JP2007331955A - Method for producing diamond - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド製造方法及びダイヤモンド製造用基板支持体に関する。 The present invention relates to a diamond manufacturing method by a microwave plasma CVD method and a substrate support for diamond manufacturing.
半導体として優れた特性を有するダイヤモンドは、例えば、高周波・高出力デバイス、紫外線発光デバイスなど半導体デバイス用材料として期待されている。 Diamond having excellent characteristics as a semiconductor is expected as a material for semiconductor devices such as high-frequency / high-power devices and ultraviolet light-emitting devices.
現在、ダイヤモンド単結晶の成長は、主に高圧合成法、気相合成法などによって行われている。気相合成法のうちで有望な方法として、減圧雰囲気下において、水素およびメタンガスを流してマイクロ波放電で形成したプラズマを利用してダイヤモンド結晶の成長を行う、マイクロ波プラズマＣＶＤ法が知られている。 Currently, diamond single crystals are grown mainly by high-pressure synthesis, vapor phase synthesis, or the like. As a promising method among vapor phase synthesis methods, a microwave plasma CVD method is known in which diamond crystals are grown using plasma formed by microwave discharge by flowing hydrogen and methane gas in a reduced-pressure atmosphere. Yes.
これらのダイヤモンド結晶の成長方法において、作業時間と成長コストを低減するための研究が今日まで広くなされてきているが、成長速度を向上するための研究例はあるものの、ダイヤモンドを成長させる際の、成長面の形状の制御については、その具体的な方法は提示されていない。 In these diamond crystal growth methods, research to reduce the working time and growth cost has been extensively made to date, but there are examples of research to improve the growth speed, but when growing diamonds, No specific method has been proposed for controlling the shape of the growth surface.
例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンドのホモエピタキシャル成長において、水素ガスとメタンガスからなる反応ガスに微量の窒素を添加することによって、１００μｍ毎時を超える速度でのダイヤモンド単結晶の成長が可能となることが報告されている（下記非特許文献１参照）。また、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド成長方法において、ダイヤモンド基板の載置部が外周縁部に対して***した形状の基板支持体を用いることによって、ダイヤモンドを高速に成長させる方法も開示されている（下記特許文献１参照）。
For example, in diamond homoepitaxial growth by the microwave plasma CVD method, it is possible to grow a diamond single crystal at a rate exceeding 100 μm per hour by adding a small amount of nitrogen to a reaction gas composed of hydrogen gas and methane gas. It has been reported (see Non-Patent
また、高い成長速度を実現するためのダイヤモンド合成装置として、公知のダイヤモンド製造技術を組み合わせて利用した合成装置が開示されている（下記特許文献２参照）。この合成装置は、それぞれ公知の技術である、モリブデン等の導体で作成した基板支持体上へダイヤモンド基板を設置すること（下記非特許文献２〜４参照）、基板支持体へ熱を放出すること（下記非特許文献３、４参照）、非接触型の温度測定装置を利用してダイヤモンドの温度を測定すること（下記非特許文献３参照）、予め決めた厚さまで成長を行うこと（下記特許文献３参照）、等の手段を組み合わせることによって、高い成長速度を実現しようとするものである。しかしながら、特許文献２は、成長面の形状を制御する方法については一切開示しておらず、成長面の形状を制御する手段については全く考慮していない。このため、上記した公知技術を組み合わせて利用した合成装置では、ダイヤモンドの成長速度を高速化することは可能であるが、ダイヤモンド成長面の形状を制御することはできない。
Further, as a diamond synthesizer for realizing a high growth rate, a synthesizer using a combination of known diamond manufacturing techniques is disclosed (see
しかも、特許文献２の方法では、ダイヤモンド基板の周縁が基板支持体に接した状態でダイヤモンド成長が行われているために成長面の拡大は絶望的である。更に、成長後に基板と基板支持体とを別方向にスライドすることが困難であり、これらを分離する際に基板が損傷を受ける可能性がある。
Moreover, in the method of
以上の通り、従来知られているマイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド製造方法では、成長面の形状を制御することなくダイヤモンド成長が行われている。このため、成長したダイヤモンドを目的とする形状に研磨することが必要となり、これが作業時間と
コストの増大の一因となっている。
本発明は上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド単結晶を成長させる際に、ダイヤモンドの成長面の形状（モフォロジー）を簡単に制御できる方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main purpose is to simplify the shape (morphology) of a diamond growth surface when growing a diamond single crystal by a microwave plasma CVD method. Is to provide a method that can be controlled.
