JPH08209347A - Synthetic diamond and its synthesis method - Google Patents

Synthetic diamond and its synthesis method

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JPH08209347A
JPH08209347A JP1928595A JP1928595A JPH08209347A JP H08209347 A JPH08209347 A JP H08209347A JP 1928595 A JP1928595 A JP 1928595A JP 1928595 A JP1928595 A JP 1928595A JP H08209347 A JPH08209347 A JP H08209347A
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JP
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diamond
substrate
outer peripheral
synthesized
peripheral side
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JP1928595A
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Japanese (ja)
Inventor
Masataka Oji
正隆 大路
Naoharu Fujimori
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE: To reduce the warpage of diamond obtd. by a vapor phase synthesis method and to enhance yield and to reduce cost without causing trouble to a subsequent working process such as polishing and a device process. CONSTITUTION: The peripheral part 1 of the surface of a substrate 5 is not scratched but the remaining part 2 of the surface is scratched and diamond is synthesized using the resultant substrate 5. In other way, the peripheral part of the surface of a substrate is coated with a heat resistant material and diamond is synthesized using the resultant substrate.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、気相合成方法を用いた
残留応力の小さいダイヤモンドの合成方法、及びその方
法により得られる反りの少ない合成ダイヤモンドに関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for synthesizing a diamond having a small residual stress using a vapor phase synthesis method, and a synthetic diamond having a small warp obtained by the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】気相合成によりダイヤモンドを製造する
方法については、熱フィラメントCVD法、マイクロ波
プラズマCVD法、高周波プラズマCVD法、DCプラ
ズマジェット法等の数多くの方法が知られている。これ
らの方法は、いずれも熱プラズマによって、炭素を含む
原料ガスを熱分解し、活性化させて、これを加熱された
基板表面に析出させることによりダイヤモンド膜を得る
方法である。
2. Description of the Related Art As a method for producing diamond by vapor phase synthesis, many methods such as a hot filament CVD method, a microwave plasma CVD method, a high frequency plasma CVD method and a DC plasma jet method are known. Each of these methods is a method of obtaining a diamond film by thermally decomposing a raw material gas containing carbon by thermal plasma, activating it, and depositing it on the surface of a heated substrate.

【0003】気相合成法によりダイヤモンドを析出させ
る基板としては、一般的にSiやMo等が使用され、ダ
イヤモンドを合成する前にダイヤモンドパウダーなどよ
る傷つけ処理を行い、合成時のダイヤモンド核発生を促
進する方法が一般的である。又、傷付け処理を行わず、
基板にバイアス電圧をかけてダイヤモンド核の発生を助
長する方法などもある。
As a substrate on which diamond is deposited by the vapor phase synthesis method, Si, Mo, etc. are generally used. Before synthesizing diamond, a scratch treatment with diamond powder or the like is carried out to promote generation of diamond nuclei during synthesis. The method is generally used. Also, without scratching,
There is also a method of applying a bias voltage to the substrate to promote the generation of diamond nuclei.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ダイヤモンドは全ての
物質中で、最小の弾性率と最小の熱膨張係数をもつ物質
である。ダイヤモンドの気相合成では、SiやMo等を
基板として使用するのが一般的であるが、この基板と合
成ダイヤモンド間に働く応力、あるいは合成ダイヤモン
ド中に残留する応力が大きな問題となる。
Among all materials, diamond has the lowest elastic modulus and the lowest coefficient of thermal expansion. In vapor phase synthesis of diamond, Si, Mo, etc. are generally used as a substrate, but the stress acting between the substrate and the synthetic diamond or the stress remaining in the synthetic diamond poses a serious problem.

【0005】合成ダイヤモンド中の真性応力の発生機構
は明らかではないが、この真性応力と、気相合成温度や
ダイヤモンドと基材物質との熱膨張係数差に起因する熱
応力との和が合成ダイヤモンドの残留応力である。基板
上にダイヤモンドを合成した場合、この残留応力は基板
及び合成ダイヤモンドの反りとして現れる。又、合成ダ
イヤモンドから基板を除去したダイヤモンド自立膜は、
より大きな反りを示すことが一般的である。
Although the generation mechanism of the intrinsic stress in synthetic diamond is not clear, the sum of this intrinsic stress and the thermal stress due to the vapor phase synthesis temperature or the difference in thermal expansion coefficient between the diamond and the base material is the synthetic diamond. Is the residual stress of. When diamond is synthesized on the substrate, this residual stress appears as a warp between the substrate and synthetic diamond. Moreover, the diamond free-standing film obtained by removing the substrate from the synthetic diamond is
It is common to show greater warpage.

【0006】これらの合成ダイヤモンドあるいはダイヤ
モンド自立膜は、加工プロセスへ供給されるが、加工段
階でこの反りが極めて大きな問題となってくる。例え
ば、研磨工程ではこの反りにより、ダイヤモンドの表面
全体が均一に研磨できない、又はダイヤモンドが研磨中
に割れてしまう等の重大な問題となる。あるいは、デバ
イスプロセスあるいはメタライズプロセスでは、この反
りによってパターン形成ができない、歩留まりが低下す
る等の問題が起こる。
These synthetic diamonds or diamond free-standing films are supplied to a processing process, but this warpage becomes a very serious problem at the processing stage. For example, in the polishing process, this warpage causes a serious problem such that the entire surface of the diamond cannot be uniformly polished or the diamond is cracked during polishing. Alternatively, in the device process or the metallization process, problems such as the inability to form a pattern and the reduction in yield occur due to the warp.

【0007】これらの問題を低減させ又は回避するため
には、反りのあるダイヤモンドを小片化することになる
が、その場合にはプロセスコストが高くなる等の問題が
顕在化してくる。
[0007] In order to reduce or avoid these problems, it is necessary to cut a warped diamond into small pieces, but in that case, problems such as an increase in process cost become apparent.

【0008】上記の如く、合成ダイヤモンドの反りを低
減することは極めて重要な課題であり、本発明は気相合
成法において合成ダイヤモンドの反りを低減する合成方
法を提供すること、及びその気相合成法により反りを低
減した合成ダイヤモンドを提供することを目的とする。
As described above, reducing warpage of synthetic diamond is a very important subject, and the present invention provides a synthetic method for reducing warpage of synthetic diamond in the vapor phase synthesis method, and its vapor phase synthesis. An object of the present invention is to provide a synthetic diamond whose warpage is reduced by the method.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、気相合成
法で得られるダイヤモンドに反りが発生するメカニズム
を詳細に検討した結果、合成ダイヤモンドの真性応力及
び基板表面と合成ダイヤモンド間に働く応力のみなら
ず、基板側面に析出したダイヤモンド及び基板側面と合
成ダイヤモンド間に働く応力が反りに大きな影響を与え
ていることを発見した。
Means for Solving the Problems As a result of detailed examination of the mechanism by which the diamond obtained by the vapor phase synthesis method warps, the intrinsic stress of the synthetic diamond and the action between the substrate surface and the synthetic diamond It was discovered that not only the stress but also the diamond deposited on the side surface of the substrate and the stress acting between the side surface of the substrate and the synthetic diamond have a great influence on the warpage.

【0010】更に、通常の気相合成法により得られるダ
イヤモンドでは、基板表面の中心近傍の膜厚に比べ基板
外周側部分の膜厚が厚くなっているが、基板側面を含む
基板外周側部分におけるダイヤモンドの膜厚の厚い部分
に残留する応力、及びこの不均一な応力分布が反りの大
きな原因であることを突き止めた。
Further, in the diamond obtained by the ordinary vapor phase synthesis method, the film thickness on the outer peripheral side of the substrate is thicker than the film thickness near the center of the substrate surface. It was found that the residual stress in the thick portion of diamond and this non-uniform stress distribution are the major causes of warpage.

【0011】本発明は、かかる知見に基づいてなされた
ものであり、基板表面の外周側部分にダイヤモンド膜が
合成されないか、あるいは合成されても応力が少ない状
態になるような合成方法により、ダイヤモンド膜の反り
を大幅に低減することが可能になったものである。
The present invention has been made on the basis of such knowledge, and a diamond film is formed by a synthesizing method such that the diamond film is not synthesized on the outer peripheral side of the substrate surface, or the stress is small even if synthesized. It is possible to significantly reduce the warpage of the film.

【0012】本発明を具体的に説明すると、以下の2つ
の方法: (1)表面の外周側部分には傷付け処理を行わず、外周
側部分以外の部分に傷つけ処理を行った基板を用いてダ
イヤモンドを合成する方法、及び(2)表面の外周側部
分を耐熱性材料で覆った基板を用いてダイヤモンドを合
成する方法、がある。
The present invention will be described in detail below. (1) Using a substrate in which the outer peripheral side portion of the surface is not scratched, but the outer peripheral side portion is scratched. There are a method of synthesizing diamond, and (2) a method of synthesizing diamond using a substrate whose outer peripheral portion of the surface is covered with a heat resistant material.

