TWI878691B

TWI878691B - 鑽石基板製造方法

Info

Publication number: TWI878691B
Application number: TW111124567A
Authority: TW
Inventors: 池野順一; 山田洋平; 鈴木秀樹; 松尾利香; 野口仁
Original assignee: 日商信越聚合物股份有限公司; 日商信越化學工業股份有限公司; 國立大學法人埼玉大學
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2025-04-01
Also published as: CN115555744A; US20230010575A1; TW202317301A; KR20230006390A; KR102770275B1; JP2023007772A; EP4112786A1

Abstract

本發明提供一種鑽石基板製造方法，可降低將單晶鑽石加工成鑽石基板時的損失量。鑽石基板製造方法係包含下列步驟：將使雷射光B聚光的雷射光聚光部190配置為面對單晶鑽石晶塊10的上表面10a的步驟；以及使用雷射光聚光部190以預定照射條件朝晶塊10的上表面10a照射雷射光B，使雷射光B聚光於晶塊10的內部，並且使雷射光聚光部190與晶塊10以二維狀相對移動，藉此在離晶塊10的上表面10a預定深度處沿著單晶鑽石的(111)面形成包含石墨的加工痕21b以及從該加工痕21b起沿著(111)面延伸的裂痕22b的改質層20的步驟。

Description

鑽石基板製造方法

本發明係關於鑽石基板製造方法，詳細而言，係關於使用雷射光對單晶鑽石進行加工來製造鑽石基板的鑽石基板製造方法。

以往，係提供碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)替代矽(Si)作為適於功率元件的半導體材料，惟相較於此等半導體材料，鑽石半導體具有高絕緣崩潰電場、高電力控制指數，且熱導率最高，因而作為下一代的材料受到注目而朝實用化進行研究、開發。此外，因鑽石中的氮-空缺中心(NV中心)可在室溫下進行高靈敏度的磁檢測，因而期待其在磁感測器中的應用而進行相關研究(參照專利文獻1)。

期待應用於此等半導體的單晶鑽石可藉由高溫高壓法(HPHT法)、同質磊晶成長等來合成，惟此等合成法難以將為了要利用於半導體製程的單晶鑽石的塊狀基板大面積化。對此，採用了有利於大面積化之將單晶氧化鎂(MgO)作為基底晶體使單晶鑽石進行異質磊晶成長的氣相合成法(CVD法)。

藉由此CVD法的異質磊晶成長可得到朝向與基底MgO晶體的結晶方向相同方向成長的單晶鑽石的塊狀晶體。亦即，基底MgO晶體的結晶方向為[100]時，可得到結晶方向[100]的鑽石塊狀晶體，基底MgO晶體的結晶方向為[111]時，可得到結晶方向[111]的鑽石塊狀晶體。將單晶鑽石應用於磁感測器時，由於需要形成高密度的NV中心並使NV中心的配向軸對齊而確立了藉由CVD法使高密度的NV中心沿[111]方向配向的技術，因此提高了以將(111)面作為主表面的單晶鑽石形成(111)塊狀晶體的必要性(參照專利文獻2)。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

專利文獻1：WO2015/107907號

專利文獻2：WO2015/046294號

專利文獻3：日本專利公開公報特開2021-080153號

另一方面，以異質磊晶成長所得到的單晶鑽石的塊狀晶體要切片加工成板狀的基板，但鑽石的硬度高，不容易加工。就切片成為基板的加工方法而言，可利用智能切割技術，藉由離子轟擊來導入缺陷層並藉由蝕刻等將其除去而進行剝離，但其存在有為了要進行離子轟擊而需要高真空環境的裝置且加工時間長的問題。此外，雖能够以數μm厚度進行剝離，但尚無數百μm厚度下的剝離事例。

就用於加工成基板的其他方法而言，例如有對於從基底晶體分離的單晶鑽石的塊狀晶體進行研磨、實施化學機械研磨(CMP)等直至期望厚度的方法。此外，由現有的HPHT法得到的單晶鑽石係實施從晶錠或是從將晶錠進一步切斷為一定長度而得的晶塊等切片成為基板的加工，但存在有被切割的部分成為材料損耗的問題。由於[111]方向的單晶鑽石的塊狀晶體特別難以研磨，因而有用於得到(111)基板的製造方法的開發需求。

