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JP7634207B2 - Diamond Substrate - Google Patents
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JP7634207B2 - Diamond Substrate - Google Patents

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Description

本発明は、ダイヤモンド基板の製造方法、ダイヤモンド基板及びダイヤモンド自立基板に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a diamond substrate, a diamond substrate, and a free-standing diamond substrate.

ダイヤモンドは、室温で5.47eVという広いバンドギャップを持ち、ワイドバンドギャップ半導体として知られている。 Diamond has a wide band gap of 5.47 eV at room temperature and is known as a wide band gap semiconductor.

半導体の中でも、ダイヤモンドは、絶縁破壊電界強度が10MV/cmと非常に高く、高電圧動作が可能である。また、既知の物質として最高の熱伝導率を有していることから放熱性にも優れている。さらに、キャリア移動度や飽和ドリフト速度が非常に大きいため、高速デバイスとして適している。 Among semiconductors, diamond has an extremely high breakdown field strength of 10 MV/cm, making it possible to operate at high voltages. It also has the highest thermal conductivity of any known substance, making it excellent at dissipating heat. Furthermore, its extremely high carrier mobility and saturated drift velocity make it suitable for use in high-speed devices.

そのため、ダイヤモンドは、高周波・大電力デバイスとしての性能を示すJohnson性能指数を、炭化ケイ素や窒化ガリウムといった半導体と比較しても最も高い値を示し、究極の半導体と言われている。 For this reason, diamond has the highest Johnson figure of merit, which indicates the performance of high-frequency, high-power devices, even when compared to semiconductors such as silicon carbide and gallium nitride, and is said to be the ultimate semiconductor.

このように、ダイヤモンドは、半導体材料としての実用化が期待されており、大面積かつ高品質なダイヤモンド基板の供給が望まれている。しかしながら、いまだに十分な品質のダイヤモンド基板は得られていない。 As such, diamond is expected to be put to practical use as a semiconductor material, and there is a demand for large-area, high-quality diamond substrates. However, diamond substrates of sufficient quality have yet to be obtained.

現在、ダイヤモンド基板として用いられているものに、高温高圧合成(HPHT)法によって合成されたIb型のダイヤモンドがある。しかしながら、このIb型のダイヤモンドは、窒素不純物を多く含み、また、最大で8mm角ほどの大きさしか得られないため、実用性は高くない。 Currently, type Ib diamonds synthesized by the high-pressure, high-temperature synthesis (HPHT) method are used as diamond substrates. However, type Ib diamonds contain a lot of nitrogen impurities and can only be obtained in a maximum size of about 8 mm square, so they are not very practical.

非特許文献1では、HPHT法により合成されたダイヤモンドを基板として用いて、ショットキーダイオードを作製している。しかしながら、ここでのダイヤモンド基板の転位欠陥密度の目安となる水素プラズマ処理によるエッチピット密度は、10cm-2程度存在しており、実際に電極を形成して作動を試みても、電極付近や電流パスにキラー欠陥が存在するために、動作不良となることが報告されている。 In Non-Patent Document 1, a Schottky diode is fabricated using diamond synthesized by the HPHT method as a substrate. However, the etch pit density by hydrogen plasma treatment, which is a guideline for the dislocation defect density of the diamond substrate, is about 10 5 cm -2 , and it has been reported that even if an electrode is actually formed and operation is attempted, malfunction occurs due to the presence of killer defects near the electrode or in the current path.

また、HPHT法により合成されたダイヤモンドを下地として、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法でエピタキシャル成長させたホモエピタキシャルダイヤモンドを基板として用いる場合もある。 In some cases, homoepitaxial diamond is grown epitaxially by chemical vapor deposition (CVD) using diamond synthesized by HPHT as a base.

非特許文献2では、大型のダイヤモンド基板を得るために、複数のダイヤモンド基板を結合したモザイク状ダイヤモンド基板の作製を試みている。しかしながら、このような技術には、基板の境界に沿ってクラックが発生しやすい等の問題がある。 In Non-Patent Document 2, an attempt is made to create a mosaic-shaped diamond substrate by bonding multiple diamond substrates together in order to obtain a large diamond substrate. However, this technique has problems such as the tendency for cracks to occur along the boundaries of the substrates.

一方、異種材料の上にダイヤモンドを成長させるヘテロエピタキシャル成長によって、ダイヤモンド基板を作製することも検討されている。ヘテロエピタキシャル成長では、比較的容易に大面積の基板を得ることができ、製造コストも削減できると考えられる。 Meanwhile, the creation of diamond substrates by heteroepitaxial growth, in which diamond is grown on a dissimilar material, is also being considered. Heteroepitaxial growth makes it relatively easy to obtain large-area substrates, and is thought to reduce manufacturing costs.

ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長用下地としては、これまでにシリコン(Si)、白金(Pt)等が検討されており、非特許文献3には、イリジウム(Ir)が下地材料として適していることが報告されている。これは、単結晶酸化マグネシウム(MgO)表面にエピタキシャル成長させたIrを下地材料として用いるもので、この表面にダイヤモンド核発生処理を施し、さらに直流プラズマCVD法によってエピタキシャルダイヤモンドを作製するものである。 Silicon (Si), platinum (Pt), etc. have been investigated as substrates for heteroepitaxial growth of diamond, and Non-Patent Document 3 reports that iridium (Ir) is suitable as a substrate material. This involves using Ir epitaxially grown on the surface of single crystal magnesium oxide (MgO) as the substrate material, subjecting this surface to a diamond nucleation treatment, and then producing epitaxial diamond by the DC plasma CVD method.

しかしながら、ヘテロエピタキシャル成長には、ダイヤモンドと下地材料の格子不整合によって転位欠陥が多く発生するという問題もある。例えば、ダイヤモンド(格子定数3.57Å)とIr(格子定数3.84Å)では、格子不整合が7%と大きい。非特許文献4には、ヘテロエピタキシャルダイヤモンドのエッチピット密度が10cm-2にもなるという報告がある。 However, heteroepitaxial growth also has the problem that many dislocation defects occur due to the lattice mismatch between diamond and the underlying material. For example, the lattice mismatch between diamond (lattice constant 3.57 Å) and Ir (lattice constant 3.84 Å) is as large as 7%. Non-Patent Document 4 reports that the etch pit density of heteroepitaxial diamond is as high as 10 8 cm -2 .

このような転位欠陥を低減させる方法として、非特許文献5には、選択成長法と呼ばれる技術が提案されている。これは、任意のパターンに形成されたダイヤモンド核からダイヤモンドを横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)させる方法である。 As a method for reducing such dislocation defects, Non-Patent Document 5 proposes a technique called selective growth. This is a method for laterally growing diamonds (ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth) from diamond nuclei formed in an arbitrary pattern.

H.Umezawa et al.,Diamond Relat.Mater.,18,1196(2009)H. Umezawa et al. , Diamond Relat. Mater. , 18, 1196 (2009) H.Yamada et al.,Appl.Phys.Lett.,104,102110(2014)H. Yamada et al. , Appl. Phys. Lett. , 104, 102110 (2014) K.Ohtsuka et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,35,L1072(1996)K. Ohtsuka et al. , Jpn. J. Appl. Phys. , 35, L1072 (1996) K.Ichikawa et al.,Proc.24th NDF-Dia.Sympo.,226(2010)K. Ichikawa et al. , Proc. 24th NDF-Dia. Sympo. , 226 (2010) 澤邊厚仁 他,日本結晶成長学会誌,39,179(2012).Sawabe, A. et al., Journal of the Japanese Society for Crystal Growth, 39, 179 (2012).

前述の選択成長法によって、転位欠陥をある程度低減させることが可能ではあるが、実用化にはさらに欠陥を低減することが求められる。 Although the selective growth method mentioned above can reduce dislocation defects to some extent, further reduction in defects is required for practical application.

また、ヘテロエピタキシャル成長では、ダイヤモンドと下地材料との熱膨張係数の差によって、熱応力も発生する。例えば、ダイヤモンドの線膨張係数は1.1×10-6-1であり、MgOでは13.8×10-6-1、Irでは7.1×10-6-1である。さらに、ダイヤモンドは結晶成長とともに大きな内部応力が発生することも知られており、これらの応力はクラックの発生やダイヤモンド基板の反りの原因となってしまう。 In addition, in heteroepitaxial growth, thermal stress is also generated due to the difference in thermal expansion coefficient between diamond and the base material. For example, the linear expansion coefficient of diamond is 1.1×10 −6 K −1 , that of MgO is 13.8×10 −6 K −1 , and that of Ir is 7.1×10 −6 K −1 . Furthermore, it is known that diamond generates large internal stresses as the crystal grows, and these stresses cause cracks and warping of the diamond substrate.

実際に、非特許文献5に記載されている選択成長法によって作製されたヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板にも多数のクラックが発生しており、このままでは実用化は難しいと考えられる。 In fact, many cracks have been generated in heteroepitaxial diamond substrates fabricated by the selective growth method described in Non-Patent Document 5, and it is considered difficult to put the method to practical use in this state.

したがって、エピタキシャル成長によって作製されたダイヤモンド基板の実用化のために、熱応力や内部応力を低減することも期待されている。 Therefore, it is expected that thermal stress and internal stress will be reduced in order to put diamond substrates made by epitaxial growth into practical use.

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、欠陥(転位欠陥を含む)を十分に低減することが可能なダイヤモンド基板の製造方法、欠陥が十分に低減された高品質のダイヤモンド基板及びダイヤモンド自立基板を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a method for manufacturing a diamond substrate that can sufficiently reduce defects (including dislocation defects), a high-quality diamond substrate with sufficiently reduced defects, and a free-standing diamond substrate.

上記課題を解決するため、本発明では、ダイヤモンド基板の製造方法であって、
下地表面にパターン状のダイヤモンドを設ける第一の工程と、
該第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させて、前記第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙にダイヤモンドを形成する第二の工程と、
前記第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドを取り除き、前記第二の工程で形成したダイヤモンドからなるパターン状のダイヤモンドを形成する第三の工程と、
前記第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させて、前記第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙にダイヤモンドを形成する第四の工程と、
を含むことを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing a diamond substrate, comprising the steps of:
A first step of providing a pattern of diamonds on a substrate surface;
a second step of growing diamond from the patterned diamond provided in the first step to form diamond in the patterned diamond provided in the first step;
a third step of removing the patterned diamond provided in the first step and forming a patterned diamond made of the diamond formed in the second step;
A fourth step of growing diamond from the patterned diamond formed in the third step to form diamond in the patterned diamond formed in the third step;
The present invention provides a method for producing a diamond substrate, comprising the steps of:

このようなダイヤモンド基板の製造方法であれば、ダイヤモンド基板の欠陥を十分に低減することができ、高品質のダイヤモンドの製造が可能となる。 This method of manufacturing diamond substrates can sufficiently reduce defects in diamond substrates, making it possible to produce high-quality diamond.

またこの場合、前記下地表面を構成する材料を、ダイヤモンドとすることができる。 In this case, the material constituting the base surface can be diamond.

このように、下地表面を構成する材料をダイヤモンドとすることで、ホモエピタキシャル成長によってダイヤモンド基板が製造される。 In this way, by using diamond as the material that constitutes the base surface, a diamond substrate can be manufactured by homoepitaxial growth.

また、前記下地表面を構成する材料を、イリジウム、ロジウム、白金等のダイヤモンドではない異種材料とすることもできる。 The material constituting the base surface can also be a different material other than diamond, such as iridium, rhodium, or platinum.

このように、表面が異種材料から構成される下地を用い、ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた場合は、高品質かつ大面積のダイヤモンド基板を作製することが可能となる。 In this way, by growing diamond heteroepitaxially using a substrate whose surface is made of a different material, it is possible to produce a high-quality, large-area diamond substrate.

また、本発明のダイヤモンド基板の製造方法では、前記第二の工程より前に、前記第一の工程において下地表面に設けたパターン状のダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物を除去することが好ましい。 In addition, in the method for manufacturing a diamond substrate of the present invention, it is preferable to remove any foreign matter adhering to the walls of the patterned diamond formed on the base surface in the first step prior to the second step.

