13b is removed (FIG. 3 (b)). Here, instead of reactive ion etching, focused ion beam etching or laser beam etching may be used.
Etching conditions for reactive ion etching using oxygen gas include, for example, O 2 gas flow rate 90 sccm, high frequency power 800 W, bias power 20 W, and operating pressure 0.5 Pa. The etching rate of diamond under this condition is 60 nm / min.

7.ウェットエッチング工程(S7)
その後、ウェットエッチングを行ってグラファイト改質層13bをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板構造をもつ素子、例えばカンチレバーやブリッジ共振器を形成する(図3(c))。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層13は梁の支持部の構成物となる。
ウェットエッチング液としては、硫酸を含む酸、例えば、硫酸と硝酸からなる混酸を挙げることができる。ここで、エッチングレートを上げるために、ウェットエッチング液の温度を上げておくことが好ましい。
7. Wet etching process (S7)
Then, wet etching is performed to etch the graphite modified layer 13b to form an element having a single crystal diamond-on-diamond substrate structure, for example, a cantilever or a bridge resonator (FIG. 3 (c)). The graphite modified layer 13 remaining by this wet etching becomes a component of the support portion of the beam.
Examples of the wet etching solution include an acid containing sulfuric acid, for example, a mixed acid composed of sulfuric acid and nitric acid. Here, in order to increase the etching rate, it is preferable to raise the temperature of the wet etching solution.

8.欠陥層エッチング工程(S8)
次に、欠陥層エッチングを行って、欠陥層14aのうち前記ウェットエッチングによって露出した欠陥層を除去する。その結果、欠陥層14はグラファイト改質層13と単結晶ダイヤモンド層11の間に挟まれた部分に残る。その部分の欠陥層14は支持部を構成する一部になる(図3(d))。
欠陥層エッチングの方法としては、高温かつ酸素環境下での酸素エッチングを挙げることができる。
温度としては500℃以上1500℃以下、酸素の分圧としては10Pa以上10Pa以下を好んで使用することができる。500℃を下回るとエッチング速度が極端に低下し、スループット上好ましくない。1500℃を上回ると、ダイヤモンド・エピタキシャル層15および単結晶ダイヤモンド層11に割れが入りやすくなるなどの問題が生じやすくなる上に、エッチング均一性や制御性が低下する。また、酸素の分圧が10Paを下回るとエッチング速度が極端に低下し、スループット上好ましくない。10Paを上回るとエッチング均一性や制御性が低下する。
この酸素分圧下高温エッチング法は、ダイヤモンドは高温でも破壊、変質、変形することが少ないため、高温処理で新たな欠陥を殆ど発生させないでエッチングすることができる特徴があり、欠陥層エッチングの方法として好ましい。
8. Defect layer etching step (S8)
Next, defect layer etching is performed to remove the defect layer exposed by the wet etching from the defect layer 14a. As a result, the defective layer 14 remains in the portion sandwiched between the graphite modified layer 13 and the single crystal diamond layer 11. The defect layer 14 in that portion becomes a part constituting the support portion (FIG. 3 (d)).
As a method of etching the defect layer, oxygen etching at a high temperature and in an oxygen environment can be mentioned.
Below 1500 ° C. 500 ° C. or higher as the temperature, the partial pressure of oxygen can be used in favor of less 10 2 Pa or more 10 5 Pa. If the temperature is lower than 500 ° C., the etching rate is extremely lowered, which is not preferable in terms of throughput. If the temperature exceeds 1500 ° C., problems such as easy cracking in the diamond epitaxial layer 15 and the single crystal diamond layer 11 are likely to occur, and etching uniformity and controllability are deteriorated. Further, the etching rate decreases extremely when the partial pressure of oxygen is below 10 2 Pa, the throughput is not preferable. Above the 10 5 Pa etch uniformity and controllability is degraded.
This high-temperature etching method under oxygen partial pressure has the characteristic that diamond is less likely to be broken, altered, or deformed even at high temperatures, so that it can be etched with almost no new defects generated by high-temperature treatment. preferable.

9.クリーニング工程(S9)
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、クリーニングを行う。
クリーニング法としては、水素プラズマ法、オゾン照射法、酸素プラズマ法などを好んで用いることができる。ここで、水素プラズマ法や酸素プラズマ法などのプラズマ法では、マイクロ波プラズマ法、ラジオ周波数プラズマ法、直流プラズマ法などを用いることができる。
例えば、マイクロ波プラズマを用いた水素プラズマ処理の条件としては、水素ガス(H)の流量500sccm、圧力10KPa、マイクロ波パワー800W、基板温度800℃を挙げることができる。
9. Cleaning process (S9)
Finally, cleaning is performed for the purpose of removing contamination by organic substances and the like.
As the cleaning method, a hydrogen plasma method, an ozone irradiation method, an oxygen plasma method and the like can be preferably used. Here, in a plasma method such as a hydrogen plasma method or an oxygen plasma method, a microwave plasma method, a radio frequency plasma method, a DC plasma method, or the like can be used.
For example, as conditions for hydrogen plasma treatment using microwave plasma, a flow rate of hydrogen gas (H 2 ) of 500 sccm, a pressure of 10 KPa, a microwave power of 800 W, and a substrate temperature of 800 ° C. can be mentioned.

