JP2006306718A - ダイヤモンド基板とその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ダイヤモンド基板の変形が変形の許容範囲に収まり、ダイヤモンド基板の性能が高められるダイヤモンド基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】化学蒸着法によってダイヤモンド・フィルム層を形成する工程で、ダイヤモンド・フィルム層の変形を低減するために、保護層がダイヤモンド・フィルム層の1つの表面上に形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド基板とその製造方法に関するものであり、より詳しくは、ダイヤモンド基板のダイヤモンド・フィルム層の変形を低減するダイヤモンド基板とその製造方法に関するものである。
ダイヤモンドは、遠紫外光から遠赤外光までの光の高光透過率、高弾性表面波速度、高熱伝導度、高硬度、高輻射抵抗、優れた化学的不活性、優れた絶縁特性などの卓越した性質を有し、したがってダイヤモンドは従来の切削工具と研磨工具に広く利用されてきた。近時、化学蒸着法（CVD）の開発とともに、ダイヤモンドの利用範囲は、高周波コミュニケーション装置、オプトエレクトロニクスの吸熱器や光学装置、ダイヤモンド半導体、その他にまで拡大した。
CVD工程中に発生するダイヤモンド・フィルム層と基層の間の熱応力およびダイヤモンド・フィルム層内の欠陥によって起きる内部応力のため、ダイヤモンド・フィルム層に破砕と変形が生じる。たとえば、シリコンの熱膨張係数はダイヤモンドに近いが、ダイヤモンド・フィルム層とシリコン基層の間には結晶格子ミスマッチがある。温度が製造工程中の温度から低温に下がると、ダイヤモンド・フィルムが変形し、シリコンの基層から分離し、あるいは破砕することさえある。そのような状況は、ダイヤモンドの利用に非常に影響を及ぼす。
上記の観点から、本発明の目的は、ダイヤモンド基板のダイヤモンド・フィルム層の変形を低減し、それによって従来の技術における問題を実質的に解決するダイヤモンド基板とその製造方法を提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明はダイヤモンド・フィルム層と保護層を含むダイヤモンド基板を提供する。ダイヤモンド・フィルム層の変形を防止するため、保護層をダイヤモンド・フィルム層の表面の一つに形成する
ダイヤモンド・フィルム層と保護層によって形成されるダイヤモンド基板は、基層のないダイヤモンド基板である。本発明は更にダイヤモンド・フィルム層の下部表面に形成される基層を含み、保護層は、ダイヤモンド・フィルム層の上部表面上またはダイヤモンド・フィルム層と基層の間に配設され、それによってダイヤモンド・フィルム層の変形を防止する。
基層は、シリコン材料によって形成する。ダイヤモンド・フィルム層は、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドによって形成する。保護層は、含水素、ダイヤモンド状炭素またはSiC、TiC、WC、CrC、TiCNなどのカーバイド、またはSiC、SiCN、Tin、BNまたはAlTiNなどの窒化物によって形成される。ダイヤモンド基板は、一つ以上の保護層を含む場合もある。
さらにまた、本発明は下記の手順を含むダイヤモンド基板の製造方法を提供する。まず基層を設ける、次に基層の上にダイヤモンド・フィルムと保護層が形成され、保護層はダイヤモンド・フィルム層の変形を防止するために使用される。基層を有するダイヤモンド基板が形成され、次に、基層を取り除く手順によって基層のないダイヤモンド基板が得られる。
さらに、ダイヤモンド・フィルムと保護層を形成する手順において、保護層がダイヤモンド・フィルム層の形成される前に基層上に形成されるか、もしくはダイヤモンド・フィルム層がまず基層上に形成され、次に保護層が形成される、すなわち、保護層がダイヤモンド・フィルム層のどちらかの表面に配設される限り、ダイヤモンド・フィルム層の変形は防止される。
本発明の更なる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになろう。しかしながら、詳細な説明と具体的な例は、本発明の好ましい実施態様を示しており、図解によってのみ提示されていることが理解されなければならない、その理由は、この詳細な説明から、本発明の精神とその範囲内での各種の変更及び改造が当業者に明らかになるからである。
図１を参照すると、本発明の第一の実施態様のダイヤモンド基板100が提示されており、それは、基層110、保護層120、ダイヤモンド・フィルム層130を含む。保護層120が基層110の上に形成され、ダイヤモンド・フィルム層130が変形するのを防止するためにダイヤモンド・フィルム層130が保護層120の上に形成されている。
