JP2018030750A - Crystal substrate with Ni thin film - Google Patents
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Abstract
【課題】エッチングやレーザー加工等を行うことなく、反りの吸収及び長時間の気相成長が可能な単結晶ダイヤ育成用基板を提供する。【解決手段】単結晶ダイヤモンド上に膜厚0.1〜1.0μmのNi膜を形成を形成することで、加熱によるランダムマイクロパターン形成可能な単結晶ダイヤ育成用基板を得ることができ、当該基板を水素雰囲気下でアニールすることによって当該パターンによるランダムマイクロニードルを形成すると共に、当該ニードル下部のNi層にてニードル長を延長しつつ、横方向結晶成長による厚膜単結晶ダイヤモンド基板を気相成長させることが可能となる。【選択図】 図2PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for growing a single crystal diamond capable of absorbing warpage and growing a gas phase for a long time without performing etching or laser processing. By forming a Ni film having a thickness of 0.1 to 1.0 μm on a single crystal diamond, a substrate for growing a single crystal diamond capable of forming a random micropattern by heating can be obtained. By annealing the substrate in a hydrogen atmosphere, random microneedles according to the pattern are formed, and the needle length is extended by the Ni layer under the needle, while the vapor phase of the thick-film single crystal diamond substrate by lateral crystal growth. It will be possible to grow. [Selection diagram] Fig. 2
Description
本発明は厚膜単結晶ダイヤモンド基板の気相成長に用いる結晶基板に関する。 The present invention relates to a crystal substrate used for vapor phase growth of a thick single crystal diamond substrate.
現在、単結晶ダイヤモンド基板の気相成長に於いて、ダイヤが気相成長する薄膜を形成し、当該薄膜上にダイヤ厚膜を気相成長させる方法がWO2015/190427(以下特許文献1として記載)として出願後、公開されている。当該特許文献1では柱状ダイヤを用いた単結晶ダイヤの気相成長を行っており、下地基板と育成するダイヤ層との熱膨張差に起因して発生する応力を柱状ダイヤによって吸収する事で反りを低減し、数十時間を超える長時間の気相成長及び厚膜の形成を可能にしている。
Currently, in vapor phase growth of a single crystal diamond substrate, a method of forming a thin film on which diamond is vapor-phase grown and vapor-depositing a diamond thick film on the thin film is disclosed in WO2015 / 190427 (hereinafter referred to as Patent Document 1). It has been published as after application. In
当該柱状ダイヤの具体的な形成方法としては、特開平03−045594(以下特許文献2として記載)及び特許4792625(以下特許文献3として記載)に記載された方法があり、特許文献2では積層により、特許文献3ではフォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチングにより、それぞれ特定範囲でのダイヤ形成を可能にしている。尚、特許文献3では柱状ダイヤが形成された部分以外の平滑なエッチングという効果をも付与しており、イオンビームエッチング等によっても柱状ダイヤの形成を行うことができる旨を記載している。
As a specific method for forming the columnar diamond, there are methods described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 03-045594 (hereinafter described as Patent Document 2) and Patent 4794625 (hereinafter described as Patent Document 3). In
上述した効果を有している一方、特許文献2記載の方法はマスキングに用いる金属膜上にカーボン膜が形成される為、高アスペクト比の柱状ダイヤを形成することができないという課題を有している。また、特許文献3記載の方法では柱状ダイヤの形成に際してエッチングやレーザー加工等を用いており、露光装置及びレーザー光源等、ダイヤ気相成長装置とは別に柱状ダイヤ形成用の装置を用意しなければならない。
On the other hand, the method described in
上記課題に対し、本願記載の発明では上記露光装置を用いたエッチングやレーザー加工等を行うことなく、上記反りの低減及び長時間の気相成長が可能な単結晶ダイヤ育成用基板の提供を目的としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in the present application aims to provide a substrate for growing a single crystal diamond capable of reducing the warp and vapor-phase growth for a long time without performing etching or laser processing using the exposure apparatus. It is said.
