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KR101797428B1 - 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법 - Google Patents

단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법 Download PDF

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KR101797428B1
KR101797428B1 KR1020170020604A KR20170020604A KR101797428B1 KR 101797428 B1 KR101797428 B1 KR 101797428B1 KR 1020170020604 A KR1020170020604 A KR 1020170020604A KR 20170020604 A KR20170020604 A KR 20170020604A KR 101797428 B1 KR101797428 B1 KR 101797428B1
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히토시 노구치
쇼조 시라이
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신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명은 대면적이며 결정성이 좋은 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있고, 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 저렴하게 제조할 수 있는 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
단결정 다이아몬드를 성장시키기 위한 기재로서, 적어도, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재와, 상기 베이스 기재의 상기 단결정 다이아몬드를 성장시키는 측에 접합법으로 형성한 단결정 MgO 층과, 상기 단결정 MgO 층 위에 헤테로에피택셜 성장시킨 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 갖는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.

Description

단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법{SINGLE-CRYSTAL DIAMOND GROWTH BASE MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE-CRYSTAL DIAMOND SUBSTRATE}
본 발명은 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법에 관한 것이다.
다이아몬드는, 5.47 eV의 와이드 밴드갭이며 절연 파괴 전계 강도도 10 MV/㎝로 매우 높다. 또한 물질에서 최고의 열전도율을 갖기 때문에, 이것을 전자 디바이스에 이용하면, 고출력 전력 디바이스로서 유리하다.
또한, 다이아몬드는, 드리프트 이동도도 높고, Johnson 성능 지수를 비교하여도, 반도체 중에서 가장 고속 전력 디바이스로서 유리하다.
따라서, 다이아몬드는, 고주파·고출력 전자 디바이스에 알맞은 궁극의 반도체라고 전해지고 있다. 그 때문에, 기판으로서, 단결정의 다이아몬드를 이용한 각종 전자 디바이스의 연구가 진행되고 있다.
현재, 다이아몬드 반도체 제작용의 단결정 다이아몬드는, 대부분의 경우가 고온 고압법(HPHT)으로 합성된 Ib형 혹은 순도를 높인 IIa형이라고 불리는 다이아몬드이다.
그러나, HPHT 단결정 다이아몬드는 결정성이 높은 것을 얻을 수 있는 한편으로 대형화가 곤란하며, 사이즈가 커지면 극단적으로 가격이 비싸져, 디바이스용 기판으로서의 실용화를 곤란하게 하고 있다.
그래서, 대면적이며 또한 저렴한 단결정 다이아몬드 기판을 제공하기 위해, 기상법에 의해 합성된 CVD 단결정 다이아몬드도 연구되고 있다.
최근에는 단결정 다이아몬드로서, HPHT 단결정 다이아몬드 기재(종기재(種基材)) 위에 직접 기상 합성법으로 호모 에피택셜 성장시킨 호모 에피택셜 CVD 단결정 다이아몬드도 보고되어 있다(제20회 다이아몬드 심포지움 강연 요지집(2006), pp.6-7. 참조).
상기 방법에서는, 기재와 성장한 단결정 다이아몬드가 같은 재료이기 때문에 이들의 분리가 곤란하며, 그 때문에, 기재에 미리 이온 주입이 필요한 것이나, 성장 후도 장시간의 웨트 에칭 분리 처리가 필요한 것 등, 비용의 면에서 과제가 있다. 또한, 얻어지는 단결정 다이아몬드의 결정성도 기재에의 이온 주입이 있기 때문에, 어느 정도의 저하는 생겨 버리는 문제가 있다.
다른 방법으로서는, 단결정 MgO 기재(종기재)에 헤테로에피택셜 성장시킨 단결정 이리듐(Ir)막 위에, CVD법으로 헤테로에피택셜 성장시킨 CVD 단결정 다이아몬드도 보고되어 있다(Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 35(1996) pp. L1072-L1074 참조).
