JP2004060037A - Method for producing diamond and diamond product - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing diamond by which diamond of α≤1 can be synthesized at a high efficiency by using an oxygen-containing gas such as carbon dioxide, and to provide a diamond product. <P>SOLUTION: Diamond is subjected to vapor phase synthesis under conditions shown in the following numerical inequality provided that the numerical ratio occupied by hydrogen atoms in a reaction gas is defined as 2x(%), the numerical ratio of carbon atoms as y(%), the numerical ratio of oxygen atoms as z(%), and a substrate temperature as T(°C): T>33500×(y-z)/(x+y-z)+717T<254000×(y-z)/(x+y-z)+717T<1100. The reaction gas comprises hydrogen, methane and carbon dioxide. The reaction gas is made into a plasma state by microwaves of ≥5 kW to produce the diamond by the vapor phase synthesis. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐摩耗材料、装飾材料及びそのコーティング、化学反応用電極等の各種電極、ヒートシンク、表面弾性波素子、電子放出材料、X線窓、光学関連材料、又はトランジスタ、ダイオード、各種センサ等の電子装置等に使用される気相合成ダイヤモンドの製造方法及びダイヤモンド製品に関する。
【0002】
【従来の技術】
ダイヤモンドは、物質中で最も固く、耐熱性が優れており、バンドギャップが5.47eVと大きく、通常は絶縁体であるが、不純物ドーピングにより半導体化できるという特質を有する。また、ダイヤモンドは、絶縁破壊電圧及び飽和ドリフト速度が大きく、誘電率が小さいという優れた電気的特性を有する。このような特徴によりダイヤモンドは、工具の耐摩耗コーティングは勿論のこと、高温・高周波・高電界用の電子デバイス・センサ材料として期待されている。
【0003】
また、ダイヤモンドのバンドギャップが大きいことを利用した紫外線等の短波長領域に対応する光センサ及び発光素子への応用、熱伝導率が大きく、比熱が小さいことを利用した放熱基板材料、物質中で最も硬いという特性を生かした表面弾性波素子への応用、高い光透過性・屈折率を利用したX線窓又は光学材料への応用等が進められている。更に、ダイヤモンドは工具の耐摩耗部材にも使用されている。
【0004】
また、ダイヤモンドは、酸及びアルカリに浸食されず、化学的に極めて安定であり、ボロンをドーピングすることによって導電性を具備するようになること等から、化学反応用の電極としても有望と考えられている。
【0005】
ダイヤモンド膜を気相で合成する方法として、マイクロ波化学気相蒸着(CVD)法(例えば、特公昭59−27754号公報、特公昭61−3320号公報)、高周波プラズマCVD法、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、燃焼炎法、熱CVD法等の気相合成法が知られている。
【0006】
上述の気相合成では、メタン、エタン、アルコール、アセチレン等の炭化水素又は一酸化炭素を原料とし、これらを水素ガスで希釈した混合ガスを反応ガスとして使用することが多い。
【0007】
ところで、公知文献1(渡辺、竹内、山中、関口、大串、梶村:第13回ダイヤモンドシンポジウム(於早稲田大、1999)講演要旨集P.10)及び公知文献2(渡辺、大串:第14回ダイヤモンドシンポジウム(於つくば工業技術院、2000)講演要旨集P.154)には、メタン濃度を0.05%以下の極めて低濃度にして高品質なダイヤモンド薄膜を合成する方法が提案されている。この場合、単結晶ダイヤモンド(100)面を基板とし、その上に原子層サイズのステップフロー成長を実現し、高品質化を行っている。
【0008】
また、水素100%のプラズマにダイヤモンド表面を曝して結晶面に依存した異方性エッチングすることにより、原子レベルの平坦化も行われている。
(含酸素ガスの添加)
上記反応ガスに加えて、酸素、二酸化炭素又は水蒸気等を添加した反応ガスが使用される場合もある。その場合、酸素原子が非ダイヤモンド成分及び結晶欠陥が多いダイヤモンドの析出を強く抑制する効果があるため、結果的に高品質なダイヤモンドのみ成長させることができると考えられている。反応ガス中の酸素原子の割合が多いと、高品質なダイヤモンドの成長も抑制され、酸素原子がある一定割合以上ではダイヤモンドは全く成長しなくなり、逆にエッチングされるようになる。
【0009】
従来、その成長・エッチングの境界となる酸素原子の割合については反応ガス中の炭素原子との割合で考えられ、酸素原子/炭素原子の値が1付近ではダイヤモンドは成長可能、1を過剰に超えた場合、例えば2を超えると、ダイヤモンドが成長せず、むしろエッチングが進むようになるとされている。典型例としては、反応ガスとして一酸化炭素+水素を使用した場合には、ダイヤモンドを合成できることは周知である。これに対し、二酸化炭素+水素を用いてダイヤモンドが成長したという報告例はなく、むしろ逆にダイヤモンドがエッチングされてしまうことが知られている。
【0010】
ダイヤモンドの合成条件について、公知文献3(P.Koidl,C.Wild,and N.Herres:Proc.NIRIM Int’l.Symp.Advanced Materials’94,Tsukuba(Japan),March13−17,1994,p.l.)等には、メタン濃度と基板温度に対して、結晶形態を表す「αパラメータ」の分布が記載されている。このαパラメータとは、結晶面{111}及び{100}の積層速度を、夫々V111及びV100とするとき、α=√3×V100/V111で定義される。ダイヤモンドの場合、結晶成長の結果出現するファセットは、主に{111}面と{100}面であることが知られており、わずかに{110}面と{311}面が現れることがあるが、殆どの場合、{111}面と{100}面の現れ方によって結晶形態を表現することができる。従って、結晶成長が微小な核から始まった場合には、αパラメータは成長の結果出現する結晶形態を表すともいえる。代表的なαパラメータに対応した結晶形態が公知文献4(C.Wild,P.Koidl,W.Muller−Sebert,H.Walcher,R.Kohl,N.Herres,R.Locher,R.Samlenski,and R,Brenn:Diamond Relat,Mater,.2(1993)158)に記載されている。α=1のときは全ての面が{100}面からなる立方体であるが、その中間では、ちょうど立方体の頂点が削られたように{111}面が現れ、α値が大きくなるに従い{111}面が大きく{100}面が小さくなる。そしてα=3のとき、{100}面が消滅し、全ての面が{111}面で覆われ、正八面体となる。
【0011】
公知文献3では、α値が小さい条件領域について、α=1.5の線まで明示されているが、α=1の線は無く、実際上、実施されていない。少なくとも、制御可能な範囲で安定して得られる条件がメタン+水素の反応ガス系では無く、まして、α<1の場合についてはこれまで実施された例がない。
【0012】
公知文献5(横田、安藤、渡邊、西林,小橋、平尾,尾補:第15回ダイヤモンドシンポジウム(於東京工大、2001)講演要旨集P.4.)には、α=3の合成条件を用いることにより、[100]配向多結晶ダイヤモンドを成長させた例が報告されている。これは次のようなメカニズムと考えられる。α=3の場合は、[100]方向への成長速度が[111]方向への成長速度よりも速い。一方、基板上に多結晶膜を成長させる場合、初期のダイヤモンド成長核は、ランダムな方向を向いている。これらが、成長に伴い連続膜になっていくわけであるが、成長速度が速い方位が上に向いた結晶は当然速く高くなり、最終的にはそれ以外の方向を向いた結晶を覆い尽くしてしまう。その結果、特定の方位のみに配向した結晶のみが表面に現れ、いわゆる配向膜が得られる。
【0013】
