JP2009196832A - Method for manufacturing single crystal diamond by plasma cvd process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、80torr程度以上の高圧下におけるプラズマＣＶＤ法による単結晶ダイヤモンドの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing single crystal diamond by a plasma CVD method under a high pressure of about 80 torr or more.
半導体として優れた特性を有するダイヤモンドは、例えば、高周波・高出力デバイス、紫外線発光デバイスなど半導体デバイス用材料として期待されている。 Diamond having excellent characteristics as a semiconductor is expected as a material for semiconductor devices such as high-frequency / high-power devices and ultraviolet light-emitting devices.
現在、単結晶ダイヤモンドの成長は、主に高圧合成法、気相合成法などによって行われている。気相合成法のうちで有望な方法として、減圧雰囲気下において、水素およびメタンガスを流してマイクロ波放電で形成したプラズマを利用してダイヤモンド結晶の成長を行う、マイクロ波プラズマCVD法が知られている。 Currently, single crystal diamond is grown mainly by high-pressure synthesis, vapor phase synthesis, or the like. As a promising method among vapor phase synthesis methods, a microwave plasma CVD method is known in which diamond crystals are grown using plasma formed by microwave discharge by flowing hydrogen and methane gas in a reduced-pressure atmosphere. Yes.
マイクロ波プラズマCVD法は、比較的大型の単結晶ダイヤモンドを作製するために適し
た方法であるが、アークジェット法などと比較すると、成長速度が遅いという欠点がある。
The microwave plasma CVD method is a method suitable for producing a relatively large single crystal diamond, but has a drawback in that the growth rate is slower than the arc jet method.
単結晶ダイヤモンドの成長速度を速くする方法としては、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンドのホモエピタキシャル成長において、水素ガスとメタンガスからなる反応ガスに微量の窒素を添加することによって、100μm毎時を超える速度での単結晶ダイヤモンドの成長が可能となることが報告されている（下記非特許文献１参照）。 As a method for increasing the growth rate of single crystal diamond, for example, in diamond homoepitaxial growth by microwave plasma CVD method, by adding a small amount of nitrogen to the reaction gas consisting of hydrogen gas and methane gas, the rate exceeding 100 μm per hour It has been reported that single crystal diamond can be grown at the same time (see Non-Patent Document 1 below).
その他、プラズマＣＶＤ装置内のガス圧力を、例えば、80torr（約10.7kPa）程度以上
の高圧とすることによって、プラズマを集中させてプラズマ密度を高くして、ダイヤモンドの合成速度を上げることができることも知られている。
In addition, by setting the gas pressure in the plasma CVD apparatus to a high pressure of, for example, about 80 torr (about 10.7 kPa) or more, it is possible to increase the plasma density by concentrating the plasma and increase the diamond synthesis rate. Are known.
しかしながら、プラズマCVD法によるダイヤモンド成長を80torrを超える高圧力下で行
う場合には、成長中のダイヤモンド基板が加熱されて、基板温度が1000℃以上に上昇することがある。ダイヤモンドの成長時に基板温度が1200℃程度を超えると、良質な単結晶ダイヤモンドを得ることができない。このため、装置内の圧力を一定以上に上げることができず、ダイヤモンドの合成速度が限定されているのが現状である。
本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、80torr程度を超えるような高圧下におけるプラズマＣＶＤ法による単結晶ダイヤモンドの製造においても、基板温度の上昇を抑制して、良質な単結晶ダイヤモンドを速い成長速度で合成することを可能とする方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the current state of the prior art described above, and its main purpose is to increase the substrate temperature even in the production of single crystal diamond by plasma CVD under a high pressure exceeding about 80 torr. And to provide a method that makes it possible to synthesize high-quality single crystal diamond at a high growth rate.
