(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスとして炭素源と水素の混合ガスを用い、炭素を構成元素とする密度９８％以上のダイヤモンドからなる基板ホルダの上にダイヤモンド基板を載せ、該ダイヤモンド基板表面にプラズマＣＶＤによりダイヤモンド単結晶薄膜を形成するダイヤモンド単結晶薄膜形成方法において、前記ダイヤモンド基板を前記ホルダのダイヤモンド表面の一部に設け、ダイヤモンド基板が設けられていない該ホルダのダイヤモンド表面上にプラズマを照射して得られる炭素をプラズマ雰囲気中に取り込んで、前記混合ガスと共にダイヤモンド単結晶薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法。
【請求項２】
プラズマを発生させる励起源が１ＧＨｚ以上のマイクロ波又はミリ波を用いることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原料ガスとして炭素源と水素の混合ガスを用いてプラズマＣＶＤにより基盤表面にダイヤモンド単結晶薄膜を形成する際に、プラズマが接する基板ホルダとして炭素が主たる構成元素であるものを用いることにより、高速かつ高品質なダイヤモンド単結晶薄膜を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドはワイドバンドギャップ半導体として、優れた物理的・化学的性質を有し、例えば２００°Ｃ以下でのみ動作可能のシリコンに対し、１０００°Ｃでも動作する可能性を有している。
さらに、ダイヤモンドの大きいホール（Ｈａｌｌ）移動度と小さい比誘電率は大電力、高周波での素子の動作を可能にし、また熱伝導率が大きいことは素子の微細化・高集積化に有利である。
近年では、ダイヤモンドの持つ化学的安定性と大きな熱伝導性に加えて、負又は小さい電子親和力など、他の電子材料にはない特長から、フラットパネルディスプレイに用いる高効率電子エミッタ用材料としても期待されている。このようにダイヤモンドは次世代のエネルギー、情報通信、耐環境の各エレクトロニクスに最も適した材料と言える。
【０００３】
欠陥や不純物の極めて少ない半導体グレードのダイヤモンド単結晶薄膜合成技術はこれらの基盤となる技術である。欠陥や不純物はキャリアの散乱因子となり、ダイヤモンド薄膜の品質に悪影響を及ぼす。
それ故、ダイヤモンド薄膜を半導体材料に応用する場合、欠陥や不純物の少ない薄膜作成技術が必須である。また、工業として成り立つためには合成速度が大きくなければならない。現状では、２段階成長が必要である（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１に示すような技術では、１段階目の成長に時間がかかる欠点がある。また、従来はプラズマエッチングに強い基板ホルダとして、モリブデンを主たる構成元素とするものが用いられてきた。
しかし、このホルダにプラズマが接することにおよりプラズマ中にモリブデンを始めとする不純物が取り込まれ、作製されたダイヤモンド薄膜の品質に悪影響を及ぼす欠点があるという問題があった。
【特許文献１】特許第３１２５０４６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、基板ホルダを改良し、高速で高品質ダイヤモンド単結晶薄膜を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明では
具体的には、
１）原料ガスとして炭素源と水素の混合ガスを用い、プラズマＣＶＤによりダイヤモンド基板表面にダイヤモンド単結晶薄膜を形成する際に、炭素を構成元素とする基板ホルダにダイヤモンド基板を載せて、ダイヤモンド単結晶薄膜を形成することを特徴とするダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法、２）プラズマを発生させる励起源が１ＧＨｚ以上のマイクロ波又はミリ波を用いることを特徴とする上記１記載のダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法、３）炭素を構成元素とする基板ホルダが９５％以上の緻密なグラファイト又はカーボンであることを特徴とする上記１又は２記載のダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法、４）炭素を構成元素とする基板ホルダが密度９８％以上のダイヤモンドであることを特徴とする上記１又は２記載のダイヤモンド単結晶薄膜の製造方法、を提供するものである。
【発明の効果】
【０００７】
原料ガスとして炭素源と水素の混合ガスを用いてプラズマＣＶＤにより基板表面にダイヤモンド単結晶薄膜を製造する方法及び装置において、炭素が主たる構成元素である基板ホルダを用いることにより、成長速度が大きくなると共に、キャリアの散乱因子となる欠陥や不純物の導入を抑制することが可能になる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明を図に基づいて説明する。なお、以下に示す例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれに拘束され、限定されるものでない。すなわち、本発明の技術思想の範囲での改変、他の実施例又は態様は全て本発明に含まれるものである。
【０００９】
図１は、本発明のダイヤモンド薄膜を製造する装置の一例としてマイクロ波を基板の法線方向から入射するエンドランチ型マイクロ波ＣＶＤダイヤモンド合成装置を示している。
マイクロ波源(1)により２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振される。最大出力は１．５ｋＷであり、この出力は必要に応じて調整できる。
発振器から出たマイクロ波の一部が反射して導波管に戻って発振器に悪影響を与えるため、反射波のみを水負荷として熱吸収させ、マグネトロンの劣化を防ぐ保護装置が設けられているが、この保護装置がサーキュレータ(2)及びダミーロード(3)である。
