JP2002265296A - Diamond thin film and manufacturing method therefor - Google Patents

Diamond thin film and manufacturing method therefor

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JP2002265296A
JP2002265296A JP2001067841A JP2001067841A JP2002265296A JP 2002265296 A JP2002265296 A JP 2002265296A JP 2001067841 A JP2001067841 A JP 2001067841A JP 2001067841 A JP2001067841 A JP 2001067841A JP 2002265296 A JP2002265296 A JP 2002265296A
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JP
Japan
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thin film
diamond thin
diamond
substrate
microwave
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JP2001067841A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Tachibana
武史 橘
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare a diamond thin film deposited very thin in a wide surface area and having a flat surface free from pin holes, high adhesion to a substrate and excellent heat conductivity and permeability, and to provide a manufacturing method therefor. SOLUTION: The diamond thin film is deposited by a microwave plasma CVD method, in which, when a charged microwave power is expressed by M (unit: kw, M>3 kw) and the pressure in a plasma chamber is expressed by P, the ratio P/M of the pressure to the microwave power is kept to 359-439 and the surface temperature in the synthesis is kept to <=500 deg.C. As a result, the diamond thin film, in which when the surface area is expressed by (a) and the film thickness is expressed by (t), the ratio t/a of the film thickness to the surface area is <=3×10<-5> (m<-1> ), is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学透過・反射
窓、光学関連部品、半導体パッケージ、耐薬品コーティ
ング、耐摩耗コーティング及び装飾品コーティング等に
適用される人工ダイヤモンド薄膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an artificial diamond thin film applied to optical transmission / reflection windows, optical parts, semiconductor packages, chemical resistant coatings, wear resistant coatings, decorative coatings and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れ、禁制帯幅
が5.5eVと大きい半導体又は絶縁体である。熱伝導
率が大きく、比熱が小さいことを利用して、ダイヤモン
ドを放熱基板材料として使用したり、物質中において最
も硬いという特性を利用して、耐摩耗性部材及び工具コ
ーティング等に応用したり、高い光透過性及び屈折率を
利用して、光学材料等に応用されている。
2. Description of the Related Art Diamond is a semiconductor or insulator having excellent heat resistance and a large forbidden band width of 5.5 eV. Utilizing the fact that the thermal conductivity is large and the specific heat is small, diamond is used as a heat dissipation substrate material, and the hardest property among materials is used to apply to wear-resistant members and tool coatings, Utilizing high light transmittance and refractive index, it is applied to optical materials and the like.

【0003】ダイヤモンドを種々の分野に応用するため
には、薄膜状に形成することが重要である。ダイヤモン
ド薄膜は、マイクロ波化学気相蒸着(マイクロ波CV
D)法(例えば特公昭59−27754号及び特公昭6
1−3320号)等で気相合成できる。この気相合成法
は低コストで大面積の薄膜状ダイヤモンドを得るのに適
した方法である。
In order to apply diamond to various fields, it is important to form it into a thin film. Diamond thin films are prepared by microwave chemical vapor deposition (microwave CV).
D) Method (for example, Japanese Patent Publication No. 59-27754 and Japanese Patent Publication No. Sho 6-6)
1-33) and the like. This vapor phase synthesis method is suitable for obtaining a large-area thin film diamond at low cost.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
でに人工的に作製されたダイヤモンド薄膜は、その形状
に関して、 (1)形成できる面積が限られる (2)連続膜を形成するためには一定以上の膜厚が必要
である といった制限がある。化学的安定性及び光透過性が優れ
たダイヤモンドの実用に際しては、大面積で薄い連続膜
の応用分野が多く、薄くてピンホールがない連続膜であ
ると共に大面積であることが望ましい。形成できる面積
が限られるのは、成膜に用いる装置の問題であるが、大
面積であると共に、薄膜の連続膜を形成することは、従
来装置では困難であった。これは、ダイヤモンドは表面
エネルギーが大きく、核形成後、ほぼ等方的に成長する
ため、連続膜を得るためには通常1μm程度の膜厚が必
要となるためである。従って、厚膜化と同時に表面平坦
度も劣化して凹凸が顕著化し、光散乱の要因となること
から、光学特性の低下を招くという問題点がある。表面
を平坦化するためには、研磨すればよいが、技術的に難
しく、著しいコストアップの要因になる。
However, the diamond thin films which have been artificially prepared so far have the following problems with respect to their shapes: (1) the area that can be formed is limited; and (2) a certain amount or more for forming a continuous film. However, there is a limitation that the film thickness is required. In practical use of diamond having excellent chemical stability and light transmittance, there are many application fields of thin continuous films having a large area, and it is desirable that the continuous film be thin and have no pinholes and have a large area. Although the area that can be formed is limited due to the problem of an apparatus used for film formation, it has been difficult to form a continuous film having a large area and a thin film using a conventional apparatus. This is because diamond has a large surface energy and grows almost isotropically after nucleation, so that a film thickness of about 1 μm is usually required to obtain a continuous film. Accordingly, the surface flatness is also deteriorated at the same time as the film is thickened, and the unevenness becomes remarkable, which causes light scattering, which causes a problem that the optical characteristics are reduced. In order to flatten the surface, polishing may be performed, but it is technically difficult and causes a significant increase in cost.