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、ダイヤモンド合成用の原料ガス中にヘリウムガスを添加することによって、ダイヤモンドの成長速度に大きく影響を及ぼすことなく、ヘリウムガス無添加の場合と比較して基板温度を低下させることが可能となることを見出した。そして、この様なヘリウムガスを添加した原料ガスを用いてプラズマＣＶＤ法による単結晶ダイヤモンド成長を行う場合には、高圧条件下
において基板温度の上昇を抑制することができ、良質な単結晶ダイヤモンドを速い成長速度で得ることが可能となることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, by adding helium gas to the diamond synthesis source gas, the substrate temperature can be lowered compared with the case where helium gas is not added without greatly affecting the growth rate of diamond. I found out that When single crystal diamond growth is performed by plasma CVD using such a source gas to which helium gas is added, an increase in substrate temperature can be suppressed under high pressure conditions, and high-quality single crystal diamond can be produced. The inventors have found that it is possible to obtain at a high growth rate, and have completed the present invention.
即ち、本発明は、下記の単結晶ダイヤモンドの製造方法を提供するものである。
１． 合成室内の圧力を80torr以上とするプラズマCVD法による単結晶ダイヤモンドの製
造方法において、ヘリウムガスを添加した原料ガスを用いることを特徴とする方法。
２． 原料ガスが、炭素源となるガス及び水素ガスを含む混合ガスに、ヘリウムガスを添加したものである上記項１に記載の方法。
３． 炭素源となるガスがメタンガスである上記項２に記載の方法。
４． 更に、窒素ガスを添加した原料ガスを用いる上記項２又は３に記載の方法。
５． ヘリウムガスの供給量が、水素ガスの供給量１モルに対して0.1モル以上である上
記項２〜４のいずれかに記載の方法。
６． 基板温度1200℃以下において単結晶ダイヤモンドを成長させる上記項１〜５のいずれかに記載の方法。
That is, the present invention provides the following method for producing single crystal diamond.
1. A method for producing single crystal diamond by plasma CVD with a pressure in a synthesis chamber of 80 torr or more, wherein a source gas to which helium gas is added is used.
2. Item 2. The method according to Item 1, wherein the source gas is obtained by adding helium gas to a mixed gas containing a gas serving as a carbon source and hydrogen gas.
3. Item 3. The method according to Item 2, wherein the carbon source gas is methane gas.
4).
5. Item 5. The method according to any one of Items 2 to 4, wherein the supply amount of helium gas is 0.1 mol or more with respect to 1 mol of hydrogen gas supply.
6). Item 6. The method according to any one of Items 1 to 5, wherein single-crystal diamond is grown at a substrate temperature of 1200 ° C or lower.
以下、本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法について具体的に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the single crystal diamond of this invention is demonstrated concretely.
本発明では、単結晶ダイヤモンドの製造方法として、プラズマＣＶＤ法によってダイヤモンド基板上に単結晶ダイヤモンドを成長させる方法を採用する。 In the present invention, a method for growing single crystal diamond on a diamond substrate by plasma CVD is employed as a method for producing single crystal diamond.
プラズマCVD法の種類については特に限定はなく、例えば、マイクロ波プラズマCVD法、DCプラズマCVD、RFプラズマCVD法、ECRプラズマCVD法、等を適用できる。 The type of the plasma CVD method is not particularly limited, and for example, a microwave plasma CVD method, a DC plasma CVD method, an RF plasma CVD method, an ECR plasma CVD method, or the like can be applied.
以下、マイクロ波プラズマCVD法を例として、本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法
を説明する。
Hereinafter, the method for producing single crystal diamond of the present invention will be described by taking the microwave plasma CVD method as an example.
図１に、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置の一例の概略図を示す。図１に示す装置では、マイクロ波プラズマＣＶＤ装置１は、マイクロ波電源２、マイクロ波を伝搬させる導波管３、マイクロ波導入誘電体窓４、空洞共振器型の合成室５、内部に冷却水Ｗが通っているステージ６、ステージ６上に設置される基板支持体７を備えている。
FIG. 1 shows a schematic diagram of an example of a microwave plasma CVD apparatus. In the apparatus shown in FIG. 1, a microwave plasma CVD apparatus 1 includes a microwave power source 2, a waveguide 3 for propagating microwaves, a microwave introduction
合成室５には、原料ガスを導入するための原料ガス導入口５ａと、容器内を真空引きするための排気口５ｂとが設けられている。
The synthesis chamber 5 is provided with a source gas introduction port 5a for introducing a source gas and an
マイクロ波電源２で発生させられたマイクロ波は、図１に矢印で示すようにして合成室５内に導入される。 Microwaves generated by the microwave power source 2 are introduced into the synthesis chamber 5 as indicated by arrows in FIG.
