JP3200393B2 - ダイヤモンド膜の堆積方法と装置 - Google Patents

ダイヤモンド膜の堆積方法と装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ダイヤモンドの合
成に関するものであり、より詳しくは、化学蒸着によっ
てダイヤモンド膜を製造するための改良された方法と装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】ダイヤ
モンドは、卓越した硬度、熱伝導率、光透過性などの数
多くの比類ない特性を有する。化学蒸着によって製造さ
れた合成ダイヤモンドは、磨耗部材、放熱子、光学窓の
ような実際の用途に商業的に実用化している。しかしな
がら、ＣＶＤダイヤモンドの製造コストは近年低下した
ものの、特に高品質のＣＶＤダイヤモンドは依然として
非常に高価である。
【０００３】化学蒸着によって合成ダイヤモンドを製造
するコストが割合に高いことには、いくつかの要因があ
る。このようなコスト要因の１つは、製造設備そのもの
の投資コストである。第２のコスト要因は原料物質のコ
ストである。水素を利用した蒸着の最も一般的なプロセ
ス（例えば、アークジェットプラズマＣＶＤ、マイクロ
波プラズマＣＶＤ、ホットフィラメントＣＶＤ）におい
て、水素ガスと炭化水素ガスが堆積プラズマの原料ガス
であり、水素：炭化水素の比は１００：１のオーダーで
ある。一部のプロセスにおいて、水素は割合に多量に消
費され、このため、水素ガスのコストはＣＶＤ合成ダイ
ヤモンドの製造コストの非常に重大な要因となる場合が
ある。これらのプロセスのもう１つの非常に重大なコス
ト要因は、ダイヤモンド成長を促進するため、水素ガス
（Ｈ2 ）を堆積領域で使用される原子状水素に解離させ
るための電力コストである。このコスト要因は、２つの
関連する一次要因の結果して考えることができ、即ち、
電力が水素を解離する効率と、その解離した水素が堆積
領域まで運ばれる効率である。これらの２種の効率の積
が、電力が水素をダイヤモンド堆積プロセスの促進に有
用な位置で利用可能な解離水素に転化する効率を決め
る。
【０００４】既存のダイヤモンド堆積技術は、水素の利
用、及び／又は堆積表面で解離水素を得るための電力の
利用において、非効率的である。アークジェットプラズ
マ技術は、割合に高い固定費を有し、無駄な熱を生じ、
原子状水素を対流によって輸送して割合に乏しい効率で
使用する。マイクロ波ＣＶＤ装置と平面状ホットフィラ
メントＣＶＤ装置は、いずれも割合に広い分散した領域
にわたって原子状水素を生成する。マイクロ波プラズマ
の高温の熱電子は、最少限のガス加熱で水素ガスを効率
的に解離するが、マイクロ波装置はコストの高い電源を
使用し、固定費が高く、輸送効率が乏しい。平面状ホッ
トフィラメントは安価な直流電力を使用し、フィラメン
トが堆積表面に近接した場合は輸送効率が高い。しかし
ながら、ホットフィラメント装置は解離効率の値が非常
に低く、ガスの加熱のために供給エネルギーの殆どを無
駄にする。
【０００５】本発明の目的の１つは、高い効率と低いコ
ストで合成ダイヤモンド膜を製造するための技術と装置
を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】ダイヤモ
ンド膜の堆積は、堆積表面に近接した割合に大きい面積
の源を使用することによって、且つ原子状水素(atomic
hydrogen) を堆積表面まで搬送するのに主として分子拡
散を利用することによって改良することができる。堆積
表面に近接した割合に大きい面積の源の使用は、原子状
水素（最も高価な原料物質）のロスを最少限にし、堆積
表面における実質的に均一な堆積環境を促し、それによ
って、均一性(homogeneity) の問題を最少限にする。対
流ではなくて小経路の拡散を利用することは、均一性を
容易にし、原子状水素のロスを最少限にする。
【０００７】米国特許出願第０８／６０７２７９号にお
いて、化学蒸着によってダイヤモンド膜を堆積させる装
置と方法を開示している。その装置のある形態におい
て、水素と炭化水素ガスの環境を収めた堆積チャンバー
が提供される。原子状水素を得るため、誘電性バリヤの
放電によってその環境の水素ガスを解離する手段が提供
される。ダイヤモンドは、原子状水素によって促進され
ながら、炭化水素ガスから堆積表面上に堆積する。
【０００８】この米国特許出願第０８／６０７２７９号
に開示された態様において、水素ガスを解離させるため
の手段は、第１電極、第１電極からスペースを設けて配
置された第２電極、その第１と第２の電極の間の誘電性
バリヤ、及びその第１と第２の電極の間に電圧を印加す
るための手段を備える。この態様において、水素ガスを
