JPH0218391A - Method for synthesizing thin diamond film in vapor phase - Google Patents

Method for synthesizing thin diamond film in vapor phase

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JPH0218391A
JPH0218391A JP16587488A JP16587488A JPH0218391A JP H0218391 A JPH0218391 A JP H0218391A JP 16587488 A JP16587488 A JP 16587488A JP 16587488 A JP16587488 A JP 16587488A JP H0218391 A JPH0218391 A JP H0218391A
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JP
Japan
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gas
substrate
diamond
plasma flame
raw material
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JP16587488A
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Japanese (ja)
Inventor
Michifumi Nika
通文 丹花
Keisuke Chijiiwa
千々岩 恵介
Hiroyuki Suetsugu
末次 博幸
Yoshikazu Kondo
近藤 嘉一
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Toyo Kohan Co Ltd
Original Assignee
Toyo Kohan Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To stably obtain a good-quality thin diamond film by keeping the activated state of the raw gas activated by a thermoelectron radiating material with the high-temp. plasma flame obtained by the arc discharge in an inert gas and introducing the concd. activated species to a substrate. CONSTITUTION:A substrate 6 and the thermoelectron radiating material 12 are arranged in a reaction vessel 1, an inert gas 9 and gaseous hydrogen 11 are supplied into the vessel 1, an electric discharge is generated from a non- transferable DC arc discharge torch 4 in the gases to produce a high-temp. plasma flame. A raw gas 14 contg. an org. gas is introduced into the vessel 1, pyrolyzed by the thermoelectron radiating material 12, and activated. The activated state is kept by the plasma flame. The concd. active specifies are introduced to the substrate 6 to stably obtain a good-quality thin diamond film.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、予め有機化合物単独あるいは水素ガスとの混
合ガスからなる原料ガス(以後単に有機化合物を含有す
る原料ガスと呼ぶ)を熱電子放射材で熱分解して活性化
し、一方不活性ガス及び水素ガスからなる混合ガスに非
移行式直流アーク放電させて発生させた高温プラズマ炎
によって、前記有機化合物を含有する原料ガスの活性状
態を維持して活性種を高濃度で基板に導くことによって
、膜質の良いダイヤモンド薄膜を高速でしかも安定して
形成する気相合成方法に関する。
Detailed Description of the Invention [Industrial Application Field] The present invention is directed to thermionic emission of a raw material gas (hereinafter simply referred to as a raw material gas containing an organic compound) consisting of an organic compound alone or a mixed gas with hydrogen gas in advance. The raw material gas containing the organic compound is activated by thermal decomposition, and the active state of the raw material gas containing the organic compound is maintained by a high-temperature plasma flame generated by non-transitional DC arc discharge in a mixed gas consisting of an inert gas and hydrogen gas. The present invention relates to a vapor phase synthesis method for rapidly and stably forming a diamond thin film of good quality by introducing active species to a substrate at a high concentration.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、低圧で気相からダイヤモンドを合成する方法とし
ては、次のような方法が知られている。
Conventionally, the following methods are known as methods for synthesizing diamond from a gas phase at low pressure.

1)放電感=より炭素イオンあるいは炭化水素イオンを
造り、これを電位勾配によって加速し、基板表面基;衝
突させてダイヤモンドを析出させるイオンビーム法やイ
オンブレーティング法。
1) Discharge sensation: Ion beam method or ion brating method in which carbon ions or hydrocarbon ions are created, accelerated by a potential gradient, and collided with substrate surface groups to precipitate diamond.

2)炭化水素ガスと水素ガスからなる原料ガスを、低圧
で放電により低温プラズマを発生させて活性化し、該プ
ラズマ中で基板表面にダイヤモンドを析出させる気相合
成法。
2) A vapor phase synthesis method in which raw material gas consisting of hydrocarbon gas and hydrogen gas is activated by generating low-temperature plasma by electric discharge at low pressure, and diamond is deposited on the substrate surface in the plasma.

3)炭化水素ガスと水素ガスからなる原料ガスを、加熱
した熱電子放射材で活性化し、基板表面にダイヤモンド
を析出させる気相合成法(例えば特開昭58−9110
0)。
3) A vapor phase synthesis method in which a raw material gas consisting of hydrocarbon gas and hydrogen gas is activated with a heated thermionic emitter to precipitate diamond on the substrate surface (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-9110
0).

4)炭化水素ガス、水素ガス及び不活性ガスから選ばれ
た単独ガスまたは混合ガスに、放電により高温プラズマ
を発生させて該高温プラズマ中で炭化水素を活性化し、
基板表面にダイヤモンドを析出させる気相合成法(例え
ば特開昭62−158195、及び第35回応用物理学
関係連合講演会予稿集、29a−T−7)。
4) activating hydrocarbons in the high-temperature plasma by generating high-temperature plasma by electric discharge in a single gas or a mixed gas selected from hydrocarbon gas, hydrogen gas, and inert gas;
A vapor phase synthesis method in which diamond is deposited on the surface of a substrate (for example, JP-A-62-158195 and Proceedings of the 35th Applied Physics Association Conference, 29a-T-7).

