KR100988104B1

KR100988104B1 - 다이아몬드 복합 기판 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR100988104B1
Application number: KR1020047016807A
Authority: KR
Inventors: 기이찌 메구로; 요시유끼 야마모또; 다까히로 이마이
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2010-10-18
Also published as: EP2135977A2; US7892356B2; EP1522611A1; CN100567592C; CN1697894A; EP1522611A4; EP2135977A3; KR20050094341A; JPWO2004067812A1; TWI246173B; TW200428622A; WO2004067812A1; US20050160968A1; JP5160032B2; EP2135977B1; EP1522611B1

Abstract

본 발명의 목적은 반도체 재료, 전자 부품, 광학 부품 등에 사용되는 고인성이고, 또한 대면적ㆍ고품질의 다이아몬드 기판 및 그의 제조법을 제공하는 것이다. 다이아몬드 단결정 기판의 표면에 다이아몬드 다결정막을 적층시켜 다이아몬드 복합 기판으로 한다. 이 복합 기판은 다이아몬드 단결정 기판의 가장 면적이 큰 주면을 {100}면으로 하고, 이 면에 평행한 대면에 상기 다이아몬드 다결정막이 적층되어 있는 것이 바람직하다. 이 다이아몬드 단결정 기판 (3)을 주면의 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체로 구성하고 이들 복수개의 다이아몬드 결정체를 이 다이아몬드 다결정층 (4)에 의해 접합하여 다이아몬드 복합 기판 (2)로 할 수 있다. 또한 이 다이아몬드 단결정을 종 결정으로 하여 그 표면에 기상 합성 다이아몬드 단결정을 설치할 수도 있다.

다이아몬드 단결정체, 단결정 기판, 다이아몬드 다결정막, 면방위, 복합 기판

Description

다이아몬드 복합 기판 및 그의 제조 방법 {Diamond Composite Substrate and Process for Producing the Same}

본 발명은 다이아몬드 복합 기판 및 그의 제조 방법에 관한 것이며, 특히 반도체 재료, 전자 부품, 광학 부품 등에 사용되는 대면적으로 고품질인 다이아몬드 복합 기판 및 그의 제조법에 관한 것이다.

다이아몬드는 높은 열전도율, 높은 전자ㆍ정공 이동도, 높은 절연 파괴 전계 강도, 저유전 손실, 그리고 넓은 밴드갭 등의, 다른 반도체 재료에서는 볼 수 없는 우수한 특성을 다수 구비하고 있다. 특히 최근에는 넓은 밴드갭을 살린 자외 발광 소자나 우수한 고주파 특성을 갖는 전계 효과 트랜지스터 등이 개발되고 있다.

주로 고온 고압 합성법에 의해 제조되는 인공 다이아몬드 단결정은 그 우수한 결정성 및 금속과는 상이한 포논에 의한 열전도 메카니즘에 의해, 상온에서 구리의 5배 이상의 열전도율을 갖는다. 이것을 사용하여 고성능, 고신뢰성이 요구되는 방열 기판으로서 응용되고 있다. 이에 반해, 주로 기상 합성법으로 얻어지는 다이아몬드 다결정막은 입계에서 포논의 산란의 영향을 받기 때문에, 열 전도율이 다이아몬드 단결정의 반 정도가 된다.

한편, 다이아몬드를 반도체로서 응용하기 위해서는, 대형의 다이아몬드 단결 정 기판이 필요하다. 고온 고압법으로 얻어지는 다이아몬드 단결정은, 천연산 단결정과 비교하여도 결정성이 좋은 단결정이 얻어지기 때문에, 반도체용 기판으로서도 유용하다. 그러나, 고온 고압법에서 사용하는 초고압 합성 장치는 장치 크기가 크고 고가이기 때문에, 단결정의 제조 비용의 저감에는 한계가 있다. 또한, 얻어지는 단결정 크기도 장치 크기에 비례하기 때문에, 실제 1 cm급의 크기가 한계이다. 그래서, 대면적 다이아몬드 단결정 기판을 얻기 위한 방법으로서, 예를 들면 일본 특허 공개 평 3-75298호 공보 (특허 문헌 1)에서는 실질적으로 서로 동일 결정 방위를 갖는 복수의 고압 상물질을 배치하여 기상 성장의 핵이 되는 기판을 형성하고, 그 위에 단결정을 기상 합성법으로 성장시켜 일체화된 대형 단결정을 얻는 방법이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평 2-51413호 공보에는, 간격을 둔 다이아몬드 표면을 적어도 2 개 설치하고, 계속해서 화학 기상 성장 (CVD)법에 의해서 다이아몬드 표면 사이에 다이아몬드 또는 다이아몬드형 가교를 성장시킴으로써 다이아몬드와 다이아몬드를 접합시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이와 같은 2 개의 면 사이에 가교된 다이아몬드 접합체는, 표면을 연마하면 접합 계면에 연마 응력이 집중되어 접합 부분이 분리되어 버린다는 문제가 있다.