【0013】上記(2)の方法には、好ましい方法とし
て、傷付け処理した表面の外周側部分を耐熱性材料で覆
った基板を用いてダイヤモンドを合成するか、又は傷付
け処理が行われていない表面のうち外周側部分を耐熱性
材料で覆った基板を用い、バイアス電圧を印加した後ダ
イヤモンドを合成する方法がある。
In the above method (2), as a preferable method, diamond is synthesized using a substrate in which the outer peripheral side portion of the scratched surface is covered with a heat-resistant material, or the surface which is not scratched. There is a method of synthesizing diamond after applying a bias voltage using a substrate whose outer peripheral portion is covered with a heat resistant material.

【0014】かかる本発明の方法によれば、基板表面の
外周側部分を除いた部分(中央側部分)にほぼ均一な膜
厚のダイヤモンドが形成され、外周側部分には側面部分
を含めてダイヤモンドが析出しないか、析出したとして
もダイヤモンドの膜厚が前記中央側部分のダイヤモンド
の膜厚よりも薄くなっている。
According to such a method of the present invention, diamond having a substantially uniform film thickness is formed on a portion (central side portion) of the substrate surface excluding the outer peripheral side portion, and the outer peripheral side portion including the side surface portion includes diamond. Is not deposited, or even if deposited, the diamond film thickness is smaller than the diamond film thickness in the central portion.

【0015】従って、本発明によれば、前記中央側部分
に膜厚が均一で残留応力の小さい合成ダイヤモンドを得
ることができ、更に基板を除去することによって、自立
膜として、10mm長さにおける反りが10μm以下で
ある合成ダイヤモンドを得ることができる。
Therefore, according to the present invention, it is possible to obtain a synthetic diamond having a uniform film thickness and a small residual stress in the central portion, and by removing the substrate, the self-standing film is warped in a length of 10 mm. Of 10 μm or less can be obtained.

【0016】[0016]

【作用】ダイヤモンドのMoやSi等のダイヤモンド以
外の基板上への気相合成では、一般的に基板表面をダイ
ヤモンドパウダーなどにより傷つけ処理を行った後に合
成を行う。この傷付け処理は、基板上へのダイヤモンド
核生成密度を向上させるためであり、極めて重要なプロ
セスである。
In the vapor phase synthesis of diamond on a substrate other than diamond such as Mo or Si, the synthesis is generally performed after the surface of the substrate is scratched with diamond powder or the like. This scratching treatment is an extremely important process for improving the diamond nucleation density on the substrate.

【0017】逆に、この傷つけ処理を行わなければ、核
生成密度が極端に少なくなり、ダイヤモンドが合成しな
いか、合成しても膜状になるまでに多くの時間を要す
る。この傷付け処理を利用して、部分的に傷つけ処理を
行わない領域を有する基板上にダイヤモンドを合成すれ
ば、傷つけ処理を行っていない領域にはダイヤモンドが
合成しないか、合成してもダイヤモンド膜厚が薄く、そ
の部分の応力を低減することができる。
On the contrary, if this scratching treatment is not carried out, the nucleation density will be extremely low, and it will take a long time until diamond is not synthesized, or even if it is synthesized, it becomes a film. Using this scratching process, if diamond is synthesized on the substrate that has a region that is not partially scratched, diamond will not be synthesized in the region that is not scratched, or the diamond film thickness Is thin, and the stress in that portion can be reduced.

【0018】本発明の上記(1)の方法は、この傷付け
処理の特性を利用して、表面の中央側部分のみ傷付け処
理を行い、外周側部分には傷つけ処理を行わない基板を
用いてダイヤモンドを合成する方法であり、基板の外周
側部分へのダイヤモンドの合成が抑制されることによっ
て応力が低減し、反りの少ない合成ダイヤモンドを得る
ことができる。
The method (1) of the present invention utilizes the characteristic of the scratching treatment to perform the diamond scratching treatment only on the central side of the surface and not on the peripheral side of the diamond. This is a method for synthesizing diamond, and by suppressing synthesis of diamond on the outer peripheral side portion of the substrate, stress is reduced, and a synthetic diamond with less warpage can be obtained.

【0019】又、一般的に、傷つけ処理を行っていない
領域でも、長時間合成しているとダイヤモンド膜が合成
される。一方、予め基板にバイアス電圧をかけてダイヤ
モンド核発生を助長する方法では、基板への傷付け処理
の有る無しにかかわらず、基板の全表面にダイヤモンド
が合成される。
Further, in general, even in the region where the scratching process is not performed, the diamond film is synthesized if it is synthesized for a long time. On the other hand, in the method in which a bias voltage is applied to the substrate in advance to promote the generation of diamond nuclei, diamond is synthesized on the entire surface of the substrate regardless of whether the substrate is scratched or not.

【0020】従って、このような場合にも有効な方法と
して、本発明の上記(2)の方法があり、基板表面の外
周側部分を耐熱性の他の材料で覆った状態でダイヤモン
ドを合成し、合成後に覆った材料を取り外すか又は除去
することによって、覆った材料と共にその上に合成され
たダイヤモンドを基板から除去し、これにより基板の外
周側部分へのダイヤモンド合成を回避して、その部分で
の応力を低減することが可能である。
Therefore, as an effective method also in such a case, there is the method (2) of the present invention, in which diamond is synthesized with the outer peripheral portion of the substrate surface covered with another heat-resistant material. , By removing or removing the covered material after the synthesis, thereby removing the diamond synthesized on the covered material together with it from the substrate, thereby avoiding the diamond synthesis on the outer peripheral side portion of the substrate, It is possible to reduce the stress at.

【0021】この表面外周側部分を覆う方法の場合、具
体的には、予め全表面の傷つけ処理を行った基板を用
い、その表面の外周側部分を耐熱性材料で覆ってダイヤ
モンドを合成してもよいし、あるいは傷つけ処理を行っ
ていない基板を用い、その表面の外周側部分を同様に覆
った後、バイアス処理等によるダイヤモンド核発生処理
を施したうえでダイヤモンドを合成してもよい。
In the case of the method of covering the outer peripheral portion of the surface, specifically, a substrate whose entire surface is scratched in advance is used, and the outer peripheral portion of the surface is covered with a heat resistant material to synthesize diamond. Alternatively, a substrate that has not been subjected to a scratching treatment may be used, the outer peripheral side portion of the surface thereof may be similarly covered, and then diamond nucleation treatment such as bias treatment may be performed to synthesize diamond.

【0022】基板表面の外周側部分を覆う材料は、ダイ
ヤモンド合成時に基板温度が500℃以上になるため、
耐熱性を有する物質であることが必要である。又、比較
的ダイヤモンドが付着しにくい材質を選ぶことが、後処
理や再使用などの点で有利である。具体的には、Fe、
Mo、Wなどの金属、あるいはこれらの合金、又はS
i、Geなどの半導体、あるいは化合物半導体、若しく
はSiO2など酸化物であって良い。
The material for covering the outer peripheral portion of the substrate surface has a substrate temperature of 500 ° C. or higher during diamond synthesis.
It is necessary that the material has heat resistance. Further, it is advantageous in terms of post-treatment and reuse, to select a material to which diamond is relatively unlikely to adhere. Specifically, Fe,
Metals such as Mo and W, their alloys, or S
It may be a semiconductor such as i or Ge, a compound semiconductor, or an oxide such as SiO 2 .

【0023】これらの耐熱性材料を基板表面に施す方法
としては、表面の外周側部分に蒸着などの方法によりコ
ーティングするか、又はこれら耐熱性材料の枠状板材を
熱接触を保って固定する方法が好ましい。又、基板材料
としては、ダイヤモンドが合成しやすい材料を選択する
ことが合成コストの点で有利であるが、合成ダイヤモン
ドの用途や、ダイヤモンド自立膜を得るための基板溶解
が簡単な材料などの基準から、適宜選択すれば良い。
As a method of applying these heat-resistant materials to the surface of the substrate, the outer peripheral portion of the surface is coated by a method such as vapor deposition, or a frame-shaped plate material of these heat-resistant materials is fixed while maintaining thermal contact. Is preferred. Also, as the substrate material, it is advantageous to select a material that diamond can be easily synthesized from the viewpoint of synthesis cost, but it is a standard for the use of synthetic diamond and a material that can be easily dissolved into a substrate to obtain a diamond free-standing film. Therefore, it may be selected appropriately.

