JP5545567B2 - Base material for single crystal diamond growth and method for producing single crystal diamond - Google Patents
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Description
本発明は、単結晶ダイヤモンド成長用の基材及び単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する。 The present invention relates to a substrate for growing single crystal diamond and a method for producing single crystal diamond.
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、高出力電子デバイスとして有利である。
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子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。
そのため、基材に単結晶のダイヤモンドを利用した各種電子デバイスの研究が進められている。
Diamond has a wide band gap of 5.47 eV and a very high breakdown field strength of 10 MV / cm. Furthermore, since it has the highest thermal conductivity among substances, it is advantageous as a high-power electronic device if it is used in an electronic device.
On the other hand, diamond has a high drift mobility and is the most advantageous as a high-speed electronic device among semiconductors even when comparing the Johnson figure of merit.
Therefore, diamond is said to be the ultimate semiconductor suitable for high-frequency and high-power electronic devices.
For this reason, research on various electronic devices using single-crystal diamond as a base material is underway.
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、多くの場合が高温高圧法（ＨＰＨＴ）で合成されたＩｂ型もしくは純度を高めたＩＩａ型と呼ばれるダイヤモンドである。
しかしながら、ＨＰＨＴダイヤモンドは結晶性が高いものが得られる一方で大型化が困難で、サイズが大きくなると極端に価格が高くなり、デバイス用基材としての実用化を困難としている。
At present, single crystal diamond for producing a diamond semiconductor is often a diamond called Ib type synthesized by a high temperature high pressure method (HPHT) or IIa type having a high purity.
However, while HPHT diamond has high crystallinity, it is difficult to increase the size, and as the size increases, the price becomes extremely high, making it difficult to put it into practical use as a substrate for a device.
そこで、大面積でかつ安価なダイヤモンド基材を提供するために、気相法によって合成されたＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも研究されている。 Therefore, in order to provide an inexpensive diamond base material having a large area, a CVD single crystal diamond synthesized by a vapor phase method has been studied.
最近では単結晶ダイヤモンドとして、ＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド基材上に直接気相合成法でホモエピタキシャル成長させたホモエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献１参照）。
当該方法では、基材と成長した単結晶ダイヤモンドとが同材料のため、それらの分離が困難で、そのために、基材に予めイオン注入が必要であることや、成長後も長時間のウェットエッチング分離処理が必要なことなどコストの面で課題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も基材へのイオン注入があるため、ある程度の低下は生じてしまう問題がある。
Recently, a homoepitaxial CVD single crystal diamond obtained by homoepitaxial growth on a HPHT single crystal diamond substrate directly by a vapor phase synthesis method has been reported as a single crystal diamond (see Non-Patent Document 1).
In this method, since the base material and the grown single crystal diamond are made of the same material, it is difficult to separate them. Therefore, it is necessary to perform ion implantation in advance on the base material, and long-time wet etching after the growth is performed. There are problems in terms of cost, such as the need for separation processing. In addition, the crystallinity of the single crystal diamond obtained also has a problem that a certain degree of decrease occurs due to ion implantation into the base material.
他の方法としては、単結晶ＭｇＯ基材（種基材）上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶イリジウム上にＣＶＤ法でヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献２参照）。
しかしながら当該方法では単結晶ＭｇＯ基板と単結晶イリジウムを介して成長させた単結晶ダイヤモンドとの間で発生する応力（内部応力と熱応力の和）のため、基材と成長させた単結晶ダイヤモンドが細かく割れてしまう問題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も、種基材である入手可能な単結晶ＭｇＯの結晶性が充分で無いため、満足のできるレベルではない。
As another method, heteroepitaxial CVD single crystal diamond heteroepitaxially grown by CVD on single crystal iridium heteroepitaxially grown on a single crystal MgO substrate (seed substrate) has also been reported (Non-patent Document 2). reference).
However, in this method, due to the stress (sum of internal stress and thermal stress) generated between the single crystal MgO substrate and the single crystal diamond grown through the single crystal iridium, the single crystal diamond grown with the substrate is There is a problem that breaks finely. Further, the crystallinity of the obtained single crystal diamond is not satisfactory because the crystallinity of the available single crystal MgO as the seed substrate is not sufficient.