다이아몬드 단결정을 방열 기판으로서 사용할 때 문제가 되는 것은, 발열체와 다이아몬드 사이의 열팽창 계수 차에 기인하는 열 왜곡이나 균열이다. 다이아몬드는 가장 열팽창 계수가 작은 물질중 하나인 반면, Si나 GaAs로 대표되는 반도체 재료는 다이아몬드의 1.5 내지 수배 정도의 열팽창 계수를 갖기 때문에, 양자를 접합하기 위해서 납땜 등으로 가열하면 냉각 시에 변형이나 균열이 생긴다. 특히, 다이아몬드 단결정은 영율이 크고 변형되기 어렵기 때문에, 반대로 인성이 낮고 취약한 재료이기도 하다. 즉, 다이아몬드 단결정에 힘이 가해지면 {111}면에 따라 벽개(劈開)하기 쉽다는 결점을 갖는다. 이 때문에, 단결정과 비교하여 인성이 높은 다이아몬드 다결정을 사용한 방열 기판도 실용화되고 있다. 그러나, 상술한 바와 같이 다이아몬드 다결정막 단독으로는 단결정 정도의 열전도성을 얻을 수는 없다.

다음으로, 상기 특허 문헌 1에 따른 대형 단결정을 얻는 방법을 사용하였을 때 생기는 과제에 대해서 본 발명자들은 동일 방법을 실시하였을 때, 다음 문제가 생긴다는 것을 발견하였다. 즉, 기상 성장의 핵이 되는 복수매를 포함하는 단결정 기판은 통상적으로는 완전히 동일 성장 면의 면방위를 갖지 않고, 각각은 약간 상이한 면방위를 갖게 된다. 여기에서 단결정 기상 성장을 행하여 단결정을 일체화시키면 그 접합 부분은 소경각 입계라고 불리는 상이한 각도의 성장 계면, 즉 광의의 결함을 갖는 것으로 되어, 이것은 단결정 성장을 계속하더라도 기본적으로 소실되지 않는다.

본 발명자들은, 이 소경각 입계 근방을 라만 산란 분광 장치로 상세히 관찰한 결과, 통상의 다이아몬드 피크와는 상이한 피크 시프트를 계측하였다. 구체적으로는 1332 cm^-1부근의 통상의 다이아몬드 단결정 피크가 아니고, 단결정 접속 계면의 근방에는 그 보다 수 cm^-1고파수 또는 저파수로 시프트하는 미소 영역이 존재 한다는 것을 알 수 있었다. 또한, 그대로 단결정 성장을 계속하면 막 두께가 대략 100 ㎛를 초과한 부근부터 단결정 접속 계면을 경계로, 기상 성장 중에 단결정이 분해된다는 것을 알 수 있었다. 이들 2 개의 사상으로부터 상기 선행예에 의해 대형 단결정을 형성하여도 소경각 입계 근방에 응력이 축적되어 어느 정도의 막 두께 이상에서는 계면을 경계로 분해되어 버린다는 문제가 확인되었다.

본 발명은 상기 종래 기술에 있어서의 과제를 극복하기 위해 이루어진 것으로, 반도체 재료, 전자 부품, 광학 부품 등에 사용되는, 고인성, 또한 대면적ㆍ고품질의 다이아몬드 기판 및 그의 제조법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은 다음 (1) 내지 (23)의 형태를 갖는다.

(1) 다이아몬드 단결정 기판과, 그 위에 기상 합성법에 의해서 적층된 다이아몬드 다결정막으로 구성되는 다이아몬드 복합 기판.

(2) (1)에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 가장 면적이 큰 주면(main face)의 면방위와 {100}면의 면방위의 차가 5 도 이내이고, 이 주면에 평행한 대면에, 상기 다이아몬드 다결정막이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(3) (2)에 있어서, 상기 주면이 {100}면인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(4) (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께인, 주면 사이의 거리가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(5) (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판 상에 적층되는 다이아몬드 다결정막의 두께가 O.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(6) (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께와, 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율이 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(7) (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판이, 가장 면적이 큰 주면의 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체로 구성되고, 이 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성법에 의해 형성된 다이아몬드 다결정막에 의해 이들 복수개의 다이아몬드 단결정체가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(8) (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 차가 2 도 이내이고, 또한 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(9) (8)에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위가 {100}인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(10) (7) 내지 (9) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결 정체의 각각의 판 두께의 차가 1O ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(11) (7) 내지 (10) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극이 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(12) 각 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 차가 2 도 이내이고, 또한, 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 복수개의 다이아몬드 단결정체로부터 다이아몬드 단결정 기판이 구성되고, 이 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 평행한 대면 상에 기상 합성법에 의해서 형성된 다이아몬드 다결정막에 의해서 각 다이아몬드 단결정체가 접합되어 있고, 또한 이 주면은 다이아몬드 단결정 기판을 종 결정으로 하여 성장시킨 기상 합성 다이아몬드 단결정에 의해 전면 일체화되어 이루어지는 다이아몬드 복합 기판.

