JPH0948693A - 単結晶ダイヤモンド膜の形成方法 - Google Patents
単結晶ダイヤモンド膜の形成方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低いコストで大面積の単結晶ダイヤモンド膜
を気相合成することができ、ダイヤモンドを使用した幅
広い応用分野において、ダイヤモンドの特性の飛躍的向
上と実用化とを可能にする単結晶ダイヤモンド膜の形成
方法を提供する。 【解決手段】 単結晶ダイヤモンドの形成方法は、（１
１１）又は（００１）結晶面を有する基体上に、白金又
は白金を５０原子％以上含有する白金合金を３００℃以
上の基板温度で蒸着し、１０００℃以上の温度でアニー
ル処理を施したものを基板として、ダイヤモンド膜を気
相合成する。
を気相合成することができ、ダイヤモンドを使用した幅
広い応用分野において、ダイヤモンドの特性の飛躍的向
上と実用化とを可能にする単結晶ダイヤモンド膜の形成
方法を提供する。 【解決手段】 単結晶ダイヤモンドの形成方法は、（１
１１）又は（００１）結晶面を有する基体上に、白金又
は白金を５０原子％以上含有する白金合金を３００℃以
上の基板温度で蒸着し、１０００℃以上の温度でアニー
ル処理を施したものを基板として、ダイヤモンド膜を気
相合成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はトランジスタ、ダイオー
ド、各種センサ等の電子装置、ヒートシンク、表面弾性
波素子、Ｘ線窓、光学関連材料、耐摩耗材料、装飾材
料、及びそのコーティング等に適用される単結晶ダイヤ
モンド膜の形成方法に関する。
ド、各種センサ等の電子装置、ヒートシンク、表面弾性
波素子、Ｘ線窓、光学関連材料、耐摩耗材料、装飾材
料、及びそのコーティング等に適用される単結晶ダイヤ
モンド膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れ、エネルギ
ーギャップが５．５ｅＶと大きいことが特徴であり、通
常は絶縁体であるが、不純物をドーピングすることによ
り半導体ダイヤモンドを得ることができる。また、ダイ
ヤモンドは絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きい
と共に、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有す
る。このような電気的特性を利用して、ダイヤモンドを
高温、高周波又は高電界用の電子デバイス並びにセンサ
の材料として使用することが期待されている。
ーギャップが５．５ｅＶと大きいことが特徴であり、通
常は絶縁体であるが、不純物をドーピングすることによ
り半導体ダイヤモンドを得ることができる。また、ダイ
ヤモンドは絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きい
と共に、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有す
る。このような電気的特性を利用して、ダイヤモンドを
高温、高周波又は高電界用の電子デバイス並びにセンサ
の材料として使用することが期待されている。
【０００３】また、ダイヤモンドのエネルギーギャップ
が大きいことを利用して、紫外線等の短波長領域にも対
応する光センサ及び発光素子に使用したり、熱伝導率が
大きく、比熱が小さいことを利用して、ダイヤモンドを
放熱基板材料として使用したり、物質中において最も硬
いという特性を利用して、表面弾性波素子に応用した
り、高い光透過性及び屈折率を利用して、Ｘ線窓及び光
学材料に応用することが研究されている。更に、ダイヤ
モンドは工具の耐摩耗性部材に使用されている。
が大きいことを利用して、紫外線等の短波長領域にも対
応する光センサ及び発光素子に使用したり、熱伝導率が
大きく、比熱が小さいことを利用して、ダイヤモンドを
放熱基板材料として使用したり、物質中において最も硬
いという特性を利用して、表面弾性波素子に応用した
り、高い光透過性及び屈折率を利用して、Ｘ線窓及び光
学材料に応用することが研究されている。更に、ダイヤ
モンドは工具の耐摩耗性部材に使用されている。
【０００４】ダイヤモンドを種々の材料に応用するため
に、その特性を最大限に発揮させるには、結晶の構造欠
陥を低減した高品質の単結晶ダイヤモンドを合成するこ
とが必要である。また、単結晶ダイヤモンド膜を実用化
するためには、面積が大きいものを低いコストで形成で
きる方法の開発が必要である。現在、単結晶ダイヤモン
ドは天然ダイヤモンドの採掘によって得られるか、又
は、高温高圧条件で人工的に合成することにより得られ
る。このバルクダイヤモンドと呼ばれるダイヤモンドの
単結晶は、天然でも高温高圧合成によっても、得られる
結晶面の面積は最大で１ｃｍ2 程度であり、しかも、価
格が極めて高い。従って、工業的には、研磨用粉末及び
精密切削用刃先等の特定の分野のみに限られて利用され
ている。
に、その特性を最大限に発揮させるには、結晶の構造欠
陥を低減した高品質の単結晶ダイヤモンドを合成するこ
とが必要である。また、単結晶ダイヤモンド膜を実用化
するためには、面積が大きいものを低いコストで形成で
きる方法の開発が必要である。現在、単結晶ダイヤモン
ドは天然ダイヤモンドの採掘によって得られるか、又
は、高温高圧条件で人工的に合成することにより得られ
る。このバルクダイヤモンドと呼ばれるダイヤモンドの
単結晶は、天然でも高温高圧合成によっても、得られる
結晶面の面積は最大で１ｃｍ2 程度であり、しかも、価
格が極めて高い。従って、工業的には、研磨用粉末及び
精密切削用刃先等の特定の分野のみに限られて利用され
ている。
【０００５】一方、多結晶ダイヤモンド膜は、マイクロ
波化学気相蒸着（マイクロ波ＣＶＤ）法（例えば特公昭
５９−２７７５４号、特公昭６１−３３２０号）、高周
波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プ
ラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法、及び熱
ＣＶＤ法等により気相合成されることが知られており、
これらの気相合成法によると、低いコストで大面積の膜
状のダイヤモンドを得ることができるという特長があ
る。
波化学気相蒸着（マイクロ波ＣＶＤ）法（例えば特公昭
５９−２７７５４号、特公昭６１−３３２０号）、高周
波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直流プ
ラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法、及び熱
ＣＶＤ法等により気相合成されることが知られており、
これらの気相合成法によると、低いコストで大面積の膜
状のダイヤモンドを得ることができるという特長があ
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の方法によりシリコン等の非ダイヤモンド基板に気相合
成されたダイヤモンド膜は、一般的にダイヤモンド粒子
が不規則に凝集した多結晶体であり、図５の電子顕微鏡
写真に示すように、この多結晶ダイヤモンドは粒界が高
密度に存在している。図６の電子顕微鏡写真に示すよう
に、ダイヤモンド結晶粒子がほぼ一定方向に揃った高配
向膜を合成することができることは報告されているが、
これらも多結晶体であり、粒界が高密度に存在する。こ
の粒界により、ダイヤモンド中を流れるキャリアである
電子又はホール等の荷電粒子が、トラップされたり散乱
されたりするために、高配向膜であっても粒界が少ない
バルクダイヤモンドと比較して電気的特性が劣る。その
結果、多結晶ダイヤモンド膜を電子デバイス及びセンサ
として実用化するためには、その性能が不十分であると
いう問題点がある。
の方法によりシリコン等の非ダイヤモンド基板に気相合
成されたダイヤモンド膜は、一般的にダイヤモンド粒子
が不規則に凝集した多結晶体であり、図５の電子顕微鏡
写真に示すように、この多結晶ダイヤモンドは粒界が高
密度に存在している。図６の電子顕微鏡写真に示すよう
に、ダイヤモンド結晶粒子がほぼ一定方向に揃った高配
向膜を合成することができることは報告されているが、
これらも多結晶体であり、粒界が高密度に存在する。こ
の粒界により、ダイヤモンド中を流れるキャリアである
電子又はホール等の荷電粒子が、トラップされたり散乱
されたりするために、高配向膜であっても粒界が少ない
バルクダイヤモンドと比較して電気的特性が劣る。その
結果、多結晶ダイヤモンド膜を電子デバイス及びセンサ
として実用化するためには、その性能が不十分であると
いう問題点がある。
【０００７】また、光学的見地からも、粒界によって光
が散乱するので、多結晶ダイヤモンド膜を光学材料等に
利用するためには、その透過度が低すぎるという問題点
もある。更に、多結晶ダイヤモンド膜を工具等の耐摩耗
性部材に使用する場合においても、チッピングが生じや
すいという問題点もある。
が散乱するので、多結晶ダイヤモンド膜を光学材料等に
利用するためには、その透過度が低すぎるという問題点
もある。更に、多結晶ダイヤモンド膜を工具等の耐摩耗
性部材に使用する場合においても、チッピングが生じや
すいという問題点もある。
【０００８】上述のダイヤモンド膜は、非ダイヤモンド
基板を使用して合成した場合の例であるが、気相合成す
る際の基板によって、合成されるダイヤモンドの特性が
異なる。例えば、基板に単結晶のバルクダイヤモンド又
は立方晶窒化ホウ素を使用すると、単結晶のダイヤモン
ド膜を気相合成することができるが、前述のように、バ
ルクダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素を基板に使用し
ても、大面積の単結晶ダイヤモンド膜は得られない。
基板を使用して合成した場合の例であるが、気相合成す
る際の基板によって、合成されるダイヤモンドの特性が
異なる。例えば、基板に単結晶のバルクダイヤモンド又
は立方晶窒化ホウ素を使用すると、単結晶のダイヤモン
