(57)【要約】【課題】欠陥や転位濃度の少ないダイアモンド結晶をダイアモンド以外の基板上に成長させる。【解決手段】成長基板上に成長したダイアモンド膜であって、前記成長基板は１×１周期に変化した表面超構造を備えている。また、ダイアモンド膜成長のためのサーファクタントとしてＡｓかＳｂ原子を用いる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長用の基板上に成長したダイアモンド膜であって、前記基板はダイアモンドの自然な周期に変化した表面超構造を備えていることを特徴とするダイアモンド膜。
【請求項２】
請求項１に記載のダイアモンド膜において、前記基板表面は、吸着子によってダイアモンドの自然な周期に変化されていることを特徴とするダイアモンド膜。
【請求項３】
請求項２に記載のダイアモンド膜において、前記吸着子は、サーファクタントであることを特徴とするダイアモンド膜。
【請求項４】
請求項３に記載のダイアモンド膜において、前記サーファクタントは、Ｖ族の元素あるいはＡｓまたはＳｂであることを特徴とするダイアモンド膜。
【請求項５】
ダイアモンド成長において、成長用の基板の表面超構造をダイアモンドの自然な周期に変化させる工程を含むことを特徴とするダイアモンド成長方法。
【請求項６】
請求項５に記載のダイアモンド成長方法において、前記基板表面をダイアモンドの自然な周期に変化させる工程には、吸着子を用いることを特徴とするダイアモンド成長方法。
【請求項７】
請求項６に記載のダイアモンド成長方法において、前記吸着子は、サーファクタントであることを特徴とするダイアモンド成長方法。
【請求項８】
請求項７に記載のダイアモンド成長方法において、前記サーファクタントは、Ｖ族の元素あるいはＡｓまたはＳｂを用いることを特徴とするダイアモンド成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイアモンド結晶成長技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ダイアモンド結晶の成長には、ダイアモンド基板を用いるか、あるいは格子定数の似ている材料による基板を用いる。
【０００３】
ダイアモンド結晶成長のガスソースとしては、メタンなどの炭化水素のほかに水素ガスをキャリアーガスとして用いる。このようなガスソースを用いた方法において、成長するダイアモンド結晶の結晶性は、炭化水素ガスと水素ガスとの混合比によって敏感に決定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ダイアモンド膜を成長させるための基板が、ダイアモンドの場合には、その表面平坦性が成長させるダイアモンド膜の結晶性に大きな影響を与えることが知られている。しかし、ダイアモンド基板の平坦化表面処理技術は困難であった。
【０００５】
一方、基板がダイアモンド以外の物質の場合には、格子定数がダイアモンドと異なるため、成長させたダイアモンドに歪による転位が入り結晶性が悪化する。
【０００６】
例えば、ＳｉＣのような格子定数がＳｉなどに比べてダイアモンドに近い物質の場合でも、その基板表面固有の原子再配列が成長を妨げる要因となり、結晶性の良好ダイアモンドの成長は困難であった。
【０００７】
そこで、本発明の一般的な技術的課題は、炭化水素と水素ガスとの混合比に関係なく、欠陥や転位の少ない良質のダイアモンド膜を基板上に成長させることができるダイアモンド成長方法とそれを用いて成長したダイアモンド膜とを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の特殊な技術的課題は、欠陥や転位濃度の少ないダイアモンド結晶をダイアモンド以外の基板上に成長させることができるダイアモンド成長方法とそれを用いて成長したダイアモンド膜とを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、成長用の基板上に成長したダイアモンド結晶膜であって、前記基板はダイアモンドの自然な周期に変化した表面超構造を備えていることを特徴とするダイアモンド膜が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド膜において、前記基板表面は、吸着子によってダイアモンドの自然な周期に変化されていることを特徴とするダイアモンド膜が得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド膜において、前記吸着子は、サーファクタントであることを特徴とするダイアモンド膜が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド膜において、前記サーファクタントは、Ｖ族の元素あるいはＡｓまたはＳｂであることを特徴とするダイアモンド膜が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、ダイアモンド成長において、成長基板の表面超構造をダイアモンドの自然な周期に変化させる工程を含むことを特徴とするダイアモンド成長方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド成長方法において、前記基板表面をダイアモンドの自然な周期に変化させる工程には、吸着子を用いることを特徴とするダイアモンド成長方法が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド成長方法において、前記吸着子は、サーファクタントであることを特徴とするダイアモンド成長方法が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記ダイアモンド成長方法において、前記サーファクタントは、Ｖ族の元素あるいはＡｓまたはＳｂを用いることを特徴とするダイアモンド成長方法が得られる。
【００１７】
即ち、本発明では、ダイアモンド成長において、成長基板の表面超構造をダイアモンドの自然な周期に変化させる技術、あるいは、その基板表面をダイアモンドの自然な周期に変化させる工程に吸着子を用いる技術、あるいは吸着子がサーファクタントである技術、あるいは、サーファクタントはＶ族の元素あるいはＡｓまたはＳｂを用いる技術を提供する。その結果、炭化水素と水素ガスとの混合比に関係なく、欠陥や転位の少ない良質のダイアモンド膜を基板上に成長させることができるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