解離させる手段は、堆積表面から１０ｍｍ未満の距離で
水素ガスを解離させるように作用する。
【０００９】作動周波数は、必要なパワー密度を提供す
るのに十分な程度に高く、プラズマが再結合してサイク
ルの間で消失する時間を有する程度に低い。開示された
好ましい態様において、電圧を印加するための手段は、
１ｋＶ〜１０ｋＶ（より好ましくは１．５ｋＶ〜３．５
ｋＶ）の範囲の交流電圧を印加する手段を備え、１０ｋ
Ｈｚ〜１００ｋＨｚ（より好ましくは３０ｋＨｚ〜５０
ｋＨｚ）の範囲の周波数を有し、且つエネルギーの効率
的変換を促進する共振整合回路を備える。その堆積の動
作パワー密度(operating power density) は、少なくと
も５Ｗ／ｃｍ2であることが好ましい。このパワー密度
は、オゾン発生用に誘電性バリヤ放電で一般に使用され
るパワー密度よりもかなり高い。
【００１０】開示の１つの態様において、第１電極はグ
リッド(grid)電極であり、第２電極はソリッド(solid)
電極である。グリッド電極はソリッド電極と堆積表面の
間に配置される。この態様の１つの形態において、誘電
性バリヤは、冷却される第２電極の上に配置される。誘
電性バリヤは、好ましくは、１５〜１５０μｍの範囲の
厚さを有するポリマーフィルム誘電体のカバーを備え
る。ガス間隙が絶縁破壊(break down)すると、電荷が誘
電体上に蓄積する。蓄積した電荷による電場は、数ナノ
秒後に印加電場を打ち消し、ミクロ放電が消失する。す
ると直ちに、間隙の別な位置で別なミクロ放電が現れ
る。これらのミクロ放電は、時間と空間に関してランダ
ムに分布する。平均するとそれらは電極表面を均等に網
羅する。印加電圧が最大（ｄＶ／ｄｔ＝０）に達すると
き、誘電体を通る変位電流は０であり、極性が逆転して
絶縁破壊値に達するまで全ての放電は消失する。誘電体
は、１つの放電の期間を制限し、且つ放電を電極表面の
全体に均等に広げる。
【００１１】グリッド電極と他方の電極の間で発生した
原子状水素は、堆積表面まで拡散し、ダイヤモンド堆積
に寄与する。冷却された誘電体は非触媒であり、電極表
面上での再結合を妨げる。気相中の体積再結合は、電極
と基材の間の隙間を僅か数ミリメートルにすることによ
って回避される。割合に低い動作圧力（好ましくは１０
〜１００トール、より好ましくは４０トール未満）で
は、この距離を拡散するための時間は、体積再結合に必
要な時間に比較して短く、このため０．７５のような割
合に高い輸送効率がこの技術によって予測される。
【００１２】開示のアプローチにおける１つの長所は、
誘電性バリヤの放電が水素を解離する効率である。もう
１つの長所は、解離水素がその機能を発揮する堆積表面
に割合に容易に拡散できることである。解離水素が堆積
表面まで運ばれないことによる効率の低下が最少限にさ
れる。また、分配された原子状水素の発生とその拡散に
よって均一性が高められる。さらにもう１つの長所は、
堆積プロセスの際に再結合する解離水素が、誘電性バリ
ヤの放電によって再度解離されることができる箇所に拡
散することができ、それによって水素のリサイクルが行
われることである。これらの要因は、堆積プロセスに必
要な水素ガスの体積を少なくし、所定量のダイヤモンド
膜を製造するのに必要な電力を低減することができる。
さらに、サイズの縮小に伴う一次コスト、堆積モジュー
ルを多重にし得ること、電極の双方の面及び／又は基材
表面を使用することは、設備投資コストを削減すること
ができる。
【００１３】ダイヤモンド堆積のための本発明の技術と
装置は、誘電性バリヤを必要とせずにいろいろな仕方で
原子状水素を生成させる仕方に比較し、上記の多くの特
長を有する。本発明の１つの態様において、次の工程を
含むダイヤモンド膜の堆積方法が提供され、即ち、ダイ
ヤモンド生成用ガスと電子源ガスの混合物を含む環境を
提供し、電子源ガスの自由電子を加速するためにその環
境の中に電場を印加し、その自由電子はダイヤモンド生
成用ガスの水素を解離して原子状水素を生成させ、環境
中に堆積表面を提供し、原子状水素を利用しながら、ダ
イヤモンド生成用ガスから堆積表面上にダイヤモンドを
堆積させる。
【００１４】本発明の好ましい態様において、ダイヤモ
ンド生成用ガスは、水素ガスと炭化水素ガスを含んでな
る。電子源ガスは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｍ
ｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｍｎ、Ｙ
ｂ、Ｔｌ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｐｂ、これらの水素化物、これ