ド膜を気相合成することができるが、前述のように、バ
ルクダイヤモンド又は立方晶窒化ホウ素を基板に使用し
ても、大面積の単結晶ダイヤモンド膜は得られない。
【０００９】また、ダイヤモンド気相合成用の基板にニ
ッケル又は銅を使用すると、ある程度配向した結晶を有
するダイヤモンド膜が得られるが、ニッケルを使用した
場合には、ダイヤモンドを気相合成するために高温の水
素プラズマ雰囲気にすると、基板のニッケルが脆弱化
し、更に、生成したダイヤモンド膜と反応して、ダイヤ
モンドをグラファイトに転化させるという問題点がある
（D.N.Belton and S.J.Schmeig,J.Appl.Phys.,Vol.66,
p.4223(1989) ）。一方、基板に銅を使用した場合に
は、ダイヤモンドを気相成長させるために、通常の条件
として６００℃以上の高温に加熱すると、銅の線熱膨張
係数がダイヤモンドの１０倍以上であるため、室温に冷
却したときにダイヤモンドが剥離するという問題点もあ
る（J.F.Denatale,et al,J.Materials science,Vol.27,
p.553(1992) ）。
ッケル又は銅を使用すると、ある程度配向した結晶を有
するダイヤモンド膜が得られるが、ニッケルを使用した
場合には、ダイヤモンドを気相合成するために高温の水
素プラズマ雰囲気にすると、基板のニッケルが脆弱化
し、更に、生成したダイヤモンド膜と反応して、ダイヤ
モンドをグラファイトに転化させるという問題点がある
（D.N.Belton and S.J.Schmeig,J.Appl.Phys.,Vol.66,
p.4223(1989) ）。一方、基板に銅を使用した場合に
は、ダイヤモンドを気相成長させるために、通常の条件
として６００℃以上の高温に加熱すると、銅の線熱膨張
係数がダイヤモンドの１０倍以上であるため、室温に冷
却したときにダイヤモンドが剥離するという問題点もあ
る（J.F.Denatale,et al,J.Materials science,Vol.27,
p.553(1992) ）。
【００１０】基板に白金又はその他の遷移金属を使用し
てダイヤモンドを気相合成する方法も研究されている
が、多結晶ダイヤモンド膜又はダイヤモンド粒子が成長
するだけで、単結晶ダイヤモンド膜は得られていない
（坂本，高松，「表面技術」,Vol.44,No.10,p.47(199
3)、M.Kawarada,et al,Diamond and Related Material
s,Vol.2,p.1083(1993)、D.N.Belton and S.J.Schmeig,
J.Appl.Phys.,Vol.69,No.5,p.3032(1991)、D.N.Belton
and S.J.Schmeig,Surface Science,Vol.223,p.131(199
0)、Y.G.Ralchenko,et al,Diamond and Related Materi
als,Vol.2,p.904(1993)）。
てダイヤモンドを気相合成する方法も研究されている
が、多結晶ダイヤモンド膜又はダイヤモンド粒子が成長
するだけで、単結晶ダイヤモンド膜は得られていない
（坂本，高松，「表面技術」,Vol.44,No.10,p.47(199
3)、M.Kawarada,et al,Diamond and Related Material
s,Vol.2,p.1083(1993)、D.N.Belton and S.J.Schmeig,
J.Appl.Phys.,Vol.69,No.5,p.3032(1991)、D.N.Belton
and S.J.Schmeig,Surface Science,Vol.223,p.131(199
0)、Y.G.Ralchenko,et al,Diamond and Related Materi
als,Vol.2,p.904(1993)）。
【００１１】このように、ダイヤモンドを工業的に実用
化するためには、粒界が全く存在しないか又は粒界密度
が極めて低く、大面積の単結晶ダイヤモンド膜を人工的
に合成できることが必要である。しかしながら、そのよ
うな単結晶ダイヤモンド膜の製造方法は得られていな
い。
化するためには、粒界が全く存在しないか又は粒界密度
が極めて低く、大面積の単結晶ダイヤモンド膜を人工的
に合成できることが必要である。しかしながら、そのよ
うな単結晶ダイヤモンド膜の製造方法は得られていな
い。
【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、低いコストで大面積の単結晶ダイヤモンド
膜を気相合成することができ、ダイヤモンドを使用した
幅広い応用分野において、ダイヤモンドの特性の飛躍的
向上と実用化とを可能にする単結晶ダイヤモンド膜の形
成方法を提供することを目的とする。
のであって、低いコストで大面積の単結晶ダイヤモンド
膜を気相合成することができ、ダイヤモンドを使用した
幅広い応用分野において、ダイヤモンドの特性の飛躍的
向上と実用化とを可能にする単結晶ダイヤモンド膜の形
成方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明に係る単結晶ダイ
ヤモンド膜の形成方法は、基体上に白金又は白金を５０
原子％以上含有する白金合金の膜を蒸着し、その後、こ
の白金又は白金合金の膜にアニール処理を施し、これを
基板として、前記白金又は白金合金の膜上にダイヤモン
ド膜を気相合成することを特徴とする。
ヤモンド膜の形成方法は、基体上に白金又は白金を５０
原子％以上含有する白金合金の膜を蒸着し、その後、こ
の白金又は白金合金の膜にアニール処理を施し、これを
基板として、前記白金又は白金合金の膜上にダイヤモン
ド膜を気相合成することを特徴とする。
【００１４】このアニール処理を施した後に、ダイヤモ
ンド膜を気相合成する前に、白金又は白金合金の蒸着膜
の表面にダイヤモンド粉末若しくはダイヤモンドペース
トを使用したバフ研磨による傷つけ処理又は超音波処理
による傷つけ処理による表面処理を施すことができる。
ンド膜を気相合成する前に、白金又は白金合金の蒸着膜
の表面にダイヤモンド粉末若しくはダイヤモンドペース
トを使用したバフ研磨による傷つけ処理又は超音波処理
による傷つけ処理による表面処理を施すことができる。
【００１５】また、前記基体は、（１１１）結晶面又は
（００１）結晶面を有するフッ化リチウム、フッ化カル
シウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコ
ニウム、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、
又はニオブ酸リチウムにより構成されるものとすること
ができる。一方、この基体をシリコン、石英又はガラス
から構成していてもよい。
（００１）結晶面を有するフッ化リチウム、フッ化カル
シウム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコ
ニウム、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、
又はニオブ酸リチウムにより構成されるものとすること
ができる。一方、この基体をシリコン、石英又はガラス
から構成していてもよい。
【００１６】白金又は白金合金の蒸着膜は、前記基体の
表面に対して（１１１）結晶面又は（００１）結晶面に
配向しているものとすることができ、微結晶膜又は多結
晶膜であってもよい。
表面に対して（１１１）結晶面又は（００１）結晶面に
配向しているものとすることができ、微結晶膜又は多結
晶膜であってもよい。
【００１７】基体上に白金又は白金合金を蒸着するとき
の基体温度は３００℃以上であることが好ましく、アニ
ール処理は１０００℃以上の温度で、酸化雰囲気中にお
いて実施されることが望ましい。この白金合金中には、
周期律表６Ａ族、７Ａ族、８Ａ族又は１Ｂ族に含まれる
少なくとも１種の元素を含有することが好ましい。
の基体温度は３００℃以上であることが好ましく、アニ
ール処理は１０００℃以上の温度で、酸化雰囲気中にお
いて実施されることが望ましい。この白金合金中には、
周期律表６Ａ族、７Ａ族、８Ａ族又は１Ｂ族に含まれる
少なくとも１種の元素を含有することが好ましい。
【００１８】また、ダイヤモンド膜の気相合成に先立
ち、基板にバイアス電圧を印加することにより、基板上
にダイヤモンドの核形成をすることができ、このときに
使用するガスは水素を含まないことが好ましく、ダイヤ
モンドの気相合成に使用するガスについても水素を含ま
ないことが望ましい。
ち、基板にバイアス電圧を印加することにより、基板上
にダイヤモンドの核形成をすることができ、このときに
使用するガスは水素を含まないことが好ましく、ダイヤ
モンドの気相合成に使用するガスについても水素を含ま
ないことが望ましい。
【００１９】
【作用】本願発明者等が前記課題を解決するために鋭意
実験研究を重ねた結果、所定の基体上に、白金の単体又
は白金を５０原子％以上含む白金合金を、蒸着して高温
でアニール処理を施す方法、高温で蒸着する方法又は高
温で蒸着した後更に高温でアニール処理を施す方法のい
ずれかの処理を施すことにより、この蒸着膜の上に単結
晶又は単結晶に極めて近いダイヤモンド膜を気相合成で
きることを見い出した。
実験研究を重ねた結果、所定の基体上に、白金の単体又
は白金を５０原子％以上含む白金合金を、蒸着して高温
でアニール処理を施す方法、高温で蒸着する方法又は高
温で蒸着した後更に高温でアニール処理を施す方法のい
ずれかの処理を施すことにより、この蒸着膜の上に単結
晶又は単結晶に極めて近いダイヤモンド膜を気相合成で
きることを見い出した。
【００２０】従来の単結晶膜成長理論では、白金の上に
ダイヤモンドの単結晶膜が成長することは到底予想でき
ないことであった。その第１の理由は、白金とダイヤモ
ンドとの格子定数は夫々、３．９２３１Å、３．５６６
７Åであり、これらは、約１０％も異なっていることで
ある。このように、格子定数の差が大きすぎる場合に
は、単結晶が成長することは一般に考えられない。第２
の理由は、白金の結晶構造が図７に示すように面心立方