(13) (12)에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위가 {100}인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(14) (12) 또는 (13)에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께인, 주면 사이의 거리가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 기재의 다이아몬드 복합 기판.

(15) (12) 내지 (14) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께는 O.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특 징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(16) (12) 내지 (15) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율은 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(17) (12) 내지 (16) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극이 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(18) (12) 내지 (17) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의, 각각의 판 두께의 차는 10 ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(19) (12) 내지 (18)에 있어서, 상기 다이아몬드 다결정막의 표면이 연마되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(20) (12) 내지 (19) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 다결정막의 표면 거칠기가 Rmax에서 0.1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.

(21) 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체를 나열하여 배치하고, 기상 합성법에 의해 이 단결정체 상에 다이아몬드 다결정막을 기상 합성하여, 다이아몬드 다결정막에 의해 복수개의 다이아몬드 단결정체를 접합하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(22) (21)에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 가장 면적이 큰 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 어긋남이 2 도 이내이고, 또 한 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(23) (22)에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체를 구성하는 면에서의 가장 면적이 큰 주면이 {100}면인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(24) (21) 내지 (23) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께는 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(25) (21) 내지 (24) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께는 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(26) (21) 내지 (25) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율은 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(27) (21) 내지 (26) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 판 두께의 차는 10 ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

(28) (21) 내지 (27) 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극은 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.

상기한 본 발명의 각 형태 (1) 내지 (28)에 대해서 설명한다.

또한, 본 명세서에 있어서는, 다이아몬드 단결정 기판이라는 용어는, 단일의 단결정을 포함하는 기판을 의미하는 경우 뿐만 아니라, 복수개의 단결정체로 구성되는 기판도 의미하는 경우가 있다.

<형태 (1)에 대하여>

고열전도성을 갖는 다이아몬드 단결정 기판과, 이 단결정 기판 상에 기상 합성법에 의해 형성된, 고인성을 갖는 다이아몬드 다결정막을 적층시키는 것으로, 고열전도ㆍ고인성 다이아몬드 복합 기판으로서 사용할 수 있다. 이 다이아몬드 단결정은, 천연산 다이아몬드 단결정, 고온 고압법으로 얻어지는 인공 다이아몬드 단결정, 또는 기상 합성 다이아몬드 단결정 중 어떤 것일 수도 있거나, 또는 이것 이외의 제법에 의한 다이아몬드 단결정일 수도 있다.

<형태 (2), (3)에 대하여>

다이아몬드 복합 기판을 응용할 때, 다이아몬드 다결정막을 적층시킨 반대측의 단결정면이, 반도체 응용이나 방열 기판으로서의 접속면 등, 실제의 응용에 사용되게 된다. 그 경우, 단결정 표면은 상대적으로 연질로 가공이 용이한 {100}면으로 구성되는 것이 응용하기 용이하다.

또한, 본 발명의 다이아몬드 복합 기판은, 다이아몬드 단결정의 주면의 면방위의 어긋남이, {100}으로부터 5 도 이내인 것을 특징으로 할 수 있다. 응용을 고려하였을 때 단결정의 주면은 상기한 바와 같이 {100}이 바람직하지만, 본 발명자들은 주면의 방위의 어긋남에 관하여 상세히 조사한 결과, {100}면에서의 어긋남의 범위가 5 도 이내이면, 그 후의 반도체 응용이나 연마 가공에 문제가 생기지 않는다는 것을 밝혀냈다.

