JPH0481552B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はダイヤモンドの気相合成法に関し、詳
細にはダイヤモンド粒子や薄膜を安価に得ること
のできる気相合成法に関するものである。

［従来の技術］ ダイヤモンドは、高硬度であることを利用して
古くは切削工具用途を中心に広く使用されてき
た。一方近年では、熱伝導度が大きいこと、不純
物ドーピングにより半導体として利用可能性があ
ること等に着目され、前者の特性を利用するもの
としてIC（集積回路）基板のヒートシンク（冷却
用放熱器）への適用が検討され、また後者の特性
を利用するものとして半導体素子等の電子技術分
野にも応用されるに至り、ダイヤモンドを形成す
る為の技術が急速に開発されつつある。

ダイヤモンドの合成法としては、黒鉛を炭素原
料とし、Ni，Cr，Mn等を触媒として４〜７万気
圧、1000〜2000℃の高温・高圧で行なう高圧法が
知られているが、その他気体状炭化水素を炭素原
料として低圧条件下で行なう気相合成法も開発さ
れている。気相合成法によるダイヤモンドの合成
は、高圧法と比べてダイヤモンドの結晶が小さく
なるという欠点が従来より指摘されてきたが、上
述した様な電子技術分野への応用が進められる
と、却つて薄膜の形成が容易であるという利点が
着目され、有用な技術であると位置付けられてい
る。

第２図は従来の気相合成装置の一例を示す概略
説明図である。当該装置はマイクロ波を応用した
技術であり、その概略は下記の如くである。

２図において、マグネトロン発振機１から発振
されたマイクロ波（2.45GHz）は、アイソレータ
２、パワーモニタ３、チユーナ４及び導波管５を
この記載順序で導かれ、前記導波管５を貫通して
設けられる石英製の反応管６内に設置された基板
７に照射される。前記基板７としてはTa，Co，
Ｗ，Mo等の金属材料が用いられる場合もある
が、一般的にはSiウエハが用いられ、該基板７は
石英製の支持台９によつて所定位置に配置されて
いる。そして反応管６内には反応管入口１１側か
ら、H₂ガスとCH₄ガスを所定割合に混合（例え
ばCH₄1％−H₂99％）した混合ガスが約
100SCCM（Standard Cubic Centimeters per
Minute）の流量で導入される。導入された混合
ガスは排気口１３側から所定量吸引排気され、反
応管６内は予め定めた圧力（例えば40〜50Torr）
とされる。

この様にして混合ガスが供給された反応管６内
にマイクロ波の様な振動電波（約300W）が導入
されると、高エネルギー電子によつて混合ガス成
分分子が原子・イオン・ラジカルに分解され、反
応管６内には定常的なプラズマが発生する。前記
基板７はプラズマ発生領域１４に配置されてお
り、当該基板７上には混合ガス中の炭素を原料と
してダイヤモンド結晶が析出する。そして基板７
の種類や処理条件に応じて微結晶又は薄膜等の様
に異なつた形態のダイヤモンドが得られる。

第２図に示したダイヤモンド気相合成装置にお
いて、例えば基板としてSiウエハを用いた場合に
は、上述した処理条件で基板温度が約850℃とな
り、基板７上に約0.3μm／時間の成長速度で結晶
性ダイヤモンドが析出する。尚第２図中の参照符
号１はプランジヤーであり、基板７が正確にプラ
ズマ発生領域１４の中央に位置する様にマイクロ
波の反射を調整する為のものである。又参照符号
２０で示されている部材はアプリケーターであ
り、冷却水を供給管２１から供給しつつ排出管２
２から排出して反応管６が過度に加熱されるのを
防ぐ機能を果たす。

［発明が解決しようとする問題点］ 第２図に示した気相合成装置における炭素原料
としては、上述したメタン（CH₄）の他、アセチ
レン、エチレン、エタン、ベンゼン等の様な気体
状炭化水素が一般的に用いられていた。

しかしながらこれらの気体状炭化水素を炭素原
料として用いた場合には、炭素濃度の制御が比較
的容易であるという点で好ましい結果を得ること
ができるが、次の様な欠点があることも事実であ
る。即ち上述した様な気体状炭化水素を炭素原料
として用いた場合には、これらの炭化水素は比
較的高価である、炭化水素を供給する為の設備
（図示していない）を反応装置に付加する必要が
あり、流量制御用配管やバルブ等の装置価格が高
価となる、ダイヤモンドの気相合成の開始・終
了時に、炭化水素が供給される配管内を不活性ガ
スで置換する手間が必要である、等の問題点があ
つた。