しかし、これらの方法にはそれぞれ次のような長所及び
今後解決すべき問題点がある。
However, each of these methods has the following advantages and problems that need to be solved in the future.

1)の方法は、常温で各種材料の基板表面へダイヤモン
ド状炭素膜を析出させることができる長所があるが、加
速されたイオンを用いるため、析出したダイヤモンドに
欠陥が多く結晶性の良いダイヤモンドは得難く、またイ
オンビーム密度を高くできないので、析出速度が遅いと
いう問題点がある。
Method 1) has the advantage of being able to deposit a diamond-like carbon film on the surface of a substrate made of various materials at room temperature, but because accelerated ions are used, the deposited diamond has many defects and is not a diamond with good crystallinity. Since it is difficult to obtain and the ion beam density cannot be increased, there is a problem that the deposition rate is slow.

2)の方法は、各種材料の基板表面にダイヤモンド微結
晶を得ることができるが、グロー放電による低温プラズ
マを用いるため、ガス圧が通常0.3気圧以下と低くな
ければプラズマが発生せず、またイオン、ラジカル等の
活性種濃度も最大1096程度と低いため、ダイヤモン
ドの成長速度が遅い(最大数μm/h)という問題点が
ある。この低温プラズマでのガス(イオン、原子、分子
)温度は、およそ1.400℃以下である。
Method 2) can obtain diamond microcrystals on the surface of a substrate made of various materials, but because it uses low-temperature plasma caused by glow discharge, plasma will not be generated unless the gas pressure is low, usually 0.3 atmospheres or less. Furthermore, since the concentration of active species such as ions and radicals is low at a maximum of about 1096, there is a problem that the growth rate of diamond is slow (maximum several μm/h). The gas (ion, atomic, molecule) temperature in this low-temperature plasma is approximately 1.400° C. or lower.

3)の方法は、各種材料の基板表面Cニダイヤモンドの
微結晶を得ることができるが、熱電子放射材から基板(
−至る間でガス温度が低下し易く、ガス温度が低下する
と活性種濃度が低下するので、熱電子放射材と基板との
間隔を1〜5aaと極めて狭くする必要がある。そのた
め良質のダイヤモンド薄膜が得られる面積が極めて狭い
範囲に限定され、また成膜速度が数μm/hと遅いとい
う欠点がある。
Method 3) can obtain C2 diamond microcrystals on the substrate surface of various materials;
- The gas temperature tends to drop during the process, and when the gas temperature drops, the concentration of active species drops, so it is necessary to make the distance between the thermionic emitting material and the substrate extremely narrow, 1 to 5 aa. Therefore, the area over which a high-quality diamond thin film can be obtained is limited to an extremely narrow range, and the film-forming rate is as slow as several μm/h.

また、この方法を改良した方法、即ち熱電子放射材に対
して基板を正として直流電圧を印加し、熱1与 電子放射材から放出された熱電子を基板に照射する方法
が提案されているが、この方法においても同様な問題が
依然として残されている。
In addition, a method has been proposed that is an improved version of this method, that is, a method in which a DC voltage is applied to the thermionic emitting material with the substrate as positive, and the substrate is irradiated with thermionic electrons emitted from the thermal electron emitting material. However, similar problems still remain with this method.

4)の方法は、高温プラズマを用いるから、低温プラズ
マを用いる方法よりも活性種濃度が高くダイヤモンド薄
膜を高速で合成でき、放電電力と有機化合物供給量を上
げることC:よって成膜速度を200μm/hと著しく
向上させることができる長所があるが、非移行式直流ア
ーク放電を利用する方法に限定してみれば、有機化合物
をプラズマ発生用ガスと共に供給すると、ガスの混合状
態の変動及び有機化合物の分解の際に電極が炭化される
こと等C二よって放電状態が変動して、ダイヤモンド薄
膜を安定して形成することが困難であること、また一定
の放電電力において成膜速度、を上げるためには有機化
合物供給量を上げて行く必要があり、この時有機化合物
を高温プラズマ中で分解するから分解効率が上がらず、
得られるダイヤモンド中の黒鉛状炭素含有率が増加して
ダイヤモンドの膜質が低下すること等の問題がある。
Since method 4) uses high-temperature plasma, it has a higher concentration of active species than the method using low-temperature plasma, and can synthesize a diamond thin film at a higher speed, increasing the discharge power and the amount of organic compound supply. However, when limiting the method to non-transfer type DC arc discharge, supplying an organic compound together with a plasma generating gas can reduce fluctuations in the gas mixture state and Carbonization of the electrode during the decomposition of the compound causes fluctuations in the discharge state, making it difficult to form a diamond thin film stably, and increasing the film formation rate at a constant discharge power. In order to achieve this, it is necessary to increase the amount of organic compounds supplied, but at this time, the organic compounds are decomposed in high-temperature plasma, so the decomposition efficiency does not increase.
There are problems such as an increase in the graphitic carbon content in the resulting diamond and a deterioration in the quality of the diamond film.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

