JPH0355435B2

JPH0355435B2 -

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Publication number: JPH0355435B2
Application number: JP62315845A
Authority: JP
Priority date: 1987-12-14
Filing date: 1987-12-14
Publication date: 1991-08-23
Also published as: JPH01157498A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は高温プラズマを利用するダイヤモンド
の製造法に関する。

従来技術本出願人はさきに、直流、低周波交流、高周
波、またはマイクロ波を用いて発生させたガス温
度1700K以上の高温プラズマがダイヤモンドの高
速合成に有効であることを見出した。しかし、高
温プラズマは高い気体温度を有するため、ダイヤ
モンドのような高温で不安定な物質を合成するた
めには、活性種濃度を下げることなく気体の温度
を下げることが必要である。

その温度を下げる方法として、これまで(1)水や
冷媒で冷やして低温にした固体表面に接触させる
方法。(2)冷ガスあるいは冷媒を吹き付ける方法。
(3)気体を断熱膨張させて冷却する方法。(4)磁場を
用いて電磁流体力学的作用により冷却する方法等
を見出した。しかし、(1)，(2)の方法ではダイヤモ
ンドが成長する基体表面あるいは成長空間での温
度不均一が起こり易く、制御が難しい欠点があ
り、また(3)(4)の方法では排気装置や磁場発生装置
等の大型装置を必要とする欠点があつた。

発明の目的本発明は従来方法における欠点を解消すべくな
されたもので、大型装置を必要としない簡便な方
法で、かつダイヤモンド析出基体の温度を均一な
適温に保持し得られ、ダイヤモンドを均一析出さ
せ得られる方法を提供するにある。

発明の構成本発明者は前記目的を達成すべく鋭意研究の結
果、高温プラズマを用いて基体上にダイヤモンド
を析出させる場合、基体またはプラズマトーチを
動かして基体とプラズマの相対的位置を変化させ
ると、容易に基体表面温度を均一に制御し得られ
ダイヤモンドを均一層で得られることを見出し
た。この知見に基づいて本発明を完成した。

本発明の要旨は、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、放電によりガ
ス温度1700K以上の高温プラズマを発生させ、該
プラズマの中で有機化合物または炭素材を分解ま
たは蒸発させて得られる気体からダイヤモンドを
プラズマ中またはプラズマ尾炎部に設置された基
体上に析出させる方法において、基体またはプラ
ズマトーチを動かして基体とプラズマとの相対的
位置を変化させながらダイヤモンドを基体上に析
出させることを特徴とするダイヤモンドの製造
法、にある。

本発明において用いるプラズマは放電により得
られるガス温度が1700K以上の高温プラズマであ
ることが望ましく、これより低いと析出速度がお
そくなる。放電に用いる電源は、直流、低周波交
流、高周波、マイクロ波のいずれでも良く、また
有電極、無電極のいずれでも良い。

プラズマ発生用ガスとしては、炭化水素ガス、
アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスあるいは水素
ガスを単独または混合ガスとして用いられる。

不活性ガス、水素ガスをプラズマ発生用ガスと
して用いる場合は、炭素源として有機化合物ある
いは炭素材をプラズマ中に注入する。有機化合物
としては、プラズマ中で分解し、炭素を含むイオ
ン種、ラジカル種を生成し得るものであれば、ガ
ス状、液状、固体状のいずれでもよい。

例えば、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、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン等の高分子物質、あるいはア
ルコール、アセトン、アミン、塩化メチル、チオ
フエン、トリエチルフオスフイン等の含酸素、含
窒素、含ハロゲン、含硫黄、含リン等の有機化合
物が挙げられる。

また、水素ガスあるいは炭化水素をプラズマ中
に混合する場合には炭素源として一酸化炭素、二
酸化炭素を用いることができ、固体炭素源として
は黒鉛などが挙げられる。

プラズマのガス圧は10^-4〜５×10²気圧までの
範囲で用いられる。低い圧力ではダイヤモンドの
析出速度がおそく、高い圧力ては容器の取り扱い
に手数がかかる欠点が生ずる。

基体を動かす方法としては、基体もしくは基体
を乗せたホルダーを回転させたり、あるいは往復
運転させることにより行うことができる。すなわ
ち、高温プラズマの温度分布を利用し、基体を高
温部と低温部の間、あるいはプラズマが当たる位
置と当たらない位置との間で動かし、その時の運
動速度、周期等により基体表面温度を制御し得ら
れる。これにより基体表面へのダイヤモンドの析
出を均一になし得られる。このような基体を動か
す代わりに、プラズマトーチを動かしても同様に
制御し得られる。

この基体を動かす動作はモーターなどの外部動
力で行うことができるが、ガス流によつても行う
こともできる。

また、この動かす動作と共に例えば外部に電気
抵抗等の適当な負荷をつなぐことにより、流れの
エネルギーをモーターなどを通して外部に取り出
し、基体に当たる気体の温度を下げることもでき
る。この場合の取り出すエネルギー量制御はモー
ターとホルダーのギア比と負荷抵抗を変化させる
ことにより基体の運動速度とは独立に行うことが
できる。

