JP4953154B2 - Diamond substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、ダイヤモンド単結晶を含むダイヤモンド基板およびその製造方法に関し、特に半導体リソグラフィープロセスや大型光学部品、半導体材料、放熱基板等に好適な大型ダイヤモンド基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a diamond substrate containing a diamond single crystal and a manufacturing method thereof, and more particularly to a large diamond substrate suitable for a semiconductor lithography process, a large optical component, a semiconductor material, a heat dissipation substrate, and the like, and a manufacturing method thereof.
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、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、パワーデバイス用半導体としても期待されている。また、ダイヤモンドは負の電子親和力を持つとされ、電子放出素子として応用研究が進められている。光学特性に関しては、ダイヤモンドは紫外領域（２２５〜４００ｎｍ）においても高透過率・高屈折率を有している。このため、ダイヤモンドは光ディスク等の高密度化に伴う光源の短波長化に対応可能なピックアップレンズ用材料としても期待されている。 Diamond has many unique properties that are unparalleled as a semiconductor material, such as high thermal conductivity, high electron / hole mobility, high breakdown field strength, low dielectric loss, and wide band gap. Particularly in recent years, field effect transistors having excellent high frequency characteristics have been developed, and are expected as semiconductors for power devices. Diamond is considered to have a negative electron affinity, and application research is being conducted as an electron-emitting device. Regarding optical characteristics, diamond has high transmittance and high refractive index even in the ultraviolet region (225 to 400 nm). For this reason, diamond is also expected as a material for a pickup lens that can cope with the shortening of the wavelength of a light source accompanying the increase in density of an optical disk or the like.
ダイヤモンドを半導体や光学材料として利用するためには、他の半導体材料と同様に大型の単結晶基板が必要である。なぜならデバイスの作製に必須である半導体ウェハプロセスおよびその装置は、数インチ径のウェハを前提として設計開発されているからである。現在、工業的に大型のダイヤモンド単結晶を得る方法として、高温高圧合成法や気相合成法が開発されており、これらによって（１００）面では１０ｍｍ径程の大型基板が得られるようになっている。しかし、直径１インチ以上の大径化の目処は現時点では立っていない。特にリンのドーピングが可能で、ｎ型の導電性が得やすいとされている（１１１）面の面方位を持つダイヤモンド基板は、高温高圧合成法で製造された量産市販品では高々数ｍｍ角程度のサイズであり、気相合成法では良質な結晶性を保ったままの大型化が困難である。これに対して、比較的大型の異種基板上にダイヤモンド単結晶を成長させるヘテロエピタキシャル成長は、現状では結晶性が十分でなく、半導体や光学用途としての利用は限られている。 In order to use diamond as a semiconductor or an optical material, a large single crystal substrate is required like other semiconductor materials. This is because the semiconductor wafer process and its apparatus essential for device fabrication are designed and developed on the premise of a wafer with a diameter of several inches. Currently, high-temperature and high-pressure synthesis methods and vapor phase synthesis methods have been developed as methods for obtaining industrially large diamond single crystals, and by these, a large substrate having a diameter of about 10 mm can be obtained on the (100) plane. Yes. However, there is currently no prospect of increasing the diameter of 1 inch or more. In particular, a diamond substrate having a (111) plane orientation, which can be doped with phosphorus and is likely to obtain n-type conductivity, is about several mm square at most for mass-produced commercial products manufactured by high-temperature and high-pressure synthesis. In the gas phase synthesis method, it is difficult to increase the size while maintaining good crystallinity. On the other hand, heteroepitaxial growth in which a diamond single crystal is grown on a relatively large heterogeneous substrate does not have sufficient crystallinity at present, and its use as a semiconductor or optical application is limited.
これを解決するため、例えば特許文献１には、面積が１ｍｍ２以上の単結晶ダイヤモンドを多結晶ダイヤモンドが取り囲むことにより、結晶性の良い単結晶ダイヤモンドと、大面積の得られる多結晶ダイヤモンドの両者の長所を併せ持つダイヤモンド部品の例が示されている。
特許文献１のダイヤモンド部品は主としてセンサー、光学窓等を意図としており、単結晶基板上には良質な単結晶を成長させる必要がある。良質な結晶を成長させるために（１００）単結晶を種基板と利用しているため、この基板上へのリンドープによるｎ型層形成は困難である。また、平坦なシリコン基板上に単結晶基板を配置した例では、十分な結合性を得るために２２０時間もの成膜時間を要しており、生産性の点で難点がある。さらにシリコン基板に凹加工を施し、凹加工部に単結晶ダイヤモンド基板を埋め込んでいる例では、シリコン基板主面部と単結晶ダイヤモンド基板主面部の高さが一致している。両面の高さが一致しているため、研磨等によって単結晶ダイヤモンド基板上の気相合成単結晶ダイヤモンド層を完全に取り除くことはできず、結晶性の良好な単結晶ダイヤモンド基板部分を露出利用することはできない。
The diamond component of
本発明は、前記課題を解決し、半導体リソグラフィープロセスや光学部品、半導体材料、放熱基板等に好適な大型ダイヤモンド基板およびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a large diamond substrate suitable for a semiconductor lithography process, an optical component, a semiconductor material, a heat dissipation substrate, and the like, and a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するため、本発明は次の（１）〜（３１）の態様を有する。
（１）ダイヤモンド基板の製造方法であって、凹部となる第１の領域と、該第１の領域を取り囲む第２の領域とを含む主面を有するシリコン基板を用意し、第１の領域の凹部深さよりも板厚の厚い単結晶ダイヤモンド種基板を、第１の領域に載置する載置工程と、気相合成法を用いて前記単結晶ダイヤモンド種基板から気相合成ダイヤモンド層を形成すると共に、前記第２の領域上にも気相合成ダイヤモンド層を形成して互いを接続する接続工程と、単結晶ダイヤモンド種基板上の気相合成ダイヤモンド層全部と、第２の領域上の気相合成ダイヤモンド層の全部又は一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する研磨工程とを経ることを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention has the following aspects (1) to (31).
(1) A method for manufacturing a diamond substrate, comprising preparing a silicon substrate having a main surface including a first region serving as a recess and a second region surrounding the first region. A vapor-phase synthesized diamond layer is formed from the single-crystal diamond seed substrate by using a placing step of placing a single-crystal diamond seed substrate having a thickness greater than the depth of the recess in the first region and a vapor-phase synthesis method. In addition, a connection step of forming a vapor-phase synthetic diamond layer also on the second region and connecting them together, the entire vapor-phase synthetic diamond layer on the single crystal diamond seed substrate, and the vapor phase on the second region A method for producing a diamond substrate, comprising: a polishing step of mechanically polishing all or part of a synthetic diamond layer to substantially flatten both of them.
（２）前記第１の領域の形状は、シリコン基板の主面部上方から見たときに円形、楕円形もしくは、二辺の延長線で挟まれた角の角度が６０度以上となる角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ該多角形の全ての角半径が５０μｍ以上であることを特徴とする前記（１）に記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (2) When the shape of the first region is viewed from above the main surface portion of the silicon substrate, it is circular, elliptical, or at least an angle at which the angle between two extension lines is 60 degrees or more. The method for manufacturing a diamond substrate according to (1), wherein one polygon exists and all the corner radii are 50 μm or more.
（３）前記第１の領域に載置する単結晶ダイヤモンド種基板は主面部上方から見たときに円形、楕円形もしくは、二辺とその挟まれた角度が６０度以上の角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ上記の全ての角半径が５０μｍ以上であることを特徴とする前記（１）または（２）に記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (3) The single crystal diamond seed substrate placed in the first region is circular, elliptical, or at least one angle whose two sides are sandwiched by 60 degrees or more when viewed from above the main surface portion. The method for producing a diamond substrate according to (1) or (2), wherein the diamond substrate is an existing polygon and all the angular radii are 50 μm or more.
（４）単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板主面部との段差である段差量が３０μｍ以上、１００μｍ以下となることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (4) The level difference, which is the level difference between the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate main surface portion, is 30 μm or more and 100 μm or less, according to any one of (1) to (3), Diamond substrate manufacturing method.
（５）単結晶ダイヤモンド種基板と前記第１の領域の凹部との隙間である隙間量が２００μｍ以下となることを特徴とする前記（１）１から（４）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。
(5) The diamond substrate according to any one of (1) to (4) above, wherein a gap amount which is a gap between the single crystal diamond seed substrate and the concave portion of the first region is 200 μm or less. Manufacturing method.
（６）単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板主面部との段差である段差量と単結晶ダイヤモンド種基板と前記第１の領域の凹部との隙間である隙間量の関係が、隙間量に対する段差量の比が０．３以上１２０以下となることを特徴とする前記（１）から（３）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (6) The relationship between the step amount that is the step between the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate main surface portion and the gap amount that is the gap between the single crystal diamond seed substrate and the concave portion of the first region is the gap amount. The method of manufacturing a diamond substrate according to any one of (1) to (3), wherein a ratio of the step amount to the height is from 0.3 to 120.
（７）前記単結晶ダイヤモンド種基板は主面の面方位が（１１１）であることを特徴とする前記（１）から（６）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (7) The method for producing a diamond substrate according to any one of (1) to (6), wherein the single crystal diamond seed substrate has a (111) principal plane orientation.
（８）前記シリコン基板は主面の面方位が（１１１）の単結晶であることを特徴とする前記（１）から（７）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (8) The method for manufacturing a diamond substrate according to any one of (1) to (7), wherein the silicon substrate is a single crystal having a main surface with a plane orientation of (111).
（９）前記第２の領域上に形成した気相合成ダイヤモンド層は多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする前記（１）から（８）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (9) The method for manufacturing a diamond substrate according to any one of (1) to (8), wherein the vapor phase synthetic diamond layer formed on the second region is polycrystalline diamond.
（１０）前記第２の領域上に形成した気相合成ダイヤモンド層は（１１１）配向ダイヤモンドであることを特徴とする前記（１）から（９）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (10) The method for producing a diamond substrate according to any one of (1) to (9), wherein the vapor phase synthetic diamond layer formed on the second region is (111) oriented diamond.
（１１）前記研磨工程の後のダイヤモンド基板の表面は、その反りが±１０μｍ以内であることを特徴とする（１）から（１０）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (11) The method for producing a diamond substrate according to any one of (1) to (10), wherein the warpage of the diamond substrate after the polishing step is within ± 10 μm.
（１２）前記研磨工程の後のダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±１０μｍ以内であることを特徴とする前記（１）から（１１）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (12) The diamond substrate manufacturing method according to any one of (1) to (11), wherein the back surface of the diamond substrate after the polishing step has a warpage within ± 10 μm.
（１３）前記研磨工程の後における、第２の領域上の気相合成ダイヤモンド層の厚さは１０μｍ以上であることを特徴とする前記（１）から（１２）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (13) The diamond substrate according to any one of (1) to (12), wherein the thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer on the second region after the polishing step is 10 μm or more Manufacturing method.
（１４）前記研磨工程の際、単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部に溝を発生させることを特徴とする前記（１）から（１３）のいずれかに記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (14) The production of the diamond substrate according to any one of (1) to (13), wherein a groove is generated in the entire circumference or part of the periphery of the surface of the single crystal diamond seed substrate during the polishing step. Method.
（１５）前記単結晶ダイヤモンド種基板の周囲に発生した溝の深さは３μｍ以下、幅は２０μｍ以下であることを特徴とする前記（１４）に記載のダイヤモンド基板の製造方法。 (15) The method for producing a diamond substrate according to (14), wherein the depth of the groove generated around the single crystal diamond seed substrate is 3 μm or less and the width is 20 μm or less.