本発明は前記3)及び4)の方法Cおける問題点を改善
すべくなされたもので、その目的は、同じ放電電力で比
べたとき、黒鉛状炭素含有率が低く明確なダイヤモンド
の結晶形が見られる表面を有する良質のダイヤモンド薄
膜を高速でしかも安定して析出する方法を提供するため
になされたものである。
The present invention has been made to improve the problems in method C of 3) and 4) above, and its purpose is to achieve a clear diamond crystal shape with a low graphitic carbon content when compared at the same discharge power. This invention was made in order to provide a method for rapidly and stably depositing a high-quality diamond thin film having a visible surface.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、非移行式直流アーク放電による高温プラズマ
を利用する方法を産業上応用することを目的として研究
に着手したが、なかなか安定した高温プラズマ炎が得ら
れず、この問題を解決するため、及びその際に新たに生
じた問題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発
明をなすに至った。先ずは、陰極形状及び陽極ノズル穴
形状の選定を行い、そして、プラズマ発生用ガスをアル
ゴンガスと水素ガスからなる混合ガスとして放電させて
高温プラズマ炎を発生させた後に、有機化合物を含有す
る原料ガスを該高温プラズマ炎に供給することS:よっ
て、やっとプラズマ炎を安定させることができた。しか
しこの段階では、得られるダイヤモンド中の黒鉛状炭素
含有率が高く、丸みを帯びてダイヤモンドの結晶形が見
られない薄膜しか得ることができなかった。そこで予め
有機化合物を含有する原料ガスを熱電子放射材で熱分解
して活性化した後に、高温プラズマ炎に供給するように
改善して初めて、ダイヤモンドの結晶形が明瞭に見られ
るダイヤモンド薄膜を安定して得ることができるように
なった。本発明は以上のような知見に基づいてなされた
ものであり、炭素の供給源である有機化合物を含有する
原料ガスの活性化は熱電子放射材によって行い、高温プ
ラズマ炎によって有機化合物を含有する原料ガスの活性
状態を維持して、活性種を高濃度で基板に導くことを特
徴とするものである。
The present invention began research with the aim of industrially applying a method that utilizes high-temperature plasma by non-transfer type DC arc discharge, but it was difficult to obtain a stable high-temperature plasma flame.In order to solve this problem, As a result of extensive research in order to solve the new problems that arose at that time, the present invention was completed. First, the shape of the cathode and the shape of the anode nozzle hole are selected, and after the plasma generation gas is discharged as a mixed gas of argon gas and hydrogen gas to generate a high-temperature plasma flame, a raw material containing an organic compound is selected. Supplying gas to the high temperature plasma flame S: Therefore, the plasma flame could finally be stabilized. However, at this stage, the graphitic carbon content in the resulting diamond was high, and only a thin film with rounded diamond crystal shapes could be obtained. Therefore, the raw material gas containing organic compounds is thermally decomposed and activated using a thermionic emitter, and then supplied to a high-temperature plasma flame. Only then can a diamond thin film in which the diamond crystal form can be clearly seen be stabilized. Now you can get it. The present invention was made based on the above findings, and the raw material gas containing organic compounds, which is a carbon supply source, is activated by a thermionic emission material, and the raw material gas containing organic compounds is activated by a high-temperature plasma flame. This method is characterized by maintaining the activated state of the raw material gas and guiding active species to the substrate at a high concentration.

本発明の方法は、まず反応容器内に有機化合物を含有す
る原料ガスの供給ノズルと熱電子放射材を設置し、この
原料ガスを熱電子放射材で熱分解して活性化し、他方前
記反応容器内に、非移行式直流アーク放電プラズマ発生
トーチを設置し、不活性ガス及び水素ガスからなる混合
ガスに放電させて高温プラズマ炎を発生させ、該高温プ
ラズマ炎の外周に沿って前記有機化合物を含有する原料
ガスの活性状態を維持して活性種を高濃度で基板に導く
ように改善したものである。
In the method of the present invention, first, a supply nozzle for a raw material gas containing an organic compound and a thermionic emitting material are installed in a reaction vessel, the raw material gas is thermally decomposed and activated by the thermionic emitting material, and then the raw material gas is activated in the reaction vessel. A non-transfer type DC arc discharge plasma generation torch is installed inside the chamber, and a mixed gas consisting of an inert gas and hydrogen gas is discharged to generate a high temperature plasma flame, and the organic compound is distributed along the outer periphery of the high temperature plasma flame. This is an improved method that maintains the active state of the raw material gas contained and guides active species to the substrate at a high concentration.

本発明では、熱電子放射材として、タングステンあるい
はタンタル等が用いられる。
In the present invention, tungsten, tantalum, or the like is used as the thermionic emitting material.

