TW202340507A - 底層基板及單晶鑽石層積基板及該等之製造方法 - Google Patents

底層基板及單晶鑽石層積基板及該等之製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種底層基板之製造方法，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板之製造方法，且具有準備初期基板之步驟，及於前述初期基板上形成由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層之步驟，構成前述中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成係使用霧化CVD法進行。藉此可提供底層基板之製造方法，其可製膜可適用於電子‧磁性裝置之大面積(大口徑)、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。

Description

底層基板及單晶鑽石層積基板及該等之製造方法
本發明有關底層基板及單晶鑽石層積基板及該等之製造方法。
鑽石於室溫下具有5.47 eV的寬帶隙，已知為寬帶隙半導體。
半導體中，鑽石之絕緣破壞電場強度為10 MV/cm而非常高，而可高電壓動作。且由於作為已知物質具有最高導熱率，故散熱性亦優異。此外，由於載子遷移率及飽和漂移速度非常大，故適合作為高速裝置。
因此，鑽石可謂係終極半導體，其顯示作為高頻大電力裝置之性能的強森(Johnson)性能指數顯示與碳化矽及氮化鎵等半導體相比亦為最高值。 [先前技術文獻] [非專利文獻]
[非專利文獻1] H.Yamada，Appl.Phys.Lett.104，102110 (2014).
[發名欲解決之課題]
如上述，鑽石被期待作為半導體材料及電子‧磁性裝置用材料之實用化，且期望供給大面積且高品質之鑽石基板。
目前，鑽石半導體製作用之單晶鑽石幾乎都是藉由高溫高壓法(HPHT)合成之稱為Ib型之鑽石。該Ib型鑽石含有大量氮雜質，且迄今最大只能獲得約8mm見方之尺寸，實用性低。且，亦提案將多數HPHT基板(藉由HPHT法合成之鑽石基板)排列連接在一起之稱為馬賽克法者(非專利文獻1)，但留有接縫不完全性之問題。
另一方面，以化學合成(化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)：CVD)法，若為多晶鑽石，雖可以高純度獲得直徑6吋(150mm)左右之大面積鑽石，但難以成為適用於通常電子裝置之單晶化。這係因為作為用以形成鑽石之底層基板，無法實現與鑽石之間的晶格常數及線膨脹係數之差較小的適當材料之組合，例如，鑽石與單晶Si之晶格常數差為34.3%，故於底層基板表面上異質磊晶成長鑽石非常困難。
本發明係為了解決上述課題而完成者，其目的在於提供可製膜單晶鑽石層之底層基板及其製造方法，該單晶鑽石層可適用於電子・磁性裝置，為大面積(大口徑)、高結晶性，且凸起、異常生長粒子、錯位缺陷等較少，為高純度且低應力之高品質。且目的又在於提供具有此種單晶鑽石層之單晶鑽石層積基板及單晶鑽石自立構造基板之製造方法。 [用以解決課題之手段]
為了解決上述目的，本發明提供一種底層基板之製造方法，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板之製造方法，其特徵為具有：準備初期基板之步驟，及於前述初期基板上形成由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或積層膜所成之中間層之步驟，構成前述中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜的形成係使用霧化CVD法進行。
根據此等底層基板之製造方法，由於構成中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成係以霧化CVD進行，故可以進行大口徑、低成本進行單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成。又，可提高中間層之膜厚均勻性。因此，可製造底層基板，該底層基板可形成適用於電子‧磁性裝置之大面積(大口徑)、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。
此時，較佳使前述初期基板為單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一者。
該等初期基板之材料與中間層之材料間的晶格失配小，且可容易地進行中間層之磊晶生長。且，可獲得直徑超過6吋(150mm)之大口徑且其價格亦相對便宜。
且，前述中間層進而可設為包含單晶氧化釔安定化氧化鋯膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少任一者之層積膜。
藉由設為此種層積膜，可將中間層適當設計為更適度地具有可緩衝初期基板與鑽石層之間的晶格失配之角色。
