KR20230123516A - 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판및 다이아몬드 결정의 제조 방법 - Google Patents

다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판및 다이아몬드 결정의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230123516A
KR20230123516A KR1020237025214A KR20237025214A KR20230123516A KR 20230123516 A KR20230123516 A KR 20230123516A KR 1020237025214 A KR1020237025214 A KR 1020237025214A KR 20237025214 A KR20237025214 A KR 20237025214A KR 20230123516 A KR20230123516 A KR 20230123516A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
angle
crystal
metal
diamond
Prior art date
Application number
KR1020237025214A
Other languages
English (en)
Inventor
김성우
코지 코야마
Original Assignee
오브레이 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오브레이 가부시키가이샤 filed Critical 오브레이 가부시키가이샤
Publication of KR20230123516A publication Critical patent/KR20230123516A/ko

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/25—Diamond
    • C01B32/26—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/04—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/16—Oxides
    • C30B29/20—Aluminium oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02109—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates
    • H01L21/02112—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer
    • H01L21/02115—Forming insulating materials on a substrate characterised by the type of layer, e.g. type of material, porous/non-porous, pre-cursors, mixtures or laminates characterised by the material of the layer the material being carbon, e.g. alpha-C, diamond or hydrogen doped carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
    • H01L21/02293—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process formation of epitaxial layers by a deposition process
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/0242—Crystalline insulating materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02425—Conductive materials, e.g. metallic silicides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/02428—Structure
    • H01L21/0243—Surface structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/02433—Crystal orientation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
    • H01L21/02439—Materials
    • H01L21/02491—Conductive materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02524—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02527—Carbon, e.g. diamond-like carbon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02656—Special treatments
    • H01L21/02658—Pretreatments

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

적어도 금속제 표면을 갖고, 상기 금속제 표면은 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 면이고, 그리고 상기 금속제 표면에 있어서의 X선 로킹 커브 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭이 300초 이하인 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판 및 상기 기판의 상기 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함하는 다이아몬드 결정의 제조 방법이 제공된다.

Description

다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판 및 다이아몬드 결정의 제조 방법
본 발명은, 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판 및 다이아몬드 결정의 제조 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는 궁극의 반도체 기판으로서 기대되고 있다(예를 들어 특허문헌 1 및 비특허문헌 1 참조). 그 이유는, 다이아몬드가 고열전도율, 높은 전자이동도 또는 정공이동도, 높은 절연 파괴 전계강도, 저유전손실, 그리고 넓은 밴드갭이라고 하는, 반도체 재료로서 다른 유래가 없는, 우수한 특성을 많이 구비하고 있기 때문이다.
JP 4769428 B
A. Samoto et al., Investigation of heterostructure between diamond and iridium on sapphire, Diamond & Related Materials 17(2008) 1039-1044
다이아몬드를 성장시키는 방법으로서, 다이아몬드와는 다른 재료로 구성되는 성장용 기판의 표면 상에, 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장(즉, 헤테로에피택셜 성장)시키는 방법이 있다. 일례로서는, 특허문헌 1 및 비특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 이리듐(Ir)층의 표면에 헤테로에피택셜 성장법에 의해 다이아몬드 결정을 형성하는 방법을 들 수 있다. 그러나, 본 발명자의 검토에 따르면, 특허문헌 1에 기재된 방법 및 비특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 고품질의 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것은 곤란한 것으로 여겨진다.
이상을 감안하여, 본 발명은, 고품질의 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 새로운 수단을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 거듭한 결과,
적어도 금속제 표면을 갖고,
상기 금속제 표면은 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 면이고, 그리고,
상기 금속제 표면에 있어서의 X선 로킹 커브(rocking curve) 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭이 300초 이하인, 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판(이하, "결정 성장용 기판" 또는 단지 "기판"이라고도 기재함)
에 의해서, 고품질의 다이아몬드 결정을 얻는 것이 가능하게 되는 것을 새롭게 발견하였다.
본 발명의 일 양상에 따른 상기 결정 성장용 기판에 따르면, 상기 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것에 의해서, 고품질의 다이아몬드 결정을 얻을 수 있다.
이 점에 대해서, 본 발명자는 이하와 같이 추측하고 있다.
특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 표면이 (100)면인 저스트(JUST) 기판인 단결정 산화마그네슘(MgO) 기판의 표면에, 그 표면이 (100)면이 되도록 Ir층이 형성되어 있다. 특허문헌 1에는, 그 Ir층의 표면에 이온 조사층을 형성하고, 그 이온 조사층의 표면에 다이아몬드막을 헤테로에피택셜 성장시키는 방법이 개시되어 있다. 또, 저스트 기판이란, 베이스 기판의 표면을 소망의 결정면으로부터 경사각도 0°인 저스트 면으로 한 기판이고, 특허문헌 1에서는 (100)면을 표면으로 하고 있다.
그러나, 특허문헌 1에 기재된 방법에 의한 헤테로에피택셜 성장에서는, 이온 조사층 상에 다이아몬드 결정을 헤테로에피택셜 성장시킬 때의 초기 공정으로, 다이아몬드 결정핵끼리 융합될 때에 결정 결함이 발생하고, 결정성이 저하되어 버리는 것으로 여겨진다. 베이스 기판에 저스트 기판을 이용한 경우, 다이아몬드 결정이 섬 형상으로 3차원적으로 성장하는 Volmer-Weber 모드로 진행한다. 따라서, 성장 플로우 방향이 일 방향으로 정해지지 않고, 다이아몬드 결정 알맹이끼리 여기저기서 융합되어, 대량으로 발생하는 융합부(계면)에서 결정 결함이 형성되므로 결정성이 저하되는 것으로 추측된다.