上記熱電子放射材の温度は、1.000℃以上、好まし
くは1.500℃以上4800℃の範囲とすることが好
ましい。
The temperature of the thermionic emission material is preferably in the range of 1.000°C or higher, preferably 1.500°C or higher and 4800°C.

本発明では、プラズマ発生用ガスとして、アルゴン、ヘ
リウム等の不活性ガス及び水素ガスからなる混合ガスが
用いられる。水素ガスの供給量は、有機化合物の供給量
に関係し、不活性ガスとの混合割合としては一義的に決
まらないが、プラズマを収縮させプラズマ温度を上げる
ために、不活性ガスに対しOli VOI 4以上とす
ることが好ましい。
In the present invention, a mixed gas consisting of an inert gas such as argon or helium and hydrogen gas is used as the plasma generating gas. The amount of hydrogen gas supplied is related to the amount of organic compounds supplied and is not uniquely determined by the mixing ratio with the inert gas, but in order to contract the plasma and increase the plasma temperature, Oli VOI is It is preferable to set it as 4 or more.

有機化合物としては、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、エチレン、ベンゼン等の炭化水素、メチルアルコー
ル、エテルアルコール、アセトン、ピリジン、メチルメ
ルカプタン等の分子中に酸素、窒素あるいは硫黄を含む
有機化合物、また四塩化炭素等のハロゲン化炭素が挙げ
られる。
Examples of organic compounds include hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, ethylene, and benzene; organic compounds containing oxygen, nitrogen, or sulfur in the molecule such as methyl alcohol, ether alcohol, acetone, pyridine, and methyl mercaptan; Examples include halogenated carbons such as carbon chloride.

反応容器内圧力は、10〜5X10atmの範囲まで用
いることができる。低い子方を維持するためには大がか
りな排ガス設備が必要となり、また高い圧力では圧力容
器が必要となり経済的ではない。このため10−2〜l
Qatmの範囲が好ましい。
The internal pressure of the reaction vessel can range from 10 to 5×10 atm. In order to maintain a low flow rate, large-scale exhaust gas equipment is required, and high pressure requires a pressure vessel, which is not economical. For this reason, 10-2~l
A range of Qatm is preferred.

非移行式直流アーク放電によりて発生させるプラズマ温
度は、熱電子放射材で熱分解して活性化した有機化合物
を含有する原料ガスを活性状態に維持したまま基板に導
く目的に対しては、1,500℃以上であればよいが、
活性種をより高濃度で基板に供給するために1.700
℃以上であることが好ましい。
The plasma temperature generated by the non-transfer type DC arc discharge is 1.5% for the purpose of guiding the raw material gas containing the organic compound thermally decomposed and activated by the thermionic emitting material to the substrate while maintaining it in an active state. , 500℃ or higher is sufficient, but
1.700 to supply active species to the substrate at a higher concentration.
It is preferable that the temperature is ℃ or higher.

基板温度は、400〜1.700℃に維持することが好
ましい。400℃以下ではダイヤモンド中に黒鉛状炭素
の含有率が増加し、1.700℃以上となるとダイヤモ
ンドの析出がみられなくなる。
The substrate temperature is preferably maintained at 400 to 1.700°C. At temperatures below 400°C, the content of graphitic carbon in diamond increases, and at temperatures above 1.700°C, no diamond precipitation is observed.

〔作用〕[Effect]

本発明は、熱電子放射材によって有機化合物を含有する
原料ガスを熱分解することにより大量の活性種を発生さ
せ、そして非移行式直流アーク放電によって発生させた
高温プラズマ炎の温度を利用すること感二より、前記有
機化合物を含有する原料ガスの活性状態を維持して活性
種を高濃度で基板に導き、このとき予め有機化合物を含
有する原料ガスを熱電子放射材で活性化することによっ
て高温プラズマ炎が冷却されるのを回避するように改良
した発明であるから、従来の熱電子放射材を用いる方法
及び高温プラズマ炎中で有機化合物を分解する方法より
も、高速で膜質の良いダイヤモンド薄膜を安定して析出
することができる効果がある。
The present invention generates a large amount of active species by thermally decomposing a raw material gas containing organic compounds using a thermionic emitter, and utilizes the temperature of a high-temperature plasma flame generated by non-transfer type DC arc discharge. According to Kanji, by maintaining the active state of the raw material gas containing the organic compound and guiding the active species to the substrate at a high concentration, at this time, the raw material gas containing the organic compound is activated in advance with a thermionic emitter. Since this invention improves the high-temperature plasma flame to avoid cooling, it is faster and produces a diamond film with better quality than the conventional method using a thermionic emitter or the method of decomposing organic compounds in a high-temperature plasma flame. This has the effect of stably depositing a thin film.

〔実施例〕〔Example〕

以下に、本発明の実施例について説明する。 Examples of the present invention will be described below.

