JPH06116088A - Method of manufacturing thin film diamond - Google Patents
Method of manufacturing thin film diamondInfo
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- JPH06116088A JPH06116088A JP26345992A JP26345992A JPH06116088A JP H06116088 A JPH06116088 A JP H06116088A JP 26345992 A JP26345992 A JP 26345992A JP 26345992 A JP26345992 A JP 26345992A JP H06116088 A JPH06116088 A JP H06116088A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 ダイヤモンド結晶合成時の核発生密度を10
10個/cm2以上にしてより緻密で平坦な薄膜ダイヤモンド
を形成する。
【構成】 アルコールに約27%の水酸化カリウムを混
合した溶液にp型シリコン(100)基板を浸し、異方性
エッチングを行って基板表面にピラミッド形状の凹凸を
形成する。粒子径0.25μmのダイヤモンド粉末を2g
を分散させた100ccのエタノールに該基板を浸して1
時間超音波洗浄を行う。こうすることによって、基板表
面の凹凸部に微小ダイヤモンド粒子が〜109個/cm2程
度残って、核発生密度を大略1010個/cm2に増加でき
る。したがって、この残留微小粒子を核として気相合成
法によって薄膜ダイヤモンドを合成すれば、緻密で平坦
な多結晶薄膜ダイヤモンドを形成できる。(57) [Summary] [Purpose] The nucleation density during diamond crystal synthesis was set to 10
A finer and more flat thin film diamond is formed with 10 / cm 2 or more. [Structure] A p-type silicon (100) substrate is dipped in a solution in which alcohol is mixed with about 27% potassium hydroxide, and anisotropic etching is performed to form pyramid-shaped irregularities on the substrate surface. 2 g of diamond powder with a particle size of 0.25 μm
Dip the substrate in 100cc of ethanol
Perform ultrasonic cleaning for an hour. By doing so, fine diamond particles to the uneven portion of the substrate surface remains degree to 10 9 / cm 2, can be increased nucleation density of approximately 10 10 / cm 2. Therefore, a fine and flat polycrystalline thin film diamond can be formed by synthesizing a thin film diamond by a vapor phase synthesis method using the residual fine particles as nuclei.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、多結晶薄膜ダイヤモ
ンドを形成する薄膜ダイヤモンドの製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing thin film diamond for forming polycrystalline thin film diamond.
【0002】[0002]
【従来の技術】多結晶ダイヤモンドは、あらゆる物質の
中で最も硬く、最も高い熱伝導率,高い電気絶縁性,紫外
から赤外にかけての広い透明性および化学的安定性を有
した得意な物質である。さらに、シリコンやガリウム砒
素等の半導体材料に比べてバンドギャップ,絶縁破壊電
圧およびキャリア移動度の大きい材料として知られてい
る。2. Description of the Related Art Polycrystalline diamond is the hardest material of all materials, has the highest thermal conductivity, high electrical insulation, wide transparency from ultraviolet to infrared and chemical stability, and is a good material. is there. Further, it is known as a material having a larger band gap, dielectric breakdown voltage and carrier mobility than semiconductor materials such as silicon and gallium arsenide.
【0003】また、薄膜ダイヤモンド気相合成中におけ
る不純物元素添加あるいはダイヤモンドへのイオン注入
により半導体薄膜層を形成することができ、これらの特
徴を利用することによって500℃以上の高温でも機能
する耐高温性デバイスおよび紫外線発光デバイス等従来
では不可能であった電子デバイスを実現できる可能性が
ある。Further, a semiconductor thin film layer can be formed by adding an impurity element during the vapor phase synthesis of thin film diamond or by ion implantation into diamond. By utilizing these characteristics, a high temperature resistance that can function even at a high temperature of 500 ° C. or higher can be obtained. There is a possibility that electronic devices such as a light emitting device and an ultraviolet light emitting device, which have been impossible in the past, can be realized.
【0004】近年、気相法による異種基体上への多結晶
薄膜ダイヤモンド形成が、熱フィラメントCVD(化学
蒸着)法,マイクロ波プラズマCVD法あるいはDCプラ
ズマジェットCVD法等の種々の方法によって試みられ
ている。In recent years, formation of a polycrystalline thin film diamond on a different type of substrate by a vapor phase method has been tried by various methods such as a hot filament CVD (chemical vapor deposition) method, a microwave plasma CVD method or a DC plasma jet CVD method. There is.
【0005】これらの方法による多結晶薄膜ダイヤモン
ド形成においては、メタン(CH4),一酸化炭素(CO),
二酸化炭素(CO2),メタノール(CH3OH),水素(H2)
等の原料ガスの種類、そのガス濃度、ガスの活性化方
法、基板温度、および基板の前処理方法によって、合成
されるダイヤモンドの核発生密度や成長したダイヤモン
ドの粒子径が大きく影響されることが明らかにされつつ
ある。In forming a polycrystalline thin film diamond by these methods, methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO),
Carbon dioxide (CO 2 ), methanol (CH 3 OH), hydrogen (H 2 )
The nucleation density of the synthesized diamond and the particle size of the grown diamond can be greatly affected by the type of source gas such as, the gas concentration, the gas activation method, the substrate temperature, and the substrate pretreatment method. It is being revealed.
【0006】さらに、非熱平行状態における基板上での
ダイヤモンド結晶の核発生は、基板材料,基板の表面状
態(基板表面の前処理方法),温度および反応種の過飽和
度に依存しており、多結晶ダイヤモンド薄膜を半導体基
板として応用できる材料とするためには種々解決しなけ
ればならない点がある。例えば、上記ダイヤモンド気相
成長は水素濃度および基板温度が高いCVDによるため
に物理的スパッタと化学的エロージョンが同時に進行
し、付着確率はさらに低下する。したがって、ダイヤモ
ンドの核発生密度の向上が制限されるという説がある。Further, the nucleation of diamond crystals on the substrate in the non-thermal parallel state depends on the substrate material, the surface state of the substrate (pretreatment method of the substrate surface), the temperature and the supersaturation degree of the reactive species, There are various points to be solved in order to use a polycrystalline diamond thin film as a material applicable to a semiconductor substrate. For example, in the above-mentioned diamond vapor phase growth, physical sputtering and chemical erosion proceed at the same time because the CVD is performed at a high hydrogen concentration and a high substrate temperature, and the adhesion probability is further reduced. Therefore, there is a theory that the improvement of the nucleation density of diamond is limited.
【0007】ところで、上述のように、非熱平衡状態に
おける基板上でのダイヤモンド結晶の核発生には、基板
の前処理方法,基体種類および基体の表面状態が大きな
要因となっている。そのために、このような種々の条件
を検討して、半導体基板として利用できるような良質な
多結晶薄膜ダイヤモンドを異種基体上に形成する方法が
模索されている。By the way, as described above, the pretreatment method of the substrate, the type of the substrate and the surface condition of the substrate are major factors for the nucleation of diamond crystals on the substrate in the non-thermal equilibrium state. Therefore, a method for forming a high-quality polycrystalline thin film diamond that can be used as a semiconductor substrate on different kinds of substrates is being sought by examining such various conditions.
【0008】ダイヤモンド結晶の形成方法として、FI
B(集束イオンビーム)法,EBリソグラフィ(電子線描画
装置)法およびドライエッチング法等を用いて、基板上
に50オングストローム〜5000オングストロームの
深さおよび幅を有する凹部を形成して、薄膜ダイヤモン
ドを合成する方法が示されている(特開平1−2032
93号公報)。この方法は基板の凹凸からダイヤモンド
結晶を核発生/成長させる方法であり、特に半導体基板
として利用できるような平坦で緻密な薄膜ダイヤモンド
を合成する方法は示されてはいない。As a method for forming diamond crystals, FI
Using B (focused ion beam) method, EB lithography (electron beam writing apparatus) method and dry etching method, a recess having a depth and width of 50 Å to 5000 Å is formed on the substrate to form a thin film diamond. A method of synthesizing is shown (Japanese Patent Laid-Open No. 1-2032).
No. 93). This method is a method of nucleating / growing diamond crystals from the unevenness of the substrate, and in particular, a method of synthesizing a flat and dense thin film diamond that can be used as a semiconductor substrate is not shown.
【0009】さらに、良質なダイヤモンド結晶の合成に
よれば、異種基板上でもガスの種類や基板温度等を制御
することにより、多結晶ではあるが比較的天然ダイヤモ
ンドに近いものができるようになってきた。しかしなが
ら、現時点では合成薄膜の表面の凹凸が大きく、得られ
た多結晶薄膜ダイヤモンドを半導体材料として実用化す
るには至っていない。例えば、マイクロ波プラズマCV
D法の気相合成で形成される多結晶薄膜ダイヤモンドの
表面凹凸は厚さ1μmの薄膜で±0.2μm程度であり、
その膜厚が増加するに連れて表面凹凸も大きくなる傾向
があることが知られている。その解決策としては、核発
生密度を増加させて緻密でできるだけ平坦な薄膜ダイヤ
モンドを形成する必要がある。Further, according to the synthesis of high quality diamond crystals, it becomes possible to form polycrystals, which are relatively close to natural diamond, by controlling the kind of gas, the substrate temperature, etc. even on different kinds of substrates. It was However, at present, the surface of the synthetic thin film has large irregularities, and the obtained polycrystalline thin film diamond has not been put to practical use as a semiconductor material. For example, microwave plasma CV
The surface roughness of the polycrystalline thin film diamond formed by vapor phase synthesis of D method is about ± 0.2 μm in a thin film with a thickness of 1 μm,
It is known that the surface roughness tends to increase as the film thickness increases. As a solution to this problem, it is necessary to increase the nucleation density to form a dense and flat film diamond as thin as possible.
【0010】基板上のダイヤモンドの核発生密度を向上
させる方法として、例えば鏡面研磨されたシリコン基板
の場合には、ダイヤモンド粉末(平均粒径10μm〜40
μm)を入れたアルコール溶液の中に基板を沈め、超音波
洗浄機にて適当時間振動を与えるという基板前処理を行
うことが通例になっている。こうして、超音波洗浄によ
ってダイヤモンド粉末が基板表面を軽くたたくことによ
って、容易にダイヤモンドの核発生中心を作ることがで
きるのである。As a method for improving the nucleation density of diamond on the substrate, for example, in the case of a mirror-polished silicon substrate, diamond powder (average particle size 10 μm to 40 μm) is used.
It is customary to perform a substrate pretreatment in which the substrate is submerged in an alcohol solution containing (μm) and is oscillated for an appropriate time with an ultrasonic cleaner. In this way, the diamond nucleation center can be easily created by tapping the substrate surface with the diamond powder by ultrasonic cleaning.