게다가, 저스트 기판 상에 다이아몬드 결정을 형성하면, 나선 형상으로 다이아몬드 결정이 성장해서 결정 결함이 형성되는 것을 본 발명자는 확인하였다.
이에 대하여, 상기 결정 성장용 기판에서는, 그 위에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 금속층의 표면이, 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는다. 이 점이, 상기 결정 성장용 기판에 의해 고품질의 다이아몬드 결정을 얻는 것이 가능하게 되는 것에 기여할 수 있다.
한편, 비특허문헌 1에는, 오프각도를 갖는 사파이어 기판 상에 형성한 Ir층의 표면에 다이아몬드막을 에피택셜 성장시키는 것을 시도했지만, 에피택셜 영역은 극히 작고, XRD 스펙트럼을 측정한 결과, 다이아몬드가 에피택셜 성장하고 있지 않은 것이 확인되었다고 결론지어져 있다(비특허문헌 1의 1043페이지 좌측란 참조). 이 점에 대해서, 본 발명자는, 비특허문헌 1에서 사파이어 기판 상에 형성된 Ir층의 막품질이 낮은 것이, 상기 결과를 초래한 이유라고 추측하고, 더욱 예의검토를 거듭하였다. 그 결과, 그 위에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 표면으로서, 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 동시에, X선 로킹 커브 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭이 300초 이하인 막품질을 갖는 금속제 표면을 구비한 상기 결정 성장용 기판에 따르면, 고품질의 다이아몬드 결정을 얻는 것이 가능하게 되는 것을 새롭게 찾아내기에 이르렀다.
일 형태에서는, 상기 오프각도 φ는 3° 이상 18° 이하일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 금속은, 제8족 원소, 제9족 원소 및 제10족 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속일 수 있고, 그리고 상기 금속제 표면은, (100)면에 대하여 <100> 축방향 또는 <110> 축방향으로 상기 오프각도 φ를 갖는 면일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 기판은 베이스 기판 상에 금속층을 갖고, 그리고 상기 금속제 표면은 상기 금속층의 표면일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판, Si 기판, SrTiO3 기판 또는 YSZ 기판일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 베이스 기판의 상기 금속층을 갖는 표면은 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 베이스 기판은 사파이어 기판일 수 있고, 상기 사파이어 기판의 상기 금속층을 갖는 표면은, A면에 대하여 m축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면, R면에 대하여 [-1101]축 혹은 a축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면, 또는 M면에 대하여 a축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 오프각도 θ는 3° 이상 20° 이하일 수 있다.
일 형태에서는, 상기 오프각도 θ에 대하여 φ = (0.89∼0.9)×θ+T(T: θ=0°에 대한 φ값 또는 θ=0°설정 시의 공차각도값)가 성립될 수 있다.
일 형태에서는, 상기 기판은, 상기 금속제 표면에 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스(terrace)를 가질 수 있다.
본 발명의 일 양상은, 상기 기판의 상기 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함하는, 다이아몬드 결정의 제조 방법에 관한 것이다.
일 형태에서는, 상기 기판은 상기 금속제 표면에 스텝 및 테라스를 복수개 가질 수 있고, 그리고 상기 제조 방법은, 상기 스텝을 결정 격자 배열의 에피택셜 성장의 개시 개소로 해서, 상기 테라스의 면방향으로 상기 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판으로서, 고품질의 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것이 가능한 기판을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양상에 따르면, 상기 기판을 이용해서 고품질의 다이아몬드 결정을 제조하는 것이 가능한 다이아몬드 결정의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1(a)는 결정 성장용 기판의 일 형태(금속제 벌크(bulk) 기판)를 나타내는 사시도이다.
도 1(b)는 결정 성장용 기판의 일 형태(베이스 기판과 금속층을 갖는 기판)를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1(a)에 나타낸 결정 성장용 기판의 표면에, 스텝 형상으로 이어져서 형성된 테라스를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 1(b)에 나타낸 결정 성장용 단결정 기판의 표면에, 스텝 형상으로 이어져서 형성된 테라스를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 2의 측면도이다.
도 5는 도 3의 측면도이다.
도 6은 도 2에 나타낸 각 스텝으로부터, 다이아몬드 결정이 스텝 플로우 성장하는 상태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 3에 나타낸 각 스텝으로부터, 다이아몬드 결정이 스텝 플로우 성장하는 상태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 실시예 및 비교예의 결정 성장용 기판의 금속제 표면에 있어서 측정된 표면 조도 Ra의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 및 비교예의 결정 성장용 기판의 금속제 표면에 있어서 측정된 반치전폭(FWHM)을 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 및 비교예의 결정 성장용 기판의 금속제 표면에 에피택셜 성장시켜서 형성된 다이아몬드 결정의 표면에 있어서 측정된 반치전폭(FWHM)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 실시예 및 비교예의 결정 성장용 기판의 금속제 표면에 에피택셜 성장시켜서 형성된 다이아몬드 결정의 표면에 있어서 측정된 반치전폭(FWHM)을 나타내는 그래프이다.
도 12는 실시예 및 비교예의 결정 성장용 기판의 금속제 표면에 있어서의 다이아몬드 결정의 에피택셜 성장의 성장 속도를 나타내는 그래프이다.
[결정 성장용 기판]
본 발명의 일 양상에 따른 결정 성장용 기판은, 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판이고, 적어도 금속제 표면을 갖고, 상기 금속제 표면은 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 면이며, 그리고 상기 금속제 표면에 있어서의 X선 로킹 커브 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭은 300초 이하이다.
이하, 상기 결정 성장용 기판에 대해서, 더욱 상세히 설명한다. 이하에서는, 도면을 참조해서 설명할 경우가 있다. 단, 본 발명은 도면에 나타낸 형태로 한정되는 것은 아니다.
상기 기판은, 적어도 금속제 표면을 갖는다. 이러한 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장, 즉, 헤테로에피택셜 성장시킬 수 있다.
