JP2009013003A - ダイヤモンド製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンド生成工程の際の放熱ホルダ上におけるダイヤモンド膜の剥離等による不良発生や、異常成長等を防ぐことを目的とする。
【解決手段】表面にダイヤモンドが蒸着しないホルダを準備し、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも前記ホルダ温度１３００℃〜室温では蒸着したダイヤモンドが剥離せず、またダイヤモンド及び＼炭化物が異常成長しないホルダを準備した後、ダイヤモンドを成膜する基板を該ホルダ上に設置した後、該基板上にダイヤモンドの成膜を行うことを特徴とするダイヤモンド製造方法及び製造装置である。前記ホルダの基板近傍が表面粗さＲａ０．０１μｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、ダイヤモンド製造方法及び製造装置に関し、ダイヤモンドを成膜する基板を設置するための放熱ホルダ上に蒸着したダイヤモンド、炭化物が剥離して飛散することによる成膜不良等を防ぐダイヤモンド製造方法及び製造装置に関するものである。

ダイヤモンドは高熱伝導率、高い電子・正孔移動度、高い絶縁破壊電界強度、低誘電損失、そして広いバンドギャップといった、半導体材料として他に類を見ない優れた特性を数多く備えている。特に近年では、広いバンドギャップを活かした紫外発光素子や、優れた高周波特性を持つ電界効果トランジスタなどが開発されつつある。
ダイヤモンドを製造するにあたって様々な方法が試みられているが、加熱フィラメントを用いる方法、マイクロ波等により励起したプラズマを用いる方法がある。その他特殊なものとして、火炎法、スパッタリング法、イオンビーム法、紫外線放射などがあり、これらの励起手段により、メタン等炭化水素と水素の混合ガスを分解励起し、基板などの上にダイヤモンドを析出させることができる。

例えばマイクロ波プラズマＣＶＤで成膜する場合には、メタンガスなどの炭素系ガスと水素ガスを混合したガスを用い、減圧及び８００〜１２００℃程度に上昇させることで基板上へダイヤモンド生成が可能である。この方法を行なう場合には、ダイヤモンドを生成させる基板から放熱させる必要がある。一般的には前記基板を放熱ホルダ上に設置した後に基板上へのダイヤモンドの生成を行う。
この際、ダイヤモンドが成膜する基板面の反対側の面、もしくは基板の側面を放熱ホルダと接触させて設置する。更にその放熱ホルダと熱エネルギーを受け取るためのステージとを接触させ、このステージを水冷などさせることで放熱を行う。前記基板を設置するための前記放熱ホルダは、モリブデンなどの高い融点及び高い熱伝導率をもつ材料が一般的に使用されている（特許文献１参照）。
特表２００５−５０８２７９号公報

基板上にダイヤモンドの成膜を行う際に、同時にモリブデンなどの材料を用いた放熱ホルダ上にもダイヤモンドや炭化物が蒸着し、この蒸着したダイヤモンドや炭化物が、合成中等に剥離を起こすことがある。そして剥離して飛散したダイヤモンドや炭化物が、本来ダイヤモンドの成膜を行なうべき基板に付着することで、成膜不良が生じる等の問題が発生する。また、異常成長と呼ばれる、ダイヤモンドもしくは炭化物が生成されたものが急激に増大した場合に起こる合成不良といった問題が発生する。本発明はダイヤモンド生成工程における不良発生や異常成長等を防止することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、基板を放熱ホルダに設置してダイヤモンドを成膜する場合において、表面にダイヤモンドが蒸着しない、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも剥離しない放熱ホルダを用いる点に特徴を有する。すなわちホルダ材質を珪素、炭化珪素などダイヤモンドが剥離しにくい材質を用いる、もしくは表面粗さを小さくするなどの方法を用いることで、ダイヤモンドの蒸着、剥離を防ぐことができ、本来ダイヤモンドを成膜するべき基板の成膜不良を抑制することができる。また、放熱ホルダを分割可能とすることで、ダイヤモンドが厚く成膜されたものでも随時変更が可能となり、剥離し飛散することにより成膜不良を抑制することができる。

本発明は上記課題を解決するために以下の構成を採用する。
（１）気相合成法によってダイヤモンドを生成するダイヤモンド製造方法において、表面にダイヤモンドが蒸着しないホルダを準備し、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも前記ホルダ温度１３００℃〜室温では蒸着したダイヤモンドが剥離せず、またダイヤモンド及び＼炭化物が異常成長しないホルダを準備した後、ダイヤモンドを成膜する基板を該ホルダ上に設置した後、該基板上にダイヤモンドの成膜を行うことを特徴とするダイヤモンド製造方法である。
（２）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする上記（１）に記載のダイヤモンド製造方法である。
（３）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、表面粗さＲａ０．０１μｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のダイヤモンド製造方法である。
（４）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダが分離可能であり、少なくとも一部分が交換可能であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド製造方法である。
（５）前記ホルダは、基板上にダイヤモンドを成膜する前に予めダイヤモンド、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかを成膜しておくことを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載のダイヤモンド製造方法である。