그러나, 상기 방법에서는 단결정 MgO 기판과 단결정 Ir막을 개재시켜 성장시킨 단결정 다이아몬드 사이에서 발생하는 응력(내부 응력과 열응력의 합) 때문에, 기재와 성장시킨 단결정 다이아몬드가 잘게 깨져 버리는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 대면적이며 결정성이 좋은 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있고, 고품질의 단결정 다이아몬드 기판을 저렴하게 제조할 수 있는 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 단결정 다이아몬드를 성장시키기 위한 기재로서, 적어도, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재와, 상기 베이스 기재의 상기 단결정 다이아몬드를 성장시키는 측에 접합법으로 형성한 단결정 MgO 층과, 상기 단결정 MgO 층 위에 헤테로에피택셜 성장시킨 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재를 제공한다.
이와 같이, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재 표면과, 표면을 평활 연마한 단결정 MgO를 접합시켜 얻어지는 고결정성의 단결정 MgO 층 위에 이리듐막, 로듐막, 백금막을 결정성 좋게 성장시킬 수 있고, 그 기재 위에 단결정 다이아몬드를 성장시킴으로써, 고결정성의 단결정 다이아몬드를 얻을 수 있다.
또한, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재이면, 다이아몬드와의 열팽창 계수가 비교적 근접하여, 단결정 다이아몬드 성장 시의 열팽창에 의해 생기는 응력을 작게 할 수 있으며, 단결정 다이아몬드나 기재가 깨지는 일도 거의 없다. 또한, 이러한 베이스 기재 위에 MgO 층, 추가로 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 가짐으로써, 단결정 다이아몬드 성장 시에 양호한 버퍼층으로서 기능한다.
그리고 MgO 층은, 단결정 MgO 기판과 베이스 기재를 접합하여 형성한 것이며, MgO 층을 헤테로에피택셜 성장시키는 것보다도 용이하게 고결정성의 단결정 MgO 층을 형성할 수 있어, 높은 생산성으로 제조된 것이 된다.
이상으로부터, 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재이면, 대면적이며 고결정성인 단결정 다이아몬드를 저비용으로 성장시킬 수 있는 기재가 된다.
여기서, 상기 베이스 기재는 Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, 다이아몬드, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 것으로 할 수 있다.
베이스 기재가, Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 것은, 염가이며, 또한 평활한 연마 표면을 얻을 수 있다. 또한, 다이아몬드(HPHT, 다결정)로 이루어지는 것이면, 성장시키는 다이아몬드와 동일 재료이기 때문에, 열팽창에 따른 응력은 거의 생기지 않아, 대면적의 단결정 다이아몬드를 얻을 수 있는 기재가 된다.
이때, 상기 베이스 기재의 두께가, 0.03∼20.00 ㎜인 것이 바람직하다.
이러한 두께의 베이스 기재이면, 핸들링이 용이하다. 또한, 두께가 20.00 ㎜ 이하이면, 양면 연마 등도 양호하게 행할 수 있다.
이때, 상기 단결정 MgO 층의 두께가, 0.1∼100 ㎛인 것이 바람직하다.
이와 같이, 단결정 MgO 층의 두께는, 0.1 ㎛ 이상이면 가공 기술상, 막 두께 균일성이 높은 것이 되고, 두께가 100 ㎛ 이하이면 기재나 단결정 다이아몬드와의 사이에 발생하는 응력이 작기 때문에, 확실하게 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있다.
이때, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막을, 상기 단결정 MgO 층 위에 스퍼터법으로 헤테로에피택셜 성장시킨 것으로 할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 기재의 이리듐막, 로듐막, 백금막은, 스퍼터법으로 헤테로에피택셜 성장시킨 것으로 할 수 있다.
이때, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 두께가, 5 Å∼100 ㎛인 것이 바람직하다.
이와 같이, 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나의 막의 두께가 5 Å 이상이면 막 두께 균일성과 결정성이 충분히 높아진다. 또한 두께가 100 ㎛ 이하이면 기재나 단결정 다이아몬드와의 사이에 발생하는 응력이 작기 때문에, 확실하게 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있어, 더욱 저렴한 기재가 된다.
이때, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 표면이, 바이어스 처리를 실시한 것인 것이 바람직하다.
이와 같이, 바이어스 처리를 실시한 것이면, 표면에 다이아몬드 성장핵이 형성될 수 있기 때문에, 단결정 다이아몬드를 결정성 좋게, 충분한 성장 속도로 성장시킬 수 있는 기재가 된다.
