JPH10316491A - High purity diamond synthesis method - Google Patents

High purity diamond synthesis method

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JPH10316491A
JPH10316491A JP12201697A JP12201697A JPH10316491A JP H10316491 A JPH10316491 A JP H10316491A JP 12201697 A JP12201697 A JP 12201697A JP 12201697 A JP12201697 A JP 12201697A JP H10316491 A JPH10316491 A JP H10316491A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭素を含有する有機系ガス、或は無機系ガ
ス、或は前記有機系ガスと無機系ガスとを混合した混合
ガスを、水素ガスで希釈したガスを反応ガスとして用い
る気相合成法によるダイヤモンドの合成方法において、
上記反応ガスに酸素含有ガスを添加して非ダイヤモンド
成分を除去する際に、酸素含有ガスに含まれる窒素のよ
うな不純物のため、高純度のダイヤモンドが得にくい。 【解決手段】 シリコン基板1の表面に気相合成法によ
りダイヤモンドを合成する際に、反応ガスとしてCH4
とH2に加え、酸素ガスを添加した混合ガスを用いる。
(57) Abstract: A reaction gas obtained by diluting a carbon-containing organic gas, an inorganic gas, or a mixed gas of the organic gas and the inorganic gas with a hydrogen gas is used as a reaction gas. In a method for synthesizing diamond by a gas phase synthesis method used as
When an oxygen-containing gas is added to the reaction gas to remove non-diamond components, high-purity diamond is difficult to obtain because of impurities such as nitrogen contained in the oxygen-containing gas. SOLUTION: When diamond is synthesized on the surface of a silicon substrate 1 by a gas phase synthesis method, CH 4 is used as a reaction gas.
And a mixed gas to which oxygen gas is added in addition to H 2 .

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】本発明は耐環境性半導体及び
光学コーティング等の分野の新材料として利用するのに
好適なダイヤモンドを気相合成法により製造する方法に
関し、特に、不純物が少ない高純度ダイヤモンドの気相
合成方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing diamond suitable for use as a new material in fields such as environment-resistant semiconductors and optical coatings by a gas phase synthesis method, and more particularly to a high-purity diamond containing few impurities. To a gas phase synthesis method.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドはあらゆる物質の中で最も
硬く、最も熱伝導性が良く、最も音の伝達が速いという
優れた物性を持つことから、例えば、硬質工具や耐摩耗
コーティング、ヒートシンク、スピーカの振動板や高周
波フィルタ等への応用が考えられている。さらに、バン
ドギャップが広い、電子移動度が大きい、また、紫外か
ら赤外域にかけて透明性に優れ、化学的にも安定である
という種々の特質を持っており、これらの優れた物性を
活かして、耐環境性デバイス、紫外領域の発光・受光デ
バイス、マイクロ波パワーデバイス、並びに光学材料・
光学部品等広範囲の応用が考えられており、シリコンを
凌ぐ次世代材料として期待されている。近年、気相合成
法によって極めて低い温度と圧力下でダイヤモンドを合
成することが可能となった。この気相合成ダイヤモンド
は天然ダイヤモンドと同様に高硬度、高熱伝導性、高耐
食性、高絶縁性を有し、また、不純物制御により高温で
動作可能な、耐環境性に優れた半導体としても他の材料
にはない有用性が知られている。
2. Description of the Related Art Diamond has the best physical properties of being the hardest of all materials, having the best thermal conductivity, and having the fastest sound transmission. For example, diamond is used for hard tools, wear-resistant coatings, heat sinks and speakers. Applications to diaphragms, high-frequency filters, etc. are being considered. Furthermore, it has various characteristics such as a wide band gap, high electron mobility, excellent transparency from ultraviolet to infrared, and chemical stability, making use of these excellent physical properties. Environment-resistant devices, light-emitting / receiving devices in the ultraviolet region, microwave power devices, and optical materials
A wide range of applications such as optical components are considered, and are expected as next-generation materials beyond silicon. In recent years, it has become possible to synthesize diamond under extremely low temperature and pressure by a gas phase synthesis method. This vapor-phase synthetic diamond has high hardness, high thermal conductivity, high corrosion resistance and high insulation like natural diamond, and can be operated at high temperature by controlling impurities. Materials are known for their usefulness.