【0024】尚、上記(1)の方法の場合、図1に示す
ように、基板表面のうち傷つけ処理が行われていない外
周側部分1の面積をS1、傷つけ処理が行われている部
分2の面積をS2とするとき、S1/S2<0.000
1では傷つけ処理が行われていない領域が少なすぎて、
合成ダイヤモンドの反り低減の効果がなく、S1/S2
>1ではダイヤモンドの合成領域が基板表面積の半分未
満となるため不経済である。
In the case of the above method (1), as shown in FIG. 1, the area of the outer peripheral side portion 1 of the surface of the substrate which is not damaged is S1, and the area 2 of which is damaged is processed. When the area of S2 is S2, S1 / S2 <0.000
In 1, there are too few areas that have not been scratched,
S1 / S2 with no effect of warping of synthetic diamond
> 1 is uneconomical because the synthetic area of diamond is less than half the surface area of the substrate.

【0025】同様に、上記(2)の方法の場合も、図3
に示すように、基板表面のうち耐熱性材料で覆われた外
周側部分3の面積をS3、覆われていない部分4の面積
をS4とするとき、0.0001≦S3/S4≦1の範
囲であることが望ましい。
Similarly, in the case of the above method (2), FIG.
As shown in, when the area of the outer peripheral side portion 3 of the substrate surface covered with the heat resistant material is S3 and the area of the uncovered portion 4 is S4, the range of 0.0001 ≦ S3 / S4 ≦ 1 Is desirable.

【0026】上記(1)又は(2)の方法によれば、基
板表面の外周部分にダイヤモンド膜が合成しないか、合
成しても平均的なダイヤモンド膜厚よりも薄いダイヤモ
ンド膜となるため、基板側面も含めた基板表面の外周側
部の応力を回避、もしくは低減することができる。
According to the above method (1) or (2), the diamond film is not formed on the outer peripheral portion of the substrate surface, or even if it is formed, the diamond film is thinner than the average diamond film thickness. It is possible to avoid or reduce the stress on the outer peripheral side portion of the substrate surface including the side surface.

【0027】例えば、外周側部分にのみ傷付け処理を行
った図1の基板5の表面上にダイヤモンドを合成した場
合、図2に示すように、表面の傷付け処理が行われてい
る部分(中心部分)2には通常のごとくダイヤモンド膜
7が合成されるが、傷付け処理が行われていない外周側
部分1にはダイヤモンド膜が合成されず、ダイヤモンド
粒8が析出したり、中央部分のダイヤモンド膜7よりも
薄いダイヤモンド膜が析出するのみである。
For example, when diamond is synthesized on the surface of the substrate 5 of FIG. 1 in which only the outer peripheral side portion is scratched, as shown in FIG. 2, the surface scratched portion (central portion) 2) the diamond film 7 is synthesized as usual, but the diamond film is not synthesized on the outer peripheral side portion 1 which is not scratched, and the diamond grains 8 are deposited or the diamond film 7 in the central portion is deposited. Only a thinner diamond film is deposited.

【0028】又、外周側部分を耐熱性材料で覆った基
板、例えば図3及び図4に示すごとく枠状板材6で外周
側部分を覆った基板5の表面上にダイヤモンドを合成し
た場合、ダイヤモンド合成後に枠状板材6を取り外すな
ど耐熱性材料を除去することによって、耐熱性材料上に
ダイヤモンドが合成又は析出しているか否かに拘らず、
図5に示すごとく、耐熱性材料で覆われていなかった中
央部分のみダイヤモンド膜7が合成され、耐熱性材料で
覆っていた外周側部分にはダイヤモンドが合成されな
い。
Further, when diamond is synthesized on the surface of the substrate whose outer peripheral side portion is covered with a heat resistant material, for example, the substrate 5 whose outer peripheral side portion is covered with the frame-shaped plate member 6 as shown in FIGS. By removing the heat-resistant material such as removing the frame-shaped plate material 6 after the synthesis, regardless of whether diamond is synthesized or deposited on the heat-resistant material,
As shown in FIG. 5, the diamond film 7 is synthesized only in the central portion which is not covered with the heat resistant material, and diamond is not synthesized in the outer peripheral side portion which is covered with the heat resistant material.

【0029】一方、従来と同様に基板の全表面に傷付け
処理を行い且つ外周側部分を耐熱性材料で覆うことなく
ダイヤモンドの合成を行った場合、図6に示すごとく、
基板5の表面全面にダイヤモンド膜7が合成される。こ
のダイヤモンド膜7は、基板5の外周側部分及び側面に
おける膜厚が基板5の中央部分における膜厚よりも厚く
なっており、この部分に大きな応力がかかっている。
On the other hand, when the whole surface of the substrate is scratched and the diamond is synthesized without covering the outer peripheral side portion with the heat resistant material as in the conventional case, as shown in FIG.
The diamond film 7 is synthesized on the entire surface of the substrate 5. The diamond film 7 has a film thickness on the outer peripheral side and the side surface of the substrate 5 larger than the film thickness on the central part of the substrate 5, and a large stress is applied to this part.

【0030】この結果、基板5は大きく反り、場合によ
ってはダイヤモンド膜7が剥がれたり、例えばSi基板
の場合には基板と共にダイヤモンド膜が割れることがあ
る。又、このように反りが大きいダイヤモンド膜7で
は、研磨工程でダイヤモンド膜7の反りにより部分的に
しか研磨できなかったり、外周側部分の膜厚が厚いため
研磨に時間がかかる等の問題点がある。
As a result, the substrate 5 is largely warped, the diamond film 7 may be peeled off in some cases, and, for example, in the case of a Si substrate, the diamond film may be cracked together with the substrate. In addition, the diamond film 7 having such a large warp has a problem in that it can be partially polished due to the warp of the diamond film 7 in the polishing step, and it takes a long time to polish it because the outer peripheral portion has a large film thickness. is there.

【0031】以上のように、本発明方法で得られた合成
ダイヤモンドは、基板の外周側部分にダイヤモンドが全
く析出しないか、あるいは析出してもダイヤモンドの膜
厚が平均的なダイヤモンドの膜厚よりも薄いことが特徴
的である。又、基板の側面及び外周側部分にダイヤモン
ドが析出しないため、合成されたダイヤモンド膜の応力
は大幅に低減される。
As described above, in the synthetic diamond obtained by the method of the present invention, the diamond is not deposited at all on the outer peripheral side of the substrate, or even if it is deposited, the diamond film thickness is less than the average diamond film thickness. It is also characteristic that it is thin. Further, since diamond is not deposited on the side surface and the outer peripheral side portion of the substrate, the stress of the synthesized diamond film is greatly reduced.

【0032】その結果、合成中又は合成後におけるダイ
ヤモンド膜の剥離、クラック及び基板ワレ等による不良
を低減でき、また基板上に合成した合成ダイヤモンド膜
の反りが少なくなり、以降の加工プロセスにおける不良
の発生を著しく減少させることができ、コストの低減を
図ることができる。又、基材を除去して得られる合成ダ
イヤモンド自立膜も反りが少なく、以降の加工、デバイ
スプロセスのコスト低減に効果的である。
As a result, defects due to delamination, cracks, substrate cracks, etc. of the diamond film during or after the synthesis can be reduced, and the synthetic diamond film synthesized on the substrate is less warped, resulting in defects in the subsequent processing processes. The generation can be remarkably reduced, and the cost can be reduced. Further, the synthetic diamond free-standing film obtained by removing the base material also has little warpage, and is effective in reducing the cost of subsequent processing and device processes.

【0033】次に、一般に基板上に合成した合成ダイヤ
モンドの応力と反りについて考察する。図7に示すよう
に、合成したダイヤモンド膜7の応力をσとし、基板5
の弾性係数をE、ポアソン比をv、基板5の厚みをD、
曲率半径をR、及びダイヤモンド膜7の膜厚をdとした
とき、ダイヤモンド膜7の膜厚dが基板5の厚みDに比
べ十分小さい場合には、下記の関係が成立する。
Next, stress and warpage of synthetic diamond generally synthesized on a substrate will be considered. As shown in FIG. 7, the stress of the synthesized diamond film 7 is σ, and the substrate 5
, E is the elastic coefficient, v is the Poisson's ratio, D is the thickness of the substrate
When the radius of curvature is R and the film thickness of the diamond film 7 is d, and the film thickness d of the diamond film 7 is sufficiently smaller than the thickness D of the substrate 5, the following relationship is established.

【0034】[0034]

【数1】σ=[E/(1−v)]×[D2/6Rd]## EQU1 ## σ = [E / (1-v)] × [D 2 / 6Rd]

【0035】ここで、円板状の基板5を想定した場合、
基板5の直径をa、反り(Z変位)をzとすると、曲率
半径Rは次の式で近似できる。
Here, assuming a disk-shaped substrate 5,
When the diameter of the substrate 5 is a and the warp (Z displacement) is z, the radius of curvature R can be approximated by the following equation.

