JP5066651B2 - エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法およびこの下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents

エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法およびこの下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、各種の電子デバイスに応用が可能なエピタキシャルダイヤモンド自立膜の製造に関し、特に高品質かつ大面積のエピタキシャルダイヤモンド膜を合成するためのエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板およびその製造方法並びにこのエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板により製造されるエピタキシャルダイヤモンド膜およびその製造方法に関する。
ダイヤモンドは、半導体として優れた特性を有する材料である。また、ダイヤモンドは既存の半導体材料では実現不可能な電子デバイスへの応用が期待される。例えば、高周波デバイスやパワーデバイス、紫外線発光デバイス等である。また、ダイヤモンドは、負の電子親和力（ＮＥＡ）を有する材料であることから、低電圧で作用する電子放出素子への応用も期待される。
しかし、電子デバイスとして応用する場合には、結晶中に含まれる欠陥がデバイスの特性に影響を及ぼすことから、結晶欠陥を可能な限り含まず単結晶に近い結晶性を有するダイヤモンドが必要である。さらに、ダイヤモンドを用いた電子デバイスを産業化するためには、工場の生産ラインに乗せることが必須である。従って、高品質かつ大面積のダイヤモンド膜の合成技術が必要である。
そこで、ダイヤモンドの一般的な合成法として、高圧高温合成（ＨＰＨＴ）法が知られており、この合成法によれば、条件によって天然ダイヤモンド以上に結晶欠陥の少ない高品質ダイヤモンドを合成することができる。これまでに報告されているＨＰＨＴ法によるダイヤモンドは、最大で１０×１０ｍｍ程度である。他のダイヤモンド合成法として、化学気相成長（ＣＶＤ）法がある。この合成法は、導入した原料気体を何らかの方法で分解して基板上に目的の材料を堆積させる成膜法である。従って、この合成法によれば、基板の大きさに対する原理的制限がなく、大面積基板へのダイヤモンド成膜法として期待することができる。たとえば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法や直流プラズマＣＶＤ法では、直径４インチ（約１０ｃｍ）以上の基板に多結晶ダイヤモンドを成膜することが可能とされている。
また、大型単結晶ダイヤモンドを得るため、異種下地にダイヤモンドをエピタキシャル成長させる試みも行われている。今日までに、エピタキシャルダイヤモンド成長が確認された下地材料は、立方晶窒化硼素（ｃ−ＢＮ）〔非特許文献１参照〕、ニッケル（Ｎｉ）、珪素（Ｓｉ）〔非特許文献３参照〕および閃亜鉛鉱型炭化珪素（β−ＳｉＣ）〔非特許文献４参照〕、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）〔非特許文献５参照〕、イリジウム（Ｉｒ）等である。これらの中で大面積単結晶の合成が可能で、ダイヤモンド以外の炭素成分や回転や傾きを持った非エピタキシャルダイヤモンド粒子を含まない高品質ダイヤモンドが成長するのは、イリジウム（Ｉｒ）のみである。従って、イリジウムを下地に用いることにより、大面積高品質ダイヤモンドを得られる可能性がある。
大面積ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長により得るには、下地材料の大面積化が必須である。イリジウムは、スパッタリングや真空蒸着によりエピタキシャル薄膜を作製することができるが、大面積化に用いるイリジウム成長用基板の検討が重要である。これまで、イリジウム成長用基板として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、ＳｒＴｉＯ3(ＳＴＯ）、サファイア（α-Ａl2Ｏ3）が使用されている。
イリジウム下地へのエピタキシャルダイヤモンド成長に関しては、下地表面にバイアス核発生のための前処理を施すことが知られている〔非特許文献２参照〕。すなわち、このバイアス核発生は、イオンを含むプラズマをイリジウム下地表面に暴露することで、これによりエピタキシャルダイヤモンド核が形成される。そして、ＣＶＤ法で長時間のダイヤモンド成長を行うことにより、エピタキシャルダイヤモンド自立膜を作製することができる。なお、このような前処理を施すためのバイアス核発生装置として、例えばマイクロ波プラズマＣＶＤ装置、三電極直流プラズマＣＶＤ装置〔非特許文献６参照〕、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用することができる。
