JP2012086988A - Process for exfoliating diamond - Google Patents
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Abstract
【課題】ダイヤモンドの剥離プロセスで必要なイオン注入工程を改善してより安価に剥離を実現するダイヤモンドの剥離方法を提供すること。
【解決手段】 ダイヤモンド基板(03)の主面にイオンを注入してダイヤモンド基板にイオン注入層を形成するイオン注入工程と、該イオン注入層(04)を形成した側の基板表面にダイヤモンド膜(02)を成長させて、イオン注入層が、ダイヤモンド層(02、03)に挟まれた構造を有する構造体を形成する工程とを含む工程によって得られた前記構造体をエッチング液に浸漬して電圧を印加し、イオン注入層を電気化学的にエッチングすることで、該ダイヤモンド層を分離する剥離工程を含むダイヤモンドの剥離方法であって、該イオン注入工程において、該イオン注入層として注入エネルギー10keV以上1MeV未満且つ2段以上の多段注入で9.0μm未満の層厚を形成することを特徴とするダイヤモンドの剥離方法。
【選択図】図1An object of the present invention is to provide a diamond peeling method that improves the ion implantation step required in the diamond peeling process and realizes peeling at a lower cost.
An ion implantation step of implanting ions into a main surface of a diamond substrate (03) to form an ion implantation layer on the diamond substrate, and a diamond film (on the surface of the substrate on which the ion implantation layer (04) is formed) 02), and the structure obtained by the step including the step of forming the structure having the structure in which the ion implantation layer is sandwiched between the diamond layers (02, 03) is immersed in an etching solution. A diamond peeling method including a peeling step of separating the diamond layer by applying a voltage and electrochemically etching the ion implanted layer, wherein an implantation energy of 10 keV is used as the ion implantation layer in the ion implantation step. A diamond peeling method characterized by forming a layer thickness of less than 9.0 μm by multistage implantation of less than 1 MeV and two or more steps.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体デバイス用基板や光学部品に適した大面積なダイヤモンドを比較的短時間で剥離させるダイヤモンドの剥離方法であって、特に剥離プロセスで必要なイオン注入工程を改善したダイヤモンドの剥離方法に関する。 The present invention relates to a diamond peeling method for peeling diamond having a large area suitable for a substrate for semiconductor devices and optical components in a relatively short time, and in particular, a diamond peeling method in which an ion implantation step required in the peeling process is improved. About.
ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導率の他、高い光透過率、ワイドバンドギャップなどの多くの優れた性質を有することから、各種工具、光学部品、半導体、電子部品の材料として幅広く用いられており、今後さらに重要性が増すものと考えられる。 Since diamond has many excellent properties such as high hardness, high thermal conductivity, high light transmittance, wide band gap, etc., it is widely used as a material for various tools, optical parts, semiconductors, electronic parts, In the future, it will be even more important.
ダイヤモンドの工業応用としては、天然に産出するものに加えて、品質が安定している人工合成されたものが主に使用されている。人工ダイヤモンド単結晶は現在工業的には、そのほとんどがダイヤモンドの安定存在条件である千数百℃から二千数百℃程度の温度かつ数万気圧以上の圧力環境下で合成されている。このような高温高圧を発生する超高圧容器は非常に高価であり、大きさにも制限があるため、高温高圧法による大型単結晶の合成には限界がある。不純物として窒素(N)を含んだ黄色を呈するIb型のダイヤモンドについては1cmφ級のものが高温高圧合成法により製造、販売されているがこの程度の大きさがほぼ限界と考えられている。また、不純物のない無色透明なIIa型のダイヤモンドについては、天然のものを除けば、さらに小さい数mmφ程度以下のものに限られている。 As industrial applications of diamond, in addition to naturally occurring ones, artificially synthesized ones with stable quality are mainly used. At present, most of artificial diamond single crystals are synthesized industrially under a temperature environment of a few thousand degrees C to two hundreds of hundred degrees C, which is a stable existence condition of diamond, under a pressure environment of tens of thousands of atmospheres or more. Such an ultra-high pressure vessel that generates high temperature and high pressure is very expensive and has a limited size. Therefore, there is a limit to the synthesis of a large single crystal by the high temperature and high pressure method. As for the Ib type diamond having a yellow color containing nitrogen (N) as an impurity, a 1 cmφ class diamond is manufactured and sold by a high-temperature and high-pressure synthesis method. Further, the colorless and transparent type IIa diamond having no impurities is limited to a smaller one of several mmφ or less, except for natural ones.
一方、高温高圧合成法と並んでダイヤモンドの合成法として確立されている方法として気相合成法がある。この方法によっては6インチφ程度の比較的大面積のものを形成することができるが、通常は多結晶膜である。しかし、ダイヤモンドの用途の中でも特に平滑な面を必要とする超精密工具や光学部品、不純物濃度の精密制御や高いキャリア移動度が求められる半導体などに用いられる場合は、単結晶ダイヤモンドを用いることになる。そこで、従来から気相合成法によりエピタキシャル成長させて単結晶ダイヤモンドを得る方法が検討されている。 On the other hand, a gas phase synthesis method is established as a diamond synthesis method along with the high-temperature and high-pressure synthesis method. Although a relatively large area of about 6 inches φ can be formed by this method, it is usually a polycrystalline film. However, when using diamond for ultra-precision tools and optical parts that require a smooth surface, semiconductors that require precise control of impurity concentration and high carrier mobility, etc., use single crystal diamond. Become. Therefore, methods for obtaining single crystal diamond by epitaxial growth by vapor phase synthesis have been studied.
