JP2001354491A - ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置 - Google Patents
ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置Info
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- JP2001354491A JP2001354491A JP2000169862A JP2000169862A JP2001354491A JP 2001354491 A JP2001354491 A JP 2001354491A JP 2000169862 A JP2000169862 A JP 2000169862A JP 2000169862 A JP2000169862 A JP 2000169862A JP 2001354491 A JP2001354491 A JP 2001354491A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 比較的低温で、所望の結晶方位を有する結晶
を得ることができるダイヤモンド成長方法及び成長装置
を提供する。 【解決手段】 反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ
波電力を印加することにより反応ガスをプラズマ化する
とともに、基板にバイアス電圧を印加し、基板表面にダ
イヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長装置であ
って、基板及び基板を載置する載置台を包囲するように
反応ガスをプラズマ化し、基板温度を一定に保持しなが
ら、ダイヤモンド結晶を成長させる。
を得ることができるダイヤモンド成長方法及び成長装置
を提供する。 【解決手段】 反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ
波電力を印加することにより反応ガスをプラズマ化する
とともに、基板にバイアス電圧を印加し、基板表面にダ
イヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長装置であ
って、基板及び基板を載置する載置台を包囲するように
反応ガスをプラズマ化し、基板温度を一定に保持しなが
ら、ダイヤモンド結晶を成長させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンド成長
方法及び成長装置に関し、特に、成長するダイヤモンド
の面方位を簡便に制御することができるダイヤモンド成
長方法及び成長装置に関する。
方法及び成長装置に関し、特に、成長するダイヤモンド
の面方位を簡便に制御することができるダイヤモンド成
長方法及び成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】ダイヤモンドは化学的安定性、高い熱導
電率、表面を水素終端した場合の負性電子親和力など優
れた特性を持つため、電子デバイス材料として期待され
ている。このダイヤモンドをデバイスとして用いるため
には、配向性の揃ったダイヤモンド結晶を形成する必要
がある。
電率、表面を水素終端した場合の負性電子親和力など優
れた特性を持つため、電子デバイス材料として期待され
ている。このダイヤモンドをデバイスとして用いるため
には、配向性の揃ったダイヤモンド結晶を形成する必要
がある。
【０００３】図３にいわゆるバイアス法によるダイヤモ
ンド成長に使用されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を
示す。反応管１内に上部電極２と載置台となる下部電極
３が配置され、下部電極３上にダイヤモンドを成長させ
る基板４を載置する。図に示すように、基板４を載置す
る載置台表面には、下部電極３が露出した構造となって
いる。反応管内を一旦ポンプで真空引きした後、水素、
メタンガス等の反応ガスを導入する。マイクロ波電源６
からマイクロ波電力を投入し、反応ガスを励起させ、プ
ラズマを発生させる。この処理によって、基板４表面に
炭化層が形成される。次にメタンガスの流量を増加さ
せ、上部電極２、下部電極３間に直流電源５から直流バ
イアス電圧を印加し、基板４表面にダイヤモンドの微結
晶を析出させる。その後、直流バイアス電圧の印加を停
止し、ダイヤモンド微結晶のエピタキシャル成長を行う
ことで、ダイヤモンド単結晶層を得ることができる。
ンド成長に使用されるマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を
示す。反応管１内に上部電極２と載置台となる下部電極
３が配置され、下部電極３上にダイヤモンドを成長させ
る基板４を載置する。図に示すように、基板４を載置す
る載置台表面には、下部電極３が露出した構造となって
いる。反応管内を一旦ポンプで真空引きした後、水素、
メタンガス等の反応ガスを導入する。マイクロ波電源６
