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CN107923066A - 金刚石基板和金刚石基板的制造方法 - Google Patents

金刚石基板和金刚石基板的制造方法 Download PDF

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CN107923066A
CN107923066A CN201680044338.4A CN201680044338A CN107923066A CN 107923066 A CN107923066 A CN 107923066A CN 201680044338 A CN201680044338 A CN 201680044338A CN 107923066 A CN107923066 A CN 107923066A
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CN
China
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diamond
diamond substrate
cvd diamond
cvd
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Application number
CN201680044338.4A
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会田英雄
小山浩司
池尻宪次朗
金圣祐
菊地祐贵
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Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
Original Assignee
Adamant Namiki Precision Jewel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

提供一种自支撑的金刚石基板和制造该金刚石基板的方法，在由金刚石构成的基板中，不但抑制了翘曲量，还抑制了遍及整个基板表面的晶轴的角度偏差。准备基底基板，在该基底基板的单面上形成多个由金刚石单晶体构成的柱状金刚石，使金刚石单晶体从各柱状金刚石的末端生长，使从各柱状金刚石的末端生长的各金刚石单晶体聚结而形成金刚石基板层，使金刚石基板层从基底基板分离，由金刚石基板层制造出金刚石基板，由此，使金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，并且使金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。

Description

金刚石基板和金刚石基板的制造方法
技术领域
本发明涉及金刚石基板和金刚石基板的制造方法。
背景技术
金刚石作为半导体材料而具有很多无法比拟的优异特性，其被期待作为终极的半导体基板。特别是在近年来，发挥出较宽带隙的紫外发光元件和具有优异的高频特性的场效应晶体管等金刚石薄膜器件被不断开发。
上述金刚石薄膜器件是使用等离子CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)法而制成的。此时，能够使用金属或硅来作为用于使金刚石薄膜生长的基底基板。为了得到结晶性更高的金刚石薄膜，优选将金刚石基板用于基底基板而使金刚石薄膜进行同质外延生长，能够提高金刚石薄膜器件的特性。
为了得到优质且均质的金刚石薄膜，要求最适合的生长条件和作为与该条件相匹配的基底基板的金刚石基板。为了得到均质的金刚石薄膜，需要在作为基底基板的金刚石基板的整个面内区域中使成膜条件均匀。在利用等离子CVD法而使金刚石薄膜生长时，通过获得基于等离子的加热和基于水冷基台的冷却之间的平衡而将基板温度保持为固定。此时，如果作为基底基板的金刚石基板的凹凸较尖锐，则与冷却基台的接触会变得不均匀，从而处于生长中的金刚石基板的温度会变得不均匀，其结果，在基底基板生长的金刚石薄膜的品质会变得不均匀。
此外，为了进行良好的同质外延生长，如非专利文献1所公开的那样，报道了如下内容：作为基底基板的金刚石基板的晶轴的角度偏差优选在3.5°±1.5°以内。
即，为了使优质的金刚石薄膜均质地生长，要求作为基底基板的金刚石基板的凹凸较小，且金刚石基板面内的晶轴的角度偏差的均匀性较高。
目前，关于作为基底基板的金刚石基板的制作方法，HTHP法(High TemperatureHigh Pressure：高温高压法)是主流，在市场中流通的人工金刚石大多是以该方法生产出的。
使用以HTHP法制成的底层金刚石基板，确保了温度和偏角的面内均匀性，制作出了高品质的金刚石薄膜。但是，在今后利用金刚石来作为半导体器件的情况下，从该器件的生产率这一观点出发，需要将直径2英寸(约50mm)以上的大面积的金刚石基板作为基底基板。但是，对于现有的HTHP法而言，无法制造大面积的金刚石基板。为了解决该问题，开发了使基底基板用的大面积金刚石晶体在MgO基板上生长的异质外延生长，使得大面积的金刚石基板成为了现实。
在先技术文献
专利文献
非专利文献1：Further improvement in high crystalline quality ofhomoepitaxial CVD diamond,H.Miyake,K.Arima,O.Maida,T.Teraji and T.Ito,16(2007)679-684.
