(57)【要約】【課題】転位を含む加工変質部を主面上から除去する事が可能なダイヤモンド結晶の研磨方法と、同加工変質部が主面上から除去されたダイヤモンド結晶の実現。【解決手段】主面の面方位が（100）であるダイヤモンド結晶を用意し、次に機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施す際に、ダイヤモンド結晶と回転している研磨ホイールとの接触箇所に於ける研磨ホイールの回転方向上での接線方向を、ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対して±10°以内として、機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施す。この機械研磨により、ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に、更にダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させる。次にダイヤモンド結晶の主面にCMPを施して、面方位（111）方向と平行に出現した加工変質部を除去し、主面上から加工変質部を除去する。【選択図】図２
2019177092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主面の面方位が（100）であるダイヤモンド結晶を用意し、
次に研磨ホイールを用いた機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施す際に、ダイヤモンド結晶と回転している研磨ホイールとの接触箇所に於ける研磨ホイールの回転方向上での接線方向を、ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対して±10°以内として、機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施し、ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させ、
次にダイヤモンド結晶の主面にCMPを施して、面方位（111）方向と平行に出現した加工変質部を除去し、主面上から加工変質部を除去するダイヤモンド結晶の研磨方法。
【請求項２】
前記CMPを施して、前記主面の表面粗さRqを５ｎｍ以下とする請求項１に記載のダイヤモンド結晶の研磨方法。
【請求項３】
主面の面方位が（100）であると共に、面方位（111）方向に平行な加工変質部を含まず、且つ面方位（111）方向に平行な加工変質部が主面上に出現していないダイヤモンド結晶。
【請求項４】
前記主面の表面粗さRqが５ｎｍ以下である請求項３に記載のダイヤモンド結晶。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド結晶の研磨方法とダイヤモンド結晶に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンド結晶は究極の半導体用材料として期待されている。その理由は、ダイヤモンド結晶が高熱伝導率、高い電子移動度と正孔移動度、高い絶縁破壊電界強度、低誘電損失、そして広いバンドギャップ等、半導体用材料として他に類を見ない、優れた特性を数多く備えている為である。バンドギャップは約5.5ｅＶで、既存の半導体用材料中では極めて高い値を有する。特に近年では、広いバンドギャップを活かした紫外発光素子や、優れた高周波特性を持つ電界効果トランジスタ、放熱板等が開発されつつある。【０００３】
そのようなダイヤモンド結晶の一例として、特許文献１が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０４６２９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ダイヤモンド結晶を半導体用途に利用する場合、ダイヤモンド結晶の主面上に半導体層を形成する形態が考えられる。従って主面上の表面粗さを、市場から要求される数値内に収める為に、主面上に研磨を施す必要が有る。【０００６】
そこで本出願人は、下地基板の面上に、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンド結晶を成長形成させ、更に成長させたダイヤモンド結晶の主面（面方位（100））に機械研磨を施し、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法で測定した。シンクロトロンＸ線トポグラフィ法によるダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真を、図１０に示す。【０００７】