일 형태에서는, 상기 기판은, 금속제 기판(금속제 벌크 기판)이며, 이 금속제 기판의 표면이 상기 금속제 표면일 수 있다. 도 1(a)에, 이러한 형태의 기판의 일례(사시도)를 나타낸다. 도 1(a)에 나타낸 기판(1)의 표면(1a)이 상기 금속제 표면이다. 표면(1a)은 기판(1)의 주면을 형성하고 있는 면이다.
다른 일 형태에서는, 상기 기판은, 베이스 기판 상에 금속층을 갖는 기판이고, 이 금속층의 표면이 상기 금속제 표면일 수 있다. 도 1(b)에, 이러한 형태의 기판의 일례(사시도)를 나타낸다. 도 1(b)에 나타낸 기판(2)은, 베이스 기판(3)의 표면(3a) 상에 금속층(4)을 갖는다. 금속층(4)은 베이스 기판(3)의 표면(3a) 상에 직접 적층되어 있다. 이 금속층(4)의 표면(2a)이 상기 금속제 표면이다. 표면(2a)은 기판(2)의 주면을 형성하고 있는 면이다. 베이스 기판 상에 금속층을 갖는 기판은, 금속제 벌크 기판과 비교해서 금속의 사용량을 억제할 수 있으므로, 제조 비용을 억제할 수 있다. 이 점은, 결정 성장용 기판으로서 대형 기판을 저렴하게 제조하는 관점에서 바람직하다. 또, 도 1(b)에서는, 도면을 이해하기 쉽게 하는 것을 우선하기 위하여, 베이스 기판(3)의 두께와 금속층(4)의 두께의 실제의 비율은 무시하고 있다.
상기 금속은, 제8족 원소, 제9족 원소 및 제10족 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 1종 또는 이들의 2종 이상의 합금일 수 있고, 상기의 군으로부터 선택되는 금속의 1종인 것이 바람직하다. 이들 금속 중에서, 기판의 제조 비용의 저감의 관점에서 바람직한 금속으로서는, 이리듐(Ir), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 등을 들 수 있다.
베이스 기판 상에 금속층을 갖는 기판에 대해서, 베이스 기판은, 저렴하고 대형의 베이스 기판이 얻어지는 관점에서, 사파이어 기판, Si 기판, SrTiO3 기판 또는 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 기판 중 어느 것인가인 것이 바람직하다. 화학적 안정성의 관점 및 후술하는 것 같이 연마에 의해서 오프각도 θ를 설정할 때의 용이성의 관점에서는, 베이스 기판으로서는 사파이어 기판이 바람직하다.
상기 어느 쪽의 형태에 있어서도, 결정 성장용 기판에 있어서, 상기 금속제 표면은, 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 면이다. 이러한 면은, 일반적으로 "오프면"이라고 불린다. 오프면은, 소망의 결정면 방위를 갖는 저스트면으로부터, 오프각도(경사각도) φ(단, φ는 0°를 포함하지 않음)를 갖는 경사면이다.
상기 금속제 표면(오프면)은, 스텝 및 테라스를 복수개 가질 수 있고, 상세하게는, 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스를 가질 수 있다.
도 2는, 도 1(a)에 나타낸 기판(1)의 표면(1a)에, 스텝 형상으로 이어져서 형성된 테라스를 모식적으로 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 2의 측면도이다.
도 3은, 도 1(b)에 나타낸 기판(2)의 표면(2a)에, 스텝 형상으로 이어져서 형성된 테라스를 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 5는 도 3의 측면도이다.
표면(1a) 및 (2a)은, 상기 각 도면에 나타나 있는 바와 같이, 복수의 테라스(6)와 스텝(5)이 형성되어서 오프각도 φ를 갖고 있다.
각 테라스(6)는, 상기 금속의 원소가 원자 수준 평탄하고 스텝 형상으로 이어져서 형성되어 있다. 자발적으로 계단 형상의 테라스(6)가 나타나므로, 금속 원소의 원자가 깔끔하게 배열되어 있는 것이 시사된다. 또, 스텝 높이 H의 원자 수준은 표면(1a 또는 2a)을 형성하는 금속 원소의 원자 1개분의 싱글 스텝이거나, 또는 원자 2개 이상의 멀티 스텝이다. 또한, 테라스 폭 W와 스텝 높이 H는, 오프각도 φ에 따라서 결정된다.
도 6은, 도 2에 나타낸 각 스텝으로부터, 다이아몬드 결정이 스텝 플로우 성장하는 상태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은, 도 3에 나타낸 각 스텝으로부터, 다이아몬드 결정이 스텝 플로우 성장하는 상태를 모식적으로 나타내는 사시도이다.
표면(1a 또는 2a)을 피성장면으로 하는 다이아몬드 결정의 제조에 있어서, 스텝(5)은, 다이아몬드 결정의 결정 격자 배열이 에피택셜 성장할 때의 개시 개소가 될 수 있다. 따라서, 2차원적으로 다이아몬드 결정의 성장 진행 방향을, 도 6 또는 도 7 중의 화살표(스텝(5)을 시점으로 하는 각 화살표)로 나타낸 바와 같이, 테라스(6)의 면방향과 일치할 수 있다. 이와 같이 다이아몬드 결정의 성장 진행 방향이 일 방향으로 일치하는 결정 성장을, 스텝 플로우 성장이라 한다. 표면(1a 또는 2a) 상에서의 다이아몬드 결정의 성장 플로우 방향이 일 방향으로 정해져 스텝 플로우 성장이 촉진되는 것에 의해서, 다이아몬드 결정의 방향 정합도의 향상이 가능하게 되고, 그 결과, 다이아몬드 결정류끼리의 융합 시에 있어서의 계면에서의 결정 결함의 형성을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 다이아몬드 결정의 결정성 저하의 억제가 가능해진다. 또한, 성장 플로우 방향이 일 방향으로 정해지는 것에 의해, 다이아몬드 결정의 나선 형상의 성장이 억제되므로, 결정 결함의 형성이 억제된다. 이것에 의해서도, 다이아몬드 결정의 결정성 저하의 억제가 가능해진다.