本発明では、ダイアモンド成長前に、基板特有の超構造をＶ族吸着によって消失させる。しかる後に炭化水素分子を表面に吸着させる。表面温度を高温に保ったまま炭化水素を吸着させつづけることにより、Ｖ族原子は常に最表面に残りその下にダイアモンド膜が成長する。
【００２０】
次に、本発明について具体的に説明する。
【００２１】
図１はダイアモンド成長を行う前の基板表面を真上より見た状態の概略を示す拡大図で、ここでは、基板として、βＳｉＣ（００１）表面を例示してある。清浄な表面を真上から見ると、図１のような原子配列をしている。表面上にて炭素原子がダイマーを組んでおり、バルクＳｉＣに見られたダイアモンド型原子配列をなしていない。
【００２２】
従って、この表面上への更なるダイアモンド層の成長はトポロジー的にも困難である。ダイアモンドの成長のためには、まずこの表面にできた炭素原子ダイマーを消失させなくてはいけない。
【００２３】
そこで、その表面上にＶ族元素を吸着させる。すると図２のように表面の原子配列がダイアモンド型に変位する。
【００２４】
図２は図１の表面のＶ族原子３を吸着させた場合の最安定構造を示す図である。
【００２５】
第一原理計算の結果、Ｖ族元素がＳｂの場合には図１のような表面に吸着した場合、炭素ダイマー間距離が１．２３Å（０．１２３ｎｍ）から１．６９Å（０．１６９ｎｍ）へと増大し炭素間結合が著しく弱められていることが示された。
【００２６】
更に、図２の構造へと変位するのに伴うエネルギーの下がりは２×１表面当たり０．９１ｅＶもあることが判明した。ここで、図２の構造においては、Ｖ族の原子位置も含めて基板の全原子が占める格子位置はダイアモンド方結晶の再構成の無い理想的な（００１）表面のものと一致しており、この表面上へのダイアモンド成長をトポロジー的に可能にしている。
【００２７】
図３は図２を横から見たものであり、その上に更に４（炭素原子）と５（水素原子）で示された炭化水素分子が吸着した構造を示す図である。図３に示すように、更に表面には炭化水素層が吸着している。
【００２８】
図４は図３の構造の後、熱的な反応でＶ族原子が最表面へ移動し、水素分子６が脱離した構造を示す図である。
【００２９】
しかし、第一原理計算の結果、Ｖ族原子はエネルギーを下げる為に直ちに図４のように新たに吸着した炭素原子と位置を交換し、更には炭素と吸着していた水素原子を水素分子６に変えて表面より離脱させる。そうしてＶ族原子は、再び最表面にその位置を移す。
【００３０】
一方、その下の層では、炭素原子のみからなる２層のダイアモンド型結晶が出現している。いったん炭素同士の結合が構成されてしまうと、もっと下の層のＳｉ原子がこのダイアモンド層へと拡散することは不可能になる。この表面に更に炭化水素分子を降らせつづけることにより、Ｖ族原子の置換と水素分子の脱離が繰り返され炭素のみからなるダイアモンド層が積層していく。
【００３１】
第一原理計算の結果によると、Ｖ族元素としてＡｓかＳｂを選んだ場合には、図３よりも図４の構造のエネルギーが低い。
【００３２】
Ａｓの場合には表面２×１周期あたり０．２１ｅＶ低く、Ｓｂの場合には０．７９ｅＶも低くなる。従ってＳｂがサーファクタントとして最も好ましいＶ族元素といえるが、第一原理計算の結果はＡｓを用いてもかまわないことを示している。
【００３３】
しかし、Ｐを使った場合にはダイアモンド膜成長は期待できない。その理由は図３〜４の構造に移るとかえってエネルギーが１．１４ｅＶも上昇してしまうことが第一原理計算より示されていて、熱力学的に無理な反応になってしまうからである。
【００３４】
このようにＰ原子がサーファクタントとして不向きな理由はその原子半径にある。Ｐ原子の原子半径は１．１０Åと小さいので、炭素原子と置換して最表面に出なくても歪みエネルギーを増大させることは無い。
【００３５】
従って、成長中のダイアモンド膜内に残留してしまう。しかし、この原子半径はバルクダイアモンド内に歪を発生させる程度には大きいので、結果として内部に歪みを蓄えてしまい、結晶の完全性を悪くしてしまう。時には、欠陥の発生を伴う恐れもある。他方、ＡｓやＳｂはそれぞれ原子半径が１．１８Å（０．１１８ｎｍ）、１．３６Å（０．１３６ｎｍ）もあるので常に最表面位置へと置換することを好む。このことがダイアモンド成長中にＡｓやＳｂ原子がバルクに残留しない理由である。
【００３６】
更に、ＡｓやＳｂは水素原子との結合力が炭素のそれに比べて著しく低いので、炭化水素ガスによって取り込まれた水素原子は、これらＶ族原子と結合することよりも水素分子となってＡｓやＳｂから離れて真空中へ脱離することを好むのである。第一原理計算の結果、表面からＨ２分子が脱離するのに必要な活性化エネルギーは０．０８ｅＶしかない。
【００３７】
成長中は表面の温度を６００度から８００度に保つことが望ましい。この温度範囲の下では、炭化水素分子を吸着した後Ｖ族元素が最表面の炭素と置換して表面に位置する反応が表面全域に渡って容易に起こる。そのために基板との格子定数の違いによる歪が局所的に集中することが妨げられるので転位の発生が抑制される。
【００３８】
また、更に炭化水素分子を吸着させつづけても継続的に炭素原子のみからなる層の成長が起こる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、炭化水素と水素ガスとの混合比に関係なく、欠陥や転位の少ない良質のダイアモンド膜を基板上に成長させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイアモンド成長を行う前の基板表面を真上より見た図である。ここではβＳｉＣ（００１）表面を例示してある。
【図２】図１の表面のＶ族原子（３）を吸着させた場合の最安定構造を示す図である。
【図３】図２を横から表示した図である。更に表面には炭化水素層が吸着している。
【図４】図３の構造の後、熱的な反応でＶ族原子が最表面へ移動し、水素分子（６）が脱離した構造を示す図である。
【符号の説明】
１　　Ｓｉ原子
２　　炭素原子
３　　Ｖ族原子
４　　新たに吸着した炭化水素層の炭素原子
５　　水素原子
６　　水素分子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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