本発明の方法では、原料ガスとしては、例えば、メタンガス、アセチレンガス等の炭素源となるガスと水素ガスとの混合ガスを用いる。炭素源となるガスと水素ガスの混合比率については特に限定的ではないが、通常、水素供給量１モルに対して、炭素源となるガスを0.005〜0.33モル程度供給することが好ましい。また、炭素源となるガスと水素の混合
ガスに、更に、に窒素ガスを加えることによって、単結晶ダイヤモンドの成長速度を向上させることができる。窒素ガスの使用量についても特に限定的ではないが、通常、炭素源となるガスの供給量１モルに対して0.00001〜0.3モル程度となる比率で供給することが好ましい。
In the method of the present invention, for example, a mixed gas of a gas serving as a carbon source such as methane gas and acetylene gas and hydrogen gas is used as the source gas. The mixing ratio of the gas serving as the carbon source and the hydrogen gas is not particularly limited, but it is usually preferable to supply about 0.005 to 0.33 mole of the gas serving as the carbon source with respect to 1 mole of the hydrogen supply amount. Further, the growth rate of single crystal diamond can be improved by adding nitrogen gas to the mixed gas of hydrogen and hydrogen. The amount of nitrogen gas to be used is not particularly limited, but it is usually preferable to supply the nitrogen gas at a ratio of about 0.00001 to 0.3 mol with respect to 1 mol of the carbon source gas.
本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法では、上記した原料ガスに、ヘリウム（He）ガスを加えることが重要な特徴である。原料ガス中にヘリウムガスを加えることによって、タイヤモンド単結晶の成長速度に殆ど影響を及ぼすことなく、ダイヤモンド基板の温度上昇を抑制することができる。これにより、高圧下でダイヤモンド成長を行う場合にもダイ
ヤモンド基板の温度上昇を抑えて、良質な単結晶ダイヤモンドを速い成長速度で作製することが可能となる。ヘリウムガスの供給量については特に限定的ではないが、ヘリウムガスの供給量が多くなると基板温度の上昇を抑制する効果が大きくなる。また、ヘリウムガスの供給量が同一であっても、水素ガス供給量に対するヘリウムガス供給量の比率、即ち、He/H2の流量比が大きくなると、基板温度の上昇を抑制する効果が大きくなる。
In the method for producing single crystal diamond of the present invention, it is an important feature that helium (He) gas is added to the above-mentioned source gas. By adding helium gas to the source gas, it is possible to suppress an increase in the temperature of the diamond substrate without substantially affecting the growth rate of the tiremond single crystal. This makes it possible to produce a high-quality single crystal diamond at a high growth rate while suppressing the temperature rise of the diamond substrate even when diamond growth is performed under high pressure. The supply amount of helium gas is not particularly limited, but as the supply amount of helium gas increases, the effect of suppressing an increase in the substrate temperature increases. Even if the supply amount of helium gas is the same, if the ratio of the supply amount of helium gas to the supply amount of hydrogen gas, that is, the flow ratio of He / H 2 is increased, the effect of suppressing an increase in the substrate temperature is increased. .