構造であることに対して、ダイヤモンドの結晶構造は図
８に示すようにダイヤモンド構造であり、その構造の点
において全く異なることである。このため、白金構造と
ダイヤモンド構造とは連続的につながらず、単結晶ダイ
ヤモンド膜が成長することは一般的には考えられない。
実際、白金フォイルを基板として、ダイヤモンドの気相
合成（ＣＶＤ）を行った従来技術については、ダイヤモ
ンド粒子が不規則に配向した多結晶ダイヤモンド膜しか
得られていない。
ダイヤモンドの単結晶膜が成長することは到底予想でき
ないことであった。その第１の理由は、白金とダイヤモ
ンドとの格子定数は夫々、３．９２３１Å、３．５６６
７Åであり、これらは、約１０％も異なっていることで
ある。このように、格子定数の差が大きすぎる場合に
は、単結晶が成長することは一般に考えられない。第２
の理由は、白金の結晶構造が図７に示すように面心立方
構造であることに対して、ダイヤモンドの結晶構造は図
８に示すようにダイヤモンド構造であり、その構造の点
において全く異なることである。このため、白金構造と
ダイヤモンド構造とは連続的につながらず、単結晶ダイ
ヤモンド膜が成長することは一般的には考えられない。
実際、白金フォイルを基板として、ダイヤモンドの気相
合成（ＣＶＤ）を行った従来技術については、ダイヤモ
ンド粒子が不規則に配向した多結晶ダイヤモンド膜しか
得られていない。
【００２１】しかしながら、白金又は白金合金の表面に
単結晶ダイヤモンド膜を形成することができるのは、次
のような機構によるものであるからと考えられる。即
ち、白金は触媒作用がある金属であり、表面に吸着した
炭素を含む分子は容易に分解される。このため、ダイヤ
モンドを気相合成するときには、基板表面に化学的に活
性な炭素が高濃度に存在することになる。この炭素は白
金と反応しながら基板の内部に拡散するので、白金の表
面層に炭素が過飽和に溶存し、これがダイヤモンド核と
して析出する。ダイヤモンドと同時にグラファイト等の
非ダイヤモンド構造を有する核も発生するが、これはプ
ラズマ中の水素又は酸素と容易に反応して除去される。
炭素が白金基板の内部に溶存するので、ダイヤモンド核
自身の配向は、基板の内部の（１１１）又は（００１）
結晶構造によって決定され、基板の表面に傷つけ処理に
よる凹凸が存在しても、ほとんど影響を受けない。むし
ろ、基板の表面の凹凸により、基板の内部への炭素の拡
散を促進する効果がある。
単結晶ダイヤモンド膜を形成することができるのは、次
のような機構によるものであるからと考えられる。即
ち、白金は触媒作用がある金属であり、表面に吸着した
炭素を含む分子は容易に分解される。このため、ダイヤ
モンドを気相合成するときには、基板表面に化学的に活
性な炭素が高濃度に存在することになる。この炭素は白
金と反応しながら基板の内部に拡散するので、白金の表
面層に炭素が過飽和に溶存し、これがダイヤモンド核と
して析出する。ダイヤモンドと同時にグラファイト等の
非ダイヤモンド構造を有する核も発生するが、これはプ
ラズマ中の水素又は酸素と容易に反応して除去される。
炭素が白金基板の内部に溶存するので、ダイヤモンド核
自身の配向は、基板の内部の（１１１）又は（００１）
結晶構造によって決定され、基板の表面に傷つけ処理に
よる凹凸が存在しても、ほとんど影響を受けない。むし
ろ、基板の表面の凹凸により、基板の内部への炭素の拡
散を促進する効果がある。
【００２２】基板の材料として白金を使用することは、
以下の理由によるものである。基板材料にニッケルを使
用すると、ニッケルの強い触媒作用のために、一旦形成
されたダイヤモンドがグラファイト等に転化してしま
う。銅は触媒作用が弱すぎることと、炭素との結合が弱
いことより、十分な濃度の炭素原子が溶存できない。一
般に、ダイヤモンドを気相合成するときの基板として使
用されるシリコンは、炭素との間で強い共有結合を有す
るため、基板の内部でのダイヤモンド核形成が阻害され
る。これらの材料に対して、白金は触媒作用はあるが、
ニッケルほど強く炭素と反応しないで炭素を溶存する。
従って、基板の材料として使用するには白金が最も適切
である。
以下の理由によるものである。基板材料にニッケルを使
用すると、ニッケルの強い触媒作用のために、一旦形成
されたダイヤモンドがグラファイト等に転化してしま
う。銅は触媒作用が弱すぎることと、炭素との結合が弱
いことより、十分な濃度の炭素原子が溶存できない。一
般に、ダイヤモンドを気相合成するときの基板として使
用されるシリコンは、炭素との間で強い共有結合を有す
るため、基板の内部でのダイヤモンド核形成が阻害され
る。これらの材料に対して、白金は触媒作用はあるが、
ニッケルほど強く炭素と反応しないで炭素を溶存する。
従って、基板の材料として使用するには白金が最も適切
である。
【００２３】所定の基体上に蒸着した白金又は白金合金
を基板として使用する場合は、形成される単結晶ダイヤ
モンド膜の表面積には発明原理からの制限がないので、
大面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成することが可能と
なる。本願発明者等は、白金及び白金を５０原子％以上
含有する白金合金を使用すると、上述の結果が得られる
ことを確認した。この場合、白金以外の成分が５０原子
％を超えると、白金としての効果が弱くなり、ダイヤモ
ンドは発生するが単結晶ダイヤモンド膜は形成できな
い。従って、白金合金中の白金の含有量は５０原子％以
上であることが必要である。このような白金合金であっ
ても、白金の特徴を活かして、その効果を引き出すため
には、白金の含有量は９９原子％以上であることが好ま
しい。
を基板として使用する場合は、形成される単結晶ダイヤ
モンド膜の表面積には発明原理からの制限がないので、
大面積の単結晶ダイヤモンド膜を合成することが可能と
なる。本願発明者等は、白金及び白金を５０原子％以上
含有する白金合金を使用すると、上述の結果が得られる
ことを確認した。この場合、白金以外の成分が５０原子
％を超えると、白金としての効果が弱くなり、ダイヤモ
ンドは発生するが単結晶ダイヤモンド膜は形成できな
い。従って、白金合金中の白金の含有量は５０原子％以
上であることが必要である。このような白金合金であっ
ても、白金の特徴を活かして、その効果を引き出すため
には、白金の含有量は９９原子％以上であることが好ま
しい。
【００２４】この白金以外の成分としては、クロミウ
ム、モリブデン及びタングステン等の周期律表６Ａ族の
元素、マンガン等の７Ａの元素、鉄、コバルト、イリジ
ウム、ニッケル、及びパラジウム等の８Ａ族の元素、並
びに金、銀及び銅等の１Ｂ族の元素からなる群から選択
された少なくとも１種の元素がある。周期律表６Ａ族及
び７Ａ族の元素は、安定な炭化物をつくり、８Ａ族の元
素は炭素と強く反応する。一方、１Ｂ族の元素は炭素と
は反応しない。そこで、これらの元素を白金に混合する
ことにより、白金の化学作用を制御したり、新たな化学
効果を加えることができる。また、混合比を変えること
により、格子定数を変えることができるので、単結晶ダ
イヤモンド膜の基板に対する結晶方位を制御できる効果
がある。以下、白金及び白金を５０原子％以上含有する
白金合金を総称して、白金系合金という。
ム、モリブデン及びタングステン等の周期律表６Ａ族の
元素、マンガン等の７Ａの元素、鉄、コバルト、イリジ
ウム、ニッケル、及びパラジウム等の８Ａ族の元素、並
びに金、銀及び銅等の１Ｂ族の元素からなる群から選択
された少なくとも１種の元素がある。周期律表６Ａ族及
び７Ａ族の元素は、安定な炭化物をつくり、８Ａ族の元
素は炭素と強く反応する。一方、１Ｂ族の元素は炭素と
は反応しない。そこで、これらの元素を白金に混合する
ことにより、白金の化学作用を制御したり、新たな化学
効果を加えることができる。また、混合比を変えること
により、格子定数を変えることができるので、単結晶ダ
イヤモンド膜の基板に対する結晶方位を制御できる効果
がある。以下、白金及び白金を５０原子％以上含有する
白金合金を総称して、白金系合金という。
【００２５】白金系合金の単結晶膜はスパッタ法又は電
子ビーム蒸着法等の公知の方法により蒸着することがで
きるが、スパッタ法により蒸着すると比較的容易に形成
することができる。この蒸着膜の厚さの上限及び下限に
は、発明原理からの制限はない。しかしながら実際に
は、蒸着する際の種々のプロセスによって、望ましい膜
厚が存在する。例えば、蒸着プロセスでは、厚さが０．
１μｍ以上の膜が成膜しやすく、傷つけの粗面化処理に
耐えるためには、厚さが０．５μｍ以上の白金系合金膜
を成膜することが望ましい。水素プラズマ雰囲気中にお
いてダイヤモンドを気相合成する際には、活性な水素が
白金系合金をエッチング等により劣化させるので、これ
に耐えるためには厚さが約３μｍ以上の白金系合金膜で
あることが必要である。更に、蒸着後に大気中における
アニール処理に耐えるためにも、約１μｍ以上の膜厚を
有することが必要である。一方、白金系合金の膜厚が厚
すぎると、白金の消費量が増加することより製造コスト
が高いものとなる。以上の理由より、実用的には白金系
合金の蒸着膜の厚さは、０．１乃至３０μｍであること
が好ましく、１乃至２０μｍであるとより一層望まし
い。
子ビーム蒸着法等の公知の方法により蒸着することがで
きるが、スパッタ法により蒸着すると比較的容易に形成
することができる。この蒸着膜の厚さの上限及び下限に
は、発明原理からの制限はない。しかしながら実際に
は、蒸着する際の種々のプロセスによって、望ましい膜
厚が存在する。例えば、蒸着プロセスでは、厚さが０．
１μｍ以上の膜が成膜しやすく、傷つけの粗面化処理に
耐えるためには、厚さが０．５μｍ以上の白金系合金膜
を成膜することが望ましい。水素プラズマ雰囲気中にお
いてダイヤモンドを気相合成する際には、活性な水素が
白金系合金をエッチング等により劣化させるので、これ
に耐えるためには厚さが約３μｍ以上の白金系合金膜で
あることが必要である。更に、蒸着後に大気中における
アニール処理に耐えるためにも、約１μｍ以上の膜厚を
有することが必要である。一方、白金系合金の膜厚が厚
すぎると、白金の消費量が増加することより製造コスト