<ダイヤモンド構造体の作製>
ダイヤモンド構造体として、カンチレバーとブリッジ共振子を作製した。以下、その製造工程を、断面図である図2および図3とその工程フローを示した図5を参照しながら説明する。
1.基板準備工程(S1)
単結晶ダイヤモンド層11からなる基板として、Ib型絶縁性(100)面方位のダイヤモンド基板11aを準備した(図2(a))。この基板は高温高圧製で、その大きさは3mm×3mm×0.5mmである。
<Making a diamond structure>
A cantilever and a bridge resonator were produced as a diamond structure. Hereinafter, the manufacturing process will be described with reference to FIGS. 2 and 3 which are cross-sectional views and FIG. 5 which shows the process flow.
1. 1. Board preparation process (S1)
As a substrate made of the single crystal diamond layer 11, a diamond substrate 11a having an Ib-type insulating (100) plane orientation was prepared (FIG. 2A). This substrate is made of high temperature and high pressure, and its size is 3 mm × 3 mm × 0.5 mm.

2.イオン注入工程(S2)
上記の単結晶ダイヤモンド基板11aの(100)面表面に選択的に高エネルギーイオン注入を行った。その条件を以下に示す。
イオン種:C
イオンネルギー:180keV
ビーム電流:180nA/cm
注入角度:7°
注入量:1×1016個/cm
このイオン注入により、基板表面から0.5−1μm深さの領域にグラファイトライクのカーボン層からなるグラファイトライクカーボン損傷層13aを形成した(図2(b))。なお、この際に、単結晶ダイヤモンド層11内でグラファイトライクカーボン損傷層13aの上面と接する部分の一部に欠陥層14aが発生する。
ここで、イオン注入後に、硝酸とフッ化水素酸からなる混酸溶液(その体積比率は硝酸:フッ化水素酸=1:1)中で表面洗浄を行った。この混酸溶液に浸している時間は3時間とし、ヒーターによる沸騰下で処理を行った。この洗浄後には、イオン交換水による純水下でリンスを行った。
2. 2. Ion implantation step (S2)
High-energy ions were selectively implanted into the (100) plane surface of the single crystal diamond substrate 11a. The conditions are shown below.
Ion species: C +
Ion energy: 180keV
Beam current: 180 nA / cm 2
Injection angle: 7 °
Injection volume: 1 x 10 16 pieces / cm 2
By this ion implantation, a graphite-like carbon damaged layer 13a made of a graphite-like carbon layer was formed in a region at a depth of 0.5-1 μm from the substrate surface (FIG. 2 (b)). At this time, the defect layer 14a is generated in a part of the single crystal diamond layer 11 in contact with the upper surface of the graphite-like carbon damaged layer 13a.
Here, after ion implantation, the surface was washed in a mixed acid solution consisting of nitric acid and hydrofluoric acid (the volume ratio was nitric acid: hydrofluoric acid = 1: 1). The time of immersion in this mixed acid solution was 3 hours, and the treatment was carried out under boiling with a heater. After this washing, rinsing was performed under pure water with ion-exchanged water.

3.ダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程(S3)
単結晶ダイヤモンド層11上にマイクロ波プラズマ気相成長(MPCVD)法によりダイヤモンド・エピタキシャル層15を成長させた(図2(c))。成長条件は以下の通りである。
3. 3. Diamond epitaxial layer forming step (S3)
The diamond epitaxial layer 15 was grown on the single crystal diamond layer 11 by the microwave plasma vapor deposition (MPCVD) method (FIG. 2 (c)). The growth conditions are as follows.

原料ガス:メタン(CH)、流量0.4sccm
キャリア(希釈)ガス:水素(H)、流量500sccm
CH/H流量比:0.08%
成長中圧力:10KPa
マイクロ波パワー:400W
基板温度:960℃
成長時間:8時間
エピタキシャル層15の厚さ:0.3μm
ここで、成長終了後にメタンガスの供給を止め、その後、ダイヤモンド・エピタキシャル層15を30分間水素雰囲気下で基板温度に保持した。このため、ダイヤモンド・エピタキシャル層15の表面は水素終端された状態である。
Raw material gas: Methane (CH 4 ), flow rate 0.4 sccm
Carrier (diluted) gas: hydrogen (H 2 ), flow rate 500 sccm
CH 4 / H 2 flow rate ratio: 0.08%
Growing pressure: 10 KPa
Microwave power: 400W
Substrate temperature: 960 ° C
Growth time: 8 hours Thickness of epitaxial layer 15: 0.3 μm
Here, after the growth was completed, the supply of methane gas was stopped, and then the diamond epitaxial layer 15 was kept at the substrate temperature in a hydrogen atmosphere for 30 minutes. Therefore, the surface of the diamond epitaxial layer 15 is in a hydrogen-terminated state.

