JP2833164B2 - Apparatus and method for producing diamond film - Google Patents

Apparatus and method for producing diamond film

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JP2833164B2 JP16917290A JP16917290A JP2833164B2 JP 2833164 B2 JP2833164 B2 JP 2833164B2 JP 16917290 A JP16917290 A JP 16917290A JP 16917290 A JP16917290 A JP 16917290A JP 2833164 B2 JP2833164 B2 JP 2833164B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ダイヤモンド膜の製造装置および製造方法
に関し、特にアーク放電を用いてダイヤモンド膜を気相
合成にするものに関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus and a method for producing a diamond film, and more particularly to a method for producing a diamond film in a gas phase by using arc discharge.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

近年、ダイヤモンド膜の低圧気相合成が提案されてい
るが、その合成方法は、次の3種類に大別できる。
In recent years, low-pressure gas-phase synthesis of diamond films has been proposed, and the synthesis methods can be roughly classified into the following three types.

第一の方法は、熱フィラメントCVD法と呼ばれるもの
で、800〜1000℃に加熱した基板の直上にタングステン
フィラメントを設け、フィラメントを2000℃以上に加熱
し、水素と炭化水素ガス(例えばCH4)をフィラメント
を通して基板に吹き付け、基板上にダイヤモンド膜を成
長させる方法である。第二は、マイクロ波プラズマCVD
法と呼ばれ、数百ワットのマイクロ波により水素と炭化
水素ガスの混合ガス気体にプラズマを発生させ、プラズ
マ内に配置された基板上にダイヤモンドを成長させる方
法で、基板はマイクロ波により加熱され、700〜900℃程
度の温度になっている。以上2種類の合成法では、原子
状水素が重要な役割をしている。原子状水素は、CH4
分解を促進し、さらに無定形炭素などダイヤモンド以外
の合成物質を選択的にエッチングする。第三はイオンビ
ームを用いた合成法であり、炭素のイオンビームを基板
にあてることでダイヤモンド膜を成長させようとするも
のである。
The first method is called a hot filament CVD method, in which a tungsten filament is provided directly above a substrate heated to 800 to 1000 ° C., and the filament is heated to 2000 ° C. or more, and hydrogen and a hydrocarbon gas (eg, CH 4 ) are used. Is sprayed onto a substrate through a filament to grow a diamond film on the substrate. The second is microwave plasma CVD
In this method, a plasma is generated in a mixed gas gas of hydrogen and hydrocarbon gas by a microwave of several hundred watts, and diamond is grown on a substrate placed in the plasma.The substrate is heated by the microwave. The temperature is about 700-900 ° C. In the above two synthetic methods, atomic hydrogen plays an important role. Atomic hydrogen promotes the decomposition of CH 4 and also selectively etches synthetic materials other than diamond, such as amorphous carbon. The third is a synthesis method using an ion beam, in which a diamond ion film is grown by applying a carbon ion beam to a substrate.

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

しかし、現在提案されている上記従来のダイヤモンド
製造法は、ダイヤモンド膜の合成速度が速くても数μm/
Hrとかなり遅く、例えばヒートシンク用基板として厚み
100μm以上のダイヤモンド膜を合成しようとすると極
めて長時間かかりコスト面で実用的ではなかった。
However, the above-mentioned conventional diamond production method proposed at present has a speed of several μm /
Very slow with Hr, for example, thickness as a substrate for heat sink
Attempting to synthesize a diamond film of 100 μm or more took an extremely long time, and was not practical in terms of cost.

本発明者達は先に直流アーク放電がダイヤモンド膜の
高速合成に極めて有効であることをつきとめた。アーク
放電は電子温度と気体温度が近く、数千度゜k以上の高
い気体温度となる特徴を有する。従って、ダイヤモンド
の原料ガスとして供給されるH2ガス及び炭化水素ガスの
分解が、熱フィラメントCVDあるいはグロー放電を利用
するマイクロ波PCVD法と比べ著しく進行する。この結果
直流アーク放電を用いたダイヤモンド合成法は従来例の
合成法に比べ10〜100倍速い合成速度を達成することが
できる。
The present inventors have previously found that DC arc discharge is extremely effective for high-speed synthesis of diamond films. Arc discharge is characterized in that the electron temperature is close to the gas temperature, and the gas temperature is as high as several thousand degrees ゜ k or more. Therefore, the decomposition of the H 2 gas and the hydrocarbon gas supplied as the source gas for diamond proceeds significantly compared to the hot filament CVD or the microwave PCVD method using glow discharge. As a result, the diamond synthesis method using the DC arc discharge can achieve a synthesis speed 10 to 100 times faster than the conventional synthesis method.