（１６）ダイヤモンド基板であって、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板が、ダイヤモンド層を介して接合され、この断面構造が、
１）シリコン基板には凹部が存在し、この凹部上に単結晶ダイヤモンド種基板が配置されている
２）シリコン基板の凹部以外の表面上にダイヤモンド層が設けられており、該ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板とは表面近傍で密着し、両者の表面は実質的に平坦化且つ一体化されている
ことを特徴とするダイヤモンド基板。
(16) A diamond substrate, wherein a single crystal diamond seed substrate and a silicon substrate are bonded via a diamond layer,
1) There is a recess in the silicon substrate, and a single crystal diamond seed substrate is disposed on the recess. 2) A diamond layer is provided on the surface of the silicon substrate other than the recess, and the diamond layer and the single crystal. A diamond substrate characterized in that it is in close contact with the diamond seed substrate in the vicinity of the surface, and both surfaces are substantially flattened and integrated.
（１７）前記シリコン基板凹部の形状は、シリコン基板の主面部上方から見たときに円形、楕円形もしくは、二辺の延長線で挟まれた角の角度が６０度以上となる角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ該多角形の全ての角半径が５０μｍ以上であることを特徴とする、前記（１６）に記載のダイヤモンド基板。 (17) The shape of the concave portion of the silicon substrate may be circular, elliptical, or an angle at which an angle between two extension lines when viewed from above the main surface of the silicon substrate is 60 degrees or more. The diamond substrate according to (16), wherein the polygon substrate has two existing polygons, and all the corner radii are 50 μm or more.
（１８）前記単結晶ダイヤモンド種基板は主面部上方から見たときに円形、楕円形もしくは、二辺とその挟まれた角度が６０度以上の角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ上記の全ての角半径が５０μｍ以上であることを特徴とする前記（１６）または（１７）に記載のダイヤモンド基板。 (18) The single crystal diamond seed substrate is a circle, an ellipse, or a polygon having at least one angle between two sides and an angle between the two sides of 60 ° or more when viewed from above the main surface portion, and The diamond substrate as described in (16) or (17) above, wherein all the corner radii are 50 μm or more.
（１９）前記単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板主面部との段差である段差量が３０μｍ以上、１００μｍ以下となる前記（１６）から（１８）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (19) The diamond substrate according to any one of (16) to (18), wherein a step amount, which is a step between the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate main surface portion, is 30 μm or more and 100 μm or less.
（２０）前記単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部との隙間である隙間量が２００μｍ以下となることを特徴とする前記（１６）から（１９）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (20) The diamond substrate according to any one of (16) to (19), wherein a gap amount, which is a gap between the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate recess, is 200 μm or less.
（２１）単結晶ダイヤモンド種基板の主面部とシリコン基板主面部との段差である段差量と単結晶ダイヤモンド種基板と前記第１の領域の凹部との隙間である隙間量の関係が、隙間量に対する段差量の比が０．３以上１２０以下となることを特徴とする前記（１６）から（１８）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (21) The relationship between the step amount which is the step between the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate main surface portion and the gap amount which is the gap between the single crystal diamond seed substrate and the recess in the first region is the gap amount. The diamond substrate as set forth in any one of (16) to (18), wherein the ratio of the step amount with respect to is not less than 0.3 and not more than 120.
（２２）前記単結晶ダイヤモンド種基板は主面の面方位が（１１１）であることを特徴とする前記（１６）または（２１）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (22) The diamond substrate according to any one of (16) or (21), wherein the single crystal diamond seed substrate has a (111) principal plane orientation.
（２３）前記シリコン基板は主面の面方位が（１１１）の単結晶であることを特徴とする、前記（１６）から（２２）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (23) The diamond substrate according to any one of (16) to (22), wherein the silicon substrate is a single crystal having a main surface with a plane orientation of (111).
（２４）前記ダイヤモンド層は、気相合成ダイヤモンド層であることを特徴とする前記（１６）から（２３）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (24) The diamond substrate according to any one of (16) to (23), wherein the diamond layer is a gas phase synthetic diamond layer.
（２５）前記ダイヤモンド層は多結晶ダイヤモンドであることを特徴とする前記（１６）から（２４）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (25) The diamond substrate according to any one of (16) to (24), wherein the diamond layer is polycrystalline diamond.
（２６）前記ダイヤモンド層は（１１１）配向ダイヤモンドであることを特徴とする前記（１６）から（２５）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (26) The diamond substrate according to any one of (16) to (25), wherein the diamond layer is (111) oriented diamond.
（２７）前記ダイヤモンド基板の表面は、その反りが±１０μｍ以内であることを特徴とする前記（１６）から（２６）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (27) The diamond substrate according to any one of (16) to (26), wherein the warpage of the diamond substrate is within ± 10 μm.
（２８）前記ダイヤモンド基板の裏面は、その反りが±１０μｍ以内であることを特徴とする前記（１６）から（２７）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (28) The diamond substrate according to any one of (16) to (27), wherein the back surface of the diamond substrate has a warpage within ± 10 μm.
（２９）前記シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さは１０μｍ以上であることを特徴とする前記（１６）から（２８）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (29) The diamond substrate according to any one of (16) to (28), wherein a thickness of the diamond layer on the silicon substrate is 10 μm or more.
（３０）前記単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部には溝が存在することを特徴とする前記（１６）から（２９）のいずれかに記載のダイヤモンド基板。 (30) The diamond substrate as described in any one of (16) to (29) above, wherein a groove exists on the entire periphery or part of the periphery of the surface of the single crystal diamond seed substrate.
（３１）前記溝の深さは３μｍ以下、幅は２０μｍ以下であることを特徴とする前記（３０）に記載のダイヤモンド基板。 (31) The diamond substrate according to (30), wherein the groove has a depth of 3 μm or less and a width of 20 μm or less.
以下、上記の本発明について説明する。
本発明のダイヤモンド基板は、代表的な製造方法として、シリコン基板の主面凹部すなわち第１の領域に単結晶ダイヤモンド種基板をはめ込み、シリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板を、気相合成ダイヤモンド層を介して接続する。シリコン基板の凹部に単結晶ダイヤモンド種基板がはめ込まれた状態でこの主面上に気相合成ダイヤモンド層を形成してゆく。すると、気相合成ダイヤモンド層は、単結晶ダイヤモンド種基板上及び凹部を取り囲むシリコン基板の主面である第２の領域上にそれぞれ成長し、このとき層は成長するに従って少しずつ横に広がり、シリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板の隙間を埋めることになる。これによって、両基板はダイヤモンドで強固に接続され、表面の機械的な研磨が可能になる。次いで、気相合成ダイヤモンド層を単結晶ダイヤモンド種基板が露出するまで研磨し取り除いてゆく。機械的に研磨された表面は、単結晶ダイヤモンド種基板部分とその周囲の気相合成ダイヤモンド部分からなり、単結晶種基板部分が良質の単結晶として半導体・光学用等に利用できる。
Hereinafter, the present invention will be described.
As a typical manufacturing method of the diamond substrate of the present invention, a single crystal diamond seed substrate is fitted into a concave portion of the main surface of the silicon substrate, that is, the first region, and the silicon substrate and the single crystal diamond seed substrate are combined with a gas phase synthetic diamond layer. Connect through. A vapor-phase synthetic diamond layer is formed on the main surface in a state where the single crystal diamond seed substrate is fitted in the recess of the silicon substrate. Then, the vapor-phase synthetic diamond layer grows on the single crystal diamond seed substrate and on the second region which is the main surface of the silicon substrate surrounding the recess, and at this time, the layer spreads side by side as the layer grows. The gap between the substrate and the single crystal diamond seed substrate is filled. As a result, both substrates are firmly connected with diamond, and the surface can be mechanically polished. The vapor phase synthetic diamond layer is then polished and removed until the single crystal diamond seed substrate is exposed. The mechanically polished surface is composed of a single crystal diamond seed substrate portion and a surrounding vapor phase synthetic diamond portion, and the single crystal seed substrate portion can be used as a high-quality single crystal for semiconductors and optics.
本発明のダイヤモンド基板およびその製造方法では、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が凹部の深さよりも厚いことにより、機械的な研磨によって種基板表面までダイヤモンドを研磨しても、種基板は脱落することなく維持される。つまり、種基板上に気相合成で成長させるダイヤモンド層は単結晶であっても、多結晶であってもよく、種基板の面方位や気相合成ダイヤモンドの成長条件を自由に設定できる利点がある。気相合成ダイヤモンド形成時に、合成応力等の歪みのため、単結晶種基板や気相合成ダイヤモンド層に亀裂が生じたとしても、この亀裂・応力領域を研磨工程で除去して、歪みのない良質の単結晶種基板領域を利用できる。また、研磨後のダイヤモンド基板の表面は、実質的に平坦化且つ一体化されている。本発明において実質的に平坦化且つ一体化されているとは、後述するように、単結晶ダイヤモンド種基板の周囲に微小な溝を発生させたり、種基板の主面とシリコン基板上のダイヤモンド層の主面にわずかな段差が生じたりする場合も含んでいる。 In the diamond substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention, since the plate thickness of the single crystal diamond seed substrate is thicker than the depth of the recess, the seed substrate falls off even if the diamond is polished to the surface of the seed substrate by mechanical polishing. Maintained without. In other words, the diamond layer grown on the seed substrate by vapor phase synthesis may be single crystal or polycrystalline, and has the advantage that the plane orientation of the seed substrate and the growth conditions of the vapor phase synthetic diamond can be freely set. is there. Even when a single crystal seed substrate or a vapor-phase synthetic diamond layer cracks due to distortion such as synthetic stress during vapor-phase synthetic diamond formation, this crack / stress region is removed by a polishing process, and there is no distortion. The single crystal seed substrate region can be used. Further, the surface of the diamond substrate after polishing is substantially flattened and integrated. In the present invention, substantially flat and integrated means that, as will be described later, a minute groove is generated around the single crystal diamond seed substrate, or the main surface of the seed substrate and the diamond layer on the silicon substrate. This includes the case where a slight level difference occurs on the main surface.
本発明で用いるシリコン基板に形成する凹部の形状は、主面上部から見た時に円形、楕円形もしくは、二辺の延長線で挟まれた角の角度が６０度以上となる角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ該多角形の全ての角半径が５０μｍ以上であることが望ましい。すなわち、本発明では図１に示すような角を少し削り取った形状を多角形という。一方、シリコン基板に形成された凹部に載置する単結晶ダイヤモンド種基板は主面部上方から見たときに円形、楕円形もしくは、二辺とその挟まれた角度が６０度以上の角が少なくとも１つ存在する多角形で、且つ上記の全ての角半径が５０μｍ以上であることが望ましい。凹部形状と同様に、単結晶ダイヤモンド種基板についても、図１に示すような角を少し削り取った形状を本発明では多角形という。
これにより上記凹部に単結晶ダイヤモンド基板を埋め込んだ時の隙間が一様となり、気相合成時に気相合成ダイヤモンドが隙間を完全に覆い、単結晶ダイヤモンド基板との接合がより強固なものとなる。また、研磨時において角部分の脱落を防止することができる。
The concave portion formed in the silicon substrate used in the present invention has a circular shape, an elliptical shape, or at least one angle at which the angle between two extension lines when viewed from the upper part of the main surface is 60 degrees or more. It is desirable that the polygon is an existing polygon and all the corner radii of the polygon are 50 μm or more. That is, in the present invention, a shape obtained by slightly removing the corner as shown in FIG. 1 is called a polygon. On the other hand, the single crystal diamond seed substrate placed in the recess formed in the silicon substrate is circular, elliptical, or has an angle between two sides of 60 ° or more when viewed from above the main surface portion. It is desirable that there are two polygons and all the above-mentioned angular radii are 50 μm or more. Similarly to the concave shape, the shape of the single crystal diamond seed substrate with the corners slightly removed as shown in FIG. 1 is referred to as a polygon in the present invention.
