TW200523407A - Diamond single crystal composite substrate and method for manufacturing the same - Google Patents

Description

200523407 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種鑽石單晶複合物基板及其製造方去 且更特定言之’本發明係關於—種具有可用於半導體材 料、電子部件、光學部件及其類似物之―較大區域的高品 質鑽石單晶複合物基板及其製造方法。 σ 【先前技術】 作為-種半導體材料，鑽石具有其它材料所不具有的諸 多優良特徵，例如高熱導率，高電子/正電子洞遷移率， 高介電崩潰場’低介電損失，寬能帶隙及其類似特徵。尤 其在最近幾年，已研製出利此寬能帶隙之紫外發光裝 置、具有優良高頻特徵之場效電晶體及其類似物。 如在其它半導體材料中-樣，為了利用鑽石作為半導 體’需要高品質單晶基板。目前，就結晶度而t，即使與 自：產生之單晶相&，工業上主要藉由高溫高壓合成方法 &仔之鑽石單晶亦更為優良，且從物理特性立場看，其可 用作半導體基板；然而，所獲得之單晶之尺寸限於丨cm左 右。在此等小基板之狀況下，利用步進器、電子束曝光或 般用於楗製造之類似方法或用於矽及其類似物之類似方 法進仃的半導體晶圓處理成為一個問題。在小基板之狀況 下難以使用為直控為幾英叶之晶圓而設計之工作設備， 即使進入專門用於小基板之工作設備，仍不能解決例如光 阻塗覆處理及其類似處理之周邊處理之難點。 因此，例如，一種藉由安置大體上具有相同晶體定向之 97043.doc 200523407 複數種高壓相態物質因而形成充當氣相成長核之基板且隨 後在此等核上成長一單晶因此獲得較大整合之單晶之方法 已被提議為用於獲取具有一大面積之鑽石單晶基板之方法 (參見日本專利公開案第3-75298 A號）。 當使用根據曰本專利公開案第3-75298 A號之獲取大單 晶之方法時，包含用作氣相成長核之複數個基板的單晶基 板通常不具有完全相同的成長平面定向，而是具有彼此稱 微不同的平面定向。當自此藉由執行單晶氣相成長來整合 一單晶時，連接部分具有不同角度之成長邊界，意即，被 稱為小角度邊界的廣義上之缺陷，且即使晶體成長繼續， 此等晶粒邊界亦不會大體上消失。因此，該跨於此等小角 度邊界之區域的半導體物理特性次於一完全單晶之半導體 物理特性，且若於該經整合之單晶上製造設備或其它類似 物，則在跨於此等小角度邊界之區域内效能將受至損失。 【發明内容】 發展本發明以克服前述問題；本發明之一目的為提供一 種用於：導體材料、電子部件、光學部件及其類似物的大 面積、尚品質鑽石單晶複合物基板及其製造方法。 為了解決前述問題，本發明有下列兩個態樣： ⑴-種鑽石單晶複合物基板，其係由具有—致平面定 向的複數個鑽石單。日其& ^< 丄、 早3曰基板建構而成，該等複數個鑽石單晶 基板係並排安置且彳έ M > 罝且係精由軋相合成法成長鑽石 而全體整合；苴中，咚7 y 平曰π八上 干，除了一個鑽石單晶基板之外，豆 一該等複數個鑽石罝a u ，、餘母 鑽石早a曰基板之主平面之平面定向離{100} 97043.doc 200523407 平面之偏差係小於1度，該被排除的一個鑽石單晶基板之 主平面之平面定向離{100}平面之偏差為丨至8度；當並排 安置省等鑽石單晶基板時，該一個鑽石單晶基板係被安置 於圓周取外圍部分，且其安置方式使得該一基板之主平面 之<1〇〇>方向係朝向該等經安置基板的外部圓周方向，且 Ik後藉由氣相合成法成長鑽石單晶，因此導致自該一鑽石 早晶基板所成長之鑽石單晶覆蓋於其餘基板上所成長之鑽 石單晶上，以達成全體整合。 (2) —種製造鑽石單晶複合物基板之方法，其中該基板 係由並排安置且藉由氣相合成法成長鑽石單晶於其上而全 體整合的具有_致平面定向之複數個鑽石單晶基板建構而 成的°亥方法包含·提供複數個鑽石單晶基板，其中，除 了-個鑽石|晶基板之夕卜其餘每一該等複數個鑽石單晶 基板之主平面之平面定向離{1〇〇}平面之偏差係小於1度， 垓被排除的一個鑽石單晶基板之主平面之平面定向離 { 00}平面之偏差為丨至8度；以此一配置方式並排安置該 等複數個鑽石單晶基板使得該—基板被安置於圓周最外圍 T分，且使得該一基板之主平面之<100>方向朝向該等經 ^置基板的外部圓周方向；及藉由氣相合成法成長鑽石單 曰曰口此‘致自该一鑽石單晶基板所成長之鑽石單晶覆蓋 於其餘基板上所成長之鑽石單晶上，以達成全體整合。 立在本发明書中，除非另外規定，否則術語，，複合物基板，， 意為由複數個基板建構而成之實體。 【實施方式】 97043.doc 200523407 下文將描述本發明。 在藉由氣相合成方法自鑽石單晶基板成長單晶中，眾所 熟知，於-特定單晶基板之基板平面定向與稍微偏離此第 一平面定向之一平面定向（離參考平面定向之偏離角度在 下文中係稱為”偏離角度"）之間，在成長率上會產生差異 (例如，參考 Jpn. J· Appl· Phys 第 35卷（1996)第 頁）。如本文獻t亦所說明，當基板平面定向為{1〇〇}時， 此現象很顯著。本發明之發明人認為在藉由氣相合成法自 複數個單晶基板整合及生長一單晶基板所形成的單晶基板 中，利用此現象可獲得一無小角度邊界之大體上大尺寸單 晶基板及其製造方法。因此，本發明之發明人基於此方法 進行不懈的研究。 此研究造就本發明之完美。具體言之，除了一個鑽石單 曰曰基板之外，將其餘每一該等複數個基板（下文稱為"主基 板之主平面之平面定向離{1〇〇}平面之偏離角度設定為 小於1度，且將該被排除的一個剩餘基板（下文稱為，，偏離 基板”）之主平面之平面定向離{1〇〇}平面之偏離角度設定 為1至8度。此外，當並排安置該等鑽石單晶基板時，此偏 離基板係安置於圓周最外圍部分，且安置方式使得此偏離 基板之主平面中 < 丨00>方向係朝向該等經安置基板的外部 圓周方向。當隨後於此狀態下藉由氣相合成法成長鑽石單 晶時，下列現象得以獲得證實：意即，橫向方向中由偏離 基板至主基板上的成長速率係大於主方向中的成長速率， 其為本發明之一新穎效應。因而，自該偏離基板成長之單 97043.doc 200523407 晶以相對較短之時間覆蓋該等主基板，因此達到全體整 合。此橫向生長率增加的現象在沿著主基板側邊進行生長 之狀況比在僅由偏離基板進行生長之狀況更為顯著，因而 本發明在增加單晶基板尺寸方面之效應尤其明顯。 若主基板之此偏離角度小於丨度，則其即為足夠；然 而此角度較佳為〇 · 5度或更小，且理想地為接近〇度。此 外，若偏離基板之偏離角度為丨至8度，則其即為足夠丨然 而，理想角度為4至5度。