【0005】このような問題点を回避すべく広大な面積
にダイヤモンドをコーティングすることができるスパッ
タ法等でダイヤモンド薄膜を形成する方法もあるが、ス
パッタ法等では、非ダイヤモンド系炭素であるダイヤモ
ンドライクカーボン(DLC)が析出する。このダイヤ
モンドライクカーボンは、化学的及び光学的諸特性がダ
イヤンドのそれに及ばず、更に、密着性等が劣化する等
の他の技術課題も生じるため、用途が限定されてしまう
という問題点がある。
[0005] In order to avoid such problems, there is a method of forming a diamond thin film by a sputtering method or the like capable of coating a large area with diamond. However, in the sputtering method and the like, diamond-like carbon which is non-diamond-based carbon is used. Carbon (DLC) precipitates. This diamond-like carbon has a problem that its chemical and optical properties are inferior to those of the diamond, and there are other technical problems such as deterioration of adhesion and the like, so that its use is limited.

【0006】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、広面積且つ極薄であり、表面が平坦でピン
ホールがないと共に基板との密着性が高く、優れた熱伝
導性及び透過性を備えたダイヤモンド薄膜及びその製造
方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and has a wide area and an extremely thin thickness, a flat surface, no pinholes, high adhesion to a substrate, excellent heat conductivity and excellent heat conductivity. An object of the present invention is to provide a diamond thin film having transparency and a method for manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明に係るダイヤモン
ド薄膜は、表面積をa、膜厚tとしたとき、表面積に対
する膜厚の比t/aが3×10−5(m−1)以下であ
ることを特徴とする。
In the diamond thin film according to the present invention, when the surface area is a and the film thickness is t, the ratio of the film thickness to the surface area t / a is 3 × 10 −5 (m −1 ) or less. There is a feature.

【0008】本発明においては、表面積に対する膜厚の
比t/aが3×10−5(m−1)以下であるため、広
面積で且つ極薄であり、光学窓及び保護膜等に応用する
ことができる。
In the present invention, since the ratio of the film thickness to the surface area, t / a, is 3 × 10 −5 (m −1 ) or less, it has a large area and is extremely thin, and is applied to optical windows and protective films. can do.

【0009】ボロン、窒素及びリンからなる群から選択
された1種の材料によりドーピングされていてもよい。
[0009] It may be doped with one kind of material selected from the group consisting of boron, nitrogen and phosphorus.

【0010】また、シリコン、ゲルマニウム、シリコン
−ゲルマニウム、サファイア、シリコンカーバイド、窒
化ガリウム、石英又はガラス等の500℃以上の耐熱性
を有する材料からなる基板上に形成されることができ
る。
Further, it can be formed on a substrate made of a material having heat resistance of 500 ° C. or more, such as silicon, germanium, silicon-germanium, sapphire, silicon carbide, gallium nitride, quartz or glass.

【0011】本発明に係るダイヤモンド薄膜の製造方法
は、マイクロ波プラズマCVD法により、投入するマイ
クロ波パワーをM(単位:kW、M≧3kW)、プラズ
マチャンバ内の圧力をP(単位:Pa)としたとき、マ
イクロ波パワーに対する圧力の比P/Mを360乃至4
40に維持すると共に、合成時の表面温度を500℃以
下に維持して請求項1乃至3のいずれか1項に記載のダ
イヤモンド薄膜を成膜することを特徴とする。
In the method for producing a diamond thin film according to the present invention, the microwave power to be applied is M (unit: kW, M ≧ 3 kW) and the pressure in the plasma chamber is P (unit: Pa) by microwave plasma CVD. , The ratio P / M of pressure to microwave power is 360 to 4
The diamond thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the diamond thin film is formed while maintaining the surface temperature during synthesis at 500 ° C or lower while maintaining the temperature at 40 ° C.

【0012】本発明においては、マイクロ波パワーに対
するプラズマチャンバ内の圧力の比P/Mを360乃至
440に維持すると共に、合成時の表面温度を500℃
以下に維持すれば、ダイヤモンドの気相合成として、最
も一般的なマイクロ波CVD法により、ピンホールがな
く、基板との密着性が高いと共に、面積が広大で且つ極
めて膜厚が薄く、平坦なダイヤモンド薄膜を形成するこ
とができる。
In the present invention, the ratio P / M of the pressure in the plasma chamber to the microwave power is maintained at 360 to 440, and the surface temperature at the time of synthesis is 500 ° C.
If it is maintained below, the most common microwave CVD method for the vapor phase synthesis of diamond has no pinholes, has high adhesion to the substrate, has a large area, is extremely thin, and has a flat surface. A diamond thin film can be formed.

【0013】ダイヤモンドの気相合成においては、上記
のマイクロ波CVD法以外に、熱フィラメントCVD
法、直流プラズマCVD法、プラズマジェット法、及び
熱CVD法等を使用することもできる。
In the vapor phase synthesis of diamond, in addition to the above-mentioned microwave CVD method, hot filament CVD is used.
Method, a DC plasma CVD method, a plasma jet method, a thermal CVD method, or the like can also be used.