が高いものとなる。以上の理由より、実用的には白金系
合金の蒸着膜の厚さは、０．１乃至３０μｍであること
が好ましく、１乃至２０μｍであるとより一層望まし
い。
【００２６】一般にダイヤモンドの気相合成において
は、ダイヤモンドの（１１１）結晶面又は（００１）結
晶面が出現しやすく、その他の結晶面は出現しにくい。
このため、白金系合金の蒸着膜は（１１１）又は（００
１）結晶面に配向していることが望ましい。この蒸着膜
の表面が、ある程度（１１１）結晶面に配向している
と、（１１１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が
成長し、蒸着膜の表面が、ある程度（００１）結晶面に
配向していると、（００１）結晶面を有する単結晶ダイ
ヤモンド膜が成長する。なお、結晶面の配向性はＸ線回
折で評価できる。
は、ダイヤモンドの（１１１）結晶面又は（００１）結
晶面が出現しやすく、その他の結晶面は出現しにくい。
このため、白金系合金の蒸着膜は（１１１）又は（００
１）結晶面に配向していることが望ましい。この蒸着膜
の表面が、ある程度（１１１）結晶面に配向している
と、（１１１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が
成長し、蒸着膜の表面が、ある程度（００１）結晶面に
配向していると、（００１）結晶面を有する単結晶ダイ
ヤモンド膜が成長する。なお、結晶面の配向性はＸ線回
折で評価できる。
【００２７】一般的に、気相合成により単結晶膜を成長
させるためには、基板自体が単結晶である必要があると
考えられている。しかしながら、本発明においては所定
の基体上に所定の条件で白金系合金の蒸着及びアニール
処理が施されるか、又は所定の基体上に所定の条件で白
金系合金が蒸着されているのみで、この蒸着膜の表面形
態が微結晶及び多結晶のいずれであっても多結晶であっ
ても、単結晶ダイヤモンド膜を気相合成することができ
る。この理由としては、ある程度配向した蒸着膜であれ
ば、気相合成により発生したダイヤモンド核が自然に配
向するというように考えられる。
させるためには、基板自体が単結晶である必要があると
考えられている。しかしながら、本発明においては所定
の基体上に所定の条件で白金系合金の蒸着及びアニール
処理が施されるか、又は所定の基体上に所定の条件で白
金系合金が蒸着されているのみで、この蒸着膜の表面形
態が微結晶及び多結晶のいずれであっても多結晶であっ
ても、単結晶ダイヤモンド膜を気相合成することができ
る。この理由としては、ある程度配向した蒸着膜であれ
ば、気相合成により発生したダイヤモンド核が自然に配
向するというように考えられる。
【００２８】この白金系合金の蒸着膜の表面は、その全
面が（１１１）結晶面か又は（００１）結晶面のいずれ
か一方に配向していることが望ましいが、夫々の面積が
約２５００平方ミクロン以上であれば、（１１１）結晶
面と（００１）結晶面の集合体であっても、夫々の結晶
面上に蒸着膜と同一の配向性を有する単結晶ダイヤモン
ド膜の集合体が成長する。このような集合体であって
も、夫々の面積が大きいために、この単結晶ダイヤモン
ド膜はバルクダイヤモンドとほぼ同様の特性を示す。
面が（１１１）結晶面か又は（００１）結晶面のいずれ
か一方に配向していることが望ましいが、夫々の面積が
約２５００平方ミクロン以上であれば、（１１１）結晶
面と（００１）結晶面の集合体であっても、夫々の結晶
面上に蒸着膜と同一の配向性を有する単結晶ダイヤモン
ド膜の集合体が成長する。このような集合体であって
も、夫々の面積が大きいために、この単結晶ダイヤモン
ド膜はバルクダイヤモンドとほぼ同様の特性を示す。
【００２９】白金系合金の蒸着膜の（１１１）結晶面又
は（００１）結晶面は、（１１１）又は（００１）結晶
面を有するフッ化リチウム、フッ化カルシウム、酸化マ
グネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、サファ
イア（酸化アルミニウム）、チタン酸ストロンチウム、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、
ニオブ酸リチウムのいずれかの結晶を基体として、スパ
ッタ蒸着、電子ビーム蒸着などの方法で形成することが
できる。
は（００１）結晶面は、（１１１）又は（００１）結晶
面を有するフッ化リチウム、フッ化カルシウム、酸化マ
グネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、サファ
イア（酸化アルミニウム）、チタン酸ストロンチウム、
チタン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、
ニオブ酸リチウムのいずれかの結晶を基体として、スパ
ッタ蒸着、電子ビーム蒸着などの方法で形成することが
できる。
【００３０】白金系合金は高価な金属であるが、単結晶
ダイヤモンド膜の合成後に、ダイヤモンド膜から基板で
ある白金系合金膜を剥離することにより再利用できるの
で、製造コストが高くなることはない。他の基体とし
て、シリコンウエハ、石英、ガラス、それらの表面を改
質した基体、又はそれらの表面に別の材料を蒸着した基
体等に、（１１１）結晶面又は（００１）結晶面に配向
した白金系合金の蒸着膜が形成できれば、更に基板が低
コストになり、本発明の可能性が広がる。白金系合金は
これらの基体の全体に蒸着されることが望ましいが、そ
の一部の領域のみに蒸着してもよい。
ダイヤモンド膜の合成後に、ダイヤモンド膜から基板で
ある白金系合金膜を剥離することにより再利用できるの
で、製造コストが高くなることはない。他の基体とし
て、シリコンウエハ、石英、ガラス、それらの表面を改
質した基体、又はそれらの表面に別の材料を蒸着した基
体等に、（１１１）結晶面又は（００１）結晶面に配向
した白金系合金の蒸着膜が形成できれば、更に基板が低
コストになり、本発明の可能性が広がる。白金系合金は
これらの基体の全体に蒸着されることが望ましいが、そ
の一部の領域のみに蒸着してもよい。
【００３１】蒸着した白金系合金膜のアニール処理は、
真空中でも、例えば大気中のような酸化雰囲気中で施し
てもよい。本願発明者等は酸化雰囲気中でアニール処理
すると、単結晶ダイヤモンド膜がより一層容易に成長す
ることを見い出した。これは、白金系合金の表面に吸着
した酸素が単結晶ダイヤモンドの成長を容易にする効果
を引き起こしているからであると考えられる。一方、還
元雰囲気中でアニール処理を施すと、白金系合金自身が
脆弱化するという問題が発生するので、還元雰囲気での
長時間の基板の処理は好ましくない。
真空中でも、例えば大気中のような酸化雰囲気中で施し
てもよい。本願発明者等は酸化雰囲気中でアニール処理
すると、単結晶ダイヤモンド膜がより一層容易に成長す
ることを見い出した。これは、白金系合金の表面に吸着
した酸素が単結晶ダイヤモンドの成長を容易にする効果
を引き起こしているからであると考えられる。一方、還
元雰囲気中でアニール処理を施すと、白金系合金自身が
脆弱化するという問題が発生するので、還元雰囲気での
長時間の基板の処理は好ましくない。
【００３２】結晶面の構造を保った状態でダイヤモンド
の単結晶を成長させることは一般的であるが、傷つけ処
理により表面を粗面化処理してもダイヤモンドの単結晶
膜を成長させることができることは、従来は到底予想で
きないことであった。しかしながら、本発明において
は、ダイヤモンド膜を気相合成する前に、基板とする白
金系合金膜の表面にダイヤモンドの核を発生させるため
に、炭素を含むプラズマ雰囲気中で基板にバイアスを印
加する方法、より一般的には、予め基板をダイヤモンド
粉末若しくはダイヤモンドペーストによってバフ研磨す
ることにより傷つけ処理する方法又は超音波処理により
傷つけ処理する方法を使用することができる。これは、
前述のように、炭素が白金系合金の基板内部に溶存する
ために、この基板の表面に傷つけ処理による凹凸が存在
しても、ほとんど影響を受けないからである。むしろ基
板の表面の凹凸は、基板内部への炭素の拡散を促進する
効果を有する。
の単結晶を成長させることは一般的であるが、傷つけ処
理により表面を粗面化処理してもダイヤモンドの単結晶
膜を成長させることができることは、従来は到底予想で
きないことであった。しかしながら、本発明において
は、ダイヤモンド膜を気相合成する前に、基板とする白
金系合金膜の表面にダイヤモンドの核を発生させるため
に、炭素を含むプラズマ雰囲気中で基板にバイアスを印
加する方法、より一般的には、予め基板をダイヤモンド
粉末若しくはダイヤモンドペーストによってバフ研磨す
ることにより傷つけ処理する方法又は超音波処理により
傷つけ処理する方法を使用することができる。これは、
前述のように、炭素が白金系合金の基板内部に溶存する
ために、この基板の表面に傷つけ処理による凹凸が存在
しても、ほとんど影響を受けないからである。むしろ基
板の表面の凹凸は、基板内部への炭素の拡散を促進する
効果を有する。
【００３３】ダイヤモンド膜を気相合成する基板表面の
白金系合金膜には、通常、大気中の窒素、酸素及び水な
どの分子が物理的又は化学的に吸着している。この白金
系合金膜の上にダイヤモンド膜を形成する場合、その表
面に種々の分子が吸着したまま気相合成を開始すると、
これらの吸着物が障害となってダイヤモンド膜の結晶面
が基板の結晶方位から外れたり、ダイヤモンド膜自身に
欠陥が発生して、単結晶ダイヤモンド膜の形成が妨げら
れる。このような問題点を解決するためには、白金系合
金膜が被覆された基板の表面を、予め王水等の適当な溶
剤及び有機溶剤等で洗浄した後、１０-6Ｔｏｒｒ以下の
高真空中において、３００℃以上の温度で１５分間以上
放置することにより、基板表面に吸着したガス分子を脱
離させて、更に、炭素含有プラズマで処理するとよい。
この処理には水素、酸素、塩素及びフッ素から選択され
た少なくとも１種のガス、ヘリウム、ネオン及びアルゴ
ンから選択された少なくとも１種のガス又はこれらの両
方を含む炭素含有プラズマを使用する。そうすると、化
学的又は物理的に基板の表面を清浄化することができ