【００１０】
チューナ(4)によって、マイクロ波の反射を押さえ、全入射電力をプラズマで消費するために導波管のインピーダンスを３本の棒で調整する。また、導波管内に突き出たアンテナを持つアプリケータ(5)によって、導波管を進行してきたＴＥ０１モードのマイクロ波を、同心円状のＴＭ０１モードに変換する。ＴＭ０１モードになることで、円筒のチャンバーにマイクロ波が整合し、安定したプラズマが立つ。
【００１１】
原料ガスのうち炭素源ガスと水素ガスは、図示しない各ガスボンベから、減圧弁、流量を調整するためのマスフローコントローラを経て、プロセスガス導入管(6)から混合ガスとしてプロセスチェンバー(8)に導かれる。
炭素源ガスのマスフローコントローラには、０．５％以下の混合比を得るために精度の高いものを用いる。
一方、原料ガスのうちドープ源ガスは、図示しないガスボンベから減圧弁、流量を調整するためのマスフローコントローラを経て、ドーピングガス導入管(7)からプロセスチェンバー(8)に導かれる。
【００１２】
水素に対するドープ源ガス濃度ｐｐｍ以下の混合比を得るために、ガスボンベには高純度水素で希釈されたものを用い、かつマスフローコントローラには精度の高いものを用いる。ＣＶＤダイヤモンド合成プロセス中はプロセスポンプ(13)による排気を行う。
必要に応じて、ｐ型又はｎ型ドーパント源であるドーピングガスを用いることができる。
【００１３】
図２に示す試料を載せる台、すなわち基板ホルダは、ダイヤモンド合成中にプラズマが接する部分であるが、従来モリブデンを主たる成分とするものが用いられてきた。作製される薄膜は半導体用途であり、意図しない不純物を極めて小さい濃度に抑える必要がある。
そのために、プラズマが接する基板ホルダを、薄膜の構成元素である炭素からなる部品にすることにより、意図しない不純物の濃度を著しく低減させることが本発明の着目点である。
加えて、プラズマ中に基板ホルダの炭素が取り込まれることにより、膜質を低下させることなく成膜速度を向上させることが可能になる。
【００１４】
次に、得られたダイヤモンド単結晶薄膜の触針段差計による膜厚測定結果、ホール効果測定結果及びショットキー接合特性を用いて説明する。
半導体デバイスとして利用できるためには、ホール移動度に代表される膜質と、ショットキー接合特性などの界面特性を両立させることのできる薄膜の作製が必須である。
良いショットキー接合特性を得るための必要条件に、非エピタキシャル成長粒子（二次核）などの無い良い表面モフォロジーがある。この必要条件を満たすような条件で合成したときの、基板ホルダの種類により膜質を比較する。
【００１５】
合成時、炭素源としては高純度メタンガスを用いたが、炭素源として、従来より用いられている炭素のみ、或いは酸素、水素を有している炭化物、例えば、二酸化炭素、一酸化炭素、アセチレン、エタン、メタノール、エタノール、フーラレン等を用いることができる。
ドープ源ガスにトリメチルボロンを用いてｐ型の薄膜を作製したが、ｐ型のドープ源としてホウ素を有しているジボラン等を用いることができる他、ｎ型のドープ源としてリンを有しているフォスフィン、ターシャリーブチルフォスフィン、トリメチルリン等を用いることができる。またガス供給総量４００ｓｃｃｍ、基板温度８００°Ｃ、基板位置は実験を通して不変とした。
【００１６】
モリブデンからなる基板ホルダを使用した場合と、炭素からなる基板ホルダを使用した場合のホール効果測定結果（ホール移動度）を図３に示す。
モリブデンからなるホルダを使用した場合に比べて炭素からなる基板ホルダを使用した場合にはホール移動度が著しく向上している。
図４に炭素からなる基板ホルダを使用した場合のアルミニウム電極とのショットキー接合特性を示す。
【００１７】
理想因子が１．１以下で逆方向電流が測定限界以下であり、デバイスグレードの薄膜が作製できていることを示している。
触針段差計により薄膜の成長速度をモリブデン、炭素からなる各基板ホルダについて調べた結果を図５に示す。
炭素からなる基板ホルダではモリブデンの２倍程度の成長速度であり、炭素からなる基板ホルダが薄膜成長の炭素源の１つになっていることが示唆される。
以上の結果から、炭素からなる基板ホルダを用いることにより、よりデバイスに有効な薄膜を作製することが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
原料ガスとして炭素源と水素の混合ガスを用いてプラズマＣＶＤにより基板表面にダイヤモンド単結晶薄膜を製造する際に、炭素が主たる構成元素である基板ホルダを用いることにより、成長速度が大きくなると共に、キャリアの散乱因子となる欠陥や不純物の導入を抑制することが可能になる効果を有し、欠陥や不純物の極めて少ない半導体グレードのダイヤモンド単結晶薄膜合成技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のダイヤモンド薄膜を製造する装置の一例としてのエンドランチ型マイクロ波ＣＶＤダイヤモンド合成装置を示す図である。
【図２】試料、基板ホルダとプラズマの位置関係を示す図である。
【図３】室温でのホール効果測定によるキャリア移動度を示す図である。
【図４】炭素からなる基板ホルダを用いて合成した薄膜とアルミニウム電極におけるショットキー接合のダイオード特性を示す図である。
【図５】各々の基板ホルダに対する薄膜の成長速度を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１ マイクロ波源
２ サーキュレータ
３ ダミーロード
４ チューナ
５ アプリケータ
６ プロセスガス導入管
７ ドーピングガス導入管
８ 試料出入口
９ ターボ分子ポンプ
１０ 高周波誘導加熱ヒータ
１１ ターボ分子ポンプ
１２ 前段ポンプ（方面）
１３ プロセスポンプ（方面）
【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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