単結晶ダイヤモンド成長用の基材及び単結晶ダイヤモンドの製造方法
【課題】結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法を提供する。
【解決手段】単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材１０，１０’であって、少なくとも、種基材１１、１１’と、該種基材１１、１１’の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれか１２からなり、前記種基材１１，１１’は、グラファイト１１’か、またはベース基材１１ａ上にグラファイト層１１ｂが形成されたものである単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【解決手段】単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材１０，１０’であって、少なくとも、種基材１１、１１’と、該種基材１１、１１’の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれか１２からなり、前記種基材１１，１１’は、グラファイト１１’か、またはベース基材１１ａ上にグラファイト層１１ｂが形成されたものである単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ダイヤモンド成長用の基材及び単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、５．４７ｅＶのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も１０ＭＶ／ｃｍと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電子デバイスとして有利である。
一方、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Ｊｏｈｎｓｏｎ性能指数を比較しても、半導体の中で最も高速電子デバイスとして有利である。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
そのため、基材に単結晶のダイヤモンドを利用した各種電子デバイスの研究が進められている。
【０００３】
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、多くの場合が高温高圧法（ＨＰＨＴ）で合成されたＩｂ型もしくは純度を高めたＩＩａ型と呼ばれるダイヤモンドである。
しかしながら、ＨＰＨＴダイヤモンドは結晶性が高いものが得られる一方で大型化が困難で、サイズが大きくなると極端に価格が高くなり、デバイス用基材としての実用化を困難としている。
【０００４】
そこで、大面積でかつ安価なダイヤモンド基材を提供するために、気相法によって合成されたＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも研究されている。
【０００５】
最近では単結晶ダイヤモンドとして、ＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド基材上に直接気相合成法でホモエピタキシャル成長させたホモエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献１参照）。
当該方法では、基材と成長した単結晶ダイヤモンドとが同材料のため、それらの分離が困難で、そのために、基材に予めイオン注入が必要であることや、成長後も長時間のウェットエッチング分離処理が必要なことなどコストの面で課題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も基材へのイオン注入があるため、ある程度の低下は生じてしまう問題がある。
【０００６】
他の方法としては、単結晶ＭｇＯ基材（種基材）上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶イリジウム上にＣＶＤ法でヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献２参照）。
しかしながら当該方法では単結晶ＭｇＯ基板と単結晶イリジウムを介して成長させた単結晶ダイヤモンドとの間で発生する応力（内部応力と熱応力の和）のため、基材と成長させた単結晶ダイヤモンドが細かく割れてしまう問題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も、種基材である入手可能な単結晶ＭｇＯの結晶性が充分で無いため、満足のできるレベルではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】第２０回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集（２００６）， ｐｐ．６−７．
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．Ｌ１０７２−Ｌ１０７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材を提供すること、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では、単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材であって、少なくとも、種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材を提供する。
【００１０】
このように、グラファイトまたはベース基材上にグラファイトが形成されたものの表面に、イリジウム（以下Ｉｒとも記載）膜、白金（以下Ｐｔとも記載）膜、ロジウム（以下Ｒｈとも記載）膜のいずれかをヘテロエピタキシャル成長した積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とする。
これによって、グラファイト上に高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかが形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材となるため、このようなＩｒ膜、Ｐｔ膜やＲｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。また、成長させた単結晶ダイヤモンド部分のみをウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって精度良く分離できるため、基材を再利用することが非常に容易であり、コスト面でも非常に有利である。更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
【００１１】
ここで、前記ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材は、前記グラファイト層が、単結晶シリコン（Ｓｉ）または単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるベース基材の表面上に剥離転写されたものか、前記ベース基材表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものであることが好ましい。
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、その上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、その上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成されたものとすることによって、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さくすることができる。そのため、単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性を極力小さくでき、ほとんど無くすことができる。従って、単結晶ダイヤモンドや基材が破壊されることが少なく、より耐久性の高いものとすることができ、また製造歩留りを改善することができるため、安価な単結晶ダイヤモンドを製造することができる。
