JPH02199098A - 単結晶ダイヤモンドの製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はダイヤモンド半導体素子、切削工具などに使用
される単結晶ダイヤモンドの製造法に関する。

（従来の技術） ダイヤモンドは絶縁体であるが、ボロンのドーピングに
よってＰ型半導体になることが確認されて０る。また５
、リン、ヒ素などの元素をドーピングすれば、ｎ型半導
体になる可能性があると言われている。またダイヤモン
ドは硬度が最も高く切削工具としても使用されている。

ダイヤモンドの半導゛体製子を製造するには、単結晶ダ
イヤモンドが不可欠である。この見地から、マイクロ波
プラズマＣＶＤ法などで単結晶ダイヤモンド膜を合成す
る試みがなされている。特開昭６３−２２４２２５及び
特開昭６３−２２４２２６によれば１表面に炭化珪素の
単結晶膜を成長させた単結晶シリコン基板や単結晶ガリ
ウムヒ素基板を用いると、単結晶ダイヤモンド膜の成長
が可能であることが開示されている。

気相合成のダイヤモンド膜は、特公昭５９−２７７５３
及び特公昭５９−２７７５４に開示されている熱フイラ
メントＣＶＤ法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を筆頭に
、数多くの方法が公知となっている。

（発明が解決しようとする課題） 前記した単結晶炭化珪素膜上に成長させた単結晶ダイヤ
モンド膜を半導体素子として使用すると、比抵抗、ホー
ル移動度等の特性が、天然囃結晶ダイヤモンドから製造
した素子の場合よりも再現性出し、該粒子又はこれを成
長させた単結晶粒子のに乏しいことがわかった。原因は
、合成した単結晶ダイヤモンド膜中の格子欠陥によると
推定される。

（課題を解決するための手段） 良質な単結晶ダイヤモンドを気相合成するには、ダイヤ
モンドとの結晶整合性が良好で、かつ転位密度の少ない
単結晶基材を使用することが重要である。

発明者らは、この観点から、様々な基材材料を検討した
。その結果、黒鉛基材上に化学気相蒸着法で作製される
立方晶炭化珪素の囃結晶の上に成長させたダイヤモンド
の方が、従来から使用されているシリコンウェハーやガ
リウムリン上に成長させた炭化珪素単結晶膜の上に成長
させたダイヤモンドよりも優れていることを見い出し、
本発明に至った。

即ち１本発明は黒鉛基材上に化学気相蒸着法により多結
晶の立方晶炭化珪素膜を生成させ、該炭化珪素膜を粉砕
して、単結晶の炭化珪素粒子を取表面に気相法によりダ
イヤモンドを成長させるととを特徴とする単結晶ダイヤ
モンドの製造法である。

化学気相蒸着法で黒鉛基材上に立方晶炭化珪素（以下［
β−５ｉｃＪ　と略記）を成長させるには、様々な公知
の方法がある。例えば、黒鉛基材をＳｉＯガス雰囲気中
で１６００℃から２０００℃に加熱すれば、黒鉛表層は
β−８ｉＣ化する。また。

Ｓ　ｉ　Ｃｌ−等のハロゲン化珪素とＣ３Ｈｅ等の炭化
水素とを、水素をキャリヤガスとして流し、黒鉛基材を
１５００℃程度に加熱してもβ−５ｉＣの膜が析出する
。β−３ｉＣの膜は通常多結晶の膜として得られる。

多結晶の膜は粉砕すれば１作製方法にもよるが。

直径０．１ｍｍから１．０ｍｍの単結晶粒子を得ること
ができる。用途によってはこれをそのままダイヤモンド
単結晶膜成長用基材として用いることができるが、さら
に基材を太き（したい場合はこの単結晶粒子を核として
β−５ｉＣ膜を析出させる雰囲気で成長を続けると、最
終的には半導体素子等として使用可能なサイズ例えば３
〜１０ｍｍ程度の単結晶にできる。これらの単結晶から
（Ｚｏｏ）、　（１１１）等の結晶面を有するチップを
切り出して研磨を施せば、ダイヤモンド単結晶膜成長用
基材として使うことができる５ダイヤモンド膜をエピタ
キシャル成長させるには、マイクロ波プラズマＣＶＤ法
、熱フィラメントｃＶＤ法等の公知の方法を用いる。メ
タンガスやエタノールガスなどの炭化水素ガスを、水素
ガスで０．１ｖｏ１．％から５．０ｖｏｌ−％に希釈し
て、圧力を１０Ｔｏｒｒから５００Ｔｏｒｒ、　　Ｊｌ
ｔｌ温材を６００℃から１０００℃に保つ、なお、原料
ガスとしては、炭化水素ガスを酸素ガス、あるいは、水
藤気で希釈して用いてもよい、また、炭化水素ガスの代
わりに一酸化炭素ガスを用いてもよい。