このように異種付着物を除去することで、次に行う第二の工程において異常成長粒子の発生を抑制することができる。 By removing foreign matter in this way, the occurrence of abnormally grown particles can be suppressed in the second process that follows.

また、前記第一の工程において設けるパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の深さDと幅Wの比であるD/Wを、0.1以上とすることが好ましい。 It is also preferable that the ratio D/W, which is the ratio of the depth D to the width W of the pattern gap in the patterned diamond formed in the first process, is 0.1 or more.

このように、第一の工程において、パターン間隙の深さDと幅Wの比(D/W)となるようにパターン状のダイヤモンドを設ければ、第二の工程において比較的早くパターン間隙が塞がるため、パターン間隙から異常成長粒子が発生したとしても、形成したダイヤモンド表面への影響を少なくすることができる。 In this way, if a pattern of diamonds is provided in the first step so that the ratio of the depth D to the width W of the pattern gap (D/W) is equal, the pattern gaps will close relatively quickly in the second step, so that even if abnormally grown particles occur in the pattern gaps, the impact on the surface of the formed diamond can be reduced.

また、前記第一の工程において設けるパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部の少なくとも一部を、貫通させることが好ましい。 It is also preferable to penetrate at least a portion of the bottom of the pattern gaps in the patterned diamond provided in the first step.

また、下地表面を構成する材料がダイヤモンドではない異種材料であるときは、前記第一の工程において設けるパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部の少なくとも一部を、前記下地表面よりも下方に設けてもよい。 In addition, when the material constituting the base surface is a different material other than diamond, at least a part of the bottom of the pattern gap in the patterned diamond provided in the first step may be provided below the base surface.

このようにすることで、結晶成長とともに発生する内部応力が緩和されたダイヤモンド基板を製造することができる。また、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和されたダイヤモンド基板を製造することができる。 In this way, it is possible to manufacture a diamond substrate in which the internal stress that occurs with crystal growth is alleviated. It is also possible to manufacture a diamond substrate in which the thermal stress that occurs when the base is made of a different material is alleviated.

また、前記第二の工程において、化学気相成長法を用いてダイヤモンドを成長させることが好ましい。 In addition, in the second step, it is preferable to grow diamond using chemical vapor deposition.

このように、第二の工程では、種々の化学気相成長法を用いてダイヤモンドを成長させることができる。 Thus, in the second step, diamond can be grown using various chemical vapor deposition techniques.

また、前記第二の工程において成長させるダイヤモンドにボイドを形成することが好ましい。 It is also preferable to form voids in the diamond grown in the second step.

このように、ダイヤモンドにボイドを形成することで、結晶成長とともに発生する内部応力や、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和することができるため、好ましい。 In this way, forming voids in diamond is preferable because it can relieve internal stress that occurs with crystal growth and thermal stress that occurs when the base is made of a different material.

また、前記第四の工程より前に、前記第三の工程において形成したパターン状のダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物を除去することが好ましい In addition, it is preferable to remove foreign matter adhering to the wall surface of the patterned diamond formed in the third step before the fourth step.

このように異種付着物を除去することで、次に行う第四の工程において異常成長粒子の発生を抑制することができる。 By removing foreign matter in this way, the occurrence of abnormally grown particles can be suppressed in the fourth step that follows.

また、前記第三の工程において形成するパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の深さDと幅Wの比であるD/Wを、0.1以上とすることが好ましい。 In addition, it is preferable that the ratio D/W, which is the ratio of the depth D to the width W of the pattern gap in the patterned diamond formed in the third process, is 0.1 or more.

このようにすれば、第四の工程において比較的早くパターン間隙が塞がるため、パターン間隙から異常成長粒子が発生したとしても、形成したダイヤモンド表面への影響を少なくすることができる。 In this way, the gaps in the pattern are filled relatively quickly in the fourth step, so that even if abnormally grown particles occur in the gaps in the pattern, the impact on the surface of the formed diamond can be reduced.

また、前記第三の工程において形成するパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部の少なくとも一部を、貫通させることが好ましい。 It is also preferable to penetrate at least a portion of the bottom of the pattern gaps in the patterned diamond formed in the third step.

また、下地表面を構成する材料がダイヤモンドではない異種材料であるときは、前記第三の工程において形成するパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部の少なくとも一部を、前記下地表面よりも下方に設けてもよい。 In addition, when the material constituting the base surface is a different material other than diamond, at least a portion of the bottom of the pattern gap in the patterned diamond formed in the third step may be located below the base surface.

このようにすれば、結晶成長とともに発生する内部応力や、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和されたダイヤモンド基板を製造することができる。 In this way, it is possible to produce a diamond substrate that is free of internal stresses that arise with crystal growth and thermal stresses that arise when the base is made of a different material.

また、前記第三の工程において、前記第二の工程で形成したダイヤモンドを、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドとの境界から5μm以上30μm以下の位置まで取り除くことが好ましい。 In addition, in the third step, it is preferable to remove the diamond formed in the second step to a position 5 μm to 30 μm from the boundary with the patterned diamond formed in the first step.

このように第二の工程で形成したダイヤモンドを取り除くことで、第四の工程において、より高品質のダイヤモンドを成長させることができ、また、製造効率や製造コストの観点から好ましい。 By removing the diamond formed in the second step in this way, a higher quality diamond can be grown in the fourth step, and this is also preferable from the standpoint of production efficiency and production costs.

また、前記第四の工程において、化学気相成長法を用いてダイヤモンドを成長させることが好ましい。 In addition, in the fourth step, it is preferable to grow diamond using chemical vapor deposition.

このように、第四の工程では、種々の化学気相成長法を用いてダイヤモンドを成長させることができる。 Thus, in the fourth step, diamond can be grown using various chemical vapor deposition techniques.

また、前記第四の工程において成長させるダイヤモンドにボイドを形成することが好ましい。 It is also preferable to form voids in the diamond grown in the fourth step.

このように、ダイヤモンドにボイドを形成することで、結晶成長とともに発生する内部応力や、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和することができるため、好ましい。 In this way, forming voids in diamond is preferable because it can relieve internal stress that occurs with crystal growth and thermal stress that occurs when the base is made of a different material.

また、本発明では、少なくとも一方の表面を構成する材料がダイヤモンドであるダイヤモンド基板であって、内部にボイドを有することを特徴とするダイヤモンド基板を提供する。 The present invention also provides a diamond substrate having at least one surface made of diamond, the diamond substrate being characterized by having voids inside.

また、前記ダイヤモンド基板は、下地と該下地の表面上に形成されたダイヤモンド層からなり、前記下地と前記ダイヤモンド層との境界に接してボイドを有するものとすることができる。 The diamond substrate may also be made of a base and a diamond layer formed on the surface of the base, and may have voids at the boundary between the base and the diamond layer.

また、本発明では、ダイヤモンド自立基板であって、一方の表面にボイドを有することを特徴とするダイヤモンド自立基板を提供する。 The present invention also provides a free-standing diamond substrate, characterized in that one surface of the substrate has voids.

このような、内部にボイドを有するダイヤモンド基板、及び、一方の表面にボイドを有するダイヤモンド自立基板は、十分に転位欠陥等の欠陥が低減されたものとなる。また、応力が低減されたものとなり、基板の反りやクラックの発生を抑制することができる。 Such diamond substrates with internal voids and freestanding diamond substrates with voids on one surface have sufficiently reduced defects such as dislocation defects. In addition, stress is reduced, making it possible to suppress the occurrence of warping and cracks in the substrate.

また、本発明では、下地と該下地の表面上に形成されたダイヤモンド層からなるダイヤモンド基板であって、前記下地の裏面に開口部を有することを特徴とするダイヤモンド基板を提供する。 The present invention also provides a diamond substrate comprising a base and a diamond layer formed on the surface of the base, the diamond substrate being characterized in that the back surface of the base has an opening.

このようなダイヤモンド基板は、欠陥が十分に低減されたものとなり、また、結晶成長とともに発生する内部応力や、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力が低減されたものとなるため基板の反りやクラックの発生を抑制することができる。 Such diamond substrates have sufficiently reduced defects, and also have reduced internal stress that occurs with crystal growth and thermal stress that occurs when the base is made of a different material, making it possible to suppress warping and cracking of the substrate.

また、本発明では、少なくとも一方の表面を構成する材料がダイヤモンドであるダイヤモンド基板であって、少なくとも一方の表面全体が、横方向成長ダイヤモンド、及び、横方向成長ダイヤモンド層からの成長ダイヤモンドの少なくともいずれか一方で構成されたものであることを特徴とするダイヤモンド基板を提供する。 The present invention also provides a diamond substrate in which at least one surface is made of diamond, and the entirety of at least one surface is made of at least one of laterally grown diamond and diamond grown from a laterally grown diamond layer.

このようなダイヤモンド基板は、欠陥が十分に低減され、応力も小さいものとなる。 Such diamond substrates have significantly reduced defects and low stress.

本発明によれば、欠陥(転位欠陥を含む)が少なく、応力も小さな高品質のダイヤモンド基板を提供することができる。このようなダイヤモンド基板を用いれば、優れた性能を示す半導体デバイスを製造することが可能となる。また、下地に異種材料を用いて、ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた場合は、ダイヤモンド基板の大面積化も同時に実現することができる。 The present invention can provide a high-quality diamond substrate with few defects (including dislocation defects) and low stress. By using such a diamond substrate, it is possible to manufacture semiconductor devices that exhibit excellent performance. Furthermore, when diamond is grown heteroepitaxially using a different material as the base, it is possible to simultaneously increase the area of the diamond substrate.

本発明のダイヤモンド基板の製造方法(実施例2)を模式的に示した図である。1A to 1C are diagrams illustrating a method for manufacturing a diamond substrate according to the present invention (Example 2). 本発明のダイヤモンド基板の製造方法(実施例2)における、第一の工程で行うリソグラフィ等を模式的に示した図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing lithography and the like performed in the first step in the manufacturing method (Example 2) of the diamond substrate of the present invention. 本発明の、別のダイヤモンド基板の製造方法(実施例1)を模式的に示した図である。1A to 1C are diagrams illustrating another method for manufacturing a diamond substrate according to the present invention (Example 1). 本発明の、別のダイヤモンド基板の製造方法(実施例1)における、第一の工程で行うリソグラフィ等を模式的に示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a schematic diagram of lithography and the like carried out in a first step in another method for manufacturing a diamond substrate (Example 1) of the present invention. 本発明のダイヤモンド基板の一例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of a diamond substrate of the present invention.

上述したように、欠陥(転位欠陥を含む)を十分に低減することが可能なダイヤモンド基板の製造方法、欠陥が十分に低減された高品質のダイヤモンド基板及びダイヤモンド自立基板が求められている。 As described above, there is a demand for a method for manufacturing a diamond substrate that can sufficiently reduce defects (including dislocation defects), as well as a high-quality diamond substrate and a free-standing diamond substrate with sufficiently reduced defects.

そして、本発明者らは、以下の本発明のダイヤモンド基板の製造方法であれば、欠陥が十分に低減された高品質のダイヤモンド基板を製造することができることを見出した。 The inventors have discovered that the method for manufacturing a diamond substrate according to the present invention described below makes it possible to manufacture a high-quality diamond substrate with sufficiently reduced defects.

即ち、本発明は、ダイヤモンド基板の製造方法であって、
下地表面にパターン状のダイヤモンドを設ける第一の工程と、
該第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させて、前記第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙にダイヤモンドを形成する第二の工程と、
前記第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドを取り除き、前記第二の工程で形成したダイヤモンドからなるパターン状のダイヤモンドを形成する第三の工程と、
前記第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させて、前記第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙にダイヤモンドを形成する第四の工程と、
を含むことを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法を提供する。
That is, the present invention is a method for producing a diamond substrate,
A first step of providing a pattern of diamonds on a substrate surface;
a second step of growing diamond from the patterned diamond provided in the first step to form diamond in the patterned diamond provided in the first step;
a third step of removing the patterned diamond provided in the first step and forming a patterned diamond made of the diamond formed in the second step;
A fourth step of growing diamond from the patterned diamond formed in the third step to form diamond in the patterned diamond formed in the third step;
The present invention provides a method for producing a diamond substrate, comprising the steps of:

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。また、本発明のダイヤモンドの製造方法は、少なくとも以下に説明する四つの工程を含むが、必要に応じて他の工程を追加することができる。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the present invention is not limited to this. The method for manufacturing diamond of the present invention includes at least the four steps described below, but other steps can be added as necessary.

