JP2895179B2 - Vapor phase synthesis method of diamond single crystal thin film - Google Patents
Vapor phase synthesis method of diamond single crystal thin filmInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は反応ガスの化学反応によりダイヤモンド薄膜
を合成する方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for synthesizing a diamond thin film by a chemical reaction of a reaction gas.
［従来の技術］ エレクトロニクス材料、光学材料及び超硬工具などに
応用されるダイヤモンド薄膜の需要が最近増大してい
る。[Prior Art] Demand for diamond thin films applied to electronic materials, optical materials, carbide tools and the like has recently increased.
そしてダイヤモンド薄膜の製造技術として、CVD（Che
mical Vapor Deposition）と呼ばれる技術が近年注目を
集めている。この方法は、例えばメタンガス（CH4）等
の炭化水素化合物を加熱したフィラメントあるいはプラ
ズマ等を用いて分解、イオン化することによって金属、
半導体あるいはセラミックス基板上にダイヤモンド状の
炭素膜を成長させるものである。As a diamond thin film manufacturing technology, CVD (Che
A technique called “mical vapor deposition” has recently attracted attention. This method uses a heated filament or plasma to decompose and ionize a hydrocarbon compound such as methane gas (CH 4 ),
It grows a diamond-like carbon film on a semiconductor or ceramic substrate.
また基板としてダイヤモンド単結晶あるいは立方晶の
窒化ホウ素単結晶を用いると単結晶のダイヤモンド薄膜
が成長可能であることが報告されている。It is also reported that a diamond single crystal or a cubic boron nitride single crystal can be used to grow a single crystal diamond thin film.
［発明が解決しようとする課題］ しかし前記CVD法等の従来方法により得られたダイヤ
モンド薄膜は、ほとんどがダイヤモンドの微粒子の集合
体からなる多結晶膜であり、単結晶膜は得にくかった。
この理由は主として、基板の結晶構造及び結晶格子定数
がダイヤモンドと大きく異なるためであった。[Problems to be Solved by the Invention] However, most of the diamond thin films obtained by the conventional methods such as the CVD method are polycrystalline films composed of aggregates of diamond fine particles, and it is difficult to obtain single crystal films.
This was mainly because the crystal structure and crystal lattice constant of the substrate were significantly different from those of diamond.
また後者のように基板を選択する方法によると、現状
ではダイヤモンド及び窒化ホウ素ともに単結晶基板は極
めて高価であり、さらに高品質かつ１cm2程度以上の大
きさという基板としての実用的要求を満たすダイヤモン
ド又は窒化ホウ素の単結晶基板は存在しないという問題
がある。従って、従来法によれば、発光素子や電子素子
に必要とされる高品質なダイヤモンド単結晶薄膜は得ら
れ難かった。According to the method of selecting a substrate as in the latter, single crystal substrates are extremely expensive for both diamond and boron nitride at present, and furthermore, high quality diamonds satisfying practical requirements of a substrate having a size of about 1 cm 2 or more. Alternatively, there is a problem that a single crystal substrate of boron nitride does not exist. Therefore, according to the conventional method, it was difficult to obtain a high-quality diamond single crystal thin film required for a light emitting device or an electronic device.
そこで本発明の課題は、安価に高品質、大面積のダイ
ヤモンド単結晶薄膜を合成し得る方法を提供することに
ある。Therefore, an object of the present invention is to provide a method capable of inexpensively synthesizing a high-quality, large-area, diamond single-crystal thin film.
［課題を解決するための手段及び作用］ 前記課題を解決するために提供される請求項１の発明
は、以下の工程：（ａ）．シリコン単結晶基板に炭素元
素を有するガスと珪素元素を有するガスとを含む原料ガ
スを供給することによって該シリコン単結晶基板上に厚
さ100Å以上5000Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜を
合成する工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有す
るガスと珪素元素を有するガスを全ガス中各々0.1容量
％〜５容量％の範囲内で含有している；および（ｂ）．
該立方晶炭化珪素単結晶薄膜が合成された該基板に炭素
元素を有するガスを含み珪素元素を有するガスを含まな
い原料ガスを供給することによって該基板の立方晶炭化
珪素単結晶薄膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成する
工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを
全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有してい
る；を包含する、ダイヤモンド単結晶薄膜の気相合成方
法である。[Means and Actions for Solving the Problems] The invention of claim 1 provided to solve the problems includes the following steps: (a). A raw material gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element is supplied to a silicon single crystal substrate to synthesize a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 100 to 5000 mm on the silicon single crystal substrate. Step, wherein the raw material gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in the range of 0.1% to 5% by volume in the total gas; and (b).
By supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate on which the cubic silicon carbide single crystal thin film is synthesized, diamond is formed on the cubic silicon carbide single crystal thin film on the substrate. Synthesizing a single crystal thin film, wherein the source gas contains a gas having the carbon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; It is a gas phase synthesis method.
また、前記課題を解決するために提供される請求項２
の発明は、以下の工程：（ａ）．シリコン単結晶基板に
炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスとを含む
原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２Å以
上500Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスと珪
素元素を有するガスを全ガス中各々0.1容量％〜５容量
％の範囲内で含有している；および（ｂ）．該基板に珪
素元素を有するガスを含み炭素元素を有するガスを含ま
ない原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２
Å以上500Å以下のシリコン単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該珪素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している；
を包含し、該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．
工程からなる一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し
行った後、さらに該（ａ）．工程を行って、立方晶炭化
珪素単結晶薄膜とシリコン単結晶薄膜とが交互に堆積し
且つ最表面に厚さ２Å以上500Å以下の立方晶炭化珪素
単結晶薄膜が合成されて成る厚さ100Å以上5000Å以下
の多層膜を該シリコン単結晶基板上に合成し、さらに以
下の工程：（ｃ）．該基板に炭素元素を有するガスを含
み珪素元素を有するガスを含まない原料ガスを供給する
ことによって該多層膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合
成する工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有する
ガスを全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有し
ている；を実施することによって該多層膜上にダイヤモ
ンド単結晶薄膜を合成することを特徴とするダイヤモン
ド単結晶薄膜の気相合成方法である。Claim 2 is provided to solve the problem.
The invention comprises the following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; The source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in the range of 0.1% by volume to 5% by volume, respectively, in the total gas; and (b). By supplying a raw material gas containing a gas containing a silicon element and not containing a gas containing a carbon element to the substrate,
A step of synthesizing a silicon single crystal thin film having a thickness of not less than {500} and not more than 500%, wherein the source gas contains a gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the whole gas;
(A). Step (b).
After repeating a series of steps at least twice or more, the step (a). A cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film are alternately deposited by performing a process, and a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less is synthesized on the outermost surface. Synthesizing a multilayer film of 5000 ° or less on the silicon single crystal substrate, further comprising the following steps: (c). A step of synthesizing a single-crystal diamond thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element Wherein the gas contained in the gas is contained in the range of 0.1% by volume to 5% by volume of the total gas; thus, a diamond single crystal thin film is synthesized on the multilayer film. This is a phase synthesis method.