【0014】また、気相合成の際の原料ガスとしては、
水素希釈したメタンを使用することができるが、他の炭
化水素でもよい。また、一酸化炭素、二酸化炭素、エタ
ノール、アセトン等、酸素成分を含むガスを使用しても
よい。
Further, as a raw material gas at the time of vapor phase synthesis,
Hydrogen diluted methane can be used, but other hydrocarbons may be used. Further, a gas containing an oxygen component such as carbon monoxide, carbon dioxide, ethanol, and acetone may be used.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について詳
細に説明する。ダイヤモンド薄膜をマイクロ波プラズマ
CVDで成膜する場合、マイクロ波投入電力(マイクロ
波パワー)に対して、チャンバ内の圧力を低くすれば、
プラズマが広がり、広大な面積にダイヤモンド薄膜を合
成できることは従来公知である。しかしながら、チャン
バ内の圧力を下げ過ぎると、基板温度が低下し、成膜速
度が極端に低下してしまう。一般的に、ダイヤモンド成
膜時に試料表面温度を500℃以下とすると成膜速度が
落ちるので生産性が低く、また、非ダイヤモンド系炭素
が析出する場合があり、これまであまり顧みてこられな
かった。また、チャンバ内の圧力を下げ過ぎると、真空
容器内壁がプラズマと相互作用することも制約となって
いた。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. When a diamond thin film is formed by microwave plasma CVD, if the pressure in the chamber is reduced with respect to the microwave input power (microwave power),
It is conventionally known that plasma spreads and a diamond thin film can be synthesized over a large area. However, when the pressure in the chamber is excessively lowered, the substrate temperature decreases, and the film forming speed extremely decreases. In general, if the surface temperature of the sample is set to 500 ° C. or lower during diamond film formation, the film formation rate is reduced, so that productivity is low and non-diamond-based carbon may be deposited. Further, if the pressure in the chamber is excessively lowered, the inner wall of the vacuum vessel interacts with the plasma, which is a constraint.

【0016】このような制約のために従来は使用されて
いなかった条件下において、本発明者等が鋭意実験研究
した結果、投入するマイクロ波パワーをM(kW)、プ
ラズマチャンバ内の圧力をP(Pa)としたとき、マイ
クロ波パワーMに対して、プラズマチャンバ内の圧力P
を低く保持しても、P/Mが360乃至440の範囲で
あれば、従来のように非ダイヤモンド系炭素が析出する
ことなく、特性が優れたダイヤモンド薄膜を広大な面積
に合成することができることを見い出した。また、気相
合成により成膜するため、基板との密着性が高い。但
し、原料ガスをプラズマで分解し、ダイヤモンド成膜の
ための前駆体を生成することが必要であるため、マイク
ロ波パワーMの絶対値は、M≧3kWとすることが必要
である。
The inventors of the present invention have conducted intensive experiments and researches under conditions not conventionally used due to such restrictions. As a result, the input microwave power is M (kW) and the pressure in the plasma chamber is P. (Pa), the pressure P in the plasma chamber with respect to the microwave power M
Even if P / M is kept in a range of 360 to 440, a diamond thin film having excellent properties can be synthesized over a wide area without depositing non-diamond carbon as in the conventional case. I found Further, since the film is formed by vapor phase synthesis, the adhesion to the substrate is high. However, since it is necessary to decompose the source gas by plasma to generate a precursor for diamond film formation, the absolute value of the microwave power M needs to be M ≧ 3 kW.

【0017】更に、本願発明者等は、プラズマのパワー
密度を下げて、ダイヤモンド薄膜の成膜時の表面温度を
通常の成膜温度(700乃至1100℃)に比べて格段
に低い500℃以下とすると、逆に、ダイヤモンドの核
形成が促進されると共に、ダイヤモンドの異常成長が抑
制されるという利点があることを見い出した。従って、
平坦でピンホールがないダイヤモンド薄膜を極めて薄く
形成することができる。
Further, the inventors of the present invention have reduced the power density of the plasma so that the surface temperature at the time of forming the diamond thin film is 500 ° C. or less, which is much lower than the normal film forming temperature (700 to 1100 ° C.). Then, on the contrary, they found that there is an advantage that the nucleation of diamond is promoted and abnormal growth of diamond is suppressed. Therefore,
An extremely thin diamond thin film that is flat and has no pinholes can be formed.

【0018】但し、温度が低過ぎるとダイヤモンドの成
長速度が0.05μm/時間未満と極端に小さくなり、
実用的でなくなるので、450乃至480℃の範囲が好
ましい。
However, if the temperature is too low, the diamond growth rate becomes extremely low at less than 0.05 μm / hour,
The range of 450 to 480 ° C. is preferable because it is not practical.

【0019】また、成膜時の表面温度の低温化によっ
て、耐熱性の点から従来はダイヤモンドコーティングが
不可能であったガラス及びプラスチック等、500℃以
上の耐熱性を有する材料であればダイヤモンド薄膜を形
成することができ、基板材料の選択肢を広げることがで
きる。
In addition, due to the lowering of the surface temperature at the time of film formation, a diamond thin film is used for materials having a heat resistance of 500 ° C. or more, such as glass and plastic, which could not be coated with diamond in the past from the viewpoint of heat resistance. Can be formed, and the choice of the substrate material can be expanded.

【0020】更に、一酸化炭素、二酸化炭素、エタノー
ル及びアセトン等の酸素成分を含有する原料ガスは、従
来、非ダイヤモンド成分を優先的にエッチング除去する
ことで、得られるダイヤモンドを高品質化するために使
用されてきたが、本願発明者等はこれらのガスが比較的
低温でのダイヤモンドの成長に寄与することも見出し
た。
Further, a source gas containing an oxygen component such as carbon monoxide, carbon dioxide, ethanol and acetone has conventionally been used to improve the quality of diamond obtained by preferentially removing non-diamond components by etching. The present inventors have also found that these gases contribute to the growth of diamond at relatively low temperatures.

