JPH06199595A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

ダイヤモンドの合成方法

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JPH06199595A
JPH06199595A JP5000098A JP9893A JPH06199595A JP H06199595 A JPH06199595 A JP H06199595A JP 5000098 A JP5000098 A JP 5000098A JP 9893 A JP9893 A JP 9893A JP H06199595 A JPH06199595 A JP H06199595A
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JP
Japan
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radicals
diamond
reaction gas
methane
hydrogen
Prior art date
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JP5000098A
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English (en)
Inventor
Hiroyuki Nakaishi
博之 中石
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光励起プロセスを用いて、膜内に結晶欠陥が
少なくかつ純度の高い良質の単結晶ダイヤモンド薄膜を
効率よく形成できるダイヤモンドの合成方法を提供す
る。 【構成】 基板5が配置された真空チャンバ4内に水素
とメタンが混合された反応ガスを導入した後、導入され
た反応ガスに750Å以下の波長を有する真空紫外光を
照射する。これにより、反応ガスが光分解されてCH3
ラジカルおよびHラジカルが選択的に生成される。成膜
中、ガスバルブ2により、水素およびメタンの混合量お
よび混合比が適宜調節される。これにより、基板5上に
CH3 ラジカルおよびHラジカルが効率よく供給され、
精度よくダイヤモンド薄膜が形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ダイヤモンドの合成
方法に関し、特に、光励起プロセスを用いた気相合成に
よるダイヤモンドの合成方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】ダイヤモンドはこれまでに知られている
物質中で最高の硬度を示すこと、電気的に非常に良い絶
縁体であること、また熱伝導率が高いことなど優れた性
質を同時に有する機能材料である。
【0003】また、ダイヤモンドは赤外領域の一部を除
く広い波長領域にわたって光の透過性に優れ、さらに不
純物の添加により半導体となるなどの特質を備えてい
る。従来より、これらの優れた性質を利用して、ダイヤ
モンドの各種工具表面へのコーティング、電子工学部
品、特に半導体レーザやIC等のヒートシンクへの応用
が進められている。
【0004】エレクトロニクス分野へのダイヤモンドの
応用には、単結晶薄膜の形成技術の確立が不可欠となっ
てくる。
【0005】最近では気相合成によってダイヤモンド薄
膜を形成する方法として、(1)直流または交流電界に
より放電を起こし、原料ガスを活性化する方法、(2)
熱電子放射材を加熱し、原料ガスを活性化する方法、
(3)ダイヤモンドを成長させる表面をイオンで衝撃す
る方法、(4)原料ガスを燃焼させる方法、(5)レー
ザや高出力紫外線などの光で原料ガスを励起する方法、
等のような種々の方法が試みられている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】これまでの光励起プロ
セスを用いたダイヤモンドの光化学的な合成方法におい
て、基板上にダイヤモンド薄膜を形成する際には、水素
とメタンが混合された反応ガスを光分解するのに比較的
波長の長いレーザ光が用いられることが多かった。
【0007】このため、光分解によって反応ガスから生
成するラジカル種を特定することは困難であり、所望の
ラジカル種のみを選択的に生成することはほとんど不可
能であった。
【0008】また、従来では通常基板が設置された反応
容器内に、常に水素とメタンが一定の割合で混合された
反応ガスが所定量定常的に導入される供給方式が採られ
ていたため、光励起プロセスにおいて、反応ガスから生
成されかつ基板上に供給されるラジカルの供給量やまた
供給されるラジカル種の割合が必ずしも理想的に設定さ
れないままで膜成長が進行してしまうことがあった。
【0009】上記のような理由により、従来のダイヤモ
ンドの光化学的な合成方法に従ってダイヤモンドを合成
すると、膜内に結晶欠陥や結晶性の異なる不純物が混在
した不良のダイヤモンド薄膜が形成されやすいという問
題があった。
【0010】本発明は、従来の課題を解決するためにな
されたものであって、膜内に結晶欠陥が少なくかつ純度
の高い良質の単結晶ダイヤモンド薄膜を効率よく形成す
ることができるダイヤモンドの合成方法を提供すること
を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】従来、ダイヤモンドの光
化学的な合成方法において、メタンを炭素原料に用い、