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド基板上にダイヤモンド結晶を成長させる方法において、基板支持体として、基板載置面の周囲に基板囲繞部を備えた一体構造又は天面から所定厚み部分が分離可能とされた構造の基板支持体を用い、該基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを調整することによって、ダイヤモンド成長面の形状を制御することが可能となることを見出した。 The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, in a method of growing a diamond crystal on a diamond substrate by a microwave plasma CVD method, a predetermined thickness portion is separated from an integrated structure having a substrate surrounding portion around the substrate mounting surface or a top surface as a substrate support. It has been found that the shape of the diamond growth surface can be controlled by using a substrate support having a possible structure and adjusting the thickness of the member including the top surface of the substrate surrounding portion.
そして、この方法を利用することによって、成長面の形状を目的に応じて任意に調整することが可能となり、例えば、成長面の形状を凸型又は平坦状に制御する場合には、ダイヤモンドの成長を長時間連続して継続することが可能となって大型のダイヤモンド製造を実現化でき、また成長面の形状を凹型とする場合には、主成長面の成長方向に垂直な方向に成長面を拡大させることが可能となるなど、目的に応じた各種の成長面を非常に簡単に形成できることを見出した。 By using this method, it becomes possible to arbitrarily adjust the shape of the growth surface according to the purpose. For example, when controlling the shape of the growth surface to be convex or flat, the growth of diamond Can be produced continuously for a long time, and large diamond production can be realized, and when the growth surface has a concave shape, the growth surface is perpendicular to the growth direction of the main growth surface. It has been found that various growth surfaces according to the purpose can be formed very easily, such as being able to be enlarged.
本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。 The present invention has been completed based on these findings.
即ち、本発明は、下記のダイヤモンド製造方法、及びこの方法で用いることのできるダイヤモンド作製用基板支持体を提供するものである。
１． マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド基板上にダイヤモンド結晶を成長させる方法において、
ＣＶＤ装置内に設置する基板支持体が、基板載置面の周囲に基板囲繞部を備えた導電性材料からなる支持体であって、該基板囲繞部を含む基板支持体は一体であるか又は基板囲繞部の天面から所定厚み部分が分離可能とされた構造であり、
該基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを調整することによって、ダイヤモンド成長面の形状を制御してダイヤモンド成長を行うことを特徴とするダイヤモンド製造方法。
２． 基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを大きくすることによって、ダイヤモンド基板の端面の成長を抑制する上記項１に記載の方法。
３． 基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを小さくすることによって、ダイヤモンド基板の端面の成長を促進する上記項１に記載の方法。
４． 基板支持体における基板囲繞部の天面とダイヤモンド基板の表面がほぼ面一であっ
て、該基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを、ダイヤモンド基板の厚さより大きくすることにより、ダイヤモンド成長面の形状を凸状とする上記項１に記載の方法。
５． 基板支持体における基板囲繞部の天面とダイヤモンド基板の表面がほぼ面一であって、該基板支持体における基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを、ダイヤモンド基板の厚さとほぼ同一とすることにより、ダイヤモンド成長面の形状を平坦状とする上記項１に記載の方法。
６． 基板支持体における基板囲繞部の天面とダイヤモンド基板の表面がほぼ面一であって、該基板支持体における基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを、ダイヤモンド基板の厚さより小さくすることにより、ダイヤモンド成長面の形状を凹状とする上記項１に記載の方法。
７． 基板支持体における基板囲繞部の天面とダイヤモンド基板の表面の高さの相違が0.3mm未満である上記項４〜６に記載の方法。
８． 上記項１〜７のいずれかの方法に用いられる基板載置面の周囲に基板囲繞部を備えた導電性材料からなる基板支持体であって、該基板囲繞部を含む基板支持体は一体であるか又は天面から所定厚み部分が分離可能とされた構造であるマイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド製造用基板支持体。
That is, this invention provides the following diamond manufacturing method and the substrate support body for diamond preparation which can be used by this method.
1. In a method of growing a diamond crystal on a diamond substrate by a microwave plasma CVD method,
The substrate support installed in the CVD apparatus is a support made of a conductive material having a substrate surrounding portion around the substrate mounting surface, and the substrate support including the substrate surrounding portion is integral or It is a structure in which a predetermined thickness portion can be separated from the top surface of the substrate surrounding portion,
A diamond manufacturing method characterized in that diamond growth is performed by controlling a shape of a diamond growth surface by adjusting a thickness of a member including a top surface of the substrate surrounding portion.