（６）気相合成法によってダイヤモンドを生成するダイヤモンド製造装置において、ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダを有し、当該ホルダが表面にダイヤモンドを蒸着しない、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも前記ホルダ温度１３００℃〜室温では蒸着したダイヤモンドが剥離せず、またダイヤモンド及び＼又は炭化物が異常成長しないことを特徴とする製造装置である。
（７）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムのいずれかであることを特徴とする上記（６）に記載のダイヤモンド製造装置である。
（８）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダの少なくとも基板近傍が、表面粗さＲａ０．０１μｍ以下であることを特徴とする上記（６）又は（７）に記載のダイヤモンド製造装置である。
（９）前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダが分離可能であり、少なくとも一部分が交換可能であることを特徴とする上記（６）〜（８）のいずれかに記載のダイヤモンド製造装置である。
（１０）前記ホルダは、基板上にダイヤモンドを成膜する前に予めダイヤモンド、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかを成膜しておくことを特徴とする上記（６）〜（９）のいずれかに記載のダイヤモンド製造装置である。

本発明に係るダイヤモンドを成膜する基板の材料としては、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、シリコン基板など種々のものが挙げられる。
また、本発明で用いられるホルダは、特に形状を特定しないが円状、角状などの形状のものが挙げられ、ダイヤモンドを成膜する基板を設置することができる。
さらに異常成長とは、ホルダ上にダイヤモンドもしくは炭化物が生成されたものが、他の部分と比べて速い成膜速度を持ち、ダイヤモンドもしくは炭化物が急激に増大していくことを意味する。マイクロ波プラズマＣＶＤ法などを用いる際にこの異常成長が発生すると、異常成長発生部分でプラズマに集中が起こり、周辺での成長条件を変えてしまう。これにより、その他の部分ではダイヤモンドの成膜不良、例えば単結晶の成膜を行っていた場合に、異常成長発生部分にプラズマが集中することで、成長条件が変わり基板上に多結晶が成膜されてしまう。
そこで本発明に係るダイヤモンド製造方法及び製造装置を用いることにより、通常ホルダに蒸着していたダイヤモンドが剥離し飛散することを防ぎ、ダイヤモンドを成膜する目的で設置している基板上へ剥離したダイヤが付着することにより生じていた成膜不良を防ぐことができる。

次にホルダの材質としては、少なくとも一部が珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムのいずれかであることが好ましい。例えば、ダイヤモンドを成膜する基板の近傍５ｍｍφ領域を、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムで形成することによって、ダイヤモンドがホルダ上に蒸着した場合でも、そのダイヤモンドとの密着力が高く、モリブデン材を使用した時の様に著しく剥離する事はない。よって、基板近傍でダイヤモンドが剥離し、飛散することで基材上にダイヤモンドが付着することによる不良発生を防ぐことができる。
前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダの少なくとも一部の表面粗さがＲａ０．０１μｍ以下であることが好ましい。表面粗さをＲａ０．０１μｍ以下にすることにより、前記と同様に基板近傍でダイヤモンドが剥離し、飛散することで基材上にダイヤモンドが付着することによる不良発生を防ぐことができる。

前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダが分離可能であり、少なくとも一部分が交換可能であることが好ましい。これにより、長時間合成することで、万が一ホルダ上にダイヤモンドが蒸着することがあり、更に繰り返し使うことでダイヤモンドの膜厚が大きくなり剥離が起こりやすくなる部分が発生したとしても、剥離する前に予めその部分のみを交換することで剥離を防ぐことができる。例えば、基板を設置している場所の近傍５ｍｍ角を交換可能とすることにより、ダイヤモンドが剥離し、飛散することで基材上にダイヤモンドが付着することによる不良発生を抑止することができる。

前記ホルダの交換可能である部分の表面には、ダイヤモンドを成膜する前に予め成膜しておくことが好ましい。長時間の合成を行う場合には、分離可能部分を交換する以前にダイヤモンド膜の剥離や、異常成長が起こってしまう。予め、合成を行っておくことで密着力の良いダイヤモンド膜を形成するか、または酸化物、窒化物、炭化物を成膜しておくことで、ダイヤモンドの剥離を防ぐ、もしくは異常成長を抑制することができる。また分離可能にしておくことで、ダイヤモンド、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかを予め表面へ成膜する作業も容易となる。

