專利名稱：單晶金剛石生長用基材及單晶金剛石基板的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單晶金剛石生長用基材及單晶金剛石基板的制造方法。
技術(shù)背景
金剛石不僅具有5. 47eV的寬帶隙而且絕緣擊穿電場強度也高達lOMV/cm。進而， 在物質(zhì)中導(dǎo)熱系數(shù)也是最高的，所以如果將其用于電子設(shè)備，則作為高輸出功率電子設(shè)備 是有利的。
并且，金剛石的漂移遷移率高，即使比較Johnson性能指數(shù)，在半導(dǎo)體中作為高速 電子設(shè)備也是最有利的。
從而，金剛石被稱為適合高頻高輸出功率電子設(shè)備的終極半導(dǎo)體。因此，作為基板 利用了單晶的金剛石的各種電子設(shè)備的研究正在進行。
現(xiàn)在，就金剛石半導(dǎo)體制作用的單晶金剛石而言，大部分是由高溫高壓法(HPHT) 合成的I b型或者提高了純度的被稱為II a的金剛石。
但是，HPHT單晶金剛石一方面能夠得到高結(jié)晶性，但另一方面難以大型化，若尺寸 變大，則價格極端昂貴，作為設(shè)備用基板難以實用化。
于是，為了提供面積大且便宜的單晶金剛石基板，正在研究通過氣相法合成的CVD 單晶金剛石。
最近，作為單晶金剛石報道了在HPHT單晶金剛石基材(種基材)上以直接氣相合 成法同質(zhì)外延生長的同質(zhì)外延化學氣相沉積單晶金剛石(參照非專利文獻1)。
由于該方法中的基材和所生長的單晶金剛石為相同材料，所以難以將其分離，因 此，需要預(yù)先向基材注入離子，或者生長后需要進行長時間的濕法蝕刻分離處理等，從成本 方面存在問題。并且，由于向基材注入離子，所以得到的單晶金剛石的結(jié)晶性也存在出現(xiàn)一 定程度的下降的問題。
作為其他方法，還報道了在單晶MgO (種基材)上使單晶銥(Ir)膜異質(zhì)外延生長， 再在該銥(Ir)膜上用CVD法異質(zhì)外延生長的CVD單晶金剛石(參照非專利文獻2)
但是，在該方法中，由于單晶MgO基板和通過單晶Ir膜生長的單晶金剛石之間所 產(chǎn)生的應(yīng)力(內(nèi)部應(yīng)力和熱應(yīng)力之和)，所以存在基材和生長的單晶金剛石會細細碎裂的 問題。并且，由于能夠得到的種基材單晶MgO的結(jié)晶性不充分，所以并非是能夠讓人滿意的 水平。
非專利文獻1 第20回夕 ~ > F ν > ^ ”々Λ講演要旨集(第20次金剛石 研討會演講要旨集)Ο006)，pp. 6-7.