如上所述，期待一種能以較簡單的方法降低因被切割的部分所致加工損耗來將被期待應用於高精度磁感測器的(111)單晶鑽石的塊狀晶體、晶錠或晶塊切片成為基板的製造方法。

本發明係鑒於上述情况而研創者，其目的在於提供一種鑽石基板製造方法，從藉由CVD法進行異質磊晶成長的[111]方向的單晶鑽石的塊狀晶體以及藉由HTHP法得到的單晶鑽石的晶錠、晶塊來加工損耗少地製作(111)基板。

為了解决上述課題，本申請之鑽石基板製造方法係包含下列步驟：將使雷射光聚光的雷射光聚光部配置為面對單晶鑽石晶塊的上表面的步驟；以及從雷射光聚光部向晶塊的上表面照射雷射光，使雷射光聚光於晶塊的內部，並且使雷射光聚光部與晶塊以二維狀相對移動，藉此在離晶塊的上表面預定深度處沿著單晶鑽石的(111)面(亦即密勒指數111面)形成改質層的步驟，其中該改質層係包含石墨的加工痕，以及從該加工痕起向周圍沿著(111)面延伸的裂痕。

晶塊可具有上表面為單晶鑽石的(111)面的板狀形狀。形成改質層的步驟可包含下列步驟：使雷射光聚光部與晶塊沿著預定掃描方向相對移動的步驟；以及使雷射光聚光部與晶塊沿著與上述掃描方向正交的方向以跨越預定間隔之方式相對移動的步驟。

雷射光可為脈衝波雷射光，加工痕的石墨可藉由被從其他加工痕起延伸的裂痕反射來的雷射光而形成，該其他加工痕與要形成的加工痕可沿著掃描方向以及正交於上述掃描方向的方向之中之至少一方向而相鄰者。形成改質層的步驟中，可在上表面的全面上於預定深度形成改質層。

鑽石基板製造方法可更包含在晶塊中，使從上表面至到達改質層的深度為止的部分與比改質層更深的部分自發地剝離的步驟。雷射光的脈衝寬度可為數ns至數百ns的範圍。

根據本發明，可從[111]方向的單晶鑽石的塊狀晶體以及藉由HTHP法得到的單晶鑽石晶錠、晶塊等加工損耗少地製作(111)基板，進而能够提高製造鑽石基板時的產能。

10:晶塊

10a:上表面

10b:下表面

11:第一部分

12:第二部分

20:改質層

21a:加工痕

21b:加工痕

22a:裂痕

22b:裂痕

22bi:裂痕

22biL:長度

22bL:長度

31:掃描線

100:加工裝置

110:基座

120:基座支持部

130:固定具

160:雷射光源

170:物鏡

180:像差調整部

190:雷射光聚光部

B:雷射光

d:線間距

dp:點間距

圖1係顯示加工裝置的概略構成的立體圖。

圖2係說明鑽石的晶體構造的立體圖。

圖3係說明雷射光掃描的單晶鑽石晶塊的平面圖。

圖4A係說明在單晶鑽石晶塊中形成改質層的平面圖。

圖4B係說明在單晶鑽石晶塊中形成改質層的平面圖。

圖5A係說明在單晶鑽石晶塊中形成改質層的截面圖。

圖5B係說明在單晶鑽石晶塊中形成改質層的截面圖。

圖6係顯示在改質層剝離的單晶鑽石晶塊的剝離面的照片。

圖7係在改質層剝離的單晶鑽石晶塊的第一部分的下表面的顯微鏡照片。

圖8係在改質層剝離的單晶鑽石晶塊的第二部分的上表面的顯微鏡照片。

圖9係將黏著膠帶壓接於在改質層剝離的單晶鑽石晶塊的剝離面之後再剝下的黏著膠帶的顯微鏡照片。

接著參照圖式說明本發明的實施型態。以下各圖的記載中，對於相同或均等的部分係賦予相同或相似的符號。在此，各圖僅為示意圖，所示厚度與平面尺寸的關係、各層的厚度比率等有與實際不同的情況，應予留意。因此，具體的厚度、尺寸應參考以下說明來判斷。另外，不言而喻地，各圖彼此間亦包含彼此的尺寸關係、比率不同的部分。

