JPH0959091A - Diamond crystal and method for producing the same - Google Patents

Diamond crystal and method for producing the same

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JPH0959091A
JPH0959091A JP21601895A JP21601895A JPH0959091A JP H0959091 A JPH0959091 A JP H0959091A JP 21601895 A JP21601895 A JP 21601895A JP 21601895 A JP21601895 A JP 21601895A JP H0959091 A JPH0959091 A JP H0959091A
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JP
Japan
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diamond crystal
diamond
substrate
producing
gas
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JP21601895A
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Japanese (ja)
Inventor
Takefumi Ishikura
威文 石倉
Satoshi Yamashita
敏 山下
Mareshiyaru Nadein
ナディン・マレシャル
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 6つの(100)面から成る六面体すなわち
サイコロ状のダイヤモンドを提供するとともにその製造
方法を提供すること。 【解決手段】 化学的気相成長法によって炭素と結合し
ない基板10上にダイヤモンド結晶を合成するダイヤモ
ンド結晶の製造方法において、化学的気相成長法におけ
る原料ガスを少なくとも炭素と水素を含み且つ全分子数
に対する炭素原子数の割合が0.3%以下であるガスに
し、基板10の温度を725℃以上にしてダイヤモンド
結晶を成長させることにより、その形状が6つの(10
0)面から成るほぼ六面体の単結晶であるダイヤモンド
結晶を製造するようした。
(57) Abstract: A hexahedron consisting of six (100) faces, that is, a dice-shaped diamond, and a manufacturing method thereof are provided. In a diamond crystal manufacturing method for synthesizing a diamond crystal on a substrate 10 that does not bind to carbon by a chemical vapor deposition method, a raw material gas in the chemical vapor deposition method contains at least carbon and hydrogen, and all molecules are included. The number of carbon atoms with respect to the number is 0.3% or less, and the temperature of the substrate 10 is set to 725 ° C. or higher to grow a diamond crystal.
A diamond crystal, which is a substantially hexahedral single crystal composed of the (0) plane, was manufactured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は電子材料、光学材
料、工具あるいは硬度測定などに優れた特性を有するダ
イヤモンド結晶およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diamond crystal having excellent characteristics for electronic materials, optical materials, tools, hardness measurement, etc., and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドは、きわめて大きな熱伝導
性、高い硬度、大きな耐摩耗性、極めて大きな屈折率と
反射率、電気伝導性などを有すること、また、バンドギ
ャップが広く、紫外線発光素子や紫外線レーザーとなり
得ることが期待されていることなど特異な特性を有して
いることから、装飾品としてはもちろんのこと、硬度
計、工具、研磨材、電子材料などに利用されており、最
近は光学材料や半導体材料への応用も検討されている。
2. Description of the Related Art Diamond has extremely high thermal conductivity, high hardness, high abrasion resistance, extremely high refractive index and reflectance, and electrical conductivity, and has a wide band gap, so that it can be used in ultraviolet light emitting devices and ultraviolet rays. Since it has unique characteristics such as being expected to be a laser, it is used not only as a decorative item but also for hardness meters, tools, abrasives, electronic materials, etc. Applications to materials and semiconductor materials are also being considered.

【0003】ダイヤモンドは結晶面によって原子の密度
や原子の配列が異なるためにその物性も異なり、特にダ
イヤモンドの(100)面は不純物や結晶欠陥が入りに
くいことから結晶性が高いことが知られている。このた
め、(100)面で構成されるダイヤモンド結晶は他の
面と比べて上述のダイヤモンドの特徴をより強く示すと
予想される。
It is known that diamond has high crystallinity because the density of atoms and the arrangement of atoms are different depending on the crystal plane, and in particular, the (100) plane of diamond is difficult to contain impurities and crystal defects. There is. Therefore, it is expected that the diamond crystal composed of the (100) plane will exhibit the above-mentioned features of diamond more strongly than other planes.

【0004】ところで、近年、気相からダイヤモンドを
低圧で合成する化学的気相成長法(CVD法)が研究、
開発され、種々の方式のCVD法が試みられているが、
上述したような応用面を考えると、CVD法により合成
されるダイヤモンドの結晶配向が任意に制御できること
が必要である。しかし、通常、CVD法で得られるダイ
ヤモンドの結晶配向はランダムであり、制御できるもの
ではなかった。
By the way, in recent years, a chemical vapor deposition method (CVD method) for synthesizing diamond from a vapor phase at a low pressure has been studied,
Although developed and various CVD methods have been tried,
Considering the application as described above, it is necessary that the crystal orientation of diamond synthesized by the CVD method can be controlled arbitrarily. However, the crystal orientation of diamond obtained by the CVD method is usually random, and cannot be controlled.