오프각도 φ는 0° 초과의 범위에서 임의로 설정 가능하다. 앞서 상세히 기술한 바와 같이, 상기 결정 성장용 기판에 있어서, 그 위에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 금속제 표면이 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 것이, 상기 결정 성장용 기판에 의해서 고품질의 다이아몬드 결정을 얻는 것이 가능하게 되는 것에 기여할 수 있다. 오프각도 φ는, 바람직하게는 3° 이상 29° 이하이며, 보다 바람직하게는 3° 이상 18° 이하이며, 더욱 바람직하게는 3° 이상 15° 이하이며, 더욱더 바람직하게는 3° 이상 10° 이하이다. 상기 범위의 오프각도 φ를 갖도록 금속제 표면을 형성하는 것은, 금속제 표면의 막품질 향상에 기여할 수 있다. 또한, 오프각도 φ를 상기 범위로 설정함으로써, 상기 금속제 표면 조도를 저감할 수 있고, 예를 들면 표면 조도 Ra를 3.5㎚ 미만으로 억제 가능해진다. 표면 조도 Ra는, 예를 들면 0.5㎚ 이상일 수 있고, 이것을 밑돌 수도 있다. 표면 조도 Ra는 공지의 표면 조도 측정기에 의해서 측정할 수 있다. 또한, 상기 금속제 표면의 오프각도 φ가 상기 범위인 것으로, 그 위에 에피택셜 성장시키는 다이아몬드 결정의 성장 속도를 보다 빠르게 하는 것이 가능해지고, 예를 들면 18㎛/h 이상의 성장 속도를 실현하는 것이 가능해진다.
상기 결정 성장용 기판의 상기 금속제 표면은, 다이아몬드 결정이 헤테로에피택셜 성장되는 피성장면이 된다. 다이아몬드 결정의 결정 성장 방향의 제어의 용이성의 관점 및 다이아몬드 결정의 헤테로에피택셜 성장 용도에 있어서의 피성장면의 막품질(예를 들면 결정성)과 표면 조도의 최적화의 관점에서, 상기 금속제 표면은, (100)면에 대하여 <100> 축방향 또는 <110> 축방향으로 상기 오프각도 φ를 갖는 면(경사면)인 것이 바람직하다.
도 3에 나타낸 베이스 기판(3)의 표면(3a)에는, 오프각도 θ(단, θ는 0°를 포함하지 않음)가 형성되어 있다. 베이스 기판(3)이 사파이어 기판인 경우, 그 위에 금속층(4)을 갖는 표면(3a)은, A면에 대하여 m축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면(경사면), R면에 대하여 [-1101]축 혹은 a축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면(경사면), 또는 M면에 대하여 a축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면(경사면)인 것이 바람직하다. 베이스 기판(3)을 사파이어제로 하고, 더욱 표면(3a)의 결정면 방위와 경사 축방향을 상기 어느 것인가로 설정하는 것은, 다이아몬드 결정의 에피택셜 성장 용도에 있어서의 결정면 방위와 경사 축방향을 최적화함으로써 다이아몬드 결정의 성장 방향의 제어를 가능하게 하는 관점에서 바람직하다.
오프각도 θ는, 3° 이상 29° 이하인 것이 바람직하고, 3° 이상 20° 이하인 것이 보다 바람직하고, 3° 이상 15° 이하인 것이 더욱 바람직하고, 3° 이상 10° 이하인 것이 더욱더 바람직하다. 그 이유는, θ를 상기 범위로 설정하는 것에 의해, 표면(2a)에 에피택셜 성장되는 다이아몬드 결정의 결정성의 더한층의 개선이 가능해지기 때문이다.
상기 결정 성장용 기판에 있어서, 상기 금속제 표면에 있어서의 X선 로킹 커브 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)은, 300초 이하이다. 그 위에 다이아몬드 결정이 에피택셜 성장되는 피성장면이 상기 막품질을 갖는 것이, 이러한 피성장면 상에 형성되는 다이아몬드 결정의 결정 품질 향상에 기여할 수 있는 것이, 본 발명자에 의한 예의검토의 결과, 새롭게 발견되었다. 상기 FWHM은, 예를 들면 100초 이상 또는 150초 이상일 수 있지만, 값이 작을수록 막품질이 높고 바람직하기 때문에, 여기에 예시한 값을 밑돌 수도 있다. 또, FWHM의 단위에 대해서, "초"는, 일반적으로 "arcsec"로도 표기된다.
상기 결정 성장용 기판에 따르면, 상기 금속제 표면을 피성장면으로 함으로써, 고품질의 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것이 가능하게 된다. 이러한 다이아몬드 결정의 결정 품질에 대해서는, 예를 들어, X선 로킹 커브 측정에 있어서, 다이아몬드(004)면으로부터의 회절 피크의 반치전폭(Full Width at Half Maximum: FWHM)이, 예를 들면 220초 이하일 수 있고, 그리고/또는 다이아몬드(311)면으로부터의 회절 피크의 반치전폭(FWHM)이, 예를 들면 600초 이하일 수 있다.
이하에, 상기 결정 성장용 기판의 제조 방법의 일례를 설명한다.
도 1에 나타낸 기판(1)(금속제 벌크 기판)은, 예를 들어 이하의 방법에 의해 제조할 수 있다.