直流アーク放電を用いた合成法としては、本出願人が
先に提案した特願昭62−256805号に示した、原料ガスを
アーク放電内に通過せしめてガスプラズマとしこのガス
プラズマを絞り部によりプラズマジェットとし、このプ
ラズマジェットを基板に吹き付ける方法が原料ガスを有
効に活用できる点で有効である。しかしながら本合成法
においても次のような事実が判明した。
As a synthesis method using a DC arc discharge, as shown in Japanese Patent Application No. 62-256805 previously proposed by the present applicant, a raw material gas is passed through an arc discharge to form a gas plasma, and this gas plasma is formed by a throttle section. The method of forming a plasma jet and spraying the plasma jet on the substrate is effective in that the source gas can be effectively used. However, the following facts were also found in the present synthesis method.

プラズマジェットとして吹きつけられるガスプラズマ
は数千゜kという高温の気体温度を有する。ダイヤモン
ドを低圧下で基板上で成長させる場合、基板上のダイヤ
モンド成長面温度が1000℃を超えるとグラファイト等の
不純物炭素(ダイヤモンド以外の炭素)の発生率が高く
なってくる。従ってアーク放電プラズマジェットタイプ
の合成法では基板の冷却及びその温度制御が非常に重要
になってくる。また冷却をうまく行った場合でも成長す
るダイヤモンドの膜厚が厚くなるに従いダイヤモンド成
長面の温度は違ってくるようである。ダイヤモンドは非
常に熱伝導が良い物質であるがそれでもダイヤモンドの
膜厚が厚くなるに従い(合成時間が長くなるに従い)そ
の断熱効果から表面上度が上昇し、延いては不純物炭素
の混入率が高くなることを本発明者達は見出した。第3
図はこのことを示すデータであり、合成開始から1Hr,5H
r,10Hr合成を断続したダイヤモンド膜のラマン分光装置
のラマンシフトデータを示したものである。合成時間に
対応して膜厚は厚くなっており、合成時間1Hrでダイヤ
モンド膜厚30μm、5Hrで150μm、10Hrで300μmの膜
厚となっている。第3図のラマンスペクトルのデータに
よると合成時間が長くなる程、即ちダイヤモンド膜厚が
厚くなる程1600cm-1近傍及び1370cm-1近傍のグラファイ
ト等の不純物炭素のピークが顕著に見られるようにな
る。すなわち、膜厚が厚くなるに従い、ダイヤモンドの
成長面温度が1000℃以上の高温となり、このような不純
物が形成されることが判明した。
The gas plasma blown as a plasma jet has a high gas temperature of several thousand ゜ k. When diamond is grown on a substrate under low pressure, if the temperature of the diamond growth surface on the substrate exceeds 1000 ° C., the generation rate of impurity carbon such as graphite (carbon other than diamond) increases. Therefore, in the arc discharge plasma jet type synthesis method, the cooling of the substrate and the control of its temperature become very important. Further, even when cooling is performed well, the temperature of the diamond growth surface seems to be different as the film thickness of the growing diamond increases. Diamond is a very good heat conductor, but as the diamond thickness increases (synthesis time increases), the heat insulation effect increases the surface level, and consequently the impurity carbon contamination rate increases. The present inventors have found that this is the case. Third
The figure shows the data indicating this, 1Hr, 5H
FIG. 9 shows Raman shift data of a Raman spectrometer for a diamond film in which the synthesis of r and 10Hr is interrupted. The film thickness is increased corresponding to the synthesis time, and the diamond film thickness is 30 μm at 1 Hr, 150 μm at 5 Hr, and 300 μm at 10 Hr. Higher the longer third diagram the synthesis time according to the Raman spectrum of the data, i.e., the peak of the impurity carbon graphite or the like of 1600 cm -1 and near 1370 cm -1 vicinity higher the diamond film becomes thicker is to be seen conspicuously . That is, it has been found that as the film thickness increases, the growth surface temperature of the diamond increases to 1000 ° C. or higher, and such impurities are formed.

本発明は、上述した事実を発見したことに基づきなさ
れたものであって、ダイヤモンド膜の膜厚(あるいは合
成時間)に依らず純度の高いダイヤモンドを得ることが
できる製造装置および製造方法を提供することを目的と
している。
The present invention has been made based on the discovery of the above fact, and provides a manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of obtaining high-purity diamond irrespective of the diamond film thickness (or synthesis time). It is intended to be.

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

上記の目的を達成するために、本発明のダイヤモンド
膜の製造装置は所定真空度に維持される真空容器と、 互いに対向するように前記真空容器内に配置した正極
および負極と、 前記正極および負極に電気接続し、該正極および負極
との空間にアーク放電を起こすべく所定の電力を印加す
るアーク放電用電源と、 前記アーク放電に少なくともプラズマ源ガスを流すこ
とによりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含む前記
ガスプラズマをその下流に配置する基板に吹きつけるガ
ス供給手段と、 前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が
上昇する要因を検出する検出手段と、 前記ダイヤモンド膜の表面の温度が所定温度になるよ
うに、前記検出手段により検出された前記要因に応じて
前記ダイアモンド膜の成長中に前記ダイヤモンド膜を冷
却する冷却手段と を備えることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the apparatus for producing a diamond film according to the present invention includes a vacuum vessel maintained at a predetermined degree of vacuum; a positive electrode and a negative electrode arranged in the vacuum vessel so as to face each other; An electric power source for arc discharge that electrically connects to the positive electrode and the negative electrode and applies a predetermined electric power to cause arc discharge in the space between the positive electrode and the negative electrode; and a gas source is generated by flowing at least a plasma source gas into the arc discharge. Gas supply means for blowing the gas plasma containing gas onto a substrate disposed downstream thereof; detection means for detecting a cause of an increase in the temperature of the surface of the diamond film grown on the substrate; and The diamond is grown during the growth of the diamond film in accordance with the factor detected by the detection means so that the temperature becomes a predetermined temperature. It is characterized in that it comprises cooling means for cooling the film.