【0021】得られるダイヤモンド薄膜は、直径100
乃至300mmの面積に、0.1乃至1μmの厚さを有
するものである。ダイヤモンド薄膜を種々の技術に応用
するためには、広大な面積を有し、且つ薄膜であること
が好ましい。従って、基板の面積を直径100mm以
上、膜厚を1μm以下とすることが好ましい。一方、基
板の面積を広くするためには、チャンバ内の圧力を低下
する必要があるが、真空容器内壁がプラズマと相互作用
したり、成膜速度が遅くなりすぎるため、基板の直径は
300mm以下とすることが好ましい。また、ダイヤモ
ンドの薄膜を均一に一面に形成するためには、膜厚が
0.1μm程度必要である。従って、ダイヤモンド薄膜
は、その表面積をa、膜厚tとしたとき、表面積に対す
る膜厚の比t/aが3×10−5(m−1)以下であ
る。
The resulting diamond thin film has a diameter of 100
It has a thickness of 0.1 to 1 μm in an area of 1 to 300 mm. In order to apply the diamond thin film to various technologies, it is preferable that the diamond thin film has a large area and is a thin film. Therefore, it is preferable that the area of the substrate is 100 mm or more in diameter and 1 μm or less in film thickness. On the other hand, in order to increase the area of the substrate, it is necessary to reduce the pressure in the chamber. It is preferable that Further, in order to form a diamond thin film uniformly on one surface, the film thickness needs to be about 0.1 μm. Therefore, assuming that the surface area of the diamond thin film is a and the film thickness is t, the ratio of the film thickness to the surface area t / a is 3 × 10 −5 (m −1 ) or less.

【0022】なお、真空容器内壁とプラズマが相互作用
すると、真空容器内壁にカーボンが付着すること、
真空容器内壁がプラズマで加熱・分解され、容器が破損
すること、真空容器内壁がプラズマで加熱・分解さ
れ、ダイヤモンド膜中に不純物として混入すること等の
不具合が生じる。
When the plasma interacts with the inner wall of the vacuum vessel, carbon adheres to the inner wall of the vacuum vessel.
Problems such as the inner wall of the vacuum vessel being heated and decomposed by the plasma to break the vessel, and the inner wall of the vacuum vessel being heated and decomposed by the plasma to be mixed as impurities into the diamond film occur.

【0023】以下、本発明の実施例に係るダイヤモンド
薄膜について更に詳細に説明する。図1(a)及び図1
(b)は本発明の実施例に係るダイヤモンド薄膜の夫々
表面及び断面を示す走査型電子顕微鏡(Scanning Elect
ron Microscope(SEM))写真である。図1に示すダ
イヤモンド薄膜は、厚さtが0.25μm(250n
m)、基板径が100mm、表面積aが7.85×10
−3、t/aが3.2×10−5(m−1)であ
る。
Hereinafter, the diamond thin film according to the embodiment of the present invention will be described in more detail. FIG. 1A and FIG.
(B) shows a scanning electron microscope (Scanning Elect) showing a surface and a cross section, respectively, of the diamond thin film according to the embodiment of the present invention.
ron Microscope (SEM) photograph. The diamond thin film shown in FIG. 1 has a thickness t of 0.25 μm (250 n
m), the substrate diameter is 100 mm, and the surface area a is 7.85 × 10
−3 m 2 and t / a are 3.2 × 10 −5 (m −1 ).

【0024】図1(a)に示すように、基板(図示せ
ず)上一面に、多結晶のダイヤモンド薄膜1が形成され
ており、図1(b)に示すように、表面2の凹凸が小さ
く平坦なダイヤモンド薄膜1が形成されている。また、
ダイヤモンド薄膜の表面積aは、使用した基板の大きさ
と同一面積である。
As shown in FIG. 1 (a), a polycrystalline diamond thin film 1 is formed on one surface of a substrate (not shown), and as shown in FIG. A small and flat diamond thin film 1 is formed. Also,
The surface area a of the diamond thin film is the same as the size of the substrate used.

【0025】本実施例においては、ダイヤモンド薄膜
が、表面積aに対する厚さtの比t/aが2.7乃至
3.3×10−5であり、極めて薄く、面積が広大であ
ると共に、表面粗度が小さくて研磨する必要がないた
め、ダイヤモンドが本来有する化学的安定性、光透過
性、高屈折率、高硬度及び低誘電損失等の特性を活か
し、低コストで光学透過及び反射窓、光学関連部品、半
導体パッケージ、耐薬品コーティング、耐摩耗コーティ
ング並びに装飾品コーティング等に適用できる。
In this embodiment, the ratio of the thickness t to the surface area a, t / a, of the diamond thin film is 2.7 to 3.3 × 10 −5, which is extremely thin, has a large area, and has a large surface area. Since the roughness is small and there is no need to polish, it takes advantage of the inherent properties of diamond such as chemical stability, light transmittance, high refractive index, high hardness and low dielectric loss, and at low cost optical transmission and reflection windows, It can be applied to optical parts, semiconductor packages, chemical resistant coatings, abrasion resistant coatings and decorative article coatings.

【0026】次に、本発明の実施例に係るダイヤモンド
薄膜の製造方法について更に詳細に説明する。ダイヤモ
ンド薄膜を形成するための基板としては、例えば、(0
01)結晶面又は(111)結晶面を有する単結晶シリ
コン等を使用し、この基板上にダイヤモンド薄膜をマイ
クロ波CVD法により気相合成する。
Next, the method for producing a diamond thin film according to an embodiment of the present invention will be described in more detail. As a substrate for forming a diamond thin film, for example, (0
A single crystal silicon having a (01) crystal plane or a (111) crystal plane is used, and a diamond thin film is vapor-phase synthesized on the substrate by a microwave CVD method.