上記目的のために本願記載の発明は、単結晶ダイヤモンド層上に膜厚0.1〜1.0μmのNi膜を形成したことを特徴としている。より具体的には、上記柱状ダイヤと同様の効果を有するランダムマイクロニードルを形成可能な厚みを有する、平坦な単結晶ダイヤの表面について、膜厚0.1〜1.0μmの厚みを有するNi膜を積層することをその技術的特徴としている。 For the above purpose, the invention described in the present application is characterized in that a Ni film having a thickness of 0.1 to 1.0 μm is formed on a single crystal diamond layer. More specifically, a Ni film having a thickness of 0.1 to 1.0 μm on the surface of a flat single crystal diamond having a thickness capable of forming random microneedles having the same effect as the columnar diamond. The technical feature is to laminate the layers.
また、本発明第2の態様記載の発明は、当該ダイヤ層の下地基板について、ダイヤ基板以外の基板を用いたことをその技術的特徴としている。
The invention described in the second aspect of the present invention is characterized in that a substrate other than the diamond substrate is used as the base substrate of the diamond layer.
上述した技術的特徴によって本願記載の発明は、前記露光装置及びレーザー光源を用いることなく、応力の吸収が可能な単結晶ダイヤモンド気相成長用の結晶基板を提供することが可能となる。即ち、本発明記載の結晶基板は単結晶ダイヤモンド層上に特定範囲内の膜厚で形成したNi薄膜を加熱することによって当該Ni薄膜を凝集し、斑状のランダムマイクロパターンを構成することが可能となっている。より具体的には、膜厚0.1〜1.0μmのNi薄膜を形成することで、膜厚が0.1μm未満となった際の凝集で生じるランダムマイクロパターン密度低下と、1.0μmを超えた際に生じる当該パターンの高密度化とによってそれぞれ生じるランダムマイクロニードルの形成不良を防ぎ、当該ニードルからの横方向エピタキシャル成長が可能な単結晶ダイヤモンド気相成長用結晶基板を得ることができる。尚、当該パターンは配向性を持たない状態で構成される為、水素雰囲気下でアニールすることによって当該Ni下のダイヤを熱加工し、針状のランダムマイクロニードルを形成する。これに伴い、当該ニードル上に単結晶ダイヤを気相成長させることでニードルが応力を吸収し、前記柱状ダイヤと同様の作用効果を得ることができる。また、本発明記載の単結晶ダイヤ基板では、当該ニードルを加熱処理のみによって形成している。この為、前記ニードル上での気相成長に際し、一定の長さまでニードルを形成後、気相成長用雰囲気に水素を混合して気相成長を行うことで、上記ダイヤの気相成長とニードルの形成とを並行して行うことが可能となる。 According to the technical features described above, the invention described in the present application can provide a crystal substrate for single crystal diamond vapor phase growth capable of absorbing stress without using the exposure apparatus and the laser light source. In other words, the crystal substrate according to the present invention can form a patchy random micropattern by aggregating the Ni thin film by heating the Ni thin film formed with a film thickness within a specific range on the single crystal diamond layer. It has become. More specifically, by forming a Ni thin film with a film thickness of 0.1 to 1.0 μm, a random micro pattern density decrease caused by aggregation when the film thickness becomes less than 0.1 μm, and 1.0 μm A crystal substrate for single crystal diamond vapor phase growth capable of preventing the formation of random microneedles caused by increasing the density of the pattern when the pattern is exceeded and capable of lateral epitaxial growth from the needle can be obtained. In addition, since the said pattern is comprised in the state which does not have orientation, the diamond under the said Ni is heat-processed by annealing in hydrogen atmosphere, and a needle-like random microneedle is formed. Along with this, the single crystal diamond is vapor-phase grown on the needle, the needle absorbs the stress, and the same effect as the columnar diamond can be obtained. In the single crystal diamond substrate according to the present invention, the needle is formed only by heat treatment. For this reason, in the vapor phase growth on the needle, after forming the needle to a certain length, the vapor phase growth is performed by mixing hydrogen in the vapor phase growth atmosphere and performing the vapor phase growth. It is possible to perform the formation in parallel.