发明内容
发明所要解决的课题
面向金刚石基板的大面积化而正在进行异质外延生长技术的开发。但是还没有实现凹凸较小且晶轴的角度偏差的面内均匀性较高的金刚石基板的先例。其原因是，当欲利用异质外延生长法来制作大面积的金刚石晶体时，在基底基板上生长的金刚石晶体会由于与基底基板之间的热膨胀系数的差异或晶格常数的差异而翘曲。当如图35的(a)所示那样将翘曲的金刚石晶体加工成基板形状时，虽然加工出来的金刚石基板的表面如图35的(b)所示那样成为无翘曲的平坦面，但面内的晶轴的角度会发生偏差。在该情况下，即使进行加工来调节金刚石基板面内的晶轴角度的中央值，但如果基板面内的晶轴的角度偏差为3°以上，则会产生从3.5°±1.5°偏离的区域，从而导致金刚石薄膜的品质会下降。
与此相反，当依照翘曲的金刚石基板的形状而进行表面的研磨加工时，所加工出的金刚石基板表面的晶轴的角度偏差如图35的(c)所示。虽然看上去能够观察到晶轴的角度发生了偏差，但如果微观地观察，金刚石基板的实际表面与晶轴所形成的角度是均匀的，从结晶生长的观点出发，可以说晶轴的角度偏差的面内均匀性较高。但另一方面，关于金刚石基板的形状，在加工后也依然维持了加工前的翘曲。
因此，为了使优质的金刚石薄膜均质地生长，要求作为基底基板的金刚石基板的凹凸较小且金刚石基板面内的晶轴的角度偏差的均匀性较高。
本发明是鉴于上述情况而被完成的，其课题在于提供如下的金刚石基板和该基板的制造方法，该金刚石基板由金刚石单晶体构成，能够将基板的厚度方向上的基板最高部与最低部之差抑制在规定的范围内(超过0μm且在485μm以下)，并且还能够将遍及整个基板表面的晶轴的角度偏差也抑制在规定的范围内(超过0°且在3.00°以下)。
用于解决课题的方法
所述课题通过以下的本发明来解决。即，本发明的金刚石基板的特征在于，本发明的金刚石基板由金刚石单晶体构成，金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。
此外本发明的金刚石基板的制造方法的特征在于，准备基底基板，在该基底基板的单面上形成多个由金刚石单晶体构成的柱状金刚石，使金刚石单晶体从各柱状金刚石的末端生长，使从各柱状金刚石的末端生长的各金刚石单晶体聚结而形成金刚石基板层，使金刚石基板层从基底基板分离，由金刚石基板层制造出金刚石基板，使金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，并且使金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。
发明效果
根据上述特征，在本发明的金刚石基板及其制造方法中，能够将金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差预先抑制为超过0μm且在485μm以下，并且能够将整个金刚石基板表面上的晶轴的角度偏差抑制为超过0°且在3.00°以下。因此，由于能够降低在金刚石基板的整个表面上形成的半导体膜的晶轴从金刚石基板的晶轴的偏差受到的影响，因此会降低半导体膜的晶轴的角度偏差，并能够抑制半导体膜的特性在面内发生偏差。同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更均匀，因此仍然能够抑制半导体膜的特性在面内发生偏差。
附图说明
图1为示意性地示出本实施方式的金刚石基板的一个示例的立体图。
图2为示意性地示出本实施方式的金刚石基板的翘曲形态和遍及整个基板表面的晶轴的一个示例的侧剖视图。
图3为示意性地示出本实施方式的金刚石基板的翘曲形态和遍及整个基板表面的晶轴的其他示例的侧剖视图。
图4为示意性地示出本实施方式的金刚石基板的翘曲形态和遍及整个基板表面的晶轴的另一个示例的侧剖视图。
图5为示出本实施方式的金刚石基板的制造方法的第一实施方式的基底基板的示意性的说明图。
图6为示出金刚石基板的制造方法的第一实施方式的带金刚石层的基底基板的状态的示意性的说明图。
图7为示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的示意图。
图8为示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的立体图。
图9为示出形成有金刚石基板层的、带柱状金刚石的基底基板的示意图。
图10为示出形成有金刚石基板层的、带柱状金刚石的基底基板的立体图。
图11为示出产生了拉伸应力而呈凸状翘曲的金刚石基板层、基底基板以及各柱状金刚石的示意性的说明图。
图12为示出柱状金刚石被破坏而使金刚石基板层与基底基板分离的状态的示意图。
图13为示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的其它形态的示意图。
图14为示意性地示出本实施方式的金刚石基板的制造方法的第二实施方式的基底基板的一个示例的侧视图。
图15为图14所示的基底基板的俯视图。
图16为示意性地示出金刚石基板的制造方法的第二实施方式的基底基板的其他示例的侧视图。
图17为图16所示的基底基板的俯视图。
图18为示意性地示出金刚石基板的制造方法的第二实施方式的带金刚石层的基底基板的一个示例的侧视图。
图19为示出单个基底基板的制作方法的一个示例的侧视图。
图20为示意性地示出金刚石基板的制造方法的第二实施方式的带金刚石层的基底基板的其他示例的侧视图。
图21为示意性地示出金刚石基板的制造方法的第二实施方式的带金刚石层的基底基板的另一个示例的侧视图。
图22为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的一个示例的侧视图。
图23为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的其他示例的侧视图。
图24为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的另一个示例的侧视图。
图25为示意性地示出在多个基底基板中的1个上形成有多个柱状金刚石的状态的立体图。
图26为示意性地示出形成有金刚石基板层的、带柱状金刚石的基底基板的一个示例的侧视图。