図２Ａ〜２Ｃは、本発明の第一の実施態様のダイヤモンド基板100の製造方法の流れ図の模式図である。方法は、次の手順を含む：まず基層110（図２Ａ）を設ける。次に、基層110（図2B）の上に、保護層120を形成する。さらに、保護層120（図2C）の上にダイヤモンド・フィルム層130を形成し、このようにしてダイヤモンド基板100が形成される。
本発明のダイヤモンド基板100は2〜8インチの範囲の直径を持つディスク状である。基層110はシリコンによって形成され、ダイヤモンド・フィルム層130の熱膨張係数は基層110より大きく、ダイヤモンド・フィルム層130の材料は単結晶ダイヤモンドあるいは多結晶ダイヤモンドのいずれでもよい。これにより、ダイヤモンド・フィルム層130、保護層120、基層110にかかる応力を取り除き、それによってダイヤモンド基板100の変形を防止できるように、保護層120に適した材料を、ダイヤモンド・フィルム層130と基層の熱膨張係数の違いに基づいて選ぶことが可能である。たとえば、基層110の熱膨張係数はこの実施態様のダイヤモンド・フィルム層130より小さく、保護層120を形成可能である。保護層120はダイヤモンド・フィルム層130と結晶格子が完全に適合した材料によって形成される。たとえば、保護層120は、含水素ダイヤモンド状炭素や、SiC、TiC、WC、CrC、TiCNなどのカーバイドまたはSiN、SiCN、TiN、BN、AlTiNなどの窒化物によって形成することができる。
さらにまた、ダイヤモンド基板100は一つまたはそれ以上の保護層を含むことができ、保護層は各々異なる材料によって形成することも、互いに積み重ねることも可能である。図3は本発明の第2の実施態様のダイヤモンド基板200を示すものである。ダイヤモンド基板200は、ダイヤモンド・フィルム層230の変形を低減するため、ダイヤモンド・フィルム層230と基層210の間に配設される異なる材料によって形成した2枚の保護層220、240を含む。実際には、保護層は、3枚または4枚もしくはそれ以上の層であっても良い。また、各保護層の材料は、前述したカーバイドまたは窒化物によって形成することが可能である。すなわち、保護層は、カーバイドと窒化物とを交互に用いることによって、また異なるカーバイドを交互に用いるかまたは異なる窒化物を交互に用いることによっても形成できる。
前述の実施態様では、保護層は、ダイヤモンド・フィルム層の変形を防止するため、ダイヤモンド・フィルム層と基層の間に配設される。実際、保護層をダイヤモンド・フィルム層の上部表面に配設しても下部表面の上に配設しても、ダイヤモンド・フィルム層の変形を防止する上で同一の効果が得られる。
図4は、ダイヤモンド・フィルム層320を基層310の上に配設し、保護層330をダイヤモンド・フィルム層320の上に配設した本発明の第3の実施態様のダイヤモンド基板300を示す。この実施態様では、ダイヤモンド・フィルム層320と基層310の間で応力を均衡させるため、保護層330はダイヤモンド・フィルム層320より熱膨張係数の大きい材料によって形成されている。
上記の実施態様では、基層なしのダイヤモンド基板を得るため、ダイヤモンド・フィルム層と保護層が形成されたあとに、基層を取り除く手順が必要となる。
図5に本発明の第4の実施態様を示す。基層のないダイヤモンド基板400はダイヤモンド・フィルム層430と保護層420のみを含み、ダイヤモンド・フィルム層430の変形を低減するため保護層420はダイヤモンド・フィルム430の下部表面に形成される。
図６Ａ〜６Ｄは、本発明の第4の実施態様のダイヤモンド基板の製造方法を説明する流れ図の模式図である。その方法は、次の手順を含む。まず、基層410（図6A）を設ける、次に、基層410（図6B）の上に保護層を形成する。次に、保護層420（図6C）の上に、ダイヤモンド・フィルム層430を形成する。最後に、基層410（図6D）を取り除く。このようにして、基層のないダイヤモンド基板を形成する。
本発明のダイヤモンド基板は、ダイヤモンド基板の変形を抑えて、変形の許容範囲に収まるよう、保護層を利用してダイヤモンド・フィルム層の変形を低減する。これによって、ダイヤモンド基板の応用のための特性が高められ、半導体素子、生化学検査基板、表面音波フィルタの基層、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、無機ＬＥＤ、光学レンズ・フィルム、反放射線レンズ、耐摩耗基板、切削工具などの製造にダイヤモンド基板の特徴が十分に発揮される。
ダイヤモンド基板は、レーザーによって適当な形状に成形加工することも可能である。保護層はダイヤモンド・フィルム層より優れた化学的活性を有するので、ダイヤモンド基板を、切削工具または耐摩耗基板の表面に、化学結合によって固定し、望ましい切断性能や耐摩耗性能をもつ機械工具に形成することも可能で、また基板を他と基層と接合することも可能である。