【0005】従来、CVD法により合成されるダイヤモ
ンドの結晶配向を制御する技術がわずかではあるが知ら
れている。その1つは、特開平2−160695号公報
に開示された方法であり、銅の単結晶基板に有機化合物
を含有する原料ガスを活性化して(111)面が基板と
平行に成長した六−八面体の単結晶的なダイヤモンドを
析出する方法である。また、別の方法は、特開平5−2
70977号公報に開示された方法であり、核形成密度
を小さくし、原料ガスにおける酸素と炭素との比率を適
当な値にすることによって、上面が(111)面または
(100)面を持った平板状ダイヤモンドを析出する方
法である。
Conventionally, there are a few known techniques for controlling the crystal orientation of diamond synthesized by the CVD method. One of them is the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2-160695, in which a raw material gas containing an organic compound is activated on a copper single crystal substrate to grow a (111) plane parallel to the substrate. This is a method of depositing octahedral single crystal diamond. Another method is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-2
In the method disclosed in Japanese Patent Publication No. 70977, the upper surface has a (111) plane or a (100) plane by reducing the nucleation density and setting an appropriate ratio of oxygen and carbon in the source gas. This is a method of depositing flat diamond.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うなダイヤモンドの(100)面の特徴をより有効に生
かすためには、6つの(100)面から成る六面体すな
わちサイコロ状のダイヤモンドとするのが好ましい。
By the way, in order to make more effective use of the characteristics of the (100) plane of diamond as described above, a hexahedron composed of six (100) planes, that is, a dice-shaped diamond is used. preferable.

【0007】しかしながら、上述の特開平2−1606
95号公報に開示された方法や特開平5−270977
号公報に開示された方法では、ダイヤモンドの形状がサ
イコロ状になるように制御することはできない。また、
上述の特開平5−270977号公報に開示されている
ような上面が(100)面を持った平板状ダイヤモンド
の場合、側面部は必ずしも(100)面で構成されてい
ない。
However, the above-mentioned Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2-1606.
Japanese Patent Laid-Open No. 270977/1993.
With the method disclosed in the publication, it is not possible to control the diamond shape so that it has a dice shape. Also,
In the case of a flat plate diamond whose upper surface has a (100) plane as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 270977/1993, the side surface portion is not necessarily composed of the (100) plane.

【0008】紫外線レーザーなどの光学応用を考えた場
合、6つの(100)面から成る六面体すなわちサイコ
ロ状のダイヤモンドは、その形状から平板状ダイヤモン
ドに比較して、光の閉じ込め効率がより高いことが予想
され、優れた特性が期待できる。
Considering optical applications such as an ultraviolet laser, a hexahedron composed of six (100) faces, that is, a dice-shaped diamond, has a higher light trapping efficiency than a flat diamond because of its shape. As expected, excellent properties can be expected.

【0009】本発明は上記の点にかんがみてなされたも
ので、6つの(100)面から成る六面体すなわちサイ
コロ状のダイヤモンドを提供するとともにその製造方法
を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a hexahedron consisting of six (100) faces, that is, a dice-shaped diamond, and a method for producing the same.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために、化学的気相成長法によって炭素と結合し
ない基板上にダイヤモンド結晶を合成するダイヤモンド
結晶の製造方法において、化学的気相成長法における原
料ガスを少なくとも炭素と水素を含み且つ全分子数に対
する炭素原子数の割合が0.3%以下であるガスにし、
基板の温度を725℃以上にしてダイヤモンド結晶を成
長させることにより、その形状が6つの(100)面か
ら成るほぼ六面体の単結晶であるダイヤモンド結晶を製
造するようした。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a diamond crystal by synthesizing a diamond crystal on a substrate which does not bond with carbon by a chemical vapor deposition method. The source gas in the phase growth method is a gas containing at least carbon and hydrogen, and the ratio of the number of carbon atoms to the total number of molecules is 0.3% or less,
By growing a diamond crystal at a substrate temperature of 725 ° C. or higher, a diamond crystal whose shape is a substantially hexahedral single crystal composed of six (100) faces was manufactured.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に基づいて説明
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention will be described below with reference to the drawings.

