JPH02124797A - ダイヤモンドの気相合成方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 アーク放電を用いるプラズマ溶射法により、放電ガスを
分解してプラズマジェットに変え、このジェットからダ
イヤモンドを気相合成する方法に関し、 ダイヤモンドを高速に、使用する放電ガスの供給につい
ての制限を受けることなくかつ再現性よく気相合成する
ことを目的とし、 選ばれた原料ガスを、そのガスの反応を触媒して前記放
電ガスを生成し得る触媒の存在において反応させて前記
放電ガスを調製するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明はダイヤモンドの気相合成方法及び装置に関する
。本発明は、さらに詳しく述べると、アーク放電を用い
るプラズマ溶射法により、放電ガスを分解してプラズマ
ジェットに変え、このジェットからダイヤモンドを気相
合成する方法及び装置に関する。本発明方法及び装置を
用いると、良質のダイヤモンド膜を高速及び高再現性で
基板等上に堆積させることができる。また、その際、放
電ガスの調製に触媒反応を利用するので、使用する放電
ガスの供給についての制限、例えば価格、入手容易性な
どの制限、を受けることがない。得られるダイヤモンド
膜は、電子材料などの用途において広くかつ存利に用い
ることができる。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドは、薄膜の形態のものも含めて、すぐれた
特性を有していることは周知の通りである。例えば、ダ
イヤモンドは、熱伝導率が非常に高くてそれは約２００
０Ｗ／ｍＫと銅の４倍にも相当し、しかも硬度や絶縁性
にもすぐれており、半導体装置のためのヒートシンク、
回路基板材料として、理想的な材料である。また、ダイ
ヤモンドは、紫外域から赤外域までの広い波長範囲で透
光性にすぐれており、光学材料としてすぐれている。さ
らにまた、ダイヤモンドは、バンドギャップが５．４ｅ
Ｖと広く、キャリア移動度の高い半導体でもあり、高温
トランジスタ、高速トランジスタ等の高性能デバイスの
製作用としても注目されている。

従来、良質のダイヤモンドを気相合成する方法として化
学気相成長法（ＣｈｅＩＩＩｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ。

ＣＶＤ法）、特にマイクロ波プラズマ法があるが、これ
には成膜速度が遅い（数Ｉｎａ／ｈもしくはそれ以下）
という欠点が具わっている。これに対して、近年、アー
ク放電を用いるプラズマ溶射法（出願人は、この方法を
特に“プラズマジエン１−ＣＶＤ法”とも呼ぶ）が出願
人によって開発された。この改良された方法は、下記の
知見：■ダイヤモンドを高速で気相合成するには、水素
原子や炭化水素ラジカル等の活性種を高い密度で基板上
に供給しなければならない；■上記のような高いラジカ
ル濃度は熱プラズマを発生させることにより得られるが
、熱プラズマは、その温度が５０００℃以上と高いため
、そのま＼基板上に供給することができない；■したが
って、熱プラズマを急冷し、高温度での高いガス解離率
をそのま＼凍結させた、低温度でも高いラジカル濃度を
有する非平衡プラズマを基板上に供給する；にもとづい
ている。さらに詳しく述べると、この方法は、本願にお
いて特に放電ガスという出発ガスを装置の放電電極部に
供給し、アーク放電により発生させた熱プラズマをプラ
ズマジェットとして水冷せる基板上に吹き付けることに
よりその熱プラズマを急冷し、よって、ダイヤモンドの
薄膜を基板上に高速で成長させることからなる。実際、
この従来の方法によれば、ダイヤモンド膜を成膜速度約
１００〜１５０　ｔ、ｍで高速に作製することができる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記した従来の方法は、しかし、放電電極部に供給され
るべき放電ガス、通常、炭素化合物を含むガスの選択に
問題点を残している。すなわち、このようなガスとして
、メタン等の炭化水素やアセトン、メチルアルコール、
エチルアルコール、二酸化炭素などの炭素化合物と水素
の混合ガスに少量の不活性ガス（放電を安定化するもの
で、アルゴンやヘリウムなど；必要に応じて使用）を添
加したものが一最に用いられるけれども、特に、放電ガ
ス中の炭素化合物の種類により放電電圧が変化し、再現
性良くダイヤモンドを合成できないことがある。また、
適切な炭素化合物があったとしても、それを使用したい
時に常に容易に入手できるとは限らない。従来の方法で
は、このような障害があるために、ダイヤモンド膜を高
速に、かつ滑らかな均一の膜として成長させ得ないこと
が屡々である。