これらの方法でβ−８ｉＣ上に厚さ０．０１〜１ｏｏｏ
μｍ程度の単結晶ダイヤモンドを成長させることができ
る。

（作用） ダイヤモンド、β−８ｉＣ、シリコンの格子定数はそれ
ぞれ０．３５６７ｎｍ、　０．４３６０ｎｍ、　０．５
４３０ｎｍである。シリコン学結晶ウェハーの上に形成
させたβ−５ｉＣ膜には、β−５ｉＣとシリコンの格子
定数のミスマツチに起因する格子欠陥が含まれている。

−・方、黒鉛を基材として化学気相蒸着法で得られるβ
−５ｊＣｆｌｋ結晶は、格子欠陥が極めて少なく、また
このβ−８ｉＣの種結晶から一貫して成長させたものも
、格子欠陥を極めて少なくすることができる。

単結晶ダイヤモンドは、基板の結晶性を反映して成長す
るため、本発明による単結晶ダイヤモンドの格子欠陥は
、従来品より極めてすくなくなる。

その結果１本発明によれば、天然の単結晶ダイヤモンド
から製造される素子とほとんど同等の性能を有する半導
体素子、切削工具等が、優れた再現性で得られる。

（実施例１） ５０ｍｍ角で厚さ１０　ｍ　ｍの等方性黒鉛（東洋炭素
（ｌｌＯ製＋　　ＩＱ−１１０）の板を、公知の方法に
従ってＳｉＯ及び、Ｃ○雰囲気中で１７００℃に加熱し
て厚さ３　ｍ　ｍのβ−８ｉＣ多結晶板を得た。

これをボールミルで粉砕して分級し、直径約２００ミク
ロンのβ−８ｉＣ単結晶を取り出した。

この種結晶を等方性黒鉛の板にのせて、多結晶のβ−８
ｉＣ膜を成長させる時と同一の条件で成長を行った。結
晶の粒径が約８ｍｍになったところで成長を中止させた
。Ｘ線回折法で結晶方位を確認後ダイヤモンドカッター
で切断を行い、５ＩＩＩＩ１１角、　　１＋ｍ厚の（１
１１）面の出た単結晶チップを作製した。

この単結晶チップの表面に、熱フイラメントＣＶＤ法に
より、膜厚４００ｎｍのダイヤモンド嗅結晶膜を成長さ
せた。この時の原料ガスは、水素で希釈したメタンガス
を用いた。基板温度は８５０℃、析出空間の圧力は３０
　Ｔｏｒｒに保った。

このダイヤモンド膜の表面を反射電子回折法で分析した
ところ１回折像にスポット状の回折点が認められた。こ
れより、試作のダイヤモンド膜は弔結晶膜であることが
確認された。

（実施例２） 実施例１と同じ方法で直径的０．３ｍｍのβ−５ｉＣ種
結晶を作製した。この種結晶を５ｉＣ１４とＣｇ　Ｈｓ
のガスを用いる化学気相蒸着装置の中で成長させ、直径
的７　ｍ　ｍのβ−５ｉＣ単結晶母材を得た。成長中の
温度は１５１０℃、ガス流量は０．９　Ｌ／ｍ　ｉ　ｎ
である。この昨結晶母材から５ｍｍ角、厚み１ｍｍの（
１１１）面のチップを切り出し、マイクロ波プラズマＣ
ＶＤ法で母材に先ずボロンドープしない単結晶ダイヤモ
ンド膜の絶縁Ｎ　Ｃ５Ｃ５０ｎを設け、次いでその上に
ボロンドープした単結晶ダイヤモンド膜（１００ｎ＊）
を設けた。

ダイヤモンド絶縁層を作製する時は、　　０．３ｖｏ１
．％のメタンを水素ガスで希釈した混合ガスを用いた。

ボロンドープ層を作製する時は、　　０．５ｖｏ１．％
のメタンと０．０００３ｖｏ１．％のジボラン（Ｂ２Ｈ
６）を含む水素ガスを用いた。基板温度、圧力は、使用
ガスの種類に関係なくそれぞれ８２０℃、３０Ｔｏｒｒ
に保った。

