(57)【要約】【課題】ダイヤモンドおよび単結晶基板が破損することなく、かつ大面積で結晶性の高い高品質の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板とその製造方法を低コストで提供する。【解決手段】少なくとも、単結晶基板と、該単結晶基板上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記単結晶基板が、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶であることを特徴とする積層基板。また、少なくとも、単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程を有する積層基板の製造方法において、前記単結晶基板に、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いることを特徴とする積層基板の製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、単結晶基板と、該単結晶基板上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記単結晶基板が、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶であることを特徴とする積層基板。
【請求項２】
請求項１に記載の積層基板から分離したダイヤモンド膜。
【請求項３】
請求項１に記載の積層基板を用いて作製したデバイス。
【請求項４】
請求項２に記載のダイヤモンド膜を用いて作製したデバイス。
【請求項５】
少なくとも、単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程を有する積層基板の製造方法において、前記単結晶基板に、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いることを特徴とする積層基板の製造方法。
【請求項６】
前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波ＣＶＤ法またはＤＣプラズマＣＶＤ法で行うことを特徴とする請求項５に記載の積層基板の製造方法。
【請求項７】
前記ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記単結晶基板の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の積層基板の製造方法。
【請求項８】
少なくとも、単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程と、該ダイヤモンド膜を前記単結晶基板より分離させる工程を有するダイヤモンド膜の製造方法において、前記単結晶基板に、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いることを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項９】
前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波ＣＶＤ法またはＤＣプラズマＣＶＤ法で行うことを特徴とする請求項８に記載のダイヤモンド膜の製造方法。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記単結晶基板の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理することを特徴とする請求項８または請求項９に記載のダイヤモンド膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デバイス等の作製に用いられる積層基板、特に、ダイヤモンド膜を有する積層基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、５．４７ｅＶのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も１０ＭＶ／ｃｍと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電力デバイスとして有利である。
【０００３】
また、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Ｊｏｈｎｓｏｎ性能指数を比較しても、半導体の中で最も高速電力デバイスとして有利である。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
【０００４】
そのため、基板にダイヤモンド膜等を積層した積層基板が注目されている。
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、高圧法で合成されたＩｂ型と呼ばれるダイヤモンドがほとんどである。このＩｂ型ダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、かつ５ｍｍ角程度のサイズ迄しか得られず、実用性は低い。
【０００５】
それに対して、気相合成（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ）法では、多結晶ダイヤモンドならば、高純度に６インチ（１５０ｍｍ）径程度の大面積なダイヤモンド膜が得られるという利点がある。しかしながら、気相合成法では、従来、通常の電子デバイスに適する単結晶化が困難であった。これは、基板として従来単結晶Ｓｉが用いられていたことに起因する。すなわち、Ｓｉとダイヤモンドとでは格子定数の違いが大きく（ミスマッチ度５２．６％）、シリコン基板上にダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることが非常に困難だからである。
【０００６】