【0003】ダイヤモンドの気相合成法においては、炭
素含有ガスを水素ガスで希釈した反応ガスをプラズマや
熱等により分解し、さらに励起状態にすることによりダ
イヤモンドを基体上に成長させる。その際、同時に成長
する非ダイヤモンド成分をプラズマや熱等によって原子
状態となった水素により除去することでダイヤモンドの
みを基体上に成長させることができる。しかし、気相合
成法によりダイヤモンドを形成する際には、プラズマや
熱等を利用しているため、チャンバーの内壁、基体、フ
ィラメント等からの不純物の混入は避けられない。この
不純物は微量であってもダイヤモンドの電気的な特性や
熱伝導性等に多大な影響を及ぼすため、ダイヤモンドを
半導体材料、あるいはその関連材料として利用する場合
には特に大きな問題になっている。
[0003] In the vapor phase synthesis method of diamond, a reaction gas obtained by diluting a carbon-containing gas with hydrogen gas is decomposed by plasma, heat, or the like, and is further excited to grow diamond on a substrate. At this time, only diamond can be grown on the substrate by removing simultaneously grown non-diamond components with hydrogen that has been turned into an atomic state by plasma, heat, or the like. However, when diamond is formed by a gas phase synthesis method, plasma, heat, and the like are used, and therefore, contamination of impurities from the inner wall of the chamber, the base, the filament, and the like is inevitable. Even if the amount of these impurities is very small, they have a great effect on the electrical properties and thermal conductivity of diamond. Therefore, when diamond is used as a semiconductor material or its related material, it has become a serious problem.

【0004】例えば、メタンと水素の混合ガスを反応ガ
スとして、プラズマCVD法によりシリコン基板上にダ
イヤモンドを合成する場合に、ダイヤモンド膜中へ基板
材料のシリコンが混入することが、文献[J.Rua
n,W.J.Choyke and W.D.Part
low,Appl.Phys.Lett.58,295
(1991)]により、確認されている。これに対し
て、成長速度の増大や結晶性の向上などを目的として、
反応ガス中に二酸化炭素等の酸素含有ガスを導入した技
術が、特開昭63−117996に開示されている。こ
の技術は、炭化水素と水素とを混合した反応ガスに、二
酸化炭素を適量添加することにより、炭化水素に水素だ
けを混合した場合に比べて、気相合成法において、ダイ
ヤモンドと同時に析出する非ダイヤモンド成分を、より
効果的に除去することで結晶性を向上させると共に、成
長速度の増大を可能にするというものである。
For example, when diamond is synthesized on a silicon substrate by a plasma CVD method using a mixed gas of methane and hydrogen as a reaction gas, silicon as a substrate material is mixed into a diamond film [J. Rua
n, W. J. Choyke and W.C. D. Part
low, Appl. Phys. Lett. 58, 295
(1991)]. On the other hand, for the purpose of increasing the growth rate and improving the crystallinity,
A technique in which an oxygen-containing gas such as carbon dioxide is introduced into a reaction gas is disclosed in JP-A-63-117996. In this technique, a proper amount of carbon dioxide is added to a reaction gas in which hydrocarbon and hydrogen are mixed, so that non-hydrogen is deposited simultaneously with diamond in a gas phase synthesis method as compared with a case where only hydrogen is mixed with hydrocarbon. By removing the diamond component more effectively, the crystallinity is improved and the growth rate can be increased.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記二
酸化炭素のような酸素以外の成分を含有するガスは、一
般にガス製造工程で不純物として窒素が含まれるため、
ダイヤモンドの結晶性を著しく低下させる。さらに、ダ
イヤモンドを半導体材料として利用しようとした場合、
窒素はダイヤモンドに対してドーパントになるため、電
気伝導度などの電気特性に多大な影響を及ぼすことから
利用が極めて困難になるという問題があった。
However, a gas containing a component other than oxygen, such as carbon dioxide, generally contains nitrogen as an impurity in the gas production process.
It significantly reduces the crystallinity of diamond. In addition, if you try to use diamond as a semiconductor material,
Since nitrogen becomes a dopant for diamond, it has a problem in that it has a great effect on electrical properties such as electrical conductivity, making it extremely difficult to use.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る高
純度ダイヤモンドの合成方法は、上記課題を解決するた
めに、炭素を含有する有機系ガス、あるいは無機系ガ
ス、あるいは前記有機系ガスと無機系ガスとを混合した
混合ガスを、水素ガスで希釈したガスを反応ガスとして
用いる気相合成法によるダイヤモンドの合成方法におい
て、上記反応ガスに酸素ガスを添加することを特徴とし
ている。それゆえ、気相合成法によりダイヤモンドを形
成する際に、ダイヤモンド中への不純物の混入を防止
し、高純度化ができる。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for synthesizing a high-purity diamond, comprising the steps of: providing an organic gas containing carbon, an inorganic gas, or the organic gas; In a method for synthesizing diamond by a vapor phase synthesis method using a gas obtained by diluting a mixed gas of hydrogen and an inorganic gas with a hydrogen gas as a reaction gas, an oxygen gas is added to the reaction gas. Therefore, when diamond is formed by the vapor phase synthesis method, contamination of the diamond with impurities can be prevented and high purity can be achieved.

