(57)【要約】【課題】より確実に単結晶ダイヤモンドを成長させることができる単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法を提供する。【解決手段】単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法において、少なくとも、ダイヤモンド成長前の基材に対して予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、該処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法において、少なくとも、ダイヤモンド成長前の基材に対して予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、該処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項２】
前記バイアス処理における電流密度を１２０〜２３０mA/cm2とすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項３】
前記バイアス処理における処理時間を４５秒〜１８０秒とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項４】
前記バイアス処理における雰囲気を水素希釈メタンとし、その濃度をCH4／（CH4＋H2）＝０.５〜５.０vol.%とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項５】
前記バイアス処理における雰囲気を炭素および水素原子を含む混合ガスとし、その圧力を１０５〜１５０Torrとすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項６】
前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶イリジウム（Ir）を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項７】
前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶MgO基材上にヘテロエピタキシャル成長させたIr膜を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のバイアス処理を行った基材に対して、マイクロ波CVD法あるいは直流プラズマCVD法により、基板温度７００℃〜１４００℃の条件で成長し、単結晶ダイヤモンドを含む積層基板を製造することを特徴とする積層基板の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法で製造された単結晶ダイヤモンドを含む積層基板。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法で製造された積層基板から、ダイヤモンドのみ取り出したものであることを特徴とする自立単結晶ダイヤモンド基板。
【請求項１１】
請求項９に記載の単結晶ダイヤモンドを含む積層基板又は請求項１０に記載の自立単結晶ダイヤモンド基板を用いて作製したデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、5.47eVのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も10MV/cmと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電力デバイスとして有利である。
【０００３】
一方、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Johnson性能指数を比較しても、半導体の中で最も高速電力デバイスとして有利である。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
【０００４】
そのため、基板にダイヤモンド等を積層した積層基板が注目されている。
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、高圧法で合成されたIb型と呼ばれるダイヤモンドがほとんどである。このIb型ダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、かつ５mm角程度のサイズ迄しか得られず、実用性は低い。
【０００５】
それに対して、気相合成(Chemical Vapor Deposition:CVD)法では、高純度で比較的大面積のダイヤモンドが得られるという利点がある。
【０００６】
この気相合成法でダイヤモンド膜を成長する前に、ダイヤモンド成長前の基材に対して予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンドの核形成を行う、所謂バイアス処理が行われている。
【０００７】
例えば、非特許文献１，２では、ダイヤモンド成長前のIr基材温度を９００℃にしてバイアス処理を行うことで単結晶ダイヤモンド成長用基材を製造している。そして、該基材に対して、DCプラズマCVD法でダイヤモンド成長を進めることで、方位の揃ったダイヤモンド粒子を成長できることを報告している。
【０００８】
また、非特許文献３では、ダイヤモンド成長前のIr基材温度を９２０℃にしてバイアス処理を行うことが記載されており、上記非特許文献３と同様な結果が得られることを報告している。
【０００９】
しかしながら、上記非特許文献１〜３を見ても、基材の温度測定法やその条件、測定場所など詳細が全く不明である。更に、本発明者の実験では、他の如何なる条件が上記非特許文献１〜３の記載の条件になっていても、９００℃程度でバイアス処理を行った基材に対しては、単結晶ダイヤモンドを成長させることができなかった。
【００１０】
【非特許文献１】Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35(1996)pp.L1072-L1074
【非特許文献２】NEW DIAMOND,Vol.18 No.4,(2002), pp.6-12