图27为示意性地示出形成有金刚石基板层的、带柱状金刚石的基底基板的其他示例的侧视图。
图28为示意性地示出形成有金刚石基板层的、带柱状金刚石的基底基板的另一个示例的侧视图。
图29为示意性地示出柱状金刚石被破坏而使金刚石基板层与基底基板分离的状态的一个示例的侧视图。
图30为示意性地示出柱状金刚石被破坏而使金刚石基板层与基底基板分离的状态的其他示例的侧视图。
图31为示意性地示出柱状金刚石被破坏而使金刚石基板层与基底基板分离的状态的又一个示例的侧视图。
图32为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的其它形态的一个示例的侧视图。
图33为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的其它形态的其他示例的侧视图。
图34为示意性地示出形成有多个柱状金刚石的基底基板的其它形态的又一个示例的侧视图。
图35的(a)为示出异质外延生长法下的基底基板与金刚石的状态的示意性的说明图。图35的(b)为示出从图35的(a)的金刚石取出的金刚石基板的晶轴的角度的一个示例的示意图。图35的(c)为示出依照翘曲的金刚石基板的形状实施表面的研磨加工而加工出的金刚石基板表面的晶轴的角度偏差的示意图。
具体实施方式
本实施方式的第一特征在于，金刚石基板由金刚石单晶体构成，金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。根据该结构，能够降低在金刚石基板的整个表面上形成的半导体膜的晶轴从金刚石基板的晶轴的偏差所受到的影响，因此半导体膜的晶轴的角度偏差被降低，能够抑制半导体膜的特性在面内发生偏差。同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更均匀，因此仍然能够抑制半导体膜的特性在面内发生偏差。另外，在本发明中，将厚度方向设为与金刚石基板1的最高部的面方向(最高部面部位的切线方向)垂直的法线方向。
第二特征在于，所述差超过0μm且在130μm以下，所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.59°以下。根据该结构，能够使例如具有2英寸的直径的金刚石基板两端之间的基板内部的结晶面的倾斜角度降低至1°左右。因此，能够使晶轴的角度的偏差超过0°且在0.59°以下。因此，能够进一步抑制在金刚石基板的整个表面上形成的半导体膜的特性发生面内偏差。此外，同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更均匀，因此能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。另外，在本发明中，将直径2英寸以如下方式来定义：减去与50.8mm的2％相当的1.0mm而得到的直径49.8mm以上～50.8mm的范围也符合2英寸。
第三特征在于，所述差超过0μm且在65μm以下，所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.30°以下。根据该结构，能够使例如具有2英寸的直径的金刚石基板两端之间的基板内部的结晶面的倾斜角度降低至0.5°左右。因此，能够使晶轴的角度的偏差超过0°且在0.30°以下。因此，最能够抑制在金刚石基板的整个表面上形成的半导体膜的特性发生面内偏差。此外，同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更均匀，因此能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
第四特征在于，所述金刚石基板从外缘朝向中央单调地翘曲，所述差为外缘与中央之间的翘曲量。根据该结构，能够降低研磨加工费并降低加工量。
第五特征在于，所述金刚石基板从外缘朝向中央非单调地翘曲，所述差被设为外缘与所述最高部之间的翘曲量。根据该结构，由于能够施加较大的压力来进行研磨加工，因此能够缩短研磨加工时间
第六特征在于，所述金刚石基板具有起伏。根据该结构，能够使翘曲量自身减小，因此能够防止研磨加工时的基板破裂的产生。此外，能够施加较大的压力来进行研磨加工，因此能够缩短研磨加工时间。同时，通过降低晶轴的角度偏差，也能够抑制半导体元件的特性偏差。同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更均匀，因此仍然能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。另外，在本发明中，起伏为如下状态：在从侧面观察金刚石基板时，在该基板的厚度方向上，凸方向与凹方向的翘曲至少各出现了一处，且凸部与凹部在基板的整个面上混合。
在以下，参照图1，对本发明的金刚石基板详细地进行说明。本发明的金刚石基板的平面方向的形状可以为方形等。但从容易在表面弹性波元件、热敏电阻、半导体器件等这样的用途的制造工序中使用的观点出发，优选为圆形。特别优选为如图1所示那样设置有定向平面的圆形。
金刚石基板1(在以下，根据需要而仅记载为“基板1”)的形状为圆形形状或者为设置有定向平面的圆形形状的情况下，从大型化的观点出发，优选使直径为0.4英寸(约10mm)以上。从更实用的基板的大型化这一观点出发，优选使直径为2英寸(约50.8mm)以上，更优选为3英寸(约76.2mm)以上，进一步优选为6英寸(约152.4mm)以上。另外，考虑到金刚石基板1的尺寸公差，在本申请中，也将从直径2英寸减去50.8mm的2％即1.0mm而得的直径49.8mm以上到50.8mm的范围定义为符合2英寸。
另外，直径的上限值没有特别限定，但从实用的观点考虑，优选8英寸(大约203.2mm)以下。此外，为了一次制造许多元件或器件，也可以使用具有与直径2英寸同等以上的面积的方形的金刚石基板。
此外，金刚石基板1的厚度t能够任意设定，但是作为自支撑的基板，优选为3.0mm以下，为了用于元件或器件的制造线，更优选为1.5mm以下，进一步优选为1.0mm以下。另一方面，厚度t的下限值没有特别限定，但是从确保金刚石基板1的刚性并防止龟裂、断裂或裂纹的产生的观点考虑，优选为0.05mm以上，更优选为0.3mm以上。