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材を提供すること、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can be used for heteroepitaxial growth of single crystal diamond having high crystallinity, and can be used to grow a diamond having a large area at a low cost. And to provide a method for producing a large-area highly crystalline single crystal diamond at low cost.
上記課題を解決するため、本発明では、単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材であって、少なくとも、種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材を提供する。 In order to solve the above problems, in the present invention, a substrate for growing single crystal diamond is heteroepitaxially grown at least on a seed substrate and on the side of the seed substrate on which the single crystal diamond is grown. A substrate for growing single crystal diamond comprising any of an iridium film, a platinum film, and a rhodium film, wherein the seed substrate is graphite or a graphite layer formed on a base substrate. Providing materials.
このように、グラファイトまたはベース基材上にグラファイトが形成されたものの表面に、イリジウム（以下Ｉｒとも記載）膜、白金（以下Ｐｔとも記載）膜、ロジウム（以下Ｒｈとも記載）膜のいずれかをヘテロエピタキシャル成長した積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とする。
これによって、グラファイト上に高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかが形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材となるため、このようなＩｒ膜、Ｐｔ膜やＲｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。また、成長させた単結晶ダイヤモンド部分のみをウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって精度良く分離できるため、基材を再利用することが非常に容易であり、コスト面でも非常に有利である。更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
As described above, any one of an iridium (hereinafter also referred to as Ir) film, a platinum (hereinafter also referred to as Pt) film, and a rhodium (hereinafter also referred to as Rh) film is formed on the surface of graphite or graphite formed on a base substrate. The laminated substrate obtained by heteroepitaxial growth is used as a substrate for single crystal diamond growth.
As a result, it becomes a substrate for growing single crystal diamond in which any one of highly crystalline Ir film, Pt film, and Rh film is formed on graphite. Therefore, the surface of such Ir film, Pt film, or Rh film is used. On top of this, highly crystalline single crystal diamond can be heteroepitaxially grown. Further, only the grown single crystal diamond portion can be easily peeled off from the substrate using a wet etching method, a mechanical polishing method or the like. In particular, since it can be separated with high accuracy by polishing after peeling by wet etching, it is very easy to reuse the base material, which is very advantageous in terms of cost. Furthermore, if the base material has such a structure, even if the base material has a large area, it is possible to suppress excessive stress during the growth of the single crystal diamond. It is a base material that can be manufactured.
ここで、前記ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材は、前記グラファイト層が、単結晶シリコン（Ｓｉ）または単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるベース基材の表面上に剥離転写されたものか、前記ベース基材表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものであることが好ましい。
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、その上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、その上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成されたものとすることによって、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さくすることができる。そのため、単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性を極力小さくでき、ほとんど無くすことができる。従って、単結晶ダイヤモンドや基材が破壊されることが少なく、より耐久性の高いものとすることができ、また製造歩留りを改善することができるため、安価な単結晶ダイヤモンドを製造することができる。
Here, the seed substrate in which the graphite layer is formed on the base substrate, the graphite layer is peeled and transferred onto the surface of the base substrate made of single crystal silicon (Si) or single crystal silicon carbide (SiC). It is preferable that the surface of the base substrate is formed by a CVD method, a sputtering method, or a thermal decomposition method.
In this way, the seed substrate having the graphite layer formed on the base substrate is made of a single crystal silicon having a relatively small difference in linear expansion coefficient from that of the single crystal diamond in a portion where stress is mainly generated between the diamond layer and the seed layer. Or a single crystal silicon carbide with a graphite layer peel-transferred thereon, or a graphite layer formed thereon by any of CVD, sputtering, or pyrolysis methods By doing, the stress which generate | occur | produces between a base material and a single crystal diamond can be made small compared with the case where the conventional MgO seed base material is used. Therefore, the risk of cracking the single crystal diamond or the base material can be minimized and almost eliminated. Therefore, the single crystal diamond and the base material are less likely to be destroyed, can be made more durable, and the manufacturing yield can be improved, so that an inexpensive single crystal diamond can be manufactured. .
また、前記グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであることが好ましい。
このように、グラファイト層が厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであれば、グラファイト層の作製が容易なものであり、また形成に長時間が必要とならず、安価なものとすることができる。そしてグラファイト層の結晶性を良好なものとできるため、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを成長させることができる基材となる。
Moreover, it is preferable that the said graphite layer consists of single layer graphene or multilayer graphene of thickness 200nm or less.