此外，關於該主基板與偏離基板之形狀，此等基板理想 地為具有立方體或長方體形狀之單晶基板，且側表面之平 面定向為{ 100}。 此外，關於主基板及偏離基板之安置，將此等基板理想 地安置為正方形或長方形組態，意即，安置此等基板使得 該等基板之間的介面為十字形，安置此等基板使得該偏離 基板被安置於最外之周邊角落位置。 此外，關於偏離基板之主平面中之<100>方向，對於整 合及生長而言，朝向偏離基板之外部圓周角邊緣或角度2 方向比朝向偏離基板之外部圓周側面之方向更為有效。

本發明之鑽石單晶複合物基板係一經整合之單晶，其 於最外表面上不存在小角度邊界。此外，此複合:基板 可用作製造設備之半導體基板；然而，藉由僅切割最外 面之經整合之層，此複合物基板可用為具有大表面區域』 鑽石之固有半導體特徵的鑽石單晶基板。 藉由使用本發明之鑽石單晶複合物基板及其前述之製造 97043.doc -10- 200523407 方法，可獲取一大面積、 基板可用於半導體材料 物。 向品質鑽石單晶基板。此複合物 電子部件、光學部件及其類似 下文將就貫例而s來描述本發明。實例1 在本實施例中， 個鑽石單晶基板。 0.5 mm厚之三維體 製備了藉由高溫高壓合成法所獲取之四 β亥等基板係尺寸為5 mm(縱向與橫向）與 ’且於主表面與側表面上研磨。充當主 表面及側表面之參考的羊而今&入Λ 可们十面疋向全部為{100}，且從當主 基板1之三個主基板之主表面夕#私 衣面之偏離角度分別為0.1度，0.4 度及〇·9度。充當偏離基板2之 5為4 · 5度。此外 一基板之主表面之偏離角度 如圖1中所示，偏離基板2之主表面之 <100〉方向4朝向外部圓周角（上端朝向<m>方向）之方 向。參考數字3為垂直於鑽石單晶基板之主表面之㈣。 在圖1所不之佈置中，將此等基板"原樣，，安置於一基板 固持器中。隨後，使用眾所周知之微波電聚cvd方法於此 等基板上藉由氣相成長來成長單晶。成長條件如下所示。

微波頻率：2.45 GHz 微波功率：5 kW 腔室内壓：1.33xl〇4 pa 氫（Η2)氣體流動速率·· 1〇〇sccm 甲烧（CH4)氣體流動速率·· 5 sccm 基板溫度：900°C 成長時間：300小時 97043.doc 200523407 作為薄膜形成之結果，如圖2中所示，獲得一i〇m職1〇麵 正方形之鑽石單晶複合物基板，其中氣相合成單晶層之厚 :、 且其_自偏離基板成長之一單晶層8覆蓋整個 表面且正口地連接。參考數字7表示自該等主基板成長之 一單晶層。 藉由田射切吾彳來切割單晶複合物基板上之經整合之單晶 層，且常溫下該、經氫化之表面傳輸層之正電子洞遷移率可 藉由細量測法來評估；結果，獲得一胸一⑽之高 速值。 其-人，在其中用於獲得其中主基板之偏離角度發生變化 之樣本（其中存在複數個偏離基板之樣本）、其中偏離基板 之偏離角度發生變化之樣本、其中偏離基板之佈置發生變 化之樣本及其中偏離基板之定向發生變化之樣本而在相同 於貝例1中之成長條件下成長單晶之狀況下所獲得之結果 將作為比較實例來描述。在此等比較實例中，使其中偏離 基板之佈置發生變化的比較實例成長自具有與實例i中相 同尺寸之9個I晶基板。纟其它比較實例中，基板之尺寸 與數量與實例1中相同。此等基板條件與佈置條件概述於 表1中。 97043.doc • 12 · 200523407