その後、硫酸と硝酸からなる混酸溶液(その体積比率は硫酸:硝酸=1:1)中で300℃60分間の処理を行って表面伝導層を除去し、ダイヤモンド・エピタキシャル層15の表面を酸素終端層とした。 Then, a treatment at 300 ° C. for 60 minutes was performed in a mixed acid solution consisting of sulfuric acid and nitric acid (the volume ratio is sulfuric acid: nitric acid = 1: 1) to remove the surface conductive layer, and the surface of the diamond epitaxial layer 15 was oxygen-terminated. Layered.

なお、このダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程の熱処理により、イオン注入によって単結晶ダイヤモンド層11中に形成されたグラファイトライクカーボン損傷層13aは、グラファイト改質層13bに変化する。 By the heat treatment in this diamond epitaxial layer forming step, the graphite-like carbon damaged layer 13a formed in the single crystal diamond layer 11 by ion implantation is changed to the graphite modified layer 13b.

4.熱処理工程(S4)
ダイヤモンド・エピタキシャル層15および単結晶ダイヤモンド層11の欠陥を減少させるために、試料を超高真空チャンバ内でアニーリングした。そのアニール条件は以下の通りである。
ベース圧力: 1x10−8Pa
基板温度: 1100℃
アニーリング時間: 6時間
4. Heat treatment step (S4)
Samples were annealed in an ultra-high vacuum chamber to reduce defects in the diamond epitaxial layer 15 and the single crystal diamond layer 11. The annealing conditions are as follows.
Base pressure: 1x10 -8 Pa
Substrate temperature: 1100 ° C
Annealing time: 6 hours

5.エッチングマスク形成工程(S5)
次に、ダイヤモンド・エピタキシャル層15上にレジストパターン16を形成し(図2(d))、真空蒸着法でAl(アルミニウム)膜17aを堆積させた後(図2(e))、リフトオフを行って、膜厚300nmのAlからなるエッチング用の金属マスク17を形成した(図3(a))。
5. Etching mask forming step (S5)
Next, a resist pattern 16 is formed on the diamond epitaxial layer 15 (FIG. 2 (d)), an Al (aluminum) film 17a is deposited by a vacuum vapor deposition method (FIG. 2 (e)), and then lift-off is performed. A metal mask 17 for etching made of Al having a film thickness of 300 nm was formed (FIG. 3A).

6.ドライエッチング工程(S6)
しかる後、ドライエッチング工程(S6)として、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチングを行ってダイヤモンド層の加工を行った。このドライエッチングでは、グラファイト改質層13bの底部が除去される深さまでエッチングを行った(図3(b))。
そのドライエッチング条件は下記の通りである。
ガス流量: 90sccm
高周波電力: 800W
バイアス電力: 20W
作動圧力: 0.5Pa
エッチング時間: 60分
なお、このときのダイヤモンドのエッチングレートは60nm/minであった。
6. Dry etching process (S6)
After that, as a dry etching step (S6), reactive ion etching using oxygen gas was performed to process the diamond layer. In this dry etching, etching was performed to a depth at which the bottom of the graphite modified layer 13b was removed (FIG. 3 (b)).
The dry etching conditions are as follows.
O 2 gas flow rate: 90 sccm
High frequency power: 800W
Bias power: 20W
Working pressure: 0.5Pa
Etching time: 60 minutes The etching rate of diamond at this time was 60 nm / min.

7.ウェットエッチング工程(S7)
その後、ヒーターによる沸騰した硫酸と硝酸からなる混酸溶液(その体積比率は硫酸:硝酸=1:1)中でウェットエッチングを行ってグラファイト改質層13bをエッチングし、単結晶ダイヤモンド・オン・ダイヤモンド基板構造をもつカンチレバーとブリッジ共振子を形成した(図3(c))。このウェットエッチングで残ったグラファイト改質層13はカンチレバーの支持部の構成物となる。
7. Wet etching process (S7)
After that, wet etching was performed in a mixed acid solution consisting of sulfuric acid and nitric acid boiled by a heater (the volume ratio is sulfuric acid: nitric acid = 1: 1) to etch the graphite modified layer 13b, and the single crystal diamond-on-diamond substrate was etched. A bridge resonator was formed with a cantilever having a structure (FIG. 3 (c)). The graphite modified layer 13 remaining by this wet etching becomes a component of the support portion of the cantilever.

8.欠陥層エッチング工程(S8)
次に、下記に示す条件で欠陥層エッチングを行って、欠陥層14aのうち前記ウェットエッチングによって露出した欠陥層を除去した。その結果、欠陥層14はグラファイト改質層13と単結晶ダイヤモンド層11の間に挟まれた部分のみが残り、その部分はカンチレバー支持部を構成する部分になった(図3(d))。
雰囲気:O
雰囲気圧:20KPa
基板温度:500℃
エッチング時間:10時間から380時間まで6段階に分けてふった試料を作製
なお、この欠陥層エッチングによるダイヤモンドのエッチングレートは0.25nm/hであった。
8. Defect layer etching step (S8)
Next, the defect layer etching was performed under the conditions shown below to remove the defect layer exposed by the wet etching from the defect layer 14a. As a result, only the portion sandwiched between the graphite modified layer 13 and the single crystal diamond layer 11 remained in the defect layer 14, and that portion became a portion constituting the cantilever support portion (FIG. 3 (d)).
Atmosphere: O 2
Atmospheric pressure: 20KPa
Substrate temperature: 500 ° C
Etching time: A sample was prepared by dividing it into 6 steps from 10 hours to 380 hours. The etching rate of diamond by this defect layer etching was 0.25 nm / h.

