JP4769428B2 - Method for forming diamond film growth substrate - Google Patents
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Description
本発明はダイヤモンド膜成長基板の形成方法に関する。
The present invention relates to a method for forming a diamond film growth substrate .
ダイヤモンドは、例えば、禁制帯幅が５．４７ｅＶ、絶縁破壊電圧が３．５×１０6Ｖ／ｃｍ、電子飽和ドリフト速度が２．５×１０7ｃｍ／ｓ、電子移動度が１８００ｃｍ2／Ｖｓ以上、正孔移動度が１６００ｃｍ2／Ｖｓ以上であるなど、半導体として優れた特性を有しており、さらに、ＪＦＭ値が５３３０、ＫＦＭ値が３１、ＢＦＭ値が１４８６０、ＢＨＦＭ値が１０８０であるなど、高周波・ハイパワー素子として特性の優れた半導体材料あるいはこの優れた半導体的性質を利用したレーザーやダイオードなどの光デバイス材料であることから、近年ますます注目を集めている。 For example, diamond has a forbidden band width of 5.47 eV, a breakdown voltage of 3.5 × 10 6 V / cm, an electron saturation drift velocity of 2.5 × 10 7 cm / s, and an electron mobility of 1800 cm 2 / Vs. As described above, the semiconductor has excellent characteristics such as a hole mobility of 1600 cm 2 / Vs or more, and further has a JFM value of 5330, a KFM value of 31, a BFM value of 14860, and a BHFM value of 1080. In recent years, it has attracted more and more attention because it is a semiconductor material having excellent characteristics as a high-frequency / high-power element, or an optical device material such as a laser or a diode utilizing this excellent semiconductor property.
上記のダイヤモンドを人工的に形成する方法について説明する。
図１１は、従来例に係るダイヤモンドを形成する方法を示す断面図である。
シリコンなどの基板１００上に気相成長によりダイヤモンド膜１０１を形成する。
A method for artificially forming the above diamond will be described.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a method of forming a diamond according to a conventional example.
A
図１２は、従来例に係るダイヤモンドを基板にホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドを形成する方法を示す断面図である。
高圧下で合成したダイヤモンドを基板（高圧ダイヤモンド基板）１１０として、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンド膜１１１を形成する。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a conventional method for forming diamond by homoepitaxial growth on a substrate.
A
上記のシリコンなどの基板上に気相成長によりダイヤモンドを形成する方法では、形成されるダイヤモンドは多結晶あるいは高配向のダイヤモンドであって、結晶粒界が多数存在しており、例えばダイヤモンドを半導体材料あるいは光デバイス材料として用いる場合には、結晶粒界を電子が通過することによりダイヤモンド本来の高い特性を十分に活かすことが困難となっている。 In the above method of forming diamond by vapor deposition on a substrate such as silicon, the formed diamond is polycrystalline or highly oriented diamond, and there are many crystal grain boundaries. For example, diamond is a semiconductor material. Alternatively, when used as an optical device material, it is difficult to make full use of the inherent high characteristics of diamond by passing electrons through crystal grain boundaries.
一方、上記の高圧下で合成したダイヤモンドを基板として、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドを形成する方法では、高圧下で合成したダイヤモンド基板の大きさ（面積）および導電性の均一性に限界があり、またのダイヤモンド基板の電気抵抗値が高く、この基板を用いた半導体装置などにおいて基板に通電する場合など不利益を有する。
ここで、上記のいずれの方法でも、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に形成することが非常に難しい。
On the other hand, the method of forming diamond by homoepitaxial growth using diamond synthesized under high pressure as described above has limitations in the size (area) and conductivity uniformity of the diamond substrate synthesized under high pressure. A diamond substrate has a high electrical resistance value, which is disadvantageous when a substrate is energized in a semiconductor device or the like using the substrate.
Here, in any of the above methods, the diamond in a thin range where the ratio (b / a) of the value of the length a corresponding to one side or diameter of the diamond film to the value of the thickness b of the diamond film is 1/20 or less. It is very difficult to form a film easily and stably.
解決しようとする問題点は、従来方法では、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に形成することができなかったという点であり、特に、例えば半導体材料あるいは光デバイス材料などとして用いる場合に、ダイヤモンドの特性を十分に活かすことができる単結晶のダイヤモンド膜や基板の大きさや導電性の均一性、電気抵抗値に優れたダイヤモンド膜を上記のように薄く形成することが困難であった点である。 The problem to be solved is that in the conventional method, the ratio (b / a) of the value of the length a corresponding to one side or diameter of the diamond film to the value of the thickness b of the diamond film (b / a) is a thin range such as 1/20 or less. The diamond film could not be easily and stably formed, and in particular, when used as a semiconductor material or an optical device material, for example, a single crystal diamond film that can fully utilize the characteristics of diamond In addition, it is difficult to form a thin diamond film having excellent substrate size, conductivity uniformity, and electrical resistance as described above.