Thus, if the graphite layer is made of single-layer graphene or multilayer graphene having a thickness of 200 nm or less, it is easy to produce the graphite layer, and it does not require a long time to form and is inexpensive. can do. And since the crystallinity of a graphite layer can be made favorable, it becomes a base material which can grow a highly crystalline single crystal diamond.
また、前記単結晶シリコンまたは前記単結晶炭化ケイ素からなるベース基材は、厚みが０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下であることが好ましい。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、また、２０．００ｍｍ以下のものは仕上げ面研磨加工が容易であるとともに、必要以上の厚さとなってコスト高となることもない。
The base substrate made of the single crystal silicon or the single crystal silicon carbide preferably has a thickness of 0.03 mm to 20.00 mm.
Thus, if the thickness of the base substrate is 0.03 mm or more, handling is easy, and if it is 20.00 mm or less, finishing surface polishing is easy and the thickness is more than necessary. The cost will not increase.
そして、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜は、前記種基材のグラファイト上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものであることが好ましい。
このように、スパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、十分な成長速度で成長させることができるため、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
Further, any one of the iridium film, the platinum film, and the rhodium film is preferably heteroepitaxially grown on the seed substrate graphite by a sputtering method.
Thus, since it can be made to be heteroepitaxially grown by the sputtering method, it can be grown at a sufficient growth rate, so that it can be an inexpensive substrate for growth manufactured with high productivity.
更に、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜の厚さが、５Å〜１００μｍであることが好ましい。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかの膜の厚さが５Å以上あれば膜厚均一性と結晶性が十分に高く、厚さが１００μｍ以下であれば基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さいため、確実に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、さらには安価な基材となる。
Furthermore, it is preferable that the thickness of any one of the iridium film, the platinum film, and the rhodium film is 5 to 100 μm.
Thus, if the thickness of any of the Ir film, Pt film, and Rh film is 5 mm or more, the film thickness uniformity and crystallinity are sufficiently high, and if the thickness is 100 μm or less, the substrate or single crystal Since the stress generated between the diamond and the diamond is small, the single crystal diamond can be reliably grown, and further, it becomes an inexpensive base material.
また、本発明では、本発明に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜側に、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、その後マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供する。 Further, in the present invention, diamond nucleation is performed by direct current discharge using the substrate side electrode as a cathode in advance on the iridium film, platinum film, and rhodium film side of the substrate for single crystal diamond growth described in the present invention. There is provided a method for producing a single crystal diamond, characterized by performing a bias treatment to be performed and then heteroepitaxially growing the single crystal diamond by a microwave CVD method or a DC plasma CVD method.
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層をより結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。
またマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法とすることができる。
Thus, by forming a diamond growth nucleus in advance by performing a bias treatment on the surface of the single crystal diamond growth base material of the present invention, which can grow high crystalline single crystal diamond at low cost, A single-crystal diamond layer can be grown with sufficient crystallinity and at a sufficient growth rate.
Further, since the growth rate can be increased by performing heteroepitaxial growth by the microwave CVD method or the direct current plasma CVD method, a single crystal diamond growth method that is excellent in terms of manufacturing cost can be obtained.
ここで、本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、該成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって製造された単結晶ダイヤモンドを有する基材は、単結晶ダイヤモンドを容易に分離することができる。このため、破損したり割れることなく結晶性の良好な単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
また、表面のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を研磨して除去することによって種基材として再利用することができる。従って、極めてコスト面で有利である。
Here, the grown single crystal diamond can be separated from the base material having the single crystal diamond grown by the method for producing single crystal diamond according to the present invention.
The base material having a single crystal diamond manufactured by the method for manufacturing a single crystal diamond according to the present invention can easily separate the single crystal diamond. For this reason, it is possible to obtain single crystal diamond having good crystallinity without being damaged or cracked.
Further, the surface Ir film, Pt film, and Rh film can be reused as a seed substrate by polishing and removing. Therefore, it is extremely advantageous in terms of cost.
以上で説明した様に、本発明によれば、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材が提供され、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法が提供される。 As described above, according to the present invention, a diamond growth base material capable of heteroepitaxially growing single crystal diamond with high crystallinity and capable of growing diamond with a large area at a low cost is provided. In addition, a method for producing a large-area highly crystalline single crystal diamond at low cost is provided.