【0007】請求項2の発明に係る高純度ダイヤモンド
の合成方法は、上記添加する酸素ガスの酸素原子数と、
上記反応ガス中の炭素原子数との比が、炭素原子数1に
対して、酸素原子数が、0.001以上、0.1以下で
あることを特徴としている。それゆえ、反応ガス中の炭
素原子数に対して、添加する酸素ガスの比率の許容幅を
広く取ることができる。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for synthesizing a high-purity diamond, comprising the steps of:
The ratio of the number of carbon atoms in the reaction gas to the number of carbon atoms is 1, and the number of oxygen atoms is 0.001 or more and 0.1 or less. Therefore, the allowable range of the ratio of the added oxygen gas to the number of carbon atoms in the reaction gas can be widened.

【0008】請求項3の発明に係る高純度ダイヤモンド
の合成方法は、上記反応ガスに添加する酸素ガスの量
を、少なくとも合成初期と終了時とで異ならせたことを
特徴としている。それゆえ、添加する酸素の量は合成中
にどのように変化させても差し支えない。例えば、成長
初期には添加する酸素の量を少なく設定しておき、その
後、段階的に増加させていく、或はその逆にする等、そ
の組み合わせは自在に変化させることが可能である。
[0008] The method of synthesizing high-purity diamond according to the invention of claim 3 is characterized in that the amount of oxygen gas added to the reaction gas is different at least between the initial stage and the final stage. Therefore, the amount of oxygen added can be varied in any way during the synthesis. For example, it is possible to freely change the combination, for example, by setting the amount of oxygen to be added to be small at the beginning of growth, and then increasing the amount in a stepwise manner, or vice versa.

【0009】請求項4の発明に係る高純度ダイヤモンド
の合成方法は、合成初期に添加する酸素ガスの量を、合
成終了時の酸素ガスの量より少なくしたことを特徴とし
ている。それゆえ、ダイヤモンドの表面付近のみを高純
度にするような場合、成長初期には、酸素原子数/炭素
原子数の比率を小さくする、或いは、酸素添加を行わな
いで充分に大きい成長速度で合成し、成長の途中で酸素
の添加量を段階的に増加させる等して、酸素原子数/炭
素原子数の比率を、0.1より大きくなるようにしても
酸素添加の効果を得ることができる。
The method of synthesizing high-purity diamond according to the invention of claim 4 is characterized in that the amount of oxygen gas added at the beginning of synthesis is smaller than the amount of oxygen gas at the end of synthesis. Therefore, when only the vicinity of the diamond surface is to be highly purified, the ratio of the number of oxygen atoms / the number of carbon atoms is reduced in the initial stage of growth, or the synthesis is performed at a sufficiently high growth rate without adding oxygen. However, the effect of oxygen addition can be obtained even if the ratio of the number of oxygen atoms / the number of carbon atoms is made larger than 0.1 by, for example, increasing the amount of added oxygen stepwise during the growth. .

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る高純度ダイヤ
モンドの合成方法の実施の形態について、図面に基づい
て説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a method for synthesizing high-purity diamond according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0011】[実施例1]本実施例は、マイクロ波プラ
ズマCVD法にて、シリコン基板上にダイヤモンド薄膜
を形成する例である。シリコン基板の前処理として、粒
径1/4μmのダイヤモンド粉末のエタノール懸濁液に
シリコン基板を浸漬し、超音波で30分撹拌する。これ
は、基板の表面にナノメートルスケールの微細な傷をつ
けることによって核発生密度を向上させるためである。
エタノールで脱脂洗浄した後、図1に示すマイクロ波プ
ラズマCVD装置の基板ホルダー2に、シリコン基板1
を装着する。次に、真空ポンプ7にてチャンバー5内を
2×10-7Torrまで減圧した後、CH4を3scc
m、H2を300sccm、O2を0.3sccmにそれ
ぞれ設定して、ガス導入口4からチャンバー5に導入
し、反応圧力を50Torrに保つ。基板ヒーター3に
て基板温度を850℃に設定して、マイクロ波発生器6
にてマイクロ波パワーを1.3kWとしてプラズマを発
生させる。
[Embodiment 1] This embodiment is an example in which a diamond thin film is formed on a silicon substrate by microwave plasma CVD. As a pretreatment of the silicon substrate, the silicon substrate is immersed in an ethanol suspension of diamond powder having a particle size of 4 μm, and stirred by ultrasonic waves for 30 minutes. This is to improve the nucleation density by making fine scratches on the nanometer scale on the surface of the substrate.
After degreased cleaning with ethanol, the silicon substrate 1 was placed on the substrate holder 2 of the microwave plasma CVD apparatus shown in FIG.
Attach. Next, the pressure inside the chamber 5 was reduced to 2 × 10 −7 Torr by the vacuum pump 7, and CH 4 was supplied at 3 scc.
m, H 2 are set to 300 sccm and O 2 is set to 0.3 sccm, respectively, and introduced into the chamber 5 from the gas inlet 4, and the reaction pressure is maintained at 50 Torr. The substrate temperature was set to 850 ° C. by the substrate heater 3 and the microwave generator 6
To generate plasma with a microwave power of 1.3 kW.