図１０に示す様に、機械研磨を施したダイヤモンド結晶の主面とその近傍の厚み部分に、転位を含む加工変質部６が、ダイヤモンド結晶の主面を貫通して形成されている事が確認された。【０００８】
ダイヤモンド結晶を半導体用途に利用する場合、主面を貫通して転位を含む加工変質部が形成されている事は、ダイヤモンド結晶の主面上に半導体層を形成した時に、加工変質部を引き継いで半導体層にも転位や欠陥が形成されてしまう為、好ましくない。従って、市場に出荷する段階でのダイヤモンド結晶の主面上には、転位を含む加工変質部が無い状態が求められる。【０００９】
そこで本出願人は、化学機械研磨（以下、CMP：Chemical Mechanical Polishing）を導入して主面状態を観察したが、単にCMPを施すだけでは主面に出現している加工変質部を除去仕切れない事が、本出願人の検証により確認された。【００１０】
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、転位を含む加工変質部を主面上から除去する事が可能なダイヤモンド結晶の研磨方法と、同加工変質部が主面上から除去されたダイヤモンド結晶の実現を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題は、以下の本発明により解決される。即ち、本発明のダイヤモンド結晶の研磨方法は、主面の面方位が（100）であるダイヤモンド結晶を用意し、次に研磨ホイールを用いた機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施す際に、ダイヤモンド結晶と回転している研磨ホイールとの接触箇所に於ける研磨ホイールの回転方向上での接線方向を、ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対して±10°以内として、機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施し、ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させ、次にダイヤモンド結晶の主面にCMPを施して、面方位（111）方向と平行に出現した加工変質部を除去し、主面上から加工変質部を除去することを特徴とする。【００１２】
また本発明のダイヤモンド結晶は、主面の面方位が（100）であると共に、面方位（111）方向に平行な加工変質部を含まず、且つ面方位（111）方向に平行な加工変質部が主面上に出現していないことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のダイヤモンド結晶の研磨方法に依れば、機械研磨により敢えてダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させる。ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に、集中させて加工変質部を一旦出現させる事で、機械研磨後のCMPによりダイヤモンド結晶の加工変質部を完全に除去する事が可能となる。この様にして、転位を含む加工変質部を主面上から除去する事が可能なダイヤモンド結晶の研磨方法と、同加工変質部が主面上から除去されたダイヤモンド結晶を実現する事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る研磨方法が施されるダイヤモンド結晶を示す説明図である。
【図２】本発明に係る研磨方法の研磨ホイールの回転方向、図１のダイヤモンド結晶と研磨ホイールとの接触箇所に於ける接線方向、及びダイヤモンド結晶の＜110＞方向を模式的に示す説明図である。
【図３】図２で示される研磨ホイールの回転方向、ダイヤモンド結晶と研磨ホイールとの接触箇所、接線方向、及びダイヤモンド結晶の＜110＞方向を、研磨ホイール側から見た時の平面図である。
【図４】図３の変更形態を示す平面図である。
【図５】図３のその他の変更形態を示す平面図である。
【図６】本発明に係る研磨方法に於ける機械研磨後に、ダイヤモンド結晶の（111）方向と平行に且つ主面上に貫通して出現される加工変質部を示す説明図である。
【図７】図６に示す加工変質部が、CMPで除去されたダイヤモンド結晶を模式的に示す説明図である。
【図８】本発明の実施例に係るダイヤモンド結晶に機械研磨を施し、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法で測定したダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真である。