らの炭化物、及びこれらの合金のガスからなる群より選
択されたガスを含むことができる。なかでも今のところ
好ましいと考えられるガスはＫ（カリウム）、Ｎａ（ナ
トリウム）、Ｚｎ（亜鉛）であり、Ｋが現状では最も好
ましいと考えられる。
【００１５】本発明の１つの態様にしたがったダイヤモ
ンド膜の態様装置は、チャンバー、チャンバー中の反応
ゾーン、ダイヤモンド生成用ガスと電子源ガスを反応ゾ
ーンに供給する手段、電子源ガスの自由電子を加速しダ
イヤモンド生成用ガスの水素を解離させて原子状水素を
生成させるために反応ゾーンに電場を印加する手段、及
び反応ゾーンに隣接した堆積表面を含んでなり、それに
よって、ダイヤモンド膜が、原子状水素に促進され、ダ
イヤモンド生成用ガスから堆積表面に堆積する。
【００１６】この装置の１つの態様において、電場を印
加するための手段は、間隔を設けて配置され、反応ゾー
ンを収容する導電性プレートを含んでなる。この態様の
１つの状態において、堆積表面はそのプレートの両面で
ある。この装置のもう１つの形態において、堆積表面
は、反応ゾーンを収容するプレートを含んでなり、電場
印加手段は、プレート（やはり反応ゾーンを収容する）
から間隔を設けて配置された電極を含んでなる。
【００１７】本発明のこの他の特徴と長所は、添付の図
面と併せて以下の詳細な説明を考察することによって明
らかになるであろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】図１に関し、上記に引用した米国
特許出願第０８／６０７２７９号の１つの態様に開示さ
れた装置100 の図が示されている。真空チャンバー105
が真空ポンプ106 に接続される。基板110 が、熱絶縁性
の台又はベース111 の上に載置される。ベースは温度調
節器を備えることができる。基板110 の上に間隔を設け
てグリッド電極122 が装着され、このグリッド電極122
は、図２に例示されたような導電体の四角パターンの網
状であることができる。グリッド電極122 の上に間隔を
設けてもう１つの電極125 が装着される。グリッド電極
122 に相対する電極125の面は誘電性材料130 で被覆さ
れる。基板110 と電極122 ・125 は任意の適切な形状で
よく（この態様及びその他の態様において）、例えば円
板状や四角形である。また、電極125 は温度調節される
ことができ、例えば流体が流れる熱交換器126 を用い、
電極と誘電体を冷却することができる。原料ガスは140
から導入される。例示の態様において、原料ガスは、水
素と炭化水素の例えばメタンである。窒素、アルゴン、
水銀蒸気及び／又は酸素、及びその他の炭化水素のよう
な付加的なガスを含めることもできる。高電圧交流電源
151 と整合回路152 が、グリッド電極122 とソリッド電
極125 の間に接続される。
【００１９】交流電圧は、好ましくは１ｋＶ〜１０ｋＶ
（より好ましくは１．５ｋＶ〜３．５ｋＶ）の範囲にあ
り、好ましくは１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ（より好まし
くは３０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ）の範囲の周波数を有す
る。基板110 （例えば、窒化チタンでコーティングされ
たモリブデン、グラファイト、シリコンでよい）はグリ
ッド電極122 と同じ電位（この場合アース）である。堆
積の動作パワー密度は少なくとも５Ｗ／ｃｍ2 であるこ
とが好ましい。好ましくは、誘電性バリヤは、１５〜１
５０μｍの範囲の厚さを有するポリマーフィルムの誘電
体カバーを備える。テフロン又はカプトン（デュポン社
の商標）が適切な材料の例である。特定の位置で電極間
のガス間隙が絶縁破壊(break down)すると、誘電体の上
に局所的に電荷が蓄積する。蓄積した電荷による電場
は、数秒後に印加電場を局所的に打ち消し、ミクロ放電
が消失する。すると直ちに別なミクロ放電が、別な位置
の間隙を橋渡して出現する。これらのミクロ放電は、時
間と空間に関して電極表面の上にランダムに分布する。
平均するとそれらは電極表面を均等に網羅する。印加電
圧が最大（ｄＶ／ｄｔ＝０）に達するとき、誘電体を通
る変位電流は０であり、極性が逆転して絶縁破壊値に達
するまで全ての放電は消失する。誘電体は、１つの放電
の期間を制限し、且つ放電を電極表面の全体に均等に広
げる。
【００２０】グリッド電極と他方の電極の間で発生した
原子状水素は、堆積表面まで拡散し、ダイヤモンド堆積
に寄与する。冷却された誘電体は非触媒であり、電極表
面上での再結合を妨げる。気相中の体積再結合は、電極
と基材の間の隙間を僅か数ミリメートルにすることによ