非專利文獻2 Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. L1072-L1074 發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題而研究出來的，目的是提供一種可以使面積大且結(jié)晶性良 好的單晶金剛石生長，并可以便宜地制造高品質(zhì)單晶金剛石基板的單晶金剛石生長用基材及單晶金剛石基板的制造方法。
為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種單晶金剛石生長用基材，該基材是用于使單 晶金剛石生長的基材，它的特征是至少由單晶硅基板、在單晶硅基板的使所述單晶金剛石 生長的一側(cè)異質(zhì)外延生長的MgO膜、在MgO膜上異質(zhì)外延生長的銥?zāi)せ蜚櫮?gòu)成。
像這樣，由于能夠得到便宜且結(jié)晶性好的單晶硅基板，所以對于在結(jié)晶性良好的 表面上形成的MgO膜、以及銥?zāi)せ蜚櫮ひ材軌蛞粤己玫慕Y(jié)晶性生長，通過在此基材上使單 晶金剛石生長，可以得到高結(jié)晶性的單晶金剛石。并且，如果是單晶硅基板，則因硅和金剛 石的熱膨脹系數(shù)比較接近，所以單晶金剛石生長時由熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力小，幾乎沒有單 晶金剛石或者基材碎裂的情況。并且，通過在單晶硅基板上具備MgO膜、以及銥?zāi)せ蜚櫮ぃ?即可在單晶金剛石生長時發(fā)揮緩沖層的功能。
如上所述，本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材是能使面積大且結(jié)晶性高的單晶金剛 石以低成本生長的基材。
此時，所述單晶硅基板的厚度優(yōu)選0. 03mm 20. 00mm。
這樣厚度的單晶硅基板容易處理，若厚度在20. OOmm以下，還可以良好地進行雙 面研磨等。
此時，所述MgO膜可以是在所述單晶硅基板上用濺射法或電子束蒸鍍法進行異質(zhì) 外延生長的膜。
像這樣，本發(fā)明的基材MgO膜可以是用濺射法或電子束蒸鍍法進行異質(zhì)外延生長 的膜。
此時，所述MgO膜的厚度優(yōu)選為5 A 100 μ m。
像這樣，如果MgO膜的厚度在5 A以上，則膜厚均一性和結(jié)晶性更高，如果厚度在 100 μ m以下，則由于與基材、單晶金剛石之間所產(chǎn)生的應(yīng)力小，所以能夠確實生長單晶金剛 石，進而成為便宜的基材。
此時，所述銥?zāi)せ蜚櫮た梢允窃谒鯩gO膜上用濺射法進行異質(zhì)外延生長的膜。
像這樣，本發(fā)明的基材銥?zāi)せ蜚櫮な怯脼R射法進行異質(zhì)外延生長的膜。此時，所述 銥?zāi)せ蜚櫮さ暮穸葍?yōu)選為5 A 100 μ m。
像這樣，如果銥?zāi)せ蜚櫮さ暮穸仍? A以上，則膜厚均一性和結(jié)晶性足夠高，如果 厚度在ΙΟΟμπι以下，則由于與基材、單晶金剛石之間所產(chǎn)生的應(yīng)力小，所以能夠確實生長 單晶金剛石，進而成為便宜的基材。
此時，所述銥?zāi)せ蜚櫮さ谋砻鎯?yōu)選實施偏壓處理。
像這樣，如果實施了偏壓處理，則由于表面能形成金鋼石生長核，所以可以成為能 以足夠的生長速度使單晶金剛石結(jié)晶性良好地生長的基材。
并且，本發(fā)明提供一種單晶金剛石基板的制造方法，該方法的特征是，至少具有以 下工序準備單晶硅基板的工序，在該準備的單晶硅基板上使MgO膜異質(zhì)外延生長的工序， 在該異質(zhì)外延生長的MgO膜上使銥?zāi)せ蜚櫮ぎ愘|(zhì)外延生長的工序，在該異質(zhì)外延生長的銥 膜或銠膜上使單晶金剛石異質(zhì)外延生長的工序，將該異質(zhì)外延生長的單晶金剛石進行分 離，得到單晶金剛石基板的工序。