一般にエピタキシャル成長は、成長する物質を同種の基板上に成長させるホモエピタキシャル成長と、異種基板の上に成長させるヘテロエピタキシャル成長とが考えられる。ヘテロエピタキシャル成長では、ダイヤモンドにおいてはこれまで困難とされてきたが、近年、特許文献1に記載されているように1インチφのヘテロエピタキシャルダイヤモンド自立膜が作製されており、大きな進展があった。しかしながら、得られる単結晶の結晶性はホモエピタキシャルダイヤモンド単結晶と比較すると十分ではなく、ホモエピタキシャル成長による単結晶合成が有力と考えられる。 In general, the epitaxial growth is considered to be homoepitaxial growth in which a growing material is grown on the same type of substrate and heteroepitaxial growth in which a growth material is grown on a different type of substrate. In heteroepitaxial growth, diamond has been considered difficult until now, but in recent years, as described in Patent Document 1, a 1-inch φ heteroepitaxial diamond free-standing film has been produced, and significant progress has been made. However, the crystallinity of the obtained single crystal is not sufficient as compared with the homoepitaxial diamond single crystal, and single crystal synthesis by homoepitaxial growth is considered to be promising.
ホモエピタキシャル成長では、高圧合成によるダイヤモンドIb基板の上に高純度のダイヤモンドを気相からエピタキシャル成長させることにより、高圧で得られるIIaダイヤモンドを上回る大きなIIa単結晶ダイヤモンドを得ることができる。また、特許文献2に記載されているように、同一の結晶方位に向けた複数のダイヤモンド基板、あるいはダイヤモンド粒を用い、この上に一体のダイヤモンドを成長させることにより小傾角粒界のみを持つダイヤモンドが得られることも報告されている。 In homoepitaxial growth, a large IIa single crystal diamond exceeding the IIa diamond obtained at high pressure can be obtained by epitaxially growing high-purity diamond from a gas phase on a diamond Ib substrate by high-pressure synthesis. Further, as described in Patent Document 2, a diamond having only a low-angle grain boundary is obtained by using a plurality of diamond substrates or diamond grains oriented in the same crystal orientation and growing a single diamond on them. It has also been reported that
しかしながら、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドを合成する場合に問題となるのは基板の除去法、再利用法である。Ibダイヤモンド等を基板として気相合成によりIIaダイヤモンド膜を得る場合には、成長させたダイヤモンド層から何らかの方法によりIbダイヤモンド基板を取り除く必要がある。このための方法としてはエピタキシャル膜と基板とを分離させる方法もしくは基板を全くなくしてしまう方法が考えられる。ダイヤモンド単結晶基板は高価であるから前者の方法が望ましいことはいうまでもなく、レーザーによるスライス加工がその代表的な方法である。しかし、ダイヤモンドの面積が大きくなればなるほどスライスするためにはダイヤモンドの厚みが必要になり、成功率も悪くなってしまう。 However, a problem in synthesizing diamond by homoepitaxial growth is a method for removing and reusing a substrate. When obtaining an IIa diamond film by vapor phase synthesis using Ib diamond or the like as a substrate, it is necessary to remove the Ib diamond substrate from the grown diamond layer by some method. As a method for this, a method of separating the epitaxial film and the substrate or a method of eliminating the substrate at all can be considered. Since the diamond single crystal substrate is expensive, it is needless to say that the former method is preferable, and laser slicing is a typical method. However, the larger the diamond area, the thicker the diamond is needed for slicing and the worse the success rate.
このため、1cm×1cmの大きさの単結晶ダイヤモンドになると、もはやスライス加工は困難で、基板を除去する方法を用いざるを得ない。これには、例えば特許文献3に記載されているようなダイヤモンド砥粒を用いた研磨や鉄表面と反応させ反応した層を除去する方法、あるいは、特許文献4に記載されているようなイオンビーム照射による方法などが知られているがいずれも長時間を要するものとなる。また、高圧合成による基板を再使用できないことは、コスト的にも大きな不利となる。 For this reason, when a single crystal diamond having a size of 1 cm × 1 cm is obtained, slicing is no longer difficult, and a method of removing the substrate must be used. This can be achieved by, for example, polishing using diamond abrasive grains as described in Patent Document 3 or a method of removing a layer reacted with an iron surface or an ion beam as described in Patent Document 4 Irradiation methods are known, but all of them require a long time. In addition, the inability to reuse a substrate by high pressure synthesis is a significant disadvantage in terms of cost.