【0027】ダイヤモンド薄膜を気相合成する方法とし
ては、マイクロ波CVD法の他には、ダイヤモンドの気
相合成法として従来公知の熱フィラメントCVD法、直
流プラズマCVD法、プラズマジェット法、及び熱CV
D法等を使用することもできる。例えば、熱フィラメン
トCVD法によるダイヤモンドの成膜条件は、フィラメ
ント温度が、例えば2200℃、ガス圧力が、例えば
3.99kPa乃至19.95kPa、試料表面温度
が、例えば450乃至500℃である。原料ガスとして
は、例えば水素ガス、メタンガス及び二酸化炭素ガスか
らなる混合ガスを使用することができ、水素ガス流量
は、例えば1乃至10リットル/分、メタンガス流量
は、例えば0.2乃至1リットル/分、二酸化炭素ガス
流量は、例えば0.2乃至1リットル/分である。
As a method of vapor phase synthesis of a diamond thin film, in addition to a microwave CVD method, a hot filament CVD method, a DC plasma CVD method, a plasma jet method, and a thermal CV method which are conventionally known as a vapor phase synthesis method of diamond.
Method D or the like can also be used. For example, the conditions for forming a diamond film by the hot filament CVD method include a filament temperature of, for example, 2200 ° C., a gas pressure of, for example, 3.99 kPa to 19.95 kPa, and a sample surface temperature of, for example, 450 to 500 ° C. As the raw material gas, for example, a mixed gas composed of hydrogen gas, methane gas and carbon dioxide gas can be used, and the flow rate of hydrogen gas is, for example, 1 to 10 liter / min, and the flow rate of methane gas is, for example, 0.2 to 1 liter / The carbon dioxide gas flow rate is, for example, 0.2 to 1 liter / minute.

【0028】次に、マイクロ波CVD法によりダイヤモ
ンド薄膜を成膜する方法について更に詳細に説明する。
図2は、ダイヤモンド気相合成用のマイクロ波CVD装
置を示す模式図である。真空容器(チャンバ)11の底
面には、マイクロ波を真空容器11内に導入する開口部
12が設けられ、真空容器11の底面外側から開口部1
2に導波管が接続されている。真空容器11内であって
その底面上には、真空容器11内の基板14上にマイク
ロ波を導入するため、筒状で石英製のマイクロ波窓13
が設けられている。このマイクロ波窓13上に基板14
を支持するための基板支持台15が保持されている。ま
た、真空容器11の底面のマイクロ波窓13の外側に
は、真空容器11内部に投入された原料ガスを排気する
ため配管16が連結され、この配管16は排気バルブ1
7に接続されている。真空容器11の上部には、原料ガ
ス管18aがその先端を真空容器11内に挿入して設け
られており、これにより、複数種の原料ガスを導入する
原料ガス供給部18が構成されている。なお、原料ガス
供給部18には流量調節器(図示せず)等が設けられ、
真空容器11内に供給する原料ガスを制御することがで
きる。基板支持台15に冷却水を流す配管19が設けら
れ、この配管19は基板支持台15の内部まで延出され
ており、これにより基板支持台15を水冷する。
Next, a method of forming a diamond thin film by a microwave CVD method will be described in more detail.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a microwave CVD apparatus for diamond vapor phase synthesis. An opening 12 for introducing microwaves into the vacuum container 11 is provided on the bottom surface of the vacuum container (chamber) 11.
2, a waveguide is connected. In the vacuum vessel 11 and on the bottom surface thereof, there is provided a cylindrical quartz-made microwave window 13 for introducing microwaves onto a substrate 14 in the vacuum vessel 11.
Is provided. The substrate 14 is placed on the microwave window 13.
A substrate support 15 for supporting the substrate is held. Outside the microwave window 13 on the bottom surface of the vacuum vessel 11, a pipe 16 is connected to exhaust the raw material gas supplied into the vacuum vessel 11, and this pipe 16 is connected to the exhaust valve 1.
7 is connected. At the upper part of the vacuum vessel 11, a source gas pipe 18a is provided with its tip inserted into the vacuum vessel 11, thereby forming a source gas supply unit 18 for introducing a plurality of types of source gases. . The raw material gas supply unit 18 is provided with a flow controller (not shown) and the like.
The source gas supplied into the vacuum chamber 11 can be controlled. A pipe 19 for flowing cooling water is provided on the substrate support 15, and the pipe 19 extends to the inside of the substrate support 15, thereby cooling the substrate support 15 with water.