前記対向電極型直流プラズマ発生装置は、三電極直流プラズマＣＶＤ装置を使用したイリジウム下地へのダイヤモンド核発生に関する問題点を解決するために開発されたものである。その問題点とは、核発生が不均一なために基板面内でダイヤモンドが、それぞれエピタキシャル成長領域、非エピタキシャル成長領域、非成長領域に分かれていたことである。三電極直流プラズマＣＶＤ装置の陽極はリング状であり、この形状が不均一な核発生の原因と考えられている。そこで、前記対向電極型直流プラズマ発生装置では、陽極を平板とすることで、例えば１０×１０ｍｍのイリジウム下地全面に、ダイヤモンドのエピタキシャル成長領域を拡大することが可能となった。
しかるに、このような対向電極型直流プラズマ発生装置により、イリジウム下地を大面積化することは、陰極形状とその大きさを変えることになるため、これに対応する適正な陽極直径および陽極―基板間距離（以下、これらを電極レイアウトという）の開発が重要となる。また、イリジウム下地を大面積化する場合は、電流密度を一定として放電電流を増加させればよいと考えられるが、放電電流を増加させることで基板の発熱量が増加し、基板温度も上昇することが予想される。そして、バイアス核発生時の基板温度は、ダイヤモンド粒子数密度に著しい変化を与えるパラメータであるため、放電電流と独立に制御する必要がある等、種々の未開発の問題がある。
S.Koizumi，T.Murakami，K.Suzuki and T.Inuzuka，Appl. Phys. Lett., Vol.57, No.6, pp.563-565 (1990) S.Yugo, T.Kanai, T.Kimura and T.Muto, Appl. Phys. Lett., Vol.58, No.10, pp.1036-1038 (1991) B.R.Stoner and J.T.Glass, Appl. Phys. Lett., Vol.60, No.6, pp.698-700 (1992) P.C.Yang，W.Zhu and J.T.Glass，J.Mater．Res., Vol.8, No.8, pp. 1773-1776 (1993) T.Tachibana, Y.Yokota, K.Miyata, K.Kobashi and Y.Shintani, Diamond and Related Materials, Vol.6, Nos.2-4, pp.266-271 (1997) K.Ohtsuka, K.Suzuki, A.Sawabe and T.Inuzuka, Jpn. J. Appl. Phys., Vol.35, No.8B, pp.L1072-1074 (1996)
そこで、本発明の目的は、ＣＶＤ法を使用してイリジウム下地上に直径１インチ（２．５ｃｍ）以上の大面積化された高品質のダイヤモンドをエピタキシャル成長させることができるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法およびこれにより得られたエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法は、単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に、真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長により成膜し、
この成膜されたイリジウム（Ｉｒ）下地の表面へ、イオンを含む直流プラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してなるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法であって、
直流プラズマによりバイアス核発生処理を施すに際して、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を７〜２５ｍｍ、陽極―基板間距離を５〜１１ｍｍとした場合、放電気体をＨ ２ およびＣＨ ４ 、ＣＨ ４ 濃度を２〜５％、放電気体圧力を８０〜１５０Ｔorr、放電電流密度を１５０〜２５０ｍＡ/ｃｍ ２ 、放電電圧を２５０〜７６０Ｖ、基板温度を８００〜１１００℃、放電時間を３０〜１２０秒の条件で行うことを特徴とする。
本発明の請求項２に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法は、前記真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板につき、イリジウム（Ｉｒ）を成膜する表面の面方位を{１００}とすると共に研磨面とすることを特徴とする。
本発明の請求項３に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法は、単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に、スパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長により成膜し、
