JP2582765B2

JP2582765B2 - ダイヤモンド製造装置

Info

Publication number: JP2582765B2
Application number: JP62027255A
Authority: JP
Inventors: 良昇桑江; 眞人鎌田; 隆藤田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-02-10
Filing date: 1987-02-10
Publication date: 1997-02-19
Anticipated expiration: 2012-02-19
Also published as: JPS63195196A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は化学気相成長法によりダイヤモンドを製造す
る装置の改良に関する。

（従来の技術）ダイヤモンドは、現在知られている物質の中では、硬
度、熱伝導率が最も大きく、また極めて高い弾性率、圧
縮強さ、電気絶縁性を備え、かつ透明で化学的にも安定
な物質である。したがって、その優れた特性を生かし
て、治工具への耐摩耗コーティング、太陽電池の保護
膜、光学レンズあるいは半導体部品の放熱板等への用途
開発が研究されている。しかしながら、天然のダイヤモ
ンドは産出量が少なく極めて高価であるため、工業用材
料として利用するには不向きである。

そのため、人造ダイヤモンドの製造研究が盛んに行わ
れているが、従来知られている高温・高圧下における方
法で製造された人造ダイヤモンドも高価であって、工業
用素材としての有用性には乏しい。しかも、これら天然
ダイヤモンド、人造ダイヤモンドはいずれも、一般には
塊状又は粒状の形状を有し、膜の製造は困難であるた
め、ダイヤモンドが備える有用な特性を充分に活用でき
ていない。

このようなことから最近では、低温・低圧下での化学
気相成長法を利用し、有機化合物を含む反応ガスを分解
しダイヤモンドを気相成長させて製造する研究が活発に
進められている。こうした低温・低圧下での方法が実現
できれば、製造装置が比較的小さくなる等工業的なメリ
ットが期待できる。

その主要な方法として、以下のような方法が知られて
いる。

加熱した基体の表面にメタン、エチレン、アセチレ
ン、アセトンのような有機化合物を含む反応ガスを導入
し、基体に近接して設けられた熱フィラメントの熱エネ
ルギーで反応ガスを熱分解して活性種を生成させ、基体
表面にダイヤモンドを成長させる化学気相成長法（例え
ば特公昭59−27753号）。

上記方法を改良し、上記方法に加えて基体と熱フィラ
メントとの間に、基体が正電位、熱フィラメントが負電
位になるように約150Vの電圧を印加して熱フィラメント
から熱電子を放出させて基体上に照射しながら、基体上
にダイヤモンドを成長させる化学気相成長法（例えば特
開昭60−221395号）。

プラズマ中で、又は光照射により、反応ガスを分解し
て活性種を生成させ、基体上にダイヤモンドを成長させ
る化学気相成長法（例えば特開昭59−3098号）。

しかし、上記のいずれの方法においても、同じような
基体構成の製造装置であっても、製造装置によっては熱
フィラメントの特性が悪かったり、プラズマの安定性が
悪い等の理由で、ダイヤモンドが全く析出しない、析出
速度が極めて小さい、ダイヤモンドの特性が悪い等の問
題が生じていた。しかも、こうした製造装置による特性
のバラツキの原因については全く不明であった。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は上記問題点を解決するためになされたもので
あり、良好な特性を有するダイヤモンドを安定して製造
するのに適した装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段と作用）本発明のダイヤモンド製造装置は、反応容器内に有機
化合物を含有する反応ガスを導入し、化学気相成長法に
より基体表面にダイヤモンドを気相成長させるダイヤモ
ンド製造装置において、上記反応容器内に設置され、気
相成長時に400℃以上に加熱される構成部材の少なくと
も表面が金または銅からなることを特徴とするものであ
る。

また、本発明の他のダイヤモンド製造装置は、反応容
器内に有機化合物を含有する反応ガスを導入し、化学気
相成長法により基体表面にダイヤモンドを気相成長させ
るダイヤモンド製造装置において、上記反応容器内に設
置され、気相成長時に400℃以上に加熱される構成部材
の少なくとも表面が黒鉛からなることを特徴とするもの
である。

本発明において、ダイヤモンドとは、全体が完全にダ
イヤモンドで構成されている場合に限らず、ダイヤモン
ドとともに黒鉛又は非晶質炭素等の非ダイヤモンド成分
が多少混在する場合や、炭素が主成分で（若干水素を含
んでいてもよい）本質的には非晶質（結晶質を含んでい
てもよい）構造であり、透明で4000Hv以上の硬度及び電
気絶縁性を有するダイヤモンド状炭素（diamond−like
carbon）を含むものとする。また、半導体特性を示すダ
イヤモンドも含む。