【図９】本発明の実施例に係るダイヤモンド結晶にCMPを施し、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法で測定したダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真である。
【図１０】ダイヤモンド結晶に機械研磨を施し、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法で測定したダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施の形態の第一の特徴は、主面の面方位が（100）であるダイヤモンド結晶を用意し、次に研磨ホイールを用いた機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施す際に、ダイヤモンド結晶と回転している研磨ホイールとの接触箇所に於ける研磨ホイールの回転方向上での接線方向を、ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対して±10°以内として、機械研磨をダイヤモンド結晶の主面に施し、ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させ、次にダイヤモンド結晶の主面にCMPを施して、面方位（111）方向と平行に出現した加工変質部を除去し、主面上から加工変質部を除去するダイヤモンド結晶の研磨方法とした事である。
【００１６】
本実施の形態の第二の特徴は、主面の面方位が（100）であると共に、面方位（111）方向に平行な加工変質部を含まず、且つ面方位（111）方向に平行な加工変質部が主面上に出現していないダイヤモンド結晶とした事である。
【００１７】
これの方法及び構成に依れば、機械研磨により敢えてダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して加工変質部を出現させる。ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に、集中させて加工変質部を一旦出現させる事で、機械研磨後のCMPによりダイヤモンド結晶の加工変質部を完全に除去する事が可能となる。この様にして、転位を含む加工変質部を主面上から除去する事が可能なダイヤモンド結晶の研磨方法と、同加工変質部が主面上から除去されたダイヤモンド結晶を実現する事が出来る。なお、±10°以内には±0°を含む。
【００１８】
本実施の形態の第三の特徴は、CMPを施して主面の表面粗さRqを５ｎｍ以下とするダイヤモンド結晶の研磨方法である。また第四の特徴は、主面の表面粗さRqが５ｎｍ以下であるダイヤモンド結晶である。
【００１９】
これの方法及び構成に依れば、主面の表面粗さRqが５ｎｍ以下に抑えられたダイヤモンド結晶が得られる為、半導体層の成長用下地結晶として使用可能なダイヤモンド結晶が実現される。
【００２０】
以下に、図１〜図７を参照して、本発明の実施形態に係るダイヤモンド結晶の研磨方法とダイヤモンド結晶を説明する。最初に図１に示す様に、バルク体で、主面２の面方位が（100）であり、＜110＞方向が図１中の矢印５で示される様なダイヤモンド結晶１を用意する。ダイヤモンド結晶１は単結晶でも多結晶でも良い。またダイヤモンド結晶１の外観は、図１では主面２が四角いダイヤモンド結晶を一例として図示したが、外観は四角形状に限定されずどのような形状でも良い。
【００２１】
なおダイヤモンド結晶１の厚みは、ハンドリングに不都合が生じない程度の強度を有する厚みが好ましく、具体的には0.3ｍｍ以上が好ましい。またダイヤモンド結晶は極めて硬い材料なので、素子やデバイス形成後の劈開の容易性等を考慮すると、厚みの上限は3.0ｍｍ以下が好ましい。
【００２２】
またダイヤモンド結晶１の成長方法は、化学気相蒸着法（CVD：Chemical Vapor Deposition）法等の気相成長法等によるヘテロエピタキシャル成長法又はホモエピタキシャル成長法であれば何でも良く、成長形成されたダイヤモンド結晶から主面の面方位が（100）であるダイヤモンド結晶を用意すれば良い。
【００２３】
次に図２に示す様に、ダイヤモンド結晶１の主面２に、研磨ホイール（研磨輪）３を用いた機械研磨を施す。研磨ホイール３や研磨材は市販品が使用可能である。
【００２４】