우선, 금속제 기판을 준비한다. 이 기판을 구성하는 금속으로서는, 제8족 원소, 제9족 원소 및 제10족 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 1종 또는 이들의 2종 이상의 합금을 들 수 있고, 상세는 앞서 기재한 바와 같다.
다음에, 상기 금속제 기판의 표면에, 상기 오프각도 φ를 형성한다. 오프각도 φ의 형성 방법으로서는, 슬러리를 이용한 유리 지립(砥粒) 연마를 들 수 있다. 슬러리로서는, 예를 들면 다이아몬드 지립을 포함하는 슬러리를 들 수 있다. 연마반으로서는, 시판의 연마반을 이용할 수 있다. 슬러리 및 연마반을 이용해서, 예를 들면 (100)면의 결정면으로부터 0° 초과의 오프각도 φ가 되도록, 상기 금속제 기판을 연마 지그로 유지하고, 이 금속제 기판의 표면에 연마반을 꽉 눌러서 연마를 시행한다. 오프각도 φ의 경사 축방향은, 표면의 면방위가 (100)면인 경우에는, 예를 들면 (100)면으로부터 <100> 축방향 또는 <110>으로의 경사로 설정할 수 있다. 오프각도 φ에 대해서는, 앞서 기재한 바와 같다.
도 2에 나타낸 기판(2)(베이스 기판(3) 상에 금속층(4)을 갖는 기판)은, 예를 들어 이하의 방법에 의해서 제조할 수 있다. 또, 상기 기판(1)의 제조와 중복되는 제조 공정은, 설명을 생략 또는 간략화해서 기재한다.
기판(2)의 제조에 있어서는, 금속제 표면을 구비하는 기판(2)을 제작하는 전공정으로서, 베이스 기판(3)을 준비한다. 베이스 기판(3)은, 예를 들어, 최초에 베이스 기판(3)의 모재를 준비하고, 그 외형을 기판 형태로 성형함으로써 제작할 수 있다. 베이스 기판(3)의 모재는, 예를 들어, 사파이어, Si, SrTiO3 또는 YSZ 중 어느 것인가로 구성되는 벌크체의 모재일 수 있다.
베이스 기판(3)이 사파이어로 구성될 경우, 스텝 플로우 성장이 일어날 수 있는 경사면이라고 하는 관점으로부터, 베이스 기판(3)의 표면(3a)을, A면을 m축 혹은 c축방향으로 오프각도 θ가 형성된 경사면, R면을 [-1101]축 혹은 a축방향으로 오프각도 θ가 형성된 경사면, 또는 M면을 a축 혹은 c축방향으로 오프각도 θ가 형성된 경사면의 어느 쪽인가로 할 수 있다. 베이스 기판(3)의 오프각도 θ에 대해서는, 앞서 기재한 바와 같다. 오프각도 θ의 형성 방법으로서는, 슬러리를 이용한 유리 지립 연마를 들 수 있다. 이러한 연마에 대해서는, 앞서의 기재를 참조할 수 있다.
다음에, 표면(3a) 상에 금속층(4)을 형성한다. 금속층을 구성하는 금속으로서는, 제8족 원소, 제9족 원소 및 제10족 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속의 1종 또는 이들의 2종 이상의 합금을 들 수 있고, 상세는 앞서 기재한 바와 같다.
금속층(4)의 형성 방법으로서는, 상기 금속을 표적으로 한 마그네트론 스퍼터법을 들 수 있다. 마그네트론 스퍼터법은, 고주파(RF) 마그네트론 스퍼터법 또는 직류(DC) 마그네트론 스퍼터법일 수 있다. 형성하는 금속층의 막 두께는, 예를 들면 1.0㎛ 이상 2.0㎛ 이하로 하는 것이 가능하다. 이것에 대하여, 앞서 나타낸 비특허문헌 1에 있어서 사파이어 기판 상에 형성된 Ir층의 막 두께는 200㎚이다(동일 문헌의 Table 2 참조). 이와 같이 극박막의 금속층은 막품질이 낮은 것에 대해서, 예를 들면 상기 범위의 비교적 두꺼운 막으로 금속층을 형성하는 것은, 형성되는 금속층의 막품질 향상에 기여할 수 있다고 본 발명자는 추측하고 있다. 오프각도 θ를 갖는 표면(3a) 상에 성막형성되는 금속층(4)의 표면(2a)에는, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 그 후에 연마 처리를 행하는 것을 필요로 하지 않고, 오프각도 φ로, 스텝 형상으로 테라스(6)가 나타난다. 또한, 금속제 표면(2a)(즉, 금속층(4)의 표면)에 형성되는 오프각도 φ에 대해서, 베이스 기판(3)의 표면(3a)이 갖는 오프각도 θ에 대하여, φ = (0.89∼0.9)×θ+T의 1차 회귀식의 관계가 성립될 수 있다. T는 θ=0°에 대한 φ값 또는 θ=0°설정 시의 φ값의 공차각도값이다. 이와 같이, φ를 θ의 1차 회귀식으로 관련되게 할 수 있는 것은, θ값에 대한 φ값의 제어의 용이성의 관점에서 바람직하다. 또, 앞서 기재한 바와 같이, 오프각도 φ는 3° 이상 18° 이하인 것이 바람직하다. 오프각도 φ의 경사 축방향으로 대해서는, 표면(2a)의 면방위가 (100) 면인 경우에는, (100)면으로부터 <100> 축방향 또는 <110> 축방향으로의 경사로 설정할 수 있다.
[다이아몬드 결정의 제조 방법]
본 발명의 일 양상은, 상기 결정 성장용 기판의 상기 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함하는, 다이아몬드 결정의 제조 방법에 관한 것이다.
다이아몬드 결정은, 예를 들어, 상기 금속제 표면 상에, CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의해, 스텝 플로우 성장 조건으로 헤테로에피택셜 성장된다. CVD로서는, 기지의 방법이 적용 가능하며, 예를 들면 마이크로파 플라즈마 CVD, 직류 플라즈마 CVD, 핫 필라멘트 CVD 등을 들 수 있다.