このため、種々の検討が進み、ＰｔやＩｒを下地膜としてその上にダイヤモンド膜を気相合成法により製膜することが有効であるとの報告がある（例えば、非特許文献１、２参照）。
現状では、特にＩｒに関する研究が最も進んでいる。これは、先ず単結晶ＭｇＯを基板としてその上にＩｒ膜をヘテロエピタキシャル成長させ、次に、ＤＣプラズマ法で水素希釈メタンガスによるイオン照射によりＩｒ膜表面を前処理し、そのＩｒ膜上にダイヤモンド膜の成長を行うものである。これにより、当初のサブミクロンサイズから現在では数ミリサイズのダイヤモンドが得られている。
【０００７】
しかしながら、この方法では、ヘテロエピタキシャル成長を２度行う必要があるので、製造時間が長く、工程も複雑になり、製造コストが高くなる。さらに、単結晶ＭｇＯ基板は欠陥を多く含むため、その表面上に形成されたＩｒ膜、およびダイヤモンド膜に欠陥が生じやすい、という欠点もある。そして、単結晶ＭｇＯ基板とダイヤモンド膜との間の線膨張係数差が大きいため、単結晶ＭｇＯ基板やダイヤモンド膜が、応力差によって破損してしまった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｙ．Ｓｈｉｎｔａｎｉ，Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｒｅｓ．１１，２９５５（１９９６）
【非特許文献２】Ｋ．Ｏｈｔｓｕｋａ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５，Ｌ１０７２（１９９６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、ダイヤモンドおよび単結晶基板が破損することなく、かつ大面積で結晶性の高い高品質の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板とその製造方法を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、単結晶基板と、該単結晶基板上に気相合成させたダイヤモンド膜を有する積層基板であって、前記単結晶基板が、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶であることを特徴とする積層基板を提供する。
【００１１】
このように、本発明の積層基板は、線膨張係数や格子定数など所望の物性値がダイヤモンドに近いＩｒ単結晶基板やＲｈ単結晶基板の表面上にダイヤモンド膜が気相合成されたものである。このため、従来の単結晶ＭｇＯやその表面上にヘテロエピタキシャル成長させたＩｒ膜に比べ下地基板の結晶性が格段に高く、よって、単結晶上にエピタキシャル成長されたダイヤモンド膜に欠陥が少なく、結晶性も従来に比べ格段に高いものとなっている。しかも、ヘテロエピタキシャル成長は１度だけで済み、用いた単結晶基板は、ダイヤモンド膜を取り出した後、繰り返し使用できるので、コストも大幅に低減できる。また、単結晶基板とダイヤモンド膜の線膨張係数の差は従来に比べ小さいため、単結晶基板やダイヤモンド膜が応力によって破損することを防ぐことができる。
【００１２】
また、本発明では、前記積層基板から分離したダイヤモンド膜を提供する。
【００１３】
上記のように、本発明の積層基板上のダイヤモンド膜は、欠陥が少なく、結晶性も従来に比べ格段に高いものであり、この基板上から分離したダイヤモンド膜も、欠陥が少なく、結晶性も従来に比べ格段に高いものである。
【００１４】
また、本発明は、前記積層基板を用いて作製したデバイスを提供する。
【００１５】
上記のように本発明では、欠陥の少ない高品質のダイヤモンド膜を有する積層基板を提供することができるので、このような積層基板を用いることで、高精度のデバイスを高歩留りで作製することができる。
【００１６】
また、本発明では、前記ダイヤモンド膜を用いて作製したデバイスを提供する。
【００１７】
上記のように本発明では、欠陥の少ない高品質のダイヤモンド膜を提供することができるので、このようなダイヤモンド膜を用いることで、高精度のデバイスを高歩留りで作製することができる。
【００１８】
また、本発明は、少なくとも、単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程を有する積層基板の製造方法において、前記単結晶基板に、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いることを特徴とする積層基板の製造方法を提供する。
【００１９】
本発明によれば、線膨張係数や格子定数など所望の物性値がダイヤモンドに近いＩｒ単結晶やＲｈ単結晶の表面上にダイヤモンド膜を気相合成するため、ヘテロエピタキシャル成長が１回で済み、さらにダイヤモンド膜を剥離すれば単結晶基板は繰り返し使用することができるので、製造時間および製造コストを低減させた積層基板を製造することができる。さらに、下地基板の結晶性は従来のようなヘテロエピタキシャル成長膜に比べ格段に高いため、その単結晶基板上に気相合成されたダイヤモンド膜の欠陥も減少し結晶性も高くすることができる。
【００２０】
また、本発明の積層基板の製造方法では、前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波ＣＶＤ法またはＤＣプラズマＣＶＤ法で行うことが好ましい。
【００２１】
これにより、大面積の単結晶ダイヤモンドの連続膜をより確実に得ることができる。
【００２２】
また、本発明の積層基板の製造方法では、前記ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記単結晶基板の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理することが好ましい。
【００２３】
このように、単結晶基板の表面を前処理することで、単結晶基板の表面上にナノサイズのダイヤモンド微粒子が形成されると考えられる。そのため、その後の単結晶基板の表面上でのダイヤモンド膜の合成を容易にすることができる。
【００２４】