【0011】その際に、処理前の鏡面研磨された基板は
数nm以下の凹凸に研磨されており、超音波処理によって
この表面に直径が数拾nmであって深さが約10nmの比較
的滑らかな傷が導入される。そして、この微妙な凹凸が
核発生中心となっているという報告がある(湯郷:“ダイ
ヤモンド核生成の周辺"「ニューダイヤモンド」 Vol.7,
No.1, pp7,(1991))。また、上記基板の前処理による核
発生メカニズムは、傷そのものによる表面の凹凸ではな
く基板表面に残留したダイヤモンドの超微小なかけらが
種となってダイヤモンドが成長するという報告もある
(飯島:“電子顕微鏡によるダイヤモンド薄膜初期成長の
観察"「ニューダイヤモンド」Vol.7,No.3,pp9〜13,(1
991))。At that time, the mirror-polished substrate before treatment is polished to have irregularities of several nm or less, and the surface is relatively treated with ultrasonic waves having a diameter of several nm and a depth of about 10 nm. A smooth scratch is introduced. And it is reported that these subtle unevenness is the center of nucleation (Yugo: “Around diamond nucleation” “New Diamond” Vol.7,
No. 1, pp7, (1991)). There is also a report that the nucleation mechanism by the pretreatment of the substrate is not the unevenness of the surface due to the scratch itself but the ultra-fine fragments of diamond remaining on the substrate surface as seeds and the diamond grows.
(Iijima: "Observation of initial growth of diamond thin film by electron microscope""NewDiamond" Vol.7, No.3, pp9-13, (1
991)).
【0012】いずれにしろ、従来の方法による気相合成
で得られるダイヤモンド結晶の核発生密度としては10
7〜108個/cm2程度が得られている。ところが、膜厚が
増加するに連れて、粒子径が大きくなって表面凹凸が増
大する傾向が見られる。In any case, the nucleus generation density of diamond crystals obtained by vapor phase synthesis by the conventional method is 10
About 7 to 10 8 pieces / cm 2 are obtained. However, as the film thickness increases, the particle size tends to increase and the surface irregularities tend to increase.
【0013】また、一方では、選択的にダイヤモンド結
晶の核発生位置を設定することによる結晶粒界の少ない
良質で粒子径の大きい多結晶薄膜ダイヤモンド形成の検
討もなされている。On the other hand, studies have also been conducted for forming a polycrystalline thin film diamond of high quality and large grain size with few crystal grain boundaries by selectively setting nucleation positions of diamond crystals.
【0014】具体的には、シリコン(Si)表面に1.2μ
m×1.2μm角の大きさ,0.2μmの高さ,10μmの間隔
で酸化シリコン(SiO2)層を形成し、その後にダイヤモ
ンド粉末(粒子径40μm)で該基板表面を超音波洗浄機
によって表面傷付け処理を行う。次に、この基板を真空
チャンバ内(〜10-4Torr)に入れて、アルゴンイオン
(Ar+)を30度の角度で基板表面に照射する。そして、
この基板上にプラズマCDV法でダイヤモンドを気相合
成する際に、アルゴンイオンが照射されない酸化シリコ
ン層のエッジ部よりダイヤモンド結晶を選択成長させ、
粒子径が10μm以上のダイヤモンド結晶から成る薄膜
を形成しようとするものである(Jing Sheng MA et al.
“NUCLEATION CONTROL AND SELECTIVE GROWTH OF DIAMO
ND PARTI-CLES FORMED WITH PLASMA CVD"「Journal of
Crystal Growth」99(1990) pp1206〜1210)。Specifically, 1.2 μ is formed on the surface of silicon (Si).
A silicon oxide (SiO 2 ) layer is formed at a size of m × 1.2 μm square, height of 0.2 μm, and interval of 10 μm, and then the substrate surface is ultrasonically cleaned with diamond powder (particle diameter 40 μm). The surface is scratched by. Next, the substrate is placed in a vacuum chamber (~ 10 -4 Torr), and argon ions are added.
Irradiate (Ar + ) on the substrate surface at an angle of 30 degrees. And
During the vapor phase synthesis of diamond on this substrate by the plasma CDV method, the diamond crystal is selectively grown from the edge portion of the silicon oxide layer which is not irradiated with argon ions,
It is intended to form a thin film composed of diamond crystals with a particle size of 10 μm or more (Jing Sheng MA et al.
"NUCLEATION CONTROL AND SELECTIVE GROWTH OF DIAMO
ND PARTI-CLES FORMED WITH PLASMA CVD "" Journal of
Crystal Growth "99 (1990) pp1206-1210).
【0015】こうして薄膜ダイヤモンドの形成が種々試
みられたことによって、ダイヤモンドの持つ優れた熱伝
導性やワイドバンドギャップを利用した薄膜ダイヤモン
ドの半導体あるいは光学素子への応用が検討されてはい
るが、未だ実用化には至ってはいない。Although various attempts have been made to form thin film diamond in this way, the application of thin film diamond to semiconductors or optical elements utilizing the excellent thermal conductivity and wide band gap of diamond has been examined, but it has not been investigated yet. It has not been put to practical use.
【0016】[0016]
【発明が解決しようとする課題】薄膜ダイヤモンドを各
種のデバイス開発に用いるためには、より緻密で平坦な
薄膜ダイヤモンドを実現する必要がある。その為には、
ダイヤモンド結晶合成時の核発生密度としては1010個
/cm2〜1011個/cm2以上を実現する基板処理や合成方法
の技術の確立が重要となる。また、一方では、容易に結
晶粒界の少ない大きなダイヤモンド結晶からなる高品位
の薄膜ダイヤモンドを実現する技術の確立も重要とな
る。しかしながら、未だ上記2つの技術は確立されては
いないのである。In order to use the thin film diamond for the development of various devices, it is necessary to realize a more dense and flat thin film diamond. For that,
10 10 as the nucleus generation density during diamond crystal synthesis
It is important to establish the technology of substrate processing and synthesis method that achieves / cm 2 to 10 11 pieces / cm 2 or more. On the other hand, it is also important to establish a technique for easily realizing a high-quality thin film diamond composed of a large diamond crystal with few crystal grain boundaries. However, the above two technologies have not been established yet.
【0017】そこで、この発明の目的は、ダイヤモンド
結晶合成時における核発生密度を1010個/cm2以上にし
て緻密で平坦な薄膜ダイヤモンドを製造可能な薄膜ダイ
ヤモンドの製造方法、および、結晶粒界の少ない大きな
ダイヤモンド結晶からなる高品位な薄膜ダイヤモンドを
製造可能な薄膜ダイヤモンドの製造方法を提供すること
にある。Therefore, an object of the present invention is to provide a method for producing a thin film diamond capable of producing a dense and flat thin film diamond by setting the nucleus generation density during diamond crystal synthesis to 10 10 pieces / cm 2 or more, and a crystal grain boundary. It is an object of the present invention to provide a method for producing a thin film diamond capable of producing a high quality thin film diamond composed of a large diamond crystal having a small amount of impurities.
【0018】[0018]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第1の発明の薄膜ダイヤモンドの製造方法は、基板
の表面に微小な凹凸を形成して基板表面積を増加させた
後、この微小な凹凸が形成された基板にダイヤモンド粒
子による表面傷付け前処理を実施し、該基板上に薄膜ダ
イヤモンドを気相合成することを特徴としている。In order to achieve the above object, the method for producing a thin film diamond of the first invention is such that after the minute surface roughness is formed on the surface of the substrate to increase the surface area of the substrate, It is characterized in that the substrate on which irregularities are formed is subjected to surface scratch pretreatment with diamond particles, and thin film diamond is vapor-phase synthesized on the substrate.
【0019】また、第2の発明は、第1の発明の薄膜ダ
イヤモンドの製造方法において、上記基板表面に形成さ
れる微小な凹凸は異方性エッチングによって形成され、
その凸部は四面体状を成すことを特徴としている。A second invention is the method for manufacturing a thin film diamond according to the first invention, wherein the fine irregularities formed on the surface of the substrate are formed by anisotropic etching.
The convex portion is characterized by having a tetrahedral shape.
【0020】また、第3の発明は、第2の発明の薄膜ダ
イヤモンドの製造方法において、上記基板表面に形成さ
れた微小な四面体状の凸部の頂部をドライエッチあるい
は機械的研磨によって削り取って台形状の凸部に成した
ことを特徴としている。A third invention is the method for manufacturing a thin film diamond of the second invention, wherein the tops of the minute tetrahedral convex portions formed on the substrate surface are removed by dry etching or mechanical polishing. It is characterized by being formed into a trapezoidal convex portion.
【0021】また、第4の発明は、第1の発明の薄膜ダ
イヤモンドの製造方法において、上記基板表面に形成さ
れる微小な凹凸は、真空蒸着法あるいはスパッタ蒸着法
等による表面蒸着処理によって島状に成長された金属粒
子で形成することを特徴としている。A fourth invention is the method for producing a thin film diamond according to the first invention, wherein the fine irregularities formed on the surface of the substrate are island-shaped by a surface vapor deposition process such as a vacuum vapor deposition method or a sputter vapor deposition method. It is characterized in that it is formed of metal particles that have been grown.
【0022】また、第5の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、シリコン基板表面に酸化膜を形成し、真空蒸
着法やスパッタ蒸着法等による表面蒸着処理によって金
属粒子を島状に成長させた後に下地の酸化膜を選択的エ
ッチングにより除去して上記シリコン基板表面に上記酸
化膜および金属粒子による微小な凹凸を形成することに
よって基板表面積を増加させた後、微細ダイヤモンド粉
末を混濁させたアルコール溶液中で表面傷付け前処理を
実施し、該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成するこ
とを特徴としている。Further, in the method for producing a thin film diamond of the fifth invention, an oxide film is formed on the surface of a silicon substrate, and metal particles are grown into islands by surface vapor deposition treatment such as vacuum vapor deposition or sputter vapor deposition. After removing the underlying oxide film by selective etching to form minute unevenness due to the oxide film and metal particles on the surface of the silicon substrate, the substrate surface area is increased, and then in an alcohol solution in which fine diamond powder is turbid The surface pre-treatment for surface scratching is performed, and thin film diamond is vapor-phase synthesized on the substrate.
【0023】また、第6の発明は、第1乃至第5のいず
れか一つの発明の薄膜ダイヤモンドの製造方法におい
て、上記基板表面に形成される微小な凹凸は、上記基板
表面上に形成された保護膜をホトリソグラフィ技術等に
よってパターニングした所定領域内のみに形成すること
を特徴としている。The sixth invention is the method for producing a thin film diamond according to any one of the first to fifth inventions, wherein the fine irregularities formed on the surface of the substrate are formed on the surface of the substrate. It is characterized in that the protective film is formed only in a predetermined region patterned by a photolithography technique or the like.
