JPH10236899A - 不純物定量測定方法 - Google Patents

不純物定量測定方法

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JPH10236899A
JPH10236899A JP4358997A JP4358997A JPH10236899A JP H10236899 A JPH10236899 A JP H10236899A JP 4358997 A JP4358997 A JP 4358997A JP 4358997 A JP4358997 A JP 4358997A JP H10236899 A JPH10236899 A JP H10236899A
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JP
Japan
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nitrogen atom
diamond crystal
concentration
diamond
nitrogen
Prior art date
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Pending
Application number
JP4358997A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Yagyu
博之 柳生
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Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Publication date
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 1ppm以下の窒素原子濃度を検出すること
のできるダイヤモンド結晶中の不純物定量測定方法を提
供する。 【解決手段】 予め窒素原子の濃度が既知のダイヤモン
ド結晶の窒素原子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換
し、格子欠陥からの発光強度に対する前記窒素原子の濃
度の対応関係を求める。次に、ダイヤモンド結晶を形成
した後、イオン注入及びアニール処理を行って、ダイヤ
モンド結晶に含有される窒素原子を輻射遷移を伴う格子
欠陥に変換し、格子欠陥からの発光強度を測定して、求
められた対応関係に基づいて窒素原子の濃度を測定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不純物定量測定方
法に関するものであり、特に、天然,高圧合成,気相合
成等の人工ダイヤモンド結晶の評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドは物質中で一番硬い物質で
あり、また耐磨耗性が高い等、その機械的性質は良く知
られているが、その他にも5.5eVの間接遷移型のエネ
ルギーギャップを持ち、電気絶縁性が高く、その反面、
電子と正孔の移動度がシリコンよりも大きい等、ユニー
クな特性を持っている。
【0003】特に、半導体的性質を持ったダイヤモンド
は、高耐圧素子,高温動作素子,耐環境素子への応用が
期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、ダイヤモン
ド結晶の半導体的利用を考えた場合、極微量な不純物濃
度がその特性を大きく左右する。
【0005】特に、窒素原子はダイヤモンド結晶中に取
り込まれやすく、ダイヤモンド結晶中の窒素原子濃度の
測定は非常に重要であるが、最も良く用いられる不純物
濃度の測定方法である二次イオン質量分析法では、約1
ppmまでしか測定することができず、半導体的利用を
考えた場合、1ppm以下の窒素原子濃度を測定する必
要があり、上述のような方法では不可能であった。
【0006】本発明は、上記の点に鑑みて成されたもの
であり、その目的とするところは、1ppm以下の窒素
原子濃度を検出することのできるダイヤモンド結晶中の
不純物定量測定方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
予め窒素原子の濃度が既知のダイヤモンド結晶の窒素原
子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換し、該格子欠陥か
らのは発光強度に対する前記窒素原子の濃度の対応関係