<형태 (4) 내지 (6)에 대하여>

또한, 본 발명의 다이아몬드 복합 기판은 다이아몬드 단결정의 판 두께가 O.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 다이아몬드 단결정 상에 적층되는 다이아몬드 다결정막의 두께가 O.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 단결정의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율이 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 할 수 있다. 주로 방열 기판으로의 응용을 의도한 경우, 다이아몬드 복합 기판의 열전도성과 인성은 상반되는 관계에 있기 때문에 단결정의 판 두께와 다결정층의 두께, 및 그 비율에는 최적 범위가 존재한다. 본 발명자들은 이들 수치를 상기 범위 내에 둠으로써 충분한 열전도성을 유지한 채로 고인성을 달성할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

<형태 (7)에 대하여>

또한, 본 발명의 다이아몬드 복합 기판은, 다이아몬드 단결정 기판이 주면의 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체로 구성되고, 이들 복수개의 다이아몬드 단결정체가 이 단결정체 위에 기상 합성법에 의해서 형성된 다이아몬드 다결정막으로 접합되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수개의 단결정체를 포함하는 단결정 기판으로부터 직접 단결정을 기상 성장시키면 그 계면의 응력 집중에 의해 기판이 분해되는 경우가 있다. 그런데, 복수개의 단결정체를 다결정막으로 접합하면 이러한 분해는 발생하지 않고, 실질적으로 일체가 된 대형의 복합 기판으로 할 수가 있다. 다이아몬드 다결정막은 각각의 단결정체 측면에 반 드시 막 형성할 필요는 없고, 단결정체는 주면 상에 형성된 다결정으로 접합될 수 있다.

<형태 (8), (9)에 대하여>

또한, 본 발명의 다이아몬드 복합 기판은, 다이아몬드 단결정 기판을 구성하는 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 어긋남은 2 도 이내이고, 또한 주면이 {100}이거나, 또는 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위의 어긋남이 각각 {100}으로부터 5 도 이내인 것을 특징으로 할 수 있다. 단결정체를 복수개 사용한 경우, 면방위의 어긋남은 수직 방향과 회전 방향의 2 차원으로 존재한다. 다결정막으로 각각 접합되어 일체화된 응용을 의도하는 경우, 단결정면의 가공성을 비롯한 물성이 각각의 기판에서 일치해야 하며, 상기한 면방위의 어긋남에는 허용 범위가 존재한다. 본 발명자들은 단결정체 각각의 면방위의 어긋남을 상기 범위에 둠으로써 복합 기판으로서의 물성을 안정화할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

<형태 (10), (11)에 대하여>

또한, 본 발명의 다이아몬드 복합 기판은, 다이아몬드 단결정 기판을 구성하는 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 판 두께의 차가 1O ㎛ 이내이고, 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극은 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. 복수의 다이아몬드 단결정체가 다결정막에 의해 일체화된 상태로 응용하는 경우, 단결정체 사이의 판 두께의 차 및 간극은 작으면 작을 수록 바람직하다. 한편, 기상 합성법으로 일체화할 때의 단결정체 사이의 간극은 지나치게 작으면 배치가 어 렵고, 또한 복합 기판의 대형화에도 불리한 문제가 있기 때문에, 실제 150 ㎛ 이상 인 것이 바람직하다. 본 발명자들은 여러가지의 응용예를 검토한 결과, 이러한 값을 상기 수치 범위에 둠으로써 다이아몬드 복합 기판으로서 실용 상 문제가 없다는 것을 밝혀냈다.

<형태 (12) 내지 (20)에 대하여>

본 발명의 다이아몬드 복합 기판은, 각 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위가 {100}이거나 또는 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위의 차가 5 도 이내인 복수개의 다이아몬드 단결정체로 다이아몬드 단결정 기판이 구성되고, 이 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 평행한 대면 상에 구성된 다이아몬드 다결정막으로 다이아몬드 단결정체가 서로 접합되고, 또한 주면은 종 결정의 다이아몬드 단결정체로부터 성장한 기상 합성 다이아몬드 단결정으로 전면 일체화되어 있는 것을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이, 복수개의 다이아몬드 단결정으로부터 직접 단결정을 기상 성장시켜 접합하면 응력에 의해 분해되는 경우가 있다. 따라서, 한 면을 다결정막으로 접합하고, 다른 한 면을 기상 성장시킨 단결정으로 일체화된 구조이면, 이와 같은 분해의 문제와는 무관하게 된다. 이 일체화된 기상 합성 다이아몬드 단결정은 대형의 단결정 기판으로서 응용 가능하다. 그리고, 다이아몬드 단결정체의 판 두께는 0.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께는 0.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율은 1:1 내지 1:4의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 복수개로 구성되는 다이아몬드 단결정체의 판 두께의 차는 1O ㎛ 이내이고, 단결정체 사이에 생기는 간극은 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 단결정체, 다결정층의 크기 및 배치를 상기 범위내에 둠으로써 본 발명에서 목적으로 하는 대면적이고 고품질인 다이아몬드 기판으로서 사용할 수 있다. 또한 이 다결정막면은 연마되고 그 표면 거칠기가 Rmax에서 0.1 ㎛ 이하이면, 그 후의 응용의 관점에서 보다 바람직하다.