【００１２】
また、前記グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであることが好ましい。
このように、グラファイト層が厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであれば、グラファイト層の作製が容易なものであり、また形成に長時間が必要とならず、安価なものとすることができる。そしてグラファイト層の結晶性を良好なものとできるため、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを成長させることができる基材となる。
【００１３】
また、前記単結晶シリコンまたは前記単結晶炭化ケイ素からなるベース基材は、厚みが０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下であることが好ましい。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、また、２０．００ｍｍ以下のものは仕上げ面研磨加工が容易であるとともに、必要以上の厚さとなってコスト高となることもない。
【００１４】
そして、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜は、前記種基材のグラファイト上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものであることが好ましい。
このように、スパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、十分な成長速度で成長させることができるため、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
【００１５】
更に、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜の厚さが、５Å〜１００μｍであることが好ましい。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかの膜の厚さが５Å以上あれば膜厚均一性と結晶性が十分に高く、厚さが１００μｍ以下であれば基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さいため、確実に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、さらには安価な基材となる。
【００１６】
また、本発明では、本発明に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜側に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、その後マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供する。
【００１７】
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層をより結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。
またマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法とすることができる。
【００１８】
ここで、本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、該成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって製造された単結晶ダイヤモンドを有する基材は、単結晶ダイヤモンドを容易に分離することができる。このため、破損したり割れることなく結晶性の良好な単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
また、表面のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を研磨して除去することによって種基材として再利用することができる。従って、極めてコスト面で有利である。
【発明の効果】
【００１９】
以上で説明した様に、本発明によれば、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材が提供され、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の概略の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述の様に、従来、コスト的に有利なＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドを得ようとすると、成長した単結晶ダイヤモンド部分を破損なく容易に分離することができないこと、更には成長させた単結晶ダイヤモンドとして高結晶性で大面積なものを得ることが困難であるという問題があった。
このため、本発明者らは、基材の種類や構造、更には単結晶製造方法について鋭意研究を重ねた。
【００２２】
その結果、本発明者らは、グラファイト上に単結晶Ｉｒ膜、単結晶Ｐｔ膜、単結晶Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた高結晶性材料のものを単結晶ダイヤモンド成長用の基材として用いること、そしてその基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜上に例えばＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させれば、高結晶性な大面積の単結晶ダイヤモンドが得られることを発見した。
【００２３】
更に、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分のベース基材に線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いることで、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて応力が小さく、その結果全体が割れることをほとんど無くすことができることを発想した（線膨張係数 ダイヤモンド：１．１×１０−６／Ｋ、グラファイト：１．２×１０−６／Ｋ、Ｓｉ：４．２×１０−６／Ｋ、ＳｉＣ：６．６×１０−６／Ｋ、ＭｇＯ：１３．８×１０−６／Ｋ）。
そして、成長させた単結晶ダイヤモンドは、例えばウェットエッチング法でおおよその分離が可能であるし、完全に分離したい場合はウェットエッチングにて分離させた後に単結晶ダイヤモンドに残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を機械的研磨法で精度良く除去することで高精度に分離可能であることを確認して、本発明を完成させた。
【００２４】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の概略の一例を示した図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、本発明の単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材１０は、少なくとも、種基材１１と、種基材１１の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１は、ベース基材上の単結晶ダイヤモンドを成長する側にグラファイト層を形成したもの１１ａからなる。