を求め、形成したダイヤモンド結晶中に含有される窒素
原子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換し、該格子欠陥
からの発光強度を測定して、前記対応関係に基づいて前
記窒素原子の濃度を測定するようにしたことを特徴とす
るものである。
【0008】請求項2記載の発明は、請求項1記載の不
純物定量測定方法において、前記輻射遷移を伴う格子欠
陥への変換を、イオン注入及びアニール処理により行う
ようにしたことを特徴とするものである。
【0009】請求項3記載の発明は、請求項1記載の不
純物定量測定方法において、前記輻射遷移を伴う格子欠
陥への変換を、放射線の照射及びアニール処理により行
うようにしたことを特徴とするものである。
【0010】請求項4記載の発明は、請求項2または請
求項3記載の不純物定量測定方法において、前記アニー
ル処理を、500℃以上1100℃以下で行うようにし
たことを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面に基づき説明する。図1は、本発明の一実施形態
に係る気相合成ダイヤモンド薄膜の作製及び水素プラズ
マによるアニールを行うための装置を示す模式図であ
る。本実施形態おける被測定試料は、気相合成ダイヤモ
ンド薄膜であり、以下においてその作製方法について説
明する。
【0012】原料ガスは一酸化炭素1,水素2,水素希
釈ジボラン3を用い、混合比は一酸化炭素10%,水素
90%で、ジボランは炭素原子に対するホウ素の仕込量
が0〜400ppmとなるように調整した。混合ガスの
総流量は100cm3/分とし、各ガスの流量は質量流
量制御器4を用いて制御された。
【0013】合成室となる反応管5は、透明石英円筒か
ら成り、その中央部にダイヤモンド結晶を成長させる下
地と成る基板6が設置された。なお、基板6としては、
ダイヤモンド砥粒で表面を軽く磨いたシリコンウェハを
用いた。
【0014】基板6を反応管5の内部に設置した後、反
応管5内を約0.1Pa以下まで排気し、各バルブ7を
開いて一酸化炭素1と水素2と水素希釈ジボラン3から
成る混合ガス8を反応管5内に導入する。その際、反応
管5内の圧力は、排気制御9により約6000Paに調
整される。
【0015】その後、励起源である2.45GHzのマ
イクロ波10を275Wのエネルギーで導入して、混合
ガス8をプラズマ状態11にする。そして、このプラズ
マ状態11を約6時間維持し、基板6上に膜厚約3μm
のホウ素を含有して成るダイヤモンド薄膜を成長させ
る。
【0016】なお、本実施形態に係るダイヤモンド薄膜
の成長条件は一例であり、これに限定される必要はな
い。
【0017】次に、上述の方法により形成されたダイヤ
モンド薄膜中の窒素原子を輻射遷移を伴う格子欠陥に変
換するために、イオン注入を行った。なお、注入種とし
ては、ダイヤモンドの構成原子と同じ炭素イオンを用
い、加速エネルギー100keV,ドーズ量1.0×1
14/cm2として室温でイオン注入を行った後、アニ
ール処理を行った。
【0018】なお、アニール処理としては、図1に示す
装置を用いて水素プラズマにより行った。この際に使用
するガスは、水素2のみであり、反応管5内にはイオン
注入が行われたダイヤモンド薄膜が設置される。
【0019】ここで、本実施形態に用いた反応管5内の
圧力は約5000Pa、マイクロ波10のエネルギーは
約300W、アニール時間は約30分である。このと
き、水素プラズマによる自然加熱により、イオン注入さ
れたダイヤモンド薄膜は約900℃まで昇温された。
【0020】なお、上述のダイヤモンド薄膜へのイオン
注入及びアニール処理の条件は一例であり、これに限定
される必要はない。
【0021】また、本実施形態においては、ダイヤモン
ド薄膜中の窒素原子を輻射遷移を伴う格子欠陥に変換す
る方法として、イオン注入により行ったが、これに限定
される必要はなく、例えば、電子線や中性子線等の放射
線を照射することにより行っても良い。
【0022】図2は、本実施形態に係るダイヤモンド薄
膜の窒素欠陥である2.16eVセンタからのカソード
ルミネッセンススペクトルであり、図3は、本実施形態
に係るダイヤモンド薄膜の窒素欠陥である3.19eV
センタからのカソードルミネッセンススペクトルであ
る。本実施形態においては、予め窒素原子の濃度が既知
のダイヤモンド結晶を用いて、前記ダイヤモンド結晶中
に包含される窒素原子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変
換し、その格子欠陥からの2.16eVセンタ及び3.