また、本願記載の発明では、積層するNi膜の膜厚及び成膜温度によって前記ニードルの密度を調整することができる。これは、当該膜厚の違いによって積層したNiの凝集が変化する為で、気相成長させる厚膜単結晶ダイヤモンドの面積及び膜厚に応じて最適な密度で当該気相成長を行うと共に、当該密度の最適化によって育成する結晶品質を向上することが可能となっている。即ち、本発明記載の基板から形成されるランダムマイクロニードルは、当該ニードル先端を基点とする横方向エピタキシャル成長によって互いに結合しながら単結晶ダイヤ基板を形成していく。この為、当該ニードルの密度を最適化することによってニードル間の距離を当該結合に適した値へと調整し、結合時に於ける結晶欠陥の発生を抑えて単結晶ダイヤの育成を行うことができる。 In the invention described in the present application, the density of the needles can be adjusted by the thickness of the Ni film to be laminated and the film formation temperature. This is because the aggregation of the stacked Ni changes due to the difference in the film thickness, so that the vapor phase growth is performed at an optimum density according to the area and film thickness of the thick single crystal diamond to be vapor phase grown, and the It is possible to improve the quality of crystals grown by optimizing the density. That is, the random microneedles formed from the substrate according to the present invention form a single crystal diamond substrate while being bonded to each other by lateral epitaxial growth starting from the needle tip. For this reason, by optimizing the density of the needle, the distance between the needles can be adjusted to a value suitable for the bonding, and the generation of a single crystal diamond can be performed while suppressing the generation of crystal defects during the bonding. .
上記効果に加えて、本発明第2の態様記載の発明を用いることで、前記単結晶ダイヤ基板の量産性を向上することが可能となる。より詳しくは、前記Ni膜を形成する単結晶ダイヤとして、下地基板上に気相成長させた単結晶ダイヤを用いることで、当該下地基板について取り回しが容易な厚み及び形状を選択できると共に、下地基板を大径化することによって前記ニードル形成に必要な単結晶ダイヤを大面積で提供することができる。また、本発明では厚膜単結晶ダイヤ基板の気相成長中、気相成長用雰囲気に水素を混合することでニードル長を延長し、当該ニードルが吸収可能な応力を増加すると共に、当該応力の吸収による反りの低減という効果を当該気相成長中、安定して付与することができる。この為、本発明を用いることで、従来の柱状ダイヤを用いた単結晶ダイヤモンドの気相成長中に発生していた、柱状ダイヤ基部の成長によるニードル長の減少という課題を解決し、ニードル長が短い状態からでも当該ニードル先端での気相成長を開始することができると共に、全体的な育成時間を短縮することもまた、可能となっている。 In addition to the above effects, it is possible to improve the mass productivity of the single crystal diamond substrate by using the invention described in the second aspect of the present invention. More specifically, as the single crystal diamond for forming the Ni film, by using a single crystal diamond that is vapor-phase grown on the base substrate, it is possible to select a thickness and shape that can be easily handled for the base substrate, and the base substrate By increasing the diameter, a single crystal diamond necessary for forming the needle can be provided in a large area. In the present invention, during the vapor phase growth of the thick film single crystal diamond substrate, the needle length is extended by mixing hydrogen into the vapor phase growth atmosphere, the stress that can be absorbed by the needle is increased, and the stress The effect of reducing warpage due to absorption can be stably imparted during the vapor phase growth. Therefore, by using the present invention, the problem of reduction in needle length due to growth of the columnar diamond base, which has occurred during vapor phase growth of single crystal diamond using a conventional columnar diamond, is solved. It is possible to start vapor phase growth at the needle tip even from a short state and to shorten the overall growth time.
以上述べたように、本願請求項記載の発明を用いることによって露光装置を用いたエッチングやレーザー加工等を行うことなく、上記応力の吸収に伴う反りの低減及び長時間の気相成長が可能な単結晶ダイヤ育成用基板を提供することができる。
As described above, by using the invention described in the claims of the present application, it is possible to reduce the warp accompanying the absorption of the stress and to grow the vapor phase for a long time without performing etching or laser processing using an exposure apparatus. A substrate for growing a single crystal diamond can be provided.
以下に、図1、図2を用いて、本発明に於ける最良の実施形態を示す。尚、図中の記号及び部品番号について、同じ部品として機能するものには共通の記号又は番号を付与している。 The best embodiment in the present invention will be described below with reference to FIGS. In addition, about the symbol and component number in a figure, the common symbol or number is provided to what functions as the same component.
図1に本実施形態に於いて用いる単結晶ダイヤモンド基板の斜視図を、図2に当該基板を用いた厚膜単結晶ダイヤモンド基板の気相成長方法を、それぞれ示す。尚、育成用ステージ、チャンバー及びターゲットといった育成装置については、図中での記載を省略している。 FIG. 1 shows a perspective view of a single crystal diamond substrate used in this embodiment, and FIG. 2 shows a vapor phase growth method of a thick single crystal diamond substrate using the substrate. In addition, about the growth apparatuses, such as a growth stage, a chamber, and a target, description in a figure is abbreviate | omitted.