【0024】また、第7の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、ホトリソグラフィ技術等によって基板表面を
等間隔にパターニングして凹領域を形成してこの凹領域
のみに微小な凹凸を形成した後、この微小な凹凸が形成
された上記凹領域にダイヤモンド粒子による表面傷付け
前処理を実施し、該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合
成することを特徴としている。Further, in the method for producing a thin film diamond of the seventh invention, the substrate surface is patterned at equal intervals by photolithography technique to form concave regions and minute concaves and convexes are formed only in the concave regions. It is characterized in that the concave region in which the minute irregularities are formed is subjected to surface scratch pretreatment with diamond particles, and thin film diamond is vapor-phase synthesized on the substrate.
【0025】[0025]
【実施例】以下、この発明を実施例により詳細に説明す
る。尚、この発明は、以下の実施例に何等限定されるも
のではない。EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples. The present invention is not limited to the following embodiments.
【0026】<第1例>本例は、核発生密度を1010個
/cm2以上にして、シリコン基板上に緻密で平坦な多結晶
薄膜ダイヤモンドを形成する方法に関する。<First Example> In this example, the nucleus generation density is 10 10
/ cm 2 or more, and relates to a method for forming a dense and flat polycrystalline thin film diamond on a silicon substrate.
【0027】上述のように、基板表面でのダイヤモンド
結晶核発生を高めるためには、ダイヤモンド粒子による
基板前処理時における基板表面でのダイヤモンド粒子の
残留数を増加させることが有効である。発明者等が、通
常のシリコン基板を用いて市販の超音波洗浄機による基
板前処理を行った後の基板表面を原子間力顕微鏡によっ
て観察した結果、直径が数拾オングストローム乃至数百
オングストロームの残留粒子が〜109個/cm2程度存在
することを確認した。この残留粒子数はダイヤモンド成
長初期に観察される成長核密度とよく一致する。As described above, in order to enhance the generation of diamond crystal nuclei on the surface of the substrate, it is effective to increase the number of remaining diamond particles on the surface of the substrate during the pretreatment of the substrate with the diamond particles. As a result of observing the substrate surface by an atomic force microscope after performing the substrate pretreatment with a commercially available ultrasonic cleaning machine using the ordinary silicon substrate, the inventors have found that the diameter remains several angstroms to several hundred angstroms. It was confirmed that particles were present at about 10 9 particles / cm 2 . The number of residual particles is in good agreement with the density of growth nuclei observed at the initial stage of diamond growth.
【0028】したがって、ダイヤモンド成長時の核発生
密度を更に向上させるためには、基板表面に微小な表面
凹凸を形成して見かけ上の基板表面積を増やして、基板
前処理時のダイヤモンド粒子が残留し易くする。そうす
れば、凹部の成長速度が凸部の成長速度より大きくなる
こと(表面凹部では各側面からダイヤモンド結晶の成長
が始まり、その凹部の底の部分では容易に結晶同士が結
合して薄膜化し易い)を利用することによって、より緻
密で且つ平坦な多結晶薄膜ダイヤモンドが形成可能であ
ると考えられる。Therefore, in order to further improve the nucleus generation density during diamond growth, minute surface irregularities are formed on the surface of the substrate to increase the apparent surface area of the substrate so that diamond particles remain during the substrate pretreatment. Make it easier. By doing so, the growth rate of the concave portion becomes higher than that of the convex portion (at the surface concave portion, diamond crystals start to grow from each side surface, and at the bottom portion of the concave portion, crystals are easily bonded to each other to form a thin film. It is considered that a denser and flatter polycrystalline thin film diamond can be formed by utilizing (1).
【0029】[第1実施例]本実施例は、異方性エッチ
ングでシリコン基板表面に微小な表面凹凸を形成するこ
とによって核発生密度を増加して、シリコン基板上に緻
密で平坦な多結晶薄膜ダイヤモンドを形成する方法に関
する。尚、形成した多結晶薄膜ダイヤモンドの形状観察
には高分解能走査型電子顕微鏡を用い、同定には高速反
射電子回折装置を用い、膜質の評価にはラマン分光装置
を用いて行った。[First Embodiment] In this embodiment, a fine surface unevenness is formed on the surface of a silicon substrate by anisotropic etching to increase the nucleation density, thereby forming a dense and flat polycrystal on the silicon substrate. A method for forming thin film diamond. A high-resolution scanning electron microscope was used for observing the shape of the formed polycrystalline thin film diamond, a high-speed backscattered electron diffraction device was used for identification, and a Raman spectroscopic device was used for evaluation of the film quality.
【0030】p型−シリコン(100)基板の表面を10
%のフッ酸溶液で処理して表面の自然酸化膜を除去した
後、アルコールに約27%の水酸化カリウム(KOH)を
混合した溶液(液温:90℃〜95℃)に浸し、その溶液
を撹拌しながら30分間放置後直ぐに純水の入った容器
に移す。The surface of the p-type silicon (100) substrate was
% Hydrofluoric acid solution to remove the natural oxide film on the surface, dip it in a solution (liquid temperature: 90 ° C to 95 ° C) in which alcohol is mixed with about 27% potassium hydroxide (KOH). Is left for 30 minutes while stirring, and then immediately transferred to a container containing pure water.
【0031】イソプロピルアルコール(または、アセト
ン)での基板洗浄を超音波洗浄機で5分間行った後、赤
外線ヒータで乾燥する。こうしたシリコン(111)面の
出る異方性エッチング処理によって、約1μm〜2μm程
度のピラミッド形状の凹凸をもつ基板表面が形成され
る。こうすることによって、幾何学的には表面積が見掛
け上31/3倍に増加したことになり、基板前処理用のダ
イヤモンド粒子が平坦なシリコン基板よりも多く残留す
ることが期待できる。After cleaning the substrate with isopropyl alcohol (or acetone) for 5 minutes with an ultrasonic cleaner, it is dried with an infrared heater. By such anisotropic etching treatment for exposing the silicon (111) surface, a substrate surface having pyramid-shaped irregularities of about 1 μm to 2 μm is formed. By doing so, the surface area is geometrically increased to 3 1/3 times, and it can be expected that the diamond particles for the substrate pretreatment remain more than the flat silicon substrate.
【0032】次に、この基板を粒子径0.25μmのダイ
ヤモンド粉末2gを分散させた100ccのエタノールに
浸し、1時間超音波洗浄処理を行う。その際に、超音波
洗浄機内の水面とダイヤモンド粉末を分散させた液面と
を大略同一面にすることにより、効果的に基板表面に残
留微小粒子を高密度(〜109個/cm2のオーダ)で且つ均
一に埋め込むことができる。Next, this substrate is immersed in 100 cc of ethanol in which 2 g of diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm is dispersed, and subjected to ultrasonic cleaning treatment for 1 hour. At that time, by making the water surface in the ultrasonic cleaning machine and the liquid surface in which the diamond powder is dispersed substantially flush with each other, the residual fine particles are effectively high density (about 10 9 particles / cm 2 ) on the substrate surface. Order) and can be embedded uniformly.
【0033】一方、異方性エッチングを施していないp
型−シリコン基板(100)を上記異方性エッチング処理
を実施したp型−シリコン基板の場合と同一のダイヤモ
ンド粉末溶液で同一時間超音波洗浄を行って得たシリコ
ン基板を、リファレンス基板として同一の基板ホルダに
セットする。こうして得られた2種類の基板を用いて、
電子サイクロトン共鳴マイクロ波プラズマCVD法によ
って薄膜ダイヤモンド合成を行った。原料ガスとして水
素−0.5%メタン混合ガスを用い、総流量を200scc
mとし、ガス圧力を9Torrとし、基板温度を800℃と
し、マイクロ波(2.45GHz)パワーを1.5kWとして
合成を行った。合成温度は5時間,10時間および10
0時間の3種類の時間である。勿論基板位置は電子サイ
クロトン共鳴条件を満たす位置で合成を行う。On the other hand, p not subjected to anisotropic etching
The silicon substrate obtained by ultrasonically cleaning the mold-silicon substrate (100) with the same diamond powder solution for the same time as in the case of the p-type silicon substrate subjected to the anisotropic etching treatment is used as the reference substrate. Set on the substrate holder. Using the two types of substrates thus obtained,
Thin film diamond synthesis was performed by electron cycloton resonance microwave plasma CVD method. Hydrogen-0.5% methane mixed gas was used as the source gas, and the total flow rate was 200 sc
Synthesis was carried out at m, gas pressure of 9 Torr, substrate temperature of 800 ° C., and microwave (2.45 GHz) power of 1.5 kW. Synthesis temperature is 5 hours, 10 hours and 10 hours
There are three types of time, 0 hours. Of course, the substrate is synthesized at a position satisfying the electron cycloton resonance condition.
【0034】こうして得られた各サンプルを高分解能−
電界放出走査型電子顕微鏡で観察した。先ず、成長時間
が5時間の場合には、異方性エッチングを施していない
サンプル(リファレンスサンプル)ではダイヤモンド結
晶粒子の直径は約0.2μm以下であり、核発生密度は〜
8×108個/cm2であり、多結晶ダイヤモンドは連続膜
に至ってはいない。一方、異方性エッチングを施したサ
ンプルでは凹部の部分に緻密な連続膜が形成されてお
り、その部分でのダイヤモンド結晶の粒子径は0.1μm
以下で、見かけ上の核発生密度は〜6×109個/cm2に
相当した。しかしながら、多結晶ダイヤモンドは薄膜と
して連続化していない。Each sample thus obtained has a high resolution--
It was observed with a field emission scanning electron microscope. First, when the growth time is 5 hours, the diameter of the diamond crystal particles is about 0.2 μm or less in the sample (reference sample) which is not subjected to anisotropic etching, and the nucleus generation density is ~
It is 8 × 10 8 pieces / cm 2 , and the polycrystalline diamond does not reach a continuous film. On the other hand, in the sample subjected to anisotropic etching, a dense continuous film was formed in the concave part, and the particle size of the diamond crystal in that part was 0.1 μm.
Below, the apparent nucleation density was equivalent to ~ 6 x 10 9 / cm 2 . However, polycrystalline diamond is not continuous as a thin film.
【0035】成長時間が10時間の場合には、異方性エ
ッチングを施していないリファレンスサンプルでは、ダ
イヤモンド結晶の粒子径は0.2μm〜0.3μmであり、
多結晶ダイヤモンドは部分的に連続膜とは成っていな
い。一方、異方性エッチングを施したサンプルでは、表
面凹部では多結晶ダイヤモンドは連続膜となって形成さ
れており、表面凸部では多結晶ダイヤモンドの連続化は
部分的である。ダイヤモンド結晶の粒子径は0.2μm程
度まで成長していたが、多結晶薄膜ダイヤモンドの表面
凹凸は基板自体の凹凸に比べて著しく小さくなってい
た。When the growth time is 10 hours, the particle size of the diamond crystal is 0.2 μm to 0.3 μm in the reference sample not subjected to anisotropic etching.
Polycrystalline diamond does not partially form a continuous film. On the other hand, in the sample subjected to anisotropic etching, the polycrystalline diamond is formed as a continuous film in the concave portion of the surface, and the polycrystalline diamond is partially continuous in the convex portion of the surface. Although the particle size of the diamond crystal had grown to about 0.2 μm, the surface irregularities of the polycrystalline thin film diamond were significantly smaller than the irregularities of the substrate itself.
