JPWO2017126561A1 - 単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンドの製造方法およびそれに用いられる化学気相堆積装置 - Google Patents
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Abstract
Description
光学部品や電子部品や半導体材料などに応用物理学会学術講演会2004年春季予稿集、635頁(非特許文献1)および特表2004−503461号公報(特許文献1)などで開示されたCVD単結晶ダイヤモンドを用いると、半導体材料、電子部品、放熱材料、光学部品、宝飾素材などをレーザ切断やダイシングする際にダイシング断面で微小な欠けや亀裂が発生し、後々割れや大きな欠けの原因となり、有効に基板面積を取ることができないという問題点があり、また、上記CVD単結晶ダイヤモンドの光透過性は光学部品に用いるのに十分に高くないという問題点があった。
[本開示の効果]
本開示によれば、高純度で光透過率が高くかつ耐欠損性に優れる単結晶ダイヤモンド、単結晶ダイヤモンドの製造方法およびそれに用いられる化学気相堆積装置を提供できる。
最初に本発明の実施形態を列記して説明する。
従来の単結晶ダイヤモンドは、結晶欠陥と不純物元素原子の相乗効果により、500nmの波長の光を吸収するため、かかる波長の光の透過率が低下する。しかし、本実施形態の単結晶ダイヤモンドは、高純度であるため、光透過率が高いことに加えて、厚さを500μmとしたときの500nmの波長の光の透過率が55%以上でありながら、大きな欠損の発生が抑制される。大きな欠損の発生を抑制するとともに光透過率が高い観点から、上記の光の透過率は、55%以上が好ましく、60%以上がより好ましく、65%がさらに好ましく、68%以上が特に好ましい。不純物が極限まで低減された理想的な単結晶ダイヤモンドであっても、上記の光の透過率は、71%未満である。
<実施形態1:単結晶ダイヤモンドの製造方法>
本実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドの製造方法について、図1〜図13を参照して、説明する。
図1、図2および図9を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法において、準備される補助板4は、特に制限はなく、たとえば、水素などの酸化還元雰囲気で安定かつ比較的安価で大面積板を入手可能な、モリブデン、銅、アルミニウム、ニオブ、タンタル、石英、サファイア、アルミナ、酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、イットリア安定ジルコニアなどが好適に用いられる。補助板4は、マイクロ波を透過し、また、還元性雰囲気下でも安定である観点から、酸化物であることが好ましい。酸化物としては、石英、サファイア、アルミナ(酸化アルミニウム)、マグネシア(酸化マグネシウム)、チタン酸ストロンチウム、イットリア安定ジルコニアなどが好適である。補助板4の厚さは、取扱い易い観点から、1mm以上5mm 以下が好ましく、1mm以上3mm以下がより好ましい。
図1、図2および図9を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法において、補助板の表面の少なくとも一部に保護膜を形成する工程S1により、補助板4の表面の少なくとも一部に保護膜5を形成し、補助板4に保護膜5が形成された保護膜付補助板8を準備する。保護膜5は、後述の補助板4に保護膜5が形成された保護膜付補助板8とダイヤモンド種結晶基板10とをチャンバ内に配置する工程S3において説明するように、補助板4を形成する元素が単結晶ダイヤモンドに混入することを抑制したり、チャンバ2内の不純物元素が単結晶ダイヤモンドに混入することを抑制したりする機能を有する。保護膜5は、たとえば、補助板4の表面に、真空スパッタ法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、イオンビーム蒸着法などを用いてアルミニウム、チタン、バナジウム、クロム、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、ハフニウム、タンタル、タングステン、イリジウムなどの薄膜を形成して得ることができる。
図1、図4および図9を参照して本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法において、ダイヤモンド種結晶基板10を準備する工程S2は、特に制限はないが、耐欠損性に優れた単結晶ダイヤモンドを得る観点から、主面10m上に種結晶損傷点を有するダイヤモンド種結晶基板10を準備する工程S2であることが好ましい。ここで、種結晶損傷点の密度は、3mm-2以上が好ましく、5mm-2以上がより好ましい。あるいは、主面10m上に結晶欠陥点の群が集合して存在するCVD(化学気相堆積)ダイヤモンド種結晶基板10を準備する工程S2であることが好ましい。さらに、主面10m上に種結晶欠陥点10dpの群が集合して線状に延びる種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶基板10を準備する工程S2であることがより好ましい。すなわち、かかる単結晶ダイヤモンド20の製造方法は、主面10m上に種結晶欠陥点10dpの群が集合して線状に延びる種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶基板10を準備する工程(図9(A))と、ダイヤモンド種結晶基板10の主面10m上に、CVD(化学気相堆積)法により単結晶ダイヤモンド20を成長させる工程(図9(B))と、を備える。
