JPH04132689A

JPH04132689A - ダイヤモンド薄膜の製造法と製造装置

Info

Publication number: JPH04132689A
Application number: JP25441490A
Authority: JP
Inventors: Sumio Iijima; 澄男飯島
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-09-25
Filing date: 1990-09-25
Publication date: 1992-05-06

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）この発明は、ダイヤモンド薄膜の製造方法とそのための
装置に関する。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）ダイ
ヤモンドは、すべての物質の中で最高の硬度と熱伝導度
をもち、何磨拐、カッターなど広く工業的に利用されて
いる。ダイヤモンドの合成は高温高圧法による製造法が
広く知られている。高圧高温法によるダイヤモンド合成
法は製造方法が複雑であること、製造装置が大型になり
経済的でないこと、製造工程が簡便でないことなど、ダ
イヤモンド製造法としては種々の難点がある。

方、最近開発された低圧気相法によるダイヤモンドの合
成法はその製造方法が簡便で、経済的なダイヤモンドの
製造方法である。気相法によるダイヤモンド合成は、薄
膜状ダイヤモンドの合成に特徴がある。ダイヤモンド薄
膜は半導体レーザーＬＳＩデバイスの放熱板などの電子
材料、また高温半導体としても注目され研究が進んでい
る。ダイヤモンド薄膜はシリコンやタングステンなどの
基板表面に成長させる。

低圧気相法によるダイヤモンド薄膜形成の難点の一つは
、均一な薄膜が得難いことである。シリコンやタングス
テンを基板として、ダイヤモンドを成長させると、塊状
のダイヤモンド粒子が成長し、表面が荒れて、滑らかな
膜が得られない。この問題の解決策として、ダイヤモン
ド薄膜形成に先だって、基板に前処理を施すことが提案
されている。たとえば、粒径数ミクロン程度のダイヤモ
ンド粉末の懸濁液に基板を浸し、一定時間超音波で撹拌
すると、ダイヤモンド薄膜の成長が促進され、滑らかな
膜が形成されることがある。その理由として、この前処
理によって基板表面に“′きず゛が生じ、結晶成長核の
密度が５桁も増大すると考えられている。しかしながら
、この方法は再現性に欠け、必ずしもよい結果が得られ
るとは限らない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり
、表面が滑らかで均質なダイヤモンド薄膜を再現性よく
製造する方法とそのための装置とを提供することを目的
としている。

（課題を解決するだめの手段）本発明はダイヤモンド微粉末を成長の種子として用いて
表面が滑らかで均質なダイヤモンド薄膜を形成するもの
である。薄膜形成に先立ち、粒径数十ｎｍ以下のダイヤ
モンド微粉末を基体表面に植えこみ、炭化水素ガスと水
素ガスの混合ガスの雰囲気中で加熱し、基体表面にダイ
ヤモンド薄膜を形成する。このダイヤモンド微粉末は基
体表面に均一に分散され、ダイヤモンド結晶の成長核の
密度を増大し、表面が滑らかで、均質なダイヤモンド薄
膜を形成することができる。炭化水素ガスと水素ガスの
混合ガスは加熱またはイオン化等により反応性ガスにす
る。この反応ガスは、基体表面に均一に分散したダイヤ
モンド微粉末を種結晶として、ホモエピ結晶成長し、表
面が連続し滑らかで、均質なダイヤモンド薄膜に成長す
る。

ダイヤモンド薄膜を形成する基体の材料は、ダイヤモン
ドが気相成長できるものであれば、その種類に格別の限
定はなく、たとえば、酸化物、窒化物、半導体、金属、
半金属があげられる。

粉体、繊維状または多孔質物質の表面に低圧気相法でダ
イヤモンドを形成する方法は、熱気相法、プラズマ気相
法、電子衝撃気相法等のダイヤモンド製造方法で、反応
性ガスの流れは粘性流動状態でガス輸送に方向性がない
ことが重要である。低圧気相法によって生成さぜるダイ
ヤモンド薄膜の厚さは、炭化水素ガスと水素ガスの混合
ガスの圧力、混合比、反応炉の温度、反応処理時間等を
調整することにより、所望の厚さに成長できる。