この成膜されたイリジウム（Ｉｒ）下地の表面へ、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を７〜２５ｍｍ、陽極―基板間距離を５〜１１ｍｍとした場合、放電気体をＨ２およびＣＨ４、ＣＨ４濃度を２〜５％、放電気体圧力を８０〜１５０Ｔorr、放電電流密度を１５０〜２５０ｍＡ/ｃｍ２、放電電圧を２５０〜７６０Ｖ、基板温度を８００〜１１００℃、放電時間を３０〜１２０秒の条件で、イオンを含むプラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を形成し、
前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板上に、多電極型直流プラズマＣＶＤ装置を使用して、エピタキシャルダイヤモンド自立膜を得ることを特徴とする。
本発明の請求項４に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法は、前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の形成に際して、
前記スパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板は、イリジウム（Ｉｒ）を成膜する表面の面方位を{１００}とすると共に研磨面とすることを特徴とする。
本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法によれば、エピタキシャルダイヤモンド核を均一かつ高密度に発生させることができるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を容易に製造することができる。
本発明に係る請求項１、２に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法によれば、エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の大面積化を実現可能なエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を容易に製造することができる。
本発明に係る請求項３、４に記載のエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法によれば、エピタキシャルダイヤモンド核を均一かつ高密度に発生させることができると共に、大面積化されたエピタキシャルダイヤモンド膜を容易に得ることが可能となる。
次に、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法およびこれにより得られたエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法を実施する最良の形態につき、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明におけるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法は、基本的に図１に示す工程からなる。すなわち、図1において、本発明におけるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板は、単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に、高周波スパッタリング法を使用して、イリジウム（Ｉｒ）薄膜をエピタキシャル成長により成膜するエピタキシャルＩｒ薄膜製造工程（Ｉ）と、成膜されたイリジウム（Ｉｒ）下地の表面へ、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用してイオンを含むプラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理工程（II）とから製造される。そして、前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜は、多電極型直流プラズマＣＶＤ装置を使用して、前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板のバイアス核発生処理表面にエピタキシャルダイヤモンドを成長させるエピタキシャルダイヤモンド成長工程（III）により製造される。
［エピタキシャルＩｒ薄膜の製造］