【0012】以上の条件を固定して合成を4時間行う。
その結果、厚さ約1.2μmの高純度ダイヤモンド薄膜
が得られた。形成された高純度ダイヤモンド薄膜のフォ
トルミネセンススペクトルを図2に示す。測定はアルゴ
ンレーザーによる波長4880Åのレーザー光を励起光
源として、5000〜9000Åの範囲で分光器を用い
て行った。5220Å付近にダイヤモンドによる鋭いピ
ークと6000Å付近にピークを持つブロードな発光帯
がわずかに見られるのみである。以上のことから、反応
ガスとしてCH4と、H2と、O2との混合ガスを用いる
ことによりシリコン基板からのコンタミネーションを防
止することができ、マイクロ波プラズマCVD法によっ
て不純物のない高純度のダイヤモンド薄膜が得られるこ
とがわかる。
The synthesis is carried out for 4 hours while fixing the above conditions.
As a result, a high-purity diamond thin film having a thickness of about 1.2 μm was obtained. FIG. 2 shows a photoluminescence spectrum of the formed high-purity diamond thin film. The measurement was performed using a spectroscope in the range of 5000 to 9000 ° using a laser beam having a wavelength of 4880 ° by an argon laser as an excitation light source. Only a broad emission band with a sharp peak at about 5220 ° due to diamond and a peak at about 6000 ° is observed. From the above, contamination from a silicon substrate can be prevented by using a mixed gas of CH 4 , H 2 , and O 2 as a reaction gas, and high purity without impurities can be obtained by a microwave plasma CVD method. It can be seen that a diamond thin film of

【0013】[比較例1]本比較例は、マイクロ波プラ
ズマCVD法にて、反応ガスに酸素を添加しないでシリ
コン基板上にダイヤモンド薄膜を形成する例である。シ
リコン基板の前処理条件および装置は実施例1と同様で
ある。反応ガスとしてCH4とH2の混合ガスを用い、ガ
ス流量はCH4が3sccm、H2が300sccmで、
基板温度は850℃とし、以上の条件を固定し、反応圧
力を50Torrに設定して合成を4時間行う。その結
果、厚さ約0.9μmのダイヤモンド薄膜が得られた。
形成されたダイヤモンド薄膜のフォトルミネセンススペ
クトルを図3に示す。
Comparative Example 1 This comparative example is an example in which a diamond thin film is formed on a silicon substrate by a microwave plasma CVD method without adding oxygen to a reaction gas. The conditions and apparatus for pretreatment of the silicon substrate are the same as those in the first embodiment. A mixed gas of CH 4 and H 2 was used as a reaction gas, and gas flow rates were 3 sccm for CH 4 and 300 sccm for H 2 .
The substrate temperature is set to 850 ° C., the above conditions are fixed, the reaction pressure is set to 50 Torr, and the synthesis is performed for 4 hours. As a result, a diamond thin film having a thickness of about 0.9 μm was obtained.
FIG. 3 shows the photoluminescence spectrum of the formed diamond thin film.

【0014】測定条件は実施例1と同様である。600
0Å付近にピークを持つブロードな発光帯に加え、73
70Åに発光ピークが見られる。この発光ピークは膜中
に混入した基板のシリコンによるものであることが、文
献[J.Ru−an,W.J.Choyke and
W.D.Partlow,Appl.Phys.Let
t.58,295(1991)]より、明白である。実
施例1と比較例1から、反応ガスの中に酸素ガスを添加
することによりシリコン基板からのコンタミネーション
を防止することができ、高純度なダイヤモンド薄膜が得
られることがわかる。
The measurement conditions are the same as in the first embodiment. 600
In addition to the broad emission band with a peak near 0 °, 73
An emission peak is observed at 70 °. This emission peak is attributed to the silicon of the substrate mixed into the film, which is described in the literature [J. Ru-an, W.M. J. Choyke and
W. D. Partlow, Appl. Phys. Let
t. 58, 295 (1991)]. From Example 1 and Comparative Example 1, it can be seen that by adding oxygen gas to the reaction gas, contamination from the silicon substrate can be prevented, and a high-purity diamond thin film can be obtained.

