(57)【要約】  工学的結晶粒成長と微細構造を有する多結晶ダイヤモンド膜を成長させる方法。基板上の多結晶ダイヤモンド膜の結晶粒成長は、ダイヤモンド膜の初期結晶粒サイズオーダーの特徴を有するナノパターン化基板上にダイヤモンドを成長させることによって操作される。このようなナノパターン化基板上にダイヤモンドを成長させることにより、多結晶ダイヤモンド膜の結晶組織を、好ましい＜１１０＞配向組織を優勢にするように設計することができ、これは次に、ダイヤモンド膜の熱伝導率を高める。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に複数のナノパターン化特徴を有する基板上に堆積されたダイヤモンド種結晶から成長した多結晶ダイヤモンド膜を含むダイヤモンド構造であって、
前記多結晶ダイヤモンド膜は前記基板上の前記ナノパターン化特徴を共形的に覆い、かつ
前記ナノパターン化特徴のサイズ、形状、および間隔のうちの少なくとも１つは、前記多結晶ダイヤモンド膜内に所定の結晶微細構造を生成するように設計されている、ダイヤモンド構造。
【請求項２】
前記ナノパターン化特徴が、前記基板の上面上に形成された複数の溝を含む、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項３】
前記ナノパターン化特徴が、前記基板の上面上に形成された複数の矩形または円形のピラーを含む、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項４】
前記ナノパターン化特徴が、幅方向に約６０〜約４００ｎｍの特徴サイズを有する、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項５】
前記ナノパターン化特徴のサイズが、ダイヤモンド種結晶の初期結晶粒サイズとほぼ同じである、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項６】
前記ダイヤモンド種結晶のサイズおよび前記ナノパターン化特徴のサイズが、約４ｎｍである、請求項５に記載のダイヤモンド構造。
【請求項７】
前記ナノパターン化特徴が、前記多結晶ダイヤモンド膜内に＜１１０＞の結晶配向を有する結晶粒の所定の成長を生じさせるように設計されている、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項８】
前記基板上の前記ナノパターン化特徴が、平坦な基板上に成長した多結晶ダイヤモンド膜と比較して、多結晶ダイヤモンド膜が所定の熱伝導率の増加を示すように設計されている、請求項１に記載のダイヤモンド構造。
【請求項９】
ダイヤモンド構造を作製するための方法であって、下記工程を含む方法：
上面上に複数のナノパターン化特徴を有する基板を提供すること、
前記基板の上面上に複数のダイヤモンド種結晶を堆積すること、および
前記ダイヤモンド種結晶から多結晶ダイヤモンド膜を成長させることであって、前記多結晶ダイヤモンド膜が、前記基板上の前記ナノパターン化特徴を共形的に覆うように成長すること、
ここで、前記ナノパターン化特徴のサイズ、形状、および間隔のうちの少なくとも１つは、前記多結晶ダイヤモンド膜内に所定の結晶微細構造を生成するように設計されている。
【請求項１０】
前記ナノパターン化特徴が、前記基板の上面上に形成された複数の溝を含む、請求項９に記載のダイヤモンド構造を作製するための方法。
【請求項１１】
前記ナノパターン化特徴が、前記基板の上面上に形成された複数の矩形または円形のピラーを含む、請求項９に記載のダイヤモンド構造。
【請求項１２】
前記ナノパターン化特徴が、幅方向に約６０〜約４００ｎｍの特徴サイズを有する、請求項９に記載のダイヤモンド構造。
【請求項１３】
前記ナノパターン化特徴のサイズが、ダイヤモンド種結晶の初期結晶粒サイズとほぼ同じである、請求項９に記載のダイヤモンド構造。
【請求項１４】
