JPH02145497A - レーザｃｖｄ法によるダイヤモンド合成方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明はダイヤモンドの合成方法に係り、詳しくはレー
ザＣＶＤ法を用いたダイヤモンドの合成方法に関するも
のである。

〈従来の技術〉 ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導率であり透光性が良く
化学的にも安定である等積々の優れた物性を持つ。その
ためダイヤモンドの利用分野は広く、切削工具へのコー
ティング、半導体のヒートシンク、光学材料へのコーテ
ィング、高温動作半導体等への応用が考えられている。

ところで従来ダイヤモンドの合成は高温、高圧下で行わ
れてきたが、近年低温、低圧下での気相合成法の研究が
活発に行われている。

気相合成法によるダイヤモンド合成には加熱したフィラ
メントを用いる方法（特公昭５９−２７７５３号公報）
、マイクロ波等のプラズマを用いる方法（特公昭５９−
２７７５４号公報）がある。他にも種々の方法が開発さ
れているがいずれもこの２法から派生したものと考えら
れる。

上記２法によれば確かにダイヤモンドは再現性良く合成
できる。しかしこの２法には活性ｍ濃度と基体温度が独
立に決定できないという欠点があり、そのためダイヤモ
ンドの成長速度が制限されるという問題がある。

例えば加熱したフィラメントを用いる方法では、成長速
度を上げる（活性種濃度を高める）ためにフィラメント
の温度を上げるかフィラメントと基体間の距離を短くす
ることが必要であるが、その結果基体の温度が上がり過
ぎダイヤモンドがグラファイト化してしまう。またプラ
ズマを用いる方法では成長速度を上げるために投入電力
を上げることが必要であるが、この場合でも基体の温度
が上がり過ぎるため、ある程度しか電力を投入できず成
膜速度もあまり上がらない。

このような欠点のない方法としてレーザを用いたレーザ
ＣＶＤ法がある。この方法によれば原料ガスを分解し活
性種を形成することをレーザの光エネルギーで行うため
、基体温度と活性種濃度を独自に制御することができる
。

従ってダイヤモンドの成長速度が増大する可能性がある
。さらにこの方法によれば、従来ダイヤモンド合成時に
７００°Ｃ以上の高温にしなければならなかった基体温
度を下げられる可能性もある。

上記のように優れたダイヤモンド合成法になり得ると考
えられるレーザＣＶＤ法であるが、現在までのところこ
の方法を用いたダイヤモンドの成長速度は非常に遅いと
いう問題があった。

〈発明が解決しようとする課題〉 零゛発明の目的は上記の問題点を解決し、レーザＣＶＤ
法によるダイヤモンド合成時のダイヤモンドの成長速度
を増大させる方法を提案するものである。

〈課題を解決するための手段〉 本発明は、含炭素化合物と水素との混合ガスをレーザ光
により分解し予め加熱された基体」二にダイヤモンドを
合成するレーザＣＶＤ法において、該基体と所定の間隔
をおいてフィラメントを設置し、該基体と該フィラメン
ト間に電圧を加え、熱電子を該基体上に照射することを
特徴とするレーザＣＶＤ法によるダイヤモンド合成方法
である。

〈作　用〉 本発明の構成並びにその作用について更に具体的に説明
すると、次の通りである。

本発明者等はレーザＣＶＤ法によるダイヤモンド合成の
際にダイヤモンドの成長速度が非常に遅い理由について
検討したところ、ダイヤモンドの成長過程においてダイ
ヤモンドの最表面層にある炭素と水素の結合を切ること
が重要であり、レーザＣＶＤ法の場合その結合を切るほ
どのエネルギーを持った反応活性種が少ないため成長が
遅いことがわかった。またこの炭素と水素の結合を切断
するために電子照射が有効であることを見出した。