[100]配向膜を成膜する場合、α≧3の条件を使用すれば効果的であるが、そのとき、出現するファセットは{111}面の正八面体形であるため、頂上が尖ったピラミッド状の結晶が寄り集まった表面形態となる。もし、[100]配向の平坦な表面を使用したい場合には、ピラミッド状の結晶上部を平坦化するために、研磨するか、又はα=1に近い条件に変えて{100}面が広がるように追成長(条件を変えてダイヤモンドの成長を再開すること)させる必要がある。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、通常,反応前の真空引きの不完全による生じる残留ガス及び不純物が反応ガス中に混在してしまい、これらの残留ガス及び不純物が少量であっても、反応ガス中の炭素濃度が極めて低いため、相対的に無視できない量になってしまう。更に、成長速度をできるだけ下げることにより高品質なダイヤモンドを合成することができると考えられ、上述のメタン濃度0.025%のような極めて低い濃度にする方法が可能であるものの、このように微量なガス濃度制御は極めて難しく,再現性に難があると思われる。
【0015】
その理由の1つとして次のようなことが挙げられる。ダイヤモンド合成に伴い、反応容器内面には非ダイヤモンド炭素も析出しやすいが、これが、次の合成を始めたときに、反応ガスに取り込まれてしまう。従って、反応容器に導入したガスを正確に制御したとしても、反応容器内面に付着した炭素の混入のため、結局プラズマ中の炭素濃度を制御することが極めて困難となる。
【0016】
反応ガスを水素100%とすると、非ダイヤモンド炭素はエッチングされやすく、またダイヤモンドといえども、エッチング速度は比較的遅いながらもその表面はエッチングされる。反応ガスに少しでもメタンを混入させれば、ダイヤモンドはエッチングされず、成長を始めると考えられるが、エッチングと成長の境界付近の条件は、ダイヤモンドの表面改質及び面方位によりエッチング又は成長の開始濃度の違いによる選択的エッチング及び選択的成長を実現できると考えられる。
【0017】
しかしながら、メタン+水素系では、そのような境界条件は事実上実現不能である。従って、含酸素ガスを添加する方法が考えられるが、その添加量については、上述のように、C/O=1のときはダイヤモンドの成長に適するとされていた。しかしながら、本発明者等は、大パワーマイクロ波を用いた装置において、C/O=1とすると、ダイヤモンドが成長するどころか明らかにエッチングされることを知見した。即ち、含酸素ガスの添加量については、装置又は合成方法により個々に決めることが必要であることが判明した。
【0018】
酸素源としては、二酸化炭素の他に、酸素、水蒸気などを用いられているが、酸素は、濃度や圧力の条件によっては、水素との混合により、爆発などの危険性がある。水蒸気は、常温常圧では液体のため、バブリングなどにより気体化するための装置を付加しなければならない。
【0019】
従来技術では、α<1の条件は実施されておらず、特にメタン+水素系ではα<1.2の条件は、極めて高温及び低メタン濃度にあると考えられるものの、その実現は装置上の制約及び基板の変形等により極めて困難である。
【0020】
前述のように、例えば[100]配向膜を作製したい場合、α≧3の条件で行えばよい。一方、[111]配向膜を効率よく作製するには、α≦1の条件で行うことが望ましいと考えられる。しかしながら、従来そもそもα≦1の条件を実現できなかった。
【0021】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、二酸化炭素等の含酸素ガスを使用することにより、α≦1のダイヤモンドを高効率で合成することができるダイヤモンドの製造方法及びダイヤモンド製品を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るダイヤモンドの製造方法は、反応ガス中に占める水素原子数比を2x(%)、炭素原子数比をy(%)、酸素原子数比をz(%)、基板温度をT(℃)としたとき、下記数式1乃至3に示す条件でダイヤモンドを気相合成することを特徴とする。
【0023】
【数1】
T>33500×(y−z)/(x+y−z)+717
【0024】
【数2】
T<254000×(y−z)/(x+y−z)+717
【0025】
【数3】
T<1100
【0026】
このダイヤモンドの製造方法において、前記反応ガスは、例えば、水素、メタン及び二酸化炭素を含むことを特徴とする。
【0027】
また、5kW以上のマイクロ波により前記反応ガスをプラズマ状態にしてダイヤモンドを気相合成することができる。
【0028】
更に、結晶方位[111]及び[100]の方向への成長速度を夫々V[111]及びV[100]とするとき、V[100]/V[111]<1/√3とすることが好ましい。
【0029】
更にまた、[100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを製造することが好ましい。
【0030】
更にまた、[100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを一旦形成した後、更にダイヤモンドを成長成長させることもできる。
【0031】
そして、本発明に係るダイヤモンド製品は、本発明に係るダイヤモンドの製造方法により製造されたダイヤモンドを使用したものであることを特徴とする。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。図1は本発明の実施の形態で使用するマイクロ波プラズマCVD装置を示す模式図である。反応容器1の底部3上に蓋2が配置されて、内部が気密的に隔離されるようになっている。底部3の中央から、マイクロ波導入部4を介して、例えば、周波数915MHz、出力60kWのマイクロ波が反応容器1内に導入されるようになっている。このマイクロ波導入部4の直上域の反応容器内部には、底部3上にスペーサを介して載置された基板支持台5が設置されている。この基板支持台5上にダイヤモンドを合成すべき基板6が載置される。蓋2には、原料ガス入口7が設けられており、基板支持台5と底部3との間は前記スペーサにより若干隙間が設けられており、この隙間がマイクロ波出口窓8となっている。底部3には、排気管9が接続されていて、反応容器1内を排気するようになっており、更に、マイクロ波導入部4の中心に冷却水を基板支持台5に導入するための導入管10が設けられている。この冷却水導入管10により供給された冷却水により、基板支持台5が冷却される。このようなマイクロ波プラズマCVD装置としては、ΑSTeX/セキテクノトロン社製のものがある。
【0033】
このマイクロ波プラズマCVD装置においては、基板6を基板支持台5上に載置し、導入管10を介して冷却水を基板支持台5に供給してこれを冷却した状態で、排気管9を介して反応容器1内を真空ポンプにより排気し、この真空排気を継続しつつ、原料ガス入口7から原料ガスを反応容器1内に導入し、導入部4からマイクロ波(915MHz、60kW)を反応容器1内に導入する。これにより、基板6の上方にプラズマ11が生起され、このプラズマ11によりダイヤモンドが基板上に成長する。
【0034】
次に、本発明の実施形態に係るダイヤモンドの製造方法について説明する。本実施形態においては、反応ガス中に占める水素原子数比を2x(%)、炭素原子数比をy(%)、酸素原子数比をz(%)、基板温度をT(℃)としたとき、前記数式1乃至3に示す条件でダイヤモンドを気相合成する
このような反応ガスとしては、例えば、水素、メタン及び二酸化炭素を含むものがある。
【0035】
また、5kW以上のマイクロ波により前記反応ガスをプラズマ状態にしてダイヤモンドを気相合成することができる。
【0036】
更に、結晶方位[111]及び[100]の方向への成長速度を夫々V[111]及びV[100]とするとき、V[100]/V[111]<1/√3とすることが好ましい。
【0037】
更にまた、[100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを製造することが好ましい。
【0038】
更にまた、[100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを一旦形成した後、更にダイヤモンドを成長させることもできる。
【0039】
而して、基板6として、シリコンウエハを使用し、その上面をダイヤモンド粉末でスクラッチ処理したものと、この上に予めダイヤモンド粒子を1〜数μmまで成長させたものを使用してダイヤモンドの合成を試みた。合成前後のダイヤモンド粒子の形状の変化を走査型電子顕微鏡写真から測定し,αパラメータの値を算出し、又はシリコン基板6上のダイヤモンド粒子がエッチングされたか否かを判定した。合成(成膜)条件と、合成の結果及びα値を下記表1に示す。
【0040】
【表1】

Figure 2004060037
【0041】
次に、α値の算出方法(2とおり)について説明する。先ず、第1の方法は以下のとおりである。
1)基板表面を傷つけ処理(スクラッチ処理)した後、予め1〜数μmのダイヤモンド結晶粒子を基板上に成長させた。このときの成長条件は、下記3)における成長速度を求めやすくするため、{100}面と{111}面の両方が明確に現れるようにした。即ち、α=1.5〜2付近に相当する成長条件を使用した。2)次に、この{100}面と{111}面の双方が現れたダイヤモンド結晶粒子の大きさを測定した。具体的には、電子顕微鏡観察により各結晶面の縁の長さを測定し、各結晶面の相対角度が結晶学上既知であるので、この結晶粒子の形状と大きさを決定した。なお、測定対象の結晶粒子には、2個以上の結晶粒子が近接していないものを選んだ。もし、成長中に結晶粒子が接触すると、接触面側ではそれ以上成長できないので、正確な成長量を測定できないからである。