【0036】成長時間が100時間の場合には、異方性
エッチングを施していないリファレンスサンプルでは、
多結晶薄膜ダイヤモンドの表面凹凸は成長時間10時間
のものと比べて大きくなり、膜厚は2μmとなり、その
多結晶薄膜ダイヤモンドの凹凸は±0.35μmにまで大
きくなる。これに対して、異方性エッチングを施したサ
ンプルでは、ダイヤモンド結晶の粒子径は0.2μm前後
であり、多結晶薄膜ダイヤモンドの表面凹凸は±0.1
5μm以下となった。しかしながら、異方性エッチング
を施したサンプルに成膜した多結晶薄膜ダイヤモンドの
平坦性は、マクロ的に見ると基板凹凸の影響を受けて厳
密にはフラットではない。When the growth time is 100 hours, in the reference sample not subjected to anisotropic etching,
The unevenness of the surface of the polycrystalline thin film diamond is larger than that of the film grown for 10 hours, the film thickness is 2 μm, and the unevenness of the polycrystalline thin film diamond is increased to ± 0.35 μm. On the other hand, in the sample subjected to anisotropic etching, the particle size of the diamond crystal is around 0.2 μm, and the surface irregularity of the polycrystalline thin film diamond is ± 0.1.
It became less than 5 μm. However, the flatness of the polycrystalline thin film diamond formed on the sample subjected to anisotropic etching is not strictly flat because it is affected by the unevenness of the substrate when viewed macroscopically.
【0037】上述のように、上記実施例においては、シ
リコン(100)基板の表面の自然酸化膜を除去し、アル
コールに約27%の水酸化カリウムを混合した液温90
℃〜95℃の溶液に浸して異方性エッチングを行って、
基板表面に約1μm〜2μm程度のピラミッド((111)
面が表面に出ている)形状のテクスチャを形成する。次
に、粒子径0.25μmのダイヤモンド粉末を2gを分散
させた100ccのエタノールに上記基板を浸し、超音波
洗浄機で1時間表面前処理を行う。As described above, in the above embodiment, the natural oxide film on the surface of the silicon (100) substrate was removed, and a liquid temperature of 90% was obtained by mixing alcohol with about 27% potassium hydroxide.
By immersing in a solution of ℃ ~ 95 ℃, anisotropic etching,
Pyramid of about 1 μm to 2 μm on the substrate surface ((111)
The texture of the shape is formed. Next, the above substrate is immersed in 100 cc of ethanol in which 2 g of diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm is dispersed, and surface pretreatment is performed for 1 hour with an ultrasonic cleaner.
【0038】こうすることによって、基板表面の凹凸部
に微小ダイヤモンド粒子が〜109個/cm2程度残り、表
面が平坦な基板の場合に比べて見掛け上の残留微小ダイ
ヤモンド粒子の密度は増加する。したがって、この残留
微小粒子を核として従来からの気相合成法によって薄膜
合成を実施すれば、緻密で平坦な多結晶薄膜ダイヤモン
ドを形成することができるのである。By doing so, about 10 9 particles / cm 2 of fine diamond particles remain on the irregularities on the surface of the substrate, and the apparent density of residual fine diamond particles is increased as compared with the case of a substrate having a flat surface. . Therefore, if thin film synthesis is carried out by the conventional vapor phase synthesis method using these residual fine particles as nuclei, a dense and flat polycrystalline thin film diamond can be formed.
【0039】[第2実施例]本実施例は、上記第1実施
例における基板処理工程の一部を改善して、より緻密で
より平坦な多結晶薄膜ダイヤモンドを形成する方法に関
する。[Second Embodiment] This embodiment relates to a method for forming a denser and flatter polycrystalline thin film diamond by improving a part of the substrate processing step in the first embodiment.
【0040】p型−シリコン(100)基板に第1実施例
と同様に異方性エッチングを施す。そして、その表面に
シリコンと同様のドライエッチング速度になるように超
微小粒子(酸化シリコン粒子)を僅かに添加した粘性の低
いポリイミド膜を添布し、ドライエッチングを施す。そ
うすると、このドライエッチングによって、微小四面体
の凸部の頂部がなくなって台形状の凹凸のあるシリコン
基板が形成される。そうした後、ポリイミド膜を除去す
る。Anisotropic etching is performed on the p-type silicon (100) substrate as in the first embodiment. Then, a low-viscosity polyimide film with a slight amount of ultrafine particles (silicon oxide particles) added thereto so as to have a dry etching rate similar to that of silicon is applied to the surface, and dry etching is performed. Then, by this dry etching, the tops of the convex portions of the microtetrahedron are removed and a silicon substrate having trapezoidal irregularities is formed. After that, the polyimide film is removed.
【0041】こうして形成したサンプルに対して第1実
施例の場合と同様にダイヤモンド粉末による超音波処理
を行い、ダイヤモンド粉末の残留微粒子が均一に埋め込
まれた基板を形成する。そして、この基板を用いて第1
実施例と同一条件で薄膜ダイヤモンド合成を行う。成長
時間は40時間である。その結果、台形状のテキスチャ
表面に成長した多結晶薄膜ダイヤモンドの粒子径は0.
2μm前後であり、膜厚は約0.8μmであり、表面凹凸
は±0.07μm以下であり緻密かつ平坦な多結晶薄膜ダ
イヤモンドが形成された。The sample thus formed is subjected to ultrasonic treatment with diamond powder in the same manner as in the first embodiment to form a substrate in which residual fine particles of diamond powder are uniformly embedded. Then, using this substrate, the first
Thin film diamond synthesis is performed under the same conditions as in the example. The growth time is 40 hours. As a result, the grain size of the polycrystalline thin film diamond grown on the trapezoidal texture surface is 0.
The thickness was about 2 μm, the film thickness was about 0.8 μm, and the surface irregularities were ± 0.07 μm or less, and a dense and flat polycrystalline thin film diamond was formed.
【0042】このように、本実施例においては、基板表
面に台形状のテキスチャを形成することによって、より
緻密でより平坦な多結晶薄膜ダイヤモンドが形成でき
る。As described above, in this embodiment, by forming the trapezoidal texture on the surface of the substrate, a denser and flatter polycrystalline thin film diamond can be formed.
【0043】[第3実施例]本実施例は、基板の必要な
領域にのみ多結晶薄膜ダイヤモンドを生成する方法に関
する。[Third Embodiment] This embodiment relates to a method for producing a polycrystalline thin film diamond only in a necessary region of a substrate.
【0044】p型−シリコン(100)基板上にシリコン
酸化膜を0.1μm程度に全面に形成する。該基板上にホ
トレジストでパターニングした後、多結晶薄膜ダイヤモ
ンドを形成しようとする部分を10%フッ酸溶液でエッ
チングしてシリコン酸化膜を除去する。A silicon oxide film having a thickness of about 0.1 μm is formed on the entire surface of a p-type silicon (100) substrate. After patterning with photoresist on the substrate, the portion where the polycrystalline thin film diamond is to be formed is etched with a 10% hydrofluoric acid solution to remove the silicon oxide film.
【0045】次に、第1実施例と同様のアルカリ液で異
方性エッチングを施し、基板表面に凹凸を形成する。こ
の基板を粒子径0.25μmのダイヤモンド粉末の入った
アルコール溶液の中で超音波処理を1時間行う。その
後、ホトレジストを除去して薄膜ダイヤモンド形成用の
基板を得る。リファレンスサンプルとして、異方性エッ
チング工程を通さない基板も用意する。Next, anisotropic etching is performed with the same alkaline solution as in the first embodiment to form irregularities on the substrate surface. This substrate is subjected to ultrasonic treatment for 1 hour in an alcohol solution containing diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm. Then, the photoresist is removed to obtain a substrate for forming a thin film diamond. A substrate that does not pass the anisotropic etching step is also prepared as a reference sample.
【0046】薄膜ダイヤモンドの気相合成は熱フィラメ
ントCVD法によって行った。原料ガスとして水素−
1.0%メタン混合ガスを用い、ガス流量を300sccm
とし、ガス圧力を20Torrとし、フィラメント温度を
約2000℃とし、基板温度を800℃とした。成長時
間は0.5時間と3時間の2つの異なる時間である。The vapor phase synthesis of thin film diamond was performed by the hot filament CVD method. Hydrogen as source gas
Using 1.0% methane mixed gas, gas flow rate is 300sccm
The gas pressure was 20 Torr, the filament temperature was about 2000 ° C., and the substrate temperature was 800 ° C. Growth times are two different times: 0.5 hours and 3 hours.
【0047】その結果、成長時間が0.5時間の場合に
は、異方性エッチングを施したサンプルのダイヤモンド
結晶の粒子径は約0.5μm程度であり、核発生密度は〜
4×108個/cm2であった。これに対して、リファレン
スサンプルのダイヤモンド結晶の粒子径は2μm〜3μm
前後であり、核発生密度は〜2×107個/cm2であっ
た。両サンプルとも連続膜には至ってはいない。As a result, when the growth time is 0.5 hours, the particle size of the diamond crystal of the sample subjected to anisotropic etching is about 0.5 μm, and the nucleus generation density is
It was 4 × 10 8 pieces / cm 2 . On the other hand, the particle size of the diamond crystal of the reference sample is 2 μm to 3 μm
Before and after, the nucleus generation density was ˜2 × 10 7 pieces / cm 2 . Neither sample is continuous.
【0048】成長時間が3時間になると、異方性エッチ
ングを施したサンプルでは、ダイヤモンド結晶の粒子径
が0.5μm〜1μm程度で多結晶薄膜ダイヤモンドは膜
厚が約3μmの連続膜となり、表面凹凸は大略±0.3μ
mの範囲内である。一方、リファレンスサンプルは、ダ
イヤモンド結晶の粒子径が4μm〜5μmで、膜厚は約4
μm、表面凹凸は±1.5μmとなる。したがって、異方
性エッチングによる基板処理効果が確認された。尚、両
サンプルとも多結晶薄膜ダイヤモンドに対してパターニ
ングすることが可能である。When the growth time reaches 3 hours, in the anisotropically etched sample, the diamond thin film has a particle diameter of about 0.5 μm to 1 μm, and the polycrystalline thin film diamond has a continuous film thickness of about 3 μm. Roughness is approximately ± 0.3μ
It is within the range of m. On the other hand, the reference sample has a diamond crystal particle size of 4 μm to 5 μm and a film thickness of about 4 μm.
μm, surface irregularities are ± 1.5 μm. Therefore, the substrate processing effect of anisotropic etching was confirmed. Both samples can be patterned on the polycrystalline thin film diamond.
