JP7078947B2 - ダイヤモンド製膜用下地基板及びそれを用いたダイヤモンド基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はダイヤモンド基板の製造方法に関し、特にそれに用いる下地基板に係る。
ダイヤモンドは、室温で５．４７ｅＶという広いバンドギャップを持ち、ワイドバンドギャップ半導体として知られている。
半導体の中でも、ダイヤモンドは、絶縁破壊電界強度が１０ＭＶ／ｃｍと非常に高く、高電圧動作が可能である。
また、既知の物質として最高の熱伝導率を有していることから、放熱性にも優れる。
さらに、キャリア移動度や飽和ドリフト速度が非常に大きいため、高速デバイスとして適している。
そのため、ダイヤモンドは、高周波・大電力デバイスとしての性能を示すＪｏｈｎｓｏｎ性能指数を、炭化ケイ素や窒化ガリウムといった半導体と比較しても最も高い値を示し、究極の半導体と言われている。
このように、ダイヤモンドは、半導体材料としての実用化が期待されており、大面積かつ高品質なダイヤモンド基板の供給が望まれている。
しかしながら、いまだに十分な品質のダイヤモンド基板は得られていない。
現在、ダイヤモンド基板として用いられているものに、高温高圧合成（ＨＰＨＴ）法によって合成されたＩｂ型のダイヤモンドがある。
しかしながら、このＩｂ型のダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、また、最大で８ｍｍほどの大きさしか得られないため、実用性は高くない。
非特許文献１では、ＨＰＨＴ法により合成されたダイヤモンドを基板として用いて、ショットキーダイオードを作製している。
しかしながら、ここでのダイヤモンド基板には転位欠陥等が多く、実際に電極を形成して作動を試みても、電極付近や電流パスにキラー欠陥が存在するために、動作不良となることが報告されている。
非特許文献２には、ＨＰＨＴ基板上にダイヤモンドをホモエピタキシャル成長させる際に３°以上のオフ角を付けることで異常成長核の抑制ができた旨の報告があるが、転位欠陥の低減に効果があるか否かは不明である。
Ｈ．Ｕｍｅｚａｗａ ｅｔ ａｌ．，Ｄｉａｍｏｎｄ Ｒｅｌａｔ．Ｍａｔｅｒ．，１８，１１９６（２００９） Ｓ．Ｏｈｍａｇａｒｉ，ＮＥＷ ＤＩＡＭＯＮＤ１１８（２０１５）１１．
本発明は、転位欠陥等を含めて各種欠陥の低減に有効なダイヤモンド基板の製造方法及びそれに用いる下地基板の提供を目的とする。
本発明に係るダイヤモンド製膜用下地基板は、化学気相成長法にてダイヤモンド膜を製膜するための下地基板であって、前記下地基板の表面は所定の結晶面方位に対してオフ角が付けられていることを特徴とする。
ここで、前記下地基板の表面は、結晶面方位｛１００｝に対して結晶軸方向＜１１０＞にオフ角が付けられていてもよい。
また、前記下地基板の表面は、結晶面方位｛１１１｝に対して結晶軸方向＜－１－１ ２＞にオフ角が付けられていてもよい。
本発明において、オフ角は２～１５°の範囲が好ましい。
例えば、上記結晶面方位｛１００｝に対して、結晶軸方向＜１１０＞にオフ角を付ける場合には、その結晶軸方向＜１１０＞に２～１５°のオフ角を有している。
また、この場合にオフ方向のずれ（結晶面との直交軸廻りのずれ）は、±１５°以内が好ましい。
本発明に用いる下地基板は、化学気相成長法によりダイヤモンド膜（ダイヤモンド基板）を製膜するためのものであり、下地の表面にオフ角が付けられていれば、前記下地基板の表面は、ダイヤモンド，イリジウム，ロジウム，パラジウム及び白金のいずれかでよい。
ここで、下地基板のダイヤモンドにはＨＰＨＴ法により合成されたダイヤモンドも含まれる。
下地基板の表面がダイヤモンドにオフ角が付けられていれば、ホモエピタキシャル成長になり、下地基板の表面がダイヤモンド以外であればヘテロエピタキシャル成長になる。
下地表面を構成する異種材料としては、ダイヤモンドと同様に立方晶であり、ダイヤモンドとの格子不整合が小さく、さらに炭素と反応して炭化物を形成しない材料が好ましい。
これらの条件を満たす材料としては、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）などの白金族が主に挙げられる。
ここで、ダイヤモンドの格子定数は３．５７Åであり、Ｒｈ（格子定数３．７２Å）との格子不整合は４．２％、Ｉｒ（格子定数３．８４Å）との格子不整合は７．６％、Ｐｔ（格子定数３．９２Å）との格子不整合は９．８％である。
ダイヤモンドと下地表面を構成する異種材料との格子不整合は１０％以下であることが好ましい。
また、その中でも最も融点が高く、ダイヤモンド成長中のプラズマや高温環境下における安定性の観点からは、Ｉｒが好ましい。
本発明において、前記下地基板は、前記表面を形成する表面膜を積層した複層構造であってよい。
例えば、前記複層構造は、ＭｇＯ基板の上に表面膜を形成してあってよい。