水素ガス供給量に対するヘリウムガス供給量の比率については、特に限定的ではないが、例えば、水素ガス供給量１モルに対して、ヘリウムガス供給量を0.1モル程度以上とす
ることが好ましい。この様な供給量の範囲内において、使用する原料ガスの種類、プラズマの発生条件等に応じて、基板温度が１２００℃を超えない範囲となるように、ヘリウムガスの供給量を決めればよい。ヘリウムガス供給量の上限値については特に限定的ではないが、通常、水素ガス供給量１モルに対して10モル程度以下とすることが好ましい。特に、ヘリウムガス供給量は、水素ガス供給量１モルに対して、1〜10モル程度とすることが
好ましい。
The ratio of the supply amount of helium gas to the supply amount of hydrogen gas is not particularly limited. For example, the supply amount of helium gas is preferably about 0.1 mol or more per 1 mol of hydrogen gas supply. Within such a range of supply amount, the supply amount of helium gas may be determined so that the substrate temperature does not exceed 1200 ° C., depending on the type of source gas used, plasma generation conditions, and the like. The upper limit of the supply amount of helium gas is not particularly limited, but it is usually preferable to set it to about 10 mol or less with respect to 1 mol of hydrogen gas supply. In particular, the supply amount of helium gas is preferably about 1 to 10 mol with respect to 1 mol of hydrogen gas supply.
本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法は、プラズマＣＶＤ装置の合成室内の圧力を80torr（約10.7kPa）程度以上、好ましくは100torr（約13.3ｋPa）程度以上の、プラズマCVD法としては比較的高圧な状態として、プラズマＣＶＤ法によって単結晶ダイヤモンドを
成長させる方法である。この様な高圧状態におけるプラズマＣＶＤ法によれば、プラズマを集中させてプラズマ密度を高めることができ、単結晶ダイヤモンドの成長速度を向上させることが可能となる。プラズマCVD装置内の圧力の上限については安定してプラズマが
形成される限り特に限定はないが、例えば、200torr（26.6kPa）程度の圧力下であっても、ヘリウムガス供給量を適切に制御することによって、基板温度の上昇を抑制して、良好な単結晶ダイヤモンドを高速に成長させることができる。
The method for producing single crystal diamond of the present invention is a plasma CVD method in which the pressure in the synthesis chamber of the plasma CVD apparatus is about 80 torr (about 10.7 kPa) or higher, preferably about 100 torr (about 13.3 kPa) or higher. In this state, single crystal diamond is grown by plasma CVD. According to the plasma CVD method in such a high-pressure state, the plasma density can be increased by concentrating the plasma, and the growth rate of single crystal diamond can be improved. The upper limit of the pressure in the plasma CVD apparatus is not particularly limited as long as the plasma can be stably formed. For example, the helium gas supply amount is appropriately controlled even under a pressure of about 200 torr (26.6 kPa). Accordingly, it is possible to grow a good single crystal diamond at a high speed while suppressing an increase in the substrate temperature.
マイクロ波としては、通常、２．４５ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ等の工業および科学用に許可された周波数のマイクロ波が使用される。マイクロ波電力は、特に限定的ではないが、通常、０．５〜５ｋＷ程度の範囲内において、目的とする成長速度等に応じて適宜決めればよい。 As the microwave, a microwave having a frequency permitted for industrial and scientific use such as 2.45 GHz and 915 MHz is usually used. The microwave power is not particularly limited, but may be determined as appropriate according to the intended growth rate or the like, usually within a range of about 0.5 to 5 kW.
本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法の具体的な適用方法の一例として、次の方法を例示できる。 The following method can be illustrated as an example of the specific application method of the manufacturing method of the single crystal diamond of this invention.
まず、最初に、水素ガスとヘリウムガスの混合ガスをCVD装置の合成室内に導入し、合
成室内の圧力を10〜30torr（1.3kPa〜4kPa）程度の低圧状態として、放電を開始する。この工程によって、まず、低圧状態において、安定なプラズマを発生させる。
First, a mixed gas of hydrogen gas and helium gas is first introduced into the synthesis chamber of the CVD apparatus, and the discharge is started by setting the pressure in the synthesis chamber to a low pressure state of about 10 to 30 torr (1.3 kPa to 4 kPa). By this step, first, stable plasma is generated in a low pressure state.
