JPH04188717A - ダイヤモンド基板およびその製造方法 - 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、ヒートシンクや半導体素子等の製造に有用な
表面平滑なダイヤモンド基板およびその製造方法に関す
る。特に、大量に安価なヒートシンクや半導体素子を生
産する上で有利な、面積が大きく表面平滑なダイヤモン
ド基板を提供できるものである。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドは世の中で最も硬く、熱伝導度の高い物質
であり、工具、ヒートシンク等の機構部品への応用が進
んでいる。しかし、ダイヤモンド材料を安価に入手する
ことは容易ではない。現状では、このダイヤモンド基板
の工業的生産は超高圧合成により１ｃｍ角程度のものが
得られるに留まっているにすぎない。面積が小さいとい
うだけでな（、その価格自体も高価であり、大量かつ安
価に部品を生産する上での重大な問題であった。

一方最近になって、炭素を含むガスと水素との混合ガス
を、マイクロ波や熱を用いて励起して気相反応させるこ
とにより基板上にダイヤモンド膜を形成する気相合成法
（ＣＶＤ法）が確立された。この場合の基板として、ダ
イヤモンド単結晶、金属、シリコン等が試みられている
。

ダイヤモンド単結晶を基板とした場合、ダイヤモンド基
板上にエピタキシャル成長した表面の平滑な単結晶ダイ
ヤモンド膜の形成が確認されている〔文献；　Ｆｕｊｉ
ａ＋ｏｒｉ　ｅｔ　ａｌ、、Ｖａｃｕｕｍ　ｖｏｌ。

３６．９９〜＋０２．（＋９８６））　　。

しかし、このＣＶＤ法を用いても、シリコンなどの異種
基板上には表面の凹凸の激しい多結晶ダイヤモンド膜し
か得られていない。ヒートシンク等の機構部品への応用
の際にはダイヤモンド膜表面のラッピング等の研磨工程
が必要であり、大量かつ安価に部品を生産する上で問題
であった。また、シリコン以外の多様な基板の上にもダ
イヤモンド膜を成長させる試みが多くなされているが、
すべて多結晶ダイヤモンド膜であり、未だ実用に供し得
るような異種基板上での「表面の平滑なダイヤモンド（
以下、平滑ダイヤモンドと略す）」膜成長は報告されて
いない。

また、ダイヤモンドは半導体としても好ましい性質を有
し、耐熱、耐環境性に優れた半導体素子、あるいは高出
力パワートランジスタなどの用途への応用が検討されて
いる。

従来から半導体材料としてはシリコン、ガリウムーヒ素
等が主に利用されてきたが、半導体素子を形成するため
の半導体の材料としては、良好な単結晶もしくは単結晶
層であることが重要である。特に、半導体素子の特性向
上のためには、結晶欠陥の少ない単結晶が不可欠である
。

しかしながら、単結晶ダイヤモンド膜は前記の高圧合成
法で作成した高価なダイヤモンド単結晶基板の上にしか
形成できない。このため安価かつ大面積の単結晶ダイヤ
モンド基板を提供するに至っていないのが現状である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のように、ヒートシンク用途や半導体素子形成等に
必要な平滑ダイヤセン１一基板もしくは単結晶ダイヤモ
ンド基板は、従来は高圧下で合成されたもの、または高
圧合成された基板上にＣＶＤ法により形成されたものし
かなかった。

そして、高圧で合成された単結晶ダイヤモンドはそれ自
体が高価である点で、これを材料としてダイヤモンド半
導体もしくはダイヤモンドヒートンンクを大量かつ安価
に生産する上で問題であった。

このような問題点を解決し、ヒートシンク用途や半導体
素子形成等に必要な平滑ダイヤモンド基板もしくは単結
晶ダイヤモンド基板およびこれらのダイヤモンド基板を
大量且つ安価に製造できる方法を提供することが本発明
の目的である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のダイヤモンド基板は、シリコン基板上立方晶望
化ホウ素層と、さらに上層としてダイヤモンド層とを有
してなることを特徴とする。