また、前記課題を解決するために提供される請求項３
の発明は、以下の工程：（ａ）．シリコン単結晶基板に
炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスとを含む
原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２Å以
上500Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスと珪
素元素を有するガスを全ガス中各々0.1容量％〜５容量
％の範囲内で含有している；および（ｂ）．該基板に炭
素元素を有するガスを含み珪素元素を有するガスを含ま
ない原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２
Å以上500Å以下のダイヤモンド薄膜を合成する工程、
ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを全ガス
中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している；を包
含し、該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．工程
からなる一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し行っ
て、立方晶炭化珪素単結晶薄膜とダイヤモンド薄膜とが
交互に堆積して成る厚さ100Å以上5000Å以下の多層膜
を該シリコン単結晶基板上に合成し、さらに以下の工
程：（ｃ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素
元素を有するガスを含まない原料ガスを供給することに
よって該多層膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成する
工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを
全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有してい
る；を実施することによって該多層膜上にダイヤモンド
単結晶薄膜を合成することを特徴とするダイヤモンド単
結晶薄膜の気相合成方法である。Claim 3 is provided to solve the problem.
The invention comprises the following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; The source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in the range of 0.1% by volume to 5% by volume, respectively, in the total gas; and (b). By supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate,
A process of synthesizing a diamond thin film of Å to 500Å,
Here, the raw material gas contains the gas containing the carbon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (a). Step (b). A series of steps is repeated at least twice or more to form a multilayer film having a thickness of 100 mm or more and 5000 mm or less formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film on the silicon single crystal substrate. And further synthesizing the following steps: (c). A step of synthesizing a single-crystal diamond thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element Wherein the gas contained in the gas is contained in the range of 0.1% by volume to 5% by volume of the total gas; thus, a diamond single crystal thin film is synthesized on the multilayer film. This is a phase synthesis method.
また、前記課題を解決するために提供される請求項４
の発明は、以下の工程：（ａ）．シリコン単結晶基板に
炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスとを含む
原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２Å以
上100Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスと珪
素元素を有するガスを全ガス中各々0.1容量％〜５容量
％の範囲内で含有している；および（ｂ）．該基板に珪
素元素を有するガスを含み炭素元素を有するガスを含ま
ない原料ガスを供給することによって該基板上に厚さ２
Å以上100Å以下のシリコン単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該珪素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している；
を包含し、該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．
工程からなる一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し
行って、立方晶炭化珪素単結晶薄膜とシリコン単結晶薄
膜とが交互に堆積して成る多層膜を該シリコン単結晶基
板上に合成し、さらに以下の工程：（ｃ）．該基板に炭
素元素を有するガスと珪素元素を有するガスを含む原料
ガスを供給することによって該多層膜の形成された基板
上に厚さ２Å以上100Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄
膜を合成する工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を
有するガスと珪素元素を有するガスを全ガス中各々0.1
容量％〜５容量％の範囲内で含有している；および該
（ｃ）．工程に続く（ｄ）．該基板に炭素元素を有する
ガスを含み珪素元素を有するガスを含まない原料ガスを
供給することによって該多層膜の形成された基板上に厚
さ２Å以上100Å以下のダイヤモンド薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している；
からなる一連の工程を少なくとも２回以上繰り返して行
って、立方晶炭化珪素単結晶薄膜とシリコン単結晶薄膜
とが交互に堆積し且つその上に立方晶炭化珪素単結晶薄
膜とダイヤモンド薄膜とが交互に堆積して成る厚さ100
Å以上5000Å以下の多層膜を該シリコン単結晶基板上に
合成し、さらに以下の工程：（ｅ）．該基板に炭素元素
を有するガスを含み珪素元素を有するガスを含まない原
料ガスを供給することによって該多層膜上にダイヤモン
ド単結晶薄膜を合成する工程、ここで該原料ガスは、該
炭素元素を有するガスを全ガス0.1容量％〜５容量％の
範囲内で含有している；を実施することによって該多層
膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成することを特徴と
するダイヤモンド単結晶薄膜の気相合成方法である。Claim 4 is provided to solve the problem.
The invention comprises the following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 100 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; The source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in the range of 0.1% by volume to 5% by volume, respectively, in the total gas; and (b). By supplying a raw material gas containing a gas containing a silicon element and not containing a gas containing a carbon element to the substrate,
A step of synthesizing a silicon single crystal thin film having a thickness of {100} or less, wherein the source gas contains a gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the whole gas;
(A). Step (b).
A series of steps is repeated at least twice or more to synthesize a multilayer film formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film on the silicon single crystal substrate. Step (c). A raw material gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element is supplied to the substrate to synthesize a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 to 100 mm on the substrate on which the multilayer film is formed. Step, wherein the raw material gas is a gas containing the carbon element and a gas containing the silicon element each in 0.1% of the total gas.
% In the range of 5% to 5% by volume; and (c). Following the process (d). A step of synthesizing a diamond thin film having a thickness of 2 mm or more and 100 mm or less on the substrate on which the multilayer film is formed by supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate; Wherein the raw material gas contains the gas having the carbon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the whole gas;
Is repeated at least twice or more, and a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film are alternately deposited, and a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film are alternately formed thereon. Thickness of 100 deposited on
Synthesizing a multilayer film having a thickness of not less than {5000} on the silicon single crystal substrate, and further comprising the following steps: (e). A step of synthesizing a single-crystal diamond thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element Wherein the total gas content is in the range of 0.1% by volume to 5% by volume; thereby forming a diamond single crystal thin film on the multilayer film. This is a synthesis method.
請求項１においてダイヤモンド単結晶薄膜の合成に先
立ち、シリコン単結晶基板上に立方晶構造の炭化珪素単
結晶薄膜を合成するのは以下の理由による。The reason why the silicon carbide single crystal thin film having the cubic structure is synthesized on the silicon single crystal substrate prior to the synthesis of the diamond single crystal thin film in claim 1 is as follows.
すなわち、シリコン単結晶はダイヤモンド構造を有す
るが、その格子定数は5.43Åとダイヤモンドの格子定数
3.57Åと大きく異なるためシリコン単結晶基板上に直
接、ダイヤモンドの単結晶薄膜を合成することはできな
い。In other words, silicon single crystal has a diamond structure, but its lattice constant is 5.43Å, which is the lattice constant of diamond.
Because it is significantly different from 3.57Å, it is not possible to synthesize a diamond single crystal thin film directly on a silicon single crystal substrate.