まず、第一の工程では、下地1、21の表面(下地表面)にパターン状のダイヤモンド2、22を設ける(図1(A)、図3(A))。 In the first step, a pattern of diamonds 2, 22 is provided on the surface (substrate surface) of the substrate 1, 21 (Fig. 1(A), Fig. 3(A)).

このとき、下地1、21を構成する材料は特に限定されない。図1のように、下地表面を構成する材料をダイヤモンド3とすれば、ホモエピタキシャル成長によってダイヤモンド基板が作製される。 In this case, there is no particular limitation on the material that constitutes the base 1, 21. As shown in Figure 1, if the material that constitutes the base surface is diamond 3, a diamond substrate is produced by homoepitaxial growth.

このような下地1の例としては、HPHT法により合成されたダイヤモンド、ホモエピタキシャルダイヤモンド、ヘテロエピタキシャルダイヤモンド等のダイヤモンド3が挙げられる。特に、HPHT法により合成されたダイヤモンドやホモエピタキシャルダイヤモンド等の比較的欠陥の少ないダイヤモンドを下地として用いれば、さらに欠陥の少ないダイヤモンド基板を作製することができる。 Examples of such a substrate 1 include diamond 3, such as diamond synthesized by the HPHT method, homoepitaxial diamond, and heteroepitaxial diamond. In particular, if diamond with relatively few defects, such as diamond synthesized by the HPHT method or homoepitaxial diamond, is used as the substrate, a diamond substrate with even fewer defects can be produced.

一方、下地表面を構成する材料を、図3に示すように、ダイヤモンドではない異種材料とすれば、ヘテロエピタキシャル成長によってダイヤモンド基板が作製される。 On the other hand, if the material that makes up the base surface is a different material other than diamond, as shown in Figure 3, a diamond substrate can be produced by heteroepitaxial growth.

下地表面を構成する異種材料としては、ダイヤモンドと同様に立方晶であり、ダイヤモンドとの格子不整合が小さく、さらに炭素と反応して炭化物を形成しない材料が好ましい。これらの条件を満たす材料としては、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)等の白金族が主に挙げられる。 The heterogeneous material that constitutes the base surface is preferably a material that is a cubic crystal like diamond, has a small lattice mismatch with diamond, and does not react with carbon to form carbides. Materials that satisfy these conditions include the platinum group metals, such as rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), and platinum (Pt).

ここで、ダイヤモンドの格子定数は3.57Åであり、Rh(格子定数3.72Å)との格子不整合は4.2%、Ir(格子定数3.84Å)との格子不整合は7.6%、Pt(格子定数3.92Å)との格子不整合は9.8%である。ダイヤモンドと下地表面を構成する異種材料との格子不整合は10%以下であることが好ましい。また、炭素と反応して炭化物を形成しないという観点からはIrが好ましい。 Here, the lattice constant of diamond is 3.57 Å, and the lattice mismatch with Rh (lattice constant 3.72 Å) is 4.2%, with Ir (lattice constant 3.84 Å) is 7.6%, and with Pt (lattice constant 3.92 Å) is 9.8%. It is preferable that the lattice mismatch between diamond and the dissimilar materials that make up the base surface is 10% or less. Also, Ir is preferable from the viewpoint of not reacting with carbon to form carbides.

このような下地21の例としては、シリコン(Si)基板23の上に、単結晶酸化マグネシウム(MgO)、単結晶チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、α‐アルミナ(Al)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)から選択される材料からなる中間層24が設けられ、さらに、この中間層の上にイリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、白金(Pt)から選択される材料からなる表層25が設けられた下地が挙げられる。 An example of such a base 21 is a base in which an intermediate layer 24 made of a material selected from single crystal magnesium oxide (MgO), single crystal strontium titanate ( SrTiO3 ), α-alumina ( Al2O3 ), and yttria-stabilized zirconia (YSZ) is provided on a silicon (Si) substrate 23, and further a surface layer 25 made of a material selected from iridium (Ir), rhodium (Rh), and platinum (Pt) is provided on the intermediate layer.

また、シリコン(Si)基板23と中間層24との間には、金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、イリジウム(Ir)、ロジウム(Rh)、シリコン(Si)、酸化シリコン(SiO)から選択される材料からなる層(不図示)を一層以上介在させてもよい。 In addition, one or more layers (not shown) made of a material selected from gold (Au), platinum (Pt), titanium (Ti), chromium (Cr), iridium (Ir), rhodium (Rh), silicon (Si), and silicon oxide (SiO 2 ) may be interposed between the silicon (Si) substrate 23 and the intermediate layer 24.

ヘテロエピタキシャル成長では、比較的低コストで、容易に大面積のダイヤモンド基板を得ることができるため、本発明にヘテロエピタキシャル成長を適用すれば、高品質かつ大面積のダイヤモンド基板を作製することが可能となる。 Heteroepitaxial growth can easily produce large-area diamond substrates at a relatively low cost, so by applying heteroepitaxial growth to the present invention, it is possible to produce high-quality, large-area diamond substrates.

また、下地表面にパターン状のダイヤモンド2、22を設ける方法も限定されない。尚、本発明において「パターン状」とは、凹凸によって形成されるパターンである。 The method for providing the patterned diamonds 2, 22 on the base surface is also not limited. In the present invention, "patterned" refers to a pattern formed by projections and recesses.

下地表面を構成する材料がダイヤモンドである場合は、例えば、下地表面のダイヤモンド3をフォトリソグラフィや電子ビームリソグラフィ等の公知の方法によって、パターン状のダイヤモンド2に加工することができる(図1(A))。 When the material constituting the base surface is diamond, for example, the diamond 3 on the base surface can be processed into a pattern of diamond 2 by a known method such as photolithography or electron beam lithography (Figure 1 (A)).

下地表面を構成する材料が異種材料である場合は、まず、マイクロ波プラズマCVD、直流プラズマCVD、熱フィラメントCVD、アーク放電プラズマジェットCVD等の公知の方法によって、下地表面にダイヤモンドを成長させる。次に、下地表面に成長させたダイヤモンドを、フォトリソグラフィや電子ビームリソグラフィ等の方法でパターン状に加工することによって、下地表面にパターン状のダイヤモンド22を設けることができる(図3(A))。 When the material constituting the base surface is a different material, diamond is first grown on the base surface by a known method such as microwave plasma CVD, direct current plasma CVD, hot filament CVD, arc discharge plasma jet CVD, etc. Next, the diamond grown on the base surface is processed into a pattern by a method such as photolithography or electron beam lithography, thereby providing a patterned diamond 22 on the base surface (Figure 3 (A)).

また、下地表面を構成する材料がダイヤモンドであっても、同様の手法によって下地表面にダイヤモンドを成長させ、成長させたダイヤモンドをパターン状に加工することで、下地表面にパターン状のダイヤモンドを設けてもよい。 In addition, even if the material constituting the base surface is diamond, a pattern of diamonds can be provided on the base surface by growing diamond on the base surface using a similar technique and processing the grown diamond into a pattern.

下地表面に設けるパターン状のダイヤモンド2、22のパターンの形状は、任意に選択することができる。例えば、ライン状、矩形ドット状、円形ドット状等のダイヤモンドを複数並べたパターンとすることができる。 The shape of the pattern of diamonds 2, 22 provided on the base surface can be selected arbitrarily. For example, the pattern can be a line, rectangular dot, circular dot, or other pattern of multiple diamonds.

このとき、パターン状のダイヤモンド2、22の位置、サイズ、厚さ、結晶方位等も任意に選択することができるが、パターン状のダイヤモンド2、22におけるパターン間隙10、30の深さD(図1のD11、図3のD21)と幅W(図1のW12、図3のW22)の比であるD/Wを、0.1以上とすることが好ましく、0.5以上とすることがより好ましい。尚、図1のW11、図3のW21は、パターン状のダイヤモンド2、22における凸部の幅である。このようにすれば、第二の工程において比較的早くパターン間隙10、30が塞がるため、パターン間隙から異常成長粒子が発生したとしても、形成したダイヤモンド表面への影響を少なくすることができる。尚、本発明において「パターン間隙」とは、パターン状のダイヤモンドの凸部の間の間隙である。 At this time, the position, size, thickness, crystal orientation, etc. of the patterned diamond 2, 22 can be selected arbitrarily, but the ratio D/W of the depth D ( D11 in FIG. 1, D21 in FIG. 3) and width W ( W12 in FIG. 1, W22 in FIG. 3) of the patterned gap 10, 30 in the patterned diamond 2, 22 is preferably 0.1 or more, more preferably 0.5 or more. Incidentally, W11 in FIG. 1 and W21 in FIG. 3 are the widths of the convex parts in the patterned diamond 2, 22. In this way, since the patterned gap 10, 30 is closed relatively quickly in the second step, even if abnormally grown grains are generated from the patterned gap, the influence on the formed diamond surface can be reduced. Incidentally, in the present invention, the "patterned gap" refers to the gap between the convex parts of the patterned diamond.

また、パターン間隙10、30の底部11、31を構成する材料は、ダイヤモンドであっても異種材料であってもよい。ただし、MgO等の材料は、第二の工程においてパターン間隙にダイヤモンドを形成する際に、CVDの水素(H)/メタン(CH)プラズマによってエッチングされるため、Ir等の材料にすることが好ましい。 The material constituting the bottoms 11, 31 of the pattern gaps 10, 30 may be diamond or a different material. However, since materials such as MgO are etched by hydrogen (H 2 )/methane (CH 4 ) plasma of CVD when diamond is formed in the pattern gaps in the second step, it is preferable to use a material such as Ir.

特に、パターン間隙の底部を構成する材料が異種材料である場合、ダイヤモンドをパターン状に加工する工程で、下地表面に設けたパターン状のダイヤモンド2、22の壁面に異種付着物が付着する場合がある。また、マスクとして用いたSiOに起因する異種付着物が付着する場合がある。このような下地表面に設けたパターン状のダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物は、第二の工程より前に除去することが好ましい。このようにダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物を除去することで、第二の工程において異常成長粒子の発生を抑制することができる。異種付着物の除去は、例えば、選択的なエッチング等により行うことができる。 In particular, when the material constituting the bottom of the pattern gap is a different material, in the process of processing the diamond into a pattern, a different kind of attachment may adhere to the wall surface of the pattern-shaped diamond 2, 22 provided on the base surface. In addition, a different kind of attachment may adhere due to SiO 2 used as a mask. It is preferable to remove the different kind of attachment adhered to the wall surface of the pattern-shaped diamond provided on the base surface before the second process. By removing the different kind of attachment adhered to the wall surface of the diamond in this way, the generation of abnormally grown particles can be suppressed in the second process. The removal of the different kind of attachment can be performed, for example, by selective etching or the like.

例えば、IrやSiO等の異種付着物が下地表面に設けたパターン状のダイヤモンド2、22の壁面に付着している場合は、CFプラズマによるエッチングで除去することが可能である。 For example, when foreign deposits such as Ir or SiO2 are attached to the walls of the patterned diamonds 2, 22 provided on the base surface, they can be removed by etching with CF4 plasma.

さらに、必要に応じて、第一の工程で設けるパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙10、30の底部11、31の少なくとも一部を、下地も含めて除去して貫通させてもよい。 Furthermore, if necessary, at least a portion of the bottoms 11, 31 of the pattern gaps 10, 30 in the patterned diamond provided in the first step may be removed, including the underlying layer, to make them open.