って回避される。割合に低い動作圧力（好ましくは１０
〜１００トール、より好ましくは４０トール未満）で
は、この距離を拡散するための時間は、体積再結合に必
要な時間に比較して短く、このため０．７５のような割
合に高い輸送効率がこの技術によって予測される。適切
な圧力×距離の積は１０〜１００トール・ｃｍの範囲で
あり、より好ましくは、２０〜４０トール・ｃｍの範囲
である。
【００２１】水素解離の平均位置（図１の電極122 と12
5 の間の約半分）と堆積表面の間の距離は数ミリメート
ルでよく、好ましくは１０ミリメートル未満である。電
極は、任意の適切な手段によって装着されることがで
き、例えば、ベースから延びる小さな誘電性ペグやスペ
ーサーの上に、又は絶縁性フレームによって装着され
る。
【００２２】誘電性バリヤ放電の電気的性能は、図１４
の等価回路によってモデル化することができ（文献「
L. Rosenthal, Soc. Plast. Eng. Tech Pap Ann Tech C
onf,1980」を参照されたい）、ここで、Ｖは印加電圧、
Ｃb はバリヤのキャパシタンス、Ｃg はガス間隙のキャ
パシタンス、ダブルアノードのツェナーダイオードは間
隙の絶縁破壊電圧を表す。誘電性バリヤの放電負荷は主
としてリアクタンス性である。これは、直列のコンデン
サーと抵抗によって近似することができる。良好なパワ
ー変換のためには、負荷キャパシタンスを相殺し且つ電
源と負荷抵抗に整合するための整合回路が必要である。
図１５に示されたような、一般的な従来技術の誘電性バ
リヤの放電電源回路は、負荷キャパシタンスを相殺する
ために、セットアップ変圧器の漏れインダクタンスを使
用する。この回路は変圧器Ｔを備える。一般的な整合回
路は、変圧器漏れインダクタンスと負荷キャパシタンス
の直列の共振を利用する。図１５の設計は経済的である
が、電圧によってパワー制御を行うために絶縁破壊電圧
よりもかなり高い印加電圧を必要とするといった欠点が
ある。Ｖd の近くのＶo で良好なパワー制御を与える回
路は、図１６のティー(Tee) 回路である。Ｌ1 とＣ1 は
印加周波数で共振する。この回路のＱは隙間を絶縁破壊
するのに十分な電圧を提供する。Ｌ2 は、放電が開始し
た後にＣを相殺するために選択される。ティー回路は、
誘電性バリヤ放電で発生した過渡電圧を除去する低域フ
ィルターとして作用する長所を有する。
【００２３】パワー密度は、動作周波数、高められた誘
電率（ε）と絶縁耐力（Ｓ）の積、及び絶縁破壊電圧と
ともに増加する。ダイヤモンド製造が経済的に見合うパ
ワー密度を得るため、誘電体は、ε・Ｓの高い積を有す
るものが選択される。この積ε・Ｓは、１００ｋＶ／ｍ
ｍより高いことが好ましい。この要件は、テフロンやカ
プトンのようなフルオロカーボンやポリイミドのポリマ
ーフィルムに結びつく。これらのフィルムの厚さを最少
限にすることによって、所定のパワー密度のための印加
電圧もまた最少限にされる。即ち、薄いフィルムは、よ
り簡単な電気的設計に結びつく。
【００２４】また、誘電体フィルムは、低温を維持する
ために薄くなければならない。フィルムは、４００〜１
１００℃で作動する堆積電極によって加熱される。ポリ
マーフィルムの一般的な使用温度は２００〜３５０℃で
ある。良好な誘電体性能のためには、作動温度は最低限
にされるべきである。所与の熱束について、フィルムを
貫く温度低下は、その厚さに比例する。
【００２５】誘電体バリヤは、隣接した堆積表面からの
放射と伝熱によって加熱される。表面上の原子状水素の
再結合によってかなりの加熱が生じることがある。不都
合な熱負荷を与えることの他に、この再結合は、主要な
ダイヤモンド成長用物質の不都合なロスをもたらす。ポ
リマーフィルムは、Ｈの再結合のための低い付着可能性
(sticking probability)のおかげでこのロスを回避す
る。この冷却されたフィルムは、１０-4未満の付着可能
性を有することが好ましい。ポリマーフィルムは、自立
性フィルムとして電極に取り付けられることができ、又
はコーティング状にスプレーされることもできる。
【００２６】図３より以降の図は、図１に関して説明し
た一般的な型式の装置と原理を用いて実施可能なさらに
別な態様を示す。図３の態様において、ソリッド電極12
5 （図１の）は必要でない。図３は、交流電圧電源151
と整合回路152 を用いて交互の極性に励起される、平行
に間隔を設けて配置された電極380 （図３にも示してい
る）を利用する。
【００２７】図３と４において、グリッド電極は、全て
誘電体381 で覆われている。図５の態様において、電極
は１つ置きに誘電体で覆われている。これらの電極と誘
電体の冷却は、中空の電極導電体の中を通して流体を循