2.
3.
4). The top surface of the substrate surrounding portion of the substrate support is substantially flush with the surface of the diamond substrate, and the thickness of the member including the top surface of the substrate surrounding portion is made larger than the thickness of the diamond substrate, thereby growing the diamond.
5). The top surface of the substrate surrounding portion in the substrate support is substantially flush with the surface of the diamond substrate, and the thickness of the member including the top surface of the substrate surrounding portion in the substrate support is substantially the same as the thickness of the diamond substrate. 2. The method according to
6). The top surface of the substrate surrounding portion in the substrate support is substantially flush with the surface of the diamond substrate, and the thickness of the member including the top surface of the substrate surrounding portion in the substrate support is made smaller than the thickness of the diamond substrate. 3. The method according to
7).
8). A substrate support made of a conductive material having a substrate surrounding portion around a substrate placement surface used in the method of any one of
本発明では、ダイヤモンドの製造方法として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド基板上にダイヤモンド結晶を成長させる方法を採用する。 In the present invention, as a method for producing diamond, a method of growing a diamond crystal on a diamond substrate by a microwave plasma CVD method is employed.
図１に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例の概略図を示す。図１に示す装置では、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、マイクロ波電源２、マイクロ波を伝搬させる導波管３、マイクロ波導入誘電体窓４、空洞共振器型の反応容器５、内部に冷却水Ｗが通っているステージ６、ステージ６上に設置される基板支持体７を備えている。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a microwave plasma CVD apparatus. In the apparatus shown in FIG. 1, a microwave
反応容器５には、原料ガスを導入するための原料ガス導入口５ａと、容器内を真空引きするための排気口５ｂとが設けられている。
The
マイクロ波電源２で発生させられたマイクロ波は、図１に矢印で示すようにして反応容器５内に導入される。
The microwave generated by the
具体的な製造条件については特に限定はなく、公知の条件に従って、ダイヤモンドを成長させればよい。原料ガスとしては、例えば、メタンガスと水素ガスの混合ガスを用いることができ、更に、これに窒素ガスを加えることによって、成長速度を向上させることができる。 There are no particular limitations on the specific production conditions, and diamond may be grown according to known conditions. As the raw material gas, for example, a mixed gas of methane gas and hydrogen gas can be used, and further, the growth rate can be improved by adding nitrogen gas thereto.
具体的なダイヤモンド成長条件の一例を示すと、反応ガスとして用いる水素、メタン及び窒素の混合気体では、メタンは、水素供給量１モルに対して、０．０１〜０．３３モル程度となる比率で供給し、窒素は、メタン供給量１モルに対して、０．０００５〜０．１モル程度となる比率で供給することが好ましい。また、プラズマＣＶＤ装置内の圧力は、通常、１３．３〜４０ｋＰａ程度とすればよい。マイクロ波としては、通常、２．４５ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ等の工業および科学用に許可された周波数のマイクロ波が使用される。マイクロ波電力は、特に限定的ではないが、通常、０．５〜５ｋＷ程度とすればよい。この様な範囲内において、例えば、基板（ダイヤモンド種結晶）の温度が１０００〜１３００℃程度となるように各条件を設定すればよい。 As an example of specific diamond growth conditions, in a mixed gas of hydrogen, methane, and nitrogen used as a reaction gas, methane has a ratio of about 0.01 to 0.33 mol with respect to 1 mol of hydrogen supply. The nitrogen is preferably supplied at a ratio of about 0.0005 to 0.1 mol per 1 mol of methane supplied. Moreover, what is necessary is just to usually set the pressure in a plasma CVD apparatus to about 13.3-40 kPa. As the microwave, a microwave having a frequency permitted for industrial and scientific use such as 2.45 GHz and 915 MHz is usually used. The microwave power is not particularly limited, but is usually about 0.5 to 5 kW. Within such a range, for example, each condition may be set so that the temperature of the substrate (diamond seed crystal) is about 1000 to 1300 ° C.