また、本発明のダイヤモンド基板の製造方法は、シリコ
ン基板上に立方晶窒化ホウ素層を形成する工程と、該立
方晶窒化ホウ素層上にダイヤモンド層を成長させる工程
とを有することを特徴とする。

本発明において使用するシリコン基板は、引き上げ法等
の通常の方法により製造されたインゴットから切り出し
た基板（ウェハー）でよい。

また、該シリコン基板上に中間層として形成される立方
晶窒化ホウ素層および該立方晶窒化ホウ素層を中間層と
してその上に形成されるダイヤモンド層は、それぞれ公
知技術により形成することができる。このような公知技
術として、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ法、熱フイ
ラメントＣＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、ＤＣジェ
ット法等の化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）法、もしくは物
理的気相蒸着（ＰＶＤ）法例えばイオンビーム蒸着法、
スパッタ法、レーザーアクレーション法等、を挙げるこ
とができる。

〔作用〕

ダイヤモンドの格子定数は３．５６６７人、シリコンの
格子定数は５．４３０１人と、格子定数が大きく異なる
ので、シリコン基板はその上に直接ダイヤモンドをエビ
タキンヤル成長させることは困難である。

そこで本発明者らは、シリコン基板上に中間層として平
滑な立方晶窒化ホウ素層を介在させることにより、その
上に平滑ダイヤモンドを成長させることに成功し、本発
明に到ったものである。

なお、本発明にいう平滑なダイヤモンド層とは、その表
面粗さが表面粗さ計による測定でＲｍａｘが１０００人
程度以下のものであり、このように平滑なダイヤモンド
層は、単結晶、双晶を含む単結晶もしくは多結晶からな
っていると考えられる。この中では単結晶、特に双晶が
少ない単結晶が特に好ましい。

立方晶窒化ホウ素の格子定数は３．６１．５人であり、
ダイヤモンドの格子定数に極めて近い。

立方晶窒化ホウ素上ではダイヤモンドがエピタキシャル
成長するため、平滑なダイヤモンドが得られると考えら
れる。

現在のところ、ダイヤモンドの格子定数に極めて近く、
シリコンのそれに比べて大きく異なる格子定数をもつ立
方晶窒化ホウ素が、なぜシリコン基板上で平滑膜となる
のかは明らかではないが、次のように推論される。

立方晶窒化ホウ素の格子定数の３倍の値と、シリコンの
格子定数の２倍の値は、それぞれ１０、８４５人と１０
．８６０２人で、ミスフィツト率は０．１４である。ダ
イヤモンドの格子定数の３倍の値が１０．７００１人で
、シリコンの格子定数の２倍の値とのミスフィツト率は
１．４７％であるのに比べ、１桁以上小さい。この小さ
いミスフィツト率のため、シリコンの単位格子２個に対
し立方晶窒化ホウ素の３個の単位格子が対応して成長し
、平滑な立方晶窒化ホウ素層が得られると考えられる。

ここで、立方晶窒化ホウ素中間層としてはノンドープ層
でよいが、ＳｉやＳをドーピングしたｎ型半導体もしく
はＢｅなどをドーピングしたｐ型半導体として、半導体
デバイスの能動層として用いてもよい。また、下地基板
の８１をエツチング等により除去し、立方晶窒化ホウ素
とその上に成長させたダイヤモンドからなる自立膜とす
ることもできる。

立方晶窒化ホウ素中間層の膜厚は、薄すぎると中間層と
しての効果がなく、中間層上に平滑ダイヤモンド層が得
られないため、少なくとも２０Å以上が好ましい。才た
、立方晶窒化ホウ素中間層にドーピングを行い半導体デ
、バイスの能動層として用いる場合には、下地基板界面
から発生する転位の影響を避けるため、少なくとも１０
００Å以上であることが好ましい。

一方、立方晶窒化ホウ素中間層が厚すぎると、熱膨張係
数差による基板の反りが生じるため、１０μｍ以下が好
ましいが、５１基板をエツチング等により除去する場合
には１０μｍ以上でも差し支えない。

