JP3498363B2 - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents
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- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
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- C30—CRYSTAL GROWTH
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの気相合
成方法の改良、本方法を可能ならしむる合成装置、およ
び本方法により得られる合成ダイヤモンドに関するもの
で、基板表面と合成ダイヤモンド間あるいは合成ダイヤ
モンド間の付着強度が強く、熱伝導度が優れた高品質な
合成ダイヤモンドを提供するものである。
成方法の改良、本方法を可能ならしむる合成装置、およ
び本方法により得られる合成ダイヤモンドに関するもの
で、基板表面と合成ダイヤモンド間あるいは合成ダイヤ
モンド間の付着強度が強く、熱伝導度が優れた高品質な
合成ダイヤモンドを提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】気相合成によりダイヤモンドを製造する
方法については、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、高周波
プラズマＣＶＤ法、ＤＣプラズマジェット法等の数多く
の方法が知られているが、工業的方法としては、量産性
に優れ、設備費用も安価な熱フィラメントＣＶＤ法が一
般的である。熱フィラメントＣＶＤ法は、炭化水素と水
素の混合ガスを、１０００℃以上に加熱した発熱体の熱
電子放射によって熱分解し、これを５００〜１３００℃
に加熱された基板表面に析出させることによって、ダイ
ヤモンド膜を得る合成方法である。従来のフィラメント
ＣＶＤ法では以下の工程によりダイヤモンドを合成して
いた。 （１）発熱体および基板をダイヤモンド合成に適した距
離に設置しておく。 （２）炭化水素と水素の混合ガスを導入し、発熱体を徐
々に昇温する。 （３）発熱体がダイヤモンド合成に適した温度に到達す
れば、発熱体を一定温度に保ち、基板上にダイヤモンド
を合成する。
方法については、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、高周波
プラズマＣＶＤ法、ＤＣプラズマジェット法等の数多く
の方法が知られているが、工業的方法としては、量産性
に優れ、設備費用も安価な熱フィラメントＣＶＤ法が一
般的である。熱フィラメントＣＶＤ法は、炭化水素と水
素の混合ガスを、１０００℃以上に加熱した発熱体の熱
電子放射によって熱分解し、これを５００〜１３００℃
に加熱された基板表面に析出させることによって、ダイ
ヤモンド膜を得る合成方法である。従来のフィラメント
ＣＶＤ法では以下の工程によりダイヤモンドを合成して
いた。 （１）発熱体および基板をダイヤモンド合成に適した距
離に設置しておく。 （２）炭化水素と水素の混合ガスを導入し、発熱体を徐
々に昇温する。 （３）発熱体がダイヤモンド合成に適した温度に到達す
れば、発熱体を一定温度に保ち、基板上にダイヤモンド
を合成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】フィラメントＣＶＤ法
は、発熱体としてＷ、Ｔａ、Ｒｅ等の高融点金属を用い
るのが一般的であり、合成ダイヤモンドの金属汚染が問
題となる。発熱体はある温度で原料である炭素原子に覆
われ、いわゆる炭化処理により発熱体表面が保護される
ため、ダイヤモンド合成の金属汚染は少ないが、この炭
化処理で完全に発熱体表面が覆われるまでの発熱体の昇
温過程に於ける金属汚染が重大な問題となってきた。す
なわち、発熱体の昇温過程で基板表面、あるいはすでに
合成したダイヤモンド表面が金属で被膜され、この金属
被膜部分の付着強度が弱いために、合成中あるいは合成
後にダイヤモンド膜が剥がれることがある。さらに、合
成ダイヤモンド膜中に金属被膜部分が存在するために、
熱伝導度が低下し、放熱基板としての特性を劣化させる
原因となっていた。本発明はこれらの問題を解消し、基