この方法が従来のダイヤモンド薄膜を形成するだめの基
体の前処理方法と相違する点は、粒径数十ｎｍ以下のダ
イヤモンド微粉末を、膜形成に先だって、基体表面に植
えこむことである。前述の従来の方法では結晶表面に何
らかのきすを生じさせることに主眼がおかれていた。し
かし本発明者は、基板上に滑らかなダイヤモンド薄膜が
形成されるのは基板につけたきすのぜいではなく、きす
をつけるために用いる粒径数／、ｍ程度のダイヤモンド
粉末の一部が微粉末となり超音波によって基板表面に植
えこまれた場合であることを初めて見出した。従来はダ
イヤモンド粉末は基板にきすをつけるために用いていた
ので常に粉末の一部が基板に植えこまれるとは限らず、
再現性が悪かったのである。

本発明の製造装置は内部を真空減圧状態とすることので
きる加熱炉と、加熱炉内に炭化水素ガスと水素ガスの混
合ガスを供給する供給系と、炭化水素ガスと水素ガスを
反応性ガスにする系からなっている。

（実施例）まず粒径数十ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末の製法を述
べる。

粒径数十ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末は、研磨拐、カ
ッター等で広く用いられ粒径数〜数十ｐｍのダイヤモン
ド粉末を原料として、これを粉砕することにより製造す
る。粒径数〜数十ミクロンのダイヤモンド粉末を、水、
アルコール、アセトン等の溶液に適当な濃度に懸濁し、
面に垂直に振動する金属板と、これに平行に位置した金
属板の間に懸濁液を導入し、金属板を振動させダイヤモ
ンド粒子を互いに衝突させ粉砕する。この処理により、
懸濁液１１科こ粒径数十ｎｍ以下の粒径をもつダイヤモ
ンド微粉末を発生させることができる。

金属板を振動する駆動装置としては、超音波発生器や電
磁振動子などがあげられる。粉砕処理を施した後、原料
である粒径数〜数十ミクロンのダイヤモンド粉末と粒径
数十ｎｍ以下のダイヤモンド粉末を含むダイヤモンド微
粉末の）“Ｗ濁液は、沈降法で分離し、後者のみを含む
懸濁液を得る。

第４図は、この装置の例を示したもので、原料である粒
径数〜数十ミクロンのダイヤモンド粉末の懸濁液を容れ
る容器（１）内に、金属板（２）が設置しである。これ
に平行にもう一つの金属板（３）が設けられており、マ
イクロメーター（４）により二つの板の間隙を調整する
。マイクロメーターの一方の端は超音波発生器（５）に
固定されている。金属板（３）を振動させることで、金
属板の間にある懸濁液中のダイヤモンド粉末を粉砕する
。振動板の運動方向は面に垂直方向であることが重要で
ある。粉砕中は、懸濁液はポンプ（６）によりビニール
チューブ（７）を循環し、金属板（３）に設けられた内
管（８）を通り、容器（１）に戻される。振動板をアル
ミニウムや銅などの比較的柔らかい材料にすると、金属
片の混入を防ぐことができる。粉砕処理によって作成さ
れた、粒径数〜数十ミクロンのダイヤモンド粉末と粒径
数１”ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末の混合したダイヤ
モンド粉体の懸濁液は、沈降用の容器に移し、粒径数〜
数十ミクロンのダイヤモンド粉末のみを沈降し分離する
。

なお粉砕処理のとき粒径の大きな硬い粒子例えば粒径数
百／ｉｍのダイヤモンド、タングステン、モノブデン、
ステンレスなどの粉末もまぜておくと、振動を加えたと
きの衝突の確率が高くなり、より効率的に微粉末を発生
させることができる。

この装置を用いて、粒径数〜数十ミクロンのダイヤモン
ド粉末を原料として、ステンレス性容器（１）にいれた
エチルアルコール溶液に分散し、金属板（２）と（３）
の間隙を３００μｍに設定し、１時間粉砕した。この懸
濁液の上澄み液をとり、第１図の装置を用いてシリコン
基板表面にスプレー塗布したものを電子顕微鏡観察した
ところ粒径数十ｎｍ以下のダイヤモンド粉末が、おおよ
そ１０１０ｃｍ−２の密度で分散されていた。

第１図は、ダイヤモンド微粉末を基板表面に塗布する装
置の一例を示したもので、スプレー（１１）には、水、
アルコール、アセトン等のダイヤモンド微粉末の懸濁液
が容れである。基板支持台（１２）に設置された基板（
１３）表面にスプレーによって塗布する。

第２図は、粒径数十ｎｍ以下のダイヤモンド粉末の懸濁
液に粒径数百□ｍのステンレスビーズを容れた容器（１
４）に基板（１３）を浸し、一定時間超音波発生装置（
１５）により撹拌し、基板を引き上げ乾燥し、粒径数十
ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末を基板表面に植えこむ。