図２は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するためのエピタキシャルＩｒ薄膜を製造する高周波スパッタリング装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図２に示す高周波スパッタリング装置１０において、排気系１１はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、１０-8Ｔorr台まで真空排気が可能である。スパッタリング時の放電気体はアルゴン（Ａｒ）を使用し、マスフローコントローラ１２により流量調節が可能に構成されている。予備排気およびスパッタリング成膜時の圧力は、電離真空計により測定される。高周波電源１３は、ターゲット１４側および基板ヒータ１５側の両方に接続可能とされている。ターゲット１４には、直径５ｃｍ、純度９９.９５％以上のイリジウムＩｒが使用されている。また、ターゲット１４の直下には、プレスパッタリング時にイリジウムＩｒが基板側に飛散するのを防止するため、シャッタ１６が設置されている。基板ヒータ１５は、直流電源１７に接続されており、最高加熱温度１０００℃で、大きさが直径５ｃｍである。また、ターゲット１４は、基板ヒータ１５の約８ｃｍ上に設置されている。基板ヒータ１５に隣接して、成膜時にイリジウムＩｒが金属配線に堆積するのを防止するため、絶縁板１８を介して防着板１９が設置されている。
次に、このような構成からなる高周波スパッタリング装置を使用して、本発明によるエピタキシャルＩｒ薄膜の製造について説明する。
基板２０として単結晶酸化マグネシウムＭｇＯを使用し、この基板２０の面方位は{１００}であり、大きさは直径１インチ（２.５ｃｍ）、厚さは１ｍｍ、研磨は片面研磨で、この研磨面側にエピタキシャルＩｒが成膜される。基板２０を設置した後、真空チャンバ内を３×１０-７Ｔorr以下まで排気する。基板２０を６８０℃まで加熱し、基板表面に付着している吸着ガス等を飛ばす。次に、Ａｒを５sccｍ導入した後、圧力を１.５×１０-3Ｔorrに調節する。基板ヒータ１５側に高周波電力を３０Ｗ投入することにより、基板ヒータ１５表面にプラズマを発生させる。このプラズマ処理を３０分間行うことにより、基板２０表面の吸着物を除去し、清浄表面を露出させる。次に、ターゲット１４側に高周波電力を５０Ｗ投入してターゲット１４表面にプラズマを発生させる。最初の１５分間は、大気圧リークした際に吸着したターゲット１４表面の吸着物を除去するために、シャッタ１６を閉じてプレスパッタリングを行う。そして、シャッタ１６を開けて基板２０表面にエピタキシャルＩｒの成膜を９０分間行う。この際の成膜速度は、５ｎｍ/min.で、膜厚は４５０ｎｍである。表１は、エピタキシャルＩｒ薄膜の成膜条件を示す。
成膜後は、加熱を止めて、２時間以上基板２０の自然放冷を行う。次いで、基板２０の側面および裏面にもＩｒを６０分間成膜する。これはバイアス核発生およびダイヤモンド成長において、直流放電を発生させる際、基板２０表面と金属製基板ホルダとの電気的導通を得るためである。
［バイアス核発生処理］
図３は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するための前記エピタキシャルＩｒ薄膜を成膜した下地基板２０′へバイアス核発生処理を行う対向電極型直流プラズマ発生装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図３に示す対向電極型直流プラズマ発生装置３０において、排気系３１はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、１０-8Ｔorr台まで真空排気が可能である。バイアス核発生時の放電気体は水素（Ｈ2）およびメタン（ＣＨ4）を使用し、マスフローコントローラ３２により流量調節が可能に構成されている。なお、この場合、放電気体は、個別に流量調節を行ってもよい。圧力は予備排気時に電離真空計により、バイアス核発生時にバラトロン真空計により測定される。装置中央部では、基板ホルダ３３上のイリジウム（Ｉｒ）下地基板２０′と陽極３４が一定距離を置いて平行に設置されている。基板ホルダ３３は、放電電力印加用の直流電源３５に接続され、陽極３４は接地されている。Ｉｒ下地基板２０′を加熱するため、交流電源３６に接続されたヒータ３７が、基板ホルダ３３の下部に設置されている。放電を開始させるため、可動式のトリガ３８が基板ホルダ３３と接触できる位置に設置されている。
本実施例における前記各部の詳細は次の通りである。
＊陽極３４：モリブデンＭｏ製円板が使用されている。
＊基板ホルダ３３：直径５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのＭｏ製円板は、発生するプラズマに対して十分に大きいことが重要であり、放電時には陰極として作用する。
＊直流電源３５：安定化電源回路等の電子制御機構を含み、出力は１ｋＷである。
＊ヒータ３７：他の部分と電気的に絶縁されたＭｏ製の発熱体のみに電流を流すことが可能である。
＊トリガ３８：直径０.５ｍｍのタングステン（Ｗ）ワイヤが使用されている。
なお、トリガ３８を使用する理由は、バイアス核発生条件として定めた放電気体圧力１００Ｔorrで放電させる必要があることから、パッシェンの法則を考慮すると本実施例における直流電源３５では放電開始電圧を出力できないため、放電のきっかけを与える火花を発生させる必要があることである。すなわち、トリガ３８は、火花を発生させるために使用される。
次に、このような構成からなる対向電極型直流プラズマ発生装置を使用して、本発明によるバイアス核発生処理について説明する。