3)次に、この結晶粒子を種として、各条件で1〜2時間成長を行った。
4)成長後の結晶の形状と大きさを、2)と同様な方法で決定した。
5)2)と4)で得られた結晶粒子の形状と大きさを比較し、[100]方向及び[111]方向に夫々いくら成長したかを幾何学的に算出した。成長量を成長時間により規格化し、成長速度を求めた。結晶粒子が成長せず、逆に小さくなったときは、プラズマ曝露によってダイヤモンド粒子がエッチングされたことになる。このとき、成長量及び成長速度は負の値となる。なお、[100]方向及び[111]方向は、夫々{100}面の法線方向及び{111}面の法線方向に相当する。
【0042】
次に、αパラメータの算出方法についての第2の方法について説明する。
1)基板表面を傷つけ処理(スクラッチ処理)した後、直接、各条件で数μmまでダイヤモンド成長を行った。このとき、成長前の結晶粒子の大きさは0と見なせる。但し、スクラッチ処理により、基板(実施例ではシリコン)に微小な傷が付き、そこを基点にダイヤモンドの成長が始まる。一方、スクラッチ処理は通常ダイヤモンド粉末で行うため、その欠片が基板上に残り、それが種となって成長する場合もある。しかしながら、欠片はほとんどの場合0.1μm以下であるので、成長を数μm実施すれば、いずれにしても初期値は、実質的な大きさが0であると見なすことができる。
2)第1の方法の2)と同様にして、結晶粒子の形状と大きさを決定した。
3)幾何学的に、[100]方向及び[111]方向の成長量を算出し、成長時間で規格化して、成長速度を求めた。
【0043】
なお、αパラメータの値が1を超え3未満の場合、即ち{100}面と{111}面の双方が現れる場合に限り、第2の方法を使用することができる。しかしながら、第2の方法では、α≦1、α≧3の値を決定できないので、第1の方法を使用すべきである。
【0044】
但し、表1、試料番号24〜28に限っては、第2の方法に従ってダイヤモンドの成長を行い、{111}面のみで覆われた結晶が得られたため、正確なαパラメータが求められず、α≧3と表記した。
【0045】
前記表1に示すように、合成条件によっては、ダイヤモンド粒子がエッチングされて、小さくなった。図2(a)、(b)は夫々有効炭素濃度0(CO/CH=1.0)の場合のプラズマ曝露前後における基板表面のダイヤモンド粒子の形状を走査型電子顕微鏡により撮影した写真である。図2(a)は成長前のダイヤモンド粒子を示し、図2(b)は追成長後、エッチングされた後のダイヤモンド粒子を示す。この図2(a)、(b)に示すように、追成長により、ダイヤモンド粒子がエッチングされて小さくなっている。
【0046】
なお、「有効炭素濃度」とは、反応ガス中に占める水素原子数比を2x(%)、炭素原子数比をy(%)、酸素原子数比をz(%)としたとき、下記数式4にて表されるcのことをいう。
【0047】
【数4】
c=(y−z)/(x+y−z)×100(%)
【0048】
この有効炭素濃度は、反応ガス中の酸素原子と炭素原子を相殺し、余剰の炭素原子と水素分子との仮想的な分圧比を示すものであるが、本願発明者等は、この数式4で表される有効炭素濃度cがダイヤモンド成長に寄与する炭素濃度を表すと仮定して、合成条件と合成結果とを分類することにより、その相関性を表すことができることを知見した。
【0049】
図3は、横軸に有効炭素濃度c(%)をとり、縦軸に基板温度T(℃)をとって、両者の関係を示すグラフ図である。図中、×はダイヤモンドが成長せず、ダイヤモンドがエッチングされた実験条件である。また、■はα≦1、●は1<α<3、▲はα≧3となった実験条件を示す。この図3に示すように、結果として、線分L1(実直線)の近傍がエッチングと成長との境界線、線分L2(破線)の近傍がα=1、線分L3(実曲線)近傍がα=3となる。これらの線分を数式で表すと、下記数式5乃至7となる。
【0050】
【数5】
線分L1:T=2540c+717      :エッチングと成長の境界線
【0051】
【数6】
線分L2:T=335c+717       :α=1
【0052】
【数7】
線分L3:T=89Ln(c)+869    :α=3(Lnは自然対数)
【0053】
α≒1の例として、試料番号5及び11の走査型電子顕微鏡写真を夫々図4(a)及び(b)に示す。図4(a)は、ほぼ正確にα=1であり、双晶の集合体も見られるものの、全てが正方形の{100}面のみからなる結晶が成長している。そのいくつかに見られるように、双晶のないものは立方体となっていることがわかる。図4(b)は、立方体の頂点に極めて小さな正三角形の{111}面が見られ、α値はごく僅かに1からずれている。
【0054】
α<1の例として、試料番号6及び9の走査電子顕微鏡写真を夫々図5(a)及び(b)に示す。この場合は、結晶粒は立方体に近い形態であるが、頂点にあたるところ、即ち[111]方向が突き出しており、面にあたるところ、すなわち{100}面は凹面になっていることがわかる。突き出しの先には、ほぼ三角形の小さい平面が存在する。これは、{111}面に相当する。
【0055】
α≪1の例として、試料番号3及び10の走査電子顕微鏡写真を夫々図6(a)及び(b)に示す。明らかに[111]方位に突起ができ、{100}面が凹面になっていることがわかる。そのメカニズムは、以下のようなものであると推定する。成長開始前のダイヤモンド粒子は、α≒1.5の結晶形態をしており、[111]方位には、{111}面が存在した。そして、この条件で成長させたとき、[111]方位の成長速度が極めて速い一方、[100]方位の成長速度が遅いため,{111}面はそのまま成長し続け、{100}面はそのまま取り残される。{111}面が成長して柱状突起を作ると、その突起の側面の結晶方位は{100}面ではないため成長速度は速い。そこを基点に、元の{100}面を四隅から囲っていくように層状に成長する結果、{100}面が凹面になると考えられる。
【0056】
この図3から明らかなように、α≦1のダイヤモンド(■)を合成できる範囲は、線分L1と線分L2との間の領域である。また、基板温度が1100℃以上であると、ファセットの平坦性が著しく損なわれ、欠陥が多く入ってしまう。
【0057】
このため、Tは線分L2より大きく、線分L1より小さいことが必要であり、また、Tは1100未満であることが必要である。この条件を数式で表したものが、前記数式1乃至3である。よって、本発明においては、ダイヤモンドの合成条件を、数式1乃至3を満たすものとする。
【0058】
なお、基板温度は2波長赤外線放出を検出して行う放射温度計により測定した値とすることができる。また、一時的であればダイヤモンド合成中にこの範囲を逸脱しても構わない。
【0059】
このように構成された本実施形態においては、T=33500×(y−z)/(x+Y−z)+717は、ほぼα=1の境界線を、T=254000×(y−z)/(x+y−z)+717は、エッチングと成長の境界線を表し、またT≧1100では、グラファイトが析出するなど、高品質なダイヤモンドが得られないので、上記数式1乃至3の条件でダイヤモンドを合成することにより、α≦1のダイヤモンドを効率よく合成することができる。
【0060】
数式1乃至3を満足する条件範囲を、水素、メタン、二酸化炭素の混合ガスで実現できる。このガス種を使用することにより、数式1〜3を満足する条件は、総流量を現実的な値、例えば毎分10リットル以下としつつ、各ガス流量を1sccm(0℃1気圧換算で毎分1ccの流量)以上に設定することができる。ガス流量を1sccm以上にすることにより、反応ガス中の濃度制御が容易で、残留ガス、不純物及び反応容器内壁等の付着物の影響を少なくし、かつ高い再現性を確保できる。また、酸素源として二酸化炭素を使用することにより、高い安全性を確保できる。
【0061】
数式1乃至3の範囲において、ガス種を水素、メタン及び二酸化炭素とすることは、特に5kW以上、望ましくは60kW以上のマイクロ波プラズマCVD法を使用する場合に最適である。
【0062】
公知文献3に示されている従来の合成条件は、1.5kW以下の装置を用いたものであり、これと5kW以上の装置とは明らかに条件範囲が異なっている。その理由を解明する一つの手がかりとして、プラズマ発光の違いが考えられる。即ち、約5kW以上のプラズマ発光とそれ未満のプラズマ発光を比較すると、約5kW以上のプラズマ発光の場合は水素のHα線より炭素のC線の強度が高いことが大きな特徴である。本願発明者等は、先ず、60kW装置で実施した結果をもとに本発明を完成したが、約5kW以上のプラズマ発光の場合はそれ未満のプラズマ発光の場合と異なり、炭素C線の強度が水素Hα線の強度より高くなることを考慮すると、水素のHα線より炭素のC線の強度が高いプラズマを発生した場合に本発明を適用可能であるという考えに至る。即ち、炭素C強度が高いということは、メタン又は二酸化炭素など元のガスを効率よく分解し、反応した結果といえる。つまり、容器内に導入した水素、メタン、二酸化炭素の各分子には、炭素原子2個以上の結合は含まれていない。一方、プラズマ中に炭素原子2個の結合状態であるCが検出されたということは、即ち、メタン又は二酸化炭素の分子が分解された結果生ずる炭素原子が、新たに2個結合して生成したと考えられる。メタン又は二酸化炭素が分解されなければCが生成され得ないわけであるから、Cのプラズマ発光が強いということは、メタン又は二酸化炭素が効率よく分解されていると結論付けられる。従って、装置又はガスの分解方法が異なっても、例えば、5kWマイクロ波プラズマを使用した合成装置のように、ガスを効率よく分解、反応させることができる方法であれば、ここで示した条件範囲を適用できると考えられる。