【００２６】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材１０’は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、種基材１１’と、種基材１１’の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１’が、グラファイトからなるものとすることもできる。
【００２７】
このように、グラファイトまたは、ベース基材上にグラファイト層が形成されたものの表面にＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とすることによって、高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を有する単結晶ダイヤモンド成長用の基材となっている。従って、このような高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。
そして、基材上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンドは、ウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって単結晶ダイヤモンド側に残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を精度良く分離できる。また剥離が容易なため、基材を再利用することが非常に容易である。そのため、単結晶ダイヤモンドの製造を同じ基材から繰り返して製造することができるため、高結晶性の高品質の単結晶ダイヤモンドを安く製造することができる。
更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
【００２８】
ここで、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの厚みを、０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下とすることができる。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、扱いが容易である。また、２０．００ｍｍ以下のものは両面研磨等も良好に行うことができるため仕上げ面研磨加工が容易であり、使用できる表面状態レベルに容易に仕上げることが可能である。また、必要以上の厚さを有することに伴うコスト高となることも抑制できる。
【００２９】
ここで、ベース基材１１ａ上にグラファイト層１１ｂが形成された種基材１１は、グラファイト層１１ｂが単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面上に剥離転写されたものか、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものとすることができる。
【００３０】
このベース基材上へのグラファイト層の形成は、単結晶Ｓｉをベース基材に用いた場合は、例えば８００〜１０００℃程度の温度でＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法等の方法により金属触媒膜上で行うことが可能であり、良好な特性のグラファイト層が形成されたものとすることができる。
そして、単結晶ＳｉＣをベース基材に用いた場合であれば、例えば１２００℃程度以上の高温で熱処理する方法で容易に得られたものとすることができる。
また、単にベース基材上にグラファイト結晶からテープで剥がして分離して剥離転写することによってもグラファイト層は得られる。
【００３１】
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、またはその上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材では、従来のＭｇＯ等の種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さくなる。そのため、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長中に単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性が極力小さなものとなる。よって、基材を繰り返し使用でき、また単結晶ダイヤモンドの製造歩留りを改善することができる。
また下地となるベース基材の大口径化が非常に容易であり、成長させる単結晶ダイヤモンドの大口径化も容易である。
【００３２】
また、グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものとすることができる。
このように、グラファイト層を、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）と呼ばれる単層のものから厚み２００ｎｍまでに形成した多層グラフェンの範囲で形成されたものとすることによって、基材面内の結合連続性が高く均一性が良好であり、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長用の基材に非常に適当である。そしてこの多層グラフェンの厚みが２００ｎｍ以下であれば、単結晶ダイヤモンドを成長させた場合に単結晶ダイヤモンドの結晶欠陥の密度が急激に増加する危険性もなく、良好な結晶性の単結晶ダイヤモンドが得られる。
【００３３】
そして、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２は、種基材１１のグラファイト層１１ｂ若しくはグラファイト１１’上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を例えば、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を十分な成長速度で成長させたものとすることができ、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
【００３４】
更に、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２の厚さを、５Å〜１００μｍとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の厚さが５Å以上あれば、膜厚均一性や結晶性が十分に高いものとすることができる。また、厚さが１００μｍ以下であれば、基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さいものとすることができるため、確実に基材上に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、また安価なものとすることができる。
【００３５】
次に、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を用いた本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法について説明するが、もちろんこれらに限定されない。
【００３６】
まず、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を準備し、その基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜側の表面に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行う。
このバイアス処理は、例えば、特開２００７−２３８３７７号公報に記載されている様な、バイアス処理と呼ばれる方法で前処理を行って、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ表面に方位の揃ったダイヤモンド成長核を形成するものとすることができる。
【００３７】