図1に示すように、本実施形態ではMgO単結晶からなる下地基板1の上に下処理としてイリジウム(Ir)単結晶膜2を成膜し、当該Ir膜上にダイヤモンド層3を成長形成した後、膜厚0.5μmのNi膜4を形成している。また、図2(a)〜(h)から解るように、本実施形態では初めにMgO単結晶からなる下地基板上に前記Ir膜を形成後(図中b参照)、CVD法等を用いて単結晶ダイヤモンド層を気相成長させており(図中c参照)、当該ダイヤモンド層上に前記Ni膜を形成した(図中d参照)ことをその技術的特徴としている。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, an iridium (Ir)
当該技術的特徴を備えたことで、本実施形態記載の単結晶ダイヤモンド基板は、当該基板を加熱することによりNi膜4を凝集し、斑状のランダムマイクロパターン5を形成することが可能となった(図中e参照)。当該パターンは配向性を持たない状態で構成される為、水素雰囲気下でアニールすることによって当該Ni下のダイヤモンド層3を熱加工し、針状のランダムマイクロニードル7を形成することができる(図中f参照)。これにより、本実施形態記載の単結晶ダイヤモンド基板を用いることで、熱を用いた加工のみで当該ニードルを形成すると共に、ニードル上での横方向結晶成長により、反りの低減及び結晶品質の向上といった効果を有する厚膜単結晶ダイヤモンド基板を形成することが可能となった。
By providing the technical feature, the single crystal diamond substrate described in the present embodiment can agglomerate the
以下に、詳細な説明を述べる。初めのダイヤモンド層を形成する下地基板1について、本実施形態ではMgO単結晶を使用するが、それ以外の材質としては、酸化アルミニウム(α−Al2O3:サファイア)、Si、石英、白金、イリジウム、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)等が挙げられる。これらのうちMgO単結晶基板と酸化アルミニウム(サファイア)単結晶基板は、熱的に極めて安定していると共に、8インチ(約203.2mm)までの直径の基板が出ているため、簡単に入手可能との理由から、下地基板作成時に用いるダイヤモンド層用の基板として好ましい。
Detailed description will be given below. For the
また、前記下地基板1の上に直接ダイヤモンド層3を積層する際は、少なくとも片面が鏡面研磨されたものを用いる。これは、当該ダイヤモンド層の成長工程において、ダイヤモンド層が鏡面研磨された面側に成長形成される事に起因する。当該鏡面研磨は、少なくとも片面でダイヤモンド層が成長可能な程度まで平滑となるように行われれば良く、目安としては表面粗さRaで10nm以下まで研磨することが好ましい。これは、Raが10nmを超えると、成長させるダイヤモンド層の品質悪化を招いてしまう為である。尚、当該片面上にはクラックが無いものとする。また、Raの測定は、表面粗さ測定機により行うことができる。当該基板については、必要に応じて両面が鏡面研磨された基板を用いても良く、この場合何れか一方の面をダイヤモンド層の成長面として任意に利用できる。
Further, when the
尚、前記直接ダイヤモンド層を形成する下地基板としてMgO単結晶基板を用いる場合、ダイヤモンド層の成長面として(001)面を用いることが好ましいが、(001)以外の面も使用可能である。また、ダイヤモンド層用の基板について、平面方向の形状は特に限定されず、例えば円形状や方形でも良い。また、当該基板が円形状の場合は大型化という観点から、直径2インチ(約50.8mm)以上であることが好ましく、3インチ(約76.2mm)以上であることがより好ましく、6インチ(約152.4mm)以上であることが更に好ましい。当該基板について直径の上限値は特に限定されないが、実用上の観点から8インチ以下が好ましい。本願では基板の寸法公差を考慮し、直径2インチに関しては50.8mmの2%に当たる1.0mmを減算した、直径49.8mm以上〜50.8mmの範囲も2インチに該当すると定義する。 In the case where an MgO single crystal substrate is used as the base substrate for directly forming the diamond layer, it is preferable to use the (001) plane as the growth surface of the diamond layer, but planes other than (001) can also be used. Further, the shape in the plane direction of the substrate for the diamond layer is not particularly limited, and may be, for example, a circular shape or a square shape. When the substrate is circular, it is preferably 2 inches (about 50.8 mm) or more in diameter from the viewpoint of enlargement, more preferably 3 inches (about 76.2 mm) or more, and 6 inches. More preferably (about 152.4 mm). The upper limit of the diameter of the substrate is not particularly limited, but is preferably 8 inches or less from a practical viewpoint. In the present application, in consideration of the dimensional tolerance of the substrate, the range of 49.8 mm to 50.8 mm, which is obtained by subtracting 1.0 mm, which is 2% of 50.8 mm, is defined as 2 inches.