9.クリーニング工程(S9)
最後に、有機物などによる汚染を除去する目的で、マイクロ波プラズマ気相成長(MPCVD)法により水素プラズマ処理を行った。その処理条件は以下の通りである。
ガス:水素(H),流量500sccm
圧力:10KPa
マイクロ波パワー:800W
基板温度:800℃
成長時間:30分
ここで、マイクロ波をパワーオフした後、試料を60分間の間水素ガス雰囲気下に置いて冷却した。
9. Cleaning process (S9)
Finally, hydrogen plasma treatment was performed by the microwave plasma vapor deposition (MPCVD) method for the purpose of removing contamination by organic substances and the like. The processing conditions are as follows.
Gas: Hydrogen (H 2 ), flow rate 500 sccm
Pressure: 10KPa
Microwave power: 800W
Substrate temperature: 800 ° C
Growth time: 30 minutes Here, after the microwave was powered off, the sample was placed in a hydrogen gas atmosphere for 60 minutes to cool.

以上の工程により、ダイヤモンド構造体試料であるカンチレバーとブリッジ共振子を作製した。カンチレバーとブリッジ共振子の梁の部分は単結晶ダイヤモンド層11とダイヤモンド・エピタキシャル層15から構成されているが、ダイヤモンド・エピタキシャル層15は十分な熱処理を施されているため、これらの梁は、単結晶ダイヤモンドからなるといってよい状態になった。なお、それらの支持部はグラファイト改質層13と欠陥層14からなる。
参考までに作製したカンチレバーおよびブリッジ共振子の光学顕微鏡写真を図6に示す。
同図で、1はダイヤモンド基板領域である。2はイオン注入をした領域であり、梁(ビーム状部分)3はカンチレバーとなる部分である。梁4は共振子のブリッジとなる部分である。
Through the above steps, a cantilever and a bridge resonator, which are diamond structure samples, were produced. The beam portion of the cantilever and the bridge resonator is composed of the single crystal diamond layer 11 and the diamond epitaxial layer 15, but since the diamond epitaxial layer 15 is sufficiently heat-treated, these beams are simply. It is in a state where it can be said that it is made of crystalline diamond. The supporting portion thereof is composed of a graphite modified layer 13 and a defect layer 14.
An optical micrograph of the cantilever and the bridge resonator prepared for reference is shown in FIG.
In the figure, 1 is a diamond substrate region. Reference numeral 2 is a region where ions are implanted, and beam (beam-shaped portion) 3 is a portion that becomes a cantilever. The beam 4 is a portion that becomes a bridge of the resonator.

図7は、最終的に作製されたカンチレバーの光学顕微鏡像を示す。同図の5はダイヤモンド基板領域である。6、7および8はイオン注入された領域で、このうち6はダイヤモンド梁(ビーム)の支持部でダイヤモンド基板とつながっている。7、8はグラファイト改質層がウェットエッチングでエッチングされ、オーバーハング形状なっている部分である。このうちの8はカンチレバーの梁(ビーム)となる部分である。同図から分かるように、様々な長さのカンチレバーを作製した。 FIG. 7 shows an optical microscope image of the finally produced cantilever. 5 in the figure is a diamond substrate region. 6, 7 and 8 are ion-implanted regions, of which 6 are connected to the diamond substrate at the support of the diamond beam. 7 and 8 are portions where the graphite modified layer is etched by wet etching to form an overhang shape. Of these, 8 is the part that becomes the beam of the cantilever. As can be seen from the figure, cantilever of various lengths were made.

<特性評価>
(1)共振周波数スペクトル
欠陥層エッチングおよびクリーニング工程を行った後(工程S9後)の単結晶ダイヤモンドからなるカンチレバーの振動周波数スペクトルの一例を図8に示す。ここで、このカンチレバーの長さは100μm、幅は66μm、そして厚さは1.4μmである。
振動周波数スペクトルは、ピエゾ素子上に作製されたカンチレバーを置き、ピエゾ素子を電圧駆動することによって測定した。使用したスペクトルアナライザーはデジタルロックインアンプ(Zurich製)である。
その結果、このカンチレバーの共振周波数は432.56KHzであり、品質因子Qは160,000と高いものであった。本技術によって作製された単結晶ダイヤモンドからなるカンチレバーは、極めて高い品質因子をもって共振することが確認された。
<Characteristic evaluation>
(1) Resonance frequency spectrum FIG. 8 shows an example of the vibration frequency spectrum of a cantilever made of single crystal diamond after performing the defect layer etching and cleaning steps (after step S9). Here, the cantilever has a length of 100 μm, a width of 66 μm, and a thickness of 1.4 μm.
The vibration frequency spectrum was measured by placing a cantilever manufactured on the piezo element and driving the piezo element with a voltage. The spectrum analyzer used is a digital lock-in amplifier (manufactured by Zurich).
As a result, the resonance frequency of this cantilever was 432.56 KHz, and the quality factor Q was as high as 160,000. It was confirmed that the cantilever made of single crystal diamond produced by this technique resonates with an extremely high quality factor.