続いて、当該バイアス処理済みの基材に対して、マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法により単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることによって単結晶ダイヤモンドを製造することができる。
【００３８】
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層を結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。そしてマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で非常に優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法となる。
【００３９】
その後、成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
このＣＶＤ後に基材から単結晶ダイヤモンド部分のみを分離するには、例えば、熱混酸などのウエットエッチ液に浸けて、単結晶ダイヤモンド／Ｉｒ膜とグラファイト、グラファイト／Ｓｉ、グラファイト／ＳｉＣとの２つに分離した後に、機械的研磨法で残ったＩｒ膜を除去することによって行うことができる。
また、一度にＩｒ／グラファイト、Ｉｒ／グラファイト／Ｓｉ、Ｉｒ／グラファイト／ＳｉＣを機械的研磨法で除去して、単結晶ダイヤモンドのみを得ることもできる。
【００４０】
基材上に成長させて得られた、もしくはこのようにして分離して得られた成長単結晶ダイヤモンドは、高結晶性かつ大面積で、デバイス用途でも好適に使用可能である。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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）
直径２５．０ｍｍ、厚みが０．３８ｍｍで、方位（０００１）の片面研磨加工単結晶６Ｈ−ＳｉＣをベース基材として用意した。
そして、このベース基材に対してアルゴン雰囲気中で１６５０℃×３ｈの熱処理を行って、ベース基材の表面に厚み１０ｎｍ程度の多層のグラフェンを形成した。
【００４２】
次に、このベース基材上に多層グラフェンを形成した種基材にＩｒ膜をヘテロエピタキシャル成長させた。
製膜は、Ｉｒをターゲットとした、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法で、Ａｒガス６×１０−２Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）、基材温度７００℃の条件で単結晶Ｉｒ膜厚が１．５μｍになるまでスパッターして仕上げた。
また、バイアス処理及びＤＣプラズマＣＶＤを行う際の電気的導通のために、基材温度を１００℃とした他は同じ条件で、裏面にもＩｒを１．５μｍ成長させた。
【００４３】
次に、この単結晶ダイヤモンド成長用の基材の単結晶Ｉｒ膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。
先ず、基材をバイアス処理装置の負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基材を６００℃に加熱してから、３ｖｏｌ．％水素希釈メタンガスを導入し、圧力を１２０Ｔｏｒｒ（１．６×１０４Ｐａ）とした。それから、バイアス処理を行った。すなわち、両電極間にＤＣ電圧を印加して、所定の直流電流を流した。
【００４４】
そして最後に、このバイアス処理済みの基材上に、ＤＣプラズマＣＶＤ法によって９００℃で３０ｈ単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。
【００４５】
成長終了後、ベルジャーから取り出した製造物は、割れのないダイヤモンド／Ｉｒ／グラフェン／６Ｈ−ＳｉＣの積層構造であった。
そこで、熱混酸中２ｈエッチングして、ダイヤモンド／Ｉｒとグラフェン／６Ｈ−ＳｉＣとに分離した。その後、更に機械的研磨法で、裏面のＩｒ膜を除去して、単結晶ダイヤモンドの自立構造とした。表面も仕上げ研磨を行ってデバイス用途でも使用できるレベルの面粗さに仕上げた。
【００４６】
得られた単結晶ダイヤモンドは、ラマン分光、ＸＲＤロッキングカーブ、断面ＴＥＭ、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、充分な結晶性であることが確認できた。
【００４７】
（比較例１）
種基材として、５．０ｍｍ角、厚みが０．５ｍｍで方位（１１１）の両面研磨加工単結晶ＭｇＯを使用し、かつグラフェン層を形成しなかった以外は、実施例と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
【００４８】
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。
この破片一つを取って、結晶性を評価したところ、ラマン半値幅も広く、断面ＴＥＭでも転位欠陥が多く存在するなど、デバイス用途では不充分なレベルであった。
【００４９】
（比較例２）
厚みが１２０μｍのＭｇＯ基板を使用することの他は、比較例１と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
【００５０】
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０’…単結晶ダイヤモンド成長用の基材、
１１…種基材、 １１’…種基材（グラファイト）、 １１ａ…ベース基材、 １１ｂ…グラファイト層、
１２…イリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶ダイヤモンド成長用の基材及び単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは、５．４７ｅＶのワイドバンドギャップで絶縁破壊電界強度も１０ＭＶ／ｃｍと非常に高い。更に物質で最高の熱伝導率を有することから、これを電子デバイスに用いれば、高出力電子デバイスとして有利である。
一方、ダイヤモンドは、ドリフト移動度も高く、Ｊｏｈｎｓｏｎ性能指数を比較しても、半導体の中で最も高速電子デバイスとして有利である。
従って、ダイヤモンドは、高周波・高出力電子デバイスに適した究極の半導体と云われている。
そのため、基材に単結晶のダイヤモンドを利用した各種電子デバイスの研究が進められている。
【０００３】
現在、ダイヤモンド半導体作製用の単結晶ダイヤモンドは、多くの場合が高温高圧法（ＨＰＨＴ）で合成されたＩｂ型もしくは純度を高めたＩＩａ型と呼ばれるダイヤモンドである。
しかしながら、ＨＰＨＴダイヤモンドは結晶性が高いものが得られる一方で大型化が困難で、サイズが大きくなると極端に価格が高くなり、デバイス用基材としての実用化を困難としている。
【０００４】
そこで、大面積でかつ安価なダイヤモンド基材を提供するために、気相法によって合成されたＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも研究されている。
【０００５】
最近では単結晶ダイヤモンドとして、ＨＰＨＴ単結晶ダイヤモンド基材上に直接気相合成法でホモエピタキシャル成長させたホモエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献１参照）。
当該方法では、基材と成長した単結晶ダイヤモンドとが同材料のため、それらの分離が困難で、そのために、基材に予めイオン注入が必要であることや、成長後も長時間のウェットエッチング分離処理が必要なことなどコストの面で課題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も基材へのイオン注入があるため、ある程度の低下は生じてしまう問題がある。
【０００６】