这里，本发明中的“自支撑的基板”或者“自支撑基板”是指这样的基板：不仅能够保持自身的形状，还具有在处理中不会产生不良情况的程度的强度。为了具有这样的强度，优选厚度t为0.3mm以上。此外，由于金刚石是极硬的材料，因此，考虑到在形成元件或器件后的劈开的容易性等，则优选作为自支撑基板的厚度t的上限为3.0mm以下。另外，作为以元件或器件用途来使用的频率最高并且进行自支撑的基板的厚度，最优选厚度t为0.5mm以上且0.7mm以下(500μm以上且700μm以下)。
形成金刚石基板1的金刚石晶体优选为金刚石单晶体。金刚石单晶体可以是Ia型、Ib型、IIa型、或者IIb型的任意一种，但是，在将金刚石基板1作为半导体器件的基板而使用的情况下，基于结晶缺陷或变形的产生量或者X射线摇摆曲线的半峰全宽的大小这一点，更优选为Ia型。而且，使金刚石基板1由单一的金刚石单晶体形成，在正面2上不存在将多个金刚石单晶体结合而产生的结合边界。
对金刚石基板1的正面2实施抛光、研磨、或者CMP(Chemical MechanicalPolishing：化学机械抛光)加工。另一方面，对金刚石基板1的背面实施抛光且/或研磨。从作为基板而能够进一步确保其平坦性的观点出发，优选以同一条件对正面2与背面进行加工。正面2的加工主要是为了达成平坦的基板形状而进行，背面的加工主要是为了达成所希望的厚度t而进行。并且，由于希望正面2的表面粗糙度Ra是能够形成元件和器件的程度，因此优选为形成为小于1nm，更优选形成为在原子级别上达到平坦的0.1nm以下。Ra的测定通过表面粗糙度测量装置来进行。
在金刚石基板1为单晶体的情况下，其正面2的结晶面的面取向可以是(111)、(110)、(100)中的任意一个，并且不限定于这些面取向。
在金刚石基板1由单一的金刚石单晶体形成的情况下，由于在正面2上没有将多个金刚石单晶体结合而产生的结合边界，因此，防止了边界部分处的结晶品质的劣化。因而，在金刚石基板1由单一的金刚石单晶体形成的情况下，能够实现其正面2(特别是(100))中的基于所述X射线的摇摆曲线的半峰全宽(FWHM：full width at half Maximum)在整个表面2上都在300秒以下。
并且，也能够遍及整个正面2使半峰全宽都在100秒以下，或者更优选为50秒以下。由此，还能够提供更高品质的金刚石基板1。
在外观上，本实施方式的金刚石基板1成型为正面2和背面平坦且平行地形成的平板型，但是，作为从侧面观察时的形状，粗略地划分而区分为三种形态，且具有该三种形态中的任意一种形状。
如图2所示，首先的形态是金刚石基板1从其外缘朝向中央单调地翘曲的形态，并且是在从基板1的侧面观察时从基板1的中心轴C起左右对称地单调翘曲的形态。金刚石为极其坚硬而难以加工的材料。但是，通过使金刚石基板1单调地翘曲，能够降低研磨加工费用，并降低加工量。
如图3所示，第2形态是金刚石基板1为从其外缘朝向中央非单调地翘曲的形态，并且是在从基板1的侧面观察时从基板1的中心轴C起左右非对称且非单调地翘曲的形态。通过像这样使金刚石基板1非单调地翘曲，能够施加较大的压力来进行研磨加工，因此能够缩短研磨加工时间。
如图4所示，第3形态是金刚石基板1具有起伏的形态。另外，起伏是指如下这样的状态：在从侧面观察基板1时，在基板1的厚度方向上，凸方向与凹方向的翘曲至少各出现有一处，且凸部和凹部在基板的整个面上混合。通过像这样将金刚石基板1设为具有起伏的形态，能够使翘曲量自身变小，因此能够防止研磨加工时的基板破裂。此外，由于能够施加较大的压力进行研磨加工，因此能够缩短研磨加工时间。同时，通过降低晶轴3的角度偏差，也能够抑制半导体元件的特性偏差。同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热之时，能够使金刚石基板面内的温度更加均匀，因此仍然能够抑制半导体膜的特性在面内的偏差。
并且，在本发明的金刚石基板1中，在图2～图4的各翘曲形态或者具有起伏的形态中，将基板1的厚度方向上的最高部与最低部之差设定为超过0μm且在485μm以下，并且使遍及金刚石基板1的整个正面2的晶轴3的角度的偏差处于超过0°且在3.00°以下的范围内。
图2的金刚石基板1中的差是指外缘与中央之间的翘曲量ΔH。即，在图2的基板1的翘曲形态中，基板1的中央处的背面部位为厚度方向上的最高部，外缘为最低部。
另一方面，图3的金刚石基板1中的差是指外缘与所述最高部的翘曲量ΔH。在图3的金刚石基板1中，最高部不限定于基板的中央。在图2的基板1的翘曲形态中，最高部的背面部位与外缘在厚度方向上的差为翘曲量ΔH。
此外，图4的金刚石基板1中的差是指与金刚石基板1在厚度方向上的起伏相伴随的最高部与最低部之差。在图4的金刚石基板1中，最高部的背面部位与最低部的背面部位在厚度方向上的差为翘曲量ΔH。
另外，将本申请中的“厚度方向”定义为与金刚石基板1的最高部的面方向(最高部面部位的切线方向)垂直的法线方向。
此外，遍及基板1的整个正面2的晶轴3的角度的偏差为超过0°且在3.00°以下。
在本发明的金刚石基板1中，容许这样的翘曲形态或具有起伏的形态、以及遍及基板1的整个面的晶轴3的角度的偏差。但是其特征在于，使所述最高部与最低部之差、以及基板1整个面的晶轴3的角度偏差收敛于一定的范围内。
通过将遍及金刚石基板1的整个表面的晶轴3的角度的偏差抑制为超过0°且在3.00°以下，由此能够降低金刚石基板1的表面上的形成于整个面的半导体膜的晶轴从金刚石基板1的晶轴3的偏差所受到的影响，从而能够降低半导体膜的晶轴的角度偏差，抑制半导体膜的特性发生面内偏差。特别是对于在元件或器件的形成、或者金刚石单晶体的生长等用途上被最常使用的厚度t为0.5mm以上且0.7mm以下的金刚石基板中，是有效果的。同时，通过使差收敛于超过0μm且在485μm以下的范围内，由此，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更加均匀，因此依然能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