本発明のダイヤモンド膜成長基板は、単結晶の酸化マグネシウム基板と、酸化マグネシウム基板の表面に（１００）面となるように形成されたイリジウム層と、イリジウム層の表面をプラズマによるイオン照射して形成されたイオン照射層であって、イリジウム層上に所定のパターをなして設けられたイオン照射層と、イオン照射層上に、所定のパターンに沿って形成された単結晶のダイヤモンド膜とを備え、 ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下である。 The diamond film growth substrate of the present invention is formed by a single crystal magnesium oxide substrate, an iridium layer formed on the surface of the magnesium oxide substrate so as to be a (100) plane, and the surface of the iridium layer by ion irradiation with plasma. an ion irradiation layers, comprising an ion irradiation layer provided at a predetermined putter on the iridium layer, onto the ion irradiation layer, and a diamond film of a single crystal formed along a predetermined pattern The ratio (b / a) of the value of length a corresponding to one side or diameter of the diamond film to the value of thickness b of the diamond film is 1/20 or less.
本発明のダイヤモンド膜成長基板の形成方法は、単結晶の酸化マグネシウム基板の表面に、イリジウム層をその表面が（１００）面となるように形成する工程と、イリジウム層の表面に、プラズマによるイオン照射してイオン照射層を形成する工程と、イオン照射層を所定のパターンに加工する工程と、所定のパターンに沿って、イオン照射層の表面に、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値と前記ダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下となるように、単結晶のダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させる工程とを含む。 The method for forming a diamond film growth substrate according to the present invention comprises a step of forming an iridium layer on the surface of a single crystal magnesium oxide substrate so that the surface thereof is a (100) plane, and ions formed by plasma on the surface of the iridium layer. A step of forming an ion irradiation layer by irradiation, a step of processing the ion irradiation layer into a predetermined pattern, and a length corresponding to one side or the diameter of the diamond film on the surface of the ion irradiation layer along the predetermined pattern and a step of epitaxially growing a single-crystal diamond film so that a ratio (b / a) between a value and a value b of the diamond film is 1/20 or less .
上記の本発明のダイヤモンド膜成長基板およびダイヤモンド膜は、半導体装置、光デバイス、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、装飾表示基板並びに砥粒に適用できる。 The above-described diamond film growth substrate and diamond film of the present invention can be applied to semiconductor devices, optical devices, microfilters, micromachine components, decorative display substrates, and abrasive grains.
本発明のダイヤモンド膜成長基板は、ヘテロエピタキシャル成長で形成できるダイヤモンド膜を有する基板であって、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を有する基板を容易かつ安定に実現できる。 The diamond film growth substrate of the present invention is a substrate having a diamond film that can be formed by heteroepitaxial growth, and the ratio (b / a), which has been difficult to form conventionally, is in a thin range such as 1/20 or less. A substrate having a diamond film can be realized easily and stably.
また、本発明のダイヤモンド膜は、ヘテロエピタキシャル成長などで形成できるダイヤモンド膜であって、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜である。 The diamond film of the present invention is a diamond film that can be formed by heteroepitaxial growth or the like, and has a thin range such as the ratio (b / a) of 1/20 or less that has been difficult to form conventionally. It is.
本発明のダイヤモンド膜成長基板の形成方法によれば、ヘテロエピタキシャル成長により、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜成長基板を容易かつ安定に形成することができる。 According to the diamond film growth substrate forming method of the present invention, by heteroepitaxial growth, the diamond film growth substrate thinner areas such as the above-mentioned ratio was difficult to form a conventional (b / a) is 1/20 or less It can be formed easily and stably.
本発明のダイヤモンド膜の形成方法によれば、ヘテロエピタキシャル成長により、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に形成することができる。 According to the method for forming a diamond film of the present invention, a diamond film having a thin range such as the above ratio (b / a) of 1/20 or less, which has been difficult to form by heteroepitaxial growth, can be easily and stably formed. Can be formed.
本発明の半導体装置、光デバイス、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、装飾表示基板並びに砥粒は、上記のヘテロエピタキシャル成長で形成できる単結晶ダイヤモンド膜に加工などを施して形成することができる。 The semiconductor device, optical device, microfilter, micromachine component, decorative display substrate, and abrasive grain of the present invention can be formed by processing the single crystal diamond film that can be formed by the above heteroepitaxial growth.
以下に、本発明に係るダイヤモンド膜成長基板及びその形成方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a diamond film growth substrate and a method for forming the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板の断面図である。 例えば、ダイヤモンドのエピタキシャル成長が可能な表面を有するダイヤモンド成長用基板として、酸化マグネシウム基板１０上に、イリジウム層１１が形成されている。 イリジウム層１１との境界における酸化マグネシウム基板１０の表面が（１００）面であり、イリジウム層１１の表面が（１００）面であってダイヤモンドのエピタキシャル成長が可能な表面となっている。 このイリジウム層１１のダイヤモンドのエピタキシャル成長が可能な表面に、所定のパターンに沿って、単結晶のダイヤモンド膜１３が形成されている。
First Embodiment FIG. 1 is a cross-sectional view of a diamond film growth substrate according to this embodiment. For example, an
ダイヤモンド成長基板としては、（１）ダイヤモンドの格子間隔と整合する格子間隔を持つこと、および（２）ダイヤモンドが固溶しないことが必要である。さらに、（３）高温処理をしても相変化しないで安定であること、（４）Ｈ2を用いたプラズマに対する耐性を有すること、などの条件を満たすことが好ましい。これらの条件を満たしていれば、上記の酸化マグネシウム基板上にイリジウム層が形成された構成に限定されない。 As a diamond growth substrate, it is necessary to (1) have a lattice spacing that matches the lattice spacing of diamond, and (2) that diamond does not dissolve. Furthermore, it is preferable to satisfy the conditions such as (3) stability without phase change even after high-temperature treatment, and (4) resistance to plasma using H 2 . As long as these conditions are satisfied, the present invention is not limited to the configuration in which the iridium layer is formed on the magnesium oxide substrate.