図3を参照して、単結晶ダイヤモンドを製造する装置、たとえば、CVD装置1(化学気相堆積装置)は、チャンバ2内に、基板支持部材3が設けられている。通常、チャンバ2は石英管で形成され、基板支持部材3は銅で形成されている。基板支持部材3の上面には基板ホルダ6が配置されている。基板ホルダ6の上面にはダイヤモンド種結晶基板10を配置する。図3および図9を参照して、ダイヤモンド種結晶基板10は、その主面10mが露出するように配置する。図3を参照して、基板支持部材3の上面に、補助板4に保護膜5が形成された保護膜付補助板8を配置する。保護膜付補助板8は、保護膜5の少なくとも一部が露出するように配置する。基板ホルダ6および保護膜付補助板8は、基板支持部材3の上面のすべてを覆うように配置することが好ましい。
図1〜図4および図9(B)を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法において、単結晶ダイヤモンド20を成長させる工程S4は、チャンバ2内に炭素を含むガスを導入しながら、ダイヤモンド種結晶基板10の主面10m上にCVD法により単結晶ダイヤモンド20を成長させることにより行なう。CVD法としては、マイクロ波プラズマCVD法、DCプラズマCVD法、ホットフィラメントCVD法などが好適に用いられる。炭素を含むガスとしては、CH4、C2H6、C2H4、C2H2、CH3OH、C2H5OH、(CH3)2COなどが好適に用いられる。また、炭素を含むガス以外の単結晶成長用ガスとしては、水素、アルゴン、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素などが好適に用いられる。
図9(C)を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法は、効率よく単結晶ダイヤモンド20を得る観点から、ダイヤモンド種結晶基板10を除去する工程をさらに備えることができる。
図9(D)を参照して、本実施形態の単結晶ダイヤモンド20の製造方法は、大きな欠損の発生がさらに抑制される単結晶ダイヤモンド20を得る観点から、単結晶ダイヤモンド20を追加して成長させる工程をさらに備えることができる。
本実施形態にかかる単結晶ダイヤモンドについて、図1〜図13を参照して、説明する。
本実施形態にかかるCVD装置について、図2および図3を参照して、説明する。
(試料I−1〜試料I−6)
1.主面に種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶基板の準備
図9(A)を参照して、ダイヤモンド種結晶基板10として、高温高圧法により成長させた主面10mが(001)面から<100>方向に2°〜10°のオフ角を有する5mm×5mm×厚さ1mmのダイヤモンド種結晶基板を準備した。
次に、図9(B)を参照して、各々のダイヤモンド種結晶基板10の種結晶欠陥線状集合領域が形成された主面10m上に、マイクロ波プラズマCVD法により、単結晶ダイヤモンド20を成長させた。このマイクロ波プラズマCVD装置のチャンバ内に配置する補助板には石英板を用い、その主面および側面に、真空スパッタ法で保護膜を形成した保護膜付補助板を得た。保護膜の種類、保護膜比率および保護膜付補助板−基板間距離を表1に示した。
次に、図9(C)を参照して、試料I−1〜試料I−6の各々の単結晶ダイヤモンド20から各々のダイヤモンド種結晶基板10を、電解エッチングによりダイヤモンド種結晶基板10中の導電層領域10cを分解除去することにより、除去した。
次に、図9(D)を参照して、試料I−2、試料I−3および試料I−5については、さらに、単結晶ダイヤモンド20を追加成長させた。かかる追加成長における結晶成長条件は、上記の最初の結晶成長条件と同じとした。このようにして得られた試料I−2、試料I−3および試料I−5の単結晶ダイヤモンド20は、3層の単結晶ダイヤモンド層を有していた。
このようにして得られた各々の単結晶ダイヤモンド20の(001)面である結晶成長主面20mについてこれに垂直な方向に透過型で測定されたX線トポグラフィー像により、結晶欠陥線状集合領域の線状に延びる方向に垂直な方向における線密度(本・mm-1)、結晶欠陥線状集合領域の線状に延びる方向における最大間隔(μm)、長さ300μm以上の結晶欠陥線状集合領域の密度(本・cm-2)、長さ500μm以上の結晶欠陥線状集合領域の密度(本・cm-2)、結晶欠陥点の密度(mm-2)および複合転位点の密度(mm-2)を算出した。ここで、X線の回折面は(220)面とした。使用したX線のエネルギーは、14.547keV(波長0.85Å)であった。結果を表1にまとめた。
単結晶ダイヤモンド20中の窒素、ケイ素、ならびに窒素およびケイ素以外の不純物元素の含有量をSIMS法で測定した。SIMS法の検出下限以下の含有量の場合、窒素の含有量はEPR法を、ケイ素の含有量は低温PL分光分析を併用して測定した。
