JPH0360495A - 気相合成ダイヤモンドの選択成長方法 - 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、基板の上に任意のパターンにダイヤモンド結
晶を成長させることができる気相合成ダイヤモンドの選
択成長方法に関する。

［従来の技術〕 ダイヤモンドは高硬度、広いバンドギャップ、高熱伝導
度、光学的透明性、耐放＠線性、耐薬品性等の優れた性
質を有しているため、例えば切削・研磨材、絶縁体、ヒ
ートシンク、宇宙空間用窓材等へ応用されており、また
適当なドーピング材を添加することにより発光素子、高
温・高電力用半導体等への応用も可能な有用な工業材料
である。

従来、ダイヤモンドは、天然品を採掘するか、あるいは
黒鉛等の炭素を高温高圧下で処理することにより得てい
たが、これらの方法は大規模で高価な装置を利用するた
めコストがかさむ。そこでこれに代わるものとして、化
学蒸着法や物理蒸着法により気相合成する技術が開発さ
れた。

これら気相合成法を用いると、粒状のダイヤモンドのみ
ならず、高温高圧法では合成不可能の膜状ダイヤモンド
を、基板上の広い範囲にわたり。

短時間で合成することができる。この利点を活かすこと
により、ダイヤモンドを半導体素子、半導体基板ヒート
シンク、半導体素子絶縁物、長寿命超硬工具のコーティ
ング、耐薬品性コーティング等へ工業的に応用すること
がはじめて可能となった。

ところで、これら応用に当っては利用可能な任意の形状
に成型する必要がある。その解決のため特開昭６２−２
９７２９８号には、基板表面上のダイヤモンド形成部を
マスク部材で覆い、残余の部分をアモルファス材料で覆
い、マスク部を除去し基板を露出してから気相合成を行
う方法が開示されている。

また、特開昭６３−３１５５９８号には、凹凸加工を施
した基板のダイヤモンド形成部をマスク部材で覆った後
、エネルギー線照射を施して凹凸を消滅せしめ１次にマ
スクを除去し露出した凹凸部領域のみに選択的に気相合
成を行う方法が開示されている。

しかしながらこれらの方法では、マスク部材、アモルフ
ァス材料、エネルギー線源の準備やマスク材の被覆・除
去を必要とするため、工数・費用がかさみ生産性の点で
もコストの点でも問題があった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、ダイヤモンド気相合成法により工業的応用が
可能な任意の形状のダイヤモンド膜を得るに際して、マ
スク材による被覆など特別な手段を何ら必要としない合
成法であって、前記従来技術の持つ、生産性低下、コス
ト上昇等の問題点の解決を図るものである。

〔課題を解決するための手段１ ダイヤモンドの気相合成法においては、析出の有無や析
出速度は基板温度に対する依存性が極めて大であること
が知られている。第１図に定性的に基板温度と気相成長
速度との関係を示した。第１図において、基板温度の低
い領域１においては析出が認められず、領域２〜３でも
析出速度が極めて小さく、領域４のようにある温度以上
に基板の温度を保つと析出が認められる。このため基板
温度分布が不均一の場合には、析出量も不均一となる。

そこで従来の基板温度制御は、温度分布をできるだけ均
一とし、均一な析出を得ることにその主眼がおかれてい
た。

発明者等は、上述の理由により任意形状のダイヤモンド
膜を簡単かつ低廉に製造する技術の必要性を強く感じて
いたのであるが、種々の検討の結果、析出の基板温度依
存性を利用することにより、この解決が可能であるとの
知見を得るに至った。

すなわち、本発明は化学蒸着法又は物理蒸着法（以下そ
れぞれ、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法と略記する）による任意形
状のダイヤモンド膜の合成を、蒸着させるべき基板部位
（以下蒸着部位と記す）と蒸着させない基板部位（以下
非蒸着部位と記す）に温度分布を設け、蒸着部位を蒸着
に適する温度に保ち、非蒸着部位の温度を非蒸着温度に
保ち、膜合成を行うものであり、均一化を目的とした従
来の基板温度制御技術とは全く着想を異にする画期的手
法である。