As a result, the gap when the single crystal diamond substrate is embedded in the concave portion becomes uniform, and the gas phase synthetic diamond completely covers the gap during the vapor phase synthesis, and the bonding with the single crystal diamond substrate becomes stronger. Further, the corner portion can be prevented from falling off during polishing.
シリコン基板上への凹部形成方法としては、エンドミル加工やドリル加工などの機械加工、ウェットエッチング、又はドライエッチングが好ましい。機械加工やウェットエッチング加工では安価で短時間の加工が可能となり、また、ドライエッチングでは加工精度の高い凹部形成が可能となる。 As a method for forming a recess on a silicon substrate, machining such as end milling or drilling, wet etching, or dry etching is preferable. Machining and wet etching enable inexpensive and short-time processing, and dry etching enables formation of recesses with high processing accuracy.
用意する単結晶ダイヤモンド種基板のサイズは１ｍｍ２以上、厚さ１００μｍ以上が好ましい。単結晶ダイヤモンド種基板のサイズが上記サイズ以上でなければ取り扱いが困難となる。また、単結晶ダイヤモンド種基板を埋め込む、シリコン基板主面部の凹加工も困難となる。 The size of the single crystal diamond seed substrate to be prepared is preferably 1 mm 2 or more and a thickness of 100 μm or more. If the size of the single crystal diamond seed substrate is not larger than the above size, handling becomes difficult. In addition, it becomes difficult to perform the concave processing of the main surface portion of the silicon substrate in which the single crystal diamond seed substrate is embedded.
シリコン基板上に形成した凹部のサイズは、単結晶ダイヤモンド種基板サイズに対してその周囲の最大の隙間、すなわち隙間量が２００μｍ以下となるのが好ましい。より好ましくは２０μｍ以上１００μｍ以下である。これにより、最低限の気相合成ダイヤモンド層の形成によって、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板を接続することができる。 The size of the recess formed on the silicon substrate is preferably such that the maximum gap around the single crystal diamond seed substrate size, that is, the gap amount is 200 μm or less. More preferably, it is 20 μm or more and 100 μm or less. Thereby, the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate can be connected by forming the minimum vapor phase synthetic diamond layer.
第１の領域に単結晶ダイヤモンド種基板を配置した際、配置後の種基板表面と、凹部以外のシリコン基板表面である第２の領域表面との段差、すなわち段差量は２０μｍ以上３００μｍ以下となることが好ましく、より好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下である。上記段差を適度な高さにすることで、シリコン基板主面部から成長した気相合成ダイヤモンドと単結晶ダイヤモンド種基板の接合強度が上がり、研磨工程において容易に単結晶ダイヤモンド種基板を露出することができる。 When the single crystal diamond seed substrate is disposed in the first region, the step between the seed substrate surface after the disposition and the second region surface that is the silicon substrate surface other than the recess, that is, the step amount is 20 μm or more and 300 μm or less. It is preferably 30 μm or more and 100 μm or less. By making the level difference moderately high, the bonding strength between the vapor-phase synthetic diamond grown from the main surface of the silicon substrate and the single crystal diamond seed substrate is increased, and the single crystal diamond seed substrate can be easily exposed in the polishing process. it can.
さらには、前記段差量と隙間量の関係が、隙間量に対する段差量の比が０．３以上１２０以下となることが好ましい。後述する実施例で具体的に示すが、隙間量に対する段差量の比がこの範囲内になるようにシリコン基板及び単結晶ダイヤモンド種基板を用意すると、続く研磨工程中で、基板からの種基板の脱落がほとんど生じることがない。これによって、製造工程での歩留まりを大きく向上させることができる。 Furthermore, the relationship between the step amount and the gap amount is preferably such that the ratio of the step amount to the gap amount is 0.3 or more and 120 or less. As specifically shown in the examples described later, when the silicon substrate and the single crystal diamond seed substrate are prepared so that the ratio of the step amount to the gap amount is within this range, the seed substrate from the substrate is removed during the subsequent polishing process. There is almost no dropout. Thereby, the yield in the manufacturing process can be greatly improved.
本発明で用いる単結晶ダイヤモンド種基板は、主面の面方位を（１１１）とすることができる。面方位が（１１１）の単結晶ダイヤモンドには、リン及びホウ素のいずれもドーピング可能であることから、本発明のダイヤモンド基板を用いることで大型のｎ型、及びｐ型の単結晶デバイス作製が容易になる。また、（１１１）面は最も研磨しにくい面のため、通常の研磨後の（１１１）単結晶は厳密には（１１１）面を向いておらず、（１１１）面から数度ずれた方向を向く場合が多い。本発明の単結晶ダイヤモンド種基板では、その周囲を気相合成ダイヤモンドで固定してから研磨するため、通常の（１１１）単結晶単体よりもずれの少ない（１１１）面を取ることが可能となる。研磨後に得られる単結晶ダイヤモンド種基板の表面は（１１１）面からのずれが５度以内であれば、その後のリンドーピングダイヤモンドの形成に有効となる。本発明の方法によれば、ずれをこの範囲にまで小さくすることは十分に可能である。但し、本発明で用いる単結晶ダイヤモンド種基板は（１１１）に限定されることはなく、（１００）や（１１０）及びこれ以上の高指数面をもついずれの単結晶も利用できる。 In the single crystal diamond seed substrate used in the present invention, the plane orientation of the main surface can be (111). Since single crystal diamond with a plane orientation of (111) can be doped with both phosphorus and boron, large n-type and p-type single crystal devices can be easily fabricated using the diamond substrate of the present invention. become. Also, since the (111) plane is the most difficult to polish, the (111) single crystal after normal polishing does not strictly face the (111) plane, and has a direction shifted by several degrees from the (111) plane. Often facing. Since the single crystal diamond seed substrate of the present invention is polished after fixing its periphery with vapor-phase synthetic diamond, it is possible to obtain a (111) plane with less deviation than a normal (111) single crystal alone. . If the surface of the single crystal diamond seed substrate obtained after polishing is within 5 degrees from the (111) plane, it will be effective for the subsequent formation of phosphorus-doped diamond. According to the method of the present invention, it is possible to reduce the deviation to this range. However, the single crystal diamond seed substrate used in the present invention is not limited to (111), and any single crystal having a high index plane of (100) or (110) or higher can be used.
本発明で用いる単結晶ダイヤモンド種基板は、高温高圧合成法、気相合成法で得られる単結晶、及び天然産単結晶いずれもが利用できるが、好ましくは高温高圧合成法で得られるＩｂ型単結晶、より好ましくは、ＩＩａ型単結晶を用いる。種基板としてこれら結晶性のよい単結晶を利用することにより、半導体用のダイヤモンド基板としてその後のドーピング層形成などが有利になる。 As the single crystal diamond seed substrate used in the present invention, any one of a single crystal obtained by a high-temperature high-pressure synthesis method, a gas-phase synthesis method, and a natural single crystal can be used. Crystals, more preferably type IIa single crystals are used. By using these single crystals having good crystallinity as a seed substrate, the subsequent formation of a doping layer or the like becomes advantageous as a diamond substrate for a semiconductor.
本発明で用いるシリコン基板は、任意の面方位の単結晶、及び多結晶いずれも利用できるが、好ましくは主面の面方位が（１１１）の単結晶を使用する。単結晶ダイヤモンド種基板に（１１１）単結晶を用いた場合、シリコン基板と面方位が揃い、シリコン基板主面部から成長した気相合成ダイヤモンドと単結晶ダイヤモンド種基板との接合性が向上する。 As the silicon substrate used in the present invention, a single crystal having an arbitrary plane orientation and a polycrystal can be used, but a single crystal having a plane orientation of (111) on the main surface is preferably used. When the (111) single crystal is used for the single crystal diamond seed substrate, the plane orientation is aligned with the silicon substrate, and the bondability between the vapor phase synthetic diamond grown from the main surface portion of the silicon substrate and the single crystal diamond seed substrate is improved.
本発明で用いるシリコン基板は、直径２インチ以上で厚さは０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下のウェハ状が望ましい。これにより、大面積でウェハプロセスに投入可能なダイヤモンド基板を提供できる。 The silicon substrate used in the present invention is preferably a wafer having a diameter of 2 inches or more and a thickness of 0.3 mm or more and 5 mm or less. Thereby, the diamond substrate which can be input into a wafer process with a large area can be provided.
シリコン基板上及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成する気相合成ダイヤモンド層は多結晶ダイヤモンドがよく、より好ましくは（１１１）配向ダイヤモンドがよい。単結晶ダイヤモンド種基板として（１１１）単結晶を用いる場合、種基板上の気相合成ダイヤモンドは多結晶化することがある。この時、シリコン基板上に形成されたダイヤモンドが多結晶であれば、ダイヤモンド種基板と強固に結合される。また、種基板上の気相合成ダイヤモンドが（１１１）単結晶あるいは（１１１）配向ダイヤモンドである場合、周囲のシリコン基板上ダイヤモンドも同様に（１１１）配向ダイヤモンドであれば、両者は密着性よく結合される。さらに、次の研磨工程において、結晶面の相違による研磨速度のムラ（分布）を抑制することができ、全面平坦なダイヤモンド基板を得やすくなる。 The vapor phase synthetic diamond layer formed on the silicon substrate and the single crystal diamond seed substrate is preferably polycrystalline diamond, more preferably (111) oriented diamond. When a (111) single crystal is used as the single crystal diamond seed substrate, the vapor phase synthetic diamond on the seed substrate may be polycrystallized. At this time, if the diamond formed on the silicon substrate is polycrystalline, it is firmly bonded to the diamond seed substrate. In addition, when the gas phase synthetic diamond on the seed substrate is (111) single crystal or (111) oriented diamond, if the diamond on the surrounding silicon substrate is also (111) oriented diamond, both are bonded with good adhesion. Is done. Furthermore, in the next polishing step, unevenness (distribution) of the polishing rate due to the difference in crystal plane can be suppressed, and a flat diamond substrate can be easily obtained.
ここで述べた（１１１）配向とは、面に垂直な方向が＜１１１＞に揃った表面のことであり、面内回転方向の一致は問わない。配向性を調べる代表的な評価法としてＸ線回折法が利用できる。銅管球のＫα線を用いたθ／２θ法においてダイヤモンド基板表面を２θ＝４０〜１２０°に渡って評価した際、２θ＝４３．９°付近に現れる（１１１）回折ピーク比率が、参照となるダイヤモンド粉末の（１１１）回折ピーク比率より大きければ、（１１１）配向と判断される。また、θ／２θ法以外の方法を用いて判断してもよい。 The (111) orientation described here is a surface in which the directions perpendicular to the surface are aligned to <111>, and the in-plane rotation direction does not matter. X-ray diffraction can be used as a typical evaluation method for examining the orientation. When the diamond substrate surface was evaluated over 2θ = 40 to 120 ° in the θ / 2θ method using the Kα ray of a copper tube, the (111) diffraction peak ratio appearing near 2θ = 43.9 ° is If it is larger than the (111) diffraction peak ratio of the resulting diamond powder, it is determined to be (111) orientation. The determination may be made using a method other than the θ / 2θ method.