実施例1 第1図は本発明の実施例に用いられる反応装置の概略構
成図である。第1図において、反応容器1の内部シー、
外径が4鴫のトリウム含有タングステン電極2を陰極と
し外径が5mmのノズル穴を有する水冷銅トーチノズル
3を陽極とする市販の定電流非移行式直流アーク放電ト
ーチ(大阪電気株式会社製)4を設置し、それと向かい
合わせて水冷銅基板ホルダー5に、予め1μmのダイヤ
モンドペーストで傷を入れた(100)面を有するンリ
コンクエハ−(信越化学株式会社製)6を設置した。そ
して該基板6の裏面に接点が接するように熱電対7を設
置した。
Example 1 FIG. 1 is a schematic diagram of a reaction apparatus used in an example of the present invention. In FIG. 1, the internal sea of the reaction vessel 1,
A commercially available constant current non-transfer type direct current arc discharge torch (manufactured by Osaka Electric Co., Ltd.) 4 which has a thorium-containing tungsten electrode 2 with an outer diameter of 4 mm as a cathode and a water-cooled copper torch nozzle 3 with a nozzle hole with an outer diameter of 5 mm as an anode. A silicon wafer (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) 6 having a (100) surface and previously scratched with 1 μm diamond paste was placed on a water-cooled copper substrate holder 5 facing it. Then, a thermocouple 7 was installed so that its contacts were in contact with the back surface of the substrate 6.

反応容器1を0.1■Hgまでガス排出口8から排気し
た後、アルゴンガスなアルゴンガス入口9からガスミキ
シングタンク10を通して151!/minの割合で供
給し、トリウム含有タングステン電極2と水冷銅トーチ
ノズル3との間で6OAの定電流直流アーク放電を開始
し高温プラズマ炎を発生させた。この時の高温プラズマ
炎の形状は、直径101、長さ50■であった。
After evacuating the reaction vessel 1 to 0.1 ■Hg from the gas outlet 8, argon gas is passed through the gas mixing tank 10 from the argon gas inlet 9 to 151! /min, and a constant current DC arc discharge of 6OA was started between the thorium-containing tungsten electrode 2 and the water-cooled copper torch nozzle 3 to generate a high-temperature plasma flame. The shape of the high temperature plasma flame at this time was 101 cm in diameter and 50 cm in length.

続いて水素ガスを水素ガス人口11からガスミキシング
タンク10を通して1.5 l!/ minの割合で供
給した。この時の高温プラズマ炎の形状は、直径5圓、
長さ30mmに収縮していた。
Next, hydrogen gas is passed through the gas mixing tank 10 from the hydrogen gas population 11 to 1.5 l! /min. The shape of the high-temperature plasma flame at this time is 5 circles in diameter.
It had shrunk to a length of 30 mm.

そして水冷銅トーチノズル3の出口から50の位置に設
置した外径が0.5閣で長さが120m+のタングステ
ン線を加工して作った外径が31!ll11のコイル1
2に、交流電圧6■を印加して2,100℃とした。そ
してメタンガスをメタンガス人口13から667 / 
minの割合で、そして水素ガスを水素ガス人口15か
ら5 Q d / minの割合で供給し、前記コイル
12で熱分解して活性 化した。そして該活性化したガ
スを前記高温プラズマ炎の外周に沿って基板6に導いた
。この時の高温プラズマ炎の状態は、直径10mm、長
さ60mmに膨らんでいた。
And the outer diameter is 31, which was made by processing a tungsten wire with an outer diameter of 0.5 mm and a length of 120 m+, installed at a position 50 from the outlet of the water-cooled copper torch nozzle 3! ll11 coil 1
2, an AC voltage of 6 cm was applied to the temperature of 2,100°C. And methane gas methane gas population 13 to 667 /
Then, hydrogen gas was supplied at a rate of 5 Q d /min from the hydrogen gas population 15, and was thermally decomposed and activated in the coil 12. The activated gas was then guided to the substrate 6 along the outer periphery of the high temperature plasma flame. At this time, the high-temperature plasma flame had expanded to a diameter of 10 mm and a length of 60 mm.

続いて水冷銅基板ホルダー5に固定した基板6をプラズ
マ炎中1.800℃の位置に押し込み、基板裏面温度が
430℃となるように冷却した。
Subsequently, the substrate 6 fixed to the water-cooled copper substrate holder 5 was pushed into a plasma flame at a temperature of 1.800°C, and cooled so that the temperature of the back surface of the substrate became 430°C.

反応容器1の内圧が250 tm Hgとなるように排
気量を調節しながら、20分間化学蒸着を行った。この
化学蒸着の間プラズマ炎の形状の変動はなく非常に安定
しており、基板裏面温度が±1℃の範囲内で一定してい
た。
Chemical vapor deposition was performed for 20 minutes while adjusting the exhaust volume so that the internal pressure of the reaction vessel 1 was 250 tm Hg. During this chemical vapor deposition, the shape of the plasma flame did not vary and was very stable, and the temperature on the back surface of the substrate remained constant within a range of ±1°C.

