JP2773442B2 - ダイヤモンドの製造法 - Google Patents
ダイヤモンドの製造法Info
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- JP2773442B2 JP2773442B2 JP3043150A JP4315091A JP2773442B2 JP 2773442 B2 JP2773442 B2 JP 2773442B2 JP 3043150 A JP3043150 A JP 3043150A JP 4315091 A JP4315091 A JP 4315091A JP 2773442 B2 JP2773442 B2 JP 2773442B2
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- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、低圧気相法に基づく
ダイヤモンドの製造法とそのための装置に関するもので
ある。
ダイヤモンドの製造法とそのための装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ダイ
ヤモンドは、すべての物質の中で最高の硬度と熱伝導度
をもち、研磨材、カッターなど広く工業的に利用されて
いる。また可視光にたいする高い屈折率をもち宝石とし
て愛好されている。バルク状ダイヤモンドの合成には高
温高圧製造法が広く知られている。高温高圧法によるダ
イヤモンド合成法は製造方法が複雑なこと，また製造装
置が大型になり経済的でないこと、製造工程が簡便でな
いことなど、ダイヤモンド製造法としては種々の難点が
ある。一方、最近開発された低圧気相法によるダイヤモ
ンドの合成法はその製造方法が簡便で、経済的なダイヤ
モンドの製造方法である。気相法によるダイヤモンドの
合成は、薄膜状ダイヤモンドの合成に特徴がある。ダイ
ヤモンド薄膜は半導体レーザー、ＬＳＩデバイスの放熱
板などの電子材料、また高温半導体としても注目され研
究が進んでいる。
ヤモンドは、すべての物質の中で最高の硬度と熱伝導度
をもち、研磨材、カッターなど広く工業的に利用されて
いる。また可視光にたいする高い屈折率をもち宝石とし
て愛好されている。バルク状ダイヤモンドの合成には高
温高圧製造法が広く知られている。高温高圧法によるダ
イヤモンド合成法は製造方法が複雑なこと，また製造装
置が大型になり経済的でないこと、製造工程が簡便でな
いことなど、ダイヤモンド製造法としては種々の難点が
ある。一方、最近開発された低圧気相法によるダイヤモ
ンドの合成法はその製造方法が簡便で、経済的なダイヤ
モンドの製造方法である。気相法によるダイヤモンドの
合成は、薄膜状ダイヤモンドの合成に特徴がある。ダイ
ヤモンド薄膜は半導体レーザー、ＬＳＩデバイスの放熱
板などの電子材料、また高温半導体としても注目され研
究が進んでいる。
【０００３】低圧気相法によるダイヤモンドを形成する
方法は、熱気相法、プラズマ気相法、電子衝撃気相法、
火災法などが開発されている。これらの方法では、膜成
長速度が単位時間当り数ミクロン程度であり、成長速度
の遅いことが、低圧気相法によるダイヤモンド形成の難
点の一つになっている。そのため低圧気相成長法は薄膜
状ダイヤモンドの製造に限られ、厚膜またはバルク状ダ
イヤモンドが得難い。本発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、ダイヤモンドの成長速度を向上
させる方法と、そのための装置を提供することを目的と
するものである。
方法は、熱気相法、プラズマ気相法、電子衝撃気相法、
火災法などが開発されている。これらの方法では、膜成
長速度が単位時間当り数ミクロン程度であり、成長速度
の遅いことが、低圧気相法によるダイヤモンド形成の難
点の一つになっている。そのため低圧気相成長法は薄膜
状ダイヤモンドの製造に限られ、厚膜またはバルク状ダ
イヤモンドが得難い。本発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、ダイヤモンドの成長速度を向上
させる方法と、そのための装置を提供することを目的と
するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この発明は、低圧気相法
ダイヤモンド製造法のなかで、熱フィラメント法に基づ
いてダイヤモンドを形成するものである。一般に、低圧
気相法ダイヤモンド製造においては、炭化水素ガスと水
素ガスを反応性の高い状態にすることが必要条件であ
る。たとえば希釈した混合ガスを高周波電場中に置くこ
とでプラズマ状にすること、また高周波電場に磁場を印
加することで反応性ガス量を増加する工夫などがなされ
ている。熱フィラメント法では、反応炉内にタングステ
ン、タンタル、レニュウムなどの加熱したフィラメント
を設け、反応性の高いガス状態を得ている。高い反応性
を示すガス中には、種々の炭化水素のイオン、ラジカ
ル、分子、水素イオン、原子状水素、原料の炭化水素分
子や水素分子が共存していることが知られている。低圧
気相法の共通点は結晶成長速度が遅いことにあり、その
原因は反応ガスの圧力（数十Ｔｏｒｒ以下）を本質的に
高くすることができないためである。本発明は、反応性
の高い、また高密度の水素ガスを効率的に発生すること
によって、ダイヤモンドの成長速度を高めたことに特徴
がある。
ダイヤモンド製造法のなかで、熱フィラメント法に基づ
いてダイヤモンドを形成するものである。一般に、低圧
気相法ダイヤモンド製造においては、炭化水素ガスと水
素ガスを反応性の高い状態にすることが必要条件であ
る。たとえば希釈した混合ガスを高周波電場中に置くこ
とでプラズマ状にすること、また高周波電場に磁場を印
加することで反応性ガス量を増加する工夫などがなされ
ている。熱フィラメント法では、反応炉内にタングステ
ン、タンタル、レニュウムなどの加熱したフィラメント
を設け、反応性の高いガス状態を得ている。高い反応性
を示すガス中には、種々の炭化水素のイオン、ラジカ
ル、分子、水素イオン、原子状水素、原料の炭化水素分
子や水素分子が共存していることが知られている。低圧
気相法の共通点は結晶成長速度が遅いことにあり、その
原因は反応ガスの圧力（数十Ｔｏｒｒ以下）を本質的に
高くすることができないためである。本発明は、反応性
の高い、また高密度の水素ガスを効率的に発生すること
によって、ダイヤモンドの成長速度を高めたことに特徴
がある。
【０００５】この方法が従来の低圧気相法によるダイヤ
モンド形成方法と相違する点は、従来法では，炭化水素
ガスと水素ガスの混合ガスを反応室に導入し、基体表面
上にフィラメントを設けこれを加熱して反応性のガスを
発生させダイヤモンドを形成するが、本発明では、炭化
水素ガスと水素ガスは別々に反応室に導入し、水素ガス
は基体の近くに設けたガス噴射口から高温にして基体に
向かって吹き付ける点である。この噴射口は高融点の材
料、たとえばタングステン、タンタル，レニュウムなど
の材料でつくられ、通電またはＣＯ2 などのレーザの照
射等によって加熱することにより、ダイヤモンドの生成
に寄与する原子状水素を効率よく作り出している。ま
た、噴射口を加熱する方法だけでなく、噴射口付近に電
極を設けて放電させプラズマあるいはＥＣＲプラズマを
作り出してもよい。ダイヤモンドの成長は，炭化水素ガ
スと水素ガスの流量、混合比、噴射口付近の温度、基体
の温度、反応処理時間、噴射口と基体の距離などを調整
することによりダイヤモンドを所望の条件で成長でき
る。高温の水素噴出口を複数個設けさらに基体を回転す
ることなどによって、均質なダイヤモンドを大面積の基
体表面に形成することができる。
モンド形成方法と相違する点は、従来法では，炭化水素
ガスと水素ガスの混合ガスを反応室に導入し、基体表面
上にフィラメントを設けこれを加熱して反応性のガスを
発生させダイヤモンドを形成するが、本発明では、炭化
水素ガスと水素ガスは別々に反応室に導入し、水素ガス
は基体の近くに設けたガス噴射口から高温にして基体に
向かって吹き付ける点である。この噴射口は高融点の材
料、たとえばタングステン、タンタル，レニュウムなど
の材料でつくられ、通電またはＣＯ2 などのレーザの照
射等によって加熱することにより、ダイヤモンドの生成
に寄与する原子状水素を効率よく作り出している。ま
た、噴射口を加熱する方法だけでなく、噴射口付近に電