又、本発明のダイヤモンド膜の製造方法は少なくとも
プラズマ源ガスをアーク放電に流すことによりガスプラ
ズマを発生し、炭素源ガスを含む前記ガスプラズマをそ
の下流に配置する基板に吹きつけることにより該基板上
にダイヤモンド膜を析出形成する方法において、 前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が
上昇する要因を検出すると共に、前記ダイヤモンド膜の
表面の温度が所定温度になるように、前記検出された要
因に応じて前記ダイヤモンド膜の成長中に前記ダイヤモ
ンド膜を冷却するようにしたことを特徴としている。
Further, the method for producing a diamond film according to the present invention is characterized in that a gas plasma is generated by flowing at least a plasma source gas through an arc discharge, and the gas plasma containing a carbon source gas is blown onto a substrate disposed downstream of the gas plasma. In the method of depositing and forming a diamond film on the substrate, detecting a factor that raises the temperature of the surface of the diamond film growing on the substrate, and detecting the temperature so that the temperature of the surface of the diamond film becomes a predetermined temperature. The method is characterized in that the diamond film is cooled during the growth of the diamond film depending on the factors.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明を図面に示す実施例を用いて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described using embodiments shown in the drawings.

第1図は本発明の一実施例に用いられる製造装置の概
要を示す図、第2図は第1図中のプラズマジェットガン
1,基板2および基板支持台3を示す断面図である。プラ
ズマジェットガン1は、一端が鋭角に形成されたタング
ステンよりなる棒状電極7を軸として、銅よりなる電極
冷却部8、テフロンよりなるガス導入部9および銅より
なるシリンダ状電極10が設けられている。電極冷却部8
およびシリンダ状電極10には、中空部である中空部108,
110が設けられている。
FIG. 1 is a view showing an outline of a manufacturing apparatus used in one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plasma jet gun shown in FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a substrate 2 and a substrate support 3. The plasma jet gun 1 is provided with an electrode cooling portion 8 made of copper, a gas introduction portion 9 made of Teflon, and a cylindrical electrode 10 made of copper around a rod-shaped electrode 7 made of tungsten having one end formed at an acute angle. I have. Electrode cooling unit 8
And the cylindrical electrode 10 has a hollow portion 108, which is a hollow portion,
110 are provided.

冷却水はこの電極冷却部8およびシリンダ状電極10に
対してそれぞれ冷却水パイプ140a,150aより供給され、
冷却水パイプ150b,140bより排出される。これにより棒
状電極7とシリンダ状電極10との間に生ずるアーク放電
の熱による電極の損耗を防いでいる。
Cooling water is supplied to the electrode cooling section 8 and the cylindrical electrode 10 from cooling water pipes 140a and 150a, respectively.
It is discharged from the cooling water pipes 150b and 140b. This prevents electrode wear due to the heat of the arc discharge generated between the rod-shaped electrode 7 and the cylindrical electrode 10.

ガス導入部9には、原料ガス導入パイプ16が設けられ
ており、さらに、棒状電極7の一端側において開口され
ガス導入パイプ16より供給されるガスを、棒状電極7の
先端部7aに送るように構成されている。さらに棒状電極
7とシリンダ状電極10の間でアーク放電を起こすため
に、棒状電極7とシリンダ状電極10との間にはシリンダ
状電極10が正電位となるようにアーク放電用電源17が接
続されている。また、シリンダ状電極10のガス導入部9
の反対の面には、絞り部であるプラズマ噴出口18が設け
られている。
The gas introduction unit 9 is provided with a raw material gas introduction pipe 16, and is further opened at one end of the rod-shaped electrode 7 so that gas supplied from the gas introduction pipe 16 is sent to the tip 7 a of the rod-shaped electrode 7. Is configured. Further, in order to cause an arc discharge between the rod-shaped electrode 7 and the cylindrical electrode 10, an arc discharge power supply 17 is connected between the rod-shaped electrode 7 and the cylindrical electrode 10 so that the cylindrical electrode 10 has a positive potential. Have been. In addition, the gas inlet 9 of the cylindrical electrode 10
On the opposite side, a plasma outlet 18 as a throttle is provided.