前記ダイヤモンド種結晶のサイズおよび前記ナノパターン化特徴のサイズが、約４ｎｍである、請求項１３に記載のダイヤモンド構造。
【請求項１５】
前記ナノパターン化特徴が、前記多結晶ダイヤモンド膜内に＜１１０＞の結晶配向を有する結晶粒の所定の成長を生じさせるように設計されている、請求項９に記載のダイヤモンド構造。
【請求項１６】
前記ナノパターン化特徴が、平坦な基板上に成長した多結晶ダイヤモンド膜と比較して、多結晶ダイヤモンド膜が所定の熱伝導率の増加を示すように設計されている、請求項９に記載のダイヤモンド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
クロスリファレンス
本出願は、非暫定的で、かつ、２０１８年６月２５日に出願された米国仮特許出願第６２／６７６，２９４号に基づく３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１１９による優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の目的は、ナノスケールの特徴を組み込んだ基板上に化学気相成長によって膜を成長させることにより、改良された熱特性を有する多結晶ダイヤモンド膜を得て、改良された熱特性をもたらす好ましい結晶配向を促進することである。
【背景技術】
【０００３】
化学気相成長（ＣＶＤ）により成長させた合成多結晶ダイヤモンドは、デバイス動作温度を下げることにより部品の性能と信頼性を改善するために、高出力部品の熱管理に広く使用されている。
【０００４】
ダイヤモンドの単結晶は、あらゆる材料の中でも最も高い既知の熱伝導率を有する。しかしながら、単結晶ダイヤモンドの小形状因子および高コストは、高出力電子部品の熱管理への実用化を制限する。
【０００５】
しかしながら、多結晶ダイヤモンドプレートは広い面積で成長させることができ、ヒートシンクおよびヒートスプレッダのための応用を有する。厚い（＞１００μｍ）多結晶ダイヤモンドプレートは、単結晶ダイヤモンドに近い熱伝導率を達成できるが、多結晶ダイヤモンドの薄膜では、結晶粒のサイズおよび配向のために、熱伝導率が大幅に低下する。
【０００６】
研究によれば、より小さいサイズの結晶粒の存在のために、成長の初期段階でのダイヤモンド膜の熱伝導率は低く、そのサイズはその後、膜が厚くなるにつれて増加する。Ｊ．Ｅ．Ｇｒａｅｂｎｅｒら、「ダイヤモンド膜における異常に高い熱伝導率（Unusually high thermal conductivity in diamond films）」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６０、１５７６（１９９２）およびＪ．Ｅ．Ｇｒａｅｂｎｅｒら、「化学気相蒸着ダイヤモンドにおける熱抵抗の源泉（Sources of thermal resistance in chemically vapor deposited diamond）」、Ｄｉａｍ．Ｒｅｌａｔ．Ｍａｔｅｒ．５、６８２（１９９６）を参照されたい。
【０００７】
しかしながら、熱伝導率に影響を及ぼす別の因子は、しばしば「組織（texture）」とも呼ばれるダイヤモンド結晶粒の好ましい配向であり、研究によれば、ダイヤモンドの熱伝導率改善のための好ましい配向は、より一般的である＜１１１＞組織とは対照的に＜１１０＞組織であるとされる。Ｎ．Ｇｏｖｉｎｄａｒａｊｕら、「熱伝導率測定による組織化ダイヤモンド膜の比較研究（Comparative study of textured diamond films by thermal conductivity measurements）」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ａ  ８５、３３１−３３５（２００６）を参照されたい。好ましい＜１１０＞組織は、化学気相堆積成長条件を調整し、非常に厚い膜（＞１００μｍ）を成長させることによって達成され、＞１００μｍの厚さに成長した多結晶ダイヤモンド膜は、好ましい＜１１０＞組織および高い熱伝導率（＞１５００Ｗ／ｍＫ）の両方を示す。
