Vol.3 No.4 2010

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シンセシオロジー 研究論文−272−Synthesiology Vol.3 No.4 pp.272-280(Nov. 2010)1 はじめにこれまで単結晶ダイヤモンドは高温高圧法によって工業的に製造されてきた。主にIb型と呼ばれる窒素を含有した黄色い結晶が工具向けに量産されている。高純度で低欠陥の単結晶も合成可能であり、放射光の分光結晶などとして使用される完全に近い単結晶が作製できる[1]。しかし、高温高圧法による単結晶の大型化は1 cm程度が限界とされ、大型加圧設備を必要とするため大幅に大型化することは困難である。これに対して多結晶ダイヤモンド合成やホモエピタキシャル成膜に用いられている化学気相合成(CVD)法は、高温高圧法に比べると大きさの制約は少ない。そのため近年、大型化および低コスト化のためCVD法による単結晶合成が盛んに研究開発されている。私達の開発目的は、次世代パワーデバイス用基板としての利用であり、現状のデバイス試作ラインに必要な2インチウェハの実現を目指している。また超高圧合成により作製が可能な最大1 cm程度の単結晶基板はIb型で100~200万円程度と高価である。CVD法で製造することにより1桁以上の低価格化が期待される。CVD法が最近までダイヤモンド薄膜の合成に使用され、バルク結晶の合成に使用されなかった理由は、成長速度が遅いことと、異常粒子が発生して単結晶成長を長時間維持できなかったからである。したがって、これらの課題を解決することが単結晶CVDダイヤモンド合成の研究課題となっている。本稿では、ダイヤモンドの気相成長について説明した後、単結晶CVDダイヤモンド合成、特にホモエピタキシャル成長において、上述のような課題を解決するための高プラズマ密度化、窒素添加効果などについて述べる。さらに超硬質材料であるダイヤモンドをウェハ状に加工する手段の開発に言及する。茶谷原 昭義*、杢野 由明、坪内 信輝、山田 英明ダイヤモンドは超高圧安定相であることから大型結晶の合成が困難であり、応用は工具など硬度を利用した用途に限られていたが、大きさとコストの課題をクリアできれば、その用途は計り知れない。特に究極の半導体と称され、半導体開発ロードマップ上では、炭化ケイ素SiCや窒化ガリウムGaNの次に位置している。高温動作が可能であり、物質中最高の熱伝導率が活かせるパワーデバイスが実現すれば、例えば、車載用インバータを冷却フリー化でき、低電力損失と冷却システムの軽量化の両面から省エネに貢献できる。本稿では、大型化が可能な気相合成による単結晶ダイヤモンド合成と難加工材であるダイヤモンドをウェハ形状にする技術開発について述べる。単結晶ダイヤモンド･ウェハの開発− マイクロ波プラズマCVD法による大型化とウェハ化技術 −Akiyoshi Chayahara*, Yoshiaki Mokuno, Nobuteru Tsubouchi and Hideaki YamadaDevelopment of single-crystalline diamond wafers- Enlargement of crystal size by microwave plasma CVD and wafer fabrication technology -Industrial application of diamond has been limited to the use of its hardness, e.g., in machining tools, because large size crystals of diamond are difficult to synthesize and very expensive. If these problems are solved, it can be used for various purposes. Diamond is called ‘an ultimate semiconductor’and is located after SiC or GaN in the semiconductor roadmap. If power electronic devices with diamond are realized which utilize its operability under high temperature and the highest thermal conductivity among all materials, the inverters for automobiles can be operated without cooling devices, which lead to energy saving through the reduction of power loss as well as the reduction of weight of the cooling system. The purpose of this paper is to report the process of enlarging the size of single-crystalline diamond using vapor phase epitaxy and the fabrication of diamond wafers.キーワード:単結晶ダイヤモンド、マイクロ波プラズマCVD、結晶成長Keywords:Single-crystalline diamond, microwave plasma CVD, crystal growth産業技術総合研究所 ダイヤモンド研究ラボ 〒563-8577 池田市緑丘1-8-31Diamond Research Laboratory, AIST 1-8-31 Midorigaoka, Ikeda 563-8577, Japan *E-mail: Original manuscript received May 6, 2010, Revisions received June 14, 2010, Accepted June 14, 2010

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