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述の様に、従来、コスト的に有利なＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドを得ようとすると、成長した単結晶ダイヤモンド部分を破損なく容易に分離することができないこと、更には成長させた単結晶ダイヤモンドとして高結晶性で大面積なものを得ることが困難であるという問題があった。
このため、本発明者らは、基材の種類や構造、更には単結晶製造方法について鋭意研究を重ねた。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As described above, conventionally, when it is attempted to obtain single crystal diamond by a cost-effective CVD method, the grown single crystal diamond portion cannot be easily separated without breakage, and further, the grown single crystal diamond There is a problem that it is difficult to obtain a large area with high crystallinity.
For this reason, the inventors of the present invention have made extensive studies on the type and structure of the base material, as well as the single crystal manufacturing method.
その結果、本発明者らは、グラファイト上に単結晶Ｉｒ膜、単結晶Ｐｔ膜、単結晶Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた高結晶性材料のものを単結晶ダイヤモンド成長用の基材として用いること、そしてその基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜上に例えばＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させれば、高結晶性な大面積の単結晶ダイヤモンドが得られることを発見した。 As a result, the present inventors use a highly crystalline material obtained by heteroepitaxially growing a single crystal Ir film, a single crystal Pt film, and a single crystal Rh film on graphite as a base material for single crystal diamond growth, Then, it was discovered that single crystal diamond having a high crystallinity and a large area can be obtained by heteroepitaxial growth of single crystal diamond by, for example, the CVD method on the Ir film, Pt film, and Rh film of the base material.
更に、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分のベース基材に線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いることで、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて応力が小さく、その結果全体が割れることをほとんど無くすことができることを発想した（線膨張係数 ダイヤモンド：１．１×１０−６／Ｋ、グラファイト：１．２×１０−６／Ｋ、Ｓｉ：４．２×１０−６／Ｋ、ＳｉＣ：６．６×１０−６／Ｋ、ＭｇＯ：１３．８×１０−６／Ｋ）。
そして、成長させた単結晶ダイヤモンドは、例えばウェットエッチング法でおおよその分離が可能であるし、完全に分離したい場合はウェットエッチングにて分離させた後に単結晶ダイヤモンドに残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を機械的研磨法で精度良く除去することで高精度に分離可能であることを確認して、本発明を完成させた。
Furthermore, the conventional MgO seed base material was used by using single crystal silicon or single crystal silicon carbide having a relatively small difference in linear expansion coefficient for the base base material where stress mainly occurs with the diamond layer. The idea is that the stress is smaller than that of the case, and as a result, the entire crack can be almost eliminated (linear expansion coefficient diamond: 1.1 × 10 −6 / K, graphite: 1.2 × 10 −6 / K). , Si: 4.2 × 10 -6 /K,SiC:6.6×10 -6 /K,MgO:13.8×10 -6 / K).
The grown single crystal diamond can be roughly separated by, for example, a wet etching method, and if it is desired to be completely separated, an Ir film, a Pt film, etc. remaining on the single crystal diamond after being separated by wet etching. It was confirmed that the Rh film can be separated with high accuracy by removing it with a mechanical polishing method, and the present invention was completed.
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の概略の一例を示した図である。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic of a substrate for growing single crystal diamond of the present invention.
図１（ａ）に示すように、本発明の単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材１０は、少なくとも、種基材１１と、種基材１１の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１は、ベース基材上の単結晶ダイヤモンドを成長する側にグラファイト層を形成したもの１１ａからなる。
As shown in FIG. 1A, a
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材１０’は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、種基材１１’と、種基材１１’の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１’が、グラファイトからなるものとすることもできる。
Further, as shown in FIG. 1B, the
このように、グラファイトまたは、ベース基材上にグラファイト層が形成されたものの表面にＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とすることによって、高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を有する単結晶ダイヤモンド成長用の基材となっている。従って、このような高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。
そして、基材上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンドは、ウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって単結晶ダイヤモンド側に残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を精度良く分離できる。また剥離が容易なため、基材を再利用することが非常に容易である。そのため、単結晶ダイヤモンドの製造を同じ基材から繰り返して製造することができるため、高結晶性の高品質の単結晶ダイヤモンドを安く製造することができる。
更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
As described above, a laminated substrate obtained by heteroepitaxially growing an Ir film, a Pt film, and an Rh film on the surface of graphite or a graphite substrate formed on a base substrate is used as a substrate for growing a single crystal diamond. It is a base material for single crystal diamond growth having a highly crystalline Ir film, Pt film, and Rh film. Therefore, highly crystalline single crystal diamond can be heteroepitaxially grown on the surfaces of such highly crystalline Ir film, Pt film, and Rh film.