当所述晶轴3的角度偏差超过3.00°时，无法抑制半导体膜的特性发生面内偏差。并且，当基板1的差超过485μm时，金刚石基板1在加热时与加热器之间的距离在局部上不同，因此基板温度的面内均匀性下降，依然无法抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
另外，晶轴3的角度的偏差是通过利用原子力显微镜(AFM：Atomic ForceMicroscope)或X射线衍射(X-ray diffraction)等来测量金刚石基板1的内部的结晶面的曲率而得到的。虽然基板1内部的结晶面可以为任意，但作为一例，可以列举出(001)。
并且，通过使基板1的差超过0μm且在130μm以下，能够使例如具有2英寸的直径的金刚石基板1的两端之间的基板1内部的结晶面的倾斜角度降低至1°左右。因此，能够使晶轴3的角度的偏差超过0°且在0.59°以下。从而，能够进一步抑制金刚石基板1的表面上的形成于整个面的半导体膜的特性发生面内偏差。此外，同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更加均匀，因此能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
并且，通过使基板1的差超过0μm且在65μm以下，能够使例如具有2英寸的直径的金刚石基板1的两端之间的基板1内部的结晶面的倾斜角度降低至0.5°左右。因此，能够使晶轴3的角度的偏差超过0°且在0.30°以下。因此，最能够抑制金刚石基板1的表面上的形成于整个面的半导体膜的特性发生面内偏差。此外，同时，在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板面内的温度更加均匀，因此能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
本申请人经验证发现了如下情况：在制作自支撑的金刚石基板1时，不仅需要抑制基板1的翘曲量(基板1的厚度方向上的最高部与最低部之差)，还需要同时抑制遍及基板1的整个正面2的晶轴3的角度偏差。并且，还经验证发现了：作为对于抑制在基板1的正面2上形成的半导体膜的特性发生面内偏差来说有效果的所述差、和晶轴3的角度偏差的数值范围，超过0μm且在485μm以下、以及超过0°且在3.00°以下是有效的。
接下来，参照图5～图12，对本实施方式的金刚石基板的制造方法的第一实施方式详细地进行说明。首先，如图5所示那样准备基底基板4。对于基底基板4的材质，能够列举出例如氧化镁(MgO)、氧化铝(α－Al2O3：蓝宝石)、Si、石英、铂、铱、钛酸锶(SrTiO3)等。
此外，对于基底基板4，使用至少单面4a被实施了镜面研磨的基底基板4。在后述的金刚石层的生长工序中，金刚石层在被实施了镜面研磨的一面侧(单面4a的面上)生长形成。
作为镜面研磨的基准，优选研磨至表面粗糙度Ra为10nm以下。如果单面4a的Ra超过10nm，会导致在单面4a上生长的金刚石层的品质恶化。Ra的测定通过表面粗糙度测量装置来进行。
在准备好基底基板4后，接下来如图6所示那样使由金刚石单晶体构成的金刚石层5在单面4a上生长而形成。金刚石层5的生长方法并未特别限定，能够利用公知的方法。作为生长方法的具体例，优选使用脉冲激光沉积(PLD：Pulsed Laser Deposition)法和化学气相沉积(CVD：Chemical Vapor Deposition)法等气相生长法等。
另外，在金刚石层5生长前，作为前处理，可以在基底基板4的面上形成铱(Ir)单晶体膜，并在该Ir单晶体膜上生长形成金刚石层5。
将图6所示的金刚石层5的厚度d5设定为欲形成的柱状金刚石的高度，优选以30μm以上且500μm以下的厚度来生长。
接下来，如图7和图8所示，由金刚石层5形成多个柱状金刚石6。在该形成中，只要利用蚀刻、光刻、激光加工等形成柱状金刚石6即可。
由于金刚石层5是通过异质外延生长而相对于基底基板4形成的，因此，虽然在金刚石层5上形成有较多的结晶缺陷，但通过形成多个柱状金刚石6能够剔除缺陷。
接下来，在柱状金刚石6的末端上生长而形成金刚石基板层7。通过使金刚石单晶体从各柱状金刚石6的末端生长，由此，在每一个柱状金刚石6上都能够均等地进行金刚石单晶体的生长。然后，通过使金刚石单晶体相对于各柱状金刚石6的高度方向在横向上生长，由此能够在相同的时刻开始聚结(coalescence)从各柱状金刚石6生长的金刚石单晶体。
通过使从各柱状金刚石6生长的金刚石单晶体彼此聚结，由此能够如图9和图10所示那样制造出金刚石基板层7。能够形成的柱状金刚石6的根数根据基底基板4的直径而改变，随着基底基板4的直径变大，柱状金刚石6的根数也能够增加。
并且，将各柱状金刚石6之间的间距设定为与金刚石单晶体的核彼此的生长相同的间隔(间距)，并使金刚石单晶体从各柱状金刚石生长，由此改善了金刚石基板层7的表面的品质，能够遍及整个表面实现300秒以下的半峰全宽。
并且，还能够遍及整个表面使半峰全宽在100秒以下，或者进一步优选为50秒以下。
另外，通过将柱状金刚石6的直径和间距分别设定为10μm以下，由此改善了金刚石基板层7的表面的品质，能够实现300秒以下的半峰全宽。
在形成金刚石基板层7后，在柱状金刚石6部分使金刚石基板层7从基底基板4分离。在本实施方式中，在金刚石基板层7生长时，由于在基底基板4和金刚石基板层7中产生的翘曲而使柱状金刚石6产生应力，利用该应力使柱状金刚石6被破坏，从而使金刚石基板7从基底基板4分离。
例如，如图11所示，MgO单晶体制的基底基板4的热膨胀系数和晶格常数大于金刚石单晶体制的金刚石基板层7。因此，在金刚石基板层7生长后的冷却时，在金刚石基板层7侧从中心部朝向端部侧如箭头所示那样产生拉伸应力。拉伸应力是因基底基板4与金刚石基板层7之间的晶格常数差而产生的应力、以及/或者因基底基板4与金刚石基板层7之间的热膨胀系数差而产生的应力。其结果为，如图8所示，金刚石基板层7、基底基板4以及各柱状金刚石6整体以金刚石基板层7侧成为凸状的方式发生翘曲。
并且，对各柱状金刚石6施加较大的拉伸应力，在各柱状金刚石6上产生裂纹。由于该裂纹继续产生，如图12所示那样柱状金刚石6被破坏，从而金刚石基板层7从基底基板4分离。