另外，以下所示實施型態係例示用於使本發明的技術思想具體化的裝置、方法等，本發明的實施型態中，構成要素的材質、形狀、構造、配置等不限於下述者，可在申請專利範圍內對本發明的實施型態進行各種變更。

圖1係顯示加工裝置100的概略構成的立體圖。加工裝置100係具有：載置單晶鑽石晶塊10的基座110、將基座110支持成為可在水平面內沿XY方向移動的基座支持部120、以及固定單晶鑽石晶塊10固定具130。固定具130可適用黏著層、機械夾具、靜電夾具、真空夾具等。

以將單晶鑽石的晶錠切斷為預定長度而得的具有矩形外周的板狀晶塊10作為加工對象物，將此加工對象物以主表面之偏離角為0°的(111)面作為上表面10a而固定在基座110上。加工對象物的形狀不限於此，若同樣地為上表面10a為(111)面者，則也可為例如單晶鑽石的晶錠、圓盤狀的晶片，亦可為單晶鑽石的塊狀晶體。

此外，加工裝置100係具有發出脈衝雷射光的雷射光源160、以及包含物鏡170與像差調整部180的雷射光聚光部190，將雷射光源160所發出的雷射光B經由雷射光聚光部190照射向單晶鑽石晶塊10的上表面之(111)面。

圖2係說明鑽石的晶體構造的立體圖。如圖2(a)所示，鑽石的晶體中，空心圓所示的碳原子係以sp³混成軌域的臂與相鄰的碳元素相互形成共價鍵，其中，sp³混成軌域的臂係朝向以碳原子為中心的正四面體的四個頂點方向延伸。共價鍵係以實線表示。如此，與相鄰的四個碳原子形成共價鍵的碳原子係形成被稱為鑽石構造的體心立方晶格。

圖2(b)顯示鑽石構造中的(111)面。眾所周知地，鑽石構造中，由於碳原子與相鄰的四個碳原子形成了共價鍵，因此單晶鑽石非常硬。惟，碳原子係於<111>方向與相鄰的一個碳原子僅以sp³混成軌域的一個臂形成共價鍵。因此，對與<111>正交的(111)面方向而言，僅切斷一個臂的共價鍵，就能够較容易地斷開，此(111)面就成為開裂面。

圖3係說明雷射光B的掃描的單晶鑽石晶塊10的平面圖。使載置於圖1的加工裝置100的基座110上且以主表面之偏離角為0°的(111)面作為上表面10a的單晶鑽石晶塊10對於雷射光聚光部190在水平面內沿XY方向以二維狀相對移動，以使雷射光聚光部190所照射的雷射光B照射向單晶鑽石晶塊10的上表面10a的預定位置。

雷射光B的掃描線31首先沿[

2]方向以點間距dp進行掃描，接著，雷射光B係向正交於上述[

2]方向的[1

0]方向偏移達線間距d之後，沿[1

2]方向以點間距dp進行掃描而形成新的掃描線31。反復進行如此的掃描線31的形成，而沿著單晶鑽石晶塊10內部的(111)面連續地形成改質層20。

雷射光B係聚光於離上表面10a預定深度處，而在單晶鑽石晶塊10的內部形成石墨的加工痕以及於此加工痕的周圍沿著(111)面擴展的裂痕。雷射光源160所發出的奈秒脈衝雷射的雷射光B被沿著開裂面的(111)面形成的裂痕所反射，將鑽石熱分解，而形成石墨的加工痕。在此，奈秒脈衝雷射係指脈衝寬度亦即脈衝持續時間在數ns至數百ns範圍的雷射光，具體而言為1ns以上且未達1μs的範圍的雷射。

圖4A及圖4B係說明在單晶鑽石晶塊10中形成改質層20的平面圖。圖5A及圖5B係說明在單晶鑽石晶塊10中形成改質層20的截面圖。圖5A中的(a)與(b)以及圖5B中的(c)與(d)係分別對應圖4A中的(a)與(b)以及圖4B中的(c)與(d)中的切斷線的截面。