その結果として、化学蒸着を施した基板を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、明確なダイヤモンドの結晶形が
見られる表面を有し、膜厚が9.0μmの良質の薄膜が
形成されていた。この時の表面写真を第2図シ:、そし
て断面写真を第3図に示す。
As a result, when the chemical vapor deposited substrate was observed with a scanning electron microscope, it was found that a high-quality thin film with a thickness of 9.0 μm was formed, with a surface showing a clear diamond crystal shape. A surface photograph at this time is shown in Figure 2, and a cross-sectional photograph is shown in Figure 3.

またこの薄膜は、X線ω析により立方晶ダイヤモンド微
結晶で構成されていることが確認された。
Furthermore, it was confirmed by X-ray ω analysis that this thin film was composed of cubic diamond microcrystals.

比較例1 本比較例は、本発明の方法と特開昭62−158195
の方法とを比較する目的で、熱電子放射材を用いなかっ
たこと以外は実施例1と同じ条件で化学蒸着を行った。
Comparative Example 1 This comparative example is based on the method of the present invention and
For the purpose of comparison with the method of Example 1, chemical vapor deposition was performed under the same conditions as in Example 1, except that no thermionic emitting material was used.

本比較例では実施例1で用いた装置をそのまま用いた。In this comparative example, the apparatus used in Example 1 was used as is.

実施例1において、タングステン製コイル12に電圧を
印加することなく、メタンガスをメタンガス人口14か
らプラズマ発生用ガスと混合して供給した以外は実施例
1と全く同様にして化学蒸着を行った。この時のプラズ
マ炎の状態は、直径については実施例1と同様であった
が、長さについては化学蒸着の間非周期的な変動があり
、基板裏面温度が最大±20℃の範囲で振れた。
In Example 1, chemical vapor deposition was performed in exactly the same manner as in Example 1, except that methane gas was supplied from the methane gas port 14 as a mixture with the plasma generation gas without applying a voltage to the tungsten coil 12. The state of the plasma flame at this time was the same as in Example 1 regarding the diameter, but the length fluctuated non-periodically during chemical vapor deposition, and the temperature on the back surface of the substrate fluctuated within a maximum range of ±20°C. Ta.

その結果として、基板の表面の極一部が溶融していた。As a result, only a small portion of the surface of the substrate was melted.

化学蒸着を施した基板を走査型電子顕微鏡で観察したと
ころ、ダイヤモンドの結晶形が見られる表面を有し、膜
厚が3.0μmの薄膜が形成されていた。この時の表面
写真を第4図に、また断面写真を第5図に示す。
When the chemical vapor deposited substrate was observed with a scanning electron microscope, it was found that a thin film with a thickness of 3.0 μm had been formed on the surface where a diamond crystal form was observed. A surface photograph at this time is shown in FIG. 4, and a cross-sectional photograph is shown in FIG.

即ち、熱電子放射材を除く化学蒸着条件が同じであれば
、本発明の方法によって本比較例の方法よりも良質のダ
イヤモンド薄膜を3倍の成膜速度で安定して得ることが
できることが判る。
That is, it can be seen that if the chemical vapor deposition conditions except for the thermionic emitting material are the same, the method of the present invention can stably obtain a diamond thin film of better quality at three times the deposition rate than the method of this comparative example. .

比較例2 この比較例は、本発明の方法と第35会応用物理学関係
連合講演会予稿集、29a−T−7の方法とを比較する
目的で、熱電子放射材を用いながりたこと以外は実施例
1と同じ条件で化学蒸着を行った。
Comparative Example 2 This comparative example uses a thermionic emissive material for the purpose of comparing the method of the present invention and the method of the 35th Association of Applied Physics Conference Proceedings, 29a-T-7. Chemical vapor deposition was performed under the same conditions as in Example 1 except for this.

本比較例では実施例1で用いた装置をそのまま用いた。In this comparative example, the apparatus used in Example 1 was used as is.

実施例1において、タングステン製コイル12に電圧を
印加しなかったこと以外は、実施例1と全く同様にして
化学蒸着を行った。この時の高温プラズマ炎の状態は、
実施例1と同様であり、基板裏面温度も±1℃の範囲内
で一定していた。
In Example 1, chemical vapor deposition was performed in exactly the same manner as in Example 1, except that no voltage was applied to the tungsten coil 12. The state of the high-temperature plasma flame at this time is
This was the same as in Example 1, and the temperature on the back surface of the substrate was also constant within a range of ±1°C.

その結果として、化学蒸着を施した基板を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、丸みを帯びてダイヤモンドの結
晶形の見られない表面を有し、膜厚が2.7μmの薄膜
が形成されていた。この時の表面写真を第6図に、そし
て断面写真を第7図に示す。
As a result, when the chemical vapor deposited substrate was observed using a scanning electron microscope, it was found that a thin film with a thickness of 2.7 μm was formed, with a rounded surface with no diamond crystal shape. . A surface photograph at this time is shown in FIG. 6, and a cross-sectional photograph is shown in FIG.