又，前述初期基板係設為Si{111}基板、α-Al 2O 3{0001}基板、Fe{111}基板、Ni{111}基板及Cu{111}基板之任一者，前述中間層可設為至少包含Ir{111}膜或MgO{111}膜者。
又，前述中間層進而可設為包含氧化釔安定化氧化鋯{111}膜、SrTiO 3{111}膜、Ru{0001}之至少任一者。
藉由設為此等初期基板及中間層，可製造能形成單晶鑽石{111}層之底層基板。
此情況下，前述初期基板之最表面經賦予相對於立方晶面方位{111}於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角(off angle)，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角。
藉由如此賦予傾斜角，可更有效地製造能獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等較少之高品質單晶鑽石{111}層的底層基板。
此情況，進而前述初期基板之最表面之傾斜角可設為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。
藉由設為此範圍，可使傾斜角產生之高品質化效果最大化。
又，此情況下，前述中間層之最表面經賦予相對於立方晶面方位{111}於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角。
藉由如此賦予傾斜角，可更有效地製造能獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等較少之高品質單晶鑽石{111}層的底層基板。
該情況下，前述中間層之最表面之傾斜角可設為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。
藉由設為此範圍，可使傾斜角產生之高品質化效果最大化。
又，本發明之底層基板之製造方法中，前述初期基板可為Si{0001}基板、α-Al 2O 3{11-20}基板、Fe{001}基板、Ni{001}基板及Cu{001}基板任一者，前述中間層係至少包含Ir{001}膜或MgO{001}膜者。
又，前述中間層可為進而包含氧化釔安定化氧化鋯{001}膜、SrTiO 3{001}膜、Ru{11-20}之至少任1者。
藉由設為此等初期基板及中間層，可製造能製膜單晶鑽石{001}層之底層基板。
此情況，可為前述初期基板之最表面經賦予相對於立方晶面方位{001}於結晶軸＜110＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{11-20}於結晶軸＜10-10＞或＜0001＞方向之傾斜角。
藉由如此賦予傾斜角，可更有效地製造能獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等較少之高品質單晶鑽石{001}層的底層基板。
該情況下，前述初期基板之最表面之傾斜角可為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。
藉由設為此範圍，可使傾斜角產生之高品質化效果最大化。
又，該情況下，可為前述中間層之最表面經賦予相對於立方晶面方位{001}於結晶軸＜110＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{11-20}於結晶軸＜10-10＞或＜0001＞方向之傾斜角。
藉由如此賦予傾斜角，可更有效地製造能獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等較少之高品質單晶鑽石{001}層的底層基板。
該情況下，前述中間層之最表面之傾斜角可為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。
藉由設為此範圍，可使傾斜角產生之高品質化效果最大化。
又，本發明提供一種單晶鑽石層積基板之製造方法，其特徵係包含：準備藉由上述任一底層基板之製造方法製造之底層基板的步驟，於前述底層基板之前述中間層之表面進行用以形成鑽石核之偏壓處理之步驟，使形成於前述中間層上之鑽石核成長進行磊晶成長，形成單晶鑽石層之步驟。
根據此等製造方法，可製造單晶鑽石層積基板，其具有適用於電子‧磁性裝置用之大口徑、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。
本發明之單晶鑽石層積基板之製造方法中，前述單晶鑽石層可設為{111}結晶。
又，前述單晶鑽石層可為{001}結晶。
本發明之單晶鑽石層積基板之製造方法，可製膜具有該等面方位之單晶鑽石層。
又，本發明提供一種單晶鑽石自立構造基板之製造方法，其特徵係自藉由上述任一單晶鑽石層積基板之製造方法製造之單晶鑽石層積基板，僅取出前述單晶鑽石層，製造單晶鑽石自立構造基板。
如此，可製造僅由單晶鑽石層所成之單晶鑽石自立構造基板。
且，於藉由上述之單晶鑽石自立構造基板之製造方法所得之單晶鑽石自立構造基板上亦可進而形成追加單晶鑽石層。
如此，藉由於基板上僅追加該鑽石層進行製膜，亦可更厚膜化。