図7で示すように、本発明の第5の実施態様のダイヤモンド基板500では、電子装置540がダイヤモンド・フィルム層530の上部表面に配設されている。さらに、最適な性能と粘着性を得るため電子装置を具体的な条件を考慮して保護層の上部表面に配設しても良い。
図8で示すように、本発明の第6の実施態様のダイヤモンド基板600では、電子装置640が保護層620の上部表面に配設されている。前述の電子装置540と640は、表面音波フィルタ、有機ＬＥＤ、無機ＬＥＤ、レーザダイオード、集積回路、その他同種の装置の場合も可能である。
上述のごとく本発明を説明したが、同様の具体例は、多くの方法によって変更が可能であることは明白である。こうした変更は、本発明の精神と範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、当業者にとって明らかであろうかかる修正のすべては以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

本発明は以下の図解用にだけ示した詳細な説明から完全に理解され得るが、本発明はこれのみに制限されるものではない。
本発明の第一の実施態様の断面図である。 本発明の第一の実施態様を製造する方法を示す流れ図ダイヤモンド基板とその製造方法を提供する。模式図である。 本発明の第一の実施態様を製造する方法を示す流れ図のための模式図である。 本発明の第一の実施態様を製造する方法を示す流れ図のための模式図である。 本発明の第2の実施態様の断面図である。 本発明の第3の実施態様の断面図である。 本発明の第4の実施態様の断面図である。 本発明の第4の実施態様を製造する方法の流れ図用のための模式図である。 本発明の第4の実施態様を製造する方法の流れ図用のための模式図である。 本発明の第4の実施態様を製造する方法の流れ図用のための模式図である。 本発明の第4の実施態様を製造する方法の流れ図用のための模式図である。 本発明の第5の実施態様の断面図である。 本発明の第6の実施態様の断面図である。
符号の説明
１００ ダイヤモンド基板
１１０ 基層
１２０ 保護層
１３０ ダイヤモンド・フィルム層
２００ ダイヤモンド基板
２１０ 基層
２２０ 保護層
２３０ ダイヤモンド・フィルム層
２４０ 保護層
３００ ダイヤモンド基板
３１０ 基層
３２０ ダイヤモンド・フィルム
３３０ 保護層
４００ ダイヤモンド基板
４１０ 基層
４２０ 保護層
４３０ ダイヤモンド・フィルム
５００ ダイヤモンド基板
５３０ ダイヤモンド・フィルム層
５４０ 電子装置
６００ ダイヤモンド基板
６２０ 保護層
６４０ 電子装置

Claims (36)

  1. ダイヤモンド・フィルム層と、ダイヤモンド・フィルム層の1つの表面に形成される、ダイヤモンド・フィルム層の変形を防止するための保護層よりなるダイヤモンド基板。
  2. ダイヤモンド・フィルム層の下部表面に形成された基層を更に含む請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  3. 基層がシリコン材料によって形成される請求項2に記載のダイヤモンド基板。
  4. 保護層がダイヤモンド・フィルム層の上部表面上に形成されている請求項2に記載のダイヤモンド基板。
  5. 保護層の熱膨張係数がダイヤモンド・フィルム層の熱膨張係数より大きい請求項4に記載のダイヤモンド基板。
  6. 保護層がダイヤモンド・フィルム層と基層の間に形成されている請求項2に記載のダイヤモンド基板。
  7. 保護層の熱膨張係数がダイヤモンド・フィルム層の熱膨張係数より小さい請求項6に記載のダイヤモンド基板。
  8. ダイヤモンド・フィルム層の材料が単結晶ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンドからなるグループから選ばれた請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  9. 保護層が含水素ダイヤモンド状炭素によって形成される請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  10. 保護層がカーバイドによって形成される請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  11. カーバイドがSiC、TiC、 WC、 CrC、TiCNからなるグループから選ばれた請求項10に記載のダイヤモンド基板。
  12. 保護層が窒化物によって形成された請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  13. 窒化物がSiN、 SiCN、TiN、BN、AlTiNからなるグループから選ばれた請求項12に記載のダイヤモンド基板。
