此前的工艺技术为了得到板状钻石,通常将大型单结晶(晶锭)切成薄片,这处理,形成的切缝就会产生约1/3的加工损失,而且在晶圆加工后还要进行背面研磨等复杂的工序,这些均是有助于实现实用化的大量生产的障碍。
产综研为了解决上述课题,从2003年开始就一直在研究利用微波等离子CVD法对大型单结晶钻石进行合成的方法。截止目前已在大小为1克拉单结晶钻石的合成方面获得了成功。
该研究发现,通过在1200℃附近对表面温度进行精密控制,并准确控制向甲烷及氢形成的反应气体中添加的氮的含量,可控制方位不同的异常结晶的生长。另外,产综研表示,通过优化钻石结晶的生长条件,可实现比原来快5倍以上的50μm/小时的合成。
此次应用该方法进行了反复生长。该技术的特点是能够以(100)面为生长面继续生长。最初使具有(100)面的籽晶呈棒状生长,接着对称为(010)面的侧面进行研磨、使结晶在该面上生长,然后再使结晶在(100)面上生长,从而使结晶逐渐大型化。采用该方法可制造6.6克拉的钻石单结晶。
此外,产综研还开发出了可减少损失、切割出板状的直接晶圆化技术。直接晶圆化技术可在几乎不浪费籽晶的情况下将晶圆切割成板状,此次以良好的再现性制造出了10mm见方的晶圆状钻石。直接晶圆化技术在气相沉积生长之前,事先注入作为籽晶的单结晶,然后在表面正下方导入缺陷层。气相沉积生长后,缺陷层便会形成石墨构造,因此能够以电气化学性蚀刻去除。该方法在切割籽晶时会损失部分籽晶,不过其消耗仅在1μm以下。可反复使用籽晶,切离的晶圆还可作为籽晶使用。这样一来就不再需要制造晶锭,而且也不需要背部研磨部分的生长。
此次由于使用的CVD装置的关系,所制造的晶圆最大只有10mm见方,不过为了扩大钻石半导体元件应用的可能性,今后将力争制造出1英寸以上的晶圆。今后将致力于通过改进等离子发生装置来实现均一化及大面积化,并采取导入现场观察技术等手段来提高结晶质量。
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