他の方法としては、単結晶ＭｇＯ基材（種基材）上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶イリジウム上にＣＶＤ法でヘテロエピタキシャル成長させたヘテロエピタキシャルＣＶＤ単結晶ダイヤモンドも報告されている（非特許文献２参照）。
しかしながら当該方法では単結晶ＭｇＯ基板と単結晶イリジウムを介して成長させた単結晶ダイヤモンドとの間で発生する応力（内部応力と熱応力の和）のため、基材と成長させた単結晶ダイヤモンドが細かく割れてしまう問題がある。また、得られる単結晶ダイヤモンドの結晶性も、種基材である入手可能な単結晶ＭｇＯの結晶性が充分で無いため、満足のできるレベルではない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】第２０回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集（２００６）， ｐｐ．６−７．
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９９６）ｐｐ．Ｌ１０７２−Ｌ１０７４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材を提供すること、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明では、単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材であって、少なくとも、種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材を提供する。
【００１０】
このように、グラファイトまたはベース基材上にグラファイトが形成されたものの表面に、イリジウム（以下Ｉｒとも記載）膜、白金（以下Ｐｔとも記載）膜、ロジウム（以下Ｒｈとも記載）膜のいずれかをヘテロエピタキシャル成長した積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とする。
これによって、グラファイト上に高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかが形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材となるため、このようなＩｒ膜、Ｐｔ膜やＲｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。また、成長させた単結晶ダイヤモンド部分のみをウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって精度良く分離できるため、基材を再利用することが非常に容易であり、コスト面でも非常に有利である。更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
【００１１】
ここで、前記ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材は、前記グラファイト層が、単結晶シリコン（Ｓｉ）または単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるベース基材の表面上に剥離転写されたものか、前記ベース基材表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものであることが好ましい。
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、その上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、その上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成されたものとすることによって、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さくすることができる。そのため、単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性を極力小さくでき、ほとんど無くすことができる。従って、単結晶ダイヤモンドや基材が破壊されることが少なく、より耐久性の高いものとすることができ、また製造歩留りを改善することができるため、安価な単結晶ダイヤモンドを製造することができる。
【００１２】
また、前記グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであることが好ましい。
このように、グラファイト層が厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであれば、グラファイト層の作製が容易なものであり、また形成に長時間が必要とならず、安価なものとすることができる。そしてグラファイト層の結晶性を良好なものとできるため、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを成長させることができる基材となる。
【００１３】
また、前記単結晶シリコンまたは前記単結晶炭化ケイ素からなるベース基材は、厚みが０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下であることが好ましい。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、また、２０．００ｍｍ以下のものは仕上げ面研磨加工が容易であるとともに、必要以上の厚さとなってコスト高となることもない。
【００１４】
そして、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜は、前記種基材のグラファイト上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものであることが好ましい。
このように、スパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、十分な成長速度で成長させることができるため、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
【００１５】
更に、前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜の厚さが、５Å〜１００μｍであることが好ましい。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかの膜の厚さが５Å以上あれば膜厚均一性と結晶性が十分に高く、厚さが１００μｍ以下であれば基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さいため、確実に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、さらには安価な基材となる。
【００１６】
また、本発明では、本発明に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜側に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、その後マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供する。
【００１７】
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層をより結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。
またマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法とすることができる。
【００１８】
ここで、本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、該成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