また、本発明では、少なくとも、単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程と、該ダイヤモンド膜を前記単結晶基板より分離させる工程を有するダイヤモンド膜の製造方法において、前記単結晶基板に、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いることを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法を提供する。
【００２５】
本発明によれば、線膨張係数や格子定数など所望の物性値がダイヤモンドに近いＩｒ単結晶やＲｈ単結晶の表面上にダイヤモンド膜を気相合成するため、ヘテロエピタキシャル成長が１回で済む積層基板を製造することができる。さらに、下地基板の結晶性は従来のようなヘテロエピタキシャル成長膜に比べ格段に高いため、このような単結晶基板上に気相合成されたダイヤモンド膜を単結晶基板から分離することで、欠陥が少なく、結晶性が高いダイヤモンド膜を得ることができる。
【００２６】
また、本発明のダイヤモンド膜の製造方法では、前記ダイヤモンド膜の気相合成を、マイクロ波ＣＶＤ法またはＤＣプラズマＣＶＤ法で行うことが好ましい。
【００２７】
これにより、大面積の単結晶ダイヤモンドの連続膜をより確実に得ることができる。
【００２８】
また、本発明のダイヤモンド膜の製造方法では、前記ダイヤモンド膜の気相合成工程前に、前記単結晶基板の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理することが好ましい。
【００２９】
このように、単結晶基板の表面を前処理することで、単結晶基板の表面上にナノサイズのダイヤモンド微粒子が形成されると考えられる。そのため、その後の単結晶基板の表面上でのダイヤモンド膜の合成を容易にすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、大面積で高品質の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として有する積層基板を低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の積層基板の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の積層基板を製造する方法の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の製造方法で使用される前処理装置の概略図である。
【図４】本発明の製造方法で使用されるマイクロ波ＣＶＤ装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
前述のように、従来の積層基板は、特にＭｇＯ基板とダイヤモンド膜との間の線膨張係数差などによって発生する、応力でＭｇＯ基板やダイヤモンドが破損しやすく、特に大面積の単結晶ダイヤモンド膜を連続膜として得ることができないという問題があった。
そこで、本発明者は、このような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。
【００３３】
その結果、本発明者は、基板となる単結晶としてダイヤモンドの線膨張係数との差ができるだけ小さいものを用いて、その単結晶上に直接ダイヤモンド膜を気相合成することによって、基板上に大面積であっても高品質のダイヤモンド膜を得ることができることを見出し、本発明を完成させた。
【００３４】
ここで、図１に本発明の積層基板の一例を示す。この積層基板１１は、ＩｒまたはＲｈからなる単結晶基板１２と、単結晶基板１２上に気相合成させたダイヤモンド膜１３を有する。
【００３５】
本発明の積層基板１１において、基板１２には、結晶性が良好で、線膨張係数・格子定数など所望の物性値がダイヤモンドに近い値を有するＩｒ単結晶またはＲｈ単結晶を用いている。このため、ダイヤモンドを気相合成するための基板の結晶性は、従来のＩｒをヘテロエピタキシャル成長させたものに比べ格段に高いものとしているため、ダイヤモンド膜に欠陥が生じ難く結晶性を従来よりも格段に高くすることができる。
そして、ＩｒやＲｈの線膨張係数は従来のＭｇＯ基板に比べればダイヤモンドのそれに近い値であるため、作製したダイヤモンド膜の応力を小さくすることができる。このため、完成したダイヤモンド膜の反りを小さくすることができ、よって、ダイヤモンド膜および単結晶基板が破損することを防ぐことができる（線膨張係数Ｉｒ：７．１×１０−６Ｋ−１、Ｒｈ：８．２×１０−６Ｋ−１、ダイヤモンド：１．１×１０−６Ｋ−１、ＭｇＯ：１３．８×１０−６Ｋ−１）。
【００３６】
また、基板のＩｒ単結晶やＲｈ単結晶から、気相合成後にダイヤモンドを剥離することによって、単結晶基板を繰り返し積層基板の製造に使用することができる。
従来は、単結晶ＭｇＯ基板上にＩｒ層をヘテロエピタキシャル成長させ、そのＩｒ／ＭｇＯ基板上にダイヤモンド膜を気相合成していたため、積層基板を作製する度にＩｒ層をエピタキシャル成長させていたが、本発明の積層基板では、この工程が不要であるため、製造工程を簡略化することができ、製造コストの低減を図れるという効果も有する。
【００３７】
基板に用いる単結晶としては、特にＩｒ単結晶が好ましい。
Ｉｒ単結晶を基板に用いることによって、格子定数がダイヤモンドと近く、より高品質のエピタキシャル膜を成長させることができ、大面積のダイヤモンド膜を連続膜として有することができる（格子定数：ダイヤモンド：３．５６Å、Ｉｒ：３．８４Å、Ｒｈ：３．８０Å）。
【００３８】
そして、このような積層基板から分離したダイヤモンド膜は、欠陥が少なく、また結晶性も高い。そのうえ、大面積であるので、高精度のデバイスを高歩留まりで低コストで作製することができる。
【００３９】
次に、図２に、このような本発明の積層基板を製造する方法の一例をフロー図として示す。