板表面と合成ダイヤモンド間あるいは合成ダイヤモンド
間の付着強度が強く、熱伝導度に優れた高品質の合成ダ
イヤモンドを提供することを目的とする。
は、発熱体としてＷ、Ｔａ、Ｒｅ等の高融点金属を用い
るのが一般的であり、合成ダイヤモンドの金属汚染が問
題となる。発熱体はある温度で原料である炭素原子に覆
われ、いわゆる炭化処理により発熱体表面が保護される
ため、ダイヤモンド合成の金属汚染は少ないが、この炭
化処理で完全に発熱体表面が覆われるまでの発熱体の昇
温過程に於ける金属汚染が重大な問題となってきた。す
なわち、発熱体の昇温過程で基板表面、あるいはすでに
合成したダイヤモンド表面が金属で被膜され、この金属
被膜部分の付着強度が弱いために、合成中あるいは合成
後にダイヤモンド膜が剥がれることがある。さらに、合
成ダイヤモンド膜中に金属被膜部分が存在するために、
熱伝導度が低下し、放熱基板としての特性を劣化させる
原因となっていた。本発明はこれらの問題を解消し、基
板表面と合成ダイヤモンド間あるいは合成ダイヤモンド
間の付着強度が強く、熱伝導度に優れた高品質の合成ダ
イヤモンドを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】まず、発熱体の炭化処理
工程では、基板表面に発熱体からの金属が付着しない環
境を作る必要がある。このためには、以下の方法が有効
である。 （１）発熱体の昇温過程では、発熱体と基板表面との距
離をできるだけ離し、金属の付着を極力回避する構成と
する。 （２）発熱体の昇温過程では、発熱体と基板表面との間
を遮蔽する物体を設置し基板表面の金属汚染を保護す
る。 （３）発熱体の昇温過程では、基板表面あるいは発熱体
と基板表面との間に高速ガス流を流し、いわゆるガス流
カーテンを形成する。 （４）発熱体を出来るだけ低い温度に維持しながら、炭
化処理により発熱体表面を保護する。
工程では、基板表面に発熱体からの金属が付着しない環
境を作る必要がある。このためには、以下の方法が有効
である。 （１）発熱体の昇温過程では、発熱体と基板表面との距
離をできるだけ離し、金属の付着を極力回避する構成と
する。 （２）発熱体の昇温過程では、発熱体と基板表面との間
を遮蔽する物体を設置し基板表面の金属汚染を保護す
る。 （３）発熱体の昇温過程では、基板表面あるいは発熱体
と基板表面との間に高速ガス流を流し、いわゆるガス流
カーテンを形成する。 （４）発熱体を出来るだけ低い温度に維持しながら、炭
化処理により発熱体表面を保護する。
【０００５】一方、ダイヤモンド合成工程では当然のこ
とながら前記の手段を解除し、ダイヤモンド合成に適し
た状態で合成する必要がある。尚、炭化処理工程後のダ
イヤモンド合成工程での発熱体の昇温過程では、発熱体
表面はすでに炭化されているため、金属汚染は少ない。
また、炭化処理工程に引き続きダイヤモンド合成工程を
連続して行えば、工程の短縮につながる。従って、上記
（１）〜（４）のいずれか１つ以上の手段を用いて炭化
処理工程を行い、外部操作により前記手段を解除し、ダ
イヤモンド合成条件に設定した後引き続きダイヤモンド
を合成しうる合成装置でダイヤモンドを合成すればよ
い。
とながら前記の手段を解除し、ダイヤモンド合成に適し
た状態で合成する必要がある。尚、炭化処理工程後のダ
イヤモンド合成工程での発熱体の昇温過程では、発熱体
表面はすでに炭化されているため、金属汚染は少ない。
また、炭化処理工程に引き続きダイヤモンド合成工程を
連続して行えば、工程の短縮につながる。従って、上記
（１）〜（４）のいずれか１つ以上の手段を用いて炭化
処理工程を行い、外部操作により前記手段を解除し、ダ
イヤモンド合成条件に設定した後引き続きダイヤモンド
を合成しうる合成装置でダイヤモンドを合成すればよ
い。
【０００６】上記方法（１）において、発熱体の炭化処
理工程では、一般に発熱体と基板表面との距離を５０ｍ
ｍ以上、好ましくは２００ｍｍ以上離しておき、ダイヤ
モンドの合成工程では、一般に発熱体と基板表面との距
離を５０ｍｍ以下、好ましくは４〜２０ｍｍの範囲とす
る。上記方法（２）において、発熱体と基板表面との間
を遮蔽する物体としては、Ｍｏ，Ｗ等の高温強度に優れ
た金属、もしくはこれらの合金からなる遮蔽板を用いる
のが好ましい。上記方法（３）において、基板表面ある
いは発熱体と基板表面の間に流される高速ガス流として
はＨ2 、Ｎ2 、Ａｒ等のガスを用い、その流速は５ｃｍ