また例えば、前記複層構造は、シリコン基板の上に単層又は多層からなる中間膜を形成し、当該中間膜の上に上記表面膜を形成してあってよい。
この場合に複層構造に製膜する過程において、いずれかの層にオフ角を付けることで表面膜にオフ角が形成されていればよい。
例えば、シリコン（Ｓｉ）基板の上に、単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、単結晶チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、α－（Ａｌ２Ｏ３）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）から選択される材料からなる中間層が設けられ、さらに、この中間層の上にイリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）から選択される材料からなる表層が設けられた下地基板が例として挙げられる。
また、シリコン（Ｓｉ）基板と中間層との間には、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ２）から選択される材料からなる層を一層以上介在させてもよい。
下地基板の表面にダイヤモンド膜をヘテロエピタキシャル成長させる場合には、必要に応じて表面膜の上に、バイアス処理によりダイヤモンドの核を形成してもよい。
本発明に係る化学気相成長法は、マイクロ波プラズマＣＶＤ、直流プラズマＣＶＤ、熱フィラメントＣＶＤ、アーク放電プラズマジェットＣＶＤ等が例として挙げられる。
本発明に係る下地基板を用いると、化学気相成長法にてヒロック、異常成長粒子、転位欠陥等が少なく、低応力な、高品質ダイヤモンド膜を得ることができる。
また、ダイヤモンド膜を製膜後に、下地基板を取り除くことで高品質のダイヤモンド自立基板が得られる。
本発明に係るダイヤモンド基板を電子・磁気デバイスに用いれば、高性能デバイスを得ることができる。
下地基板の構造例（１）を示す。 下地基板の構造例（２）を示す。 オフ角の説明図を示す。 ダイヤモンドの表面写真を示す。 エッチピットの評価結果を示す。 エッチピットのＳＥＭ像を示す。
下地基板の断面を図１に示すようにまず、直径１０．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍ、表面が（１００）面で、結晶軸［０１１］方向にオフ角が０°のものと、オフ角４°及び８°となる両面研磨された単結晶シリコン（Ｓｉ）基板３を準備した。
準備した単結晶シリコン基板３の片面に、電子ビーム蒸着によって単結晶ＭｇＯからなる中間膜２を形成した。
このとき、真空中、基板温度９００℃の条件とし、単結晶ＭｇＯ（中間膜）が１μｍになるまでエピタキシャル成長させた。
さらに、この単結晶ＭｇＯからなる中間膜上に、Ｉｒからなる表面膜１を形成した。
Ｉｒ表面膜１の形成には、直径６インチ（１５０ｍｍ）、厚さ５．０ｍｍ、純度９９．９％以上のＩｒをターゲットとした高周波（ＲＦ）マグネトリンスパッタ法（１３．５６ＭＨｚ）を用いた。
単結晶ＭｇＯ層が形成された基板を８００℃に加熱し、ベースプレッシャーが６×１０－７Ｔｏｒｒ（約８．０×１０－５Ｐａ）以下になったのを確認した後、Ａｒガスを１０ｓｃｃｍ導入した。
排気系に通じるバルブの開口度を調節したプレッシャーを５×１０－２Ｔｏｒｒ（約６．７Ｐａ）とした後、ＲＦ電力１０００Ｗを入力して１５分間製膜を行った。
得られたＩｒ層は、厚さ０．７μｍであった。
このようにして得られた、単結晶シリコン基板上に単結晶ＭｇＯ層、Ｉｒ層を積層させたものは、単結晶シリコン基板に付けられたオフ角にならって、ヘテロエピタキシャル成長するので、このシリコン基板にオフ角を有するものは、表面が（１００）面で結晶軸［０１１］方向に４°及び８°のオフ角を有する。
なお、オフ角は最初のシリコン基板やその上に形成した中間膜等、どの段階で形成してもよい。
例えば、下地基板表面をオフ角無しで仕上げた後、図３に模式的に示すように最終的に結晶軸［０１１］方向に４°及び８°のオフ角を付けたものを研磨等により製作してもよい。
次に、ダイヤモンドの核形成のために前処理（バイアス処理）を行った。
Ｉｒ層側を上にして下地基板を１５ｍｍ直径で平板型の電極上にセットした。
ベースプレッシャーが１×１０－６Ｔｏｒｒ（約１．３×１０－４Ｐａ）以下になったのを確認した後、水素希釈メタン（ＣＨ４／（ＣＨ４＋Ｈ２）＝５．０ｖｏｌ．％）を５００ｓｃｃｍ導入した。
排気系に通じるバルブの開口度を調整してプレッシャーを１００Ｔｏｒｒ（約１．３×１０４Ｐａ）とした後、基板側電極に負電圧を印加して９０秒間プラズマにさらして、下地表面をバイアス処理した。