図２に示すように、本発明の積層基板は、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶を準備し（Ａ）、この基板上にダイヤモンド膜を気相合成させる工程（Ｃ）を経て製造することができる。そして、この場合任意の工程として、ダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）の前に、単結晶基板の表面を、ＤＣプラズマ法により前処理する工程（Ｂ）を行うこともできる。また、その後に、単結晶基板とダイヤモンド膜を分離する工程（Ｄ）を行うこともできる。
【００４０】
まず、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶基板を準備する工程（Ａ）について説明する。
Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶は、例えばＦＺ法によって製造されたものを用いることができ、市販されているものを用いればよい。
【００４１】
次に、ダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）の一例について説明する。
概略を説明すると、図４に示すようなマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いて、前記Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶基板上にダイヤモンド膜を気相合成する。
その詳細を説明する。このマイクロ波ＣＶＤ装置３０は、ガス導入管３１とガス排出管３２を備えたチャンバー３３内にヒータ等の加熱体が装着された基板台３４が配置されている。そして、チャンバー３３内にプラズマを発生できるように、マイクロ波電源３５が導波管３６を介してマイクロ波導入窓３８に接続されている。
【００４２】
このマイクロ波ＣＶＤ装置３０を用いて、ダイヤモンド膜の気相合成を行うには、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶の基板３７を基板台３４上に載置し、その後チャンバー３３内をロータリーポンプで排気して１０−３Ｔｏｒｒ（約１．３×１０−１Ｐａ）以下に減圧する。次に、所望流量の原料ガス、例えば水素希釈メタンガスをガス導入管３１からチャンバー３３内に導入する。次に、ガス排出管３２のバルブを調節してチャンバー３３内を所望の圧力にした後、マイクロ波電源３５および導波管３６からマイクロ波を印加してチャンバー３３内にプラズマを発生させ基板３７上にダイヤモンド膜をヘテロエピタキシャル成長させる。
【００４３】
マイクロ波ＣＶＤ法であれば、プラズマと基板温度とを比較的独立に制御できるので、ダイヤモンド膜を気相合成させて、かつより剥離し難い製膜時基板温度である８００〜１０００℃に設定することが容易である。この時、周波数は２．４５ＧＨｚと９１５ＭＨｚのいずれでも良い。
そして、このようなマイクロ波ＣＶＤ法であれば、１０ｍｍ角以上の大形基板サイズにも対応できる。
【００４４】
また、このダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）には、ＤＣプラズマＣＶＤ法を用いることができる。
従来、ＤＣプラズマ法によりダイヤモンド膜を製膜しようとすると、基板温度が８００℃から１４００℃にも達し、特にＭｇＯとダイヤモンドとの間の線膨脹差によって、ＭｇＯやダイヤモンドが破損する恐れがあったが、本発明ではこのような問題が発生しないため、ＤＣプラズマ法によってダイヤモンド膜を気相合成することができる。
【００４５】
ここで、任意の工程である、ＤＣプラズマ法による前処理工程（Ｂ）について説明する。
その概略を説明すると、図３に示すようなＤＣプラズマ装置２０を用いて、単結晶基板の表面を、イオン照射する。
その詳細を説明する。先ず、Ｉｒ単結晶またはＲｈ単結晶の基板２１を負電圧印加側の電極２２上にセットした後、チャンバー２３内をガス排出管２４から真空ポンプで排気して１０−７Ｔｏｒｒまで減圧する。次に、ガス（例えば水素希釈メタン：Ｈ２／ＣＨ４）をガス導入管２５から導入して、電極にＤＣ電圧を印加して放電を行い、プラズマ２６を発生させて基板２１表面を前処理する。
この前処理によって単結晶基板上にナノサイズのダイヤモンド微粒子（ダイヤモンドの核）が形成されると考えられる。このため、この後のダイヤモンド膜の気相合成工程（Ｃ）において、単結晶基板上でのダイヤモンド膜の合成が容易となる。
【００４６】
また、単結晶基板とダイヤモンド膜を分離する工程（Ｄ）について説明する。
単結晶基板とダイヤモンド膜との線膨張係数に違いがあるため、積層基板を高温の加熱状態から低温に冷却することで、単結晶基板とダイヤモンド膜との界面で発生する応力を積極的に利用して、ダイヤモンド膜を分離することができる。
また、界面にイオン注入を行っておき、積層基板を加熱することでイオン注入層にて分離する、イオン注入剥離法を用いることも出来る。
【００４７】
こうして得られた、本発明の積層基板は、その表面に結晶性の高いダイヤモンド膜が作製されたものであるので、このような積層基板や、そこから分離したダイヤモンド膜を用いることによって、非常に優れた高周波・高出力電子デバイスを高歩留まりで作製することができる。
【００４８】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００４９】
１１…積層基板、  １２…基板、  １３…ダイヤモンド膜、
２０…ＤＣプラズマ装置、  ２１…基板、  ２２…負電圧印加電極、  ２３…チャンバー、  ２４…ガス排出管、  ２５…ガス導入管、  ２６…プラズマ、
３０…マイクロ波ＣＶＤ装置、  ３１…ガス導入管、  ３２…ガス排出管、  ３３…チャンバー、  ３４…基板台、  ３５…マイクロ波電源、  ３６…導波管、  ３７…基板、  ３８…マイクロ波導入窓。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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