上記下地基板について円形の場合に於けるサイズを規定する一方、当該基板が方形の場合は大型化という観点から、50mm×50mm以上であることが好ましく、75mm×75mm以上であることがより好ましい。また、寸法の上限値は実用上の観点から、200mm×200mm以下が好ましい。従って、ダイヤモンド層用の基板表面は、少なくとも20cm2の面積を有する。更に、大型化という観点から、1297cm2までの面積を有することが、より好ましい。 While the size of the base substrate is defined in a circular shape, the size is preferably 50 mm × 50 mm or more, and more preferably 75 mm × 75 mm or more from the viewpoint of increasing the size when the substrate is square. Further, the upper limit of the dimension is preferably 200 mm × 200 mm or less from a practical viewpoint. Thus, the substrate surface for the diamond layer has an area of at least 20 cm2. Furthermore, it is more preferable to have an area up to 1297 cm 2 from the viewpoint of increasing the size.
また、前記下地基板の厚みは、3.0mm以下であることが好ましく、1.5mm以下であることがより好ましく、1.0mm以下であることが更に好ましい。厚みの下限値は特に限定されないが、剛性を確保する観点から0.05mm以上であることが好ましく、0.4mm以上であることがより好ましい。尚、平面方向の形状が円形状で、直径50mm以上150mm以下のときは当該厚みが0.3mm以上、直径が150mmを超えるときは、厚みが0.6mm以上あることが、それぞれ好ましい。 Further, the thickness of the base substrate is preferably 3.0 mm or less, more preferably 1.5 mm or less, and still more preferably 1.0 mm or less. Although the lower limit of thickness is not specifically limited, It is preferable that it is 0.05 mm or more from a viewpoint of ensuring rigidity, and it is more preferable that it is 0.4 mm or more. In addition, when the planar shape is circular and the diameter is 50 mm or more and 150 mm or less, the thickness is preferably 0.3 mm or more, and when the diameter exceeds 150 mm, the thickness is preferably 0.6 mm or more.
前記下地基板1を用意し、下処理としてIr膜2を形成したら、次に片面にダイヤモンド単結晶から成るダイヤモンド層3を成長させて形成する。ダイヤモンド層3の成長方法は特に限定されず、公知の方法が利用できる。成長方法の具体例としては、パルスレーザ蒸着(PLD:Pulsed Laser Deposition)法や、化学気相蒸着法(CVD:Chemical Vapor Deposition)法等の気相成長法がある。
After the
ここで、上記ダイヤモンド層3の成長前には下地基板のサーマルクリーニングを行い、次にダイヤモンド層を成長させる。前記PLD法としては、実質的に酸素からなるガス雰囲気下で、グラファイト、アモルファスカーボン又はダイヤモンドを含有するターゲットに対し、レーザスパッタリングを行ってターゲットから炭素を飛散させ、下地基板の片面上にダイヤモンド層を成長させる。また、炉内圧力は1.33×10−4Pa〜133.32Pa、基板温度は300℃〜1000℃、ターゲット−基板間の距離は10mm〜100mmの範囲であることが好ましい。
Here, before the
前記CVD法を用いる場合、CVD成長炉内にダイヤモンド層用の基板を配置し、当該基板片面上にCVDダイヤモンド単結晶を成長させる。成長方法は、直流プラズマ法、熱フィラメント法、燃焼炎法、アークジェット法等が利用可能であるが、不純物の混入が少ない高品質なダイヤモンドを得るためにはマイクロ波プラズマ法が好ましい。 When the CVD method is used, a diamond layer substrate is placed in a CVD growth furnace, and a CVD diamond single crystal is grown on one surface of the substrate. As a growth method, a direct current plasma method, a hot filament method, a combustion flame method, an arc jet method, or the like can be used, but a microwave plasma method is preferable in order to obtain high-quality diamond with little contamination.
