(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が（０００１）又は（１１１）面である単結晶炭化珪素基体と、前記単結晶炭化珪素基体上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層とを有し、前記単結晶白金層の表面が単結晶ダイヤモンドの合成面となることを特徴とする単結晶ダイヤモンド膜合成用基板。
【請求項２】
表面が（１１１）面である単結晶シリコン基体と、前記単結晶シリコン基体上に形成され表面が（０００１）又は（１１１）面である単結晶炭化珪素膜と、前記単結晶炭化珪素膜の上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層と、を有し、前記単結晶白金層の表面が単結晶ダイヤモンドの合成面となることを特徴とする単結晶ダイヤモンド膜合成用基板。
【請求項３】
前記白金層の厚さが０．１μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の単結晶ダイヤモンド膜合成用基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタ、ダイオード、各種センサ等の電子装置、ヒートシンク、表面弾性波素子、Ｘ線窓、光学関連材料、耐摩耗材料、装飾材料及びそのコーティング等に使用されるダイヤモンド膜に関し、特に、単結晶ダイヤモンド膜を気相合成するために使用する単結晶ダイヤモンド合成用基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、耐熱性に優れると共に、バンドギャップが５．５ｅＶと大きく、通常は絶縁体であるが不純物ドーピングにより半導体化できる。また、絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きい。誘電率が小さいという優れた電気的特性を有する。このような特徴によりダイヤモンドは高温、高周波及び高電界用の電子デバイス・センサ材料として期待されている。
【０００３】
また、ダイヤモンドのバンドギャップが大きいことを利用した紫外線等の短波長域に対応する光センサ又は発光素子への応用、熱伝導率が大きく、比熱が小さいことを利用した放熱基板材料への応用、物質中で最も硬いという特性を生かした表面弾性波素子への応用又は高い光透過性又は屈折率を利用したＸ線窓及び光学材料への応用等が進められている。
【０００４】
これら種々の応用において、ダイヤモンドの特性を最大限に発揮させるには、結晶の構造欠陥を低減した高品質の単結晶を合成することが必要である。
【０００５】
そこで本発明者等は以前に単結晶ダイヤモンド膜を大面積に低コストで気相合成する方法を提案した（特開平８−１５１２９６号公報）。この従来の技術においては、白金の（１１１）結晶面を基板とした気相合成で単結晶ダイヤモンド膜を得る方法を提案した。この方法により、合成されるダイヤモンドは表面で結晶間の融合が自発的に進行し、平滑な表面が得られる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイヤモンド膜の基板となる白金単結晶は一般にチョコラルスキー法（Czochralski法）で製造されるが、高価であり、得られる単結晶の面積も精々２５ｍｍ径に止まる。
【０００７】
そこで、本発明者等は、白金単結晶膜がチタン酸ストロンチウム単結晶上にも形成できることを見出したが（特開平８−１５１２９５号公報）、この場合も得られる単結晶膜の面積は最大で５０ｍｍ角である。電子デバイス分野でダイヤモンドを実用するためには、単結晶ダイヤモンド膜を低コストで大面積に合成する技術を確立することが必要である。
【０００８】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、高品質で大面積の単結晶ダイヤモンドを低コストで合成することができる基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る単結晶ダイヤモンド膜合成用基板は、表面が（０００１）又は（１１１）面である単結晶炭化珪素基体と、前記単結晶炭化珪素基体上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層とを有し、前記単結晶白金層の表面が単結晶ダイヤモンドの合成面となることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る他の単結晶ダイヤモンド膜合成用基板は、表面が（１１１）面である単結晶シリコン基体と、前記単結晶シリコン基体上に形成され表面が（０００１）又は（１１１）面である単結晶炭化珪素膜と、前記単結晶炭化珪素膜の上に形成され表面が（１１１）面である単結晶白金層と、を有し、前記単結晶白金層の表面が単結晶ダイヤモンドの合成面となることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明においては、前記白金層の厚さが０．１μｍ以上１０μｍ未満であることが好ましい。
【００１４】
本発明においては、大面積に形成することができる炭化珪素層上に白金層を形成し、その白金層上に単結晶ダイヤモンドを形成するので、単結晶ダイヤモンド膜を低コストで大面積に合成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。本実施例の単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、炭化珪素層２を基板として、その上に白金層３を形成してなる構成である。
【００１６】