<형태 (21) 내지 (23)에 대하여>

본 발명의 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법은, 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체를 나열하여 배치하고, 기상 합성법에 의해 상기 단결정체 상에 다이아몬드 다결정막을 기상 합성하여 생성된 다이아몬드 다결정막에 의해 복수개의 다이아몬드 단결정체를 접합하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 복수매로 이루어지는 다이아몬드 단결정 기판 상에 다결정막을 형성하여 이 다결정막으로 단결정체를 접합하기 위한 제조 방법에 있어서, 면방위를 갖는 다이아몬드 단결정체를 준비하고, 그 위에 기상 합성법으로 다결정막을 성장시키는 방법을 채용함으로써 얻어진 다이아몬드 복합 기판은 대면적, 고품질의 다이아몬드 복합 기판으로서 응용할 수 있다. 또한, 다이아몬드 단결정 기판을 구성하는 면에 있어서, 가장 면적이 큰 주면은 {100}면이고, 각각의 단결정체의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 어긋남은 2 도 이내이고, 또한 주면의 면방위의 어긋남이 {100}으로부터 5 도 이내인 것이 바람직하다.

<형태 (24) 내지 (28)에 대하여>

다이아몬드 단결정체의 판 두께는 O.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께는 O.1 mm 이상 1 mm 이하이고, 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율은 1:1 내지 1:4의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 복수개로 구성되는 다이아몬드 단결정체의 판 두께의 차는 10 ㎛ 이내이고, 단결정체 사이에 생기는 간극은 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 단결정체, 다결정층의 조건을 상기 범위에 둠으로써 본 발명에서 목적으로 하는 대면적, 고품질의 다이아몬드 기판의 제조가 용이해진다.

도 1은 본 발명에 사용한 다이아몬드 단결정 기판의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 다이아몬드 복합 기판을 사용한 열전도 시험의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 다이아몬드 복합 기판 제조를 위한 다이아몬드 단결정 기판의 배치도이다.

도 4는 본 발명에서 제조한 대형 다이아몬드 복합 기판의 개략도이다.

도 5는 본 발명의 다이아몬드 복합 기판을 사용한 대형 다이아몬드 단결정의 제조예이다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

이하에, 본 발명을 실시예에 기초하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 그 범위가 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

본 실시예에서는, 단일의 단결정으로 이루어지는 다이아몬드 단결정 기판 상 에 다이아몬드 다결정막을 적층시킨 다이아몬드 복합 기판의 구성예에 대해서 설명한다. 우선, 도 1에 나타내는, 판 두께가 0.5 mm이고, 판 두께 방향에 직교하는 2 변의 길이가 모두 10 mm이고, 6 면의 면방위가 모두 {100}인, 입방체 다이아몬드 단결정 기판을 준비하였다. 이 단결정 기판은 고온 고압 합성법으로 제조된, 불순물로서 질소를 포함하는 소위 Ib형이라고 불리는 단결정 원석으로부터 취출된 것이다. 가장 면적이 큰 주면의 {100}로부터의 면방위의 어긋남 (도 1에 있어서의 각도α)을 X선 라우에법으로 계측한 결과, 1.9 도였다. 이 다이아몬드 단결정 기판 상에, 공지된 마이크로파 플라즈마 CVD법으로 다이아몬드 다결정막을 막 형성하였다. 다결정막 성장 조건은 표 1과 같다.

다결정막 성장 조건
마이크로파 주파수	2.45 GHz
마이크로파 전력	5 kW
챔버내 압력	1.33×10⁴ Pa
H₂ 가스 유량	100 sccm
CH₄ 가스 유량	2 sccm
기판 온도	980 ℃
성장 시간	250 시간

성장 후의 막 형성 영역에는, 단결정층은 존재하지 않고, 단결정인 기판 영역과 다결정막의 막 형성 영역으로 명확하게 나누어져 있었다. 다결정층의 두께는 0.5 mm였다. 이 기판 (기판 1이라 한다)에 대하여 다음 방법으로 인성과 열전도성의 평가를 행하였다. 우선, 인성에 대해서는 JIS R1601에 준거한 3점 굽힘 저항 시험으로 평가하였다. 굽힘 방향은 단결정측에 인장 응력이 가해지는 방향으로 하였다. 평가 조건은 표 2와 같다.