温度としては、蒸着部位の温度を５００〜１１００℃に
加熱し、非蒸着部位の温度を４００℃未満とするのが好
ましい。

〔作用〕

前記の如くダイヤモンド析出速度は基板温度に対する依
存性が極めて大であり、本発明の構成は、基板上におい
て蒸着部位をダイヤモンド析出に適した温度に、また非
蒸着部位を非析出温度にそれぞれ保ちながら蒸着を行う
ことにある。

具体的には、第１図から知ることができるように、蒸着
部にダイヤモンドのみを蒸着せしめ非蒸着部にダイヤモ
ンドを析出させないためには、蒸着部位の温度を第１図
の領域４に、同時に非蒸着部位の温度を第１図の領域ｌ
に保つ必要がある。

この異なった２ｆ＋１の温度を基板上に同時に得るため
には、 （１）蒸着部位の積極的加熱、 （２）非蒸着部位の積極的冷却、 （３）あるいは前２者の併用を行う。

また、蒸着部位の温度を第１図の領域４に、同時に非蒸
着部位温度を第１図の領域２又は５に保つことによって
も、蒸着部位にダイヤモンドのみを、非蒸着部位に非ダ
イヤモンドを析出させることができる。

第２図〜第６図に本発明を実施する場合の具体的構成の
例を示し、以下類にこれを説明する。

第２図はダイヤモンド蒸着部位８のみを通電加熱するこ
とにより蒸着部位８の積極的加熱を図り非蒸着部位９を
加熱しない構成である。蒸着基板ｌの表面上に、電源１
０を接続した電極２．２を蒸着部位８を挟むようにして
設置している。ダイヤモンドの原料種、例えばＣＶＤ法
の場合であれば熱励起あるいはプラズマ励起した炭化水
素ガスと水素ガスの混合ガス等、ＰＶＤ法の場合であれ
ば炭素イオンビーム等のダイヤモンド原料１１は、基板
１の上方から供給されている０例えば熱フイラメント法
の場合であれば、原料ガス供給ノズル１２から原料ガス
を供給する。１３は原料ガス加熱用フィラメントである
。通電時には電極２．２間のみがジュール発熱し、通電
量の調節を行うことによって基板１の温度調節を行うこ
とができる。

第３図は第２図と同様の通電加熱法であるが、ダイヤモ
ンド蒸着部位８のみ電流密度を増加させることにより積
極的加熱を図る構成である。蒸着基板ｌには図示しない
電極で電源ＩＯから通電されているが、蒸着部位８のみ
基板■に切欠１４をつけジュール発熱量を増大させてい
る。この場合には、予め設けた切欠１４の大きさ１通電
量の調節により基板温度を自在に設定することができる
。

第４図（ａ）は第２図及び第３図の原理を組合わせた構
成を示す斜視図であり、基板裏面に機械加工、薬品処理
、その他の手段で切欠３を入れバターニング蒸着を可能
としたものである。すなわち第４図（ｂ）に示すように
蒸着基板ｌの裏面に所望のパターンの切欠３を入れ、第
４図（ａ）に示すように、この切欠３を設けた部分を挟
むように基板１上に電極２．２を設置して電源１０から
通電加熱する。切欠３の部分は蒸着部位８となり、その
電流密度は非切欠部（非蒸着部位９）に比しで高く温度
も高い。そのためパターン通りの蒸着が実現される。基
板ｌ全体に通電を行ってもよいが、第４図（ａ）に示す
ようにパターンを形成した部分のみ通電した方が電力損
失が少なく経済的である。基板温度は切欠量、通電量の
調節により設定することができる。また、非切欠部（非
蒸着部位９）の発熱量が過剰である場合には、基板裏面
を冷却することによって当該部の温度上昇を防ぐことが
できる。その際切欠部が冷却面に接しないようにすると
効果的である。