【0015】[実施例2]本実施例は、ECRマイクロ
波プラズマCVD法にて、シリコン基板上にダイヤモン
ド薄膜を形成する例である。先ず、シリコン基板11
を、図4に示すECRマイクロ波プラズマCVD装置の
基板ホルダー12に装着する。次に真空ポンプ17に
て、チャンバー15内を1×10-6Torrまで減圧し
た後、反応ガスとしてCH4を2sccm、H2を100
sccmに設定して、ガス導入口14からチャンバー1
5に導入し、反応圧力を0.1Torrに保つ。基板加
熱用ヒーターにて基板温度を600℃に加熱して、シリ
コン基板11に−100Vの直流電圧を印加して、シリ
コン基板11をECR条件の位置に設置する。マイクロ
波発振器16にてマイクロ波パワーを5.0kW、磁気
コイル18にて電流を300A流して、最大磁場が13
00Gaussになるようにすると、シリコン基板11
の位置での磁場が875GaussとなりECR条件を
満たす。このようにしてプラズマを発生させる。
[Embodiment 2] This embodiment is an example in which a diamond thin film is formed on a silicon substrate by ECR microwave plasma CVD. First, the silicon substrate 11
Is mounted on the substrate holder 12 of the ECR microwave plasma CVD apparatus shown in FIG. Next, the pressure inside the chamber 15 was reduced to 1 × 10 −6 Torr by the vacuum pump 17, and then 2 sccm of CH 4 and 100 of H 2 were used as reaction gases.
It is set to sccm, and the chamber 1
And maintain the reaction pressure at 0.1 Torr. The substrate temperature is heated to 600 ° C. by the substrate heating heater, a DC voltage of −100 V is applied to the silicon substrate 11, and the silicon substrate 11 is set at a position under the ECR condition. A microwave power of 5.0 kW was applied by the microwave oscillator 16, and a current of 300 A was applied by the magnetic coil 18, and the maximum magnetic field was 13
00 Gauss, the silicon substrate 11
Is 875 Gauss, which satisfies the ECR condition. In this way, plasma is generated.

【0016】以上の条件を固定して核発生を10分行
う。次に、反応ガスをCH4と、H2と、O2との混合ガ
スにして、ガス流量はCH4が1sccm、H2が100
sccm、O2が0.1sccmで基板温度は650℃
とし、基板に+150Vの直流電圧を印加する。マイク
ロ波パワーを5kWとし磁気コイル18にて磁場を印加
して、基板をECR条件の位置に設置する。以上の条件
を固定し、反応圧力を0.1Torrに設定して成長を
2時間行う。
Nucleation is carried out for 10 minutes while fixing the above conditions. Next, the reaction gas was a mixed gas of CH 4 , H 2 , and O 2, and the gas flow rates were 1 sccm for CH 4 and 100 gas for H 2.
sccm, O 2 0.1 sccm, substrate temperature 650 ° C.
And a DC voltage of +150 V is applied to the substrate. A microwave power is set to 5 kW, a magnetic field is applied by the magnetic coil 18, and the substrate is set at a position under ECR conditions. With the above conditions fixed, the reaction pressure is set to 0.1 Torr, and growth is performed for 2 hours.

【0017】その結果、厚さ約0.3μmの高純度ダイ
ヤモンド薄膜が得られた。形成された高純度ダイヤモン
ド薄膜のフォトルミネセンススペクトルを図5に示す。
測定はアルゴンレーザーによる波長4880Åのレーザ
ー光を励起光源として、5000〜9000Åの範囲で
分光器を用いて行った。5220Å付近にダイヤモンド
のラマン線による鋭いピークと6000Å付近にピーク
を持つブロードな発光帯のみが見られる。
As a result, a high-purity diamond thin film having a thickness of about 0.3 μm was obtained. FIG. 5 shows a photoluminescence spectrum of the formed high-purity diamond thin film.
The measurement was performed using a spectroscope in the range of 5000 to 9000 ° using a laser beam having a wavelength of 4880 ° by an argon laser as an excitation light source. Only a broad emission band having a sharp peak due to the Raman line of diamond near 5220 ° and a peak near 6000 ° is observed.

【0018】[比較例2]本比較例は、ECRマイクロ
波プラズマCVD法にて、シリコン基板上にダイヤモン
ド薄膜を形成する例である。核発生の条件は実施例2と
同様である。核発生を行った後、反応ガスをCH4とH2
の混合ガスにして、ガス流量はCH4が1sccm、H2
が100sccm、で基板温度は650℃とし、シリコ
ン基板に+150Vの直流電圧を印加する。次に、マイ
クロ波パワーを5kWとし磁気コイル18にて磁場を印
加して、基板をECR条件の位置に設置する。以上の条
件を固定し、反応圧力を0.1Torrに設定して成長
を2時間行う。形成されたダイヤモンド薄膜は厚さ約
0.2μmであった。
Comparative Example 2 This comparative example is an example in which a diamond thin film is formed on a silicon substrate by ECR microwave plasma CVD. The conditions for nucleation are the same as in Example 2. After performing nucleation, the reaction gas is CH 4 and H 2
, A gas flow rate of 1 sccm for CH 4 and H 2
Is set to 100 sccm, the substrate temperature is set to 650 ° C., and a DC voltage of +150 V is applied to the silicon substrate. Next, a magnetic field is applied by the magnetic coil 18 with a microwave power of 5 kW, and the substrate is set at a position under ECR conditions. With the above conditions fixed, the reaction pressure is set to 0.1 Torr, and growth is performed for 2 hours. The formed diamond thin film had a thickness of about 0.2 μm.