比較的波長の長いレーザ光により光分解を行なうと、一
般に次式(化1)のような反応が進行し、CH3 ラジカ
ル,CH2 ラジカル、CHラジカル等が生成される。
【0012】
【化1】 中でもメタンからCH2 ラジカルまたはCHラジカルへ
の分解が多くなると、ダイヤモンド薄膜の形成時に結晶
性の異なる不純物の混入や結晶欠陥の発生がもたらされ
やすい。
【0013】そこで、本発明者は、ダイヤモンド薄膜の
形成時において、できる限り不純物の混入や結晶欠陥の
発生を抑制するため、成膜条件について種々の検討を行
なった結果、以下実施例において示すように、750Å
以下の波長を有する真空紫外光を限定的に用いること
で、光分解において炭素原料としてのメタンからCH2
ラジカルまたはCHラジカルへの分解がほぼ完全に抑え
られ、かつCH3 ラジカルおよびHラジカルのみが選択
的に生成されることを見出し、本発明を完成するに至っ
たものである。
【0014】本発明にかかるダイヤモンドの合成方法
は、少なくとも水素とメタンが混合された反応ガスと光
分解して遊離される炭素原子を基板上に堆積させてダイ
ヤモンド薄膜を形成する方法であって、光分解に際し、
750Å以下の波長を有する真空紫外光を反応ガスに照
射することにより、水素ラジカルおよびメチルラジカル
を選択的に生成させることを特徴とする。
【0015】本発明において真空紫外光の光源として
は、シンクロトロン放射、アンジュレータ、またはレー
ザプラズマ等の超高温プラズマ等を好ましく用いること
ができる。
【0016】また、本発明においては、ダイヤモンド薄
膜形成時に、膜厚および膜表面の状態を、たとえば、赤
外線を用いたフーリエ変換赤外分光法により検出するこ
とができる。このようにして検知される膜厚または膜表
面の状態に応じて、適宜反応ガスの水素とメタンの混合
量および混合比を手動でまたは自動的に調節することが
できる。
【0017】反応ガスの水素とメタンの混合量および混
合比の調節は、たとえば、パルス動作可能なガスバルブ
を用い、メタンの供給量を調節することで比較的容易に
実施することができる。
【0018】
【作用】本発明に従う光励起プロセスを用いた光化学的
なダイヤモンドの合成方法では、光分解に際して、従来
のように比較的波長の長いレーザ光ではなく、750Å
以下の波長を有する真空紫外光を、水素とメタンが混合
された反応ガスに照射することで、反応ガス中の水素お
よびメタンが効率よく分解されて所望の水素ラジカルお
よびメチルラジカルのみを選択的に生成することができ
るようになる。
【0019】したがって、基板上に水素ラジカルおよび
メチルラジカルが効率よく供給されるようになり、高純
度でかつ結晶欠陥の少ないダイヤモンド単結晶を精度よ
く合成することができるようになる。
【0020】また、本発明にかかるダイヤモンドの合成
方法では、ダイヤモンド薄膜の形成時に、膜厚または膜
表面の状態を検出しながら、反応ガスの水素とメタンの
混合量および混合比を調節することができる。
【0021】たとえば、膜厚の成長速度が極めて遅いよ
うな場合には、メタンの供給量を増大し、反応ガスのう
ちメタンの混合量および混合比を高めることで、光分解
により生成されるメチルラジカルを増大させて、ダイヤ
モンドの合成速度を速めることができる。
【0022】一方、膜表面に凹凸が多く形成され膜状態
が不良な場合には、メタンの供給量を低減し、反応ガス
のうち水素の混合量および混合比を高めることにより、
膜内での結晶欠陥の発生や結晶性の異なる不純物の混入
を効果的に抑えて平滑な平面を有しかつ良質のダイヤモ
ンド薄膜を合成することができる。
【0023】このように、ダイヤモンド成膜中、膜厚ま
たは膜表面の状態に応じて、反応ガスの水素とメタンの
混合量および混合比を適宜制御すれば、より理想的な成
膜条件下でダイヤモンドを合成することができる。した
がって、膜内に結晶欠陥が少なくかつ良好な結晶性を有
する良質のダイヤモンド薄膜を精度よく基板上に形成す
ることができるようになる。
【0024】
【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。
【0025】図1は、本発明の一実施例に用いられるダ
イヤモンド合成装置の一例を示す模式図である。
【0026】図1に示すように、ダイヤモンド合成装置
100において、ダイヤモンド薄膜を形成するべきSi
からなる基板5を真空チャンバ4内に配置する。基板5
は、加熱ヒータ6によって室温〜数百℃に調整される。
【0027】また、モニタ用光源11が配置され、この
光源11から放射された赤外線は真空チャンバ4内の光
学窓を通じて導入され基板5上に照射される。このよう
に基板5上に照射された赤外線を検出器12を用いてフ
ーリエ変換赤外分光法により検出することで、基板5上
のダイヤモンド薄膜の成長状態を検知することができ
る。
【0028】真空チャンバ4には、排気口10が設けら
れており、この排気口10を介して真空チャンバ4内が
真空排気システム7により排気され、所定の反応圧に保
持される。
【0029】排気後、真空チャンバ4内の基板5上方に
反応ガスとしてメタンガス(CH4)および水素ガス
(H2 )がそれぞれガスボンベ9,9′から質量流量計
8,8′でその重量を調節され、パルス動作可能なガス
バルブ2を通してどちらか一方ずつが断続的に供給され
る。
【0030】この装置100では、ダイヤモンド薄膜の
形成状態に合わせて、メタンガス(CH4 )の流入量を