即ち、熱電子放射材を除く化学蒸着条件が同じであれば
、本発明の方法によって本比較例の方法よ゛りも膜質の
良いダイヤモンドの薄膜を3倍の成膜速度で得ることが
できることが判る。
That is, if the chemical vapor deposition conditions except for the thermionic emitting material are the same, the method of the present invention can produce a diamond thin film with better quality than the method of this comparative example at three times the deposition rate. I understand.

比較例3 本比較例は、プラズマ発生用ガス中の水素ガスのダイヤ
モンドの析出状態への影響をみる目的で、プラズマ発生
用ガスをアルゴンガス単独としたこと以外は実施例1と
同様な条件で化学蒸着を行りた。
Comparative Example 3 This comparative example was conducted under the same conditions as in Example 1, except that argon gas was used alone as the plasma generating gas, in order to examine the effect of hydrogen gas in the plasma generating gas on the state of diamond precipitation. Chemical vapor deposition was performed.

本比較例では実施例1で用いた反応装置をそのまま用い
た。実施例1において、プラズマ発生用ガスをアルゴン
ガス単独としてアルゴンガス入口9から供給し、そして
メタンガスをメタンガス人口13から60 m/ / 
m”の供給速度で、水素ガスを水素ガス人口15から3
001nl/ minの供給速度で供給したこと以外は
実施例1と全く同様C二して化学蒸着を行った。この時
の高温プラズマ炎の状態は、直径8mm、長さ40mで
安定していた。
In this comparative example, the reaction apparatus used in Example 1 was used as is. In Example 1, the plasma generation gas is argon gas alone and is supplied from the argon gas inlet 9, and the methane gas is supplied from the methane gas population 13 to 60 m//
m” supply rate, hydrogen gas population 15 to 3
Chemical vapor deposition was carried out in the same manner as in Example 1 except that the supply rate was 0.001 nl/min. At this time, the high temperature plasma flame was in a stable state with a diameter of 8 mm and a length of 40 m.

しかし、プラズマ発生用ガスをアルゴンガス単独とした
場合、定電流値60Aではプラズマ炎温度が上らず、結
局基板裏面温度が340℃の条件で化学蒸着を終えた。
However, when argon gas was used alone as the plasma generating gas, the plasma flame temperature did not rise at a constant current value of 60 A, and the chemical vapor deposition was eventually completed at a substrate backside temperature of 340° C.

その結果として、化学蒸着を施した基板を走査型電子顕
微鏡で観察したところ、丸みを帯びてダイヤモンドの結
晶形の見られない表面を有し、膜厚が25μmの薄膜が
形成されていた。この時の表面写真を第8図に、そして
断面写真を第9図に示す。
As a result, when the chemical vapor deposited substrate was observed with a scanning electron microscope, it was found that a thin film with a thickness of 25 μm and a rounded surface with no diamond crystal shape was formed. A surface photograph at this time is shown in FIG. 8, and a cross-sectional photograph is shown in FIG. 9.