參照圖4A(a)與圖5A(a)可知，第一掃描線31係朝向[

2]方向，在單晶鑽石晶塊10中形成朝向與上表面10a相對的下表面10b的加工痕21a，並且，藉由從加工痕21a起的開裂，沿著(111)面形成沿[

10]方向延伸的裂痕22a以及沿[1

0]方向延伸的裂痕22bi，在第一掃描線31的周邊形成包含加工痕21a、裂痕22a及裂痕22bi的改質層20。加工痕21a係藉由經聚光的雷射光B將鑽石熱分解為石墨，具有以裂痕22a及22bi附近為底面且以下表面10b的方向為頂點的圓錐狀的形狀。在此，沿[1

0]方向延伸的裂痕22bi的長度22biL係藉由加工痕21a的膨脹等進行調整，而加工痕21a的膨脹係藉由聚光點處的雷射光B的能量、照射的點間距dp及焦點深度來控制。

參照圖4A(b)與圖5A(b)可知，第二掃描線31係在使雷射光聚光部190從第一掃描線31朝向與該第一掃描線31的掃描方向正交的[1

0]方向以二維狀相對移動達線間距d之後進行掃描。此時，係以雷射光B的焦點落在裂痕22bi上的方式設定線間距d。亦即，線間距d與裂痕22bi的長度22biL之間的關係為長度22biL>線間距d。

第二掃描線31係朝向[11

]方向，形成朝向上表面10a的加工痕21b，並且，藉由從加工痕21b起的開裂，沿著(111)面形成沿[1

0]方向延伸的裂痕22b，在第二掃描線31的周邊形成包含加工痕21b、裂痕22b及22bi的改質層20。加工痕21b係藉由經聚光的雷射光B將鑽石熱分解為石墨，具有以裂痕22bi及裂痕22b附近為底面且以上表面10a的方向為頂點的圓錐狀的形狀。

在此，藉由加工痕21b的膨脹，在裂痕22b沿著(111)面沿[1

0]方向發生長度22bL的開裂，改質層20因而擴大。此時，裂痕22bi及裂痕22a亦因加工痕21b的膨脹作用而使開裂進一步進展，結果，在裂痕22a、裂痕22bi及裂痕22b形成連續的開裂面。

在此，第一掃描線31及第二掃描線31個別的雷射光B的掃描方向不限於[

2]方向及[11

]方向，可分別為相反的方向，亦可僅沿一方向掃描。惟，從使雷射光聚光部190與單晶鑽石晶塊10相對移動的效率來考量，較佳為進行往復動作的掃描方向。

參照圖4B(c)與圖5B(c)可知，第三掃描線31係在使雷射光聚光部190從第二掃描線31朝向與該第二掃描線31正交的[1

0]方向以二維狀相對移動達線間距d之後進行掃描。此時，線間距d與裂痕長度22bL的關係成為長度22bL>線間距d，以使雷射光B的焦點落在發生了開裂的裂痕22b上。

第三掃描線31係朝向[

2]方向，形成朝向上表面10a的加工痕21b，並且，藉由從加工痕21b起的開裂，沿著(111)面形成沿[1

0]方向延伸的裂痕22b，在第三掃描線31的周邊形成包含加工痕21b及裂痕22b的改質層20。加工痕21b係藉由經聚光的雷射光B將鑽石熱分解為石墨，具有以裂痕22bi附近為底面且以上表面10a的方向為頂點的圓錐狀的形狀。藉由加工痕21b的膨脹，在裂痕22b沿著(111)面沿[1

0]方向發生長度22bL的開裂，改質層20因而擴大。

參照圖4B(d)與圖5B(d)可知，第四掃描線31以後也重複進行同樣的動作至到達晶塊10的端面的第n掃描線31。結果，在晶塊10內部全面地形成在(111)面沿著裂痕22b開裂的改質層20。由於在形成加工痕21之際的急劇溫度變化、從鑽石變為石墨的晶體結構變化等，導致在改質層20中積蓄了較大的內部應力。為了釋放此種內部應力，改質層20會沿著開裂面的(111)面自發地分裂。因此，單晶鑽石晶塊10會在改質層20自發地剝離成從上表面10a達改質層20的第一部分11，以及從改質層20達下表面10b的第二部分12。此等剝離後的第一部分11及第二部分12之中的至少一方可作為單晶鑽石的基板。此基板也可包含晶圓。