产1二二所不，在主基板+，比較實例1為其中-神雕月 二本發明中主基板1之條件之實例，但其中滿足偏離 土板之條件，意即，提供複數個偏離基板2。作為在斑實 例1 々相同之成長條件下的鑽石單晶成長之一結果，單晶自 忒寻兩個偏離基板2於橫向上成長至個別主基板^上；然 而，由於自個別偏離基板成長之單晶㈣糾相互干擾， 因此不存在完全表面整合，且出現源自該等兩個基板之小 角度邊界9。圖6展示了成長之後的狀態之模型圖。隨後， 藉由雷射切割來切割該氣相合成之單晶層，且藉由關量 測法評估常溫τ跨於該等小角度邊界之方向上的正電子洞 遷移率。結果，獲得15〇 Cm2/Vsec之低速。 其-人，比較貫例2為其中偏離基板之偏離角度脫離本發 明之範圍的-實例。作為在與前述實例^目同成長條件下 成長之鑽石單晶之結果，一鑽石單晶自偏離基板2生長至 主基板1上，·然而，一多晶層12在覆蓋整個表面前自周邊 97043.doc -13- 200523407 區域得以發展（圖7)。作為一 上之單晶。 、、。果，仔不到整合於整個表面 接著，如圖4中所示，比較實例3為其中偏離基板2 :中心因此經主基板！環繞之-實例。作為在與前述實例i 中相同成長條件下成長之鑽石單晶之、 P分25 Θ西— "人K 平日日使 …：覆盍呈現於與偏離基板之<1〇〇>方向4相反之定向 上的该寺二個主基板；然而，不存在至其它五個主基板上 之擴展成長，因此分別呈現“料個別基板成長之單 晶。結果，小角度邊界9"原樣"保留於最外表面（圖8)。 其次，如圖5t所示，比較實例4為其中偏離基板2之 1100>方向朝向經安置之基板之中心的—實例。作為在盘 料實例1中相同成長條件下成長之鑽石單晶之結果，」 自偏離基板於橫向上成長之單晶朝向該等基板之外圓周之 方向H不存在至其它基板上之擴展成長。作為一結 =在最外表面上呈現出源自該等四個基板之小角度晶粒 时’ 9(見圖9)。心後’藉由雷射切割來切割該氣相合成之 早晶層’且藉由Hall量測法評估常溫下跨於該等小角度邊 界9之方向士的正電子洞遷移率。結果，獲得⑽⑽2斤爲 之低速（與實例1比較）。 此外，將一實例描述為比較實例5,在該實例中一鑽石 =自用於實例1中之偏離基板於一氣相中生長而未使用 古一主基板。作為在與前述實例1中相同成長條件下於具 X之偏離角度的單晶基板上成長的鑽石單晶之結 果’在橫向上成長一错I A ， 鑽石早日日，然而，在橫向成長區域中 97043.doc -14- 200523407 口立、寺成長度及其類似物，因此在橫向成長區域之外 圓周^刀成長—多晶物質（圖1G)。此外，關於單晶尺寸， 其厚度與實例1中 >曰π 相冋，為3 mm ;然而，該單晶成長區域 在擴展至-6 mmx6 mm正方形處停止。 實例2 八 將及月其中偏離基板之偏離角度為可變的實 ^除-了偏離基板之偏離角度之外，各種條件與前述實例 1中相同。此處，所使用之偏離基板之偏離角度為四個不 同角度’忍即’ 1·1度，39度，51度及7.9度。首先，在具 有1 ·1度之偏離角度的樣本之狀況下，在與前述實例i中 相同的300小時之成長時間β，自偏離基板成長之單晶未 覆蓋自主基板成長之單晶。然而，如圖2中所述，在隨後 額外成長200小時之狀況下，達成了覆蓋。在此狀況下， 氣相a成之單Ba層之厚度為4 mm。當於具有3.9度及51度 之偏離角度的樣本上執行類似成長時，在3〇〇小時之成長 時間内未達成完全覆蓋；然而，如圖2中所述，藉由分別 進行45小時及55小時之額外成長，則可達成覆蓋。在此等 狀況下’氣相合成之單晶層之厚度分別為3·3 mm及3.4 mm。對於此等三個實施例，藉由雷射切割來切割經整合 之單晶層，且藉由Hall量測法來評估正電子洞遷移率。結 果’在每種狀況下獲得1〇〇〇 cm2/V.sec之高值。 最後，當對具有7.9度之偏離角度之樣本執行類似成長 時，在300小時之成長時間内不能獲得完全覆蓋；然而， 如圖2中所述’在隨後額外成長2〇〇小時之狀況下，一自偏 97043.doc -15- 200523407 離基板成長之單晶層則覆蓋了整個表面。該單晶層之厚度 為4 mm。隨後，藉由雷射切割來切割經整合之單晶層^ 且藉由Hall量測法來評估正電子洞遷移率。結果，所獲得 之值，意即，900 cm2/V.sec ’稍低於前述實例丨中之值； 然而，此值對用作高效能半導體而言已為足夠高。 因此，藉由本發明之前述實例而呈現之方法所製造之鑽 石單晶為可用作半導體基板及其類似物的大面積、高品質 早晶基板。 ' 【圖式簡單說明】 圖1為本發明中所使用之鑽石單晶基板之佈置之示意 圖。 圖2為本發明中所使用之鑽石單晶基板之示意圖。 圖3為比較實例丨中之基板佈置之示意圖，其中安置了複 數個偏離基板。 圖4為比較實例3中之基板佈置之示意圖，其中偏離基板 安裝在中心。 圖5為比較實例4中之基板安置之示意圖，其中偏離基板 之<100>方向朝向經安置之基板之中心。 圖6為比較實例3中單晶成長之後的狀態之模型圖。 圖7為比較實例2中單晶成長之後的狀態之模型圖。 圖8為比較實例3中單晶成長之後的狀態之模型圖。 圖9為比較實例4中單晶成長之後的狀態之模型圖。 圖10為比較實例5中單晶成長之後的狀態之模型圖。 【主要元件符號說明】 97043.doc -16- 200523407 1 主基板 2 偏離基板 3 軸線 4 偏離基板之<100〉方向 5 偏離角度 7 單晶層 8 單晶層 9 小角度邊界