인성 평가 조건
크로스헤드 속도	0.5 mm/분
로드 셀	500 kgf×1/50
스팬(span)	4 mm 3점 굽힘

측정의 결과, 기판 (1)의 굽힘 저항력은 1240 MPa였다. 다음으로, 열전도성에 대하여 고출력 레이저 다이오드 (LD)의 방열 기판으로서 기판 (1)을 사용하였을 때의 발열부의 냉각 효과로 평가하였다. 도 2에 열전도 시험의 모식도를 나타내었다. 다이아몬드 단결정층 (3)과 다이아몬드 다결정층 (4)로 이루어지는 다이아몬드 복합 기판 (2)의 단결정면에 GaAs층 (5)를 포함하는 LD를 납땜한 상태로 레이저 발진하여, 레이저 발열부 (6)의 최대 온도를 계측하였다. 표 3에 열전도 시험의 평가 조건을 나타내었다.

열전도성 평가 조건
LD 발열량	600 mW
발열 부분	1×1×300 ㎛
다이아몬드 다결정면	20℃ 공랭

측정의 결과, LD 발열부의 최고 온도는 75 ℃이고, 레이저 출력도 정상이었다.

다음으로, 다이아몬드 단결정 기판 단체, 다이아몬드 다결정 단체, 및 다이아몬드 복합 기판의 두께를 변경한 것에 대하여 동일한 인성ㆍ열전도성 시험을 행한 결과를 기술한다.

표 4는 다이아몬드 단결정 기판의 구성과 시험 결과를 통합한 것이다. 다이아몬드 단결정 기판의 주면의 크기는 모두 기판 1과 동일한 10 mm²이고, 면방위는 {100}, 방위의 어긋남을 나타내는 α는 기판 9를 제외하고 2 도 이내였다. 또한, 다결정막의 막 형성 조건은 모두 표 1과 동등하게 하였다.

표 4에 있어서, 기판 2, 3은 각각, 다이아몬드 단결정 기판, 다이아몬드 다결정 기판이고, 표 4에는 이들에 대한 시험 결과를 나타내었다. 기판 2는 단결정 단독이기 때문에, 열전도가 향상되어 발열부의 온도가 저하되고 있지만, 굽힘 저항력은 기판 1의 복합 기판에 비해 약 1/5까지 저하되고 있다. 이 때문에, 인성이 요구되는 용도에는 사용이 곤란하다. 기판 3은 다결정 단독이기 때문에, 굽힘 저항력은 기판 1보다 향상되고 있지만, 열전도성이 저하되어 발열부 온도가 상승하고 있다. 이 결과, 레이저 출력의 저하를 알 수 있었다.

다음으로, 기판 4 내지 6은, 단결정과 다결정막의 두께 (비율)를 변경한 것 이고, 그 성능을 비교한 것이다. 이미 진술한 바와 같이, 다이아몬드 복합 기판의 인성과 열전도성은 상반되는 관계에 있고, 표 4로부터도 그것이 명확하게 되었다. 즉, 기판 5 및 6은 굽힘 저항력 또는 레이저 출력 (발열부 온도)의 악화가 현저해지고, 다이아몬드 기판의 우위성이 저하된다는 것을 알 수 있었다. 또한, 기판 7 및 8은 기판 두께를 변경하였을 때의 성능 변화를 비교하였다.

기판 7은 단결정, 다결정막 모두 바람직한 값보다는 얇고, 이 결과, 양호한 방열성은 얻어지지만, 굽힘 저항력이 저하되어 고인성이 필요해지는 용도로는 사용할 수 없다. 반대로, 기판 8은 단결정, 다결정막 모두 바람직한 값보다 두꺼워, 굽힘 저항력은 발휘되지만, 열저항이 증대한다. 또한, 필요 이상으로 두껍기 때문에 제조 비용이 증가한다는 결점도 있다. 마지막으로 기판 9는 단결정의 주면이 {100}으로부터 5 도 이상 어긋난 경우의 영향을 조사하였다. 이 때, 기판 1에 비하여 약간 굽힘 저항력이 저하되었으나, 열전도성을 포함하여 문제없는 값이었다. 그러나, 별도로 행한 연마 가공 시험에 있어서, 단결정면의 연마 속도가 기판 1의 2/3까지 저하되어 가공성의 관점에서 문제가 있었다.

이상과 같이, 기판 1로 대표되는 다이아몬드 단결정ㆍ다결정막 복합 기판은 고인성과 고열전도성을 겸비한 방열 기판으로서 유용한 것으로 나타났다.

<실시예 2>

본 실시예에서는, 복수개의 면방위를 갖는 다이아몬드 단결정체 상에 다이아몬드 다결정막을 적층하고 이들을 일체로 접합한 예와, 또한 그 후 단결정면에 다이아몬드 단결정을 기상 성장한 예에 대해서 설명한다.

