JPH03197385A - ダイヤモンド薄膜堆積用基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電子工業における半導体や絶縁体及びコーテイ
ング膜形成に用いられるダイヤモンド薄膜堆積用基板の
製造方法゛こ関するものである。

従来の技術 炭素系薄膜であるダイヤモンド薄膜を結晶住良゛く堆積
するためには、単に成長、を法のみ検討するのではなく
、股を成長させる基板ｉＪ　１４の通訳が必要である。

従来行なわれている方法としてはまず、用いる基板とし
て成長膜と同じ材料すなわち、単結晶ダイヤモンドを選
ぶ方法がある。この方法を用いると結晶性のよい良質の
膜を堆（口することが出来る。このような堆積膜と同材
料の基板を用いて膜堆積を行なう技術はホモ・エピタキ
シャル技術と呼ばれている。これにｊ４Ｌ、、成長膜と
異なる材料である異種基板」二に膜堆積を行なうヘテロ
・エピタキシャル技術がある。この技術を用いると様々
な基板−ヒに膜堆積できるので、ダイヤモンド薄膜を広
い分野で利用することができる。現在この技術で用いら
れている基板としては、シリコン、シリコン・カーバイ
ド等様々なものが挙げられる。

また、単に基板材料を選択するだけでなく基板表面を人
為的に加工する試みもなされている０例えば、シリコン
基板表面を部分的にアルゴンなどの不活性イオン・ビー
１１やダイヤモンド砥石などで荒したものなどが用いら
れている例としてあげられる。

発明が解決しようとする課題 上述のように、ホモ・エピタキシャル技術によってダイ
ヤモンドＦｉＩｉ膜を形成する場合、基板として単結晶
ダイヤ−〔ントを用意しなければならない。

しかし、ダイヤモンド基板は非常に高価であるという課
題や大面積のものが得られないという課題があった。

また、ヘテロ・エピタキシャル技術によってダイヤモン
ド薄膜を形成する場合、基板の選択は重要なポイントで
ある。なぜなら、ダイヤモンド牧の成長は膜堆積初ｆｌ
Ｊ１課程におけるダイヤモンド核の発生、成長が重要で
あり、それは使用する基板材料や基板表面の状態に依存
しているからである。

そのため、従来は基板表面を人為的に荒すことで核の発
生密度を増やす試みが行なわれているが、しかし、この
方法では単に核発生密度の増加を促すだけで、堆積した
膜の結晶方位をｉＪ＆１１１することは出来ないという
課題があった。すなわち、ヘテロ・エピタキシィはホモ
・エピタキシィに比べ膜全体として結晶性が良くないと
いう課題があった。

以上のようにダイヤモンド薄膜を結晶性良く堆積するた
めの基板として今まで用いられてきたものは−・長−短
であり、特にヘテロ・エピタキシィにおいて基板材料及
び基板表面の状態による結晶性、配向性の制御に大きな
成果をあげたものは今まで得られていない。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑み、ヘテロ・
エピタキシィにおいて結晶性、配向性の制御に優れたダ
イヤモンド薄膜堆積用基板の製造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ｆ段 請求項１の本発明は、少なくとも炭素を含むイオンをシ
リコン基板にイオン注入した後、前記基板をエツチング
処理することによって、前記基板表面に前記イオン注入
の際に形成されるシリコン・カーバイドの屑を存在せし
めることを特徴とするダイヤモンド薄膜堆積用基板の製
造方法である。

請求項３の本発明は、両方ｆαが（１００）方向のシリ
コン基板を異方性エツチングすることによって、面方位
が（１１１）の面で囲まれたピラミッド状のエッチ・ピ
ットを作製し、その後に少なくとも炭素を含むイオンを
前記基板にイオン注入することによってシリコン・カー
バイドの層を形成させることを特徴とするダイヤモンド
薄膜堆積用基板の製造方法である。

作用 本発明では、堆積を行なうシリコン基板に少なくともダ
イヤモンド薄膜の構成元素である炭素を含むイオンを注
入することにより、前記基板内部にβ−５ｉＣを形成す
ることが出来る。β−３ｉＣは結合状態がダイヤモンド
と同じ構造を持っており・　かつシリコンとダイヤモン
ドとの格子定数のずれと比べて、そのずれは小さいため
、形成されたβ−５ｉＣの層の上に結晶性及び配向性の
良いダイヤモンド薄膜を成長させることが可能になる。

このことはダイヤモンド薄膜をシリコン基板上にヘテロ
・エピタキシィする場合、基板表面にＳｉＣの緩衝層が
形成されているのが観察されていることからも裏付けら
れる。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は請求項１記載の本発明の手順を表わした図であ
る。