本発明はこれらの問題点を解決する為になされ
たものであつて、その目的とするところは、ダイ
ヤモンドを安価に合成し得ると共に、合成装置を
比較的簡単な構成にし得る様な気相合成法を提供
することにある。

［問題点を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、ダイヤモン
ドの気相合成に当たり、炭素原料として固体炭素
を用い、該固体炭素を水素プラズマ雰囲気中で高
温に保ちつつ気相合成を行なう点に要旨を有する
ダイヤモンドの気相合成法である。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるが、要は炭素原
料としてCH₄ガスその他の気体状炭化水素を用い
る代りに、固体炭素を用いる点に最大の特徴を有
するものである。用いる固体炭素の種類や形状に
ついては何ら限定されないが、例えばグラフアイ
ト（黒鉛）や粉末炭素等は比較的容易に入手でき
且つ安価であり、最も好都合である。また表面積
を増大すると共に水素ガスの侵入を助ける為に多
孔質としたものが推奨される。

この様な固体炭素をプラズマ発生領域に予め設
置しておき、H₂単独ガスを供給して気相合成を
行なうことによつて、前記固体炭素は水素プラズ
マ雰囲気中で高温に保たれ、恐らくは炭化水素等
を発生して基板上にダイヤモンド粒子や薄膜が得
られるのである。

本発明方法ではCH₄ガスその他の炭化水素ガス
の様な比較的高価な炭素原料を用いることなく、
グラフアイトや粉末炭素等の比較的安価な炭素原
料を用いる様にしたので、従来よりも更に安価に
ダイヤモンドを合成することが可能となる。また
供給するガスはH₂ガス単独でよく、気体状炭化
水素を供給していた為に必要とされていた気体原
料混合制御機構や複雑な配管・バルブ類が不要と
なり、本発明方法を実施する為の気相合成装置自
体も簡単な構成となり、生産コストの低減に寄与
し得るところが大きい。更に上述の理由によつ
て、炭化水素ガス配管内を不活性ガスで置換する
手間も省ける。

尚本発明方法においては、プラズマ雰囲気中の
炭素濃度の制御は、気体状炭化水素を用いた場合
と比べて多少困難さを増すが、固体炭素原料の表
面性状や温度、H₂ガスの圧力や流量及びマイク
ロ波の出力等の条件を独立変数として予め合成ダ
イヤモンドの性状に与える影響を調査しておけ
ば、実操業におけるダイヤモンド粒子・薄膜の形
態制御は比較的簡単に実施できる。

［実施例］ 第１図は本発明方法を実施する為に構成される
気相合成装置例の要部を示す概略説明図である。
第１図に示した装置における構成は基本的には第
２図に示した装置の構成と同様であり、対応する
部分には同一の参照番号を付すことにより重複説
明を回避する。尚前記第２図に示したマグネトロ
ン発振機１、アイソレータ２、パワーモニタ３、
チユーナ４は説明の便宜上第１図では省略した
が、これらの部材は本発明方法を実施する際にも
必要であるのは言う迄もない。

第１図において石英製の反応管６内のブラズマ
発生領域１４内には支持台９上に基板７が配置さ
れると共に、該基板７の近傍（第１図では上方）
には炭素原料としての炭素板２５が同じく前記支
持台９によつて配置される。

第１図に示した装置において、入口１１側から
反応管６内にH₂ガスを導入すると共に、導波管
５からマイクロ波を導入する。そうすると反応管
６内は水素プラズマ雰囲気となり炭素−水素プラ
ズマ反応が進行して高温に保たれる。その結果、
炭化水素ス、炭化水素イオン、炭化水素ラジカル
等が発生すると共に、分子状水素の分解により原
子状水素が発生し、これらが基板７上に移送され
ることにより、基板７上にダイヤモンド粒子やダ
イヤモンド薄膜が析出する。