／ｓｅｃ以上、好ましくは２０ｃｍ／ｓｅｃ以上とす
る。上記方法（４）において、炭化処理工程の発熱体の
温度は２０００℃未満、好ましくは１５００℃〜２００
０℃とする。また本発明において、一般的には発熱体と
してタングステンフィラメントを、基板としてＳｉ基板
を用いるのが好ましいが、この種の方法において用いら
れる任意の材料を用いることができる。ダイヤモンド合
成工程の発熱体の温度は一般に２０００℃以上、好まし
くは２１００℃〜２４００℃で、基板表面温度は常温か
ら１０００℃の範囲に調節される。
理工程では、一般に発熱体と基板表面との距離を５０ｍ
ｍ以上、好ましくは２００ｍｍ以上離しておき、ダイヤ
モンドの合成工程では、一般に発熱体と基板表面との距
離を５０ｍｍ以下、好ましくは４〜２０ｍｍの範囲とす
る。上記方法（２）において、発熱体と基板表面との間
を遮蔽する物体としては、Ｍｏ，Ｗ等の高温強度に優れ
た金属、もしくはこれらの合金からなる遮蔽板を用いる
のが好ましい。上記方法（３）において、基板表面ある
いは発熱体と基板表面の間に流される高速ガス流として
はＨ2 、Ｎ2 、Ａｒ等のガスを用い、その流速は５ｃｍ
／ｓｅｃ以上、好ましくは２０ｃｍ／ｓｅｃ以上とす
る。上記方法（４）において、炭化処理工程の発熱体の
温度は２０００℃未満、好ましくは１５００℃〜２００
０℃とする。また本発明において、一般的には発熱体と
してタングステンフィラメントを、基板としてＳｉ基板
を用いるのが好ましいが、この種の方法において用いら
れる任意の材料を用いることができる。ダイヤモンド合
成工程の発熱体の温度は一般に２０００℃以上、好まし
くは２１００℃〜２４００℃で、基板表面温度は常温か
ら１０００℃の範囲に調節される。
【０００７】
【作用】本発明によるダイヤモンド合成は、以下のよう
な効果を奏する。まず、上記（１）〜（４）のいずれか
１つ以上の方法により炭化処理工程を行い、合成したダ
イヤモンド膜は基板表面とダイヤモンド膜の界面の金属
汚染が少ないため、応力によるダイヤモンド膜の剥がれ
がなくなる。また、上記（１）〜（４）のいずれか１つ
以上の方法により炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
を少なくとも２回以上繰り返すことによって得られた合
成ダイヤモンド膜はダイヤモンド膜間の界面も金属汚染
が大幅に低減されているため、ダイヤモンド膜界面の剥
がれない上に、熱伝導の低下がなく、本来のダイヤモン
ドが持つ高熱伝導度を有する。尚、合成ダイヤモンド膜
への金属汚染は皆無ではなく、上記の方法においても特
に界面は界面以外の部分に比べ金属汚染の程度が激し
く、薄い金属膜を形成する場合もある。このように、繰
り返しの合成により得られた合成ダイヤモンドにおい
て、ダイヤモンド成分以外の物質で形成された膜がダイ
ヤモンド膜表面全面を覆い尽くさない程度であって、厚
みが薄ければ、その上に新たに合成されるダイヤモンド
膜はその下のダイヤモンド結晶粒を引き継ぎ、熱伝導度
の低下を免れることができる。また、繰り返しの合成に
よる主に界面部分のダイヤモンド成分以外の成分濃度が
微量で、この領域が合成ダイヤモンド膜全体に占める割
合が少なければ、熱伝導度の大幅な低下を免れることが
可能である。
な効果を奏する。まず、上記（１）〜（４）のいずれか
１つ以上の方法により炭化処理工程を行い、合成したダ
イヤモンド膜は基板表面とダイヤモンド膜の界面の金属
汚染が少ないため、応力によるダイヤモンド膜の剥がれ
がなくなる。また、上記（１）〜（４）のいずれか１つ
以上の方法により炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
を少なくとも２回以上繰り返すことによって得られた合
成ダイヤモンド膜はダイヤモンド膜間の界面も金属汚染
が大幅に低減されているため、ダイヤモンド膜界面の剥
がれない上に、熱伝導の低下がなく、本来のダイヤモン
ドが持つ高熱伝導度を有する。尚、合成ダイヤモンド膜
への金属汚染は皆無ではなく、上記の方法においても特
に界面は界面以外の部分に比べ金属汚染の程度が激し
く、薄い金属膜を形成する場合もある。このように、繰
り返しの合成により得られた合成ダイヤモンドにおい
て、ダイヤモンド成分以外の物質で形成された膜がダイ
ヤモンド膜表面全面を覆い尽くさない程度であって、厚