まず、洗浄された単結晶シリコン基板１０１に炭素イオ
ン１０２を照射することによって、前記基板１０１中に
β−３ｉＣの層を形成する。この時、β−５ｉＣが形成
される深さ方向の分布は入射してくる前記炭素イオン１
０２のエネルギーによって、制御される。その後、β−
３ｉＣが存在する領域まで前記基板表面をエツチングす
ることによって、β−３ｉＣの層を表面に出す。

第２図は請求項２記載の本発明の手順を表わした図であ
る。

まず、面方位が（１００）方向の単結晶シリコン基板２
０１に炭素イオン１０２を照射することによって、前記
基板１０１中にβ−５ｉＣの層を形成する。

その後、異方性エツチングすることによって、前記基板
２０１表面にピラミッドＬのエッチ・ピットを形成する
。この際、入射炭素イオンのエネルギーやエツチング液
の構成や温度・エツチング時間などを管理することによ
り、この−エッチ・ピットの頂底部分に、形成されたβ
−３ｉＣの層がくるように制御することが出来る。この
様な手段を用いることによって、規則正しくβ−５ｉＣ
の窓が表面に存在するような基板を作製することが出来
る。

第３図は請求項３記載の本発明の手順を表わした図であ
る。

まず、面方位が（１００）方向の単結晶シリコン基板２
０１をアルカリ系のエツチング液で異方性エツチングす
ることによって、前記基板２０１の表面にピラミッド状
のエッチ・ピットを形成する。

この際、エツチング液の構成や温度・エツチング時間な
どを管理することにより、均一にかつ再現性良くエッチ
・ピットを形成することが出来る。このようにして準備
された前記基板２０１に炭素イオン１０２を照射するこ
とによって、規則正しい凹凸を持った基板表層に、β−
９ｉＣを形成することが出来る。

第４図は本発明に係るダイヤモンド薄膜堆積用基板の製
造に用いた装置の概略構成図である。

本装置は炭素イオン１０２を得るために、ガスボンベ４
０３からガス導入管４０４を通して供給される炭化水素
ガスを放電分解する放電室４０１と、その結果得られた
前記炭素イオン１０２を直流電界によって加速し、基板
４１１に照射する基板室４０２から構成されている。放
電室４０１は円筒状の石英管で作られ、その外側に前記
炭化水素ガスを分解するための高周波電源４０５（ｊｊ
ＦＩ波数１３．５（３ＭＨ２）の電極が取り付は−られ
ている。

その電極の外側には前記炭素イオン１０２の生成効率を
高めるために、石英管の中心軸方向に静磁場を発生させ
る電磁石４０８が設置されている。

放電室／ＬＯＩ内には、放電によって生成されたプラズ
マを挟むように２つの電極４０７．４０８が配置してあ
り、このＮ、極間には炭素イオン１０２を加速させるた
めの直流電圧ｆｉ４０３が接続されている。直流電圧源
４０３によって加速された前記炭素イオン１０２は、基
板台４１２に置かれた前記基板４１１表面に照射され、
注入される。

また、前記基板台４１２には前記基板４１１を加熱する
機能も有（）ている。それは、前記炭素イオン１０２を
照射する際、基板加熱を行なうことにより、照射時に発
生する若干の基板の損傷を、例えば４００℃以上の様な
低いアニール温度で回復することが可能になるためであ
る。

第５図は第４図で示した装置を用いて、炭素イオンを中
結晶シリコン基板に照射することによって得られたダイ
ヤモンド薄膜堆積用基板の赤外吸収分光スペクトルの結
果である。実験条件は前記炭化水素ガスとしてメタンを
用い、加速電圧＝３ｋＶ、放電電力＝２０ｗ、圧力＝６
．３Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、印加磁場＝　３０　ｇａｕ
ｓｓ、　　ドース量＝ＩＸ１０１６＠／Ｃ１１２とした
＊　　０００ｃｒ’付近に観測される吸収がβ−５ｉＣ
の信号であり、前記条件で試料を作製した場合、β−５
ｉＣが形成されていることがわかる。

この様にして得られた基板を、例えば４００℃以上、特
に８００℃以上の所定の温度で熱処理する方が、前記シ
リコン基板中に形成されるβ−３ｉＣの結晶性が良く、
ダイヤモンドｆｉｌｌＩ堆積用基板として適している。

