(57)【要約】【課題】横方向結晶成長を用いた厚膜ダイヤモンド単結晶基板の気相成長に際し、凸部の高さを延長することにより気相成長中の反りによる応力を無くしつつ、連続して長時間の厚膜成長を行うことが可能なダイヤ単結晶基板を提供する。【解決手段】ダイヤモンド単結晶からなるランダムマイクロニードルの底面側をＮｉで連結することにより、気相成長中にニードルを延長し、吸収可能な応力を増加すると共に、連続した長時間の厚膜ダイヤモンド単結晶基板の成長を可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面にＮｉで連結された凸部を有するダイヤ単結晶基板。
【請求項２】
前記凸部の間隔が４０μｍ未満である、請求項１記載のダイヤ単結晶基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はダイヤ単結晶基板に関する。
【０００２】
近年、単結晶材料の気相成長について、横方向結晶成長を用いた製造方法が開発されており、これらのうち代表的なものとして特開２０１３−１９９４１２号公報（以下特許文献１として記載）及び国際公開第２０１５／１９０４２７号（以下特許文献２として記載）がそれぞれ出願後、公開されている。これら特許文献１及び２は、フォトリソ等の方法により気相成長させる単結晶と同じ材質からなる複数の凸部付単結晶基板を下地基板上に形成することで、当該凸部上での横方向結晶成長を可能にしている。即ち、特許文献１記載の方法では下地基板上で凸部を気相成長し、当該凸部上で行う横方向結晶成長により成長する結晶の成長開始面に対する面積比を定め、結晶品質を向上させたことをその技術的特徴としている。また、特許文献２記載の方法では、下地基板上でのダイヤ単結晶からなる凸部の形成と、当該凸部から横方向結晶成長により成長した基板の大きさを規定することによって結合境界の無い大型基板作成を可能にした事を特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１９９４１２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１５／１９０４２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した効果を有している一方、上記凸部を用いたダイヤ単結晶基板の気相成長方法は、形成した凸の長さによって当該凸部が吸収可能な下地基板−ダイヤ基板間の曲げ応力が決定してしまう。この為、目標とする基板の厚みが増えるにつれて形成する凸部の長さを増やさなければならないという課題を有している。これに対して、特許文献１記載の気相成長ではその方法上、凸部の長さを増やすことができず、特許文献２に記載の気相成長ではエッチングやレーザー加工による凸部形成後、再度ダイヤ層を気相成長しなければならなず、各加工装置を用いる際、装置取り出し時に発生する温度差に起因して発生する反りが大きくなる為、大面積の基板について長時間の厚膜成長を行うことができない。
【０００５】
上記課題に対し、本願記載の発明では前記応力を無くしつつ、連続して長時間の厚膜成長を行うことが可能なダイヤ単結晶基板の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的のために本願記載の発明は、前記凸部上に成長したダイヤ単結晶基板に関し、形成した各凸部をＮｉで連結したことを特徴としている。より具体的には、柱状単結晶となった凸部を形成する下地基板側の底面部分について、凸部以外の面にＮｉ膜が形成されていることをその技術的特徴としている
【０００７】
また、本発明第２の態様記載の発明は、前記凸部間の間隔を４０μｍ未満としたダイヤ単結晶基板としたことをその技術的特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、前記凸部の形成と厚膜成長とを並行して行うことを可能としている。これは、前記成長後の基板について、下地基板側の底面にＮｉ膜を形成した事による。即ち、前記凸部以外の底面にＮｉ膜を形成したことで本発明のダイヤ単結晶基板は、前記厚膜の気相成長に際して凸部の長さを延長しながらダイヤ単結晶の厚みを増やしていく事ができる。より具体的には、メタン等を用いた気相成長中、水素を混ぜることによってＮｉ膜下の単結晶ダイヤモンドが熱化学加工によって除去されていき、最終的にＮｉ膜下のダイヤを全て除去したところでＮｉ膜が停止する。この為、本願記載の基板を用いることで予め凸部の長さを大きく形成する必要が無く、気相成長前の工程を大幅に短縮することができる。
【０００９】