【0036】[0036]

【数2】R=a2/8z[Formula 2] R = a 2 / 8z

【0037】従って、上記2つの関係式より、応力σと
反り(Z変位)zの関係は下記の式で表される。
Therefore, from the above two relational expressions, the relation between the stress σ and the warp (Z displacement) z is expressed by the following equation.

【0038】[0038]

【数3】σ=[E/(1−v)]×[D2/6d]×
[8z/a2]
## EQU3 ## σ = [E / (1-v)] × [D 2 / 6d] ×
[8z / a 2 ]

【0039】この式から明らかなように、合成ダイヤモ
ンドの反りzを少なくするには、 合成ダイヤモンドの応力σを小さくする、 弾性係数Eの大きい基板材料を選択する、 基板の厚みDを厚くする、 合成ダイヤモンド膜厚を薄くする、 基板直径aを小さくする、ことが有効である。
As is clear from this equation, in order to reduce the warpage z of the synthetic diamond, the stress σ of the synthetic diamond is reduced, the substrate material having a large elastic coefficient E is selected, the thickness D of the substrate is increased, It is effective to reduce the synthetic diamond film thickness and the substrate diameter a.

【0040】更に、直径aが50mmのSi(100)
基板上にダイヤモンドを合成した場合について具体的に
検討する。いま、[E/(1−v)]si=166Gp
aとし、Si基板の厚みD=1mmにおける反りzと応
力σの関係を図8に、及び応力=0.1GPaとした場
合の反りzとSi基板の厚みDの関係を図9に示す。い
ずれも、ダイヤモンド膜の膜厚dをパラメータとし、縦
軸と横軸は対数目盛で示してある。
Furthermore, Si (100) having a diameter a of 50 mm
The case of synthesizing diamond on the substrate will be specifically examined. Now, [E / (1-v)] si = 166Gp
8 shows the relationship between the warp z and the stress σ when the thickness a of the Si substrate is D = 1 mm, and FIG. 9 shows the relationship between the warp z and the thickness D of the Si substrate when the stress is 0.1 GPa. In both cases, the film thickness d of the diamond film is used as a parameter, and the vertical axis and the horizontal axis are shown on a logarithmic scale.

【0041】これら図8及び図9から判るように、合成
するダイヤモンド膜の反りは、その膜厚に大きく依存す
るものの、反りzを低減させるためには、ダイヤモンド
の応力が低減される条件で合成するか、若しくは基板の
厚みを厚くすることが有効である。
As can be seen from FIGS. 8 and 9, the warpage of the diamond film to be synthesized depends largely on the film thickness, but in order to reduce the warpage z, synthesis is performed under the condition that the stress of diamond is reduced. It is effective to increase the thickness of the substrate.

【0042】しかしながら、実際は合成ダイヤモンドの
応力が合成領域全般に均等に分布しているわけではない
から、計算値通りの反りになるとは限らない。図6に示
すように、基板の外周側部分及び側面部分に厚く合成し
たダイヤモンド膜は特に強い応力がかかっており、この
部分の反りは中心部分の反りよりも大きくなっている。
従って、この基板の外周側部分及び側面部分へのダイヤ
モンドの合成を回避すれば、上記数1及び数3の式に従
った曲率半径と反りの関係が成立する。
However, in reality, the stress of synthetic diamond is not evenly distributed over the entire synthetic region, so that the warpage does not always follow the calculated value. As shown in FIG. 6, the diamond film thickly synthesized on the outer peripheral side portion and the side surface portion of the substrate is subjected to particularly strong stress, and the warp of this portion is larger than the warp of the central portion.
Therefore, if the synthesis of the diamond on the outer peripheral side portion and the side surface portion of the substrate is avoided, the relationship between the radius of curvature and the warp according to the equations (1) and (3) is established.

【0043】次に、本発明によるダイヤモンドの合成方
法で得られた基板上のダイヤモンド膜の反りの最適化に
ついて考察する。ダイヤモンド膜の応力がゼロの場合
は、反りはゼロになることは上記数3の式から明らかで
あるが、実際には応力をゼロに制御することはほとんど
不可能である。しかしながら、以降の加工プロセス及び
デバイスプロセスを考慮すると、合成ダイヤモンドの反
りをできるだけ小さくすることは極めて重要である。
Next, optimization of the warp of the diamond film on the substrate obtained by the method for synthesizing diamond according to the present invention will be considered. When the stress of the diamond film is zero, the warpage becomes zero, which is clear from the above equation (3), but in reality it is almost impossible to control the stress to zero. However, considering the subsequent processing process and device process, it is extremely important to minimize the warpage of the synthetic diamond.

【0044】以降のプロセスの要求精度に大きく依存す
るが、一般的には合成ダイヤモンド膜の反りは少なくと
も幅10mmの範囲で10μm以下であることが望まし
く、デバイスプロセスでは幅50mmの範囲で10μm
以下であることが要求される場合もある。
Generally, the warp of the synthetic diamond film is preferably 10 μm or less in the width range of 10 mm and 10 μm in the width range of 50 mm in the device process, although it depends largely on the required accuracy of the subsequent processes.
In some cases, the following may be required.

【0045】従って、望ましくはa=10mm、z≦1
0μmであるから、曲率半径Rは、
Therefore, it is desirable that a = 10 mm and z ≦ 1.
Since it is 0 μm, the radius of curvature R is

【数4】R≧a2/8z=1.25m を満足する合成ダイヤモンド膜である必要がある。## EQU4 ## It is necessary that the synthetic diamond film satisfy R ≧ a 2 /8z=1.25 m.

【0046】従って、上記数1の式及び数4の式からTherefore, from the above equations (1) and (4),

【数5】 R=[E/(1−v)]×[D2/6σd]≧1.25m を満足する合成ダイヤモンドの応力σ、基板の弾性係数
E、ポアソン比v、基板の厚みD、合成ダイヤモンド膜
厚dの組み合わせの条件でダイヤモンドを合成すれば良
いことになる。
Equation 5] R = [E / (1- v)] × [ stress synthetic diamond that satisfies D 2 /6σd]≧1.25m σ, the elastic modulus of the substrate E, Poisson's ratio v, the thickness of the substrate D, It suffices to synthesize diamond under the condition of the combination of the synthetic diamond film thickness d.

【0047】又、この合成ダイヤモンドの基板を除去し
たダイヤモンド自立膜は、応力の開放により反りの状態
が異なってくるが、前記のごとくダイヤモンド自立膜の
反りは少なくとも幅10mmの範囲で10μm以下であ
ることが望ましい。
The free-standing diamond film from which the substrate of synthetic diamond is removed has a different warp state due to the release of stress. As described above, the free-standing diamond film has a warp of 10 μm or less at least within a width of 10 mm. Is desirable.

【0048】[0048]

【実施例】実施例1 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が1mmの円板状の基板を用い、下記のごとくその表面
に部分的に傷付け処理を行った後、熱フィラメントCV
D法によりダイヤモンドを合成した。
Example 1 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si, having a diameter of 50 mm and a thickness of 1 mm was used, and the surface thereof was partially scratched as described below, and then a hot filament was used. CV
Diamond was synthesized by the D method.

【0049】即ち、図1に示すように、基板5の傷つけ
処理は、外周から3mmの領域を傷つけ処理が行われな
いように予めMo製の治具で覆っておき、露出している
表面を#2000のダイヤモンドパウダーでハケにより
約5分間処理した。傷付け処理が行われていない外周側
部分1の面積S1と、傷付け処理が行われている部分
(中心側部分)2の面積S2の比S1/S2は0.29
であった。
That is, as shown in FIG. 1, in the process of scratching the substrate 5, a region of 3 mm from the outer periphery is covered with a jig made of Mo in advance so that the scratching process is not performed, and the exposed surface is removed. It was treated with # 2000 diamond powder by brush for about 5 minutes. The ratio S1 / S2 of the area S1 of the outer peripheral side portion 1 which is not scratched and the area S2 of the portion (center side portion) 2 which is scratched is 0.29.
Met.

【0050】この基板をフィラメント直下の冷却された
基板支持台に設置し、合成容器の圧力を13.3kPa
(100Torr)、フィラメントと基板表面との距離
を8mm、フィラメント温度を2100℃に設定し、水
素流量1000cc/min、メタン流量20cc/m
in、基板温度800℃の条件で30時間ダイヤモンド
を合成した。
This substrate was placed on a cooled substrate support just below the filament, and the pressure in the synthesis container was 13.3 kPa.
(100 Torr), the distance between the filament and the substrate surface is 8 mm, the filament temperature is 2100 ° C., the hydrogen flow rate is 1000 cc / min, and the methane flow rate is 20 cc / m.
In, diamond was synthesized for 30 hours under the condition that the substrate temperature was 800 ° C.