シリコン基板主面部上に形成した気相合成ダイヤモンド層の膜厚分布は３０％以下が好ましく、より好ましくは１０％以下である。これによりその後の研磨工程における研磨時間の短縮が見込まれる。 The film thickness distribution of the vapor phase synthetic diamond layer formed on the main surface portion of the silicon substrate is preferably 30% or less, more preferably 10% or less. Thereby, shortening of the polishing time in the subsequent polishing step is expected.
さらにダイヤモンド基板裏面のＳｉ基板部分と、シリコン基板凹部に含まれる単結晶ダイヤモンド種基板を研磨等の方法で機械的に除去することにより、自立型ダイヤモンド基板として使用できる。これにより、さらに薄いダイヤモンド基板となり、既存のウェハープロセスに適用しやすくなる。 Furthermore, it can be used as a self-supporting diamond substrate by mechanically removing the Si substrate portion on the back surface of the diamond substrate and the single crystal diamond seed substrate contained in the recess of the silicon substrate by a method such as polishing. As a result, a thinner diamond substrate can be obtained and can be easily applied to an existing wafer process.
研磨工程の後における、ダイヤモンド基板表面（ダイヤモンド面）及び裏面（シリコン面）の反りは±１０μｍ以内であることが望ましい。ここで言う反りとは、ダイヤモンド基板を平板上に固定配置した際の面内最高点と最低点の差で表され、＋方向は中心が凸方向（上に凸）と定義する。ダイヤモンド基板の反りを前記範囲内に収めることにより、その後の半導体ウェハプロセス等への利用が容易になる。 The warpage of the diamond substrate surface (diamond surface) and back surface (silicon surface) after the polishing step is preferably within ± 10 μm. The warp here is expressed by the difference between the highest point and the lowest point when the diamond substrate is fixedly arranged on a flat plate, and the + direction is defined as a convex direction (convex upward) at the center. By keeping the warpage of the diamond substrate within the above range, it can be easily used for subsequent semiconductor wafer processes.
研磨工程の後における、第２の領域上の気相合成ダイヤモンド層の厚さは１０μｍ以上あることが望ましい。また、気相合成ダイヤモンド層の厚さ分布は１０μｍ以下であることが望ましい。ダイヤモンド層の厚さが１０μｍ未満になれば、単結晶ダイヤモンド種基板との接合が弱くなり、その後のドーピングダイヤモンド層の形成（温度変化）時や、半導体ウェハプロセスで単結晶ダイヤモンド種基板が脱落する可能性が高まる。気相合成ダイヤモンド層の厚さ分布が１０μｍより大きくなれば、その後の半導体ウェハプロセスでの面内均一性が悪化する。 The thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer on the second region after the polishing step is desirably 10 μm or more. The thickness distribution of the vapor phase synthetic diamond layer is desirably 10 μm or less. If the thickness of the diamond layer is less than 10 μm, the bonding with the single crystal diamond seed substrate becomes weak, and the single crystal diamond seed substrate falls off during the subsequent formation of the doped diamond layer (temperature change) or in the semiconductor wafer process. The possibility increases. If the thickness distribution of the vapor phase synthetic diamond layer is larger than 10 μm, the in-plane uniformity in the subsequent semiconductor wafer process is deteriorated.
本発明のダイヤモンド基板およびその製造方法では、研磨工程の際、単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部に溝を発生させることがさらなる特徴である。通常、研磨後のダイヤモンド基板表面は、単結晶種基板と、周囲の気相合成ダイヤモンド層が一体化するため、領域の区別が困難である。この後、例えばフォトリソグラフィープロセスに投入する際、領域の区別が困難であれば、デバイスの作製領域を特定することが困難になる。これを解決するため、特定の研磨条件を用いれば、前記のように単結晶ダイヤモンド種基板表面の周囲全周又は一部に溝を発生させることができる。具体的には、後述する実施例で示すように、研磨の際の荷重を変化させ適当に選ぶことで、所望の大きさの溝が自然に形成される。但し、溝を発生させた場合でも、その深さは３μｍ以下、幅は２０μｍ以下であることが望ましい。この溝のサイズを前記範囲内に収めることによって、フォトレジストの塗布で生じる膜厚分布を防止することができる。この溝は、１本であっても、２本以上の多重であっても効果に相違はない。多重にあった場合でも、それぞれの深さ・幅は前記範囲内に入ることが望ましい。 In the diamond substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is further characterized in that grooves are generated in the entire circumference or part of the periphery of the surface of the single crystal diamond seed substrate during the polishing step. Usually, since the single crystal seed substrate and the surrounding vapor phase synthetic diamond layer are integrated on the surface of the diamond substrate after polishing, it is difficult to distinguish the regions. After that, for example, when the regions are difficult to distinguish when being put into a photolithography process, it is difficult to specify a device manufacturing region. In order to solve this, if specific polishing conditions are used, grooves can be generated around the entire periphery or part of the surface of the single crystal diamond seed substrate as described above. Specifically, as shown in the examples described later, a groove having a desired size is naturally formed by changing the load during polishing and selecting it appropriately. However, even when the groove is generated, the depth is preferably 3 μm or less and the width is preferably 20 μm or less. By keeping the size of the groove within the above range, it is possible to prevent the film thickness distribution caused by the application of the photoresist. There is no difference in effect even if the number of the grooves is one or two or more. Even when there are multiple, it is desirable that each depth / width falls within the above range.
研磨工程の後において表面に露出した単結晶ダイヤモンド種基板と、その周囲の気相合成ダイヤモンド層の段差は、１．２μｍ以下であることが望ましい。この段差範囲は、単結晶ダイヤモンド種基板が周囲より高くなっても、低くなっても同様である。これにより、フォトレジストの塗布で生じる膜厚分布を防止することができ、また、フォトリソグラフィープロセス時における露光プロセスを良好に行うことができる。 The step difference between the single crystal diamond seed substrate exposed on the surface after the polishing step and the surrounding vapor-phase synthetic diamond layer is desirably 1.2 μm or less. This step range is the same whether the single crystal diamond seed substrate is higher or lower than the surroundings. Thereby, the film thickness distribution caused by the application of the photoresist can be prevented, and the exposure process during the photolithography process can be favorably performed.
研磨によって単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは、ラマン分光によるダイヤモンドピークのシフト量、半値幅測定によって判断できる。ラマン励起光にＡｒレーザー（波長５１４．５ｎｍ）を使用した場合、研磨後の単結晶ダイヤモンド種基板表面のラマンシフトが１３３２±１ｃｍ−１、半値幅が２．５ｃｍ−１以下となることが好ましい。研磨工程の前後でラマンシフトと半値幅を比較することで、単結晶ダイヤモンド基板が露出したかどうかを簡単に識別できる。ただし、上記半値幅を適用する場合の装置波数分解能は１．９ｃｍ−１とする。 Whether or not the single crystal diamond seed substrate is exposed by polishing can be determined by measuring the shift amount of the diamond peak and the half-value width by Raman spectroscopy. When an Ar laser (wavelength 514.5 nm) is used as the Raman excitation light, it is preferable that the Raman shift of the polished single crystal diamond seed substrate surface is 1332 ± 1 cm −1 and the half width is 2.5 cm −1 or less. . By comparing the Raman shift and the full width at half maximum before and after the polishing process, it can be easily identified whether or not the single crystal diamond substrate is exposed. However, the apparatus wave number resolution when the half width is applied is 1.9 cm −1 .
研磨工程の後における単結晶ダイヤモンド種基板表面の表面粗さは、Ｒａが１０ｎｍ以下であることが望ましい。このＲａは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で容易に測定することができる。表面粗さを前記範囲内に収めることにより、その後の半導体ダイヤモンド合成や半導体ウェハプロセスを良好に行うことができる。 As for the surface roughness of the single crystal diamond seed substrate surface after the polishing step, Ra is desirably 10 nm or less. This Ra can be easily measured with an atomic force microscope (AFM). By keeping the surface roughness within the above range, subsequent semiconductor diamond synthesis and semiconductor wafer process can be performed satisfactorily.
本発明のダイヤモンド基板およびその製造方法によれば、ウェハプロセス等において取り扱いが容易となる大面積のダイヤモンド基板を製造し提供することができる。 According to the diamond substrate and the manufacturing method thereof of the present invention, a large-area diamond substrate that can be easily handled in a wafer process or the like can be manufactured and provided.
以下に、本発明を実施例に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
本実施例の製造工程は以下の４つからなる。
第一の工程はシリコン基板と単結晶ダイヤモンド種基板をそれぞれ準備し、シリコン基板主面には凹加工を施し、シリコン基板主面部の凹部に単結晶ダイヤモンド基板を載置する工程（以下、載置工程とする）。第二工程は気相合成法により単結晶シリコン基板主面部及び単結晶ダイヤモンド種基板主面部に気相合成ダイヤモンド層を形成して両者を接続する工程（以下、接続工程とする）。第三工程は単結晶ダイヤモンド種基板上及びシリコン基板主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層を機械的に研磨する工程（以下、研磨工程とする）。そして、完成した製品の評価を行う工程（以下、評価工程とする）である。
The manufacturing process of a present Example consists of the following four.
In the first step, a silicon substrate and a single crystal diamond seed substrate are prepared, a concave process is performed on the main surface of the silicon substrate, and a single crystal diamond substrate is placed in the concave portion of the main surface portion of the silicon substrate (hereinafter referred to as mounting). Process). The second step is a step of forming a vapor-phase synthetic diamond layer on the main surface portion of the single crystal silicon substrate and the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate by a vapor phase synthesis method and connecting them (hereinafter referred to as a connection step). The third step is a step of mechanically polishing the vapor-phase synthetic diamond layer grown on the single crystal diamond seed substrate and the silicon substrate main surface (hereinafter referred to as a polishing step). And it is the process (henceforth an evaluation process) which evaluates the completed product.
＜載置工程＞
載置工程を模式的に図１に示す。用意した単結晶ダイヤモンド種基板１は、高温高圧合成法で得られたＩｂ型単結晶ダイヤモンドで、主面の面方位は（１００）、サイズは縦２ｍｍ、横２ｍｍ、厚さ３００μｍの角型であり、主面方向から見た４角の角半径５は５０μｍとした（図１（ｂ））。シリコン基板２は多結晶体であり、サイズは直径２インチで厚さは１ｍｍとした。シリコン基板主面部にはエンドミル加工で凹部となる第１の領域３が形成され、そのサイズは縦２．１ｍｍ、横２．１ｍｍ、凹部深さ７は２５０μｍとし、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部の隙間４を５０μｍ取って単結晶ダイヤモンド基板を載置した（図１（ａ）（ｂ））。単結晶ダイヤモンド種基板載置後の単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板主面部の段差６は５０μｍとした（図１（ｃ））。
<Installation process>
The placement process is schematically shown in FIG. The prepared single-crystal
＜接続工程＞
ここでは気相合成法を用いて、単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には、公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比（メタン流量／水素流量）３％、シリコン基板の温度が１０００℃、圧力が１．２×１０４Ｐａとして、３０時間合成した。
<Connection process>
Here, a diamond layer was formed on the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the main surface portion of the silicon substrate using a vapor phase synthesis method, and the two were connected. A known microwave plasma CVD method was used to form the vapor-phase synthetic diamond. The diamond synthesis conditions were as follows: methane flow rate ratio (methane flow rate / hydrogen flow rate) 3%, silicon substrate temperature 1000 ° C., pressure 1.2 × 10 4 Pa, and synthesized for 30 hours.