更に進んでダイヤモンドの合成条件について研究し、こ
の研究結果に基づいて本発明は成立したものである。

以下、第１図により本発明を更に詳しく説明する。なお
、第１図は本発明を実施する際に用いられるレーザＣＶ
Ｄ装置の一例の説明図である。ここで１は原料ガス、２
は水素ガス、３は添加ガス４はストップバルブ、５はマ
スフローコントローラ、６は反応容器、７は原料供給ノ
ズル、８は基体、９はヒータを内蔵した基体ホルダー、
１０はレーザ光導入窓、１１はレンズ、１２はレーザ光
発振装置、１３はレーザ光、１４はフィラメント、１５
はフィラメント加熱用電源、１６は高電圧電源である。

第１図において原料ガス１は水素ガス２と混合され、場
合により添加ガス３も混合しマスフローコントローラ５
により流量を制御され反応容器６内に原料供給ノズル７
を通し導入される。原料ガス分解用のレーザ光１３はレ
ーザ光発振装置１２より、レンズ１１を通すレーザ光導
入窓１０から反応容器内に導入される。原料ガスは基体
ホルダー９により予め加熱された基体８上でレーザ光に
より分解し基体上にダイヤモンドが合成される。この時
フィラメント１４をフィラメント加熱用電源１５により
熱電子が放出される温度以上に加熱し、さらにフィラメ
ントと基体との間に高電圧電源１６よりフィラメントを
アースとし基体が正になるように電圧を加えることによ
りフィラメントから放出される熱電子を基体上に照射す
る。このことはダイヤモンド最表面の炭素−水素の結合
を切る効果があり、そのため成長速度は増大する。また
核生成を増加させる効果、原料ガスを分解する効果もあ
る。

次に上記の装置によりダイヤモンドを合成する条件につ
いて説明する。

原料ガスとして用いる含炭素化合物は、使用ずるレーザ
光を吸収し分解するものが望ましい。例えば＾ｒＦエキ
シマレーザ（１９３ｎｍ）を使用する場合アセチレンや
四塩化炭素、塩化メチル等が用いられる。しかし添加ガ
スがレーザ光を吸収し分解するものであれば必ずしもレ
ーザ光を吸収しなくてもよい。例えばメタンの吸収帯は
１６０ｎｍであるがこのような短波長の光を発振できる
レーザで発振出力の大きいものはなく安定性も悪い。し
かし添加ガスとして塩素を用いれがＸｅ（Ｊエキシマレ
ーザ（３０１１ｎｍ）により塩素は分解し、塩素原子の
働きによりメタンも分解する。このような原料ガス及び
添加ガスを水素ガスによって２倍以上に希釈して用いる
。

レーザ光発振装置は上述したように原料ガス。

添加ガスいずれかの吸収帯に一致する波長の光を発振す
るものでなければならない。−船釣にこれらのガスは紫
外域に吸収帯を持つ。そのため紫外域に発振波長を持ち
、出力も大きなエキシマレーザを用いることが望ましい
。またより高い光強度を得るためにレーザ光をレンズで
絞ることが望ましい。

基体としてはダイヤモンドの合成温度である７００°Ｃ
以上で損傷しないものが望ましい。例えばモリブデン、
タングステン等の金属、シリコン等の半導体、石英、ア
ルミナ等のセラミックスである。

ガス圧力は吸収係数を考慮すると高い方が望ましいが、
膜質との関係から０．１〜１ｏＯＴｏｒｒが望ましい。

本発明は上記のような条件でダイヤモンドを合成するが
、この場合基体と所定の間隔をおいて加熱したフィラメ
ントを設置し、かつフィラメントに対して基体に正の電
位を加える。このことにより基体上に熱電子が照射され
ダイヤモンドの成長速度が増大する。

このように本発明によれば活性種濃度の制御と基体温度
の制御が独立に可能なため、従来法に仕べて膜質の制御
が容易となり成長速度も向上する。

フィラメントの材料としては融点が２０００℃以上で熱
電子放出を行うタングステン、タンタル等の金属やその
合金が用いられる。フィラメントの形状は場合に応じて
線、コイル状に巻いたもの、メツシュ状のものが用いら
れる。