からマイクロ波電力を投入し、反応ガスを励起させ、プ
ラズマを発生させる。この処理によって、基板４表面に
炭化層が形成される。次にメタンガスの流量を増加さ
せ、上部電極２、下部電極３間に直流電源５から直流バ
イアス電圧を印加し、基板４表面にダイヤモンドの微結
晶を析出させる。その後、直流バイアス電圧の印加を停
止し、ダイヤモンド微結晶のエピタキシャル成長を行う
ことで、ダイヤモンド単結晶層を得ることができる。
【０００４】図４に反応管内のプラズマの電位分布を模
式的に示す。上部電極２と下部電極３間に直流電源５を
用いてＶｂ＝−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加する
と、プラズマと基板表面との間に、図に示すような電位
差が生じる。この電位差が生じた領域は、イオンシース
と呼ばれ、この領域を通過する正に帯電したハイドロカ
ーボンなどのイオンのみが基板４表面に到達する。
式的に示す。上部電極２と下部電極３間に直流電源５を
用いてＶｂ＝−１００Ｖの直流バイアス電圧を印加する
と、プラズマと基板表面との間に、図に示すような電位
差が生じる。この電位差が生じた領域は、イオンシース
と呼ばれ、この領域を通過する正に帯電したハイドロカ
ーボンなどのイオンのみが基板４表面に到達する。
【０００５】このような成長装置を用いてダイヤモンド
成長を行なう場合、基板温度によって、析出するダイヤ
モンド結晶の面方位が変化する例が報告されている。一
例として、適当なバイアス条件を設定することによっ
て、６００〜７００℃で成長を行い、（１００）面に配
向したダイヤモンド結晶が得られると報告されている
（Appl.Phys.Lett.62,1215(1993))。また、９００〜９
５０℃で成長を行うと（１００）面の結晶が得られ、１
０００℃以上で成長を行なうと（１１１）面の結晶が得
られると報告されている例もある（Ins.Society for Op
tical Eng.1325,187(1990))。
成長を行なう場合、基板温度によって、析出するダイヤ
モンド結晶の面方位が変化する例が報告されている。一
例として、適当なバイアス条件を設定することによっ
て、６００〜７００℃で成長を行い、（１００）面に配
向したダイヤモンド結晶が得られると報告されている
（Appl.Phys.Lett.62,1215(1993))。また、９００〜９
５０℃で成長を行うと（１００）面の結晶が得られ、１
０００℃以上で成長を行なうと（１１１）面の結晶が得
られると報告されている例もある（Ins.Society for Op
tical Eng.1325,187(1990))。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の製造
装置を用いて、ダイヤモンド成長を行なう場合、（１０
０）面に配向した結晶は、比較的低温で得ることができ
ていた。しかし、電子放出材料として有効な（１１１）
面に配向したダイヤモンドを得るためには、１０００℃
を越える高温で成長させる必要があった。本発明は上記
問題点を解消し、比較的低温で、所望の面方位を有する
ダイヤモンド結晶を得ることができるダイヤモンド成長
方法及び成長装置を提供することを目的とする。
装置を用いて、ダイヤモンド成長を行なう場合、（１０
０）面に配向した結晶は、比較的低温で得ることができ
ていた。しかし、電子放出材料として有効な（１１１）
面に配向したダイヤモンドを得るためには、１０００℃
を越える高温で成長させる必要があった。本発明は上記
問題点を解消し、比較的低温で、所望の面方位を有する
ダイヤモンド結晶を得ることができるダイヤモンド成長
方法及び成長装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願第１の発明のダイヤモンド成長方法は、反応管
内に反応ガスを導入し、マイクロ波電力を印加すること
により前記反応ガスをプラズマ化するとともに、基板に
バイアス電圧を印加し、該基板表面にダイヤモンド結晶
を成長させるダイヤモンド成長方法において、前記基板
及び該基板を載置する載置台を包囲するように前記反応
ガスをプラズマ化し、前記基板温度を一定に保持しなが
ら、ダイヤモンド結晶を成長させる工程を含むことを特
徴とするものである。
め、本願第１の発明のダイヤモンド成長方法は、反応管
内に反応ガスを導入し、マイクロ波電力を印加すること
により前記反応ガスをプラズマ化するとともに、基板に
バイアス電圧を印加し、該基板表面にダイヤモンド結晶
を成長させるダイヤモンド成長方法において、前記基板
及び該基板を載置する載置台を包囲するように前記反応
ガスをプラズマ化し、前記基板温度を一定に保持しなが
ら、ダイヤモンド結晶を成長させる工程を含むことを特
徴とするものである。
【０００８】また本願第２の発明のダイヤモンド成長装
置は、反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ波電力を
印加することにより前記反応ガスをプラズマ化するとと
もに、基板にバイアス電圧を印加し、該基板表面にダイ
ヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長装置におい
て、前記基板の一部が接触する前記バイアス電圧を印加
するための電極部と、前記基板表面を露出し、該基板周
辺部及び該基板周辺部の前記電極部を覆う誘電体とで構
成された載置台と、前記基板を一定温度に保持する手段
とを備えたことを特徴とするものである。
置は、反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ波電力を
印加することにより前記反応ガスをプラズマ化するとと
もに、基板にバイアス電圧を印加し、該基板表面にダイ
ヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長装置におい
て、前記基板の一部が接触する前記バイアス電圧を印加
するための電極部と、前記基板表面を露出し、該基板周
辺部及び該基板周辺部の前記電極部を覆う誘電体とで構
成された載置台と、前記基板を一定温度に保持する手段
とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を例にとり
説明する。反応管１内に上部電極２と下部電極３が設置
され、下部電極３上にダイヤモンドを成長させるシリコ
ン単結晶からなる基板４を載置する。上部電極２及び下
部電極３間には、直流電源５が接続され、両電極間に直
流バイアス電圧が印加される。ここで、載置台となる下
部電極３の構造が従来例と異なる。即ち、基板４は表面
を露出し、側面を石英ガラスからなる誘電体７で覆うよ
うに載置している。更に下部電極３は、基板１裏面の少
なくとも一部と接するとともに、少なくとも基板４周辺
部の近傍は、誘電体７によって覆われ、露出しない構造
となっている。
て図１に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を例にとり
説明する。反応管１内に上部電極２と下部電極３が設置
され、下部電極３上にダイヤモンドを成長させるシリコ
ン単結晶からなる基板４を載置する。上部電極２及び下
部電極３間には、直流電源５が接続され、両電極間に直
流バイアス電圧が印加される。ここで、載置台となる下
部電極３の構造が従来例と異なる。即ち、基板４は表面
を露出し、側面を石英ガラスからなる誘電体７で覆うよ
うに載置している。更に下部電極３は、基板１裏面の少
なくとも一部と接するとともに、少なくとも基板４周辺
部の近傍は、誘電体７によって覆われ、露出しない構造
となっている。
【００１０】ここで、上部電極２に対向する誘電体７の
表面は、基板４表面よりわずかに高くなるように設定さ
れている。また、マイクロ波電力が供給される導波管の
開口部には、誘電体７の側面部が対向するようにし、金
属からなる下部電極３が、導波管の開口部に対向しない
ようにする。
表面は、基板４表面よりわずかに高くなるように設定さ
れている。また、マイクロ波電力が供給される導波管の
開口部には、誘電体７の側面部が対向するようにし、金
属からなる下部電極３が、導波管の開口部に対向しない
ようにする。
【００１１】反応管１内を一旦ポンプで真空引きした
後、水素ガスを１００ｓｃｃｍで１０分間、反応管１内
に導入した後、反応管内を６６５０Ｐａに調整し、基板
温度が７８０℃となるようにマイクロ波電力を調整し、
３０分間保持する。この水素プラズマ処理は、基板表面
に形成した自然酸化膜を還元除去するとともに、表面の
清浄化のために行われるものである。ここで、下部電極
３は誘電体７で覆われ、少なくとも基板４周辺に下部電
極３が露出する部分がないので、図２に示すように、基
板４表面と基板４を載置する下部電極３及び誘電体７か
らなる載置台を包囲するようにプラズマが発生する。ま
た、上部電極２に対向する基板４表面は、誘電体７表面
より低くなるように設定することで、基板４周辺部（端
部）の電界を緩和して、高密度のプラズマが発生するこ
とを防止することができ、基板周辺部と中央部との温度
差を小さくすることができる。
後、水素ガスを１００ｓｃｃｍで１０分間、反応管１内
に導入した後、反応管内を６６５０Ｐａに調整し、基板
温度が７８０℃となるようにマイクロ波電力を調整し、
３０分間保持する。この水素プラズマ処理は、基板表面
に形成した自然酸化膜を還元除去するとともに、表面の
清浄化のために行われるものである。ここで、下部電極
３は誘電体７で覆われ、少なくとも基板４周辺に下部電
極３が露出する部分がないので、図２に示すように、基
板４表面と基板４を載置する下部電極３及び誘電体７か
らなる載置台を包囲するようにプラズマが発生する。ま
た、上部電極２に対向する基板４表面は、誘電体７表面
より低くなるように設定することで、基板４周辺部（端
部）の電界を緩和して、高密度のプラズマが発生するこ
とを防止することができ、基板周辺部と中央部との温度
差を小さくすることができる。
【００１２】次に、メタンガスを１ｓｃｃｍ反応管１内
に導入し、９０分間プラズマ処理する。このプラズマ処
理によって、基板４表面に炭化層が形成される。