また、下地表面を構成する材料がダイヤモンドではない異種材料であるときは、第一の工程において設けるパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙30の底部31の少なくとも一部を、下地も一部除去して下地表面よりも下方に設けてもよい。このとき、下地表面からパターン間隙30の底部31までの深さは任意に決定することができる。 In addition, when the material constituting the substrate surface is a different material other than diamond, at least a part of the bottom 31 of the pattern gap 30 in the patterned diamond provided in the first step may be provided below the substrate surface by removing a part of the substrate as well. In this case, the depth from the substrate surface to the bottom 31 of the pattern gap 30 can be determined as desired.

このようにすれば、内部応力や下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和することができる。尚、下地も含めて除去させる方法としては、例えば、エッチングが挙げられる。 In this way, it is possible to reduce internal stress and thermal stress that occurs when the base is made of a different material. One method for removing the base as well is etching.

第二の工程では、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22からダイヤモンドを成長させて、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22におけるパターン間隙10、30にダイヤモンド12、32を形成する(図1(B)、図3(B))。 In the second step, diamonds are grown from the patterned diamonds 2, 22 provided in the first step, forming diamonds 12, 32 in the pattern gaps 10, 30 in the patterned diamonds 2, 22 provided in the first step (Figures 1(B), 3(B)).

第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンド12、32を成長させる方法は、マイクロ波プラズマCVD、直流プラズマCVD、熱フィラメントCVD、アーク放電プラズマジェットCVD等の公知の方法から選択すればよい。 The method for growing diamonds 12 and 32 from the patterned diamond provided in the first step may be selected from known methods such as microwave plasma CVD, direct current plasma CVD, hot filament CVD, and arc discharge plasma jet CVD.

このとき、パターン状のダイヤモンドを核として、ダイヤモンドが横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)していくため、パターン間隙には欠陥の少ないダイヤモンド12、32が形成される。 At this time, diamond grows laterally (ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth) using the patterned diamond as a nucleus, so diamonds 12 and 32 with few defects are formed in the gaps between the patterns.

また、必ずしもパターン間隙を全て塞ぐようにダイヤモンドを形成する必要はない。 Also, it is not necessary to form diamonds so as to fill all of the pattern gaps.

第二の工程においてダイヤモンド12、32を成長させるとき、パターン状のダイヤモンドの下部からよりも上部からの方が成長速度を速くなるようにすれば、パターン間隙の底部にボイドを形成することが可能である。このようなボイドを形成することで、応力を緩和することができ、特に、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和することができるため、好ましい。形成するボイドは、例えば、断面が一辺0.01μm~20μmの略三角形状のボイドとすることができる。 When growing diamonds 12, 32 in the second step, if the growth rate is made faster from the top of the diamond pattern than from the bottom, it is possible to form voids at the bottom of the gaps in the pattern. By forming such voids, stress can be relieved, and this is particularly preferable because it can relieve thermal stress that occurs when the base is made of a different material. The voids formed can be, for example, approximately triangular voids with a cross section of 0.01 μm to 20 μm on a side.

パターン状のダイヤモンドの下部と上部における成長速度の調整方法としては、具体的には、原料ガス(例えば、メタン)濃度やプレッシャー、入力電力等を調整することによって、各結晶方位に対する成長速度の比を制御することが可能である。 Specific methods for adjusting the growth rate at the bottom and top of the patterned diamond include adjusting the source gas (e.g., methane) concentration, pressure, input power, etc., to control the ratio of growth rates for each crystal orientation.

次いで、第三の工程では、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22を取り除き、第二の工程で形成したダイヤモンドからなるパターン状のダイヤモンド13、33を形成する(図1(C)、図3(C))。この工程は、フォトリソグラフィや電子ビームリソグラフィ等の公知の方法を用いることによって行うことができる。 Next, in the third step, the patterned diamonds 2 and 22 provided in the first step are removed, and patterned diamonds 13 and 33 made of the diamonds formed in the second step are formed (Figures 1(C) and 3(C)). This step can be performed by using a known method such as photolithography or electron beam lithography.

また、ここでは、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22を全て取り除く必要はなく、また、必要に応じて第二の工程で形成したダイヤモンド12、32を一部取り除いてもよい。 In addition, it is not necessary to remove all of the patterned diamonds 2, 22 formed in the first step, and it is also possible to remove some of the diamonds 12, 32 formed in the second step, if necessary.

このとき、第二の工程で形成したダイヤモンド12、32を、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22との境界から5μm以上の位置まで取り除くことが好ましい。これにより、第四の工程において、より高品質のダイヤモンドを成長させることができる。また、製造効率や製造コストの観点から、取り除く領域は、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド2、22との境界から30μm以下の位置までとすることが好ましい。 At this time, it is preferable to remove the diamonds 12, 32 formed in the second step to a position 5 μm or more from the boundary with the patterned diamonds 2, 22 provided in the first step. This allows a higher quality diamond to be grown in the fourth step. Also, from the standpoint of manufacturing efficiency and manufacturing costs, it is preferable that the area to be removed is a position 30 μm or less from the boundary with the patterned diamonds 2, 22 provided in the first step.

第三の工程においても、第一の工程と同様に、パターン状のダイヤモンド13、33のパターンの形状を任意に選択することができる。例えば、ライン状、矩形ドット状、円形ドット状等のダイヤモンドを複数並べたパターンとすることができる。 In the third process, as in the first process, the shape of the pattern of the diamonds 13 and 33 can be selected as desired. For example, the pattern can be one in which multiple diamonds are arranged in a line shape, rectangular dot shape, circular dot shape, etc.

このとき、パターン状のダイヤモンド13、33の位置、サイズ、厚さ、結晶方位等も任意に選択することができるが、パターン状のダイヤモンド13、33におけるパターン間隙14、34の深さD(図1のD12、図3のD22)と幅W(図1のW14、図3のW24)の比であるD/Wを、0.1以上とすることが好ましく、0.5以上とすることがより好ましい。尚、図1のW13、図3のW23は、パターン状のダイヤモンド13、33における凸部の幅である。このようにすれば、第四の工程において比較的早くパターン間隙14、34が塞がるため、パターン間隙14、34から異常成長粒子が発生したとしても、形成したダイヤモンド表面への影響が少ない。 At this time, the position, size, thickness, crystal orientation, etc. of the patterned diamond 13, 33 can be selected arbitrarily, but the ratio D/W of the depth D ( D12 in FIG. 1, D22 in FIG. 3) and the width W ( W14 in FIG. 1, W24 in FIG. 3) of the patterned diamond 13, 33 is preferably 0.1 or more, more preferably 0.5 or more. Incidentally, W13 in FIG. 1 and W23 in FIG. 3 are the widths of the convex portions in the patterned diamond 13, 33. In this way, the patterned diamond 13, 34 is closed relatively quickly in the fourth step, so that even if abnormally grown grains are generated from the patterned diamond 13, 34, the effect on the formed diamond surface is small.

また、パターン間隙14、34の底部15、35を構成する材料は、ダイヤモンドであっても異種材料であってもよい。ただし、MgO等の材料は、第四の工程においてパターン間隙にダイヤモンドを形成する際に、CVDの水素(H)/メタン(CH)プラズマによってエッチングされるため、Ir等の材料にすることが好ましい。 The material constituting the bottoms 15, 35 of the pattern gaps 14, 34 may be diamond or a different material. However, since materials such as MgO are etched by hydrogen (H 2 )/methane (CH 4 ) plasma of CVD when diamond is formed in the pattern gaps in the fourth step, it is preferable to use a material such as Ir.

特に、パターン間隙の底部を構成する材料が異種材料である場合、ダイヤモンドをパターン状に加工する工程で、ダイヤモンドの壁面に異種付着物が付着する場合がある。また、マスクとして用いたSiO等の異種付着物が付着する場合がある。このようなダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物は、第四の工程より前に除去することが好ましい。このようにダイヤモンドの壁面に付着した異種付着物を除去することで、第四の工程において異常成長粒子の発生を抑制することができる。異種付着物の除去は、例えば、選択的なエッチング等により行うことができる。 In particular, when the material constituting the bottom of the pattern gap is a different material, the process of processing the diamond into a pattern may cause a different attachment to the wall of the diamond. Also, the different attachment such as SiO2 used as a mask may be attached. It is preferable to remove the different attachment attached to the wall of the diamond before the fourth process. By removing the different attachment attached to the wall of the diamond in this way, the generation of abnormally grown particles can be suppressed in the fourth process. The removal of the different attachment can be performed, for example, by selective etching or the like.

例えば、IrやSiOがダイヤモンドの壁面に付着している場合は、CFプラズマによるエッチングで除去することが可能である。 For example, if Ir or SiO2 adheres to the wall surface of the diamond, it can be removed by etching with CF4 plasma.

さらに、必要に応じて、第三の工程において形成するパターン状のダイヤモンド13、33におけるパターン間隙14、34の底部15、35の少なくとも一部を貫通させてもよい。 Furthermore, if necessary, at least a portion of the bottoms 15, 35 of the pattern gaps 14, 34 in the patterned diamonds 13, 33 formed in the third step may be penetrated.

また、下地表面を構成する材料がダイヤモンドではない異種材料であるときは、第三の工程において形成するパターン状のダイヤモンド33におけるパターン間隙34の底部35の少なくとも一部を、下地も一部除去して下地表面よりも下方に設けてもよい。 In addition, when the material constituting the base surface is a different material other than diamond, at least a part of the bottom 35 of the pattern gap 34 in the patterned diamond 33 formed in the third step may be located below the base surface by removing part of the base as well.

このようにすれば、内部応力や下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力を緩和できると考えられる。 This is believed to alleviate internal stresses and thermal stresses that occur when the base is made of different materials.

第四の工程では、第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンド13、33からダイヤモンドを成長させて、第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンド13、33におけるパターン間隙14、34にダイヤモンド16、36を形成する(図1(D)、図3(D))。 In the fourth step, diamonds are grown from the patterned diamonds 13, 33 formed in the third step, forming diamonds 16, 36 in the pattern gaps 14, 34 in the patterned diamonds 13, 33 formed in the third step (Figures 1(D) and 3(D)).

第四の工程においても第二の工程と同様に、第三の工程で設けたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させる方法は、マイクロ波プラズマCVD、直流プラズマCVD、熱フィラメントCVD、アーク放電プラズマジェットCVD等の公知の方法から選択すればよい。 In the fourth step, as in the second step, the method for growing diamond from the patterned diamond formed in the third step may be selected from known methods such as microwave plasma CVD, direct current plasma CVD, hot filament CVD, and arc discharge plasma jet CVD.

このとき、パターン状のダイヤモンドを核として、ダイヤモンドが横方向成長(ELO:Epitaxial Lateral Overgrowth)していくため、パターン間隙には欠陥の少ないダイヤモンドが形成される。 At this time, diamond grows laterally (ELO: Epitaxial Lateral Overgrowth) using the patterned diamond as a nucleus, so diamond with few defects is formed in the gaps between the patterns.

また、第四の工程においても、必ずしもパターン間隙14、34を全て塞ぐようにダイヤモンドを形成する必要はなく、パターン間隙15、35の底部にボイドを形成することが好ましい。第二と第四のいずれの工程においても、このようなボイドを形成すれば、応力を緩和することができ、特に、下地が異種材料からなる場合に発生する熱応力をさらに緩和することができる。 In the fourth step, too, it is not necessary to form diamond so as to completely fill all of the pattern gaps 14 and 34, and it is preferable to form voids at the bottoms of the pattern gaps 15 and 35. In both the second and fourth steps, forming such voids can reduce stress, and can further reduce thermal stress that occurs when the base is made of a different material.

本発明では、第一から第四の工程によって、表面全体が横方向成長させたダイヤモンド及び/又は横方向成長させたダイヤモンドから成長したダイヤモンドからなるダイヤモンド基板17、37を製造することが可能である。 In the present invention, by the first to fourth steps, it is possible to produce diamond substrates 17, 37 whose entire surface is made of laterally grown diamond and/or diamond grown from laterally grown diamond.