即使在金刚石基板层7产生的应力随着金刚石基板层7的大型化而变大，但由于柱状金刚石6的破坏，金刚石基板层7的应力会被向外部释放。因此，防止了在金刚石基板层7中产生裂纹，根据这一点，也能够实现大型的金刚石基板1的制造。
并且，通过将因基底基板4与金刚石基板层7之间的晶格常数差而产生的应力、以及/或、因基底基板4与金刚石基板层7之间的热膨胀系数差而产生的应力用于进行分离，由此，在金刚石基板层7生长后，不再另行需要用于分离的装置、器具或者工序。因此，能够简化金刚石基板1的制造工序，使分离工序变得容易。
另外，通过将柱状金刚石6的高度方向设定为与形成金刚石层5和各柱状金刚石6的金刚石单晶体的(001)面而垂直的方向，能够顺利地进行基于应力施加的柱状金刚石6的破坏，因此是优选的。
图7～图13中的各柱状金刚石6的纵横比是使得在金刚石基板层7生长时各柱状金刚石6不会被埋没的值，具体而言优选为5以上。
并且，将各柱状金刚石6的直径设定为亚微米～5μm左右，在高度方向上将柱状金刚石的中心部分的直径形成为比两端的末端部分的直径细，能够使柱状金刚石6的破坏更加容易且顺利地进行，是优选的。
在将金刚石基板层7从基底基板4分离后，对金刚石基板层7进行研磨而将残存的柱状金刚石6去除，进行切片和圆冲压加工而切出圆板。进一步地，通过对该圆板进行抛光、研磨、CMP等各种加工，以及根据需要而实施镜面研磨，从而由金刚石基板层7制造出金刚石基板1。因此，考虑到研磨量等，将金刚石基板层7的厚度d7设定为比所述t稍厚。
通过像这样由金刚石基板层7制造出金刚石基板1，能够制造出对角线为10mm以上或者直径在0.4英寸以上这样的大型金刚石基板1。并且，关于金刚石基板1的正面2上的基于X射线的摇摆曲线的半峰全宽，能够遍及整个正面2实现300秒以下，因此能够提供高品质的金刚石基板1。
并且能够遍及整个正面2使半峰全宽都在100秒以下，或者更优选为50秒以下。从而能够提供更高品质的金刚石基板1。
根据以上内容，在本实施方式的金刚石基板1的制造方法中，通过在金刚石基板层7生长时和生长后破坏柱状金刚石6，将金刚石基板层7从基底基板4分离。由此，即使在金刚石基板层7产生了应力，通过柱状金刚石6的破坏，金刚石基板层7的应力也会被释放到外部。因此，抑制了在金刚石基板层7中产生结晶变形，如图2～图4中任意一个所图示的那样，能够使金刚石基板1的厚度方向上的最高部与最低部之差收敛为超过0μm且在485μm以下，能够使遍及金刚石基板1的整个正面2的晶轴3的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。
此外，由于通过柱状金刚石6的破坏而将金刚石基板层7的应力释放到外部，因此防止了金刚石基板层7和金刚石基板1产生裂纹。
接下来，参照图14～图31对本实施方式的金刚石基板的制造方法的第二实施方式详细地进行说明。另外，对与所述第一实施方式相同的部位标注相同的标号并省略重复的说明或者简化地进行说明。首先，如图14～图17所示，准备基底基板8或者9。基底基板8或者9由金刚石单晶体构成。该金刚石单晶体可以为Ia型、Ib型、IIa型、或者IIb型中的任意一种。
对于基底基板，如图14和15所示那样使用单个基底基板8，或者如图16和17所示那样使用多个基底基板9。在准备了多个基底基板9的情况下，优选的是，如图17所示，将各基底基板9的平面方向的形状形成为方形，并且以使各基底基板9之间的间隙尽可能小的方式将各基底基板9以瓦状排列。
如图19所示，也可以是：将所述多个基底基板9用作基础基板(以下，根据需要而标记为基础基板9)，使金刚石单晶体在该基础基板9的各面上(图19中为单面9a上)生长，并且使在各基础基板9的面上生长的各金刚石单晶体聚结而结合，由此，在多个基底基板9的面上制作出所述单个的基底基板8。由于在各基础基板9之间物理性地形成有几个间隙是无法避免的，因此，在该间隙上通过聚结而形成的基底基板8的区域中，沿着间隙而形成有结合边界cb。但是在本实施方式中，即使是具有结合边界cb的基板，也用于基底基板。在制作出单个基底基板8后，可以如图19所示那样使基础基板9保持原状态残留，也可以如图14所示那样进行分离。
此外，对于基底基板8或者9，使用了至少单面8a或者9a被镜面研磨了的基板。在后述的金刚石层的生长工序中，金刚石层在被实施了镜面研磨的面侧(单面8a或者9a的面上)生长形成。
优选为，进行镜面研磨至表面粗糙度Ra为10nm以下。当单面8a或者9a的Ra超过10nm时，会导致单面8a或者9a上生长的金刚石层的品质恶化。
在准备好基底基板8或者9后，接下来，如图18、图20或者图21所示那样使由金刚石单晶体构成的金刚石层10在单面8a或者9a上生长并形成。在使用单个基底基板8的情况下，可以如所述那样使用形成有结合边界cb的基板。因此，在该结合边界上通过所述各生长方法形成金刚石层10，在金刚石层10上也形成结晶品质劣化的区域。即，以承继了基底基板8的结合边界cb的形状也在金刚石层10上形成结合边界cb，在本实施方式中是容许这样的。
在将多个基底基板9作为基础基板来制作出单个基底基板8的情况下，如所述那样，将各基底基板9形成为方形，并且将该基底基板9以在各基底基板9之间使间隙尽可能小的方式呈瓦状来排列，由此能够缩小在单个基底基板8上形成的结合边界cb的面积。
接下来，使金刚石层10生长。将图18、图20或者图21所示的金刚石层10的厚度d10设定为欲形成的柱状金刚石的高度，优选按照30μm以上且500μm以下的厚度来进行生长。
接下来如图22～图25所示那样，由所述金刚石层10形成多个柱状金刚石11。
在如所述那样使用了单个基底基板8的情况下，容许在金刚石层10上存在结合边界cb，因此，由该结合边界cb部分的结晶也形成了柱状金刚石11。但是，通过使结合边界cb部分形成为柱状金刚石11，能够大幅度地削减结合边界cb部分，从而剔除缺陷。
另外，也可以是：使基底基板8或9的各自的厚度d8或d9预先以所述厚度d10的量加厚地形成，并针对该基底基板8或者9以厚度d10的量实施蚀刻或者激光加工等，由此而形成多个柱状金刚石11。通过以此方式将基底基板8或者9预先形成得较厚，能够削减金刚石层10的制作工序。