又，本發明提供一種底層基板，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板，其特徵係具有：初期基板，及於前述初期基板上由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層，且前述中間層之膜厚均一性係以全面計為±10%以內。
如此，本發明之底層基板中，可將中間層之膜厚均一性以全面計設為±10%以內。因此，可製造底層基板，該底層基板可形成適用於電子‧磁性裝置之大口徑、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。
該情況下，前述初期基板可為單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一者。
該等初期基板之材料與中間層之材料間的晶格失配小，且可容易地進行中間層之磊晶生長。且，可獲得直徑超過6吋(150mm)之大口徑且其價格亦相對便宜。
且，前述中間層進而可設為包含單晶氧化釔安定化氧化鋯膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少任一者之層積膜。
藉由設為此種層積膜，可將中間層適當設計為更適度地具有可緩衝初期基板與鑽石層之間的晶格失配之角色。
又，本發明提供一種單晶鑽石層積基板，其特徵係於上述任一底層基板之前述中間層上具有單晶鑽石層者。
如此之單晶鑽石層積基板由於具有於中間層之膜厚均一性以全面計為±10%以內之中間層上形成之單晶鑽石層，故可成為具有適用於電子‧磁性裝置之大口徑、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力的單晶鑽石層之單晶鑽石層積基板。 [發明效果]
依據本發明之底層基板之製造方法，由於構成中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成係使用霧化CVD法進行，因此可以大口徑、低成本進行單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成。可提高中間層之膜厚均一性，特別是可設為以全面計於±10%以內之膜厚均一性。因此可製造底層基板，該底層基板可形成可適用於電子‧磁性裝置之大口徑、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。且藉由於該底層基板上形成單晶鑽石層，可製造具有具備上述特徵之單晶鑽石層之單晶鑽石層積基板。又依據本發明，可製造自此等單晶鑽石層積基板僅分離單晶鑽石層積後之單晶鑽石自立構造基板，亦可製造進而於單晶鑽石自立構造基板上製膜追加單晶鑽石層之單晶鑽石自立構造基板。
以下，詳細說明本發明，但本發明不限於此。
如上所述，以往已要求獲得大口徑、低成本、高品質之單晶鑽石層積基板。因此，本發明人等為了解決此等課題而重複積極研究。其結果發現於單晶鑽石層積基板及用以製造單晶鑽石層積基板之底層基板中之中間層形成方法採用霧化CVD法作為最適方法，因而完成本發明。
本發明係一種底層基板之製造方法，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板之製造方法，其特徵為具有：準備初期基板之步驟，及於前述初期基板上形成由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層之步驟，構成前述中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜的形成係使用霧化CVD法進行。
以下，一面參照圖式一面更具體說明本發明。下文中，類似之構成要素係標註相同符號進行說明。
首先，針對本發明之底層基板及單晶鑽石層積基板參考圖3及圖4加以說明。
如圖3所示，本發明之單晶鑽石層積基板用之底層基板20具有初期基板11與於初期基板11上之中間層21。本發明中，中間層21係由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成者。進而，本發明可將中間層21之膜厚均一性以全面計為±10%以內者。此等中間層21之膜厚均一性可藉由採用後述霧化CVD法容易地達成。
又，如圖4所示，本發明之單晶鑽石層積基板30係於圖3所示之底層基板20的中間層21上具有單晶鑽石層31者。中間層21具有可緩衝初期基板11與單晶鑽石層31之間的晶格失配之角色。
本發明之底層基板20中，中間層21可單獨為單晶Ir膜或單獨為單晶MgO膜，但更佳為該等之層積膜。特別是如圖5所示，初期基板11上之中間層21較佳為由單晶MgO膜22與單晶Ir膜23所成之層積膜。本發明之底層基板20之中間層21亦可為除了單晶Ir膜及單晶MgO膜之至少任一者以外，進而包含單晶氧化釔安定化氧化鋯(YSZ)膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少任一個的層積膜。此種層積膜可設計為更適當具有可緩衝初期基板11與單晶鑽石層31之間的晶格失配之角色。如圖5所示，初期基板11上之中間層21係由單晶MgO膜22及單晶Ir膜23所成之層積膜時，當然，若製造單晶鑽石層積基板30時，如圖6所示，中間層21係由單晶MgO膜22及單晶Ir膜23所成之層積膜。