【0051】ダイヤモンドの合成後、図2に示すよう
に、基板5の傷付け処理が行われている部分(中心側部
分)2には膜厚22μmのダイヤモンド膜7が合成され
たが、傷付け処理が行われていない外周側部分(未処理
部分)1では膜厚が最大10μmであり、膜状にならず
ダイヤモンド粒8が析出した部分、あるいは全く析出し
ていない部分もあり、基板5の側面にもほとんどダイヤ
モンドが析出していなかった。
After synthesizing the diamond, as shown in FIG. 2, a diamond film 7 having a film thickness of 22 μm was synthesized on the portion (center side portion) 2 of the substrate 5 on which the scratching treatment was performed. In the outer peripheral side portion (unprocessed portion) 1 which has not been performed, the film thickness is 10 μm at maximum, and there are portions where the diamond grains 8 do not become film-like or are not deposited at all, and are formed on the side surface of the substrate 5. Almost no diamond was deposited.

【0052】ダイヤモンド膜7が付いた状態の基板5の
裏面の反りを測定したところ、裏面が凸状(合成ダイヤ
モンド表面が凹状)であり、反りは40mmの範囲で1
0μmであった。
When the warp of the back surface of the substrate 5 with the diamond film 7 was measured, the back surface was convex (the surface of the synthetic diamond was concave), and the warp was 1 in the range of 40 mm.
It was 0 μm.

【0053】実施例2 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が0.5mmの基板を用い、その表面の外周から5mm
の領域を実施例1と同様にして部分的に傷つけ処理を行
った後、熱フィラメントCVD法によりダイヤモンドを
合成した。傷付け処理が行われていない外周側部分の面
積S1と、傷付け処理が行われている部分(中心側部
分)の面積S2の比S1/S2は0.56であった。
Example 2 A substrate made of single crystal (100) Si, having a diameter of 50 mm and a thickness of 0.5 mm, was used, and 5 mm from the outer periphery of its surface.
The region was partially damaged in the same manner as in Example 1, and then diamond was synthesized by the hot filament CVD method. The ratio S1 / S2 of the area S1 of the outer peripheral side portion which was not scratched and the area S2 of the portion (center side portion) which was scratched was 0.56.

【0054】この基板をフィラメント直下の冷却された
基板支持台に設置し、合成容器の圧力を13.3kpa
(100Torr)、フィラメントと基板表面との距離
を8mm、フィラメント温度を2100℃に設定し、水
素流量1000cc/min、メタン流量10cc/m
in、基板温度750℃の条件で50時間ダイヤモンド
を合成した。
This substrate was placed on the cooled substrate support immediately below the filament, and the pressure in the synthesis container was 13.3 kpa.
(100 Torr), the distance between the filament and the substrate surface is 8 mm, the filament temperature is 2100 ° C., the hydrogen flow rate is 1000 cc / min, and the methane flow rate is 10 cc / m.
Diamond was synthesized for 50 hours under the conditions of substrate temperature of 750 ° C.

【0055】ダイヤモンドの合成後、基板の傷付け処理
が行われいる部分(中心側部分)には膜厚18μmのダ
イヤモンド膜が合成されたが、傷付け処理が行われてい
ない外周側部分(未処理部分)は全くダイヤモンド膜が
析出していない部分が殆どであり、基板の側面にもほと
んどダイヤモンドが析出していなかった。ダイヤモンド
膜が付いた状態の基板の裏面の反りを測定したところ、
裏面が凸状であり、反りは40mmの範囲で35μmで
あった。
After synthesizing the diamond, a diamond film having a film thickness of 18 μm was synthesized on the portion (center side portion) where the substrate was scratched, but the outer peripheral portion (untreated portion) where the scratch treatment was not performed. In (1), most of the diamond film was not deposited, and almost no diamond was deposited on the side surface of the substrate. When the warp of the back surface of the substrate with the diamond film attached was measured,
The back surface was convex and the warp was 35 μm in the range of 40 mm.

【0056】実施例3 単結晶(100)Siからなり、直径が25mmで厚み
が5mmの基板2枚を用い、その表面の外周から3mm
の領域を実施例1と同様にして部分的に傷つけ処理を行
った後、熱フィラメントCVD法によりダイヤモンドを
合成した。傷付け処理が行われていない外周側部分の面
積S1と、傷付け処理が行われている部分(中心側部
分)の面積S2の比S1/S2は0.73であった。
Example 3 Two substrates each made of single crystal (100) Si and having a diameter of 25 mm and a thickness of 5 mm were used.
The region was partially damaged in the same manner as in Example 1, and then diamond was synthesized by the hot filament CVD method. The ratio S1 / S2 of the area S1 of the outer peripheral side portion not subjected to the scratching treatment and the area S2 of the portion (center side portion) subjected to the scratching treatment was 0.73.

【0057】この2枚の基板をフィラメント直下の冷却
された基板支持台に設置し、合成容器の圧力を13.3
kpa(100Torr)、フィラメントと基板表面と
の距離を8mm、フィラメント温度を2100℃に設定
し、水素流量1000cc/min、メタン流量20c
c/min、基板温度700℃の条件で200時間ダイ
ヤモンドを合成した。
The two substrates were placed on a cooled substrate support immediately below the filament, and the pressure in the synthesis container was set to 13.3.
kpa (100 Torr), the distance between the filament and the substrate surface is 8 mm, the filament temperature is 2100 ° C., the hydrogen flow rate is 1000 cc / min, and the methane flow rate is 20 c.
Diamond was synthesized for 200 hours under the conditions of c / min and substrate temperature of 700 ° C.

【0058】ダイヤモンドの合成後、2枚の基板の傷付
け処理が行われている部分(中心側部分)に合成された
ダイヤモンド膜の膜厚は140μmと120μmであ
り、傷付け処理が行われていない外周側部分(未処理部
分)のダイヤモンド膜の膜厚はいずれも中心部分の膜厚
の平均未満であって、基板の側面にはほとんどダイヤモ
ンドが析出していなかった。
After the diamond is synthesized, the film thickness of the diamond film synthesized on the scratched portion (center side portion) of the two substrates is 140 μm and 120 μm, and the outer circumference is not scratched. The thickness of the diamond film in the side portion (untreated portion) was less than the average of the thickness of the central portion, and almost no diamond was deposited on the side surface of the substrate.

【0059】ダイヤモンド膜が付いた状態の基板の裏面
の反りを測定したところ、裏面が凸状(合成ダイヤモン
ド表面が凹状)であり、反りは20mmの範囲で15μ
mと11μmであった。その後、Si基板を溶解除去し
てダイヤモンド自立膜を得たが、この2枚のダイヤモン
ド自立膜の反りは20mmの範囲でそれぞれ23μmと
13μmであった。
When the warp of the back surface of the substrate with the diamond film was measured, the back surface was convex (the surface of the synthetic diamond was concave), and the warp was 15 μm in the range of 20 mm.
m and 11 μm. After that, the Si substrate was dissolved and removed to obtain a diamond freestanding film, and the warps of the two diamond freestanding films were 23 μm and 13 μm in the range of 20 mm, respectively.

【0060】比較例1 実施例1と同様の、単結晶(100)Siからなり、直
径が50mmで厚みが1mmの円板状の基板を用い、そ
の表面全面に実施例1と同様の傷付け処理を行った後、
実施例1と同一の条件で熱フィラメントCVD法により
ダイヤモンドを合成した。
Comparative Example 1 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si, having a diameter of 50 mm and a thickness of 1 mm, was used as in Example 1, and the entire surface thereof was subjected to the same scratch treatment as in Example 1. After doing
Diamond was synthesized by the hot filament CVD method under the same conditions as in Example 1.

【0061】得られたダイヤモンド膜は、基板の中心部
分で25μmであるが、外周側部分が厚く、特に基板外
周端部では最大32μmであった。又、基板裏面の反り
を測定したところ、裏面が凸状(ダイヤモンド膜表面が
凹)であり、反りは40mmの範囲で120μmであっ
た。
The obtained diamond film had a thickness of 25 μm in the central portion of the substrate, but was thick in the outer peripheral side portion, and particularly 32 μm at the outermost peripheral edge portion of the substrate. Further, when the warp of the back surface of the substrate was measured, the back surface was convex (the surface of the diamond film was concave), and the warp was 120 μm in the range of 40 mm.

【0062】尚、得られたダイヤモンドの膜質は悪く、
ラマン分光分析では非ダイヤ炭素成分が多く見受けられ
た。これは、ダイヤモンド合成中に基板が大きく反り、
基板裏面の熱接触が悪化して、結果的に基板温度が上昇
したためである。
The film quality of the obtained diamond was poor,
Raman spectroscopic analysis showed many non-diamond carbon components. This is because the substrate warps greatly during diamond synthesis,
This is because the thermal contact on the back surface of the substrate deteriorates and the substrate temperature rises as a result.