【０００８】
対照的に、薄膜（＜１０μｍ）は,ランダム組織を有し、典型的には＜１１１＞および＜１１０＞組織の混合であり、結果としてより低い熱伝導率（＜３００Ｗ／ｍＫ）を示す。
【０００９】
したがって、高パワー電子デバイスへの集積化のために、薄い（＜１０μｍ）ダイヤモンド膜の熱伝導率を改善することに実質的な関心がある。Ｈｏｂａｒｔらの「ダイヤモンドゲートを有するトランジスタ（Transistor with Diamond Gate）」と題する米国特許第９，３３１，１６３号明細書および第９，４６６，６８４号明細書を参照されたい。
【発明の概要】
【００１０】
この概要は、「発明を実施するための形態」でさらに説明する概念の選択を簡略化した形で紹介することを意図している。この概要は、特許請求される主題の重要なまたは本質的な特徴を識別することを意図するものではなく、特許請求される主題の範囲を決定する際の補助として使用されることを意図するものでもない。その代わりに、それは、本明細書で説明され、特許請求される主題の簡単な概要として単に提示される。
【００１１】
本発明は、上面にナノパターン化された複数の特徴を有する基板上に、ダイヤモンドを成長させることによって、ナノスケールでの結晶粒成長を操作するものであり、ナノパターン化特徴のサイズは、典型的には約６０〜約４００ｎｍの範囲であるが、約４ｎｍほどに小さくすることもできる。このようなナノパターン化基板上にダイヤモンドを成長させることによって、多結晶ダイヤモンド膜の結晶組織は、好ましい＜１１０＞配向組織を優先するように設計することができ、これは、次に、熱伝導率のより大きな改善を生み出すより小さな特徴により、ダイヤモンド膜の熱伝導率を高める。したがって、本発明によれば、ナノパターン化された基板内の特徴のサイズを設計することによって、ダイヤモンド膜の微細構造を予測どおりの領区（manor）に調整して、ダイヤモンド膜に所定レベルの熱伝導率を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１Ａおよび図１Ｂは、本発明によるダイヤモンド成長に使用できる例示的なナノパターン化基板の断面図（図１Ａ）および透視図（図１Ｂ）を示すブロック概略図である。
【図２】図２は、ダイヤモンドが上に成長した、図１Ｂに示される例示的なナノパターン化基板を示すブロック概略図である。
【図３】図３Ａおよび図３Ｂは、パターン化されたＳｉ基板上に成長させた例示的なダイヤモンド膜の結晶粒構造を示すマイクログラフィック画像であり、ここで、図３Ａはダイヤモンド−シリコン界面の直上の面の平面ＴＥＭ像であり、図３Ｂは、ダイヤモンド−シリコン界面の断面ＴＥＭ像である。
【図４】図４Ａおよび図４Ｂは、２つの例示的な２μｍ試料の成長側付近のダイヤモンド粒度分布を示す平面ＴＥＭ像であり、ここで、図４Ａはパターン付き試料上の粒度分布を示し、図４Ｂは平坦試料上の粒度分布を示す。
【図５】図５は、図４Ａ及び図４Ｂに描かれた試料におけるダイヤモンド粒度分布を示すグラフである。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは、パターニングされた基板（図６Ａ）および平坦な基板（図６Ｂ）上の組織付け（texturing）を示す、厚さ１μｍのダイヤモンド試料２個に対するＸＲＤスキャンの画像である。
【図７】図７は、平坦な基板上および３つのナノパターン化基板上に成長させた１μｍ厚のダイヤモンド膜の組織係数を示すプロットである。
【図８】図８は、本発明によるナノパターン化基板上に成長させたダイヤモンド膜の上面に位置する薄いアルミニウムトランスデューサのポンプ−プローブ時間依存サーモリフレクタンス（ＴＤＴＲ）を使用する例示的な熱測定技術を示すブロック概略図である。