  14. ダイヤモンド基板が複数の保護層よりなる請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  15. 各保護層が異なる材料によって形成され、互いに積み重ねられた請求項14に記載のダイヤモンド基板。
  16. 各保護層がカーバイドと窒化物からなるグループから選ばれた材料によって形成された請求項15に記載のダイヤモンド基板。
  17. カーバイドがSiC、TiC、WC、CrC、TiCNからなるグループから選ばれた請求項16に記載のダイヤモンド基板。
  18. 窒化物がSiN、SiCN、TiN、BN、AlTiNからなるグループから選ばれた請求項16に記載のダイヤモンド基板。
  19. ダイヤモンド基板が2から8インチの範囲の直径を持つディスク状である請求項1に記載のダイヤモンド基板。
  20. 基層を設け、ダイヤモンド・フィルム層と、ダイヤモンド・フィルム層の変形を防止するために使われる基層上のダイヤモンド・フィルム保護層を形成し、基層を取り除く手順からなるダイヤモンド基板の製造方法。
  21. 基層がシリコン材料によって形成されている請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  22. ダイヤモンド・フィルム層と保護層の形成が、基層上に保護層を形成し、保護層上にダイヤモンド・フィルム層を形成する手順とからなる、請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  23. 保護層の熱膨張係数がダイヤモンド・フィルム層の熱膨張係数より大きい請求項22に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  24. ダイヤモンド・フィルムと保護層の形成が、基層上にダイヤモンド・フィルム層を形成し、ダイヤモンド・フィルム層上に保護層を形成する手順からなる、請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  25. 保護層の熱膨張係数がダイヤモンド・フィルムの熱膨張係数より小さい請求項24に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  26. ダイヤモンド・フィルム層の材料が単結晶ダイヤモンドと多結晶ダイヤモンドからなるグループから選ばれた請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  27. 保護層が含水素ダイヤモンド状炭素によって形成される請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  28. 保護層がカーバイドによって形成される請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  29. カーバイドがSiC、TiC、 WC、 CrC、TiCNからなるグループから選ばれた請求項28に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  30. 保護層が窒化物によって形成された請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  31. 窒化物がSiN、SiCN、TiN、BN、AlTiNからなるグループから選ばれた請求項30に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  32. ダイヤモンド基板が複数の保護層からなる、請求項20に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  33. 各保護層が異なる材料によって形成され、互いに積み重ねられた請求項32に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  34. 各保護層がカーバイドと窒化物からなるグループから選ばれた材料によって形成された請求項33に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  35. カーバイドがSiC、TiC、 WC、 CrC、TiCNからなるグループから選ばれた請求項34に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
  36. 窒化物がSiN、SiCN、TiN、BN、AlTiNからなるグループから選ばれた請求項34に記載のダイヤモンド基板の製造方法。
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