本実施例においては、炭化珪素層２の上に白金層３を形成することにより、低コストで基板を大面積化することができるために、電子デバイス作製プロセスに有用である。
【００１７】
本願出願人は、白金単結晶膜が形成できると共に、最大直径１５０ｍｍまでの基板が入手できる単結晶アルミナ（サファイア）に注目し、単結晶ダイヤモンドを低コストで大面積に合成することができる技術を提案した（特願平１０−０６０２２２）。この発明は、その初期の目的は達成したが、白金単結晶膜に単結晶アルミナを形成した基板にダイヤモンドを８００乃至９００℃で気相合成した後に、室温まで冷却すると熱膨張率の差に起因する応力のために、合成されたダイヤモンド膜が剥離又は破損しやすいということが判明した。
【００１８】
電子デバイス分野でダイヤモンドを実用するためには、基板との密着性に優れた単結晶ダイヤモンド膜を低コストで大面積に合成する技術を確立することが必要である。本発明においては、炭化珪素層２上に白金層３を形成するので、合成されたダイヤモンド膜が剥離又は破損しやすいというような問題はない。
【００１９】
次いで、本発明の第２実施例について説明する。図２及び図３は、本発明の第２実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。本実施例における単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、単結晶炭化珪素層４、６を基板として、その上に単結晶白金層５が形成される構成である。図２に示すように、単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、表面が（０００１）面である六方晶の単結晶炭化珪素層４を基板として、その上に表面が（１１１）の単結晶白金層５を形成してなる構成である。また、図３に示すように、単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、表面が（１１１）面である正方晶の単結晶炭化珪素層６を基板として、その上に表面が（１１１）面である単結晶白金層５を形成してなる構成である。
【００２０】
本発明においては、白金、特に単結晶白金層５の（１１１）面上に単結晶ダイヤモンドが気相合成できることは周知の事実である。そこで、大面積の白金膜を形成するための基材の選択がキーとなるが、これには低コストであるのみならず、（１）ダイヤモンド合成条件下において白金の結晶構造を阻害しない。（２）ダイヤモンドを気相合成した後も、剥離又は破損しない。という条件が求められる。
【００２１】
上述の白金とチタン酸ストロンチウム構造は、（１）及び（２）の条件を満たすことができない。また、上述の白金とサファイア構造は、（１）の条件を満たすが、（２）の条件を満たすことができない。これに、対して本発明の白金層と炭化珪素層構造は、（１）及び（２）の両方を満足する。
【００２２】
また、本実施例においては、単結晶炭化珪素層４、６基板上に単結晶白金層５を形成すると、界面では、白金と炭化珪素とが化学反応を起こし、白金シリサイドを生成する。これにより、化学的に結合した強固な界面が形成されるため、ダイヤモンドを気相合成しても、剥離又は破損の問題は発生しない。更に、白金と珪素との化学反応は界面近傍の０．０１μｍにとどまるために、単結晶白金層５全体がシリサイド化されるわけではなく、ダイヤモンドのエピタキシャル成長に適した単結晶白金層５は残されたままである。よって、ダイヤモンドと白金の界面は強固な密着性を有し、剥離又は破損の心配はない。
【００２３】
このように、単結晶白金層５と単結晶炭化珪素層４、６とからなる単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、ダイヤモンド合成条件下において、白金の結晶構造を阻害せず、ダイヤモンドを気相合成した後も、剥離又は破損は生じない。なお、炭化珪素には、珪素面及び炭素面の２種類が存在するが、白金との化学反応性及び界面密着性に関しての差異はない。
【００２４】
これにより、本実施例においては、単結晶白金層５を大面積で形成することができ、剥離又は破損がない密着性に優れた単結晶ダイヤモンドを大面積で形成することが可能となる。
【００２５】
更に、本発明の第３実施例について説明する。図４及び図５は、本発明の第３実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。本実施例における単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、単結晶シリコン７を基板として、その上に単結晶炭化珪素層４、６を形成し、更にその上に単結晶白金層５を形成してなる構成である。図４に示すように、単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、表面が（１１１）面である単結晶シリコン７を基板として、その上に表面が（０００１）面である六方晶の単結晶炭化珪素層４を形成し、更にその上に表面が（１１１）の単結晶白金層５を形成してなる構成である。また、図５に示すように、単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、表面が（１１１）面である単結晶シリコン７を基板として、その上に表面が（１１１）面である正方晶の単結晶炭化珪素層６を形成し、更にその上に表面が（１１１）面である単結晶白金層５を形成してなる構成である。
【００２６】