一方、立方晶炭化珪素はダイヤモンド構造と類似の閃
亜鉛構造を有し、その格子定数は4.36Åであり、シリコ
ンとダイヤモンドの中間の値である。よって、シリコン
単結晶基板上に直接炭化珪素の単結晶薄膜を合成するこ
とができる。そしてこのシリコン単結晶基板上に合成さ
れた炭化珪素単結晶薄膜は、ダイヤモンド構造と類似の
閃亜鉛構造を有するため、シリコン単結晶基板のダイヤ
モンド構造を引き継ぐことができる。さらには、その格
子定数は4.36Åとダイヤモンドの3.57Åに近い値であ
る。従ってこの炭化珪素単結晶薄膜上にはダイヤモンド
単結晶薄膜を合成することが可能とされるのである。さ
らには前記薄膜は面内方向に格子が変形して、基板との
格子定数の違いを吸収してしまう性質を有するので、結
晶欠陥の発生を抑制し得る。すなわち、請求項１におい
て立方晶炭化珪素単結晶薄膜はシリコン単結晶基板とダ
イヤモンド単結晶間の格子不整合による歪みを緩和しつ
つ、シリコン単結晶基板の格子構造を引き継ぐという緩
衝膜として機能している。On the other hand, cubic silicon carbide has a zinc-blende structure similar to a diamond structure, and its lattice constant is 4.36 °, which is an intermediate value between silicon and diamond. Therefore, a silicon carbide single crystal thin film can be directly synthesized on a silicon single crystal substrate. The silicon carbide single crystal thin film synthesized on the silicon single crystal substrate has a zinc-blende structure similar to the diamond structure, and thus can inherit the diamond structure of the silicon single crystal substrate. Furthermore, its lattice constant is 4.36Å, which is close to 3.57Å for diamond. Therefore, it is possible to synthesize a diamond single crystal thin film on this silicon carbide single crystal thin film. Further, since the thin film has a property in which the lattice is deformed in the in-plane direction and absorbs a difference in lattice constant with the substrate, generation of crystal defects can be suppressed. That is, the cubic silicon carbide single crystal thin film in claim 1 functions as a buffer film that takes over the lattice structure of the silicon single crystal substrate while relaxing the strain due to lattice mismatch between the silicon single crystal substrate and the diamond single crystal. I have.
請求項２ないし４においてダイヤモンド単結晶薄膜の
合成に先立ち、シリコン単結晶基板上に各々の多層膜を
合成するのは各々の多膜層が前記緩衝膜としての機能に
より、前記シリコン単結晶基板上にダイヤモンド単結晶
薄膜の合成を可能とするためである。そして請求項２な
いし４において極薄膜が多層に積層された多層膜を緩衝
膜として用いることにより、前記した薄膜による結晶欠
陥発生抑制効果がより向上する。5. The method according to claim 2, wherein prior to synthesizing the diamond single-crystal thin film, synthesizing each of the multilayer films on the silicon single-crystal substrate, because each of the multi-layers functions as the buffer film. This is because it is possible to synthesize a diamond single crystal thin film. By using a multilayer film in which the ultrathin films are stacked in multiple layers as the buffer film, the effect of suppressing the occurrence of crystal defects by the thin film is further improved.
すなわち請求項２においては緩衝膜として機能する多
層膜は、立方晶炭化珪素単結晶薄膜及びシリコン単結晶
薄膜が交互に堆積されて成るが、この場合には高品質の
多層膜を合成することが容易であり、さらには格子定数
が請求項１の場合よりも徐々に変化することから前記緩
衝膜としての機能がより向上する。すなわち、この場合
には多層膜の平均格子定数がシリコンと炭化珪素の中間
の値であるため多層緩衝膜とシリコンとの格子定数差は
請求項１の場合よりも小さくなるとともに多層膜を形成
する各層の厚さが上述のとおり薄膜状であり十分薄いた
めに格子定数の差異に起因する歪みの蓄積が低減され結
晶欠陥を容易に防止できる。結果、前記緩衝膜としての
機能がより向上する。That is, in claim 2, the multilayer film functioning as a buffer film is formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film. In this case, a high quality multilayer film can be synthesized. It is easy, and the function as the buffer film is further improved because the lattice constant changes gradually as compared with the first embodiment. That is, in this case, since the average lattice constant of the multilayer film is an intermediate value between silicon and silicon carbide, the lattice constant difference between the multilayer buffer film and silicon is smaller than that in the first embodiment, and the multilayer film is formed. Since the thickness of each layer is thin and sufficiently thin as described above, accumulation of strain due to the difference in lattice constant is reduced, and crystal defects can be easily prevented. As a result, the function as the buffer film is further improved.
請求項３においては、多膜層は立方晶炭化珪素単結晶
薄膜及びダイヤモンド薄膜が交互に堆積されて成り、格
子定数が請求項１の場合よりも徐々に変化するので前記
緩衝膜としての機能がより向上する。すなわち、この場
合には多層膜の平均格子定数が炭化珪素とダイヤモンド
の中間の値であるため多層緩衝膜とダイヤモンドとの格
子定数差は請求項１の場合よりも小さくなるとともに多
層膜を形成する各層の厚さが上述のとおり薄膜状であり
十分薄いために格子定数の差異に起因する歪みの蓄積が
低減され結晶欠陥を容易に防止できる。結果、前記緩衝
膜としての機能がより向上する。In the third aspect, the multi-layer is formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film, and the lattice constant changes more gradually than in the first aspect. Better. That is, in this case, since the average lattice constant of the multilayer film is an intermediate value between silicon carbide and diamond, the difference in lattice constant between the multilayer buffer film and diamond becomes smaller than in the case of claim 1, and the multilayer film is formed. Since the thickness of each layer is thin and sufficiently thin as described above, accumulation of strain due to the difference in lattice constant is reduced, and crystal defects can be easily prevented. As a result, the function as the buffer film is further improved.
請求項４における多層膜は立方晶炭化珪素単結晶薄膜
及びシリコン単結晶薄膜が交互に堆積され、さらにその
上に立方晶炭化珪素単結晶薄膜及びダイヤモンド薄膜が
交互に堆積されて成るので、前記格子定数の変化が請求
項１ないし３の場合よりもさらに徐々に行われているた
め緩衝膜としての機能が一層向上する。従ってより高品
質のダイヤモンド単結晶薄膜を合成することが可能とな
る。The multilayer film according to claim 4, wherein a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film are alternately deposited, and a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film are alternately deposited thereon. Since the change of the constant is performed more gradually than in the first to third aspects, the function as a buffer film is further improved. Therefore, it is possible to synthesize a higher quality diamond single crystal thin film.
また請求項１において、シリコン単結晶基板上に合成
される立方晶炭化珪素単結晶薄膜の厚さが100Å以上500
0Å以下とされるのは、100Å以下の厚さでは前記緩衝膜
としての機能が小さいためである。一方、5000Å以上の
厚さではバルクとしての効果が支配的となってしまい前
記緩衝膜としての機能が小さいためである。この立方晶
炭化珪素単結晶薄膜の厚さはより好ましくは500Å〜100
0Åである。Further, according to claim 1, the thickness of the cubic silicon carbide single crystal thin film synthesized on the silicon single crystal substrate is 100 ° or more and 500 ° or more.