【0063】
比較のために、図1に示すものと同じ装置で、メタンと水素のみを反応ガスとして使用してダイヤモンドを合成した結果について、図7に示す。図7は横軸に有効炭素濃度cをとり、縦軸に基板温度をとって、両者の関係を示すグラフ図である。この比較例のように、酸素原子を含むガスを使用していない場合、α=1.2程度までが限界で、α≦1となる実験条件を見出すことができない。有効炭素濃度c=0、即ち水素100%の場合、ダイヤモンドは確かにエッチングされるが,その量はごく僅かで、10nm/時以下であった。また、ダイヤモンドを高速にエッチングするには、c<0にすればよいと推測できる。しかしながら、メタンと水素のみでは、酸素原子を含まないのでc<0にできない。従って、メタンと水素のみではエッチング目的には不適である。
【0064】
次に、結晶方位と成長速度との関係について説明する。結晶方位[111]及び[100]の方向への成長速度を夫々V[111]及びV[100]とするとき、V[100]/V[111]<1/√3とすることが好ましい。
【0065】
この範囲の結晶成長速度比は、前述の数式1乃至3の条件、ガス種、及びマイクロ波出力の範囲を満足することにより、得ることができる。その結果、得られたダイヤモンドの結晶方位は[111]が支配的となり、[111]配向膜を確実に得ることができる。
【0066】
数式1乃至3を満足する条件で合成されたダイヤモンドは、図5に示すように、α≦1となり、その結晶形状は、[100]方位に凹面を有するか、[111]方位に突起を有するか、又はその双方を示す結晶形状となる。
【0067】
このような結晶形状を有するダイヤモンドを合成することにより、[111]配向膜をさらに高効率に得ることができる。また、多くの柱状突起を上面に形成することもでき、低反射面、電子放出面、フォトニック面、又は広い表面積が望まれるガスセンサ、吸着面、触媒反応面,電極等にも応用可能となる。更に、柱状突起ができる条件(α≦1)で所望の膜厚まで成長させ、その後成長条件をα>1に変え、所望の表面形態、例えば{111}の平坦面などを得ることも可能である。
【0068】
従来のダイヤモンド成長条件では、ダイヤモンド結晶は実質的に{100}面と{111}面で構成された正八面体、立方体又はその中間であるいわゆる六八面体を基本としている。そのため、アスペクト比(断面の径又は幅に対する長さの比)が大きい柱状の結晶は得られなかった。凸部の形状は、最も鋭いもので正八面体の頂点である。柱形状を得るためには、ダイヤモンドを成長させた後、残したい部分をマスクし、他をエッチングする等の方法によらなければならない。しかしながら、本発明によれば、α<1の条件を用いることにより、成長のみで柱形状を得ることが可能となる。
【0069】
柱状結晶は、光を照射したときには多重反射を効果的にさせやすく、電界を印加したときには先端に電界を集中させやすく、単位投影面積あたりの表面積を増大する効果があることが一般的に知られている。従って、柱状結晶が望まれる用途、例えば、低反射面、電子放出面、フォトニック面、又は広い表面積が望まれるガスセンサ、吸着面、触媒反応面、電極等にダイヤモンドを応用する際、本発明によれば、ダイヤモンド成長と同時に柱状結晶が得られるので便利である。
【0070】
上記の柱状結晶は、結晶方位によらず有効な場合もあるが、柱頂面が{111}面であることにより特別の効果が発揮できる場合がある。例えば、{111}面を保ちながら結晶成長させると、{100}面の場合より不純物を取り込まれやすいことが知られている。ダイヤモンド中に取り込まれる不純物としては、窒素、ホウ素、リン、硫黄、ニッケルなどが代表的であり、それぞれを意図的にドーピングした場合の機能は既知である。これらの機能を付加するため、本発明によればダイヤモンド成長時に効率よくドーピングすることができる。
【0071】
また、ドーピング時の効果とは別に、{111}面はダイヤモンドの最も硬い面であることから、機械的強度を求められる用途にも本発明は有効である。最表面を{111}面にすることにより、耐摩耗性が向上することは既知である。本発明によれば、ダイヤモンドを[111]配向成長させ、最表面を{111}面で簡単に覆うことができる。
【0072】
上述のように、本発明により製造されたダイヤモンドは、耐摩耗材料、装飾材料及びそのコーティング、化学反応用電極等の各種電極、ヒートシンク、表面弾性波素子、電子放出材料、X線窓、光学関連材料、又はトランジスタ、ダイオード、各種センサ等の電子装置等に使用することができる。
【0073】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、結晶形態を表すαパラメータが1以下であるダイヤモンドを高効率で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】出力60kW、周波数915MHzマイクロ波プラズマCVD装置(ΑSTeX/セキテクノトロン社製)を示す模式図である。
【図2】(a)及び(b)は、夫々有効炭素濃度cが0(CO/CH=1.0)の場合のプラズマ曝露(成長)前及び追成長後のダイヤモンド粒子の変化を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図3】有効炭素濃度c(%)と基板温度T(℃)とから決まる領域と、αパラメータとの関係を示すグラフ図である。
【図4】α≒1のダイヤモンド結晶を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図5】α<1のダイヤモンド結晶を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図6】α≪1で[111]方向の突起が顕著になったダイヤモンド結晶を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図7】原料ガスがメタン及び水素のみの場合において、有効炭素濃度c(%)及び基板温度T(℃)とαパラメータとの関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
1:反応容器
2:蓋
3:底部
4:マイクロ波導入部
5:基板支持台
6:基板
7:原料ガス入口
8:マイクロ波出口窓
9:排気管
10:冷却水導入管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides wear-resistant materials, decorative materials and their coatings, various electrodes such as electrodes for chemical reactions, heat sinks, surface acoustic wave devices, electron-emitting materials, X-ray windows, optical-related materials, transistors, diodes, various sensors, and the like. The present invention relates to a method for producing a vapor-phase synthetic diamond used for an electronic device and the like and a diamond product.
[0002]
[Prior art]
Diamond is the hardest among materials, has excellent heat resistance, has a large band gap of 5.47 eV, and is usually an insulator, but has a characteristic that it can be made into a semiconductor by impurity doping. In addition, diamond has excellent electrical characteristics such as a high dielectric breakdown voltage and a high saturation drift velocity, and a low dielectric constant. Due to such characteristics, diamond is expected as an electronic device / sensor material for high temperature, high frequency, and high electric field, as well as a wear resistant coating of a tool.