本実施例においては、単結晶シリコン７を基板とすると、単結晶炭化珪素４、６が得られることは既知の事実である。これに白金を蒸着形成した単結晶白金層５と単結晶炭化珪素層４、６と単結晶シリコン７とからなる単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、直径３００ｍｍまでの大面積単結晶が容易に低コストで入手できると共に、炭化珪素層４、６よりも熱膨張率が小さいことに起因して、ダイヤモンドを合成した場合に全体の膜応力が低減するメリットを有する。但し、白金層５を単結晶シリコン７上に直接形成した白金層５と単結晶シリコン層７とからなる構造では、白金層５の膜厚をいくら厚くしてもその全てがシリサイド形成に費やされてしまい、単結晶ダイヤモンド合成用基板１としては、不適当である。なお、白金層５と単結晶シリコン７の間に炭化珪素層４、６を形成した構造は、原子間距離の関係（白金：２．７７Å、炭化珪素：３．０８Å、シリコン：３．８４Å）から考えても、高品質の白金単結晶膜形成に有利である。
【００２７】
これにより、本発明においては、白金を蒸着形成した単結晶白金層５と単結晶炭化珪素層４、６と単結晶シリコン７とからなる単結晶ダイヤモンド合成用基板１は、直径３００ｍｍまでの大面積単結晶が容易に低コストで入手できると共に、炭化珪素層４、６よりも熱膨張率が小さいことに起因して、ダイヤモンドを合成した場合に全体の膜応力を低減させることができる。
【００２８】
上述のいずれの実施例において、白金層３の膜厚は、ダイヤモンドの合成時に重大な作用を及ぼす。この白金層３の膜厚が０．１μｍ以上以下の場合には、炭化珪素層２との化学反応により白金がすべてシリサイド化し、単結晶ダイヤモンドの成長に適した基板とならない。一方、白金層３の膜厚が１０μｍを超える場合には、白金とダイヤモンドの熱膨張率の差に起因したダイヤモンド膜の剥離、変形又は破損が発生する。白金層３の膜厚を０．１μｍ以上１０μｍ未満とすることによりダイヤモンドと炭化珪素との間の応力緩和層として作用し、ダイヤモンドの剥離又は破損の問題が回避できる。
【００２９】
また、上述のいずれの実施例においても、単結晶ダイヤモンド合成基板１として、単結晶シリコン７からなる基体上に炭化珪素層２を形成する構成とすることができる。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の効果を実証するために、実際の本発明の実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板製造してその特定を評価した結果について説明する。
【００３１】
実施例１
昇華法により作製した六方晶炭化珪素（０００１）を基板として、ＤＣスパッタ法により白金ターゲットを原材料に白金（１１１）膜を作製した。蒸着時の基板温度は６００℃、アルゴンガス圧は０．１３Ｐａを保持した。蒸着速度８Å／秒で膜厚４μｍまで蒸着した。
【００３２】
これを基板としてダイヤモンドを気相合成した。ダイヤモンドの核形成を促進するために、白金表面を予めダイヤモンドパウダー縣濁液中で超音波処理した上で、水素（Ｈ2）中で１％以下に希釈したメタン（ＣＨ4）を原料ガスとして、ガス圧は６．６ｋＰａ、基板温度は８５０℃で１０時間のマイクロ波ＣＶＤを行い、単結晶ダイヤモンドが合成されることを確認した。
【００３３】
実施例２
シラン（ＳｉＨ4）とエチレン（Ｃ2Ｈ4）を原料として熱ＣＶＤ法でシリコン（１１１）表面に立方晶炭化珪素（１１１）膜を形成した。蒸着時の基板温度は１３００℃に保持した。蒸着速度４Å／秒で膜厚３μｍまで蒸着した。炭化珪素膜の単結晶性は、Ｘ線回折及び反射高速電子回折で確認した。この上に、実施例１と同様に白金単結晶膜を膜厚０．１μｍスパッタ蒸着した。
【００３４】
これを基板としてダイヤモンドを気相合成した。基板表面を予めダイヤモンドパウダー懸濁液中で超音波処理した上で、水素（Ｈ2）中で１％以下に希釈したメタン（ＣＨ4）を原料ガスとして、ガス圧６．６ｋＰａ、基板温度８５０℃で１０時間のマイクロ波ＣＶＤを行い、単結晶ダイヤモンドが合成されることを確認した。
【００３５】
実施例３
１５０ｍｍのシリコン（１１１）ウエハを基板とし、分子線エピタキシャル成長法で膜厚１μｍの六方晶炭化珪素膜を作製した。更に、スパッタ法で、白金を膜厚１０μｍ蒸着した。なお、蒸着時の基板温度は６００℃とした。
【００３６】
これを基板としてダイヤモンドを気相合成した。基板表面を予めダイヤモンドパウダー懸濁液中で超音波処理した上で、水素（Ｈ２）中で１％以下に希釈したメタン（ＣＨ４）を原料ガスとして、ガス圧６．６ｋＰａ、基板温度８５０℃で１０時間のマイクロ波ＣＶＤを行い、単結晶ダイヤモンドが合成されることを確認した。
【００３７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、大面積に形成することができる炭化珪素層上に白金層を形成し、その白金層上に単結晶ダイヤモンドを形成することにより、単結晶ダイヤモンド膜を低コストで大面積に合成することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、単結晶ダイヤモンド膜を低コストで大面積に合成することができ、この合成された単結晶ダイヤモンド膜は基板との密着性に優れているため、産業上の利用分野に記載したようなこれまで単結晶ダイヤモンドの実用化が困難であった分野において実用化が実現でき、この種の技術分野に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【図５】本発明の第３実施例に係る単結晶ダイヤモンド合成用基板を示す断面図である。
【符号の説明】
１；単結晶ダイヤモンド合成用基板
２；炭化珪素層
３；白金層
４、６；単結晶炭化珪素層
５；単結晶白金層
７；単結晶シリコン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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