β−５ｉＣが形成されていることは、光電子分光法（Ｘ
ＰＳ）並びに反射電子線回折法（ＲＨＥ　Ｅ　Ｄ　）を
用いて、さらに本発明者は確認した。

また、シリコン基板の異方性エツチングについては、水
酸化ナトリウム、水酸化カリウム、ヒドラジン等のアル
カリと溶媒として水を、そして試薬としてアルコールを
混合したものをエツチング液に用いることによって、行
なうことが出来る。

本発明者らはヒドラジン−水−イソプロピルアルコール
の混合液をエラー１−ンダ液として用い、前記エツチン
グ液を６０〜７０℃の所定の温度に保つことによって、
　（１００）単結晶シリコン基板に再現性良＜　（１１
１）面で囲まれたエッチ・ピットを作製できることを確
認した。その際、前記エツチング液を攪はんすることに
よって、エッチ・ピットの均一性が高まることも確認し
た。

以上の実施例からも明らかなように本発明によると、以
下の様なメリットが得られる。

まず、はじめに炭素イオンの注入とエツチング％Ｉｌに
よって、シリコン基板表面にβ−８ｉＣの層を形成する
ことが可能になる。−このことは、シリコン基板を用い
たヘテロ・エピタキシャル技術で良質なダイヤモンド薄
膜の堆積が可能になったことを意味する。

次に、第４図で示したような装置を用いることにより、
大面積にかつ均一に炭素イオンを照射することによって
、シリコン基板上の大きな領域にβ−５ｉＣの層を形成
することが出来る。このことは、安価なシリコン基板を
用いて、大面積のダイヤモンド薄膜を形成することが可
能になったことを意味する。

そして、シリコン基板上に人為的な凹凸をつけたりまた
は、炭素の濃度に分布を持たせたりすることで、ダイヤ
モンド薄膜堆積に重要な意味を持つ核発生の位置制御、
密度制御が出来る。核の発生及び成長はβ−５ｉＣの窓
の部分で優先的に起こることから、結晶性・配向性の揃
ったダイヤモンド核を選択的に成長させることが可能に
なる。このことは、従来より結晶性・配向性の良いダイ
ヤモンド薄膜を作製することが可能になったことを意味
する。

発明の効果 以上のように本発明はシリコン基板をダイヤモンド薄膜
を堆積する際の異種基板として利用できるという点ばか
りでなく、前記異種基板を用いることによって従来より
も結晶性の良い良質のダイヤモンド薄膜を形成できると
いう点で、極めて有用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の本発明の手順を表わした図、第
２図は請求項２の本発明の手順を表わした図、第３図は
請求項３の本発明の手順を表わした図、第４図は本発明
に係るダイヤモンド薄膜堆積用基板の製造方法に用いた
装置の概略構成を示す断面図、第５図は第４図で示した
装置を用いて、炭素イオンを単結晶シリコン基板に照射
することによって得られたダイヤモンド薄膜堆積用基板
の赤外吸収分光スペクトルの結果を表すグラフである。 ン、　１０３・・・β−９ｉＣＪ！！、　２０１　・・
・（１００）単結晶シリコン、４０１・・・放電室、４
０２・・・基板室、４０３・・・ガスボンベ、４０４・
・・ガス導入管、４０５・・・高周波電源、４０６・・
・電磁石、４０７・・・第１の電極、４０８・・・第２
の電極、４０９・・・直流電圧源、４１２・・・基板台
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも炭素を含むイオンをシリコン基板にイ
   オン注入した後、前記基板をエッチング処理することに
   よって、前記基板表面に前記イオン注入の際に形成され
   るシリコン・カーバイドの層を存在せしめることを特徴
   とするダイヤモンド薄膜堆積用基板の製造方法。
2. （２）少なくとも炭素を含むイオンを面方位が（１００
   ）方向のシリコン基板にイオン注入した後、前記基板を
   異方性エッチングすることによって、面方位が（１１１
   ）の面で囲まれたピラミッド状のエッチ・ピットを作製
   し、その頂底部に、前記イオン注入の際に形成されるシ
   リコン・カーバイドの層が存在するような構造を持たせ
   ることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンド薄膜堆
   積用基板の製造方法。
3. （３）面方位が（１００）方向のシリコン基板を異方性
   エッチングすることによって、面方位が（１１１）の面
   で囲まれたピラミッド状のエッチ・ピットを作製し、そ
   の後に少なくとも炭素を含むイオンを前記基板にイオン
   注入することによってシリコン・カーバイドの層を形成
   させることを特徴とするダイヤモンド薄膜堆積用基板の
   製造方法。
4. （４）前記請求項１、２または３記載の方法で作製され
   た前記基板を４００℃以上の所定の温度でアニール処理
   することを特徴とするダイヤモンド薄膜堆積用基板の製
   造方法。