[0003]
In addition, application to photosensors and light-emitting elements corresponding to short wavelength regions such as ultraviolet rays utilizing the large band gap of diamond, heat dissipation substrate materials and materials utilizing the large thermal conductivity and small specific heat Applications to surface acoustic wave devices utilizing the property of being the hardest, applications to X-ray windows or optical materials utilizing high light transmittance and refractive index, etc. are being promoted. In addition, diamond is used in wear-resistant members of tools.
[0004]
In addition, diamond is not corroded by acids and alkalis, is extremely stable chemically, and has conductivity by being doped with boron, and is considered to be promising as an electrode for chemical reactions. ing.
[0005]
As a method for synthesizing a diamond film in a gas phase, a microwave chemical vapor deposition (CVD) method (for example, JP-B-59-27754 and JP-B-61-3320), a high-frequency plasma CVD method, and a hot filament CVD method Gas phase synthesis methods such as direct current plasma CVD, plasma jet, combustion flame, and thermal CVD are known.
[0006]
In the above-mentioned gas phase synthesis, a hydrocarbon or carbon monoxide such as methane, ethane, alcohol, or acetylene is used as a raw material, and a mixed gas obtained by diluting the raw material with a hydrogen gas is often used as a reaction gas.
[0007]
By the way, well-known documents 1 (Watanabe, Takeuchi, Yamanaka, Sekiguchi, Ogushi, Kajimura: Abstracts of the 13th Diamond Symposium (Waseda Univ., 1999) P.10) and well-known documents 2 (Watanabe, Ohgushi: 14th Diamond) A summary of the symposium (Otsukuba Institute of Industrial Science, 2000) Abstracts P. 154) proposes a method of synthesizing a high-quality diamond thin film with an extremely low methane concentration of 0.05% or less. In this case, a single crystal diamond (100) plane is used as a substrate, and an atomic layer size step flow growth is realized thereon to achieve high quality.
[0008]
Atomic level planarization is also performed by exposing the diamond surface to plasma of 100% hydrogen and performing anisotropic etching depending on the crystal plane.
(Addition of oxygen-containing gas)
In some cases, a reaction gas to which oxygen, carbon dioxide, water vapor, or the like is added in addition to the above reaction gas is used. In this case, it is considered that only high-quality diamond can be grown because oxygen atoms have an effect of strongly suppressing precipitation of non-diamond components and diamond having many crystal defects. When the ratio of oxygen atoms in the reaction gas is large, the growth of high-quality diamond is also suppressed. When the oxygen atoms are above a certain ratio, diamond does not grow at all and is conversely etched.
[0009]
Conventionally, the ratio of oxygen atoms at the boundary between the growth and the etching can be considered as the ratio to carbon atoms in the reaction gas. When the value of oxygen atoms / carbon atoms is around 1, diamond can grow, exceeding 1 In this case, if it exceeds 2, for example, the diamond does not grow, but rather the etching proceeds. As a typical example, it is well known that diamond can be synthesized when carbon monoxide + hydrogen is used as a reaction gas. On the other hand, there is no report that diamond is grown using carbon dioxide + hydrogen, and it is rather known that diamond is etched.
[0010]
Conditions for synthesizing diamond are disclosed in a known document 3 (P. Koidl, C. Wild, and N. Herres: Proc. NIRIM Int'l. Symp. Advanced Materials '94, Tsukuba (Japan), March 13-17, 1994, p. 1)) and the like, the distribution of the “α parameter” representing the crystal form with respect to the methane concentration and the substrate temperature is described. The α parameter refers to the lamination speed of the crystal planes {111} and {100} as V 111 And V 100 Where α = √3 × V 100 / V 111 Is defined by In the case of diamond, it is known that the facets that appear as a result of crystal growth are mainly {111} planes and {100} planes, and slightly {110} planes and {311} planes may appear. In most cases, the crystal form can be expressed by the appearance of the {111} plane and the {100} plane. Therefore, when the crystal growth starts from a minute nucleus, it can be said that the α parameter represents the crystal form that appears as a result of the growth. A crystal form corresponding to a typical α parameter is disclosed in a known document 4 (C. Wild, P. Koidl, W. Muller-Sebert, H. Walcher, R. Kohl, N. Herres, R. Locher, R. Samlenski, and R, Brenn: Diamond Relat, Mater., 2 (1993) 158). When α = 1, all surfaces are cubes consisting of {100} surfaces, but in the middle, {111} surfaces appear as if the vertices of the cubes were cut off, and {111} as the α value increases. The {plane} is large and the {100} plane is small. When α = 3, the {100} face disappears, and all the faces are covered with the {111} face, forming a regular octahedron.
[0011]
In the known document 3, the condition area having a small α value is clearly indicated up to the line of α = 1.5, but there is no line of α = 1, and the line is not actually implemented. At least, the conditions that can be obtained stably in a controllable range are not the reaction gas system of methane and hydrogen, and there is no example implemented so far when α <1.
[0012]
In the well-known document 5 (Yokota, Ando, Watanabe, Nishibayashi, Kobashi, Hirao, Oyo: The 15th Diamond Symposium (at Tokyo Institute of Technology, 2001) Abstract Proceedings P.4), use the synthesis condition of α = 3. Thus, an example in which a [100] -oriented polycrystalline diamond is grown has been reported. This is considered as the following mechanism. When α = 3, the growth rate in the [100] direction is faster than the growth rate in the [111] direction. On the other hand, when growing a polycrystalline film on a substrate, the initial diamond growth nuclei are oriented in random directions. These become continuous films as they grow, but the crystal with the higher growth rate oriented upwards naturally grows faster and eventually covers the crystals oriented in other directions. I will. As a result, only crystals oriented in a specific direction appear on the surface, and a so-called alignment film is obtained.
[0013]
[100] When forming an alignment film, it is effective to use the condition of α ≧ 3. However, since the facets appearing at this time are regular octahedral with {111} planes, the pyramids are pointed at the top. It becomes a surface morphology in which crystal-like crystals gather. If a flat surface of [100] orientation is to be used, the top of the pyramid-shaped crystal is polished or changed to a condition close to α = 1 so that the {100} plane is expanded. It is necessary to perform additional growth (change the conditions and restart diamond growth).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, usually, the residual gas and impurities generated due to incomplete vacuuming before the reaction are mixed in the reaction gas, and even if these residual gases and impurities are small, the carbon concentration in the reaction gas is extremely low. Therefore, the amount becomes relatively nonnegligible. Further, it is considered that a high-quality diamond can be synthesized by lowering the growth rate as much as possible, and a method of making the methane concentration extremely low, such as the above-mentioned methane concentration of 0.025%, is possible. It is extremely difficult to control the gas concentration, and the reproducibility seems to be difficult.
[0015]
One of the reasons is as follows. With the synthesis of diamond, non-diamond carbon is also likely to precipitate on the inner surface of the reaction vessel, but this is taken into the reaction gas when the next synthesis is started. Therefore, even if the gas introduced into the reaction vessel is accurately controlled, it is extremely difficult to control the carbon concentration in the plasma after all because of the contamination of the carbon adhering to the inner surface of the reaction vessel.
[0016]
When the reaction gas is 100% hydrogen, non-diamond carbon is easily etched, and even diamond is etched at a relatively low etching rate. It is thought that if a little methane is mixed in the reaction gas, diamond will not be etched and growth will start.However, the conditions near the boundary between etching and growth depend on the surface modification and surface orientation of diamond and the start of etching or growth. It is considered that selective etching and selective growth can be realized by the difference in concentration.
[0017]
However, in the methane + hydrogen system, such boundary conditions are virtually unfeasible. Therefore, a method of adding an oxygen-containing gas is conceivable, but the amount of addition has been considered to be suitable for diamond growth when C / O = 1 as described above. However, the present inventors have found that in a device using a high-power microwave, when C / O = 1, diamond is clearly etched rather than grown. That is, it was found that it is necessary to individually determine the amount of the oxygen-containing gas to be added depending on the apparatus or the synthesis method.