(2)ヤング率
図9は、作製したカンチレバーの共振周波数fとカンチレバーの長さLとの関係を示したものであるが、共振周波数fは、下記(式1)に示すオイラーベルヌーイ(Euler−Bernoulli)の関係を満たした。

Figure 0006989091


この共振周波数特性から、カンチレバー(単結晶ダイヤモンド・カンチレバー)のヤング率Eは110GPaと計算された。なお、tはカンチレバーの厚さ、ρはカンチレバーの密度、kは係数である。 (2) Young's modulus FIG. 9 shows the relationship between the resonance frequency f of the manufactured cantilever and the length L of the cantilever. The resonance frequency f is Euler-Bernoulli shown in the following (Equation 1). The relationship of Bernoulli) was satisfied.
Figure 0006989091


From this resonance frequency characteristic, the Young's modulus E of the cantilever (single crystal diamond cantilever) was calculated to be 110 GPa. In addition, t is the thickness of the cantilever, ρ is the density of the cantilever, and k is a coefficient.

(3)欠陥層エッチングのエッチング速度
図10は、カンチレバーの共振周波数と欠陥層エッチング時間の関係を示す。図10(a)に示すように、欠陥層エッチングの時間を延長すると、カンチレバーの共振周波数が低下した。例えば、共振周波数は、欠陥層エッチングを10時間行った場合は、484.358kHzであるが、380時間の欠陥層エッチングを行うと432.560kHZに変化した。
図10(b)は、欠陥層エッチングの時間とともに共振周波数が変化する様子を示す。この共振周波数の変化から、380時間の欠陥層エッチング後にカンチレバーの梁の厚さは約180nm薄くなったと見積もられる。カンチレバーの梁は表裏両側からエッチングされるので、欠陥層エッチングのエッチング速度は約0.25nm/hと推定された。
(3) Etching rate of defect layer etching FIG. 10 shows the relationship between the resonance frequency of the cantilever and the defect layer etching time. As shown in FIG. 10A, when the time for etching the defect layer was extended, the resonance frequency of the cantilever decreased. For example, the resonance frequency was 484.358 kHz when the defect layer etching was performed for 10 hours, but changed to 432.560 kHz after the defect layer etching for 380 hours.
FIG. 10B shows how the resonance frequency changes with the time of etching the defect layer. From this change in resonance frequency, it is estimated that the thickness of the cantilever beam decreased by about 180 nm after etching the defect layer for 380 hours. Since the cantilever beam is etched from both the front and back sides, the etching rate of the defect layer etching was estimated to be about 0.25 nm / h.

(4)品質因子Q
図11に示すように、380時間の欠陥層エッチングによって、共振周波数スペクトルから計算した品質因子は5000から160000まで大幅に改善された。
図12は、リングダウン法により、減衰時間に対する変位を評価した結果である。この減衰曲線にフィッティングするようにして求めたフィーチャータイムτは321msであり、その結果、品質因子Qは420000以上と見積もられる。欠陥層エッチングによって品質因子Qは著しく改善された。
この結果は、カンチレバー底部の欠陥層が大きいエネルギー損失を誘導し、品質因子を低下させていることを意味する。単結晶ダイヤモンドのみでカンチレバーを作製し、カンチレバー底部の欠陥層を除去することで、非常に高い品質因子Qが得られることが確認された。
(4) Quality factor Q
As shown in FIG. 11, 380 hours of defect layer etching significantly improved the quality factor calculated from the resonant frequency spectrum from 5000 to 160000.
FIG. 12 shows the result of evaluating the displacement with respect to the decay time by the ring-down method. The feature time τ obtained by fitting to this attenuation curve is 321 ms, and as a result, the quality factor Q is estimated to be 420000 or more. Quality factor Q was significantly improved by defect layer etching.
This result means that the defect layer at the bottom of the cantilever induces a large energy loss and reduces the quality factor. It was confirmed that a very high quality factor Q can be obtained by producing a cantilever using only single crystal diamond and removing the defective layer at the bottom of the cantilever.

図13は、カンチレバーの梁における欠陥層厚み比率β、すなわち、単結晶ダイヤモンド層の厚みtcryに対する欠陥層の厚みtdefの比率tdef/tcryと、品質因子Qの関係を示す図である。同図には、実験結果とともに、実験結果を基に2層近似モデルでフィッティングさせた曲線もプロットしている。
ここで、この2層近似では、単結晶ダイヤモンド層も欠陥層も同じヤング率をもつとし、単結晶ダイヤモンド層の品質因子Qcryを6000000とした。同図のフィッティング曲線における結晶層の品質因子Qdefは1500である。
FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the defect layer thickness ratio β in the beam of the cantilever, that is, the ratio of the thickness t def of the defect layer to the thickness t cry of the single crystal diamond layer t def / t cry and the quality factor Q. .. In the figure, along with the experimental results, the curves fitted by the two-layer approximate model based on the experimental results are also plotted.
Here, in this two-layer approximation, the single crystal diamond layer is also defective layer also to have the same Young's modulus, the quality factor Q cry of single crystal diamond layer was 6,000,000. The quality factor Q def of the crystal layer in the fitting curve of the figure is 1500.