又，本發明中，初期基板11較佳為單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一者。該等初期基板11(塊體基板)，由於與中間層21之材料間的晶格失配較小，故形成中間層21時，可容易地進行中間層21之磊晶成長。且亦可獲得直徑超過6吋(150mm)之大口徑，且其價格亦相對便宜。
下文中，說明圖3~圖6所示之底層基板及單晶鑽石層積基板之製造方法。參照圖1針對本發明之底層基板之製造方法加以說明，且參照圖2針對本發明之單晶鑽石層積基板之製造方法加以說明。又本發明中，可製造圖7所示之由單晶鑽石層31所成之單晶鑽石自立構造基板35，及圖8所示之由單晶鑽石層31及追加單晶鑽石層41所成之單晶鑽石自立構造基板40，針對該製造方法亦參照圖2加以說明。
(準備步驟：圖1之步驟S11) 首先，準備初期基板11(步驟S11)。初期基板11較佳為單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一基板(塊狀基板)。該等列舉之初期基板11的材料與中間層21的材料之間的晶格失配小，可容易進行中間層21之磊晶成長。且，可獲得直徑超過6吋(150mm)之大口徑且其價格亦相對便宜。
初期基板11為上述基板時，若合起來規定其面方位，則可為Si{111}基板、α-Al 2O 3{0001}基板、Fe{111}基板、Ni{111}基板及Cu{111}基板之任一者。且初期基板11亦可為Si{001}基板、α-Al 2O 3{11-20}基板、Fe{001}基板、Ni{001}基板及Cu{001}基板之任一者。
初期基板11之形成中間層21之側的面較佳進行研磨加工，成為Ra≦0.5nm。因此，可形成缺陷少的光滑中間層21。
於作為單晶鑽石層31欲獲得{111}結晶面方位時，初期基板11之最表面可成為經賦予相對於立方晶面方位{111}於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角者，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角者。藉由如此於初期基板11之最表面賦予傾斜角，作為於該表面上形成之中間層21，可更有效地獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等少的高品質中間21。
此時之初期基板11的最表面之傾斜角較佳為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。該傾斜角若為+0.5及 -0.5˚以上，則可充分獲得賦予傾斜角的效果，若為+15.0及-15.0以下，則可充分獲得高品質化之效果。且，若為該等範圍，則由於最表面之自{111}結晶面之偏移不會太大，因此容易合於目的使用。
另一方面，作為單晶鑽石層欲獲得{001}結晶面方位時，初期基板之最表面可成為經賦予相對於立方晶面方位{001}於結晶軸＜110＞方向之傾斜角者，或經賦予相對於六方晶面方位{11-20}於結晶軸＜10-10＞或＜0001＞方向之傾斜角者。藉由如此於初期基板11之最表面賦予傾斜角，作為於該表面上形成之中間層21，可更有效地獲得高結晶性且凸起、異常成長，錯位缺陷等少的高品質中間21。
此時之初期基板11的最表面之傾斜角較佳為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。該傾斜角若為+0.5及 -0.5˚以上，則可充分獲得賦予傾斜角的效果，若為+15.0及-15.0以下，則可充分獲得高品質化之效果。且，若為該等範圍，則由於最表面之自{111}結晶面之偏移不會太大，因此容易合於目的使用。
(中間層形成步驟：圖1之步驟S12) 步驟S11中準備初期基板11之後，其次於初期基板11上形成由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層21(步驟S12)。此處，使用霧化CVD法進行構成中間層21之單晶Ir膜或單晶MgO膜之形成係本發明之特徵。
中間層21亦可為進而包含單晶氧化釔安定氧化鋯(YSZ)膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少一者的層積膜。
作為單晶鑽石層31欲獲得{111}結晶方位時，至少中間層21之最表面於立方晶之情況亦設為{111}結晶方位，於六方晶之情況下亦可設為{0001}。該情況下，中間層21可為至少包含Ir{111}膜或MgO{111}膜者。且中間層21可為亦可進而包含氧化釔安定氧化鋯{111}膜、SrTiO 3{111}膜、Ru{0001}之至少任一者。
另一方面，如果作為單晶鑽石層31欲獲得{001}結晶方位時，至少中間層21之最表面於立方晶之情況設為{001}結晶方位，於六方晶之情況下可設為{11-20}結晶方位。該情況下，中間層21可為至少包含Ir{001}膜或MgO{001}膜者。且中間層21可為亦可進而包含氧化釔安定氧化鋯{001}膜、SrTiO 3{001}膜、Ru{11-20}之至少任一者。