【0012】以下に説明する実施の形態はマイクロ波プ
ラズマCVD法によるダイヤモンド合成に係る例であ
り、図1にダイヤモンド合成装置であるマイクロ波プラ
ズマCVD装置を示す。
The embodiment described below is an example of diamond synthesis by the microwave plasma CVD method, and FIG. 1 shows a microwave plasma CVD apparatus which is a diamond synthesis apparatus.

【0013】この装置は従来知られているものと同じ構
造で、1はダイヤモンドを合成する石英製の反応容器、
2は反応容器1内に設けられた基板支持台、3はマイク
ロ波を反射する反射板、4は励起源としてのマイクロ波
発振器、5はマイクロ波発振器4により発生されるマイ
クロ波を反応容器1の反応場F(破線の丸で示す)に導
く導波管であり、導波管5にはマイクロ波発振器4に供
給される電力を監視する電力モニタ6が設けられてい
る。
This apparatus has the same structure as that conventionally known, and 1 is a quartz reaction vessel for synthesizing diamond,
Reference numeral 2 is a substrate support provided in the reaction container 1, 3 is a reflecting plate for reflecting microwaves, 4 is a microwave oscillator as an excitation source, and 5 is the microwave generated by the microwave oscillator 4 in the reaction container 1 The waveguide 5 is provided with a power monitor 6 for monitoring the power supplied to the microwave oscillator 4.

【0014】上記装置によりダイヤモンドを合成するに
は、まず反応容器1を高真空にし、ガス導入口1aか
ら、原料ガスとして、メタン、エタン、プロパン、ブタ
ン、エチレン、ベンゼンなどの炭化水素ガスと、酸素
と、水素の予め定めた割合の混合ガスを反応容器1内に
導入し、マイクロ波発振器4を起動させ導波管5を介し
てマイクロ波を反応容器1の反応場Fに導きプラズマを
生成する。混合ガスの導入により反応容器1内の圧力を
所定の圧力に維持する。その後基板支持台2にダイヤモ
ンド析出用の基板10としての銅板を乗せたものを反応
容器1内の反応場Fに形成されているプラズマ内に入れ
る。このとき基板10である銅板にはダイヤモンドの核
形成処理を施しておく。この核形成処理は傷付け処理や
炭素イオンの打込み処理など従来から知られている処理
でよい。反応容器1の反応場Fの周辺部は冷却水で冷却
されている。原料ガスにおける炭化水素ガスの濃度は
0.3%以下の低濃度にし、基板10の温度は725℃
以上にしてダイヤモンド結晶を析出させる。この方法に
よって得られたダイヤモンド結晶は(100)配向が多
く、その形状はサイコロ状の孤立粒子となる。
In order to synthesize diamond with the above apparatus, the reaction vessel 1 is first evacuated to a high vacuum, and a hydrocarbon gas such as methane, ethane, propane, butane, ethylene and benzene is supplied from the gas inlet 1a as a source gas. A mixed gas of oxygen and hydrogen in a predetermined ratio is introduced into the reaction vessel 1, the microwave oscillator 4 is activated, the microwave is guided to the reaction field F of the reaction vessel 1 through the waveguide 5, and plasma is generated. To do. The pressure in the reaction vessel 1 is maintained at a predetermined pressure by introducing the mixed gas. After that, a substrate supporting base 2 on which a copper plate as a substrate 10 for depositing diamond is placed is put into the plasma formed in the reaction field F in the reaction vessel 1. At this time, the copper plate which is the substrate 10 is subjected to a diamond nucleation treatment. This nucleation treatment may be a conventionally known treatment such as a scratching treatment or a carbon ion implantation treatment. The periphery of the reaction field F of the reaction container 1 is cooled with cooling water. The concentration of the hydrocarbon gas in the source gas is set to a low concentration of 0.3% or less, and the temperature of the substrate 10 is 725 ° C.
Diamond crystals are deposited as described above. The diamond crystal obtained by this method has many (100) orientations, and its shape becomes dice-shaped isolated particles.

【0015】次に本発明の発明者らが行ったダイヤモン
ドの合成実験を説明する。
Next, a diamond synthesis experiment conducted by the inventors of the present invention will be described.