像這樣，如果是單晶硅基板就可以準備便宜又結(jié)晶性好的，可以使MgO膜、以及銥 膜或銠膜在該單晶硅基板上結(jié)晶性良好地生長，在結(jié)晶性好的銥?zāi)せ蜚櫮ど鲜垢呓Y(jié)晶性的單晶金剛石生長。并且，如果是單晶硅基板，則由于在單晶金剛石生長時產(chǎn)生的熱膨脹導(dǎo)致 的應(yīng)力小，單晶硅基板、單晶金剛石幾乎都不會產(chǎn)生碎裂。并且，由于在不同材質(zhì)的銥?zāi)せ?者銠膜上使單晶生長，在分離工序中能夠容易地將單晶金剛石進行分離。
由此，按照本發(fā)明的制造方法，可以有效地制造便宜而又結(jié)晶性高的單晶金剛石基板。
此時，優(yōu)選在所述使所述單晶金剛石異質(zhì)外延生長的工序之前，預(yù)先對使所述單 晶金剛石異質(zhì)外延生長的面實施偏壓處理。
像這樣，通過預(yù)先實施偏壓處理，在表面會形成金鋼石生長核，就能以足夠的生長 速度使單晶金剛石結(jié)晶性良好地進行生長。
此時，在所述使單晶金剛石異質(zhì)外延生長的工序中，可以用微波化學氣相沉積法 或直流等離子體化學氣相沉積法使單晶金剛石異質(zhì)外延生長。
像這樣，在本發(fā)明的制造方法中，單晶金剛石可以用微波化學氣相沉積法或直流 等離子體化學氣相沉積法進行異質(zhì)外延生長。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材和單晶金剛石基板的制造方法， 可以將面積大且結(jié)晶性高的單晶金剛石以低成本進行生長，還可以生產(chǎn)性良好地制造高品 質(zhì)的單晶金剛石基板。


圖1是表示本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材的實施方式的一個例子的示意圖。
圖2是表示本發(fā)明的單晶金剛石基板的制造方法的實施方式的一個例子的流程 圖。
符號說明
10為單晶金剛石生長用基材；11為MgO膜；12為銥?zāi)せ蜚櫮ぃ?3為單晶硅基板； 14為單晶金剛石；15為單晶金剛石基板。
具體實施方式
過去，如果想用成本上有利的CVD法得到單晶金剛石，就會存在無法容易且無破 損地將生長的單晶金剛石部分進行分離，進而難以使結(jié)晶性高且面積大的單晶金剛石生長 的問題。因此，本發(fā)明人對基材的種類或結(jié)構(gòu)、進而對單晶制造方法反復(fù)進行了深入的研
其結(jié)果，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)作為與單晶金剛石的層之間主要產(chǎn)生應(yīng)力的種基材，使用 與金剛石的線性膨脹系數(shù)差比較小的單晶硅基板時，由熱膨脹而產(chǎn)生的應(yīng)力比使用過去的 MgO種基材時要小，其結(jié)果，可以防止整體的破碎(線性膨脹系數(shù)，金剛石1. IX IO-6A, Si 4. 2X l(T6/k，MgO :13. 8 XlO^6A)。
并且，通過將與過去的MgO種基材相比可以比較容易地得到高結(jié)晶性產(chǎn)品的單晶 硅基板作為種基材，在它的上面可以使單晶MgO膜、進而在它的上面使單晶Ir (銥)膜或者 單晶Mi (銠)膜以良好的結(jié)晶性異質(zhì)外延生長。并且，發(fā)現(xiàn)如果將該高結(jié)晶性材料作為基 材，在它的上面用CVD法使單晶金剛石異質(zhì)外延生長，就可以得到高結(jié)晶性的單晶金剛石。 并且，確認了在該基材上生長的單晶金剛石可以通過濕法蝕刻法容易地分離，還可以通過將基材部分用機械研磨法除去而分離，從而完成了本發(fā)明。
以下，對本發(fā)明，作為實施方式的一個例子，參照附圖進行詳細說明，但是本發(fā)明 并不限定于此。
圖1是表示本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材的實施方式的一個例子的示意圖。圖 2是表示本發(fā)明的單晶金剛石基板的制造方法的實施方式的一個例子的流程圖。