또한, 본 발명에서는, 단결정 다이아몬드 기판을 제조하는 방법으로서, 적어도, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재를 준비하는 공정과, 상기 준비한 베이스 기재 위에 단결정 MgO 층을 접합시키는 공정과, 상기 접합시킨 단결정 MgO 층 위에 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 헤테로에피택셜 성장시키는 공정과, 상기 헤테로에피택셜 성장시킨 상기 막 위에 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시키는 공정과, 상기 헤테로에피택셜 성장시킨 단결정 다이아몬드를 분리시켜, 단결정 다이아몬드 기판을 얻는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 제공한다.
이와 같이, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재 위에 접합법으로 형성한 고결정성의 단결정 MgO 층 위이면, 이리듐막, 로듐막, 백금막을 결정성 좋게 성장시킬 수 있고, 결정성이 좋은 이리듐막, 로듐막, 백금막 위에 고결정성의 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있다. 또한, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재이면, 단결정 다이아몬드 성장 시에 생기는 열팽창에 따른 응력이 작기 때문에, 베이스 기재, 단결정 다이아몬드와 함께 깨지는 일은 거의 없다.
이상으로부터, 본 발명의 제조 방법이면, 저렴하며 고결정성의 단결정 다이아몬드 기판을 효율적으로 제조할 수 있다.
여기서, 상기 준비하는 베이스 기재로서, Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, 다이아몬드, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 기판을 준비할 수 있다.
베이스 기재로서, Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 기재를 준비하는 경우는, 그 기재 자체가 염가이며, 또한 평활한 연마 표면을 얻을 수 있다. 또한, 다이아몬드(HPHT, 다결정)로 이루어지는 것으로는, 성장시키는 다이아몬드와 동일 재료이며, 열팽창에 따른 응력은 거의 생기지 않기 때문에, 대면적의 단결정 다이아몬드를 얻는데 특히 적합한 기재가 된다.
이때, 상기 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시키는 공정 전에, 미리, 상기 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시키는 면에 대하여 바이어스 처리를 실시하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 미리 바이어스 처리를 실시함으로써, 표면에 다이아몬드 성장핵이 형성되고, 단결정 다이아몬드를 결정성 좋게, 충분한 성장 속도로 성장시킬 수 있다.
이때, 상기 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시키는 공정에서, 마이크로파 CVD법 또는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 제조 방법에서, 단결정 다이아몬드는, 마이크로파 CVD법 또는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 헤테로에피택셜 성장시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법에 따르면, 대면적이며 고결정성인 단결정 다이아몬드를 저비용으로 성장시킬 수 있고, 고품질의 단결정 다이아몬드 기판도 생산성 좋게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재의 실시양태의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법의 실시양태의 일례를 나타내는 흐름도이다.
종래, 비용적으로 유리한 CVD법으로 단결정 다이아몬드를 얻고자 하면, 성장한 단결정 다이아몬드 부분을 파손 없이 용이하게 분리할 수 없는 것, 또한 고결정성이며 대면적인 단결정 다이아몬드를 성장시키기 어렵다고 하는 문제가 있었다.
이 때문에, 본 발명자들은 기재의 종류나 구조, 또한 단결정의 제조 방법에 대해서 예의 연구를 거듭하였다.
그 결과, 본 발명자들은 단결정 다이아몬드 층과의 사이에서 주로 응력을 발생하는 주구성 기재로서, 다이아몬드와 선팽창 계수차가 비교적 작은 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재를 이용함으로써, 종래의 MgO 종기재를 이용한 경우에 비해서 열팽창에 의해 생기는 응력이 작으며, 그 결과, 전체의 균열을 방지할 수 있는 것을 발견하였다(선팽창 계수에 대해서는 하기 표 1 참조).
Figure 112017015744294-pat00001
또한, 이와 같은 베이스 기재와 단결정 MgO 기판을 접합시켜, 베이스 기재 위에 고결정성의 단결정 MgO 층을 얻을 수 있다.
그리고 상기 단결정 MgO 층을 종기재로 하여, 그 위에 단결정 Ir(이리듐)막 또는 단결정 Rh(로듐)막 또는 단결정 Pt(백금)막을 결정성 좋게 헤테로에피택셜 성장시킬 수 있다. 그리고, 그 고결정성 재료의 것을 기재로 하여, 그 위에 CVD법으로 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시키면, 높은 결정성의 단결정 다이아몬드를 얻을 수 있는 것을 발견하였다.