【0063】比較例2 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が0.5mmの基板を用い、その表面全面に実施例1と
同様に傷つけ処理を行った後、実施例2と同一の条件で
熱フィラメンントCVD法によりダイヤモンドを合成し
た。
Comparative Example 2 A substrate made of single crystal (100) Si and having a diameter of 50 mm and a thickness of 0.5 mm was used. The entire surface of the substrate was subjected to a scratch treatment in the same manner as in Example 1 and then, as Example 2. Diamond was synthesized by the thermal filament CVD method under the same conditions.

【0064】得られたダイヤモンド膜は大きく反ってお
り、一部でダイヤモンド膜が剥離していた。これは、大
きな応力と基板厚みが薄いことにより基板が大きく反
り、更に熱接触が悪化して基板温度が上昇したことによ
るもので、基板表面と合成ダイヤモンドとの付着強度以
上の応力が働いたためである。
The obtained diamond film was greatly warped, and the diamond film was partially peeled off. This is because the substrate was greatly warped due to the large stress and the thin substrate thickness, the thermal contact was further deteriorated, and the substrate temperature rose, and the stress more than the adhesion strength between the substrate surface and the synthetic diamond worked. is there.

【0065】比較例3 単結晶(100)Siからなり、直径が25mmで厚み
が5mmの基板2枚を用い、その表面全面に実施例1と
同様に傷つけ処理を行った後、実施例3と同じ条件で熱
フィラメントCVD法によりダイヤモンドを合成した。
Comparative Example 3 Two substrates made of single crystal (100) Si and having a diameter of 25 mm and a thickness of 5 mm were used, and the entire surface thereof was subjected to a scratching treatment in the same manner as in Example 1 and then as Example 3. Diamond was synthesized by the hot filament CVD method under the same conditions.

【0066】得られた2枚のダイヤモンド膜のうち、1
枚はダイヤモンド膜と基板が剥離しており、非常に多く
の非ダイヤモンド成分を有する粗悪ダイヤモン膜であっ
た。もう1枚はダイヤモンド膜の剥離はなかったが、中
心部分の膜厚が165μmに対し、外周側部分、特に基
板端部の膜厚が200μm以上になり、基板裏面の反り
は、20mmの範囲で55μmと極めて大きかった。
Of the two diamond films obtained, 1
The diamond film and the substrate were peeled off from each other, and the diamond film was a poor diamond film having a large amount of non-diamond components. The other one had no peeling of the diamond film, but the film thickness at the central part was 165 μm, whereas the film thickness at the outer peripheral side, especially at the substrate edge, was 200 μm or more, and the warp on the back surface of the substrate was It was extremely large at 55 μm.

【0067】この合成ダイヤモンド表面を研磨しようと
試みたが、外周側部分のみが研磨され、200時間研磨
しても部分的にしか研磨されず、全面研磨することをあ
きらめた。更に、その後Si基板を溶解除去してダイヤ
モンド自立膜を得たが、その自立膜の基板表面側に亀甲
状のクラックが入り、不良品となった。
Attempts were made to polish the surface of this synthetic diamond, but only the outer peripheral portion was polished, and even after polishing for 200 hours, it was only partially polished, and the entire surface was abandoned. After that, the Si substrate was dissolved and removed to obtain a diamond free-standing film, but a hexagonal crack was formed on the substrate surface side of the free-standing film, resulting in a defective product.

【0068】実施例4 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が3mmの円板状の基板を用い、下記のごとくその表面
を部分的に枠状板材で覆った後、熱フィラメントCVD
法によりダイヤモンドを合成した。
Example 4 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si, having a diameter of 50 mm and a thickness of 3 mm was used, and the surface thereof was partially covered with a frame-shaped plate material as described below, and then a hot filament was used. CVD
Diamond was synthesized by the method.

【0069】即ち、図3及び図4に示すように、基板5
の表面全体を実施例1と同様の方法で傷付け処理した
後、基板5の外周から2mmの領域をMo製の枠状板材
6を載置して覆った。基板5のMo製の枠状板材6で覆
われた外周側部分3の面積S3と、覆われいない部分
(中心側部分)4の面積S4の比S3/S4は0.18
であった。
That is, as shown in FIGS. 3 and 4, the substrate 5
After the entire surface of the substrate was scratched in the same manner as in Example 1, a 2 mm region from the outer periphery of the substrate 5 was covered with a frame-shaped plate member 6 made of Mo. The ratio S3 / S4 of the area S3 of the outer peripheral side portion 3 covered by the Mo frame-shaped plate member 6 of the substrate 5 and the area S4 of the uncovered portion (center side portion) 4 is 0.18.
Met.

【0070】この基板をフィラメント直下の冷却された
基板支持台に設置し、合成容器の圧力を13.3kPa
(100Torr)、フィラメントと基板表面との距離
を7mm、フィラメント温度を2150℃に設定し、水
素流量1000cc/min、メタン流量30cc/m
in、基板温度800℃の条件で100時間ダイヤモン
ドを合成した。
This substrate was placed on the cooled substrate support just below the filament, and the pressure in the synthesis container was 13.3 kPa.
(100 Torr), the distance between the filament and the substrate surface is 7 mm, the filament temperature is 2150 ° C., the hydrogen flow rate is 1000 cc / min, and the methane flow rate is 30 cc / m.
In, diamond was synthesized for 100 hours under the condition that the substrate temperature was 800 ° C.

【0071】ダイヤモンドの合成後Mo製の枠状板材6
を取り外すと、図5に示すように、基板5のMo製の枠
状板材6で覆われた外周側部分3及び側面部分にはダイ
ヤモンド膜7が存在せず、枠状板材6で覆われていない
部分(露出していた中心側部分)4には膜厚が最大で1
25μmのダイヤモンド膜7が合成された。尚、Mo製
の枠状板材6の上には、殆どダイヤモンドが析出してい
なかった。
Frame-shaped plate material 6 made of Mo after synthesis of diamond
5, the diamond film 7 does not exist on the outer peripheral side portion 3 and the side surface portion of the substrate 5 which are covered with the Mo frame-shaped plate member 6, and the substrate 5 is covered with the frame-shaped plate member 6, as shown in FIG. The maximum film thickness is 1 in the non-exposed part (exposed center part) 4.
A 25 μm diamond film 7 was synthesized. In addition, almost no diamond was deposited on the frame-shaped plate member 6 made of Mo.

【0072】ダイヤモンド膜7が付いた状態の基板5の
裏面の反りを測定したところ、応力が相当大きな合成条
件にも拘らず、基板裏面の反りは裏面が凸状であり、4
0mmの範囲で23μmであった。又、基板の反りが少
ないため、得られた合成ダイヤモンド膜7は非ダイヤモ
ンド炭素成分が殆ど観測されない高品質なものであっ
た。その後、基板5を溶解除去してダイヤモンド自立膜
を得たが、自立膜の反りは40mmの範囲で36μmで
あった。
When the warp of the back surface of the substrate 5 with the diamond film 7 was measured, it was found that the warp of the back surface of the substrate was convex even though the stress was considerably large.
It was 23 μm in the range of 0 mm. Further, since the substrate was less warped, the obtained synthetic diamond film 7 was of high quality in which almost no non-diamond carbon component was observed. Thereafter, the substrate 5 was dissolved and removed to obtain a freestanding diamond film, and the warp of the freestanding film was 36 μm in the range of 40 mm.

【0073】実施例5 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が5mmの円板状の基板を用い、その表面全体を実施例
4と同様に傷付け処理した後、基板の外周から2mmの
領域をMo製の枠状板材で覆った。基板のMo製の枠状
板材で覆われた外周側部分の面積S3と、覆われいない
部分(中心側部分)の面積S4の比S3/S4は0.1
8であった。
Example 5 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si and having a diameter of 50 mm and a thickness of 5 mm was used. After the entire surface was scratched as in Example 4, the substrate was removed from the outer periphery. A 2 mm area was covered with a frame plate made of Mo. The ratio S3 / S4 of the area S3 of the outer peripheral side portion of the substrate covered with the Mo frame-shaped plate material to the area S4 of the uncovered portion (center side portion) is 0.1.
It was 8.

【0074】この基板を、1陰極−2陽極の構成を持つ
DCプラズマジェットCVD装置の冷却された基板支持
台に設置し、枠状板材を基板支持台にネジで固定するこ
とで、反りによる熱接触の悪化を防ぐようにした。その
後、合成容器の圧力を1.33kPa(10Torr)
とし、アルゴン流量5000cc/min、水素流量2
000cc/min、メタン流量20cc/min、基
板温度750℃の条件で80時間ダイヤモンドを合成し
た。
This substrate is placed on a cooled substrate support of a DC plasma jet CVD apparatus having a structure of one cathode and two anodes, and the frame-shaped plate material is fixed to the substrate support by screws, so that the heat generated by the warp is generated. I tried to prevent the deterioration of contact. After that, the pressure in the synthesis container is 1.33 kPa (10 Torr).
And argon flow rate 5000 cc / min, hydrogen flow rate 2
Diamond was synthesized for 80 hours under the conditions of 000 cc / min, methane flow rate of 20 cc / min, and substrate temperature of 750 ° C.