第３図は本発明方法を実施する為に構成される
気相合成装置の他の例を示す概略説明図である。
この装置では、図示する様に反応管６が水平に配
置されると共に、該反応管６内には支持台９が設
置され、この支持台９上に炭素粉末２６が載置さ
れ、更に炭素粉末よりも反応管６の下流側（第３
図における右側）には基板７が設置される。この
様な装置においても、前記第１図と同様の原理で
基板７上にダイヤモンド粒子やダイヤモンド薄膜
を析出することができる。

本発明者らは、前記第３図の気相合成装置を用
いて実験を行なつた。即ちマイクロの出力を
700Wとし、基板７を導波管６の中央部よりも少
しずらせて置き基板７の温度が800℃となる様に
し、反応管６の入口１１側からH₂ガスを
100SCCMの流量で供給した。尚反応管６内の圧
力は、H₂ガスを排気口１３側から所定量排気す
ることによつて70Torrに調整した。そして反応
を７時間進行させたところ、基板７上に直径約
2μmのダイヤモンド微粒子が析出した。

本発明方法と実施する為の気相合成装置は前記
第１図及び第３図に示した構成に限られず、その
他各種の構成を採用することもできる。例えば下
記第４〜８図はその一例であり以下これらの図面
を参照しつつ説明するが、基本的な原理は第１，
３図の場合と同様であるので構成の違いを簡単に
説明するにとどめる。

まず第４図に示した気相合成装置は、反応室２
７内に基板７及び炭素板２５を対向して配置した
例である。この装置においては、H₂ガスは供給
管２８から反応室２７内に供給されると共に排気
管２９から排気され、一方マイクロ波が導波管５
から導入され、反応室２７内には基板７及び炭素
板２５を包む様にして水素プラズマを発生させる
ものである。尚第４図中参照符号３０はマイクロ
波導入用ウインドウである。

次に第５図に示した気相合成装置は第４図に示
した装置とほぼ同様であり、相違点は炭素板２５
の代りに炭素粉末２６を用いた点である。

更に、第６図に示した気相合成装置は、導波管
５を２箇所設けた例である。即ち、反応管６の上
流側に配置した導波管５ａによつて炭素粉末２６
を加熱して水素プラズマと反応させると共に、反
応管６の下流側に配置した導波管５ｂによつて基
板７の周囲を水素プラズマ雰囲気とするものであ
る。そして生じた炭化水素・ラジカル・イオン種
等がH₂ガスによつて基板７上に移送され、基板
７上にダイヤモンドが析出する。

第７図に示した気相合成装置では、炭素粉末２
６をプラズマ発生領域１４中におき、H₂ガスが
導入される反応管６の下流側を比較的大きな容量
を有する反応室２７ａとし、この反応室２７ａ内
に面積を広くした基板７を設置し、この基板７上
にダイヤモンドを析出させるものである。尚この
際基板７は補助加熱用ヒータ３３で800〜1000℃
に加熱される。

第８図に示した気相合成装置では、反応室２７
の内壁に断熱材３４を内張りすると共に、該断熱
材３４上に炭素板２５を配置するものである。そ
してH₂ガスを供給管２８から反応室２７内に供
給すると共に、導波管５からマイクロ波を導入す
ることによつて、反応室２７内を高温の水素プラ
ズマ雰囲気として基板７上にダイヤモンドを析出
させる。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法によれば、炭素原料
として安価な固体炭素を用いる様にしたので、ダ
イヤモンドが安価に合成できると共に、気相合成
装置の構成も比較的簡単なものとすることがで
き、従来の問題点を一挙に解決し得た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する為に構成される
気相合成装置例の要部を示す概略説明図、第２図
は従来の気相合成装置の一例を示す概略説明図、
第３図は本発明方法を実施する為に構成される気
相合成装置の他の例を示す概略説明図、第４〜８
図は本発明方法を実施する為に構成される気相合
成装置の各種の例を示す概略説明図である。 １…マグネトロン発振機、５，５ａ，５ｂ…導
波管、６…反応管、７…基板、９…支持台、１４
…プラズマ発生領域、１５…プランジヤー、２５
…炭素板、２６…炭素粉末、２７，２７ａ…反応
室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ダイヤモンドの気相合成に当たり、炭素原料
   として固体炭素を用い、該固体炭素を水素プラズ
   マ雰囲気中で高温に保ちつつ気相合成を行なうこ
   とを特徴とするダイヤモンドの気相合成法。