基板ホルダ３３の中央部に、直径１インチ（２.５ｃｍ）のＩｒ下地基板２０′を設置し、トリガ３８を基板ホルダ３３に接触させた後、真空チャンバ内を１×１０-6Ｔorr以下まで排気する。次に、ヒータ３７を電流５２Ａ、電圧３.０Ｖで通電し、基板温度を約４００℃に設定する。その後、加熱を中止して基板の自然放冷を行った後、Ｈ2およびＣＨ4を合計１００Ｔorr導入する。また、放電気体を計５００sccm導入しながら、ロータリーポンプによる排気で圧力を一定に保つ。そして、再び基板の加熱を１０分間行う。その後、基板ホルダ３３に直流電圧を印加し、トリガ３８を開放させる。火花をきっかけとして放電が開始される。放電開始後には、基板ホルダ３３内に設置した熱電対で測定した温度を基に、温度コントローラによりヒータ制御を行うことで、バイアス核発生時の基板温度を安定化する。
本実施例における電極レイアウト条件およびバイアス核発生条件について説明する。電極レイアウト条件を表２に示す。陽極直径を７〜２５ｍｍ、陽極―基板間距離を５〜１１ｍｍの範囲で変化させて、１２通りの条件で実施した。バイアス核発生条件を表３に示す。メタン濃度２％、放電気体圧力１００Ｔorr、放電時間３０秒は、それぞれＩｒ下地基板２０′表面にエピタキシャルダイヤモンド核発生が得られる条件である。放電電流は１０００ｍＡ一定である。このようにして、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を得ることができる。
［エピタキシャルダイヤモンド成長処理］
図４は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜を製造するための前記バイアス核発生処理を施したエピタキシャルＩｒ下地基板４０、すなわち本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用して、エピタキシャルダイヤモンド成長処理を行う多電極型直流プラズマＣＶＤ装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図４に示す多電極型直流プラズマＣＶＤ装置５０において、排気系５１はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、１０-8Ｔorr台まで真空排気が可能である。エピタキシャルダイヤモンド成長時の放電気体は水素（Ｈ2）およびメタン（ＣＨ4）を使用し、マスフローコントローラ５２により流量調節が可能に構成されている。なお、この場合、放電気体は、個別に流量調整を行ってもよい。圧力は予備排気時に電離真空計により、エピタキシャルダイヤモンド成長時にバラトロン真空計により測定される。装置中央部には、水冷台５３に置かれた２枚のＭｏ製円板５４の上部に前記Ｉｒ下地基板４０が設置され、４０ｍｍ上方に３本の陰極５５が１８ｍｍ間隔で配置されている。陰極５５には各１台ずつ直流電源５６が接続されている。可動式のＭｏ製シャッタ５７がＩｒ下地基板４０の２ｍｍ上方に設置されており、接地と浮動電位との切り替えが可能に構成されている。
前記直流電源５６と陰極５５の詳細について説明する。
＊直流電源５６：安定化電源回路等の電子制御機構を含み、１台の出力は３ｋＷである。
＊陰極５５：直径５ｍｍのタンタル（Ｔａ）製ロッドに直径１ｍｍのＴａ製ロッドが接続されている。直径１ｍｍの陰極は先端を丸くし、その根元が削られている。
次に、このような構成からなる多電極型直流プラズマＣＶＤ装置を使用して、本発明によるエピタキシャルダイヤモンド成長処理について説明する。
Ｍｏ製円板５４の中央部に、直径１インチ（２.５ｃｍ）のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板４０を設置した後、真空チャンバ内を１×１０−６Ｔorr以下まで排気する。Ｈ２を５Ｔorr導入した後、接地したシャッタ５７をエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板４０の上方へ回転させる。各陰極５５に電力を投入して、陰極５５−シャッタ５７間で放電を開始させる。放電電流は陰極５５の１本当り３００ｍＡである。Ｈ２を１１４Ｔorrまで徐々に導入した後、陰極５５の１本当り放電電流を１０００ｍＡまで徐々に増加させる。
次いで、ＣＨ４を導入して圧力を１２０Ｔorrに設定する。放電気体を計５００sccm導入しながら、ロータリーポンプによる排気で圧力を一定に保つ。陰極５５の１本当りの放電電流を１２６６ｍＡまで徐々に増加させる。ＣＨ４を導入した時から１０分後にシャッタ５７を開き、陰極５５−基板間の放電に移行させる。放電が完全に移行した後に、シャッタ５７を浮動電位に切り替える。陰極５５−基板間の放電に移行した時から、ダイヤモンド成長開始とする。基板温度は、オプティカルパイロメータを使用して基板側面を測定する。
このようにして製造されたエピタキシャルダイヤモンド膜は、表面形態を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、結晶性をＸ線回析およびラマン分光法を用いて評価することができる。