【図９】図９は、平坦な基板上および２つの異なるパターン化された基板上に成長させた厚さ２μｍのダイヤモンド膜のそれぞれの熱伝導率を示すプロットである。
【図１０】図１０Ａおよび図１０Ｂは、本発明に従ってダイヤモンドを成長させることができる２つの例示的な三次元ナノパターン化基板を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上記に要約した本発明の態様及び特徴は、様々な形態で具体化することができる。以下の説明において、例示として、態様および特徴を実施することができる組み合わせおよび構成を示す。記載された態様、特徴、および／または実施形態は単なる例であり、当業者は本開示の範囲から逸脱することなく、他の態様、特徴、および／または実施形態を利用することができ、または構造的および機能的修正を行うことができることが理解される。
【００１４】
本発明は、ナノスケールのパターン化表面上の多結晶ダイヤモンドの成長習性（growth habit）を利用する。
【００１５】
ナノ結晶ダイヤモンド粒子が種付けされた表面からの成長の初期段階では、ダイヤモンドは、結晶が合体するまで等方的に成長し、その時点で成長モードは、ダイヤモンド結晶粒間の競争を伴う柱状となる。Ｈｏｂａｒｔらの「ワイドバンドギャップ半導体デバイスへの透明ナノ結晶ダイヤモンド接触（Transparent Nanocrystalline Diamond Contacts to Wide Bandgap Semiconductor Devices）」と題する米国特許第８，４４５，３８３号明細書を参照されたい。３次元パターン化構造上の多結晶ダイヤモンド成長の従前の観察は、構造の隅での加速されたダイヤモンド成長速度を示した。Ｈｏｂａｒｔらの共に「パターン化された半導体基板におけるナノ結晶ダイヤモンド三次元膜（Nanocrystalline Diamond Three-Dimensional Films in Patterned Semiconductor Substrate）」と題される米国特許第９，１５９，６４１号明細書および第９，３０５，８５８号明細書を参照されたい。この挙動は、自由コーナー上の隣接する結晶粒間の競争が減少することによるものであり、その結果、サブミクロンスケールでより大きくより速い結晶粒成長がもたらされる。
【００１６】
本発明は、ダイヤモンド膜の初期結晶粒サイズオーダーの特徴を有するナノパターン化基板上にダイヤモンドを成長させることによって、ナノスケールでの結晶粒成長を操作する。このようなナノパターン化基板上にダイヤモンドを成長させることにより、多結晶ダイヤモンド膜の結晶組織を、好ましい＜１１０＞配向組織を優先するように設計することができ、これは次に、ダイヤモンド膜の熱伝導率を高める。したがって、ナノパターン化された基板を設計することによって、本発明は、予測どおりの領区にダイヤモンド膜の微細構造を調整する。以下に記載されるように、Ｘ線回折データは、好ましい＜１１０＞配向組織の程度がナノスケール特徴サイズ（すなわち、後述される図１Ａにおける上端部幅）と逆のスケールとなることを示す。この強い相関関係は、ダイヤモンドの微細構造が基板のナノスケールの特徴に影響されていることを示唆しており、またこれは、好ましい＜１１０＞配向組織によって影響を受けることが知られている熱伝導率によっても裏付けられている。
【００１７】
したがって、本発明によれば、ダイヤモンド膜はナノパターン化された基板上に化学気相成長によって成長され、ここで、特徴のサイズおよび幾何学的形状は熱伝導率の所定の改善を得るように調整することができる。
【００１８】