本発明方法では、ダイヤモンド基板を載置する基板支持体として、基板載置面の周囲に基板囲繞部を備えた導電性材料からなる基板支持体を用いる。該支持体は、通常、Ｍｏ、Ｗ等の金属、合金等の導電体で形成される。この条件を満足する限り、基板支持体の形状は任意である。 In the method of the present invention, a substrate support made of a conductive material having a substrate surrounding portion around the substrate mounting surface is used as a substrate support for mounting the diamond substrate. The support is usually formed of a metal such as Mo or W, or a conductor such as an alloy. As long as this condition is satisfied, the shape of the substrate support is arbitrary.
尚、本発明では、基板支持体の基板載置部は、凹部によって形成されており、基板囲繞部とは、基板支持体の基板載置面に載置されたダイヤモンド基板を取り囲む周辺部分をいう。 In the present invention, the substrate placement portion of the substrate support is formed by a recess, and the substrate surrounding portion refers to a peripheral portion surrounding the diamond substrate placed on the substrate placement surface of the substrate support. .
図２は、本発明で使用する基板支持体の一例の概略を示す図面である。図２に示す基板支持体は、全体として円柱状の形状であって、基板載置面７ａが、ダイヤモンド基板８と同一又は相似の平面形状であり、その周囲に基板囲繞部７ｂを備えている。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a substrate support used in the present invention. The substrate support shown in FIG. 2 has a cylindrical shape as a whole, the
図２（ａ）は、基板囲繞部７ｂを含む基板支持体７が一体となった構造の支持体である。図 ２（ｂ）と図２（ｃ）は、基板囲繞部７ｂを形成する部材と、基板載置面７ａを含
む部材７ｃとが分離した構造の支持体である。具体的には、図２（ｂ）に示す支持体では、基板囲繞部を形成する部材７ｂは、中央部分にダイヤモンド基板の形状と同一又は相似の中空部分を有する円盤状の部材である。基板囲繞部を形成する部材７ｂは、該部材と同一の直径を有する円柱状の部材７ｃ上に設置されている。図２（ｃ）に示す支持体では、基板囲繞部を形成する部材７ｂは、中央部分にダイヤモンド基板の形状と同一又は相似の中空部分を有する円盤状の部材であって、ダイヤモンド基板より厚さが小さい部材である。基板載置面７ａを含む部材７ｃは、円柱状の部材であって、その一方の底面に基板載置部の一部となる凹部が形成されている。この部材における凹部の平面形状は、基板囲繞部を形成する部材７ｂの中空部分と同一形状である。基板囲繞部を形成する部材７ｂは、基板載置面７ａを含む部材７ｃ上に設置され、該部材７ｂにおけると中空部分と、基板載置面を含む部材７ｃの凹部によって、基板を載置する空間が形成される。
FIG. 2A shows a support having a structure in which the
本発明方法では、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材の厚さｔ２を適切な大きさに設定することによって、ダイヤモンド基板の成長面の形状を制御することができる。具体的には、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２を大きくすると、ダイヤモンド基板８の端部８ａの成長を抑制することができ、天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２を小さくすると、ダイヤモンド基板８の端部８ａの成長を促進することができる。
In the method of the present invention, by setting the thickness t 2 of the member including a
以下、図２を参照して、本発明方法の実施態様について説明する。図２は、基板支持体における基板囲繞部の天面７ｄと、基板載置面に載置されたダイヤモンド基板８の表面がほぼ面一である場合を示す。
The embodiment of the method of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 2 shows a case where the
図２（ａ）に示す支持体は、基板囲繞部７ｂを含む基板支持体７全体が一体となった構造であり、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材の厚さｔ２は、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より大きくなっている。この状態において、上記した条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド基板８上にダイヤモンド結晶を成長させる場合には、ダイヤモンド基板の中央部８ｂと比較して、端部８ａの成長が抑制され、ダイヤモンド成長面の形状は、中央部８ｂが***した凸状となる。この場合、天面７ｄを含む部材の厚さｔ２は、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より大きければ良いが、通常、天面７ｄを含む部材の厚さｔ２が、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より、０．３ｍｍ程度以上大きいことが好ましい。天面を含む部材の最大厚さは限定されないが、通常、ダイヤモンド基板の厚さｔ１の５倍程度までの厚さとすればよい。