The single crystal diamond heteroepitaxially grown on the substrate can be easily peeled off from the substrate using a wet etching method, a mechanical polishing method, or the like. In particular, by performing polishing after peeling by wet etching, the Ir film, Pt film, and Rh film remaining on the single crystal diamond side can be accurately separated. Moreover, since peeling is easy, it is very easy to reuse a base material. Therefore, since single crystal diamond can be manufactured repeatedly from the same base material, high crystallinity and high quality single crystal diamond can be manufactured at low cost.
Furthermore, if the base material has such a structure, even if the base material has a large area, it is possible to suppress excessive stress during the growth of the single crystal diamond. It is a base material that can be manufactured.
ここで、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの厚みを、０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下とすることができる。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、扱いが容易である。また、２０．００ｍｍ以下のものは両面研磨等も良好に行うことができるため仕上げ面研磨加工が容易であり、使用できる表面状態レベルに容易に仕上げることが可能である。また、必要以上の厚さを有することに伴うコスト高となることも抑制できる。
Here, the thickness of the
Thus, if the thickness of the base substrate is 0.03 mm or more, handling is easy and handling is easy. In addition, since the surface of 20.00 mm or less can be satisfactorily polished on both sides, finishing surface polishing is easy, and it is possible to easily finish to a usable surface state level. Moreover, it can also suppress that it becomes the high cost accompanying having thickness more than necessary.
ここで、ベース基材１１ａ上にグラファイト層１１ｂが形成された種基材１１は、グラファイト層１１ｂが単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面上に剥離転写されたものか、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものとすることができる。
Here, in the
このベース基材上へのグラファイト層の形成は、単結晶Ｓｉをベース基材に用いた場合は、例えば８００〜１０００℃程度の温度でＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法等の方法により金属触媒膜上で行うことが可能であり、良好な特性のグラファイト層が形成されたものとすることができる。
そして、単結晶ＳｉＣをベース基材に用いた場合であれば、例えば１２００℃程度以上の高温で熱処理する方法で容易に得られたものとすることができる。
また、単にベース基材上にグラファイト結晶からテープで剥がして分離して剥離転写することによってもグラファイト層は得られる。
The formation of the graphite layer on the base substrate can be achieved by using a metal catalyst by a method such as CVD, sputtering, or pyrolysis at a temperature of about 800 to 1000 ° C. when single crystal Si is used as the base substrate. It can be performed on a film, and a graphite layer having good characteristics can be formed.
And when it is a case where single crystal SiC is used for a base substrate, it can be easily obtained by a method of heat treatment at a high temperature of, for example, about 1200 ° C. or higher.
Alternatively, the graphite layer can be obtained by simply peeling off the graphite crystal from the graphite crystal with a tape and separating and transferring it.
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、またはその上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材では、従来のＭｇＯ等の種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さくなる。そのため、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長中に単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性が極力小さなものとなる。よって、基材を繰り返し使用でき、また単結晶ダイヤモンドの製造歩留りを改善することができる。
また下地となるベース基材の大口径化が非常に容易であり、成長させる単結晶ダイヤモンドの大口径化も容易である。
In this way, the seed substrate having the graphite layer formed on the base substrate is made of a single crystal silicon having a relatively small difference in linear expansion coefficient from that of the single crystal diamond in a portion where stress is mainly generated between the diamond layer and the seed layer. Or a single crystal silicon carbide, and a graphite layer is peeled and transferred onto a base substrate made of single crystal silicon or single crystal silicon carbide, or a graphite layer is formed thereon by CVD, sputtering, heat In the base material for single crystal diamond growth formed by any of the decomposition methods, the stress generated between the base material and the single crystal diamond is higher than when a conventional seed base material such as MgO is used. Get smaller. Therefore, the risk of cracking of the single crystal diamond or the substrate during the heteroepitaxial growth of the single crystal diamond is minimized. Therefore, the substrate can be used repeatedly, and the production yield of single crystal diamond can be improved.