みが薄ければ、その上に新たに合成されるダイヤモンド
膜はその下のダイヤモンド結晶粒を引き継ぎ、熱伝導度
の低下を免れることができる。また、繰り返しの合成に
よる主に界面部分のダイヤモンド成分以外の成分濃度が
微量で、この領域が合成ダイヤモンド膜全体に占める割
合が少なければ、熱伝導度の大幅な低下を免れることが
可能である。
【０００８】以下に本発明の実施態様を要約して示す。
（１）発熱体の炭化処理工程では発熱体と基板表面との
距離を５０ｍｍ以上離しておき、ダイヤモンド合成工程
では発熱体と基板表面との距離を５０ｍｍ以下に近づけ
ておくことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド
合成方法。 （２）遮蔽する物体がＭｏ，Ｗ等の高温強度に優れた金
属、もしくはこれらの合金からなる遮蔽板である請求項
２に記載のダイヤモンド合成方法。 （３）高速ガス流の流速が５ｃｍ／ｓｅｃ以上、好まし
くは２０ｃｍ／ｓｅｃ以上である請求項３に記載のダイ
ヤモンド合成方法。 （４）高速ガス流がＨ2 、Ｎ2 、Ａｒ等から選ばれるガ
スからなる請求項３又は上記（３）に記載のダイヤモン
ド合成方法。 （５）炭化処理工程における発熱体の温度が２０００℃
未満、好ましくは１５０℃〜２０００℃未満の範囲にあ
り、ダイヤモンド合成工程時に発熱体の温度を２０００
℃以上、好ましくは２１００℃〜２４００℃にある請求
項４に記載のダイヤモンド合成方法。 （６）請求項１〜請求項４のいずれか２項以上の組合せ
からなる方法を必須的に行うダイヤモンド合成方法。 （７）上記（１）〜上記（６）のいずれか２項以上の組
合せからなる方法を必須的に行うダイヤモンド合成方
法。
距離を５０ｍｍ以上離しておき、ダイヤモンド合成工程
では発熱体と基板表面との距離を５０ｍｍ以下に近づけ
ておくことを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド
合成方法。 （２）遮蔽する物体がＭｏ，Ｗ等の高温強度に優れた金
属、もしくはこれらの合金からなる遮蔽板である請求項
２に記載のダイヤモンド合成方法。 （３）高速ガス流の流速が５ｃｍ／ｓｅｃ以上、好まし
くは２０ｃｍ／ｓｅｃ以上である請求項３に記載のダイ
ヤモンド合成方法。 （４）高速ガス流がＨ2 、Ｎ2 、Ａｒ等から選ばれるガ
スからなる請求項３又は上記（３）に記載のダイヤモン
ド合成方法。 （５）炭化処理工程における発熱体の温度が２０００℃
未満、好ましくは１５０℃〜２０００℃未満の範囲にあ
り、ダイヤモンド合成工程時に発熱体の温度を２０００
℃以上、好ましくは２１００℃〜２４００℃にある請求
項４に記載のダイヤモンド合成方法。 （６）請求項１〜請求項４のいずれか２項以上の組合せ
からなる方法を必須的に行うダイヤモンド合成方法。 （７）上記（１）〜上記（６）のいずれか２項以上の組
合せからなる方法を必須的に行うダイヤモンド合成方
法。
【０００９】
図１のダイヤモンド合成装置に於て、発熱体の炭化処理
工程とダイヤモンド合成工程で、発熱体と基板表面との
距離を変更した合成実験を行った。発熱体１はタングス
テンフィラメント（長さ：２５０ｍｍ、直径：０．５ｍ
ｍ）を６ｍｍ間隔で３本張り、基板２は１０ｍｍ角のＳ
ｉ基板を使用した。発熱体の炭化処理工程では発熱体と
基板表面の距離を１００ｍｍ、ダイヤモンド合成工程で
は発熱体と基板表面との距離を６ｍｍとした。発熱体の
炭化処理工程では、まず発熱体と基板表面の距離を１０
０ｍｍに調整した後、原料ガスノズル４からＨ2を１０
００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ、ＣＨ4を２０ｃｍ 3 ／ｍｉｎ導入
し、反応容器５内を１．３×１０ 2 Ｐａ（１００Ｔｏｒ
ｒ）に保ち、発熱体１に通電し発熱体の温度を１８００
℃まで加熱し、１時間保持した。この間の基板表面温度
は１５０℃以下に保たれていた。また、発熱体は炭化さ
れ、１時間保持後には発熱体表面は炭素及び炭化タング
ステンで覆われた。
工程とダイヤモンド合成工程で、発熱体と基板表面との
距離を変更した合成実験を行った。発熱体１はタングス
テンフィラメント（長さ：２５０ｍｍ、直径：０．５ｍ
ｍ）を６ｍｍ間隔で３本張り、基板２は１０ｍｍ角のＳ
ｉ基板を使用した。発熱体の炭化処理工程では発熱体と
基板表面の距離を１００ｍｍ、ダイヤモンド合成工程で