そこで特許文献5及び特許文献6にあるように、ダイヤモンド中にイオン注入層を形成しその注入層を電気化学的手法でエッチングすることにより、注入層を挟むダイヤモンド基板とダイヤモンド層の双方を破損することなく分離・剥離する方法が提供された。しかしながら、これら先行技術では、イオン注入層を形成するために注入エネルギーとして数MeVを選択していたために、シリコン半導体デバイスの製造プロセスで多用されているMeV未満の注入を実施するためのイオン注入機であるいわゆる中電流機が使用できず、高エネルギー機を利用せざるを得なかった。そして、高エネルギー機は照射イオン電流量が小さいために、剥離で必要な照射量1016ions/cm2〜1017ions/cm2以上の高ドーズ量をシリコンウェハサイズ程度の大面積領域に注入するためのコストが大面積ダイヤモンド単結晶の製造コストにおいて大きな割合を占めると共に、コストダウン実現を困難にしていた。 Therefore, as disclosed in Patent Document 5 and Patent Document 6, an ion-implanted layer is formed in diamond, and the implanted layer is etched by an electrochemical method, whereby both the diamond substrate and the diamond layer sandwiching the implanted layer are damaged. A method of separating and peeling without problems was provided. However, in these prior arts, several MeV is selected as the implantation energy for forming the ion implantation layer. Therefore, an ion implantation machine for performing implantation of less than MeV, which is frequently used in the manufacturing process of silicon semiconductor devices. The so-called medium current machine cannot be used, and a high energy machine has to be used. Since the high energy machine has a small irradiation ion current amount, a high dose amount of 10 16 ions / cm 2 to 10 17 ions / cm 2 or more necessary for peeling is injected into a large area of about the size of a silicon wafer. The cost for making up a large part of the manufacturing cost of a large-area diamond single crystal has made it difficult to realize cost reduction.
以上のように、従来の技術では、高品質で大面積のダイヤモンドを気相成長させても、イオン注入費用が高価であるためにその分離にコストを要していた。そしてこのことが、大面積の気相合成ダイヤモンドの製造コストを上げていたために普及を妨げていた。 As described above, according to the conventional technique, even when high-quality and large-area diamond is grown in a vapor phase, the cost for ion implantation is high because the cost of ion implantation is high. This has hindered widespread use due to the increased manufacturing cost of large-area vapor-phase synthetic diamond.
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決し、ダイヤモンドの剥離プロセスで必要なイオン注入工程を改善してより安価に剥離を実現するダイヤモンドの剥離方法を提供することにある。 An object of the present invention is to solve such problems of the prior art and provide a diamond peeling method that improves the ion implantation step required in the diamond peeling process and realizes peeling at a lower cost.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らはダイヤモンド層間にこれらを分離するためのイオン注入層を形成するイオン注入工程において、イオン注入層として注入エネルギー10keV以上1MeV未満且つ2段以上の多段注入で形成して9.0μm未満の層厚を形成すればよいことを見出した。イオン注入工程おいてこのような方法でイオン注入層を形成することにより、従来技術の数MeVの高エネルギー注入と同等の効果を得つつも、シリコン半導体デバイスの製造プロセスで多用されている中電流イオン注入機が使用できるために、大面積ダイヤモンド単結晶の製造コストを大幅に削減できることを見出したものである。 The present inventors have made extensive studies to solve the above problems. As a result, in the ion implantation process for forming an ion implantation layer for separating these layers between the diamond layers, the present inventors formed the ion implantation layer by multistage implantation of implantation energy of 10 keV or more and less than 1 MeV and two or more stages. It has been found that a layer thickness of less than 0.0 μm may be formed. By forming the ion-implanted layer by such a method in the ion-implantation process, while obtaining the same effect as the high energy implantation of several MeV of the prior art, the medium current that is frequently used in the manufacturing process of silicon semiconductor devices It has been found that since an ion implanter can be used, the manufacturing cost of a large-area diamond single crystal can be greatly reduced.
また、本発明者らは、前記イオン注入において注入種として炭素を選択することにより、注入種が非ダイヤモンド層外に残留した場合、剥離・分離するダイヤモンドの結晶性、電気特性、工学特性、機械特性に対する影響が、他注入種と比べて小さく高品質が実現できること、さらには、前記イオン注入後に10−2Pa以下の真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中において、650℃以上950℃以下の温度で1時間以上24時間以下のアニールを実施すれば、注入面側のダイヤモンドの結晶性が向上することを見出した。 In addition, the present inventors select carbon as an implantation species in the ion implantation, so that when the implantation species remain outside the non-diamond layer, the crystallinity, electrical properties, engineering properties, mechanical properties of the diamond that peels and separates. The effect on characteristics is small compared to other implanted species, and high quality can be realized. Further, after the ion implantation, a temperature of 650 ° C. or more and 950 ° C. or less in a vacuum of 10 −2 Pa or less or in an inert gas atmosphere. Thus, it has been found that if annealing is performed for 1 hour or more and 24 hours or less, the crystallinity of diamond on the implanted surface side is improved.
すなわち、本発明は以下の構成よりなる。
(1) ダイヤモンド基板の主面にイオンを注入してダイヤモンド基板にイオン注入層を形成するイオン注入工程と、該イオン注入層を形成した側の基板表面にダイヤモンド膜を成長させて、イオン注入層が、ダイヤモンド層に挟まれた構造を有する構造体を形成する工程とを含む工程によって得られた前記構造体をエッチング液に浸漬して電圧を印加し、イオン注入層を電気化学的にエッチングすることで、該ダイヤモンド層を分離する剥離工程を含むダイヤモンドの剥離方法であって、
該イオン注入工程において、該イオン注入層として注入エネルギー10keV以上1MeV未満且つ2段以上の多段注入で9.0μm未満の層厚を形成することを特徴とするダイヤモンドの剥離方法。
(2) 前記イオン注入層の層厚が0.1μm以上であることを特徴とする、上記(1)に記載のダイヤモンドの剥離方法。
(3) 前記イオン注入に用いられるイオン種が炭素であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載のダダイヤモンドの剥離方法。
(4)前記イオン注入後のダイヤモンド基板に10−2Pa以下の真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中において、650℃以上950℃以下の温度で1時間以上24時間以下のアニール処理を施すことを特徴とする上記(1)〜(3)のいずれかに記載のダイヤモンドの剥離方法。
That is, the present invention has the following configuration.