例えば、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下である。このｂ／ａ比としては、好ましくは１／５０、より好ましくは１／１００、さらに好ましくは１／１５０である。本実施形態においては、従来では実現できなかった薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に実現できる。
また、ダイヤモンド膜が所定のサイズおよび形状に制御して形成されたダイヤモンド膜である。例えば、３ｍｍ×３ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍなどの正方形形状や、あるいは５ｍｍ×３ｍｍ、７ｍｍ×３ｍｍ、１０ｍｍ×３ｍｍなどの長方形形状など、所望するサイズおよび形状に制御して実現することが可能となっている。
例えば、ダイヤモンド膜１３は単結晶ダイヤモンド膜であって、面積が例えば４ｍｍ×９ｍｍ程度であり、厚みが数１００μｍ以下である。
For example, the ratio (b / a) between the value of length a corresponding to one side or diameter of the diamond film and the value of thickness b of the diamond film is 1/20 or less. The b / a ratio is preferably 1/50, more preferably 1/100, and even more preferably 1/150. In this embodiment, it is possible to easily and stably realize a thin range of diamond film that could not be realized conventionally.
Further, the diamond film is formed by controlling the diamond film to have a predetermined size and shape. For example, it can be realized by controlling to a desired size and shape such as a square shape such as 3 mm × 3 mm, 5 mm × 5 mm, 10 mm × 10 mm, or a rectangular shape such as 5 mm × 3 mm, 7 mm × 3 mm, 10 mm × 3 mm. It is possible.
For example, the
本実施形態に係る上記のダイヤモンド膜成長基板は、ヘテロエピタキシャル成長で形成できる単結晶ダイヤモンド膜を有する基板であり、従来形成するのが困難であったダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を有する基板を容易かつ安定に実現できる。また、本実施形態に係る上記のダイヤモンド膜は単結晶であるので、例えばダイヤモンド膜を半導体材料あるいは光デバイス材料などに用いた場合に、ダイヤモンドの電気的、機械的、熱的、光学的特性を最大限に引き出して利用することができ、基板の大きさや導電性の均一性、電気抵抗値なども問題がない。 The above-described diamond film growth substrate according to the present embodiment is a substrate having a single crystal diamond film that can be formed by heteroepitaxial growth, and has a length a corresponding to one side or diameter of a diamond film that has been difficult to form conventionally. A substrate having a diamond film in a thin range where the ratio (b / a) of the value to the value b of the diamond film thickness is 1/20 or less can be realized easily and stably. In addition, since the diamond film according to this embodiment is a single crystal, for example, when the diamond film is used as a semiconductor material or an optical device material, the electrical, mechanical, thermal, and optical characteristics of diamond are improved. It can be pulled out to the maximum and used, and there is no problem with the size of the substrate, the uniformity of conductivity, the electrical resistance value, and the like.
例えば、ダイヤモンド成長用基板（酸化マグネシウム／イリジウム基板）にダイヤモンド膜が付着した状態で用いることで、高周波用半導体装置やスイッチング用半導体装置などの半導体装置、光デバイス、装飾表示基板などに適用することが可能である。また、例えば、上記のダイヤモンド膜成長基板からダイヤモンド膜を剥離して用いることも可能であり、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、砥粒などに適用することが可能である。 For example, by using a diamond growth substrate (magnesium oxide / iridium substrate) with a diamond film attached, it can be applied to semiconductor devices such as high-frequency semiconductor devices and switching semiconductor devices, optical devices, decorative display substrates, etc. Is possible. Further, for example, the diamond film can be peeled off from the above-described diamond film growth substrate , and can be applied to microfilters, micromachine parts, abrasive grains, and the like.
次に、本実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板の形成方法について、図２および図３の断面図を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、酸化マグネシウム基板１０を準備する。
酸化マグネシウム基板１０の主面Ｆ１は（１００）面とする。
次に、図２（ｂ）に示すように、酸化マグネシウム基板１０の主面Ｆ１上に、イリジウム層１１をエピタキシャル成長により形成する。
イリジウム層１１の表面Ｆ２も（１００）面として形成され、ダイヤモンドのエピタキシャル成長が可能な表面となる。
以上で、ダイヤモンドのエピタキシャル成長が可能な表面を有するダイヤモンド成長用基板が形成される。
Next, a method for forming a diamond film growth substrate according to the present embodiment will be described with reference to the cross-sectional views of FIGS.
First, as shown in FIG. 2A, for example, a
The main surface F1 of the
Next, as shown in FIG. 2B, an
The surface F2 of the
Thus, a diamond growth substrate having a surface capable of epitaxial growth of diamond is formed.
