JPH02263789A - ダイヤモンド単結晶膜を有するシリコン基板とその製造方法 - 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、電子デバイスその他に使用するに適したダイ
ヤモンド単結晶膜を有するシリコン基板とその製造方法
に関する。

（・従来の技術） 従来、ダイヤモンド単結晶膜を気相成長法により作成す
る方法として、ダイヤモンド単結晶膜と同種類の材料で
あるところのダイヤモンド単結晶基板を用いてその表面
に該単結晶膜を成長させるホモエピタキシャル法が知ら
れている。

また、異柾類の材料であるシリコン基板上にダイヤモン
ド膜を気相成長法により形成する方法として熱フイラメ
ント法、ＥＡＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、イオ
ン蒸着法、プラズマジェット法などが知られているが、
これらの方法で形成された膜は多結晶膜または単結晶粒
子であり、単結晶のダイヤモンド膜については報告され
ていない。

（発明が解決しようとする課題） 前記の従来法のうち、ホモエピタキシャル法は、基板と
して天然または高圧合成のダイヤモンドを使用するため
、高価でしかも加工が難しく、産業分野への応用が制約
される不都合があった。

また、異種類の材料であるシリコン基板上へ直接ダイヤ
モンド膜を気相成長により形成する場合には、シリコン
単結晶の格子定数が５．４３０９５人、成長しようとす
るダイヤモンド単結晶の格子定数が３．５６３８３人で
あり、両者の間に３４％の格子不整合がある。このため
、シリコン基板の上にそのままダイヤモンド膜を形成す
る従来法では、多結晶のダイヤモンド膜となり、ダイヤ
モンド単結晶膜には成長しない。電気材料としては、多
結晶よりも単結晶のダイヤモンド膜が望ましい。

本発明は、前記従来法では困難であったダイヤモンド単
結晶膜を有するシリコン基板とその製造方法を提供する
ことを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明のダイヤモンド単結晶膜を有するシリコン基板は
、シリコン基板上に８１及びＣを含むアモルファス層を
介してダイヤモンド単結晶膜を形成した構成を備え、密
閉容器内に、恒温炉を用いないでシリコン基板と熱フィ
ラメントとを対向して設け、該容器内に水素希釈のａ、
３％〜３％の炭化水素ガスを導入して該容器内の圧力を
３０〜７０Ｔｏｒｒに調整し、該シリコン基板と熱フィ
ラメントの間にバイアス電圧を与え、該フィラメントへ
通電して該基板の温度を７００℃〜１０００℃に制御す
ることにより該基板上にＳｉとＣを含むアモルファスの
層とダイヤモンド単結晶膜とを順次に連続形成すること
により製造される。

（作　用） シリコン基板を用意した恒温炉を用いない密閉容器内に
、例えばメタンガスが１％で残りが水素ガスとなるよう
に水素で希釈した炭化水素ガスを導入し、該容器内の圧
力を３０Ｔｏｒｒに調整したのち該容器を密閉する。そ
してシリコン基板と熱フイラメント間に該フィラメント
が陰極となるように１．４０Ｖのバイアス電圧を与え、
次いで熱フィラメントに例えば１０秒間で３０〜５０Ａ
１５Ｖの設定値になるように急速に通電し、その後シリ
コン基板の温度が８５０℃一定となるように該熱フィラ
メントを制御する。これによって該シリコン基板と熱フ
ィラメントとの間にプラズマが発生し、熱フィラメント
の輻射熱と、プラズマ加熱により基板を常温から急速に
昇温する。この過程で該容器内の炭素源であるメタンが
急速に該基板の表面を炭化しＳｌとＣを含むアモルファ
スの層が形成される。更にこの状態を維持して装置の作
動を続けると、該アモルファスの層の上にダイヤモンド
の単結晶膜が一面に成長する。

（実施例） 本発明の実施例を別紙図面に基づき説明すると、第１図
は本発明の実施に使用した装置の概略構成を示し、同図
に於て符号（１）はガス導入口（２）と真空排気口（３
）を備えた密閉容器、（４）は該密閉容器（１）内の基
板ホルダ（５）上に栽せたシリコン基板、（６）は該シ
リコン基板（４）の板面と対向して設けた熱フィラメン
トを示す。該基板ホルダ（５）と熱フィラメント（６）
の間に、該基板ホルダ（５）が陽極となるように直流の
バイアス電源（７）が接続され、該熱フィラメント（６
）の゛作動用に交流又は直流の電源（８）が接続される
。

該シリコン基板（４）は、（１１１）面が膜形成面とな
るように設置したが、（１００）而或は（ｉ　！、　Ｏ
＞面を膜形成面に使用することも可能である。該基板（
４）には、厚さ２５０　ｐｍで、１０μｍのダイヤモン
ドペーストで表面研摩を施したものを使用した。