19eVセンタからの発光強度を測定,記録(同時に測
定条件も記録)し、これにより発光強度に対する窒素原
子の濃度の対応関係を求める。そして、図1に示す装置
を用いて形成されたダイヤモンド結晶に含まれる窒素原
子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換し、格子欠陥から
の2.16eVセンタ及び3.19eVセンタの発光強
度を測定して、窒素原子の濃度が既知のダイヤモンド結
晶を用いて作成された発光強度と窒素原子の濃度との対
応関係により、図1に示す装置を用いて形成されたダイ
ヤモンド結晶中に含有される窒素原子の濃度を測定す
る。
【0023】従って、窒素原子の濃度が既知のダイヤモ
ンド結晶を用いて上述の発光強度と窒素原子の濃度との
対応関係を求めることにより、ダイヤモンド結晶中の窒
素原子の濃度が1ppm以下のものも検出することがで
きる。
【0024】ここで、ダイヤモンド結晶中に自然に含有
される窒素原子の濃度は、ダイヤモンド結晶中のホウ素
添加濃度と関係があることが実験結果により判明した。
図4は、本実施形態に係るダイヤモンド薄膜の窒素欠陥
である2.16eVセンタ及び3.19eVセンタ発光
強度と、ホウ素添加濃度との関係を示す模式図である。
図4より、添加ホウ素濃度が増加するに従って、窒素原
子が減少していることがわかる。因みに、本実施形態に
おいては、ホウ素添加量が102ppm以上の時で、窒
素濃度は0.1ppmのオーダーであった。
【0025】なお、2.16eVセンタが形成されるた
めには500℃以上の熱エネルギーが必要であり、ま
た、2.16eVセンタが安定に維持されるのは、文献
(J.Walker,Rep. Prog. Phys. ,Vol.42,p.1605(1979))
より1130℃までであるので、2.16eVセンタ及
び3.19eVセンタの両方を用いてより定量性の高い
窒素原子の定量を行うためには、上述の実施形態におけ
るアニール処理の温度として、500℃以上1100℃
以下の範囲であることが望ましい。
【0026】
【発明の効果】請求項1記載の発明は、予め窒素原子の
濃度が既知のダイヤモンド結晶の窒素原子を、輻射遷移
を伴う格子欠陥に変換し、格子欠陥からの発光強度に対
する窒素原子の濃度の対応関係を求め、形成したダイヤ
モンド結晶中に含有される窒素原子を、輻射遷移を伴う
格子欠陥に変換し、格子欠陥からの発光強度を測定し
て、対応関係に基づいて窒素原子の濃度を測定するよう
にしたので、1ppm以下の窒素原子濃度を検出するこ
とのできる不純物定量測定方法を提供することができ
た。
【0027】請求項2記載の発明は、請求項1記載の不
純物定量測定方法において、輻射遷移を伴う格子欠陥へ
の変換を、イオン注入及びアニール処理により行うよう
にしたので、特定の窒素原子の格子欠陥を安定して形成
することができる。
【0028】請求項3記載の発明は、請求項1記載の不
純物定量測定方法において、輻射遷移を伴う格子欠陥へ
の変換を、放射線の照射及びアニール処理により行うよ
うにしたので、特定の窒素原子の格子欠陥を安定して形
成することができる。
【0029】請求項4記載の発明は、請求項2または請
求項3記載の不純物定量測定方法において、アニール処
理を、500℃以上1100℃以下で行うようにしたの
で、より定量性の高い窒素原子の定量が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る気相合成ダイヤモン
ド薄膜の作製及び水素プラズマによるアニールを行うた
めの装置を示す模式図である。
【図2】本実施形態に係るダイヤモンド薄膜の窒素欠陥
である2.16eVセンタからのカソードルミネッセン
ススペクトルである。
【図3】本実施形態に係るダイヤモンド薄膜の窒素欠陥
である3.19eVセンタからのカソードルミネッセン
ススペクトルである。
【図4】本実施形態に係るダイヤモンド薄膜の窒素欠陥
である2.16eVセンタ及び3.19eVセンタ発光
強度と、ホウ素添加濃度との関係を示す模式図である。
【符号の説明】 1 一酸化炭素 2 水素 3 水素希釈ジボラン 4 質量流量制御器 5 反応管 6 基板 7 バルブ 8 混合ガス 9 排気制御 10 マイクロ波 11 プラズマ状態

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予め窒素原子の濃度が既知のダイヤモン
    ド結晶の窒素原子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換
    し、該格子欠陥からの発光強度に対する前記窒素原子の
    濃度の対応関係を求め、形成したダイヤモンド結晶中に
    含有される窒素原子を、輻射遷移を伴う格子欠陥に変換
    し、該格子欠陥からの発光強度を測定して、前記対応関
    係に基づいて前記窒素原子の濃度を測定するようにした
    ことを特徴とする不純物定量測定方法。
  2. 【請求項2】 前記輻射遷移を伴う格子欠陥への変換
    を、イオン注入及びアニール処理により行うようにした
    ことを特徴とする請求項1記載の不純物定量測定方法。
  3. 【請求項3】 前記輻射遷移を伴う格子欠陥への変換
    を、放射線の照射及びアニール処理により行うようにし
    たことを特徴とする請求項1記載の不純物定量測定方
    法。
  4. 【請求項4】 前記アニール処理を、500℃以上11
    00℃以下で行うようにしたことを特徴とする請求項2
    または請求項3記載の不純物定量測定方法。
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