JPS5927754B2 - 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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JPS5927754B2
JPS5927754B2 JP56204321A JP20432181A JPS5927754B2 JP S5927754 B2 JPS5927754 B2 JP S5927754B2 JP 56204321 A JP56204321 A JP 56204321A JP 20432181 A JP20432181 A JP 20432181A JP S5927754 B2 JPS5927754 B2 JP S5927754B2
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diamond
gas
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hydrogen gas
hydrocarbon
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JP56204321A
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睦和 加茂
精一郎 松本
洋一郎 佐藤
信雄 瀬高
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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KAGAKU GIJUTSUCHO MUKIZAISHITSU KENKYUSHOCHO
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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
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Description

【発明の詳細な説明】 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、気相析出法によるダイヤモンド合成法としては次
のような方法が知られている。
1)炭化水素を加熱した基板表面に導入し、その熱エネ
ルギーで熱分解して、遊離炭素を生成せしめて、ダイヤ
モンドを析出する化学気相析出法。
2)アーク放電とスパッタリングの技術を組合せて、炭
素の正イオンビームを生成せしめ、これを加速、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。
3)電極間に直流放電を発生し、放電中の高エネルギー
を持った電子を利用し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を生成せしめ、基板表面に
ダイヤモンド析出する化学気相析出法。
4)黒鉛、基板と水素ガスを封入し、黒鉛を高温部に基
板を低温部に設置し、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。
前記1)の化学気相析出法は減圧下で1100°C以下
の温度に加熱した基板表面で炭化水素を熱分解して、ダ
イヤモンド層を形成せしめるため、ダイヤモンドより安
定な黒鉛、非ダイヤモンド炭素の析出が避けられない。
これらはダイヤモンドの生成を阻害する。
従って周期的に析出の操作と酸素ガス、または水素ガス
を導入して、基板表面に析出した黒鉛、非ダイヤモンド
炭素を除去する操作を繰返して行うことが必璧である。
また析出速度が遅く、基板がダイヤモンドに限定される
などの欠点がある。
前記2)のイオンビーム法は常温で各種材料の基板表面
にダイヤモンドを析出することができる利点がある。
炭素の正イオンビームを発生する装置、およびその集束
装置が高価であり、放電持続に用いる不活性ガスの原子
が析出したダイヤモンド格子中に取り込まれるなどの欠
点がある。
前記3)の反応ガスの導入と同期して、周期的にプラズ
マを発生して、ダイヤモンドを合成する方法は、プラズ
マの密度を全域にわたって均一に保持することが困難で
ある。
この密度の不均質により、ダイヤモンド以外に非ダイヤ
モンド炭素が析出する欠点がある。
前記4)の化学輸送法は封管法であり、封管内で黒鉛と
原子状水素との反応によって生成した炭化水素を利用す
る方法であるため、連続操業することが困難である。
また反応ガスの濃度、およびその比率、加熱温度等の合
成条件を独立して可変することができないなどの欠点を
有している。
本発明の方法は前記の従来法の欠点を改善せんとするも
のであり、反応ガスの濃度、およびその比率、加熱温度
、反応系の圧力、などの合成条件を独立して可変するこ
とが容易であり、基板表面に粒状ダイヤモンド、あるい
は膜状ダイヤモンドを安定して、合成する方法を提供す
るものである。
本発明は水素ガスをマイクロ波無極電放電中を通過させ
た後炭化水素と混合した混合ガス、または炭化水素と水
素との混合ガスをマイクロ波無極電放電中を通過せしめ
た混合ガスを300〜1300℃に加熱した基板表面に
導入して、励起状態の炭化水素の熱分解によりダイヤモ
ンドを析出させる方法によって、前記目的を達成したも
のである。
本発明の方法の原理を示すと、黒鉛が熱力学的に安定な
温度、圧力でダイヤモンドを合成するためには、個々に
分離した炭素原子を生成せしめること、これらの炭素原
子が励起状態にあること、この励起状態がダイヤモンド
の核を形成するまで持続すること等の条件を満たすこと
が必要である。
また炭化水素の熱分解で生成した遊離炭素からダイヤモ
ンドを成長させるためにはSF3の結合を生じせしめる
に充分な反応エネルギーを遊離炭素に供給することが必
要である。
本発明の方法においては、水素ガスをマイクロ波無極放
電中を通過せしめた後、炭化水素と混合、または炭化水
素と水素ガスとを混合した後、マイクロ波無極放電中を