本發明中，構成中間層21之單晶Ir膜或單晶MgO膜的形成如上述係使用霧化CVD法進行。若對於構成中間層21之至少一層使用霧化CVD法則可獲得本發明之效果，對於構成中間層21之其他層的形成，除了霧化CVD法以外，亦可以濺射法、電子束蒸鍍法、原子層沉積法、分子束磊晶法、脈衝雷射沉積法等進行。針對可構成金屬及金屬氧化物的單晶Ir膜、單晶MgO膜，單晶氧化釔安定氧化鋯(YSZ)膜、單晶SrTiO 3膜、單晶Ru膜等之上述列舉之中間膜的膜，較佳以可大口徑、低成本形成之霧化CVD法進行。
利用霧化CVD法之製膜裝置係由下述構成：霧化部，其使包含欲製膜之材料的原子之原料溶液以超音波振動而霧化而產生霧氣；載氣供給部，其供給輸送前述霧氣之載氣；設置基板進行製膜之腔室；及將不要的原料排出之排氣系。
於腔室內基板在加熱台上加熱並根據需要旋轉等，以進行高結晶且均一之成膜。亦藉由控制原料氣體之流動，仍然可進行高結晶且均一之膜形成。
此外，亦可將基板載置於設置在開放系之加熱台上，自霧氣噴出噴嘴將霧氣供給至基板表面，藉由熱反應進行製膜。
原料溶液若為至少包含欲製膜之金屬原子且可霧化，則溶液中所含之材料未特別限制，可為無機材料亦可為有機材料。
原料溶液只要可使上述金屬原子霧化則未特別限制，但作為原料溶液，可適當地使用金屬以錯合物或鹽之形態溶解或分散於有機溶劑或水中者。作為錯合物形態舉例為例如乙醯丙酮酸錯合物、羰基錯合物、氨錯合物、氫化物錯合物等。作為鹽之形態舉例為例如氯化金屬鹽、溴化金屬鹽、碘化金屬鹽等。且，亦可將上述金屬溶解於氫溴酸、鹽酸、碘化氫等中作為鹽的水溶液使用。
又，原料溶液中亦可添加氫鹵酸及氧化劑等之添加劑。作為氫鹵酸舉例為例如氫溴酸、鹽酸及氫碘酸等，但其中，較佳為氫溴酸或氫碘酸。作為氧化舉例為例如過氧化氫、過氧化鈉、過氧化鋇、過氧化苯甲醯等之過氧化物、次氯酸、過氯酸、硝酸、臭氧水、過乙酸或銷基苯等之有機過氧化物等。
用於形成MgO之原料溶液亦可使用氯化鎂水溶液。
於獲得由多元素金屬而成之氧化物時，將複數種原料溶液混合並霧化即可，或亦可將各元素作成各個原料溶液並分別霧化。
較佳在基板溫度為200~850℃之範圍加熱而製膜。
如上所述，中間層21不僅可為前述材料之單層，即使為層積構造亦可實現良好品質。例如，自表面側起依序為→Ir膜/MgO膜→初期基板11側，同樣，藉由成為Ir膜/YSZ膜、Ir膜/SrTiO 3膜等之層積構造，而可更有效地具有緩衝晶格失配之角色。圖5如上述係於初期基板11上層積單晶MgO膜22、單晶Ir膜23之例。此情況下，係自表面側起依序為→Ir膜/MgO膜→初期基板側11之例。
中間層21之厚度較佳為5nm以上50μm以下。中間層21之厚度若為5nm以上，則在隨後之鑽石形成步驟中不會將其去除。且，中間層21之厚度若為50μm以下，則作為中間層21之厚度係足夠。又，若為50μm以下之厚度，則製膜時間不會拉長，表面粗糙度亦可保持較低。因此，未必需要研磨加工，而能以低成本製膜。
中間層21之最表面經賦予相對於立方晶面方位{111}，於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角。藉此，作為於該表面上形成之單晶鑽石層31，可更有效地獲得高結晶性且突起、異常成長、錯位缺陷等較少的高品質單晶鑽石{111}層。
此時之中間層21的最表面之傾斜角較佳為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。該傾斜角若為+0.5及 -0.5˚以上，則可充分獲得賦予傾斜角之效果，若為+15.0及-15.0˚以下，則可充分獲得高品質化效果。且，若為該範圍，則最表面自{111}結晶面之偏移不會太大，因此容易合於目的使用。
藉由相對於結晶面方位{001}，於立方晶係於結晶軸＜110＞方向賦予傾斜角，且於六方晶面方位{11-20}，係於＜10-10＞或＜0001＞方向賦予傾斜角，作為於該表面上形成之晶鑽石，可更有效地獲得高結晶性且突起、異常成長、錯位缺陷等較少的高品質單晶鑽石{001}層。
此時之中間層21的最表面之傾斜角較佳為+0.5~+15.0˚或-0.5~-15.0˚之範圍。該傾斜角若為+0.5及 -0.5˚以上，則可充分獲得賦予傾斜角之效果，若為+15.0及-15.0˚以下，則可充分獲得高品質化效果。且，若為該範圍，則最表面自{001}結晶面之偏移不會太大，因此容易合於目的使用。
藉由以上圖1之步驟S11、S12，可製造本發明之底層基板20(參照圖3、圖5)。
本發明進而提供一種單晶鑽石層積基板30之製造方法，其特徵係包含：準備藉由如上述之底層基板20之製造方法製造之底層基板20的步驟；於前述底層基板20之前述中間層21之表面進行用以形成鑽石核之偏壓處理之步驟；使形成於前述中間層21上之鑽石核成長進行磊晶成長，形成單晶鑽石層31之步驟。以下，更詳細加以說明。
圖2之S11及S12與圖1之S11及S12為相同步驟。藉由步驟S11、S12，製造底層基板20。此外，藉由進行圖2所示之後續步驟S13、S14，製造單晶鑽石層積基板30。