上記にて製作したオフ角０°，４°，８°の各下地基板に、直流プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド１０をヘテロエピタキシャル成長させた。
バイアス処理を行った下地基板を、直流プラズマＣＶＤ装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプで１０－３Ｔｏｒｒ（約１．３×１０－１Ｐａ）以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン（ＣＨ４／（ＣＨ４＋Ｈ２）＝５．０ｖｏｌ．％）を１０００ｓｃｃｍ導入した。
排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを１１０Ｔｏｒｒ（約１．５×１０４Ｐａ）にした後、２．０Ａの直流電流を流して製膜を行った。
製膜中の下地基板の温度をパイロメーターで測定したところ、９５０℃であった。
得られたダイヤモンド膜をＸ線回折測定（入射Ｘ線波長１．５４Å）したところ、ダイヤモンド（００４）帰属の２θ＝１１９．５°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、７２０ａｒｃｓｅｃ（約０．２°）であった。
上記で得られたダイヤモンド膜の光学顕微鏡による観察写真を図４に示す。
オフ角０°の図４（ａ）は、多くのヒロックが発生していたのに対して、オフ角４°，オフ角８°のものは、図４（ｂ），（ｃ）に示すように一方向にステップが流れたステップバンチング形態を示し、ヒロック，異常成長粒子の発生が認められなかった。
次にエッチピット密度について評価した。
ダイヤモンド膜の表面をマイクロ波プラズマＣＶＤ装置（Ａｓｔｅｘ Ｍｏｄｅｌ ＡＸ６３５０）を用いて、２２００Ｗ，水素ガス５００ｓｃｃｍ，１１０Ｔｏｒｒ条件下，１時間、プラズマ処理をした。
上記にて処理した表面をＳＥＭ観察した結果を図６に示す。
オフ角０°の（ａ）は、エッチピット密度（ＥＰＤ）：１×１０８ｃｍ－２，オフ角４°の（ｂ）は、ＥＰＤ：５×１０７ｃｍ－２，オフ角８°のＥＰＤ：３×１０７ｃｍ－２であった。
図５にダイヤモンド膜の膜厚と、ＥＰＤとの関係を調査した結果のグラフを示す。
下地基板の表面にオフ角を付けることで、ヒロック，異常成長粒子の発生を抑えることができるとともに、転位欠陥（ＥＰＤ）を減らすことができることが明らかになった。
特にオフ角０°では、ヒロック，異常成長粒子の発生が多く、厚膜にできなかったのに対して、オフ角８°では、約１ｍｍ膜厚の厚膜においてＥＰＤを二桁程度、減らすことができた。
図２に示すように、単結晶のＭｇＯ，ＹＳＺ，ＳｒＴｉＯ３，α－アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の基板３ａの表面にオフ角を付け、表面膜としてＲｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｐｔの表面膜１を形成してもよい。
オフ角を付けたＭｇＯ基板の上に、上記実施例と同様にＩｒ層からなる表面膜を形成し、その上にダイヤモンド膜を形成したところ、オフ角を付けることで転位欠陥が減ることが確認できた。
１ 表面膜
２ 中間膜
３ 基板
１０ ダイヤモンド膜

Claims (3)

  1. 化学気相成長法にてダイヤモンド膜を製膜するための下地基板であって、
    前記下地基板はシリコン基板の上に形成した中間膜と、前記中間膜の上に形成した表面膜とからなる複層構造であり、
    前記表面膜は、イリジウムからなり、
    前記中間膜は単結晶酸化マグネシウムであり、
    前記下地基板の表面膜は、結晶面方位｛１００｝に対して結晶軸方向＜１１０＞に２～１５°のオフ角を有し、かつ結晶面との直交軸廻りのずれであるオフ方向のずれが±１５°以内であり、前記オフ角は前記シリコン基板又は中間膜に形成してあってもよいことを特徴とするダイヤモンド製膜用下地基板。
  2. 化学気相成長法にてダイヤモンド膜を製膜するための下地基板であって、
    前記下地基板はシリコン基板の上に形成した中間膜と、前記中間膜の上に形成した表面膜とからなる複層構造であり、
    前記表面膜は、イリジウムからなり、
    前記中間膜は単結晶酸化マグネシウムであり、
    前記下地基板の表面膜は、結晶面方位｛１１１｝に対して結晶軸方向＜－１－１ ２＞に２～１５°のオフ角を有し、かつ結晶面との直交軸廻りのずれであるオフ方向のずれが±１５°以内であり、前記オフ角は前記シリコン基板又は中間膜に形成してあってもよいことを特徴とするダイヤモンド製膜用下地基板。
  3. 請求項１又は２に記載のダイヤモンド製膜用下地基板の上にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。
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