研磨ホイール３を用いた機械研磨をダイヤモンド結晶１の主面２に施す際に、ダイヤモンド結晶１と、回転している研磨ホイール３との接触箇所を、図２中に代表して２点（4a及び4b）図示した。なお研磨ホイール３の回転方向は、図２及び図３中に矢印3aで示す。本出願及び実施形態では、その接触箇所4a及び4bに於ける回転方向3a上での接線方向4a1及び4b1を、ダイヤモンド結晶１の＜110＞方向（図１〜図３の矢印５方向）に対して、±10°以内に設定する。なお、±10°以内には±0°を含む。図２及び図３では、接線方向4a1及び4b1と、ダイヤモンド結晶１の＜110＞方向５とが形成する角度θが、±0°（即ち互いに平行）となる形態を図示している。従って、図３では引き出し記号θの図示は省略している。
【００２５】
接線方向4a1及び4b1を、＜110＞方向５に対して±10°以内に設定して機械研磨をダイヤモンド結晶１の主面２に施す事で、図６に示す様にダイヤモンド結晶１の面方位（111）方向と平行に且つ主面２上に貫通して、加工変質部1aを集中して出現させられる事を、本出願人は検証により見出した。なお、図６では見易さを優先して加工変質部1aの図示は１箇所のみとしたが、本出願人の検証では、複数の加工変質部1aが面方位（111）方向と平行な方向に揃って集中的に、且つ主面２上に貫通して出現する事が確認された。
【００２６】
より詳述すると、接線方向4a1及び4b1と＜110＞方向５とが形成する角度θが、±10°以内となる接触箇所が形成され続けるように、主面２に対して研磨ホイール３を接触させながら移動させる。具体的には、主面２の全面に亘って研磨ホイール３を接触させつつ移動させ、主面２の全面に亘る研磨ホイール３との接触箇所に於いて、角度θが少なくとも１回は±10°以内となる様に、研磨ホイール３を主面２の全面に亘って接触させつつ移動させる。
【００２７】
本来は、機械研磨を施した後の主面２上に、加工変質部1aが貫通して出現すると、そのダイヤモンド結晶１は不良品と判定される。しかし本出願及び本実施形態では、後述するCMPにより前記1aを含む加工変質部が完全に除去可能である事を見出した。そこで敢えて機械研磨の段階で、加工変質部1aを必ず出現させている。
【００２８】
面方位（111）方向と平行に加工変質部1aが出現する詳細な原理は不明ながら、本出願人は仮説として、何らかの加工により比較的加工変質部が現れ易い面方位として、（111）方向及び（111）方向と平行な方向が挙げられるのではないかと推測した。主面２の面方位を（100）とし、且つ前述の通り角度θを±10°以内に収めて、主面２に対して研磨ホイール３を接触させて移動する事で、（111）方向と平行に集中して加工変質部1aが出現したと思われる。なお加工変質部1aは機械研磨により出現したので、加工変質部1aには転位を含んでいるものと推測される。
【００２９】
従って、ダイヤモンド結晶１の面方位（111）方向と平行に、且つ主面２上に貫通して加工変質部1aを出現させる条件は、本出願人の検証の結果、主面２の面方位が（100）であり、接線方向4a1及び4b1を、ダイヤモンド結晶１の＜110＞方向５に対して±10°以内とする事であると結論付けた。
【００３０】
なお、図４又は図５に示す様に、角度θが±10°の範囲を外れ、１回も±10°以内に入らなかった接触箇所では、転位を含む加工変質部が集中して面方位（111）方向と平行に入らず、表面粗さも原子レベルの平坦にならなかった。その結果、後述するCMPを施しても、速やかに加工変質部が除去されなかった。更にCMP由来の新たな加工変質部も形成されたと思われ、結果的に主面２上の加工変質部が完全に除去されていない事が確認された。なお図４又は図５では、＜110＞方向５を基準として角度θが±45°となる接触箇所が形成される形態を、一例として図示している。
【００３１】
次に、機械研磨を得たダイヤモンド結晶１の主面２にCMPを施して、加工変質部1aを除去する。CMPは、加工変質部1aを主面２上から除去出来る時間まで行う。図７に、加工変質部がCMPで除去されたダイヤモンド結晶１を図示する。
【００３２】
CMPで使用する研磨材は市販品が使用可能であり、例えば、酸化亜鉛、酸化クロム、酸化セリウム、酸化チタン、酸化鉄、シリカ、などが使用可能である。また研磨パッドも市販品が使用可能である。
【００３３】
CMPにより加工変質部1aが除去可能な詳細な原理は不明である。しかし本出願人は仮説として、CMPによる新たな加工変質部が形成される前に、速やかに加工変質部1aが除去されるので、CMPにより前記1aを含む主面２の加工変質部が完全に除去可能になるのではないかと推測した。前述の通り、ダイヤモンド結晶１の（111）方向及び（111）方向と平行な方向が、何らかの加工により比較的加工変質部が現れ易い面方位と推測した場合、加工変質1aはCMPによる変質も受け易いと推測され、CMPによる新たな加工変質部が形成される前に、速やかに加工変質部1aが除去されると推測される。
【００３４】