우선, 고온 고압 합성법으로 얻어진 Ib형 다이아몬드 단결정체를 16 매 준비하였다. 단결정체의 크기는 종횡 4 mm, 두께 0.5 mm이고 주면은 연마가 끝난다. 주면ㆍ측면의 면방위는 모두 {100}이고, 주면의 면방위의 어긋남을 표시하는 α는 2 도 이내였다. 이들을, 도 3에 나타낸 바와 같이 측면이 일치하도록 기판 홀더 상에 배치하였다. 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위 어긋남 (도 3에 있어서의 β, 도 3의 아래 도면은 도 3의 위 도면의 원으로 둘러싼 부분을 위에서 본 도면이다)은 인접하는 모든 단결정체 각각에 있어서 1 도 이내였다. 또한, 판 두께의 차는 최대 10 ㎛이고, 단결정체 사이의 최대의 간극은 90 ㎛였다.

이들 복수개의 단결정체로 이루어지는 다이아몬드 단결정 기판 (1) 상에, 마이크로파 플라즈마 CVD법에 의해, 실시예 1의 표 1과 동일 조건으로 다이아몬드 다결정막 (4)를 막 형성하였다. 막 형성의 결과, 도 4에 나타낸 바와 같은, 다결정층 (4)의 두께가 0.5 mm이고, 16 매의 단결정이 다결정막에 의해 일체로 접합된, 다이아몬드 복합 기판 (2) (이것을 기판 10이라 한다)가 얻어졌다.

이 후, 이 기판 10의 다결정면을 연마하고, 표면 거칠기가 Rmax에서 0.09㎛가 될 때까지 평활화하였다. 그리고, 단결정면에 공지된 마이크로파 플라즈마 CVD법으로 단결정을 기상 성장시켰다. 성장 조건을 표 5에 나타내었다.

단결정 성장 조건
마이크로파 주파수	2.45 GHz
마이크로파 전력	5 kW
챔버내 압력	1.33×10⁴ Pa
H₂ 가스 유량	100 sccm
CH₄ 가스 유량	5 sccm
기판 온도	900 ℃
성장 시간	100 시간

개별의 단결정체로부터 성장한 기상 단결정막은 성장 후에는 0.5 mm 두께가 되고, 각각이 일체로 접합되어 한매의 대형 단결정 기판이 되었다 (도 5). 그 후, 다결정막 및 복수매로 이루어지는 단결정 기판 부분을 연마에 의해 제거하면, 16 mm²로 0.5 mm 두께의 대형 기상 합성 다이아몬드 단결정이 얻어졌다.

기판 10 외에, 복합 기판의 시료로서, 단결정체의 면방위의 어긋남 α, β를 변화시킨 것, 단결정체, 다결정막의 두께를 변화시킨 것, 단결정체 사이의 판 두께의 차를 변화시킨 것, 단결정체 사이의 간격을 변화시킨 것, 그리고 다결정막면의 표면 거칠기 (연마 유무)를 변화시킨 것을 제조하였다 (기판 11 내지 20). 표 6에 이러한 제조 조건을 통합하였다.

복합 기판 11 내지 20은, 그 단결정면에 기판 10과 동일한 조건으로 기상 합성 다이아몬드 단결정을 제조하였다. 기판 11 및 12는 상이한 단결정체의 면방위 어긋남이 크고, 기상 단결정의 접속 계면에서 이상 성장이 다발하여, 완전히 일체가 되는 단결정 성장을 실현할 수 없었다.

다음으로, 기판 13은 단결정체의 두께가 얇기 때문에, 초기의 다결정층을 막 형성한 시점에서 접합된 복합 기판이 휘는 현상이 확인되었다. 이 때문에, 그 후의 단결정 기상 성장에 있어서도 일체가 되는 기상 성장을 실현할 수 없었다.

기판 14는 다결정층이 얇고, 다결정층의 연마의 시점에서 균열이 발생하였다. 또한 동등한 기판으로 다결정층의 연마를 실시하지 않고 단결정을 기상 성장시키면, 응력 집중으로 인해 기상 단결정이 균열되는 현상이 확인되었다.

다음으로, 단결정체의 판 두께 차가 큰 기판 15는 다결정층 막 형성의 시점에서도 다결정층측에 단차가 존재하였다. 이 때문에, 다결정면의 연마가 공시에 응력 집중으로 인해 균열이 발생하였다. 또한, 동등한 기판으로 연마를 행하지 않고 기판을 반전하여, 단결정면에 단결정 기상 성장하면, 단차에 의한 온도 분포로 인해 일체의 기상 성장은 할 수 없었다.