気相合成ダイヤモンド層形成後の基板の断面を模式的に図２に示す。シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層８及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層９は、いずれも多結晶体であった。シリコン基板の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層の厚さは６０±８μｍ、単結晶ダイヤモンド種基板の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層の厚さは８０μｍであった。
FIG. 2 schematically shows a cross section of the substrate after the formation of the gas phase synthetic diamond layer. The vapor phase
＜研磨工程＞
単結晶ダイヤモンド種基板上及びシリコン基板主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層を、自公転・乾式の研磨装置を用いて機械的に研磨した。研磨荷重は５ｋｇとした。４０時間の研磨後、単結晶ダイヤモンド種基板を露出させることができ、表面全面が鏡面に研磨された。研磨後のダイヤモンド基板の板厚は１．０３９〜１．０４９ｍｍ（すなわち気相合成ダイヤモンド層の厚さは３９〜４９μｍ）であった。この時の基板反り量は、表面（ダイヤモンド面）が凸（＋）１０μｍ、裏面（シリコン面）が凹（−）１０μｍであった。研磨後の基板の断面を模式的に図３に示す。図３において、単結晶ダイヤモンド種基板１がシリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層８を介してシリコン基板に接合されていることが分かる。
<Polishing process>
The vapor phase synthetic diamond layer grown on the single crystal diamond seed substrate and the main surface of the silicon substrate was mechanically polished using a self-revolving and dry polishing apparatus. The polishing load was 5 kg. After 40 hours of polishing, the single crystal diamond seed substrate could be exposed and the entire surface was polished to a mirror surface. The plate thickness of the diamond substrate after polishing was 1.039 to 1.049 mm (that is, the thickness of the gas phase synthetic diamond layer was 39 to 49 μm). The amount of warpage of the substrate at this time was 10 μm on the front surface (diamond surface) and 10 μm on the back surface (silicon surface). A cross section of the substrate after polishing is schematically shown in FIG. In FIG. 3, it can be seen that the single crystal
＜評価工程＞
まず、単結晶ダイヤモンド種基板表面と、その周囲の研磨済み気相合成ダイヤモンド層の接続部を、光学顕微鏡で観察した。その結果、図３中表面接合領域１０を図４に模式的に示すように、種基板表面周囲の一部に、２重にわたる単結晶ダイヤモンド種基板周辺の接合領域に生じた溝１１が観察された（図４（ａ））。図４（ｂ）に基板の断面の様子を示すように、この溝のサイズを原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したところ、内側の溝深さは３５４ｎｍ、幅は１１μｍで、外側の溝深さ１３は２．８μｍ、溝幅１２は１９μｍであった。単結晶ダイヤモンド種基板と気相合成ダイヤモンド層の段差１４は０．６μｍであった。また、単結晶ダイヤモンド種基板の表面粗さはＲａで２ｎｍであった。
<Evaluation process>
First, the connection part of the single crystal diamond seed substrate surface and the surrounding vapor-phase synthetic diamond layer was observed with an optical microscope. As a result, as schematically shown in FIG. 4 as the
研磨によって単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかの判定は、ラマン分光測定によって行った。ラマン分光装置は、励起光にＡｒレーザー（波長５１４．５ｎｍ）を使用し、あらかじめ気相合成ダイヤモンド形成前の単結晶ダイヤモンド種基板のラマンシフトが１３３２ｃｍ−１、半値幅が２．２ｃｍ−１であることを確認した。次に、＜接続工程＞における単結晶ダイヤモンド種基板上に成長した気相合成ダイヤモンド層のラマンシフトを計測したところ、シフト波数１３３３．１ｃｍ−１、半値幅が３．８ｃｍ−１となることから、気相合成ダイヤモンド層多結晶化に伴う結晶完全性の悪化が認められた。さらに、＜研磨工程＞終了後の単結晶ダイヤモンド種基板表面のラマンシフトを同様に計測し、シフト波数１３３２ｃｍ−１、半値幅が２．２ｃｍ−１となることから、気相合成ダイヤモンド層は研磨除去され、種基板表面が露出されていると判断できた。 Whether or not the single crystal diamond seed substrate was exposed by polishing was determined by Raman spectroscopic measurement. The Raman spectroscopic apparatus uses an Ar laser (wavelength 514.5 nm) as excitation light, and has a Raman shift of 1332 cm −1 and a half-value width of 2.2 cm −1 in advance for a single crystal diamond seed substrate before formation of vapor-phase synthetic diamond. I confirmed that there was. Then, was measured Raman shift of CVD diamond layer grown on the single crystal diamond seed substrate in <connecting step> Since the shift wavenumber 1333.1Cm -1, the half width is 3.8 cm -1 Deterioration of crystal perfection due to polycrystallization of the gas phase synthetic diamond layer was observed. Further, the Raman shift of the surface of the single crystal diamond seed substrate after the <polishing step> is measured in the same manner, and the shift wave number is 1332 cm −1 and the half-value width is 2.2 cm −1. It was judged that it was removed and the seed substrate surface was exposed.
こうして得られたダイヤモンド基板に対し、半導体ウェハプロセスの一例としてフォトリソグラフィープロセスのテストを行った。基板表面にジアゾナフトキノン系感光剤とノボラック樹脂とを混合したポジ型フォトレジストをスピンコートした。この結果、単結晶ダイヤモンド種基板上のレジストの膜厚分布は０．９％であった。このダイヤモンド基板を用いて露光試験を行い、露光位置合わせが容易にでき、且つ露光位置がプロセス中にずれないことがわかった。レジスト塗布の比較例として、本実施例で用いた単結晶ダイヤモンド種基板単体をそのままスピナー治具に貼り付け、実施例と同じ塗布条件を用いてレジストをスピンコートした。この結果、単結晶ダイヤモンド種基板上のレジストの膜厚分布は２１％となり、実施例で得られたダイヤモンド基板の優位性が示された。 The diamond substrate thus obtained was subjected to a photolithography process test as an example of a semiconductor wafer process. A positive photoresist mixed with a diazonaphthoquinone photosensitizer and a novolak resin was spin-coated on the substrate surface. As a result, the resist film thickness distribution on the single crystal diamond seed substrate was 0.9%. An exposure test was performed using this diamond substrate, and it was found that the exposure position could be easily aligned and that the exposure position did not shift during the process. As a comparative example of resist coating, the single crystal diamond seed substrate used in this example was directly applied to a spinner jig, and a resist was spin-coated using the same coating conditions as in the example. As a result, the film thickness distribution of the resist on the single crystal diamond seed substrate was 21%, indicating the superiority of the diamond substrate obtained in the examples.
［比較例１］
ここで比較例１として、シリコン基板に凹部を形成しないで作製した例について述べる。ここでは、実施例１と同じ仕様の単結晶ダイヤモンド種基板、シリコン基板を用意したが、＜載置工程＞において、図５に示すように、シリコン基板２には凹部を形成せず、そのまま平面の表面上に単結晶ダイヤモンド種基板１を載置した。＜接続工程＞は実施例と同じとし、＜研磨工程＞を行ったところ、研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板が脱落した。このことから、シリコン基板に凹部を形成することの優位性が明らかになった。
[Comparative Example 1]
Here, as Comparative Example 1, an example in which a recess is not formed in a silicon substrate will be described. Here, a single crystal diamond seed substrate and a silicon substrate having the same specifications as those in Example 1 were prepared. However, in the <placement step>, as shown in FIG. A single crystal
［比較例２］
さらに比較例２として、図６に示すように、シリコン基板凹部の深さと、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が一致した例について述べる。ここでは、実施例と同じ仕様の単結晶ダイヤモンド種基板、シリコン基板を用意したが、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚が２５０μｍである点のみが異なる。＜接続工程＞は実施例と同じとし、＜研磨工程＞を行ったところ、単結晶ダイヤモンド種基板上の気相合成ダイヤモンド層の厚さが１０μｍより薄くなった時点で、単結晶ダイヤモンド種基板が脱落し、種基板表面を露出されることはできなかった。このことから、単結晶ダイヤモンド種基板の板厚はシリコン基板に形成した凹部の深さよりも厚い必要があり、また、シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さは１０μｍ以上ある必要があることがわかった。
[Comparative Example 2]
Further, as Comparative Example 2, as shown in FIG. 6, an example in which the depth of the concave portion of the silicon substrate and the thickness of the single crystal diamond seed substrate are described will be described. Here, a single crystal diamond seed substrate and a silicon substrate having the same specifications as those of the embodiment were prepared, but the only difference was that the thickness of the single crystal diamond seed substrate was 250 μm. <Connecting step> is the same as in Example, and <Polishing step> is performed. When the thickness of the vapor-phase synthetic diamond layer on the single crystal diamond seed substrate becomes thinner than 10 μm, the single crystal diamond seed substrate is It fell off and the seed substrate surface could not be exposed. From this, it was found that the thickness of the single crystal diamond seed substrate needs to be thicker than the depth of the recess formed in the silicon substrate, and the thickness of the diamond layer on the silicon substrate needs to be 10 μm or more. .
本実施例の製造工程は実施例１と同じ４つから成る。
＜載置工程＞
載置工程の模式図が図７である。用意した単結晶ダイヤモンド種基板１は３枚あり、いずれも高温高圧合成法で得られたＩＩａ型単結晶ダイヤモンドで、主面の面方位は（１１１）、サイズは直径２ｍｍ、厚さ１００μｍの円板状である。シリコン基板２は主面が（１１１）の単結晶基板であり、サイズは直径２インチで厚さは０．３ｍｍとした。シリコン基板主面部には、図７（ａ）に示すように、マスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で凹部となる第１の領域３を３ヶ所形成した。その形状は直径２．０５ｍｍ、深さ７０μｍの円筒状とし、単結晶ダイヤモンド種基板に対して側面の隙間を２５μｍ取った。図７（ｂ）に示すように、単結晶ダイヤモンド種基板載置後のシリコン基板主面部と単結晶ダイヤモンド種基板主面部との段差は３０μｍとした。
The manufacturing process of the present embodiment consists of the same four steps as in the first embodiment.
<Installation process>
A schematic diagram of the mounting process is shown in FIG. There are three single crystal
＜接続工程＞
ここでは気相合成法を用いて、単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部に気相合成ダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には、公知の熱フィラメントＣＶＤ法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比（メタン流量／水素流量）０．５％、シリコン基板の温度が１０５０℃、圧力が１．３×１０４Ｐａとして、３０時間合成した。
<Connection process>
Here, a vapor phase synthesis diamond layer was formed on the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the main surface portion of the silicon substrate by using a vapor phase synthesis method, and both were connected. A known hot filament CVD method was used to form the vapor-phase synthetic diamond. Diamond synthesis conditions were as follows: methane flow rate ratio (methane flow rate / hydrogen flow rate) of 0.5%, silicon substrate temperature of 1050 ° C., and pressure of 1.3 × 10 4 Pa were synthesized for 30 hours.