通过以上步骤，在基底基板8或者9的单面8a或者9a上形成多个由金刚石单晶体构成的柱状金刚石11。
接下来，在柱状金刚石11的末端使金刚石基板层7生长而形成。然后，通过相对于各柱状金刚石11的高度方向在横向上生长，能够在相同的时刻开始聚结从各柱状金刚石11生长的金刚石单晶体。
通过使从各柱状金刚石11生长的金刚石单晶体彼此聚结，由此如图26～图28那样制造出金刚石基板层7。
并且，通过将各柱状金刚石11之间的间距设定为与金刚石单晶体的核彼此的生长相同的间隔(间距)，并使金刚石单晶体从各柱状金刚石11生长，由此改善了金刚石基板层7的表面的品质，并且能够遍及整个表面实现300秒以下的半峰全宽。
还能够进一步使半峰全宽遍及整个表面都在100秒以下，或更加优选为50秒以下。
另外，通过将柱状金刚石11的直径与间距分别设定为10μm以下，改善了金刚石基板层7的表面的品质，并且能够实现300秒以下的半峰全宽。
关于各柱状金刚石11之间的间距的值，能够适当地选择。
在形成金刚石基板层7后，如图29～图31所示那样在柱状金刚石11部分处使金刚石基板层7从基底基板8或者9分离。在本实施方式中，从外部对柱状金刚石11施加作用和外力，利用该作用或外力来破坏柱状金刚石11，从而使金刚石基板层7从基底基板8或者9分离。
作为柱状金刚石11的破坏方法，只要采用如下的方式来破坏各柱状金刚石11即可：例如向柱状金刚石11的侧面照射激光，或者利用锐利且微小的刀尖施加外力。通过这样的工序来破坏柱状金刚石11，使得金刚石基板层7从基底基板8或者9分离。
另外，通过将柱状金刚石11的高度方向设定为与形成金刚石层10和各柱状金刚石11的金刚石单晶体的(001)面垂直的方向，由此，能够顺利地进行基于来自外部的作用或外力的柱状金刚石11的破坏，因此是优选的。
此外，将图18、图20、或者图21所示的金刚石层10的厚度d10设定为欲形成的柱状金刚石11的高度，优选按照30μm以上且500μm以下的厚度来生长。另外也可以如图32、图33、或者图34所示，使与厚度d10的底部的部分厚度相当的金刚石层10残留，来形成柱状金刚石11。
各柱状金刚石11的纵横比被设为在金刚石基板层7生长时不会使各柱状金刚石11被埋没的值，具体而言，优选为5以上。
并且，将各柱状金刚石11的直径设定为亚微米～5μm左右，在高度方向上将柱状金刚石11的中心部分的直径形成为比两端的末端部分的直径细，能够使柱状金刚石11的破坏更容易且顺利地进行，是优选的。
在将金刚石基板层7从基底基板8或者9分离后，对金刚石基板层7进行研磨而将残存的柱状金刚石11除去，进行切片和冲裁加工而切出所希望的基板形状。并且，通过对切出的基板进行抛光、研磨、CMP等各种加工、以及根据需要实施镜面研磨，由此从金刚石基板层7制造出金刚石基板1。因此，考虑到研磨量等，将金刚石基板层7的厚度d7设定为比所述t稍厚。
通过像这样由金刚石基板层7制造金刚石基板1，能够制造出对角线为10mm以上或者直径为0.4英寸以上这样的大型金刚石基板1。并且，关于金刚石基板1的正面2上的基于X射线的摇摆曲线的半峰全宽，能够遍及整个正面2实现300秒以下，因此能够提供高品质的金刚石基板1。
能够进一步使半峰全宽遍及整个正面2都在100秒以下，或者还能够进一步优选为50秒以下。由此，也能够提供更高品质的金刚石基板1。
此外，在使用单个基底基板8且在其单面8a上形成多个柱状金刚石11的情况下，即使在基底基板8中存在结合边界cb，通过使其形成于柱状金刚石11处，也能够大幅度地削减结合边界cb部分从而剔除缺陷。因此，能够在不受到基底基板8的结合边界cb的影响的情况下生长出不存在结合边界cb的金刚石基板1。因此，能够将具有结合边界cb的金刚石单晶体基板用于基底基板8，提高制造的通用性。
在金刚石基板层7生长后，通过破坏柱状金刚石11，由此，如所述那样，即使在金刚石基板层7产生了应力，也会将该应力释放到外部。因此，抑制了金刚石基板层7中的结晶变形的产生。通过由该金刚石基板层7制造金刚石基板1，如图2～图4中的任意一个所图示的那样，能够使金刚石基板层7的厚度方向上的最高部与最低部之差收敛为超过0μm且在485μm以下，并能够使遍及金刚石基板的整个表面的晶轴3的角度的偏差为超过0°且在3.00°以下。
在本发明的金刚石基板及其制造方法中，能够将金刚石基板1的厚度方向上的最高部与最低部之差预先抑制为超过0μm且在485μm以下，并且能够将遍及金刚石基板1的整个正面2的晶轴3的角度偏差抑制为超过0°且在3.00°以下。因此，能够降低在金刚石基板1的整个正面2上形成的半导体膜的晶轴从金刚石基板1的晶轴3的偏差所受到的影响，因此会降低半导体膜的晶轴的角度偏差，从而能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。同时，由于在功能性薄膜(例如半导体膜等)成膜时的加热时，能够使金刚石基板1面内的温度更加均匀，因此仍然能够抑制半导体膜的特性发生面内偏差。
标号说明：
1：金刚石基板；
2：金刚石基板的正面；
3：晶轴；
4、8、9：基底基板；
5、10：金刚石层；
6、11：柱状金刚石；
7：金刚石基板层；
4a、8a、9a：基底基板的单面；
4b、8b、9b：基底基板的背面；
C：金刚石基板的中心轴；
ΔH：金刚石基板的翘曲量；
t：金刚石基板的厚度；
d4、d8、d9：基底基板的厚度；
d5、d10：金刚石层的厚度；
d7：金刚石基板层的厚度；
cb：结合边界。

Claims (29)

1.一种金刚石基板，其特征在于，
金刚石基板由金刚石单晶体构成，
金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，
金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。
2.根据权利要求1所述的金刚石基板，其特征在于，
所述差超过0μm且在130μm以下，所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.59°以下。
3.根据权利要求1或2所述的金刚石基板，其特征在于，