次に、図２（ｃ）に示すように、例えば、原料ガスとしてＣＨ4／Ｈ2を供給しながらダイヤモンド成長基板とこれに対向するように配置された対向電極に直流電圧を印加してプラズマＰ１を発生させ、上記のように形成したダイヤモンド成長基板のイリジウム層１１の表面を上記のプラズマＰ１に曝すことでイオン照射してイオン照射層１２を形成する。このイオン照射により、ダイヤモンドがエピタキシャル成長する核（サイト）が形成される。
上記のイオン照射の条件としては、例えば、電流密度を２００ｍＡ／ｃｍ2、反応圧力を１１５Ｔｏｒｒ、ＣＨ4／Ｈ2ガス混合比を２％、ガス流量を２００ｓｃｃｍ、放電電圧を３９０Ｖ、ダイヤモンド成長基板の温度を９４０℃、照射時間を３分とする。
Next, as shown in FIG. 2C, for example, a plasma is generated by applying a DC voltage to the diamond growth substrate and a counter electrode disposed so as to face the diamond growth substrate while supplying CH 4 / H 2 as a source gas. P1 is generated, and the
The ion irradiation conditions include, for example, a current density of 200 mA / cm 2 , a reaction pressure of 115 Torr, a CH 4 / H 2 gas mixture ratio of 2%, a gas flow rate of 200 sccm, a discharge voltage of 390 V, and a diamond growth substrate. The temperature is 940 ° C. and the irradiation time is 3 minutes.
次に、図３（ａ）に示すように、リソグラフィー工程により、所定のダイヤモンド成長領域を保護するレジスト膜Ｒをパターン形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、レジスト膜Ｒをマスクとしてイオンビームエッチングなどのエッチング処理Ｅｔを施し、所定のダイヤモンド成長領域のパターンに加工されたイオン照射層１２ａとする。この後、アッシング処理などによりレジスト膜Ｒを除去する。
Next, as shown in FIG. 3A, a resist film R that protects a predetermined diamond growth region is patterned by a lithography process.
Next, as shown in FIG. 3B, an etching process Et such as ion beam etching is performed using the resist film R as a mask to form an
次に、図３（ｃ）に示すように、例えば、原料ガスとしてＣＨ4／Ｈ2を供給しながらダイヤモンド成長基板とこれに対向するように配置された対向電極に直流電圧を印加してプラズマＰ２を発生させ、所定のパターンに加工したイオン照射層１２ａの表面を上記のプラズマＰ２に曝すことで、ダイヤモンド成長領域に単結晶のダイヤモンド膜１３ａをエピタキシャル成長させる。
上記のエピタキシャル成長の条件としては、ダイヤモンド成長基板と対向電極に印加する電圧の極性を上記のイオン照射におけるプラズマとは逆にして（基板側を負電位の陰極とし、対向電極をアースとする陽極として）、例えば、放電電流を（６００〜１０００）×３ｍＡ、反応圧力を１２０Ｔｏｒｒ、ＣＨ4／Ｈ2ガス混合比を１〜５％、ダイヤモンド成長基板の温度を９８０〜１２００℃、成長時間を２０〜１２０分とする。
Next, as shown in FIG. 3C, for example, a plasma is generated by applying a DC voltage to a diamond growth substrate and a counter electrode arranged to face the diamond growth substrate while supplying CH 4 / H 2 as a source gas. By generating P2 and exposing the surface of the
The epitaxial growth conditions are as follows: the polarity of the voltage applied to the diamond growth substrate and the counter electrode is opposite to that of the plasma in the ion irradiation described above (the substrate side is a negative potential cathode and the counter electrode is an anode having the ground as an anode). ), For example, the discharge current is (600 to 1000) × 3 mA, the reaction pressure is 120 Torr, the CH 4 / H 2 gas mixture ratio is 1 to 5%, the temperature of the diamond growth substrate is 980 to 1200 ° C., and the growth time is 20 to 20 120 minutes.
以上のようにして、本実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板を形成することができる。
図３（ｃ）上は、ピラミッド型のダイヤモンド膜１３ａが形成されていることを示しているが、ダイヤモンド成長領域のパターン形状や、エピタキシャル成長の時間などを含む条件を調整することにより、種々の形状に制御してダイヤモンド膜１３を形成することができる。
As described above, the diamond film growth substrate according to the present embodiment can be formed.
FIG. 3C shows that a
上記の本実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板は、ダイヤモンド膜がダイヤモンド成長用基板（酸化マグネシウム／イリジウム基板）に付着した状態で用いることができる。さらに必要に応じて、ダイヤモンド膜をダイヤモンド膜成長基板から剥離して、ダイヤモンド膜のみを用いることも可能である。 The diamond film growth substrate according to the above-described embodiment can be used in a state where the diamond film is attached to a diamond growth substrate (magnesium oxide / iridium substrate). Further, if necessary, it is possible to peel only the diamond film from the diamond film growth substrate and use only the diamond film.
ダイヤモンド膜の形状は、上記のようにダイヤモンド成長領域のパターン形状やエピタキシャル成長条件によって変わってくる。
図４（ａ）は図３（ｃ）と同様のピラミッド型の形状に成長したダイヤモンド膜１３ａの斜視図であり、図４（ｂ）は上面図である。
ダイヤモンド膜１３ａの表面は、実質的に４つの三角形状の面から構成され、これらはイリジウム層の（１００）面Ｆ２に対して斜めに傾斜した（１１１）面Ｆ３となっている。
上記の形状のダイヤモンド膜は、イリジウム層の（１００）面上にダイヤモンド成長領域を正方形に取り、４つの辺から成長する面にそれぞれ（１１１）面が出現する条件に調整することで、形成することができる。
The shape of the diamond film varies depending on the pattern shape of the diamond growth region and the epitaxial growth conditions as described above.