圖1所示的本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材10是由單晶硅基板13、在單晶硅基板 13的使單晶金剛石生長的一側(cè)異質(zhì)外延生長的MgO膜11、在MgO膜11上異質(zhì)外延生長的 銥?zāi)せ蜚櫮?2組成。
像這樣，如果種基材是單晶硅基板，就能夠得到用于半導(dǎo)體設(shè)備的可大量生產(chǎn)的、 便宜而結(jié)晶性極其良好的單晶硅基板，因此，對于在結(jié)晶性良好的表面上形成的MgO膜、以 及銥?zāi)せ蛘咩櫮碚f，其結(jié)晶性也會良好，如果在該基材上使單晶金剛石進行生長，就可以 得到高結(jié)晶性的單晶金剛石。并且，如果是單晶硅基板，則由于硅和金剛石的熱膨脹系數(shù)比 較接近，所以幾乎沒有因熱膨脹所引起的應(yīng)力而使單晶金剛石或基材自身碎裂的情況。并 且，通過在單晶硅基板上具備MgO膜、以及銥?zāi)せ蜚櫮ぃ纯稍趩尉Ы饎偸L時發(fā)揮良好 的緩沖層的功能。即，雖然如上所述的MgO與金剛石的線性膨脹系數(shù)十分不同，但由于在本 發(fā)明中是膜的狀態(tài)，可以吸收應(yīng)力，對金剛石的生長不會特別成為問題。當然，在金剛石生 長后進行分離時，由于MgO膜的存在，所以還有容易剝離單晶金剛石膜的優(yōu)點。
以下用圖2對這樣的本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材的制作方法及單晶金剛石 基板的制造方法的一個例子進行說明。
如圖2(a)所示，在本發(fā)明中首先準備單晶硅基板13。
作為準備的單晶硅基板13，沒有特別的限制，例如可以準備雙面研磨的直徑為 25mm的基板。像這樣，如果將單晶硅基板作為種基材來使用，則由于與過去的MgO種基材相 比可以比較容易得到高結(jié)晶性的產(chǎn)品，所以在它的上面生長的MgO膜以及銥?zāi)せ蜚櫮ひ部?以結(jié)晶性良好地進行生長。
該單晶硅基板13的厚度優(yōu)選0. 03mm 20. 00mm。
如果單晶硅基板的厚度在0. 03mm以上，則容易進行處理，如果在20. OOmm以下， 就不會超過所需而過厚，對成本也有利的同時，還可以容易地進行精加工雙面研磨加工，因 此，可以使表面狀態(tài)更加良好，并可以使后面工序中的異質(zhì)外延生長良好地進行。
接著，如圖2(b)所示，在單晶硅基板13上，用例如濺射法或電子束蒸鍍法使MgO 膜11進行異質(zhì)外延生長。
生長條件等沒有特別的限制，但是MgO膜11的厚度優(yōu)選5A ΙΟΟμπι。
像這樣，如果MgO膜的厚度在5Α以上，就可以使膜厚度均一性和結(jié)晶性高，如果厚 度在ΙΟΟμπι以下，則由于與基材、單晶金剛石之間所產(chǎn)生的應(yīng)力小，可以更加確實地使單 晶金剛石生長，進而對成本有利而可以便宜。
接著，如圖2(c)所示，在MgO膜11上，用例如濺射法使銥?zāi)せ蜚櫮?2進行異質(zhì)外 延生長。
此時，生長條件等也沒有特別的限制，可以用例如R. F.磁控濺射法以足夠的速度 進行生長，并且，銥?zāi)せ蜚櫮?2的厚度優(yōu)選5A 100 μ m。
像這樣，如果銥?zāi)せ蜚櫮さ暮穸仍?入以上，就可以使膜厚度均一性和結(jié)晶性提高，如果厚度在ΙΟΟμπι以下，則由于與基材、單晶金剛石之間所產(chǎn)生的應(yīng)力小，可以更加確 實地使單晶金剛石生長，進而可以降低成本。
可以按照如上所述制作本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材10。在這里，優(yōu)選在后面 工序的單晶金剛石生長之前，在單晶金剛石基材10的銥?zāi)せ蜚櫮?2的表面實施偏壓處理。
該偏壓處理，可以按照例如日本特開2007-238377所記載的方法，首先，預(yù)先用以 基材側(cè)電極作為負極的直流放電進行形成金剛石生長核的前處理，在銥?zāi)せ蜚櫮さ谋砻嫘?成方位一致的金剛石生長核。由此，在后面的工序中可以使單晶金剛石以足夠的生長速度 結(jié)晶性良好地生長。