即ち、本発明によれば、少なくとも一方の表面を構成する材料がダイヤモンドであるダイヤモンド基板であって、少なくとも一方の表面全体が、横方向成長ダイヤモンド、及び、横方向成長ダイヤモンドからの成長ダイヤモンドの少なくともいずれか一方で構成されたものであることを特徴とするダイヤモンド基板が提供される。 That is, the present invention provides a diamond substrate in which the material constituting at least one surface is diamond, and the entirety of at least one surface is made of at least one of laterally grown diamond and diamond grown from laterally grown diamond.

また、第四の工程までに、表面全体を横方向成長ダイヤモンド及び/又は横方向成長ダイヤモンドからの成長ダイヤモンドとする必要はなく、さらに、第三の工程および第四の工程に倣ってパターン状のダイヤモンドの形成、成長を複数回繰り返すことによって、少なくとも一方の表面全体が横方向成長ダイヤモンド、及び、横方向成長ダイヤモンドからの成長ダイヤモンドの少なくともいずれか一方で構成されたダイヤモンド基板を作製してもよい。 Furthermore, it is not necessary for the entire surface to be made of laterally grown diamonds and/or diamonds grown from laterally grown diamonds by the fourth step. Furthermore, by repeating the formation and growth of patterned diamonds multiple times following the third and fourth steps, a diamond substrate may be produced in which at least one of the entire surfaces is made of at least one of laterally grown diamonds and diamonds grown from laterally grown diamonds.

また、表面全体を、横方向成長ダイヤモンド、及び、横方向成長ダイヤモンドからの成長ダイヤモンドの少なくともいずれか一方で構成されたものとした後に、第三の工程および第四の工程に倣ってパターン状のダイヤモンドの形成、成長を複数回繰り返すことによって、さらに欠陥を低減することが可能である。この方法により、ボイドを更に多く形成することも可能となるため、さらなる低応力化も望める。 It is also possible to further reduce defects by forming the entire surface from at least one of laterally grown diamonds and diamonds grown from laterally grown diamonds, and then repeating the formation and growth of patterned diamonds multiple times following the third and fourth steps. This method also makes it possible to form even more voids, which can lead to even lower stress.

本発明により製造したダイヤモンド基板は、下地を残して使用してもよく、下地を取り除いて自立基板として使用してもよい。 The diamond substrate produced by the present invention may be used with the base left on, or may be used as a free-standing substrate with the base removed.

ダイヤモンド基板の下地を取り除いて自立基板とする場合は、該自立基板の厚さが50μm以上2000μm以下であることが好ましい。自立基板の厚みが50μm以上であれば、製造プロセスや該ダイヤモンド基板を用いたデバイス製造プロセスにおいて、ハンドリングし易く、破損する恐れがないために好ましい。 When the base of the diamond substrate is removed to form a free-standing substrate, the free-standing substrate preferably has a thickness of 50 μm or more and 2000 μm or less. If the free-standing substrate has a thickness of 50 μm or more, it is preferable because it is easy to handle and there is no risk of damage during the manufacturing process or the device manufacturing process using the diamond substrate.

一方、自立基板の厚みが2000μm以下である場合は、単純にダイヤモンドを形成する時間が長くなる恐れがなく、また、ダイヤモンド基板表面の凹凸が大きくなる恐れがないために、研磨加工に要する時間を短くすることができる。そのため、製造コストを低減することができる。さらに、基板の反りを抑制することができ、クラックの発生や破損を抑制することができる。 On the other hand, if the thickness of the free-standing substrate is 2000 μm or less, there is no risk of the time required to form the diamond being longer, and there is also no risk of the unevenness of the diamond substrate surface becoming larger, so the time required for polishing can be shortened. This makes it possible to reduce manufacturing costs. Furthermore, warping of the substrate can be suppressed, and the occurrence of cracks and breakage can be suppressed.

ダイヤモンド基板の下地を残して、下地を含めた基板構造とする場合は、ダイヤモンド層を必要以上に厚く形成しなくてもよい。基板を作製するための時間や内部応力の影響を考慮すると、下地表面から基板表面までの厚さが300μm以下であることが好ましい。 If the diamond substrate is left with its base layer remaining and the substrate structure includes the base layer, the diamond layer does not need to be formed thicker than necessary. Considering the time required to fabricate the substrate and the effects of internal stress, it is preferable that the thickness from the base surface to the substrate surface be 300 μm or less.

また、第二及び/又は第四の工程において、パターン間隙の底部にボイドを形成させた場合には、図5に示すように、少なくとも一方の表面101を構成する材料がダイヤモンドであるダイヤモンド基板100であって、内部にボイド52を有するダイヤモンド基板100が得られる。 In addition, if voids are formed at the bottom of the pattern gaps in the second and/or fourth steps, a diamond substrate 100 having a void 52 therein and in which the material constituting at least one surface 101 is diamond, is obtained, as shown in FIG. 5.

この場合、本発明のダイヤモンド基板100は、下地50と該下地50の表面上に形成されたダイヤモンド層51からなり、下地50とダイヤモンド層51との境界に接してボイド52を有するものとすることができる。 In this case, the diamond substrate 100 of the present invention is composed of a substrate 50 and a diamond layer 51 formed on the surface of the substrate 50, and can have a void 52 adjacent to the boundary between the substrate 50 and the diamond layer 51.

さらに、下地50を取り除いて自立基板とした場合は、一方の表面にボイド52を有するダイヤモンド基板となる。 Furthermore, when the base 50 is removed to form a free-standing substrate, the resulting diamond substrate has a void 52 on one surface.

本発明の基板の内部にボイドを有するダイヤモンド基板、及び、一方の表面にボイドを有するダイヤモンド自立基板は、転位欠陥等の欠陥が十分に低減されたものとなる。更に、応力が低減されたものとなるため、基板の反りやクラックの発生を抑制することができる。 The diamond substrate having voids inside the substrate and the freestanding diamond substrate having voids on one surface of the present invention have sufficiently reduced defects such as dislocation defects. Furthermore, because stress is reduced, the occurrence of warping and cracks in the substrate can be suppressed.

また、第一及び/又は第三の工程において、パターン間隙の底部を貫通させた場合、下地と該下地の表面上に形成されたダイヤモンド層からなるダイヤモンド基板であって、前記下地の裏面に開口部を有することを特徴とするダイヤモンド基板が得られる。 In addition, when the bottom of the pattern gap is penetrated in the first and/or third steps, a diamond substrate is obtained that is made of a base and a diamond layer formed on the surface of the base, and that has an opening on the back surface of the base.

このような、本発明の、下地の表面に開口部を有するダイヤモンド基板は、欠陥が十分に低減され、かつ、結晶成長とともに発生する内部応力や熱応力が低減されたものとなるため、基板の反りやクラックの発生を抑制することができる。 The diamond substrate of the present invention, which has an opening on the surface of the base, has sufficiently reduced defects and reduces the internal stress and thermal stress that occur with crystal growth, making it possible to suppress the occurrence of warping and cracks in the substrate.

本発明によって作製したダイヤモンド基板の表面は、単結晶ダイヤモンドからなることが好ましい。 The surface of the diamond substrate produced by the present invention is preferably made of single crystal diamond.

本発明によって作製したダイヤモンド基板の表面には、さらに、ホウ素(B)等の不純物をドープしたp型ダイヤモンド、リン(P)等の不純物をドープしたn型ダイヤモンド、不純物をドープしないダイヤモンドの何れかから選択される材料を積層することができる。このような構成にすることによって、半導体デバイスとして動作させることが可能となる。 On the surface of the diamond substrate produced by the present invention, a material selected from p-type diamond doped with impurities such as boron (B), n-type diamond doped with impurities such as phosphorus (P), and diamond that is not doped with impurities can be layered. By configuring it in this way, it becomes possible to operate it as a semiconductor device.

以下、本発明の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、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
図3に示した方法により、ダイヤモンド基板を製造した。
Example 1
A diamond substrate was manufactured by the method shown in FIG.

先ず、図3(A)に示したように、下地21の表面にパターン状のダイヤモンド22を設けた(第一の工程)。具体的には、図4(a)~図4(f)で示したステップにより下地21の表面にパターン状のダイヤモンド22を設けた。 First, as shown in FIG. 3(A), a pattern of diamonds 22 was provided on the surface of the base 21 (first step). Specifically, the pattern of diamonds 22 was provided on the surface of the base 21 through the steps shown in FIG. 4(a) to FIG. 4(f).

以下のようにして、下地21を作製し、該下地21にダイヤモンド層26を形成した(図4(a))。 The substrate 21 was prepared and the diamond layer 26 was formed on the substrate 21 as follows (Figure 4(a)).

まず、直径10.0mm、厚さ1.0mm、表面が(100)面となる両面研磨された単結晶シリコン(Si)基板23を準備した。準備した単結晶シリコン基板23の片面に、電子ビーム蒸着によって単結晶MgOからなる層24を形成した。このとき、真空中、基板温度900℃の条件とし、単結晶MgO層24が1μmになるまでエピタキシャル成長させた。さらに、この単結晶MgO層24上に、Irからなる層25を形成した。Ir層25の形成には、直径6インチ(150mm)、厚さ5.0mm、純度99.9%以上のIrをターゲットとした高周波(RF)マグネトロンスパッタ法(13.56MHz)を用いた。単結晶MgO層24が形成された基板を800℃に加熱し、ベースプレッシャーが6×10-7Torr(約8.0×10-5Pa)以下になったのを確認した後、Arガスを10sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してプレッシャーを5×10-2Torr(約6.7Pa)とした後、RF電力1000Wを入力して15分間成膜を行った。得られたIr層25は厚さ0.7μmであった。 First, a single crystal silicon (Si) substrate 23 was prepared, which had a diameter of 10.0 mm, a thickness of 1.0 mm, and a surface that was (100) plane and was polished on both sides. A layer 24 made of single crystal MgO was formed on one side of the prepared single crystal silicon substrate 23 by electron beam deposition. At this time, the single crystal MgO layer 24 was epitaxially grown to a thickness of 1 μm under conditions of a substrate temperature of 900° C. in a vacuum. Furthermore, a layer 25 made of Ir was formed on the single crystal MgO layer 24. The Ir layer 25 was formed by a radio frequency (RF) magnetron sputtering method (13.56 MHz) using an Ir target with a diameter of 6 inches (150 mm), a thickness of 5.0 mm, and a purity of 99.9% or more. The substrate on which the single crystal MgO layer 24 was formed was heated to 800° C., and after confirming that the base pressure had become 6×10 −7 Torr (approximately 8.0×10 −5 Pa) or less, Ar gas was introduced at 10 sccm. The opening of the valve connected to the exhaust system was adjusted to set the pressure to 5×10 −2 Torr (approximately 6.7 Pa), and then an RF power of 1000 W was input to perform film formation for 15 minutes. The obtained Ir layer 25 had a thickness of 0.7 μm.

このようにして得られた、単結晶シリコン基板23上に単結晶MgO層24、Ir層25を積層させたものを、実施例1における下地21とした。 The single crystal silicon substrate 23 thus obtained, on which the single crystal MgO layer 24 and the Ir layer 25 were laminated, was used as the base 21 in Example 1.

次に、ダイヤモンドの核形成のために下地21の前処理(バイアス処理)を行った。Ir層25側を上にして下地を15mm直径で平板型の電極上にセットした。ベースプレッシャーが1×10-6Torr(約1.3×10-4Pa)以下になったのを確認した後、水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してプレッシャーを100Torr(約1.3×10Pa)とした後、基板側電極に負電圧を印加して90秒間プラズマにさらして、下地表面をバイアス処理した。 Next, the substrate 21 was pretreated (bias treated) for diamond nucleation. The substrate was set on a flat electrode with a diameter of 15 mm with the Ir layer 25 facing up. After confirming that the base pressure was 1×10 −6 Torr (about 1.3×10 −4 Pa) or less, 500 sccm of hydrogen-diluted methane (CH 4 /(CH 4 +H 2 )=5.0 vol.%) was introduced. After adjusting the opening of the valve leading to the exhaust system to set the pressure to 100 Torr (about 1.3×10 4 Pa), a negative voltage was applied to the substrate side electrode and exposed to plasma for 90 seconds, thereby bias treating the substrate surface.