環させることによって行われる。図６は、もう１つの態
様を示し、電圧は、間隔を設けて配置された電極610 と
625 を橋渡しする交流電源651 と整合回路652 によって
印加させ、電極625 は誘電体バリヤ630 を有する。この
場合、ダイヤモンドの堆積は電極610 の上である。堆積
したダイヤモンドが堆積の間に電気特性を変化させた場
合、交流電源及び／又は整合回路がそれを補うためにマ
ニュアマで又は自動的に制御され得ることを理解すべき
である。
【００２８】図７の態様において、図６と同様に、交流
電源651 と整合回路652 によって電極710 と725 が励起
される。この場合、電極は同心の円筒状であり、誘電体
730が電極725 の内側表面を覆う。ダイヤモンドの堆積
は、中央の円筒状電極710 の表面上である。あるいは、
誘電体は電極710 を覆うことができ、この場合、堆積は
電極725 の内側表面上で形成される。電極を覆う少なく
とも誘電体だけは、何らかの手段（図示せず）によって
冷却されることが好ましい。
【００２９】図８の構成において、グリッド電極722
（例えば、図２に示した型式でもよく、又は充実円筒状
でもよい）が、充実円筒状電極の間に用意される。この
図の例において、誘電体730 はやはり外側電極725 の上
に示され、グリッド722 と内側電極710 はアース電位で
ある。ここでも、若干の変更を加えて、誘電体は内側電
極の上に存在することもでき、外側電極の堆積のため
に、グリッド電極と外側電極がアース電位に維持され、
交流電圧が内側電極に印加される。
【００３０】図９の構成において、１つ置きのグリッド
が交流電位であり（図３〜５に示したように）、ダイヤ
モンド堆積は、基板910 の外側表面と基板930 の内側表
面の双方に形成されることができる。図３〜５と同様
に、誘電体は、１つ置きのグリッド電極上に又は各グリ
ッド電極に存在することができ、グリッドの冷却が行わ
れることができる。
【００３１】図１０〜１３の態様は、１つ以上の堆積チ
ャンバーの中で堆積装置がサイズを増大させることがで
きる仕方を例示する。図１０の態様は、基板110 、グリ
ッド電極122 、ソリッド電極125 、及び誘電体カバー13
0 を備え、いずれも図１の構成部分に対応する。また、
図１の態様と同様に、交流電源151 と整合回路152 が接
続される。ここで、図１０において、電極125 はその上
面を覆う誘電体1030を有し、別なグリッド電極1022と別
な基板1010がさらに提供され、グリッド1033と基板1010
はやはりアース電位である。操作は図１の態様と同様で
あるが、２つの（所望によりそれ以上）の重複されたサ
ブシステムが動作する。
【００３２】図１１の態様は図３〜５の態様と同様であ
り、同じ参照番号がやはり同等の構成部分を表す。この
場合、下の基板310 に加えて上の基板1110が存在する。
図１２の態様において、同様な参照番号がやはり図６と
同様な構成部分を表す。この場合、電極625 は上面を覆
う誘電体1230と上のもう１つの電極1210を備え、この電
極1210は電極610 と共通に接続され、やはりダイヤモン
ドの堆積に使用される。図１３は、図７〜９と同様であ
ることができる複数の堆積サブシステム1350を備えた導
電体ブロック1350を例示する。この例において、「外側
(outer)」電極は全ユニットで共通でよく、中央の電極
（又は場合により基板でもよい）がそれらから絶縁され
る。図８と９のグリッド電極は、この構成では示されて
いないが、所望により使用することもできる。
【００３３】図１７は、本発明の態様の作用を例示する
概略図である。真空チャンバー（図示せず）の中の導電
性平行プレート1710と1720は、電源1705によってそれら
の間に印加された交流電圧を有する。プレートの間の反
応領域は、ダイヤモンド生成用ガス（水素と炭化水素ガ
スが好ましいが、水とアルコールの混合物のような別な
ガスも使用可能である）と電子発生用ガス（即ち、自由
電子がそれから容易に得られるガス）を含む。交流電場
が自由電子に作用し、それらを加速させる。それらは中
性水素分子にエネルギーを与える。電場の強度は解離を
起こすに足るよう設定されるが（約８ｅＶが必要）、水
素の過度のイオン化を起こす（約１３ｅＶ）程には高く
ない。電荷キャリヤーを発生させるのに衝撃的イオン化
は使用されないため（誘電体バリヤの放電のように）、
アークの不安定が起きず、エネルギーはより均一に分配
されることができる。
【００３４】自由電子は、電子を容易に失う揮発性物質
を用いて導入される。カリウム（Ｋ）は、その低価格と
低イオン化エネルギー（９０ｋｃａｌ／モル）のため、