상기 금속제 표면이, 앞서 기재한 바와 같이 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스를 가질 경우, 상기 에피택셜 성장에서는, 상기 스텝을 결정 격자 배열의 에피택셜 성장의 개시 개소로 해서, 상기 테라스의 면방향으로 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시킬 수 있다. 즉, 헤테로에피택셜 성장 시, 스텝(5)이 다이아몬드 결정이 에피택셜 성장될 때의 개시 개소가 된다. 이것에 의해, 2차원적으로 다이아몬드 결정의 성장 진행 방향을, 도 6 또는 도 7 중의 화살표(스텝(5)을 시점으로 하는 각 화살표)에 나타낸 바와 같이, 테라스(6)의 면방향과 일치시킬 수 있다. 또, 에피택셜 성장되는 다이아몬드 결정의 두께는, 스텝(5)이 매립되는 정도 이상으로 할 수 있다. 스텝(5)은, 다이아몬드 결정의 성장 진행 방향(도 6 또는 도 7 중, 스텝(5)을 시점으로 하는 각 화살표)에 대하여 수직이고, 그리고 서로의 스텝(5)이 평행하게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 그 이유는, 스텝 플로우 성장의 진행이 균일해지고, 결정 격자 배열도 균일화되어, 다이아몬드 결정의 결정성 저하가 억제되기 때문이다.
성장 형성되는 다이아몬드 결정은, 단결정 또는 다결정 중 어느 한쪽이며, 또 결정에는 불순물 및/또는 도펀트가 함유되어 있어도 된다. 또 다이아몬드 결정의 표면(표면(1a 또는 2a)과 대향하는 쪽과는 반대쪽의 표면)은, 범용성을 고려하면, (100) 또는 (110) 중 어느 한쪽의 결정면인 것이 바람직하다.
[실시예]
이하에 본 발명을 실시예에 의거해서 설명한다. 단, 본 발명은 실시예에 나타낸 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 앞서 기재한 실시형태와 중복되는 개소에 대해서는, 설명을 생략 또는 간략화해서 기재한다.
이하에 기재된 X선 로킹 커브 측정에 대해서는, 하기 측정 조건을 채용하였다.
관구: Cu
인가 전압: 45kV
인가 전류: 40mA
주사 속도: 0.61°/분
발산 슬릿폭: 1mm
산란 슬릿·수광 슬릿: 없음
모노크로메이터의 종류: Ge220 대칭 4결정
[실시예 1]
<결정 성장용 기판의 제작>
도 1(b), 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이 베이스 기판(3)과 금속층(4)으로 구성되는 결정 성장용 기판(2)을, 이하에 기재된 방법에 의해서 제작하였다.
사파이어제로, 표면(3a)으로서, A면에 대하여 c축방향으로 10°의 오프각도 θ로 형성된 경사면을 갖는 베이스 기판(3)을 제작하였다. 오프각도 θ는 슬러리를 이용한 유리 지립 연마에 의해 형성하였다.
상기 표면(3a) 상에, 이리듐(Ir)을 표적으로 한 마그네트론 스퍼터법에 의해, 1.0㎛ 이상 2.0㎛ 이하의 막 두께의 이리듐층을 성막하였다. 성막된 이리듐층(금속층)(4)의 표면(2a)은, 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스를 갖고, (100)면에 대하여 <110> 축방향으로 표 1에 기재된 오프각도 φ를 갖는 면이었다.
상기 표면(2a)에 대해서, X선 로킹 커브 측정에 의해서 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 구하였다.
<다이아몬드 결정의 에피택셜 성장>
상기에서 제작한 기판(2)의 표면(2a)에 직류 플라즈마 CVD에 의해 스텝 플로우 성장 조건에서 다이아몬드 결정을 헤테로에피택셜 성장시켰다. 헤테로에피택셜 성장시키는 다이아몬드 결정의 두께는, 스텝(5)이 매립되는 정도 이상으로 하였다. 직류 플라즈마 CVD에 의한 스텝 플로우 성장 조건으로서, 기판 온도는 1000℃로 하고, CVD로내압력은 100Torr로 하고, 수소 가스 유량은 475sccm, 메탄가스 유량은 25sccm으로 하였다.
이와 같이 해서 형성된 다이아몬드 결정의 표면(기판(2)의 표면(2a)과 대향하는 쪽과는 반대쪽의 표면, 즉, 다이아몬드 결정의 최표면)은 (100)면이었다.
[실시예 2 내지 8]
<결정 성장용 기판의 제작>
표 1에 나타낸 바와 같이 A면에 대한 경사 축방향 및/또는 오프각도 θ를 변경한 점 이외에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해서 결정 성장용 기판(2)을 제작하였다.
제작된 기판(2)에 있어서, 이리듐층의 표면(2a)은, 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스를 갖는, 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스를 갖고, (100)면에 대하여 <110> 축방향으로 표 1에 기재된 오프각도 φ를 갖는 면이었다.
제작된 각 기판(2)의 표면(2a)에 대해서, X선 로킹 커브 측정에 의해서 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 구하였다.
<다이아몬드 결정의 에피택셜 성장>
상기에서 제작한 기판(2)의 표면(2a)에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해서 다이아몬드 결정을 헤테로에피택셜 성장시켰다.
이와 같이 해서 형성된 다이아몬드 결정의 표면(기판(2)의 표면(2a)과 대향하는 쪽과는 반대쪽의 표면, 즉, 다이아몬드 결정의 최표면)은 (100)면이었다.
이상의 결과를 표 1에 나타낸다.