この方法は蒸着部位８の電流密度を高めることがその原
理であり、必ずしも基板１自身に切欠３を必要としない
。例えば第４図（Ｃ）に示す如く、基板１と異種又は同
種の導電性補助基板７を基板１の裏面に密着させ、補助
基板７には蒸着パターンを得るための切欠３を裏面ない
し表面に入れるかあるいは第４図（ｄ）に示す如く、補
助基板７にパターンの切抜き６を設け、両接触面に導電
ペースト等を塗布するなどの方策によって導通を良好に
し、これらの両基板に同時に通電加熱する方法によって
も同一の目的が達せられる。

第５図は第２図に示した構成を基礎とし、さらに基板ｌ
の裏面を水冷装置４で冷却する構成である。水冷装置４
には第５図（ｂ）に示すように凹パターン１７が設けら
れ、また基板ｌと水冷装置４の接触面には高熱伝導性溶
剤１８が挟み込まれている。基板ｌは通電加熱されてい
るが、水冷装置４の凹パターン１７の部分では基板ｌが
冷却されず基板表面温度は高い６したがって、基板表面
には凹パターンと同一形状の蒸着部位８にパターン通り
に蒸着され冷却されている非蒸着部位９には蒸着しない
。

第６図は第５図と基本的原理は同一で基板１を冷却装置
４によって部分的に冷却し蒸着部位８と非蒸着部位９を
形成したものであるが、電気炉５により基板ｌの加熱を
行っている点が異なる。また熱フイラメントＣＶＤ法や
プラズマＣＶＤ法の如（必然的に基板全体が加熱される
場合であっても、第６図と同様の方法を用いることがで
きる。

以上第２図〜第６図を例として本発明の構成について述
べた。本発明の主旨は、基板上においてダイヤモンド蒸
着部位８を析出に適した温度に、非蒸着部位９を非析出
温度にそれぞれ保ちながら蒸着を行うことにあり、加熱
方法は基板通電加熱、電気炉加熱等の方法に限定される
ものではなく、また冷却方法も水冷に限らず適当な冷媒
と冷却手段を用いることができる。また加熱装置、冷却
装置の構造も第２図〜第６図のそれに限定されるもので
はないことはいうまでもない。また本発明は、種々のＣ
ＶＤ法やＰＶＤ法等蒸着方法を問わず、適用することが
できる。

ここでダイヤモンド蒸着部位の必要な加熱温度は５００
〜１１００℃である。１１００℃を超えるとダイヤモン
ドが形成されず、非ダイヤモンド炭素のみが析出する。

５００℃未満だとダイヤモンドが形成されず、非ダイヤ
モンド炭素のみが析出する。

一方、非蒸着部位の温度は４００℃未満にする必要があ
る。４００℃未満であると、ダイヤモンド、非ダイヤモ
ンド炭素共全く析出しない。

また、基板としてはＣを大量に固溶しない金属や半導体
、例えばＳ　ｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａなどや各種セラミック
スを用いることができる。

ＣＶＤ法の原料ガスには、含炭素化合物と水素の混合ガ
ス、あるいは必要に応じ酸素ガス、不活性ガス、水蒸気
等の添加ガスを用いる。

〔実施例〕

実施例１ 本発明に係る第２図の方法を用い、熱フィラメントＣＶ
Ｄ法により基板ｌ上へのダイヤモンドの選択的成長を行
った。

基板ｌは、ダイヤモンド核の発生密度増大を目的とし５
粒径的ＩＬＬｍのダイヤモンド砥粒で研磨した１　００
ｍｍＸ　１００ｍ、ｍＸ０．５ｍｍのシリコンである。

基板１上のほぼ中央部に幅１０ｍｍのステンレス製電極
２を、電極間距離２０ｍｍとなるように向い合せに設置
した。電極２と２の間の蒸着部位８の面から１０ｍｍ離
した位置にタングステンフィラメント１３を、またさら
に１０ｍｍ離れた位置がその先端となるように原料ガス
１１　（メタンと水素の混合ガス）の供給ノズル１２を
設置した。なお、フィラメント１３の中心、ノズルｉ２
の中心、蒸着面８の中心はいずれも基板１に垂直な同一
軸上に設けた。