[0018]
As an oxygen source, oxygen, water vapor, and the like are used in addition to carbon dioxide. Oxygen has a risk of explosion due to mixing with hydrogen depending on the concentration and pressure conditions. Since water vapor is a liquid at normal temperature and normal pressure, a device for gasifying by bubbling or the like must be added.
[0019]
In the prior art, the condition of α <1 is not implemented. In particular, in the methane + hydrogen system, the condition of α <1.2 is considered to be at an extremely high temperature and a low methane concentration, but the realization is performed on the apparatus. It is extremely difficult due to restrictions and deformation of the substrate.
[0020]
As described above, for example, when it is desired to form a [100] alignment film, the formation may be performed under the condition of α ≧ 3. On the other hand, in order to efficiently produce the [111] orientation film, it is considered that it is desirable to perform the process under the condition of α ≦ 1. However, conventionally, the condition of α ≦ 1 cannot be realized in the first place.
[0021]
The present invention has been made in view of such a problem, and a method for producing a diamond and a diamond product capable of efficiently synthesizing a diamond of α ≦ 1 by using an oxygen-containing gas such as carbon dioxide. The purpose is to provide.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
In the method for producing diamond according to the present invention, the ratio of the number of hydrogen atoms in the reaction gas is 2x (%), the ratio of the number of carbon atoms is y (%), the ratio of the number of oxygen atoms is z (%), and the substrate temperature is T ( C), diamond is vapor-phase synthesized under the conditions shown in the following formulas 1 to 3.
[0023]
(Equation 1)
T> 33500 × (yz) / (x + yz) +717
[0024]
(Equation 2)
T <254000 × (yz) / (x + yz) +717
[0025]
[Equation 3]
T <1100
[0026]
In the method for producing diamond, the reaction gas includes, for example, hydrogen, methane, and carbon dioxide.
[0027]
Also, the reaction gas can be put into a plasma state by a microwave of 5 kW or more to synthesize diamond in a gas phase.
[0028]
Furthermore, when the growth rates in the directions of the crystal orientations [111] and [100] are V [111] and V [100], respectively, V [100] / V [111] <1 / √3. preferable.
[0029]
Further, it is preferable to produce diamond having a crystal shape having a concave surface of [100] orientation and / or a projection of [111] orientation.
[0030]
Furthermore, after a diamond having a crystal shape having a concave surface in the [100] direction and / or a protrusion in the [111] direction is once formed, the diamond can be further grown and grown.
[0031]
The diamond product according to the present invention is characterized by using diamond produced by the method for producing diamond according to the present invention.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing a microwave plasma CVD apparatus used in the embodiment of the present invention. A lid 2 is arranged on the bottom 3 of the reaction vessel 1 so that the inside is airtightly isolated. From the center of the bottom 3, for example, a microwave having a frequency of 915 MHz and an output of 60 kW is introduced into the reaction vessel 1 via the microwave introduction unit 4. A substrate support 5 placed on the bottom 3 via a spacer is installed inside the reaction vessel immediately above the microwave introduction unit 4. A substrate 6 on which diamond is to be synthesized is placed on the substrate support 5. The lid 2 is provided with a source gas inlet 7, and a slight gap is provided between the substrate support table 5 and the bottom 3 by the spacer, and the gap serves as a microwave exit window 8. An exhaust pipe 9 is connected to the bottom 3 so as to exhaust the inside of the reaction vessel 1, and further, an introduction for introducing cooling water to the substrate support 5 at the center of the microwave introduction section 4. A tube 10 is provided. The substrate support 5 is cooled by the cooling water supplied by the cooling water introduction pipe 10. As such a microwave plasma CVD apparatus, there is an apparatus manufactured by STex / Seki Technotron.
[0033]
In this microwave plasma CVD apparatus, the substrate 6 is placed on the substrate support 5, and cooling water is supplied to the substrate support 5 via the introduction pipe 10 to cool the same. The inside of the reaction vessel 1 is evacuated by a vacuum pump, and the material gas is introduced into the reaction vessel 1 from the material gas inlet 7 while continuing the evacuation, and the microwave (915 MHz, 60 kW) is reacted from the introduction part 4. It is introduced into the container 1. As a result, a plasma 11 is generated above the substrate 6, and the plasma 11 causes diamond to grow on the substrate.
[0034]
Next, a method for producing a diamond according to an embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, the ratio of the number of hydrogen atoms in the reaction gas is 2x (%), the ratio of the number of carbon atoms is y (%), the ratio of the number of oxygen atoms is z (%), and the substrate temperature is T (° C). At this time, diamond is vapor-phase synthesized under the conditions shown in the above formulas 1 to 3.
Examples of such a reaction gas include those containing hydrogen, methane, and carbon dioxide.
[0035]
Also, the reaction gas can be put into a plasma state by a microwave of 5 kW or more to synthesize diamond in a gas phase.
[0036]
Furthermore, when the growth rates in the directions of the crystal orientations [111] and [100] are V [111] and V [100], respectively, V [100] / V [111] <1 / √3. preferable.
[0037]
Further, it is preferable to produce diamond having a crystal shape having a concave surface of [100] orientation and / or a projection of [111] orientation.
[0038]
Furthermore, after a diamond having a crystal shape having a concave surface in the [100] direction and / or a protrusion in the [111] direction is once formed, the diamond can be further grown.
[0039]
Thus, a silicon wafer was used as the substrate 6, the upper surface of which was scratched with diamond powder, and the one on which diamond particles were grown to 1 to several μm in advance to synthesize diamond. Tried. The change in the shape of the diamond particles before and after the synthesis was measured from a scanning electron microscope photograph, the value of the α parameter was calculated, or it was determined whether the diamond particles on the silicon substrate 6 were etched. Table 1 shows the synthesis (film formation) conditions, the results of the synthesis, and the α values.
[0040]
[Table 1]
Figure 2004060037
[0041]
Next, two methods for calculating the α value will be described. First, the first method is as follows.
1) After scratching the surface of the substrate (scratching), diamond crystal particles of 1 to several μm were previously grown on the substrate. The growth conditions at this time were set so that both the {100} plane and the {111} plane clearly appeared in order to easily obtain the growth rate in 3) below. That is, growth conditions corresponding to α = about 1.5 to 2 were used. 2) Next, the size of the diamond crystal grains in which both the {100} plane and the {111} plane appeared were measured. Specifically, the length of the edge of each crystal plane was measured by observation with an electron microscope, and since the relative angle of each crystal plane was known crystallographically, the shape and size of the crystal particles were determined. Note that, as the crystal particles to be measured, those in which two or more crystal particles were not in close proximity were selected. If the crystal grains come into contact during the growth, no further growth can be performed on the contact surface side, so that an accurate growth amount cannot be measured.
3) Next, the crystal grains were grown as seeds under each condition for 1 to 2 hours.
4) The shape and size of the crystal after growth were determined in the same manner as in 2).
5) The shapes and sizes of the crystal grains obtained in 2) and 4) were compared, and the amount of the crystal grains grown in the [100] direction and the [111] direction was geometrically calculated. The growth rate was normalized by the growth time, and the growth rate was determined. When the crystal particles do not grow and become smaller, the diamond particles have been etched by the plasma exposure. At this time, the growth amount and the growth rate have negative values. The [100] direction and the [111] direction correspond to the normal direction of the {100} plane and the normal direction of the {111} plane, respectively.
[0042]
Next, a second method for calculating the α parameter will be described.
1) After the substrate surface was scratched (scratched), diamond was grown directly to several μm under each condition. At this time, the size of the crystal grains before growth can be regarded as zero. However, the scratching process causes a small scratch on the substrate (silicon in the embodiment), and diamond growth starts from the scratch. On the other hand, since the scratch treatment is usually performed with diamond powder, the fragments may remain on the substrate and grow as seeds. However, since the fragment is almost 0.1 μm or less in most cases, the initial value can be considered to be substantially zero in any case if the growth is performed for several μm.
2) The shape and size of the crystal grains were determined in the same manner as in 2) of the first method.
3) Geometrically, the growth amounts in the [100] and [111] directions were calculated, normalized by the growth time, and the growth rate was obtained.