(1) An ion implantation process for implanting ions into the main surface of the diamond substrate to form an ion implantation layer on the diamond substrate; and a diamond film is grown on the substrate surface on the side where the ion implantation layer is formed. However, the ion-implanted layer is electrochemically etched by applying a voltage by immersing the structure obtained by a process including a process including a process having a structure sandwiched between diamond layers in an etching solution. A diamond peeling method including a peeling step of separating the diamond layer,
In the ion implantation step, a diamond peeling method is characterized in that the ion implantation layer has an implantation energy of 10 keV or more and less than 1 MeV and a layer thickness of less than 9.0 μm by multistage implantation of two or more stages.
(2) The diamond peeling method according to (1) above, wherein the thickness of the ion-implanted layer is 0.1 μm or more.
(3) The method for peeling da diamond according to (1) or (2) above, wherein the ion species used for the ion implantation is carbon.
(4) The diamond substrate after the ion implantation is subjected to an annealing treatment at a temperature of 650 ° C. to 950 ° C. for 1 hour to 24 hours in a vacuum of 10 −2 Pa or less or in an inert gas atmosphere. The diamond peeling method according to any one of the above (1) to (3), which is characterized by the following.
本発明によるダイヤモンドの剥離方法を用いることによって、注入エネルギー数MeVの高価なイオン注入を実施する必要なく、比較的安価な中電流イオン注入機が使用できる結果、大面積で高品質な気相合成ダイヤモンドを安価に提供することが可能となる。 By using the diamond exfoliation method according to the present invention, a relatively inexpensive medium current ion implanter can be used without the need to perform expensive ion implantation with an implantation energy of several MeV, resulting in a large area and high quality gas phase synthesis. Diamond can be provided at low cost.
以下、添付図面を参照して、本発明に係るダイヤモンドの剥離方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of a diamond peeling method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[ダイヤモンド構造体]
図1は、本発明におけるダイヤモンドからなるダイヤモンド構造体01である(以下では「ダイヤモンド構造体」を単に「構造体」ともいう)。構造体01はダイヤモンド層02、ダイヤモンド層03、そしてイオン注入層04からなる。ダイヤモンド層02及び03は、単結晶であっても多結晶であっても良いが、単結晶ダイヤモンドの方が高価ではあるが、本発明の効果をより大きく発揮させることができるので好ましい。また、ダイヤモンド層02及び03は、導電性であっても絶縁性であっても良いが、工業応用されているダイヤモンドのほとんどは絶縁性であるから、通常は本発明の効果が大きい絶縁性が好ましい。導電性はダイヤモンド結晶中にホウ素(B)やリン(P)が添加されている状態で得られる。
[Diamond structure]
FIG. 1 shows a
イオン注入層04は、ダイヤモンド層02又は03の主面からイオン注入することで形成することができる。イオン注入によりもともと一体であったダイヤモンド層02と03は、形成されたイオン注入層04により2層に分割される。イオン注入層04は、ダイヤモンド構造が破壊されてグラファイト化が進行した層で導電性を有する。形成されるイオン注入層04の主面からの深さや厚さは、主に使用するイオンの種類、注入エネルギー、照射量によって異なるので、これらを決めてイオン注入を実施する。イオン注入層の設計はTRIMコードのようなモンテカルロシミュレーションコードによってほぼ正確に計算・予測することができる。
The
イオン注入層04の形成に際しては、注入原子濃度が5×1018/cm3以上5×1021個/cm3以下となるように照射量を調整する。この範囲内とすることによって、イオン注入層04の導電率が十分に高くなる結果、電気化学的エッチングによってダイヤモンド層02と03の分離・剥離が可能となる。注入量が5×1018/cm3未満である場合には導電率が十分に得られないので電気化学的エッチングのエッチング速度が極端に遅くなり好ましくない。逆に注入量が5×1021個/cm3より多いと、注入面として選択したダイヤモンド層02又は03の主面の近傍層で注入による結晶構造の損傷が無視できなくなり、良好な結晶性を維持することができなくなるために好ましくない。
In forming the
注入エネルギーは10keV以上範囲1MeV未満がより好ましい。1MeV未満とすることにより、シリコン半導体デバイスの製造プロセスで多用されている中電流イオン注入機が使用可能となるので、安価でイオン注入できる結果、製造コストを大幅に下げることができる。10keV未満では、エネルギーが低い結果注入面近傍層での結晶構造の損傷が顕著となり、良好な結晶性を維持することができなくなるために好ましくない。 The implantation energy is more preferably 10 keV or more and less than 1 MeV. By setting it to less than 1 MeV, a medium current ion implanter that is frequently used in the manufacturing process of silicon semiconductor devices can be used. Therefore, ion implantation can be performed at a low cost, resulting in a significant reduction in manufacturing cost. If it is less than 10 keV, the energy is low, and as a result, damage to the crystal structure in the layer near the injection surface becomes prominent, and good crystallinity cannot be maintained.