は発熱体と基板表面との距離を６ｍｍとした。発熱体の
炭化処理工程では、まず発熱体と基板表面の距離を１０
０ｍｍに調整した後、原料ガスノズル４からＨ2を１０
００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ、ＣＨ4を２０ｃｍ 3 ／ｍｉｎ導入
し、反応容器５内を１．３×１０ 2 Ｐａ（１００Ｔｏｒ
ｒ）に保ち、発熱体１に通電し発熱体の温度を１８００
℃まで加熱し、１時間保持した。この間の基板表面温度
は１５０℃以下に保たれていた。また、発熱体は炭化さ
れ、１時間保持後には発熱体表面は炭素及び炭化タング
ステンで覆われた。
【００１０】炭化処理工程終了後、昇降軸６により基板
支持台３を上方へ移動させ、発熱体と基板表面との距離
を６ｍｍに調整した後、引き続き発熱体の温度を２２０
０℃まで加熱し、４０時間保持した。このダイヤモンド
合成工程中の基板表面温度は７５０℃〜８００℃に保た
れていた。以上の発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド
合成工程を同じ条件で３回繰り返し行い、基板上に１８
０μｍの合成ダイヤモンド膜を得た。合成ダイヤモンド
膜は剥がれもなく、基板とダイヤモンド膜およびダイヤ
モンド膜間の界面は存在するものの、電子顕微鏡による
観察によれば界面に部分的に存在する金属不純物膜の膜
厚は１μｍ以下であり、界面においてもダイヤモンドの
結晶粒はほとんどが連続的であった。この金属不純物膜
は発熱体材料であるタングステンであることが元素分析
の結果明らかになったが、タングステン濃度はごく微量
であり、ダイヤモンド全体に対する濃度は１／２００以
下（原子比）と推定された。さらに、基板を溶解し、合
成ダイヤモンド膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導
度を測定したところ、１０ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
支持台３を上方へ移動させ、発熱体と基板表面との距離
を６ｍｍに調整した後、引き続き発熱体の温度を２２０
０℃まで加熱し、４０時間保持した。このダイヤモンド
合成工程中の基板表面温度は７５０℃〜８００℃に保た
れていた。以上の発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド
合成工程を同じ条件で３回繰り返し行い、基板上に１８
０μｍの合成ダイヤモンド膜を得た。合成ダイヤモンド
膜は剥がれもなく、基板とダイヤモンド膜およびダイヤ
モンド膜間の界面は存在するものの、電子顕微鏡による
観察によれば界面に部分的に存在する金属不純物膜の膜
厚は１μｍ以下であり、界面においてもダイヤモンドの
結晶粒はほとんどが連続的であった。この金属不純物膜
は発熱体材料であるタングステンであることが元素分析
の結果明らかになったが、タングステン濃度はごく微量
であり、ダイヤモンド全体に対する濃度は１／２００以
下（原子比）と推定された。さらに、基板を溶解し、合
成ダイヤモンド膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導
度を測定したところ、１０ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００１１】〔実施例２〕図１のダイヤモンド合成装置
に於て、発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
で、発熱体と基板表面との距離を変更し、さらに発熱体
の炭化処理工程では発熱体と基板表面の間にＭｏ遮蔽板
を設置しておき、このＭｏ遮蔽板を移動した後ダイヤモ
ンド合成をする合成実験を行った。発熱体の炭化処理工
程時に図１のＭｏ遮蔽板７を発熱体と基板表面間の発熱
体の下８０ｍｍの位置に設置し、発熱体の炭化処理終了
後、Ｍｏ遮蔽板を右に移動し基板上空間から外した後発
熱体と基板表面との距離を６ｍｍに調整する以外は実施
例１と同じ条件でダイヤモンドを合成した。得られた合
成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基板とダイヤモンド
膜およびダイヤモンド膜間の界面は、電子顕微鏡でも観
察できない程度であった。基板を溶解し、合成ダイヤモ
