JP2646438B2 - ダイヤモンド気相合成方法 - Google Patents
ダイヤモンド気相合成方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ダイヤモンド気相合成方法に係り特にグロー−アーク
移行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気相合成方
法に関し、 高純度のダイヤモンドを安定に気相合成させる方法を
提供することを目的とし、 プラズマ化学気相成長装置の陰極（１）、陽極（２）
間に放電ガス（３）を供給しながら放電させることによ
り生ずるプラズマジェット（５）中に、ガス状炭素化合
物（６）を導入して該炭素化合物（６）をラジカル化
し、該ラジカル化したプラズマジェット（５）を被処理
基板（７）に衝突させて該被処理基板（７）上にダイヤ
モンド薄膜（８）を形成するダイヤモンド化学気相成長
方法において、 前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電
流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低いグロー−
アーク移行領域放電とすることを構成とする。
移行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気相合成方
法に関し、 高純度のダイヤモンドを安定に気相合成させる方法を
提供することを目的とし、 プラズマ化学気相成長装置の陰極（１）、陽極（２）
間に放電ガス（３）を供給しながら放電させることによ
り生ずるプラズマジェット（５）中に、ガス状炭素化合
物（６）を導入して該炭素化合物（６）をラジカル化
し、該ラジカル化したプラズマジェット（５）を被処理
基板（７）に衝突させて該被処理基板（７）上にダイヤ
モンド薄膜（８）を形成するダイヤモンド化学気相成長
方法において、 前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電
流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低いグロー−
アーク移行領域放電とすることを構成とする。
本発明はダイヤモンド気相合成方法に係り特にグロー
−アーク移行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気
相合成方法に関する。
−アーク移行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気
相合成方法に関する。
ダイヤモンド膜は、熱伝導率が2000W/mKと銅の４倍に
も相当し、しかも硬度、絶縁性もすぐれており、半導体
用のヒートシンク、回路基板材料として、理想的な材料
である。また、広い波長範囲で透光性にすぐれており、
光学材料としてすぐれている。さらに、ダイヤモンド
は、バンドギャップが5.4eVと広く、キャリア移動度の
高い半導体でもあり高温トランジスタ、高速トランジス
タ等の高性能デバイスとしても注目されている。
も相当し、しかも硬度、絶縁性もすぐれており、半導体
用のヒートシンク、回路基板材料として、理想的な材料
である。また、広い波長範囲で透光性にすぐれており、
光学材料としてすぐれている。さらに、ダイヤモンド
は、バンドギャップが5.4eVと広く、キャリア移動度の
高い半導体でもあり高温トランジスタ、高速トランジス
タ等の高性能デバイスとしても注目されている。
ダイヤモンドを高い成長速度で合成させる方法として
は、DCアーク放電により発生させた熱プラズマをプラズ
マジェットとして基板に衝突させ熱プラズマを急冷させ
て、基板上にダイヤモンドを成長させる方法が知られて
いる。
は、DCアーク放電により発生させた熱プラズマをプラズ
マジェットとして基板に衝突させ熱プラズマを急冷させ
て、基板上にダイヤモンドを成長させる方法が知られて
いる。
この方法では、電極間でアーク放電をおこすため、50
00℃以上の温度のアークプラズマが発生し電極材が融け
出し不純物としてプラズマ中に混入してしまい、合成さ
れたダイマモンドの純度を低下させた。また、電極の消
耗による電極形状の変化により、アーク放電状態が不安
定に変化するため、安定にダイヤモンドを合成すること
ができなかった。
00℃以上の温度のアークプラズマが発生し電極材が融け