次いで、所望の圧力となるように水素ガスとヘリウムガスの流量を増加させる。この場合、一旦安定なプラズマが発生しているので、合成室内の圧力を上昇させても、放電を維持できる。水素ガスとヘリウムガスの流量を増加することによって、プラズマ密度が大きくなって基板温度が上昇するが、ヘリウムガスを無添加の場合と比較すると、基板温度の上昇が抑制される。 Next, the flow rates of hydrogen gas and helium gas are increased so as to obtain a desired pressure. In this case, since stable plasma is once generated, the discharge can be maintained even if the pressure in the synthesis chamber is increased. By increasing the flow rates of hydrogen gas and helium gas, the plasma density increases and the substrate temperature increases. However, the increase in the substrate temperature is suppressed as compared with the case where helium gas is not added.
次いで、メタンガスなどの炭素源となるガスを導入してダイヤモンドの合成を開始する。この際、CVD装置の合成室内の圧力は、80torr（約10.7kPa）程度以上の高圧状態とする。炭素源となるガスは、他の添加ガスにも依存するが、基板温度が1200℃程度以下の状態で合成室に導入する。基板温度が1200℃を上回る状態で炭素源を導入すると良好な単結晶ダイヤモンドを成長させることができず、また、成長するダイヤモンド表面が荒れるなどして品質が著しく低下するので好ましくない。炭素源となるガスを導入する際の基板温度の下限値については特に限定的ではないが、通常、500℃程度以上の基板温度の状態で導
入することが好ましい。基板温度がこれを下回ると、成長速度が著しく低下するため好ましくない。
Next, a gas that becomes a carbon source such as methane gas is introduced to start synthesis of diamond. At this time, the pressure in the synthesis chamber of the CVD apparatus is set to a high pressure state of about 80 torr (about 10.7 kPa) or more. The carbon source gas is introduced into the synthesis chamber in a state where the substrate temperature is about 1200 ° C. or less, depending on other additive gases. If a carbon source is introduced in a state where the substrate temperature exceeds 1200 ° C., a good single crystal diamond cannot be grown, and the quality of the grown diamond surface becomes rough and the quality is significantly lowered. The lower limit of the substrate temperature when introducing the gas serving as the carbon source is not particularly limited, but it is usually preferable to introduce the substrate at a substrate temperature of about 500 ° C. or higher. If the substrate temperature is lower than this, the growth rate is remarkably lowered, which is not preferable.
また、窒素ガスを導入する場合には、炭素源となるガスと同時に導入すればよい。窒素ガスを単独で導入すると基板表面が腐食される場合があるので好ましくない。 In addition, when nitrogen gas is introduced, it may be introduced at the same time as the carbon source gas. If nitrogen gas is introduced alone, the substrate surface may be corroded, which is not preferable.
以上の方法によれば、合成室内の圧力が80torr（約10.7kPa）を上回る高圧状態で高密
度のプラズマが発生している場合であっても、基板温度の上昇を抑制して、良好な単結晶ダイヤモンドを速い合成速度で成長させることができる。
According to the above method, even when high-density plasma is generated at a high pressure exceeding 80 torr (about 10.7 kPa) in the synthesis chamber, an increase in the substrate temperature is suppressed, and a good unit is obtained. Crystalline diamond can be grown at a fast synthesis rate.
また、上記した方法に限定されず、炭素源となるガスと水素ガスを含む原料ガスを合成室に供給して基板温度をモニターしつつ単結晶ダイヤモンドを成長させ、基板温度が高くなった際にヘリウムガスを導入して、その流量を調整することによって、基板温度を1200℃以下に維持する方法を採用しても良い。 Further, the present invention is not limited to the above-described method, and a single crystal diamond is grown while supplying a source gas containing a carbon source gas and a hydrogen gas to the synthesis chamber while monitoring the substrate temperature. A method of maintaining the substrate temperature at 1200 ° C. or lower by introducing helium gas and adjusting the flow rate thereof may be adopted.