ンド膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定し
たところ、１３ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
に於て、発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
で、発熱体と基板表面との距離を変更し、さらに発熱体
の炭化処理工程では発熱体と基板表面の間にＭｏ遮蔽板
を設置しておき、このＭｏ遮蔽板を移動した後ダイヤモ
ンド合成をする合成実験を行った。発熱体の炭化処理工
程時に図１のＭｏ遮蔽板７を発熱体と基板表面間の発熱
体の下８０ｍｍの位置に設置し、発熱体の炭化処理終了
後、Ｍｏ遮蔽板を右に移動し基板上空間から外した後発
熱体と基板表面との距離を６ｍｍに調整する以外は実施
例１と同じ条件でダイヤモンドを合成した。得られた合
成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基板とダイヤモンド
膜およびダイヤモンド膜間の界面は、電子顕微鏡でも観
察できない程度であった。基板を溶解し、合成ダイヤモ
ンド膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定し
たところ、１３ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００１２】〔実施例３〕
図１のダイヤモンド合成装置に於て、発熱体の炭化処理
工程とダイヤモンド合成工程で、発熱体と基板表面との
距離を変更し、さらに発熱体の炭化処理工程では発熱体
と基板表面の間、主に基板表面に向けて高速ガス流ノズ
ルからＨ2ガスを５０００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ流し、この高速
ガス流を停止した後ダイヤモンド合成をする合成実験を
行った。発熱体の炭化処理工程時に図１の高速ガス流ノ
ズル８から基板表面に向けてＨ2ガスを５０００ｃｍ 3 ／
ｍｉｎ、流速にして１５ｃｍ／ｓｅｃ相当を流し、発熱
体の炭化処理終了後、この高速ガス流を停止した後発熱
体と基板表面との距離を６ｍｍに調整すること以外は実
施例１と同じ条件でダイヤモンドを合成した。得られた
合成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基板とダイヤモン
ド膜およびダイヤモンド膜間の界面はほとんど観測でき
なかった。基板を溶解し、合成ダイヤモンド膜表面を研
磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したところ、１２
ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
工程とダイヤモンド合成工程で、発熱体と基板表面との
距離を変更し、さらに発熱体の炭化処理工程では発熱体
と基板表面の間、主に基板表面に向けて高速ガス流ノズ
ルからＨ2ガスを５０００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ流し、この高速
ガス流を停止した後ダイヤモンド合成をする合成実験を
行った。発熱体の炭化処理工程時に図１の高速ガス流ノ
ズル８から基板表面に向けてＨ2ガスを５０００ｃｍ 3 ／
ｍｉｎ、流速にして１５ｃｍ／ｓｅｃ相当を流し、発熱
体の炭化処理終了後、この高速ガス流を停止した後発熱
体と基板表面との距離を６ｍｍに調整すること以外は実
施例１と同じ条件でダイヤモンドを合成した。得られた
合成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基板とダイヤモン
ド膜およびダイヤモンド膜間の界面はほとんど観測でき
なかった。基板を溶解し、合成ダイヤモンド膜表面を研
磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したところ、１２
ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００１３】〔実施例４〕図１のダイヤモンド合成装置
に於て、発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
で、発熱体と基板表面との距離を変更し、さらに発熱体