即ち、プラズマ発生用ガスをアルゴンガス単独として水
素ガスを併用しない場合には、プラズマ炎の温度が上が
らす膜質の良いダイヤモンド薄膜は得られなかった。
That is, when argon gas was used alone as the plasma generating gas and hydrogen gas was not used in combination, a diamond thin film of good quality that would increase the temperature of the plasma flame could not be obtained.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、プラズマ発生用ガスの組成及び混
合状態、反応装置形状そして放電電力等によりプラズマ
炎の状態は大きく変わり、ダイヤモンドの析出状態も大
きく影響を受ける。従って従来技術の方法と全く同一の
化学蒸着条件で比較するのは困難であるが、本願の実施
例の中で示したガス組成及び放電条件で比較すると、本
発明によれば、従来技術の方法である熱電子放射材によ
り有機化合物を含有する原料ガスを熱分解する方法及び
高温プラズマ炎の中で有機化合物を分解する方法よりも
、より明確なダイヤモンドの結晶形が見られる表面を有
する良質の薄膜をより高速でしかもより安定して形成す
ることができる。
As explained above, the state of the plasma flame varies greatly depending on the composition and mixing state of the plasma generating gas, the shape of the reactor, the discharge power, etc., and the state of diamond precipitation is also greatly affected. Therefore, it is difficult to make a comparison with the prior art method under exactly the same chemical vapor deposition conditions, but when compared with the gas composition and discharge conditions shown in the examples of this application, according to the present invention, the prior art method A method of thermally decomposing a raw material gas containing organic compounds using a thermionic emitting material, and a method of decomposing organic compounds in a high-temperature plasma flame. Thin films can be formed faster and more stably.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例1で用いられたダイヤモンドを
合成するための反応装置の概略構成図、第2図は実施例
1で得た試料表面の倍率が4,000倍の走査型電子顕
微鏡写真、第3図は実施例1で得た試料断面の倍率が4
.000倍の走査型電子顕微鏡写真、第4図は比較例1
で得た試料表面の倍率が4.000倍の走査型電子顕微
鏡写真、第5図は比較例1で得た試料断面の倍率が4,
000倍の走査型電子顕微鏡写真、第6図は比較例2で
得た試料表面の倍率が4.000倍の走査型電子顕微鏡
写真、第7図は比較例2で得た試料断面の倍率が4、0
00倍の走査型電子顕微鏡写真、第8図は比較例3で得
た試料表面の倍率が4.000倍の走査型電子顕微鏡写
真、第9図は比較例3で得た試料表面の倍率が4.00
0倍の走査型電子顕微鏡写真である。 1・・・反応容器、2・・・トリウム含有タングステン
電極、3・・・水冷銅トーチノズル、4・・・定電流非
移行式直流アーク放電トーチ、5・・・水冷銅基板ホル
ダー 6・・・シリコンウェハー 7・・・熱電対、8
・・・ガス排出口、9・・・アルゴンガス入口、10・
・・ガスミキシングタンク、11・・・水素ガス入口、
12・・・タングステン製コイル、13・・・メタンガ
ス入口、14・・・メタンガス入口、15・・・水素ガ
ス入口、16・・・冷却水入口、17・・・冷却水出口
。 図 ノ%fL $/図 手、釉πン山正書 (方式) 昭和63年10月12日
Figure 1 is a schematic configuration diagram of the reaction apparatus for synthesizing diamond used in Example 1 of the present invention, and Figure 2 is a scanning electron beam image of the surface of the sample obtained in Example 1 with a magnification of 4,000 times. The micrograph, Figure 3, shows the cross section of the sample obtained in Example 1 at a magnification of 4.
.. 000x scanning electron micrograph, Figure 4 is Comparative Example 1
Figure 5 shows a scanning electron micrograph of the sample surface obtained in Comparative Example 1 at a magnification of 4.000x.
Fig. 6 is a scanning electron micrograph of the surface of the sample obtained in Comparative Example 2 at a magnification of 4.000x, and Fig. 7 is a scanning electron micrograph of the cross section of the sample obtained in Comparative Example 2 at a magnification of 4,0
00x scanning electron micrograph, Figure 8 is a scanning electron micrograph of the sample surface obtained in Comparative Example 3 at a magnification of 4.000x, and Figure 9 is a scanning electron micrograph of the sample surface obtained in Comparative Example 3 at a magnification of 4.000x. 4.00
This is a scanning electron micrograph at 0x magnification. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Reaction vessel, 2... Thorium-containing tungsten electrode, 3... Water-cooled copper torch nozzle, 4... Constant current non-transfer type DC arc discharge torch, 5... Water-cooled copper substrate holder 6... Silicon wafer 7...Thermocouple, 8
...Gas exhaust port, 9...Argon gas inlet, 10.
...Gas mixing tank, 11...Hydrogen gas inlet,
12... Tungsten coil, 13... Methane gas inlet, 14... Methane gas inlet, 15... Hydrogen gas inlet, 16... Cooling water inlet, 17... Cooling water outlet. Illustration %fL $/Illustration, glaze πnzansho (method) October 12, 1986

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims]  反応容器内に基板及び熱電子放射材を配置し、反応容
器内に有機化合物を含有する原料ガスを導入して、この
原料ガスを熱電子放射材で熱分解してラジカルあるいは
イオンなどの活性種を発生させ、該活性種を基板に導い
て基板表面にダイヤモンドを析出させるダイヤモンドの
気相合成法において、不活性ガス及び水素ガスからなる
混合ガスに非移行式直流アーク放電させて発生させた高
温プラズマ炎によって、前記有機化合物を含有する原料
ガスの活性状態を維持して活性種を高濃度で基板に導く
ことを特徴とするダイヤモンド薄膜の気相合成法。
A substrate and a thermionic emitting material are placed in a reaction vessel, a raw material gas containing an organic compound is introduced into the reaction vessel, and this raw material gas is thermally decomposed by the thermionic emitter to generate active species such as radicals or ions. In the diamond vapor phase synthesis method, which generates active species and guides the active species to the substrate to deposit diamond on the substrate surface, the high temperature generated by non-transitional DC arc discharge in a mixed gas consisting of an inert gas and hydrogen gas is used. A method for vapor phase synthesis of a diamond thin film, characterized in that a plasma flame is used to maintain the activated state of the raw material gas containing the organic compound and to guide active species at a high concentration to the substrate.
JP16587488A 1988-07-05 1988-07-05 Method for synthesizing thin diamond film in vapor phase Pending JPH0218391A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443861A (en) * 1991-05-16 1995-08-22 Utp Sshweissmaterial Gmbh & Co. Kg Process for manufacture of synthetic diamond layers on substrates

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5443861A (en) * 1991-05-16 1995-08-22 Utp Sshweissmaterial Gmbh & Co. Kg Process for manufacture of synthetic diamond layers on substrates

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