通過せしめて励起状態の炭化水素、励起状態または原子
状態の水素を生成せしめる。
この励起状態の炭化水素が加熱された基板表面で熱分解
した時に生成する遊離炭素原子にSP3結合を起すに充
分な反応エネルギーを供給する。
また励起状態または原子状態の水素は黒鉛および非ダイ
ヤモンド炭素を成長させる原因となるSF3.SP結合
を持った核と反応し、これをSP3結合に変換、あるい
は炭化水素を生成し、ダイヤモンドが成長する面の清浄
化の作用をする。
本発明の方法においては安定に放電を持続させルタめマ
イクロ波無極放電を採用した。
直流放電の場合は電極を利用するため、長時間連続して
放電の発生は電極が損傷を受けるため困難である。
また数拾メガヘルツ以下の周波数による無極放電の発生
は糸の圧力に強く依存する。
マイクロ波無極放電は糸の圧力の依存度を軽減すること
ができる。
数拾メガヘルツでは炭化水素にダイヤモンドを析出する
に充分な励起状態を与えるには不充分である。
使用する混合ガスの炭化水素と水素ガスとの混合比率は
広い範囲に変更し得られるが黒鉛、非ダイヤモンド炭素
の析出を防止する観点から、その上限は10以下である
ことが望ましい。
粒状ダイヤモンドを合成するには約0.01以下、膜状
ダイヤモンドを析出するには0.1以上であることが望
ましい。
基板温度は析出したダイヤモンドが黒鉛に逆転移する現
象を防止し、また励起状態の炭化水素が基板表面で熱分
解を起すに必要な温度であることを必要とするので、3
00〜1300℃であることが望ましい。
特に500〜1000°Cが好ましい。
無極型放電を発生する管内の圧力は、放電を安定に維持
するために0.05〜400 Torrの範囲がよい。
本発明の方法は開管法であるため炭化水素と水素ガスと
の混合比率、ガスの流速、基板温度、ならびにマイクロ
波発振機の出力を調整することによって、励起状態の炭
化水素、水素、原子状態の水素の生成量などを独立に制
御することができるので、核形成速度を制御することが
容易である。
この核形成速度を制御することにより粒状ダイヤモンド
、あるいは膜状ダイヤモンドを容易に合成し得る。
次に本発明の方法を実施する装置の態様を示すと第1図
、第2図に示す通りである。
第1図は水素ガスをマイクロ波無極電放電中を通過せし
めた後、炭化水素ガスと混合する方法であり、第2図は
炭化水素と水素ガスとの混合ガスをマイクロ波無極放電
中を通過せしめる方式である。
第1図、第2図において、1は炭化水素ガス供給装置、
2は水素ガス供給装置、3はマイクロ波発振機、4はウ
ェーブガイド、5は反応室、6は排気装置である。
5の析出室には基板7を支持する支持台8が設置され、
第1図においては抵抗加熱炉9にて基板を加熱している
第2図においてはハロゲンランプから発する光を集光す
る赤外線集中照射炉10で加熱を行っている。
12,13.14は水素ガス、炭化水素ガスの流量なら
びに装置内の圧力を調整するコックである。
15は排気口である反応室5内の支持上に基板7を設置
した後、排気装置6を作動して、装置内を減圧すると共
にコック12,13.14を調整して、水素ガスの流量
ならびに装置内の圧力を所定の値に保持する。
次に抵抗加熱炉9により、基板を所定の温度に保持する
赤外線集中照射炉の場合はハロゲンランプ11に流れる
電流を調整して基板温度を制御する。
次にマイクロ波発振機を作動し、マイクロ波無極電放電
を発生せしめると共に、予め流量調整した炭化水素ガス
を導入する。
実施例 1 モリブデンを基板とし、反応ガスとしてメタンガスと水
素ガスを用いる。
排気装置を作動し、反応系を減圧にする。
次に水素ガスを毎分1ooccの流量で供給すると共に
コック12.13を調整して、反応系内の圧力をQ、5
Torrに調整する。
マイクロ波発振機によって無極電放電を発生する。
次に基本温度を900℃に上昇せしめると共に、メタン
ガスを毎分20CCの流量で供給し、前記の無極電放電
中を通過した水素ガスと混合し、加熱基板上に導入する
3時間析出を行い、基板表面に1μm程度のダイヤモン
ドの析出層を得た。
実施例 2 シリコンウェハーを基板とし、反応ガスとしてメタンガ
スと水素ガスを用いる。
排気装置を作動し、反応系を減圧にする。
次に水素ガス、炭化水素ガスを各々毎分t o occ
y i occで供給すると共にコック12.13を調
整して、反応系内の圧力を0.ITorrに調整する。
次に基板温度を700℃に上昇せしめると共に、マイク
ロ波発振機によって無極電放電を発生する。
3時間析出を行い、基板表面に2μm程度のダイヤモン
ド粒子の析出を得た。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の方法を実施する合成装置の態
様を示す。 1・・・・・・炭化水素ガス供給装置、2・・・・・・
水素ガス供給装置、3・・・・・・マイクロ波発振機
4 sa+lll+’ウェーブガイド、5・・・・・・
反応室、6・・・・・・排気装置、7・・・・・・基板
、8・・・・・・支持台、9・・・・・−加熱炉、1o
・・・・・・赤外線集中照射炉、11・・・・・史ロゲ
ンランプ、12.13,14・・・・・・コック、15
・・聞排気口。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 水素ガスをマイクロ波無極電放電中を通過させた後
    炭化水素と混合した混合ガス、または炭化水素と水素ガ
    スとの混合ガスをマイクロ波無極電放電中を通過させた
    混合ガスを、300〜1300℃に加熱した基板表面に
    導入し、炭化水素の熱分解によりダイヤモンドを析出さ
    せることを特徴とするダイヤモンドの合成法。 2 炭化水素と水素ガスとの混合比率が100〜0.0
    01の範囲である特許請求の範囲第1項記載のダイヤモ
    ンドの合成法。
JP56204321A 1981-12-17 1981-12-17 ダイヤモンドの合成法 Expired JPS5927754B2 (ja)

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