当該マイクロ波プラズマCVDによるダイヤモンド層のエピタキシャル成長では、原料ガスとして水素、炭素を含む気体を使用する。水素、炭素を含む気体としてメタン/水素ガス流量比0.001%〜30%でメタンを成長炉内に導入する。炉内圧力は約1.3×103Pa〜1.3×105Paに保ち、周波数2.45GHz(±50MHz)、或いは915MHz(±50MHz)のマイクロ波を電力100W〜60kW投入することによりプラズマを発生させる。そのプラズマによる加熱で温度を700℃〜1300℃に保った基板片面上に活性種を堆積させて、CVDダイヤモンドを成長させる。ダイヤモンド層の厚みは形成しようとするランダムマイクロニードルの長さ分となるように設定し、30μm以上500μm以下の厚みで成長することが好ましい。 In the epitaxial growth of the diamond layer by the microwave plasma CVD, a gas containing hydrogen and carbon is used as a source gas. Methane is introduced into the growth furnace as a gas containing hydrogen and carbon at a methane / hydrogen gas flow rate ratio of 0.001% to 30%. The pressure inside the furnace is maintained at about 1.3 × 103 Pa to 1.3 × 105 Pa, and plasma is generated by applying microwaves with a frequency of 2.45 GHz (± 50 MHz) or 915 MHz (± 50 MHz) to a power of 100 W to 60 kW. . CVD diamond is grown by depositing active species on one side of the substrate maintained at a temperature of 700 ° C. to 1300 ° C. by heating with the plasma. The thickness of the diamond layer is set so as to be equal to the length of the random microneedles to be formed, and it is preferable to grow with a thickness of 30 μm or more and 500 μm or less.
次に前記形成したダイヤモンド層3上にNi膜4を形成する(図2中d参照)。当該形成はスパッタリング等を用いて0.1μm〜1.0μmの範囲で任意の厚みに形成すれば良い。本実施形態ではスパッタ時間を数時間とすることにより、膜厚0.5μmのNi膜4を前記ダイヤモンド層3上に形成している。これにより、本実施形態記載の単結晶ダイヤモンド基板は、当該基板を加熱することによりNi薄膜を凝集し、斑状のランダムマイクロパターン5を形成することが可能となった(図2中e参照)。
Next, a
上述した効果によって得られた本実施形態記載のランダムマイクロパターン5は、前記積層されたNi膜4が配向性を持たない不均一な状態で凝集、再形成されると共に、配向性を持たない状態で構成されている。この為、当該パターン5を水素雰囲気下でアニールすることによってNi下のダイヤを熱加工し、針状のランダムマイクロニードル7を形成する事が可能となる(図2中f参照)。ここで、当該ニードル7の密度はNi膜4の厚みを変化させることで調整することができる。これは、前記アニールによって再形成されるマイクロパターン5のNi膜が配向性を持たず、積層したNi膜4の膜厚によってNiの凝集が変化することに起因した効果となっている。即ち、従来のフォトリソ等により形成されたNi膜のパターンはその原理上、形成したNiに配向性が付与される為、レジスト除去後、前記アニールによる熱加工を加えた際、付与されたパターンに沿って垂直に熱加工が進み、柱状形状のダイヤモンド単結晶が形成される。従って、従来用いられてきた当該柱状ダイヤの密度を変化させる場合、形成するパターンの密度を変化させる必要があった。これに対して、本実施形態記載のランダムマイクロパターン5は、最初に形成するNi膜4の膜厚によって前記ニードル7の密度を調整することができる。これにより、本実施形態記載の単結晶ダイヤモンド基板を用いることで、レジストの除去等により育成炉から基板を取り出すことなく、熱を用いた加工のみで当該ニードル形成及びニードル上での横方向結晶成長を連続して行うことが可能となり、温度変化に起因した反りの低減及び結晶品質の向上といった効果を有する厚膜単結晶ダイヤモンド基板を形成することができる。
The
尚、前記下地基板表面又はIr層表面に於いて、ダイヤモンド層3はヘテロエピタキシャル成長により形成される。この為、形成されたダイヤモンド層には結晶欠陥が多く形成される一方、複数のマイクロニードルを形成することにより欠陥を間引くこともまた、可能となっている。
The
上記ニードル形成後、ニードル先端に厚膜単結晶ダイヤモンド基板層8を成長させて厚膜単結晶ダイヤ基板を形成する(図2中g参照)。本実施形態では、各ニードルの先端からダイヤモンド単結晶を成長させることにより、どのニードルからも均等にダイヤモンド単結晶の成長を進行させることができた。より詳しくは、各ニードル方向を揃えて気相成長させることにより、同じタイミングで各ニードルから成長されたダイヤモンド単結晶の横方向結晶成長を開始させることが可能となった。加えて、気相成長中の雰囲気に水素とメタンを用いることで、水素及びNi層6によるニードル7の形成とメタンによる厚膜基板層8の気相成長とを同時に行うことができ、ニードル形成後に気相成長を行う場合と比較してニードル形成から気相成長の間に生じる温度変化を抑え、当該温度変化によって発生する反りの低減という効果をも付与することができた。
After the needle formation, a thick single crystal