(偏壓處理步驟：圖2之S13) 對底層基板20之中間層21的表面進行偏壓處理，進行鑽石之核形成(步驟S13)。於減壓腔室內設置已形成該中間層21之底層基板20，以真空泵減壓後，藉由直流放電進行中間層21之最表面與結晶方位對齊之鑽石之核形成。放電氣體較佳為氫氣稀釋甲烷。
(單晶鑽石層步驟：圖2之S14) 其次，使中間層21上形成之鑽石核成長進行磊晶生長，形成單晶鑽石層31(步驟S14)。亦即，於經進行偏壓處理之底層基板20上形成單晶層。該步驟可藉由氣相合成(CVD)法的微波電漿CVD、DC電漿CVD、熱絲CVD、電弧放電CVD法等進行。
單晶鑽石層31可由未摻雜或摻雜鑽石之各單層構成，或可由未摻雜與摻雜鑽石層積構造構成。
藉由以上步驟S11、S12之後的步驟S13、S14，可製造本發明之單晶鑽石層積基板30(參照圖4、圖6)。
又，上述單晶鑽石層積基板之製造方法中，對初期基板11、中間層21中之任一者，或對該兩者，藉由於立方晶之情況設為{111}結晶方位，於六方晶之情況設為{0001}結晶方位，可獲得單晶鑽石{111}。
另一方面，上述單晶鑽石層積基板之製造方法中，對初期基板11、中間層21中之任一者，或對該兩者，藉由於立方晶之情況設為{001}結晶方位，於六方晶之情況設為{11-20}結晶方位，可獲得單晶鑽石{001}。
本發明又提供一種單晶鑽石自立構造之製造方法，其特徵係自藉由上述方法經過步驟S11~S14而製造之單晶鑽石層積基板30，僅取出前述單晶鑽石層31，製造單晶鑽石自立構造基板35(參照圖7)。以下更詳細加以說明。
(單晶鑽石取出步驟：圖2之S15) 該步驟中，於單晶鑽石層31形成步驟(步驟S14)之後，僅將單晶鑽石層31製成單晶鑽石自立構造基板35(步驟S15)。進行此種自立基板化時，可使用化學蝕刻法、雷射照射法、研磨加工法等進行。
因自立化，而於後續之追加製膜及裝置加工中，有容易與製程對應之優點。
又，即使鑽石使用作為電子及磁性裝置時，亦有僅由單晶鑽石層構成之單晶鑽石自立構造基板亦無中間層以下之影響而較為恰當之情況。
(單晶鑽石追加製膜步驟：圖2之S16) 進而，本發明中，直至步驟S15之前所得之單晶鑽石自立構造基板35上進而形成追加單晶鑽石層41(步驟S16)，製造單晶鑽石自立構造基板40(參照圖8)。亦即，可對僅由圖7所示之單晶鑽石層31所成之單晶鑽石自立構造基板35上追加進行製膜。由於係對單一材料之製膜，故亦無破損，且對低應力化有效。藉由該步驟於使鑽石膜厚膜化亦有效。
於該步驟形成之追加單晶鑽石層41可為非摻雜，亦可為摻雜，亦可為該等之組合。
在追加製膜追加單晶鑽石層41之前，若藉由對成為底層之單晶鑽石自立構造基板35之表面進行研磨加工，則可獲得平滑且缺陷少的結晶。
依據以上說明之本發明之底層基板、單晶鑽石層積基板、單晶鑽石自立構造底層基板之製造方法，可提供以低成本製造層積基板之方法，該層積基板具有適用於電子‧磁性裝置之大口徑、高結晶性且凸起、異常成長粒子、錯位缺陷等較少、高純度且低應力之高品質的單晶鑽石層。 [實施例]
以下顯示實施例及比較例具體說明本發明，但本發明不限於下述實施例。
(實施例1) 製備直徑150 mm、厚度1000μm，結晶面方位(111)、於[-1-12]方向之傾斜角為-3˚之經雙面研磨之單晶Si晶圓作為初期基板11(圖1、圖2之步驟S11)。
其次，以霧化CVD法將MgO膜異質磊晶成長於該初期基板之表面，藉由以下條件形成中間層21之的一層(圖5之單晶MgO膜22)(圖1、圖2之步驟S12)。
霧化CVD法中之原料溶液使用「氧化鎂水溶液」。將上述原料溶液收納於霧氣產生源內。接著打開流量控制閥，將載氣自載氣源供給至腔室內，將腔室內之環境充分置換為載氣後，分別將載氣流量調節為10000sccm，稀釋用載氣之流量調節為30000sccm。使用氧氣作為載氣。
其次，使超音波振動器以2.4MHz振動，藉由將該振動通過水傳播至原料溶液，使原料溶液霧化以生成霧氣。該霧氣藉由載氣經過供給管導入腔室內。於大氣壓下，使霧氣與設置在腔室內的加熱板上經加熱至750℃之初期基板進行熱反應，於初期基板11之表面異質磊晶成長MgO(111)膜直至厚度為1μm。
其次，於單晶MgO(111)膜22上異質磊晶成長Ir膜(圖5之單晶Ir膜23)，形成由Ir膜/MgO所成之層積的中間層21。
於單晶Ir膜23之製膜中，使用將直徑8吋(200mm)、厚度5mm、純度99.9%以上之Ir靶作為靶的R.F.(13.56MHz)磁控濺射法。將形成有單晶MgO膜22之基板加熱至800℃，以真空泵排氣，於確認基礎壓力約為8.0×10 -5Pa以下後，導入Ar氣體。調整通至排氣系之閥的開口度，成為13Pa後，輸入R.F. 1500W進行30分鐘製膜。所得之膜厚約1μm。
如以上，製造圖5所示之底層基板20。
其次，對於底層基板20進行用於鑽石核形成之前處理(偏壓處理) (圖2之步驟S13)。此處，將形成有中間層21之底層基板20設置於平板型電極上，在確認基礎壓力為約1.3×10 -4Pa以下後，將氫稀釋甲烷(CH 4/(CH 4+H 2)= 5.0vol.%)以500sccm之流量導入處理室內。調整通至排氣系之閥的開口度，設為壓力1.3×10 4Pa後，將負電壓施加至基板側電極並暴露於電漿90秒，將中間層21之表面(亦即單晶Ir(111)膜23表面)進行偏壓處理。