形成されるイオン注入層04の厚さは、注入イオン種、照射量が同じであれば従来技術の数MeVと比較して薄くなる。イオン注入層の厚さが薄くなると、後の工程にある剥離工程での電気化学エッチング時のエッチング速度が遅くなるので、2段以上の多段イオン注入を実施することによってイオン注入層を厚くする。
イオン注入層04の層厚は0.1μm以上9.0μm未満であることが好ましい。イオン注入層の層厚が0.1μm以上であると電気化学エッチングのエッチング速度が極端に遅くなることがないので好ましい。また、イオン注入層の厚さを9.0μm未満とすることにより1MeV以上の注入エネルギーを必要とすることがないので好ましい。
イオン注入層の層厚を上記のように設定することで、形成するイオン注入層04の厚さを従来技術と同程度に保ちつつも、中電流イオン注入機を使用するので安価に形成することができる。
The thickness of the ion-implanted
The layer thickness of the
By setting the thickness of the ion implantation layer as described above, the thickness of the
イオン注入層を形成するのは、ダイヤモンド構造を破壊してグラファイト化を進行させることにより導電層を形成するのが目的であるから、イオンの種類としては、炭素、ホウ素、窒素、酸素、リン、水素、ヘリウム、アルミニウム、シリコン、硫黄、アルゴン等、イオン注入可能なすべての元素が使用可能である。ホウ素やリンなどは、シリコンデバイス製造で多用されており照射電流量が大きいために所望の照射量を短時間で実施できるために好適に使用可能である。炭素は、イオン注入で剥離・分離するダイヤモンドに残留した場合、結晶性、電気特性、工学特性、機械特性に対する影響が他注入種と比べて小さく高品質が実現できるので、最も好適に使用可能である。 The purpose of forming the ion-implanted layer is to form a conductive layer by destroying the diamond structure and proceeding to graphitization, so the types of ions include carbon, boron, nitrogen, oxygen, phosphorus, Any element capable of ion implantation can be used, such as hydrogen, helium, aluminum, silicon, sulfur, and argon. Boron, phosphorus, and the like are frequently used in the manufacture of silicon devices, and since the irradiation current amount is large, a desired irradiation amount can be carried out in a short time, so that it can be suitably used. When carbon remains in diamond that is peeled and separated by ion implantation, it has the least impact on crystallinity, electrical properties, engineering properties, and mechanical properties, and can be used most favorably because it can achieve high quality. is there.
イオン注入後には、イオンを照射した主面側のダイヤモンド層の結晶性向上を目的として、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中でアニールしても良い。真空中であれば10−2Pa以下、不活性ガス中であれば希ガスや窒素雰囲気が好適に使用可能である。これ以外であれば、イオンを照射した主面の結晶性を逆に悪化させてしまう可能性がある。アニール温度は300℃以上1450℃以下であれば結晶性回復の効果が見られるが、より好ましくは650℃以上950℃以下であり、結晶性回復の効果が顕著である。300℃未満では温度が低すぎるので結晶性回復の効果はほとんど無い。また、1450℃より高いと逆に結晶性が悪化するために不適である。アニール時間は1時間以上24時間以下が好ましい。この範囲であれば、結晶性回復の効果が現れる。1時間未満ではほとんど結晶性回復には至らず、24時間より長いと逆に結晶性が悪化するので不適である。 After ion implantation, annealing may be performed in vacuum or in an inert gas atmosphere for the purpose of improving the crystallinity of the diamond layer on the main surface side irradiated with ions. 10-2 Pa or less can be suitably used in a vacuum, and a rare gas or nitrogen atmosphere can be suitably used in an inert gas. Other than this, there is a possibility that the crystallinity of the main surface irradiated with ions may be deteriorated. If the annealing temperature is 300 ° C. or higher and 1450 ° C. or lower, the effect of crystallinity recovery is seen, but more preferably 650 ° C. or higher and 950 ° C. or lower. If it is less than 300 ° C., the temperature is too low, so there is almost no effect of recovering crystallinity. On the other hand, if the temperature is higher than 1450 ° C., the crystallinity deteriorates, which is not suitable. The annealing time is preferably 1 hour or more and 24 hours or less. If it is this range, the effect of crystallinity recovery will appear. If it is less than 1 hour, the crystallinity is hardly recovered, and if it is longer than 24 hours, the crystallinity is worsened.
本発明におけるダイヤモンド構造体は例えば以下のようにして製造することができる。
まず、ダイヤモンド基板を準備する。次にこの基板の主面から炭素、ホウ素、リンなどのイオンを注入してダイヤモンド基板にイオン注入層を形成する。このイオン注入層を形成した側の基板表面上にダイヤモンド膜を形成する。これによって、ダイヤモンド基板(ダイヤモンド層03)とダイヤモンド膜(ダイヤモンド層02)の間にイオン注入層04が挟まれた構造のダイヤモンド構造体を得ることができる。
The diamond structure in the present invention can be produced, for example, as follows.