に導入し、９０分間プラズマ処理する。このプラズマ処
理によって、基板４表面に炭化層が形成される。
【００１３】メタンガスの流量を５ｓｃｃｍに増加さ
せ、直流電源５によって上部電極２、下部電極３間に直
流バイアス電圧を印加する、いわゆるバイアス処理を行
なう。このバイアス処理は、まず１０ｍＡ程度の電流が
流れるようにする。なお、基板サイズは、７×７ｍｍ2
とし、基板と上部電極との間隔が４０ｍｍ程度のとき、
直流電源の出力は、約１５０Ｖであった。この状態を５
分間保つ。この５分間の処理により、その後、電流値を
増加させた場合でも、下部電極と誘電体との間で、放電
が発生するのを防止する。上記条件で５分間保持した
後、電流を１００ｍＡまで増加させ、１０分間保持す
る。このとき、直流電源５の出力は、約３５０Ｖであっ
た。また基板の温度は、７８０〜８００℃の範囲となる
ようにマイクロ波電力を制御した。このようなバイアス
処理を施した後の基板表面には、多数のダイヤモンドの
微結晶が均一に析出していることが確認された。
せ、直流電源５によって上部電極２、下部電極３間に直
流バイアス電圧を印加する、いわゆるバイアス処理を行
なう。このバイアス処理は、まず１０ｍＡ程度の電流が
流れるようにする。なお、基板サイズは、７×７ｍｍ2
とし、基板と上部電極との間隔が４０ｍｍ程度のとき、
直流電源の出力は、約１５０Ｖであった。この状態を５
分間保つ。この５分間の処理により、その後、電流値を
増加させた場合でも、下部電極と誘電体との間で、放電
が発生するのを防止する。上記条件で５分間保持した
後、電流を１００ｍＡまで増加させ、１０分間保持す
る。このとき、直流電源５の出力は、約３５０Ｖであっ
た。また基板の温度は、７８０〜８００℃の範囲となる
ようにマイクロ波電力を制御した。このようなバイアス
処理を施した後の基板表面には、多数のダイヤモンドの
微結晶が均一に析出していることが確認された。
【００１４】メタンガスの供給のみを停止し、１０ｍＡ
程度の電流が流れるようにし、５分間保持する。その
後、直流電流の印加を停止し、水素プラズマ処理を２０
分間行なう。この水素プラズマ処理は、バイアス処理時
に発生したダイヤモンド微結晶以外の炭化物を除去する
ために行なう。
程度の電流が流れるようにし、５分間保持する。その
後、直流電流の印加を停止し、水素プラズマ処理を２０
分間行なう。この水素プラズマ処理は、バイアス処理時
に発生したダイヤモンド微結晶以外の炭化物を除去する
ために行なう。
【００１５】その後、メタンガスを１ｓｃｃｍとし、２
時間、ダイヤモンド微結晶のエピタキシャル成長を行な
う。上記条件で得られたダイヤモンド結晶は、（１１
１）に配向した結晶となった。
時間、ダイヤモンド微結晶のエピタキシャル成長を行な
う。上記条件で得られたダイヤモンド結晶は、（１１
１）に配向した結晶となった。
【００１６】このように本発明は、基板と載置台を包囲
するようにプラズマを発生させるように構成すること
で、基板温度が７８０〜８００℃と比較的低温で（１１
１）に配向した結晶を得ることができた。
するようにプラズマを発生させるように構成すること
で、基板温度が７８０〜８００℃と比較的低温で（１１
１）に配向した結晶を得ることができた。
【００１７】また基板温度を８５０〜９００℃に設定す
ると、（１００）に配向したダイヤモンド結晶を得るこ
とができ、基板温度を所定の温度に制御することで、所
望の面結晶方位に配向した結晶を得ることができる。
ると、（１００）に配向したダイヤモンド結晶を得るこ
とができ、基板温度を所定の温度に制御することで、所
望の面結晶方位に配向した結晶を得ることができる。
【００１８】なお、上部電極と基板との距離を３０〜５
０ｍｍ、直流電源電圧を１０〜３５０Ｖ、電流を５〜３
００ｍＡ、バイアス処理時間を３〜３０分の範囲で設定
した場合でも、同様の結果を得ることができた。
０ｍｍ、直流電源電圧を１０〜３５０Ｖ、電流を５〜３
００ｍＡ、バイアス処理時間を３〜３０分の範囲で設定
した場合でも、同様の結果を得ることができた。
【００１９】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
板温度を所望の温度に制御することによって、（１１
１）面あるいは（１００）面に配向したダイヤモンド結
晶を再現性良く形成することができた。特に、電子放出
特性の優れた（１１１）面に配向したダイヤモンド結晶
を、従来より２００℃程度低い温度で形成することが可
能となった。
板温度を所望の温度に制御することによって、（１１
１）面あるいは（１００）面に配向したダイヤモンド結
晶を再現性良く形成することができた。特に、電子放出
特性の優れた（１１１）面に配向したダイヤモンド結晶
を、従来より２００℃程度低い温度で形成することが可
能となった。
【００２０】また本発明は、載置台の構造を基板周辺に
誘電体を配置するという簡便な構造とするだけで実現す
ることができ、効果が大きい。
誘電体を配置するという簡便な構造とするだけで実現す
ることができ、効果が大きい。