[비교예 1]
베이스 기판(3)으로서, 사파이어제로 A면 저스트 기판(θ=0°)의 베이스 기판을 이용한 점 이외에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해 결정 성장용 기판(2)을 제작하였다. 제작된 기판(2)에 있어서, 이리듐층의 표면(2a)은 저스트면 (φ =0°)이었다.
상기 표면(2a)에 대해서, X선 로킹 커브 측정에 의해서 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 구한 바, 약 400초였다.
상기에서 제작한 기판(2)의 표면(2a)에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해서 다이아몬드 결정을 헤테로에피택셜 성장시켰다.
[비교예 2]
이리듐층의 성막에 있어서, 성막하는 이리듐층의 막 두께를 먼저 나타낸 비특허문헌 1에 기재된 Ir층과 마찬가지로 200㎚로 한 점 이외에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해서 결정 성장용 기판(2)을 제작하였다.
제작된 기판(2)에 있어서, 이리듐층의 표면(2a)은, (100)면에 대하여 <110> 축방향으로 실시예 1와 마찬가지의 오프각도 φ를 갖는 면이었다.
상기 표면(2a)에 대해서, X선 로킹 커브 측정에 의해서 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 구한 바, 950초였다.
상기에서 제작한 기판(2)의 표면(2a)에, 실시예 1에 대해서 기재한 방법에 의해 다이아몬드 결정을 헤테로에피택셜 성장시키는 것을 시도했지만, 비특허문헌 1에 기재된 결과와 마찬가지로 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시킬 수는 없었다.
도 9에, 실시예 1 내지 8, 비교예 1 및 비교예 2의 기판 표면(2a)에 대해서 구해진 FWHM의 값을 정리해서 나타낸다. 도 9 중, "c축방향 오프"의 플롯은 실시예 1 내지 4의 측정 결과, "m축방향 오프"의 플롯은 실시예 5 내지 8의 측정 결과, "JUST"의 플롯은 비교예 1의 측정 결과, "Ir막 두께 200㎚"의 플롯은 비교예 2의 측정 결과를 나타낸다.
실시예 1 내지 8 및 비교예 1에 있어서 형성된 다이아몬드 결정의 결정성(결정 품질) 평가로서, 각각의 다이아몬드 결정에 대해서 X선 로킹 커브 측정을 행하였다. X선 로킹 커브 측정에서는, 다이아몬드(004)면으로부터의 X선 회절 피크를 구하였다. 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 대해서는, X선 로킹 커브 측정에서 있어서, 다이아몬드(311)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)도 구하였다. 얻어진 결과를 도 10 및 도 11에 나타낸다.
도 10은, 실시예 2 내지 8 및 비교예 1에 대해서 얻어진 다이아몬드(004)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을, 기판 표면(2a)에 대해서 상기에서 구해진 FWHM(도 10 중, "Ir막(002) FWHM")의 값에 대하여 플롯한 그래프이다.
도 11에, 실시예 1 내지 4 및 비교예 1에 대해서, 다이아몬드(004)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM) 및 다이아몬드(311)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 나타낸다.
도 10 및 도 11에 나타낸 결과로부터, 실시예의 결정 성장용 기판을 이용한 것에 의해서, 다이아몬드(004)면으로부터의 X선 회절 피크에 대해서는 220초 이하의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 나타내는 결정성을 갖는 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것이 가능했던 것을 확인할 수 있고, 다이아몬드(311)면으로부터의 X선 회절 피크에 대해서는 600초 이하의 X선 회절 피크의 반치전폭(FWHM)을 나타내는 결정성을 갖는 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것이 가능했던 것을 확인할 수 있다.
도 8에, 실시예 1 내지 8 및 비교예 1의 결정 성장용 기판의 표면(2a)에 대해서, 이하의 측정 조건에 의한 측정에 의해서 구해진 표면 조도 Ra를 나타낸다. 도 8 중, "c축방향"의 플롯은 실시예 1 내지 4의 측정 결과, "m축방향"의 플롯은 실시예 5 내지 8의 측정 결과, "JUST"의 플롯은 비교예 1의 측정 결과를 나타낸다.
측정 장치: 히다치하이테크사이언스 원자간력 현미경 L-trace
측정 영역: 5㎛×5㎛
주사 주파수: 0.6Hz
도 8에 나타낸 결과로부터, 실시예 1 내지 8의 결정 성장용 기판에 있어서, 다이아몬드 결정의 에피택셜 성장에 있어서 피성장면이 되는 표면(2a)은, 표면 조도 Ra가 3.5㎚ 미만이며 높은 평활성을 갖는 면인 것을 확인할 수 있다.
도 12에, 실시예 2 내지 4 및 비교예 1에 있어서의 다이아몬드 결정의 성장 속도를 나타낸다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 비교예 1(오프각도 0°)의 성장 속도가 14㎛/h이었던 것에 대해서, 실시예에 있어서는 18㎛/h 이상의 성장 속도로 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시킬 수 있었다.