The reason why the thickness is set to 0 ° or less is that when the thickness is 100 ° or less, the function as the buffer film is small. On the other hand, if the thickness is 5000 mm or more, the effect as a bulk becomes dominant, and the function as the buffer film is small. The thickness of the cubic silicon carbide single crystal thin film is more preferably 500 to 100
0Å.
請求項２ないし４において立方晶炭化珪素、シリコン
又はダイヤモンドの薄膜の厚さが２Å以上100Åとされ
るのも、これらの薄膜の堆積より成る多層膜が前記緩衝
層としての機能を生じ得るために上記の厚さが要求され
るためであり、これらの薄膜のより好ましい厚さは10Å
〜50Åである。そして原理的には各薄膜は一原子層とも
なし得るがこの場合には前記多層膜はいわゆる人工混晶
となる。The thickness of the thin film of cubic silicon carbide, silicon or diamond is set to 2 ° or more and 100 ° or more because the multilayer film formed by depositing these thin films can function as the buffer layer. This is because the above thickness is required, and a more preferable thickness of these thin films is 10 mm.
~ 50Å. Then, in principle, each thin film can be formed as a single atomic layer. In this case, however, the multilayer film is a so-called artificial mixed crystal.
そして請求項２ないし４において多層膜の厚さが100
Å以上5000Å以下とされるのも多層膜が前記緩衝槽とし
ての機能を生じ得るために上記の厚さが要求されるため
である。上記多層膜のより好ましい厚さは500Å〜1000
Åである。And the thickness of the multilayer film is 100
The reason why the thickness is not less than Å and not more than 5000 た め is that the above-mentioned thickness is required in order that the multilayer film can function as the buffer tank. More preferred thickness of the multilayer film is 500 to 1000
Å.
以上の各単結晶薄膜の厚さを調節し、請求項１ないし
４に記載の各範囲とするためには、例えば各薄膜を合成
するための原料を前記基板へ供給する時間を調節するこ
とによって行う方法を取り得る。In order to adjust the thickness of each of the single-crystal thin films described above and to set each range as described in claims 1 to 4, for example, by adjusting the time for supplying a raw material for synthesizing each thin film to the substrate. There are ways to do it.
また請求項２ないし４において（ａ）及び（ｂ）から
なる工程を少なくとも２回以上繰り返し行い、請求項４
において（ｃ）及び（ｄ）からなる工程を少なくとも２
回以上繰り返し行うのもこれらの工程により合成される
多層膜が前記緩衝層としての機能を生じるようにするた
めであり、多層膜の前記緩衝層としての機能をより向上
させるための前記繰り返しの回数は好ましくは５回以上
である。Further, in the claims 2 to 4, the step consisting of (a) and (b) is repeated at least twice or more.
In step (c) and step (d),
The reason why the number of repetitions is more than twice is to allow the multilayer film synthesized by these steps to function as the buffer layer, and the number of repetitions for further improving the function of the multilayer film as the buffer layer. Is preferably 5 times or more.
請求項１ないし４における炭化珪素、シリコン及びダ
イヤモンドの各薄膜の合成方法としては従来の種々の方
法を用いてよく、例えばマイクロ波CVD法、プラズマCVD
法、熱フィラメント法と呼ばれるCVD法、燃焼炎法、又
はイオンビーム法等を用い得る。Various conventional methods may be used for synthesizing the silicon carbide, silicon and diamond thin films according to claims 1 to 4, for example, a microwave CVD method and a plasma CVD method.
Method, a CVD method called a hot filament method, a combustion flame method, an ion beam method, or the like.
そして請求項１ないし４においてシリコン単結晶基板
上に立方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する場合には、水
素ガス、メタン（CH4）ガス等の炭素元素を有する原料
及びシラン（SiH4）ガス等の珪素元素を有する原料を用
いることによって合成することができ、この場合、全ガ
ス中、炭素元素を有する原料のガス、珪素元素を有する
原料のガスの含量は各々0.1容量％〜５容量％とされる
のが好ましく、炭素元素を有する原料の気体と珪素元素
を有する原料の気体との容積比は0.2〜1.0対１とされる
のが好ましい。In the case where a cubic silicon carbide single crystal thin film is synthesized on a silicon single crystal substrate according to claims 1 to 4, a raw material having a carbon element such as hydrogen gas, methane (CH 4 ) gas and silane (SiH 4 ) gas are used. In this case, the content of the gas of the raw material containing the carbon element and the content of the gas of the raw material containing the silicon element in the total gas are 0.1% by volume to 5% by volume, respectively. It is preferable that the volume ratio between the raw material gas containing the carbon element and the raw material gas containing the silicon element is 0.2 to 1.0: 1.
請求項２又は３において立方晶炭化珪素単結晶薄膜上
にシリコン単結晶薄膜を合成する場合には、例えば水素
ガス及びシランガス等の珪素元素を有する原料を用いる
ことによって合成することができ、この場合、珪素元素
を有する原料のガスの含量は全ガス中0.1容量％〜５容
量％とされるのが好ましい。In the case of synthesizing a silicon single crystal thin film on a cubic silicon carbide single crystal thin film according to claim 2 or 3, it can be synthesized by using a raw material having a silicon element such as hydrogen gas and silane gas. The content of the raw material gas containing silicon element is preferably set to 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas.
請求項１ないし３において炭化珪素単結晶薄膜上にダ
イヤモンド単結晶薄膜を合成する場合には、例えば水素
ガス及びメタンガス等の炭素元素を有する原料を用いる
ことによって合成することができ、この場合、炭素元素
を有する原料のガスの含量は全ガス中、0.1容量％〜５
容量％とされるのが好ましい。In the case where the diamond single crystal thin film is synthesized on the silicon carbide single crystal thin film according to claims 1 to 3, the synthesis can be performed by using a raw material having a carbon element such as hydrogen gas and methane gas. The content of the raw material gas containing the element is 0.1% by volume to 5% of the total gas.
Preferably, it is set to volume%.
また請求項１ないし４においてシリコン単結晶基板と
は基板全体がシリコンの単結晶であるもの及び基板表面
がシリコンの単結晶より成るものを意味する。シリコン
単結晶は安価に高品質、大面積のものを得うる。従って
この基板上に前記緩衝膜を合成することにより安価に高
品質、大面積のダイヤモンド単結晶薄膜を合成し得る。In the first to fourth aspects of the present invention, the silicon single crystal substrate means that the entire substrate is a single crystal of silicon and that the substrate surface is made of a single crystal of silicon. Silicon single crystal can be obtained at a low cost with high quality and a large area. Therefore, by synthesizing the buffer film on this substrate, a high-quality, large-area diamond single-crystal thin film can be synthesized at low cost.