【0016】実験には図1に示したマイクロ波プラズマ
CVD装置を用いた。マイクロ波発振器4の発振周波数
は2450MHz、出力は400〜600Wである。ダ
イヤモンド合成のための原料ガスは、メタンガスと、酸
素と、水素との混合ガスであり、全原料ガスの供給量は
100ccm(cm3 /分)一定とし、メタンと酸素の
供給量を変えた。ダイヤモンドを析出させる基板10に
は銅板を用いた。銅板すなわち基板10の温度は710
℃〜750℃であった。基板温度は放射温度計を用いて
非接触で測定した。放射温度計の放射率(ε)は1.0
とした。
The microwave plasma CVD apparatus shown in FIG. 1 was used for the experiment. The oscillation frequency of the microwave oscillator 4 is 2450 MHz, and the output is 400 to 600 W. The raw material gas for diamond synthesis was a mixed gas of methane gas, oxygen and hydrogen, and the supply amount of all the raw material gas was constant at 100 ccm (cm 3 / min), and the supply amounts of methane and oxygen were changed. A copper plate was used as the substrate 10 for depositing diamond. The temperature of the copper plate or substrate 10 is 710
The temperature was from ℃ to 750 ℃. The substrate temperature was measured without contact using a radiation thermometer. The emissivity (ε) of the radiation thermometer is 1.0
And

【0017】実験の結果を表1に示す。Table 1 shows the results of the experiment.

【0018】[0018]

【表1】 メタンおよび酸素については供給量(ccm)を示し、
さらに原料ガスにおける炭素原子数の割合(メタン濃
度)CNRと、炭素と酸素の原子数比(C:O)を示し
てある。なお、本発明において、「炭素原子数の割合C
NR」は数1で表される。
[Table 1] Supply amount (ccm) is shown for methane and oxygen,
Furthermore, the ratio of the number of carbon atoms in the source gas (methane concentration) CNR and the atomic number ratio of carbon and oxygen (C: O) are shown. In the present invention, "the ratio C of the number of carbon atoms C
“NR” is represented by Formula 1.

【0019】[0019]

【数1】 炭素原子数の割合CNR(%)=(炭素化合物の供給量)×(炭素化合物1分 子中の炭素原子数)/原料ガスの供給量 =(炭素化合物の分子数)×(炭素化合物1分 子中の炭素原子数)/原料ガスの全分子数 =炭素原子数/原料ガスの全分子数 次に、表1に示した実験結果を整理する。## EQU1 ## Ratio of number of carbon atoms CNR (%) = (supply amount of carbon compound) × (number of carbon atoms in one molecule of carbon compound) / supply amount of source gas = (number of molecules of carbon compound) × ( (Number of carbon atoms in one molecule of carbon compound) / total number of molecules of raw material gas = number of carbon atoms / total number of molecules of raw material gas Next, the experimental results shown in Table 1 are summarized.

【0020】実験No.1ではCNRを0.2%にし、
基板温度をほぼ750℃にした。この実験で得られたダ
イヤモンド結晶は、(100)配向の粒子が多く、結晶
の形状は(100)面が大きく出たサイコロ状であっ
た。
Experiment No. In 1, CNR is 0.2%,
The substrate temperature was set to about 750 ° C. The diamond crystals obtained in this experiment had many grains of (100) orientation, and the crystals had a dice shape with a large (100) plane.

【0021】実験No.2ではCNRを0.3%にし、
基板温度をほぼ750℃にした。この実験で得られたダ
イヤモンド結晶は、(100)配向の粒子と(111)
配向の粒子がほぼ同数であり、結晶の形状は(100)
面が大きく出たサイコロ状であった。
Experiment No. In 2, CNR is 0.3%,
The substrate temperature was set to about 750 ° C. The diamond crystals obtained in this experiment consist of (100) oriented grains and (111) oriented grains.
The number of oriented particles is almost the same, and the crystal shape is (100).
It was a dice with a large surface.

【0022】実験No.3ではCNRを1.0%にし、
基板温度をほぼ750℃にした。この実験で得られたダ
イヤモンド結晶は、(111)配向の粒子が多く、結晶
の形状は(111)面と(100)面が同じぐらいに出
た六−八面体であった。
Experiment No. In 3, set CNR to 1.0%,
The substrate temperature was set to about 750 ° C. The diamond crystals obtained in this experiment had many grains of (111) orientation, and the crystal shape was a hexaoctahedron in which (111) faces and (100) faces were approximately the same.

【0023】実験No.4ではCNRを2.0%にし、
基板温度をほぼ750℃にした。この実験で得られたダ
イヤモンド結晶は、(111)配向の粒子が多く、結晶
の形状は(111)面と(100)面が同じぐらいに出
た六−八面体と(111)面の大きな板状であった。
Experiment No. In 4, CNR is 2.0%,
The substrate temperature was set to about 750 ° C. The diamond crystals obtained in this experiment have a large number of grains with a (111) orientation, and the crystal shape is a hexaoctahedral with a (111) face and a (100) face that are approximately the same, and a large plate with a (111) face. It was a shape.

