JPS6357007A - 気相法によるダイヤモンド合成法 - Google Patents

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】 １束上少肌ユ光亘 本発明は気相法によりダイヤモンドを合成する方法に関
する。

従来の技術 ダイヤモンド合成には、黒鉛を超高圧下でダイヤモンド
に変換する方法と、炭化水素等のガスを励起し、そのガ
スからダイヤモンドを析出させるいわゆる気相法による
ダイヤモンド合成法がある。

前者は主として粒状のダイヤモンドが得られ、後者は微
粒子状あるいは膜状のダイヤモンドが得られる。

従来報告されている気相法によるダイヤモンド合成法は
、原料は殆んど炭化水素と水素の混合ガスを用いている
。ガスの励起には各種の方法があり、大別すると加熱フ
ィラメントを用いる方法（特開昭５９−９１１００）　
、マイクロ波による方法（特開昭５９−３０９８）高周
波による方法（特開昭５８−１３５１１７）があり、そ
の他特殊なものとしては、グロー放電、アーク放電、ス
パッタリング法、イオンビーム法、紫外線照射法などが
ある。

Ｈの解決すべき間　点 しかし、従来の気相法によるダイヤモンド合成では、何
れの方法でも、Ｓｉなどの基板上あるいはダイヤモンド
種結晶上などに析出させているが、析出速度が遅（、ま
た析出面積も小さい。

また、特開昭５９−３０９８．同５８−１３５１１７に
記載されているマイクロ波や高周波によるプラズマ発生
は、ガスの圧力範囲が数Ｔｏｒｒ〜数＋Ｔｏｒｒ程度と
かなり減圧にしなければならない。またプラズマ化して
いる空間が狭いので広い面積に亘って析出させることが
できない。そしてダイヤモンドの析出速度も遅い。

一方、特開昭５９−９１１００に記載されている加熱フ
ィラメントを用いる方法は、矢針減圧下で行われており
、析出速度も遅い。

本発明は、ダイヤモンド合成原料の励起方法について種
々研究した結果到達したもので、その目的は、ダイヤモ
ンドの析出速度を速め、且つ析出面積の大きなものまで
可能にし、ダイヤモンドの析出効率を高め、生産性を向
上させることができるようにすることにある。

５　寺を解゛するための手段 前記目的を達成する本発明の気相法によるダイヤモンド
合成法は、炭素源の化合物及び水素源の化合物を用いて
気相法によりダイヤモンドを合成する方法において、前
記炭素源の化合物をプラズマによって励起し、前記水素
源の化合物を無声放電によって励起することを特徴とす
るものである。

以下、本発明を更に詳細に説明する。

本発明方法は、炭素源の化合物及び水素源の化合物を夫
々別の手段により励起し、これらを所定の温度に加熱し
た基板、ダイヤモンド種結晶等の表面に導いてダイヤモ
ンドとして析出させる方法である。炭素源の化合物及び
水素源の化合物を別々に励起するため、夫々を所望程度
に励起することが可能となり、析出速度の向上、析出ダ
イヤモンドの品位の調節が可能となる。

本発明において、炭素源の化合物の励起は、炭素源の化
合物自体のプラズマ化により行なっても、炭素源の化合
物以外のプラズマによる励起であってもよく、あるいは
これらの組合せにより行ってもよい。従って、炭素源の
化合物の励起のために、例えば水素、アルゴン、ヘリウ
ム、ネオン、クリプトン等のキャリヤーガスなどプラズ
マ励起に必要な材料を炭素源の化合物と共に用いてもよ
い。

プラズマの発生は、従来公知の直流グロー放電による方
法、高周波プラズマ、マイクロ波プラズマなどによる方
法を適宜選択して用いることができる。

本発明において水素源の化合物を励起するために用いる
無声放電は、一般にオゾンを製造する際に用いられてい
る放電方法で、先の尖った電極を少なくとも一方に用い
、高電圧下で放電させるが音がでないことからこの名が
あり、アーク放電やグロー放電とは区別される。

この様に、本発明においては、励起手段としてプラズマ
と無声放電を組合せて用いることにより、従来法にみら
れない高い析出速度でダイヤモンドを析出させることが
でき、しかも析出面積を増加させることができ、ダイヤ
モンドの析出効率並びに品位の向上が達成できる。

使用される炭素源の化合物としては、メタン３エタン等
の飽和脂肪族炭化水素、エチレン、アセチレン等の不飽
和脂肪族炭化水素、ベンゼン、トルエン、キシレン等の
芳香族炭化水素、脂環式炭化水素などの炭化水素；メタ
ノール、エタノール。