Support shown in FIG. 2 (a), the
図２（ｂ）に示す支持体は、中空部分を有する円盤状の部材７ｂと、基板載置面７ａを含む円柱状の部材７ｃとが分離した構造の支持体である。該円盤状部材７ｂの中空部分の平面形状は、ダイヤモンド基板の平面形状と同一又は相似であり、該円盤状部材７ｂの厚さは、ダイヤモンド基板の厚さｔ１とほぼ同一である。この場合、基板支持体の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２は、円盤状部材７ｂの厚さとなるので、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２は、ダイヤモンド基板の厚さｔ１とほぼ同一となる。この状態
において、上記した条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド基板８上にダイヤモンド結晶を成長させる場合には、ダイヤモンド基板の中央部８ｂと端部８ａの成長はほぼ同程度となり、ダイヤモンド成長面は、平坦な形状となる。この場合、例えば、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２と、ダイヤモンド基板の厚さｔ１との相違が０．３ｍｍ程度未満の場合に同様に、上記した場合と同様にダイヤモンド成長面を平坦な形状とすることができる。
The support shown in FIG. 2B is a support having a structure in which a disk-shaped
図２（ｃ）に示す支持体では、基板囲繞部を形成する部材７ｂは、中央部分にダイヤモンド基板の形状と同一又は相似形の中空部分を有する円盤状の部材であって、ダイヤモンド基板８より厚さが小さい部材である。図２（ｃ）における基板載置面７ａ周辺部の部分拡大図を図３に示す。基板載置面７ａを含む部材７ｃは、円柱状の部材であって、その一方の底面に基板載置部の一部となる凹部が形成されている。この場合、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２は、円盤状部材の厚さとなり、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より小さくなっている。この状態において、上記した条件でマイクロ波プラズマＣＶＤ法によって、ダイヤモンド基板８上にダイヤモンド結晶を成長させる場合には、ダイヤモンド基板の中央部８ｂと比較して、端部８ａの成長が促進され、ダイヤモンド成長面の形状は、中央部８ｂの成長が少なく、端部８ａが大きく成長した凹状となる。この場合、天面７ｄを含む部材の厚さｔ２を、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より小さくすれば良いが、通常、天面７ｄを含む部材の厚さｔ２が、ダイヤモンド基板の厚さｔ１より、０．３ｍｍ程度以上小さいことが好ましい。
In the support shown in FIG. 2 (c), the
尚、上記図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すダイヤモンド成長面の制御方法では、基板支持体における基板囲繞部の天面７ｄと、基板載置面に載置されたダイヤモンド基板８の表面の位置（高さ）は、０．３ｍｍ程度の誤差範囲内で一致していることが好ましい。
In the diamond growth surface control method shown in FIGS. 2A to 2C, the
上記した方法によって成長面の形状を制御できる理由については、必ずしも明確ではないが、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２がダイヤモンド基板の厚さｔ１より大きいと、プラズマＣＶＤ処理を行う際に、ダイヤモンド基板の端部８ａに対する基板支持体による冷却効果が大きくなり、端部８ａの成長が抑制されて、成長面の形状は中央部８ｂが***した凸状となり、一方、基板囲繞部の天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２がダイヤモンド基板の厚さｔ１より小さい場合には、ダイヤモンド基板の端部８ａに対する基板支持体による冷却効果が小さくなり、特に、天面７ｄを含む部材７ｂと基板載置面を含む部材７ｃとが分離していることにより、この分離面が断熱効果を生じて、ダイヤモンド基板の端部８ａに対する冷却効果がより一層低下し、その結果、端部８ａの成長が促進されて、成長面の形状は端部８ａが***した凹状となると考えられる。
For reasons that can control the shape of the growth surface by method described above, and although not necessarily clear, the thickness t 2 of the
本発明方法では、使用する基板支持体の形状については、図２に示す形状の支持体に限定されず、基板載置面７ａの周囲に基板囲繞部７ｂを備えた基板支持体、即ち、基板載置部が凹部によって形成されている基板支持体であれば、任意の形状の支持体を用いることができる。例えば、図２では、円柱状の基板支持体を用いているが、基板支持体の上面と比較して底面の面積が大きい円錐台状の基板支持体を用いてもよい。更に、後述する実施例１及び２において用いた、基板載置部を含む部材と外周縁部用部材とが分離した構造の基板支持体を用いることもできる。いずれの形状の支持体を用いる場合にも、図２に示す場合と同様に、基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを調整することによって、ダイヤモンド成長面の形状を制御することができる。
In the method of the present invention, the shape of the substrate support to be used is not limited to the shape of the support shown in FIG. 2, and the substrate support having the
