JPS6054996A - ダイヤモンドの合成法 - Google Patents

ダイヤモンドの合成法

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JPS6054996A
JPS6054996A JP58164766A JP16476683A JPS6054996A JP S6054996 A JPS6054996 A JP S6054996A JP 58164766 A JP58164766 A JP 58164766A JP 16476683 A JP16476683 A JP 16476683A JP S6054996 A JPS6054996 A JP S6054996A
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Japan
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diamond
plasma
microwave
temperature
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JP58164766A
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Mutsukazu Kamo
加茂 睦和
Yoichiro Sato
洋一郎 佐藤
Seiichiro Matsumoto
精一郎 松本
Nobuo Sedaka
瀬高 信雄
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National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Research in Inorganic Material
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 z′ 本発明は化学気相析出法によるダイヤモンドの合成法に
関する。
従来、常圧以下の低圧領域におけるダイヤモンドの合成
法としては、次のような方法が知られている。
1)、減圧下で炭化水素を加熱した基板表面に通じ、そ
の熱エネルギーで熱分解して遊離炭素を生成速、さらに
集束して基板表面に衝突させてダイヤモンドを析出させ
るイオンビーム法。
5)、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスに、30M
Hz以下、例えば13.5MHzの高周波を導通して高
周波プラズマを発生せしめ、プラズマの高エネルギーの
荷電粒+Kよって炭化水素の化学結合を解き放すと同時
に励起状態の炭素原子または励起状態の炭化水素を生成
せしめ、基板衣Q X ゛−′−相析出法。
4)、黒鉛、基板及び水素を封管中に黒鉛を高温部に、
基板を低温部に設置して封入し、水素ガスを熱的あるい
は放電によって原子状水素を生成せしめ、不均化反応を
利用して基板表面にダイヤモンドを析出させる化学輸送
法。
などがある。
たダイヤモンドを合成するためには、析出の操作と酸素
または水素ガスを導入して基板表面に析出した黒鉛状炭
素を除去する操作とを、屑期的に繰返し行うことが必要
である。従って析出速度が遅く、また基板がダイヤモン
ドに限定される欠点がある。
前記2)のイオンビーム法は、常温で各種材料の基板表
面にダイヤそンドを析出させることができ!i、’47
利点はあるが、炭素の正イオンビームを発生させる装置
及びその集束装置Nが高価であり、また放電持続に用い
るアルゴンガス等の不活性ガスの原子がダイヤモンド格
子中に混入するなどの欠点がある。
前記5)の高周波プラズマ化学気相析出法は、プラズマ
を発生させるだめには、反応系の圧力が低い圧力の狭い
範囲であることが必要であり、圧力続操業を行うことが
できない欠点がある。
本発明者らは、これらの従来法の欠点を改善すべく研究
の結果、さきに、(1)水素をマイクロ波無極放電中を
通過させた後炭化水素を混合した混合ガス、または水素
と炭化水素との混合ガスをマイクロ波無極放電中を通過
させた混合ガスを、300〜1300℃に加熱した基板
上1で導き、炭化水素の分解によりダイヤモンドを基板
上に析出させる方’−,,”jl’¥)(特願昭56−
204321号)を見出した。
しかし、この方法によると、合成したダイヤモンド中に
、乱れた構造を有する炭素あるいは水ご素? 本発明の目的は前記問題点を解消せんとするものである
本発明者らは、この問題点を克服すべく更に研の発振機
ではプラズマを維持し、且つ基板温度をダイヤモンド合
成温度(300〜1300℃)に適し九温度に保つ出力
のマイクロ波を発振させプラズマを発生させて導波管で
基板忙導くようにすると、高品質のダイヤモンドが基板
上に析出し得られることを究明し得た。この知見に基い
て本発明を完成した。
本発明の要旨は、 (5) 電を用いて基板上にダイヤモンドを析出させる方法にお
いて、2個のマイクル波導入用導波管を用い、一方の導
波管でガスの励起、解離を効率よく行う高出力のマイク
ロ波を導入してプラズマを発生させ、他方の導波管でプ
ラズマを維持し、基板温度をダイヤモンド合成に適した
300〜1300℃の温度に保つ出力のマイクロ波を発
振させ導波管させるために用いる出力は大きい程よいが
、200W〜5kW、好ましくは500 W〜2 kW
で、ガスに300MHz〜1000GHzのマイクロ波
を導入してプラズマを発生させる。
また、基板をダイヤモンド合成に適する300〜130
0℃に保持させるための出力は100 W〜1.5kW
 、好ましくは100W〜1kWで、300MHz〜1
000GHzのマイクロ波を導入する。
(6) シ、水素と炭化水素ガスの励起・解離は高まり、かつダ
イヤモンドの化学結合を生せしめる十分な反応エネルギ
ーを持った炭素原子となる。下部のマイ(クロ波導波管
から導かれたマイクロ波プラズマまた、マイクロ波プラ
ズマ中で発生した励起状態または原子状態の水素は、黒
鉛及び黒鉛状炭素を成長させる原因となるSp 、 S
p結合を持つ炭素原子と反応して炭化水素を生成すると