本発明の目的は、したがって、ダイヤモンドを高速に、
使用する放電ガスの供給についての制限を受けることな
くかつ再現性良く気相合成することを可能にすることに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記した目的は、本発明によれば、アーク放電を用いる
プラズマ溶射法により、放電ガスを分解してプラズマジ
ェットに変え、このジェットからダイヤモンドを気相合
成する方法において、選ばれた原料ガスを、そのガスの
反応を触媒して前記放電ガスを生成し得る触媒の存在に
おいて反応させて前記放電ガスを調製することを特徴と
するダイヤモンドの気相合成方法；そしてアーク放電を
用いるプラズマ溶射法によってダイヤモンドを気相合成
するものであって、下記の手段： 同心円状に配置されていて、それらの中間の環状間隙を
放電ガスが放電部位に向けて送られるようになっている
カソード及びアノード；及び前記電極に高電圧を印加し
てアーク放電を生ぜしめるための高電圧印加手段； を有している装置において、 前記カソード及びアノードの構成する環状間隙内に、原
料ガスの反応を触媒して前記放電ガスを生成し得る触媒
が充填されており、よって、選ばれた原料ガスを前記触
媒の存在において反応させることにより前記放電ガスを
供給することができることを特徴とするダイヤモンドの
気相合成装置；によって達成することができる。

本発明の方法及び装置は、上記から理解されるように、
放電ガスを選ばれた原料ガスの触媒反応（分解、結合、
改質等）により調製することを必須としており、但し、
触媒反応の条件や原料ガス及び触媒の種類などは、所望
とする放電ガス、特に炭素化合物が得られる限りにおい
て限定されるものではない。すなわち、放電ガスの決定
後、それに最も適したものの組み合わせを入手容易性な
どの条件を考慮して適宜決定することができる。

本発明において用いることのできる組み合わせ例（原料
ガス−触媒−放電ガス）をいくつか列挙すると、法要の
通りである。

加重しム人」４しシ臥し Ｏ エタノール エタノール パラフィン プロピレン ２−プロパツール プロピレン ｎ１Ｌ− Ｎｉ／ＳｉＯ□−ＡＩ！ｔＯｓ Ａ’ｌｔＯｘ ＭｇＯ−ＴａＯ２／５ｉＯｚ 脱水１１！ＢＯｉ ＣｏｓＬ−ＭｏＯｉ Ａｇ　　、　　Ｃｕ ＦＩｏＯｙ／Ａ　１　ｔＯ＋ 放電１！ヨｔ［服１ メタン エチレン ブタジェン アルコール アセトン アセトン エチレン スチルヘン＋エチレン ＣＯ＋＋＋Ｚ ＣａＯ−ＷＯｉ／５ｉＯｚ　　　スチレンＦｅ−Ｃｕ−
ＫｚＯ／５ｉＯｚ　　炭化水素なお、これらの触媒は、
カソード及びアノードによって形成される環状間隙の所
定の部位に任意の固定手段を用いて充填することができ
る。例えば、触媒化学の分野で一般的なメソシュやガラ
スウールの使用が推奨される。触媒の充填密度等は所望
とする結果に応じて適宜選択することができる。

〔作　用〕

供給する原料ガスの種類に従い触媒を変更することで、
任意の放電ガスを得ることができる。これにより、放電
ガスの組成を一定に保つことが可能になり、放電ガスの
種類に原因する放電電圧の差異をなくすことができ、ひ
いては再現性よくダイヤモンドを合成することが可能と
なる。また、触媒は、アーク放電部分の余熱により、そ
の充填位置を適度に設定することで最適な温度範囲に保
つことができ、特に加熱の必要はない。

〔実施例〕

第１図は、本発明によるダイヤモンド気相合成装置の好
ましい一例を示した略示図である。

本発明の装Ｗの主体はプラズマトーチ１０である。この
トーチ１０は、棒状カソード１とそれに同心的に配置さ
れた円筒状のアノード２とからなる。これらの電極の形
状は、両者が同心円状に配置されていて中間に放電ガス
５のための環状間隙ができていれば、上記以外のもので
あってもよい。

これらの電極は、通常、ステンレス鋼やグラファイトな
どから製作することができる。カソード１及びアノード
２に高電圧を印加してトーチｌＯのノズル１５でアーク
放電（アーク６）を生せしめるための高電圧印加手段は
、図示の場合、アーク電極３である。基板１１は、基板
ホルダ１３上に載置されていて、ダイヤモンド膜１２を
堆積可能である。基板１１は、得られるダイヤモンド膜
１２の使途などに応じているいろに変更することができ
、−例を示すと、シリコン、モリブデン、白金などをあ
げることができる。なお、図では、画電極に印加する電
圧として直流の例が示されているけれども、交流の電源
を用いても同様な効果が得られることを理解されたい。