【非特許文献３】第６５回応用物理学会学術講演会講演予稿集No.2(2004),pp.508
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、より確実に単結晶ダイヤモンドを成長させることができる単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法において、少なくとも、ダイヤモンド成長前の基材に対して予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、該処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法を提供する（請求項１）。
【００１３】
このように、バイアス処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことで、より確実に、単結晶ダイヤモンドを成長させることができる。
【００１４】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法では、前記バイアス処理における電流密度を１２０〜２３０mA/cm2とするのが好ましい（請求項２）。
【００１５】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法では、前記バイアス処理における処理時間を４５秒〜１８０秒とするのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法では、前記バイアス処理における雰囲気を水素希釈メタンとし、その濃度をCH4／（CH4＋H2）＝０.５〜５.０vol.%とするのが好ましい（請求項４）。
【００１７】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法では、前記バイアス処理における雰囲気を炭素および水素原子を含む混合ガスとし、その圧力を１０５〜１５０Torrとするのが好ましい（請求項５）。
【００１８】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法では、前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶イリジウム（Ir）を用いることができる（請求項６）。
【００１９】
あるいは、前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶MgO基材上にヘテロエピタキシャル成長させたIr膜を用いることができる（請求項７）。
【００２０】
さらに、本発明は、前記バイアス処理を行った基材に対して、マイクロ波CVD法あるいは直流プラズマCVD法により、基板温度７００℃〜１４００℃の条件で成長し、単結晶ダイヤモンドを含む積層基板を製造することを特徴とする積層基板の製造方法を提供する（請求項８）。
また、本発明は、前記方法で製造された単結晶ダイヤモンドを含む積層基板を提供する（請求項９）。
【００２１】
また、本発明は、前記方法で製造された積層基板から、ダイヤモンドのみ取り出したものであることを特徴とする自立単結晶ダイヤモンド基板を提供する（請求項１０）。
【００２２】
さらに、本発明は、前記単結晶ダイヤモンドを含む積層基板又は前記自立単結晶ダイヤモンド基板を用いて作製したデバイスを提供する（請求項１１）。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法を用いることで、より確実に、単結晶ダイヤモンドを成長させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
前述のように、従来、予めダイヤモンドの核を形成すべくバイアス処理を行っても、該バイアス処理を行った基材上に単結晶ダイヤモンドを確実に成長させることができないという問題があった。このため、本発明者は、バイアス処理の条件について鋭意研究を重ねた。
【００２５】
その結果、本発明者は、基材温度を所定範囲内としてバイアス処理を行えば、当該処理を行った基材に対して、より確実に、単結晶ダイヤモンドを成長させることができることに想到し、本発明を完成させた。
【００２６】
すなわち、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の製造方法は、少なくとも、ダイヤモンド成長前の基材に対して予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、該処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことを特徴とする。
【００２７】
より確実に単結晶ダイヤモンドを成長させるためには、このように、バイアス処理において、少なくともバイアス処理開始４０秒後からバイアス処理終了までの基材温度を８００℃±６０℃に保つことが必要である。
【００２８】
この最適温度範囲よりも低温（７４０℃未満）では基材表面にアモルファスカーボンが形成される一方でダイヤモンド核が形成されず、その後のダイヤモンド成長プロセスでも単結晶ダイヤモンドが成長しない。逆に、最適温度範囲よりも高温（８６０℃より高い）では表面のエッチングが進んでしまいダイヤモンド核が形成されず、その後のダイヤモンド成長プロセスでもダイヤモンドが成長しない。
【００２９】
ここで、基材温度の測定は、例えば、次のようにして行うことができる。
基材表面の温度は、CHINO社製放射温度計IR-CAI2CSで測定することができる。
該放射温度計の検出素子はInGaAsで測定波長は１.５５μmであり、３００℃から１６００℃までの温度測定が可能である。測定の際には、測定対象である基材表面がIrであり、結晶性、表面形状、測定温度、測定波長などで定まる放射率を設定する必要が有るが、厳密な設定は困難なので、一般的に知られている波長０.６５μmでの固体Irの放射率０.３０に設定すると良い。（取り扱い説明書：CHINO  INST  No.IR-274-P5CEのPage15を参照）。
実際の測定は、例えば、チャンバー外部に放射温度計を三脚を用いて設置し、チャンバーに設置されている石英ウインドウを通してチャンバー内の基材表面に照準を合わせて行うことができる。