現状で好ましいと考えられる。例として、５０ｍｍのプ
レート間隔と、Ｈ2 濃度の５×１０-6のＫ濃度を考え
る。（メタン濃度は、一般に、Ｈ2 濃度の０．２〜１．
０％であろう）。Ｋは電子の衝撃によって殆ど完全にイ
オン化されると考えることができ、このため、電子濃度
はＫ濃度と同等であろう。この電子密度と印加電場によ
って維持された２ｅＶの電子温度において、セルのコン
ダクタンスは約０．０１７Ｓ／ｃｍ2 であろう。ガスの
間隙を渡して例えば２５Ｖrms の電圧が印加されると、
パワー密度は約１０Ｗ／ｃｍ2 であろう。誘電体バリヤ
が存在しないことは、誘電体バリヤ放電の仕方に比較し
て設備コストが若干低いであろうが、このことは、Ｋの
制御された分圧を維持する必要性によって相殺されるで
あろう。
【００３５】図１８は、本発明の１つの態様を例示して
おり、間隔を設けて配置された平行な導電性プレート18
10と1820（図示していないが、任意の適切な手段によっ
て取り付けられる）が、真空ポンプ1808によって維持さ
れた圧力を有するチャンバー1805の中に配置される。こ
のプレートは、前述のようなダイヤモンドの堆積に適す
る材料又はコーティングされた材料からなる。交流電源
は1825と示されており、水素ガスとメタンガスが、カリ
ウム源を含むタンク1845を通して供給ライン1835に導入
される。
【００３６】プレート1810と1820の間のギャップの中の
電子が電場からのエネルギーを吸収し、プレート間の領
域の中の水素原子を解離させることによってそれを放出
し、それによって原子状水素を発生させ、あるいは、そ
の空間中のカリウム（Ｋ）ガスをイオン化させることに
よってより多くの電子を発生させ、それによって、プレ
ート間のスペースの再結合又は逃散による電子のロスを
バランスさせる。放電ゾーンは、概ね、影を付けた(sha
ded)領域1815で表される。原子状水素は、プレートの表
面まで拡散し、プレート上のダイヤモンド成長の欠陥を
直す。また、炭化水素分子（例えば、この場合はメタ
ン）と反応し、ダイヤモンド表面に接触するラジカルを
生成させる。
【００３７】全ガス圧力、さらに水素、炭化水素種、及
びカリウムの分圧、及び堆積が生じるダイヤモンド表面
の温度を制御することが望ましい。全圧力の制御は、ガ
スを供給する速度と真空ポンプがガスを排出する速度を
バランスさせることによって達成される。水素分圧と炭
化水素種分圧の制御は、一般に、ガス流量コントローラ
ー（図示せず）によって行われる。カリウム分圧の制御
は、カリウムが室温ではガスではなくて固体であるた
め、若干難しい。既知の量でカリウムを導入する便利な
方法は、カリウムの蒸気圧が分かっている温度にカリウ
ムを維持し、カリウムの上に又はその中に別なガスを通
す方法である。図１８の例において、カリウム源は、温
度制御されたタンク1845の中の水素化カリウム粉末とし
て提供され、このタンクはヒーター1846によって加熱さ
れる。その温度を約４００Ｋに維持することは、リアク
ターにとって望ましいと考えられる１０-3Ｐａのレベル
のカリウム分圧を与えることができる。リアクター性能
の微妙な調節は、放電が望ましい範囲にあるようにカリ
ウム溜の温度（したがって、ガス中のカリウム濃度）を
調節することによって行うことができる。
【００３８】一般に、装置は出来るだけ高いパワーで運
転することが望ましい。１つのマイナス因子は、ダイヤ
モンドに欠陥を与えることがあるプレート間の局所的ア
ークの発生である。このことを回避するため、プレート
の前面を電気的に絶縁することが有益な場合がある。例
えば、米国特許出願第０８／６１８４２８号に記載され
たように、ガラス生成用酸化物とダイヤモンド粒子のコ
ーティングを使用することができる。
【００３９】図１９の態様において、図１８と同様な参
照番号は同じ又は同様なエレメントを表す。この態様に
おいて、リアクターは、１つ以上の堆積表面に電場を平
行にして形成される。このリアクターは、概ね上記と同
じ仕方で機能するが、但し、電子はカソード1955から放
出され、堆積表面に平行に移動し、反応ゾーンの反対端
部のアノード1956に到達する。図１９において、電源は
直流電源1925として示されているが、それに代えて交流
電源を使用することもできる。後者の場合、アノードと
カソードの役割は、通常の蛍光灯のように、電源の各サ
イクルで変化する。放電ゾーンは1915と示されている。
図１９は、セグメントに区画された堆積プレートを示
し、即ち、プレート1910はセグメント1910a 、1910b 、
及び1910cに区画され、プレート1920はセグメント1920a
、1920b 、及び1920c に区画される。このことは、利
用可能な作動パワーを高めることによって行われる。プ