【0019】このダイヤモンド薄膜のフォトルミネセン
ススペクトルを図6に示す。測定条件は実施例2と同様
である。6000Å付近にピークを持つブロードな発光
帯に加え、7370Åに発光ピークが見られる。この発
光ピークは膜中に混入した基板のシリコンによるもので
あることが、文献[J.Ruan,W.J.Choyk
e and W.D.Partlow,Appl.Ph
ys.Lett.58,295(1991)]より、明
白である。実施例2と比較例2から、ECRマイクロ波
プラズマCVD法においても反応ガスの中に酸素ガスを
添加することによりシリコン基板のからのコンタミネー
ションを防止することができ、高純度なダイヤモンド薄
膜が得られることがわかる。
FIG. 6 shows the photoluminescence spectrum of this diamond thin film. The measurement conditions are the same as in Example 2. In addition to a broad emission band having a peak near 6000 °, an emission peak is observed at 7370 °. This emission peak is attributed to the silicon of the substrate mixed into the film, which is described in the literature [J. Ruan, W.C. J. Choyk
e and W. D. Partlow, Appl. Ph
ys. Lett. 58 , 295 (1991)]. From Example 2 and Comparative Example 2, even in the ECR microwave plasma CVD method, contamination from the silicon substrate can be prevented by adding oxygen gas to the reaction gas, and a high-purity diamond thin film can be obtained. It is understood that it is possible.

【0020】[実施例3]本実施例は、熱フィラメント
CVD法にて、モリブデン基板上にダイヤモンド薄膜を
形成する例である。モリブデン基板21の前処理とし
て、粒径10μmのダイヤモンド粉末のエタノール懸濁
液にモリブデン基板21を浸漬し、超音波で1時間撹拌
する。エタノールで脱脂洗浄した後、図7に示す熱フィ
ラメントCVD装置の基板ホルダー22に装着する。真
空ポンプ27で、8×10-7Torrまで減圧した後、
反応ガスとしてC25と、H2との混合ガスに、O2を添
加したガスを用い、ガス流量はC25を5sccm、H
2を500sccm、O2を1sccmとしてガス導入口
24からチャンバー25に導入する。タングステンフィ
ラメント23の温度を2000℃、フィラメント23と
モリブデン基板21との間の距離を8mmにすると、フ
ィラメントの輻射熱によって基板温度は800℃に上昇
する。
[Embodiment 3] In this embodiment, a diamond thin film is formed on a molybdenum substrate by a hot filament CVD method. As a pretreatment of the molybdenum substrate 21, the molybdenum substrate 21 is immersed in an ethanol suspension of diamond powder having a particle size of 10 μm, and stirred by ultrasonic waves for one hour. After degreased and washed with ethanol, it is mounted on the substrate holder 22 of the hot filament CVD apparatus shown in FIG. After reducing the pressure to 8 × 10 −7 Torr by the vacuum pump 27,
As a reaction gas, a mixed gas of C 2 H 5 and H 2 to which O 2 is added is used, and the gas flow rate is 5 sccm of C 2 H 5 and H 2.
2 is set to 500 sccm and O 2 is set to 1 sccm, and introduced into the chamber 25 from the gas inlet 24. If the temperature of the tungsten filament 23 is 2000 ° C. and the distance between the filament 23 and the molybdenum substrate 21 is 8 mm, the substrate temperature rises to 800 ° C. due to the radiant heat of the filament.

【0021】反応圧力を20Torrに設定して3時間
合成を行う。その結果、厚さ約2.5μmの高純度ダイ
ヤモンド薄膜が得られた。形成された高純度ダイヤモン
ド薄膜のフォトルミネセンススペクトルを図8に示す。
測定はアルゴンレーザーによる波長4880Åのレーザ
ー光を励起光源として、5000〜9000Åの範囲で
分光器を用いて行った。5220Å付近にダイヤモンド
のラマン線による鋭いピークのみが見られる。
The reaction pressure is set to 20 Torr and the synthesis is performed for 3 hours. As a result, a high-purity diamond thin film having a thickness of about 2.5 μm was obtained. FIG. 8 shows a photoluminescence spectrum of the formed high-purity diamond thin film.
The measurement was performed using a spectroscope in the range of 5000 to 9000 ° using a laser beam having a wavelength of 4880 ° by an argon laser as an excitation light source. Only a sharp peak due to the Raman line of diamond is observed around 5220 °.