出し不純物としてプラズマ中に混入してしまい、合成さ
れたダイマモンドの純度を低下させた。また、電極の消
耗による電極形状の変化により、アーク放電状態が不安
定に変化するため、安定にダイヤモンドを合成すること
ができなかった。
本発明は、上記の問題点を解決し、高純度のダイヤモ
ンドを安定に気相合成させる方法を提供することを目的
とする。
ンドを安定に気相合成させる方法を提供することを目的
とする。
上記課題は本発明によれば、プラズマ化学気相成長装
置の陰極（１）、陽極（２）間に放電ガス（３）を供給
しながら放電させることにより生ずるプラズマジェット
（５）中に、ガス状炭素化合物（６）を導入して該炭素
化合物（６）をラジカル化し、該ラジカル化したプラズ
マジェット（５）を被処理基板（７）に衝突させて該被
処理基板（７）上にダイヤモンド薄膜（８）を形成する
ダイヤモンド化学気相成長方法において、 前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電
流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低いグロー−
アーク移行領域放電とすることを特徴とするダイヤモン
ド気相合成方法によって解決される。
置の陰極（１）、陽極（２）間に放電ガス（３）を供給
しながら放電させることにより生ずるプラズマジェット
（５）中に、ガス状炭素化合物（６）を導入して該炭素
化合物（６）をラジカル化し、該ラジカル化したプラズ
マジェット（５）を被処理基板（７）に衝突させて該被
処理基板（７）上にダイヤモンド薄膜（８）を形成する
ダイヤモンド化学気相成長方法において、 前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電
流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低いグロー−
アーク移行領域放電とすることを特徴とするダイヤモン
ド気相合成方法によって解決される。
すなわち、本発明によれば、電極間の放電をアーク放
電よりも電流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低
い放電（グロー−アーク移行領域）がなされるため電極
表面温度を電極材料、例えばタングステンの融点（3350
℃）以下とすることが可能となり電極材料がプラズマジ
ェット中に混入することが防止される。
電よりも電流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低
い放電（グロー−アーク移行領域）がなされるため電極
表面温度を電極材料、例えばタングステンの融点（3350
℃）以下とすることが可能となり電極材料がプラズマジ
ェット中に混入することが防止される。
〔実施例〕 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明に係るDCプラズマジェットCVD法を用
いたダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式断
面図である。
いたダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式断
面図である。
第１図において、１は陰極、２は陽極、３は放電ガ
ス、４はノズル、５はプラズマジェット、６は原料ガ
ス、７は基板、８はダイヤモンド膜、９は電源、10はグ
ロー−アーク移行領域の放電プラズマである。
ス、４はノズル、５はプラズマジェット、６は原料ガ
ス、７は基板、８はダイヤモンド膜、９は電源、10はグ
ロー−アーク移行領域の放電プラズマである。
放電ガス３と原料ガス６として水素ガスと炭素化合物
ガスの混合ガスを流しながら、陰極１と陽極２間に直流
電圧を印加しグロー−アーク移行領域の放電10をおこす
ことにより放電ガスは加熱され体積膨張により、ノズル
４よりプラズマジェット５となって噴出する。このプラ
ズマジェットを基板にぶつけ急冷させ、基板７上にダイ
ヤモンド膜８を析出させる。
ガスの混合ガスを流しながら、陰極１と陽極２間に直流
電圧を印加しグロー−アーク移行領域の放電10をおこす
ことにより放電ガスは加熱され体積膨張により、ノズル
４よりプラズマジェット５となって噴出する。このプラ
ズマジェットを基板にぶつけ急冷させ、基板７上にダイ