レートが連続的な電気経路を形成すると、アークは、電
極とプレート間により容易に生じることができ、それに
よって、得られるダイヤモンドの品質を低下させる。図
１９は１つのカソードとアノードを示すが、強いアーク
の形成の可能性を減らすため、それぞれの複数又は多数
を有することが望ましい場合がある。例示の態様におい
て、堆積表面はプレートとして示されているが、電流経
路を過度に提供しなければ、任意の形状が許容できるで
あろう。例えば、曲面状の構造が使用されることもで
き、ダイヤモンド膜でコーティングされるべき物体がプ
レートの位置に配置されることもできる。
【００４０】電子発生用ガスの選択は、原材料と設計的
考慮によって決まる。割合に揮発性で、割合に容易にイ
オン化され、ダイヤモンドと容易に反応しない金属が好
ましい。Ｉ族（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ）、ＩＩ族
（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ）、揮発性遷移金属Ｚｎ、Ｃ
ｄ、Ｈｇ、Ｍｎ、及び揮発性金属Ｙｂ、Ｔｌ、Ｂｉ、Ｔ
ｅ、Ｐｂがその候補である。水素化物、炭化物、合金の
ようなこれらの低結合エネルギーの化合物も使用するこ
とができる。自由電子発生物質の選択において、割合に
容易なイオン化と相対的な揮発性（気相の不都合な析出
を最少限にするため）に加え、原材料のコストと取扱い
や保持の容易性も考慮されるべきである。
【００４１】電子発生用ガスの濃度は、かなりの数の電
子（放電中の自由電子の大部分）を発生させるのに十分
高いことが必要であるが、ダイヤモンドの生成を妨害す
る程に高くすべきでない。殆どの原材料にとって、１０
-10 〜１０-1の相対濃度が適切であるが、低い導電率(c
onductivity)が必要な条件において、非常に容易にイオ
ン化できるエレメントが存在する場合は比較的低い値が
望ましく、より高い導電率が必要な場合には比較的高い
値が望ましい。今のところ最も好ましい原材料はＫであ
り、水素に対するＫの好ましい濃度は１０-8〜１０-4で
ある。
【００４２】運転圧力は、気相中で再結合する水素の性
向によって制限される。これは圧力を約１５０トール未
満に制限するであろう。成長速度は低圧では遅くなり、
妥当な堆積速度は０．０１トール未満の圧力で生じない
であろう。これらの配慮は、一般に、その他のＣＶＤダ
イヤモンド成長技術に概ね共通する。今のところ好まし
い圧力範囲は１〜５０トールである。堆積プレートの間
隔として、上限は、リアクターが過度に大きくなくて且
つ拡散によってプレートの外側領域に原子状水素を無駄
にしないことの要件によって決まる。３０ｃｍを上回る
間隔は有用ではなさそうである。下限としては、ガスの
平均自由行程が間隙と同じレベルであれば、効率的な水
素解離は生じないであろう。また、０．５ｍｍ未満の間
隔は、機械的理由によって保持が極めて難しい。今のと
ころ好ましい堆積プレートの間隔は５〜２５ｍｍであ
る。
【００４３】堆積表面の温度は、５００〜１２００℃の
ダイヤモンド生成範囲に保持されることが必要である。
このことは、放電のためのパワーを制御することによっ
て、また、ダイヤモンドが生成する表面から例えば熱交
換手段（図示せず）で熱を奪うことによって行われる。
多重方式や前述したその他の構造は、自由電子励起の仕
方の組み合わせて採用され得ることを理解すべきであ
る。
【００４４】本発明の好ましい態様は以下の通りであ
る。ダイヤモンド生成用ガスは、水素ガスと炭化水素ガ
スを含む。電子源ガスは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃ
ｓ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ｍ
ｎ、Ｙｂ、Ｔｌ、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｐｂ、これらの水素化
物、これらの炭化物、及びこれらの合金のガスからなる
群より選択されたガスを含む。
【００４５】堆積環境中の水素ガスの圧力は１〜５０ト
ールである。電子源ガスはカリウムであり、水素に対す
るＫの好ましい濃度は１０-8〜１０ -4である。電場を印
加するための手段は、反応ゾーンを収容する間隔を設け
て配置された導電性プレートを備える。
【００４６】堆積表面は少なくとも１つの導電性プレー
トの上に位置する。堆積表面は導電性プレートの双方の
上に位置する。堆積表面は、反応ゾーンを収容するプレ
ートを含んでなり、電場を印加する手段は、そのプレー
トから間隔を設けて配置されてやはり反応ゾーンを収容
する電極を含んでなる。