【0022】[比較例3]本比較例は熱フィラメントC
VD法にて、モリブデン基板上にダイヤモンド薄膜を形
成する例である。基板前処理条件および装置は実施例3
と同様である。反応ガスとしてC25とH2の混合ガス
を用い、ガス流量はC25が5sccm、H2が500
sccmで、他の条件は実施例3の場合と同様にして合
成した。形成されたダイヤモンド薄膜は厚さ約2μmで
あった。このダイヤモンド薄膜のフォトルミネセンスス
ペクトルを図9に示す。測定条件は実施例3と同様であ
る。5220Å付近にダイヤモンドの鋭いピークと72
40Å付近にピークを持つブロードな発光帯とが見られ
る。このブロードな発光帯は膜中に混入したフィラメン
トのタングステンによるものである。
[Comparative Example 3] This comparative example uses hot filament C
This is an example in which a diamond thin film is formed on a molybdenum substrate by a VD method. Substrate pretreatment conditions and apparatus were as in Example 3.
Is the same as A mixed gas of C 2 H 5 and H 2 was used as a reaction gas, and the gas flow rates were 5 sccm for C 2 H 5 and 500 for H 2.
The synthesis was performed in the same manner as in Example 3 except for the sccm and the other conditions. The formed diamond thin film had a thickness of about 2 μm. FIG. 9 shows the photoluminescence spectrum of this diamond thin film. The measurement conditions are the same as in Example 3. A sharp peak of diamond near 7220 ° and 72
A broad emission band having a peak near 40 ° is observed. This broad light emission band is due to the tungsten of the filament mixed in the film.

【0023】比較例3と実施例3から、熱フィラメント
CVD法において反応ガスの中に酸素ガスを添加するこ
とによりフィラメントのタングステンからのコンタミネ
ーションを防止することができ、高純度なダイヤモンド
薄膜が得られることがわかる。
From Comparative Example 3 and Example 3, contamination of tungsten from the filament can be prevented by adding oxygen gas to the reaction gas in the hot filament CVD method, and a high-purity diamond thin film can be obtained. It is understood that it is possible.

【0024】以上の実施例と比較例の合成条件と測定結
果を表1にまとめる。
Table 1 summarizes the synthesis conditions and measurement results of the above Examples and Comparative Examples.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】本発明においては、反応ガス中に酸素ガス
を添加して、高純度ダイヤモンドを気相合成法により成
長させる。添加された酸素ガスは他の反応ガスと同様に
プラズマや熱フィラメント等によって分解され、励起状
態になる。励起状態になった酸素は不純物元素と反応し
て、ダイヤモンド中へのこれらの不純物の混入を阻止
し、その結果、高純度のダイヤモンドが得られる。上記
のような効果が得られる酸素ガスの量は、特に限定され
るものではないが、成長速度や純度等を考慮すると、酸
素原子数と炭素原子数の比率[O]/[C]を0.00
1以上、0.1以下にすることが好ましい。[O]/
[C]が0.1より大きい場合は、高純度なダイヤモン
ドは得られるが、成長速度が小さくなるため、成長時間
が非常に長くなり現実的でない。一方、[O]/[C]
が0.001より小さい場合は、成長速度の低下はない
が、酸素の添加効果が充分得られないため純度が低くな
る。
In the present invention, high-purity diamond is grown by vapor phase synthesis by adding oxygen gas to the reaction gas. The added oxygen gas is decomposed by plasma, a hot filament, or the like, as in other reaction gases, and becomes an excited state. The oxygen in the excited state reacts with the impurity element to prevent these impurities from being mixed into diamond, and as a result, high-purity diamond can be obtained. The amount of oxygen gas at which the above-described effects can be obtained is not particularly limited. However, considering the growth rate, purity, and the like, the ratio of the number of oxygen atoms to the number of carbon atoms [O] / [C] is set to 0. .00
It is preferable to set it to 1 or more and 0.1 or less. [O] /
When [C] is larger than 0.1, high-purity diamond can be obtained, but the growth rate is low, and the growth time is extremely long, which is not practical. On the other hand, [O] / [C]
Is less than 0.001, the growth rate does not decrease, but the purity is low because the effect of adding oxygen cannot be sufficiently obtained.

【0027】以上のように、酸素原子数と炭素原子数の
比[O]/[C]を0.001以上、0.1以下にする
ことにより、従来よりも極めて高純度のダイヤモンドを
充分に大きい成長速度で得ることができる。また、用途
に応じてダイヤモンド薄膜の表面付近のみを高純度にす
る等の場合、成長初期では[O]/[C]を0.001
より小さくしておく、或いは、酸素添加を行わないで、
充分に大きい成長速度で合成し、成長の途中で酸素の添
加量を段階的に増加させる等して、[O]/[C]が
0.1より大きくなるようにしても酸素添加の効果を得
ることができる。
As described above, by setting the ratio of the number of oxygen atoms to the number of carbon atoms [O] / [C] to be 0.001 or more and 0.1 or less, it is possible to sufficiently produce diamond with extremely high purity as compared with the prior art. Can be obtained at high growth rates. In the case where only the vicinity of the surface of the diamond thin film is made highly pure depending on the use, [O] / [C] is 0.001 in the initial stage of growth.
Keep it smaller or do not add oxygen,
Even when [O] / [C] is larger than 0.1 by synthesizing at a sufficiently high growth rate and increasing the amount of oxygen added stepwise during the growth, the effect of oxygen addition can be reduced. Obtainable.