【0024】実験No.5ではCNRを0.4%にし、
基板温度をほぼ710〜720℃にした。この実験で得
られたダイヤモンド結晶は、(111)配向の粒子が多
く、結晶の形状は(111)面が大きな板状であった。
Experiment No. In 5, CNR is 0.4%,
The substrate temperature was set to approximately 710 to 720 ° C. The diamond crystal obtained in this experiment had many grains of (111) orientation, and the crystal shape was plate-like with a large (111) plane.

【0025】実験No.6ではCNRを1.0%にし、
基板温度をほぼ710〜720℃にした。この実験で得
られたダイヤモンド結晶は、(111)配向の粒子が多
く、結晶の形状は(111)面が大きな板状であった。
Experiment No. In 6, CNR is 1.0%,
The substrate temperature was set to approximately 710 to 720 ° C. The diamond crystal obtained in this experiment had many grains of (111) orientation, and the crystal shape was plate-like with a large (111) plane.

【0026】実験No.7ではCNRを2.0%にし、
基板温度をほぼ710〜720℃にした。この実験で得
られたダイヤモンド結晶は、(111)配向の粒子が多
く、結晶の形状は(111)面が大きな板状であった。
Experiment No. In 7, the CNR is 2.0%,
The substrate temperature was set to approximately 710 to 720 ° C. The diamond crystal obtained in this experiment had many grains of (111) orientation, and the crystal shape was plate-like with a large (111) plane.

【0027】以上の実験結果に基づいて考察すると、原
料ガスにおける炭化水素ガスの濃度は0.3%以下の低
濃度にし、基板温度を720℃を越える温度たとえば7
25℃以上にすると、(100)配向でその形状はサイ
コロ状のダイヤモンド結晶を析出させることがわかる。
原料ガスにおける炭化水素ガスの濃度を低くしすぎる
と、基板10に形成したダイヤモンドの核がエッチング
され、ダイヤモンドが析出されないので、炭化水素ガス
の濃度はエッチングがされない程度の低濃度にするのが
よい。
Considering on the basis of the above experimental results, the concentration of the hydrocarbon gas in the raw material gas is set to a low concentration of 0.3% or less, and the substrate temperature exceeds 720 ° C., for example, 7.
It can be seen that when the temperature is 25 ° C. or higher, diamond crystals having a (100) orientation and a dice shape are deposited.
If the concentration of the hydrocarbon gas in the source gas is too low, the diamond nuclei formed on the substrate 10 are etched and the diamond is not deposited. Therefore, the concentration of the hydrocarbon gas should be low enough not to be etched. .

【0028】ところで、上述のように原料ガスにおける
炭化水素ガスの濃度を0.3%以下の低濃度にしてダイ
ヤモンドの析出を行うと、ダイヤモンドの成長速度が非
常に遅くなってしまう。そこで、以下にこの成長速度の
問題を解決する方法を説明する。
By the way, when the concentration of the hydrocarbon gas in the raw material gas is set to a low concentration of 0.3% or less to deposit the diamond, the growth rate of the diamond becomes very slow. Therefore, a method for solving this growth rate problem will be described below.

【0029】炭素と結合しない材質から成る基板、たと
えば銅板に形成した核を成長させダイヤモンドを析出さ
せる場合、ダイヤモンド結晶が基板上を移動、回転、傾
きといった運動をすることが知られている。ダイヤモン
ド結晶の大きさが約50nm以下のまだ小さいうちには
この基板上での運動が活発であり、大きさが約500n
mを越えるとほとんど運動しなくなる。従って、ダイヤ
モンドの結晶の大きさが約50nmを越えるぐらいにな
るまで上述の濃度条件を保持すれば、その後は濃度条件
を変えたとしても結晶の配向が変わることはほとんどな
く、(100)配向のダイヤモンド結晶を得ることがで
きる。
It is known that when a nucleus formed on a substrate made of a material which does not bond with carbon, for example, a copper plate is grown to deposit diamond, the diamond crystal moves, rotates, or tilts on the substrate. While the size of the diamond crystal is smaller than about 50 nm, movement on this substrate is active, and the size is about 500 n.
Almost no exercise occurs when the distance exceeds m. Therefore, if the above-mentioned concentration condition is maintained until the size of the diamond crystal exceeds about 50 nm, the crystal orientation hardly changes even if the concentration condition is changed thereafter, and the (100) orientation Diamond crystals can be obtained.