本発明に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって製造された単結晶ダイヤモンドを有する基材は、単結晶ダイヤモンドを容易に分離することができる。このため、破損したり割れることなく結晶性の良好な単結晶ダイヤモンドを得ることができる。
また、表面のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を研磨して除去することによって種基材として再利用することができる。従って、極めてコスト面で有利である。
【発明の効果】
【００１９】
以上で説明した様に、本発明によれば、結晶性の高い単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができ、しかも安価で大面積なダイヤモンドを成長させることができるダイヤモンド成長用基材が提供され、及び安価に大面積高結晶性単結晶ダイヤモンドを製造する方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の概略の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述の様に、従来、コスト的に有利なＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドを得ようとすると、成長した単結晶ダイヤモンド部分を破損なく容易に分離することができないこと、更には成長させた単結晶ダイヤモンドとして高結晶性で大面積なものを得ることが困難であるという問題があった。
このため、本発明者らは、基材の種類や構造、更には単結晶製造方法について鋭意研究を重ねた。
【００２２】
その結果、本発明者らは、グラファイト上に単結晶Ｉｒ膜、単結晶Ｐｔ膜、単結晶Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた高結晶性材料のものを単結晶ダイヤモンド成長用の基材として用いること、そしてその基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜上に例えばＣＶＤ法で単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させれば、高結晶性な大面積の単結晶ダイヤモンドが得られることを発見した。
【００２３】
更に、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分のベース基材に線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いることで、従来のＭｇＯ種基材を用いた場合に比べて応力が小さく、その結果全体が割れることをほとんど無くすことができることを発想した（線膨張係数 ダイヤモンド：１．１×１０−６／Ｋ、グラファイト：１．２×１０−６／Ｋ、Ｓｉ：４．２×１０−６／Ｋ、ＳｉＣ：６．６×１０−６／Ｋ、ＭｇＯ：１３．８×１０−６／Ｋ）。
そして、成長させた単結晶ダイヤモンドは、例えばウェットエッチング法でおおよその分離が可能であるし、完全に分離したい場合はウェットエッチングにて分離させた後に単結晶ダイヤモンドに残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を機械的研磨法で精度良く除去することで高精度に分離可能であることを確認して、本発明を完成させた。
【００２４】
以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の概略の一例を示した図である。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、本発明の単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材１０は、少なくとも、種基材１１と、種基材１１の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１は、ベース基材上の単結晶ダイヤモンドを成長する側にグラファイト層を形成したもの１１ａからなる。
【００２６】
また、本発明の単結晶ダイヤモンド成長用の基材１０’は、図１（ｂ）に示すように、少なくとも、種基材１１’と、種基材１１’の単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜１２とからなるものであり、種基材１１’が、グラファイトからなるものとすることもできる。
【００２７】
このように、グラファイトまたは、ベース基材上にグラファイト層が形成されたものの表面にＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜をヘテロエピタキシャル成長させた積層基材を単結晶ダイヤモンド成長用の基材とすることによって、高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を有する単結晶ダイヤモンド成長用の基材となっている。従って、このような高結晶性のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の表面上には、高結晶性の単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることができる。
そして、基材上にヘテロエピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンドは、ウェットエッチング法や機械的研磨法等を用いて基材から容易に剥離できる。特にウェットエッチングで剥離した後に研磨を行うことによって単結晶ダイヤモンド側に残留したＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を精度良く分離できる。また剥離が容易なため、基材を再利用することが非常に容易である。そのため、単結晶ダイヤモンドの製造を同じ基材から繰り返して製造することができるため、高結晶性の高品質の単結晶ダイヤモンドを安く製造することができる。
更に、このような構造の基材であれば、たとえ大面積のものであっても、単結晶ダイヤモンドの成長中に応力が過剰にかかることが抑制されるため、大面積単結晶ダイヤモンドを歩留り良く製造できる基材となっている。
【００２８】
ここで、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの厚みを、０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下とすることができる。
このように、ベース基材の厚さが、０．０３ｍｍ以上であればハンドリングが容易であり、扱いが容易である。また、２０．００ｍｍ以下のものは両面研磨等も良好に行うことができるため仕上げ面研磨加工が容易であり、使用できる表面状態レベルに容易に仕上げることが可能である。また、必要以上の厚さを有することに伴うコスト高となることも抑制できる。
【００２９】
ここで、ベース基材１１ａ上にグラファイト層１１ｂが形成された種基材１１は、グラファイト層１１ｂが単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面上に剥離転写されたものか、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材１１ａの表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものとすることができる。
【００３０】
このベース基材上へのグラファイト層の形成は、単結晶Ｓｉをベース基材に用いた場合は、例えば８００〜１０００℃程度の温度でＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法等の方法により金属触媒膜上で行うことが可能であり、良好な特性のグラファイト層が形成されたものとすることができる。
そして、単結晶ＳｉＣをベース基材に用いた場合であれば、例えば１２００℃程度以上の高温で熱処理する方法で容易に得られたものとすることができる。