기판 사이 간격이 약간 큰 기판 16은 기판 10과 동일한 다이아몬드 복합 기판으로 할 수 있었다. 또한, 기판 16의 단결정체로부터 단결정을 기상 성장하면, 간격이 커진 만큼 기판 10의 경우보다 대형화되고, 16.5 mm²로 0.5 mm 두께의 대형 기상 합성 다이아몬드 단결정이 얻어졌다.

또한, 기판 사이 간격이 큰 기판 17은, 다결정층의 연마시에 계면에서의 응력 집중에 의해 일부에 균열이 발생했지만, 분해되지 않고 연마할 수 있었다. 또한, 보다 간격이 큰 기판 18은 다결정층의 연마시에 균열되고 분해되어 연마할 수 없었다. 또한, 기판 18과 동등한 기판으로 연마를 행하지 않고 단결정면에 단결정 기상 성장시키면, 단결정 기판 사이의 간극에서 이상 성장이 발생하여, 전면 일체가 되는 단결정 기상 성장은 실현할 수 없었다.

마지막으로, 다결정면의 연마를 행하지 않은 기판 19 및 다결정면이 거친 기판 20은, 단결정 기상 성장시에 단결정체마다 온도 분포가 있어, 전면 일체의 기상 성장을 할 수가 없었다.

이상과 같이, 기판 10으로 대표되는 것과 같은 방법으로 제조한 다이아몬드 복합 기판은, 대면적으로 결정성이 양호한 다이아몬드 단결정 기판을 얻기 위한 종 기판으로서 유용한 것으로 나타났다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 다이아몬드 복합 기판 및 그의 제조 방법을 사용하면, 고열전도, 고인성을 겸비한 방열 기판이나, 고품질, 대면적의 다이아몬드 단결정 기판으로서 반도체 재료, 전자 부품, 광학 부품 등에 사용 가능하다.

Claims

다이아몬드 단결정 기판과, 그 위에 기상 합성법에 의해서 적층된 다이아몬드 다결정막으로 구성되는 다이아몬드 복합 기판.
제1항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 가장 면적이 큰 주면의 면방위와 {100}면의 면방위의 차가 5 도 이내이고, 이 주면에 평행한 대면에 상기 다이아몬드 다결정막이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제2항에 있어서, 상기 주면이 {100}면인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께인, 주면 사이의 거리가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판 상에 적층되는 다이아몬드 다결정막의 두께가 O.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율이 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정 기판이, 가장 면적이 큰 주면의 면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체로 구성되고, 이 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성법에 의해서 형성된 다이아몬드 다결정막에 의해서 이들 복수개의 다이아몬드 단결정체가 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제7항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 차가 2 도 이내이고, 또한 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제8항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위가 {100}인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제7항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 판 두께의 차가 1O ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제7항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극이 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
각 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 차가 2 도 이내이고, 또한 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 복수개의 다이아몬드 단결정체로 다이아몬드 단결정 기판이 구성되고, 이 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 주면에 평행한 대면 상에 기상 합성법에 의해서 형성된 다이아몬드 다결정막에 의해서 각 다이아몬드 단결정체가 접합되어 있고, 또한 이 주면은 다이아몬드 단결정 기판을 종 결정으로 하여 성장한 기상 합성 다이아몬드 단결정으로 전면 일체화되어 이루어지는 다이아몬드 복합 기판.
제12항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 주면의 면방위가 {100}인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정 기판의 판 두께인, 주면 사이의 거리가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아 몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께가 O.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율이 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극이 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 판 두께의 차가 10 ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다이아몬드 다결정막의 표면이 연마되어 있는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 다이아몬드 다결정막의 표면 거칠기가 Rmax에서 0.1 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판.
면방위를 갖는 복수개의 다이아몬드 단결정체를 나열하여 배치하고, 기상 합성법에 의해 이 단결정체 상에 다이아몬드 다결정막을 기상 합성하고, 다이아몬드 다결정막에 의해 복수개의 다이아몬드 단결정체를 접합하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 가장 면적이 큰 주면에 수직인 축에 대한 회전 방향의 방위의 어긋남이 2 도 이내이고, 또한 각각의 주면의 면방위와 {100}면의 면방위와의 차가 5 도 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제22항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체를 구성하는 면에서의 가장 면적이 큰 주면이 {100}면인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체 상에 기상 합성되는 다이아몬드 다결정막의 두께가 0.1 mm 이상 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이아몬드 단결정체의 판 두께와 다이아몬드 다결정막의 두께의 비율이 1:1 내지 1:4의 범위인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체의 각각의 판 두께의 차가 10 ㎛ 이내인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수개의 다이아몬드 단결정체 사이에 생기는 간극이 500 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드 복합 기판의 제조 방법.