JP2725069B2 - Method for producing diamond crystal - Google Patents

Method for producing diamond crystal

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JP2725069B2
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和明 栗原
元信 河原田
章友 手島
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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ダイヤモンド結晶の製造方法、特に、基板の面に傾斜
する方向にダイヤモンド結晶を成長させるダイヤモンド
結晶の製造方法に関し、 基板面に傾斜する方向にダイヤモンド結晶を成長さ
せ、基板面と平行ではない面を表面とするダイヤモンド
結晶層を成長する方法を提供することを目的とし、 真空容器内に基板を保持し、この基板に、プラズマジ
ェットを照射し、前記の基板上に、ダイヤモンド結晶層
を形成する工程を有するダイヤモンド結晶の製造方法に
おいて、前記のプラズマジェットを、前記の基板の面に
傾斜させて照射し、ダイヤモンド結晶層を基板に対して
傾斜成長させるように構成する。
The present invention relates to a method for producing a diamond crystal, and more particularly, to a method for producing a diamond crystal in a direction inclined to a substrate surface. The object of the present invention is to provide a method for growing a diamond crystal layer having a surface not parallel to the substrate surface, holding the substrate in a vacuum vessel, irradiating the substrate with a plasma jet, A method for producing a diamond crystal having a step of forming a diamond crystal layer, wherein the plasma jet is irradiated on the surface of the substrate while being inclined, and the diamond crystal layer is grown obliquely with respect to the substrate. I do.

〔産業上の利用分野〕[Industrial applications]

本発明はダイヤモンド結晶の製造方法、特に、基板の
面に傾斜する方向にダイヤモンド結晶を成長させるダイ
ヤモンド結晶の製造方法に関する。
The present invention relates to a method for producing a diamond crystal, and more particularly, to a method for producing a diamond crystal in which a diamond crystal is grown in a direction inclined to a surface of a substrate.

〔従来の技術〕 ダイヤモンド結晶は、熱伝導率が2,000W/mKと銅の4
倍もあり、硬度が高く、また、絶縁性も優れているの
で、半導体装置用のヒートシンクや回路基板材料として
理想的な材料である。
[Prior art] Diamond crystal has a thermal conductivity of 2,000 W / mK and copper
Since it is twice as high, has high hardness, and has excellent insulation properties, it is an ideal material as a heat sink or circuit board material for semiconductor devices.

また、広い範囲の波長に対して良好な透光性を有して
いるので、光学材料としても優れている。さらに、ダイ
ヤモンドは、バンドギャップが5.4eVと広く、キャリヤ
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用としても注目されて
いる。
Further, since it has good translucency over a wide range of wavelengths, it is also excellent as an optical material. Further, diamond is a semiconductor having a wide band gap of 5.4 eV and a high carrier mobility, and has attracted attention for high-performance devices such as high-temperature transistors and high-speed transistors.

従来のダイヤモンド結晶層の形成には、化学気相成長
法(以下、CVD法と云う。)が使用されている。具体的
には、加熱したタングステンフィラメントに炭素を含む
原料ガスを接触させて分解し、基板上にダイヤモンド結
晶を成長する熱フィラメント法や真空容器中において原
料ガスをマイクロ波を使用して加熱分解してダイヤモン
ド結晶を成長するマイクロ波CVD法が知られており、さ
らには、プラズマジェットを基板に照射して高い速度で
ダイヤモンド結晶を成長するDCプラズマジェットCVD法
(詳細については後記する。)が新たに開発されてい
る。
Conventionally, a chemical vapor deposition method (hereinafter, referred to as a CVD method) is used for forming a diamond crystal layer. Specifically, a raw material gas containing carbon is brought into contact with a heated tungsten filament to decompose the material, and the raw material gas is heated and decomposed by using a microwave in a hot filament method for growing a diamond crystal on a substrate or in a vacuum vessel. A microwave CVD method for growing a diamond crystal by using a plasma CVD method is known, and a DC plasma jet CVD method for irradiating a substrate with a plasma jet to grow a diamond crystal at a high speed (the details will be described later) is also new. Has been developed.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

ところで、上記のCVD法を使用してダイヤモンド結晶
層を成長する場合には、ダイヤモンド結晶は、基板に垂
直な方向に成長し、基板面と平行する面を表面とするダ
イヤモンド結晶層が形成される。
By the way, when the diamond crystal layer is grown using the above CVD method, the diamond crystal grows in a direction perpendicular to the substrate, and a diamond crystal layer having a surface parallel to the substrate surface is formed. .