【0029】このような装置において、先ず、気相合成
に使用する基板は、ダイヤモンド膜を気相合成する前
に、アルコールで洗浄し、ダイヤモンド粉末又はダイヤ
モンドペーストを使用し、表面にバフ研磨による傷つけ
処理又は超音波処理による傷つけ処理を施す。その後、
真空容器11内を真空引きする。次いで、真空容器11
上方の原料ガス供給部18から原料ガスを真空容器11
内に供給し、原料ガスの混合比及び真空容器11内の圧
力が一定になった後、マイクロ波(周波数915MH
z)を真空容器11の下部から石英製マイクロ波窓13
を介して真空容器11内に導入し、基板支持台15上に
載置された基板14の上方にプラズマ21を発生させ
る。原料ガスは、プラズマ21により分解され、一部が
基板14上にダイヤモンドとして蒸着され、残部は、排
気バルブ17により配管16を通して排出される。チャ
ンバ11内の圧力は原料ガスの供給量及びチャンバ11
内の排気量により制御することができる。また、基板支
持台15が水冷されることにより、基板14が背面から
冷却されているが、マイクロ波パワーとのバランスによ
り、ダイヤモンド薄膜の気相合成中は一定の温度に保持
される。即ち、基板表面温度は真空容器11の上方で、
放射温度計(図示せず)によりモニターし、基板表面温
度が一定に保持されるようにマイクロ波パワーが制御さ
れる。
In such an apparatus, first, the substrate used for the vapor phase synthesis is cleaned with alcohol before diamond phase is vapor-phase synthesized, and a diamond powder or a diamond paste is used. Damage treatment is performed by treatment or ultrasonic treatment. afterwards,
The inside of the vacuum container 11 is evacuated. Next, the vacuum container 11
The source gas is supplied from the upper source gas supply unit 18 to the vacuum vessel 11.
After the mixing ratio of the raw material gas and the pressure in the vacuum chamber 11 become constant, the microwave (frequency 915 MH)
z) a quartz microwave window 13 from the bottom of the vacuum vessel 11
To generate a plasma 21 above the substrate 14 placed on the substrate support 15. The source gas is decomposed by the plasma 21, a part of the source gas is vapor-deposited on the substrate 14 as diamond, and the remainder is exhausted through the pipe 16 by the exhaust valve 17. The pressure in the chamber 11 depends on the supply amount of the raw material gas and the chamber 11.
It can be controlled by the amount of exhaust inside. The substrate 14 is cooled from the back by cooling the substrate support 15 with water, but is kept at a constant temperature during the vapor phase synthesis of the diamond thin film due to the balance with the microwave power. That is, the substrate surface temperature is above the vacuum vessel 11,
Monitoring is performed by a radiation thermometer (not shown), and the microwave power is controlled so that the substrate surface temperature is kept constant.

【0030】本実施例のダイヤモンド薄膜の成膜条件と
しては、マイクロ波パワーが、例えば15乃至35k
W、プラズマチャンバ内の圧力が、例えば66.5乃至
10.6kPa、表面温度が、例えば450乃至500
℃である。また、原料ガス供給部から供給する原料ガス
としては、例えば、水素ガス、メタンガス及び二酸化炭
素ガスからなる混合ガスとすることができ、例えば、水
素ガス流量が1乃至5リットル/分、メタンガス流量が
0.02乃至0.1リットル/分、及び二酸化炭素流量
が0.02乃至0.1リットル/分である。
The conditions for forming the diamond thin film according to the present embodiment are as follows.
W, the pressure in the plasma chamber is, for example, 66.5 to 10.6 kPa, and the surface temperature is, for example, 450 to 500.
° C. The source gas supplied from the source gas supply unit may be, for example, a mixed gas composed of hydrogen gas, methane gas, and carbon dioxide gas. For example, the hydrogen gas flow rate is 1 to 5 liter / min, and the methane gas flow rate is 0.02 to 0.1 l / min and the carbon dioxide flow rate is 0.02 to 0.1 l / min.

【0031】基板は、シリコン及びゲルマニウム等の単
体、シリコン−ゲルマニウム、サファイア、シリコンカ
ーバイド及び窒化ガリウム等の化合物、積層体若しくは
混晶体、石英等のガラス等、又はプラスチック樹脂等の
500℃以上の耐熱性を有する材料からなる基板材料か
らなるものを使用することができる。そして、これらの
基板の大きさにより、直径100乃至300mmの面積
に、成膜速度が0.1乃至0.3μm/時間で、厚さ
0.1乃至1μmのダイヤモンド薄膜が得られる。
The substrate is made of a simple substance such as silicon and germanium, a compound such as silicon-germanium, sapphire, silicon carbide and gallium nitride, a laminated body or a mixed crystal, a glass such as quartz, or a plastic resin or the like having a heat resistance of 500 ° C. or more. A substrate made of a material having properties can be used. Then, depending on the size of these substrates, a diamond thin film having a film thickness of 0.1 to 0.3 μm / hour and a thickness of 0.1 to 1 μm can be obtained in an area having a diameter of 100 to 300 mm.