このプラズマ噴出口18の下流には基板支持台3上に基
板2が置かれている。本実施例では基板2としてシリコ
単結晶板を用いる。この基板支持台3は、基板を所定温
度(本実施例では約800℃)に維持するために冷却水パ
イプ20aより冷却水が供給され冷却水パイプ20bより排出
できるよう中空となっている。これは、プラズマ噴出口
18より噴き出されるプラズマジェットの気体温度が数千
〜数万度に達してしまうため、主に基板温度をダイヤモ
ンドの合成域である600〜1100℃にするために基板2を
冷却する必要があるからである。また、プラズマ噴出口
18近傍には、炭化水素ガス導入口19が設けられている。
The substrate 2 is placed on the substrate support 3 downstream of the plasma ejection port 18. In this embodiment, a silicon single crystal plate is used as the substrate 2. The substrate support 3 is hollow so that cooling water can be supplied from the cooling water pipe 20a and discharged from the cooling water pipe 20b to maintain the substrate at a predetermined temperature (about 800 ° C. in this embodiment). This is the plasma spout
Since the gas temperature of the plasma jet ejected from 18 reaches several thousands to tens of thousands of degrees, it is necessary to cool the substrate 2 mainly to keep the substrate temperature at 600 to 1100 ° C., which is the diamond synthesis region. Because. Also, plasma spout
A hydrocarbon gas inlet 19 is provided near 18.

そして、これらの装置は5Torr〜5気圧の範囲内の減
圧下で運転されるため、第1図に示すようにアーク放電
用電源17を除き真空容器100内におさめられている。
Since these devices are operated under reduced pressure in the range of 5 Torr to 5 atm, they are housed in a vacuum vessel 100 except for the arc discharge power supply 17 as shown in FIG.

第1図において、符号1,2,3は第2図を用いて説明し
たそれぞれプラズマジェットガン,基板,基板支持台3
であり、又、30は非接触温度計、31は窓、32はギア、33
は支持台上下機構、34はステップモータ、35はマイクロ
コンピュータである。プラズマジェットガン1よりプラ
ズマジェットガスは基板2に吹き付けられ、基板2上に
ダイヤモンドが析出する。この基板2上に成長するダイ
ヤモンド膜の表面温度を非接触温度計30により窓31を介
して測定し、その信号がマイクロコンピュータ35内に予
じて入力されているダイヤモンド膜表面温度の設定値よ
り上昇した場合は、ステップモータ34、ギア32を介して
支持台上下機構33を駆動することにより基板支持台3を
下げ、プラズマジェットガン1から基板2を離し、表面
温度が設定値になるように動作する。逆にダイヤモンド
膜表面温度が設定値より低下した場合は、基板支持台3
を上げダイヤモンド膜表面温度を一定に保つ。ここで支
持台上下機構は、ギア32を回転させることで上下動し、
ギア32は非接触温度計30の信号をマイクロコンピュータ
35のフィードバックしステップモータ34により回転す
る。
In FIG. 1, reference numerals 1, 2, and 3 denote plasma jet guns, substrates, and substrate supports 3 described with reference to FIG.
And 30 is a non-contact thermometer, 31 is a window, 32 is a gear, 33
, A support base up-down mechanism; 34, a step motor; and 35, a microcomputer. The plasma jet gas is sprayed from the plasma jet gun 1 onto the substrate 2, and diamond is deposited on the substrate 2. The surface temperature of the diamond film growing on the substrate 2 is measured through the window 31 by the non-contact thermometer 30 and the signal is obtained from the set value of the diamond film surface temperature previously input into the microcomputer 35. When the temperature rises, the substrate support 3 is lowered by driving the support up / down mechanism 33 via the step motor 34 and the gear 32, and the substrate 2 is separated from the plasma jet gun 1 so that the surface temperature becomes the set value. Operate. Conversely, if the diamond film surface temperature falls below the set value, the substrate support 3
To keep the diamond film surface temperature constant. Here, the support base vertical mechanism moves up and down by rotating the gear 32,
The gear 32 is a microcomputer that sends signals from the non-contact thermometer 30
It is rotated by the step motor 34 with the feedback of 35.

尚、非接触温度計30の具体的な構成としては第5図に
示すような機構を有するものが採用できる。即ち、基板
2の表面放射輝度強度(温度により変化)をレンズ30a
で集光し光フィルタ30bを通過後、ダイオードアレイ等
のディテクター30cで光強度を測定する。熱放射体のス
ペクトルはブランクの放射式に従うため、温度上昇によ
り光強度は強くなり一定波長の放射輝度の強度を測定す
ることで温度が決定できるものである。
Incidentally, as a specific configuration of the non-contact thermometer 30, one having a mechanism as shown in FIG. 5 can be adopted. That is, the surface radiance intensity (changed with temperature) of the substrate 2 is changed by the lens 30a.
After passing through the optical filter 30b, the light intensity is measured by a detector 30c such as a diode array. Since the spectrum of the heat radiator follows the blank radiation formula, the light intensity increases as the temperature rises, and the temperature can be determined by measuring the intensity of the radiance at a certain wavelength.