図13の結果から、カンチレバーの梁の品質因子Qは、品質因子の異なる単結晶ダイヤモンド層と欠陥層からなる2層近似モデルでよく近似され、欠陥層が薄くなって欠陥層厚み比率βが小さくなるほど品質因子Qが大きくなることが分かる。
すなわち、品質因子Qは、欠陥層厚み比率βが0.02以下で目立って大きくなり、0.01以下でさらに急激に大きくなり、0.002以下で単結晶ダイヤモンド材料自体の品質因子Qとほぼ同じレベルの値に達することが分かる。
From the results of FIG. 13, the quality factor Q of the cantilever beam is well approximated by a two-layer approximation model consisting of a single crystal diamond layer and a defect layer having different quality factors, and the defect layer becomes thinner and the defect layer thickness ratio β becomes smaller. It can be seen that the quality factor Q becomes larger.
That is, the quality factor Q is remarkably large when the defect layer thickness ratio β is 0.02 or less, further rapidly increases when the defect layer thickness ratio β is 0.01 or less, and is almost the same as the quality factor Q of the single crystal diamond material itself when it is 0.002 or less. It can be seen that the same level of value is reached.

図14は、梁の長さが異なるカンチレバーを測定して、欠陥層エッチングを行う前の状態での品質因子Qと380時間の欠陥層エッチングを行った後の品質因子Qを、共振周波数に対してプロットした図である。
欠陥層エッチングを行った測定群と欠陥層エッチングを行っていない測定群では品質因子に桁違いの差があって、欠陥層エッチングが品質因子Qの改善に大いに効果があることが分かる。
In FIG. 14, cantileveres having different beam lengths are measured, and the quality factor Q in the state before the defect layer etching is performed and the quality factor Q after the defect layer etching is performed for 380 hours with respect to the resonance frequency. It is a figure plotted with.
There is an order of magnitude difference in quality factors between the measurement group with defect layer etching and the measurement group without defect layer etching, and it can be seen that defect layer etching is highly effective in improving quality factor Q.

図15は測定温度600℃のときにおける上記カンチレバーの共振周波数特性を示す。
このときの品質因子Qを求めると20000であり、600℃という高温環境下でも本願発明の単結晶ダイヤモンド構造体のカンチレバーは高い品質因子Qをもつことが確認された。
FIG. 15 shows the resonance frequency characteristics of the cantilever when the measurement temperature is 600 ° C.
The quality factor Q at this time was 20000, and it was confirmed that the cantilever of the single crystal diamond structure of the present invention has a high quality factor Q even in a high temperature environment of 600 ° C.

本発明によれば、単結晶ダイヤモンドが備えている硬度、ヤング率、熱弾性特性などの優れた熱、機械特性を引き出し、500,000以上という極めて優れた品質因子をもつカンチレバーおよび機械共振子および機械共振子を提供することが可能になる。
また、イオン注入を用いた加工法による単結晶ダイヤモンドを用いたMEMS/NEMSにおいて、本発明の欠陥層を除去する方法は、本来単結晶ダイヤモンドが備えている優れた熱、機械特性を引き出す方法なので、カンチレバーに限らず、MEMS/NEMSの大幅な性能向上をもたらし、産業上大いに利用される可能性を秘めている。
According to the present invention, a cantilever and a mechanical resonator and a cantilever and a mechanical resonator which bring out excellent heat and mechanical properties such as hardness, Young's modulus, and thermoelastic properties of single crystal diamond and have an extremely excellent quality factor of 500,000 or more. It becomes possible to provide a mechanical resonator.
Further, in MEMS / NEMS using single crystal diamond by a processing method using ion injection, the method of removing the defect layer of the present invention is a method of drawing out the excellent heat and mechanical properties originally possessed by single crystal diamond. Not limited to cantilever, it brings about a great improvement in the performance of MEMS / NEMS, and has the potential to be widely used in industry.

具体的には、共振周波数の変化モニター、AFM、STM、温度センサー、化学センサー、磁気センサーなどの各種モニター、センサーへの適用を挙げることができる。本発明のダイヤモンド構造体をこれらのモニター、センサーへ適用すると、応答性、信頼性、温度使用範囲、感度などに優れたモニター、センサーを提供することが可能になる。 Specific examples thereof include application to various monitors and sensors such as resonance frequency change monitors, AFMs, STMs, temperature sensors, chemical sensors, and magnetic sensors. When the diamond structure of the present invention is applied to these monitors and sensors, it becomes possible to provide monitors and sensors having excellent responsiveness, reliability, temperature range, sensitivity and the like.