剝離為第一部分11與第二部分12的單晶鑽石晶塊10中，改質層20相當於因加工而損失的「被切割的部分」。改質層20的厚度相當於具有大致圓錐狀的形狀的石墨的加工痕21b的高度，可為數μm以下的範圍。因此，能够减少在對單晶鑽石晶塊10進行加工而製造鑽石基板時所損失的單晶鑽石的量。進而能够提高對單晶鑽石晶塊10進行加工而製造鑽石基板時的產能。

[實施例]

圖1所示的加工裝置100中，雷射光源160使用如表1所示規格的奈秒雷射。此外，如表2所示，使單晶鑽石晶塊10相對於雷射光聚光部190以二維狀相對移動，朝向(111)面之上表面10a照射雷射光B，在離上表面10a預定深度處形成改質層20。本實施例中，使用由HPHT法製成的Ib型鑽石。

[表1]

[表2]

上述雷射光源160與照射的條件係考慮到裂痕22b的長度與加工痕21b的大小而設定者。就裂痕22b的長度而言，由於石墨化係因雷射光B的聚光部的蓄熱而進行，故石墨化的加工痕21b越大且點間距dp、線間距d的間隔越窄，則越難以控制裂痕22b的長度，而無法控制因加工痕21b的膨脹導致的(111)面的開裂進展。因此，條件係設定為可控制(111)面的開裂者，以可得到穩定的加工及剝離狀態。

就加工痕21b的大小而言，為了降低剝離後的損耗，也需要控制加工痕21b亦即經石墨化的部分的成長。係考慮到必需將單晶鑽石晶塊10中形成的加工痕21b的深度(成長高度)抑制在最大亦為30μm以下來設定條件。

如此，考慮了裂痕22b的長度與加工痕21b的大小而得到的條件成為在雷射光輸出功率1W、振盪頻率20kHz之情況下，點間距dp的適當範圍為0.5μm~1.0μm，此時的線間距d的範圍為50μm~100μm。由於難以實際測量裂痕22b的長度，故根據上述線間距d的範圍來推測，認為範圍係於100μm~150μm。表1及表2係依據如此的檢討而設定者。

以如上所述的條件對單晶鑽石晶塊10的上表面10a整體進行掃描，在離上表面10a預定深度處形成改質層20。結果，鑽石的單晶晶塊10在改質層20自發地剝離而得到從上表面10a達改質層20的第一部分11以及比改質層20更深的第二部分12。

圖6係顯示在改質層20剝離的單晶鑽石晶塊10的剝離面的照片。圖6(a)係第一部分11的下表面的照片，圖6(b)係第二部分12的上表面的照片，其分別顯示改質層20的剝離面。

圖7係在改質層20剝離的單晶鑽石晶塊10的第一部分11的下表面的掃描型電子顯微鏡(SEM)的顯微鏡照片。圖7(a)係顯示第一部分11的下表面整體，圖7(b)係進一步放大顯示圖7(a)的一部分，其皆顯示第一部分11的下表面的改質層20的剝離面。由圖7(b)可觀察到在改質層20的剝離面處加工痕21發生了膨脹、凹陷等。

圖8係在改質層20剝離的單晶鑽石晶塊10的第二部分12的上表面的掃描型電子顯微鏡(SEM)的顯微鏡照片。圖8(a)係顯示第二部分12的上表面整體，圖8(b)係進一步放大顯示圖8(a)的一部分，其皆顯示第二部分12的上表面的改質層20的剝離面。由圖8(b)可觀察到改質層20的加工痕21牢固附著。

圖9係將黏著膠帶壓接於在改質層20剝離的單晶鑽石晶塊10的剝離面之後再剝下的黏著膠帶的顯微鏡照片。從黏著膠帶的黏著面可觀察到來自剝離面的石墨轉印。因此可知，來自在改質層20中形成的加工痕21的石墨係以容易因黏著膠帶的壓接而剝離的狀態存在於剝離面。

[工業上的可利用性]

本發明可利用在要使用鑽石基板的功率元件、磁感測器的製造。