る。
白金系合金膜には、通常、大気中の窒素、酸素及び水な
どの分子が物理的又は化学的に吸着している。この白金
系合金膜の上にダイヤモンド膜を形成する場合、その表
面に種々の分子が吸着したまま気相合成を開始すると、
これらの吸着物が障害となってダイヤモンド膜の結晶面
が基板の結晶方位から外れたり、ダイヤモンド膜自身に
欠陥が発生して、単結晶ダイヤモンド膜の形成が妨げら
れる。このような問題点を解決するためには、白金系合
金膜が被覆された基板の表面を、予め王水等の適当な溶
剤及び有機溶剤等で洗浄した後、１０-6Ｔｏｒｒ以下の
高真空中において、３００℃以上の温度で１５分間以上
放置することにより、基板表面に吸着したガス分子を脱
離させて、更に、炭素含有プラズマで処理するとよい。
この処理には水素、酸素、塩素及びフッ素から選択され
た少なくとも１種のガス、ヘリウム、ネオン及びアルゴ
ンから選択された少なくとも１種のガス又はこれらの両
方を含む炭素含有プラズマを使用する。そうすると、化
学的又は物理的に基板の表面を清浄化することができ
る。
【００３４】基板の表面を処理するプラズマに炭素が含
有されているのは、基板の表面に炭素成分を吸着させ、
炭素が過飽和に存在する状態を形成しやすくするためで
ある。これによって、気相合成においてダイヤモンドの
核を形成することが容易になる。このダイヤモンド核の
形成過程で、基板表面にアモルファスカーボン又は無定
型のグラファイトが形成される虞があり、これらは基板
と方位関係を持たないため、単結晶ダイヤモンド膜の形
成を阻害する。そこで、基板表面を処理する炭素含有プ
ラズマに、水素、酸素、塩素及びフッ素から選択された
少なくとも１種のガス、ヘリウム、ネオン及びアルゴン
から選択された少なくとも１種のガス又はこれらの両方
を含むものを適量添加すると、アモルファスカーボン及
び無定型のグラファイトを除去することができる。
有されているのは、基板の表面に炭素成分を吸着させ、
炭素が過飽和に存在する状態を形成しやすくするためで
ある。これによって、気相合成においてダイヤモンドの
核を形成することが容易になる。このダイヤモンド核の
形成過程で、基板表面にアモルファスカーボン又は無定
型のグラファイトが形成される虞があり、これらは基板
と方位関係を持たないため、単結晶ダイヤモンド膜の形
成を阻害する。そこで、基板表面を処理する炭素含有プ
ラズマに、水素、酸素、塩素及びフッ素から選択された
少なくとも１種のガス、ヘリウム、ネオン及びアルゴン
から選択された少なくとも１種のガス又はこれらの両方
を含むものを適量添加すると、アモルファスカーボン及
び無定型のグラファイトを除去することができる。
【００３５】ダイヤモンドの気相合成法は、マイクロ波
ＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣ
ＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、
燃焼法、及び熱ＣＶＤ法等の従来技術のいずれの方法を
使用してもよい。これらの方法によるダイヤモンドの気
相合成中において、基板の表面はプラズマ中から炭素原
子を取り込み、炭素が過飽和な状態になった後に、ダイ
ヤモンドの核が発生し始める。一方、プラズマ中の高エ
ネルギーイオンが基板表面に衝突し、発生したダイヤモ
ンド核にダメージを与えるため、ダイヤモンドの結晶性
が低下する。従って、ダイヤモンド核の気相合成の開始
後、できるだけ早くダイヤモンド核を発生することが望
ましい。ダイヤモンド核の発生を促進するためには、一
定時間、基板に電圧を印加することが効果的であり、ダ
イヤモンドの核形成に必要な炭素原子を含むイオンが基
板に引き寄せられて、基板表面が速やかに炭素過飽和状
態となる。その結果、基板表面がプラズマに暴露される
時間が短縮されるので、プラズマによるダメージが少な
く、基板に対して結晶方位が一致したダイヤモンド核が
形成される。印加電圧は正電荷又は負電荷のいずれによ
っても同様の効果が得られるが、負電荷の方がより効果
が高い。
ＣＶＤ法、高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣ
ＶＤ法、直流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、
燃焼法、及び熱ＣＶＤ法等の従来技術のいずれの方法を
使用してもよい。これらの方法によるダイヤモンドの気
相合成中において、基板の表面はプラズマ中から炭素原
子を取り込み、炭素が過飽和な状態になった後に、ダイ
ヤモンドの核が発生し始める。一方、プラズマ中の高エ
ネルギーイオンが基板表面に衝突し、発生したダイヤモ
ンド核にダメージを与えるため、ダイヤモンドの結晶性
が低下する。従って、ダイヤモンド核の気相合成の開始
後、できるだけ早くダイヤモンド核を発生することが望
ましい。ダイヤモンド核の発生を促進するためには、一
定時間、基板に電圧を印加することが効果的であり、ダ
イヤモンドの核形成に必要な炭素原子を含むイオンが基
板に引き寄せられて、基板表面が速やかに炭素過飽和状
態となる。その結果、基板表面がプラズマに暴露される
時間が短縮されるので、プラズマによるダメージが少な
く、基板に対して結晶方位が一致したダイヤモンド核が
形成される。印加電圧は正電荷又は負電荷のいずれによ
っても同様の効果が得られるが、負電荷の方がより効果
が高い。
【００３６】この基板に対する電圧印加は、必ずしも実
施する必要はないが、電圧を印加しないでダイヤモンド
膜を気相合成すると、実施した場合と比較して、膜の均
一性が若干低下し、単結晶領域が小さくなる傾向があ
る。また、白金系合金は水素雰囲気に長時間暴露される
と脆弱化するので、電圧印加によるダイヤモンドの核発
生時及びダイヤモンドの気相合成時においては、水素を
含有しないガスを使用することが望ましい。このような
ガスには、一酸化炭素又は一酸化炭素と二酸化炭素との
混合ガスがある。
施する必要はないが、電圧を印加しないでダイヤモンド
膜を気相合成すると、実施した場合と比較して、膜の均
一性が若干低下し、単結晶領域が小さくなる傾向があ
る。また、白金系合金は水素雰囲気に長時間暴露される
と脆弱化するので、電圧印加によるダイヤモンドの核発
生時及びダイヤモンドの気相合成時においては、水素を
含有しないガスを使用することが望ましい。このような
ガスには、一酸化炭素又は一酸化炭素と二酸化炭素との
混合ガスがある。
【００３７】このようにして得られた単結晶ダイヤモン
ド膜を電子デバイス・センサその他に応用する場合に
は、この蒸着膜をそのまま電極として使用することがで
きるという利点がある。また、得られた単結晶ダイヤモ
ンド膜を光学窓又はヒートシンクに応用する場合には基
板は不要であるので、機械的方法又は溶解等の化学的方
法で基板を除去することができる。このような自立性の
単結晶ダイヤモンド膜の片面又は両面を研磨することも
可能である。
ド膜を電子デバイス・センサその他に応用する場合に
は、この蒸着膜をそのまま電極として使用することがで
きるという利点がある。また、得られた単結晶ダイヤモ
ンド膜を光学窓又はヒートシンクに応用する場合には基
板は不要であるので、機械的方法又は溶解等の化学的方
法で基板を除去することができる。このような自立性の
単結晶ダイヤモンド膜の片面又は両面を研磨することも
可能である。
【００３８】単結晶ダイヤモンド膜の厚さは気相合成時
間による以外に制限がない。一般的に、膜厚が約０．１
μｍ乃至数ｍｍの厚さのものを気相合成することが可能
である。また、例えば一旦、マイクロ波ＣＶＤ法等によ
り単結晶ダイヤモンド膜を基板上に合成した後、プラズ
マジェット法又は燃焼法等の高速成膜法により、更に膜
厚が厚いダイヤモンド膜を成長させることができる。
間による以外に制限がない。一般的に、膜厚が約０．１
μｍ乃至数ｍｍの厚さのものを気相合成することが可能
である。また、例えば一旦、マイクロ波ＣＶＤ法等によ
り単結晶ダイヤモンド膜を基板上に合成した後、プラズ
マジェット法又は燃焼法等の高速成膜法により、更に膜
厚が厚いダイヤモンド膜を成長させることができる。
【００３９】また、単結晶ダイヤモンド膜をｐ型又はｎ
型の導電性を有する半導体にするためには、ダイヤモン
ドの核を発生させるとき又は単結晶ダイヤモンドを気相
成長するときに、原料ガスに例えばＢ2Ｈ6のようなボロ
ン（Ｂ）元素を含むガス又は例えばＰＨ3 のようなリン
（Ｐ）元素を含むガスを添加すればよい。
型の導電性を有する半導体にするためには、ダイヤモン
ドの核を発生させるとき又は単結晶ダイヤモンドを気相
成長するときに、原料ガスに例えばＢ2Ｈ6のようなボロ
ン（Ｂ）元素を含むガス又は例えばＰＨ3 のようなリン
（Ｐ）元素を含むガスを添加すればよい。
【００４０】本発明に係る単結晶ダイヤモンド膜の形成
方法によって、基板上の所定の領域にのみ単結晶ダイヤ
モンド膜のパターンを選択的に形成することは容易であ
る。このためには、基体上のダイヤモンド核の形成予定
領域にのみ、予め白金系合金を蒸着して、アニール処理
を施し、それ以外の領域には、予め窒化シリコン又は酸
化シリコン膜でマスクしておけばよい。
方法によって、基板上の所定の領域にのみ単結晶ダイヤ
モンド膜のパターンを選択的に形成することは容易であ
る。このためには、基体上のダイヤモンド核の形成予定
領域にのみ、予め白金系合金を蒸着して、アニール処理
を施し、それ以外の領域には、予め窒化シリコン又は酸
化シリコン膜でマスクしておけばよい。
【００４１】
【実施例】以下、本発明の実施例に係る単結晶ダイヤモ
ンド膜の形成方法について具体的に説明する。先ず、ダ
イヤモンド膜を形成する基本的な工程について説明す
る。基体として、（００１）結晶面又は（１１１）結晶
面を有する単結晶チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ
3 ）又は単結晶酸化マグネシウムを使用して、この基体
の温度を一定の範囲に保持した状態でマグネトロンスパ
ッタ法又はＲＦスパッタ法により白金の薄膜を蒸着し、
この基体及び白金の薄膜にアニール処理を施す。そし