放射線や厳しい温度環境で使用される原子炉や宇宙環境でのモニター、センサーへの適用は特に効果的と考えられる。例えば、Siを構造体に用いたセンサーでは、Siの温度特性から200℃程度までの環境での適用になるが、本発明のダイヤモンド構造体を用いた場合は、600℃の環境でも高い精度、性能をもって適用可能であり、特に真空下、あるいは耐温度パッケージ下では、1000℃の環境でも適用可能になる。 Application to monitors and sensors in nuclear reactors and space environments used in radiation and harsh temperature environments is considered to be particularly effective. For example, a sensor using Si as a structure can be applied in an environment up to about 200 ° C due to the temperature characteristics of Si, but when the diamond structure of the present invention is used, high accuracy is achieved even in an environment of 600 ° C. It can be applied with performance, especially under vacuum or under a temperature resistant package, even in an environment of 1000 ° C.

1:ダイヤモンド基板領域
2:イオン注入領域
3:梁(ビーム上部分)
4:梁(共振子ブリッジ部分)
5:ダイヤモンド基板領域
6:イオン注入部分(支持部)
7:イオン注入部分(オーバーハング部分)
8:イオン注入部分(梁部)
11:単結晶ダイヤモンド層(基体)
11a:ダイヤモンド基板
12:ダイヤモンド単結晶構造体部
12a:梁部
12b:支え部
13:グラファイト改質層
13a:グラファイトライクカーボン損傷層
13b:グラファイト改質層
14:欠陥層
14a:欠陥層
14b:欠陥層
15:ダイヤモンド・エピタキシャル層
16:レジストパターン
17:金属マスク
17a:Al膜
21:単結晶ダイヤモンド基板
22:ダイヤモンド・エピタキシャル層
23:基体
24:単結晶ダイヤモンド膜
101:ダイヤモンド構造体(カンチレバー)
1: Diamond substrate area 2: Ion implantation area 3: Beam (upper part of beam)
4: Beam (resonator bridge part)
5: Diamond substrate area 6: Ion implantation part (support part)
7: Ion implantation part (overhang part)
8: Ion implantation part (beam part)
11: Single crystal diamond layer (base)
11a: Diamond substrate 12: Diamond single crystal structure part 12a: Beam part 12b: Support part 13: Graphite modified layer 13a: Graphite-like carbon damaged layer 13b: Graphite modified layer 14: Defect layer 14a: Defect layer 14b: Defect Layer 15: Diamond epitaxial layer 16: Resist pattern 17: Metal mask 17a: Al film 21: Single crystal diamond substrate 22: Diamond epitaxial layer 23: Substrate 24: Single crystal diamond film 101: Diamond structure (cantilever)

Claims (19)