接著，如圖2(d)所示，通過例如微波化學氣相沉積法或者直流等離子體化學氣相 沉積法使單晶金剛石14進行異質(zhì)外延生長。
像這樣，在使單晶金剛石在本發(fā)明的基材上生長的過程中，由于作為基材中最厚 且容易發(fā)生由熱膨脹所致的應(yīng)力的種基材使用了單晶硅基板，所以在單晶金剛石生長時也 難以產(chǎn)生應(yīng)力，可以防止碎裂，并且，由于MgO膜、銥?zāi)せ蜚櫮さ慕Y(jié)晶性也良好，所以可以使 高結(jié)晶性的單晶金剛石生長。
接著，如圖2(e)所示，分離單晶金剛石14，得到單晶金剛石基板15。
作為分離方法沒有特別的限定，例如浸在磷酸溶液或熱混合酸等濕法蝕刻液中， 分離成單晶金剛石/銥?zāi)ず蚆gO膜/單晶硅基板后，用機械研磨法將殘留的銥?zāi)こィ纯?得到單晶金剛石基板。并且，還可以不浸漬在濕法蝕刻液中，而用機械研磨法將銥?zāi)?MgO 膜/單晶硅基板一起除去。
通過使用這樣的本發(fā)明的單晶金剛石生長用基材和單晶金剛石基板的制造方法， 能夠以低成本制造也可用于設(shè)備上的面積大且結(jié)晶性高的單晶金剛石基板。
以下，通過實施例和比較例更具體地說明本發(fā)明，但是本發(fā)明并不被這些所限定。實施例
作為種基材準備直徑為25. 0mm，厚度為0. 38mm的定向(100)的雙面研磨加工單晶 硅基板。然后，在該種基材的進行單晶金剛石生長的一面，通過電子束蒸鍍法，在真空中，基 板溫度900°C的條件下，使MgO膜外延生長，使其厚度達到0. 2 μ m。
接著，在該單晶MgO膜上使銥(Ir)膜異質(zhì)外延生長。制膜是用將Ir作為靶材的 R.F.磁控濺射法，在Ar氣體6Χ10_2Τοπ·、基板溫度700°C的條件下進行濺射，使單晶Ir膜 厚度達到1.5μπι而完成的。
并且，為了進行偏壓處理和直流等離子體化學氣相沉積時的電導(dǎo)通，在將基板溫 度設(shè)為100°c而其它相同的條件下，也在背面使Ir生長了 1.5μπι。
接著，為了在該基材的單晶Ir膜的表面形成金剛石的核而進行偏壓處理。
首先，將基材安裝在偏壓處理裝置的負電壓外加電極(負極)上，進行真 空排氣。接著，將基材加熱到60(TC后，導(dǎo)入3vol. %氫稀釋甲烷氣體，使壓力達到 160hI^(120TOrr)，進行偏壓處理。即，在兩電極間外加DC電壓，通入規(guī)定的直流電流。
并且在最后，在該偏壓處理后的基材上，通過直流等離子體化學氣相沉積法，在 90°C下使單晶金剛石異質(zhì)外延生長30小時。
生長結(jié)束后，從玻璃鐘罩中( ^ ^ ^ 一)取出的制造物是沒有碎裂的金剛石/Ir/MgO/Si的層積結(jié)構(gòu)體。接著，用機械研磨法除去里面的Ir/MgO/Si基材部分，成了單晶 金剛石的自支撐結(jié)構(gòu)(單晶金剛石基板)。對該表面也進行精加工研磨，精加工到也能用于 設(shè)備上的水平的表面粗糙度。
對所得到的單晶金剛石基板用拉曼分光、X射線衍射搖擺曲線、斷面TEM、陰極發(fā) 光儀(CL)進行評價的結(jié)果，可以確認具有足夠的結(jié)晶性。
比較例1
除了作為種基材使用5. Omm見方、厚度為0. 5mm的定向(100)的雙面研磨加工單 晶MgO基板以外，按照實施例同樣地進行Ir生長、偏壓處理而準備基材，并在它的上面用直 流等離子體化學氣相沉積法進行單晶金剛石的異質(zhì)外延生長。
打開玻璃鐘罩，觀察反應(yīng)室內(nèi)的制造物，基材和單晶金剛石部分均碎裂成Imm見 方程度的細小碎片。取一個該碎片，評價結(jié)晶性的結(jié)果，拉曼半值寬度也寬，在斷面TEM中 存在很多位錯缺陷等，是不足以用于設(shè)備上的水平。
比較例2
除了作為種基材使用5. Omm見方、厚度為120 μ m的定向(100)的雙面研磨加工單 晶MgO基板以外，按照實施例同樣地進行Ir生長、偏壓處理而準備基材，并在它的上面用直 流等離子體化學氣相沉積法進行單晶金剛石的異質(zhì)外延生長。