このダイヤモンド薄膜の厚さはその用途に応じた厚さ
のものとなすことができ、工具、ヒートシンク用では数
百μｍ以上、光学膜、半導体デバイス用であれば100Å
〜数μｍ程度とすることができる。The thickness of the diamond thin film can be set to a thickness suitable for the intended use. The thickness is several hundred μm or more for tools and heat sinks, and 100 mm for optical films and semiconductor devices.
To about several μm.
［実施例］ 実施例１ 次に本発明方法を具現化した実施例について第１図に
基づいて説明する。第１図は本発明方法の実施に適した
反応装置の一例を簡略化した形で示したものである。第
１図の装置において、１は円筒型の反応容器であり、そ
の一側面上部には三種の気相原料を供給するための三本
の供給管2a,2b,2cを備え、前記一側面と並行である側面
の下部には排気口３が設けられている。前記反応容器１
内には基板ホルダー４上に載置さたシリコン単結晶基板
５が前記供給管2a,2b,2cの開口部とほぼ対向する位置に
配置されている。そして通常のマイクロ波発振器６が反
応容器１の外部であって基板ホルダー４の垂直下に相当
する位置に設けられており、マイクロ波発振器６から発
振したマイクロ波を基板５に供給するためのマイクロ波
導波管７が反応容器１の外部において基板ホルダー４の
垂直方向上部及び下部に対向して設けられている。Example 1 Example 1 Next, an example in which the method of the present invention is embodied will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of a reactor suitable for carrying out the method of the present invention in a simplified form. In the apparatus shown in FIG. 1, reference numeral 1 denotes a cylindrical reaction vessel, which is provided with three supply pipes 2a, 2b, 2c for supplying three kinds of gaseous raw materials at an upper portion of one side thereof. An exhaust port 3 is provided at the lower part of the side surface that is parallel. The reaction vessel 1
Inside, a silicon single crystal substrate 5 placed on a substrate holder 4 is arranged at a position substantially facing the openings of the supply pipes 2a, 2b, 2c. A normal microwave oscillator 6 is provided outside the reaction vessel 1 and at a position corresponding to a position vertically below the substrate holder 4, and is used for supplying microwaves oscillated from the microwave oscillator 6 to the substrate 5. Wave waveguides 7 are provided outside the reaction vessel 1 so as to face vertically upper and lower portions of the substrate holder 4.
第１実施例においてダイヤモンド薄膜を製造する場合
には供給管2aから水素ガスを毎分１、供給管2bからメ
タンガス（CH4）を10cc/分及び供給管2cからシランガス
（SiH4）を8cc/分の割合で反応容器１内に供給し、排気
口３に続く図示しない減圧手段によって反応容器１内を
80トールに減圧した状態でマイクロ波発振器６からのマ
イクロ波（周波数2.45GHz、電力約100W）をマイクロ波
導波管７によってシリコン単結晶基板５上に導き、この
シリコン基板５を1300℃まで加熱し約10分保持した。Per minute of hydrogen gas from the supply pipe 2a in the case of producing diamond thin film in the first embodiment, a silane gas (SiH 4) methane gas (CH 4) from 10 cc / min and the supply pipe 2c from the supply pipe 2b 8 cc / In the reaction vessel 1 at a rate of 1 / min.
With the pressure reduced to 80 Torr, a microwave (frequency: 2.45 GHz, power: about 100 W) from the microwave oscillator 6 is guided onto the silicon single crystal substrate 5 by the microwave waveguide 7, and the silicon substrate 5 is heated to 1300 ° C. Hold for about 10 minutes.
次に供給管2cからのシランガスの供給を停止し、マイ
クロ波の電力条件を変えることによって基板５の温度を
約1000℃まで降温し、約１時間保持した。Next, the supply of the silane gas from the supply pipe 2c was stopped, and the temperature of the substrate 5 was lowered to about 1000 ° C. by changing the microwave power condition, and was maintained for about 1 hour.
以上の操作によりシリコン基板５上に得られた膜Ｍに
ついて透過型電子顕微鏡観察及び表面電子回折法によっ
て調べた基板５及び得られた膜Ｍの断面構造及びその格
子定数を示すグラフを第２図に示す。なお第２図中格子
定数の単位はÅであり、以後の記述においても同様であ
る。FIG. 2 is a graph showing the cross-sectional structure of the substrate 5 and the film M obtained by observing the film M obtained on the silicon substrate 5 by transmission electron microscopy and surface electron diffraction as a result of the above operation, and its lattice constant. Shown in The unit of the lattice constant in FIG. 2 is Å, and the same applies to the following description.
第２図に示されるように格子定数が5.43であるシリコ
ン単結晶基板５上に、厚さ約1200Åの立方晶炭化珪素単
結晶薄膜８（格子定数4.36）が形成され、その膜８上に
はダイヤモンド単結晶薄膜９（格子定数3.57）が形成さ
れた。このダイヤモンド単結晶薄膜９をラマン散乱によ
り評価したところ1333cm-1に強いピークが観測され、ダ
イヤモンドであることが確認された。As shown in FIG. 2, a cubic silicon carbide single crystal thin film 8 (lattice constant 4.36) having a thickness of about 1200 ° is formed on a silicon single crystal substrate 5 having a lattice constant of 5.43. A diamond single crystal thin film 9 (lattice constant 3.57) was formed. When this diamond single crystal thin film 9 was evaluated by Raman scattering, a strong peak was observed at 1333 cm −1 , confirming that it was diamond.
実施例２ 実施例１と同じ第１図の装置を用いて以下のように各
原料気体の供給を行い、ダイヤモンド薄膜を製造した。Example 2 Using the same apparatus shown in FIG. 1 as in Example 1, each source gas was supplied as follows to produce a diamond thin film.
すなわち反応容器１内を同様に約80トールに減圧した
状態とし、シリコン基板５をマイクロ発振器６からのマ
イクロ波（周波数2.45GHz）により約1000℃に加熱した
状態とした。そしてまず最初に供給管2aから水素ガスを
毎分１、供給管2bからプロパンガスを10cc/分及び供
給管2cからモノクロルシランを7cc/分の割合で反応容器
１内に50秒間供給した。その後供給管2bからのプロパン
ガスの供給を停止し、水素ガス（１／分）及びモノク
ロルシラン（7cc/分）のみを50秒間供給した。以上の操
作を１サイクルとし、この繰り返しを７サイクル行っ
た。その後前記と同割合にて三種の気体を50秒間供給し
た後、今後は2cからのモノクロルシランの供給を停止
し、水素ガス（１／分）及びプロパンガス（10cc/
分）のみを50秒間供給した。以上の操作を１サイクルと
し、この繰り返しを７サイクル行った。その後水素ガス
（１／分）及びプロパンガス（10cc/分）のみの供給
を約１時間行った。That is, the pressure inside the reaction vessel 1 was similarly reduced to about 80 Torr, and the silicon substrate 5 was heated to about 1000 ° C. by the microwave (frequency 2.45 GHz) from the micro oscillator 6. First, hydrogen gas was supplied from the supply pipe 2a at a rate of 1 minute per minute, propane gas was supplied from the supply pipe 2b at a rate of 10 cc / min, and monochlorosilane was supplied from the supply pipe 2c at a rate of 7 cc / min into the reaction vessel 1 for 50 seconds. Thereafter, the supply of propane gas from the supply pipe 2b was stopped, and only hydrogen gas (1 / min) and monochlorosilane (7 cc / min) were supplied for 50 seconds. The above operation was defined as one cycle, and this cycle was repeated seven cycles. Then, after supplying three kinds of gases at the same ratio as above for 50 seconds, the supply of monochlorosilane from 2c was stopped in the future, and hydrogen gas (1 / min) and propane gas (10 cc /
Min) only for 50 seconds. The above operation was defined as one cycle, and this cycle was repeated seven cycles. Thereafter, supply of only hydrogen gas (1 / min) and propane gas (10 cc / min) was performed for about 1 hour.