【図１】本発明の実施の形態を説明するマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置を示す図である。
ズマＣＶＤ装置を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態を説明するマイクロ波プラ
ズマＣＶＤ装置を示す図である。
ズマＣＶＤ装置を示す図である。
【図３】従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を説明す
る図である。
る図である。
【図４】従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の電位分
布を説明する図である。
布を説明する図である。
１ 反応管 ２ 上部電極 ３ 下部電極 ４ 基板 ５ 直流電源 ６ マイクロ波電源 ７ 誘電体
Claims (2)
- 【請求項１】 反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ
波電力を印加することにより前記反応ガスをプラズマ化
するとともに、基板にバイアス電圧を印加し、該基板表
面にダイヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長方
法において、 前記基板及び該基板を載置する載置台を包囲するように
前記反応ガスをプラズマ化し、前記基板温度を一定に保
持しながら、ダイヤモンド結晶を成長させる工程を含む
ことを特徴とするダイヤモンド成長方法。 - 【請求項２】 反応管内に反応ガスを導入し、マイクロ
波電力を印加することにより前記反応ガスをプラズマ化
するとともに、基板にバイアス電圧を印加し、該基板表
面にダイヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド成長装
置において、 前記基板の一部が接触する前記バイアス電圧を印加する
ための電極部と、前記基板表面を露出し、該基板周辺部
及び該基板周辺部の前記電極部を覆う誘電体とで構成さ
れた載置台と、 前記基板を一定温度に保持する手段とを備えたことを特
徴とするダイヤモンド成長装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000169862A JP2001354491A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000169862A JP2001354491A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001354491A true JP2001354491A (ja) | 2001-12-25 |
Family
ID=18672657
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000169862A Pending JP2001354491A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001354491A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006111908A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-04-27 | Japan Science & Technology Agency | ダイヤモンド層の形成方法と、それを利用する多層硬質炭素膜の形成方法 |
| WO2023157599A1 (ja) | 2022-02-15 | 2023-08-24 | 信越半導体株式会社 | シリコン基板上へのダイヤモンド成長方法、及びシリコン基板上への選択的ダイヤモンド成長方法 |
-
2000
- 2000-06-07 JP JP2000169862A patent/JP2001354491A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006111908A (ja) * | 2004-10-13 | 2006-04-27 | Japan Science & Technology Agency | ダイヤモンド層の形成方法と、それを利用する多層硬質炭素膜の形成方法 |
| WO2023157599A1 (ja) | 2022-02-15 | 2023-08-24 | 信越半導体株式会社 | シリコン基板上へのダイヤモンド成長方法、及びシリコン基板上への選択的ダイヤモンド成長方法 |
| KR20240145997A (ko) | 2022-02-15 | 2024-10-07 | 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤 | 실리콘 기판 상에의 다이아몬드 성장방법, 및 실리콘 기판 상에의 선택적 다이아몬드 성장방법 |
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