【0075】ダイヤモンドの合成後Mo製の枠状板材を
取り外すと、基板のMo製の枠状板材で覆われていた外
周側部分及び側面部分にはダイヤモンド膜が存在せず、
覆われずに露出していた中心側部分には膜厚が最大で4
10μmのダイヤモンド膜が合成された。
When the Mo frame-shaped plate material was removed after the diamond was synthesized, the diamond film was not present on the outer peripheral side portion and the side surface portion of the substrate covered with the Mo frame plate material,
The maximum film thickness is 4 in the center side that was exposed without being covered.
A 10 μm diamond film was synthesized.

【0076】ダイヤモンド膜が付いた状態の基板の裏面
の反りを測定したところ、応力が相当大きな合成条件に
も拘らず、反りは裏面が凸状であり、40mmの範囲で
15μmであった。又、DCプラズマジェットCVD法
に特有の膜厚分布があるものの、基板裏面の熱接触が良
好なため、得られた合成ダイヤモンド膜は非ダイヤモン
ド炭素成分が殆ど観測されない高品質なものであった。
その後、基板を溶解除去してダイヤモンド自立膜を得た
が、自立膜の反りは40mmの範囲で25μmであっ
た。
When the warp of the back surface of the substrate with the diamond film was measured, it was found that the warp was convex on the back surface and was 15 μm in the range of 40 mm in spite of the synthesis condition in which the stress was considerably large. Further, although the DC plasma jet CVD method has a film thickness distribution peculiar to it, thermal contact with the back surface of the substrate was good, and thus the obtained synthetic diamond film was of high quality in which almost no non-diamond carbon components were observed.
Then, the substrate was dissolved and removed to obtain a freestanding diamond film, and the freestanding film had a warp of 25 μm in a range of 40 mm.

【0077】実施例6 単結晶(100)Siからなり、直径が50mmで厚み
が1mmの円板状の基板を用い、その表面全体を実施例
4と同様に傷付け処理した後、基板の外周から1mmの
領域をマスキングしてSiO2を蒸着することにより、
SiO2コーテイングで覆った。基板のSiO2コーテイ
ングで覆われた外周側部分の面積S3と、覆われいない
部分(中心側部分)の面積S4の比S3/S4は0.0
85であった。
Example 6 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si and having a diameter of 50 mm and a thickness of 1 mm was used, and after the entire surface thereof was scratched in the same manner as in Example 4, from the outer periphery of the substrate. By masking the 1 mm area and depositing SiO 2 ,
Covered with SiO 2 coating. The ratio S3 / S4 of the area S3 of the outer peripheral side portion of the substrate covered with the SiO 2 coating and the area S4 of the uncovered portion (center side portion) is 0.0.
It was 85.

【0078】この基板を、熱フィラメントCVD装置の
フィラメント直下の冷却された基板支持台に設置し、合
成容器の圧力を13.3kPa(100Torr)、フ
ィラメントと基板表面との距離を7mm、フィラメント
温度を2100℃に設定し、水素流量1000cc/m
in、メタン流量20cc/min、基板温度750℃
の条件で30時間ダイヤモンドを合成した。
This substrate was placed on a cooled substrate support table just below the filament of a hot filament CVD apparatus, the pressure of the synthesis container was 13.3 kPa (100 Torr), the distance between the filament and the substrate surface was 7 mm, and the filament temperature was 2100 ℃, hydrogen flow rate 1000cc / m
in, methane flow rate 20 cc / min, substrate temperature 750 ° C.
Diamond was synthesized under the conditions of 30 hours.

【0079】ダイヤモンドの合成後SiO2コーテイン
グを除去すると、基板のSiO2コーテイングで覆われ
ていた外周側部分及び側面部分にはダイヤモンド膜が存
在せず、覆われずに露出していた中心側部分には膜厚が
最大で25μmのダイヤモンド膜が合成された。
When the SiO 2 coating was removed after the synthesis of diamond, the diamond film did not exist on the outer peripheral side portion and side surface portion of the substrate covered with the SiO 2 coating, and the central side portion which was exposed without being covered. A diamond film having a maximum film thickness of 25 μm was synthesized.

【0080】ダイヤモンド膜が付いた状態の基板の裏面
の反りを測定したところ、反りは裏面が凸状であり、4
0mmの範囲で8μmと極めて少なかった。その後、基
板を溶解除去してダイヤモンド自立膜を得たが、自立膜
の反りは40mmの範囲で12μmと極めて少なく、良
好なダイヤモンド自立膜であることが分かった。
When the warp of the back surface of the substrate with the diamond film was measured, it was found that the back surface was convex and
It was extremely small at 8 μm in the range of 0 mm. After that, the substrate was dissolved and removed to obtain a self-supporting diamond film. The warp of the self-supporting film was as small as 12 μm in the range of 40 mm, and it was found that the free-standing diamond film was good.

【0081】実施例7 単結晶(100)Siからなり、直径が25mmで厚み
が3mmの円板状の基板を用い、その表面全体に傷付け
処理を施すことなく、実施例6と同様に基板の外周から
1mmの領域をSiO2コーテイングで覆った。基板の
SiO2コーテイングで覆われた外周側部分の面積S3
と、覆われいない部分(中心側部分)の面積S4の比S
3/S4は0.18であった。
Example 7 A disk-shaped substrate made of single crystal (100) Si and having a diameter of 25 mm and a thickness of 3 mm was used. An area of 1 mm from the outer circumference was covered with a SiO 2 coating. Area S3 of the outer peripheral side portion of the substrate covered with the SiO 2 coating
And the ratio S of the area S4 of the uncovered part (center side part)
3 / S4 was 0.18.

【0082】この基板をマイクロ波CVD装置の基板支
持台に設置し、基板に−150Vのバイアス電圧を印加
した状態で、合成容器の圧力5.3kPa(40Tor
r)、マイクロ波出力800W、水素流量200cc/
min、メタン流量6cc/min、基板温度900℃
の条件で15分間バイアス処理を行った。
This substrate was placed on the substrate support of the microwave CVD apparatus, and a pressure of −150 V (40 Torr) was applied to the synthesis container while a bias voltage of −150 V was applied to the substrate.
r), microwave output 800 W, hydrogen flow rate 200 cc /
min, methane flow rate 6 cc / min, substrate temperature 900 ° C
Bias processing was performed for 15 minutes under the conditions.

【0083】次に、合成容器の圧力を6.7kPa(5
0Torr)に変更し、水素流量1000cc/mi
n、メタン流量4cc/min、基板温度900℃の条
件で、マイクロ波CVD法により100時間ダイヤモン
ドを合成した。
Next, the pressure in the synthesis container was set to 6.7 kPa (5
0 Torr) and hydrogen flow rate 1000 cc / mi
Diamond was synthesized by microwave CVD for 100 hours under the conditions of n, methane flow rate of 4 cc / min, and substrate temperature of 900 ° C.

【0084】ダイヤモンドの合成後SiO2コーテイン
グを除去すると、基板のSiO2コーテイングで覆われ
ていた外周側部分及び側面部分にはダイヤモンド膜が存
在せず、覆われずに露出していた中心側部分には膜厚が
最大で145μmのダイヤモンド膜が合成された。
When the SiO 2 coating was removed after the diamond was synthesized, the outer peripheral side portion and the side surface portion of the substrate covered with the SiO 2 coating did not have a diamond film, and the central side portion which was exposed without being covered. A diamond film having a maximum film thickness of 145 μm was synthesized.

【0085】ダイヤモンド膜が付いた状態の基板の裏面
の反りを測定したところ、反りは裏面が凹状(ダイヤモ
ンド表面で凸状)であり、膜厚が厚いにも拘らず20m
mの範囲で12μmであった。このダイヤモンド膜を研
磨したところ、10時間で全面研磨することができた。
その後、基板を溶解除去してダイヤモンド自立膜を得た
が、自立膜の反りは20mmの範囲で17μmと少な
く、良好なダイヤモンド自立膜であることが分かった。
When the warp of the back surface of the substrate with the diamond film was measured, the warp was concave on the back surface (convex on the diamond surface) and was 20 m even though the film thickness was thick.
It was 12 μm in the range of m. When this diamond film was polished, the entire surface could be polished in 10 hours.
After that, the substrate was dissolved and removed to obtain a free-standing diamond film, but the free-standing film had a small warp of 17 μm in the range of 20 mm, and it was found that the free-standing diamond film was good.