In addition, it is very easy to increase the diameter of the base base material as a base, and it is also easy to increase the diameter of the single crystal diamond to be grown.
また、グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものとすることができる。
このように、グラファイト層を、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）と呼ばれる単層のものから厚み２００ｎｍまでに形成した多層グラフェンの範囲で形成されたものとすることによって、基材面内の結合連続性が高く均一性が良好であり、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長用の基材に非常に適当である。そしてこの多層グラフェンの厚みが２００ｎｍ以下であれば、単結晶ダイヤモンドを成長させた場合に単結晶ダイヤモンドの結晶欠陥の密度が急激に増加する危険性もなく、良好な結晶性の単結晶ダイヤモンドが得られる。
The graphite layer can be made of single-layer graphene or multilayer graphene having a thickness of 200 nm or less.
As described above, the graphite layer is formed in a range of single-layered graphene (Graphene) to multi-layered graphene formed to a thickness of 200 nm, so that the bonding continuity in the substrate surface is high and uniform. Therefore, it is very suitable as a substrate for heteroepitaxial growth of single crystal diamond. If the multilayer graphene has a thickness of 200 nm or less, there is no risk of a sudden increase in the density of crystal defects in the single crystal diamond when single crystal diamond is grown, and a single crystal diamond with good crystallinity is obtained. It is done.
そして、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２は、種基材１１のグラファイト層１１ｂ若しくはグラファイト１１’上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を例えば、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を十分な成長速度で成長させたものとすることができ、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
The
As described above, the Ir film, the Pt film, and the Rh film are made of, for example, R.I. F. By being heteroepitaxially grown by the magnetron sputtering method, an Ir film, a Pt film, and an Rh film can be grown at a sufficient growth rate, and an inexpensive growth substrate manufactured with high productivity. It can be.
更に、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２の厚さを、５Å〜１００μｍとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の厚さが５Å以上あれば、膜厚均一性や結晶性が十分に高いものとすることができる。また、厚さが１００μｍ以下であれば、基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さいものとすることができるため、確実に基材上に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、また安価なものとすることができる。
Furthermore, the thickness of the
Thus, if the thickness of the Ir film, Pt film, and Rh film is 5 mm or more, the film thickness uniformity and crystallinity can be sufficiently high. In addition, if the thickness is 100 μm or less, since the stress generated between the base material and the single crystal diamond can be reduced, the single crystal diamond can be reliably grown on the base material, Moreover, it can be made inexpensive.
次に、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を用いた本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法について説明するが、もちろんこれらに限定されない。 Next, although the manufacturing method of the single crystal diamond of this invention using the said base material for single crystal diamond growth is demonstrated, of course, it is not limited to these.
まず、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を準備し、その基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜側の表面に、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う。
このバイアス処理は、例えば、特開２００７−２３８３７７号公報に記載されている様な、バイアス処理と呼ばれる方法で前処理を行って、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ表面に方位の揃ったダイヤモンド成長核を形成するものとすることができる。
First, a base material for growing the above single crystal diamond is prepared, and a diamond nucleus is formed on the surface of the base material on the Ir film, Pt film, and Rh film side by direct current discharge using the base-side electrode as a cathode in advance. Process.
In this bias treatment, for example, a pretreatment is performed by a method called bias treatment as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-238377 to form diamond growth nuclei with uniform orientation on Ir, Pt, and Rh surfaces. Can be.
続いて、当該バイアス処理済みの基材に対して、マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法により単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることによって単結晶ダイヤモンドを製造することができる。 Subsequently, the single crystal diamond can be produced by heteroepitaxially growing the single crystal diamond on the bias-treated substrate by the microwave CVD method or the direct current plasma CVD method.
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層を結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。そしてマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で非常に優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法となる。 Thus, by forming a diamond growth nucleus in advance by performing a bias treatment on the surface of the single crystal diamond growth base material of the present invention, which can grow high crystalline single crystal diamond at low cost, A single crystal diamond layer can be grown with sufficient crystallinity and at a sufficient growth rate. Then, since the growth rate can be increased by performing heteroepitaxial growth by microwave CVD method or direct current plasma CVD method, it is a single crystal diamond growth method that is extremely excellent in terms of manufacturing cost.