また、単にベース基材上にグラファイト結晶からテープで剥がして分離して剥離転写することによってもグラファイト層は得られる。
【００３１】
このように、ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材を、ダイヤモンド層との間で主に応力を発生する部分に単結晶ダイヤモンドとの線膨張係数差の比較的小さい単結晶シリコンや単結晶炭化ケイ素を用いて、単結晶シリコンまたは単結晶炭化ケイ素からなるベース基材上にグラファイト層が剥離転写されたものとするか、またはその上にグラファイト層がＣＶＤ法、スパッター法、熱分解法のいずれかの方法で形成された単結晶ダイヤモンド成長用の基材では、従来のＭｇＯ等の種基材を用いた場合に比べて基材と単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力が小さくなる。そのため、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長中に単結晶ダイヤモンドや基材が割れる危険性が極力小さなものとなる。よって、基材を繰り返し使用でき、また単結晶ダイヤモンドの製造歩留りを改善することができる。
また下地となるベース基材の大口径化が非常に容易であり、成長させる単結晶ダイヤモンドの大口径化も容易である。
【００３２】
また、グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものとすることができる。
このように、グラファイト層を、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）と呼ばれる単層のものから厚み２００ｎｍまでに形成した多層グラフェンの範囲で形成されたものとすることによって、基材面内の結合連続性が高く均一性が良好であり、単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長用の基材に非常に適当である。そしてこの多層グラフェンの厚みが２００ｎｍ以下であれば、単結晶ダイヤモンドを成長させた場合に単結晶ダイヤモンドの結晶欠陥の密度が急激に増加する危険性もなく、良好な結晶性の単結晶ダイヤモンドが得られる。
【００３３】
そして、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２は、種基材１１のグラファイト層１１ｂ若しくはグラファイト１１’上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を例えば、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものとすることで、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜を十分な成長速度で成長させたものとすることができ、生産性高く製造された安価な成長用基材とすることができる。
【００３４】
更に、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜のいずれかからなる膜１２の厚さを、５Å〜１００μｍとすることができる。
このように、Ｉｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜の厚さが５Å以上あれば、膜厚均一性や結晶性が十分に高いものとすることができる。また、厚さが１００μｍ以下であれば、基材や単結晶ダイヤモンドとの間に発生する応力を小さいものとすることができるため、確実に基材上に単結晶ダイヤモンドを成長させることができ、また安価なものとすることができる。
【００３５】
次に、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を用いた本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法について説明するが、もちろんこれらに限定されない。
【００３６】
まず、上記単結晶ダイヤモンド成長用の基材を準備し、その基材のＩｒ膜、Ｐｔ膜、Ｒｈ膜側の表面に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行う。
このバイアス処理は、例えば、特開２００７−２３８３７７号公報に記載されている様な、バイアス処理と呼ばれる方法で前処理を行って、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｈ表面に方位の揃ったダイヤモンド成長核を形成するものとすることができる。
【００３７】
続いて、当該バイアス処理済みの基材に対して、マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法により単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることによって単結晶ダイヤモンドを製造することができる。
【００３８】
このように、高結晶性の単結晶ダイヤモンドを安価に成長させることができる本発明の単結晶ダイヤモンド成長用基材の表面に、予めバイアス処理を行ってダイヤモンド成長核を形成しておくことで、単結晶ダイヤモンド層を結晶性よく、十分な成長速度で成長させることができる。そしてマイクロ波ＣＶＤ法又は直流プラズマＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長させることによって、成長速度を速くすることができるため、製造コストの面で非常に優れた単結晶ダイヤモンドの成長方法となる。
【００３９】
その後、成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することができる。
このＣＶＤ後に基材から単結晶ダイヤモンド部分のみを分離するには、例えば、熱混酸などのウエットエッチ液に浸けて、単結晶ダイヤモンド／Ｉｒ膜とグラファイト、グラファイト／Ｓｉ、グラファイト／ＳｉＣとの２つに分離した後に、機械的研磨法で残ったＩｒ膜を除去することによって行うことができる。
また、一度にＩｒ／グラファイト、Ｉｒ／グラファイト／Ｓｉ、Ｉｒ／グラファイト／ＳｉＣを機械的研磨法で除去して、単結晶ダイヤモンドのみを得ることもできる。
【００４０】
基材上に成長させて得られた、もしくはこのようにして分離して得られた成長単結晶ダイヤモンドは、高結晶性かつ大面積で、デバイス用途でも好適に使用可能である。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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）
直径２５．０ｍｍ、厚みが０．３８ｍｍで、方位（０００１）の片面研磨加工単結晶６Ｈ−ＳｉＣをベース基材として用意した。
そして、このベース基材に対してアルゴン雰囲気中で１６５０℃×３ｈの熱処理を行って、ベース基材の表面に厚み１０ｎｍ程度の多層のグラフェンを形成した。
【００４２】
次に、このベース基材上に多層グラフェンを形成した種基材にＩｒ膜をヘテロエピタキシャル成長させた。
製膜は、Ｉｒをターゲットとした、Ｒ．Ｆ．マグネトロンスパッター法で、Ａｒガス６×１０−２Ｔｏｒｒ（８Ｐａ）、基材温度７００℃の条件で単結晶Ｉｒ膜厚が１．５μｍになるまでスパッターして仕上げた。
また、バイアス処理及びＤＣプラズマＣＶＤを行う際の電気的導通のために、基材温度を１００℃とした他は同じ条件で、裏面にもＩｒを１．５μｍ成長させた。
【００４３】
次に、この単結晶ダイヤモンド成長用の基材の単結晶Ｉｒ膜の表面にダイヤモンドの核を形成するためのバイアス処理を行った。
先ず、基材をバイアス処理装置の負電圧印加電極（カソード）上にセットし、真空排気を行った。次に、基材を６００℃に加熱してから、３ｖｏｌ．％水素希釈メタンガスを導入し、圧力を１２０Ｔｏｒｒ（１．６×１０４Ｐａ）とした。それから、バイアス処理を行った。すなわち、両電極間にＤＣ電圧を印加して、所定の直流電流を流した。
【００４４】