同時に基板表面からこれらを離脱し、基板面の清浄化の
作用を行う。前記2つの作用が相俟って、ダイヤモンド
中に不純物及び乱れた構造の炭素が混入することが防止
し得られ、高品質のダイヤモンドを析出持合の材質を誘
電率及び誘電正接の値によって選択する。例えば、アル
ミナの代りに六方晶窒化はう素を用いることで50℃か
ら200℃の低い温度が得られる。または基板支持金の
周りに、マイクロ波の吸収剤例えば、黒鉛、ステンレス
を置いだ漫、あるいは支持台を1#接冷媒で冷却するよ
うにすることKよって、より正確に調整し得られる。
本発明において使用する炭化水素と12では、マイ1ク
ロ波プラズマ中で励起・解離する炭化水素で・あ、れば
よい。例えば、メタン、エタン、プロパン。
・1(;・ 几工)チレン、アセチ1/ン、ベンゼン等の飽和、不飽
和の脂肪族炭化水素及び芳香族炭化水素が挙げられる。
炭化水素(A)と水素ガス(B)の容量割合は、%=1
000〜0.001の広い範囲で使用し得られる。
しかし、黒鉛状炭素の析出を防止するという観点から、
その」二限は10以下であることが奸才しい。
基板の湿度は300〜1300℃の範囲であることが必
要である。300℃より低いと、析出したダイヤ−M、
:%ノド中に水素が混入する恐れがあシ、130011
::を超えると析出したダイヤモンドが黒鉛に逆転移す
る欠点が生ずる。最も好ましい範囲は500〜1200
℃である。マイクロ波は前記した通りの300 MHz
 〜1000 GHzの範囲で、マイクロ波出力範囲は
前記した通りの範囲であることが好ましい。
マイクロ波プラズマを発生させる管内の圧力は、プラズ
マを安定に維持するために、0.05〜400Torr
であることが好ましい。まだダイヤモンド■“−一 1.’:I板全面に均一に析出させる1基板の支持合成
に本発明の方法を実施する装置の態様を第1図に基いて
説明する。第1図はその態様を示す概要図である。図中
、1はガス供給装置で、10゜11はそれぞれ、炭化水
素ガス及び水素ガスの供給管に設けたパルプで、12は
混合ガスの供給管に設けたパルプである。3及び5はマ
イクロ波発振機で、マイクロ波はそれぞれ導波管4及び
6を通り、反応室7内に導かれる。8は基板、9は支(
9) ”、、、?、2は排気装置、13は排気バルブ、14は
マイクロ波吸収剤である。
反応室7内の支持台9上に基板8を設Wt−た後、排気
装置2を作動l〜て反応室7内を減圧にすると共に1バ
ルブ10 、11 、12及び13を調整して水素ガス
、炭化水素の流量ならびに反応室内の圧力を所定の値に
保持する。次にマイクロ波発振機3及び5を所定の出力
で起動させ、導波管4及び6を通じて反応室7内にプラ
ズマを発生させる叉共に基板8の加熱を行う。基板8の
温度はマイ実施例1゜ 第1図に示す装置を用い、基板8としてシリコンウェハ
ーを、ガスとしてメタン及び水素を使用した。シリコン
ウェハーを支持台9」二に設置t t、、排気装置2を
作動して反応室7を減圧にした。次いでガス供給袋ft
flより水素とメタンをそれぞれ毎分子occ、1cc
の流量で供給し、バルブ13を調整して反応室7内の圧
力を40 Torr Kfllli整しC10) 、:た;。次いでマイクロ波発振機5の周波数2.45
GHz、800Wの出力で無極放電を発生させ、導波管
6により反応室内に導きガスを励起させると共に、マイ
クロ波発振機30周波数2.45GHz。
400Wの出力で無極放電を発生させ、導波管4によシ
反応室内に導き、基板8を900℃に加熱した。
3時間析出させたところ約10μmのダイヤモンド粒子
が基板8土に析出した。ダイヤモンド粒子ンド粉末でき
ずをつけたシリコンウェハーを、ガスとしてメタン及び
水素を使用し、水素及びメタンをそれぞれ毎分80 c
cs O,24ccの流量で供給し、反応室7内の圧力
を30 Torrにした。マイクロ波発振機5は周波数
2.45 GHz、 1 kWの出力、マイクロ波発振
機3は周波数2.45GHz。
500 Wの出力で行い、支持台中に水を通して基板の
温度を930℃とした。50時間析出させたとこに析出
した。膜状ダイヤモンド中には乱れた構造の炭素あるい
は水素と結合l−だ炭素が光学的に観察されなかった。
本発明の方法によると、2個のマイクロ波導入用導波管
を用い、一方の導波管でガスの励起解離に適したマイク
ロ波を導入してプラズマを発生させ、他方の導波管でプ
ラズマを維持し、かつ基板温1度をダイヤモンド合成に
適した湿度に保持するま た;め、極めて適正にダイヤモンド合成に適する条智 る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の方法を実施する装置の概要図である。 1:ガス供給装置、2:排気装置、 3.5:マイクロ発振機、4..6:導波管、7;反応
室、 8:基板、 9:支持台、 す11や・11・12・13 : ′Op 7’・14
:マイクロ波吸収剤。 (13) 第 1 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 水素と炭化水素の混合ガスのマイクロ波無極放電を
    用いて基板上にダイヤモンドを析出させる方法において
    、2個のマイクロ波導入用導波管を用い、一方の導波管
    でガスの励起、解離を効率よく行う高出力のマイクロ波
    を導入してプラズマを発生させ、他方の導波管でプラズ
    マを維持し、基板温度をダイヤモンド合成に適した30
    0〜1300℃の温度に保つ出力のマイクロ波を発振さ
    せ導波管で導入してプラズマを発生させて、基板上にダ
    イヤモンドを析出させるようにしたことを特徴とするダ
    イヤモンドの合成法。 2 基板の周囲に冷却材またはマイクロ波吸収材を配置
    して基板温度を制御するようにした特許請求の範囲第1
    項記載のダイヤモンドの合成法。 (1)
JP58164766A 1983-09-07 1983-09-07 ダイヤモンドの合成法 Granted JPS6054996A (ja)

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