【００４７】ダイヤモンド生成用ガスと電子源ガスを反
応ゾーンに供給するための手段は、カリウム蒸気を反応
ゾーンに供給する手段を含んでなる。カリウム蒸気を供
給する手段は、加熱されたカリウム源にガスを通過させ
る手段を含んでなる。本発明を、特定の好ましい態様に
関して説明してきたが、当業者には、本発明の技術的思
想と範囲の中でいろいろな変更が可能であろう。例え
ば、供給ガスは個別に供給することもでき、均一性を容
易にするために複数の供給箇所が使用されることもでき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図２】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図３】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図４】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図５】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図６】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図７】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図８】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図９】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載の
装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブロ
ック状で示した図である。
【図１０】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１１】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１２】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１３】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１４】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１５】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１６】米国特許出願第０８／６０７２７９号に記載
の装置と方法を説明する、部分的に概略図で部分的にブ
ロック状で示した図である。
【図１７】本発明の理解に役立つ概念図である。
【図１８】本発明の方法のある態様を実施するのに有用
な、本発明のある態様にしたがった装置の概略図であ
る。
【図１９】本発明の方法の別な態様を実施するのに有用
な、本発明の別な態様にしたがった装置の概略図であ
る。
【符号の説明】
１００…本発明の実施に有用な装置 １０５…真空チャンバー １１０…基板 １１１…ベース １２２…グリッド電極 １２５…ソリッド電極 １３０…誘電性カバー １５１…交流電源 １５２…整合回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ダイヤモンド生成用ガスと電子源ガスの
    混合物を含む環境を提供し、 その電子源ガスからの自由電子を加速するためにその環
    境の中に電場を印加し、その加速された自由電子はその
    ダイヤモンド生成用ガスの中の水素を解離して原子状水
    素を発生させ、 その環境の中に堆積表面を提供し、その原子状水素を利
    用してそのダイヤモンド生成用ガスからその堆積表面に
    ダイヤモンドを堆積させる、各工程を含むことを特徴と
    するダイヤモンド膜の堆積方法。
  2. 【請求項２】 チャンバー、 そのチャンバーの中の反応ゾーン、 ダイヤモンド生成用ガスと電子源ガスをその反応ゾーン
    に供給するための手段、 その電子源ガスからの自由電子を加速し、そのダイヤモ
    ンド生成用ガスの水素を解離させて原子状水素を発生さ
    せるための、その反応ゾーンの中に電場を印加する手
    段、及びその反応ゾーンの近隣の堆積表面、を含んでな
    る装置であって、 その原子状水素を利用し、そのダイヤモンド生成用ガス
    からその堆積表面の上にダイヤモンド膜を堆積させるこ
    とを特徴とするダイヤモンド膜の堆積装置。
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