【0030】図2(a)〜(e)は本発明のダイヤモン
ド結晶の製造方法におけるダイヤモンド結晶の形状と配
向の変化を示す図である。
2 (a) to 2 (e) are views showing changes in the shape and orientation of diamond crystals in the method for producing diamond crystals of the present invention.

【0031】図2(a)は、基板10上にダイヤモンド
の核11を形成した状態の図であり、この状態では配向
は生じていない。図2(a)に示す状態から上述のよう
な炭化水素ガスの濃度を0.3%以下の低濃度にする濃
度条件の下でダイヤモンドの析出を行うと、図2(b)
に示すように、(100)面が優先的に発生し、ダイヤ
モンド結晶は6つの(100)面から成る六面体とな
る。この状態ではダイヤモンド結晶の大きさは約50n
m以下であるため基板上での運動は活発に行われている
が、ダイヤモンド結晶の面のうち面積の一番大きな面が
基板10に接触するように回転や傾きが行われるため図
2(c)に示すように(100)配向となる。
FIG. 2 (a) is a diagram showing a state in which diamond nuclei 11 are formed on the substrate 10, and in this state no orientation occurs. When the diamond deposition is performed under the concentration condition of reducing the concentration of the hydrocarbon gas as described above from the state shown in FIG. 2 (a) to a low concentration of 0.3% or less, FIG.
As shown in, the (100) plane is preferentially generated, and the diamond crystal becomes a hexahedron composed of six (100) planes. In this state, the size of diamond crystal is about 50n
Since it is less than m, the movement on the substrate is actively performed, but since the diamond crystal face is rotated and tilted so that the face having the largest area comes into contact with the substrate 10, FIG. (100) orientation as shown in ().

【0032】ダイヤモンド結晶の大きさが約50nmを
越えると、基板上でのダイヤモンド結晶の運動が活発で
なくなるので、このタイミングで炭化水素ガスの濃度を
0.3%以下の低濃度から0.4%以上の高濃度に変え
てダイヤモンドの析出を続ける。すると、成長速度は上
がるが、すでに(100)面が大きく出ているし、基板
上でのダイヤモンド結晶の運動が活発でないので、ダイ
ヤモンド結晶は(100)配向のままで成長を続ける。
このようにして所望の大きさまで成長させたダイヤモン
ド結晶は、図2(d)に示すように、(111)面が多
少生じた六−八面体となる。
When the size of the diamond crystal exceeds about 50 nm, the movement of the diamond crystal on the substrate becomes inactive, so the hydrocarbon gas concentration is changed from a low concentration of 0.3% or less to 0.4 or less at this timing. Continue to deposit diamond while changing to a high concentration of 10% or more. Then, although the growth rate is increased, the (100) plane is already large and the movement of the diamond crystal on the substrate is not active, so that the diamond crystal continues to grow in the (100) orientation.
The diamond crystal thus grown to a desired size becomes a hexaoctahedral with some (111) faces, as shown in FIG. 2 (d).

【0033】このサイコロ状に近い六−八面体のダイヤ
モンド結晶であっても将来的に利用可能性が大きいが、
さらに正六面体に近いダイヤモンド結晶を得たい場合に
は、炭化水素ガスの濃度を再び0.3%以下の低濃度に
しててダイヤモンドの析出を続ける。すると、図2
(e)に示すように、(100)面が大きく出るように
なり、より正六面体に近いサイコロ状のダイヤモンド結
晶を得ることができる。
Even this hexa-octahedral diamond crystal close to a dice has great potential for future use.
Further, in order to obtain a diamond crystal closer to a regular hexahedron, the concentration of the hydrocarbon gas is reduced again to a low concentration of 0.3% or less and diamond precipitation is continued. Then, Figure 2
As shown in (e), the (100) plane becomes larger and a dice diamond crystal closer to a regular hexahedron can be obtained.