そして最後に、このバイアス処理済みの基材上に、ＤＣプラズマＣＶＤ法によって９００℃で３０ｈ単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させた。
【００４５】
成長終了後、ベルジャーから取り出した製造物は、割れのないダイヤモンド／Ｉｒ／グラフェン／６Ｈ−ＳｉＣの積層構造であった。
そこで、熱混酸中２ｈエッチングして、ダイヤモンド／Ｉｒとグラフェン／６Ｈ−ＳｉＣとに分離した。その後、更に機械的研磨法で、裏面のＩｒ膜を除去して、単結晶ダイヤモンドの自立構造とした。表面も仕上げ研磨を行ってデバイス用途でも使用できるレベルの面粗さに仕上げた。
【００４６】
得られた単結晶ダイヤモンドは、ラマン分光、ＸＲＤロッキングカーブ、断面ＴＥＭ、カソードルミネッセンス（ＣＬ）で評価したところ、充分な結晶性であることが確認できた。
【００４７】
（比較例１）
種基材として、５．０ｍｍ角、厚みが０．５ｍｍで方位（１１１）の両面研磨加工単結晶ＭｇＯを使用し、かつグラフェン層を形成しなかった以外は、実施例と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
【００４８】
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。
この破片一つを取って、結晶性を評価したところ、ラマン半値幅も広く、断面ＴＥＭでも転位欠陥が多く存在するなど、デバイス用途では不充分なレベルであった。
【００４９】
（比較例２）
厚みが１２０μｍのＭｇＯ基板を使用することの他は、比較例１と同様に、Ｉｒ成長、バイアス処理を行って、基材を用意し、その上にＤＣプラズマＣＶＤ法での単結晶ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長を行った。
【００５０】
ベルジャーを開けて、チャンバー内の製造物を見ると、基材および単結晶ダイヤモンド部分共に１ｍｍ角程度の細かい破片に割れていた。
【００５１】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００５２】
１０，１０’…単結晶ダイヤモンド成長用の基材、
１１…種基材、 １１’…種基材（グラファイト）、 １１ａ…ベース基材、 １１ｂ…グラファイト層、
１２…イリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなる膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材であって、少なくとも、
種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、
前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項２】
前記ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材は、前記グラファイト層が、単結晶シリコン（Ｓｉ）または単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるベース基材の表面上に剥離転写されたものか、前記ベース基材表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項３】
前記グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項４】
前記単結晶シリコンまたは前記単結晶炭化ケイ素からなるベース基材は、厚みが０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項５】
前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜は、前記種基材のグラファイト上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項６】
前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜の厚さが、５Å〜１００μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜側に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、その後マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、該成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項１】
単結晶ダイヤモンドを成長させるための基材であって、少なくとも、
種基材と、該種基材の前記単結晶ダイヤモンドを成長させる側にヘテロエピタキシャル成長させたイリジウム膜、白金膜、ロジウム膜のいずれかからなり、
前記種基材は、グラファイトか、またはベース基材上にグラファイト層が形成されたものであることを特徴とする単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項２】
前記ベース基材上にグラファイト層が形成された種基材は、前記グラファイト層が、単結晶シリコン（Ｓｉ）または単結晶炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなるベース基材の表面上に剥離転写されたものか、前記ベース基材表面にＣＶＤ法、スパッター法あるいは熱分解法で形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項３】
前記グラファイト層は、厚み２００ｎｍ以下の単層グラフェンまたは多層グラフェンからなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項４】
前記単結晶シリコンまたは前記単結晶炭化ケイ素からなるベース基材は、厚みが０．０３ｍｍ以上２０．００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項５】
前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜は、前記種基材のグラファイト上にスパッター法でヘテロエピタキシャル成長されたものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項６】
前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜のいずれかの膜の厚さが、５Å〜１００μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド成長用の基材の前記イリジウム膜、前記白金膜、前記ロジウム膜側に、予め基材側電極をカソードとした直流放電でダイヤモンド核形成を行うバイアス処理を行い、その後マイクロ波ＣＶＤ法あるいは直流プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドをヘテロエピタキシャル成長させることを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の単結晶ダイヤモンドの製造方法によって成長させた単結晶ダイヤモンドを有する基材から、該成長させた単結晶ダイヤモンドを分離することを特徴とする単結晶ダイヤモンドの製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１３９４（Ｐ２０１２−１３９４Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３８０２７（Ｐ２０１０−１３８０２７）
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１７日（２０１０．６．１７）
【出願人】（５０４１６０７８１）国立大学法人金沢大学 (282)
【Ｆターム（参考）】
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