【0028】[0028]

【発明の効果】炭素含有ガスを水素ガスで希釈した反応
ガスを用いて気相合成法によりダイヤモンドを合成する
方法において、反応ガス中に酸素ガスを導入することに
よりダイヤモンドに混入する不純物を除去して高純度化
することが可能になる。
According to the method for synthesizing diamond by a gas phase synthesis method using a reaction gas obtained by diluting a carbon-containing gas with hydrogen gas, impurities mixed into diamond are removed by introducing oxygen gas into the reaction gas. High purity.

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

【図1】本発明の実施例1及び比較例1に使用したマイ
クロ波プラズマCVD装置。
FIG. 1 shows a microwave plasma CVD apparatus used in Example 1 and Comparative Example 1 of the present invention.

【図2】実施例1で得られた高純度ダイヤモンド薄膜の
フォトルミネセンススペクトル。
FIG. 2 is a photoluminescence spectrum of the high-purity diamond thin film obtained in Example 1.

【図3】比較例1で得られたダイヤモンド薄膜のフォト
ルミネセンススペクトル。
FIG. 3 is a photoluminescence spectrum of the diamond thin film obtained in Comparative Example 1.

【図4】本発明の実施例2及び比較例2に使用したEC
Rマイクロ波プラズマCVD装置。
FIG. 4 shows ECs used in Example 2 and Comparative Example 2 of the present invention.
R microwave plasma CVD device.

【図5】実施例2で得られた高純度ダイヤモンド薄膜の
フォトルミネセンススペクトル。
FIG. 5 is a photoluminescence spectrum of the high-purity diamond thin film obtained in Example 2.

【図6】比較例2で得られたダイヤモンド薄膜のフォト
ルミネセンススペクトル。
FIG. 6 is a photoluminescence spectrum of the diamond thin film obtained in Comparative Example 2.

【図7】本発明の実施例3及び比較例3に使用した熱フ
ィラメントCVD装置。
FIG. 7 is a hot filament CVD apparatus used in Example 3 and Comparative Example 3 of the present invention.

【図8】実施例3で得られた高純度ダイヤモンド薄膜の
フォトルミネセンススペクトル。
FIG. 8 is a photoluminescence spectrum of the high-purity diamond thin film obtained in Example 3.

【図9】比較例3で得られたダイヤモンド薄膜のフォト
ルミネセンススペクトル。
FIG. 9 is a photoluminescence spectrum of the diamond thin film obtained in Comparative Example 3.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、11、21;基板 2、12、22;基板ホルダー 3、13;基板加熱用ヒータ 4、14、24;ガス導入口 5、15、25;チャンバー 6、16;マイクロ波発生器 7、17、27;真空ポンプ 18;マグネットコイル 23;フィラメント Substrates 2, 12, 22; Substrate holders 3, 13; Heaters for substrate heating 4, 14, 24; Gas inlets 5, 15, 25; Chambers 6, 16; Microwave generators 7, 17 , 27; vacuum pump 18; magnet coil 23; filament

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 幡 俊雄 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 高木 悛公 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshio Hata 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Teiko Takagi 22-22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka In the company

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素を含有する有機系ガス、あるいは無
機系ガス、あるいは前記有機系ガスと無機系ガスとを混
合した混合ガスを、水素ガスで希釈したガスを反応ガス
として用いる気相合成法によるダイヤモンドの合成方法
において、上記反応ガスに酸素ガスを添加することを特
徴とする高純度ダイヤモンドの合成方法。
A gas phase synthesis method using a gas obtained by diluting a carbon-containing organic gas, an inorganic gas, or a mixed gas of the organic gas and the inorganic gas with a hydrogen gas as a reaction gas. A method for synthesizing high-purity diamond, comprising adding oxygen gas to the reaction gas.
【請求項2】 上記添加する酸素ガスの酸素原子数と、
上記反応ガス中の炭素原子数との比が、炭素原子数1に
対して、酸素原子数が、0.001以上、0.1以下で
あることを特徴とする請求項1記載の高純度ダイヤモン
ドの合成方法。
2. The number of oxygen atoms in the oxygen gas to be added,
2. The high-purity diamond according to claim 1, wherein the ratio of the number of carbon atoms in the reaction gas to the number of carbon atoms is 1 and the number of oxygen atoms is 0.001 or more and 0.1 or less. Synthesis method.
【請求項3】 上記反応ガスに添加する酸素ガスの量
を、少なくとも合成初期と終了時とで異ならせたことを
特徴とする請求項1、又は2記載の高純度ダイヤモンド
の合成方法。
3. The method for synthesizing high-purity diamond according to claim 1, wherein the amount of oxygen gas added to the reaction gas is different at least between the initial stage and the final stage.
【請求項4】 合成初期に添加する酸素ガスの量を、合
成終了時の酸素ガスの量より少なくしたことを特徴とす
る請求項1、2、又は3記載の高純度ダイヤモンドの合
成方法。
4. The method for synthesizing high-purity diamond according to claim 1, wherein the amount of oxygen gas added at the beginning of the synthesis is smaller than the amount of oxygen gas at the end of the synthesis.
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