隨後，藉由微波CVD法使單晶鑽石層31(非摻雜鑽石膜)異質磊晶成長(圖2之步驟S14)。此處，將經實施偏壓處理之底層基板20設置於微波CVD裝置之腔室內，以真空泵排氣直到基礎壓力為約1.3×10 -4Pa以下後，將原料氣體的氫稀釋甲烷(CH 4/(CH 4+H 2)=5.0vol.%)以1000sccm的流量導入處理室內。調節通至排氣系之閥的開口度，壓力為1.5×10 4Pa後，流通直流電流進行100小時製膜。以高溫計測定製膜中之基板溫度之結果為980℃。
所得之單晶鑽石層31係於直徑150mm全面無剝離，係完整連續膜。該多層基板(單晶鑽石層積基板30)之剖面示意圖如圖6所示。
其次，用氫氟酸與硝酸的混合酸藥液蝕刻初期基板11的Si晶圓。進而，藉乾蝕刻去除中間層21的單晶MgO膜22及單晶Ir膜22的層積膜。由此，獲得單晶鑽石(111)自立基板35(圖2之步驟S15)。
最後，再次藉由微波CVD法使單晶鑽石層(追加單晶鑽石層41)異質磊晶成長(圖2之步驟S16)。該追加單晶鑽石層41之形成在與上述非摻雜鑽石膜之形成時相同的條件進行。
所得之單晶鑽石層41亦係於直徑150mm全面無剝離，係完整連續膜。由單晶鑽石層31及追加單晶鑽石層41所成之單晶鑽石自立構造基體40之剖面示意圖如圖8所示。
自該單晶鑽石自立構造基板40切下2mm見方作為評價用試料，針對膜厚、結晶性進行評價。
關於膜厚，使用掃描型二次電子顯微鏡(SEM)觀察試料剖面後，鑽石層之合計厚度為約400μm。
以X射線繞射(XRD)裝置(RIGAKU SmartLab)測定自膜最表面起之結晶性。其結果，僅見到於2θ=43.9˚之歸屬於鑽石(111)之繞射強度峰，確認鑽石層係經磊晶成長之單晶鑽石(111)結晶。
若將該單晶鑽石(111)層積基板及自立基板應用於電子‧磁性裝置，則可獲得高性能裝置。例如可獲得高性能功率裝置。
此外，由於以大口徑基板獲得，故可將製作成本抑制為較低。
(實施例2) 實施例1中，除了中間層21之單晶Ir膜23亦藉霧化CVD法形成以外，同樣進行製作，獲得直徑150mm之單晶鑽石(111)層積基板30及單晶鑽石(111)自立基板40。
(實施例3) 實施例1中，除了初期基板11之材料設為α-Al 2O 3(0001)以外，同樣進行製膜後，獲得直徑150mm之單晶鑽石(111)層積基板30及單晶鑽石(111)自立基板40。
(實施例4) 實施例1中，除了初期基板11之材料設為單晶Si(001)、於[110]方向之傾斜角6˚以外，同樣進行製作，獲得直徑150mm之單晶鑽石(001)層積基板30及單晶鑽石(001)自立基板40。
(實施例5) 實施例1中，除了初期基板11之構造設為α-Al 2O 3(11-20)以外，同樣進行製膜後，獲得直徑150mm之單晶鑽石(001)層積基板30及單晶鑽石(001)自立基板40。
又，本發明不限於上述實施形態。上述實施形態為例示，凡具有與本發明之申請專利範圍中記載之技術思想實質相同之構成，且發揮同樣作用效果者，均包含於本發明之技術範圍。
11:初期基板 20:底層基板 21:中間層 22:單晶MgO膜 23:單晶Ir膜 30:單晶鑽石層積基板 31:單晶鑽石層 35:單晶鑽石自立構造基板 40:單晶鑽石自立構造基板 41:追加單晶鑽石層
[圖1]係顯示本發明之底層基板之製造方法的一例之流程圖。 [圖2]係顯示本發明之單晶鑽石層積基板之製造方法的過程及單晶自立構造基板之製造方法的過程之一例的流程圖。 [圖3]係顯示本發明之底層基板之一例的概略圖。 [圖4]係顯示本發明之單晶鑽石層積基板之一例的概略圖。 [圖5]係顯示本發明之底層基板之另一例的概略圖。 [圖6]係顯示本發明之單晶鑽石層積基板之另一例的概略圖。 [圖7]係顯示本發明之單晶鑽石自立構造基板之一例的概略圖。 [圖8]係顯示本發明之單晶鑽石自立構造基板之另一例的概略圖。

Claims (24)

  1. 一種底層基板之製造方法，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板之製造方法，其特徵為具有： 準備初期基板之步驟，及 於前述初期基板上形成由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層之步驟， 構成前述中間層之單晶Ir膜或單晶MgO膜的形成係使用霧化CVD法進行。
  2. 如請求項1之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板為單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一者。
  3. 如請求項1或2之底層基板之製造方法，其中使前述中間層進而為包含單晶氧化釔安定化氧化鋯膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少任一者之層積膜。