【0032】本実施例によれば、マイクロ波CVD法に
より、表面温度を500℃以下に維持すると共に、マイ
クロ波パワーM(kW)に対するチャンバ内の圧力P
(Pa)の比M/Pを360乃至440に維持すること
により、膜厚t/表面積aが3.5×10
−5(m−1)以下である広面積で膜厚が薄いダイヤモ
ンド薄膜を得ることができる。また、このようにして得
られるダイヤモンド薄膜は、基板とダイヤモンド薄膜と
の密着性が高く、従来より薄膜であってもピンホールが
なく(ピンホールフリー)高品質である。更に、表面粗
度が小さいため、成膜後に研磨をする必要がない。ま
た、成膜時の表面温度を500℃以下に維持するため、
500℃以上の耐熱性を有する材料であれば、基板とし
て使用することができる。
According to the present embodiment, the surface temperature is maintained at 500 ° C. or less by the microwave CVD method, and the pressure P in the chamber with respect to the microwave power M (kW).
By keeping the ratio M / P of (Pa) in the range of 360 to 440, the film thickness t / surface area a becomes 3.5 × 10
A diamond thin film having a large area and a small film thickness of not more than −5 (m −1 ) can be obtained. Further, the diamond thin film thus obtained has high adhesion between the substrate and the diamond thin film, and has no pinholes (pinhole-free) and high quality even if it is thinner than before. Further, since the surface roughness is small, there is no need to polish after film formation. Also, in order to maintain the surface temperature during film formation at 500 ° C. or less,
Any material having a heat resistance of 500 ° C. or higher can be used as a substrate.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
表面温度を500℃以下に維持しつつ、マイクロ波パワ
ーM(Pa)に対するチャンバ内の圧力P(kW)の比
P/Mを360乃至440とすることにより、表面積を
a、膜厚tとしたとき、t/aが3×10
−5(m−1)以下である極めて薄く広面積のダイヤモ
ンド薄膜をピンホール等の欠陥がなく形成することがで
きる。また、基板とダイヤモンド薄膜との密着性が高
く、成膜時の基板温度が低いため、基板材料の選択範囲
を広げることができる。これにより、ダイヤモンドが本
来有する化学的安定性、光透過性、高屈折率、高硬度及
び低誘電損失等の特性を活かして、光学透過及び反射
窓、光学関連部品、半導体パッケージ、耐薬品コーティ
ング、耐摩耗コーティング並びに装飾品コーティング等
に適用できる。更に、本発明のダイヤモンド薄膜は表面
粗度が小さく、研磨が不要である点も極めて大きな利点
である。
As described in detail above, according to the present invention,
While maintaining the surface temperature at 500 ° C. or less, the ratio P / M of the pressure P (kW) in the chamber to the microwave power M (Pa) is set to 360 to 440, so that the surface area is a and the film thickness is t. When t / a is 3 × 10
An extremely thin and wide diamond thin film having a size of −5 (m −1 ) or less can be formed without defects such as pinholes. Further, since the adhesion between the substrate and the diamond thin film is high and the substrate temperature during film formation is low, the selection range of the substrate material can be widened. Thus, utilizing the inherent properties of diamond such as chemical stability, light transmittance, high refractive index, high hardness and low dielectric loss, optical transmission and reflection windows, optical related components, semiconductor packages, chemical resistant coatings, Applicable to wear-resistant coatings and decorative coatings. Further, the diamond thin film of the present invention has a very large advantage that the surface roughness is small and polishing is not required.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)及び(b)は本発明の実施例に係るダイ
ヤモンド薄膜の夫々表面及び断面の図面代用写真であ
る。
FIGS. 1 (a) and 1 (b) are photographs substituted for drawings of the surface and cross section, respectively, of a diamond thin film according to an example of the present invention.

【図2】本発明の実施例のプラズマCVD装置を示す模
式的断面図である。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing a plasma CVD apparatus according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11;真空容器 13;マイクロ波窓 14;基板 15;基板支持台 16、19、20;配管 17;排気バルブ 18;原料ガス供給部 21;プラズマ Reference Signs List 11; vacuum container 13; microwave window 14; substrate 15; substrate support base 16, 19, 20; pipe 17; exhaust valve 18;

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面積をa、膜厚tとしたとき、表面積
に対する膜厚の比t/aが3×10−5(m−1)以下
であることを特徴とするダイヤモンド薄膜。
1. A diamond thin film characterized in that a ratio t / a of a film thickness to a surface area is 3 × 10 −5 (m −1 ) or less, where a is a surface area and t is a film thickness.
【請求項2】 ボロン、窒素及びリンからなる群から選
択された1種の材料によりドーピングされていることを
特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド薄膜。
2. The diamond thin film according to claim 1, wherein the diamond thin film is doped with one material selected from the group consisting of boron, nitrogen, and phosphorus.
【請求項3】 シリコン、ゲルマニウム、シリコン−ゲ
ルマニウム、サファイア、シリコンカーバイド、窒化ガ
リウム、石英及びガラスからなる群から選択された1種
の材料からなる基板上に形成されていることを特徴とす
る請求項1に記載のダイヤモンド薄膜。
3. The method according to claim 1, wherein the substrate is formed on a substrate made of one material selected from the group consisting of silicon, germanium, silicon-germanium, sapphire, silicon carbide, gallium nitride, quartz and glass. Item 2. The diamond thin film according to item 1.
【請求項4】 マイクロ波プラズマCVD法により、投
入するマイクロ波パワーをM(単位:kW、M≧3k
W)、プラズマチャンバ内の圧力をP(単位:Pa)と
したとき、マイクロ波パワーに対する圧力の比P/Mを
360乃至440に維持すると共に、合成時の表面温度
を500℃以下に維持して請求項1乃至3のいずれか1
項に記載のダイヤモンド薄膜を成膜することを特徴とす
るダイヤモンド薄膜の製造方法。
4. The microwave power to be applied is M (unit: kW, M ≧ 3 k) by a microwave plasma CVD method.
W) When the pressure in the plasma chamber is P (unit: Pa), the ratio P / M of the pressure to the microwave power is maintained at 360 to 440, and the surface temperature during synthesis is maintained at 500 ° C. or less. Any one of claims 1 to 3
13. A method for producing a diamond thin film, comprising forming the diamond thin film according to the above item.
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Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7033912B2 (en) 2004-01-22 2006-04-25 Cree, Inc. Silicon carbide on diamond substrates and related devices and methods
US7294324B2 (en) 2004-09-21 2007-11-13 Cree, Inc. Low basal plane dislocation bulk grown SiC wafers
US7422634B2 (en) 2005-04-07 2008-09-09 Cree, Inc. Three inch silicon carbide wafer with low warp, bow, and TTV
JP2010001215A (en) * 2002-09-20 2010-01-07 Element Six Ltd Single crystal diamond
US7709269B2 (en) 2006-01-17 2010-05-04 Cree, Inc. Methods of fabricating transistors including dielectrically-supported gate electrodes
CN101864560A (en) * 2010-05-24 2010-10-20 北京科技大学 High power microwave plasma diamond film deposition device
US7960756B2 (en) 2006-01-17 2011-06-14 Cree, Inc. Transistors including supported gate electrodes
GB2486778A (en) * 2010-12-23 2012-06-27 Element Six Ltd A method of making a doped diamond by CVD and doped diamonds made by CVD
US20120199553A1 (en) * 2004-04-19 2012-08-09 Yoshinori Koga Carbon film
US8859058B2 (en) 2010-12-23 2014-10-14 Element Six Limited Microwave plasma reactors and substrates for synthetic diamond manufacture
CN104164658A (en) * 2014-08-06 2014-11-26 北京科技大学 Ellipsoidal high-power microwave plasma diamond film deposition device
US8955456B2 (en) 2010-12-23 2015-02-17 Element Six Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US9035354B2 (en) 2004-02-05 2015-05-19 Cree, Inc. Heterojunction transistors having barrier layer bandgaps greater than channel layer bandgaps and related methods
US9142389B2 (en) 2010-12-23 2015-09-22 Element Six Technologies Limited Microwave power delivery system for plasma reactors
US9410242B2 (en) 2010-12-23 2016-08-09 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
CN109778138A (en) * 2019-03-21 2019-05-21 郑州磨料磨具磨削研究所有限公司 A kind of microwave plasma diamond film deposition device
US10403477B2 (en) 2010-12-23 2019-09-03 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US11371147B2 (en) 2010-12-23 2022-06-28 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
JP7421018B1 (en) 2022-04-26 2024-01-23 住友化学株式会社 Diamond film deposited substrate and method for manufacturing diamond film deposited substrate