또한, 이 기재 위에서 성장시킨 단결정 다이아몬드는, 웨트 에칭법으로 용이하게 분리가 가능하며, 기재 부분을 기계적 연마법에 의해 제거함으로써 분리하는 것도 가능한 것을 확인하여, 본 발명을 완성시켰다.
이하, 본 발명에 대해서, 실시양태의 일례로서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재의 실시양태의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 1에 나타내는 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재(10)는, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재(13)와, 베이스 기재(13)의 단결정 다이아몬드를 성장시키는 측에 접합법으로 형성한 단결정 MgO 층(11)과, 단결정 MgO 층(11) 위에 헤테로에피택셜 성장시킨 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막(12)으로 이루어지는 것이다.
이와 같이, 주구성 기재가, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재이면, 반도체 디바이스용으로서 대량으로 생산되고 있고, 염가이며 매우 결정성이 좋은 것을 얻을 수 있다. 또한 베이스 기재 위에 접합법으로 형성한 고결정성의 단결정 MgO 층을 종기재로 하기 때문에, 그 결정성이 좋은 표면 위에 형성되는 이리듐막, 로듐막, 백금막에 대해서도 결정성이 좋은 것이 되고, 그 기재 위에 단결정 다이아몬드를 성장시키면, 고결정성의 단결정 다이아몬드를 얻을 수 있다.
또한, 주구성 기재가, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재이면, 단결정 MgO 기판을 베이스 기재로 하는 경우에 비해서, 다이아몬드와의 열팽창 계수가 비교적 비슷하기 때문에, 열팽창에 의한 응력으로 단결정 다이아몬드나 기재 자체가 깨지는 일도 거의 없다.
또한, 베이스 기재 위에 단결정 MgO 층, 또한 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나의 막을 가짐으로써, 단결정 다이아몬드 성장 시에 양호한 버퍼층으로서 기능한다. 즉, 전술한 바와 같이 단결정 MgO는 다이아몬드와 선팽창 계수가 대폭 다르지만, 본 발명에서는 층의 양태이기 때문에, 응력을 흡수할 수 있어, 다이아몬드의 성장에서 특별히 문제는 되지 않는다. 오히려, 다이아몬드 성장 후에 분리할 때에, MgO 층의 존재에 의해, 단결정 다이아몬드막이 박리하기 쉬워진다고 하는 이점이 있다.
이러한 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재의 제작 방법 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법의 일례를, 이하 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법의 실시양태의 일례를 나타내는 흐름도이다.
도 2의 (a)에 나타내는 바와 같이, 우선 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재(13)를 준비한다.
여기서, 베이스 기재(13)는, Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, 다이아몬드, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 것으로 할 수 있다.
베이스 기재로서, Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 것을 이용하면, 이들 재료는 준비가 용이하기 때문에 염가이며, 또한 정밀도가 높은 연마를 행할 수 있기 때문에, 평활한 연마 표면, 즉 평탄한 접합면으로 할 수 있다. 여기서, Al2O3, SiC, AlN, Si3N4의 경우는, 소결체로 하는 것이 바람직하다. 또한, 다이아몬드(HPHT, 다결정)로 이루어지는 베이스 기재이면, 성장시키는 다이아몬드와 동일 재료이며, 기재와 성장 다이아몬드 사이의 열팽창에 의한 응력이 거의 생기는 일이 없어, 대면적의 단결정 다이아몬드를 보다 효율적으로 제조할 수 있는 기재가 된다.
또한 이 베이스 기재(13)의 두께는, 0.03∼20.00 ㎜로 할 수 있다.
베이스 기재의 두께가 0.03 ㎜ 이상이면, 핸들링이 용이하다. 20.00 ㎜ 이하이면, 필요 이상으로 지나치게 두꺼운 일도 없고, 비용적으로도 유리하며, 마무리 양면 연마 가공 등을 용이하게 행할 수 있기 때문에, 표면 상태를 보다 좋은 상태로 할 수 있어, 후속 공정에서의 접합을 양호하게 행할 수 있다.