図１Ａおよび図１Ｂは、本発明による熱伝導率を改善した多結晶ダイヤモンド薄膜を成長させるために使用できる例示的なナノパターン化基板の態様を示す。ここで、図１Ａは断面図を示すブロック図であり、図１Ｂはそのような基板の斜視図である。図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、例示的な実施形態において、そのようなナノパターン化基板は、溝形状でパターン化することができ、ここで、溝は、底部幅１０１、上端部幅１０２、および高さ１０３を有する。図２に示すように、このようなナノパターン化基板上に成長させたダイヤモンドは、溝内に充填されて、ダイヤモンドと基板との間の界面にシリコンとダイヤモンドの交互パターンを形成するであろう。以下により詳細に説明するように、溝の幾何学的パラメータは、多結晶ダイヤモンド薄膜の好ましい＜１１０＞結晶粒配向を得、かつそのようなダイヤモンド膜の熱伝導率の所定の改善を得るように調整することができる。
【実施例】
【００１９】
実験を行い、本発明の基礎となる概念、すなわち、初期結晶粒サイズオーダーの特徴を有するナノパターン化基板上にダイヤモンド膜を成長させることにより、優先的＜１１０＞組織および改良された熱伝導率を有する膜を得ることができることを実証した。
【００２０】
表Ｉに示される溝形状（底部幅、上端部幅、および高さ）を有する３つの異なるパターン化シリコン基板（基板Ａ、Ｂ、およびＣ）上、および、平面（パターン化されていない平坦である）表面を有する制御基板上に、ダイヤモンド試料を成長させた。本明細書の議論において、試料番号は、使用された基板およびその上に成長した膜の厚さを指し、例えば、「試料Ａ２」は、基板Ａ上に成長した２μｍの厚さのダイヤモンド膜である。
【００２１】
以下の表Ｉは、本発明によるナノパターン化基板上に成長させた試料Ａ２、Ｂ２、Ｃ２、および従来技術による平坦な平面基板上に成長させた試料ｒｅｆ２の各々についての幾何学的パラメータおよび実験的に実現された特徴サイズを示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
ダイヤモンド膜を、４つのナノパターン化された基板Ａ、Ｂ、Ｃ、および平坦な対照基板上に、以下に説明する２段階工程の手段によって成長させた。
【００２４】
第１のステップでは、平均直径４ｎｍ、溶液のダイヤモンド濃度５グラム／リットルを有する懸濁デトネーションナノダイヤモンド粒子のエタノール溶液に基板を浸漬した、ここで、ナノダイヤモンド種粒子の懸濁液は、溶液の高出力超音波処理によって形成した。溶液の調製に続いて、試料を２０分間超音波撹拌しながら溶液中に浸漬して、基板上のナノパターン化特徴を共形的に覆うダイヤモンド粒子のシード層を生成した。
【００２５】
シード層の成長後、試料を純エタノールですすぎ、乾燥させた。
【００２６】
第２のステップでは、水素およびメタンのガス流中、０．５％のメタン濃度、７ｔｏｒｒの圧力および１４００ワットのマイクロ波電力の下、７５０℃の基板温度でマイクロ波強化化学気相成長によって多結晶ダイヤモンド膜を基板上に成長させた。多結晶ダイヤモンド膜中のダイヤモンド結晶の結晶粒サイズは、初期結晶粒サイズ約４ｎｍで始まったが、小さな結晶粒がより大きな結晶粒に合体することにつれて急速に約１０ｎｍまで拡大した。結晶粒サイズは約１００〜約２００ｎｍまで成長し続け、垂直方向に追加の成長が行われて、１〜２μｍの厚さを有する膜が生成された。本発明者らは、このような成長の間、ダイヤモンド粒子は平坦な対照基板上で行われたよりも迅速に成長し、より顕著には、＜１１０＞配向結晶粒がダイヤモンドの熱伝導率を増加させるのに好都合であり、他の配向を有する結晶粒よりも迅速に成長し、上記膜は＜１１０＞配向組織をより強く示すことを見出した。
【００２７】
本発明者らによって調べられた実施例の膜では、ナノパターン化された特徴サイズの幅は約６０〜約４００ｎｍの範囲であったが、４ｎｍのという初期ダイヤモンド結晶粒サイズと同じくらい小さいサイズの特徴を有する基板を使用することもでき、そのように小さな特徴の上に成長したダイヤモンド膜の熱伝導率においては、さらに大きな改善が提供されることが予測される。
【００２８】