立方晶窒化ホウ素層上に成長させるダイヤモンド層の膜
厚は、１００μｍ以上の厚膜でもよく、用途により適宜
選択できる。

〔実施例〕

（実施例１） 基板は直径２インチ、面方位（１００）の単結晶シリコ
ンとし、バッフアート・フッ酸により表面酸化膜を除去
したものを用いた。シリコン基板温度を６５０ａとし、
圧力を２Ｘ１０−’ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中で、六方晶
窒化ホウＪｉ’　（ｈ−ＢＮ）をターゲットとしたマグ
ネトロン・スパッタ法により、膜厚２０００人の立方晶
窒化ホウ素中間層を形成した。

この立方晶窒化ホウ素を反射電子線回折により評価した
ところ、膜中に双晶が含まれているもののストリーク状
の回折パターンが認められ、双晶を含んだ（１００）面
であることがわかった。また、表面粗さ計により測定し
た表面粗さは最大で１００人であった。

次に、この立方晶窒化ホウ素中間層上に、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法により、基板温度８５０℃および圧力８
Ｑ　Ｔｏｒｒで、０，４％ＣＨ。

を含むＨ２を分解して、膜厚４００人のダイヤモンド層
を形成した。得られたダイヤモンド層についても、反射
電子線回折を行った結果、立方晶窒化ホウ素中間層と同
様にストリーク状の回折パターンとなっており、双晶を
含んだ（１００）面であることがわかった。また、表面
粗さは最大で１２０人であった。

（実施例２） 実施例１と同様にシリコン基板上に立方晶窒化ホウ素中
間層を形成した。次に、この立方晶窒化ホウ素中間層上
に、基板温度９００℃および圧力３　Ｑ　Ｔｏｒｒで、
タングステンフィラメントを２０００℃に加熱して、０
．４％のＣＨ，を含むＨ２を励起して分解するＣＶＤ法
により、膜厚１０００人のダイヤモンド層を形成した。

反射電子線回折の結果ストリーク状の回折パターンとな
っており、このダイヤモンド層は双晶を含んだ（１００
）面となっていることがわかった。

また表面粗さは最大で１００人であった。

続いて、０．４％ＣＨ，と０．０００１％Ｂ２Ｈｓを含
むＨ２を同様に励起し分解して、上記ダイヤモンド層の
上にＢドーピングしたダイヤモンド層を形成した。膜厚
は２０００人とした。

得られた最上層のＢドープダイキモ２１層の結晶状態を
反射電子線回折により評価した結果、ストリーク状の回
折パターンが認められ、双晶を含んだ（１００）面であ
ることがわかった。

また、表面粗さは最大で１１０人であった。

さらに、最上層のＢドープダイキモ２１層は、比抵抗が
８　Ｘ　１０−’Ω・ＣＥで、ホール効果の測定により
ｐ型半導体であって、キャリア密度２Ｘ　ｌ　Ｏ”ｃｍ
　ｌおよびホール移動度２１０ｃｍ’／ｖ　−ｓｅｅで
あった。

（比較例） 実施例１と同じ単結晶シリコン基板上に、立方晶窒化ホ
ウ素中間層を形成することなく、実施例１と同様のマイ
クロ波プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド層を形成し
たが、粒状の結晶がバラバラに堆積するだけで、膜状の
成長は認められなかった。このときの表面粗さは最大で
８μｍであった。

また、同じ単結晶基板に核発生密度を高めるためダイヤ
モンド砥粒（＃　８０００）で傷をつけてから、同様に
ダイヤモンド層を形成したところ、三角形の結晶面が凹
凸に存在する膜が得られた。この膜を反射電子線回折に
より評価したところリング状のパターンとなっており、
多結晶膜であることが確認された。このときの表面粗さ
は最大で１１μｍであった。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ヒートシンク用途や半導体素子形成等
に必要な、面積の大きな平滑ダイヤモンド基板もしくは
単結晶ダイヤモンド基板を大量に安価に製造することが
できる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン基板上に立方晶窒化ホウ素層と、さらに
   上層としてダイヤモンド層とを有してなるダイヤモンド
   基板。
2. （２）シリコン基板上に立方晶窒化ホウ素層を形成する
   工程と、該立方晶窒化ホウ素層上にダイヤモンド層を成
   長させる工程とを有することを特徴とするダイヤモンド
   基板の製造方法。