FIG. 4A is a perspective view of a
The surface of the
The diamond film having the above-described shape is formed by taking a diamond growth region in a square shape on the (100) plane of the iridium layer and adjusting the conditions so that the (111) plane appears on each of the surfaces grown from the four sides. be able to.
図５（ａ）は直線状のパターンで形成されたダイヤモンド膜１３ｂの斜視図であり、図５（ｂ）は上面図である。
ダイヤモンド膜１３ｂの表面は、側面がイリジウム層の（１００）面Ｆ２に対して斜めに傾斜した（１１１）面Ｆ４となっており、上面に（１００）面Ｆ５が出現している。
上記の形状のダイヤモンド膜は、イリジウム層の（１００）面上にダイヤモンド成長領域を直線状に取り、上記と同様に各側面に（１１１）面が出現する条件に調整することで、形成することができる。
FIG. 5A is a perspective view of the
The surface of the
The diamond film having the above-described shape is formed by taking a diamond growth region on the (100) plane of the iridium layer in a straight line and adjusting the conditions so that the (111) plane appears on each side surface as described above. Can do.
上記の図４および図５に示すピラミッド型や直線状のパターンで形成されたダイヤモンド膜は、それぞれ（１１１）面を有している。
ダイヤモンド膜に対するホウ素などのｐ型の導電性不純物は、（１００）面および（１１１）面のいずれに対しても導入することができるが、リンなどのｎ型の導電性不純物は、（１００）面には導入することができず、（１１１）面には導入が可能である。
従って、上記のピラミッド型や直線状のパターンで形成されたダイヤモンド膜は、それぞれ（１１１）面を有しているので、ｎ型不純物とｐ型不純物のいずれも導入することが可能となっており、それらの導入により、ダイヤモンドを用いた半導体デバイスを実現するこことができる。
Each of the diamond films formed in the pyramid type or linear pattern shown in FIGS. 4 and 5 has a (111) plane.
A p-type conductive impurity such as boron with respect to the diamond film can be introduced into both the (100) plane and the (111) plane, but an n-type conductive impurity such as phosphorus is (100). It cannot be introduced into the plane, but can be introduced into the (111) plane.
Therefore, since the diamond film formed in the above pyramid type or linear pattern has a (111) plane, it is possible to introduce both n-type impurities and p-type impurities. By introducing them, a semiconductor device using diamond can be realized.
図６（ａ）および（ｂ）は、図３（ｃ）に示す工程の続きの工程を示す断面図である。
また、図６（ａ）に示すピラミッド型の形状のダイヤモンド膜１３ａからさらに横方向にエピタキシャル成長させることで、図６（ｂ）に示すように、平面状のダイヤモンド膜１３ｃに成長させることができる。
6 (a) and 6 (b) are cross-sectional views showing a step subsequent to the step shown in FIG. 3 (c).
Further, by further epitaxially growing the
このような平面状のダイヤモンド膜としては、例えば、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下となるように形成する。
このｂ／ａ比としては、好ましくは１／５０、より好ましくは１／１００、さらに好ましくは１／１５０である。従来薄くするほど形成するのが困難となっていたが、本実施形態においては、従来では実現できなかった薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に実現できる。
また、本実施形態でダイヤモンド膜を形成するときには、所定のサイズおよび形状に制御して成長させる。３ｍｍ×３ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍなどの正方形形状や、あるいは５ｍｍ×３ｍｍ、７ｍｍ×３ｍｍ、１０ｍｍ×３ｍｍなどの長方形形状など、所望するサイズおよび形状に制御して形成する。
例えば、ダイヤモンド膜１３は単結晶ダイヤモンド膜であって、面積が例えば４ｍｍ×９ｍｍ程度であり、厚みが数１００μｍ以下とする。
As such a planar diamond film, for example, the ratio (b / a) between the value of length a corresponding to one side or diameter of the diamond film and the value of thickness b of the diamond film is 1/20 or less. To form.
The b / a ratio is preferably 1/50, more preferably 1/100, and even more preferably 1/150. Conventionally, the thinner the film, the more difficult it is to form. However, in this embodiment, it is possible to easily and stably realize a diamond film in a thin range that could not be realized conventionally.
Further, when forming a diamond film in this embodiment, the diamond film is grown while being controlled to a predetermined size and shape. It is formed by controlling to a desired size and shape, such as a square shape such as 3 mm × 3 mm, 5 mm × 5 mm, 10 mm × 10 mm, or a rectangular shape such as 5 mm × 3 mm, 7 mm × 3 mm, 10 mm × 3 mm.
For example, the
また、上記のようにして形成した平面状のダイヤモンド膜では、結晶欠陥Ｄの成長をダイヤモンド膜の側面へと伸ばすことで、結晶欠陥Ｄの無いダイヤモンド表面を提供できる。 In the planar diamond film formed as described above, the growth of crystal defects D is extended to the side surfaces of the diamond film, so that a diamond surface free from crystal defects D can be provided.
上記の本実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板の形成方法の形成方法によれば、ヘテロエピタキシャル成長により、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜成長基板を容易かつ安定に形成することができる。
また、ダイヤモンド膜が単結晶であるので、例えばダイヤモンド膜を半導体材料や光デバイス材料として用いる場合にもダイヤモンドの特性を十分に活かすことができ、また、基板の大きさや導電性の均一性、電気抵抗値なども問題がない。
According to the above method for forming a diamond film growth substrate according to this embodiment, the ratio (b / a), which has been difficult to form conventionally by heteroepitaxial growth, is as thin as 1/20 or less. A diamond film growth substrate in the range can be formed easily and stably.