本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法によれば、80torr 程度を超えるような高圧下
におけるプラズマCVD法による単結晶ダイヤモンドの製造において、基板温度の上昇を抑
制することができる。その結果、良質な単結晶ダイヤモンドを速い成長速度で得ることが可能となる。
According to the method for producing a single crystal diamond of the present invention, an increase in substrate temperature can be suppressed in the production of single crystal diamond by the plasma CVD method under a high pressure exceeding about 80 torr. As a result, high-quality single crystal diamond can be obtained at a high growth rate.
以下、試験例及び実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to test examples and examples.
試験例１
図１に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、以下の方法によってHe流量と基板温度との関係を評価した。
Test example 1
The relationship between the He flow rate and the substrate temperature was evaluated by the following method using the microwave plasma CVD apparatus shown in FIG.
基板としては、高圧合成法によって得られた単結晶ダイヤモンドを用い、これを基材支持体の中央部分に載置した。 As the substrate, single crystal diamond obtained by a high-pressure synthesis method was used, and this was placed on the central portion of the substrate support.
まず、プラズマＣＶＤ装置の合成室内を真空排気後、H2ガスとHeガスを導入して、合成室内の圧力を10 Torr（1333Pa）に設定し、マイクロ波（2.45GHz）電力3000 Wを印加することによってプラズマを点火した。 First, after evacuating the synthesis chamber of the plasma CVD apparatus, introducing H 2 gas and He gas, setting the pressure in the synthesis chamber to 10 Torr (1333 Pa), and applying microwave (2.45 GHz) power 3000 W This ignited the plasma.
その後、圧力、H2ガス流量、Heガス流量およびマイクロ波電力を徐々に増大させて、反応室内の圧力を100 Torr（13.3 KPa）とし、マイクロ波電力を3.2ｋWに設定して、プラズマを維持させた。He流量を最大100sccm、He/H２流量比を最大０．３５となる範囲でHe流
量とH２流量を変化させて、パイロメータを用いて基板の温度を測定した。
After that, the pressure, H 2 gas flow rate, He gas flow rate and microwave power are gradually increased, the pressure in the reaction chamber is set to 100 Torr (13.3 KPa), the microwave power is set to 3.2 kW, and the plasma is maintained. I let you. The substrate temperature was measured using a pyrometer while changing the He flow rate and the H 2 flow rate in a range where the He flow rate was 100 sccm at the maximum and the He / H 2 flow rate ratio was 0.35 at the maximum.
結果を図２に示す。図２において、Tsとして記載している数値は基板温度であり、ガスの流量を調整した後に基板温度を測定し、その値が変動しなくなった時点での温度を示す。図２から明らかなように、He流量が100sccmでHe/H2流量比が0.1の場合に、基板温度が980℃であったものが、He流量が100sccmであっても、He/H2流量比を0.35に増加した場合には、基板温度は875℃となり、水素ガスに対するHeガスの流量比を増加することにより、
基板温度の上昇を抑制できることが確認できた。
The results are shown in FIG. In FIG. 2, the numerical value described as Ts is the substrate temperature. The substrate temperature is measured after adjusting the gas flow rate, and indicates the temperature when the value no longer fluctuates. As can be seen from FIG. 2, when the He flow rate is 100 sccm and the He / H 2 flow rate ratio is 0.1, the substrate temperature is 980 ° C. Even if the He flow rate is 100 sccm, the He / H 2 flow rate is When the ratio is increased to 0.35, the substrate temperature becomes 875 ° C, and by increasing the flow ratio of He gas to hydrogen gas,
It was confirmed that an increase in the substrate temperature could be suppressed.
また、He/H2流量比が0.35の場合に、He流量が80sccmでは基板温度が920℃であったものが、He流量が100sccmでは基板温度が875℃となり、He/H2流量比が一定の場合に、He流量
を増加することにより基板温度の上昇を抑制できることが確認できた。
In addition, when the He / H 2 flow ratio is 0.35, the substrate temperature was 920 ° C. when the He flow was 80 sccm, but the substrate temperature was 875 ° C. when the He flow was 100 sccm, and the He / H 2 flow ratio was constant. In this case, it was confirmed that an increase in the substrate temperature can be suppressed by increasing the He flow rate.