<実施例１〜１２>
基板温度を８９０℃とし、表４に示すように、１２通りの電極レイアウトの設定で、バイアス核発生を施したエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板に対して、それぞれエピタキシャルダイヤモンド成長を３分間行った。
このようにして、エピタキシャルダイヤモンド成長を行った基板の直径上を、ＳＥＭで、端部を除き、３ｍｍ間隔でそれぞれ７カ所観察し、各位置でのダイヤモンド粒子数密度を測定した。この結果、それぞれ測定された粒子数密度の平均値とばらつきは、表４に示す通りである。
表４から明らかなように、平均値は１０7−１０8／ｃｍ2、ばらつきは±２０〜５０％の範囲で変化した。従って、これらの実施例において、最も均一かつ高密度なダイヤモンド粒子が得られる条件としては、陽極直径が１５ｍｍ、２０ｍｍで、陽極―基板間距離が８ｍｍの電極レイアウトとした場合であることが確認された。
図５に、電極レイアウトが陽極直径２０ｍｍ、陽極―基板間距離が８ｍｍの場合において、粒子数密度１０8／ｃｍ2、ばらつき±２０％のダイヤモンド粒子が得られた、粒子状に成長したダイヤモンドを、ラマン分光法およびＸ線回析により評価した結果としてのラマンスペクトルを示す。この測定には、波長５３２ｎｍのＹＡＧレーザーを入射光として使用した。各測定位置において、１３３２ｃｍ-1に比較的鋭いピークが観測された。基準として使用した、高圧高温合成Ｉｂ形ダイヤモンドの測定では、１３３２ｃｍ-1のみに鋭いピークが観測されたことから、１３３２ｃｍ-1のピークはダイヤモンドに起因していることが分かった。
以上の実施例から、直径１インチ（２.５ｃｍ）のエピタキシャルダイヤモンド膜を製造するに際して、バイアス核発生時の基板温度および対向電極型直流プラズマ発生装置の電極レイアウト条件を適正化することにより、均一かつ高密度にダイヤモンド粒子を成長させることに成功した。そして、適正化された条件で、エピタキシャルダイヤモンドを成長させ、５時間後に膜厚６０μｍのエピタキシャルダイヤモンド自立膜が得られた。
そこで、直径１インチ（２.５ｃｍ）以上のＩｒ下地基板に対してバイアス核発生を行うことを検討する。さらなる大面積化に対しては、基本的に基板表面におけるバイアス核発生時の電流密度を一定にすればよいと考えられている。放電電流を増加させると基板の発熱量が増え、バイアス核発生時の基板温度を調整することが必要となる。
放電電流を増加させる場合は、発熱量は放電電流に比例し、基板ホルダの熱容量は体積と比例するから、放電電流と基板ホルダの体積の比を一定にすれば、大面積化に適用できると考えられる。
また、ダイヤモンド粒子を均一かつ高密度に発生させるには、電極レイアウト条件の適正化が重要である。そして、適正な陽極直径は、Ｉｒ下地基板の直径に対して６〜７割程度の大きさであることが予想される。また、陽極―基板間距離に関しては、陽極直径との比を一定にすれば、大面積化に適用できると考えられることから、例えば図６に示すように、直径１２インチ（３０ｃｍ）までの予測ができる。以上の条件に関して、基板の大きさに対する各条件の概算を、表５に示す。基板サイズが大きくなるほど誤差が大きくなると予想されるが、直径１２インチ（３０ｃｍ）のＩｒ下地基板の場合までは、容易に想定することができる。
以上、本発明の好適な実施例とし、基板に単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を使用して、エピタキシャルＩｒ薄膜を成膜する場合について説明したが、本発明はこの実施例に限定されることなく、例えば単結晶サファイア（α-Ａl2Ｏ3）を基板として使用し、その面方位を{０００１}とすることにより、前述した実施例と同様にしてエピタキシャルＩｒ薄膜の成膜を行うことができる。また、エピタキシャルＩｒ薄膜の成膜方法として、スパッタリング法について説明したが、真空蒸着法を使用することもできる。その他、本発明の精神を逸脱しない範囲内において、種々の設計変更を行うことができる。
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本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造工程並びにこのエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板により製造されるエピタキシャルダイヤモンド膜の製造工程を示すブロック系統図である。 本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するためのエピタキシャルＩｒ下地を成膜する高周波スパッタリング装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するための対向電極型直流プラズマ発生装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜を製造するための多電極型直流プラズマＣＶＤ装置の実施形態を示す概略構成図である。 本発明に係る製造方法により製造されたエピタキシャルダイヤモンド膜のラマン分光法およびＸ線回析により評価したラマンスペクトル図である。 本発明に係る製造方法によりエピタキシャルダイヤモンド膜の製造が想定されるＩｒ下地基板の大面積化に対する電極レイアウト条件を示す説明図である。