以上、本発明及び本実施形態に係るダイヤモンド結晶１の研磨方法及びダイヤモンド結晶１に依れば、機械研磨により敢えてダイヤモンド結晶１の面方位（111）方向と平行に且つ主面２上に貫通して加工変質部1aを出現させている。ダイヤモンド結晶１の面方位（111）方向と平行に、集中させて加工変質部1aを一旦出現させる事で、機械研磨後のCMPにより前記1aを含む加工変質部を完全に除去する事が可能となる。この様にして、転位を含む加工変質部1aを主面２上から除去する事が可能なダイヤモンド結晶１の研磨方法を実現する事が出来る。また、主面２の面方位が（100）であると共に、面方位（111）方向に平行な加工変質部1aを含まず、加工変質部1aが主面２上から除去されて出現していないダイヤモンド結晶１を実現する事も出来た。なお、加工変質部1aの有無は、例えばシンクロトロンＸ線トポグラフィ法により測定すれば良い。
【００３５】
更に、本発明に係る研磨方法により作製されたダイヤモンド結晶１を、半導体用途に使用した場合、主面２上に加工変質部1aが出現していないので、主面２上に形成される半導体層への転位や欠陥の導入が防止される。従って、半導体層の特性向上が可能なダイヤモンド結晶１を提供する事も可能となる。
【００３６】
なお主面２の表面粗さRqは、CMPを施す事で５ｎｍ以下に収める。Rqの測定は、表面粗さ測定機により行えば良い。従って、主面の表面粗さRqが５ｎｍ以下に抑えられたダイヤモンド結晶が得られる為、半導体層の成長用下地結晶として使用可能なダイヤモンド結晶が実現される。
【００３７】
以下に本発明に係る実施例を説明するが、本発明は以下の実施例にのみ限定されるものではない。
【実施例】
【００３８】
最初に、ダイヤモンド結晶として、ヘテロエピタキシャル成長法により、バルク体で、主面の面方位が（100）であり、＜110＞方向が図１中の矢印５で示される様なダイヤモンド多結晶を用意した。主面の外形は10ｍｍ角の四角形とした。【００３９】
次に用意したダイヤモンド結晶の主面に、研磨ホイールを用いた機械研磨を施した。10ｍｍ角の主面の全面に亘る研磨ホイールとの接触箇所に於いて、研磨ホイールの回転方向上での接線方向を、ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対して±10°以内とした。【００４０】
このような機械研磨を施した後のダイヤモンド結晶を、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法により測定した。シンクロトロンＸ線トポグラフィ法測定によるダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真を、図８に示す。図８より、主面の表面から左斜め方向に、ほぼ一定の厚みで以て、ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つダイヤモンド結晶の主面上に貫通して、複数の加工変質部1aが集中して出現されている事が確認された。【００４１】
次にダイヤモンド結晶の主面にCMPを50時間施した。CMPで使用する研磨材や研磨パッドは市販品を使用した。このようなCMPを施した後のダイヤモンド結晶を、シンクロトロンＸ線トポグラフィ法により測定した。シンクロトロンＸ線トポグラフィ法測定によるダイヤモンド結晶の側面のトポグラフィ写真を、図９に示す。図９より、前記複数の加工変質部1aが、主面上とその近傍から除去されている事が確認された。【００４２】
また、CMPを施した後の主面の表面粗さRqが、５ｎｍ以下に収められている事も確認された。
【符号の説明】
【００４３】
１      ダイヤモンド結晶
1a      ダイヤモンド結晶の面方位（111）方向と平行に且つ主面上に貫通して出現した加工変質部
２      主面
３      機械研磨用の研磨ホイール
3a      研磨ホイールの回転方向
4a、4b      ダイヤモンド結晶と研磨ホイールとの接触箇所
4a1、4b1      接触箇所4a又は4bに於ける研磨ホイールの回転方向上での接線方向
５      ダイヤモンド結晶の＜110＞方向
６      加工変質部
θ      ダイヤモンド結晶の＜110＞方向に対する、接線方向4a1又は4b1の角度
【図１】
2019177092.tif 000003
【図２】
2019177092.tif 000004
【図３】
2019177092.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019177092.tif 000012
【国際調査報告】
2019177092.tif 000013
2019177092.tif 000014
2019177092.tif 000015
2019177092.tif 000016
2019177092.tif 000017