の炭化処理工程では発熱体の温度を比較的低く保ち、炭
化処理終了後、発熱体の温度を合成に適した温度まで上
昇させた後ダイヤモンド合成をする合成実験を行った。
発熱体の炭化処理工程時の発熱体温度を１８００℃とす
ること以外は実施例１と同じ条件でダイヤモンドを合成
した。得られた合成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基
板とダイヤモンド膜およびダイヤモンド膜間の界面の存
在は認められたものの、電子顕微鏡による観察によれば
界面に部分的に存在する金属不純物膜の膜厚は１μｍ以
下と推定され、界面においても結晶粒はほとんどが連続
的であった。さらに、基板を溶解し、合成ダイヤモンド
膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したと
ころ、１２ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
に於て、発熱体の炭化処理工程とダイヤモンド合成工程
で、発熱体と基板表面との距離を変更し、さらに発熱体
の炭化処理工程では発熱体の温度を比較的低く保ち、炭
化処理終了後、発熱体の温度を合成に適した温度まで上
昇させた後ダイヤモンド合成をする合成実験を行った。
発熱体の炭化処理工程時の発熱体温度を１８００℃とす
ること以外は実施例１と同じ条件でダイヤモンドを合成
した。得られた合成ダイヤモンド膜は剥がれもなく、基
板とダイヤモンド膜およびダイヤモンド膜間の界面の存
在は認められたものの、電子顕微鏡による観察によれば
界面に部分的に存在する金属不純物膜の膜厚は１μｍ以
下と推定され、界面においても結晶粒はほとんどが連続
的であった。さらに、基板を溶解し、合成ダイヤモンド
膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したと
ころ、１２ｗ／ｃｍ・Ｋであった。
【００１４】〔比較例〕図２は従来のダイヤモンド合成
装置である。１は発熱体、２は基板、３は基板支持台、
４は原料ガス供給ノズル、５は反応容器であり、発熱体
と基板表面との距離は予め６ｍｍに調整している。
装置である。１は発熱体、２は基板、３は基板支持台、
４は原料ガス供給ノズル、５は反応容器であり、発熱体
と基板表面との距離は予め６ｍｍに調整している。
【００１５】〔比較例１〕
図２のダイヤモンド合成装置に於て、発熱体の炭化処理
工程とダイヤモンド合成工程を、発熱体の温度以外は同
じ条件で合成実験を行った。発熱体１はタングステンフ
ィラメント（長さ：２５０ｍｍ、直径：０．５ｍｍ）を
６ｍｍ間隔で３本張り、基板２は１０ｍｍ角のＳｉ基板
を使用した。発熱体と基板表面の距離は炭化処理工程、
合成工程いずれも６ｍｍ一定とした。原料ガスノズル４
からＨ2を１０００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ、ＣＨ4を２０ｃｍ 3 ／
ｍｉｎ導入し、反応容器５内を１．３×１０ 2 Ｐａ（１
００Ｔｏｒｒ）に保ち、発熱体１に通電し発熱体の温度
を２１５０℃まで加熱し、１時間保持した。この炭化処
理工程時の基板表面温度はすでに６００℃となってい
た。引き続き発熱体の温度を２２００℃まで加熱し、４
０時間保持した。このダイヤモンド合成工程中の基板表
面温度は７５０℃〜８００℃に保たれていた。以上の工
程を同じ条件で３回繰り返し行ったが、２回目の合成終
了後には合成ダイヤモンド膜が基板上から剥がれかけ、
３回目の１５時間保持時点で合成ダイヤモンド膜が完全
に剥がれてしまった。また、ダイヤモンド膜間の界面に
明らかな変質層が存在し、電子顕微鏡による観察によれ
ば２〜３μｍ程度と推定された。この合成ダイヤモンド
膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したと
ころ、測定場所によって大きくバラツキがあり、５ｗ／
ｃｍ・Ｋ以下の熱伝導率しか得られなかった。測定のバ
ラツキは、変質層の厚みによるものと推定され、特に発
熱体直下の合成ダイヤモンド膜部分が極端に悪かった。
工程とダイヤモンド合成工程を、発熱体の温度以外は同
じ条件で合成実験を行った。発熱体１はタングステンフ
ィラメント（長さ：２５０ｍｍ、直径：０．５ｍｍ）を
６ｍｍ間隔で３本張り、基板２は１０ｍｍ角のＳｉ基板
を使用した。発熱体と基板表面の距離は炭化処理工程、