打開玻璃鐘罩，觀察反應(yīng)室內(nèi)的制造物，基材和單晶金剛石部分均碎裂成Imm見 方程度的細小碎片。
另外，本發(fā)明不限定于上述實施方式。上述實施方式為例示，具有與本發(fā)明的權(quán)利 要求書所記載的技術(shù)思想實質(zhì)上相同的結(jié)構(gòu)，并發(fā)揮同樣效果的技術(shù)，均包含在本發(fā)明的 技術(shù)范圍內(nèi)。8
權(quán)利要求
1.一種單晶金剛石生長用基材，是用于使單晶金剛石生長的基材，其特征在于，至少由 單晶硅基板、在該單晶硅基板的使所述單晶金剛石生長的一側(cè)異質(zhì)外延生長的MgO膜、在 MgO膜上異質(zhì)外延生長的銥?zāi)せ蜚櫮?gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述單晶硅基板的厚 度為 0. 03mm 20. 00_。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述MgO膜是在所 述單晶硅基板上用濺射法或電子束蒸鍍法異質(zhì)外延生長的膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述 MgO膜的厚度為5 A 100 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述銥 膜或銠膜是在所述MgO膜上用濺射法異質(zhì)外延生長的膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述銥 膜或銠膜的厚度為5 A 100 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項所述的單晶金剛石生長用基材，其特征在于，所述銥 膜或銠膜的表面實施了偏壓處理。
8.—種單晶金剛石基板的制造方法，其特征在于，至少具有以下工序準備單晶硅基板的工序，在該準備的單晶硅基板上使MgO膜異質(zhì)外延生長的工序，在該異質(zhì)外延生長的MgO膜上使銥?zāi)せ蜚櫮ぎ愘|(zhì)外延生長的工序，在該異質(zhì)外延生長的銥?zāi)せ蜚櫮ど鲜箚尉Ы饎偸愘|(zhì)外延生長的工序，將該異質(zhì)外延生長的單晶金剛石分離，得到單晶金剛石基板的工序。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的單晶金剛石基板的制造方法，其特征在于，在所述使單晶金 剛石異質(zhì)外延生長的工序之前，預(yù)先對使所述單晶金剛石異質(zhì)外延生長的面實施偏壓處 理。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的單晶金剛石基板的制造方法，其特征在于，在所述使單 晶金剛石異質(zhì)外延生長的工序中，通過微波化學氣相沉積法或直流等離子體化學氣相沉積 法使單晶金剛石異質(zhì)外延生長。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單晶金剛石生長用基材及單晶金剛石基板的制造方法，可以使面積大且結(jié)晶性良好的單晶金剛石生長，且可以便宜地制造高品質(zhì)的單晶金剛石基板。所述單晶金剛石生長用基材是用于使單晶金剛石生長的基材，由單晶硅基板、在單晶硅基板的生長單晶金剛石的一側(cè)異質(zhì)外延生長的MgO膜、在MgO膜上異質(zhì)外延生長的銥?zāi)せ蜚櫮そM成。
文檔編號C30B29/04GK102031561SQ20101022611
公開日2011年4月27日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月2日
發(fā)明者野口仁 申請人:信越化學工業(yè)株式會社