また、該ガス導入口（２）には、ガス供給源（９）を接
続するものとし、該ガス供給源（９）に水素で３％〜０
．３％に希釈したメタン、メチルアルコール、エチルア
ルコール、炭化水素ガスが用意される。

本発明の１実施例に於ては、前記シリコン基板（４）を
設けた容器（１）内を真空排気口（３）に接続した真空
ポンプ（ＩＯで真空排気したのち、水素希釈の１％メタ
ンガスを導入し、該容器（１）内の圧力が３０ＴＯｒｒ
となったところで容器（１）を密閉状態とした。そして
バイアス電源（７）を接続して基板ホルダ（５）に載せ
たシリコン基板（４）と熱フィラメント（６）との間に
直流１４０ｖのバイアス電圧を与え、次いで１０秒間の
短時間内に電ｉ　（８）から熱フィラメント（６）へ３
０〜５０Ａ　１５７の交流を通電し、該フィラメント（
６）を２０００℃に発熱させ、シリコン基板（４）を８
５０℃まで上昇させた。

この状態でシリコン基板（４）と熱フィラメント（６）
との間にプラズマが発生し、該プラズマ中の水素ラジカ
ルが該基板（４）の表面を清浄化する。

これと同時にメタンが該基板（４）の表面の炭化を急速
に行ないＳｌとＣを含むアモルファス層の形成が進む。

更にそのままの状態を維持し、容器（１）内のガスの対
流と熱的な定常状態を確保し乍ら成膜を続けると、Ｓｉ
とＣのアモルファス層の上に結晶膜が形成された。該シ
リコン基板（４）を容器（１）から取出し、断面ＴＥＮ
像を観察すると、（１１１）面のシリコン基板（４）の
上に２０人厚のアモルファス層（１１）が形成され、更
にその上に単結晶膜（１２が一面に成長していることが
確認された。第２図はその断面の構成の概略である。

得られた単結晶の膜の屈折率を測定したところ、２．４
４で天然ダイヤの値２．４１８８に近＜、１３３２ｃｒ
ｎ−’のラマンシフトの半値幅は４〜５ｃｍ−’でこれ
も天然ダイヤの値３ｃｍ−’に近いことが確認された。

繰返しての実験によれば、水素希釈の１％メタンのガス
を使用した場合、容器（１）内の圧力が３０〜７０Ｔｏ
ｒｒの範囲にあるときダイヤモンド単結晶膜がシリコン
基板（４）上に形成された。また、該基板（４）の温度
は７００〜１０００℃の範囲であった。

更に炭化水素ガスの濃度は、これが高いとグラファイト
やアモルファスカーボンが付着するにすぎず、またこれ
が低いと成膜速度が遅くなり、その濃度を０．３％〜３
，０％に水素で希釈したものを使用すると良好な結果が
得られた。

（発明の効果） このように本発明によれば、ＳＩ及びＣのアモルファス
層を介してダイヤモンド単結晶膜を形成したシリコン基
板が得られ、半導体や電子デバイスの絶縁材として利用
出来、その製造方法によれば、シリコン基板の上にＳｌ
及びＣを含むアモルファスの層がまず形成され、続いて
ダイヤモンド単結晶膜が形成されしかも基板加熱用に恒
温炉を必要としないので、製造が容易であり、安価で加
工性の良いシリコン基板を使用するので安価にダイヤモ
ンド単結晶膜付の素材を提供出来る等の効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の詳細な説明線図、第２図は本発明によ
り製造されたダイヤモンド単結晶膜を有するシリコン基
板の拡大断面図である。 （１）・・・密閉容器 （４）・・・シリコン基板 （６）・・・熱フィラメント （７）・・・バイアス電源 （８）・・・電源 （９）・・・ガス供給源 （Ｉｖ・・・］及びＣを含むアモルファス層ｉ１つ・・
・ダイヤモンド単結晶膜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、シリコン基板上にＳｉ及びＣを含むアモルファス層
   を介してダイヤモンド単結晶膜を形成したことを特徴と
   するダイヤモンド単結晶膜を有するシリコン基板。 ２、密閉容器内に、シリコン基板と熱フィラメントとを
   対向して設け、該容器内に水素希釈の０．３％〜３％の
   炭化水素ガスを導入して該容器内の圧力を３０〜７０Ｔ
   ｏｒｒに調整し、該シリコン基板と熱フィラメントの間
   にバイアス電圧を与え、該フィラメントへ通電して該基
   板の温度を７００℃〜１０００℃に制御することにより
   該基板上にＳｉとＣを含むアモルファスの層とダイヤモ
   ンド単結晶膜とを順次に連続形成することを特徴とする
   ダイヤモンド単結晶膜の製造方法。