実施例１
図１に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて、以下の方法によってHe流量と基板温度との関係を評価した。
Example 1
The relationship between the He flow rate and the substrate temperature was evaluated by the following method using the microwave plasma CVD apparatus shown in FIG.
基板としては、高圧合成法によって得られた単結晶ダイヤモンドを用い、これを基材支持体の中央部分に載置した。 As the substrate, single crystal diamond obtained by a high-pressure synthesis method was used, and this was placed on the central portion of the substrate support.
まず、プラズマＣＶＤ装置の合成室内を真空排気後、H2ガスを導入して、合成室内の圧力を10 Torr（1333Pa）に設定し、マイクロ波（2.45GHz）電力3000 Wを印加することによってプラズマを点火した。 First, after evacuating the synthesis chamber of the plasma CVD apparatus, introducing H 2 gas, setting the pressure in the synthesis chamber to 10 Torr (1333 Pa), and applying microwave (2.45 GHz) power 3000 W to generate plasma Ignited.
その後、圧力、H2ガスとHeガスの流量、およびマイクロ波電力を徐々に増大させて、H2流量を300、He流量を150sccm、反応室内の圧力を120 Torr（16.0 KPa）とし、マイクロ波電力を3.2ｋWに設定して、プラズマを維持させた。この時、パイロメータで計測した基板温度は1150℃であった。その後、窒素流量を0.6sccm、メタン流量を3sccmとしたところ、パイロメータで計測した基板温度は1200℃であった。その後、メタン流量を40sccm 、He
流量を300sccmとしたところ、基板温度は1110℃まで下降した。この様に、炭素源が導入
された合成中でも、He流量を増加することにより基板温度の上昇を抑制できることが確認できた。その後、約2時間半放電を維持し、基板上に良好な単結晶ダイヤモンドを形成す
ることができた。単結晶ダイヤモンドの成長速度は２３μｍ毎時であった。
Then, gradually increase the pressure, the flow rate of H 2 gas and He gas, and the microwave power, the H 2 flow rate is 300, the He flow rate is 150 sccm, the pressure in the reaction chamber is 120 Torr (16.0 KPa), and the microwave The power was set to 3.2 kW to maintain the plasma. At this time, the substrate temperature measured with a pyrometer was 1150 ° C. Thereafter, when the nitrogen flow rate was 0.6 sccm and the methane flow rate was 3 sccm, the substrate temperature measured with a pyrometer was 1200 ° C. After that, the methane flow rate is 40 sccm, He
When the flow rate was 300 sccm, the substrate temperature dropped to 1110 ° C. Thus, it was confirmed that the increase in the substrate temperature could be suppressed by increasing the He flow rate even during the synthesis in which the carbon source was introduced. Thereafter, the discharge was maintained for about two and a half hours, and good single crystal diamond could be formed on the substrate. The growth rate of single crystal diamond was 23 μm / hour.
１ マイクロ波プラズマCVD装置、２ マイクロ波電源
３ マイクロ波を伝搬させる導波菅、４ マイクロ波導入石英窓
５ 合成室、５a 原料ガス導入口
５b 排気孔、６ 内部に冷却水Wが通っている冷却ステージ
６a 内部に冷却水Wが通っている合成室内壁
７ ダイヤモンド基板支持体
Ｐ プラズマ
1 Microwave plasma CVD equipment, 2 Microwave power supply 3 Waveguide for propagating microwaves, 4 Microwave introduction quartz window 5 Synthesis room, 5a Source
Claims (6)
において、ヘリウムガスを添加した原料ガスを用いることを特徴とする方法。 A method for producing single crystal diamond by plasma CVD with a pressure in a synthesis chamber of 80 torr or more, wherein a source gas to which helium gas is added is used.
〜４のいずれかに記載の方法。 3. The supply amount of helium gas is 0.1 mol or more with respect to 1 mol of hydrogen gas supply.
The method in any one of -4.
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2008
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