【0049】[第4実施例]本実施例は、数nmサイズの
金属粒子を島状に形成させてシリコン基板表面に微小な
表面凹凸を形成することによって核発生密度を増加し
て、シリコン基板上に緻密で平坦な多結晶薄膜ダイヤモ
ンドを形成する方法に関する。尚、形成した多結晶薄膜
ダイヤモンドの緻密性の評価は、合成された薄膜ダイヤ
モンドの表面と基板裏面とに電極を形成しリーク電流が
ないことによって行った。また、上述と同様に、形状観
察には高分解能走査型電子顕微鏡を用い、同定には高速
反射電子回折装置を用い、膜質の評価にはラマン分光装
置を用いて行った。[Fourth Embodiment] In this embodiment, nucleation density is increased by forming metal particles having a size of several nm in an island shape to form fine surface irregularities on the surface of the silicon substrate. A method for forming a dense and flat polycrystalline thin film diamond on top. The denseness of the formed polycrystalline thin film diamond was evaluated by forming electrodes on the front surface and the rear surface of the substrate of the synthesized thin film diamond so that there was no leak current. Further, as in the above, a high-resolution scanning electron microscope was used for shape observation, a high-speed backscattered electron diffraction apparatus was used for identification, and a Raman spectroscopic apparatus was used for evaluation of the film quality.
【0050】鏡面研磨されたp型−シリコン(100)基
板の表面における自然酸化膜をフッ酸溶液で除去して乾
燥した後、基板をイオンスパッタリング蒸着装置の中に
セットする。その際に、イオンスパッタリング蒸着装置
のターゲットには白金(Pt)−20wt%パラジウム(Pd)
合金を用い、膜厚設定を5nmとしてターゲット金属をス
パッタして基板表面に島状の白金−パラジウム合金粒子
を蒸着した。その結果、粒子径2nm〜5nm(粒子の凹凸
は1nm〜3nm)の島状の白金−パラジウム合金粒子層が
形成された。さらに、この白金−パラジウム合金粒子と
シリコン基板との密着性を向上させるために、空気中で
350℃で30分熱処理した。The natural oxide film on the surface of the p-type silicon (100) substrate which has been mirror-polished is removed with a hydrofluoric acid solution and dried, and then the substrate is set in an ion sputtering deposition apparatus. At that time, platinum (Pt) -20 wt% palladium (Pd) was used as the target of the ion sputtering deposition apparatus.
Using an alloy, the target metal was sputtered at a film thickness setting of 5 nm to deposit island-shaped platinum-palladium alloy particles on the surface of the substrate. As a result, an island-shaped platinum-palladium alloy particle layer having a particle diameter of 2 nm to 5 nm (particle irregularities of 1 nm to 3 nm) was formed. Furthermore, in order to improve the adhesion between the platinum-palladium alloy particles and the silicon substrate, heat treatment was performed in air at 350 ° C. for 30 minutes.
【0051】次に、この基板を粒子径0.25μm以下の
ダイヤモンド粉末2gを分散させた100ccのエタノー
ル溶液に浸し、1時間超音波洗浄処理を行う。その際
に、超音波洗浄機内の水面とダイヤモンド粉末を分散さ
せた液面とを大略同一面にすることにより、基板表面に
5nm程度の残留ダイヤモンド粒子を高密度(〜1010個/
cm2のオーダ)で且つ均一に埋め込むことができる。Next, this substrate is immersed in a 100 cc ethanol solution in which 2 g of diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm or less is dispersed, and ultrasonic cleaning treatment is carried out for 1 hour. At that time, by making the water surface in the ultrasonic cleaning machine and the liquid surface in which the diamond powder is dispersed substantially flush with each other, a high density of residual diamond particles of about 5 nm (~ 10 10 particles /
(order of cm 2 ) and can be embedded uniformly.
【0052】一方、p型−シリコン基板(100)の自然
酸化膜を除去し、上述と同一のダイヤモンド粉末溶液で
同一時間超音波洗浄を行って得たシリコン基板をリファ
レンス基板として用いる。On the other hand, a silicon substrate obtained by removing the natural oxide film of the p-type silicon substrate (100) and ultrasonically cleaning it with the same diamond powder solution for the same time as described above is used as a reference substrate.
【0053】このようにして得られた2種類の基板を同
一の基板ホルダにセットして、電子サイクロトン共鳴マ
イクロ波プラズマCVD法によって薄膜ダイヤモンド合
成を行った。原料ガスとしては水素−0.5%メタン混
合ガスを用い、総流量を200sccmとし、ガス圧力を9
Torrとし、基板温度を700℃とし、マイクロ波(2.
45GHz)パワーを1.5kWとして合成を行った。合成
温度は5時間および10時間の2種類の時間である。勿
論基板位置は電子サイクロトン共鳴条件を満たす位置で
合成を行う。The two types of substrates thus obtained were set in the same substrate holder, and thin film diamond synthesis was carried out by the electron cycloton resonance microwave plasma CVD method. Hydrogen-0.5% methane mixed gas was used as the source gas, the total flow rate was 200 sccm, and the gas pressure was 9
Torr, substrate temperature 700 ° C., microwave (2.
The synthesis was carried out with a power of 45 GHz) of 1.5 kW. There are two types of synthesis temperatures, 5 hours and 10 hours. Of course, the substrate is synthesized at a position satisfying the electron cycloton resonance condition.
【0054】上述のようにして得られた各サンプルを高
分解能−電界放出走査型電子顕微鏡で観察した。先ず、
成長時間が5時間の場合には、表面蒸着処理によってシ
リコン表面に白金−パラジウム合金粒子の凹凸を形成し
ていないサンプル(リファレンスサンプル)ではダイヤ
モンド結晶粒子の直径は約0.2μm以下であり、核発生
密度は〜8×108個/cm2であり、多結晶ダイヤモンド
は部分的に連続膜には至ってはいない。一方、表面蒸着
処理を施したサンプルでは緻密な連続膜が形成されてお
り、ダイヤモンド結晶の粒子径は0.1μm以下であり、
核発生密度は〜1.5×1010個/cm2に相当した。この
場合、得られた多結晶薄膜ダイヤモンドの膜厚は0.2
μmで、原子間力顕微鏡による多結晶薄膜ダイヤモンド
の表面凹凸測定結果は±0.05μm以下であり、平坦な
ダイヤモンド膜が形成された。Each sample obtained as described above was observed by a high resolution field emission scanning electron microscope. First,
When the growth time is 5 hours, the diameter of the diamond crystal particles is about 0.2 μm or less in the sample (reference sample) in which the unevenness of platinum-palladium alloy particles is not formed on the silicon surface by the surface vapor deposition treatment, The generation density is ˜8 × 10 8 pieces / cm 2 , and the polycrystalline diamond does not partially reach a continuous film. On the other hand, in the sample subjected to the surface vapor deposition treatment, a dense continuous film is formed, and the diamond crystal grain size is 0.1 μm or less,
The nucleation density corresponded to ˜1.5 × 10 10 nuclei / cm 2 . In this case, the thickness of the obtained polycrystalline thin film diamond is 0.2
The surface roughness measurement result of the polycrystalline thin film diamond with an atomic force microscope was ± 0.05 μm or less, and a flat diamond film was formed.
【0055】成長時間が10時間の場合には、表面蒸着
処理を施していないリファレンスサンプルでは、ダイヤ
モンド結晶の粒子径は0.2μm〜0.3μmであり、多結
晶ダイヤモンドは連続膜となっている。一方、表面蒸着
処理を施したサンプルでは、多結晶薄膜ダイヤモンドの
膜厚は0.35μmであり、基板の表面凹部では多結晶ダ
イヤモンドは連続膜となって形成されており、表面凸部
では多結晶ダイヤモンドの連続化は部分的である。ダイ
ヤモンド結晶の粒子径は0.2μm以下であり、多結晶薄
膜ダイヤモンドの表面凹凸は基板自体の凹凸とほとんど
変化していない。When the growth time is 10 hours, the diamond sample has a particle diameter of 0.2 μm to 0.3 μm in the reference sample not subjected to the surface vapor deposition treatment, and the polycrystalline diamond is a continuous film. . On the other hand, in the sample subjected to the surface vapor deposition treatment, the thickness of the polycrystalline thin film diamond is 0.35 μm, the polycrystalline diamond is formed as a continuous film in the concave portion of the surface of the substrate, and the polycrystalline diamond is formed in the convex portion of the surface. Diamond continuity is partial. The particle size of the diamond crystal is 0.2 μm or less, and the surface irregularities of the polycrystalline thin film diamond are almost the same as those of the substrate itself.
【0056】上述のように、表面蒸着処理を実施するこ
とによって得られた多結晶薄膜ダイヤモンドの緻密さを
測定するために、上記サンプルの両面にアルミニウム
(Al)電極を0.2μm厚で形成し、400℃の窒素ガス
(N2)中で30分アニーリングを施した。こうして、ア
ルミニウム電極(直径2mm)‖薄膜ダイヤモンド‖シリコ
ン基板‖アルミニウム電極(全面)の構造を形成してリー
ク特性を調べた。その結果、上記表面蒸着処理を施した
核発生密度の高いサンプル基板だけが電気的なリークが
起こらない。このことにより、核発生密度を1010個/c
m2のオーダでダイヤモンド結晶を成長させた薄膜は、緻
密なダイヤモンド結晶から成っていることが判明した。As described above, in order to measure the denseness of the polycrystalline thin film diamond obtained by carrying out the surface vapor deposition treatment, aluminum was applied to both sides of the sample.
(Al) electrode is formed to a thickness of 0.2 μm, and nitrogen gas at 400 ° C
Annealed in (N 2 ) for 30 minutes. Thus, the structure of the aluminum electrode (diameter 2 mm) / thin film diamond / silicon substrate / aluminum electrode (entire surface) was formed and the leak characteristics were examined. As a result, electrical leakage does not occur only in the sample substrate subjected to the surface vapor deposition treatment and having a high nucleus generation density. As a result, the nucleus generation density is 10 10 / c
It was found that the thin film in which diamond crystals were grown on the order of m 2 was composed of dense diamond crystals.
【0057】上述のように、上記実施例においては、シ
リコン(100)基板の表面の自然酸化膜を除去し、スパ
ッタ蒸着法による表面蒸着処理によって白金−パラジウ
ム合金粒子を形成して、基板表面に数nmサイズの凹凸を
形成する。次に、粒子径0.25μmのダイヤモンド粉末
を2gを分散させた100ccのエタノールに上記基板を
浸し、超音波洗浄機で1時間表面前処理を行う。As described above, in the above embodiment, the natural oxide film on the surface of the silicon (100) substrate was removed, and platinum-palladium alloy particles were formed by the surface vapor deposition treatment by the sputter vapor deposition method to form the platinum-palladium alloy particles on the substrate surface. Asperities with a size of several nm are formed. Next, the above substrate is immersed in 100 cc of ethanol in which 2 g of diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm is dispersed, and surface pretreatment is performed for 1 hour with an ultrasonic cleaner.