本発明の方法を実施する装置の図面に基づいて
説明する。第１図は高周波放電を、第２図は直流
放電を用いた場合の概要図である。

第１図において、１は高周波プラズマトーチ、
２は高周波電源、３は基体、３′は円板状の基体
ホルダーで外部からモーターで回転できるように
なつている。４はプラズマ、５は析出室、６は排
気装置、７はガス供給装置、８〜８″はガス流量
調節バルブを示す。

操作手順は、まず排気装置６により析出室５及
びプラズマトーチ部を真空にした後、バルブ８′，
８″を通じて所定のプラズマ発生用ガスを供給し、
析出室５を所定の圧力とした後、ワークコイル１
３に電源２より電力を供給しプラズマを発生させ
る。このプラズマ中にバルブ８より原料ガス、あ
るいは固体・流体原料供給装置１４より原料を供
給し、あらかじめ回転運動させておいた基体３上
にダイヤモンドを析出させる。この回転に代わ
り、基体ホルダーを往復運動もしくは二次元的な
運動をさせてもよい。

第２図において、２１は直流プラズマトーチ、
２２は直流電源、３″はスクリユー状の基体ホル
ダー、９は発電用モーター、９′は負荷抵抗で、
他は第１図と同様である。

操作手順は第１図の場合と同様にして（プラズ
マ発生電源が相違するが）プラズマの発生及び原
料ガスの分解を行わせ、基体３上にダイヤモンド
を析出させる。

この場合は基体ホルダー３″をプラズマトーチ
のガス流により回転させ、また、負荷抵抗９′に
電気的エネルギーを取り出す。この負荷抵抗を整
合させることにより基板の温度を低下させる効果
を上げることができる。なお、この回転基体ホル
ダー３″にはスクリユー状に代え、軸流型の回転
子を用いることもできる。

基板としては、モンブデン、ステンレスなどの
金属、シリコンなどの半導体、アルミナ等のセラ
ミツクス、及びダイヤモンド単結晶等が用いられ
る。基体温度は400〜1700℃であることが好まし
い。この温度の調整は、上記の本発明の方法に加
えて、冷媒、ガスによる基体、基体ホルダーの冷
却を併用してもよい。

発明の効果本発明の方法によると、基板温度の冷却を従来
におけるような大型装置を必要とせず、簡便な方
法で容易に制御し得られ、これにより基板上にダ
イヤモンドの膜厚を均一に析出し得られる。

実施例１第１図に示す装置を用い、バルブ８より1.1
ｇ／minのアルコール蒸気とアルゴン４／min
の混合ガス、バルブ８′よりアルゴン４／min、
バルブ８″よりアルゴン10／minと水素12／
minの混合ガスをプラズマトーチ１中に流し、１
気圧下にて周波数4MHz、真空管プレート入力
50kwの高周波により10分間放電させた。プラズ
マ温度は約8000Kであつた。70φの水冷基板ホル
ダーを１回転／秒で回転させ、基板ホルダー上の
６枚の20φのモリブデン基板上にダイヤモンドを
析出させた。基板温度は約900℃であつた。基板
上に厚さ8μｍのダイヤモンド膜が得られた。生
成膜厚分布は基板ホルダーの回転運動の接線方向
で±５％、半径方向で±15％で、膜厚が均一性の
ものであつた。

比較例１実施例１と同条件で基板ホルダーを回転させな
いで行つたところ、モリブデン基板は融解してダ
イヤモンド膜が得られなかつた。そこでモリブデ
ン基板を基板ホルダーにビスで密着固定して回転
させないで行つたところ、基板温度は約1000℃
で、基板の中央で約30μｍ膜厚、基板周辺部で約
60μｍ膜厚の不均一な膜厚のダイヤモンドであつ
た。

実施例２第２図に示す装置を用い、バルブ８よりアルゴ
ン25／minと水素５／minの混合ガスを、バ
ルブ８′よりメタン１／minを流し、電源出力
20kwの放電を10分間させた。

外周径40mmφのプロペラ状回転基板ボルダー上
に固定した10mmφのモリブデン板上にダイヤモン
ド膜を形成させた。この際、反応中に析出室圧力
を約150Torrとし、負荷抵抗９′への出力を約
10Wとした。得られたダイヤモンド膜厚は約5μ
ｍの均一性のものであつた。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明方法を実施する装置の概要図で、
第１図は高周波放電を、第２図は直流放電を用い
てプラズマを発生させて、基板上にダイヤモンド
を析出させる装置の実施態様図である。１：高周波プラズマトーチ、２：高周波発振
機、３：基体、３′，３″：基板ホルダー、４：プ
ラズマ、５：析出室、６：排気装置、７：ガス供
給装置、８，８′，８″：バルブ、９：発電機、
９′：負荷抵抗、１３：ワークコイル、１４：固
体、流体原料導入装置、２１：直流プラズマトー
チ、２２：直流電源。

Claims

【特許請求の範囲】

１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
ガス温度1700K以上の高温プラズマを発生させ、
該プラズマ中で有機化合物または炭素材を分解ま
たは蒸発させて得られる気体からダイヤモンドを
プラズマ中またはプラズマ尾炎部に設置された基
体上に析出させる方法において、基体またはプラ
ズマトーチを動かして基体とプラズマとの相対的
位置を変化させながらダイヤモンドを基体上に析
出させることを特徴とするダイヤモンドの製造
法。