気相合成ダイヤモンド層形成後の模式図が図８である。シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層８及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層９は、（１１１）配向ダイヤモンドであった。シリコン基板の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層の厚さは５０±２．５μｍ、単結晶ダイヤモンド種基板の主面部より成長した気相合成ダイヤモンド層の厚さは６０μｍであった。
FIG. 8 is a schematic diagram after the formation of the gas phase synthetic diamond layer. The vapor phase
気相合成ダイヤモンド層の配向性は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて表面形状を観察し、表面部分が三角形の（１１１）ファセットから形成されていることで確認した。銅管球のＸ線回折装置を用いて、θ／２θ法で回折角の計測を行った。回折角２θが（１１１）回折ピークである約４４度において、ランダム方位のダイヤモンド粉末に比べて約１．４倍の回折強度比率であったことから（１１１）配向ダイヤモンドであることを確認した。 The orientation of the gas phase synthetic diamond layer was confirmed by observing the surface shape using a scanning electron microscope (SEM) and forming the surface portion from triangular (111) facets. Using a copper tube X-ray diffractometer, the diffraction angle was measured by the θ / 2θ method. At a diffraction angle 2θ of about 44 degrees, which is a (111) diffraction peak, the diffraction intensity ratio was about 1.4 times that of diamond powder with a random orientation, confirming that it was a (111) oriented diamond.
さらに、光学顕微鏡にて、単結晶ダイヤモンド種基板上の成長表面から深さ方向に焦点を送りながら、結晶内部の様子を観察した。この結果、図８に示すように、単結晶ダイヤモンド種基板とこの上に成長した気相合成ダイヤモンド層の界面近傍に、単結晶ダイヤモンド種基板及び気相合成ダイヤモンド層に生じた亀裂領域１５の存在が認められた（図８）。
Further, the state inside the crystal was observed with an optical microscope while focusing in the depth direction from the growth surface on the single crystal diamond seed substrate. As a result, as shown in FIG. 8, there is a
＜研磨工程＞
実施例１の＜研磨工程＞と同様の条件で研磨したが、単結晶ダイヤモンド種基板が露出するまでの研磨時間は３５時間であった。研磨後のダイヤモンド基板の板厚は０．３１ｍｍであった。この時の基板反り量は、表面（ダイヤモンド面）が−１０μｍ、裏面（シリコン面）が＋１０μｍであった。また、接続工程で認められた、単結晶ダイヤモンド種基板とこの上に成長した気相合成ダイヤモンド層の界面近傍に存在した亀裂は完全に消失し、研磨で除去されていることがわかった。これにより、単結晶ダイヤモンド種基板の主面が（１１１）で、周囲を（１１１）配向ダイヤモンドで囲われたダイヤモンド基板が得られた。
<Polishing process>
Polishing was performed under the same conditions as in the <Polishing step> of Example 1, but the polishing time until the single crystal diamond seed substrate was exposed was 35 hours. The plate thickness of the diamond substrate after polishing was 0.31 mm. The amount of warpage of the substrate at this time was −10 μm on the front surface (diamond surface) and +10 μm on the back surface (silicon surface). In addition, it was found that the cracks present in the vicinity of the interface between the single crystal diamond seed substrate and the vapor-phase synthetic diamond layer grown thereon, disappeared completely and were removed by polishing. As a result, a diamond substrate in which the main surface of the single crystal diamond seed substrate was (111) and the periphery was surrounded by (111) oriented diamond was obtained.
＜評価工程＞
ここでは、単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板主面部より成長した（１１１）配向ダイヤモンドの接合強度を評価した。評価方法は面方位（１１１）の単結晶ダイヤモンド種基板に付着棒を接着剤によって固定し、付着棒を上方に向かって垂直に引張り、単結晶ダイヤモンド種基板がはがれるときの付着力（結合力）を測定した。測定の結果、付着力は５．６ｋｇｆと判定された。
<Evaluation process>
Here, the bonding strength of (111) oriented diamond grown from the single crystal diamond seed substrate and the main surface portion of the silicon substrate was evaluated. The evaluation method is as follows. Adhesion force (bonding force) when the single crystal diamond seed substrate is peeled off by fixing the adhesion rod to the single crystal diamond seed substrate with the plane orientation (111) with an adhesive and pulling the adhesion bar vertically upward. Was measured. As a result of the measurement, the adhesive force was determined to be 5.6 kgf.
ここで比較のため、単結晶ダイヤモンド種基板の周囲が多結晶ダイヤモンドによって覆われている試料を作製した。単結晶ダイヤモンド種基板、シリコン基板等の形状条件は前記と同じとし、ダイヤモンド形成条件のみが実施例１の＜接続工程＞の接合条件を適用した。この時、単結晶ダイヤモンド種基板の周囲は（１１１）配向膜ではなく、多結晶ダイヤモンドによって覆われていることを確認した。さらに前記と同じ＜研磨工程＞を適用して得られたダイヤモンド基板について、付着力測定を行った。測定の結果、付着力は３．８ｋｇｆで、（１１１）配向ダイヤモンドによって周囲を覆われているときの値より低下した。このことから、（１１１）配向ダイヤモンドの方が単結晶ダイヤモンド種基板との結合力が勝ることがわかった。 For comparison, a sample in which the periphery of a single crystal diamond seed substrate was covered with polycrystalline diamond was prepared. The shape conditions of the single crystal diamond seed substrate, the silicon substrate, and the like were the same as described above, and only the diamond formation conditions were the bonding conditions of the <connection process> in Example 1. At this time, it was confirmed that the periphery of the single crystal diamond seed substrate was covered with polycrystalline diamond instead of the (111) oriented film. Furthermore, the adhesion force measurement was performed on the diamond substrate obtained by applying the same <polishing step> as described above. As a result of the measurement, the adhesive force was 3.8 kgf, which was lower than the value when the periphery was covered with (111) oriented diamond. From this, it was found that (111) -oriented diamond has better bonding strength with the single crystal diamond seed substrate.
表面に露出した単結晶ダイヤモンド種基板の、正確な面方位を特定するため、ωスキャン法とＸ線全反射法を組み合わせて、基板面方位を測定した。この結果、単結晶ダイヤモンド種基板表面は（１１１）面から０．５度ずれた方向を向いていることがわかった。 In order to specify the exact plane orientation of the single crystal diamond seed substrate exposed on the surface, the substrate plane orientation was measured by combining the ω scan method and the X-ray total reflection method. As a result, it was found that the surface of the single crystal diamond seed substrate faced a direction shifted by 0.5 degrees from the (111) plane.
次に全工程が終了したダイヤモンド基板に対してホスフィンを不純物として添加した気相合成ダイヤモンド膜を成膜した。使用したガスは水素、メタン及びホスフィンで、それぞれの流量比は１００万対１０００対５とした。成膜時のダイヤモンド基板の温度は９００℃で、６０時間成膜したところ、単結晶ダイヤモンド種基板上に単結晶ダイヤモンドが成長し、その膜厚は３０μｍであった。 Next, a gas phase synthetic diamond film in which phosphine was added as an impurity was formed on the diamond substrate after all the steps were completed. The gases used were hydrogen, methane, and phosphine, and the flow ratios were 1 million to 1000 to 5, respectively. The temperature of the diamond substrate at the time of film formation was 900 ° C., and when the film was formed for 60 hours, single crystal diamond grew on the single crystal diamond seed substrate, and the film thickness was 30 μm.
その後単結晶ダイヤモンド種基板主面部に成長したダイヤモンド膜について、４端子法によって常温の抵抗率を測定したところ、２．０×１０３Ω・ｃｍとなった。また、ホール測定では単結晶ダイヤモンド層はｎ型半導体であると判定することができた。さらに２次イオン質量分析によって３×１０１９／ｃｍ３のリンがダイヤモンド中に存在することが認められたことから、単結晶ダイヤモンド種基板上に成長したダイヤモンドはリンドープの半導体であることが確認できた。 Thereafter, the resistivity at room temperature of the diamond film grown on the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate was measured by a four-terminal method to be 2.0 × 10 3 Ω · cm. In the hole measurement, the single crystal diamond layer was determined to be an n-type semiconductor. Further, secondary ion mass spectrometry confirmed that 3 × 10 19 / cm 3 of phosphorus was present in the diamond, confirming that the diamond grown on the single crystal diamond seed substrate was a phosphorus-doped semiconductor. It was.
ここで比較のため、主面面方位が（１００）の高温高圧合成ＩＩａ型単結晶ダイヤモンド基板に対して、上記と同条件でリンドープ単結晶ダイヤモンドの成長を行った。成膜後の表面について、４端子法で常温の抵抗率を測定したところ、１．０×１０７Ω・ｃｍとなり絶縁性を示した。これらの結果から、本発明のダイヤモンド基板は、半導体デバイスとして好適に使用できることがわかった。 For comparison, phosphorus-doped single crystal diamond was grown under the same conditions as described above on a high-temperature and high-pressure synthetic IIa type single crystal diamond substrate having a main surface orientation of (100). About the surface after film-forming, when the resistivity at normal temperature was measured by the 4-terminal method, it became 1.0 * 10 < 7 > ohm * cm and showed insulation. From these results, it was found that the diamond substrate of the present invention can be suitably used as a semiconductor device.
本実施例では＜接続工程＞における気相合成ダイヤモンドの形成条件を変更して、接続さらに研磨後のダイヤモンド基板の反り量が変化した例を述べる。 In the present embodiment, an example will be described in which the formation conditions of the gas phase synthetic diamond in the <connection step> are changed to change the warpage amount of the diamond substrate after connection and polishing.
＜載置工程＞
実施例２の＜載置工程＞と同様の試料を７組用意した。
<Installation process>
Seven sets of samples similar to the <placement step> in Example 2 were prepared.
＜接続工程＞
気相合成ダイヤモンドの形成条件は、シリコン基板の温度以外は実施例２の＜接続工程＞と同じとした。基板温度を８００から１１００℃の範囲で変化させて、試料毎に形成後表面（ダイヤモンド面）の反りを−２０〜＋８０μｍ、裏面（シリコン面）の反りを−２０〜＋２０μｍに設定した。この時、シリコン基板上のダイヤモンド層の厚さ分布は、それぞれ５〜９０μｍの範囲内にあった。
<Connection process>
The formation conditions of the vapor-phase synthetic diamond were the same as those in <Connection step> of Example 2 except for the temperature of the silicon substrate. The substrate temperature was changed in the range of 800 to 1100 ° C., and the warpage of the surface (diamond surface) after formation was set to −20 to +80 μm and the warpage of the back surface (silicon surface) was set to −20 to +20 μm for each sample. At this time, the thickness distribution of the diamond layer on the silicon substrate was in the range of 5 to 90 μm.
＜研磨工程・評価工程＞
実施例１の＜研磨工程＞と同様行い、研磨後の両面の反りを測定した。さらに、実施例１の＜評価工程＞で述べたフォトレジスト塗布を行い、ステッパー及びアライナーを用いてパターン形成テストを行った。結果を下記表１に示す。
<Polishing process / evaluation process>
It carried out similarly to the <polishing process> of Example 1, and measured the curvature of both surfaces after grinding | polishing. Furthermore, the photoresist coating described in <Evaluation step> of Example 1 was performed, and a pattern formation test was performed using a stepper and an aligner. The results are shown in Table 1 below.
表１の結果から、反りが±１０μｍ以内であれば、ステッパーとアライナーの両方に適用できるダイヤモンド基板となることがわかった。 From the results in Table 1, it was found that if the warpage is within ± 10 μm, the diamond substrate can be applied to both the stepper and the aligner.