【0058】このように、基板表面の凹凸を数nmサイズ
にすることによって、基板表面の凹凸部に5nm程度の微
小ダイヤモンド粒子を〜1010個/cm2で均一に埋め込む
ことができ、表面が平坦な基板の場合に比べて見掛け上
の残留微小ダイヤモンド粒子の密度は増加する。したが
って、この残留微小粒子を核として従来からの気相合成
法によって薄膜合成を実施すれば、緻密で平坦な多結晶
薄膜ダイヤモンドを形成することができるのである。As described above, by making the unevenness of the substrate surface several nm in size, it is possible to uniformly fill the uneven portion of the substrate surface with fine diamond particles of about 5 nm at 10 10 particles / cm 2 and The density of apparent residual fine diamond particles is increased as compared with the case of a flat substrate. Therefore, if thin film synthesis is carried out by the conventional vapor phase synthesis method using these residual fine particles as nuclei, a dense and flat polycrystalline thin film diamond can be formed.
【0059】[第5実施例]上記第4実施例によって多
結晶薄膜ダイヤモンドが形成された基板を割ってその断
面を走査型電子顕微鏡によって観察すると、ダイヤモン
ド膜とシリコン基板との間で部分的に剥離していること
が観察される。本実施例は、このダイヤモンド膜とシリ
コン基板との剥離を無くした実施例である。[Fifth Embodiment] When the substrate on which the polycrystalline thin film diamond is formed according to the fourth embodiment is broken and its cross section is observed by a scanning electron microscope, it is partially observed between the diamond film and the silicon substrate. It is observed that it has peeled off. The present example is an example in which peeling between the diamond film and the silicon substrate is eliminated.
【0060】鏡面研磨されたp型−シリコン(100)基
板の表面における自然酸化膜をフッ酸溶液で除去して乾
燥した後、50nm前後の膜厚を有するシリコン酸化膜を
形成する。そして、第4実施例と同様の表面蒸着処理を
施して、数nmサイズの白金−パラジウム合金粒子を島状
に付着させ、350℃の窒素ガス中で30分熱処理を施
して白金−パラジウム合金粒子とシリコン基板との密着
性を向上させる。その後、フッ酸:水=1:1の溶液で
白金−パラジウム合金粒子をマスキング材として下地の
シリコン酸化膜を除去する。こうして、シリコン基板表
面に50nm程度の微小な表面凹凸を形成する。The native oxide film on the surface of the mirror-polished p-type silicon (100) substrate is removed with a hydrofluoric acid solution and dried, and then a silicon oxide film having a thickness of about 50 nm is formed. Then, the same surface vapor deposition treatment as in the fourth example was performed to deposit platinum-palladium alloy particles of several nm size in an island shape, and heat treatment was performed in nitrogen gas at 350 ° C. for 30 minutes to obtain platinum-palladium alloy particles. And improve the adhesion between the silicon substrate and the silicon substrate. Then, the underlying silicon oxide film is removed with a solution of hydrofluoric acid: water = 1: 1 using the platinum-palladium alloy particles as a masking material. Thus, minute surface irregularities of about 50 nm are formed on the surface of the silicon substrate.
【0061】次に、粒径が250nm以下,100nm以下
および5nmの市販されている3種類のダイヤモンド粉末
を用意し、夫々2gをアルコール100ccの溶液に混濁
したダイヤモンド粉末溶液を作成する。そして、この3
種類のダイヤモンド粉末溶液によって上記基板を第4実
施例と同様の条件で超音波洗浄処理を行って、表面傷付
け前処理を施す。Next, three kinds of commercially available diamond powders having a particle size of 250 nm or less, 100 nm or less and 5 nm are prepared, and 2 g of each is prepared in a solution of 100 cc of alcohol to prepare a diamond powder solution. And this 3
The substrate is subjected to ultrasonic cleaning treatment under the same conditions as in the fourth embodiment by using diamond powder solutions of various types, and surface scratch pretreatment is performed.
【0062】こうして、3種類のダイヤモンド粉末溶液
によって表面傷付け前処理を施した各基板の表面凹凸を
原子間力顕微鏡によって観察した結果、各基板とも粒子
径が5nm程度の残留ダイヤモンド粒子が付着しているこ
とがわかった。また、残留ダイヤモンド粒子密度は、粒
子径5nmのダイヤモンド粉末溶液によって表面傷付け前
処理された基板において一番大きな値を示し、その値は
約6×1010個/cm2である。さらに、粒子径50nm以下
および100nm以下のダイヤモンド粉末溶液によって表
面傷付け処理された基板においては、残留ダイヤモンド
粒子分布に不均一が見られた。このことは、数拾nmサイ
ズの基板表面凹凸に対して表面傷付け前処理を実施する
ダイヤモンド粉末溶液のダイヤモンド粉末の粒子径とし
て、50nm以下および100nm以下の粒子径は大きすぎ
て残留しにくいものと考えられる。As a result of observing the surface unevenness of each substrate subjected to the surface scratch pretreatment with the three types of diamond powder solutions by an atomic force microscope, residual diamond particles having a particle diameter of about 5 nm adhered to each substrate. I found out that The residual diamond particle density shows the largest value in the substrate surface-pretreated with a diamond powder solution having a particle diameter of 5 nm, and the value is about 6 × 10 10 particles / cm 2 . Further, in the substrate surface-scratched by the diamond powder solution having a particle size of 50 nm or less and 100 nm or less, non-uniform distribution of residual diamond particles was observed. This means that the particle diameter of the diamond powder of the diamond powder solution for performing the surface scratch pretreatment on the substrate surface irregularities of several pick-up nm is 50 nm or less and 100 nm or less is too large to easily remain. Conceivable.
【0063】上述のように高い残留ダイヤモンド粒子密
度を呈した粒子径5nmのダイヤモンド粉末溶液による表
面傷付け前処理された基板を用いて、第4実施例と同一
条件で電子サイクロトン共鳴マイクロ波プラズマCVD
法によって薄膜ダイヤモンド合成を行う。その結果、第
4実施例と大略同じ膜厚を有する多結晶薄膜ダイヤモン
ドが得られる。その際に、多結晶薄膜ダイヤモンドが形
成された基板には電気的なリークは見られない。また、
上記多結晶薄膜ダイヤモンドが形成された基板を割って
断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果、シリコン基板
とダイヤンモンド膜との間に剥離は見られない。As described above, electron cyclotron resonance microwave plasma CVD was performed under the same conditions as in the fourth embodiment, using the substrate pre-treated with the diamond powder solution having a high residual diamond particle density and having a particle diameter of 5 nm.
Thin film diamond synthesis is performed by the method. As a result, a polycrystalline thin film diamond having a film thickness substantially the same as that of the fourth embodiment can be obtained. At that time, no electrical leak is observed in the substrate on which the polycrystalline thin film diamond is formed. Also,
As a result of observing the cross section of the substrate on which the polycrystalline thin film diamond was formed by breaking it with a scanning electron microscope, no peeling was observed between the silicon substrate and the diamond film.
【0064】また、リファレンスサンプルとして、上記
酸化膜形成および表面蒸着処理を実施しない平坦なシリ
コン基板に粒子径5nmのダイヤモンド粉末溶液による表
面傷付け前処理を施したものを用意した。そして、この
リファレンスサンプルの残留ダイヤモンド粒子の密度は
109個/cm2のオーダであり、この基板を用いた合成し
て薄膜ダイヤモンドの核発生密度も同程度である。この
ことから、数拾nmサイズの表面凹凸を有する基板は、粒
子径5nmのダイヤモンド粉末溶液による表面傷付け前処
理を実施することによって残留ダイヤモンド粒子が高い
密度(1010個/cm2)で付着して、緻密で平坦で密着性の
良い多結晶薄膜ダイヤモンドが得られることが明らかに
なった。As a reference sample, a flat silicon substrate which was not subjected to the oxide film formation and surface vapor deposition treatment was subjected to surface scratch pretreatment with a diamond powder solution having a particle diameter of 5 nm. The density of residual diamond particles in this reference sample is on the order of 10 9 particles / cm 2 , and the nucleation density of thin film diamond synthesized using this substrate is about the same. From this, it can be seen that a substrate having surface irregularities of several nm size has a high density (10 10 particles / cm 2 ) of residual diamond particles adhered by a surface scratch pretreatment with a diamond powder solution having a particle size of 5 nm. It was revealed that a polycrystalline thin film diamond that is dense, flat, and has good adhesion can be obtained.
【0065】このように、本実施例においては、表面蒸
着法によってシリコン基板表面に白金−パラジウム合金
粒子を形成するに先立ってシリコン酸化膜を形成して、
シリコン酸化膜の厚さの分だけ表面凹凸を大きくして5
0nmの表面凹凸を得ることができる。したがって、数nm
の表面凹凸を有するシリコン基板よりもシリコン基板の
見かけの表面積が大きくなり、付着強度の高い結晶薄膜
ダイヤモンドが得られるのである。As described above, in this embodiment, the silicon oxide film is formed by the surface vapor deposition method prior to forming the platinum-palladium alloy particles on the surface of the silicon substrate.
Increase the surface roughness by the thickness of the silicon oxide film. 5
Surface roughness of 0 nm can be obtained. Therefore, a few nm
The apparent surface area of the silicon substrate is larger than that of the silicon substrate having surface irregularities, and a crystalline thin film diamond having high adhesion strength can be obtained.
【0066】[第6実施例]本実施例においては、上記
第4実施例における酸化膜の膜厚依存性について検討す
る。鏡面研磨されたp型−シリコン(100)基板の表面
における自然酸化膜をフッ酸溶液で除去して乾燥した後
に0nm,20nm,50nm,100nm,200nmの膜厚のシリ
コン酸化膜を形成した5種類の基板を用意する。そし
て、白金−パラジウム合金を5nmの設定膜厚で島状に蒸
着した後、白金−パラジウム合金粒子をマスキング材と
して下地のシリコン酸化膜を除去する。[Sixth Embodiment] In this embodiment, the film thickness dependence of the oxide film in the fourth embodiment will be examined. Five kinds of silicon oxide films having a thickness of 0 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm and 200 nm were formed after removing the native oxide film on the surface of the p-type silicon (100) substrate mirror-polished with a hydrofluoric acid solution and drying. Prepare the substrate. Then, a platinum-palladium alloy is vapor-deposited in an island shape with a set film thickness of 5 nm, and then the underlying silicon oxide film is removed using the platinum-palladium alloy particles as a masking material.