続いて、下地表面に直流プラズマCVD法によってダイヤモンド層26をヘテロエピタキシャル成長させた。バイアス処理を行った下地21を、直流プラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプで10-3Torr(約1.3×10-1Pa)以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を1000sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを110Torr(約1.5×10Pa)にした後、2.0Aの直流電流を流して2時間製膜を行った。製膜中の下地温度をパイロメーターで測定したところ950℃であった。 Subsequently, a diamond layer 26 was heteroepitaxially grown on the surface of the substrate by a direct current plasma CVD method. The bias-treated substrate 21 was set in the chamber of a direct current plasma CVD apparatus, and the substrate was evacuated to a base pressure of 10 -3 Torr (about 1.3 x 10 -1 Pa) or less by a rotary pump, and then hydrogen-diluted methane (CH 4 /(CH 4 +H 2 )=5.0 vol.%), which was a raw material gas, was introduced at 1000 sccm. The pressure in the chamber was adjusted to 110 Torr (about 1.5 x 10 4 Pa) by adjusting the opening degree of the valve connected to the exhaust system, and then a film was formed for 2 hours by passing a direct current of 2.0 A. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 950°C.

得られたダイヤモンド層26は、直径10mmの基板全面で剥離も無く完全な連続膜であり、膜厚は10μmであった。このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、720arcsec(約0.2°)であった。 The resulting diamond layer 26 was a complete continuous film without any peeling over the entire surface of the 10 mm diameter substrate, with a film thickness of 10 μm. When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5° attributable to diamond (004) was 720 arcsec (approximately 0.2°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1時間の条件で、ダイヤモンド層26の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、8×10(cm-2)であった。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. Using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device, the surface of diamond layer 26 was plasma-treated under conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 hour, and the etch pit density was measured by SEM observation and found to be 8 x 108 (cm -2 ).

次に、ダイヤモンド層26のパターニングを行った。まず、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)を原料とし、RFプラズマCVD法によってダイヤモンド層上に1000nmのSiO膜27を形成した(図4(b))。このSiO膜27上にレジストパターン28を形成した(図4(c))。次に、該レジストパターン28が形成されたSiO膜27上にチタン(Ti)膜、金(Au)膜を順に成膜し、リフトオフすることによって、ダイヤモンド層26上にSiO膜27、チタン(Ti)/金(Au)パターン29を順に形成した(図4(d))。次に、CFガスを用いてSiOエッチングを行ってダイヤモンドエッチング用のハードマスクとした(図4(e))。 Next, the diamond layer 26 was patterned. First, 1000 nm of SiO 2 film 27 was formed on the diamond layer by RF plasma CVD using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a raw material (FIG. 4(b)). A resist pattern 28 was formed on this SiO 2 film 27 (FIG. 4(c)). Next, a titanium (Ti) film and a gold (Au) film were formed in order on the SiO 2 film 27 on which the resist pattern 28 was formed, and then lifted off to form a SiO 2 film 27 and a titanium (Ti)/gold (Au) pattern 29 in order on the diamond layer 26 (FIG. 4(d)). Next, SiO 2 etching was performed using CF 4 gas to form a hard mask for diamond etching (FIG. 4(e)).

次いで、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、Oガス100vol.%、2.0Pa、500W、900秒の条件でダイヤモンド層のエッチングを行った(図4(f))。このようにして、下地表面にパターン状のダイヤモンド22を設けた(図3(A))。 Next, the diamond layer was etched using an inductively coupled plasma etching apparatus under the conditions of 100 vol. % O2 gas, 2.0 Pa, 500 W, and 900 seconds (FIG. 4(f)). In this way, a pattern of diamond 22 was provided on the base surface (FIG. 3(A)).

このとき、図3(A)におけるパターン状のダイヤモンド22は、50μm角(即ち、W21が50μm)の矩形ドット状のダイヤモンドが整列したパターンを有しており、パターン間隙の幅W22は70μmとした。言い換えれば、ダイヤモンド層に互いに平行な複数の溝を設け、さらに、該溝に対して垂直であり、かつ互いに平行な複数の溝を設けたパターンである。また、溝の方向は互いに垂直な2方向であり、いずれか一方はダイヤモンド層の[011]方向と同一になるようにした。 In this case, the patterned diamond 22 in Fig. 3(A) has a pattern in which rectangular dot-shaped diamonds of 50 µm square (i.e., W21 is 50 µm) are aligned, and the width W22 of the pattern gap is 70 µm. In other words, the diamond layer is provided with a plurality of grooves parallel to each other, and further, a plurality of grooves perpendicular to the grooves and parallel to each other are provided. The grooves are oriented in two directions perpendicular to each other, one of which is the same as the [011] direction of the diamond layer.

パターン間隙の深さD21は10μmであるので、このときのパターン間隙の深さD21と幅W22の比(D21/W22)は0.14となった。また、パターン間隙の底部は、下地のIrが露出している状態となっていた。 Since the depth D21 of the pattern gap was 10 μm, the ratio of the depth D21 to the width W22 of the pattern gap ( D21 / W22 ) was 0.14. In addition, the bottom of the pattern gap was in a state where the underlying Ir was exposed.

次に、得られたパターン状のダイヤモンドについて、プラズマ処理によるクリーニングを行った(図4(g))。誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、CFガス100vol.%、2.0Pa、500W、650秒の条件で処理を行った。この操作によって、パターン状のダイヤモンド壁面に付着したIr由来と考えられる異物を除去することができた。 Next, the patterned diamond was cleaned by plasma treatment (FIG. 4(g)). Using an inductively coupled plasma etching device, the treatment was performed under the conditions of CF4 gas 100 vol.%, 2.0 Pa, 500 W, and 650 seconds. This operation allowed the removal of foreign matter, which was thought to be derived from Ir, adhering to the wall surface of the patterned diamond.

クリーニング後、バッファードフッ化水素酸でSiOのハードマスクを除去し、さらに、熱混酸洗浄を行った(図4(h))。 After cleaning, the SiO2 hard mask was removed with buffered hydrofluoric acid, and then hot mixed acid cleaning was performed (FIG. 4(h)).

次に、第二の工程として、下地表面に設けられたパターン状のダイヤモンド22から、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙30に、マイクロ波プラズマCVD法によってダイヤモンド32を成長させた(図3(B))。 Next, in the second step, diamonds 32 were grown from the patterned diamonds 22 provided on the base surface into the pattern gaps 30 in the patterned diamonds provided in the first step by microwave plasma CVD (Figure 3(B)).

パターン状のダイヤモンド22を設けた基板を、マイクロ波プラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプ及びターボ分子ポンプで7×10-8Torr(約9.3×10-6Pa)まで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを110Torr(約1.5×10Pa)にした後、3000Wのマイクロ波電力を印加して、18時間製膜を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ1035℃であった。 The substrate provided with the patterned diamond 22 was set in the chamber of a microwave plasma CVD device, and the chamber was evacuated to 7x10-8 Torr (about 9.3x10-6 Pa) using a rotary pump and a turbo molecular pump, after which 500 sccm of hydrogen diluted methane ( CH4 /( CH4 + H2 )=5.0 vol.%), which was the source gas, was introduced. The opening of the valve connected to the exhaust system was adjusted to set the pressure in the chamber to 110 Torr (about 1.5x104 Pa), and then 3000 W of microwave power was applied to perform film formation for 18 hours. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 1035°C.

得られたダイヤモンド層は、パターン間隙が塞がっていた。このとき、下地表面から基板表面までの厚みは103μmであった。このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、340arcsec(約0.1°)であった。 The resulting diamond layer had filled the gaps between the patterns. At this time, the thickness from the surface of the base to the surface of the substrate was 103 μm. When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5° attributable to diamond (004) was 340 arcsec (approximately 0.1°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1hの条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、パターン状のダイヤモンドの上に成長した部分では1×10(cm-2)であったのに対して、パターン間隙部分では3×10(cm-2)と、エッチピット密度が二桁程度減少していた。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. Using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device, the surface of the diamond layer was plasma-treated under conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 h, and the etch pit density was measured by SEM observation. The etch pit density was 1x108 (cm -2 ) in the part grown on the patterned diamond, but 3x106 (cm -2 ) in the gaps between the patterns, a decrease of about two orders of magnitude.

基板の断面をSEM観察したところ、パターン間隙であった箇所の中央付近で、Ir層とダイヤモンド層との境界に接するように、断面が一辺5μmの略三角形状のボイドが観察された。 When the cross section of the substrate was observed using an SEM, a roughly triangular void with a cross section measuring 5 μm on a side was observed near the center of the area that had previously been a pattern gap, adjacent to the boundary between the Ir layer and the diamond layer.

ダイヤモンド基板の応力を評価するために、ダイヤモンド層形成前後における基板裏面の反り変化量を、光干渉式または接触式の測定装置を用いて測定した。続いて、この測定値をダイヤモンド層形成前後における膜厚増加量で除して、算出した値をダイヤモンド基板の応力の評価値とした。ここでの、評価値は21×10-2であった。 In order to evaluate the stress of the diamond substrate, the change in warpage of the rear surface of the substrate before and after the formation of the diamond layer was measured using an optical interference type or contact type measuring device.Then, this measured value was divided by the increase in film thickness before and after the formation of the diamond layer, and the calculated value was used as the evaluation value of the stress of the diamond substrate.The evaluation value here was 21× 10-2 .

次に、得られたダイヤモンド基板の表面に研磨加工を施した。研磨後の下地表面から基板表面までの厚みは71μm、表面粗さRMSは0.3nm(AFM測定、10μm角領域)となった。 Next, the surface of the obtained diamond substrate was polished. After polishing, the thickness from the base surface to the substrate surface was 71 μm, and the surface roughness RMS was 0.3 nm (AFM measurement, 10 μm square area).

続いて、第三の工程として、2回目のダイヤモンド層のパターニングを1回目のパターニングと同様の方法で行い、第二の工程で形成したダイヤモンド32からなるパターン状のダイヤモンド33を形成した(図3(C))。ここでのパターン形状は、1回目のパターン形状と同様に、50μm角の矩形ドット状(即ち、W23が50μm)のダイヤモンドが整列したパターンであり、パターン間隙の幅W24は70μmとした。ただし、パターンの位置は、1回目のパターンに対して、ダイヤモンド層の[011]方向に60μm平行移動させたパターンとした。 Subsequently, as the third step, the second diamond layer was patterned in the same manner as the first patterning, and a patterned diamond 33 was formed from the diamonds 32 formed in the second step (FIG. 3(C)). The pattern shape here was a pattern in which 50 μm square rectangular dot-shaped diamonds (i.e., W23 was 50 μm) were aligned, as in the first pattern shape, and the width W24 of the pattern gap was 70 μm. However, the position of the pattern was shifted 60 μm in parallel in the [011] direction of the diamond layer relative to the first pattern.

すなわち、ここでは、第二の工程で形成したダイヤモンド32を、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンド22との境界から10μmの位置まで取り除いている。 In other words, here, the diamond 32 formed in the second process is removed up to a position 10 μm from the boundary with the patterned diamond 22 provided in the first process.

次に、第四の工程として、下地表面に設けられたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させた方法と同様の方法で、パターン状のダイヤモンド33から、第三の工程で形成したパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙34にダイヤモンド36を成長させた(図3(D))。得られたダイヤモンド層は、パターン間隙が塞がっていた。このとき、下地表面から基板表面までの厚みは164μmであった。 Next, in the fourth step, diamonds 36 were grown from the patterned diamond 33 into the patterned gaps 34 in the patterned diamond formed in the third step in a similar manner to the method for growing diamonds from the patterned diamonds provided on the base surface (Figure 3(D)). The pattern gaps of the resulting diamond layer were filled. At this time, the thickness from the base surface to the substrate surface was 164 μm.

このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、340arcsec(約0.1°)であった。 When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5°, which is attributed to diamond (004), was 340 arcsec (approximately 0.1°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1hの条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、パターン状のダイヤモンドの上に成長した部分でも、パターン間隙部分でも3×10(cm-2)であり、ダイヤモンド基板37表面全体でエッチピット密度は低い値となった。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. Using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device, the surface of the diamond layer was plasma-treated under the conditions of H2 gas 100 vol. %, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 h, and the etch pit density was measured by SEM observation. The etch pit density was 3 x 106 (cm -2 ) both in the part grown on the patterned diamond and in the gaps between the patterns, and the etch pit density was a low value over the entire surface of the diamond substrate 37.