本発明の目的は、基板面に傾斜する方向にダイヤモン
ド結晶を成長させ、基板面と平行ではない面を表面とす
るダイヤモンド結晶層を成長する方法を提供することに
ある。
An object of the present invention is to provide a method of growing a diamond crystal in a direction inclined to a substrate surface and growing a diamond crystal layer whose surface is not parallel to the substrate surface.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記の目的は、真空容器(8)内に基板(6)を保持
し、この基板(6)に、プラズマジェット(5)を照射
し、前記の基板(6)上に、ダイヤモンド結晶層を形成
する工程を有するダイヤモンド結晶の製造方法におい
て、前記のプラズマジェット(5)を、前記の基板
(6)の面に傾斜させて照射し、ダイヤモンド結晶層
(12)を基板に対して傾斜成長させる工程を有するダイ
ヤモンド結晶の製造方法によって達成される。
The object is to hold a substrate (6) in a vacuum vessel (8), irradiate the substrate (6) with a plasma jet (5), and form a diamond crystal layer on the substrate (6). A step of irradiating the plasma jet (5) onto the surface of the substrate (6) at an inclined angle to grow the diamond crystal layer (12) obliquely with respect to the substrate. This is achieved by a method for producing a diamond crystal having the following.

〔作用〕[Action]

実験の結果、DCプラズマジェットCVD装置の発生する
プラズマジェット5を基板6の面に対して傾斜させて照
射した場合に、ダイヤモンド結晶がプラズマジェット5
の照射方向に向かって成長し、照射方向と直交する表面
11を有するダイヤモンド結晶層12が形成されることが確
認された。なお、1例として、表面が(100)面である
シリコン基板上に、基板表面と45度の角度をなす方向に
プラズマジェット5を照射してダイヤモンド結晶を成長
した場合には、ダイヤモンド結晶層12の表面には(11
1)面、(220)面、及び、(311)面が存在することが
確認された。
As a result of the experiment, when the plasma jet 5 generated by the DC plasma jet CVD apparatus was irradiated while being inclined with respect to the surface of the
Surface that grows in the irradiation direction and is orthogonal to the irradiation direction
It was confirmed that a diamond crystal layer 12 having 11 was formed. As an example, when a diamond crystal is grown on a silicon substrate having a (100) plane by irradiating a plasma jet 5 in a direction at an angle of 45 degrees with the substrate surface, a diamond crystal layer 12 is formed. The surface of (11
It was confirmed that 1) plane, (220) plane, and (311) plane existed.

なお、ダイヤモンド結晶がプラズマジェットの照射方
向に成長する作用については、鋭意検討中であるが、現
在のところ結論には到達していない。
Although the diamond crystal grows in the direction of irradiation of the plasma jet in earnest, the conclusion has not been reached at present.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図面を参照しつゝ、本発明の一実施例に係るダ
イヤモンド結晶の製造方法について説明する。
Hereinafter, a method for producing a diamond crystal according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図参照 第1図は、特開昭64−33096号に示されているDCプラ
ズマジェットCVD装置の構成図である。図において、1
は陽極であり、2は陰極であり、3は原料ガス供給口で
あり、4は直流電源であり、5はプラズマジェットであ
り、6は基板であり、7は基板ホルダであり、8は真空
容器であり、9はXYステージであり、10は真空ポンプで
ある。
FIG. 1 is a configuration diagram of a DC plasma jet CVD apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-33096. In the figure, 1
Is an anode, 2 is a cathode, 3 is a source gas supply port, 4 is a DC power supply, 5 is a plasma jet, 6 is a substrate, 7 is a substrate holder, and 8 is a vacuum. Numeral 9 denotes an XY stage, and numeral 10 denotes a vacuum pump.

表面が(100)面である5cm角のシリコン基板6を、シ
リコン基板6と陽極1との垂直距離が10mmとなるように
基板ホルダ7上に載置し、真空ポンプ10を使用して真空
容器8内の圧力を1×10-2Torrにした後、原料ガス供給
口3から40SCCMのメタンと20L/Mの水素とを供給し、陽
極1と陰極2との間に2kWの放電々力を供給してこの原
料ガスをプラズマ化し、そのプラズマジェット5をシリ
コン基板6上に照射して、系内圧力30Torrにおいて10時
間シリコン基板6上にダイヤモンド結晶を成長させた。
このとき、プラズマジェットの照射方向が基板表面に対
して45度の角度をなすように照射し、シリコン基板6を
XYステージ9を使用して移動させて、シリコン基板6上
に均一にダイヤモンド結晶層を形成した。
A 5 cm square silicon substrate 6 having a (100) surface is placed on a substrate holder 7 such that the vertical distance between the silicon substrate 6 and the anode 1 is 10 mm. After the pressure in the chamber 8 was reduced to 1 × 10 -2 Torr, 40 SCCM of methane and 20 L / M of hydrogen were supplied from the raw material gas supply port 3, and a discharge power of 2 kW was applied between the anode 1 and the cathode 2. The raw material gas was supplied and turned into plasma, and the plasma jet 5 was irradiated on the silicon substrate 6 to grow diamond crystals on the silicon substrate 6 at a system pressure of 30 Torr for 10 hours.
At this time, the irradiation is performed so that the irradiation direction of the plasma jet forms an angle of 45 degrees with the substrate surface, and the silicon substrate 6 is irradiated.
The diamond crystal layer was uniformly formed on the silicon substrate 6 by moving using the XY stage 9.