10 單晶層 11 單晶層 12 多晶層

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Claims (1)

1. 200523407 十、申請專利範圍： 1 · 一種鑽石單晶複合物基板，其係由具有一致平面定向的 複數個鑽石單晶基板建構而成，該等複數個鑽石單晶基 板係並排安置且係藉由氣相合成法成長鑽石單晶於其上 而全體整合；其中，除了一個鑽石單晶基板之外，其餘 母一忒等複數個鑽石單晶基板之該主平面之該平面定向 離該{100}平面之該偏差係小於丨度，該被排除的一個鑽 石單晶基板之該主平面之該平面定向離該{100}平面之 該偏差為1至8度；當並排安置該等鑽石單晶基板時，該 一個鑽石單晶基板係被安置於該圓周最外圍部分，且其 安置方式使得該一基板之該主平面的該<1〇〇>方向係朝 向該等經安置基板的該外部圓周方向，且隨後藉由氣相 合成法成長鑽石單晶，因此導致自該一鑽石單晶基板所 成長之一鑽石單晶覆蓋於該等其餘基板上所成長之鑽石 單晶上，以達成一全體整合。 2· —種製造一鑽石單晶複合物基板之方法，其中該基板係 由並排安置且藉由氣相合成法成長鑽石單晶於其上而全 體整合的具有一致平面定向之複數個鑽石單晶基板建構 而成，該方法包含：提供複數個鑽石單晶基板，其中， 除了一個鑽石單晶基板之外，其餘每一該等複數個鑽石 單晶基板之該主平面之該平面定向離該{1〇〇}平面之該 偏差係小於1度，且遠被排除的一個基板之該主平面之 該平面定向離該{100}平面之該偏差為1至8度；以此一 配置方式並排安置該等複數個鑽石單晶基板使得該一基 97043.doc 200523407 板被安置於該圓肖帛夕卜圍部a，且使得該一 I板之該主 平面之該<100>方向朝向該等經安置基板的該外部圓周 方向’·及隨後藉由氣相合成法成長鑽石單晶，因此導致 自該一基板所成長之該鑽石單晶覆蓋於該等其餘基板上 所成長之鑽石單晶，以達成全體整合。 97043.doc