得られた単結晶ダイヤモンドから厚さ500μmのサンプルを形成し、410nm以上750nm以下の波長の光の透過率を、分光光度計を用いて、波長を410nmから750nmの間でスキャンさせて測定することにより、波長500nmのときの光の透過率を得た。本実施例の単結晶ダイヤモンドにおける上記の光の透過率は、表面散乱が存在する場合には、表面散乱を補正する換算をした正透過率を意味する。正透過率は、実測透過率から、(正透過率)=(実測透過率)/(1−((表面散乱率)/100))の換算式で定義する。ここで、表面散乱率は、実測透過率と実測換算反射率とを測定し、1から実測透過率および実測換算反射率を引いた値である。すなわち、(表面散乱率)=1−(実測透過率)−(実測換算反射率)である。実測透過率は、試料の表面に対して、入射角=0°(垂直入射)で測定した透過率である。実測換算反射率は、試料の表面に対して入射角=10°で入射した光を、反射角=−10°で測定した実測反射率を使って、入射角=0°で反射角=0°の垂直反射に換算した反射率である。本換算は一般的な光学の理論式に従うものである。実測反射率は、無偏光で測定するので、実測換算反射率とほぼ等しい。
T(%)= I1/I0 × 100
により定義される。
T = T1 2・exp(−αD)/(1−R1 2・exp(−αD))
と表されるものである。ここで、αは吸収係数(単位:cm-1)であり、Dは平行な両主面間の距離(単位:cm-1) である。
R1=(n0−n1)2/(n0+n1)2
T1=4n0n1/(n0+n1)2
と表される。この式は、単結晶ダイヤモンドの屈折率を2.4として、透明な場合(α=0と近似される場合)の透過率が、約71%であることを示しているので、実測に合う結果である。
耐欠損性は、得られた単結晶ダイヤモンドから、光学窓材料としてのφ3mm直径の形状を、レーザ切断し、その後、裏表の周辺エッジの研磨による端面処理を行なったときに発生する1μm以上の欠けの数(欠損数)により評価した。欠損数の小さいものが耐欠損性が高い。
(試料II−1〜試料II−8)
1.主面に結晶欠陥点の群が集合して存在するダイヤモンド結晶基板を得るためのダイヤモンド種結晶基板の準備
図9(A)を参照して、ダイヤモンド種結晶基板10として、高温高圧法およびCVD法により成長させた主面10mが(001)面から<100>方向に2°〜10°のオフ角を有する5mm×5mm×厚さ1mmのダイヤモンド種結晶基板を準備した。
次に、図9(B)を参照して、試料II−1〜試料II−7の各々のダイヤモンド種結晶基板10の種結晶欠陥線状集合領域が形成された主面10m上に、マイクロ波プラズマCVD法により、単結晶ダイヤモンド20を成長させた。このマイクロ波プラズマCVD装置のチャンバ内に配置する補助板には石英板を用い、その主面および側面に、真空スパッタ法で保護膜を形成した保護膜付補助板を得た。保護膜の種類、保護膜比率および保護膜付補助板−基板間距離を表2に示した。
次に、図9(C)を参照して、試料II−1〜試料II−7の各々の単結晶ダイヤモンド20から各々のダイヤモンド種結晶基板10を、電解エッチングによりダイヤモンド種結晶基板10中の導電層領域10cを分解除去することにより、除去した。
次に、図9(D)を参照して、試料II−3および試料II−6については、さらに、単結晶ダイヤモンド20を追加成長させた。かかる追加成長における結晶成長条件は、上記の最初の結晶成長条件と同じとした。このようにして得られた試料II−3および試料II−6の単結晶ダイヤモンド20は、3層の単結晶ダイヤモンド層を有していた。
このようにして得られた各々の単結晶ダイヤモンド20の(001)面である結晶成長主面20mについてこれに垂直な方向に透過型で測定されたX線トポグラフィー像により、結晶欠陥線状集合領域の線状に延びる方向に垂直な方向における線密度(本・mm-1)、結晶欠陥線状集合領域の線状に延びる方向における最大間隔(μm)、長さ300μm以上の結晶欠陥線状集合領域の密度(本・cm-2)、長さ500μm以上の結晶欠陥線状集合領域の密度(本・cm-2)、結晶欠陥点の密度(mm-2)および複合転位点の密度(mm-2)を算出した。ここで、X線の回折面は(220)面とした。使用したX線のエネルギーは、14.547keV(波長0.85Å)であった。結果を表2にまとめた。
単結晶ダイヤモンド20中の窒素、ケイ素、ならびに窒素およびケイ素以外の不純物元素の含有量をSIMS法で測定した。方法は実施例1と同じであった。
実施例1と同じ方法で、波長500nmのときの光の透過率を得た。光透過率の式や意味も実施例1と同じとした。
実施例1と同じ方法で評価した。すなわち、欠損数の小さいものが耐欠損性が高い。
Claims (22)
- 補助板の表面の少なくとも一部に保護膜を形成する工程と、
ダイヤモンド種結晶基板を準備する工程と、
前記補助板に前記保護膜が形成された保護膜付補助板と前記ダイヤモンド種結晶基板とをチャンバ内に配置する工程と、