本発明ではダイヤモンドを成膜する際に用いるホルダ材質、表面粗さを変更することで、成膜中にダイヤモンド膜が剥離し飛散することによる成膜不良を防ぎ、さらにはダイヤモンドが蒸着しないようにすることで、異常成長が起こることによる成膜条件の変動、成膜不良を防ぐことが可能である。

ホルダ上に基板を設置してダイヤモンドを成膜する場合において、ホルダ表面にダイヤモンドが成膜しない、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも剥離しないようにする。すなわち、ホルダの材質として珪素、炭化珪素などダイヤモンドが剥離しにくい材質を用いる、表面粗さを小さくするなどの方法を用いる。また、万が一表面にダイヤモンドが成膜される部分ができたとしても、分離し交換可能とする事で、剥離が起こる前にダイヤモンドが成膜された部分を交換することで、剥離、飛散による成膜不良を防ぐことができる。

本発明のダイヤモンド製造方法及び製造装置により、ダイヤモンド生成工程の際の放熱ホルダ上におけるダイヤモンド膜の剥離等による不良発生や、異常成長等を防ぐことができる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。以下の実施例は本発明の一例であり、本発明を限定するものではない。
［実施例１］
３ｍｍ×６ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１００｝基板を用意し、基板が設置できる５０ｍｍφ−３ｍｍｔのホルダを準備した。ホルダ材は、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムの５種類で作られたものを、それぞれ準備した。
ホルダに配置された前記基板上へ、マイクロ波プラズマＣＶＤによるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１１００℃、圧力９０ｔｏｒｒで実施した。導入したガスはメタン２００ｓｃｃｍ（standard cubiccm）、水素１０００ｓｃｃｍとした。計２０時間成膜を行った。
２０時間の成膜後、マイクロ波の導入を停止し、室温まで冷却を行なった。
この時に使用した5種類共にホルダ表面にはダイヤモンドの蒸着が見られたが、ダイヤ
モンドの剥離は見られなかった。単結晶基板上への単結晶ダイヤモンドの成膜にも成功した。

［比較例１］
ホルダをモリブデン材で作製したものを準備し、それ以外は実施例１と同様の方法で基板上へエピタキシャル成長を行った。ここでホルダの表面粗さはＲａ：０．０２μｍであった。
その結果、成膜開始３５時間経過したところで、モリブデンで作製していたホルダ上に蒸着していたダイヤモンドが剥離し、飛散したことでＩｂ単結晶基板上に付着した。これにより、単結晶基板上のダイヤモンド膜は成膜不良となった。
［実施例２］
２ｍｍ×５ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１1０｝基板を用意し、４０ｍ
ｍφ−７ｍｍｔのホルダを準備した。ホルダ材はモリブデンとし、鏡面研磨加工によりＲａ：０．０１μｍとした。
鏡面研磨加工されたホルダに配置された前記基板上へ、マイクロ波プラズマＣＶＤによるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１０５０℃、圧力７０ｔｏｒｒで実施した。導入したガスはメタン１８０ｓｃｃｍ（standard cubiccm）、水素１２００ｓｃｃｍとした。計２５時間成膜を行った。２５時間の成膜後、マイクロ波の導入を停止し、室温まで冷却を行った。
この時に使用したホルダ表面にはダイヤモンドの蒸着が見らなかった。これにより、単結晶基板へのダイヤモンド成膜にも成功した。

［実施例３］
５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１１０｝基板を用意し、５０ｍｍ□−３ｍｍｔのホルダを準備した。ホルダ材はモリブデンとし、鏡面研磨加工によりＲａ：０．０１μｍとした。
図１に示す如く、ダイヤモンドを成膜する基板が設置されるホルダ材の基板近傍部分に分離可能部分を嵌め込むための幅１ｍｍの溝を形成し、ホルダ上に分離可能部分を嵌め込んだ。このよう構造を採用することにより、ホルダ上の基板近傍部分を分離交換可能にした。
ホルダに配置された前記基板上へ、マイクロ波プラズマＣＶＤによるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１１００℃、圧力９０ｔｏｒｒで実施した。導入したガスはメタン２００ｓｃｃｍ（standard cubiccm）、水素１０００ｓｃｃｍとした。４０時間が経過したところで、成膜を一時停止し、ホルダの分離可能部分を交換し、更に４０時間成膜を行い、計８０時間の成膜を行なった。