これらは図示しない真空ポンプに接続した同一のＣＶＤ
容器内に設置されている。フィラメント１３及び電極２
．２はそれぞれ、容器の導入端子を介し、電流電圧計が
備えられた出力電力可変電源に接続されている。

蒸着時のフィラメント温度は光高温計で測定し、一方ま
た熱雷対先端を蒸着部位８に接触させて測定し、電源出
力電力を調節することによりその温度を目標とする一定
温度に維持した。蒸着時の条件は次の通りである。

メタン流量：５ｓｅｃｍ 水素流量＋　５００ｓｅｃｍ 雰囲気圧カニ３０Ｔｏｒｒ フィラメント温度：２１００℃ 基板温度（蒸着部位）＋９００℃ （非蒸着部位）：３００°Ｃ以下 蒸着時間１１時間 基板温度を上記条件とした理由は、一般にＣＶＤ法では
ダイヤモンド蒸着に適した基板温度は５００〜１１００
℃であり、また４００℃未満では全く析出が認められな
いことによる。蒸着後。

通電部である蒸着部位８にのみ膜が成長した。この膜厚
を接触式表面粗度計を用いて測定したところ第７図Ａに
示す分布が得られた。第７図（ａ）は電極方向の膜厚分
布、第７図（ｂ）はこれに直交する方向の膜厚分布であ
る。蒸着部の一部分を切出して走査電子顕微鏡観察した
ところ、この膜は自形面を有した多数の結晶が密に集積
した組織であった。さらにラマン分光分析の結果、この
膜は不定型炭素やグラファイトをほとんど含まない良質
なダイヤモンドであることを確認した。また非蒸着部位
９をやはり走査電子顕微鏡で観察したところ、前述のご
とき結晶体は全く認められず、ラマン分光分析において
もダイヤモンドのみならず、不定型炭素やグラファイト
も全く検出されなかった。

実施例２ 本発明に係る第４図（ａ）の方法を用い、熱フイラメン
トＣＶＤ法により基板１上へのダイヤモンドの選択的成
長を行った６基板は実施例１と同様のシリコン基板であ
るが、基板中央の蒸着部位８の裏面に長さ２０ｍｍ、幅
１０ｍｍにわたり深さ０．２５　ｍ　ｍの凹みを弗酸に
よる腐食処理で形成した。その他の条件は実施例１と同
様とした。

蒸着後、基板の凹み形成部の反対側の蒸着部位８にのみ
膜が成長した。この膜厚を接触式表面粗度計を用いて測
定したところ第７図Ｂに示す分布が得られた。

実施例１と同様の方法で膜の同定を行った結果、この膜
が不定型炭素やグラファイトをほとんど含まない良質な
ダイヤモンドであること、それ以外の部分にはダイヤモ
ンド、不定型炭素やグラファイトが全くないことが確認
された。

実施例３ 本発明に係る第５図（ａ）の方法を用い、マイクロ波プ
ラズマＣＶＤ法により基板ｌ上へのダイヤモンドの選択
的成長を行った。蒸着条件は次に示す通りである。

四塩化炭素流ｆｉ：１ｓｅｃｍ 水素流量：　１０１００５ｅ 雰囲気圧カニ　３０Ｔｏｒｒ 基板温度（蒸着部位）：９００℃ （非蒸着部位）：１００℃以下 マイクロ波周波数：２．４５ＧＨｚ マイクロ波出力＋４００Ｗ 蒸着時間＝１時間 基板は４０ｍｍＸ４０ｍｍＸ０．５ｍｍのシリコン基板
で前処理方法は実施例１と同様である。冷却装置は銅製
で表面に長さ２０ｍｍ、幅１０ｍｍ、深さ０−５　ｍ　
ｍの凹みがある。凹み側の面は熱伝導性の高い絶縁性ペ
ーストを塗布した後、凹みがほぼ基板１の中央となるよ
う基板１裏面から接触させた。さらにこの部分を挟み込
むようにして基板１表面にステンレス製電極２を設置し
て通電した。通電により凹み部に対応する蒸着部位８だ
けが赤熱した。基板表面温度は通電量および通水量を調
節して一定に保った。