前記チャンバ内に炭素を含むガスを導入しながら、前記ダイヤモンド種結晶基板の主面上に化学気相堆積法により単結晶ダイヤモンドを成長させる工程と、を備える単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記補助板は酸化物である請求項1に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記保護膜は炭素以外の元素のゲッターとなる金属元素を含む請求項1または請求項2に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記ダイヤモンド種結晶基板を準備する工程は、主面上に種結晶欠陥点の群が集合して線状に延びる種結晶欠陥線状集合領域を有するダイヤモンド種結晶基板を準備する工程である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記種結晶欠陥線状集合領域は、それが線状に延びる方向に対して垂直な方向に1mm当たり2つ以上存在し、かつ、前記線状に延びる方向における間隔が500μm以下である請求項4に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記種結晶欠陥線状集合領域は、前記主面の1cm2当たりに、長さ300μm以上の
長い種結晶欠陥線状集合領域を5本以上含む請求項4または請求項5に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。 - 前記種結晶欠陥点の密度が10mm-2より大きい請求項4から請求項6のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 前記ダイヤモンド種結晶基板の前記主面を水素終端した後の電子顕微鏡の2次電子像において、結晶損傷が存在する点を示す種結晶損傷点の密度が3mm-2より大きい請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法。
- 不純物元素として窒素を500ppb未満で含む単結晶ダイヤモンド。
- 不純物元素としてケイ素を1000ppb未満で含む単結晶ダイヤモンド。
- 窒素およびケイ素以外の不純物元素を500ppb未満で含む単結晶ダイヤモンド。
- 厚さを500μmとしたときの500nmの波長の光の透過率が55%以上71%未満である請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 結晶成長主面についてのX線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して存在する請求項9から請求項12のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 結晶成長主面についてのX線トポグラフィー像において結晶欠陥が存在する線を示す結晶欠陥線が前記結晶成長主面に達する先端の点である結晶欠陥点の群が集合して任意に特定される一方向から30°以内の方向に線状に延びる結晶欠陥線状集合領域が複数並列して存在する請求項9から請求項13のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記結晶欠陥線状集合領域は、それが線状に延びる方向に対して垂直な方向に1mm当たり2つ以上存在し、かつ、前記線状に延びる方向における間隔が500μm以下である請求項14に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記結晶欠陥線状集合領域は、前記結晶成長主面の1cm2当たりに、長さ300μm以上の長い結晶欠陥線状集合領域を5本以上含む請求項14または請求項15に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記結晶欠陥点の密度が20mm-2より大きい請求項13から請求項16のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 前記結晶欠陥点のうち、複数の刃状転位および複数の螺旋転位の少なくともいずれかが複合した複合転位が前記結晶成長主面に達する先端の点である複合転位点の密度が20mm-2より大きい請求項13から請求項17のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 複数の単結晶ダイヤモンド層を含む請求項13から請求項18のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生または分岐しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点が、前記結晶成長主面と反対側の主面の前記結晶欠陥点より高密度である請求項19に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 各前記単結晶ダイヤモンド層の界面で、前記結晶欠陥線が新たに発生、消滅、分岐または合流しており、前記結晶成長主面の前記結晶欠陥点および前記結晶成長主面と反対側の結晶成長主面の前記結晶欠陥点が、各前記単結晶ダイヤモンド層の界面の前記結晶欠陥点より高密度である請求項19に記載の単結晶ダイヤモンド。
- 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法に用いられる化学気相堆積装置であって、
前記チャンバと、前記チャンバ内に配置された前記補助板の表面の少なくとも一部に前記保護膜が形成された前記保護膜付補助板と、を備える化学気相堆積装置。
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