以上の操作によりシリコン基板５上に得られた膜Ｍに
ついて透過型電子顕微鏡観察及び表面電子回析法によっ
て調べた基板５及び得られた膜Ｍの断面構造及びその格
子定数を示すグラフを第３図に示す。The graph showing the cross-sectional structure of the substrate 5 and the film M obtained by examining the film M obtained on the silicon substrate 5 by transmission electron microscopy observation and surface electron diffraction according to the third operation is shown in FIG. Shown in the figure.
第３図に示されるようにシリコン基板５（格子定数5.
43）上にはまず炭化珪素−シリコン多層膜Ａが形成さ
れ、その多層膜Ａ上に炭化珪素−ダイヤモンド多層膜Ｂ
が形成され、その多層膜Ｂ上に厚さ約15μｍのダイヤモ
ンド単結晶膜９が形成された。As shown in FIG. 3, the silicon substrate 5 (with a lattice constant of 5.
43) First, a silicon carbide-silicon multilayer film A is formed, and a silicon carbide-diamond multilayer film B is formed on the multilayer film A.
Was formed, and a diamond single crystal film 9 having a thickness of about 15 μm was formed on the multilayer film B.
上記炭化珪素−シリコン多層膜Ａは厚さ約100Åの立
方晶炭化珪素単結晶薄膜８（格子定数4.36）の上に厚さ
約70Åのシリコン単結晶薄膜10（格子定数5.43）が形成
された構造単位を１周期とし、これが７周期繰り返され
て形成されたものである。そして上記炭化珪素−ダイヤ
モンド多層膜Ｂは厚さ約50Åの立方晶炭化珪素単結晶薄
膜８（格子定数4.36）の上に厚さが約100Åのダイヤモ
ンド薄膜11（格子定数3.57）が形成された構造単位を１
周期とし、これが７周期繰り返されて形成されたもので
ある。The silicon carbide-silicon multilayer film A has a structure in which a silicon single crystal thin film 10 (lattice constant 5.43) having a thickness of about 70 ° is formed on a cubic silicon carbide single crystal thin film 8 (lattice constant 4.36) having a thickness of about 100 °. The unit is one cycle, and is formed by repeating seven cycles. The silicon carbide-diamond multilayer film B has a structure in which a diamond thin film 11 (lattice constant 3.57) having a thickness of about 100 mm is formed on a cubic silicon carbide single crystal thin film 8 (lattice constant 4.36) having a thickness of about 50 mm. 1 unit
A cycle is formed by repeating this seven cycles.
また、ラマン散乱法によって最上表面の膜９を測定し
た結果、1333cm-1に強いピークが観察され、ダイヤモン
ド単結晶薄膜であることが確認された。なお、上記多膜
層を二次イオン質量分析法で深さ方向のケイ素（Si）元
素と炭素（Ｃ）元素の分布を測定したところ、透過型電
子顕微鏡観察の結果に対応した明瞭な周期性が観測さ
れ、SiとＣの相互拡散は極めて小さいものと推定され
た。Further, as a result of measuring the film 9 on the uppermost surface by the Raman scattering method, a strong peak was observed at 1333 cm −1 , confirming that the film was a diamond single crystal thin film. The distribution of the silicon (Si) element and the carbon (C) element in the depth direction of the multilayer film was measured by secondary ion mass spectrometry, and a clear periodicity corresponding to the result of transmission electron microscope observation was obtained. Was observed, and it was estimated that the interdiffusion between Si and C was extremely small.
以上の実施例において説明した方法はいわゆるマイク
ロ波CVD法として知られる方法であるが、本発明のこの
他のプラズマCVD法や熱フィラメント法と呼ばれるCVD法
にも、また燃焼炎法やイオンビーム法にも適用でき、炭
素原料と珪素原料の供給と停止を行うことにより実施例
と同様な構造が実現できることは勿論である。The method described in the above embodiment is a method known as a so-called microwave CVD method. However, other plasma CVD method and a hot filament method of the present invention also include a combustion flame method and an ion beam method. It is needless to say that the same structure as in the embodiment can be realized by supplying and stopping the carbon raw material and the silicon raw material.
なお、本実施例における諸条件としては、すなわち水
素ガス、メタンガス、シランガスより成る全ガスの流量
は0.1／分以上、この全ガス中に含有されるメタンガ
ス又はシランガスの各々の量は0.1容量％〜５容量％、
炭素珪素薄膜合成時のメタンガスとシランガスの存在の
容量比はシランガス１に対してメタンガスは0.2〜１と
されるのが好ましい。The conditions in this embodiment are as follows: the flow rate of the total gas consisting of hydrogen gas, methane gas, and silane gas is 0.1 / min or more, and the amount of each of the methane gas or silane gas contained in the total gas is 0.1% by volume or more. 5% by volume,
It is preferable that the volume ratio of methane gas to silane gas at the time of synthesizing the carbon silicon thin film is 0.2 to 1 with respect to 1 silane gas.
そして反応容器内の圧力範囲は10トール〜760トール
（１気圧）とすることができ、１気圧に近いと気体の流
れの制御が困難になることから10トール〜100トールが
より好ましい。The pressure range in the reaction vessel can be set to 10 Torr to 760 Torr (1 atm). When the pressure is close to 1 atm, it becomes difficult to control the flow of gas.
さらに本実施例においてマイクロ波の電力は基板形状
及び反応管形形状等の装置に依存するが例えば100W〜1K
Wの範囲となし得る。またマイクロ波の波数は例えば1GH
z〜数百GHzとなし得る。基板温度は700℃〜1000℃の範
囲が好ましい。Furthermore, in the present embodiment, the power of the microwave depends on the device such as the shape of the substrate and the shape of the reaction tube.
Can be in the range of W. The microwave wave number is, for example, 1GH
z to several hundred GHz. The substrate temperature is preferably in the range of 700C to 1000C.