蒸着後、基板の凹み部の反対側に相当する蒸着部位８に
のみ膜が成長した。この膜厚を接触式表面粗度計を用い
て測定したところ第７図Ａとほとんど同一の分布が得ら
れた。

実施例１と同様の方法で膜の同定を行った結果、この膜
が不定型炭素やグラファイトをほとんど含まない良質な
ダイヤモンドであること、非蒸着部位９にはダイヤモン
ド、不定型炭素やグラファイトが全くないことが確認さ
れた。

実施例４ 本発明に係る第６図の方法を用い、熱フイラメントＣＶ
Ｄ法により基板ｌへのダイヤモンド選択成長を行った。

基板は実施例１と同様のシリコン基板、冷却装置は実施
例３と同一のものである。

雰囲気加熱はＣＶＤ容器内に設置したＦｅ−Ｃｒ−Ａβ
系発熱体により行った。その他の条件は実施例１と同様
であるが、非蒸着部位９の基板温度は１００℃を越える
ことがなかった。

蒸着後、凹み部の反対側に相当する蒸着部位８にのみ膜
が成長した。この膜厚分布は第７図Ａとほとんど同一で
あった。

実施例１と同様の方法で膜の同定を行った結果、この膜
が不定型炭素やグラファイトをほとんど含まない良質な
ダイヤモンドであること、非蒸着部部位９にはダイヤモ
ンド、不定型炭素やグラファイトが全くないことが確認
された。

以上実施例にみる如く、本発明によりマスク材による被
覆等特別な手段を何ら必要とせずに、必要とする形状の
ダイヤモンド膜を得ることができた。なお、本発明の主
旨は、基板上においてダイヤモンド蒸着部位を析出に適
した温度に、非蒸着部位を非析出温度にそれぞれ保ちな
がらｉ１７を行うことに在り、加熱／冷却方法は上記実
施例に限定されるものではなく、さらに種々のＣＶＤ法
やＰＶＤ法に適用できる汎用性の大なる方法である。

〔発明の効果１ 本発明を適用することで、気相合成法によ０工業的応用
が可能な任意の形状０ダイヤモンド膜をマスク材による
被覆等特別な手段を何ら必要とせずに蒸着させることが
でき、ダイヤモンドを用いた半導体素子、半導体基板ヒ
ートシンク、半導体素子間絶縁物、長寿命超硬工具のコ
ーティング、耐薬品性コーティング等の製造を簡単かつ
低廉に行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第り図は基板温度と成長速度の関係を示すグラフ、第２
図〜第６図は本発明実施時の具体的装置構成の説明図、
第７図は本発明実施時のダイヤモンド膜厚分布のグラフ
である。 ｌ・・・基板　　　　　　２−・・電極３・・・切欠　
　　　　　４・・・冷却器５・・・発熱体　　　　　６
−・・切抜き７・・・補助基板　　　　８・・・蒸着部
位９・・・非蒸着部位

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　物理蒸着法または化学蒸着法によりダイヤモンドの
   気相合成を基板の任意の部位に行う際に、基板の蒸着部
   位を蒸着に適する温度に保ち、基板の非蒸着部位の温度
   を非蒸着温度に保ち、蒸着部位のみにダイヤモンドを蒸
   着させることを特徴とする気相合成ダイヤモンドの選択
   成長方法。 ２　前記蒸着部位の温度を５００〜１１００℃に加熱し
   、非蒸着部位の温度を４００℃未満とすることを特徴と
   する請求項１記載の気相合成ダイヤモンドの選択成長方
   法。