ヤモンド膜８を析出させる。
グロー−アーク移行領域の放電をおこすためには電極
間のガス圧を10〜数100Torr、好ましくは10〜300Torrに
保ち、放電電圧を数100〜数1000Vにする必要がある。ま
た、電極が溶けないように水冷することが望ましい。
間のガス圧を10〜数100Torr、好ましくは10〜300Torrに
保ち、放電電圧を数100〜数1000Vにする必要がある。ま
た、電極が溶けないように水冷することが望ましい。
電極間距離としては、従来のアーク放電の場合の２〜
3mmよりも長い５〜20mmが好ましく８〜12mmがより好ま
しい。
3mmよりも長い５〜20mmが好ましく８〜12mmがより好ま
しい。
本発明において、原料ガス炭素源としては炭素化合物
であればよいが、CH4,C2H4等の炭化水素や、アルコー
ル、アセトン、CCl4等の分子内にO,N、ハロゲン等を含
む有機物が好ましい。
であればよいが、CH4,C2H4等の炭化水素や、アルコー
ル、アセトン、CCl4等の分子内にO,N、ハロゲン等を含
む有機物が好ましい。
放電ガスに、Ar,He等の不活性ガスを混合してもかま
わない。この場合、プラズマの安定性はさらに向上する
が、製膜速度は低下する。
わない。この場合、プラズマの安定性はさらに向上する
が、製膜速度は低下する。
また、放電ガスに非晶質炭素等の非ダイヤモンド炭素
のエッチング効果を上げるため、O2,H2O,H2O2,CO,CO2等
の酸化性ガスを少量混合させてもかまわない。
のエッチング効果を上げるため、O2,H2O,H2O2,CO,CO2等
の酸化性ガスを少量混合させてもかまわない。
放電ガスとして、イオン化ポテンシャルが高く放電し
にくい水素を用いるため、電極材としては耐熱性が高
く、安定した放電を発生させやすいものが良い。酸化ラ
ンタン、酸化イットリウム、炭化セリウム等を添加した
タングステンが電極材としてすぐれている。
にくい水素を用いるため、電極材としては耐熱性が高
く、安定した放電を発生させやすいものが良い。酸化ラ
ンタン、酸化イットリウム、炭化セリウム等を添加した
タングステンが電極材としてすぐれている。
第２図は本発明に係る改良型DCプラズマジェットCVD
法を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図で、
13はプラズマトーチ、14は放電ガス供給管、15は電源、
16は、トーチ用冷却水配管、17は水冷基板ホルダ、18は
基板、19は真空チャンバ、20は排気系、21はトーチマニ
ュプレータ、22は流量計、23はガスボンベ、24は基板マ
ニュプレータである。
法を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図で、
13はプラズマトーチ、14は放電ガス供給管、15は電源、
16は、トーチ用冷却水配管、17は水冷基板ホルダ、18は
基板、19は真空チャンバ、20は排気系、21はトーチマニ
ュプレータ、22は流量計、23はガスボンベ、24は基板マ
ニュプレータである。
プラズマトーチ13は陽極、陰極ともに、2wt％酸化イ
ットリウム添加タングステン製で水冷構造となってい
る。電極の構成は、図１のごとくで、陰極は5mmφ、陽
極の内径は15mmφ、放電部の長さは8mmである。プラズ
マトーチおよび基板ホルダは、それぞれマニュプレータ
により、位置と向きをコントロールできるため、大面積
の基板や複雑な表面形状の被処理物の上にも均一にダイ
ヤモンド膜を成長させることができる。
ットリウム添加タングステン製で水冷構造となってい
る。電極の構成は、図１のごとくで、陰極は5mmφ、陽
極の内径は15mmφ、放電部の長さは8mmである。プラズ
マトーチおよび基板ホルダは、それぞれマニュプレータ
により、位置と向きをコントロールできるため、大面積
の基板や複雑な表面形状の被処理物の上にも均一にダイ
ヤモンド膜を成長させることができる。
〔実施例１〕 基板として５×５×0.2mmのSiウエハを用い、チャン
バ内を２×10-3Torrまで排気後、放電ガスとして水素を
1kg/cm2の圧力で20/min、メタンを1kg/cm2の圧力で0.
5/min流し、チャンバ内の圧力を150Torrに保持した。
バ内を２×10-3Torrまで排気後、放電ガスとして水素を
1kg/cm2の圧力で20/min、メタンを1kg/cm2の圧力で0.