ここで、本実施形態では各ニードルからダイヤモンド単結晶同士を横方向結晶成長させることで厚膜単結晶ダイヤモンド基板層を製造する。当該基板層は基板の径に応じて、形成できるニードルの本数を変え、当該径が大きくなるに伴いニードルの本数を増やすことができる。この為、2インチの下地基板からは2インチのダイヤモンド基板層を、8インチの下地基板からは8インチのダイヤモンド基板層を、それぞれ作製することが可能となる。 Here, in this embodiment, a single crystal diamond substrate layer is produced by laterally growing diamond single crystals from each needle. The substrate layer can change the number of needles that can be formed in accordance with the diameter of the substrate, and can increase the number of needles as the diameter increases. Therefore, a 2-inch diamond substrate layer can be produced from a 2-inch base substrate, and an 8-inch diamond substrate layer can be produced from an 8-inch base substrate.
前記ダイヤモンド基板層の形成後、前記ニードル部分を残してNi下のダイヤモンド層をIr層まで加工し、当該ダイヤモンド基板層を分離する(図2中h参照)。ここで、当該ニードル部分底部での分離について、本実施形態では厚膜単結晶ダイヤモンド基板層成長時、下地基板と厚膜単結晶ダイヤモンド基板層とに発生する反りに起因した応力Bをニードル部分で吸収させると共に、前記Ir層まで加工した際、ニードル間を繋いでいたダイヤモンド層が無くなり、当該応力をニードル間の分離によって開放することで、厚膜単結晶ダイヤモンド基板9を下地基板から分離している。(図2中g、h参照)
After the formation of the diamond substrate layer, the diamond layer under Ni is processed to an Ir layer leaving the needle portion, and the diamond substrate layer is separated (see h in FIG. 2). Here, regarding the separation at the bottom of the needle portion, in this embodiment, when the thick film single crystal diamond substrate layer is grown, the stress B caused by the warp generated in the base substrate and the thick film single crystal diamond substrate layer is applied to the needle portion. When it is absorbed and processed up to the Ir layer, the diamond layer that connects the needles disappears, and the stress is released by separation between the needles, thereby separating the thick single
前記反りは、基板間の熱膨張係数及び格子定数差に起因する。即ち、MgO単結晶製の下地基板は、その熱膨張係数及び格子定数がダイヤモンド単結晶製の厚膜単結晶ダイヤモンド基板層のそれよりも大きい。従って、当該基板層成長後の冷却時に於いて、厚膜単結晶ダイヤモンド基板層側に中心部から端部側に向かって、図2(g)に示す方向での引張り応力Bが発生する。この応力は、下地基板と厚膜単結晶ダイヤモンド基板層との格子定数差によって発生する応力、及び/又は、下地基板と厚膜単結晶ダイヤモンド基板層との熱膨張係数差によって発生しており、当該応力を受けた結果、図2(g)に示すようにダイヤモンド基板層側が凸状となるように、ダイヤモンド基板層、ダイヤモンド層用基板、及び各ニードル全体に大きな反りが発生する。 The warping is caused by a difference in thermal expansion coefficient and lattice constant between the substrates. That is, the base substrate made of MgO single crystal has a thermal expansion coefficient and a lattice constant larger than that of the thick single crystal diamond substrate layer made of diamond single crystal. Therefore, during cooling after the substrate layer growth, a tensile stress B is generated in the direction shown in FIG. 2G from the center to the end on the thick single crystal diamond substrate layer side. This stress is generated due to the stress generated by the lattice constant difference between the base substrate and the thick single crystal diamond substrate layer and / or the difference in thermal expansion coefficient between the base substrate and the thick single crystal diamond substrate layer, As a result of the stress, a large warp is generated in the diamond substrate layer, the diamond layer substrate, and the entire needle so that the diamond substrate layer side has a convex shape as shown in FIG.