1, 2: 결정 성장용 기판
1a, 2a: 금속제 표면
3: 베이스 기판
3a: 베이스 기판의 표면
4: 금속층
5: 스텝
6: 테라스
H: 스텝 높이
W: 테라스 폭
φ, θ: 오프각도

Claims (12)

  1. 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판으로서,
    적어도 금속제 표면을 갖고,
    상기 금속제 표면은, 0° 초과의 오프각도 φ를 갖는 면이고, 그리고,
    상기 금속제 표면에 있어서의 X선 로킹 커브 측정에 의한 (002)면으로부터의 X선 회절 피크의 반치전폭이 300초 이하인, 기판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오프각도 φ가 3° 이상 18° 이하인, 기판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속은 제8족 원소, 제9족 원소 및 제10족 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 그리고
    상기 금속제 표면은, (100)면에 대하여 <100> 축방향 또는 <110> 축방향으로 상기 오프각도 φ를 갖는 면인, 기판.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판은 베이스 기판 상에 금속층을 갖고, 그리고
    상기 금속제 표면은 상기 금속층의 표면인, 기판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 사파이어 기판, Si 기판, SrTiO3 기판 또는 YSZ 기판인, 기판.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 베이스 기판의 상기 금속층을 갖는 표면은 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면인, 기판.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 사파이어 기판이고,
    상기 사파이어 기판의 상기 금속층을 갖는 표면은,
    A면에 대하여 m축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면,
    R면에 대하여 [-1101]축 혹은 a축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면, 또는
    M면에 대하여 a축 혹은 c축방향으로 0° 초과의 오프각도 θ를 갖는 면
    인, 기판.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 오프각도 θ는, 3° 이상 20° 이하인, 기판.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오프각도 θ에 대하여 φ = (0.89∼0.9)×θ+T(T: θ=0°에 대한 φ값 또는 θ=0°설정 시의 공차각도값)가 성립되는, 기판.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속제 표면에 스텝 형상으로 이어진 복수의 테라스(terrace)를 갖는, 기판.
  11. 다이아몬드 결정의 제조 방법으로서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 기판의 상기 금속제 표면에 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함하는, 다이아몬드 결정의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은 상기 금속제 표면에 스텝 및 테라스를 복수개 갖고, 그리고
    상기 스텝을 결정 격자 배열의 에피택셜 성장의 개시 개소로 해서, 상기 테라스의 면방향으로 상기 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키는 것을 포함하는, 다이아몬드 결정의 제조 방법.
KR1020237025214A 2020-12-23 2021-12-23 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판및 다이아몬드 결정의 제조 방법 KR20230123516A (ko)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020213483 2020-12-23
JPJP-P-2020-213490 2020-12-23
JPJP-P-2020-213483 2020-12-23
JP2020213490 2020-12-23
JPJP-P-2021-147187 2021-09-09
JP2021147187 2021-09-09
PCT/JP2021/047757 WO2022138788A1 (ja) 2020-12-23 2021-12-23 ダイヤモンド結晶をエピタキシャル成長させるための基板およびダイヤモンド結晶の製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230123516A true KR20230123516A (ko) 2023-08-23

Family

ID=82159829

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237025214A KR20230123516A (ko) 2020-12-23 2021-12-23 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판및 다이아몬드 결정의 제조 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240052522A1 (ko)
EP (1) EP4269666A1 (ko)
JP (1) JPWO2022138788A1 (ko)
KR (1) KR20230123516A (ko)
WO (1) WO2022138788A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024053384A1 (ja) * 2022-09-07 2024-03-14 信越化学工業株式会社 下地基板及び単結晶ダイヤモンド積層基板並びにそれらの製造方法
CN116516476B (zh) * 2023-06-09 2024-02-13 中电科先进材料技术创新有限公司 单晶金刚石基板的制备方法及生长单晶金刚石的基材
CN118147747A (zh) * 2024-05-11 2024-06-07 山东天岳先进科技股份有限公司 一种大尺寸高质量金刚石晶体及其应用

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10320133B4 (de) * 2003-05-06 2011-02-10 Universität Augsburg Verfahren zur Herstellung von einkristallinen oder quasi-einkristallinen Diamantschichten und auf einem Körper angeordnete einkristalline oder quasi-einkristalline Diamantschicht
JP2005219962A (ja) * 2004-02-05 2005-08-18 Sumitomo Electric Ind Ltd ダイヤモンド単結晶基板及びその製造方法
JP4769428B2 (ja) 2004-05-25 2011-09-07 厚仁 澤邊 ダイヤモンド膜成長基板の形成方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. Samoto et al., Investigation of heterostructure between diamond and iridium on sapphire, Diamond & Related Materials 17(2008) 1039-1044

Also Published As

Publication number Publication date
EP4269666A1 (en) 2023-11-01
JPWO2022138788A1 (ko) 2022-06-30
WO2022138788A1 (ja) 2022-06-30
US20240052522A1 (en) 2024-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20230123516A (ko) 다이아몬드 결정을 에피택셜 성장시키기 위한 기판및 다이아몬드 결정의 제조 방법
KR100951019B1 (ko) 단결정 실리콘 카바이드 잉곳 및 단결정 실리콘 카바이드 웨이퍼
CN108400157B (zh) 钻石成膜用衬底基板、以及使用其的钻石基板的制造方法
JP7461851B2 (ja) 半導体膜
US20220157946A1 (en) Semiconductor film
EP3812486A1 (en) Silicon carbide ingot, method of preparing the same, and method for preparing silicon carbide wafer
JP7159450B2 (ja) 下地基板及びその製造方法
JP7410009B2 (ja) 半導体膜
KR20210050856A (ko) 탄화규소 잉곳의 제조방법, 탄화규소 웨이퍼의 제조방법 및 이의 성장 시스템
CN116635328A (zh) 用于使金刚石晶体外延生长的基板及金刚石晶体的制造方法
US20210355602A1 (en) Underlying substrate
JP2022109306A (ja) ダイヤモンド製膜用下地基板及びそれを用いたダイヤモンド基板の製造方法
JP2011051862A (ja) 高配向窒化アルミニウム結晶膜およびその製造方法
WO2022132715A1 (en) Large dimension silicon carbide single crystalline materials with reduced crystallographic stress
KR102605845B1 (ko) Ⅲ족 질화물 반도체 기판 및 ⅲ족 질화물 반도체 기판의 제조방법
JP2019178065A (ja) 単結晶ダイヤモンドの製造方法
EP4357492A1 (en) Diamond substrate and manufacturing method for same
JP7439117B2 (ja) 下地基板及びその製造方法
JP2021050115A (ja) 窒化物半導体基板の製造方法、窒化物半導体基板および積層構造体