In addition, since the diamond film is a single crystal, for example, when the diamond film is used as a semiconductor material or an optical device material, the diamond characteristics can be fully utilized, and the substrate size, conductivity uniformity, electrical properties, There is no problem with the resistance value.
第２実施形態
本実施形態に係るダイヤモンド膜は、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下となっている。
上記のｂ／ａ比としては、好ましくは１／５０、より好ましくは１／１００、さらに好ましくは１／１５０である。本実施形態のダイヤモンド膜においては、従来では実現できなかった薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に実現できる。
Second Embodiment In the diamond film according to this embodiment, the ratio (b / a) between the value of length a corresponding to one side or diameter of the diamond film and the value of thickness b of the diamond film is 1/20 or less. Yes.
The b / a ratio is preferably 1/50, more preferably 1/100, and still more preferably 1/150. In the diamond film of this embodiment, a diamond film in a thin range that could not be realized conventionally can be realized easily and stably.
また、本実施形態のダイヤモンド膜は、所定のサイズおよび形状に制御して形成されたダイヤモンド膜である。例えば、３ｍｍ×３ｍｍ、５ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍなどの正方形形状や、あるいは５ｍｍ×３ｍｍ、７ｍｍ×３ｍｍ、１０ｍｍ×３ｍｍなどの長方形形状など、所望するサイズおよび形状に制御して実現することが可能となっている。
例えば、ダイヤモンド膜１３は単結晶ダイヤモンド膜であって、面積が例えば４ｍｍ×９ｍｍ程度であり、厚みが数１００μｍ以下である。
In addition, the diamond film of the present embodiment is a diamond film formed so as to have a predetermined size and shape. For example, it can be realized by controlling to a desired size and shape such as a square shape such as 3 mm × 3 mm, 5 mm × 5 mm, 10 mm × 10 mm, or a rectangular shape such as 5 mm × 3 mm, 7 mm × 3 mm, 10 mm × 3 mm. It is possible.
For example, the
本実施形態に係るダイヤモンド膜は、単結晶ダイヤモンド膜あるいは多結晶ダイヤモンド膜の他、高配向ダイヤモンド膜とすることができる。
ここで、高配向ダイヤモンド膜とは、単結晶程に結晶粒界が少なくはないが、結晶の向きが比較的揃っている状態で、例えばシリコン基板にバイアス処理を行い、ダイヤモンドを成長させる場合などに形成することができる。
The diamond film according to the present embodiment can be a highly oriented diamond film in addition to a single crystal diamond film or a polycrystalline diamond film.
Here, the highly oriented diamond film has a crystal grain boundary as many as that of a single crystal, but when the crystal orientation is relatively uniform, for example, when a silicon substrate is biased to grow diamond, etc. Can be formed.
本実施形態に係る上記のダイヤモンド膜によれば、ヘテロエピタキシャル成長などで形成できるダイヤモンド膜であって、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に実現することができる。 The diamond film according to the present embodiment is a diamond film that can be formed by heteroepitaxial growth or the like, and the ratio (b / a) that has been difficult to form conventionally is as thin as 1/20 or less. A diamond film in a range can be easily and stably realized.
上記の本実施形態に係るダイヤモンド膜は、例えば第１実施形態に係るダイヤモンド膜成長基板からダイヤモンド膜を剥離して得ることができる。この場合には、例えば単結晶のダイヤモンド膜が得られる。
また、ヘテロエピタキシャル成長以外の方法、例えばシリコン基板上にダイヤモンドを成長させる方法や、シリコン基板にバイアス処理を行ってからダイヤモンドを成長させる方法でダイヤモンド膜を形成し、これを剥離して得ることで、多結晶あるいは高配向のダイヤモンド膜を形成することができる。
上記以外は、第１実施形態と同様にして形成することが可能である。
The diamond film according to the present embodiment can be obtained, for example, by peeling the diamond film from the diamond film growth substrate according to the first embodiment. In this case, for example, a single crystal diamond film is obtained.
Further, by forming a diamond film by a method other than heteroepitaxial growth, for example, a method of growing diamond on a silicon substrate, or a method of growing diamond after performing a bias treatment on the silicon substrate, and obtaining this by peeling off, A polycrystalline or highly oriented diamond film can be formed.
Other than the above, it can be formed in the same manner as in the first embodiment.
また、例えば、本実施形態に係るダイヤモンド膜は、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、砥粒などに適用することが可能である。半導体材料あるいは光デバイス材料などに必要な特性は、上記のマイクロフィルタなどに適用する場合には必ずしも必要ではなく、場合によっては多結晶あるいは高配向のダイヤモンド膜の方が好ましく用いることもできる。
さらに、例えば窓材に利用する場合には純度が高い方が好ましいが、多結晶あるいは高配向のダイヤモンド膜でも表面を研磨することなどにより好ましく用いることが可能である。素子の放熱板などに利用する場合にも、単結晶、多結晶あるいは高配向のいずれのダイヤモンド膜を用いることが可能である。
Further, for example, the diamond film according to the present embodiment can be applied to a microfilter, a component for micromachine, an abrasive grain, and the like. Characteristics required for a semiconductor material or an optical device material are not necessarily required when applied to the above-described microfilter, and a polycrystalline or highly oriented diamond film can be preferably used in some cases.