又、ダイヤモンド膜表面温度の設定値は、ダイヤモン
ドの合成が600〜1000℃の範囲で可能であるのでその範
囲内の値である。その所定値はガスの組成、圧力等によ
り最適温度は異なる。又、制御温度範囲は±5℃以内が
適当である。
The set value of the surface temperature of the diamond film is a value within the range since the synthesis of diamond is possible in the range of 600 to 1000 ° C. The optimum temperature differs depending on the gas composition, pressure, and the like. It is appropriate that the control temperature range is within ± 5 ° C.

次に、上述した装置を用いたダイヤモンド膜の合成方
法を記述する。まずはじめに、真空容器100内を排気し
た後、電離度の高い第0族のガスであるアルゴンをガス
導入パイプ16からプラズマジェットガン1に導入し、か
つ真空容器100内圧力を50Torrに設定する。その後、ア
ーク放電用電源17により棒状電極7(負極)とシリンダ
状電極10(正極)との間にアーク放電を発生させる。放
電が安定したところで、このアーク放電にガス導入パイ
プ16より、アルゴン60vol%,H240vol%の混合ガスを15
/minの流量で流し、ガスプラズマとした。さらに、炭
化水素ガス導入口19よりメタンガスを60cc/min水素ガス
を200cc/minで導入した。ここで、メタンガスに代表さ
れる炭化水素ガスは、作動ガス導入パイプ16から導入し
てもよいが、タングステン電極棒が炭化され、長時間放
電が安定しない欠点があるため、炭化水素ガス放電部下
流のガス導入口19から導入するのが望ましい。真空容器
100内の圧力は50Torrに保つ様、排気している。アーク
放電は、電圧40Vで電流50Aの条件とした。プラズマ噴出
口18にガスプラズマを通過せしめ、プラズマジェットと
し、さらに炭化水素ガス導入口19より導入されるメタン
ガスをこのプラズマジェットに吹き付けプラズマジェッ
トガスとした。尚、プラズマ中心部は気体温度で3000℃
以上であり、またガン内部の放電部はそれ以上に上昇し
ている。そして、赤紫色のプラズマジェットガスを基板
2に吹き付けることによりダイヤモンドを析出形成させ
る。
Next, a method for synthesizing a diamond film using the above-described apparatus will be described. First, after evacuating the inside of the vacuum vessel 100, argon, which is a Group 0 gas having a high degree of ionization, is introduced into the plasma jet gun 1 from the gas introduction pipe 16, and the pressure inside the vacuum vessel 100 is set to 50 Torr. Thereafter, an arc discharge is generated between the rod-shaped electrode 7 (negative electrode) and the cylindrical electrode 10 (positive electrode) by the arc discharge power supply 17. When the discharge was stabilized, a mixed gas of 60 vol% of argon and 40 vol% of H 2 was supplied to the arc discharge through a gas introduction pipe 16.
/ min flow rate to obtain gas plasma. Further, methane gas was introduced at 60 cc / min and hydrogen gas was introduced at 200 cc / min from the hydrocarbon gas inlet 19. Here, the hydrocarbon gas typified by methane gas may be introduced from the working gas introduction pipe 16, but since the tungsten electrode rod is carbonized and the discharge is not stabilized for a long time, the hydrocarbon gas discharge section is downstream. It is desirable to introduce the gas through the gas inlet 19 of the first embodiment. Vacuum container
The pressure inside 100 is exhausted to keep it at 50 Torr. The arc discharge was performed under the conditions of a voltage of 40 V and a current of 50 A. The gas plasma was passed through the plasma outlet 18 to form a plasma jet, and methane gas introduced from the hydrocarbon gas inlet 19 was blown onto the plasma jet to form a plasma jet gas. The center temperature of the plasma is 3000 ℃ in gas temperature.
That is all, and the discharge part inside the gun has risen further. Then, a red-purple plasma jet gas is sprayed on the substrate 2 to precipitate and form diamond.

次に、上記ダイヤモンド膜の形成において、ダイヤモ
ンド膜の表面温度を設定値近傍の値に制御する方法につ
いて説明する。
Next, a method of controlling the surface temperature of the diamond film to a value near the set value in forming the diamond film will be described.

マイクロコンピュータ35は、アーク放電用電源17によ
るアーク放電の開始に応答して、第6図に示す制御を開
始する。この制御は、アーク放電が行われている間ステ
ップ200から240を繰り返し実行することにより行われ
る。
The microcomputer 35 starts the control shown in FIG. 6 in response to the start of the arc discharge by the arc discharge power supply 17. This control is performed by repeatedly executing steps 200 to 240 while the arc discharge is being performed.