以上の諸条件の選択によって炭化珪素、シリコン又は
ダイヤモンド単結晶薄膜の製造速度又はダイヤモンド単
結晶薄膜の品質をより改善し得る。By selecting the above conditions, the production speed of the silicon carbide, silicon or diamond single crystal thin film or the quality of the diamond single crystal thin film can be further improved.
［発明の効果］ 請求項１ないし４の発明によると、シリコン単結晶基
板上に合成された立方晶炭化珪素単結晶薄膜又は各々の
多層膜が緩衝膜として機能するので、該緩衝膜上に多結
晶の存在、歪み及び結晶欠陥が可及的に防止された高品
質のダイヤモンド単結晶薄膜を合成し得る。また前記基
板及び前記緩衝膜を構成する元素は共にVI族元素である
ため、固相拡散があったとしても、膜特性に及ぼす影響
は極めて少ない。また基板として使用しているシリコン
は高品質かつ大面積の単結晶が安価に入手可能である。
従って請求項１ないし４の発明によると、安価かつ容易
に発光素子や電子素子に必要とされる高品質かつ大面積
のダイヤモンド単結晶薄膜を合成することができ、新し
いエレクトロニクス部品の開発に大きく貢献し得る。[Effects of the Invention] According to the invention of claims 1 to 4, the cubic silicon carbide single crystal thin film or each multilayer film synthesized on the silicon single crystal substrate functions as a buffer film. It is possible to synthesize a high-quality diamond single crystal thin film in which the presence, distortion and crystal defects of crystals are prevented as much as possible. Further, since the elements constituting the substrate and the buffer film are both group VI elements, even if solid phase diffusion occurs, the influence on the film characteristics is extremely small. As the silicon used as the substrate, a single crystal of high quality and large area can be obtained at low cost.
Therefore, according to the first to fourth aspects of the present invention, a high-quality and large-area diamond single-crystal thin film required for a light-emitting element or an electronic element can be easily synthesized at low cost, and greatly contributes to the development of new electronic components. I can do it.
請求項２ないし３の発明によると立方晶炭化珪素単結
晶薄膜及びシリコン単結晶薄膜を交互に堆積した多層膜
又は立方晶炭化珪素単結晶薄膜及びダイヤモンド薄膜を
交互に堆積した多層膜が緩衝膜として機能し、格子定数
の変化が徐々に行われるので、格子定数の差異に起因す
る歪みや結晶欠陥がより効果的に防止され、品質のより
向上したダイヤモンド単結晶薄膜を合成し得る。According to the second or third aspect of the present invention, a buffer film is formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film or a multilayer film alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film. Since it functions and the lattice constant is gradually changed, distortion and crystal defects caused by the difference in lattice constant are more effectively prevented, and a diamond single crystal thin film with higher quality can be synthesized.
また請求項４の発明によると前記２種の多層膜の両者
が緩衝膜として機能し、格子定数の変化が一層徐々に行
われるので、品質のさらに向上したダイヤモンド単結晶
薄膜を合成し得る。According to the invention of claim 4, both of the two types of multilayer films function as buffer films, and the lattice constant changes more gradually, so that a diamond single crystal thin film with further improved quality can be synthesized.
第１図なしい第３図は実施例に係わり、第１図は反応装
置の簡略化した側断面図であり、第２図及び第３図は各
々第１又は第２実施例により得られた膜及びシリコン基
板の概略断面図及びその格子定数を示すグラフである。 １…反応容器 2a,2b,2c…供給管 ５…シリコン基板 ６…マイクロ波発振器 ８…立方晶炭化珪素単結晶薄膜 ９…ダイヤモンド単結晶薄膜 10…シリコン単結晶薄膜 11…ダイヤモンド薄膜 Ａ…立方晶炭化珪素−シリコン多層膜 Ｂ…立方晶炭化珪素−ダイヤモンド多層膜FIG. 1 to FIG. 3 relate to an embodiment, FIG. 1 is a simplified side sectional view of a reactor, and FIGS. 2 and 3 are obtained by the first or second embodiment, respectively. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a film and a silicon substrate and a graph showing its lattice constant. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Reaction container 2a, 2b, 2c ... Supply pipe 5 ... Silicon substrate 6 ... Microwave oscillator 8 ... Cubic silicon carbide single crystal thin film 9 ... Diamond single crystal thin film 10 ... Silicon single crystal thin film 11 ... Diamond thin film A ... Cubic Silicon carbide-silicon multilayer film B ... Cubic silicon carbide-diamond multilayer film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松田 隆 愛知県名古屋市熱田区六野２丁目４番１ 号 財団法人ファインセラミックスセン ター試験研究所内 (56)参考文献 特開 昭63−286576（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−106494（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Takashi Matsuda 2-4-1 Rokuno, Atsuta-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Fine Ceramics Center Testing Laboratory (56) References JP-A-63-286576 (JP) , A) JP-A-61-106494 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00
Claims (4)
珪素元素を有するガスとを含む原料ガスを供給すること
によって該シリコン単結晶基板上に厚さ100Å以上5000
Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する工程、こ
こで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスと珪素元素
を有するガスを全ガス中各々0.1容量％〜５容量％の範
囲内で含有している； および （ｂ）．該立方晶炭化珪素単結晶薄膜が合成された該基
板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素を有するガス
を含まない原料ガスを供給することによって該基板の立
方晶炭化珪素単結晶薄膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を
合成する工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有す
るガスを全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有
している； を包含する、ダイヤモンド単結晶薄膜の気相合成方法。1. The following steps: (a). By supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to a silicon single crystal substrate, a thickness of 100
工程 a step of synthesizing the following cubic silicon carbide single crystal thin film, wherein the raw material gas is a gas containing the carbon element and a gas containing the silicon element in the range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas. And (b). By supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate on which the cubic silicon carbide single crystal thin film is synthesized, diamond is formed on the cubic silicon carbide single crystal thin film on the substrate. A step of synthesizing a single crystal thin film, wherein the source gas contains a gas having the carbon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas. Gas phase synthesis method.
珪素元素を有するガスとを含む原料ガスを供給すること
によって該基板上に厚さ２Å以上500Å以下の立方晶炭
化珪素単結晶薄膜を合成する工程、ここで該原料ガス
は、該炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスを
全ガス中各々0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有して
いる； および （ｂ）．該基板に珪素元素を有するガスを含み炭素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該基板上に厚さ２Å以上500Å以下のシリコン単結晶
薄膜を合成する工程、ここで該原料ガスは、該珪素元素
を有するガスを全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内
で含有している； を包含し、 該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．工程からな
る一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し行った後、
さらに該（ａ）．工程を行って、立方晶炭化珪素単結晶
薄膜とシリコン単結晶薄膜とが交互に堆積し且つ最表面
に厚さ２Å以上500Å以下の立方晶炭化珪素単結晶薄膜
が合成されて成る厚さ100Å以上5000Å以下の多層膜を
該シリコン単結晶基板上に合成し、さらに以下の工程： （ｃ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該多層膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している； を実施することによって該多層膜上にダイヤモンド単結
晶薄膜を合成することを特徴とするダイヤモンド単結晶
薄膜の気相合成方法。2. The following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; Wherein the source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (b). A step of synthesizing a silicon single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on the substrate by supplying a raw material gas containing a gas containing a silicon element and not containing a gas containing a carbon element to the substrate; Contains a gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (a). Step (b). After repeating the series of steps at least twice or more,
Further, (a). A cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film are alternately deposited by performing a process, and a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less is synthesized on the outermost surface. Synthesizing a multilayer film of 5000 ° or less on the silicon single crystal substrate, further comprising the following steps: (c). A step of synthesizing a single-crystal diamond thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element A total of 0.1% by volume to 5% by volume of the gas contained in the gas to synthesize a diamond single crystal thin film on the multilayer film. Phase synthesis method.