다음에, 도 2의 (b)에 나타내는 바와 같이, 상기 베이스 기재 표면과 마찬가지로 평활한 접합면으로 마무리한 단결정 MgO 기판을 접합시켜, 단결정 MgO 층(11)을 형성한다.
이 접합은, 양접 합면을 플라즈마 처리나 웨트 에칭 등으로 청정 및 활성화한 후에 행하면 효과적이다.
또한, 이 접합 공정의 수율을 올리기 위해, 접합 계면에, 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 이리듐(Ir), 로듐(Rh) 등의 금속, 혹은 실리콘(Si), 산화 실리콘(SiO2) 등의 박막 또는 이들 적층막을, 0.001∼1000 ㎛의 두께로 형성한 층을 개재시켜 행할 수 있다.
그리고, 접합시키는 MgO 기판은, 예컨대 양면 연마한 직경 25 ㎜이며 두께 300 ㎛의 단결정 MgO 기판을 준비할 수 있다.
또한, 접합시키는 단결정 MgO 기판은, 통상 200 ㎛에서 1000 ㎛ 두께 정도이지만, 단결정 다이아몬드 성장 후의 응력 저감을 위해서는 얇게 가공하는 편이 바람직하다.
예컨대 MgO 층의 얇게 하고자 하는 부분까지 수소, 산소, 카본 등의 이온을 주입하여, 접합 후에 필요에 따라 가열로 분리, 추가로 연마 가공으로 두께 조정 및 평활면 마무리하여도 좋다. 또는 접합 후에 단순히 연마 가공만으로 두께 조정 및 평활면 마무리하여도 좋다.
그리고, 접합 후의 단결정 MgO 층의 두께를, 0.1∼100 ㎛로 할 수 있다.
이와 같이, 단결정 MgO 층의 두께가 0.1 ㎛ 이상이면 높은 막 두께 균일성으로 박화 가공을 할 수 있다. 두께가 100 ㎛ 이하이면 기재나 단결정 다이아몬드와의 사이에 발생하는 응력이 작기 때문에 보다 확실하게 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있어, 더욱 비용적으로 유리해져 염가로 할 수 있다.
다음에, 도 2의 (c)에 나타내는 바와 같이, 단결정 MgO 층(11) 위에 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막(12)을, 예컨대 스퍼터법으로 헤테로에피택셜 성장시킨다.
이때의 성장 조건 등은 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 R. F. 마그네트론 스퍼터법으로 충분한 속도로 성장시킬 수 있다.
또한, 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막(12)의 두께를, 5 Å∼100 ㎛로 할 수 있다.
이와 같이, 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막의 두께가 5 Å 이상이면 막 두께 균일성과 결정성이 높고, 두께가 100 ㎛ 이하이면 기재나 단결정 다이아몬드와의 사이에 발생하는 응력이 작기 때문에 보다 확실하게 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있어, 더욱 비용을 저감할 수 있다.
상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재(10)를 제작할 수 있다. 여기서, 후속 공정의 단결정 다이아몬드 성장 전에, 단결정 다이아몬드 기재(10)의 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막(12)의 표면에 바이어스 처리를 실시할 수 있다.
이 바이어스 처리는, 예컨대, 일본 특허 공개 제2007-238377호 공보에 기재된 바와 같은 방법으로, 우선, 미리 기재측 전극을 캐소드로 한 직류 방전으로 다이아몬드 성장핵을 형성하는 전처리를 행하여, 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막의 표면에 방위가 맞추어진 다이아몬드 성장핵을 형성한다. 이에 따라, 후속 공정에서, 단결정 다이아몬드를 결정성 좋게, 충분한 성장 속도로 성장시킬 수 있다.
다음에, 도 2의 (d)에 나타내는 바와 같이, 단결정 다이아몬드(14)를 예컨대 마이크로파 CVD법 또는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 헤테로에피택셜 성장시킨다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는, 기재 중에서 가장 두꺼우며 열팽창에 의해 응력이 발생하기 쉬운 종기재로서 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재를 이용하고 있기 때문에, 단결정 다이아몬드 성장 시에도 응력은 생기기 어려우며 깨짐을 방지할 수 있다. 또한, 고결정성 단결정 MgO 층 위에 형성한 이리듐막, 로듐막, 백금막도 결정성이 좋기 때문에, 고결정성의 단결정 다이아몬드를 성장시킬 수 있다.