First, a diamond substrate is prepared. Next, ions such as carbon, boron, and phosphorus are implanted from the main surface of the substrate to form an ion implantation layer on the diamond substrate. A diamond film is formed on the substrate surface on the side where the ion implantation layer is formed. Thereby, a diamond structure having a structure in which the
ダイヤモンド層02及び03は、イオン注入層04を形成した後から気相成長したダイヤモンドを含んでいても構わない。イオンを照射した主面に結晶成長する場合、前記アニール後であれば、主面の結晶性が向上しているので、より高品質なダイヤモンドが気相成長する。ダイヤモンド層とイオン注入層とが交互に繰り返し複数層形成されているものも、本発明でいう構造体に含まれる。本発明でいう構造体のイオン注入層04は、電気化学的手法によりエッチングを可能とするために、エッチング液中に配置する際には少なくとも一部、望ましくは全周囲がエッチング液と接触している必要がある。
The diamond layers 02 and 03 may include diamond that has been vapor-phase grown after the
[剥離装置]
図2は、本発明のダイヤモンドの剥離方法を実施するための剥離装置の一例を示す図である。剥離装置11は、エッチング液12、エッチング槽13、そして電極14からなる。エッチング液12としては、純水を使用する。エッチング槽13は、ほうけい酸ガラスを使用したビーカを使用するが、純水を保持できる容器であれば特に制限はない。電極14は、接液部が白金やグラファイト等の電極を使用する。
[Peeling device]
FIG. 2 is a diagram showing an example of a peeling apparatus for carrying out the diamond peeling method of the present invention. The peeling
以上の構成を有する剥離装置11において、エッチング液12中で電極14,14間に構造体01を配置して、電極14,14間に電圧を印加することでイオン注入層04をエッチングしてダイヤモンド層02とダイヤモンド層03の剥離・分離を実施する。図3にイオン注入層04がエッチングされる様子を模式図で示した。電圧は電極間の距離によるが、100V/cmから300V/cmの電界を電極間に与えるように電圧を設定するのが好ましい。
In the
ダイヤモンドの剥離・分離のためのイオン注入において、これまで、コストが高くなるにも関わらず数MeVのエネルギーを利用してきた理由は、それにより形成されるイオン注入層が厚く、また、注入面近傍層ダイヤモンドに入る空孔やディスロケーション等の結晶ダメージが少ないので、比較的短時間で比較的高品質なダイヤモンドが剥離できるからである。一方、MeV未満のエネルギーでは、数MeVと比べて形成されるイオン注入層が比較的薄く、注入面近傍層の結晶ダメージが大きいので、安価で実施できるにも関わらず避けられていた。 In the ion implantation for peeling and separating diamond, the energy of several MeV has been used so far despite the high cost. The reason is that the formed ion implantation layer is thick and the vicinity of the implantation surface. This is because there is little crystal damage such as vacancies and dislocation entering the layered diamond, so that relatively high quality diamond can be peeled off in a relatively short time. On the other hand, when the energy is less than MeV, the ion-implanted layer formed is relatively thin as compared with several MeV, and the crystal damage in the layer near the implanted surface is large.
本発明者らは、安価で実施できる点に着目してMeV未満でのイオン注入を検討した。MeV未満の注入でまず問題になるのは、数MeV注入と比較して注入面近傍層の結晶構造に空孔が入り易いので、剥離してもダイヤモンドでなくなる可能性があることであった。そこで、剥離したダイヤモンドの結晶性の良し悪しは、イオン注入後の主面にダイヤモンドがエピタキシャル成長するか否かで判断することにして、注入面近傍層の結晶ダメージとエピタキシャル成長の関係を定量的に調べた。その結果、MeV未満の注入エネルギーであっても、モンテカルロ法によるイオン注入シミュレーション(TRIMコード)で計算される注入面近傍の空孔密度が数MeV注入よりも1桁程度以上高い6.0×1023cm−2であってもエピタキシャル成長が可能であることを見出して、注入面近傍の結晶性悪化の観点では、MeV未満の注入も適用可能であるとわかった。 The inventors of the present invention studied ion implantation below MeV, paying attention to the fact that it can be carried out at a low cost. The first problem with implantation of less than MeV is that vacancies tend to enter the crystal structure in the vicinity of the implantation surface as compared to several MeV implantation, and therefore, it may not be diamond even after peeling. Therefore, the crystallinity of the exfoliated diamond is judged by whether or not diamond is epitaxially grown on the main surface after ion implantation, and the relationship between crystal damage and epitaxial growth in the vicinity of the implanted surface is quantitatively investigated. It was. As a result, even if the implantation energy is less than MeV, the vacancy density in the vicinity of the implantation surface calculated by ion implantation simulation (TRIM code) by the Monte Carlo method is higher by about one digit or more than several MeV implantation 6.0 × 10. It has been found that epitaxial growth is possible even at 23 cm −2 , and it has been found that implantation of less than MeV is also applicable from the viewpoint of deterioration of crystallinity near the implantation surface.
次に、MeV未満の注入でイオン注入層の厚さを数MeV注入と同程度の厚さにする方法を探索した。一回の数MeV注入により形成される層の厚さは0.1μm程度以上である。一方、MeV未満の注入では形成される層の厚さは数十nmであるので、電気化学エッチング時間が極端に長時間となる。イオン注入層形成実験とTRIMコードによるシミュレーションを検討したところ、イオン注入によりグラファイト化が進行した導電層に変性してしまうかダイヤモンド層として残るかはイオン注入で導入される空孔密度で決まり、その空孔閾値密度は1.1×1023cm−3であることを見出した。これにより、MeV未満の注入で空孔密度が1.1×1023cm−3以上となる厚さが0.1μm以上9.0μm未満となるように、2段以上の多段イオン注入で形成することに想到したものである。 Next, a method for making the thickness of the ion implantation layer comparable to that of several MeV implantation by implantation less than MeV was searched. The thickness of the layer formed by one MeV injection is about 0.1 μm or more. On the other hand, when the implantation is less than MeV, the thickness of the formed layer is several tens of nm, so that the electrochemical etching time becomes extremely long. I examined ion implantation layer formation experiment and simulation by TRIM code, it was decided by the density of vacancies introduced by ion implantation whether it would be modified into a graphitized conductive layer by ion implantation or left as diamond layer, The hole threshold density was found to be 1.1 × 10 23 cm −3 . As a result, it is formed by multi-stage ion implantation of two or more stages so that the thickness of the pore density becomes 1.1 × 10 23 cm −3 or more by implantation less than MeV becomes 0.1 μm or more and less than 9.0 μm. This is what I came up with.