まず、ステップ200では、非接触温度計30によって検
出されたダイヤモンド膜の最表面温度を示す検出データ
Tを非接触温度計30より入力するとともに、マイクロコ
ンピュータ35に予め記憶しておいた設定値データToおよ
び許容偏差データDを読み出す。この設定値データToと
しては、ダイヤモンド膜の最表面温度の設定値として例
えば900℃、許容偏差データDとしては20℃に相当する
値が設定されている。これは、ダイヤモンド膜の最表面
温度が800℃以下ではiカーボンと呼ばれるアモルファ
ス炭素が生成される可能性が増大し、また1000℃以上の
温度ではグラファイト等の不純物炭素が生成される可能
性が増大するからである。
First, in step 200, the detection data T indicating the outermost surface temperature of the diamond film detected by the non-contact thermometer 30 is input from the non-contact thermometer 30 and the set value data stored in the microcomputer 35 in advance. Read To and allowable deviation data D. As the set value data To, for example, 900 ° C. is set as the set value of the outermost surface temperature of the diamond film, and as the allowable deviation data D, a value corresponding to 20 ° C. is set. This is because when the outermost surface temperature of the diamond film is 800 ° C or lower, the possibility that amorphous carbon called i-carbon is generated increases, and when the temperature is 1000 ° C or higher, the possibility that impurity carbon such as graphite is generated increases. Because you do.

ステップ210では、検出データTと設定値データToの
差が、許容偏差データD以下であるか否かが判定され
る。この判定がYESならばステップ200に戻る。しかし、
検出データTが設定値データToより許容偏差データD以
上低い場合にはステップ210の判定がNOになり、ステッ
プ220を介してステップ240に進む。このステップ240で
は、ステップモータ34に、上昇信号を送り、支持台上下
機構33を上昇させる。その結果、ダイヤモンドの表面の
温度が上昇し上記設定値に近づくようになる。
In step 210, it is determined whether or not the difference between the detection data T and the set value data To is equal to or smaller than the allowable deviation data D. If this determination is YES, the process returns to step 200. But,
If the detection data T is lower than the set value data To by the allowable deviation data D or more, the determination in step 210 is NO, and the process proceeds to step 240 via step 220. In this step 240, an ascending signal is sent to the stepping motor 34 to raise the support base up-and-down mechanism 33. As a result, the temperature of the diamond surface rises and approaches the set value.

また、検出データTが設定値データToより許容偏差デ
ータD以上高い場合にはステップ210よりステップ220を
介してステップ230に進む。このステップ230では、ステ
ップモータ34に、下降信号を送り、支持台上下機構33を
下降させる。その結果、ダイヤモンドの表面の温度が下
降し上記設定値に近づくようになる。
If the detected data T is higher than the set value data To by the allowable deviation data D or more, the process proceeds from step 210 to step 230 via step 220. In this step 230, a lowering signal is sent to the step motor 34 to lower the support base vertical mechanism 33. As a result, the temperature of the diamond surface decreases and approaches the set value.

従って、上記フィードバッグ制御を行うことにより、
ダイヤモンドの表面の温度を880℃と920℃の間の温度に
維持する。
Therefore, by performing the above feedback control,
Maintain the temperature of the diamond surface between 880 ° C and 920 ° C.

そこで、本実施例によると、上記の条件にてダイヤモ
ンド膜を合成した結果、合成速度は30μm/Hrであり、か
なり高速に合成することができた。そして、ダイヤモン
ド膜の表面の温度を検出し、その温度に応じて該表面の
温度が設定値になるように制御しているのでダイヤモン
ド膜の析出過程においてダイヤモンド膜の表面の温度は
ダイヤモンド膜の膜厚(あるいは合成時間)に依存する
ことなく常に精度良く設定値に制御され、その結果、純
度の高いダイヤモンド膜を得ることができる。第4図は
本実施例により合成開始から1Hr,5Hr,10Hr合成を継続し
たダイヤモンド膜のラマン分析装置のラマンシフトデー
タを示したものである。
Thus, according to the present example, as a result of synthesizing a diamond film under the above conditions, the synthesis speed was 30 μm / Hr, and the synthesis was possible at a considerably high speed. Then, the temperature of the surface of the diamond film is detected, and the temperature of the surface is controlled to a set value according to the detected temperature. The set value is always accurately controlled without depending on the thickness (or the synthesis time), and as a result, a diamond film with high purity can be obtained. FIG. 4 shows Raman shift data of a diamond film Raman analyzer in which synthesis of 1Hr, 5Hr, and 10Hr was continued from the start of synthesis according to the present embodiment.

このラマンスペクトルの結果では膜厚が300μm近く
になっても若干不純物炭素のピークが観察されるだけで
ダイヤモンド膜の純度の向上に大きな効果を有すること
が判明した。
From the results of the Raman spectrum, it was found that even when the film thickness became close to 300 μm, only a slight peak of impurity carbon was observed, which had a great effect on improving the purity of the diamond film.

以上、本発明を上記実施例を用いて説明したが、本発
明はそれに限定されることなくその主旨を逸脱しない限
り、例えば以下に示す如く種々変形可能である。
As described above, the present invention has been described using the above embodiments. However, the present invention is not limited thereto, and various modifications can be made as shown below, for example, without departing from the gist of the present invention.