て、この基板表面に表面処理を施したものを基板とし
て、この基板上にダイヤモンド膜を気相合成する。この
ダイヤモンド膜の気相合成法は、マイクロ波ＣＶＤ法、
高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直
流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法、及
び熱ＣＶＤ法等を使用することができる。
ンド膜の形成方法について具体的に説明する。先ず、ダ
イヤモンド膜を形成する基本的な工程について説明す
る。基体として、（００１）結晶面又は（１１１）結晶
面を有する単結晶チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ
3 ）又は単結晶酸化マグネシウムを使用して、この基体
の温度を一定の範囲に保持した状態でマグネトロンスパ
ッタ法又はＲＦスパッタ法により白金の薄膜を蒸着し、
この基体及び白金の薄膜にアニール処理を施す。そし
て、この基板表面に表面処理を施したものを基板とし
て、この基板上にダイヤモンド膜を気相合成する。この
ダイヤモンド膜の気相合成法は、マイクロ波ＣＶＤ法、
高周波プラズマＣＶＤ法、熱フィラメントＣＶＤ法、直
流プラズマＣＶＤ法、プラズマジェット法、燃焼法、及
び熱ＣＶＤ法等を使用することができる。
【００４２】次に、本発明の実施例方法により、単結晶
ダイヤモンド膜を形成した結果について説明する。
ダイヤモンド膜を形成した結果について説明する。
【００４３】図１は、実験に使用したダイヤモンド気相
合成用のマイクロ波ＣＶＤ装置を示す模式図である。マ
イクロ波電源１０と、アイソレータ１１と、チューナー
１２とからなるマイクロ波発生部から発生するマイクロ
波は、導波管１３を介してプランジャー１７に向かう。
そして、導波管１７の途中には、石英管１４が設けられ
ており、石英管１４の上部には原料ガスの導入口１６が
配設されており、下部には真空ポンプへの排出口１５が
設けられている。そして、石英管１４内の導波管１３が
交差する位置に、基板ホルダ１８が配設されており、こ
の基板ホルダ１８上に基板１９が設置されるようになっ
ている。なお、基板ホルダ１８は昇降装置により昇降す
るようになっている。
合成用のマイクロ波ＣＶＤ装置を示す模式図である。マ
イクロ波電源１０と、アイソレータ１１と、チューナー
１２とからなるマイクロ波発生部から発生するマイクロ
波は、導波管１３を介してプランジャー１７に向かう。
そして、導波管１７の途中には、石英管１４が設けられ
ており、石英管１４の上部には原料ガスの導入口１６が
配設されており、下部には真空ポンプへの排出口１５が
設けられている。そして、石英管１４内の導波管１３が
交差する位置に、基板ホルダ１８が配設されており、こ
の基板ホルダ１８上に基板１９が設置されるようになっ
ている。なお、基板ホルダ１８は昇降装置により昇降す
るようになっている。
【００４４】本装置によりダイヤモンド膜を形成した実
施例１、２、７、８及び１０乃至１４においては、下記
表１に示す蒸着条件で基体に白金を蒸着した後、１００
０乃至１４００℃の温度で１２時間のアニール処理を施
し、ダイヤモンド粉末若しくはダイヤモンドペーストを
使用したバフ研磨による傷つけ又は超音波処理による傷
つけによって表面処理を施して基板１９とした。この基
板１９を基板ホルダ１８上に設置し、排出口１５を介し
てロータリーポンプにより反応器である石英管１４内を
真空排気した後、導入口１６を介して下記表３に示す原
料ガスを反応器である石英管１４内に１００ｓｃｃｍの
流速で流し、石英管１４内を下記表３に示す圧力に保持
した。そして、マイクロ波電源１０から導波管１３を介
して、石英管１４からなる反応器内にマイクロ波を導入
し、プラズマを発生させた。そして、マイクロ波投入電
力と基板位置を調整して、基板温度が下記表２に示す範
囲になるようにしてダイヤモンド膜を形成した。基板温
度は反応器上方より放射温度計により測定した。
施例１、２、７、８及び１０乃至１４においては、下記
表１に示す蒸着条件で基体に白金を蒸着した後、１００
０乃至１４００℃の温度で１２時間のアニール処理を施
し、ダイヤモンド粉末若しくはダイヤモンドペーストを
使用したバフ研磨による傷つけ又は超音波処理による傷
つけによって表面処理を施して基板１９とした。この基
板１９を基板ホルダ１８上に設置し、排出口１５を介し
てロータリーポンプにより反応器である石英管１４内を
真空排気した後、導入口１６を介して下記表３に示す原
料ガスを反応器である石英管１４内に１００ｓｃｃｍの
流速で流し、石英管１４内を下記表３に示す圧力に保持
した。そして、マイクロ波電源１０から導波管１３を介
して、石英管１４からなる反応器内にマイクロ波を導入
し、プラズマを発生させた。そして、マイクロ波投入電
力と基板位置を調整して、基板温度が下記表２に示す範
囲になるようにしてダイヤモンド膜を形成した。基板温
度は反応器上方より放射温度計により測定した。
【００４５】図２は、実験に使用したダイヤモンド気相
合成用の熱フィラメントＣＶＤ装置を示す模式図であ
る。チャンバ２０内は、その上部に１対のフィラメント
電源２３がその長手方向を垂直にして配設されており、
その下端には熱フィラメント２４が接続されている。ま
た、チャンバ２０の下部には、基板ホルダ２５が設置さ
れており、この基板ホルダ２５上に基板２６が載置され
るようになっている。チャンバ２０の側壁上部には、原
料ガスの導入口２１が設けられており、他方の側壁下部
には、真空ポンプに連結されたガス排出口２２が設けら
れている。なお、基板ホルダ２５には、ヒータ（図示せ
ず）が内蔵されている。
合成用の熱フィラメントＣＶＤ装置を示す模式図であ
る。チャンバ２０内は、その上部に１対のフィラメント
電源２３がその長手方向を垂直にして配設されており、
その下端には熱フィラメント２４が接続されている。ま
た、チャンバ２０の下部には、基板ホルダ２５が設置さ
れており、この基板ホルダ２５上に基板２６が載置され
るようになっている。チャンバ２０の側壁上部には、原
料ガスの導入口２１が設けられており、他方の側壁下部
には、真空ポンプに連結されたガス排出口２２が設けら
れている。なお、基板ホルダ２５には、ヒータ（図示せ
ず）が内蔵されている。
【００４６】本装置によりダイヤモンド膜を形成した実
施例３、４及び９においては、先ず、マイクロ波ＣＶＤ
における合成方法と同様に、下記表１に示す蒸着条件で
基体に白金を蒸着し、１０００乃至１４００℃の温度で
１２時間のアニール処理を施した後、表面処理を施し
て、基板２６とした。この表面処理は、実施例４のみ白
金の蒸着膜の表面に、６０ｋｅＶの電圧をかけた炭素イ
オンを１０16／ｃｍ2 の密度で注入することによる傷つ
け処理とし、その他の実施例については前述のバフ研磨
又は超音波による傷つけ処理とした。この基板２６を基
板ホルダ２５上に設置した後、導入口２１を介して下記
表３に示す原料ガスを１００ｓｃｃｍの流速で流し、チ
ャンバ２０内を下記表３に示す圧力に保持した。そし
て、基板２６の上方８ｍｍの位置に設けた熱フィラメン
ト２４を２２００℃に加熱した。そして、基板ヒータを
調整して実施例３及び４については基板温度が、先ず８
００乃至９５０℃となるようにし、この状態を３０乃至
６０分保持した後、基板温度を１３００乃至１４００℃
に上げて１乃至５分間保持し、再度、８００乃至９５０
℃に保ってダイヤモンド膜を合成した。実施例９につい
ては、基板ヒータを調整して基板温度が７８０乃至８６
０℃となるようにして、ダイヤモンド膜を合成した。
施例３、４及び９においては、先ず、マイクロ波ＣＶＤ
における合成方法と同様に、下記表１に示す蒸着条件で
基体に白金を蒸着し、１０００乃至１４００℃の温度で
１２時間のアニール処理を施した後、表面処理を施し
て、基板２６とした。この表面処理は、実施例４のみ白
金の蒸着膜の表面に、６０ｋｅＶの電圧をかけた炭素イ
オンを１０16／ｃｍ2 の密度で注入することによる傷つ
け処理とし、その他の実施例については前述のバフ研磨
又は超音波による傷つけ処理とした。この基板２６を基
板ホルダ２５上に設置した後、導入口２１を介して下記
表３に示す原料ガスを１００ｓｃｃｍの流速で流し、チ
ャンバ２０内を下記表３に示す圧力に保持した。そし
て、基板２６の上方８ｍｍの位置に設けた熱フィラメン
ト２４を２２００℃に加熱した。そして、基板ヒータを
調整して実施例３及び４については基板温度が、先ず８
００乃至９５０℃となるようにし、この状態を３０乃至
６０分保持した後、基板温度を１３００乃至１４００℃
に上げて１乃至５分間保持し、再度、８００乃至９５０
℃に保ってダイヤモンド膜を合成した。実施例９につい
ては、基板ヒータを調整して基板温度が７８０乃至８６
０℃となるようにして、ダイヤモンド膜を合成した。
【００４７】実施例５においては、下記表１乃至３に示
す条件でＤＣプラズマジェットＣＶＤ法により、ダイヤ
モンド膜を合成した。
す条件でＤＣプラズマジェットＣＶＤ法により、ダイヤ
モンド膜を合成した。
【００４８】実施例６においては、下記表１に示す蒸着
条件で基体に白金を蒸着して、１０００乃至１４００℃
の温度で１２時間のアニール処理を施した後、前述のバ
フ研磨又は超音波処理による傷つけの表面処理を施して
基板とした。この基板を水冷した基板支持台に固定し、
溶接用ガスバーナーにアセチレンと酸素の混合ガスを毎
分２リットル流して、燃焼炎の長さが約２５ｃｍとなる
ようにした内炎中に、基板がバーナーから１０ｍｍ離れ
るように基板支持台を設置した。そして、表２及び３に
示す条件でダイヤモンド膜を気相合成した。
条件で基体に白金を蒸着して、１０００乃至１４００℃
の温度で１２時間のアニール処理を施した後、前述のバ
フ研磨又は超音波処理による傷つけの表面処理を施して
基板とした。この基板を水冷した基板支持台に固定し、
溶接用ガスバーナーにアセチレンと酸素の混合ガスを毎
分２リットル流して、燃焼炎の長さが約２５ｃｍとなる
ようにした内炎中に、基板がバーナーから１０ｍｍ離れ
るように基板支持台を設置した。そして、表２及び３に
示す条件でダイヤモンド膜を気相合成した。