上記反りの発生について、図2(g)に示すように、本実施形態ではNi層7を残し、育成雰囲気に水素を混合することでNi下のダイヤモンド層を加工し続け、厚膜単結晶ダイヤモンド基板層8の気相成長とニードル6の形成とを並行して行っている。この為、当該基板層8の気相成長に伴い発生する応力について、ニードル長を延長し続けることによって長時間に渉る応力の吸収を可能にすると共に、気相成長中に、当該応力がニードルの許容量を超えた場合にはニードル部分6が破壊され、厚膜単結晶ダイヤモンド基板層を保護する構造とすることができた。
With respect to the occurrence of the warp, as shown in FIG. 2G, in this embodiment, the
上記厚膜単結晶ダイヤモンド基板層8の製造方法に加えて、以下に当該基板層の分離に関する詳細を述べる。本実施形態では、下地基板と厚膜単結晶ダイヤモンド基板層との格子定数差によって発生する応力、及び/又は、熱膨張係数差によって発生する応力をニードル長の延長により吸収すると共に、Ni下のダイヤモンド層を全て加工することによって当該応力を開放し、厚膜単結晶ダイヤモンド基板層の成長後に別途、分離のための装置や器具または工程を用いることなく、当該基板層の分離を可能としている(図2中h参照)。この為、本実施形態記載の方法により、厚膜単結晶ダイヤモンド基板製造工程の簡略化および分離工程の容易化が可能になる。尚、ニードルの形成方向を、ダイヤモンド層及び各ニードルを形成するダイヤモンド単結晶の(001)面に対して、垂直な方向に設定することにより、前記応力がニードルの許容量を超えた際に於けるニードル6の破壊(図2中gで発生)を円滑に進行させることができる。また、本実施形態で用いるダイヤモンド層3の厚みは、形成しようとするニードル6の長さ分となるように設定し、30μm以上500μm以下の厚みで成長することが好ましい。加えて、底部の一部厚みに一様なダイヤモンド層を残して、ニードル6を形成しても良い。
In addition to the method for producing the thick single crystal
上記ニードル6の形状について、本実施形態で用いるニードル6の底面と高さからなるアスペクト比は、ダイヤモンド基板層の成長時に各ニードルが埋まり切らないような値とし、具体的には5以上が望ましい。また、ニードルの断面形状は方形でも円形状でも良いが、ニードル6は前記応力が許容量を超えた際に、速やかに破壊される必要がある。従って、ニードルの断面形状は円形状(即ち、ニードルが円錐状)の方が、応力が円周方向に亘って均等に掛かる為、前記許容量を超えた際に於ける各ニードルの破壊を均一に出来る。従って、破壊不均一によるダイヤモンド基板層8への亀裂や断裂またはクラック発生防止の観点からは、ニードル断面形状を円形とすることが望ましい。
Regarding the shape of the
以上述べたように、本願実施形態記載の基板を用いることで、エッチングやレーザー加工等を行うことなく、反りの吸収及び長時間の気相成長が可能な単結晶ダイヤ育成用基板を提供することができた。
As described above, by using the substrate described in the embodiment of the present application, a single crystal diamond growth substrate capable of absorbing warpage and vapor-phase growth for a long time without performing etching or laser processing is provided. I was able to.
1 下地基板
2 Ir膜
3 ダイヤモンド層
4 Ni膜
5 ランダムマイクロパターン
6 ランダムマイクロニードル
7 Ni層
8 厚膜単結晶ダイヤモンド基板層
9 厚膜単結晶ダイヤモンド基板
B 応力
DESCRIPTION OF
Claims (2)
A crystal substrate in which a Ni film having a thickness of 0.1 to 1.0 μm is formed on a single crystal diamond layer.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2016163097A JP2018030750A (en) | 2016-08-23 | 2016-08-23 | Crystal substrate with Ni thin film |
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| JP (1) | JP2018030750A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113838749A (en) * | 2020-06-24 | 2021-12-24 | 内蒙古工业大学 | A kind of diamond-based ohmic contact structure and preparation method thereof |
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2016
- 2016-08-23 JP JP2016163097A patent/JP2018030750A/en active Pending
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