(1)ダイヤモンド膜の表面の温度を調整する手段とし
て上記実施例は支持台上下機構33を用いているが、アー
ク放電用電源17によりその温度を調整するようにしても
良い。即ち、非接触温度計30からのダイヤモンド膜表面
温度信号をマイクロコンピュータ35を介してアーク放電
用電源17にフィードバックし、その放電電力を制御すれ
ばよく、表面温度が上昇すれば電力を小さくし、逆に表
面温度が低下すれば電力を増加しようとする。ただし、
この場合電力の変化分が大きいと放電そのものが不安定
になるので所定電力ずつ変化されるのが望ましい。
(1) Although the above-described embodiment uses the support base up-and-down mechanism 33 as means for adjusting the surface temperature of the diamond film, the temperature may be adjusted by the arc discharge power supply 17. That is, the diamond film surface temperature signal from the non-contact thermometer 30 is fed back to the arc discharge power supply 17 via the microcomputer 35, and the discharge power may be controlled.If the surface temperature increases, the power is reduced, Conversely, if the surface temperature decreases, the power is increased. However,
In this case, if the change in power is large, the discharge itself becomes unstable.

又、表面の温度の調整は、非接触温度計30の温度信号
をフィードバックし基板支持台3を冷却する冷却水パイ
プ20a,20b内の冷却水の水量、もしくは水温を変化させ
ようにして実現しても良い。ただし、水温、もしくは水
量により制御は応答性に問題があり、微妙な温調は困難
であるので、上述した支持台上下機構33を上下動する方
法、あるいは放電電力を制御する方法と組み合わせて行
うのが望ましい。
The surface temperature is adjusted by feeding back the temperature signal of the non-contact thermometer 30 and changing the amount or temperature of the cooling water in the cooling water pipes 20a and 20b for cooling the substrate support 3. May be. However, since the control by the water temperature or the amount of water has a problem in responsiveness, and it is difficult to perform delicate temperature control, the control is performed in combination with the above-described method of moving the support base up and down mechanism 33 up or down, or the method of controlling discharge power. It is desirable.

(2)本発明が言うダイヤモンド膜の表面の温度が変化
する要因として上記実施例では非接触温度計30を用いて
直接ダイヤモンド膜の表面の温度を検出しているが、ダ
イヤモンド膜の表面の温度はダイヤモンド膜の膜厚ある
いは合成時間により変化するものであるから、それらを
検出することにより間接的に表面の温度を検出するよう
にしても良い。尚、合成条件が変化する場合にはダイヤ
モンド膜の膜厚あるいは合成時間とダイヤモンド膜の表
面の温度との関係も変化するのでその変化分を見込んで
制御する必要がある。
(2) In the above embodiment, the temperature of the surface of the diamond film is directly detected using the non-contact thermometer 30 as a cause of the change in the temperature of the surface of the diamond film according to the present invention. Since the temperature varies depending on the thickness of the diamond film or the synthesis time, the temperature of the surface may be detected indirectly by detecting them. When the synthesis conditions change, the relationship between the film thickness or the synthesis time of the diamond film and the temperature of the surface of the diamond film also changes, so it is necessary to control the change in consideration of the change.

(3)上記実施例ではアーク放電プラズマジェット法に
より行ったが、特願昭62−5527号に示すような構成のア
ーク放電法によっても上記実施例と同様の効果が得られ
る。つまり、対向している電極間にアーク放電用電極に
よりアーク放電を発生させ、原料ガス導入パイプよりプ
ラズマ源ガスおよび炭素源ガスを含む原料ガスとして水
素,メタン,アルゴンの混合ガスを上記実施例と同比
率,同流量流す。
(3) Although the arc discharge plasma jet method is used in the above embodiment, the same effect as that of the above embodiment can be obtained by the arc discharge method having the structure shown in Japanese Patent Application No. 62-5527. That is, arc discharge is generated between the electrodes facing each other by an arc discharge electrode, and a mixed gas of hydrogen, methane, and argon is used as a source gas containing a plasma source gas and a carbon source gas from a source gas introduction pipe as in the above-described embodiment. Flow at the same ratio and flow rate.

そして、上記実施例のように基板上に成長するダイヤ
モンド膜の表面の温度が変化する要因を検出すると共
に、その検出された要因に応じてダイヤモンド膜の表面
の温度が所定温度になるように制御すれば良いものであ
る。
Then, as in the above-described embodiment, a factor that changes the temperature of the surface of the diamond film grown on the substrate is detected, and the temperature of the surface of the diamond film is controlled to a predetermined temperature according to the detected factor. It is good to do.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上述べたように本発明によると、基板上に成長する
ダイヤモンド膜の表面の温度が変化する要因を検出する
と共に、その検出された要因に応じてダイヤモンド膜の
表面の温度が所定温度になるように制御しているので、
純度の高いダイヤモンド膜を得ることができるという効
果がある。
As described above, according to the present invention, a factor that changes the temperature of the surface of a diamond film grown on a substrate is detected, and the temperature of the surface of the diamond film is set to a predetermined temperature according to the detected factor. Control
There is an effect that a highly pure diamond film can be obtained.