極を設けて放電させプラズマあるいはＥＣＲプラズマを
作り出してもよい。ダイヤモンドの成長は，炭化水素ガ
スと水素ガスの流量、混合比、噴射口付近の温度、基体
の温度、反応処理時間、噴射口と基体の距離などを調整
することによりダイヤモンドを所望の条件で成長でき
る。高温の水素噴出口を複数個設けさらに基体を回転す
ることなどによって、均質なダイヤモンドを大面積の基
体表面に形成することができる。
【０００６】ダイヤモンドを形成する基体の材料は、ダ
イヤモンドが気相成長できるものであれば、その種類に
格別の限定はなく、たとえば、酸化物、窒化物、半導
体、金属，半金属があげられる。基体に表面処理、たと
えば本発明者が開発したダイヤモンド微粉末による種結
晶の植え付け処理などを施せば、ダイヤモンドの形成は
より確実になる。すなわち、発明者は粒径数十ｎｍ以下
のダイヤモンド微粉末をシリコン等の基板に一様に植え
こみ、この基板を用いて低圧気相法に基づいたダイヤモ
ンドの気相成長を行うと、ダイヤモンド微粉末を成長核
として表面が滑らかで均質のダイヤモンド薄膜が再現性
よく得られることを見出している。
イヤモンドが気相成長できるものであれば、その種類に
格別の限定はなく、たとえば、酸化物、窒化物、半導
体、金属，半金属があげられる。基体に表面処理、たと
えば本発明者が開発したダイヤモンド微粉末による種結
晶の植え付け処理などを施せば、ダイヤモンドの形成は
より確実になる。すなわち、発明者は粒径数十ｎｍ以下
のダイヤモンド微粉末をシリコン等の基板に一様に植え
こみ、この基板を用いて低圧気相法に基づいたダイヤモ
ンドの気相成長を行うと、ダイヤモンド微粉末を成長核
として表面が滑らかで均質のダイヤモンド薄膜が再現性
よく得られることを見出している。
【０００７】
【実施例】図２は、ダイヤモンド微粉末を基板表面に部
分的に埋め込む装置の一例を示したもので、超音波発生
装置（２１）に連結された金属円板（２２）とこれに平
行に設置されたシリコン基板（１）からなっている。基
板はマイクロメーター（２）で金属円板に対して垂直に
動かして位置調整できる架台（２５）に固定される。ま
た架台はチャック（２６）により回転モーター（２７）
にとりつけ、基板面と垂直な軸の回りに連続に回転す
る。金属円板（２２）と基板（１）及び架台（２５）
は、水、アルコール、アセトン等の溶液に研磨材、カッ
ター等で通常用いられる粒径１０ミクロ程度のダイヤモ
ンド粉体懸濁液（２９）を容れた容器（２８）に浸され
ている。金属円板（２２）と基板（１）の間隙を３００
μｍと近接させ、１０分間超音波発生装置（２１）によ
り攪拌するとダイヤモンド粉体同士が衝突し粉砕されて
粒径十ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末が発生し、それが
基板表面にほぼ一様に埋め込まれる。１０分間ほど超音
波攪拌したあと基板をとり出し洗浄し乾燥する。
分的に埋め込む装置の一例を示したもので、超音波発生
装置（２１）に連結された金属円板（２２）とこれに平
行に設置されたシリコン基板（１）からなっている。基
板はマイクロメーター（２）で金属円板に対して垂直に
動かして位置調整できる架台（２５）に固定される。ま
た架台はチャック（２６）により回転モーター（２７）
にとりつけ、基板面と垂直な軸の回りに連続に回転す
る。金属円板（２２）と基板（１）及び架台（２５）
は、水、アルコール、アセトン等の溶液に研磨材、カッ
ター等で通常用いられる粒径１０ミクロ程度のダイヤモ
ンド粉体懸濁液（２９）を容れた容器（２８）に浸され
ている。金属円板（２２）と基板（１）の間隙を３００
μｍと近接させ、１０分間超音波発生装置（２１）によ
り攪拌するとダイヤモンド粉体同士が衝突し粉砕されて
粒径十ｎｍ以下のダイヤモンド微粉末が発生し、それが
基板表面にほぼ一様に埋め込まれる。１０分間ほど超音
波攪拌したあと基板をとり出し洗浄し乾燥する。
【０００８】このようにして表面処理したシリコン基板
１を、図１に示した装置を用いて、試料温度８３０℃、
水素ガスに対する炭化水素ガスの体積混合比を３％に保
ち混合ガス（圧力４０Ｔｏｒｒ）雰囲気中、混合ガス流
量３００ｓｃｃｍ、水素ガス噴出口の温度を２１００℃