【0034】以上で本発明の実施の形態の説明を終る
が、本発明で使用できるダイヤモンド合成用の原料ガス
としては、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ヘキサ
ン、エチレン、ベンゼン、アセチレンなどの炭化水素と
水素ガスとの混合ガス、この混合ガスに酸素ガスまたは
二酸化炭素を加えたもの、あるいはメタノール、エタノ
ール、アセトンなどの含酸素有機化合物と水素ガスとの
混合ガス、一酸化炭素と水素ガスとの混合ガスなどが利
用できる。本発明によるダイヤモンドの合成に用いられ
る原料ガスの構成成分である炭素成分は炭素化合物の種
類によらない。
The embodiment of the present invention has been described above. As the raw material gas for synthesizing diamond which can be used in the present invention, hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, hexane, ethylene, benzene and acetylene are used. Mixed gas of hydrogen gas with hydrogen gas, mixed gas of oxygen gas or carbon dioxide, mixed gas of oxygen-containing organic compounds such as methanol, ethanol, acetone and hydrogen gas, carbon monoxide and hydrogen gas Mixed gas can be used. The carbon component which is a constituent component of the raw material gas used for the synthesis of diamond according to the present invention does not depend on the kind of the carbon compound.

【0035】本実施の形態では基板として銅板を用いた
が、ダイヤモンド結晶が配向する理由が上で説明したよ
うになるので、ダイヤモンド結晶の配向時の振舞いが同
じであるような材質すなわち炭素と結合しない材質(た
とえば白金、金、銀)の基板であれば銅板に代えて使用
することができる。さらに、本発明で使用できる基板
は、無垢の金属材料だけでなく、たとえばシリコン、酸
化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、サファイア、モリ
ブデン、タングステンのようなダイヤモンドを合成する
環境で安定な材料に、真空蒸着、スパッタリング、イオ
ンビーム成膜、イオンプレーティングなどのPVD法、
CVD法、メッキなどにより銅、金、銀、白金などの薄
膜を成膜したものでもよい。
Although a copper plate is used as the substrate in this embodiment, the reason why the diamond crystals are oriented is as described above, and therefore, a material having the same behavior at the time of orientation of the diamond crystals, that is, carbon and a bond, are bonded. If the substrate is made of a material (for example, platinum, gold, or silver), it can be used in place of the copper plate. Further, the substrate that can be used in the present invention is not only a solid metal material but also a material stable in an environment for synthesizing diamond such as silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, sapphire, molybdenum, and tungsten. PVD methods such as vapor deposition, sputtering, ion beam film formation and ion plating,
A thin film of copper, gold, silver, platinum or the like formed by the CVD method or plating may be used.

【0036】また本実施の形態ではマイクロ波プラズマ
を用いたプラズマCVD法によりダイヤモンドを合成し
たが、本発明は直流放電プラズマ、熱プラズマ、高周波
熱プラズマを利用することもできるし、熱フィラメント
CVD法、電子衝撃CVD法、アークジェット法なども
利用することができる。
In the present embodiment, diamond is synthesized by the plasma CVD method using microwave plasma, but the present invention can utilize direct current discharge plasma, thermal plasma, high frequency thermal plasma, or hot filament CVD method. The electron impact CVD method, the arc jet method, etc. can also be used.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
6つの(100)面から成る六面体すなわちサイコロ状
のダイヤモンドを製造することができる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to produce hexahedral or dice diamonds consisting of six (100) faces.

【0038】また、本発明によれば、サイコロ状のダイ
ヤモンド得るために要する時間を短縮することができる
という効果もある。
Further, according to the present invention, there is an effect that the time required to obtain a dice diamond can be shortened.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるダイヤモンド結晶を製造をするた
めのマイクロ波プラズマCVD装置の概略構成を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a microwave plasma CVD apparatus for producing a diamond crystal according to the present invention.

【図2】(a)〜(e)は本発明のダイヤモンド結晶の
製造方法におけるダイヤモンド結晶の形状と配向の変化
を示す図である。
2 (a) to (e) are diagrams showing changes in the shape and orientation of a diamond crystal in the method for producing a diamond crystal of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 反応容器 2 基板支持台 3 反射板 4 マイクロ波発振器 5 導波管 6 電力モニタ 10 基板 11 核 1 Reaction Vessel 2 Substrate Support 3 Reflector 4 Microwave Oscillator 5 Waveguide 6 Power Monitor 10 Substrate 11 Nuclear