その後、成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
このＣＶＤ後に基材から単結晶ダイヤモンド部分のみを分離するには、例えば、熱混酸などのウエットエッチ液に浸けて、単結晶ダイヤモンド／Ｉｒ膜とグラファイト、グラファイト／Ｓｉ、グラファイト／ＳｉＣとの２つに分離した後に、機械的研磨法で残ったＩｒ膜を除去することによって行うことができる。
また、一度にＩｒ／グラファイト、Ｉｒ／グラファイト／Ｓｉ、Ｉｒ／グラファイト／ＳｉＣを機械的研磨法で除去して、単結晶ダイヤモンドのみを得ることもできる。
Thereafter, the grown single crystal diamond can be separated from the substrate having the grown single crystal diamond.
In order to separate only the single crystal diamond portion from the base material after the CVD, for example, the single crystal diamond / Ir film, graphite, graphite / Si, and graphite / SiC are immersed in a wet etchant such as a hot mixed acid. After the separation, the Ir film remaining by the mechanical polishing method can be removed.
Alternatively, Ir / graphite, Ir / graphite / Si, and Ir / graphite / SiC can be removed by a mechanical polishing method at a time to obtain only single crystal diamond.
基材上に成長させて得られた、もしくはこのようにして分離して得られた成長単結晶ダイヤモンドは、高結晶性かつ大面積で、デバイス用途でも好適に使用可能である。 The grown single crystal diamond obtained by growing on a substrate or obtained by separating in this way has high crystallinity and a large area, and can be suitably used for device applications.
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）
直径２５．０ｍｍ、厚みが０．３８ｍｍで、方位（０００１）の片面研磨加工単結晶６Ｈ−ＳｉＣをベース基材として用意した。
そして、このベース基材に対してアルゴン雰囲気中で１６５０℃×３ｈの熱処理を行って、ベース基材の表面に厚み１０ｎｍ程度の多層のグラフェンを形成した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
(Example)
A single-side polished single crystal 6H—SiC having a diameter of 25.0 mm, a thickness of 0.38 mm, and an orientation (0001) was prepared as a base substrate.
Then, the base substrate was heat-treated at 1650 ° C. for 3 hours in an argon atmosphere to form multilayer graphene having a thickness of about 10 nm on the surface of the base substrate.
次に、このベース基材上に多層グラフェンを形成した種基材にＩｒ膜をヘテロエピタキシャル成長させた。
製膜は、Ｉｒをターゲットとした、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法で、Ａｒガス６×１０−２Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）、基材温度７００℃の条件で単結晶Ｉｒ膜厚が１．５μｍになるまでスパッターして仕上げた。
また、バイアス処理及びＤＣプラズマＣＶＤを行う際の電気的導通のために、基材温度を１００℃とした他は同じ条件で、裏面にもＩｒを１．５μｍ成長させた。
Next, an Ir film was heteroepitaxially grown on a seed substrate in which multilayer graphene was formed on the base substrate.
The film formation was performed using R.I. F. A magnetron sputtering method was used to perform sputtering until the single-crystal Ir film thickness was 1.5 μm under conditions of Ar gas 6 × 10 −2 Torr (8 Pa) and substrate temperature 700 ° C.
Further, Ir was grown on the back surface by 1.5 μm under the same conditions except that the substrate temperature was set to 100 ° C. for electrical conduction during the bias treatment and DC plasma CVD.
次に、この単結晶ダイヤモンド成長用の基材の単結晶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、基材をバイアス処理装置の負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基材を６００℃に加熱してから、３ｖｏｌ．％水素希釈メタンガスを導入し、圧力を１２０Ｔｏｒｒ（１．６×１０４Ｐａ）とした。それから、バイアス処理を行った。すなわち、両電極間にＤＣ電圧を印加して、所定の直流電流を流した。
Next, a bias treatment for forming diamond nuclei on the surface of the single crystal Ir film of the substrate for growing single crystal diamond was performed.
First, the base material was set on the negative voltage application electrode (cathode) of the bias processing apparatus, and evacuation was performed. Next, the substrate was heated to 600 ° C. and then 3 vol. % Hydrogen-diluted methane gas was introduced, and the pressure was 120 Torr (1.6 × 10 4 Pa). Then, a bias treatment was performed. That is, a DC voltage was applied between both electrodes, and a predetermined direct current was passed.