製造されたダイヤモンド基板37の断面をSEM観察したところ、2回目のパターン間隙であった箇所の中央付近でも、Ir層とダイヤモンド層との境界に接するように、断面が一辺5μmの略三角形状のボイドが観察された。 When the cross section of the manufactured diamond substrate 37 was observed with an SEM, a roughly triangular void with a side length of 5 μm was observed near the center of the area that had been the gap in the second pattern, and was in contact with the boundary between the Ir layer and the diamond layer.

ダイヤモンド基板の応力を評価するため、ダイヤモンド層形成前後における(基板裏面の反り変化量)/(膜厚増加量)を測定したところ、その値は15×10-2であった。 To evaluate the stress in the diamond substrate, the ratio (change in warpage of the back surface of the substrate)/(increase in film thickness) was measured before and after the formation of the diamond layer, and the value was 15×10 −2 .

(実施例2)
図1に示した方法により、ダイヤモンド基板を製造した。
Example 2
A diamond substrate was manufactured by the method shown in FIG.

先ず、図1(A)に示したように、下地1の表面にパターン状のダイヤモンド2を設けた(第一の工程)。具体的には、図2(a)~図2(f)で示したステップによりパターン状のダイヤモンド2を設けた。 First, as shown in FIG. 1(A), a pattern of diamonds 2 was provided on the surface of a substrate 1 (first step). Specifically, the pattern of diamonds 2 was provided through the steps shown in FIG. 2(a) to FIG. 2(f).

まず、直径5.0mm、厚さ0.5mm、表面が(100)面となる両面研磨されたヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板(自立基板)6を準備し、熱混酸洗浄を行ったものを下地1とした(図2(a))。 First, a heteroepitaxial diamond substrate (free-standing substrate) 6 with a diameter of 5.0 mm, a thickness of 0.5 mm, and a (100) surface that was polished on both sides was prepared and washed with hot mixed acid to form the base 1 (Figure 2(a)).

次に、実施例1と同様の方法で、ダイヤモンドからなる下地のパターニングを行った。まず、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)を原料とし、RFプラズマCVD法によってダイヤモンド層上に1000nmのSiO膜7を形成した(図2(b))。このSiO膜7上にレジストパターン8を形成した(図2(c))。次に、該レジストパターン8が形成されたSiO膜7上に、チタン(Ti)膜、金(Au)膜を順に成膜し、リフトオフすることによって、ダイヤモンド基板6上にSiO膜7、チタン(Ti)/金(Au)パターン9を順に形成した(図2(d))。次に、CFガスを用いてSiOエッチングを行ってダイヤモンドエッチング用のハードマスクとした(図2(e))。 Next, the diamond substrate was patterned in the same manner as in Example 1. First, a 1000 nm SiO2 film 7 was formed on the diamond layer by RF plasma CVD using tetraethyl orthosilicate (TEOS) as a raw material (FIG. 2(b)). A resist pattern 8 was formed on this SiO2 film 7 (FIG. 2(c)). Next, a titanium (Ti) film and a gold (Au) film were formed in order on the SiO2 film 7 on which the resist pattern 8 was formed, and then lifted off to form a SiO2 film 7 and a titanium (Ti)/gold (Au) pattern 9 in order on the diamond substrate 6 (FIG. 2(d)). Next, SiO2 etching was performed using CF4 gas to form a hard mask for diamond etching (FIG. 2(e)).

次いで、誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、Oガス100vol.%、2.0Pa、500W、900秒の条件でダイヤモンド層のエッチングを行った(図2(f))。このようにして、下地表面にパターン状のダイヤモンド2を設けた(図1(A))。 Next, the diamond layer was etched using an inductively coupled plasma etching apparatus under the conditions of 100 vol. % O2 gas, 2.0 Pa, 500 W, and 900 seconds (FIG. 2(f)). In this way, a pattern of diamond 2 was provided on the base surface (FIG. 1(A)).

このとき、図1(A)におけるパターン形状は、50μm角の矩形ドット状(即ち、W11が50μm)のダイヤモンドが整列したパターンであり、パターン間隙の幅W12は70μmとした。言い換えれば、ダイヤモンド層に互いに平行な複数の溝を設け、さらに、該溝に対して垂直であり、かつ互いに平行な複数の溝を設けたパターンである。また、溝の方向は互いに垂直な2方向であり、いずれか一方はダイヤモンド層の[011]方向と同一になるようにした。 In this case, the pattern shape in Fig. 1 (A) is a pattern in which diamonds are arranged in the shape of rectangular dots of 50 µm squares (i.e., W11 is 50 µm), and the width W12 of the pattern gap is 70 µm. In other words, the diamond layer is provided with a plurality of grooves parallel to each other, and further, a plurality of grooves perpendicular to the grooves and parallel to each other are provided. The grooves are oriented in two directions perpendicular to each other, one of which is the same as the [011] direction of the diamond layer.

パターン状のダイヤモンド2におけるパターン間隙の深さD11は10μmとなるようにしたので、このときのパターン間隙の深さD11と幅W12の比(D11/W12)は0.14となった。 The depth D 11 of the pattern gap in the patterned diamond 2 was set to 10 μm, and the ratio (D 11 /W 12 ) of the depth D 11 to the width W 12 of the pattern gap was 0.14.

次に、得られたパターン状のダイヤモンドについて、プラズマ処理によるクリーニングを行った(図2(g))。誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて、CFガス100vol.%、2.0Pa、500W、650秒の条件で処理を行った。 Next, the patterned diamond thus obtained was cleaned by plasma treatment (FIG. 2(g)). Using an inductively coupled plasma etching device, the treatment was carried out under the conditions of CF4 gas 100 vol. %, 2.0 Pa, 500 W, and 650 seconds.

クリーニング後、バッファードフッ化水素酸でSiOのハードマスクを除去し、さらに、熱混酸洗浄を行った(図2(h))。 After cleaning, the SiO2 hard mask was removed with buffered hydrofluoric acid, and then hot mixed acid cleaning was performed (FIG. 2(h)).

次に、第二の工程として、下地表面に設けられたパターン状のダイヤモンド2から、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙10にマイクロ波プラズマCVD法によってダイヤモンド12を成長させた(図1(B))。 Next, in the second step, diamonds 12 were grown from the patterned diamonds 2 provided on the base surface into the pattern gaps 10 in the patterned diamonds provided in the first step by microwave plasma CVD (Figure 1(B)).

パターン状のダイヤモンド2を設けた基板を、マイクロ波プラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプ及びターボ分子ポンプで7×10-8Torr(約9.3×10-6Pa)まで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを110Torr(約1.5×10Pa)にした後、3000Wのマイクロ波電力を印加して、15時間製膜を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ1050℃であった。 The substrate with the patterned diamond 2 was set in the chamber of a microwave plasma CVD device, and the chamber was evacuated to 7x10-8 Torr (about 9.3x10-6 Pa) using a rotary pump and a turbo molecular pump, after which 500 sccm of hydrogen diluted methane ( CH4 /( CH4 + H2 )=5.0 vol.%), which was the source gas, was introduced. The opening of the valve connected to the exhaust system was adjusted to set the pressure in the chamber to 110 Torr (about 1.5x104 Pa), and then 3000 W of microwave power was applied to perform film formation for 15 hours. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 1050°C.

得られたダイヤモンド層は、パターン間隙が塞がっていた。このとき、下地表面から基板表面までの厚みは78μmであった。このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、340arcsec(約0.1°)であった。 The resulting diamond layer had filled the gaps between the patterns. At this time, the thickness from the surface of the base to the surface of the substrate was 78 μm. When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5°, which is attributed to diamond (004), was 340 arcsec (approximately 0.1°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1hの条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、パターン状のダイヤモンドの上に成長した部分では2×10(cm-2)であったのに対して、パターン間隙部分では4×10(cm-2)と、エッチピット密度が二桁程度減少していた。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. Using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device, the surface of the diamond layer was plasma-treated under conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 h, and the etch pit density was measured by SEM observation. The etch pit density was 2 x 108 (cm -2 ) in the part grown on the patterned diamond, but 4 x 106 (cm -2 ) in the gaps between the patterns, a decrease of about two orders of magnitude.

基板の断面をSEM観察したところ、パターン間隙であった箇所は完全に埋まっていた。 When the cross section of the board was observed using an SEM, it was found that the gaps between the patterns had been completely filled.

ダイヤモンド基板の応力を評価するため、ダイヤモンド層形成前後における(基板裏面の反り変化量)/(膜厚増加量)を測定したところ、その値は15×10-2であった。 To evaluate the stress in the diamond substrate, the ratio (change in warpage of the back surface of the substrate)/(increase in film thickness) was measured before and after the formation of the diamond layer, and the value was 15×10 −2 .

次に、得られたダイヤモンド基板の表面に研磨加工を施した。研磨後の下地表面から基板表面までの厚みは56μm、表面粗さRMSは0.3nm(AFM測定、10μm角領域)となった。 Next, the surface of the obtained diamond substrate was polished. After polishing, the thickness from the base surface to the substrate surface was 56 μm, and the surface roughness RMS was 0.3 nm (AFM measurement, 10 μm square area).

続いて、第三の工程として、2回目のダイヤモンド層のパターニングを1回目のパターニングと同様の方法で行い、第二の工程で形成したダイヤモンドからなるパターン状のダイヤモンド13を形成した(図1(C))。ここでのパターン形状は、1回目のパターン形状と同様に、50μm角の矩形ドット状(即ち、W13が50μm)のダイヤモンドが整列したパターンであり、パターン間隙の幅W14は70μmとした。ただし、パターンの位置は、1回目のパターンに対して、ダイヤモンド層の[011]方向に60μm平行移動させたパターンとした。すなわち、ここでは、第二の工程で形成したダイヤモンドを、第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドとの境界から10μmの位置まで取り除いている。 Subsequently, as the third step, the second diamond layer was patterned in the same manner as the first patterning, and a patterned diamond 13 was formed from the diamond formed in the second step (FIG. 1(C)). The pattern shape here is a pattern in which diamonds in the shape of rectangular dots of 50 μm squares (i.e., W 13 is 50 μm) are aligned, as in the first pattern shape, and the width W 14 of the pattern gap is 70 μm. However, the position of the pattern is a pattern that is shifted 60 μm in parallel in the [011] direction of the diamond layer with respect to the first pattern. That is, here, the diamond formed in the second step is removed to a position 10 μm from the boundary with the patterned diamond provided in the first step.

次に、下地表面に設けられたパターン状のダイヤモンドからダイヤモンドを成長させた方法と同様の方法で、第四の工程として、パターン状のダイヤモンド13からダイヤモンド16を成長させた(図1(D))。得られたダイヤモンド層は、パターン間隙が塞がっていた。このとき、下地表面から基板表面までの厚みは134μmであった。 Next, in the fourth step, diamond 16 was grown from patterned diamond 13 in a similar manner to the method used to grow diamond from the patterned diamond on the base surface (Figure 1(D)). The resulting diamond layer had the gaps between the patterns filled. At this time, the thickness from the base surface to the substrate surface was 134 μm.

このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、340arcsec(約0.1°)であった。 When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5°, which is attributed to diamond (004), was 340 arcsec (approximately 0.1°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1hの条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、パターン状のダイヤモンドの上に成長した部分では3×10(cm-2)、パターン間隙部分も4×10(cm-2)と、ダイヤモンド基板表面全体でエッチピット密度は低い値となった。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. Using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device, the surface of the diamond layer was plasma-treated under the conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 h, and the etch pit density was measured by SEM observation. The etch pit density was 3 x 106 (cm -2 ) in the part grown on the patterned diamond, and 4 x 106 (cm -2 ) in the gaps between the patterns, showing low values for the etch pit density over the entire diamond substrate surface.