【００３０】
次に、バイアス処理におけるその他の条件について以下に述べる。
前記バイアス処理における電流密度を１２０〜２３０mA/cm2とするのが好ましい。
【００３１】
また、前記バイアス処理における処理時間を４５秒〜１８０秒とするのが好ましい。
【００３２】
また、前記バイアス処理における雰囲気を水素希釈メタンとし、その濃度をCH4／（CH4＋H2）＝０.５〜５.０vol.%とするのが好ましい。
【００３３】
また、前記バイアス処理における雰囲気を炭素および水素原子を含む混合ガスとし、その圧力を１０５〜１５０Torrとするのが好ましい。
【００３４】
次に、バイアス処理に用いるダイヤモンド成長用基材としては、次のものを用いることができる。
すなわち、前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶イリジウム（Ir）を用いることができる。
【００３５】
あるいは、前記バイアス処理前のダイヤモンド成長用基材として、単結晶MgO基材上にヘテロエピタキシャル成長させたIr膜を用いることができる。
【００３６】
さらに、本発明は、前記バイアス処理を行った基材に対して、マイクロ波CVD法あるいは直流プラズマCVD法により、基板温度７００℃〜１４００℃の条件で成長し、単結晶ダイヤモンドを含む積層基板を製造することを特徴とする積層基板の製造方法を提供する。
また、本発明は、前記方法で製造された単結晶ダイヤモンドを含む積層基板を提供する。
【００３７】
また、本発明は、前記方法で製造された積層基板から、ダイヤモンドのみ取り出したものであることを特徴とする自立単結晶ダイヤモンド基板を提供する。
【００３８】
さらに、本発明は、前記単結晶ダイヤモンドを含む積層基板又は前記自立単結晶ダイヤモンド基板を用いて作製したデバイスを提供する。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
10.0mm角、厚さが0.5mmで方位（100）の両面研磨単結晶MgO基材を用意した。
そして、このMgO基材のダイヤモンド製膜を行う面側にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させた。電気的導通のために、さらに、裏面にもＩｒ膜を成長させた。
【００４０】
次に、この基材のIr膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。
先ず、バイアス処理前の準備として、基材を負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基材を加熱し（１回目の加熱）、基材温度を５分間で６４８℃まで昇温させた（図１（ａ））。次に、ＣＨ４／Ｈ２ガスを導入し、導入し、ベースプレッシャーを１１５Ｔｏｒｒとした。次に、再び基材を加熱し（２回目の加熱）、基材温度を、５分間で４６１℃まで昇温させた（図１（ｂ））。
【００４１】
それから、バイアス処理を行った。すなわち、ＤＣ電圧（３４５ｍＡ）を印加した。この時、基材温度を４０秒で８００℃まで、さらに９０秒で８１０℃まで昇温させることができた（図１（ｃ））。
【００４２】
そして最後に、この基材上に、マイクロ波（2.45GHz）CVD法によってダイヤモンドを成長させた。
【００４３】
得られた積層基板を確認したところ、単結晶ダイヤモンドを成長できたことが確認できた。
【００４４】
（比較例１）
実施例１と同様にして、MgO基材のダイヤモンド製膜を行う面側にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させた。電気的導通のために、さらに、裏面にもＩｒ膜を成長させた。
次に、この基材のIr膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。
先ず、バイアス処理前の準備として、基材を負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基材を加熱し（１回目の加熱）、基材温度を５分間で５３８℃まで昇温させた（図２（ａ））。次に、ＣＨ４／Ｈ２ガスを導入し、導入し、ベースプレッシャーを１１５Ｔｏｒｒとした。次に、再び基材を加熱し（２回目の加熱）、基材温度を、５分間で４２３℃まで昇温させた（図２（ｂ））。
【００４５】
それから、バイアス処理を行った。すなわち、ＤＣ電圧（２８０ｍＡ）を印加した。この時、基材温度を４０秒で７２０℃まで、さらに９０秒で７９９℃まで昇温させることができた（図２（ｃ））。
【００４６】
そして最後に、この基材上に、マイクロ波（2.45GHz）CVD法によってダイヤモンドを成長させようとした。
【００４７】
しかしながら、得られた積層基板を確認したところ、単結晶ダイヤモンドを成長できなかったことが確認された。
【００４８】
（比較例２）
実施例１と同様にして、MgO基材のダイヤモンド製膜を行う面側にIr膜をヘテロエピタキシャル成長させた。電気的導通のために、さらに、裏面にもＩｒ膜を成長させた。
次に、この基材のIr膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。
すなわち、処理前に所定の準備をした後、ＤＣ電圧（４００ｍＡ）を印加した。この時、基材温度を４０秒で８５２℃まで、さらに９０秒で８８７℃まで昇温させることができた（図３）。
【００４９】
そして最後に、この基材上に、マイクロ波（2.45GHz）CVD法によってダイヤモンドを成長させようとした。
【００５０】
しかしながら、得られた積層基板を確認したところ、単結晶ダイヤモンドを成長できなかったことが確認された。
【００５１】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】バイアス処理前及びバイアス処理中の基材温度の変化を示すグラフである（実施例１）。
【図２】バイアス処理前及びバイアス処理中の基材温度の変化を示すグラフである（比較例１）。
【図３】バイアス処理前及びバイアス処理中の基材温度の変化を示すグラフである（比較例２）。
【図１】
2007238377.tif 000002
【図２】
2007238377.tif 000003
【図３】
2007238377.tif 000004