第2図参照 上記の結果、シリコン基板6上に、基板表面と約60度
の角度をなす方向に、その方向と直交する表面11を有す
るダイヤモンド結晶層12が約100μm厚に形成された。
なお、ダイヤモンド結晶層12の表面には、(111)面と
(220)面と(311)面とが存在することが確認された。
See FIG. 2. As a result, a diamond crystal layer 12 having a surface 11 perpendicular to the direction at an angle of about 60 degrees with the substrate surface was formed on the silicon substrate 6 to a thickness of about 100 μm.
It was confirmed that (111) plane, (220) plane, and (311) plane exist on the surface of the diamond crystal layer 12.

なお、基板面に対してプラズマ照射方向を傾斜させる
代わりに、基板の方を傾斜させても同様の結果が得られ
ることは云うまでもない。
It is needless to say that a similar result can be obtained even if the substrate is inclined instead of the plasma irradiation direction with respect to the substrate surface.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明せるとおり、本発明に係るダイヤモンド結晶
の製造方法においては、DCプラズマジェットCVD装置の
発生するプラズマジェットを基板の面に傾斜させて照射
することによって、ダイヤモンド結晶をプラズマジェッ
トの照射方向に成長させることができるので、プラズマ
ジェットの照射角度を任意に選択することにより、基板
表面の面方位とは異なる任意の面方位を表面に有するダ
イヤモンド結晶層を形成することが可能になり、半導体
装置への応用分野の拡大が期待される。また、基板の表
面に対して斜めに応力が加わる場合に、その応力の加わ
る方向にダイヤモンド結晶を成長させれば、応力に対す
る耐久性を向上させることができるので、平面に対して
斜めの方向に応力の加わる切削工具、研磨工具等の被覆
に本発明を応用すれば、寿命の向上が期待される。
As described above, in the method for producing a diamond crystal according to the present invention, the diamond crystal is grown in the irradiation direction of the plasma jet by irradiating the plasma jet generated by the DC plasma jet CVD apparatus at an inclined angle to the surface of the substrate. Therefore, by arbitrarily selecting the irradiation angle of the plasma jet, it becomes possible to form a diamond crystal layer having an arbitrary plane orientation different from the plane orientation of the substrate surface on a semiconductor device. Is expected to expand the field of application. In addition, when stress is applied obliquely to the surface of the substrate, if diamond crystals are grown in the direction in which the stress is applied, the durability against the stress can be improved. If the present invention is applied to coating of a cutting tool, a polishing tool or the like to which stress is applied, an improvement in the service life is expected.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、本発明の一実施例に係るダイヤモンド結晶の
製造方法に使用されるDCプラズマジェットCVD装置の構
成図である。 第2図は、本発明の一実施例に係るダイヤモンド結晶の
製造方法を使用して形成されたダイヤモンド結晶層の断
面図である。 1……陽極、2……陰極、3……原料ガス供給口、4…
…直流電源、5……プラズマジェット、6……基板、7
……基板ホルダ、8……真空容器、9……XYステージ、
10……真空ポンプ。
FIG. 1 is a configuration diagram of a DC plasma jet CVD apparatus used in a method for producing a diamond crystal according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of a diamond crystal layer formed using the diamond crystal manufacturing method according to one embodiment of the present invention. 1 ... Anode, 2 ... Cathode, 3 ... Source gas supply port, 4 ...
... DC power supply, 5 ... plasma jet, 6 ... substrate, 7
…… Substrate holder, 8… Vacuum container, 9 …… XY stage,
10 ... Vacuum pump.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 手島 章友 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Akitomo Tejima 1015 Kamiodanaka, Nakahara-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Fujitsu Limited

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】真空容器(8)内に基板(6)を保持し、
該基板(6)に、プラズマジェット(5)を照射し、前
記基板(6)上に、ダイヤモンド結晶層を形成する 工程を有するダイヤモンド結晶の製造方法において、 前記プラズマジェット(5)を、前記基板(6)の面に
傾斜させて照射し、 ダイヤモンド結晶層(12)を基板に対して傾斜成長させ
る 工程を有することを特徴とするダイヤモンド結晶の製造
方法。
1. A substrate (6) is held in a vacuum vessel (8),
Irradiating the substrate (6) with a plasma jet (5) to form a diamond crystal layer on the substrate (6); A method for producing a diamond crystal, comprising the step of: irradiating the crystal with a tilt to the surface of (6) to grow the diamond crystal layer (12) with respect to the substrate.
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