に設定し、１０分間熱処理した。その結果シリコン表面
に、大きさ数百ｎｍの粒子からなる連続した多結晶ダイ
ヤモンド膜が形成できた。同じ雰囲気中でさらに１時間
の熱処理を続けると基板上に厚さ約２０μｍのダイヤモ
ンド膜が形成できた。これは従来の方法の１０倍程度の
成長速度である。以上の製造工程を数回行ったところす
べて良好なダイヤモンド膜が得られ、十分な再現性があ
ることがわかった。
１を、図１に示した装置を用いて、試料温度８３０℃、
水素ガスに対する炭化水素ガスの体積混合比を３％に保
ち混合ガス（圧力４０Ｔｏｒｒ）雰囲気中、混合ガス流
量３００ｓｃｃｍ、水素ガス噴出口の温度を２１００℃
に設定し、１０分間熱処理した。その結果シリコン表面
に、大きさ数百ｎｍの粒子からなる連続した多結晶ダイ
ヤモンド膜が形成できた。同じ雰囲気中でさらに１時間
の熱処理を続けると基板上に厚さ約２０μｍのダイヤモ
ンド膜が形成できた。これは従来の方法の１０倍程度の
成長速度である。以上の製造工程を数回行ったところす
べて良好なダイヤモンド膜が得られ、十分な再現性があ
ることがわかった。
【０００９】炭化水素ガスと水素ガスの混合比を６％に
設定し、他の条件は同じにして熱処理をおこなうとシリ
コン基板表面に、３０μｍのダイヤモンド膜が形成され
た。この場合も再現性は十分であった。
設定し、他の条件は同じにして熱処理をおこなうとシリ
コン基板表面に、３０μｍのダイヤモンド膜が形成され
た。この場合も再現性は十分であった。
【００１０】図１は、高温水素ガス供給装置をもつ熱フ
ィラメント法によりダイヤモンド膜形成の装置の例を示
したものである。ダイヤモンド膜を形成するための基板
（１）は、試料架台（２）に設置し、真空容器（３）の
中央に置く。容器内を真空排気系（４）で排気する。所
定の圧力、たとえば、真空計（５）によって１０-6Ｔｏ
ｒｒ程度になった段階で、炭化水素ガスと水素ガスをそ
れぞれ供給系（６）、（７）より供給。なお、水素ガス
供給系には電力導入のための導電端子が併設されてい
る。圧力計（８）により圧力を測定し、所定圧力になる
ように、炭化水素ガスの流量をそれぞれ流量計（９）
（１０）で調節し設定する。試料架台に設けられたヒー
ター（１１）を導電端子（１２）から通電し加熱する。
基板温度は、試料架台に設置さた熱電対（１３）によっ
て測定し、制御する。試料架台の上部にレニュウムの細
いチューブからなる水素ガス噴出口（１４）を設ける。
チューブの他の端は導電端子（１５）で水素供給系
（７）に併設されている。またチューブ（２０）の噴出
口（１４）付近にレニュウムなどの導線（１７）を接続
し導電端子（１５）（１６）から通電し、チューブを加
熱する。基板上部とチューブの噴出口の間に熱遮蔽板
（１８）を設け基板温度の調節を容易にした。
ィラメント法によりダイヤモンド膜形成の装置の例を示
したものである。ダイヤモンド膜を形成するための基板
（１）は、試料架台（２）に設置し、真空容器（３）の
中央に置く。容器内を真空排気系（４）で排気する。所
定の圧力、たとえば、真空計（５）によって１０-6Ｔｏ
ｒｒ程度になった段階で、炭化水素ガスと水素ガスをそ
れぞれ供給系（６）、（７）より供給。なお、水素ガス
供給系には電力導入のための導電端子が併設されてい
る。圧力計（８）により圧力を測定し、所定圧力になる
ように、炭化水素ガスの流量をそれぞれ流量計（９）
（１０）で調節し設定する。試料架台に設けられたヒー
ター（１１）を導電端子（１２）から通電し加熱する。
基板温度は、試料架台に設置さた熱電対（１３）によっ
て測定し、制御する。試料架台の上部にレニュウムの細
いチューブからなる水素ガス噴出口（１４）を設ける。
チューブの他の端は導電端子（１５）で水素供給系
（７）に併設されている。またチューブ（２０）の噴出
口（１４）付近にレニュウムなどの導線（１７）を接続
し導電端子（１５）（１６）から通電し、チューブを加
熱する。基板上部とチューブの噴出口の間に熱遮蔽板
（１８）を設け基板温度の調節を容易にした。
【００１１】なお、実施例では、高温の水素噴出口を一
箇所設けたが、複数個の噴出口を、例えば碁盤の目のよ
うに設ければ大面積の基体表面にダイヤモンドを均質に
形成することができる。