また、基板載置面７ａの形状についても、使用するダイヤモンド基板と同一形状又は相似形に限定されず、ダイヤモンド基板を載置可能な形状であれば、任意の形状の載置面を有する基板を用いることができる。尚、ダイヤモンド基板の端面と基板囲繞部との間隔、即ち、ダイヤモンド基板端面８ａと基板載置部の内壁面７ｅとの間隔については、特に限
定的ではないが、基板囲繞部による冷却効果を十分に発揮させるためには、0.5mm程度以
下であることが好ましく、0.1ｍｍ程度以下であることがより好ましい。
Also, the shape of the
図２は、ダイヤモンド基板表面が基板囲繞部の天面７ｄとほぼ面一となるようにダイヤモンド基板を載置した例であるが、これに限定されず、ダイヤモンド基板表面の位置を基板囲繞部の天面７ｄの位置より高く設定しても良く、或いは天面７ｄの位置より低く設定しても良い。この場合、ダイヤモンド基板表面の位置が高くなるに従って、ダイヤモンド基板の端面８ａの成長が促進される傾向がある。このため、ダイヤモンド基板の成長面の形状を制御するためには、ダイヤモンド基板の表面位置に応じて、天面７ｄを含む部材の厚さｔ２を決める必要がある。例えば、ダイヤモンド基板表面の位置が基板囲繞部の天面７ｄの位置より高い場合には、成長面の形状を凸状とするためには、ダイヤモンド基板表面が基板囲繞部の天面７ｄと面一の場合と比較して、天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２を大きくすることが必要になる。同様に、ダイヤモンド基板表面の位置が基板囲繞部の天面７ｄの位置より低い場合には、成長面の形状を凹状とするためには、ダイヤモンド基板表面が基板囲繞部の天面７ｄと面一の場合と比較して、天面７ｄを含む部材７ｂの厚さｔ２を小さくすることが必要になる。
FIG. 2 shows an example in which the diamond substrate is placed so that the surface of the diamond substrate is substantially flush with the
本発明方法によれば、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法では困難であった成長面の形状（モフォロジー）を、簡単な方法で制御することができる。このため、本発明方法を採用することによって、使用目的に応じた形状のダイヤモンドを作製することが容易となる。 According to the method of the present invention, the shape (morphology) of the growth surface, which was difficult with the conventional microwave plasma CVD method, can be controlled by a simple method. For this reason, by adopting the method of the present invention, it becomes easy to produce diamond having a shape corresponding to the purpose of use.
例えば、ダイヤモンド成長面が凸状又は平坦状となるように条件を設定する場合には、ダイヤモンド成長を連続して行うことが可能となり、大型のダイヤモンド製造を容易に行うことができる。また、ダイヤモンド成長面が凹状となるように条件を設定する場合には、主成長方向に対して垂直方向に対して成長面が拡大することができる。 For example, when the conditions are set so that the diamond growth surface is convex or flat, diamond growth can be performed continuously, and large diamond can be manufactured easily. Further, when the conditions are set so that the diamond growth surface is concave, the growth surface can be enlarged in the direction perpendicular to the main growth direction.
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
実施例１
図１に示す空洞共振器型の反応容器を有するマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い、冷却ステージ６のほぼ中心に、基板支持体７を設置した。
Example 1
A
該基板支持体７は、基板載置部用部材と外周縁部用部材７ｆとから構成され、全体として円錐台状の形状を有するモリブデン製の支持体である。該基板載置部用部材は、基板囲繞部７ｂを含む部材と基板載置面７ａを含む部材が一体となった構造の直径約１２ｍｍ、高さ約８．５ｍｍの円柱状であり、一方の底面の中央部に、深さ０．５ｍｍの３ｍｍ×３ｍｍの正方形の凹部が形成されている。外周縁部用部材７ｆは、底面の直径がそれぞれ20mmと12mmであり、高さが約８．５ｍｍである円錐台の形状をしており、直径12mmの同心円状の空洞を有し、該空洞内に上記基板載置部用部材が配置されている。
The
該基板支持体では、基板載置部用部材の凹部の３ｍｍ×３ｍｍの底面が基板載置面７ａであり、その周辺部が基板囲繞部７ｂである。
In the substrate support, the 3 mm × 3 mm bottom surface of the concave portion of the substrate mounting portion member is the
ダイヤモンド基板（種結晶）としては、高圧合成法によって得られた単結晶ダイヤモンドを｛１００｝面に対して平行に切り出し研磨して得た３×３×０．５ｍｍ３の板状結晶を使用した。 As the diamond substrate (seed crystal), a plate crystal of 3 × 3 × 0.5 mm 3 obtained by cutting and polishing a single crystal diamond obtained by a high-pressure synthesis method in parallel to the {100} plane was used. .