本発明において、構成部材とは、基体及び熱フィラメ
ント以外の部材をいい、例えば熱フィラメントを固定し
かつ熱フィラメントへ給電するための給電治具や、基体
ホルダ等が挙げられる。また、例えば基体表面に部分的
にダイヤモンドを成長させる場合、基体表面に接触又は
近接してマスクを設置するが、このマスクも構成部材に
含まれる。こうしたマスクの形状は線状、棒状、リボン
状、箔状、板状、網状等いずれでもよく、特に限定され
ないが、通常はパターンを形成した板状のものが用いら
れる。

こうした構成部材は、全体が金、銅、モリブデン、シ
リコン、タンタル、タングステン、黒鉛；アルミナ、シ
リカ、ジルコニア等の酸化物；炭化ケイ素、炭化チタ
ン、炭化タングステン、炭化ホウ素、炭化モリブデン、
炭化タンタル、炭化ジルコニウム、炭化ニオブ、炭化ハ
フニウム等の炭化物；窒化アルミニウム、窒化ホウ素、
窒化チタン、窒化ハフニウム等の窒化物；又はガラスか
らなっていてもよいが、少なくともその表面がこれらの
材料で構成されていればよい。

（作用）本発明者らは、従来のダイヤモンド製造装置の特性が
悪い原因について検討した結果、反応容器内に設置さ
れ、気相成長時に400℃以上に加熱される構成部材の材
質が適切でないことに起因することを究明し、本発明装
置を開発した。

すなわち、ダイヤモンドの気相成長では、メチルラジ
カル及び水素原子が重要な役割を果たすことが共通の認
識となっている。ところが、製造装置の構成部材、例え
ば給電治具がステンレス鋼からなっている場合、熱フィ
ラメントからの輻射熱や外部加熱等で給電治具が400℃
以上となり、給電治具を構成するステンレス鋼がメチル
ラジカルや水素原子を失活させるため、ダイヤモンドの
析出速度が小さくなったり、ダイヤモンドの特性が悪く
なると考えられる。

これに対して、本発明に係る材質からなる構成部材を
用いれば、特性の優れたダイヤモンドを比較的大きい析
出速度で成長させることができる。なお、メチルラジカ
ルや水素原子の失活は、構成部材の表面のみが関係する
のであるから、構成部材の表面のみを本発明に係る材質
にすれば十分である。

（実施例）以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

実施例１熱フィラメントを用いた化学気相成長法（例えば特公
昭59−27753号）により、第１図に示す製造装置を用い
てダイヤモンドの製造を試みた。第１図において、石英
ガラス製の反応容器１の底面にはガス入口２及びガス出
口３が設けられている。また、反応容器１内の下部には
基体ホルダ４が設けられており、この基体ホルダ４上に
基体５が保持される。この基体ホルダ４の下部には加熱
源６が設けられている。更に、基体５上方には基体５に
近接して熱フィラメント７が設けられており、この熱フ
ィラメント７は給電治具８に固定されるとともに、給電
治具８から給電される。なお、基体５としては、モリブ
デン板を用いた。

本実施例では、基体ホルダ４及び給電治具８の材質を
いずれもタングステンとした。そして、気相成長時にお
いて熱フィラメント７、基体５、給電治具８のうち熱フ
ィラメント７に近接した部分及び基体ホルダ４の温度は
それぞれ約1950℃,750℃,600℃及び700℃に保持した。
その結果、５時間で平均膜厚３μｍのダイヤモンド膜が
析出した。また、このダイヤモンド膜は、硬度が9300H
v、熱伝導度が1700Wm^-1K^-1であった。

一方、比較例として、基体ホルダ４の材質をNi基耐熱
合金であるインコネル600とした以外は上記と同じ条件
でダイヤモンドの製造を試みた。その結果、ダイヤモン
ドの析出速度は極めて小さく、20時間で平均膜厚３μｍ
のダイヤモンド膜が析出したにすぎなかった。また、こ
のダイヤモンド膜は、硬度が7800Hv、熱伝導度が700Wm
^-1K^-1であった。

実施例２熱電子照射を併用した熱フィラメント化学気相成長法
（例えば特開昭60−221395号）により、第２図に示す製
造装置を用いてダイヤモンドの製造を試みた。第２図に
おいて、第１図図示の製造装置と異なるのは、基体ホル
ダ４と熱フィラメント７との間に、基体ホルダ４が正電
位となるように直流電源９が接続されていることだけで
ある。なお、基体５としては、シリコンウェハを用い
た。