【0067】こうして形成された5種類の基板のうち、
膜厚200nmのシリコン酸化膜を形成した基板において
は白金−パラジウム合金粒子のマスキング効果は無く、
予想した表面凹凸は得られない。また、0nm,20nm,5
0nm,100nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成した5種
類の基板に対して、粒子径5nmのダイヤモンド粉末溶液
による表面傷付け前処理を施した際に、シリコン酸化膜
厚50nmの基板における残留ダイヤモンド粒子密度が最
も高く、以下シリコン酸化膜厚100nm,20nmの順と
なった。Of the five types of substrates thus formed,
There is no masking effect of platinum-palladium alloy particles on a substrate on which a silicon oxide film having a film thickness of 200 nm is formed,
The expected surface roughness cannot be obtained. In addition, 0nm, 20nm, 5
Residual diamond particles on a substrate with a silicon oxide film thickness of 50 nm when 5 types of substrates with a silicon oxide film thickness of 0 nm and 100 nm were subjected to surface scratch pretreatment with a diamond powder solution with a particle diameter of 5 nm. The highest density was followed by the silicon oxide film thickness of 100 nm and then 20 nm.
【0068】更に、上記白金−パラジウム合金の設定膜
厚についても検討した。その結果、設定膜厚2nm〜10
nmで島状の成長粒子が形成され、5nm前後の設定膜厚が
最も良好である。尚、上記最適設定膜厚は、基板の材質
および上記表面蒸着法によって蒸着する金属によっても
幾分異なるものと考えられる。 <第2例>本例は、結晶粒界の少ない大きなダイヤモン
ド結晶から成る高品位な多結晶薄膜ダイヤモンドを形成
する方法に関する。Furthermore, the set film thickness of the platinum-palladium alloy was also examined. As a result, the set film thickness is 2 nm to 10
The island-shaped grown particles are formed at a thickness of nm, and the set film thickness of around 5 nm is the best. The optimum set film thickness is considered to be somewhat different depending on the material of the substrate and the metal deposited by the surface deposition method. <Second Example> This example relates to a method for forming a high-quality polycrystalline thin film diamond composed of large diamond crystals with few crystal grain boundaries.
【0069】予め、基板表面に微小な凹部を周期的に異
方性エッチングによって形成し、その部分にだけダイヤ
モンド粒子による表面傷付け前処理を実施することによ
って凹部分にだけ残留微小粒子を形成してダイヤモンド
結晶を成長させることができる。こうすれば、凹部に一
つのダイヤモンド結晶だけが選択的に成長することにな
り、これらの結晶が3次元的に成長し続けて隣接する結
晶と接するまで合成して薄膜化する。その際に、基板表
面の2次元的な凹部の間隔を最適化することによって、
表面凹凸が小さくて結晶粒界の少ない高品質な多結晶薄
膜ダイヤモンドを得ることができるのである。以下、具
体的に説明する。Fine recesses are periodically formed by anisotropic etching on the surface of the substrate in advance, and pretreatment for surface scratching with diamond particles is performed only on the recesses to form residual fine particles only on the recesses. Diamond crystals can be grown. By doing so, only one diamond crystal grows selectively in the recess, and these crystals continue to grow three-dimensionally and are synthesized until they come into contact with the adjacent crystals to form a thin film. At that time, by optimizing the distance between the two-dimensional concave portions on the substrate surface,
It is possible to obtain a high-quality polycrystalline thin film diamond with small surface irregularities and few crystal grain boundaries. The details will be described below.
【0070】[第7実施例]p型−シリコン(100)基
板上に膜厚0.1μmのシリコン酸化膜を形成し、その表
面にホトレジストを塗布する。次に、1μm×1μm角の
大きさに且つ5μmの間隔で2次元的にホトレジストを
除去し、10%フッ酸溶液でシリコン酸化膜を取り去っ
てシリコン基板を異方性エッチングする。そして、第3
実施例と同様の超音波処理を行った後にホトレジストを
除去する。[Seventh Embodiment] A silicon oxide film having a film thickness of 0.1 μm is formed on a p-type silicon (100) substrate, and a photoresist is applied to the surface thereof. Next, the photoresist is two-dimensionally removed in a size of 1 μm × 1 μm square and at intervals of 5 μm, the silicon oxide film is removed with a 10% hydrofluoric acid solution, and the silicon substrate is anisotropically etched. And the third
After performing the same ultrasonic treatment as in the example, the photoresist is removed.
【0071】その結果、上記凹部にだけ残留微小粒子が
存在し、その他の部分はシリコン酸化膜となる。用途に
よってはシリコン酸化膜を酸で除去してもよい。As a result, residual fine particles are present only in the above-mentioned recesses, and the other portions are silicon oxide films. Depending on the application, the silicon oxide film may be removed with an acid.
【0072】ダイヤモンドの気相合成は熱フィラメント
CVD法によって行った。その際の原料ガスは水素−
0.5%メタン混合ガスを用い、ガス流量を300sccm
とし、ガス圧力を30Torrとし、フィラメント温度を
約2000℃とし、基板温度を800℃とした。成長時
間は5時間である。その結果、粒子径が5μmであり、
膜厚が約5μmの多結晶薄膜ダイヤモンドが形成され
た。The vapor phase synthesis of diamond was performed by the hot filament CVD method. The source gas at that time is hydrogen-
Using 0.5% methane mixed gas, the gas flow rate is 300sccm
The gas pressure was 30 Torr, the filament temperature was about 2000 ° C., and the substrate temperature was 800 ° C. The growth time is 5 hours. As a result, the particle size is 5 μm,
A polycrystalline thin film diamond having a film thickness of about 5 μm was formed.
【0073】その際に、成長初期においては凹部で多数
のダイヤモンド結晶が成長することになるが、ダイヤモ
ンド結晶が数μm以上の大きさになるとダイヤモンド結
晶の中で選択的に一つのダイヤモンド結晶だけが成長す
るようになる。その後、ダイヤモンド結晶を合成し続け
ると隣接するダイヤモンド結晶と接する。こうして、結
晶間の隙間がなくなった時点で合成を停止する。At that time, a large number of diamond crystals grow in the recesses at the initial stage of growth, but when the diamond crystal size is several μm or more, only one diamond crystal is selectively selected among the diamond crystals. To grow up. After that, when the diamond crystal is continuously synthesized, the diamond crystal comes into contact with the adjacent diamond crystal. In this way, the synthesis is stopped when the gap between the crystals disappears.
【0074】こうして得られた薄膜をラマン分光装置に
よってを評価した結果、電子サイクロトン共鳴マイクロ
波プラズマCVD法で成膜したものよりバックグラウン
ドの低い1333cm-1付近に鋭いダイヤモンドのピーク
だけが見られ、膜質の優れた薄膜ダイヤモンドが形成さ
れたことが判明した。The thin film thus obtained was evaluated by a Raman spectroscope, and as a result, only a sharp diamond peak was observed near 1333 cm −1 , which had a lower background than that formed by the electron cycloton resonance microwave plasma CVD method. It was found that thin film diamond with excellent film quality was formed.
【0075】上述のように、上記実施例においては、シ
リコン(100)基板上にシリコン酸化膜を形成し、1μ
m×1μm角の大きさに且つ5μmの間隔で2次元的にシ
リコン酸化膜を取り去って凹状の領域を形成し、その凹
部のシリコン基板を異方性エッチングして基板表面に凹
凸を形成する。そうした後、粒子径0.25μmのダイヤ
モンド粉末を分散させアルコール溶液中で超音波処理を
行って、凹部だけに残留微小粒子を形成させる。As described above, in the above embodiment, the silicon oxide film is formed on the silicon (100) substrate, and 1 μm is formed.
The silicon oxide film is two-dimensionally removed in a size of m × 1 μm square and at intervals of 5 μm to form concave regions, and the concave silicon substrate is anisotropically etched to form irregularities on the substrate surface. After that, diamond powder having a particle diameter of 0.25 μm is dispersed and subjected to ultrasonic treatment in an alcohol solution to form residual fine particles only in the concave portions.
【0076】こうすることによって、気相合成による薄
膜ダイヤモンド合成の際に凹部からダイヤモンドが成長
することになり、ダイヤモンド結晶が数μm以上の結晶
に成長すると凹部には選択的に一つのダイヤモンド結晶
だけが成長するようになる。したがって、成長を続ける
とやがて隣接するダイヤモンド結晶と接して結晶粒界の
少ない大きなダイヤモンド結晶からなる高品位な薄膜ダ
イヤモンドが得られるのである。As a result, the diamond grows from the recess during the synthesis of the thin film diamond by vapor phase synthesis. When the diamond crystal grows to a crystal of several μm or more, only one diamond crystal is selectively formed in the recess. Will grow up. Therefore, as the growth continues, a high-quality thin film diamond composed of a large diamond crystal with few crystal grain boundaries can be obtained in contact with the adjacent diamond crystal.
【0077】上記第3実施例においては、ホトリソグラ
フィ技術によってパターニングした所定領域内に異方性
エッチングによって微小な表面凹凸を形成している。し
かしながら、この発明における表面凹凸形成方法はこれ
に限定されるものではない。例えば、第4実施例および
第5実施例に示すような金属粒子の表面蒸着処理によっ
て形成してもよい。また、上記第4実施例および第5実
施例においては、スパッタ蒸着法によって基板上に金属
粒子を成長させているが、真空蒸着法や他の方法によっ
て成長させても構わない。In the third embodiment described above, minute surface irregularities are formed by anisotropic etching in a predetermined region patterned by the photolithography technique. However, the method for forming surface irregularities in the present invention is not limited to this. For example, you may form by the surface vapor deposition process of the metal particle as shown in 4th Example and 5th Example. In addition, in the fourth and fifth embodiments, the metal particles are grown on the substrate by the sputter deposition method, but they may be grown by the vacuum deposition method or another method.
【0078】[0078]
【発明の効果】以上より明らかなように、第1の発明の
薄膜ダイヤモンドの製造方法は、微小な凹凸を形成した
基板にダイヤモンド粒子による表面傷付け前処理を実施
し、該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成するように
したので、上記表面傷付け前処理時における残留ダイヤ
モンド微粒子数が増加してダイヤモンド気相合成時の核
発生密度を〜6×109個/cm2に増加できる。したがっ
て、この発明によれば、ダイヤモンド結晶合成時におけ
る核発生密度を大略1010個/cm2にして、より緻密で平
坦な薄膜ダイヤモンドを形成できる。As is apparent from the above, in the method for producing a thin film diamond of the first aspect of the invention, a substrate on which fine irregularities are formed is subjected to a surface scratch pretreatment with diamond particles, and the thin film diamond is formed on the substrate. Since the vapor phase synthesis is performed, the number of fine diamond particles remaining during the pretreatment for surface scratching increases, and the nucleus generation density during the vapor phase synthesis of diamond can be increased to 6 × 10 9 pieces / cm 2 . Therefore, according to the present invention, it is possible to form a more dense and flat thin film diamond by setting the nucleus generation density at the time of diamond crystal synthesis to about 10 10 / cm 2 .