Furthermore, for example, when it is used for a window material, a higher purity is preferable, but a polycrystalline or highly oriented diamond film can be preferably used by polishing the surface. Even when used as a heat dissipation plate of an element, any single crystal, polycrystal, or highly oriented diamond film can be used.
本実施形態のダイヤモンド膜の形成方法によれば、例えばヘテロエピタキシャル成長などにより、従来形成するのが困難であった上記の比（ｂ／ａ）が１／２０以下などの薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に形成することができる。
マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品あるいは砥粒などの微細なパターンや形状を制御して形成することが可能である。
According to the method for forming a diamond film of the present embodiment, a diamond film having a thin range such as the above ratio (b / a) of 1/20 or less that has been difficult to form by conventional methods such as heteroepitaxial growth can be easily obtained. And it can form stably.
It is possible to control and form fine patterns and shapes such as microfilters, micromachine parts, or abrasive grains.
（実施例１）
図４（ａ）および（ｂ）に示す構造のダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真を撮影した。図７は１つのピラミッド型のダイヤモンド膜を斜め上方から観察した電子顕微鏡写真であり、図８は複数のピラミッド型のダイヤモンド膜を上面から観察した写真である。
ダイヤモンド膜がピラミッド型の形状となっていることが確認できる。
Example 1
Electron micrographs of the diamond film having the structure shown in FIGS. 4 (a) and (b) were taken. FIG. 7 is an electron micrograph of a single pyramidal diamond film observed from obliquely above, and FIG. 8 is a photograph of a plurality of pyramidal diamond films observed from above.
It can be confirmed that the diamond film has a pyramidal shape.
（実施例２）
図５（ａ）および（ｂ）に示す構造と同様のダイヤモンド膜の電子顕微鏡写真を撮影した。図９は複数本の直線状のダイヤモンド膜を斜め上方から観察した写真である。
ダイヤモンド膜の長手方向の２つの側面である（１１１）面が頂部まで延びており、図５（ａ）および（ｂ）に示す（１００）面は出現していない構造となっている。
(Example 2)
Electron micrographs of a diamond film having the same structure as shown in FIGS. 5A and 5B were taken. FIG. 9 is a photograph of a plurality of linear diamond films observed obliquely from above.
The (111) plane which is two side surfaces in the longitudinal direction of the diamond film extends to the top, and the (100) plane shown in FIGS. 5A and 5B does not appear.
（実施例３）
図１０は本発明に係るダイヤモンド膜で構成したマイクロフィルタの電子顕微鏡写真である。
薄いダイヤモンド膜に、所定パターンのフィルタ機能として、直径数μｍの孔が多数開口している構成である。ダイヤモンド成長基板からは剥離されて用いられる。
ダイヤモンド成長基板にイオン照射してイオン照射層を形成し、マイクロフィルタの開口部となる部分を除去するようにイオン照射層をパターン加工し、イオン照射層の表面に、単結晶のダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させ、ダイヤモンド膜をダイヤモンド成長基板から剥離して、形成することができる。
(Example 3)
FIG. 10 is an electron micrograph of a microfilter composed of a diamond film according to the present invention.
In the thin diamond film, a large number of holes having a diameter of several μm are opened as a filter function of a predetermined pattern. It is used after being peeled off from the diamond growth substrate.
The diamond growth substrate is ion-irradiated to form an ion-irradiated layer, and the ion-irradiated layer is patterned so as to remove the opening portion of the microfilter, and a single-crystal diamond film is epitaxially grown on the surface of the ion-irradiated layer Then, the diamond film can be formed by peeling off the diamond growth substrate.
本発明のダイヤモンド膜付き基板およびダイヤモンド膜は、以下のような例に適用することができる。
まず、本発明のダイヤモンド膜付き基板において、ダイヤモンド膜中にｎ型および／またはｐ型の導電性不純物が導入することで、高周波用半導体装置やスイッチング用半導体装置などの半導体装置とすることができる。
また、ダイヤモンド成長基板上に所定のパターンに沿って光導波路となる単結晶のダイヤモンド膜が形成された構成として、優れた半導体的性質を利用したレーザーやダイオードなどの光デバイスとすることができる。
さらに、ダイヤモンド成長基板に、ダイヤモンド膜が、装飾および／または情報の表示のパターンに沿って形成されている構成として装飾表示基板とすることができる。
The substrate with diamond film and the diamond film of the present invention can be applied to the following examples.
First, in the substrate with a diamond film of the present invention, a semiconductor device such as a high-frequency semiconductor device or a switching semiconductor device can be obtained by introducing n-type and / or p-type conductive impurities into the diamond film. .
In addition, as a configuration in which a single crystal diamond film serving as an optical waveguide is formed along a predetermined pattern on a diamond growth substrate, an optical device such as a laser or a diode using excellent semiconductor properties can be obtained.
Furthermore, a diamond display substrate can be used as a decorative display substrate as a structure in which a diamond film is formed along a decorative and / or information display pattern.