本実施例では、基体ホルダ４の材質を炭化ケイ素、給
電治具８の材質を銅とした。そして、気相成長時におい
て熱フィラメント７、基体５、給電治具８のうち熱フィ
ラメント７に近接した部分及び基体ホルダ４の温度はそ
れぞれ約1800℃,600℃,600℃及び450℃に保持した。そ
の結果、３時間で平均膜厚12μｍの特性の優れたダイヤ
モンド膜が析出した。

一方、比較例として、給電治具８の材質をSUS304ステ
ンレス鋼とした以外は上記と同じ条件でダイヤモンドの
製造を試みた。その結果、20時間後でも、ダイヤモンド
はほとんど析出しなかった。

実施例３マイクロ波プラズマ化学気相成長法（例えば特開昭59
−3098号）により、ダイヤモンドの製造を試みた。な
お、基体としては、石英ガラスを用いた。また、基体ホ
ルダの材質を窒化アルミニウムを被覆したコバルトとし
た。そして、気相成長時において基体及び基体ホルダの
温度はいずれも800℃に保持した。その結果、10時間で
平均膜厚６μｍの特性の優れたダイヤモンド膜が析出し
た。

一方、比較例として、基体ホルダの材質をコバルトと
した以外は上記と同じ条件でダイヤモンドの製造を試み
た。その結果、20時間後でも、ダイヤモンドはほとんど
析出しなかった。

実施例４熱電子照射を併用した熱フィラメント化学気相成長法
により、第２図に示す製造装置を用いて基体上へのダイ
ヤモンドの部分成長を試みた。なお、基体５としては、
直径15mm、厚さ1mmのシリコンウェハを用いた。また、
実施例２と同様に、基体ホルダ４の材質を炭化ケイ素、
給電治具８の材質を銅とした。

更に、本実施例では、基体５の熱フィラメント７に対
向する面に、基体５の外周と一致するように、石英ガラ
ス製のマスクを重ねて設置した。第３図に示すように、
このマスク11は直径15mm、厚さ0.5mmであり、１辺2mmの
正方形の孔12が12個設けられたパターンを有する。ま
た、マスク11の温度を約650℃に保持した以外は、他の
温度条件等は実施例２と同じ条件とした。その結果、マ
スク11の孔12に対応する基体５上の12箇所に、２時間で
平均膜厚７μｍ、１辺2mmの正方形状のダイヤモンド膜
が析出した。また、このダイヤモンド膜の結晶性、透光
性、硬度、熱伝導度はほぼ天然ダイヤモンド並みであっ
た。

一方、比較例として、マスクの材質をインコネル600
とした以外は上記と同じ条件でダイヤモンドの製造を試
みた。その結果、上記と同様に基体５上の12箇所にダイ
ヤモンドが析出したが、析出速度は極めて小さく、35時
間後でも平均膜厚は７μｍにすぎなかっだ。また、透光
性、硬度、熱伝導度等の特性も、天然ダイヤモンドに比
べてはるかに劣っていた。

［発明の効果］以上詳述したように本発明のダイヤモンド製造装置に
よれば、化学気相成長法で良好な特性を有するダイヤモ
ンドを安定して製造することができ、工業上極めて有用
である。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の実施例１におけるダイヤモンド製造装
置の概略構成図、第２図は本発明の実施例２におけるダ
イヤモンド製造装置の概略構成図、第３図は本発明の実
施例４におけるダイヤモンド製造装置で用いられたマス
クの平面図である。１……反応容器、２……ガス入口、３……ガス出口、４
……基体ホルダ、５……基体、６……加熱源、７……熱
フィラメント、８……給電治具、９……直流電源、11…
…マスク、12……孔。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に有機化合物を含有する反応ガ
スを導入し、化学気相成長法により基体表面にダイヤモ
ンドを気相成長させるダイヤモンド製造装置において、
上記反応容器内に設置され、気相成長時に400℃以上に
加熱される構成部材の少なくとも表面が金または銅から
なることを特徴とするダイヤモンド製造装置。
【請求項２】反応容器内に有機化合物を含有する反応ガ
スを導入し、化学気相成長法により基体表面にダイヤモ
ンドを気相成長させるダイヤモンド製造装置において、
上記反応容器内に設置され、気相成長時に400℃以上に
加熱される構成部材の少なくとも表面が黒鉛からなるこ
とを特徴とするダイヤモンド製造装置。