[0043]
Note that the second method can be used only when the value of the α parameter is more than 1 and less than 3, that is, when both the {100} plane and the {111} plane appear. However, since the values of α ≦ 1 and α ≧ 3 cannot be determined in the second method, the first method should be used.
[0044]
However, only in Table 1, sample numbers 24 to 28, diamond was grown according to the second method, and a crystal covered only with the {111} plane was obtained. α ≧ 3.
[0045]
As shown in Table 1, depending on the synthesis conditions, the diamond particles were etched and reduced in size. FIGS. 2A and 2B respectively show an effective carbon concentration of 0 (CO 2). 2 / CH 4 = 1.0) is a photograph taken by a scanning electron microscope of the shape of diamond particles on the substrate surface before and after plasma exposure. FIG. 2 (a) shows diamond particles before growth, and FIG. 2 (b) shows diamond particles after additional growth and after etching. As shown in FIGS. 2A and 2B, the diamond particles are etched and reduced by the additional growth.
[0046]
The “effective carbon concentration” is defined as the following formula, where the ratio of the number of hydrogen atoms in the reaction gas is 2x (%), the ratio of the number of carbon atoms is y (%), and the ratio of the number of oxygen atoms is z (%). 4 means c.
[0047]
(Equation 4)
c = (yz) / (x + yz) × 100 (%)
[0048]
This effective carbon concentration cancels out oxygen atoms and carbon atoms in the reaction gas, and indicates a virtual partial pressure ratio between surplus carbon atoms and hydrogen molecules. Assuming that the expressed effective carbon concentration c represents the carbon concentration contributing to diamond growth, it has been found that the correlation can be expressed by classifying the synthesis conditions and the synthesis results.
[0049]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the effective carbon concentration c (%) on the horizontal axis and the substrate temperature T (° C.) on the vertical axis. In the figure, x indicates the experimental conditions under which the diamond did not grow and the diamond was etched. In addition, Δ indicates the experimental conditions when α ≦ 1, ● indicates 1 <α <3, and Δ indicates the experimental conditions when α ≧ 3. As shown in FIG. 3, as a result, the vicinity of the line segment L1 (solid line) is the boundary between etching and growth, the vicinity of the line segment L2 (dashed line) is α = 1, and the vicinity of the line segment L3 (solid curve). Becomes α = 3. When these line segments are represented by mathematical expressions, the following mathematical expressions 5 to 7 are obtained.
[0050]
(Equation 5)
Line segment L1: T = 2540c + 717: boundary between etching and growth
[0051]
(Equation 6)
Line segment L2: T = 335c + 717: α = 1
[0052]
(Equation 7)
Line segment L3: T = 89Ln (c) +869: α = 3 (Ln is a natural logarithm)
[0053]
As examples of α ≒ 1, scanning electron micrographs of Sample Nos. 5 and 11 are shown in FIGS. 4A and 4B, respectively. In FIG. 4 (a), α = 1 almost exactly, and although twin aggregates are observed, crystals having only square {100} planes are all grown. As can be seen from some of them, those without twins are cubes. In FIG. 4B, an extremely small regular triangle {111} plane is observed at the vertex of the cube, and the α value is slightly deviated from 1.
[0054]
As examples of α <1, scanning electron micrographs of sample numbers 6 and 9 are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. In this case, the crystal grains have a form close to a cube, but it can be seen that the apex, that is, the [111] direction protrudes, and the part corresponding to the plane, that is, the {100} plane is concave. At the end of the protrusion, there is a small plane that is substantially triangular. This corresponds to the {111} plane.
[0055]
As examples of α≪1, scanning electron micrographs of Sample Nos. 3 and 10 are shown in FIGS. 6A and 6B, respectively. It can be seen that a projection is clearly formed in the [111] direction, and the {100} plane is concave. The mechanism is presumed to be as follows. The diamond particles before the start of growth had a crystal form of α ≒ 1.5, and had a {111} plane in the [111] orientation. When grown under these conditions, the growth rate in the [111] direction is extremely high, while the growth rate in the [100] direction is low, so that the {111} plane continues to grow and the {100} plane is left untouched. It is. When the {111} plane grows to form columnar projections, the crystal orientation on the side surfaces of the projections is not a {100} plane, so the growth rate is high. It is thought that the {100} plane becomes concave as a result of growing in layers from the four corners around the original {100} plane.
[0056]
As is apparent from FIG. 3, the range in which diamond (■) with α ≦ 1 can be synthesized is a region between the line segment L1 and the line segment L2. On the other hand, when the substrate temperature is 1100 ° C. or higher, the flatness of the facet is significantly impaired, resulting in many defects.
[0057]
Therefore, T needs to be larger than the line segment L2 and smaller than the line segment L1, and T needs to be smaller than 1100. Equations 1 to 3 express this condition in mathematical expressions. Therefore, in the present invention, it is assumed that the conditions for synthesizing diamond satisfy Expressions 1 to 3.
[0058]
The substrate temperature can be a value measured by a radiation thermometer which detects and emits two-wavelength infrared rays. If it is temporary, it may be outside this range during diamond synthesis.
[0059]
In the present embodiment configured as above, T = 33500 × (yz) / (x + Y−z) +717 is substantially equal to the boundary of α = 1, and T = 254000 × (yz) / ( (x + yz) +717 represents a boundary between etching and growth. When T ≧ 1100, high-quality diamond cannot be obtained, such as precipitation of graphite. Thereby, diamond with α ≦ 1 can be efficiently synthesized.
[0060]
The condition range satisfying the formulas 1 to 3 can be realized with a mixed gas of hydrogen, methane, and carbon dioxide. By using this gas type, the condition satisfying the formulas 1 to 3 is that the total flow rate is set to a realistic value, for example, 10 liters / minute or less, and each gas flow rate is set to 1 sccm (0 ° C./atm. (1 cc flow rate) or more. By controlling the gas flow rate to 1 sccm or more, it is easy to control the concentration in the reaction gas, to reduce the influence of residual gas, impurities and deposits on the inner wall of the reaction vessel, and to ensure high reproducibility. In addition, by using carbon dioxide as an oxygen source, high safety can be ensured.
[0061]
The use of hydrogen, methane and carbon dioxide as the gas species in the range of Expressions 1 to 3 is most suitable when using a microwave plasma CVD method of 5 kW or more, preferably 60 kW or more.
[0062]
The conventional synthesis condition shown in the known document 3 uses an apparatus of 1.5 kW or less, and the condition range is clearly different from that of the apparatus of 5 kW or more. One clue to elucidate the reason is the difference in plasma emission. That is, comparing the plasma emission of about 5 kW or more with the plasma emission of less than about 5 kW, when the plasma emission of about 5 kW or more, the hydrogen H α Carbon from the line 2 A great feature is that the strength of the line is high. The present inventors first completed the present invention based on the results obtained by using a 60 kW apparatus. However, in the case of plasma emission of about 5 kW or more, unlike the case of plasma emission of less than about 5 kW, the carbon C 2 The intensity of the line is hydrogen H α Considering that the intensity becomes higher than that of the line, the hydrogen H α Carbon from the line 2 This leads to the idea that the present invention can be applied to a case where a plasma having a high line intensity is generated. That is, carbon C 2 High strength means that the original gas such as methane or carbon dioxide is efficiently decomposed and reacted. That is, each of the molecules of hydrogen, methane, and carbon dioxide introduced into the container does not contain a bond having two or more carbon atoms. On the other hand, in the plasma, C 2 Is detected, that is, it is considered that two carbon atoms generated as a result of the decomposition of methane or carbon dioxide molecules are newly bonded. If methane or carbon dioxide is not decomposed, C 2 Cannot be generated, so C 2 It is concluded that methane or carbon dioxide is efficiently decomposed when the plasma emission of the compound is strong. Therefore, even if the method of decomposing the gas or the apparatus is different, if the method is such that the gas can be decomposed and reacted efficiently, for example, as in a synthesis apparatus using 5 kW microwave plasma, the condition range shown here It is considered that can be applied.