調整することで、基板上方に供給されるラジカルの供給
量およびラジカルの供給割合を自在に変更することがで
きる。
【0031】したがって、本実施例では、検出器12か
ら得られる情報に基づいて、適宜パルスバルブ2でメタ
ンガス(CH4 )の供給量を調節することで、より好適
な成膜条件下を容易に実現することができる。
【0032】次に、電子蓄積リング等を用いた光源シス
テム1より、シンクロトロン放射(SR)光を発生させ
る。発生したSR光は、真空チャンバ4内に光学窓3を
通じて導入され、基板5上方の反応ガスに照射される。
【0033】ここでは、電子蓄積リングを用いた光源シ
ステム1中の電子エネルギーを変えることによって、S
R光のスペクトルを自在に変化させることができる。
【0034】SR光のスペクトルを変えることによっ
て、図2に示したように、光分解により反応ガスから生
成する水素ラジカルの生成率が大きく変化する。
【0035】図2の結果から、700〜1000Åの波
長領域のSR光においてのみHラジカルが効率よく生成
されることがわかる。
【0036】また、同様にSR光のスペクトルを変える
ことによって、図3に示したように、光分解により反応
ガスから生成するCHn ラジカル種(n=1,2,3)
およびその生成率も変化する。
【0037】図3の結果から明らかなように、750Å
より短い波長領域では、反応ガスからCH3 ラジカルの
みが高率で生成され、750〜1050Åの波長領域で
は、反応ガスからCHラジカルが高率で生成され、さら
に1050Åより長い波長領域では、反応ガスからCH
2 ラジカルのみが高率で生成されることがわかる。
【0038】したがって、図2および図3の結果から、
750Å以下の波長を有するSR光を限定的に用いれ
ば、反応ガスからCHラジカルおよびCH2 ラジカルの
生成をほぼ完全に抑えることができると同時に、選択的
にHラジカルとCH3 ラジカルのみを生成できることが
わかる。
【0039】そこで、本実施例では、光分解に際して、
水素ガスおよびメタンガスからなる反応ガスに、750
Å以下の波長を有するSR光を照射することで、選択的
にHラジカルおよびCH3 ラジカルのみを生成させ、こ
れらのラジカルをSiからなる基板5上方に効率よく供
給することでメタンから遊離された炭素原子を基板5上
に堆積させてダイヤモンド薄膜を形成する。
【0040】本実施例においては、薄膜形成中に供給さ
れる所望のラジカル種およびラジカル量がほぼ理想的に
設定されることで、膜内に結晶欠陥が少なくかつ結晶性
の異なる不純物の混入が少ない良質のダイヤモンド単結
晶薄膜を形成することができる。
【0041】
【発明の効果】本発明にかかるダイヤモンドの合成方法
に従えば、良質のダイヤモンド単結晶薄膜を精度よく形
成することができる。したがって、本発明を耐環境性用
素子等の半導体材料用ダイヤモンド薄膜の作製に応用す
ることができ、その効果は大きい。
【0042】また、本発明にかかるダイヤモンドの合成
方法を用いれば、ダイヤモンド単結晶薄膜を形成するの
に要する時間を短縮することができるとともに、定常的
なガスの供給方法をとらないことで、原料ガスを高い歩
留りで使用することができるようになり、経費の節減に
寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に用いられるダイヤモンド合
成装置の一例を示す模式図である。
【図2】光分解による水素ラジカルの生成率の波長依存
性を示すグラフである。
【図3】光分解によるCHn ラジカル(n=1,2,
3)の生成率の波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
1 光源システム 2 ガスバルブ 3 光学窓 4 真空チャンバ 5 基板 6 加熱ヒータ 7 真空排気システム 8,8′ 重量流量計 9,9′ ガスボンベ 10 排気口 11 モニタ用光源 12 検出器 100 ダイヤモンド合成装置 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも水素とメタンが混合された反
    応ガスを光分解して遊離される炭素原子を基板上に堆積
    させてダイヤモンド薄膜を形成するダイヤモンドの合成
    方法であって、 前記光分解に際し、750Å以下の波長を有する真空紫
    外光を前記反応ガスに照射することにより、水素ラジカ
    ルおよびメチルラジカルを選択的に生成させることを特
    徴とする、ダイヤモンドの合成方法。
  2. 【請求項2】 膜厚または膜表面の状態を検知しなが
    ら、前記反応ガスの水素とメタンの混合量および混合比
    を調節することを特徴とする、請求項1に記載のダイヤ
    モンドの合成方法。
JP5000098A 1993-01-04 1993-01-04 ダイヤモンドの合成方法 Withdrawn JPH06199595A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20150123912A (ko) * 2013-03-06 2015-11-04 세라마테크, 인코오포레이티드 탈술폭실화를 통한 커플링된 라디칼 생성물의 제조 방법
CN110820044A (zh) * 2019-12-02 2020-02-21 长沙新材料产业研究院有限公司 一种高质量金刚石生长方法和系统

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