２−プロパツール、２−メチル−２−プロパツール、１
−プロパツール、ジアセトンアルコール。

、アリルアルコール等のアルコール外水酸基ヲ有する有
機化合物、ジメチルエーテル、エトキシエチレン、エチ
ルメチルエーテル、ジエチルエーテル。

２．３−エポキシブタン等のエーテル基を有する有機化
合物、アセトン、エチルメチルケトン、ジエチルケトン
、２，４−ペンタンジオン、アセトフェノン、１“−ブ
チロナフトン等のケトン基を有する有機化合物、酢酸メ
チル、酢酸エチル、酢酸イソアミル等のエステル結合を
有する有機化合物、ジメチルケテン、フェニルケテン等
のケテン基を有する有機化合物、酢酸、無水酢酸、アセ
トフェノン等のアセチル基を有する有機化合物、ホルム
アルデヒド、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド
等のアルデヒド基を有する有機化合物、過酸化ジーｔｅ
ｒ　ｔ−ブチル、過酸化ジアセチル等の過酸化物などの
酸素原子を含有する有機化合物；メチルアミン、エチル
アミン、イソプロピルアミン等の第１アミン、ジメチル
アミン等の第２アミン、トリメチルアミン等の第３アミ
ン、アセトニトリル、ベンゾニトリル、アクリロニトリ
ル、ピバロニトリル等のニトリル基を有する有機化合物
、ヘキサンアミド、アセトアミド等のアミド基を有する
有機化合物、ニトロエタン、ニトロメタン。

ニトロソヘンゼン、ニトロプロパン等のニトロ基を存す
る有機化合物などの窒素原子を含有する有機化合物；　
メルカプタン等の硫黄原子を含む有機化合物；クロロメ
タン、臭化メタン等のハロゲン原子を含む有機化合物；
などである。この中では特にアセトン、アセトアルデヒ
ド及びアルコール等の酸素原子を含む有機化合物がダイ
ヤモンドの析出速度が大きく好ましい。

使用される水素源の化合物としては、励起状態で原子状
水素を生成し得る化合物が使用され、−般に水素ガスが
使用されるが、このほか、メチルアルコール、イソプロ
ピルエーテルなどを使用することができる。水素ガスを
使用する場合、アルゴン等の不活性ガスと混合して使用
してもよい。

炭素源の化合物と水素源の化合物の使用量に特に制限は
ないが、炭素源の化合物０．１〜７０容量部に対し、水
素源の化合物あるいは水素源の化合物と不活性ガスとの
混合物９９．９〜３０容量部の割合が適当である。

以下、図面を参考に具体的に本発明を説明する。

第１図及び第２図は、夫々本発明方法を実施するために
用いる装置の１例を示した模式図である。

図において、１は反応槽であり、回転軸２に軸支され且
つ基板加熱手段３を備えた基板支持台箱４を収納してい
る。５は炭素源の化合物を導入するための石英管であり
、反応槽１内に挿入配置された開口端部に高周波プラズ
マ発生用の平行平板電極６．６を備えている。７は高周
波発振用の電源（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ　）
である。炭素源の化合物は石英管５の上部の入口８より
導入され、電極６．６間の領域で励起される。

第１図中、９は水素源の化合物を導入するための石英管
でその中に電極となるタングステン棒１０が石英管１１
の中に挿入配置されている。石英管９の外側には電極と
なる円筒状専箔１２が設けられている。電極１０と１２
の間には交流高電圧１３が印加される。水素源の化合物
は石英管９の上部の入口１４より導入され、無声放電帯
域（両電極間）で励起される。

第１図中、１５は反応室１内を排気するための排気口で
ある。

１６は基板支持台４上に載置された基板である。

基板１６としては、シリコン、モリブデン、タンタル、
タングステンなどの金属板、炭化珪素、窒化チタン石英
、窒化アルミなどのセラミック板などを用いることがで
きる。さらに、基板１Ｇの代りにダイヤモンドの種結晶
や炭化珪素の粒子を反応槽内に収容し、この上にダイヤ
モンドを析出させることができる。

なお、炭素源の化合物を励起するために用いる高周波プ
ラズマ発生手段は、第１図に示した平行平板方式による
もの以外に、コイル結合方式や、無極放電方式などを用
いることも勿論できる。

同一要素を同一符号で表わすと、第２図に示した装置は
、第１図の装置の平行平板電極６と高周波電源７の代り
に、石英管８と交差してマイクロ波導波管２１が設置さ
れ、図示しないマイクロ波発振器（例えば２．４５Ｇｆ
１２のマグネトミツ発振器）から、図中矢印２２の方向
にマイクロ波が伝播されて、石英管８内でマイクロ波プ
ラズマが発生する。