【００４９】実施例１及び１１乃至１４について、基板
上に蒸着した白金膜の表面をＸ線回折及び反射ヒードで
評価した。また、以上の方法により形成された実施例１
乃至１４のダイヤモンド膜について、その表面の配向性
を評価した。これらの評価結果を下記表２及び４に示
す。
上に蒸着した白金膜の表面をＸ線回折及び反射ヒードで
評価した。また、以上の方法により形成された実施例１
乃至１４のダイヤモンド膜について、その表面の配向性
を評価した。これらの評価結果を下記表２及び４に示
す。
【００５０】
【表１】
【００５１】
【表２】
【００５２】
【表３】
【００５３】
【表４】
【００５４】白金膜の表面をＸ線回折及び反射ヒードで
評価した結果、上記表２に示すように、実施例１及び１
１乃至１４の全てについて、基体と白金膜の界面ではエ
ピタキシャルな関係にあるが、白金膜表面は基体の結晶
面と同一の結晶面を有する微結晶膜又は多結晶膜であっ
た。
評価した結果、上記表２に示すように、実施例１及び１
１乃至１４の全てについて、基体と白金膜の界面ではエ
ピタキシャルな関係にあるが、白金膜表面は基体の結晶
面と同一の結晶面を有する微結晶膜又は多結晶膜であっ
た。
【００５５】また、ダイヤモンドの気相合成の結果、実
施例１は合成して５時間後には、ある程度結晶方位が揃
った粒状のダイヤモンドが析出し、同様の条件で更に２
６時間気相合成することにより隣接した粒状のダイヤモ
ンドが融合した。
施例１は合成して５時間後には、ある程度結晶方位が揃
った粒状のダイヤモンドが析出し、同様の条件で更に２
６時間気相合成することにより隣接した粒状のダイヤモ
ンドが融合した。
【００５６】図３は単結晶に近いダイヤモンド膜が成長
している途中段階を示す電子顕微鏡写真である。図３に
示すように、ダイヤモンドの（１１１）結晶面が相互に
融合して連続的な単結晶膜を形成しようとしているのが
みられる。
している途中段階を示す電子顕微鏡写真である。図３に
示すように、ダイヤモンドの（１１１）結晶面が相互に
融合して連続的な単結晶膜を形成しようとしているのが
みられる。
【００５７】実施例２乃至１０についても同様に、上記
表４に示す合成時間で粒状のダイヤモンドが析出し、そ
れらが融合した。また、実施例１乃至１４の全てについ
て、基体と同一の結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜
を形成することができた。
表４に示す合成時間で粒状のダイヤモンドが析出し、そ
れらが融合した。また、実施例１乃至１４の全てについ
て、基体と同一の結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜
を形成することができた。
【００５８】チタン酸ストロンチウムの基体上に白金薄
膜を蒸着するときの基体温度が５００℃以下である場合
は、蒸着された白金薄膜の表面は単結晶ではないが、こ
の基板を大気中において８００℃以上、望ましくは１４
００℃以上の温度で１０時間以上のアニール処理を施す
ことにより、配向性が向上することが判明した。従っ
て、このようにしてアニール処理を施した白金／チタン
酸ストロンチウムを基板としてダイヤモンドを気相合成
すると、単結晶のダイヤモンドが得られた。
膜を蒸着するときの基体温度が５００℃以下である場合
は、蒸着された白金薄膜の表面は単結晶ではないが、こ
の基板を大気中において８００℃以上、望ましくは１４
００℃以上の温度で１０時間以上のアニール処理を施す
ことにより、配向性が向上することが判明した。従っ
て、このようにしてアニール処理を施した白金／チタン
酸ストロンチウムを基板としてダイヤモンドを気相合成
すると、単結晶のダイヤモンドが得られた。
【００５９】次に、白金薄膜を蒸着する際の基体の材料
が、白金薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するため
に、種々の基体材料に白金薄膜を蒸着し、その表面をＸ
線回折及び反射ヒードで評価した。基体材料としてはフ
ッ化リチウム、フッ化カルシウム、酸化マグネシウム、
酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム
（サファイア）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バ
リウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、ニオブ酸リ
チウム、シリコン、石英、及びガラスを使用した。その
結果、全ての場合について、白金の蒸着薄膜の表面は
（１１１）結晶面を有するものであることが確認され、
これを基板として気相合成したダイヤモンド膜も単結晶
膜であった。
が、白金薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するため
に、種々の基体材料に白金薄膜を蒸着し、その表面をＸ
線回折及び反射ヒードで評価した。基体材料としてはフ
ッ化リチウム、フッ化カルシウム、酸化マグネシウム、
酸化ニッケル、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム
（サファイア）、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バ
リウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、ニオブ酸リ
チウム、シリコン、石英、及びガラスを使用した。その
結果、全ての場合について、白金の蒸着薄膜の表面は
（１１１）結晶面を有するものであることが確認され、
これを基板として気相合成したダイヤモンド膜も単結晶
膜であった。
【００６０】また、アニール処理における温度が、白金
薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するために、種々の
温度で基板にアニール処理を施し、その効果を評価し
た。アニール処理の温度は、１００乃至１５００℃の範
囲において１００℃刻みに変化させた。その結果、３０
０℃以上の温度で基板をアニール処理した場合に白金薄
膜の表面の配向性が向上し、１０００乃至１４００℃の
範囲においてその効果が最も大きいことが確認された。
これを基板とすることにより、大面積の単結晶ダイヤモ
ンド膜が得られた。
薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するために、種々の
温度で基板にアニール処理を施し、その効果を評価し
た。アニール処理の温度は、１００乃至１５００℃の範
囲において１００℃刻みに変化させた。その結果、３０
０℃以上の温度で基板をアニール処理した場合に白金薄
膜の表面の配向性が向上し、１０００乃至１４００℃の
範囲においてその効果が最も大きいことが確認された。
これを基板とすることにより、大面積の単結晶ダイヤモ
ンド膜が得られた。
【００６１】更に、アニール処理におけるガス雰囲気
が、白金薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するため
に、種々の雰囲気でアニール処理を施し、その効果を評
価した。但し、温度を１０００℃、時間を２０時間と
し、下記表５に示すガス雰囲気でアニール処理した。そ
の評価結果も下記表５に併せて示す。
が、白金薄膜の表面構造に及ぼす影響を調査するため
に、種々の雰囲気でアニール処理を施し、その効果を評
価した。但し、温度を１０００℃、時間を２０時間と
し、下記表５に示すガス雰囲気でアニール処理した。そ
の評価結果も下記表５に併せて示す。
【００６２】
【表５】
【００６３】上記表５に示すように、実施例２１、２３
及び２４については、白金薄膜の表面の配向性が向上し
たのに対して、実施例２２及び２５については白金薄膜
の表面が荒れて、その上にダイヤモンド膜を気相合成し
ても単結晶膜を得ることができなかった。従って、基板
にアニール処理を施すときには、還元雰囲気は適当では
なく、不活性雰囲気又は酸化雰囲気中で処理することが
適当であることが判明した。
及び２４については、白金薄膜の表面の配向性が向上し
たのに対して、実施例２２及び２５については白金薄膜
の表面が荒れて、その上にダイヤモンド膜を気相合成し
ても単結晶膜を得ることができなかった。従って、基板
にアニール処理を施すときには、還元雰囲気は適当では
なく、不活性雰囲気又は酸化雰囲気中で処理することが
適当であることが判明した。
【００６４】また、基板に電圧を印加してダイヤモンド
を合成する石英管型マイクロ波ＣＶＤ装置を使用して、
下記表６に示す条件においてダイヤモンド膜を合成し、
得られたダイヤモンド膜の構造を評価した。
を合成する石英管型マイクロ波ＣＶＤ装置を使用して、
下記表６に示す条件においてダイヤモンド膜を合成し、
得られたダイヤモンド膜の構造を評価した。
【００６５】図４は、本実験に使用した石英管型マイク
ロ波ＣＶＤ装置を示す模式図である。本装置が図１に示
す装置と異なる点は、石英管１４内の基板ホルダ１８の
上方に、対向電極３１を設置し、この対向電極３１と基
板ホルダ１８との間に、直流電源３０を接続して、対向
電極３１が正、基板ホルダ１８が負となる直流電圧を印
加することができるようになっている点にある。
ロ波ＣＶＤ装置を示す模式図である。本装置が図１に示
す装置と異なる点は、石英管１４内の基板ホルダ１８の
上方に、対向電極３１を設置し、この対向電極３１と基
板ホルダ１８との間に、直流電源３０を接続して、対向
電極３１が正、基板ホルダ１８が負となる直流電圧を印
加することができるようになっている点にある。
【００６６】本装置によりダイヤモンド膜を気相合成
し、これを実施例３０とする。基板として、（００１）
又は（１１１）結晶面を有するチタン酸ストロンチウム
の基体に、実施例とほぼ同様の方法で白金を蒸着し、ア
ニール処理を施したものを使用した。
し、これを実施例３０とする。基板として、（００１）
又は（１１１）結晶面を有するチタン酸ストロンチウム
の基体に、実施例とほぼ同様の方法で白金を蒸着し、ア