また、本発明のダイヤモンド膜成長基板から剥離したダイヤモンド膜において、一辺または径に相当する長さａの値と厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下である単結晶のダイヤモンド膜に所定のパターンのフィルタ機能が形成されたマイクロフィルタとすることができる。
また、所定のパターンのマイクロマシン用部品の形状として、マイクロマシン用部品とすることができる。
マイクロマシン用部品を形成する場合には、同一基板上に複数個の前記マイクロマシン用部品が同時に形成されたものであることは好ましい。
さらに、ダイヤモンド膜をダイヤモンド膜成長基板から剥離して砥粒とすることができる。この場合、ダイヤモンドの粒子が、立方体構造、直方体構造、六八面体構造および／あるいは角錐型構造を有することが好ましい。本実施形態において、ダイヤモンド膜（粒子）のサイズや形状を種々に制御して、所望のサイズや形状の砥粒となるダイヤモンド膜を得ることができる。
In the diamond film peeled from the diamond film growth substrate of the present invention, a single crystal diamond in which the ratio (b / a) of the value of length a corresponding to one side or diameter (b / a) is 1/20 or less A microfilter in which a filter function of a predetermined pattern is formed on the film can be obtained.
Moreover, it can be set as the component for micromachines as the shape of the component for micromachines of a predetermined pattern.
When forming micromachine parts, it is preferable that a plurality of the micromachine parts are simultaneously formed on the same substrate.
Further, the diamond film can be peeled from the diamond film growth substrate to form abrasive grains. In this case, the diamond particles preferably have a cubic structure, a rectangular parallelepiped structure, a hexahedral structure and / or a pyramid structure. In this embodiment, the diamond film (particles) can be controlled in various sizes and shapes to obtain a diamond film that becomes abrasive grains of a desired size and shape.
本発明は上記の説明に限定されない。
例えば、ダイヤモンド成長用基板は、酸化マグネシウム基板にイリジウム層が形成された基板の他、ダイヤモンドが成長可能な基板であれば特に限定はない。
本発明のダイヤモンド膜成長基板、ダイヤモンド膜およびそれらの形成方法は、ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値とダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下の薄い範囲のダイヤモンド膜を容易かつ安定に形成するために開発されたが、いうまでもなく、本発明は上記よりも厚い領域にも適用可能であり、種々のサイズや形状のダイヤモンド膜を有する基板およびその形成方法を実現することができる。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the above description.
For example, the diamond growth substrate is not particularly limited as long as it is a substrate on which a diamond can be grown in addition to a substrate in which an iridium layer is formed on a magnesium oxide substrate.
In the diamond film growth substrate , the diamond film, and the method of forming them according to the present invention, the ratio (b / a) of the value of length a corresponding to one side or diameter of the diamond film to the value of thickness b of the diamond film is 1/20. The following thin film was developed to easily and stably form a diamond film, but it goes without saying that the present invention can be applied to a region thicker than the above, and diamond films of various sizes and shapes can be applied. A substrate having the same and a method for forming the same can be realized.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
本発明のダイヤモンド膜成長基板は、半導体装置、光デバイス、装飾表示基板などに適用できる。 The diamond film growth substrate of the present invention can be applied to semiconductor devices, optical devices, decorative display substrates, and the like.
本発明のダイヤモンド膜は、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、砥粒などに適用できる。 The diamond film of the present invention can be applied to microfilters, micromachine parts, abrasive grains, and the like.
本発明のダイヤモンド膜成長基板の形成方法は、半導体装置、光デバイス、装飾表示基板などの形成方法に適用できる。 The method for forming a diamond film growth substrate of the present invention can be applied to methods for forming semiconductor devices, optical devices, decorative display substrates, and the like.
本発明のダイヤモンド膜の形成方法は、マイクロフィルタ、マイクロマシン用部品、砥粒などの形成方法に適用できる。 The method for forming a diamond film of the present invention can be applied to methods for forming microfilters, parts for micromachines, abrasive grains and the like.
１０…酸化マグネシウム基板
１１…イリジウム層
１２，１２ａ…イオン照射層
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…ダイヤモンド膜
１００…シリコン基板
１０１…ダイヤモンド膜
１１０…高圧ダイヤモンド基板
１１１…ダイヤモンド膜
Ｄ…結晶欠陥
Ｒ…レジスト膜
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記イリジウム層の表面に、プラズマによるイオン照射してイオン照射層を形成する工程と、
前記イオン照射層を、所定のパターンに加工する工程と、
ダイヤモンド粒子が横方向に成長することにより、前記所定のパターンに沿って、前記イオン照射層の表面に、単結晶ダイヤモンド膜の一辺または径に相当する長さａの値と前記単結晶ダイヤモンド膜の厚みｂの値の比（ｂ／ａ）が１／２０以下となるように、前記単結晶ダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させる工程と
を含むことを特徴とするダイヤモンド膜成長基板の形成方法。
Forming a iridium layer on a surface of a single crystal magnesium oxide substrate having a (100) surface so that the surface becomes a (100) surface;
Forming an ion irradiation layer on the surface of the iridium layer by ion irradiation with plasma;
Processing the ion irradiation layer into a predetermined pattern;
By diamond grains grow laterally along the predetermined pattern, the the surface of the ion irradiation layers, of value as the single-crystal diamond film of the length a corresponding to one side or the diameter of the single crystal diamond film And a step of epitaxially growing the single crystal diamond film so that a ratio (b / a) of a value of thickness b is 1/20 or less.
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