다음에, 도 2의 (e)에 나타내는 바와 같이, 단결정 다이아몬드(14)를 분리시켜, 단결정 다이아몬드 기판(15)을 얻는다.
분리시키는 방법으로서는, 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 인산 용액이나 열혼합산 등의 웨트 에칭액에 담그어, 단결정 다이아몬드/이리듐막과 MgO 층/베이스 기재로 분리한 후에, 기계적 연마법으로 남은 이리듐막을 제거함으로써 단결정 다이아몬드 기판을 얻을 수 있다. 또한, 웨트 에칭액에 침지시키지 않고, 이리듐막/MgO 층/베이스 기재를 한번에 기계적 연마법으로 제거하여도 좋다.
이러한, 본 발명의 단결정 다이아몬드 성장용 기재 및 단결정 다이아몬드 기판의 제조 방법을 이용함으로써, 디바이스 용도에서도 사용 가능한 대면적이며 고결정성인 단결정 다이아몬드 기판을 저비용으로 제조할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.
(실시예 1)
직경 25.0 ㎜, 두께 0.38 ㎜이며 방위 (100)의 양면 연마 가공 단결정 실리콘 기판을 베이스 기재로서 준비하였다. 그리고, 이 베이스 기재의 단결정 다이아몬드 성장을 행하는 면측에, 직경 25.0 ㎜, 두께 0.30 ㎜이며 방위 (100)의 양면 연마 가공 단결정 MgO 기판을 준비하였다.
양접합면을 RCA 세정 및 아르곤 이온빔으로 청정화 및 활성화한 후, 직접 접합으로 접합을 행하였다.
그 후, 기계적 연마법으로 단결정 MgO 부분을 얇게 가공하여, 2 ㎛ 두께의 단결정 MgO 층으로 마무리하였다.
다음에, 이 단결정 MgO 층 위에 이리듐(Ir)막을 헤테로에피택셜 성장시켰다. 막 형성은, Ir을 타겟으로 한 R. F. 마그네트론 스퍼터법으로, Ar 가스 6×10-2 Torr, 기판 온도 700℃의 조건으로, 단결정 Ir막 두께가 1.5 ㎛가 될 때까지 스퍼터하여 마무리하였다.
또한, 바이어스 처리 및 DC 플라즈마 CVD를 행할 때의 전기적 도통을 위해, 기판 온도를 100℃로 한 것 외에는 동일한 조건으로, 이면에도 Ir을 1.5 ㎛ 성장시켰다.
다음에, 이 기재의 단결정 Ir막의 표면에 다이아몬드의 핵을 형성하기 위한 바이어스 처리를 행하였다.
우선, 기재를 바이어스 처리 장치의 부전압 인가 전극(캐소드) 위에 셋트하고, 진공 배기를 행하였다. 다음에, 기재를 600℃로 가열하고 나서, 3 vol.% 수소 희석 메탄 가스를 도입하고, 압력을 160 h㎩(120 Torr)로 하여, 바이어스 처리를 행하였다. 즉, 양전극 사이에 DC 전압을 인가하여, 소정의 직류 전류를 흐르게 하였다.
그리고 마지막으로, 이 바이어스 처리가 끝난 기재 위에, DC 플라즈마 CVD법에 의해, 900℃에서 30시간, 단결정 다이아몬드를 헤테로에피택셜 성장시켰다.
성장 종료 후, 벨자아(bell jar)로부터 취출한 제조물은, 균열이 없는 다이아몬드/Ir/MgO/Si의 적층 구조체였다. 그래서, 기계적 연마법으로, 이면의 Ir/MgO/Si 기재 부분을 제거하여, 단결정 다이아몬드의 자립 구조(단결정 다이아몬드 기판)로 하였다. 이 표면도 마무리 연마를 행하여, 디바이스 용도에서도 사용할 수 있는 레벨의 면 거칠기로 마무리하였다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은, 라만 분광, XRD 록킹 커브, 단면 TEM, 캐소드 루미네슨스(CL)로 평가한 바, 충분한 결정성인 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 2)
실시예 1에서, 베이스 기재와 단결정 MgO의 양방의 접합면에, 스퍼터법으로 1 ㎚ 두께의 금(Au) 박막을 형성하고 나서, 접합을 행한 것 이외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장까지의 여러가지 공정을 행하였다.