図３Ａおよび３Ｂは、試料Ａ（試料Ａ１）上に成長させた１μｍ厚の膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）平面図（図３Ａ）および断面図（図３Ｂ）の画像を示す。この場合、平面図は、成長界面（シリコン−ダイヤモンド界面）近傍の切片から得られ、ダイヤモンドがシリコンメサ（mesas）間の溝に満たされていることを示している。図３Ｂの断面図から分かるように、ダイヤモンド膜は共形的に、ナノパターン化基板を覆う。図３Ａおよび図３Ｂの両方において、各溝の中心におけるダイヤモンド膜中の結晶粒界は容易に見える。溝の底部におけるこれらの結晶粒界の存在は、基板上のナノパターン化されたメサの上端（すなわち、図１Ａに示される上端部幅１０２）で成長するダイヤモンド結晶粒がより迅速に成長し、成長プロセスを支配し、大きい結晶粒がより大きな集団となりかつ小さい結晶粒がより小さな集団となる（そして、以下に示されるように最小の結晶粒を排除する）ことを示している。これは、基板上のナノパターン化特徴がダイヤモンド成長挙動に影響を及ぼすという直接的な証拠である。
【００２９】
本発明者らは、ダイヤモンド膜の微細構造をさらに分析して、ダイヤモンド成長に対するナノパターン化基板の効果を決定した。図４Ａおよび図４Ｂは、ナノパターン化基板Ａ（試料Ａ２；図４Ａ）上および平坦な対照基板（試料ｒｅｆ２；図４Ｂ）上に成長した２μｍのダイヤモンド膜のＴＥＭ平面図であり、画像はダイヤモンドの上面の切片から撮影された。図４Ａおよび４Ｂの両方は、ダイヤモンド膜中に複数の結晶粒および結晶粒界が存在することを示す。２．３μｍ×２．３μｍ枠内の領域の結晶粒を分析し、その結果を図５のヒストグラムに示した。ナノパターン化基板試料Ａ２および平坦な対照基板ｒｅｆ２の平均結晶粒サイズはそれぞれ２４７ｎｍおよび２１６ｎｍであったが、ナノパターン化試料中には非常に小さい結晶粒は少なく、これはナノパターン化基板が平坦な基板と比較して結晶粒成長を加速することを実証する。
【００３０】
Ｘ線回折（ＸＲＤ）によって微細構造をさらに解析した、ここで、（２２０）反射ピークの強度が（１１０）配向組織の量を追跡し、（１１１）反射ピークが（１１１）配向組織の量を追跡している。
【００３１】
図６Ａおよび６Ｂは、ナノパターン化基板Ａ（試料Ａ１；図６Ａ）および平坦な対照基板（試料ｒｅｆ１；図６Ｂ）上の１μｍ厚のダイヤモンド膜のＸＲＤスペクトルを示す。平坦な基板と比較して基板がパターン化されるとき、（１１１）反射の強度が、好ましい（２２０）反射に対して収縮することが観察できた。これは、パターン化基板が微細構造を推進していることの追加証拠である。
【００３２】
図７のプロットは、研究されたナノパターン化特徴サイズの全てについて、図６のプロットと同様のプロットからのＸＲＤデータを要約する。図７から、基板内の特徴サイズの減少に伴って、好ましい（１１０）配向組織強度が増加し、（１１１）配向組織が減少することが観察でき、これは、基板特徴サイズと、その上に成長した多結晶ダイヤモンド膜の配向組織との間の直接的な相関を示している。また、図７は、特徴サイズのさらなる縮小が（１１１）配向組織よりも（１１０）配向組織の支配を改善し、それによって、多結晶ダイヤモンド膜の熱特性をさらに改善し得ることを示唆している。
【００３３】
ナノパターン基板上に成長したダイヤモンド膜の熱特性を時間依存サーモリフレクタンス（ＴＤＴＲ）により評価した。Ｊ．Ａｎａｙａら、「多結晶ダイヤモンドにおける格子熱伝導率と結晶粒／結晶粒熱抵抗の同時測定（Simultaneous determination of the lattice thermal conductivity and grain/grain thermal resistance in polycrystalline diamond）」、Ａｃｔａ  Ｍａｔｅｒｉｌｉａ  １３９、ｐ２１５−２２５、（２０１７）を参照されたい。ＴＤＴＲは、ポンプ−プローブフェムト秒レーザベースの技術である。ダイヤモンドは、図８のブロック図で概略的に示された方法で、ポンプレーザによって加熱される、ここでは、例示的なポンプ−プローブレーザビームを用いて、ナノパターン化された基板上の薄い多結晶ダイヤモンド膜の上面上に堆積された薄いアルミニウムトランスデューサをどのように加熱できるかを示している。基板／ダイヤモンド界面の熱抵抗（Ｒ＿界面）とダイヤモンド膜の熱抵抗（Ｒ＿ダイヤモンド）を測定し、ダイヤモンド膜の熱伝導率を決定するために用いた。