ニール処理を施したものを使用した。
【００６７】
【表６】
【００６８】上記表６に示す条件で気相合成した結果、
膜厚が約１０乃至５０μｍで、（００１）又は（１１
１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が形成され
た。但し、電圧印加時の諸条件が上記表６に示す範囲か
ら外れて気相合成した場合は、形成されたダイヤモンド
膜は多結晶であった。
膜厚が約１０乃至５０μｍで、（００１）又は（１１
１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が形成され
た。但し、電圧印加時の諸条件が上記表６に示す範囲か
ら外れて気相合成した場合は、形成されたダイヤモンド
膜は多結晶であった。
【００６９】次に、実施例３０と同一の基板及びＣＶＤ
装置を使用して、反応ガスに水素ガスを使用しない下記
表７に示す条件でダイヤモンド膜を気相合成し、得られ
たダイヤモンド膜の構造を評価した。これを実施例３１
とする。
装置を使用して、反応ガスに水素ガスを使用しない下記
表７に示す条件でダイヤモンド膜を気相合成し、得られ
たダイヤモンド膜の構造を評価した。これを実施例３１
とする。
【００７０】
【表７】
【００７１】上記表６に示す条件で気相合成した結果、
膜厚が約１０乃至５０μｍで、（００１）又は（１１
１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が形成され
た。
膜厚が約１０乃至５０μｍで、（００１）又は（１１
１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が形成され
た。
【００７２】次に、基板の材料を白金合金として、得ら
れたダイヤモンド膜の構造を評価した。（１１１）結晶
面を有するチタン酸ストロンチウムの表面に、白金９０
原子％−金１０原子％の白金合金の薄膜をその膜厚が約
１０μｍとなるようにスパッタ蒸着し、これを大気中に
おいて１２００℃の温度で２４時間のアニール処理を施
した。この基板に実施例１と同様の手順で気相合成する
と、（１１１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が
形成された。また、金の代わりに銀又は銅を使用しても
ほぼ同様の結果が得られた。
れたダイヤモンド膜の構造を評価した。（１１１）結晶
面を有するチタン酸ストロンチウムの表面に、白金９０
原子％−金１０原子％の白金合金の薄膜をその膜厚が約
１０μｍとなるようにスパッタ蒸着し、これを大気中に
おいて１２００℃の温度で２４時間のアニール処理を施
した。この基板に実施例１と同様の手順で気相合成する
と、（１１１）結晶面を有する単結晶ダイヤモンド膜が
形成された。また、金の代わりに銀又は銅を使用しても
ほぼ同様の結果が得られた。
【００７３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
（１１１）又は（００１）結晶面を有する所定の基体に
白金又は白金を５０原子％以上含有する白金合金の膜を
蒸着し、所定の条件でアニール処理を施したものを基板
としてダイヤモンドを気相合成するので、低コストで大
面積の単結晶ダイヤモンド膜を容易に形成することがで
きる。このように、本発明によって大面積の単結晶ダイ
ヤモンド膜を形成することが可能になったので、従来実
用化が困難であった種々の分野において、単結晶ダイヤ
モンドを広範に応用することができ、本発明はこの種の
技術分野の発展に多大の貢献をなす。
（１１１）又は（００１）結晶面を有する所定の基体に
白金又は白金を５０原子％以上含有する白金合金の膜を
蒸着し、所定の条件でアニール処理を施したものを基板
としてダイヤモンドを気相合成するので、低コストで大
面積の単結晶ダイヤモンド膜を容易に形成することがで
きる。このように、本発明によって大面積の単結晶ダイ
ヤモンド膜を形成することが可能になったので、従来実
用化が困難であった種々の分野において、単結晶ダイヤ
モンドを広範に応用することができ、本発明はこの種の
技術分野の発展に多大の貢献をなす。
【図１】ダイヤモンド気相合成用のマイクロ波ＣＶＤ装
置を示す模式図である。
置を示す模式図である。
【図２】ダイヤモンド気相合成用の熱フィラメントＣＶ
Ｄ装置を示す模式図である。
Ｄ装置を示す模式図である。
【図３】単結晶に近いダイヤモンド膜が成長している途
中段階を示す電子顕微鏡写真である。
中段階を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】石英管型マイクロ波ＣＶＤ装置を示す模式図で
ある。
ある。
【図５】ダイヤモンド粒子が不規則に凝集した多結晶体
を示す電子顕微鏡写真である。
を示す電子顕微鏡写真である。
【図６】結晶粒子がほぼ一定方向に揃った高配向膜を有
するダイヤモンド膜を示す電子顕微鏡写真である。
するダイヤモンド膜を示す電子顕微鏡写真である。
【図７】白金の結晶構造（面心立方構造）を示す模式図
である。
である。
【図８】ダイヤモンドの結晶構造（ダイヤモンド構造）
を示す模式図である。
を示す模式図である。
１０；マイクロ波電源 １１；アイソレータ １２；チューナー １３；導波管 １４；石英管 １５、２２；排出口 １６、２１；導入口 １７；プランジャー １８、２５；基板ホルダ １９、２６；基板 ２０；チャンバ ２３；フィラメント電源 ２４；熱フィラメント ３０；直流電源 ３１；対向電極
Claims (14)
- 【請求項１】 基体上に、白金又は白金を５０原子％以
上含有する白金合金の膜を蒸着し、その後、この白金又
は白金合金の膜にアニール処理を施し、これを基板とし
て、前記白金又は白金合金の膜上にダイヤモンド膜を気
相合成することを特徴とする単結晶ダイヤモンド膜の形
成方法。 - 【請求項２】 前記アニール処理を施した後に、ダイヤ
モンド膜を気相合成する前に、前記白金又は白金合金の
蒸着膜の表面に表面処理を施す工程を有することを特徴
とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方
法。 - 【請求項３】 前記表面処理は、ダイヤモンド粉末若し
くはダイヤモンドペーストを使用したバフ研磨による傷
つけ処理、超音波処理による傷つけ処理又は炭素イオン
注入処理であることを特徴とする請求項２に記載の単結
晶ダイヤモンド膜の形成方法。 - 【請求項４】 前記基体は、（１１１）結晶面又は（０
０１）結晶面を有するフッ化リチウム、フッ化カルシウ
ム、酸化マグネシウム、酸化ニッケル、酸化ジルコニウ
ム、酸化アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、チタ
ン酸バリウム、チタン酸鉛、タンタル酸カリウム、及び
ニオブ酸リチウムからなる群から選択された１種の材料
により構成されていることを特徴とする請求項１乃至３
のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方
法。 - 【請求項５】 前記基体は、シリコン、石英及びガラス
からなる群から選択された１種の材料により構成されて
いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に
記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方法。 - 【請求項６】 前記白金又は白金合金の蒸着膜は、前記
基体の表面に対して（１１１）結晶面又は（００１）結
晶面に配向していることを特徴とする請求項１乃至５の
いずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方
法。 - 【請求項７】 前記白金又は白金合金の蒸着膜は、微結
晶膜又は多結晶膜であることを特徴とする請求項１乃至
６のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成
方法。 - 【請求項８】 前記基体上に白金又は白金合金を蒸着す
るときの基体温度は、３００℃以上であることを特徴と
する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の単結晶ダイ
ヤモンド膜の形成方法。 - 【請求項９】 前記白金合金は、周期律表６Ａ族、７Ａ
族、８Ａ族又は１Ｂ族に含まれる少なくとも１種の元素
を含有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか
１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方法。 - 【請求項１０】 前記アニール処理は、１０００℃以上
の温度で実施されることを特徴とする請求項１乃至９の
いずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方
法。 - 【請求項１１】 前記アニール処理は、酸化雰囲気中に
おいて実施されることを特徴とする請求項１乃至１０の
いずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形成方
法。 - 【請求項１２】 前記ダイヤモンド膜の気相合成に先立
ち、前記基板にバイアス電圧を印加することにより、基
板上にダイヤモンドの核形成をすることを特徴とする請
求項１乃至１１のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモ
ンド膜の形成方法。 - 【請求項１３】 前記ダイヤモンド膜の気相合成に使用
するガスは、水素を含まないことを特徴とする請求項１
乃至１２のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜
の形成方法。 - 【請求項１４】 前記ダイヤモンドの核形成に使用する
ガスは、水素を含まないことを特徴とする請求項１乃至
１３のいずれか１項に記載の単結晶ダイヤモンド膜の形
成方法。
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