성장 종료 후, 벨자아로부터 취출한 제조물은, 실시예 1에 비해서 접합면의 보이드의 발생이 1/2 이하로 감소하고 있고, 또한 균열이 없는 다이아몬드/Ir/MgO/Au/Si의 적층 구조체였다.
그래서, 기계적 연마법으로, 이면의 Ir/MgO/Si 기재 부분을 제거하여, 단결정 다이아몬드의 자립 구조(단결정 다이아몬드 기판)로 하였다. 이 표면도 마무리 연마를 행하여, 디바이스 용도에서도 사용할 수 있는 레벨의 면 거칠기로 마무리하였다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은, 라만 분광, XRD 록킹 커브, 단면 TEM, 캐소드 루미네슨스(CL)로 평가한 바, 충분한 결정성인 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 3)
베이스 기재인 단결정 실리콘에 접합시킨 단결정 MgO 부분을 얇게 가공하는데, 이온 주입 분리법을 이용하였다.
단결정 MgO 기판 표면의 실리콘 기판에 접합하는 면으로부터 약 3 ㎛의 깊이에 수소 이온을 주입한 후, 양접합면을 RCA 세정 및 아르곤 이온빔으로 청정화 및 활성화한 후, 직접 접합으로 접합을 행하였다. 그 후, 400℃에서 1 h 열처리를 행하여, 실리콘측 단결정 MgO 부분을 수소 이온 주입층을 경계로 하여 약 3 ㎛ 두께로 분리하였다. 추가로 기계적 연마법으로 단결정 MgO 부분을 얇게 가공하여, 2 ㎛ 두께의 단결정 MgO 층으로 마무리하였다.
그 후의 공정은 실시예 1과 마찬가지로, Ir 성장, 바이어스 처리를 행하여, 기재를 준비하고, 그 위에 DC 플라즈마 CVD법으로의 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장을 행하였다.
성장 종료 후, 벨자아로부터 취출한 제조물은, 균열이 없는 다이아몬드/Ir/MgO/Si의 적층 구조체였다. 그래서, 기계적 연마법으로, 이면의 Ir/MgO/Si 기재 부분을 제거하여, 단결정 다이아몬드의 자립 구조(단결정 다이아몬드 기판)로 하였다. 이 표면도 마무리 연마를 행하여, 디바이스 용도에서도 사용할 수 있는 레벨의 면 거칠기로 마무리하였다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은, 라만 분광, XRD 록킹 커브, 단면 TEM, 캐소드 루미네슨스(CL)로 평가한 바, 충분한 결정성인 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 4)
실시예 1에 있어서, 베이스 기재로서, 양면 연마 가공 단결정 실리콘 기판이 아니라, 양면 연마 가공 SiO2 기판을 이용한 것 이외에는 동일한 방법으로 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장까지의 여러가지 공정을 행하였다.
성장 종료 후, 벨자아로부터 취출한 제조물은, 균열이 없는 다이아몬드/Ir/MgO/SiO2의 적층 구조체였다. 그래서, 기계적 연마법으로, 이면의 Ir/MgO/SiO2기재 부분을 제거하여, 단결정 다이아몬드의 자립 구조(단결정 다이아몬드 기판)로 하였다. 이 표면도 마무리 연마를 행하여, 디바이스 용도에서도 사용할 수 있는 레벨의 면 거칠기로 마무리하였다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은, 라만 분광, XRD 록킹 커브, 단면 TEM, 캐소드 루미네슨스(CL)로 평가한 바, 충분한 결정성인 것을 확인할 수 있었다.
(실시예 5)
실시예 1에 있어서, 베이스 기재로서, 양면 연마 가공 단결정 실리콘 기판이 아니라, 양면 연마 가공 SiC 기판을 이용한 것 이외에는 동일한 방법으로 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장까지의 여러가지 공정을 행하였다.