【0086】[0086]

【発明の効果】本発明によれば、気相合成法により基板
上に合成される合成ダイヤモンドの反りを低減すること
ができ、更に基板を除去したダイヤモンド自立膜の反り
を少なくすることができる。
According to the present invention, it is possible to reduce the warp of the synthetic diamond synthesized on the substrate by the vapor phase synthesis method, and further to reduce the warp of the diamond free-standing film from which the substrate has been removed.

【0087】反りの少ない合成ダイヤモンドは、合成中
における基板支持台等との熱接触が良好なため、膜の剥
離やクラックの発生などの合成不良が低減され、高品質
な合成ダイヤモンドを効率良く合成することができる。
Since the synthetic diamond having a small amount of warp has good thermal contact with the substrate support or the like during the synthesis, defective synthesis such as peeling of the film or generation of cracks is reduced, and high-quality synthetic diamond is efficiently synthesized. can do.

【0088】又、反りの少ない合成ダイヤモンド及びダ
イヤモンド自立膜は、以降の研磨などの加工プロセス又
はパターン焼き付けなどのデバイスプロセスにおいて歩
留りの改善を期待でき、合成ダイヤモンドの応用製品の
総合的なコスト低減に極めて有効である。
Further, the synthetic diamond and the self-supporting diamond film having less warpage can be expected to improve the yield in the subsequent processing process such as polishing or device process such as pattern baking, and thus can reduce the total cost of the synthetic diamond application product. It is extremely effective.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】外周側部分を除き部分的に傷付け処理を行った
基板の正面図である。
FIG. 1 is a front view of a substrate that is partially scratched except for an outer peripheral side portion.

【図2】図1の基板上にダイヤモンドを合成した状態を
示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which diamond is synthesized on the substrate of FIG.

【図3】外周側部分を枠状板材で覆った基板の正面図で
ある。
FIG. 3 is a front view of a substrate in which an outer peripheral side portion is covered with a frame-shaped plate material.

【図4】外側部分を枠状板材で覆った図3の基板の断面
図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the substrate of FIG. 3 in which an outer portion is covered with a frame-shaped plate material.

【図5】図3の基板上にダイヤモンドを合成した後、枠
状板材を取り外した状態を示す断面図である。
5 is a cross-sectional view showing a state where the frame-shaped plate material is removed after synthesizing diamond on the substrate of FIG.

【図6】全表面に傷付け処理を行った基板上にダイヤモ
ンドを合成した状態を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in which diamond is synthesized on a substrate whose entire surface is scratched.

【図7】基板上に合成したダイヤモンドの反りを説明す
るための断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining warpage of diamond synthesized on a substrate.

【図8】ダイヤモンドの応力と反りの関係を示すグラフ
である。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between stress and warpage of diamond.

【図9】基板の厚みと反りの関係を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the relationship between substrate thickness and warpage.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 傷付け処理が行なわれていない外周側部分 2 傷付け処理が行なわれている部分 3 枠状板材で覆われた外周側部分 4 枠状板材で覆われていない部分 5 基板 6 枠状板材 7 ダイヤモンド膜 8 ダイヤモンド粒 1 Peripheral side part that is not scratched 2 Part that is scratched 3 Peripheral side part that is covered by frame-shaped plate material 4 Part that is not covered by frame-shaped plate material 5 Substrate 6 Frame-shaped plate material 7 Diamond film 8 diamond grains

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素を含む原料ガスを活性化し、加熱し
た基板表面にダイヤモンドを析出させるダイヤモンドの
気相合成方法において、表面の外周側部分には傷付け処
理を行わず、外周側部分以外の部分に傷つけ処理を行っ
た基板を用いてダイヤモンドを合成することを特徴とす
るダイヤモンドの合成方法。
1. A method for vapor phase synthesis of diamond in which a source gas containing carbon is activated to deposit diamond on the surface of a heated substrate, wherein the outer peripheral portion of the surface is not scratched, and the portion other than the outer peripheral portion is not treated. A method for synthesizing diamond, which comprises synthesizing diamond using a substrate that has been subjected to a scratch treatment.
【請求項2】 基板の傷つけ処理が行われていない外周
側部分の面積S1と傷つけ処理が行われている部分の面
積S2が、0.0001≦S1/S2≦1の関係にある
ことを特徴とする、請求項1に記載のダイヤモンドの合
成方法。
2. The area S1 of the outer peripheral side portion where the substrate is not scratched and the area S2 of the portion where the substrate is scratched have a relationship of 0.0001 ≦ S1 / S2 ≦ 1. The method for synthesizing diamond according to claim 1, wherein
【請求項3】 炭素を含む原料ガスを活性化し、加熱し
た基板表面にダイヤモンドを析出させるダイヤモンドの
気相合成方法において、表面の外周側部分を耐熱性材料
で覆った基板を用いてダイヤモンドを合成することを特
徴とするダイヤモンドの合成方法。
3. A method for vapor phase synthesis of diamond in which a source gas containing carbon is activated to deposit diamond on the surface of a heated substrate, the diamond is synthesized using a substrate whose outer peripheral portion is covered with a heat resistant material. A method for synthesizing diamond, which comprises:
【請求項4】 全表面に傷付け処理をした基板表面の外
周側部分を耐熱性材料で覆った基板を用いてダイヤモン
ドを合成するか、又は傷付け処理が行われていない表面
のうち外周側部分を耐熱性材料で覆った基板を用い、バ
イアス電圧を印加した後ダイヤモンドを合成することを
特徴とする、請求項3に記載のダイヤモンドの合成方
法。
4. A diamond is synthesized by using a substrate having a heat-resistant material covering the outer peripheral side portion of the substrate surface whose entire surface is scratched, or the outer peripheral side portion of the surface not being scratched is treated. The method for synthesizing diamond according to claim 3, wherein the substrate is covered with a heat resistant material, and the diamond is synthesized after applying a bias voltage.
【請求項5】 基板表面の外周側部分に耐熱性材料をコ
ーティングするか、又は前記外周側部分に耐熱性材料の
枠状板材で熱接触を保って保持することを特徴とする、
請求項3又は4に記載のダイヤモンドの合成方法。
5. The heat-resistant material is coated on the outer peripheral side portion of the substrate surface, or the outer peripheral side portion is held in thermal contact with a frame-shaped plate material of the heat resistant material.
The method for synthesizing diamond according to claim 3 or 4.
【請求項6】 基板表面の耐熱性材料で覆われた外周側
部分の面積S3と覆われていない部分の面積S4が、
0.0001≦S3/S4≦1の関係にあることを特徴
とする、請求項3〜5のいずれかに記載のダイヤモンド
の合成方法。
6. The area S3 of the outer peripheral side portion of the substrate surface covered with the heat resistant material and the area S4 of the uncovered portion are
The method of synthesizing diamond according to claim 3, wherein the relationship of 0.0001 ≦ S3 / S4 ≦ 1 is satisfied.
【請求項7】 合成ダイヤモンドの応力σ、基板の弾性
係数E、ポアソン比v、基板の厚みD、合成ダイヤモン
ド膜厚dが、 [E/(1−v)]×[D2/6σd]≧1.25m の関係を満たす条件でダイヤモンドを合成することを特
徴とする、請求項1又は3に記載のダイヤモンドの合成
方法。
7. The stress σ of the synthetic diamond, the elastic modulus E of the substrate, the Poisson's ratio v, the thickness D of the substrate and the synthetic diamond film thickness d are [E / (1-v)] × [D 2 / 6σd] ≧ The diamond synthesizing method according to claim 1 or 3, wherein the diamond is synthesized under a condition satisfying a relationship of 1.25 m 2.
【請求項8】 基板表面の外周側部分を除いた部分に形
成された合成ダイヤモンドであって、当該外周側部分に
はダイヤモンドが析出しないか又は析出したダイヤモン
ドの膜厚が前記合成ダイヤモンドの膜厚よりも薄いこと
を特徴する合成ダイヤモンド。
8. A synthetic diamond formed on a portion of a substrate surface excluding an outer peripheral side portion, wherein diamond is not deposited on the outer peripheral side portion, or the deposited diamond has a film thickness of the synthetic diamond. Synthetic diamond characterized by being thinner than.
【請求項9】 請求項8の合成ダイヤモンドから前記基
板を除去することによって得られた自立膜としての合成
ダイヤモンドであり、10mm長さにおける反りが10
μm以下であることを特徴とする合成ダイヤモンド。
9. A synthetic diamond as a self-supporting film obtained by removing the substrate from the synthetic diamond according to claim 8, which has a warp of 10 mm in length.
Synthetic diamond characterized by having a size of less than μm.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6858969B2 (en) * 2002-01-25 2005-02-22 Board Of Trustees Of Michigan State University Surface acoustic wave devices based on unpolished nanocrystalline diamond
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