加えて、当該凸部をＮｉで連結することにより、凸部の形成及び当該凸部から形成するダイヤ単結晶の結晶品質を連続して向上していくことが可能となる。より具体的には、前記凸部を用いた結晶成長に際して、本願記載のダイヤ単結晶基板では、前述のＮｉ膜で凸部を連結した構造を基板底面側に設け、当該構造を備えた基板による気相成長を繰り返し行うことで、結晶欠陥の少ない凸部先端を基礎とした横方向結晶成長による結晶欠陥の低減という効果を付与している。これに伴い、前記Ｎｉ膜で形成した凸部を用いて横方向結晶成長により形成したダイヤ単結晶基板について、当該基板からの凸部形成と横方向結晶成長及び、当該成長により得られた基板からの凸部除去とＮｉ膜の再形成といった工程を繰り返し行っていくことで、凸部の材料となるダイヤ単結晶基板及び、当該基板から形成される凸部の結晶品質を向上することができる。
【００１０】
また、別途ＭｇＯ単結晶等からなる下地基板を用いたヘテロエピタキシャル成長により前記下地ダイヤ単結晶基板を形成する場合でも、当該下地ダイヤ単結晶基板及び凸部の形成と同凸部を用いた厚膜成長とを同じ炉内で連続して行うことができると共に、凸部の形成と厚膜成長を行うことで前記反りを低減しつつ、長時間の厚膜成長を行うことが可能となる。尚、本願記載の基板は熱化学加工を行いつつ結晶成長を行う為、前記凸部用に形成した単結晶ダイヤモンド層の長さを全て凸部の形成に用いることができる。この為、Ｎｉ膜下のダイヤ層を全て熱加工することで凸部上に厚膜成長させた単結晶ダイヤモンド基板を容易に下地基板から分離すると共に、前記気相成長時、凸部頂点から下側に向かうダイヤ単結晶の成長に際して凸部の長さを確保し、当該下地基板からの分離に際し、吸収した応力を開放することもまた、可能となっている。
【００１１】
更に、当該Ｎｉ膜による凸部の連結について、本願記載の凸部はフォトリソ等を用いることなく、熱加工のみによって形成することができる。より具体的には、前記下地ダイヤ単結晶上にＮｉ膜を厚み０．３〜０．５μｍの範囲内で形成し、９００℃〜１０００℃付近で３０〜５０分アニールすることによりＮｉを凝集させ、ランダムマイクロパターンを形成すると共に、同温度帯で水素雰囲気と共に熱加工を行うことでランダムマイクロニードルからなる凸部を形成することが可能となる。これにより、先に述べた様に、当該凸部を用いた横方向結晶成長による気相成長中、メタンからなる気相雰囲気に水素を混合することで凸部長となる前記ニードルの長さを維持しつつ、厚膜ダイヤ単結晶を成長させることができる。
【００１２】
上述した効果に加えて、本願第２の態様記載の発明を用いることで、前記凸部を用いた単結晶ダイヤモンドの結晶品質を更に向上させることが可能となる。これは、当該凸部間の間隔を特定範囲以下に制限した事による効果となっている。即ち、本発明では各凸部間に於ける間隔を４０μｍ未満に制限することで、前記凸部の密度を規定している。これにより、前記凸部を用いて横方向エピタキシャル成長を行う際、前記凸部上で横方向結晶成長していく単結晶ダイヤ同士が一体化する大きさを一定範囲内に納めて結晶品質を向上し、結晶欠陥及び転位密度を低減した単結晶ダイヤ基板を得ることができる。
【００１３】
以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることによって応力を無くしつつ、連続して長時間の厚膜成長を行うことが可能なダイヤ単結晶基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に於ける最良の実施形態中、気相成長にて用いるダイヤ単結晶基板の全体斜視図。
【図２】図１の単結晶基板を用いた厚膜ダイヤ単結晶基板の気相成長方法。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、図１、図２を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。
【００１６】
図１に本実施形態に於ける気相成長に用いるダイヤ単結晶基板の斜視図を、図２に当該基板を用いた厚膜ダイヤ単結晶基板の気相成長方法を、それぞれ示す。尚、気相成長に用いる装置等については、図中での記載を省略している。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態で用いるダイヤ単結晶基板１は、下地ダイヤ単結晶３上に形成された凸部となるランダムマイクロニードル４上で横方向結晶成長により形成した厚膜ダイヤ単結晶２について、当該厚膜ダイヤ２の成長中、ニードル４の底面側をＮｉ７で連結した構造を有している。より具体的には、横方向結晶成長を用いた厚膜ダイヤ単結晶２の成長に際し、当該成長中、形成したニードル間の単結晶ダイヤをＮｉ７で覆った構造を維持することで、厚膜ダイヤ単結晶基板２の育成中、温度差等に起因して生じる反り応力の吸収と、同育成終了時に於ける反り応力の開放と、を可能にしている。この為、、本実施形態記載の構造及び気相成長方法を用いることにより、連続して長時間の厚膜成長を行うことができた。