図４（a）は、ダイヤモンド基板（種結晶）８を基板支持体の載置面に載置した状態を
示す中央縦断正面図である。ダイヤモンド基板８は、載置部（凹部）に隙間無く載置されている。この状態では、基板支持体における基板囲繞部の天面７ｄとダイヤモンド基板の表面が面一であって、該基板囲繞部の天面７ｄを含む部材、即ち、基板支持体全体の厚さｔ２は、ダイヤモンド基板の厚さｔ１の5倍以上である。
FIG. 4A is a central longitudinal sectional front view showing a state in which the diamond substrate (seed crystal) 8 is placed on the placement surface of the substrate support. The
まず、反応容器内を真空排気後、H2ガスを導入し、反応容器内の圧力を10 Torr（1333Pa）に設定し、マイクロ波（2.45GHz）電力500 Wを印加することによってプラズマを点火
した。その後、圧力、H2ガス流量、N2ガス流量、およびマイクロ波電力を徐々に増大させて、それぞれ圧力を180 Torr（24.0KPa）、H2ガス流量を500cc（標準状態）／分、N2ガス流量を1.8cc（標準状態）／分に設定した。次いで、マイクロ波電力を1000-3000 Wの間で基板温度が1130 ℃になるよう設定した後、N2ガス流量を０．６ｃｃ（標準状態）／分へ
と変化し、CH4ガス６０ｃｃ（標準状態）／分を導入して定常的なダイヤモンド成長を行
った。
First, after evacuating the reaction vessel, H 2 gas was introduced, the pressure inside the reaction vessel was set to 10 Torr (1333 Pa), and the plasma was ignited by applying microwave (2.45 GHz) power of 500 W . Then, gradually increase the pressure, H 2 gas flow rate, N 2 gas flow rate, and microwave power, respectively, the pressure is 180 Torr (24.0 KPa), the H 2 gas flow rate is 500 cc (standard state) / min, N 2 The gas flow rate was set to 1.8 cc (standard condition) / min. Next, after setting the microwave power between 1000-3000 W so that the substrate temperature becomes 1130 ° C., the N 2 gas flow rate is changed to 0.6 cc (standard state) / min, and CH 4 gas 60 cc (standard) State) / min was introduced to perform steady diamond growth.
４時間成長を行った後、CH4およびN2ガスを止めることによって結晶成長を停止し、圧
力、H2ガス流量、およびマイクロ波電力を徐々に減少させてマイクロ波電力を0にし、反
応容器を大気開放した後、成長した結晶を取り出した。
After 4 hours of growth, stop crystal growth by stopping CH 4 and N 2 gases, gradually reduce pressure, H 2 gas flow rate, and microwave power to reduce microwave power to 0, and reaction vessel Was opened to the atmosphere, and the grown crystal was taken out.
得られたダイヤモンド単結晶の厚さをマイクロメータによって計測した結果、主成長方向へ厚さが約0.2mm増加していた。 As a result of measuring the thickness of the obtained diamond single crystal with a micrometer, the thickness increased by about 0.2 mm in the main growth direction.
図５（a）は、得られたダイヤモンド結晶を光学顕微鏡で観察した結果を示す概略断面
図である。この図面から明らかなように、ダイヤモンド基板８の表面に成長したダイヤモンド９の形状は凸状であった。
FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing the result of observing the obtained diamond crystal with an optical microscope. As is apparent from this drawing, the shape of the
実施例２
マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１としては、実施例１と同様のものを使用した。
基板支持体としては、基板載置面７ａを含む円柱状の部材７ｃ上に、中空部分を有する円盤状の部材７ｂを配置してなる載置部用部材と、外周縁部用部材７ｆとから構成される全体として円錐台状のモリブデン製の支持体を用いた。
Example 2
As the microwave
As the substrate support, there is a placement portion member in which a disc-
載置部用部材としては、中央部分に３ｍｍ×３ｍｍの中空部分を有する直径約１２ｍｍ、厚さ約０．５ｍｍの円盤状の部材７ｂを直径約１２ｍｍ、高さ約８ｍｍの円柱状の部材７ｃの上に配置した分離構造の部材を用いた。外周縁部用部材７ｆとしては、実施例１と同様のものを使用し、直径12mmの同心円状の空洞内に、上記した分離構造の載置部用部材を挿入した。
As the mounting member, a disk-shaped
ダイヤモンド基板（種結晶）としては、実施例１と同様に、高圧合成法によって得られた単結晶ダイヤモンドを｛１００｝面に対して平行に切り出し研磨して得た３×３×０．５ｍｍ３の板状結晶を使用した。 As a diamond substrate (seed crystal), 3 × 3 × 0.5 mm 3 obtained by cutting and polishing a single crystal diamond obtained by a high-pressure synthesis method in parallel to the {100} plane in the same manner as in Example 1. Plate-like crystals were used.
