JPH0351675B2 - - Google Patents

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JPH0351675B2
JPH0351675B2 JP58217374A JP21737483A JPH0351675B2 JP H0351675 B2 JPH0351675 B2 JP H0351675B2 JP 58217374 A JP58217374 A JP 58217374A JP 21737483 A JP21737483 A JP 21737483A JP H0351675 B2 JPH0351675 B2 JP H0351675B2
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JP
Japan
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ultraviolet light
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diamond
light
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JP58217374A
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JPS60112697A (ja
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Takuzo Sato
Mitsuo Kasamatsu
Kenso Myazaki
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、ダイヤモンドの光化学的堆積合成
方法およびその装置に関するものである。
〔従来技術〕
切削工具などに利用されている人工ダイヤモン
ドは、黒鉛を超高圧高温状態にすることによつて
合成し、製造されている。
最近では、カーボンや炭化水素ガス中の放電に
より生成される炭素イオンや励起状態の炭素原子
を利用するイオンビーム堆積合成方法(プラズマ
CVD法)や、高熱状態で熱化学的に炭化水素の
化学結合技を解離することにより生成される炭素
原子を利用する熱化学的堆積合成方法(熱CDV
法)例えば特開昭58−91100号等により、ダイヤ
モンドの結晶合成の実験が行われている。後者の
熱化学的堆積合成方法の高熱源としては、高熱タ
ングステン・フイラメントや長波長レーザ光を集
光した高熱基板が用いられている。
上述のように、ダイヤモンドを合成する方法と
しては、大別して、超高圧高温下での合成方法、
イオンビーム堆積による合成方法、熱化学的堆積
による合成方法がある。しかし、超高圧高温合成
方法においては超高圧発生装置を必要とし、その
装置が大型になるなどの欠点があつた。この超高
圧高温合成方法に比較して、イオンビーム堆積合
成方法と熱化学的堆積合成方法では、低圧状態で
ダイヤモンド結晶が合成できるという利点があ
る。しかし、イオンビーム堆積合成方法では放電
により炭素イオンのみならず他原子のイオンも発
生するので不純物が形成される可能性があり、ま
た熱化学的堆積合成方法では炭化水素分子を熱化
学的に分解するので炭素原子の生成効率が劣ると
いう難点があるとともに、この両方法では炭素イ
オンあるいは炭素原子を局所的に集中させること
は困難であるので、ダイヤモンド結晶の成長速度
が遅いという欠点があつた。
〔発明の目的〕
この発明は、上記の欠点を解消するためになさ
れたもので、光化学的堆積合成方法(光CVD法)
を用いることで低圧低温状態で、しかも成長速度
が速いダイヤモンド結晶および薄膜の合成が可能
な方法と装置とを提供することを主目的にしたも
のである。
〔発明の実施例〕
まず、この発明の原理の概略を説明する。
この発明は、紫外光および真空紫外光照射によ
り炭化水素分子の解離を誘起し、その際遊離する
炭素原子を基板上に堆積させダイヤモンド結晶を
合成するものである。原理は次のとおりである。
炭化水素分子は炭素原子Cと水素分子Hとから
構成されており、C−H結合枝、C−C結合枝、
C=C結合枝、C≡C結合枝から成つている。こ
れらの結合枝の化学結合エネルギーは、C−H枝
で98Kcal/mol、C−C枝で80Kcal/mol、C=
C枝で145Kcal/mol、C≡C枝で198Kcal/mol
である。これらの結合枝の化学結合エネルギーよ
り大きいエネルギーを持つ高エネルギー粒子を照
射すると、結合枝を切断することができ、炭素原
子を炭化水素分子から分離させることができる。
このような高エネルギー粒子としては、光量子、
高速イオン、高速電子などが挙げられる。
ここで光量子の持つエネルギーについて記す。
光の周波数をν、波長をλ、光速をcとすると、
この光の1光子の量子エネルギーは、hν=ch/
λで表わされる。ここで、hはプランク定数であ
る。例えば、波長300nmの光量子エネルギー
95Kcal/mol、波長200nmの光量子エネルギー
は143Kcal/mol、波長100nmの光量子エネルギ
ーは286Kacl/molである。そこで、炭化水素分
子のメタンCH4はC−H枝から構成されているの
で、C−H枝の化学結合エネルギー98Kcal/mol
より大きい光量子エネルギーを持つ光、すなわ
ち、約300nmより短波長の光を照射してやると、
C−H枝を切断しメタンを分解することができる
ということになるが、メタンの光吸収帯が160n
m以下にあるので、160nmより短かい波長の光
をメタンに照射すると最も効率よくメタンを分解
でき、炭素原子を遊離することができる。すなわ
ち、次の過程により炭素原子を遊離させることが
できる。
CH4+hν(λ<160nm)→CH3+H、 CH2H2、CH+H2+H、C+2H2 このようにメタンの光分解には波長が160nm
より短かい光を照射すれば良いのであるが、光分
解により遊離した炭素原子を堆積させダイヤモン
ド結晶を合成しようという場合には、結晶の成長
速度を上げるために高出力光源を用い、しかもレ
ンズで基板上に光を集光するのが望ましい。波長
が160nm以下の高出力真空紫外光源としては、