単結晶ダイヤモンド層上に支持部を介してダイヤモンドの梁が形成されたダイヤモンド構造体において、
前記梁は表面欠陥層と本体層からなり、
前記表面欠陥層はダイヤモンドライクカーボンからなり、
前記表面欠陥層の厚さは前記本体層の厚さに対して2%以下であり、
前記本体層は単結晶ダイヤモンドからなる、ダイヤモンド構造体。
In a diamond structure in which a diamond beam is formed on a single crystal diamond layer via a support portion.
The beam consists of a surface defect layer and a body layer.
The surface defect layer is made of diamond-like carbon and is made of diamond-like carbon.
The thickness of the surface defect layer is 2% or less with respect to the thickness of the main body layer.
The main body layer is a diamond structure made of single crystal diamond.
前記支持部はグラファイトを含む、請求項1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to claim 1, wherein the support portion contains graphite. 前記支持部はグラファイトからなる、請求項1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to claim 1, wherein the support portion is made of graphite. 前記支持部はダイヤモンドを含む、請求項1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to claim 1, wherein the support portion includes a diamond. 前記表面欠陥層の厚さは前記梁の厚さに対して1%以下である、請求項1から4の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the surface defect layer is 1% or less with respect to the thickness of the beam. 前記表面欠陥層の厚さは前記梁の厚さに対して0.2%以下である、請求項1から4の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to any one of claims 1 to 4, wherein the thickness of the surface defect layer is 0.2% or less with respect to the thickness of the beam. 前記梁は片持ち梁である、請求項1から6の何れか1に記載のダイヤモンド構造体。 The diamond structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the beam is a cantilever. 請求項1から7の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の構造を有する、ダイヤモンド・カンチレバー。 A diamond cantilever having the structure of the diamond structure according to any one of claims 1 to 7. 少なくとも表面の一部に単結晶ダイヤモンド層が形成された基板を準備する基板準備工程と、
前記基板の前記単結晶ダイヤモンド層が形成された面側からイオン注入を行ってグラファイトライクカーボン損傷層を前記単結晶ダイヤモンド層中に形成するイオン注入工程と、
第1の熱処理を伴って前記単結晶ダイヤモンド層の表面にダイヤモンド・エピタキシャル層を形成し、かつ前記第1の熱処理により前記グラファイトライクカーボン損傷層をグラファイト改質層とするダイヤモンド・エピタキシャル層形成工程と、
前記ダイヤモンド・エピタキシャル層に第2の熱処理を施してダイヤモンドの結晶欠陥を低減する高品質結晶化熱処理工程と、
前記ダイヤモンド・エピタキシャル層の上に梁を形成するためのエッチングマスクを形成するエッチングマスク形成工程と、
少なくとも前記グラファイト改質層に達する深さまでドライエッチングを行って前記梁を形成するための加工を行うドライエッチング工程と、
前記グラファイト改質層の一部を、酸を含んだ溶液によるウェットエッチングにより除去し、前記梁を形成するウェットエッチング工程と、
酸素雰囲気中で前記梁に形成された欠陥層の少なくとも一部をエッチングする欠陥層エッチング工程と、を含んでダイヤモンド構造体を製造するダイヤモンド構造体の製造方法。
A substrate preparation process for preparing a substrate having a single crystal diamond layer formed on at least a part of the surface,
An ion implantation step of forming a graphite-like carbon damaged layer in the single crystal diamond layer by implanting ions from the surface side of the substrate on which the single crystal diamond layer is formed.
The first heat-treated with forming a diamond epitaxial layer on a surface of the single crystal diamond layer, and the first of the graphite-like carbon damage layer Graphite modified layer to the diamond epitaxial layer forming step by heat treatment When,
A high-quality crystallization heat treatment step of applying a second heat treatment to the diamond epitaxial layer to reduce crystal defects of diamond, and
An etching mask forming step of forming an etching mask for forming a beam on the diamond epitaxial layer, and an etching mask forming step.
And dry etching step for processing to form the beam dry etching is performed until at least the Graphite modified layer reaches a depth,
A portion of the Graphite modified layer is removed by wet etching using a solution containing acid, and wet etching process for forming the beam,
A method for manufacturing a diamond structure, comprising: a defect layer etching step of etching at least a part of a defect layer formed on the beam in an oxygen atmosphere, and a method for manufacturing a diamond structure.
前記基板は、単結晶ダイヤモンド基板である、請求項9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for manufacturing a diamond structure according to claim 9, wherein the substrate is a single crystal diamond substrate. 前記基板は、単結晶ダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンド層がエピタキシャル形成されたものである、請求項9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for manufacturing a diamond structure according to claim 9, wherein the substrate is a single crystal diamond substrate in which a single crystal diamond layer is epitaxially formed. 前記基板は、剛性を有する基体上に単結晶ダイヤモンド膜が貼り合わされたものである、請求項9記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for manufacturing a diamond structure according to claim 9, wherein the substrate is a rigid substrate on which a single crystal diamond film is bonded. 前記欠陥層エッチング工程は、500℃以上1500℃以下の熱処理条件下で行われる、請求項9から12の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for producing a diamond structure according to any one of claims 9 to 12, wherein the defect layer etching step is performed under heat treatment conditions of 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. 前記欠陥層エッチング工程は、酸素分圧が10Pa以上10Pa以下の環境下で行われる、請求項9から13の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The defect layer etching step, the oxygen partial pressure is carried out under the following 10 2 Pa or more 10 5 Pa environment, producing a diamond structure according to any one of claims 9 13. 前記高品質結晶化熱処理工程の熱処理は、真空下で、500℃以上1500℃以下で行われる、請求項9から14の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for producing a diamond structure according to any one of claims 9 to 14, wherein the heat treatment in the high-quality crystallization heat treatment step is performed under vacuum at 500 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. 前記エッチングマスクは金属からなる、請求項9から15の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for producing a diamond structure according to any one of claims 9 to 15, wherein the etching mask is made of metal. 前記ウェットエッチングは硫酸を含む酸で行われる、請求項9から15の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for producing a diamond structure according to any one of claims 9 to 15, wherein the wet etching is performed with an acid containing sulfuric acid. 前記欠陥層エッチング工程の後に有機物または/および異物を除去するクリーニングが行われる、請求項9から17の何れか1に記載のダイヤモンド構造体の製造方法。 The method for producing a diamond structure according to any one of claims 9 to 17, wherein cleaning for removing organic substances and / and foreign substances is performed after the defect layer etching step. 前記クリーニングは、水素プラズマ、オゾン、酸素プラズマの群から選ばれる少なくとも1以上により行われる、請求項18に記載のダイヤモンド構造体の製造方法 The method for producing a diamond structure according to claim 18, wherein the cleaning is performed by at least one selected from the group of hydrogen plasma, ozone, and oxygen plasma .
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3949192B2 (en) * 1996-06-20 2007-07-25 株式会社神戸製鋼所 Method for manufacturing diamond semiconductor device
US6811612B2 (en) * 2000-01-27 2004-11-02 The University Of Chicago Patterning of nanocrystalline diamond films for diamond microstructures useful in MEMS and other devices
GB0127263D0 (en) * 2001-11-13 2002-01-02 Diamanx Products Ltd Layered structures
JP5403519B2 (en) * 2010-02-22 2014-01-29 独立行政法人物質・材料研究機構 Method for producing crystalline diamond air gap structure
JP5626972B2 (en) * 2010-07-21 2014-11-19 独立行政法人物質・材料研究機構 Manufacturing method of electromechanical switch
JP2014095025A (en) * 2012-11-08 2014-05-22 Osaka Univ Diamond composite particles

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