[0063]
For comparison, FIG. 7 shows a result of synthesizing diamond using the same apparatus as that shown in FIG. 1 and using only methane and hydrogen as reaction gases. FIG. 7 is a graph showing the relationship between the effective carbon concentration c on the horizontal axis and the substrate temperature on the vertical axis. When a gas containing an oxygen atom is not used as in this comparative example, the limit is up to about α = 1.2, and no experimental conditions satisfying α ≦ 1 can be found. When the effective carbon concentration is c = 0, that is, when the hydrogen concentration is 100%, the diamond is certainly etched, but the amount is very small, that is, less than 10 nm / hour. Also, it can be assumed that c <0 should be satisfied in order to etch diamond at high speed. However, methane and hydrogen alone do not contain oxygen atoms and cannot be set to c <0. Therefore, methane and hydrogen alone are not suitable for etching purposes.
[0064]
Next, the relationship between the crystal orientation and the growth rate will be described. When the growth rates in the directions of the crystal orientations [111] and [100] are V [111] and V [100], respectively, it is preferable that V [100] / V [111] <1 / √3.
[0065]
The crystal growth rate ratio in this range can be obtained by satisfying the above-described conditions of Expressions 1 to 3, the gas type, and the range of the microwave output. As a result, the crystal orientation of the obtained diamond is [111] dominant, and the [111] oriented film can be reliably obtained.
[0066]
As shown in FIG. 5, the diamond synthesized under the conditions satisfying Expressions 1 to 3 has α ≦ 1, and its crystal shape has a concave surface in the [100] direction or a projection in the [111] direction. Or a crystal shape showing both of them.
[0067]
By synthesizing diamond having such a crystal shape, a [111] -oriented film can be obtained with higher efficiency. In addition, many columnar projections can be formed on the upper surface, and can be applied to a low reflection surface, an electron emission surface, a photonic surface, or a gas sensor, an adsorption surface, a catalytic reaction surface, an electrode, or the like where a large surface area is desired. . Furthermore, it is also possible to grow to a desired film thickness under conditions (α ≦ 1) where columnar projections can be formed, and then change the growth condition to α> 1, to obtain a desired surface morphology, for example, a {111} flat surface. is there.
[0068]
Under conventional diamond growth conditions, a diamond crystal is based on a regular octahedron substantially consisting of {100} planes and {111} planes, a cube, or a so-called hexahedron intermediate between them. Therefore, a columnar crystal having a large aspect ratio (ratio of length to cross-sectional diameter or width) could not be obtained. The shape of the projection is the sharpest one, which is the vertex of the octahedron. In order to obtain a columnar shape, it is necessary to use a method of growing a diamond, masking a portion to be left, and etching other portions. However, according to the present invention, by using the condition of α <1, it becomes possible to obtain a columnar shape only by growth.
[0069]
It is generally known that columnar crystals can easily make multiple reflections effective when illuminating light, easily concentrate electric fields at the tip when an electric field is applied, and have the effect of increasing the surface area per unit projected area. ing. Therefore, in applications where a columnar crystal is desired, for example, a low reflection surface, an electron emission surface, a photonic surface, or a gas sensor where a large surface area is desired, an adsorption surface, a catalytic reaction surface, and the like, when diamond is applied to the present invention, According to this, a columnar crystal can be obtained simultaneously with the growth of diamond, which is convenient.
[0070]
The above-mentioned columnar crystal is effective in some cases regardless of the crystal orientation, but a special effect may be exerted when the column top surface is a {111} plane. For example, it is known that when the crystal is grown while maintaining the {111} plane, impurities are more easily taken in than in the case of the {100} plane. Typical examples of impurities taken into diamond include nitrogen, boron, phosphorus, sulfur, nickel, and the like, and the functions when intentionally doped with each are known. In order to add these functions, according to the present invention, doping can be efficiently performed during diamond growth.
[0071]
In addition to the effect at the time of doping, the {111} plane is the hardest surface of diamond, so that the present invention is also effective for applications requiring mechanical strength. It is known that the wear resistance is improved by setting the outermost surface to the {111} plane. According to the present invention, diamond can be grown with [111] orientation and the outermost surface can be easily covered with {111} planes.
[0072]
As described above, the diamond manufactured according to the present invention can be used for abrasion-resistant materials, decorative materials and their coatings, various electrodes such as electrodes for chemical reaction, heat sinks, surface acoustic wave devices, electron-emitting materials, X-ray windows, and optical-related materials. The material can be used for electronic devices such as transistors, diodes, and various sensors.
[0073]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, diamond having an α parameter representing a crystal form of 1 or less can be manufactured with high efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a microwave plasma CVD apparatus (@ STeX / Seki Technotron Co., Ltd.) with an output of 60 kW and a frequency of 915 MHz.
FIGS. 2 (a) and (b) show that the effective carbon concentration c is 0 (CO 2 / CH 4 = 1.0) is a scanning electron micrograph showing changes in diamond particles before plasma exposure (growth) and after additional growth in the case of (1.0).
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a region determined by an effective carbon concentration c (%) and a substrate temperature T (° C.) and an α parameter.
FIG. 4 is a scanning electron micrograph showing a diamond crystal having α ≒ 1.
FIG. 5 is a scanning electron micrograph showing a diamond crystal with α <1.
FIG. 6 is a scanning electron micrograph showing a diamond crystal in which protrusions in the [111] direction become prominent at α≪1.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the α parameter and the effective carbon concentration c (%) and the substrate temperature T (° C.) when the source gas is only methane and hydrogen.
[Explanation of symbols]
1: reaction vessel
2: lid
3: bottom
4: Microwave introduction part
5: Board support
6: Substrate
7: Source gas inlet
8: Microwave exit window
9: Exhaust pipe
10: Cooling water introduction pipe

Claims (7)

反応ガス中に占める水素原子数比を2x(%)、炭素原子数比をy(%)、酸素原子数比をz(%)、基板温度をT(℃)としたとき、下記数式に示す条件でダイヤモンドを気相合成することを特徴とするダイヤモンドの製造方法。
T>33500×(y−z)/(x+y−z)+717
T<254000×(y−z)/(x+y−z)+717
T<1100
When the ratio of the number of hydrogen atoms in the reaction gas is 2x (%), the ratio of the number of carbon atoms is y (%), the ratio of the number of oxygen atoms is z (%), and the substrate temperature is T (° C), the following formula is used. A method for producing diamond, characterized in that diamond is vapor-phase synthesized under conditions.
T> 33500 × (yz) / (x + yz) +717
T <254000 × (yz) / (x + yz) +717
T <1100
前記反応ガスは、水素、メタン及び二酸化炭素を含むことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンドの製造方法。The method of claim 1, wherein the reaction gas includes hydrogen, methane, and carbon dioxide. 5kW以上のマイクロ波により前記反応ガスをプラズマ状態にしてダイヤモンドを気相合成することを特徴とする請求項1又は2に記載のダイヤモンドの製造方法。The method for producing diamond according to claim 1 or 2, wherein the reaction gas is made into a plasma state by microwaves of 5 kW or more to make diamond in a gas phase. 結晶方位[111]及び[100]の方向への成長速度を夫々V[111]及びV[100]とするとき、V[100]/V[111]<1/√3とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のダイヤモンドの製造方法。When the growth rates in the directions of crystal orientations [111] and [100] are V [111] and V [100], respectively, V [100] / V [111] <1 / √3. The method for producing a diamond according to any one of claims 1 to 3. [100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを製造することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のダイヤモンドの製造方法。The method for producing diamond according to any one of claims 1 to 4, wherein diamond having a crystal shape having a concave surface having a [100] orientation and / or a projection having a [111] orientation is produced. [100]方位の凹面及び/又は[111]方位の突起を有する結晶形状であるダイヤモンドを一旦形成した後、更にダイヤモンドを成長させることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のダイヤモンドの製造方法。The diamond according to any one of claims 1 to 4, wherein a diamond having a crystal shape having a concave surface having a [100] orientation and / or a projection having a [111] orientation is formed once, and then the diamond is further grown. Diamond production method. 前記請求項1乃至6のいずれか1項に記載の製造方法により製造されたダイヤモンドを使用したことを特徴とするダイヤモンド製品。A diamond product using a diamond manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6.
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