又、前記要因としてダイヤモンド膜の表面の温度を直
接検出すれば、該温度の検出精度が高まり、より制御性
が良くなるという効果がある。
In addition, if the temperature of the surface of the diamond film is directly detected as the factor, there is an effect that the detection accuracy of the temperature is increased and the controllability is improved.

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

第1図は本発明の第1実施例に用いられる製造装置の概
要を示す図、第2図は第1図中のプラズマジェットガ
ン,基板,基板支持台を示す断面図、第3図は従来技術
のラマン分光装置のラマンシフトデータ、第4図は第1
図に示す実施例のラマン分光装置のラマンシフトデー
タ、第5図は非接触温度計の機構を説明する為の図、第
6図は第1図中のマイクロコンピュータの制御を示すフ
ローチャートである。 1……プラズマジェットガン,2……基板,3……基板支持
台,17……アーク放電用電源,30……非接触温度計,33…
…支持台上下機構,34……ステップモータ,100……真空
容器。
FIG. 1 is a view showing an outline of a manufacturing apparatus used in a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view showing a plasma jet gun, a substrate, and a substrate support table in FIG. 1, and FIG. Raman shift data of the Raman spectrometer of the technology.
Raman shift data of the Raman spectrometer of the embodiment shown in the figure, FIG. 5 is a diagram for explaining the mechanism of the non-contact thermometer, and FIG. 6 is a flowchart showing control of the microcomputer in FIG. 1 ... Plasma jet gun, 2 ... Substrate, 3 ... Substrate support, 17 ... Power supply for arc discharge, 30 ... Non-contact thermometer, 33 ...
… Supporting mechanism, 34… Step motor, 100… Vacuum container.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 平2−160695(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C30B 1/00 - 35/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Tadashi Hattori 14 Iwatani, Shimowasumi-machi, Nishio-shi, Aichi Pref. Japan Automotive Parts Research Institute Co., Ltd. Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) C30B 1/00-35/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】所定真空度に維持される真空容器と、 互いに対向するように前記真空容器内に配置した正極お
よび負極と、 前記正極および負極に電気接続し、該正極および負極と
の空間にアーク放電を起こすべく所定の電力を印加する
アーク放電用電極と、 前記アーク放電に少なくともプラズマ源ガスを流すこと
によりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含む前記ガ
スプラズマをその下流に配置する基板に吹きつけるガス
供給手段と、 前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が上
昇する要因を検出する検出手段と、 前記ダイヤモンド膜の表面の温度が所定温度になるよう
に、前記検出手段により検出された前記要因に応じて前
記ダイヤモンド膜の成長中に前記ダイヤモンド膜を冷却
する冷却手段と を備えることを特徴とするダイヤモンド膜の製造装置。
1. A vacuum vessel maintained at a predetermined degree of vacuum, a positive electrode and a negative electrode disposed in the vacuum vessel so as to face each other, and electrically connected to the positive electrode and the negative electrode, and in a space between the positive electrode and the negative electrode. An electrode for arc discharge for applying a predetermined electric power to cause arc discharge, a substrate for generating gas plasma by flowing at least a plasma source gas in the arc discharge, and disposing the gas plasma containing a carbon source gas downstream thereof Gas detecting means for detecting a cause of an increase in the temperature of the surface of the diamond film grown on the substrate; andthe detecting means so that the temperature of the surface of the diamond film becomes a predetermined temperature. Cooling means for cooling the diamond film during the growth of the diamond film according to the detected factor. Yamondo film production apparatus.
【請求項2】前記検出手段は、前記要因として前記ダイ
ヤモンド膜の表面の温度を検出するものである請求項
(1)記載のダイヤモンド膜の製造装置。
2. The diamond film manufacturing apparatus according to claim 1, wherein said detecting means detects a temperature of a surface of said diamond film as said factor.
【請求項3】少なくともプラズマ源ガスをアーク放電に
流すことによりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含
む前記ガスプラズマをその下流に配置する基板に吹きつ
けることにより該基板上にダイヤモンド膜を析出形成す
る方法において、 前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が上
昇する要因を検出すると共に、前記ダイヤモンド膜の表
面の温度が所定温度になるように、前記検出された要因
に応じて前記ダイヤモンド膜の成長中に前記ダイヤモン
ド膜を冷却するようにしたことを特徴とするダイヤモン
ド膜の製造方法。
3. A gas plasma is generated by flowing at least a plasma source gas through an arc discharge, and a diamond film is deposited on the substrate by spraying the gas plasma containing a carbon source gas on a substrate disposed downstream thereof. In the method of forming, while detecting a factor that raises the temperature of the surface of the diamond film grown on the substrate, the temperature of the surface of the diamond film becomes a predetermined temperature, according to the detected factor, A method of manufacturing a diamond film, wherein the diamond film is cooled during the growth of the diamond film.
【請求項4】前記要因は、前記ダイヤモンド膜の表面の
温度である請求項(3)記載のダイヤモンド膜の製造方
法。
4. The method according to claim 3, wherein the factor is a temperature of a surface of the diamond film.
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