【００３４】
図９のプロットは、平坦な基板（試料ｒｅｆ２）上および６０ｎｍの溝上端部幅を有するナノパターン化試料（試料Ａ２）上に成長させた２μｍ厚のダイヤモンド膜の間の熱伝導率比較の結果を示す。図から分かるように、試料Ａ２は、試料ｒｅｆ２よりも約３０％高い熱伝導率を有する。さらに、表Ｉに示されるように、ナノパターン化基板Ａ２、Ｂ２、またはＣ２のいずれかの上に成長させたダイヤモンド膜の総熱抵抗は、平坦な対照基板上に成長させたダイヤモンド膜の抵抗よりも実質的に低く、熱抵抗の低下は、その比率Ｉ111／Ｉ220によって示されるような膜組織と溝特徴サイズの両方に強く相関している。
【００３５】
利点と新たな特徴
本発明は、多結晶ダイヤモンド膜の微細構造および熱伝導率を操作するために、ナノパターン化基板上に膜を成長させることによって、薄いダイヤモンド膜を成長させる新しい方法を提供する。その結果、平坦な平面基板上に成長させた膜が示すものよりも優れた熱特性を有する比較的薄い膜を得ることができる。
【００３６】
代替案
本明細書に記載の実験では、２次元ナノパターン化特徴（すなわち、溝）を使用した。しかしながら、図１０Ａに示される正方形ピラーまたは図１０Ｂに示される円形ピラーのような他の三次元ナノパターン化された特徴を採用することもでき、（１１１）配向結晶粒よりも（１１０）配向結晶粒を促進する観測効果を強めるであろう。
【００３７】
さらに、基板はシリコンである必要はない。この概念は、炭化ケイ素、窒化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、石英、サファイヤ、ならびに、酸化ガリウムおよび窒化ホウ素を含む超ワイドバンドギャップ半導体など、ナノパターン化された特徴を有する任意の基板および表面上で働くべきである。
【００３８】
多結晶ダイヤモンド膜の成長のためにナノパターン化基板を採用し、ダイヤモンド膜の熱伝導率の所望の改善を得る、新規な方法について記載してきた。本発明の特定の実施形態、態様、および特徴が記載され図示されてきたが、当業者は本明細書に記載される本発明がそれらの実施形態、態様、および特徴のみに限定されず、本明細書に記載され特許請求される基礎となる本発明の趣旨および範囲内にある任意のおよびすべての修正および代替実施形態も企図することを容易に理解するであろう。本出願は本明細書に記載され、特許請求される基礎となる発明の趣旨および範囲内の任意のおよびすべての修正を企図し、すべてのそのような修正および代替実施形態は、本開示の範囲および趣旨内であると見なされる。
【符号の説明】
【００３９】
１０１    底部幅
１０２    上端部幅
１０３    高さ
【図１】
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【図２】
2021525828.tif 000005
【図３】
2021525828.tif 000006
【図４】
2021525828.tif 000007
【図５】
2021525828.tif 000008
【図６】
2021525828.tif 000009
【図７】
2021525828.tif 000010
【図８】
2021525828.tif 000011
【図９】
2021525828.tif 000012
【図１０】
2021525828.tif 000013
【国際調査報告】
2021525828.tif 000014
2021525828.tif 000015