基板に加える電圧はフィラメントに対して１０〜１００
０　Ｖの範囲が望ましい。ＩＯＶ未満では電子照射の効
果が少なく、１０００　Ｖ以上ではダイヤモンドがグラ
ファイト化する可能性がある。

基体とフィラメント間の距離は圧力により最適値が異な
るだめ規定することは困難であるが、距離が近ずぎると
フィラメントからめ輻射熱の影響を受けるため膜質は悪
化する。距離が遠すぎると電子照射の効果は少ない。

〈実施例〉 第１図に示す装置によりダイヤモンドの合成を行った。

原料ガス１として塩化メチル４．５５ＣＣＭ。

水素ガスを６００ＳＣＣＭで希釈Ｑ反応容器６内に導入
した。レーザ光１３として＾ｒＦエキシマレーザ光（１
９３ｎｍ）を用いレンズ１１で基体上に焦点が合うよう
に絞り導入した。この時のレーザの条件は７０〜９０ｍ
　Ｊ　／　Ｐｕ１ｓｅ　、繰り返し５０１１ｚであった
。圧力は４０Ｔｏｒｒに設定した。フィラメント１４と
して０．１ｍｍφのタングステンを用い、２０００°Ｃ
に加熱した。基体８にはダイヤモンドで研摩したシリコ
ンウェハーを用い、基体ホルダー９により８００°Ｃに
加熱した。フォラメンｌ−七基体の間隔を３０ｍｍとし
フィラメントに対して基体に−１−１８０Ｖの電圧を高
電圧電源１６により印加した。

上記の条件で２時間合成したところ、シリコン基体上に
ダイヤモンドが合成された。粒子の直径は約６−であっ
た。第２図にこのダイヤモンド粒子の走査型電子顕微鏡
写真を示す。

比較のためにフィラメントが無い条件とフィラメントは
あるが電圧を加えない条件での合成を実施例と同様に行
ったところ、いずれもダイヤモンドの形成は確認できな
かった。

このことから明らかなように実施例は比較例に比べて成
長速度が著しく向上していることがわかる。

また上記の条件でレーザ光を照射しない場合は、言うま
でもなくダイヤモンドの生成は見られなかった。

また、本発明のダイヤモンドの成長速度は前記した特公
昭５９−２７７５３号公報及び特公昭５９−．２，７７
５４号公報で得られるダイヤモンドの成長速度の数倍と
大きいことがわかる。

〈発明の効果〉 本発明によれば従来のレーザＣＶＤ法を用いたダイヤモ
ンド合成法に比べて成長速度を著しく向上することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施する際に用いられる装置の一例の
説明図、第２図は実施例により得られたダイヤモンドの
粒子構造を示す走査型電子顕微鏡写真である。 １１・・・レンズ、　　　　　１２・・・レーザ光発振
装置、１３・・・レーザ光、１４・・・フィラメント、
１５・・・フィラメント加熱用電源、 １６・・・高電圧電源、　　　１７・・・排気口。 １・・・原料ガス、 ３・・・添加ガス、 ５・・・マスフローメーター ７・・・原料供給ノズル、 ９・・・基体ホルダー ２・・・水素ガス、 ４・・・ストップバルブ、 ６・・・反応容器、 ８・・・基　体、 １０・・・レーザ光導入窓、

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 含炭素化合物と水素との混合ガスをレーザ光により分解
   し予め加熱された基体上にダイヤモンドを合成するレー
   ザＣＶＤ法において、該基体と所定の間隔をおいてフィ
   ラメントを設置し、該基体と該フィラメント間に電圧を
   加え、熱電子を該基体上に照射することを特徴とするレ
   ーザＣＶＤ法によるダイヤモンド合成方法。