符号の説明
１０ 高周波スパッタリング装置
１１ 排気系
１２ マスフローコントローラ
１３ 高周波電源
１４ ターゲット
１５ 基板ヒータ
１６ シャッタ
１７ 直流電源
１８ 絶縁板
１９ 防着板
２０ 基板
２０′ Ｉｒ下地基板
３０ 対向電極型直流プラズマ発生装置
３１ 排気系
３２ マスフローコントローラ
３３ 基板ホルダ
３４ 陽極
３５ 直流電源
３６ 交流電源
３７ ヒータ
３８ 可動式のトリガ
４０ バイアス核発生処理を施したＩｒ下地基板／
／（エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板）
５０ 多電極型直流プラズマＣＶＤ装置
５１ 排気系
５２ マスフローコントローラ
５３ 水冷台
５４ Ｍｏ製円板
５５ 陰極
５６ 直流電源
５７ Ｍｏ製シャッタ

Claims (4)

  1. 単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に、真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長により成膜し、
    この成膜されたイリジウム（Ｉｒ）下地の表面へ、イオンを含む直流プラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してなるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法であって、
    直流プラズマによりバイアス核発生処理を施すに際して、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を７〜２５ｍｍ、陽極―基板間距離を５〜１１ｍｍとした場合、放電気体をＨ２およびＣＨ４、ＣＨ４濃度を２〜５％、放電気体圧力を８０〜１５０Ｔorr、放電電流密度を１５０〜２５０ｍＡ/ｃｍ２、放電電圧を２５０〜７６０Ｖ、基板温度を８００〜１１００℃、放電時間を３０〜１２０秒の条件で行うことを特徴とするエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法。
  2. 前記真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板は、イリジウム（Ｉｒ）を成膜する表面の面方位を{１００}とすると共に研磨面とすることを特徴とする請求項１記載のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法。
  3. 単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板上に、スパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長により成膜し、
    この成膜されたイリジウム（Ｉｒ）下地の表面へ、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を７〜２５ｍｍ、陽極―基板間距離を５〜１１ｍｍとした場合、放電気体をＨ２およびＣＨ４、ＣＨ４濃度を２〜５％、放電気体圧力を８０〜１５０Ｔorr、放電電流密度を１５０〜２５０ｍＡ/ｃｍ２、放電電圧を２５０〜７６０Ｖ、基板温度を８００〜１１００℃、放電時間を３０〜１２０秒の条件で、イオンを含むプラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施して、エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を形成し、
    前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板上に、多電極型直流プラズマＣＶＤ装置を使用して、エピタキシャルダイヤモンド自立膜を得ることを特徴とするエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法。
  4. 前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の形成に際して、
    前記スパッタリング法によりイリジウム（Ｉｒ）膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム（ＭｇＯ）基板は、イリジウム（Ｉｒ）を成膜する表面の面方位を{１００}とすると共に研磨面とすることを特徴とする請求項３記載のエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法。
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