こうして、TRIMコードによるシミュレーションで、イオン注入で発生する表面の空孔密度6.0×1023cm−2以下で、且つ、イオン注入領域の空孔密度が1.1×1023cm−3以上となる厚さを0.1μm以上となるように2段以上の多段イオン注入を実施すれば、MeV未満の注入エネルギーが利用できることがわかった。そして、これに対応して、注入エネルギー10keV以上1MeV未満且つ2段以上の多段注入でイオン注入層を形成してその層厚を0.1μm以上9.0μm未満とすればよいことを見出したものである。なお、上記条件は、コストの観点を除けば、技術的にはMeV未満の注入に限ったことではなく、MeV以上の注入でも適用可能である。MeV以上のエネルギーで多段注入することによりイオン注入層を厚くできる結果、イオン注入層の電気化学エッチング時間をより短縮することができる。 Thus, in the simulation using the TRIM code, the surface vacancy density generated by ion implantation is 6.0 × 10 23 cm −2 or less, and the vacancy density in the ion implantation region is 1.1 × 10 23 cm −3 or more. It has been found that if two or more stages of multi-stage ion implantation are performed so that the thickness becomes 0.1 μm or more, implantation energy less than MeV can be used. Correspondingly, it has been found that an ion implantation layer is formed by multi-stage implantation with an implantation energy of 10 keV or more and less than 1 MeV and two or more stages, and the layer thickness is made 0.1 μm or more and less than 9.0 μm. It is. The above conditions are technically not limited to the injection of less than MeV except the viewpoint of cost, and can be applied to the injection of MeV or more. As a result of increasing the thickness of the ion implantation layer by performing multi-stage implantation with an energy of MeV or higher, the electrochemical etching time of the ion implantation layer can be further shortened.
以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
[実施例1]
まず、図1に示す構造体01として以下のようにして試料aを作製した。
Ib高温高圧ダイヤモンド単結晶基板を準備し、主面からイオン注入後、注入面上にCVDダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、基板側面のイオン注入層の周りに堆積したダイヤモンドをレーザー切断で除去して構造体01を作製した。
サイズは主面が4×4mmで、ダイヤモンド層02は厚さ0.4mmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶であり、ダイヤモンド層03は厚さ0.26μmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶を含む厚さ0.37mmのCVDダイヤモンド単結晶であった。
そして、グラファイト化が進行したイオン注入層04は、C+イオンを注入エネルギー350keV及び280keVで照射量をそれぞれ1.2×1016ions/cm2及び4×1015ions/cm2として、高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶の主面から2段注入して形成しており、厚さは注入面より深さ0.26μmから0.38μmまでの0.14μmで、注入原子濃度はシミュレーション計算で推定して1.4x1020cm−3から2.2×1021cm−3の間であった。また、ダイヤモンド層02及び03は絶縁性、イオン注入層04は導電性であった。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
[Example 1]
First, a sample a was manufactured as the
An Ib high-temperature high-pressure diamond single crystal substrate is prepared. After ion implantation from the main surface, CVD diamond is epitaxially grown on the implantation surface, and diamond deposited around the ion implantation layer on the side surface of the substrate is removed by laser cutting. Was made.
The size of the main surface is 4 × 4 mm, the
The ion-implanted
次に、図2に示すダイヤモンドの剥離装置11を用意した。エッチング液12は純水で、エッチング槽13はほうけい酸ガラス製のビーカ、電極14は白金電極とした。
そして、剥離装置11の電極間隔を約1cmとして、エッチング液中の電極間に試料aを置いた。電極間に340Vの電圧を印加して放置したところ、13時間でイオン注入層04が完全にエッチングされて、ダイヤモンド層02と03は剥離・分離した。
Next, a
And the electrode a of the peeling
試料bとして、イオン注入直後に1×10−4Paの真空中において温度650℃で24時間アニールを実施する工程を追加した以外は試料aと同様にして構造体01を作製した。注入面にエピタキシャル成長させたCVDダイヤモンドの結晶性はロッキングカーブ測定を行ったところ試料aよりも良好であることがわかった。その後、剥離装置11において、試料aについて行ったと同様の条件で剥離・分離を試みた。結果、13時間でイオン注入層04が完全にエッチングされて、ダイヤモンド層02と03は剥離・分離した。
As a sample b, a
[実施例2]
まず、図1に示す構造体01として以下のようにして試料cを作製した。
Ib高温高圧ダイヤモンド単結晶基板を準備し、主面からイオン注入後、注入面上にCVDダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、基板側面のイオン注入層の周りに堆積したダイヤモンドをレーザー切断で除去して構造体01を作製した。
サイズは主面が4×4mmで、ダイヤモンド層02は厚さ0.4mmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶であり、ダイヤモンド層03は厚さ0.23μmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶を含む厚さ0.37mmのCVDダイヤモンド単結晶であった。
そして、グラファイト化が進行したイオン注入層04は、B+イオンを注入エネルギー350keV、270keV及び200keVで照射量をそれぞれ1.2×1016ions/cm2、6.0×1015ions/cm2及び6.0×1015ions/cm2として、高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶の主面から3段注入して形成しており、厚さは注入面より深さ0.23μmから0.43μmまでの0.20μmで、注入原子濃度はSIMSで測定して2.0x1020cm−3から2.0x1021cm−3の間でシミュレーション計算と一致していた。また、ダイヤモンド層02及び03は絶縁性、イオン注入層04は導電性であった。
[Example 2]
First, a sample c was manufactured as the
An Ib high-temperature high-pressure diamond single crystal substrate is prepared, and after implanting ions from the main surface, CVD diamond is epitaxially grown on the implanted surface, and the diamond deposited around the ion-implanted layer on the side surface of the substrate is removed by laser cutting. Was made.