ダイヤモンド膜形成のための放電ガス５は、先ず原料ガ
ス４を触媒１４の存在において適当な触媒反応に供し、
原料ガス４中に含まれる炭素化合物を放電ガスに必要な
炭素化合物に変えることによって供給することができる
。この放電ガス５はノズル１５で発生したアーク６によ
ってプラズマ化され、さらにノズル１５から噴出したプ
ラズマジェット９が基板ｌｌ上で急速に冷却されてダイ
ヤモンド膜１２を形成する。ここで、ダイヤモンドの合
成速度は極めて速く、通常約１００〜１５０趨／ｈ、場
合によっては２００Ａ！ＩＩ／ｈに近いこともある。な
お、図中の７はチャンバであり、これには冷却ガス８の
ための装入口が取り付けられている。

実見炎上 第２図に略示の成膜装置を用いてダイヤモンド膜を気相
合成した。図中、第１図と同じ手段には同じ参照番号が
用いられており、また、１６はトーチ１０のための冷却
水配管、１７は基板１１のマニピュレータ、１８はトー
チｌＯのマニピュレータ、２０は流量計、２１は原料ガ
スのガスボンベ、２２は放電ガス供給管、２３は冷却ガ
ス供給管、２５は冷却ガス噴出管、そして２６は排気系
である。

５　ｃｍ角の（１１１）シリコン基板をプラズマトーチ
のノズルの下方２０１ｍのところにセットし、チャンバ
をロータリーポンプでＩ　Ｘ　１Ｏ−ｔＴｏｒｒまで排
気した。Ｈ，ガス２０ＬＭ及びＣＯガス１００　ＳＣＣ
ＭをＮｉ／５ｉＯｚＪ　ｌ　ｚ（ｈ触媒に通して２００
〜５００℃で触媒反応させてＣＯをメタンに変化させた
。このメタン含存の放電ガスを用いて放電出力２　ｋＷ
、系内圧力３０Ｔｏｒｒで１時間にわたって成膜を行っ
たところ、メタンを原料とした時と同様の電圧での成膜
が可能となり、高品質のダイヤモンド膜を再現性良く高
速で成膜することができた。

〔発明の効果〕

本発明によれば１．プラズマシェフ１−ＣＶＤ法におい
て、原料の炭素化合物ガスを化学変化等の触媒反応によ
り任意の放電ガスとすることができ、放電ガスによる放
電電圧の差異を小さくすることが可能となり、ひいては
ダイヤモンドを再現性よく作製することができる。さら
に、本発明によれば、入手容易な原料ガスを好んで用い
ることができるので、コストダウン等のメリットも生じ
てくる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のダイヤモンド気相合成装置の好まし
い一例を示した略示図、そして第２図は、本発明の装置
の一使用例を示した略示図である。 図中、１はカソード、２はアノード、３はアーク電源、
４は原料ガス、５は放電ガス、６はアーク、７はチャン
バ、８は冷却ガス、９はプラズマジェット、１０はプラ
ズマトーチ、１１は基板、１２はダイヤモンド膜、１３
は基板ホルダ、１４は触媒、そして１５はノズルである
。 本発明のダイヤモンド気相合成装置 第１図 ７Ｏ嘲チヤンバ １５１φノズル 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーク放電を用いるプラズマ溶射法により、放電ガ
   スを分解してプラズマジェットに変え、このジェットか
   らダイヤモンドを気相合成する方法において、 選ばれた原料ガスを、そのガスの反応を触媒して前記放
   電ガスを生成し得る触媒の存在において反応させて前記
   放電ガスを調製することを特徴とするダイヤモンドの気
   相合成方法。 ２、アーク放電を用いるプラズマ溶射法によってダイヤ
   モンドを気相合成するものであって、下記の手段： 同心円状に配置されていて、それらの中間の環状間隙を
   放電ガスが放電部位に向けて送られるようになっている
   カソード及びアノード；及び前記電極に高電圧を印加し
   てアーク放電を生ぜしめるための高電圧印加手段； を有している装置において、 前記カソード及びアノードの構成する環状間隙内に、原
   料ガスの反応を触媒して前記放電ガスを生成し得る触媒
   が充填されており、よって、選ばれた原料ガスを前記触
   媒の存在において反応させることにより前記放電ガスを
   供給することができることを特徴とするダイヤモンドの
   気相合成装置。