ボロンドープ層の電気抵抗を測定したところ、７ｘｌＯ
−’Ω・ｃｍであることがわかった。ホール効果を測定
したところ、ｐ型の半導体特性が認められた。そのキャ
リヤ密度、及びホール移動度はそれぞれ３ｘｌＯ”７ｃ
ｍ３．４５０ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであることが確認され
た。

（実施例３） 実施例２と同一の方法で５ｍｍ角、厚み１ｍｍのβ−５
ｉＣ単結晶（ｉ　ｉ　Ｂ面のチップを合計１００ａ１作
製した。これらのチップをマイクロ波プラズマＣＶＤ法
で実施例１と同じ条件で処理し。

実施例２の構造のダイヤモンド膜を有するチップを１０
０個得た。

全てのチップについて、ボロンドープ層の電気的特性を
測定したところ、全てがｐ型の半導体特性を示した。比
抵抗、キャリヤ密度、ホール移動度の平均値はそれぞれ
、７ｘｌＯ−’Ω・ｃｍ、３ｘｌＯ１６／ｃｍ３．　　
４５０ｃｍ２／Ｖ−ｓｅｃであった。

（比較例） 直径２インチの単結晶シリコン基板の（１１１）面をメ
タンガス中、５Ｔｏｒｒ、１３５０℃において２５分間
炭化処理した後、基板温度１３１０℃、及び圧力Ｔ　ｏ
　ｒ　ｒでのシラン（ＳｉＨ４）、及びメタンのプラズ
マＣＶＤ法により、膜厚０．２ミクロンの準結晶β−５
ｉ（ｊｔｌを形成させた。さらに、この表面に、実施例
２と同じ条件で同様の構造を有するダイヤモンド単結晶
膜を形成させた。

これより５ｍｍ角、厚さ１ｍｍの単結晶チップを切り出
した。この作業を繰り返して、１００個のテストチップ
を得た。全てのチップについて、ボロンドープ層の電気
的特性を測定したところ、２０個のチップにはｐ型の半
導体特性が認められなかった。

これより、本発明で得られる単結晶ダイヤモンド膜は、
従来品より優れた品質を有することが明らかとなった。

（実施例４） 実施例２と同一の方法でβ−８ｉＣの単結晶を作製し、
すくい面に（１１０）面が出たバイトの形状に加工した
。

バイトのノーズ半径は０．２５ｍｍ、　　すくい角は１
０″である。このバイト部品のすくい面及び逃げ面に水
素ガスとメタンガスの混合ガス（水素：　９９ｖｏ１％
、メタン１　ｖｏ１％）を用いた熱フイラメントＣＶＤ
法で膜厚１５０μｍのダイヤモンド膜をコーティングし
た。コーティング中のβ−５ｊＣｊＪＪ材の温度は７８
０℃に保った。

このダイヤモンド膜の表面を研磨して、ノーズ半径０．
　３ｍｍ、　　刃先内約９０°、すくい角１０１のダイ
ヤモンド膜からなる刃先を得た。すくい面及び逃げ面を
反射電子回折法で分析したところ、いずれの面の回折像
にもスポット状の回折点が認められた。これより、試作
のダイヤモンド膜は単結晶膜であることが確認された。

このバイトの刃面の反対側にチタン及び銅からなるメタ
ライズ層を形成させてからシャンクに銀ろうで固定した
。このバイトを用いて切削テストを行なった。

空気軸受スピンドルに直径１２０ｍｍ、Ｔ１１１５ｍｍ
の加工物を取り付け、空気軸受スライドテーブルに試作
バイトを固定した。加工物には無酸素銅を用いた。切削
距離９０Ｋｍを越えたところですくい面に５Ｏｒ＋ｍの
くぼみが現われた。

一方、天然の単結晶ダイヤモンドを前記試作品と同一の
形状に加工して得られるすくい面が（１１０）面の弔結
晶バイトを前記と同一条件で切削テストしたところ、切
削距離８８　Ｋ　ｍを越えたところですくい面に５０ｎ
ｍのくぼみが現われた以上より１本試作品は単結晶パイ
、トと同等の性能を有することが判明した。

（発明の効果） 本発明によれば、極めて品質の安定した半導体素子用の
ダイヤモンド単結晶膜及び性能の高い切削工具を安価に
、かつ大量に供給できる。従って、本発明は、産業上極
めて有用である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 黒鉛基材上に化学気相蒸着法により多結晶の立方晶炭化
   珪素膜を生成させ、該炭化珪素膜を粉砕して、単結晶の
   炭化珪素粒子を取出し、該粒子又はこれを成長させた単
   結晶粒子の表面に気相法によりダイヤモンドを成長させ
   るととを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造法。