Cited By (29)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010001215A (en) * 2002-09-20 2010-01-07 Element Six Ltd Single crystal diamond
US7579626B2 (en) 2004-01-22 2009-08-25 Cree, Inc. Silicon carbide layer on diamond substrate for supporting group III nitride heterostructure device
US7033912B2 (en) 2004-01-22 2006-04-25 Cree, Inc. Silicon carbide on diamond substrates and related devices and methods
US8513672B2 (en) 2004-01-22 2013-08-20 Cree, Inc. Wafer precursor prepared for group III nitride epitaxial growth on a composite substrate having diamond and silicon carbide layers, and semiconductor laser formed thereon
US7863624B2 (en) 2004-01-22 2011-01-04 Cree, Inc. Silicon carbide on diamond substrates and related devices and methods
US9142617B2 (en) 2004-01-22 2015-09-22 Cree, Inc. Wide bandgap device having a buffer layer disposed over a diamond substrate
US9035354B2 (en) 2004-02-05 2015-05-19 Cree, Inc. Heterojunction transistors having barrier layer bandgaps greater than channel layer bandgaps and related methods
US20120199553A1 (en) * 2004-04-19 2012-08-09 Yoshinori Koga Carbon film
US8501276B2 (en) * 2004-04-19 2013-08-06 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Carbon film
US7294324B2 (en) 2004-09-21 2007-11-13 Cree, Inc. Low basal plane dislocation bulk grown SiC wafers
US7422634B2 (en) 2005-04-07 2008-09-09 Cree, Inc. Three inch silicon carbide wafer with low warp, bow, and TTV
US8049252B2 (en) 2006-01-17 2011-11-01 Cree, Inc. Methods of fabricating transistors including dielectrically-supported gate electrodes and related devices
US7960756B2 (en) 2006-01-17 2011-06-14 Cree, Inc. Transistors including supported gate electrodes
US7709269B2 (en) 2006-01-17 2010-05-04 Cree, Inc. Methods of fabricating transistors including dielectrically-supported gate electrodes
CN101864560A (en) * 2010-05-24 2010-10-20 北京科技大学 High power microwave plasma diamond film deposition device
GB2486778B (en) * 2010-12-23 2013-10-23 Element Six Ltd Controlling doping of synthetic diamond material
US9637838B2 (en) 2010-12-23 2017-05-02 Element Six Limited Methods of manufacturing synthetic diamond material by microwave plasma enhanced chemical vapor deposition from a microwave generator and gas inlet(s) disposed opposite the growth surface area
US8955456B2 (en) 2010-12-23 2015-02-17 Element Six Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US8859058B2 (en) 2010-12-23 2014-10-14 Element Six Limited Microwave plasma reactors and substrates for synthetic diamond manufacture
GB2486778A (en) * 2010-12-23 2012-06-27 Element Six Ltd A method of making a doped diamond by CVD and doped diamonds made by CVD
US9142389B2 (en) 2010-12-23 2015-09-22 Element Six Technologies Limited Microwave power delivery system for plasma reactors
US9410242B2 (en) 2010-12-23 2016-08-09 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US11488805B2 (en) 2010-12-23 2022-11-01 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US9738970B2 (en) 2010-12-23 2017-08-22 Element Six Limited Microwave plasma reactors and substrates for synthetic diamond manufacture
US11371147B2 (en) 2010-12-23 2022-06-28 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
US10403477B2 (en) 2010-12-23 2019-09-03 Element Six Technologies Limited Microwave plasma reactor for manufacturing synthetic diamond material
CN104164658A (en) * 2014-08-06 2014-11-26 北京科技大学 Ellipsoidal high-power microwave plasma diamond film deposition device
CN109778138A (en) * 2019-03-21 2019-05-21 郑州磨料磨具磨削研究所有限公司 A kind of microwave plasma diamond film deposition device
JP7421018B1 (en) 2022-04-26 2024-01-23 住友化学株式会社 Diamond film deposited substrate and method for manufacturing diamond film deposited substrate

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