성장 종료 후, 벨자아로부터 취출한 제조물은, 균열이 없는 다이아몬드/Ir/MgO/SiC의 적층 구조체였다. 그래서, 기계적 연마법으로, 이면의 Ir/MgO/SiC 기재 부분을 제거하여, 단결정 다이아몬드의 자립 구조(단결정 다이아몬드 기판)로 하였다. 이 표면도 마무리 연마를 행하여, 디바이스 용도에서도 사용할 수 있는 레벨의 면 거칠기로 마무리하였다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은, 라만 분광, XRD 록킹 커브, 단면 TEM, 캐소드 루미네슨스(CL)로 평가한 바, 충분한 결정성인 것을 확인할 수 있었다.
(비교예 1)
종기재로서, 한 변이 5.0 ㎜인 정사각형, 두께 0.5 ㎜이며 방위 (100)의 양면 연마 가공 단결정 MgO 기판을 사용하는 것 외에는, 실시예와 마찬가지로, Ir 성장, 바이어스 처리를 행하여, 기재를 준비하고, 그 위에 DC 플라즈마 CVD법으로 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장을 행하였다.
벨자아를 열어, 챔버 내의 제조물을 보면, 기재 및 단결정 다이아몬드 부분 모두 한 변이 1 ㎜인 정사각형 정도의 작은 파편으로 깨져 있었다. 이 파편 하나를 취하여, 결정성을 평가한 바, 라만 반치폭도 넓고, 단면 TEM에서도 전위 결함이 많이 존재하는 등, 디바이스 용도로서는 불충분한 레벨이었다.
(비교예 2)
종기재로서, 한 변이 5.0 ㎜인 정사각형, 두께 120 ㎛이며 방위 (100)의 양면 연마 가공 단결정 MgO 기판을 사용하는 것 외에는, 실시예와 마찬가지로, Ir 성장, 바이어스 처리를 행하여, 기재를 준비하고, 그 위에 DC 플라즈마 CVD법으로 단결정 다이아몬드의 헤테로에피택셜 성장을 행하였다.
벨자아를 열어, 챔버 내의 제조물을 보면, 기재 및 단결정 다이아몬드 부분 모두 한 변이 1 ㎜인 정사각형 정도의 작은 파편으로 깨져 있었다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 가져오는 것은, 어떠한 것이더라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
10…단결정 다이아몬드 성장용 기재, 11…단결정 MgO 층, 12…이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막, 13…베이스 기재, 14…단결정 다이아몬드, 15…단결정 다이아몬드 기판.

Claims (21)

  1. 단결정 다이아몬드를 성장시키기 위한 기재로서, 선팽창 계수가 MgO보다도 작고, 또한 0.5×10-6/K 이상인 재료로 이루어지는 베이스 기재와, 상기 베이스 기재의 상기 단결정 다이아몬드를 성장시키는 측에, 단결정 MgO 기판을, 금(Au), 백금(Pt), 티탄(Ti), 크롬(Cr), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 실리콘(Si), 산화 실리콘(SiO2)으로 이루어지는 군에서 선택되는 박막, 또는 이들 적층막을 개재하여 접합시켜 형성한 단결정 MgO 층과, 상기 단결정 MgO 층 위에 헤테로에피택셜 성장시킨 이리듐막, 로듐막, 백금막 중 어느 하나로 이루어지는 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기재가 Al2O3, SiC, AlN, Si, Si3N4, 다이아몬드, SiO2 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기재의 두께가 0.03∼20.00 ㎜인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  4. 제2항에 있어서, 상기 베이스 기재의 두께가 0.03∼20.00 ㎜인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단결정 MgO 층의 두께가 0.1∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  6. 제2항에 있어서, 상기 단결정 MgO 층의 두께가 0.1∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  7. 제3항에 있어서, 상기 단결정 MgO 층의 두께가 0.1∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  8. 제4항에 있어서, 상기 단결정 MgO 층의 두께가 0.1∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막을, 상기 단결정 MgO 층 위에 스퍼터법으로 헤테로에피택셜 성장시킨 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 두께가 5 Å∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  11. 제9항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 두께가 5 Å∼100 ㎛인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 표면이, 바이어스 처리가 실시된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  13. 제9항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 표면이, 바이어스 처리가 실시된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  14. 제10항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 표면이, 바이어스 처리가 실시된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
  15. 제11항에 있어서, 상기 이리듐막, 상기 로듐막, 상기 백금막 중 어느 하나의 막의 표면이, 바이어스 처리가 실시된 것인 것을 특징으로 하는 단결정 다이아몬드 성장용 기재.
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