  4. 如請求項1或2之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板為Si{111}基板、α-Al 2O 3{0001}基板、Fe{111}基板、Ni{111}基板及Cu{111}基板之任一者， 前述中間層係至少包含Ir{111}膜或MgO{111}膜者。
  5. 如請求項4之底層基板之製造方法，其中使前述中間層進而為包含氧化釔安定化氧化鋯{111}膜、SrTiO 3{111}膜、Ru{0001}之至少任一者。
  6. 如請求項5之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板之最表面經賦予相對於立方晶面方位{111}於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角(off angle)，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角。
  7. 如請求項6之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板之最表面之傾斜角為+0.5~+15.0˚或-0.5~ -15.0˚之範圍。
  8. 如請求項5之底層基板之製造方法，其中使前述中間層之最表面經賦予相對於立方晶面方位{111}於結晶軸＜-1-12＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{0001}於結晶軸＜10-10＞或＜11-20＞方向之傾斜角。
  9. 如請求項8之底層基板之製造方法，其中使前述中間層之最表面之傾斜角為+0.5~+15.0˚或-0.5~ -15.0˚之範圍。
  10. 如請求項1或2之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板為Si{0001}基板、α-Al 2O 3{11-20}基板、Fe{001}基板、Ni{001}基板及Cu{001}基板任一者， 前述中間層係至少包含Ir{001}膜或MgO{001}膜者。
  11. 如請求項10之底層基板之製造方法，其中使前述中間層進而包含氧化釔安定化氧化鋯{001}膜、SrTiO 3{001}膜、Ru{11-20}之至少任1者。
  12. 如請求項10或11之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板之最表面經賦予相對於立方晶面方位{001}於結晶軸＜110＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{11-20}於結晶軸＜10-10＞或＜0001＞方向之傾斜角。
  13. 如請求項12之底層基板之製造方法，其中使前述初期基板之最表面之傾斜角為+0.5~+15.0˚或-0.5 ~-15.0˚之範圍。
  14. 如請求項10至13中任一項之底層基板之製造方法，其中使前述中間層之最表面經賦予相對於立方晶面方位{001}於結晶軸＜110＞方向之傾斜角，或經賦予相對於六方晶面方位{11-20}於結晶軸＜10-10＞或＜0001＞方向之傾斜角。
  15. 如請求項14之底層基板之製造方法，其中使前述中間層之最表面之傾斜角為+0.5~+15.0˚或-0.5~ -15.0˚之範圍。
  16. 一種單晶鑽石層積基板之製造方法，其特徵係包含： 準備藉由如請求項1至15中任一項之底層基板之製造方法製造之底層基板的步驟， 於前述底層基板之前述中間層之表面進行用以形成鑽石核之偏壓處理之步驟， 使形成於前述中間層上之鑽石核成長進行磊晶成長，形成單晶鑽石層之步驟。
  17. 如請求項16之單晶鑽石層積基板之製造方法，其中使前述單晶鑽石層為{111}結晶。
  18. 如請求項16之單晶鑽石層積板，其中使前述單晶鑽石層為{001}結晶。
  19. 一種單晶鑽石自立構造基板之製造方法，其特徵係自藉由如請求項16至18中任一項之單晶鑽石層積基板之製造方法製造之單晶鑽石層積基板，僅取出前述單晶鑽石層，製造單晶鑽石自立構造基板。
  20. 一種單晶鑽石自立構造基板之製造方法，其特徵係於藉由如請求項19之單晶鑽石自立構造基板之製造方法所得之單晶鑽石自立構造基板上進而形成追加單晶鑽石層。
  21. 一種底層基板，其係單晶鑽石層積基板用之底層基板，其特徵係具有： 初期基板，及 於前述初期基板上由至少包含單晶Ir膜或單晶MgO膜之單層或層積膜所成之中間層， 且前述中間層之膜厚均一性係以全面計為±10%以內。
  22. 如請求項21之底層基板，其中前述初期基板係單晶Si基板、單晶α-Al 2O 3基板、單晶Fe基板、單晶Ni基板及單晶Cu基板之任一者。
  23. 如請求項21或22之底層基板，其中前述中間層係進而包含單晶氧化釔安定化氧化鋯膜、單晶SrTiO 3膜及單晶Ru膜之至少任一者之層積膜。
  24. 一種單晶鑽石層積基板，其特徵係於如請求項21至23中任一項之底層基板之前述中間層上具有單晶鑽石層者。
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