図４（b）は、ダイヤモンド基板（種結晶）８を上記基板支持体の基板載置面上に載置
した状態を示す中央縦断正面図である。ダイヤモンド基板８は、載置部に隙間無く載置されている。この状態では、基板支持体における基板囲繞部の天面７ｄとダイヤモンド基板の表面が面一であって、該基板囲繞部の天面を含む部材７ｂの厚さｔ２と、ダイヤモンド基板の厚さｔ１は同一である。
FIG. 4B is a central longitudinal sectional front view showing a state in which the diamond substrate (seed crystal) 8 is placed on the substrate placement surface of the substrate support. The
上記した方法で、ダイヤモンド基板を基板支持体上に載置して、実施例１と同様の条件で３時間ダイヤモンド成長を行い、成長した結晶を取り出した。 With the method described above, the diamond substrate was placed on the substrate support, diamond was grown for 3 hours under the same conditions as in Example 1, and the grown crystal was taken out.
得られたダイヤモンド単結晶の厚さをマイクロメータによって計測した結果、主成長方向へ厚さが約0.2 mm増加していた。 As a result of measuring the thickness of the obtained diamond single crystal with a micrometer, the thickness increased by about 0.2 mm in the main growth direction.
図５（ｂ）は、得られたダイヤモンド結晶を光学顕微鏡で観察した結果を示す概略断面図である。この図面から明らかなように、ダイヤモンド基板８の表面に成長したダイヤモンド９の形状はほぼ平滑であった。
FIG.5 (b) is a schematic sectional drawing which shows the result of having observed the obtained diamond crystal with the optical microscope. As is apparent from this drawing, the shape of the
１ マイクロ波プラズマＣＶＤ装置、 ２ マイクロ波電源
３ マイクロ波を伝搬させる導波管、 ４ マイクロ波導入石英窓
５ 空洞共振器型の反応容器、 ５ａ 原料ガス導入口
５ｂ 排気口、 ６ 内部に冷却水Ｗが通っている冷却ステージ
７ ダイヤモンド基板支持体、 ７ａ 基板支持体の基板載置面
７ｂ 基板囲繞部の天面を含む部材、 ７ｃ 基板支持体の基板載置面を含む部材
７ｄ 基板囲繞部の天面 ７ｅ 基板載置部の内壁面
７ｆ 基板支持体の外周縁部用部材
８ ダイヤモンド基板、 ８ａ ダイヤモンド基板の端部、
８ｂ ダイヤモンド基板の中央部
９ ダイヤモンド成長部分
DESCRIPTION OF
8b Central part of
Claims (8)
ＣＶＤ装置内に設置する基板支持体が、基板載置面の周囲に基板囲繞部を備えた導電性材料からなる支持体であって、該基板囲繞部を含む基板支持体は一体であるか又は基板囲繞部の天面から所定厚み部分が分離可能とされた構造であり、
該基板囲繞部の天面を含む部材の厚さを調整することによって、ダイヤモンド成長面の形状を制御してダイヤモンド成長を行うことを特徴とするダイヤモンド製造方法。 In a method of growing a diamond crystal on a diamond substrate by a microwave plasma CVD method,
The substrate support installed in the CVD apparatus is a support made of a conductive material having a substrate surrounding portion around the substrate mounting surface, and the substrate support including the substrate surrounding portion is integral or It is a structure in which a predetermined thickness portion can be separated from the top surface of the substrate surrounding portion,
A diamond manufacturing method characterized in that diamond growth is performed by controlling a shape of a diamond growth surface by adjusting a thickness of a member including a top surface of the substrate surrounding portion.
満である請求項４〜６に記載の方法。 The method according to claim 4, wherein the difference in height between the top surface of the substrate surrounding portion and the surface of the diamond substrate in the substrate support is less than 0.3 mm.
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