【0079】また、第2の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、異方性エッチングによってその凸部が四面体
状を成す微小な凹凸を基板表面に形成するようにしたの
で、ダイヤモンド気相合成時の核発生密度を大略1010
個/cm2程度に増加するための基板表面凹凸を容易に形成
できる。Further, in the method for producing a thin film diamond of the second invention, since the minute irregularities whose projections form a tetrahedron shape are formed on the substrate surface by anisotropic etching, during diamond vapor phase synthesis. Nucleation density of 10 10
It is possible to easily form irregularities on the substrate surface to increase the number to about 1 / cm 2 .
【0080】また、第3の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、上記基板表面に形成された微小な四面体状の
凸部の頂部をドライエッチまたは機械的研磨によって削
り取って台形状の凸部に成したので、さらに平坦な薄膜
ダイヤモンドを形成できる。Further, in the method for manufacturing a thin film diamond of the third invention, the tops of the minute tetrahedral convex portions formed on the substrate surface are scraped off by dry etching or mechanical polishing to form trapezoidal convex portions. Since it is formed, a flatter thin film diamond can be formed.
【0081】また、第4の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、真空蒸着法やスパッタ蒸着法等による表面蒸
着処理によって島状に成長させた金属粒子で基板表面に
微小な凹凸を形成するようにしたので、ダイヤモンド気
相合成時の核発生密度を大略1010個/cm2程度に増加す
るための基板表面凹凸を更に微小に形成できる。したが
って、後にダイヤモンド粒子による表面傷付け前処理を
実施した際における残留ダイヤモンド微粒子数が更に増
加し、ダイヤモンド気相合成時の核発生密度を〜1010
個/cm2に増加できる。したがって、この発明によれば、
ダイヤモンド結晶合成時における核発生密度を1010個
/cm2のオーダーにして、更に緻密で平坦な薄膜ダイヤモ
ンドを形成できる。Further, in the method for producing a thin film diamond of the fourth invention, fine irregularities are formed on the substrate surface by the metal particles grown in an island shape by the surface vapor deposition treatment such as the vacuum vapor deposition method and the sputter vapor deposition method. As a result, the substrate surface irregularities for increasing the nucleation density during diamond vapor phase synthesis to approximately 10 10 / cm 2 can be formed even finer. Therefore, the number of remaining diamond fine particles when the surface scratch pretreatment with the diamond particles is performed later is further increased, and the nucleus generation density during diamond vapor phase synthesis is increased to 10 10
Can be increased to pieces / cm 2 . Therefore, according to the present invention,
10 10 nucleation density during diamond crystal synthesis
A finer and flatter thin film diamond can be formed on the order of / cm 2 .
【0082】また、第5の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、シリコン基板表面に酸化膜を形成し、真空蒸
着やスパッタ蒸着法等による表面蒸着処理によって金属
粒子を島状に成長させた後に下地の酸化膜を選択的にエ
ッチングにより除去して、上記シリコン基板表面に微小
な凹凸を形成し、微細ダイヤモンド粉末を混濁させたア
ルコール溶液中で表面傷付け前処理を実施し、該基板上
に薄膜ダイヤモンドを気相合成するようにしたので、上
記ダイヤモンド気相合成時の核発生密度を容易に〜10
10個/cm2に増加できると共に、得られた薄膜ダイヤモン
ドとシリコン基板との剥離を防止できる。したがって、
この発明によれば、ダイヤモンド結晶合成時における核
発生密度を〜1010個/cm2にして、より緻密で平坦で密
着性の良い薄膜ダイヤモンドを形成できる。Further, in the method for producing a thin film diamond of the fifth invention, an oxide film is formed on the surface of a silicon substrate, and metal particles are grown in an island shape by a surface vapor deposition treatment such as vacuum vapor deposition or sputter vapor deposition, and then a base layer is formed. Oxide film is selectively removed by etching to form fine irregularities on the surface of the silicon substrate, and pretreatment for surface scratching is performed in an alcohol solution in which fine diamond powder is turbid. Since the diamond is vapor-synthesized, the nucleation density during the diamond vapor-phase synthesis can be easily adjusted to 10 to 10.
The number can be increased to 10 pieces / cm 2 , and peeling between the obtained thin film diamond and the silicon substrate can be prevented. Therefore,
According to the present invention, the density of nuclei generated during the synthesis of diamond crystals is set to be 10 10 / cm 2 , and it is possible to form a more dense, flat, and thin film diamond having good adhesion.
【0083】また、第6の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、上記基板表面上に形成された保護膜にホトリ
ソグラフィ技術等によってパターニングした所定領域内
のみにダイヤモンド気相合成時の核発生密度を大略10
10個/cm2程度に増加するための微小な凹凸を形成するよ
うにしたので、基板の必要な領域にのみ緻密で平坦な薄
膜ダイヤモンドを形成できる。Further, in the method for producing a thin film diamond of the sixth invention, the nucleation density at the time of diamond vapor phase synthesis is set only in a predetermined region where the protective film formed on the surface of the substrate is patterned by the photolithography technique or the like. Roughly 10
Since the minute unevenness for increasing the number to about 10 pieces / cm 2 is formed, a dense and flat thin film diamond can be formed only in a necessary area of the substrate.
【0084】また、第7の発明の薄膜ダイヤモンドの製
造方法は、基板表面を等間隔にホトリソグラフィ技術等
によってパターニングして形成した凹領域のみに微小な
凹凸を形成し、この微小な凹凸が形成された上記凹領域
にダイヤモンド粒子による表面傷付け前処理を実施し、
該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成するようにした
ので、ダイヤモンド結晶合成時には一つのダイヤモンド
結晶だけが上記凹領域から選択的に成長する。したがっ
て、この発明によれば、結晶粒界の少ない大きなダイヤ
モンド結晶から成る高品位は薄膜ダイヤモンドを形成で
きる。Further, in the method for manufacturing a thin film diamond of the seventh invention, minute unevenness is formed only in the concave regions formed by patterning the substrate surface at equal intervals by the photolithography technique or the like, and the minute unevenness is formed. Performed surface scratch pretreatment with diamond particles to the recessed area,
Since the thin film diamond is vapor-phase-synthesized on the substrate, only one diamond crystal selectively grows from the concave region during diamond crystal synthesis. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a high-quality thin film diamond composed of large diamond crystals with few crystal grain boundaries.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 木場 正義 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Masayoshi Kiba 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka
Claims (7)
表面積を増加させた後、 この微小な凹凸が形成された基板に微細ダイヤモンド粒
子による表面傷付け前処理を実施し、 該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成することを特徴
とする薄膜ダイヤモンドの製造方法。1. A substrate is provided with fine irregularities to increase the surface area of the substrate, and then the substrate having the fine irregularities is subjected to surface scratch pretreatment with fine diamond particles. A method for producing a thin film diamond, which comprises vapor-synthesizing a thin film diamond.
造方法において、 上記基板表面に形成される微小な凹凸は異方性エッチン
グによって形成され、その凸部は四面体状を成すことを
特徴とする薄膜ダイヤモンドの製造方法。2. The method for producing a thin film diamond according to claim 1, wherein the minute irregularities formed on the surface of the substrate are formed by anisotropic etching, and the protrusions have a tetrahedral shape. Method for manufacturing thin film diamond.
造方法において、 上記基板表面に形成された微小な四面体状の凸部の頂部
をドライエッチあるいは機械的研磨によって削り取り、
台形状の凸部に成したことを特徴とする薄膜ダイヤモン
ドの製造方法。3. The method for producing a thin film diamond according to claim 2, wherein the tops of the minute tetrahedral convex portions formed on the substrate surface are scraped off by dry etching or mechanical polishing.
A method for producing a thin film diamond, which is characterized in that it is formed in a trapezoidal convex portion.
造方法において、 上記基板表面に形成される微小な凹凸は、真空蒸着法や
スパッタ蒸着法等による表面蒸着処理によって島状に成
長された金属粒子で形成することを特徴とする薄膜ダイ
ヤモンドの製造方法。4. The method for producing a thin film diamond according to claim 1, wherein the minute irregularities formed on the surface of the substrate are metal grown in an island shape by a surface vapor deposition process such as a vacuum vapor deposition method or a sputter vapor deposition method. A method for producing a thin film diamond, which comprises forming particles.
って金属粒子を島状に成長させた後に下地の酸化膜を選
択的エッチングにより除去して、上記シリコン基板表面
に上記酸化膜および金属粒子による微小な凹凸を形成す
ることによって基板表面積を増加させた後、 微細ダイヤモンド粉末を混濁させたアルコール溶液中で
表面傷付け前処理を実施し、 該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成することを特徴
とする薄膜ダイヤモンドの製造方法。5. An oxide film is formed on the surface of a silicon substrate, metal particles are grown into islands by a surface vapor deposition process such as a vacuum vapor deposition method or a sputter vapor deposition method, and then the underlying oxide film is removed by selective etching. After increasing the surface area of the substrate by forming minute irregularities due to the oxide film and metal particles on the surface of the silicon substrate, a surface scratch pretreatment is performed in an alcohol solution in which fine diamond powder is turbid, A method for producing a thin film diamond, characterized in that a thin film diamond is vapor-phase synthesized thereon.
記載の薄膜ダイヤモンドの製造方法において、 上記基板表面に形成される微小な凹凸は、上記基板表面
上に形成された保護膜をホトリソグラフィ技術等によっ
てパターニングした所定領域内のみに形成することを特
徴とする薄膜ダイヤモンドの製造方法。6. The method of manufacturing a thin film diamond according to claim 1, wherein the fine irregularities formed on the substrate surface are formed by a protective film formed on the substrate surface. A method for producing a thin film diamond, which is characterized in that the thin film diamond is formed only in a predetermined region patterned by a photolithography technique or the like.
面を等間隔にパターニングして凹領域を形成し、この凹
領域のみに微小な凹凸を形成した後、 この微小な凹凸が形成された上記凹領域にダイヤモンド
粒子による表面傷付け前処理を実施し、 該基板上に薄膜ダイヤモンドを気相合成することを特徴
とする薄膜ダイヤモンドの製造方法。7. The substrate surface is patterned at equal intervals by a photolithography technique to form concave regions, and minute concaves and convexes are formed only in the concave regions, and then the concave regions are formed in the minute concave and convex regions. A method for producing a thin film diamond, which comprises performing a surface scratch pretreatment with diamond particles and vapor-synthesizing the thin film diamond on the substrate.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26345992A JPH06116088A (en) | 1992-10-01 | 1992-10-01 | Method of manufacturing thin film diamond |
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| JP26345992A JPH06116088A (en) | 1992-10-01 | 1992-10-01 | Method of manufacturing thin film diamond |
Publications (1)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0948693A (en) * | 1995-08-04 | 1997-02-18 | Kobe Steel Ltd | Method for forming diamond single crystal film |
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| JP2002299264A (en) * | 2001-04-04 | 2002-10-11 | Sony Corp | Forming method for polycrystalline semiconductor membrane and manufacturing method for semiconductor device |
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-
1992
- 1992-10-01 JP JP26345992A patent/JPH06116088A/en active Pending
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