フツ素F2レーザ(波長157nm)やアルゴンAr2
キシマレーザ(波長126nm)などがある。そし
て、波長が160nm以下のレーザは1光子吸収過
程によるメタンの光分解の場合に使用されるが、
2光子吸収過程による光分解の場合を考えると、
波長が320nmより短かい光を照射することによ
つてもメタンの光分解が可能となる。波長が
320nmより短かい高出力真空紫外光源としては、
キセノン塩素XeClエキシマレーザ(波長308n
m)、クリプトンフツ素KrFエキシマレーザ(波
長249nm)、アルゴンフツ素ArFエキシマレーザ
(波長193nm)など数多く存在する。
上記のように、ダイヤモンド結晶を合成するた
めに、炭化水素を分解し遊離炭素原子を生成する
方法としては従来は熱化学的方法がとられていた
が、この発明においては、炭化水素を構成してい
る結合枝の化学結合エネルギーよりも大きい光量
子エネルギーを持つ光を照射することによつて炭
化水素の結合枝を解離させ、炭素原子を遊離させ
ることができる、ということに注目したもので、
この発明の光化学的堆積合成方法は、従来の熱化
学的堆積合成方法に比較して、分子そのものに作
用する直接プロセスであるとともに、低圧低温プ
ロセスであるので省エネルギー的である。
このような光化学的堆積合成によるダイヤモン
ド合成方法は、メタンのみならず他のパラフイン
系炭化水素CnH2o+2に対しても同様な原理が適用
できる。また、二重結合C=C枝を持つ炭化水素
の1つであるエチレンH2C=CH2の光吸収帯は
210nm以下にあり、C=C枝は波長197nm以下
の光照射で解離される。従つて、光源としてアル
ゴンフツ素ArFエキシマレーザ(波長193nm)を
用いると、1光子吸収過程でエチレンを光分解す
ることができる。
次に、上記の原理によつて光化学的堆積合成装
置を図面により説明する。
図面はこの発明の一実施例を示すもので、公知
の高出力紫外光発生装置1から放射される紫外お
よび真空紫外域の高出力光、特にレーザ光あるい
はコヒーレント光を反射鏡2と集光レンズ3を通
して、反応器4の中に設置された基板5の上に窓
10を介して集光する。炭化水素、あるいは炭化
水素と水素の混合ガスは反応ガス供給装置8から
反応器4へ供給される。紫外光および真空紫外光
で炭化水素は光分解され、その際遊離した炭素原
子は基板5上に堆積し、基板5上でダイヤモンド
結晶が成長する。基板5上で成長するダイヤモン
ド結晶の品質や成長速度などは基板温度に依存す
るので、基板温度を最適化するために加熱用のヒ
ータ6を基板5の下に設置する。ヒータ6の温度
は温度コントローラ7で制御する。使用後の反応
ガスは、ガス排気装置9により排気する。
例えば、高出力紫外光発光装置1としてKrFエ
キシマレーザ(波長:248nm、レーザパレスエ
ネルギー:100mJ)を用い、そのレーザ光をレン
ズを通して反応器4の中に設置された基板5(材
質:シリコンSi、基板温度:500℃)の表面に集
光する。反応ガス供給装置8を用いて、反応ガス
(アセチレンC2H2と水素H2の混合ガス、アセチ
レン濃度:10%、ガス圧:10Torr、ガス流量50
ml/分)を反応器4の中に供給する。この条件で
レーザのパルス繰返し数50ヘルツ(Hz)で、全レ
ーザパルス数12万パルス(全照射エネルギー:1
万2千J)を基板5の表面に照射した実験結果に
おいて、薄膜の形成が観測された。更に、レーザ
ラマン分光計を用いて散乱スペクトルを測定した
ところラマンシフトが1330cm-1のところにピーク
に示したことから、ダイヤモンドが形成されてい
ることが証明された。
ここで使用したアセチレンは、三重結合(C≡
C)を持つた炭化水素である。従つて、メタンや
エチレン系の結合は、この実験条件であれば、十
分に光解離を起こしてダイヤモンド膜が形成でき
ることになる。
〔発明の効果〕
以上説明したようにこの発明は、炭化水素の反
応ガスに高出力紫外光を基板上に照射することに
より反応ガスを分解させるとともに、加熱した基
板上に前記反応ガスの分解により遊離した炭素原
子を堆積させてダイヤモンド結晶を成長させるよ
うにしたので、従来の熱化学的堆積合成に比べて
低圧、低温の工程で、かつ、成長速度が速いため
エネルギーの消費が少なく、製造コストが低減で
きる利点を有する。また、この発明による装置は
集光レンズを介して基板上に高出力紫外光を集中
的に照射させる構成であるため、高能率で基板上
に結晶を合成できる利点があるとともに、光源と
して大出力エキシマレーザを用いることにより大
型結晶の育成も可能となる。さらにこの装置は構
成が簡単で製作も容易であるので、非常に安価で
ある。
【図面の簡単な説明】
図面はこの発明の一実施例を示す概略構成図で
ある。 図中、1は高出力紫外光発生装置、2は反射
鏡、3は集光レンズ、4は反応器、5は基板、6
はヒータ、7は温度コントローラ、8は反応ガス
供給装置、9はガス排気装置、10は窓である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 炭化水素系の反応ガスに高出力紫外光を照射
    することにより、前記反応ガスを分解させるとと
    もに、加熱した基板上に前記反応ガスの分解によ
    り遊離した炭素原子を堆積させてダイヤモンド結
    晶および薄膜を成長させることを特徴とするダイ
    ヤモンドの光化学堆積合成方法。 2 高出力紫外光発生装置と、この高出力紫外光
    発生装置からの高出力紫外光を集光レンズを介し
    て導入し内部の基板に照射させる反応器と、前記
    基板を加熱するヒータと、前記反応器に反応ガス
    を供給する反応ガス供給装置と、前記反応器内の
    反応ガスを排気するガス排気装置とを備えたこと
    を特徴とするダイヤモンドの光化学的堆積合成装
    置。
JP58217374A 1983-11-18 1983-11-18 ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置 Granted JPS60112697A (ja)

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