そして最後に、このバイアス処理済みの基材上に、ＤＣプラズマＣＶＤ法によって９００℃で３０ｈ単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。 Finally, 30-h single crystal diamond was heteroepitaxially grown at 900 ° C. on this bias-treated substrate by DC plasma CVD.
成長終了後、ベルジャーから取り出した製造物は、割れのないダイヤモンド／Ｉｒ／グラフェン／６Ｈ−ＳｉＣの積層構造であった。
そこで、熱混酸中２ｈエッチングして、ダイヤモンド／Ｉｒとグラフェン／６Ｈ−ＳｉＣとに分離した。その後、更に機械的研磨法で、裏面のＩｒ膜を除去して、単結晶ダイヤモンドの自立構造とした。表面も仕上げ研磨を行ってデバイス用途でも使用できるレベルの面粗さに仕上げた。
After the completion of growth, the product taken out from the bell jar had a laminated structure of diamond / Ir / graphene / 6H—SiC without cracks.
Therefore, etching was performed in hot mixed acid for 2 h to separate into diamond / Ir and graphene / 6H—SiC. Thereafter, the Ir film on the back surface was removed by a mechanical polishing method to obtain a self-standing structure of single crystal diamond. The surface was also finished and finished to a level of surface roughness that could be used in device applications.
得られた単結晶ダイヤモンドは、ラマン分光、ＸＲＤロッキングカーブ、断面ＴＥＭ、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、充分な結晶性であることが確認できた。 When the obtained single crystal diamond was evaluated by Raman spectroscopy, XRD rocking curve, cross-section TEM, and cathodoluminescence (CL), it was confirmed that it was sufficiently crystalline.
（比較例１）
種基材として、５．０ｍｍ角、厚みが０．５ｍｍで方位（１１１）の両面研磨加工単結晶ＭｇＯを使用し、かつグラフェン層を形成しなかった以外は、実施例と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
(Comparative Example 1)
Ir growth was performed in the same manner as in the example except that a single-sided polished single crystal MgO of 5.0 mm square, 0.5 mm thickness and orientation (111) was used as a seed substrate, and no graphene layer was formed. Then, a bias treatment was performed to prepare a base material, and heteroepitaxial growth of single crystal diamond by DC plasma CVD method was performed thereon.
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。
この破片一つを取って、結晶性を評価したところ、ラマン半値幅も広く、断面ＴＥＭでも転位欠陥が多く存在するなど、デバイス用途では不充分なレベルであった。
When the bell jar was opened and the product in the chamber was viewed, both the base material and the single crystal diamond portion were broken into small pieces of about 1 mm square.
When one piece of this piece was taken and the crystallinity was evaluated, the Raman half width was wide, and there were many dislocation defects even in the cross-sectional TEM.
（比較例２）
厚みが１２０μｍのＭｇＯ基板を使用することの他は、比較例１と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
(Comparative Example 2)
Other than using an MgO substrate having a thickness of 120 μm, similarly to Comparative Example 1, Ir growth and bias treatment were performed to prepare a base material, on which a single crystal diamond heterogeneous layer was formed by DC plasma CVD. Epitaxial growth was performed.
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。 When the bell jar was opened and the product in the chamber was viewed, both the base material and the single crystal diamond portion were broken into small pieces of about 1 mm square.
なお、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。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
１０，１０’…単結晶ダイヤモンド成長用の基材、
１１…種基材、 １１’…種基材（グラファイト）、 １１ａ…ベース基材、 １１ｂ…グラファイト層、
１２…イリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜。
10, 10 '... substrate for single crystal diamond growth,
11 ... Seed base material, 11 '... Seed base material (graphite), 11a ... Base base material, 11b ... Graphite layer,
12: A film made of any one of an iridium film, a platinum film, and a rhodium film.
Claims (8)
種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、
前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材。 A substrate for growing single crystal diamond, at least,
A seed substrate, and an iridium film heteroepitaxially grown on the seed substrate on which the single crystal diamond is grown, a platinum film, or a rhodium film,
The seed substrate is graphite or a substrate for growing single crystal diamond, wherein a graphite layer is formed on a base substrate.
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