無声放電の条件は励起管の太さ等によって変るが、電極
間距離３〜２０箇朧で電圧５〜１５ＫＶが適当である。

反応槽１内での、ガスの圧力は１０Ｔｏｒｒから常圧以
上、例えば１０００Ｔｏｒｒでも可能である。励起され
ているガスの温度は室温３００℃にあるのが好ましい。

ダイヤモンドを析出させる基板等の温度は従来の方法と
変りはなく、６００〜９００℃の範囲が好ましい。基板
の位置は石英管の先端から１〜５龍位離したところがよ
い。

災施炭 以下に実施例を示して、本発明を更に具体的に説明する
。

実施例１ 第１図に示した装置を用いて本発明方法を実施した。

炭素源の化合物としてアセトン（流量２　ＳＣＣＭ）、
水素源の化合物として水素ガス（流計１００ｓｃ（、ｊ
）を用い、基板１６としてダイヤモンド砥粒で表面に細
かい傷を付けたシリコンウェハーを使用し、基板温度を
６５０℃とした。電源１３による無声放電々圧を５〜８
にＶとし、裔周波放電は１３．５６ＭＩ＋□で電力１５
０Ｗとした。反応槽１内の圧力を５０Ｔｏｒｒ、無声放
電用電極１０と基板との距離を１０ｍｍとして１時間反
応させたところ、基板上に厚み６μｍの析出物が得られ
た。この析出物は、電子線解析、ラマン分光分析等によ
ってダイヤモンドであることが確認された。

実施例２ 反応槽１内の圧力を５〜１００Ｔｏｒｒの範囲で変化さ
せた以外は実施例１と同じ条件で反応を行なったところ
、実施例１と同じダイヤモンドの析出物が得られた。

実施例３ 第２図の装置を用い、マイクロ波を周波数２．４５Ｇｌ
ｈ　、出力１５０Ｗで発振させてプラズマを発生させた
以外は実施例１と同じ条件で反応を行なったところ、基
板上に厚み６μｍの析出物が得られた。

この析出物は、電子線回折、ラマン分光分析等によって
ダイヤモンドであることが確認された。

実施例４ 炭素源の化合物としてアセトンの代りにメタンを使用し
た以外は実施例１と同じ条件で反応を行なったところ、
基板上に厚み３μｍのダイヤモンドの析出物が得られた
。

実施例５ 炭素源の化合物としてアセトンの代りにエチルアルコー
ルを使用した以外は実施例１と同じ条件で反応を行った
ところ、基板上に厚み５μｍのダイヤモンドの析出物が
得られた。

実施例６ 炭素源の化合物としてアセトンの代りにトリメチルアミ
ンを使用した以外は実施例１と同じ条件で反応を行った
ところ、基板上に厚み５μｍのダイヤモンドの析出物が
得られた。

実施例７ アセトンを水素で希釈（最高５倍まで）し、その代りに
無声放電で励起させる水素の量を減らした以外は実施例
１と同じ条件で反応を行なったところ、実施例１と同じ
ダイヤモンドの析出物が得られた。

実施例８ 基板としてシリコンのミラーウェハーを用いた以外は実
施例１と同じ条件で反応を行なったところ、ダイヤモン
ドの粒状析出物が得られた。

実施例９ 炭素源の化合物としてアセトンの代りに過酸化ジーｔｅ
ｒｔ−ブチルを用いた以外は実施例１と同じ条件で反応
を行なったところ、ダイヤモンドの析出物が厚み１４μ
ｍで得られた。

主班息四米 本発明の気相法によるダイヤモンド合成法によれば、従
来法にも増して、ダイヤモンドの析出速度を高めること
ができ、しかも析出面積の大きなものまで可能にでき、
ダイヤモンドの析出効率及び品位の向上が達成できる。

本発明によって得られるダイヤモンドは基板上に析出さ
せた膜状物、あるいはダイヤモンドの種子や炭化珪素粒
子の上に析出させた粒状物である。

膜状のものは基材に被覆して耐摩耗性部材、研磨材など
に利用でき、粒状のものは研磨材等に利用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、夫々本発明方法を実施するための
装置の１例の模式図である。 ４・・・基板支持台、５・・・炭素源の化合物導入用石
英管、６・・・高周波電極、２１・・・マイクロ波導波
管。 ９・・・水素源の化合物導入用石英管、１０．１２・・
・無声放電電極、１６・・・基板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炭素源の化合物及び水素源の化合物を用いて気相法によ
   りダイヤモンドを合成する方法において、前記炭素源の
   化合物をプラズマによって励起し、前記水素源の化合物
   を無声放電によって励起することを特徴とする気相法に
   よるダイヤモンド合成法。