本実施例では、＜研磨工程＞における研磨条件を変更させて、図４に示したような、研磨後表面の単結晶ダイヤモンド種基板周辺の接合領域に生じた溝１１の溝幅１２、及び単結晶ダイヤモンド種基板及び気相合成ダイヤモンド層の段差１４を変化させた時の例について述べる。
In this embodiment, the polishing conditions in the <polishing step> are changed, and the
＜載置工程＞
実施例２の＜載置工程＞と同様の試料を５組用意した。
＜接続工程＞
実施例２の＜接続工程＞と同様とした。
＜研磨工程＞
実施例１の＜研磨工程＞と同様に行い、研磨荷重を試料毎に１〜９ｋｇの範囲で変化させた。単結晶ダイヤモンド種基板が表面に露出した時に研磨を終了した。
＜評価工程＞
研磨終了時に種基板外周に生じた溝の最大幅、深さ、段差を計測し、その後実施例１と同様の方法でレジスト塗布を行い、レジストの膜厚分布を測定した。結果は以下の表２に示す。
<Installation process>
Five sets of samples similar to the <placement step> in Example 2 were prepared.
<Connection process>
It was the same as the <connection process> in Example 2.
<Polishing process>
It carried out similarly to the <polishing process> of Example 1, and changed the grinding | polishing load in the range of 1-9 kg for every sample. The polishing was finished when the single crystal diamond seed substrate was exposed on the surface.
<Evaluation process>
At the end of polishing, the maximum width, depth, and level difference of the grooves formed on the outer periphery of the seed substrate were measured, and then resist coating was performed in the same manner as in Example 1 to measure the resist thickness distribution. The results are shown in Table 2 below.
研磨終了時に種基板外周に生じる溝の最大の深さ、幅、段差が、それぞれ３μｍ以下、２０μｍ以下、１．２μｍ以下となるときに、レジスト膜厚分布を１％以下に抑えられることがわかった。 It can be seen that the resist film thickness distribution can be suppressed to 1% or less when the maximum depth, width, and level difference of the grooves generated on the outer periphery of the seed substrate are 3 μm or less, 20 μm or less, and 1.2 μm or less, respectively. It was.
実施例では＜載置工程＞において段差量を変化させたときの例を述べる。 In the embodiment, an example in which the step amount is changed in the <placement step> will be described.
＜載置工程＞
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたＩｂ型単結晶ダイヤモンドである。サイズは直径２ｍｍ、厚さは２６０μｍから４５０μｍまで１０μｍ毎に厚さの異なるものを準備した。
シリコン基板は主面が（１１１）の単結晶基板であり、サイズは直径２インチで厚さは０．３ｍｍとした。シリコン基板主面部の中心に１箇所凹部をマスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で形成した。その形状は直径２．１ｍｍ、深さ２５０μｍの円筒状とし、シリコン基板凹部に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した際の隙間量を５０μｍにした。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量を１０μｍから４００μｍまで１０μｍ毎に変化させた試料を準備した。段差量毎に試料を１００組、合計４０００組用意した。
<Installation process>
The prepared single crystal diamond seed substrate has a disc shape, and is an Ib type single crystal diamond obtained by a high-temperature high-pressure synthesis method. Sizes having a diameter of 2 mm and thicknesses of 260 μm to 450 μm were prepared with different thicknesses every 10 μm.
The silicon substrate is a single crystal substrate having a main surface of (111), the size is 2 inches in diameter, and the thickness is 0.3 mm. A concave portion was formed in the center of the main surface portion of the silicon substrate by a dry etching method using a mask and high-frequency plasma. The shape was a cylindrical shape with a diameter of 2.1 mm and a depth of 250 μm, and the gap amount when the single crystal diamond seed substrate was placed in the concave portion of the silicon substrate was 50 μm.
Samples were prepared in which the step amount of the single crystal diamond seed substrate was changed from 10 μm to 400 μm every 10 μm. 100 sets of samples were prepared for each step amount, for a total of 4000 sets.
＜接続工程＞
気相合成法を用いて単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比（メタン流量／水素流量）３％、シリコン基板の温度が１０００℃、圧力が１．２×１０４Ｐａとして、膜厚が段差量と同じ厚さになるまで合成した。
シリコン基板うに形成された気相合成ダイヤモンド層及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層はいずれも多結晶体であった。
<Connection process>
A diamond layer was formed on the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the main surface portion of the silicon substrate using the vapor phase synthesis method, and the two were connected. A known microwave plasma CVD method was used to form the vapor-phase synthetic diamond. Diamond synthesis conditions were methane flow rate ratio (methane flow rate / hydrogen flow rate) 3%, silicon substrate temperature 1000 ° C., pressure 1.2 × 10 4 Pa, and synthesized until the film thickness was the same as the step amount. .
Both the vapor phase synthetic diamond layer formed on the silicon substrate and the vapor phase synthetic diamond layer formed on the single crystal diamond seed substrate were polycrystalline.
＜研磨工程＞
単結晶ダイヤモンド種基板上及びシリコン基板主面上に成長した気相合成ダイヤモンド層を、自公転・乾式の研磨装置を用いて機械的に研磨した。研磨荷重は４ｋｇとした。単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは、実施例１の＜評価工程＞と同様にラマン分光測定によって判断した。
<Polishing process>
The vapor phase synthetic diamond layer grown on the single crystal diamond seed substrate and the main surface of the silicon substrate was mechanically polished using a self-revolving and dry polishing apparatus. The polishing load was 4 kg. Polishing was terminated when the single crystal diamond seed substrate was exposed. Whether or not the single crystal diamond seed substrate was exposed was determined by Raman spectroscopic measurement in the same manner as in <Evaluation Step> of Example 1.
図９のグラフに単結晶ダイヤモンド種基板の段差量を変化させたときの、単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率を示した。脱落率は各段差量に対して１０枚の試料を研磨したときに、単結晶ダイヤモンド種基板が１０枚中何枚外れたかどうかの割合で示した。図９から分かるように、単結晶ダイヤモンド種基板の段差量が３０μｍ〜１００μｍのときは研磨工程において単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が全く起きなかったが、上記範囲から大きく外れていくと単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が徐々に増加する傾向にある。
段差量を変化させたことにより、研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が発生し、脱落が段差量に依存していることがわかった。これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
The graph of FIG. 9 shows the drop-off rate of the single crystal diamond seed substrate when the level difference of the single crystal diamond seed substrate is changed. The drop-off rate was expressed as a ratio of how many out of 10 single crystal diamond seed substrates were removed when 10 samples were polished for each level difference. As can be seen from FIG. 9, when the step amount of the single crystal diamond seed substrate was 30 μm to 100 μm, the single crystal diamond seed substrate did not fall off at all in the polishing process. There is a tendency for the dropout of the seed substrate to gradually increase.
It was found that by changing the step amount, the single crystal diamond seed substrate dropped out during polishing, and the drop-out depended on the step amount. This prevented the single crystal diamond seed substrate from falling off and improved the yield of diamond substrate manufacturing.
本実施例は＜載置工程＞において隙間量を最適化することで単結晶ダイヤモンド種基板が＜研磨工程＞において脱落を防止することができることを述べる。 This example describes that the single crystal diamond seed substrate can be prevented from falling off in the <polishing step> by optimizing the gap amount in the <mounting step>.
＜載置工程＞
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたＩｂ型単結晶ダイヤモンドである。サイズは直径２．０ｍｍ、厚さは３３０μｍとした。
シリコン基板は主面が（１１１）の単結晶基板であり、サイズは直径２インチで厚さは０．３ｍｍとした。シリコン基板主面部の中心に１箇所凹部をマスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で形成した。その形状は直径２．０ｍｍから２．３ｍｍまでの１０μｍ毎に直径の異なるシリコン基板を準備した。シリコン基板凹部の深さは２５０μｍの円筒状とし、シリコン基板凹部に単結晶ダイヤモンド種基板を載置した。
隙間量を０μｍから３００μｍまで１０μ毎に変化させた試料を準備し、各隙間量毎に試料を１００組、合計３１００組用意した。このときの単結晶ダイヤモンド種基板の段差量は８０μｍとした。
<Installation process>
The prepared single crystal diamond seed substrate has a disc shape, and is an Ib type single crystal diamond obtained by a high-temperature high-pressure synthesis method. The size was 2.0 mm in diameter and the thickness was 330 μm.
The silicon substrate is a single crystal substrate having a main surface of (111), the size is 2 inches in diameter, and the thickness is 0.3 mm. A concave portion was formed in the center of the main surface portion of the silicon substrate by a dry etching method using a mask and high-frequency plasma. The silicon substrates having different diameters were prepared every 10 μm from 2.0 mm to 2.3 mm in diameter. The depth of the concave portion of the silicon substrate was 250 μm in a cylindrical shape, and a single crystal diamond seed substrate was placed in the concave portion of the silicon substrate.
Samples were prepared in which the gap amount was changed every 10 μm from 0 μm to 300 μm, and 100 sets of samples were prepared for each gap amount, for a total of 3100 sets. The step amount of the single crystal diamond seed substrate at this time was 80 μm.
＜接続工程＞
気相合成法を用いて単結晶ダイヤモンド種基板主面部及びシリコン基板主面部にダイヤモンド層を形成して両者を接続した。気相合成ダイヤモンドの形成には公知のマイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いた。ダイヤモンド合成条件はメタン流量比（メタン流量／水素流量）３％、シリコン基板の温度が１０００℃、圧力が１．２×１０４Ｐａとして、膜厚が段差量８０μｍと同じ厚さになるまで合成した。合成時間は約２７時間であった。シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層及び単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層はいずれも多結晶体であった。
<Connection process>
A diamond layer was formed on the main surface portion of the single crystal diamond seed substrate and the main surface portion of the silicon substrate using the vapor phase synthesis method, and the two were connected. A known microwave plasma CVD method was used to form the vapor-phase synthetic diamond. Diamond synthesis conditions are 3% methane flow rate ratio (methane flow rate / hydrogen flow rate), silicon substrate temperature is 1000 ° C., pressure is 1.2 × 10 4 Pa, and synthesis is performed until the film thickness is the same as the step amount of 80 μm. did. The synthesis time was about 27 hours. Both the gas phase synthetic diamond layer formed on the silicon substrate and the gas phase synthetic diamond layer formed on the single crystal diamond seed substrate were polycrystalline.
＜研磨工程＞
実施例５の＜研磨工程＞と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例１の＜評価工程＞と同様にラマン分光測定によって判断した。
<Polishing process>
Polishing was performed in the same manner as in <Polishing step> of Example 5, and the polishing was terminated when the single crystal diamond seed substrate was exposed. Whether or not the single crystal diamond seed substrate was exposed was determined by Raman spectroscopic measurement in the same manner as in <Evaluation Step> of Example 1.
図１０のグラフに隙間量を変化させたときの、単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率を示した。脱落率の定義は実施例５の＜研磨工程＞と同様とした。図１０から分かるように、隙間量が０μｍから２００μｍのときには研磨工程において単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が全く起きなかった。隙間量が２００μｍより大きくなると単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が徐々に増加する傾向にある。
隙間量を変化させたことにより研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が発生し、脱落が隙間量に依存していることがわかった。これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
The graph of FIG. 10 shows the drop-off rate of the single crystal diamond seed substrate when the gap amount is changed. The definition of the drop-off rate was the same as in <Polishing step> in Example 5. As can be seen from FIG. 10, when the gap amount was 0 μm to 200 μm, the single crystal diamond seed substrate did not fall off at all in the polishing process. When the gap amount is larger than 200 μm, the dropping of the single crystal diamond seed substrate tends to increase gradually.