珪素元素を有するガスとを含む原料ガスを供給すること
によって該基板上に厚さ２Å以上500Å以下の立方晶炭
化珪素単結晶薄膜を合成する工程、ここで該原料ガス
は、該炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスを
全ガス中各々0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有して
いる； および （ｂ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該基板上に厚さ２Å以上500Å以下のダイヤモンド薄
膜を合成する工程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を
有するガスを全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で
含有している； を包含し、 該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．工程からな
る一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し行って、立
方晶炭化珪素単結晶薄膜とダイヤモンド薄膜とが交互に
堆積して成る厚さ100Å以上5000Å以下の多層膜を該シ
リコン単結晶基板上に合成し、さらに以下の工程： （ｃ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該多層膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している； を実施することによって該多層膜上にダイヤモンド単結
晶薄膜を合成することを特徴とするダイヤモンド単結晶
薄膜の気相合成方法。3. The following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; Wherein the source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (b). A step of synthesizing a diamond thin film having a thickness of 2 mm or more and 500 mm or less on the substrate by supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the raw material gas is: Wherein the gas containing the carbon element is contained within a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (a). Step (b). A series of steps is repeated at least twice or more to form a multilayer film having a thickness of 100 mm or more and 5000 mm or less formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a diamond thin film on the silicon single crystal substrate. Synthesizing and further comprising the following steps: (c). A step of synthesizing a single-crystal diamond thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element A total of 0.1% by volume to 5% by volume of the gas contained in the gas to synthesize a diamond single crystal thin film on the multilayer film. Phase synthesis method.
珪素元素を有するガスとを含む原料ガスを供給すること
によって該基板上に厚さ２Å以上100Å以下の立方晶炭
化珪素単結晶薄膜を合成する工程、ここで該原料ガス
は、該炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガスを
全ガス中各々0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有して
いる； および （ｂ）．該基板に珪素元素を有するガスを含み炭素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該基板上に厚さ２Å以上100Å以下のシリコン単結晶
薄膜を合成する工程、ここで該原料ガスは、該珪素元素
を有するガスを全ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内
で含有している； を包含し、 該（ａ）．工程およびそれに続く該（ｂ）．工程からな
る一連の工程を少なくとも２回以上繰り返し行って、立
方晶炭化珪素単結晶薄膜とシリコン単結晶薄膜とが交互
に堆積して成る多層膜を該シリコン単結晶基板上に合成
し、さらに以下の工程： （ｃ）．該基板に炭素元素を有するガスと珪素元素を有
するガスとを含む原料ガスを供給することによって該多
層膜の形成された基板上に厚さ２Å以上100Å以下の立
方晶炭化珪素単結晶薄膜を合成する工程、ここで該原料
ガスは、該炭素元素を有するガスと珪素元素を有するガ
スを全ガス中各々0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有
している； および該（ｃ）．工程に続く （ｄ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該多層膜の形成された基板上に厚さ２Å以上100Å以
下のダイヤモンド薄膜を合成する工程、ここで該原料ガ
スは、該炭素元素を有するガスを全ガス中0.1容量％〜
５容量％の範囲内で含有している； からなる一連の工程を少なくとも２回以上繰り返して行
って、立方晶炭化珪素単結晶薄膜とシリコン単結晶薄膜
とが交互に堆積し且つその上に立方晶炭化珪素単結晶薄
膜とダイヤモンド薄膜とが交互に堆積して成る厚さ100
Å以上5000Å以下の多層膜を該シリコン単結晶基板上に
合成し、さらに以下の工程： （ｅ）．該基板に炭素元素を有するガスを含み珪素元素
を有するガスを含まない原料ガスを供給することによっ
て該多層膜上にダイヤモンド単結晶薄膜を合成する工
程、ここで該原料ガスは、該炭素元素を有するガスを全
ガス中0.1容量％〜５容量％の範囲内で含有している； を実施することによって該多層膜上にダイヤモンド単結
晶薄膜を合成することを特徴とするダイヤモンド単結晶
薄膜の気相合成方法。4. The following steps: (a). A step of synthesizing a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 mm or more and 100 mm or less on a silicon single crystal substrate by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element to the silicon single crystal substrate; The raw material gas contains a gas containing the carbon element and a gas containing the silicon element in the range of 0.1% by volume to 5% by volume, respectively, in the total gas; and (b). A step of synthesizing a silicon single crystal thin film having a thickness of 2 to 100 mm on the substrate by supplying a raw material gas containing a gas containing a silicon element and not containing a gas containing a carbon element to the substrate; Contains a gas containing the silicon element in a range of 0.1% by volume to 5% by volume in the total gas; and (a). Step (b). A series of steps is repeated at least twice or more to synthesize a multilayer film formed by alternately depositing a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film on the silicon single crystal substrate. Step (c). A raw material gas containing a gas containing a carbon element and a gas containing a silicon element is supplied to the substrate to synthesize a cubic silicon carbide single crystal thin film having a thickness of 2 to 100 mm on the substrate on which the multilayer film is formed. Wherein the source gas contains the gas containing the carbon element and the gas containing the silicon element in the range of 0.1% to 5% by volume in the total gas, respectively; and (c). Following the process (d). A step of synthesizing a diamond thin film having a thickness of 2 to 100 mm on the substrate on which the multilayer film is formed by supplying a raw material gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, The source gas contains 0.1% by volume of the gas containing the carbon element in the total gas.
Is repeated at least twice or more, and a cubic silicon carbide single crystal thin film and a silicon single crystal thin film are alternately deposited and cubic thereon. Thickness of 100 deposited by alternately depositing single crystal silicon carbide thin film and diamond thin film
Synthesizing a multilayer film having a thickness of not less than {5,000} on the silicon single crystal substrate, and further comprising the following steps: (e). A step of synthesizing a diamond single-crystal thin film on the multilayer film by supplying a source gas containing a gas containing a carbon element and not containing a gas containing a silicon element to the substrate, wherein the source gas contains the carbon element A total of 0.1% to 5% by volume of the gas contained in the gas to synthesize a diamond single crystal thin film on the multilayer film. Phase synthesis method.
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