5/min流し、チャンバ内の圧力を150Torrに保持した。
定電流電源より、2Aの電流をトーチに流し、電圧が一
定になるまで約５分、保持した。この時の電圧は1.5kV
であった。基板をゆっくりトーチに近づけ、ノズル−基
板間距離を5mmで固定し、この状態で１時間製膜を行っ
た。
定になるまで約５分、保持した。この時の電圧は1.5kV
であった。基板をゆっくりトーチに近づけ、ノズル−基
板間距離を5mmで固定し、この状態で１時間製膜を行っ
た。
できたダイヤモンドをＸ線回折、ラマン分光、硬度測
定により評価したところ、Ｘ線回析やラマン分光ではダ
イヤモンドのみのピークが検出され、ピッカース硬度は
荷重500gで約10000と天然ダイヤモンドと同等の値であ
った。また、ダイヤモンドの膜厚は約200μｍであり、
製膜速度は200μm/hであった。
定により評価したところ、Ｘ線回析やラマン分光ではダ
イヤモンドのみのピークが検出され、ピッカース硬度は
荷重500gで約10000と天然ダイヤモンドと同等の値であ
った。また、ダイヤモンドの膜厚は約200μｍであり、
製膜速度は200μm/hであった。
ダイヤモンド合成時の電源電圧の変動は本実施例では
約２％であり、従来の方法の約20％に対し、大幅に安定
性が向上した。
約２％であり、従来の方法の約20％に対し、大幅に安定
性が向上した。
また、できたダイヤモンド膜をSIMS（二次イオン質量
分析計）で組成分析したところ、Ｃの他に若干のＨとＯ
が検出されたのみで、電極対のタングステンは検出され
なかった。従来法でできたダイヤモンドでは、約100ppm
のタングステンが検出されており、この方法では極めて
純度の高いダイヤモンドを得ることができた。
分析計）で組成分析したところ、Ｃの他に若干のＨとＯ
が検出されたのみで、電極対のタングステンは検出され
なかった。従来法でできたダイヤモンドでは、約100ppm
のタングステンが検出されており、この方法では極めて
純度の高いダイヤモンドを得ることができた。
以上説明したように本発明によれば、200μm/h程度の
速い製膜速度で極めて純度の高い良質のダイヤモンド膜
を合成することができる。
速い製膜速度で極めて純度の高い良質のダイヤモンド膜
を合成することができる。
第１図は本発明に係るDCプラズマジェットCVD法を用い
たダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式断面
図であり、 第２図は本発明に係る改良型CDプラズマジェットCVD法
を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図であ
る。 １……陰極、２……陽極、 ３……放電ガス、４……ノズル、 ５……プラズマジェット、６……原料ガス、 7,18……基板、８……ダイヤモンド膜、 9,15……電源、 10……グロー−アーク移行領の放電プラズマ、 13……プラズマトーチ、14……放電ガス供給管、 16……トーチ用冷却水配管、 17……水冷基板ホルダー、 19……真空チャンバ、 20……トーチマニュプレータ、 22……流量計、23……ガスボンベ、 24……基板マニュプレータ。
たダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式断面
図であり、 第２図は本発明に係る改良型CDプラズマジェットCVD法
を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図であ
る。 １……陰極、２……陽極、 ３……放電ガス、４……ノズル、 ５……プラズマジェット、６……原料ガス、 7,18……基板、８……ダイヤモンド膜、 9,15……電源、 10……グロー−アーク移行領の放電プラズマ、 13……プラズマトーチ、14……放電ガス供給管、 16……トーチ用冷却水配管、 17……水冷基板ホルダー、 19……真空チャンバ、 20……トーチマニュプレータ、 22……流量計、23……ガスボンベ、 24……基板マニュプレータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 越野 長明 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−85094（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】プラズマ化学気相成長装置の陰極（１）と
陽極（２）間に放電ガス（３）を供給しながら放電させ
ることにより生ずるプラズマジェット（５）中に、ガス
状炭素化合物（６）を導入して該炭素化合物（６）をラ
ジカル化し、該ラジカル化したプラズマジェット（５）
を被処理基板（７）に衝突させて該被処理基板（７）上
にダイヤモンド薄膜（８）を形成するダイヤモンド化学
気相成長方法において、 前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電流
が少なく、且つ熱プラズマよりもガス温度の低いグロー
−アーク移行領域放電とすることを特徴とするダイヤモ
ンド気相合成方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13452388A JP2646438B2 (ja) | 1988-06-02 | 1988-06-02 | ダイヤモンド気相合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13452388A JP2646438B2 (ja) | 1988-06-02 | 1988-06-02 | ダイヤモンド気相合成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01305896A JPH01305896A (ja) | 1989-12-11 |
| JP2646438B2 true JP2646438B2 (ja) | 1997-08-27 |
Family
ID=15130317
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13452388A Expired - Lifetime JP2646438B2 (ja) | 1988-06-02 | 1988-06-02 | ダイヤモンド気相合成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2646438B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6835523B1 (en) | 1993-05-09 | 2004-12-28 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Apparatus for fabricating coating and method of fabricating the coating |
| ES2658398B1 (es) * | 2016-09-09 | 2019-01-30 | VILA Fº JAVIER PORRAS | Tobera de reactor para fabricar diamantes |
-
1988
- 1988-06-02 JP JP13452388A patent/JP2646438B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01305896A (ja) | 1989-12-11 |
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