It was found that by changing the gap amount, the single crystal diamond seed substrate dropped off during polishing, and the dropout depended on the gap amount. This prevented the single crystal diamond seed substrate from falling off and improved the yield of diamond substrate manufacturing.
本実施例では＜載置工程＞において単結晶ダイヤモンド種基板の段差量と隙間量の両方を変化させ、単結晶ダイヤモンド種基板が＜研磨工程＞において脱落しないように、単結晶ダイヤモンド種基板の段差量と隙間量の関係比を求めた。 In this example, both the step amount and the gap amount of the single crystal diamond seed substrate are changed in the <mounting step>, and the single crystal diamond seed substrate is not dropped in the <polishing step>. The relationship ratio between the amount and the gap amount was obtained.
＜載置工程＞
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたＩｂ型単結晶ダイヤモンドである。サイズは直径２ｍｍ、厚さは２６０μｍから４５０μｍまで１０μｍ毎に厚さの異なるものを準備した。
シリコン基板は主面が（１１１）の単結晶基板であり、サイズは直径２インチで厚さは０．３ｍｍとした。シリコン基板主面部の中心に１箇所凹部をマスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で形成した。その形状は直径２．０ｍｍから２．３ｍｍまでの１０μｍ毎に直径の異なるシリコン基板を準備した。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量を１０μｍから２００μｍまで１０μｍ毎に、また隙間量も同様にして０μｍから３００μｍまで１０μｍ毎に変化させた試料を準備した。各段差量、各隙間量毎に試料を１０枚、合計６２００枚用意した。
<Installation process>
The prepared single crystal diamond seed substrate has a disc shape, and is an Ib type single crystal diamond obtained by a high-temperature high-pressure synthesis method. Sizes having a diameter of 2 mm and thicknesses of 260 μm to 450 μm were prepared with different thicknesses every 10 μm.
The silicon substrate is a single crystal substrate having a main surface of (111), the size is 2 inches in diameter, and the thickness is 0.3 mm. A concave portion was formed in the center of the main surface portion of the silicon substrate by a dry etching method using a mask and high-frequency plasma. The silicon substrates having different diameters were prepared every 10 μm from 2.0 mm to 2.3 mm in diameter.
Samples were prepared in which the step amount of the single crystal diamond seed substrate was changed every 10 μm from 10 μm to 200 μm, and the gap amount was similarly changed every 10 μm from 0 μm to 300 μm. A total of 6200 samples were prepared for each step amount and each gap amount.
＜接続工程＞
実施例５の＜接続工程＞と同様とした。
<Connection process>
It was the same as the <connection step> in Example 5.
＜研磨工程＞
実施例５の＜研磨工程＞と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例１の＜評価工程＞と同様にラマン分光測定によって判断した。
<Polishing process>
Polishing was performed in the same manner as in <Polishing step> of Example 5, and the polishing was terminated when the single crystal diamond seed substrate was exposed. Whether or not the single crystal diamond seed substrate was exposed was determined by Raman spectroscopic measurement in the same manner as in <Evaluation Step> of Example 1.
図１１のグラフに段差量と隙間量を変化させたときの、単結晶ダイヤモンド種基板の脱落率が０％となる領域を示した。脱落率の定義は実施例５と同様とする。図１１から分かるように、単結晶ダイヤモンド種基板が研磨で脱落しないためには、およそ隙間量に対する段差量の比が０．３以上１２０以下となるときであった。
段差量と隙間量を変化させたことにより研磨中に単結晶ダイヤモンド種基板の脱落が発生し、脱落が段差量と隙間量の双方に依存していることがわかった。これにより単結晶ダイヤモンド種基板の脱落を防止し、ダイヤモンド基板製造の歩留まりを向上させることができた。
The graph of FIG. 11 shows a region where the dropout rate of the single crystal diamond seed substrate is 0% when the step amount and the gap amount are changed. The definition of the drop-off rate is the same as in Example 5. As can be seen from FIG. 11, in order for the single crystal diamond seed substrate not to fall off by polishing, it was when the ratio of the step amount to the gap amount was 0.3 or more and 120 or less.
It was found that by changing the step amount and the gap amount, the single crystal diamond seed substrate dropped out during polishing, and the removal depends on both the step amount and the gap amount. This prevented the single crystal diamond seed substrate from falling off and improved the yield of diamond substrate manufacturing.
本実施例では＜載置工程＞において、板厚の厚いＳｉ基板を用いてダイヤモンド基板を作製し、最終工程でＳｉ基板裏面部を平面研削によってＳｉ基板板厚を薄くする加工を追加したことを述べる。各工程は、＜載置工程＞、＜接続工程＞、＜研磨工程＞そして最後に＜平面研削工程＞となっている。 In the present embodiment, in the <mounting step>, a diamond substrate is produced using a thick Si substrate, and in the final step, a process of thinning the Si substrate plate thickness by surface grinding of the back surface of the Si substrate is added. State. Each process is <placement process>, <connection process>, <polishing process>, and finally <surface grinding process>.
＜載置工程＞
用意した単結晶ダイヤモンド種基板の形状は円板状で、高温高圧合成法で得られたＩｂ型単結晶ダイヤモンドである。サイズは直径２ｍｍ、厚さは２８０μｍとした。
シリコン基板は主面部が（１１１）の単結晶基板であり、サイズは直径１インチで厚さは３ｍｍとした。シリコン基板主面部に４箇所凹部をマスクと高周波プラズマを用いたドライエッチング法で形成した。その形状は直径２．１ｍｍ、深さ２００μｍとした。
単結晶ダイヤモンド種基板の段差量は上述より８０μｍ、隙間量は５０μｍであった。試料は１組用意した。
<Installation process>
The prepared single crystal diamond seed substrate has a disc shape, and is an Ib type single crystal diamond obtained by a high-temperature high-pressure synthesis method. The size was 2 mm in diameter and the thickness was 280 μm.
The silicon substrate is a single crystal substrate having a main surface portion of (111), the size is 1 inch in diameter, and the thickness is 3 mm. Four concave portions were formed in the main surface portion of the silicon substrate by a dry etching method using a mask and high-frequency plasma. The shape was 2.1 mm in diameter and 200 μm in depth.
As described above, the step amount of the single crystal diamond seed substrate was 80 μm, and the gap amount was 50 μm. One set of samples was prepared.
＜接続工程＞
実施例５の＜接続工程＞と同様とした。
<Connection process>
It was the same as the <connection step> in Example 5.
＜研磨工程＞
実施例５の＜研磨工程＞と同様の方法で研磨を行い、単結晶ダイヤモンド種基板が露出した時点で研磨を終了させた。単結晶ダイヤモンド種基板が露出したかどうかは実施例１の＜評価工程＞と同様にラマン分光測定によって判断した。本研磨工程では単結晶ダイヤモンド種基板の脱落は無く、ダイヤモンド基板の全面に渡って鏡面仕上げとなった。
<Polishing process>
Polishing was performed in the same manner as in <Polishing step> of Example 5, and the polishing was terminated when the single crystal diamond seed substrate was exposed. Whether or not the single crystal diamond seed substrate was exposed was determined by Raman spectroscopic measurement in the same manner as in <Evaluation Step> of Example 1. In this polishing process, the single crystal diamond seed substrate was not dropped, and the entire surface of the diamond substrate was mirror finished.
＜平面研削工程＞
平面研削機を用いてダイヤモンド基板裏面のＳｉ基板部分を板厚にして２．５ｍｍ削り込んだ。研削用砥石にはＧＣ砥石を使用し、削り込み量を５μｍとして５００ターンで平面研削が終了した。気相合成ダイヤモンド層も含めてダイヤモンド基板の板厚は５８０μｍとなり、Ｓｉ基板を薄くしたことでウェハープロセスに適用しやすくなった。
<Surface grinding process>
Using a surface grinder, the Si substrate portion on the back surface of the diamond substrate was cut into a thickness of 2.5 mm. A GC grindstone was used as the grinding wheel, and the surface grinding was completed in 500 turns with a cutting amount of 5 μm. The thickness of the diamond substrate including the vapor-phase synthetic diamond layer was 580 μm, and the Si substrate was thinned, which facilitated application to the wafer process.
１ 単結晶ダイヤモンド種基板
２ シリコン基板
３ 凹部となる第１の領域
４ 単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板凹部の隙間
５ 単結晶ダイヤモンド種基板の角半径
６ 単結晶ダイヤモンド種基板とシリコン基板主面の段差
７ 凹部深さ
８ シリコン基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層
９ 単結晶ダイヤモンド種基板上に形成された気相合成ダイヤモンド層
１０ 表面接合領域
１１ 単結晶ダイヤモンド種基板周辺の接合領域に生じた溝
１２ 溝幅
１３ 溝深さ
１４ 単結晶ダイヤモンド種基板と気相合成ダイヤモンド層の段差
１５ 単結晶ダイヤモンド種基板及び気相合成ダイヤモンド層に生じた亀裂領域
DESCRIPTION OF
Claims (31)
凹部となる第１の領域と、該第１の領域を取り囲む第２の領域とを含む主面を有するシリコン基板を用意し、第１の領域の凹部深さよりも板厚の厚い単結晶ダイヤモンド種基板を、第１の領域に載置する載置工程と、
気相合成法を用いて前記単結晶ダイヤモンド種基板から気相合成ダイヤモンド層を形成すると共に、前記第２の領域上にも気相合成ダイヤモンド層を形成して互いを接続する接続工程と、
単結晶ダイヤモンド種基板上の気相合成ダイヤモンド層全部と、第２の領域上の気相合成ダイヤモンド層の全部又は一部を機械的に研磨して双方を実質的に平坦化する研磨工程とを経ることを特徴とするダイヤモンド基板の製造方法。 A method for manufacturing a diamond substrate, comprising:
A silicon substrate having a main surface including a first region serving as a recess and a second region surrounding the first region is prepared, and a single crystal diamond seed having a thickness greater than the recess depth of the first region A placing step of placing the substrate in the first region;
Forming a vapor-phase synthetic diamond layer from the single-crystal diamond seed substrate using a vapor-phase synthesis method, and forming a vapor-phase synthetic diamond layer on the second region to connect each other;
A polishing step of mechanically polishing all or part of the vapor-phase synthetic diamond layer on the single-crystal diamond seed substrate and all or part of the vapor-phase synthetic diamond layer on the second region to substantially planarize both. A method for producing a diamond substrate, wherein:
１）シリコン基板には凹部が存在し、この凹部上に単結晶ダイヤモンド種基板が配置されている
２）シリコン基板の凹部以外の表面上にダイヤモンド層が設けられており、該ダイヤモンド層と単結晶ダイヤモンド種基板とは表面近傍で密着し、両者の表面は実質的に平坦化且つ一体化されている
ことを特徴とするダイヤモンド基板。 A diamond substrate in which a single crystal diamond seed substrate and a silicon substrate are bonded via a diamond layer,
1) There is a recess in the silicon substrate, and a single crystal diamond seed substrate is disposed on the recess. 2) A diamond layer is provided on the surface of the silicon substrate other than the recess, and the diamond layer and the single crystal. A diamond substrate characterized in that it is in close contact with the diamond seed substrate in the vicinity of the surface, and both surfaces are substantially flattened and integrated.
31. The diamond substrate according to claim 30, wherein the groove has a depth of 3 [mu] m or less and a width of 20 [mu] m or less.
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