The size of the main surface is 4 × 4 mm, the
In the ion-implanted
次に、図2に示すダイヤモンドの剥離装置11を用意した。エッチング液12は純水で、エッチング槽13はほうけい酸ガラス製のビーカ、電極14は白金電極とした。
そして、剥離装置11の電極間隔を約1cmとして、エッチング液中の電極間に試料cを置いた。電極間に340Vの電圧を印加して放置したところ、10時間でイオン注入層04が完全にエッチングされて、ダイヤモンド層02と03は剥離・分離した。
Next, a
And the electrode c of the peeling
試料dとして、イオン注入直後に1×10−5Paの真空中において温度950℃で1時間アニールを実施する工程を追加した以外は試料cと同様にして構造体01を作製した。注入面にエピタキシャル成長させたCVDダイヤモンドの結晶性はロッキングカーブ測定を行ったところ試料cよりも良好であることがわかった。その後、剥離装置11において、試料cについて行ったと同様の条件で剥離・分離を試みた。結果、9時間でイオン注入層04が完全にエッチングされて、ダイヤモンド層02と03は剥離・分離した。
As a sample d, a
[比較例1]
まず、図1に示す構造体01として以下のようにして試料eを作製した。
Ib高温高圧ダイヤモンド単結晶基板を準備し、主面からイオン注入後、注入面上にCVDダイヤモンドをエピタキシャル成長させ、基板側面のイオン注入層の周りに堆積したダイヤモンドをレーザー切断で除去して構造体01を作製した。
サイズは主面が4×4mmで、ダイヤモンド層02は厚さ0.4mmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶であり、ダイヤモンド層03は厚さ0.21μmの高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶を含む厚さ0.37mmのCVDダイヤモンド単結晶であった。
そして、グラファイト化が進行したイオン注入層04は、B+イオンを注入エネルギー175keVで照射量を1.0×1016ions/cm2として、高温高圧合成Ibダイヤモンド単結晶の主面から1段注入して形成しており、厚さは注入面より深さ0.21μmから0.24μmまでの0.03μmで、注入原子濃度はSIMSで測定して4.0x1020cm−3から1.2x1021cm−3の間でシミュレーション計算と一致していた。また、ダイヤモンド層02及び03は絶縁性、イオン注入層04は導電性であった。
[Comparative Example 1]
First, a sample e was produced as the
An Ib high-temperature high-pressure diamond single crystal substrate is prepared. After ion implantation from the main surface, CVD diamond is epitaxially grown on the implantation surface, and diamond deposited around the ion implantation layer on the side surface of the substrate is removed by laser cutting. Was made.
The size of the main surface is 4 × 4 mm, the
The ion-implanted
次に、図2に示すダイヤモンドの剥離装置11を用意した。エッチング液12は純水で、エッチング槽13はほうけい酸ガラス製のビーカ、電極14は白金電極とした。
そして、剥離装置11の電極間隔を約1cmとして、エッチング液中の電極間に試料eを置いた。電極間に340Vの電圧を印加して放置したが、48時間(2日間)経過してもイオン注入層04は完全にエッチングされず、ダイヤモンド層02と03は剥離・分離しなかった。
Next, a
And the electrode e of the peeling
01 ダイヤモンド構造体
02 ダイヤモンド層
03 ダイヤモンド層
04 イオン注入層
11 ダイヤモンドの剥離装置
12 エッチング液
13 エッチング槽
14 電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記イオン注入工程において、注入エネルギー10keV以上1MeV未満の注入エネルギーの範囲内で、異なる注入エネルギーでのイオン注入を2段以上行って9.0μm未満の層厚のイオン注入層を形成することを特徴とするダイヤモンドの剥離方法。 An ion implantation step of implanting ions into the main surface of the diamond substrate to form an ion implantation layer on the diamond substrate, and growing a diamond film on the substrate surface on the side where the ion implantation layer is formed, the ion implantation layer, The diamond structure obtained by the process including the process of forming a diamond structure having a structure sandwiched between diamond layers is immersed in an etching solution, and a voltage is applied to etch the ion implantation layer electrochemically. Thus, a diamond peeling method including a peeling step of separating a diamond substrate and a diamond layer,
In the ion implantation step, an ion implantation layer having a layer thickness of less than 9.0 μm is formed by performing ion implantation at two or more stages with different implantation energy within a range of implantation energy of 10 keV or more and less than 1 MeV. And diamond peeling method.
The diamond substrate after the ion implantation is subjected to an annealing treatment at a temperature of 650 ° C. to 950 ° C. for 1 hour to 24 hours in a vacuum of 10 −2 Pa or less or in an inert gas atmosphere. The diamond peeling method according to any one of claims 1 to 3.
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