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化学的気相成長法によって基板上に合成
される(100)配向したダイヤモンド結晶であって、
その形状が6つの(100)面から成るほぼ六面体の単
結晶であることを特徴とするダイヤモンド結晶。
1. A (100) -oriented diamond crystal synthesized on a substrate by chemical vapor deposition, comprising:
A diamond crystal whose shape is a substantially hexahedral single crystal composed of six (100) faces.
【請求項2】 化学的気相成長法によって炭素と結合し
ない基板上にダイヤモンド結晶を合成するダイヤモンド
結晶の製造方法において、 前記化学的気相成長法における原料ガスを少なくとも炭
素と水素を含み且つ全分子数に対する炭素原子数の割合
が0.3%以下であるガスにし、前記基板の温度を72
5℃以上にしてダイヤモンド結晶を成長させることによ
り、請求項1に記載のダイヤモンド結晶を製造すること
を特徴とするダイヤモンド結晶の製造方法。
2. A method for producing a diamond crystal, which comprises synthesizing a diamond crystal on a substrate which does not bind to carbon by a chemical vapor deposition method, wherein the source gas used in the chemical vapor deposition method contains at least carbon and hydrogen, and A gas having a ratio of the number of carbon atoms to the number of molecules of 0.3% or less is used, and the temperature of the substrate is set to 72.
The method for producing a diamond crystal according to claim 1, wherein the diamond crystal is produced by growing the diamond crystal at 5 ° C. or higher.
【請求項3】 化学的気相成長法によって炭素と結合し
ない基板上にダイヤモンド結晶を合成するダイヤモンド
結晶の製造方法において、 前記化学的気相成長法における原料ガスを少なくとも炭
素と水素を含み且つ全分子数に対する炭素原子数の割合
が0.3%以下であるガスにし、前記基板の温度を72
5℃以上にして、ダイヤモンド結晶が基板上を活発に運
動しなくなるまでダイヤモンド結晶を成長させ、 その後、前記原料ガスの全分子数に対する炭素原子数の
割合を増加させて前記ダイヤモンド結晶を成長させ、 その後、前記原料ガスの全分子数に対する炭素原子数の
割合を再度0.3%以下にして前記ダイヤモンド結晶の
形状を整えることにより、請求項1に記載のダイヤモン
ド結晶を製造することを特徴とするダイヤモンド結晶の
製造方法。
3. A method for producing a diamond crystal by synthesizing a diamond crystal on a substrate that does not bind to carbon by a chemical vapor deposition method, wherein the source gas in the chemical vapor deposition method contains at least carbon and hydrogen, and A gas having a ratio of the number of carbon atoms to the number of molecules of 0.3% or less is used, and the temperature of the substrate is set to 72.
At 5 ° C. or higher, the diamond crystal is grown until the diamond crystal does not actively move on the substrate, and then the ratio of the number of carbon atoms to the total number of molecules of the raw material gas is increased to grow the diamond crystal, Then, the ratio of the number of carbon atoms to the total number of molecules of the raw material gas is adjusted to 0.3% or less again to adjust the shape of the diamond crystal, thereby producing the diamond crystal according to claim 1. Diamond crystal manufacturing method.
【請求項4】 前記基板が銅板である請求項2または3
に記載のダイヤモンド結晶の製造方法。
4. The substrate according to claim 2, which is a copper plate.
The method for producing a diamond crystal according to 1.
【請求項5】 前記原料ガスがメタンガスを含む請求項
2ないし4のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶の
製造方法。
5. The method for producing a diamond crystal according to claim 2, wherein the source gas contains methane gas.
【請求項6】 前記原料ガスが酸素を含み、該原料ガス
内の酸素原子と炭素原子との比率が1:1である請求項
2ないし5のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶の
製造方法。
6. The method for producing a diamond crystal according to claim 2, wherein the source gas contains oxygen, and the ratio of oxygen atoms to carbon atoms in the source gas is 1: 1. .
【請求項7】 前記原料ガスが高周波、直流またはマイ
クロ波を励起源とするプラズマにより活性化される請求
項1ないし6のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶
の製造方法。
7. The method for producing a diamond crystal according to claim 1, wherein the source gas is activated by plasma having a high frequency, a direct current or a microwave as an excitation source.
【請求項8】 前記原料ガスが熱フィラメントにより活
性化される請求項1ないし6のいずれか1項に記載のダ
イヤモンド結晶の製造方法。
8. The method for producing a diamond crystal according to claim 1, wherein the source gas is activated by a hot filament.
【請求項9】 前記原料ガスがアークジェットにより活
性化される請求項1ないし6のいずれか1項に記載のダ
イヤモンド結晶の製造方法。
9. The method for producing a diamond crystal according to claim 1, wherein the source gas is activated by an arc jet.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003015184A1 (en) * 2001-08-03 2003-02-20 Tokyo Gas Co., Ltd. Diamond high brightness ultraviolet ray emitting element
CN119980455A (en) * 2025-04-14 2025-05-13 内蒙古科技大学 A method for positioning and preparing diamond color centers

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