箇所設けたが、複数個の噴出口を、例えば碁盤の目のよ
うに設ければ大面積の基体表面にダイヤモンドを均質に
形成することができる。
【００１２】
【発明の効果】本発明によれば、低圧気相法によるダイ
ヤモンドの形成速度を向上させることができる。
ヤモンドの形成速度を向上させることができる。
【図１】ダイヤモンド形成装置の概略図
【図２】ダイヤモンド微粉末を基板にうめこむ装置の概
略図。
略図。
１ 基体 ２ 試料台 ３ 真空容器 ４ 真空排気系 ５ 真空計 ６ ガス供給系 ７ ガス供給系 ８ 圧力計 ９、１０ ガス流量計 １１ ヒーター １２ 導電端子 １３ 熱電対 １４ ガス噴出口 １５ 導線端子 １６ 導電線 １７ 導電端子 １８ 熱遮蔽板 ２０ チューブ ２１ 超音波発生装置 ２９ ダイヤモンド粉体懸濁液
Claims (4)
- 【請求項１】内部を真空減圧状態とすることができる加
熱炉と、前記加熱炉内に炭化水素ガスのガス供給系と、
水素ガスの供給系とを備え、前記水素ガスの供給系の噴
出口がチューブの解放端で構成され、且つ前記チューブ
の解放端付近の前記チューブを加熱するための通電機構
を設けたことを特徴とするダイアモンド製造装置。 - 【請求項２】基板上にダイアモンド微粉末を埋め込み、
炭化水素ガスと原子状水素とを反応させて、前記基板上
にダイアモンド膜を成長させることを特徴とするダイア
モンドの製造方法。 - 【請求項３】ダイアモンド粉体懸濁液中に基板を浸して
撹拌することにより前記ダイアモンド微粉末を前記基板
上に埋め込むことを特徴とする請求項２記載のダイアモ
ンドの製造方法。 - 【請求項４】前記基板としてシリコン基板を用い、前記
撹拌に超音波発生装置を用いることを特徴とする請求項
３記載のダイアモンドの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043150A JP2773442B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | ダイヤモンドの製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3043150A JP2773442B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | ダイヤモンドの製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04280894A JPH04280894A (ja) | 1992-10-06 |
| JP2773442B2 true JP2773442B2 (ja) | 1998-07-09 |
Family
ID=12655815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3043150A Expired - Lifetime JP2773442B2 (ja) | 1991-03-08 | 1991-03-08 | ダイヤモンドの製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2773442B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114318521A (zh) * | 2021-12-28 | 2022-04-12 | 北京大学东莞光电研究院 | 一种金刚石生长方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61163195A (ja) * | 1985-01-09 | 1986-07-23 | Showa Denko Kk | ダイヤモンド気相合成法及びその装置 |
-
1991
- 1991-03-08 JP JP3043150A patent/JP2773442B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04280894A (ja) | 1992-10-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19980324 |