得られたダイヤモンド基板17の断面をSEM観察したところ、パターン間隙であった箇所は完全に埋まっていた。 When the cross section of the resulting diamond substrate 17 was observed using an SEM, it was found that the gaps between the patterns had been completely filled.

ダイヤモンド基板の応力を評価するため、ダイヤモンド層形成前後における(基板裏面の反り変化量)/(膜厚増加量)を測定したところ、その値は10×10-2であった。 To evaluate the stress in the diamond substrate, the ratio (change in warpage of the back surface of the substrate)/(increase in film thickness) was measured before and after the formation of the diamond layer, and the value was 10×10 −2 .

(比較例1)
まず、直径10.0mm、厚さ1.0mm、表面が(100)面となる両面研磨された単結晶シリコン(Si)基板を準備した。
(Comparative Example 1)
First, a single crystal silicon (Si) substrate was prepared, which had a diameter of 10.0 mm, a thickness of 1.0 mm, and had its surface polished on both sides to be the (100) plane.

準備した単結晶シリコン基板の片面に、電子ビーム蒸着によって単結晶MgOからなる層を形成した。このとき、真空中、基板温度900℃の条件とし、単結晶MgO層が1μmになるまでエピタキシャル成長させた。さらに、この単結晶MgO層上に、Irからなる層を形成した。Ir層の形成には、直径6インチ(150mm)、厚さ5.0mm、純度99.9%以上のIrをターゲットとした高周波(RF)マグネトロンスパッタ法(13.56MHz)を用いた。単結晶MgO層が形成された基板を800℃に加熱し、ベースプレッシャーが6×10-7Torr(約8.0×10-5Pa)以下になったのを確認した後、Arガスを10sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してプレッシャーを5×10-2Torr(約6.7Pa)とした後、RF電力1000Wを入力して15分間成膜を行った。得られたIr層は厚さ0.7μmであった。 A layer made of single crystal MgO was formed on one side of the prepared single crystal silicon substrate by electron beam deposition. At this time, the single crystal MgO layer was epitaxially grown to 1 μm in a vacuum at a substrate temperature of 900° C. Furthermore, a layer made of Ir was formed on the single crystal MgO layer. The Ir layer was formed by radio frequency (RF) magnetron sputtering (13.56 MHz) using an Ir target with a diameter of 6 inches (150 mm), a thickness of 5.0 mm, and a purity of 99.9% or more. The substrate on which the single crystal MgO layer was formed was heated to 800° C., and after confirming that the base pressure was 6×10 −7 Torr (approximately 8.0×10 −5 Pa) or less, 10 sccm of Ar gas was introduced. After adjusting the opening of the valve connected to the exhaust system to set the pressure to 5×10 −2 Torr (about 6.7 Pa), an RF power of 1000 W was input and film formation was carried out for 15 minutes. The obtained Ir layer had a thickness of 0.7 μm.

このようにして得られた、単結晶シリコン基板上に、単結晶MgO層、Ir層を積層させたものを比較例1における下地とした。 The single crystal silicon substrate thus obtained was laminated with a single crystal MgO layer and an Ir layer to form the base in Comparative Example 1.

次に、ダイヤモンドの核形成のために下地の前処理(バイアス処理)を行った。Ir層側を上にして下地を15mm直径で平板型の電極上にセットした。ベースプレッシャーが1×10-6Torr(約1.3×10-4Pa)以下になったのを確認した後、水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してプレッシャーを100Torr(約1.3×10Pa)とした後、基板側電極に負電圧を印可して90秒間プラズマにさらして、下地表面をバイアス処理した。 Next, the substrate was pretreated (bias treated) for diamond nucleation. The substrate was set on a flat electrode with a diameter of 15 mm with the Ir layer facing up. After confirming that the base pressure was 1×10 −6 Torr (about 1.3×10 −4 Pa) or less, 500 sccm of hydrogen-diluted methane (CH 4 /(CH 4 +H 2 )=5.0 vol.%) was introduced. After adjusting the opening of the valve leading to the exhaust system to set the pressure to 100 Torr (about 1.3×10 4 Pa), a negative voltage was applied to the substrate side electrode and exposed to plasma for 90 seconds to bias treat the substrate surface.

続いて、下地表面に直流プラズマCVD法によってダイヤモンド層をヘテロエピタキシャル成長させた。バイアス処理を行った下地を、直流プラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプで10-3Torr(約1.3×10-1Pa)以下のベースプレッシャーまで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を1000sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを110Torr(約1.5×10Pa)にした後、2.0Aの直流電流を流して2時間製膜を行った。製膜中の下地温度をパイロメーターで測定したところ950℃であった。 Subsequently, a diamond layer was heteroepitaxially grown on the surface of the substrate by DC plasma CVD. The bias-treated substrate was set in the chamber of a DC plasma CVD apparatus, and the substrate was evacuated to a base pressure of 10 -3 Torr (about 1.3 x 10 -1 Pa) or less by a rotary pump, and then hydrogen-diluted methane (CH 4 /(CH 4 +H 2 )=5.0 vol.%), which was the raw material gas, was introduced at 1000 sccm. The pressure in the chamber was adjusted to 110 Torr (about 1.5 x 10 4 Pa) by adjusting the opening degree of the valve connected to the exhaust system, and then a film was formed for 2 hours by passing a DC current of 2.0 A. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 950°C.

得られたダイヤモンド層は、直径10mmの基板全面で剥離も無く完全な連続膜であり、膜厚は10μmであった。このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、720arcsec(約0.2°)であった。 The diamond layer obtained was a complete continuous film without any peeling over the entire surface of the 10 mm diameter substrate, with a film thickness of 10 μm. When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5° attributable to diamond (004) was 720 arcsec (approximately 0.2°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1時間の条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、8×10(cm-2)であった。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. The surface of the diamond layer was plasma-treated using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device under conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 hour, and the etch pit density was measured by SEM observation and found to be 8 x 108 (cm -2 ).

次に、ダイヤモンドの核形成を行った基板を、マイクロ波プラズマCVD装置のチャンバー内にセットし、ロータリーポンプ及びターボ分子ポンプで7×10-8Torr(約9.3×10-6Pa)まで排気した後、原料ガスである水素希釈メタン(CH/(CH+H)=5.0vol.%)を500sccm導入した。排気系に通じるバルブの開口度を調節してチャンバー内のプレッシャーを110Torr(約1.5×10Pa)にした後、3000Wのマイクロ波電力を印加して、18時間製膜を行った。製膜中の基板温度をパイロメーターで測定したところ1035℃であった。 Next, the substrate on which diamond nucleation had been performed was set in the chamber of a microwave plasma CVD device, and after exhausting to 7x10-8 Torr (about 9.3x10-6 Pa) with a rotary pump and a turbo molecular pump, 500 sccm of hydrogen diluted methane ( CH4 /( CH4 + H2 )=5.0 vol.%) as the raw material gas was introduced. After adjusting the opening of the valve connected to the exhaust system to set the pressure inside the chamber to 110 Torr (about 1.5x104 Pa), 3000 W of microwave power was applied to perform film formation for 18 hours. The substrate temperature during film formation was measured with a pyrometer and found to be 1035°C.

得られたダイヤモンド層は、直径10mmの基板全面で剥離も無く完全な連続膜であり、膜厚は90μmであった。このダイヤモンド層をX線回折測定(入射X線波長1.54Å)したところ、ダイヤモンド(004)帰属の2θ=119.5°における回折強度ピークのロッキングカーブ半値幅は、720arcsec(約0.2°)であった。 The diamond layer obtained was a complete continuous film without any peeling over the entire surface of the 10 mm diameter substrate, with a film thickness of 90 μm. When this diamond layer was subjected to X-ray diffraction measurement (incident X-ray wavelength 1.54 Å), the rocking curve half-width of the diffraction intensity peak at 2θ = 119.5° attributable to diamond (004) was 720 arcsec (approximately 0.2°).

さらに、エッチピット密度についても評価を行った。2.45GHzのマイクロ波プラズマCVD装置を用いて、Hガス100vol.%、0.8Pa、2200W、1時間の条件で、ダイヤモンド層の表面をプラズマ処理した後、SEM観察によりエッチピット密度を測定したところ、その値は4×10(cm-2)であった。 Furthermore, the etch pit density was also evaluated. The surface of the diamond layer was plasma-treated using a 2.45 GHz microwave plasma CVD device under conditions of 100 vol. % H2 gas, 0.8 Pa, 2200 W, and 1 hour, and the etch pit density was measured by SEM observation, and the value was 4 x 108 (cm -2 ).

ダイヤモンド基板の応力を評価するため、ダイヤモンド層形成前後における(基板裏面の反り変化量)/(膜厚増加量)を測定したところ、その値は67×10-2であった。 To evaluate the stress in the diamond substrate, the (change in warpage of the back surface of the substrate)/(increase in film thickness) was measured before and after the formation of the diamond layer, and the value was 67×10 −2 .

以上の結果から、本発明のダイヤモンド基板の製造方法によってダイヤモンド基板を製造すれば、欠陥が十分に少なく、応力も小さな高品質のダイヤモンド基板が得られることがわかる。また、本発明のダイヤモンド基板は、欠陥が十分に少なく、応力が低減されたものであることがわかる。 The above results show that by manufacturing a diamond substrate using the diamond substrate manufacturing method of the present invention, a high-quality diamond substrate with sufficiently few defects and low stress can be obtained. It is also clear that the diamond substrate of the present invention has sufficiently few defects and reduced stress.

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含有される。 The present invention is not limited to the above-described embodiments. The above-described embodiments are merely examples, and anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits similar effects is included within the technical scope of the present invention.

1,21…下地、 2,22…第一の工程において設けたパターン状のダイヤモンド、3…ダイヤモンド、 23…シリコン(Si)基板、 24…中間層(単結晶MgO層)、 25…表層(Ir層)、 6…ヘテロエピタキシャルダイヤモンド基板、 26…ダイヤモンド層、 7,27…SiO膜、 8,28…レジストパターン、 9,29…チタン(Ti)/金(Au)パターン、 10,30…第一の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙、 11,31…第一の工程において設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部、 12,32…第二の工程で形成したダイヤモンド、 13,33…第三の工程において設けたパターン状のダイヤモンド、 14,34…第三の工程で設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙、 15,35…第三の工程において設けたパターン状のダイヤモンドにおけるパターン間隙の底部、 16,36…第四の工程で形成したダイヤモンド、 17,37,100…ダイヤモンド基板、 50…下地、 51…ダイヤモンド層、 52…ボイド、 101…表面。 1,21...base, 2,22...patterned diamond formed in the first step, 3...diamond, 23...silicon (Si) substrate, 24...intermediate layer (single crystal MgO layer), 25...surface layer (Ir layer), 6...heteroepitaxial diamond substrate, 26...diamond layer, 7,27... SiO2 film, 8,28...resist pattern, 9,29...titanium (Ti)/gold (Au) pattern, 10,30...pattern gap in the patterned diamond formed in the first step, 11,31...bottom of the pattern gap in the patterned diamond formed in the first step, 12,32...diamond formed in the second step, 13,33...patterned diamond formed in the third step, 14,34...pattern gap in the patterned diamond formed in the third step, 15,35...bottom of the pattern gap in the patterned diamond formed in the third step, 16, 36: diamond formed in the fourth step; 17, 37, 100: diamond substrate; 50: base; 51: diamond layer; 52: void; 101: surface.

Claims (1)

下地と該下地の表面上に形成されたダイヤモンド層からなるダイヤモンド基板であって、
前記下地の表面がダイヤモンドではない異種材料であり、
前記ダイヤモンド層の表面全体が、横方向成長ダイヤモンド、及び、横方向成長ダイヤモンドからの成長ダイヤモンドの少なくともいずれか一方で構成されたものであることを特徴とするダイヤモンド基板。
A diamond substrate comprising a base and a diamond layer formed on a surface of the base,
the surface of the substrate is a different material other than diamond;
A diamond substrate, characterized in that the entire surface of the diamond layer is composed of at least one of laterally grown diamond and diamond grown from the laterally grown diamond.
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