【００１８】
次に、図２を用いて本実施形態で用いる気相成長方法を示す。図２から解る様に、本実施形態記載の厚膜ダイヤ単結晶２は、凸部となるランダムマイクロニードル４の材料として下地ダイヤ単結晶基板３を用いており、当該下地ダイヤ上に形成したＮｉ膜５を凝集させることで、当該ニードルの形成を可能としている（図２中ｂ〜ｄ参照）。より具体的には、厚み０．１μｍ〜１．０μｍの範囲内で設けたＮｉ膜５を９００℃の温度条件下で３０分間アニールすることによって当該Ｎｉ膜を凝集し、当該ニードルの形成に用いるランダムマイクロパターン６へと変化させている。ここで、当該パターンは配向性を持たない状態で斑状に形成される。この為、前記温度条件に水素雰囲気を加えた状態で加熱することにより、Ｎｉ下のダイヤを熱加工し、ランダムマイクロニードル４を形成することが可能となる。尚、当該ニードルについて、フォトリソ等を用いたパターニングによっても同様の効果を有するマイクロパターン及びマイクロニードルを形成できるが、その場合、パターン形成後にウェットエッチング等によるマスキング材の除去が必要となる。
【００１９】
上記ランダムマイクロニードル４の形成後、メタンと水素との混合雰囲気下にてニードル先端を基点とした横方向結晶成長による厚膜単結晶ダイヤ基板２の気相成長と、熱加工によるニードル４の延長と、を並行して行う（図２中ｅ参照）。より具体的には、メタン雰囲気を用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ法による前記結晶成長と、水素雰囲気下での熱加工によるニードル４の延長と、を並行して行うことで、前記応力の吸収等といった効果を付与することができる。加えて、本実施形態ではニードル４の形成によってＮｉ下の下地ダイヤ単結晶基板３が有する結晶欠陥を減少し、気相成長する厚膜単結晶ダイヤ基板２の結晶品質を向上させることが可能となっている。この為、前記ニードル底面側をＮｉ７で連結し、気相成長中にニードル４の延長と厚膜単結晶ダイヤ基板２の形成とを並行して行うことで得られた厚膜ダイヤ単結晶基板を下地ダイヤ単結晶基板として用いることで、当該工程を繰り返し、結晶欠陥の少ない凸部となるランダムマイクロニードルを元にした横方向結晶成長による結晶品質の向上を、連続して行うことができる。
【００２０】
また、本実施形態では前記気相成長時、下地ダイヤ単結晶基板３及びニードル４を介して厚膜ダイヤ単結晶基板２を冷却し、当該基板２に関して、気相成長中の温度上昇に伴うグラファイト化を防ぎつつ、気相成長を進めている。これに伴い、前記応力Ｂのうち大部分は、この冷却時に於ける下地ダイヤ単結晶基板３と、厚膜ダイヤ単結晶基板２と、の間の温度差によって生じ、前述したニードル４により吸収、低減されている。従って、前記ニードル４の延長に伴う当該応力の低減により、本実施形態では連続して長時間の厚膜成長が可能になると共に、ニードル４の延長速度を水素流量によって調整し、厚膜ダイヤ単結晶基板２の成長完了と同時に下地ダイヤ単結晶基板３に於けるＮｉ７下の熱加工を完了することで、当該ニードル間のダイヤを全て熱加工により除去し、吸収した応力Ｂを開放し、厚膜ダイヤ単結晶基板の当該応力による破損を防ぐこともまた、可能となった（図２中ｆ参照）。
【００２１】
尚、上述の気相成長と同じ技術的見地から、本実施形態で用いた下地ダイヤ単結晶基板３として、ＭｇＯ単結晶等のダイヤ以外の単結晶からなるヘテロ基板上で育成したヘテロエピタキシャル成長により形成された状態のダイヤ単結晶基板を用いても同様の効果を得ることができる。この場合、前記温度差に加えて、当該ヘテロエピ用基板−下地ダイヤ単結晶基板間の熱膨張係数差によっても反り応力が生じることに注意する必要がある。
【００２２】
以上述べたように、本実施形態記載の内容を用いることで、凸部となるニードルの長さを延長することにより気相成長中の反りによる応力を無くしつつ、連続して長時間の厚膜成長を行うことが可能なダイヤ単結晶基板を提供することができた。
【符号の説明】
【００２３】
１      ダイヤ単結晶基板
２      厚膜ダイヤ単結晶基板
３      下地ダイヤ単結晶基板
４      ランダムマイクロニードル
５      Ｎｉ膜
６      ランダムマイクロパターン
７      Ｎｉ
Ｂ      反り応力
【図１】
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【図２】
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