図２はホルダの分離可能部分の交換を説明するための図１におけるII−II矢視断面図である。図２に示す如く、エピタキシャル成長前に嵌め込んだホルダ材における分離可能部分を嵌め込み溝より分離した。その後、新しいホルダ分離可能部分に交換した後、上記の方法により４０時間の成膜を行った。
その結果、ホルダにダイヤモンド膜の蒸着は見られたが、基板近傍の交換したホルダ部分では剥離が見られず、ダイヤモンド膜の剥離、飛散による単結晶基板上への影響はなく、ダイヤモンド単結晶の成膜に成功した。

［比較例２］
実施例３と同様の方法で、４０時間で合成を一時停止するがホルダの分離可能部分は変更せず、更に40時間成膜を行い、計８０時間の成膜を行った。
結果、追加で行なった成膜開始から３２時間経過時にホルダの分離可能部分で剥離が発生し、飛散したダイヤモンドが単結晶基板上に付着し成膜不良となった。

［実施例４］
５ｍｍφ、厚さ１．２ｍｍの人工Ｉｂ型単結晶｛１0０｝基板を用意し、６５ｍｍφ−
５ｍｍｔのホルダを準備した。ホルダ材はモリブデンとし、鏡面研磨加工によりＲａ：０．０１μｍとした。図３に示す如く、基板近傍部分のホルダ上に幅１．５ｍｍの分離可能な部分を作製した。
ホルダは５種類作製し、分離可能な部分にはそれぞれダイヤモンド、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ
、ＳｉＣを表面に蒸着したものと、表面に何も蒸着を行なわなかったものを作製した。それぞれのホルダを用いて、基板上へマイクロ波プラズマＣＶＤによるエピタキシャル成長を行った。基板温度は１２００℃、圧力５０ｔｏｒｒで実施した。導入したガスはメタン１８０ｓｃｃｍ（standard cubiccm）、水素９００ｓｃｃｍとした。５０時間が経過したところで、成膜を一時停止し、ホルダの分離可能部分を交換し、更に５０時間成膜を行い、計１００時間の成膜を行なった。

結果、ダイヤモンドが成膜したものではダイヤモンドの蒸着は見られたが剥離は起こらなかった。ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、ＳｉＣを成膜したものでは、ダイヤモンドの蒸着は見られ
なかった。表面に予め何も成膜を行なわなかったものは、４０時間経過時に異常成長が発生し、これにより単結晶上のダイヤモンドは多結晶化してしまった。

実施例３で使用したホルダ及び基板を示す平面図である。 図１におけるII−II矢視断面図である。 実施例４で使用した円筒形のホルダ及び基板を示す平面図である。

Claims (10)

1. 気相合成法によってダイヤモンドを生成するダイヤモンド製造方法において、表面にダイヤモンドが蒸着しないホルダを準備し、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも前記ホルダ温度１３００℃〜室温では蒸着したダイヤモンドが剥離せず、またダイヤモンド及び＼炭化物が異常成長しないホルダを準備した後、ダイヤモンドを成膜する基板を該ホルダ上に設置した後、該基板上にダイヤモンドの成膜を行うことを特徴とするダイヤモンド製造方法。
2. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムのいずれかにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド製造方法。
3. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、表面粗さＲａ０．０１μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のダイヤモンド製造方法。
4. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダが分離可能であり、少なくとも一部分が交換可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のダイヤモンド製造方法。
5. 前記ホルダは、基板上にダイヤモンドを成膜する前に予めダイヤモンド、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかを成膜しておくことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンド製造方法。
6. 気相合成法によってダイヤモンドを生成するダイヤモンド製造装置において、ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダを有し、当該ホルダが表面にダイヤモンドを蒸着しない、もしくはダイヤモンドが蒸着した場合でも前記ホルダ温度１３００℃〜室温では蒸着したダイヤモンドが剥離せず、またダイヤモンド及び＼又は炭化物が異常成長しないことを特徴とする製造装置。
7. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するためのホルダの少なくとも基板近傍が、珪素、炭化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウムのいずれかであることを特徴とする請求項６に記載のダイヤモンド製造装置。
8. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダの少なくとも基板近傍が、表面粗さ Ｒａ０．０１μｍ以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載のダイヤモンド製造装置。
9. 前記ダイヤモンドを成膜する基板を設置するホルダが分離可能であり、少なくとも一部分が交換可能であることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のダイヤモンド製造装置。
10. 前記ホルダは、基板上にダイヤモンドを成膜する前に予めダイヤモンド、酸化物、窒化物、炭化物のいずれかを成膜しておくことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載されたダイヤモンド製造装置。

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