つまり、微粉末は超音波によって基板につきささり、基
板に微粉末が植えこまれた形となる。

第２図に示した装置を用いて表面に粒径数十ｎｍ以下の
ダイヤモンド微粉末を植えこんだ前述のジノコン基板を
、試料温度８５０°Ｃ１炭化水素ガスと水素ガスの体積
混合比１％の混合ガス（圧力２０Ｔｏｒｒ）雰囲気中で
、１０分間熱処理した。すると第５図の電子顕微鏡写真
に示すようにシリコン表面に、大きさ数十ｎｍの結晶学
的晶癖をもったダイヤモンドの微粒子が形成できた。こ
の雰囲気中で続けて５時間熱処理すると、基板上に表面
が滑らかで厚さが約２□ｍのダイヤモンド薄膜が形成で
きた。この薄膜中には非晶質の部分はなく極めて均質に
多結晶膜が形成されていた。以上の薄膜製造工程を数回
性なったところすべて表面が滑らがで均質な薄膜が得ら
れ、十分な再現性があることがわかった。炭化水素ガス
と水素ガスの混合比を３％および５％に設定し、他の条
件は同じにしておこなうとシリコン基板表面に、より大
きな粒径をもつダイヤモンドの微粒子が形成できた。従
ってより容易に薄膜を形成することができた。この場合
も再現性は十分であった。

第３図は、ダイヤモンド薄膜形成の装置の例を示したも
ので、炭化水素ガスと水素ガスの混合ガスを反応性混合
ガスにする方法として、熱気州法の場合である。ダイヤ
モンド微粉末を塗布したシリコンやタングステン基板（
１３）は、試料架台（１６）に設置し、真空容器（１７
）の中央に置く。容器内を真空排気系（１８）で排気す
る。所定の圧力、たとえば、真空計（１９）によって１
Ｏ−５Ｔｏｒｒ程度になったことを確認した段階で、炭
化水素ガスと水素ガスはそれぞれガス供給計（２０）（
２１）より供給する。真空計（１９）により圧力を測定
し、所定圧力において、試料架台に設けられたヒーター
（２２）を導電端子（２３）から通電し加熱する。基板
温度は、試料架台に設置された熱電対によって測定し、
制御する。試料架台の上部にタングステン線またはタン
グステン網の発熱フイラメン）　（２５）を設け、導電
端子（２６）から通電し加熱する。

なお、実施例では、基体として平坦な基板を用いたが、
これに限らず凹凸や曲面を有するもの等形状は何でもよ
い。

（発明の効果）本発明によれば、表面が滑らかで均質なダイヤモンド薄
膜を再現性よく形成することができる。

【図面の簡単な説明】第１図、第２図はダイヤモンド微粒子を基板に何着させ
る装置の４既略図。第３図はダイヤモンド薄膜の製造装
置の概略図。第４図はダイヤモンド微粒子の製造装置の
概略図。第５図はシリコン基板表面に形成されたダイヤ
モンドの微粒子の粒子構造を示す電子顕微鏡写真。なお、図中の番号は次のものを示している。１１・・・スプレー、１２・・・基板支持台、１３・・
・基板、１４．、。容器、１５・・・超音波発生器、１６・・・試料架台、
１７・・・真空容器、１８・・・真空排気系、１９・・
・真空計、２０．２１・・・ガス供給系、２２・・・ヒ
ーター、２３・・・導電端子、２６・・・熱電文」、２
５・・・発熱フィラメンＩ・。代用１人弁理十内原　晋

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ダイヤモンド微粉末を種結晶として基体表面にダ
イヤモンド薄膜を形成することを特徴とするダイヤモン
ド薄膜の製造法。
（２）炭化水素ガスと水素ガスの混合ガスを反応させ、
ダイヤモンド微粉末を植えこんだ基体表面にダイヤモン
ド薄膜を形成する請求項１に記載のダイヤモンド薄膜の
製造法。
（３）ダイヤモンド微粉末は粒径数十ｎｍ以下である請
求項１または２に記載のダイヤモンド薄膜の製造法。
（４）内部を真空減圧状態とすることのできる加熱炉と
、加熱炉内に炭化水素ガスと水素ガスの混合ガスを供給
するガス供給系と、混合ガスを反応性ガスにする系を持
つことを特徴とするダイヤモンド薄膜の製造装置。