所述差超过0μm且在65μm以下，所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.30°以下。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板从外缘朝向中央单调地翘曲，
所述差为外缘与中央之间的翘曲量。
5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板从外缘朝向中央非单调地翘曲，
所述差为外缘与所述最高部之间的翘曲量。
6.根据权利要求1至3中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板具有起伏。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述表面的表面粗糙度Ra小于1nm。
8.根据权利要求7所述的金刚石基板，其特征在于，
所述表面粗糙度Ra为0.1nm以下。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板在平面方向上的形状为方形形状、圆形形状或者设置有定向平面的圆形形状，
在为方形形状的情况下，对角线的长度为10mm以上，在为圆形形状的情况下，直径为0.4英寸以上。
10.根据权利要求9所述的金刚石基板，其特征在于，
所述对角线的长度为50.8mm以上，或者所述直径为2英寸以上。
11.根据权利要求9或10所述的金刚石基板，其特征在于，
所述对角线的长度为50.8mm以上且203.2mm以下，或者所述直径为2英寸以上且8英寸以下。
12.根据权利要求1至11中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述表面上的X射线摇摆曲线的半峰全宽在整个所述表面上都为300秒以下。
13.根据权利要求12所述的金刚石基板，其特征在于，
所述半峰全宽在整个所述表面上都为100秒以下。
14.根据权利要求12或13所述的金刚石基板，其特征在于，
所述半峰全宽在整个所述表面上都为50秒以下。
15.根据权利要求1至14中的任意一项所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板的厚度为0.05mm以上且3.0mm以下。
16.根据权利要求15所述的金刚石基板，其特征在于，
所述厚度为0.3mm以上且3.0mm以下。
17.根据权利要求15或16所述的金刚石基板，其特征在于，
所述金刚石基板的厚度为0.5mm以上且0.7mm以下。
18.一种金刚石基板的制造方法，其特征在于，
在所述金刚石基板的制造方法中，
准备基底基板，
在该基底基板的单面上形成多个由金刚石单晶体构成的柱状金刚石，
使金刚石单晶体从各柱状金刚石的末端生长，使从各柱状金刚石的末端生长的各金刚石单晶体聚结而形成金刚石基板层，
使金刚石基板层从基底基板分离，
由金刚石基板层制造出金刚石基板，
使金刚石基板的厚度方向上的最高部与最低部之差超过0μm且在485μm以下，
并且使金刚石基板的遍及整个表面的晶轴的角度的偏差超过0°且在3.00°以下。
19.根据权利要求18所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
使所述差超过0μm且在130μm以下，并且使所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.59°以下。
20.根据权利要求18或19所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
使所述差超过0μm且在65μm以下，并且使所述晶轴的角度的偏差超过0°且在0.30°以下。
21.根据权利要求18至20中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
使所述柱状金刚石产生应力而破坏所述柱状金刚石，来进行所述基底基板与所述金刚石基板层的分离。
22.根据权利要求21所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
所述应力是由于所述基底基板与所述金刚石基板层之间的晶格常数差而产生的应力、并且/或者是由于所述基底基板与所述金刚石基板层之间的热膨胀系数差而产生的应力。
23.根据权利要求18至20中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
所述基底基板是由金刚石单晶体构成的单个或者多个基底基板。
24.根据权利要求23所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
使金刚石单晶体在所述多个基底基板的各面上生长，使在各基底基板的面上生长的各金刚石单晶体聚结而制作出所述单个基底基板，在该所述单个基底基板的单面上形成多个所述柱状金刚石。
25.根据权利要求18至24中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
所述各柱状金刚石的纵横比为5以上。
26.根据权利要求18至25中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
将所述柱状金刚石的直径和间距分别设定为10μm以下。
27.根据权利要求18至26中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
所述基底基板的所述单面的表面粗糙度Ra为10nm以下。
28.根据权利要求18至27中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
将所述柱状金刚石的高度方向设定为与形成所述柱状金刚石的所述金刚石单晶体的(001)面垂直的方向。
29.根据权利要求18至28中的任意一项所述的金刚石基板的制造方法，其特征在于，
所述柱状金刚石为圆柱状，
在高度方向上，所述柱状金刚石的中心部分的直径形成得比末端部分的直径细。
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