日本产综研开发出大量生产晶圆状大型单晶金刚石技术

日本产业技术综合研究所（产综研）钻石研究中心单结晶底板开发小组开发出了大型单结晶钻石晶圆制造技术。该技术结合运用了两种技术：由籽晶直接制造薄板状钻石单结晶的“直接晶圆化技术”，以及通过依次改变生长方向、反复进行气相沉积合成（CVD）实现了结晶大型化的技术。钻石拥有高硬度、高热传导率、较宽的光透过波长频带与带隙、低介电率以及出色的化学稳定性等有用的物性。因此，电子业界希望用其制造出性能超过硅（Si）类及碳化硅（SiC）类的元件。不过，能够大量生产大型单结晶钻石晶圆的技术却一直未得以确立。
    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。