合成工程いずれも６ｍｍ一定とした。原料ガスノズル４
からＨ2を１０００ｃｍ 3 ／ｍｉｎ、ＣＨ4を２０ｃｍ 3 ／
ｍｉｎ導入し、反応容器５内を１．３×１０ 2 Ｐａ（１
００Ｔｏｒｒ）に保ち、発熱体１に通電し発熱体の温度
を２１５０℃まで加熱し、１時間保持した。この炭化処
理工程時の基板表面温度はすでに６００℃となってい
た。引き続き発熱体の温度を２２００℃まで加熱し、４
０時間保持した。このダイヤモンド合成工程中の基板表
面温度は７５０℃〜８００℃に保たれていた。以上の工
程を同じ条件で３回繰り返し行ったが、２回目の合成終
了後には合成ダイヤモンド膜が基板上から剥がれかけ、
３回目の１５時間保持時点で合成ダイヤモンド膜が完全
に剥がれてしまった。また、ダイヤモンド膜間の界面に
明らかな変質層が存在し、電子顕微鏡による観察によれ
ば２〜３μｍ程度と推定された。この合成ダイヤモンド
膜表面を研磨した後、合成方向の熱伝導度を測定したと
ころ、測定場所によって大きくバラツキがあり、５ｗ／
ｃｍ・Ｋ以下の熱伝導率しか得られなかった。測定のバ
ラツキは、変質層の厚みによるものと推定され、特に発
熱体直下の合成ダイヤモンド膜部分が極端に悪かった。
【００１６】〔比較例２〕図２のダイヤモンド合成装置
に於て、発熱体の炭化処理工程では発熱体と基板表面の
距離を３０ｍｍ、ダイヤモンド合成工程では発熱体と基
板表面との距離を６ｍｍとしたこと以外は実施例１と同
じ条件で合成実験を行った。炭化処理工程時の基板表面
温度はすでに４００℃〜５００℃となっていた。合成ダ
イヤモンド膜は剥がれなかったが、基板とダイヤモンド
膜およびダイヤモンド膜間の界面が明らかに存在し、電
子顕微鏡による観察によれば界面に存在する金属不純物
膜は１μｍ程度と推定された。また、この界面により明
らかにダイヤモンド膜が分断されており、観察した限り
ほとんどの結晶粒が不連続となっていた。この金属不純
物膜は発熱体材料であるタングステンであることが元素
分析の結果明らかになった。尚、界面以外の合成ダイヤ
モンド膜には顕著な不純物金属は観測されなかったが、
１８０μｍのダイヤモンド膜中に１μｍ程度の金属不純
物が３層あるいは２層存在することになり、単純な濃度
換算では、１／９０〜１／６０（原子比）程度となる。
この基板を溶解し、合成ダイヤモンド膜表面を研磨した
後、合成方向の熱伝導度を測定したところ、７ｗ／ｃｍ
・Ｋと熱伝導率が極端に悪かった。
に於て、発熱体の炭化処理工程では発熱体と基板表面の
距離を３０ｍｍ、ダイヤモンド合成工程では発熱体と基
板表面との距離を６ｍｍとしたこと以外は実施例１と同
じ条件で合成実験を行った。炭化処理工程時の基板表面
温度はすでに４００℃〜５００℃となっていた。合成ダ
イヤモンド膜は剥がれなかったが、基板とダイヤモンド
膜およびダイヤモンド膜間の界面が明らかに存在し、電
子顕微鏡による観察によれば界面に存在する金属不純物
膜は１μｍ程度と推定された。また、この界面により明
らかにダイヤモンド膜が分断されており、観察した限り
ほとんどの結晶粒が不連続となっていた。この金属不純
物膜は発熱体材料であるタングステンであることが元素
分析の結果明らかになった。尚、界面以外の合成ダイヤ
モンド膜には顕著な不純物金属は観測されなかったが、
１８０μｍのダイヤモンド膜中に１μｍ程度の金属不純
物が３層あるいは２層存在することになり、単純な濃度
換算では、１／９０〜１／６０（原子比）程度となる。
この基板を溶解し、合成ダイヤモンド膜表面を研磨した
後、合成方向の熱伝導度を測定したところ、７ｗ／ｃｍ
・Ｋと熱伝導率が極端に悪かった。
【００１７】〔比較例３〕発熱体の炭化処理工程時の発
熱体と基板表面との距離を１００ｍｍ、ダイヤモンド合
成工程時の発熱体と基板表面との距離を６０ｍｍとし、
これ以外は実施例１と同じ条件で合成実験を行ったがダ
イヤモンド合成工程時の基板表面温度が５００℃以下と
なっており、３回の繰り返し実験にもかかわらず膜厚は
１０μｍにも満たない程度であり、ダイヤモンドとして
の品質を満足しえないものであった。
熱体と基板表面との距離を１００ｍｍ、ダイヤモンド合
成工程時の発熱体と基板表面との距離を６０ｍｍとし、
これ以外は実施例１と同じ条件で合成実験を行ったがダ
イヤモンド合成工程時の基板表面温度が５００℃以下と
なっており、３回の繰り返し実験にもかかわらず膜厚は
１０μｍにも満たない程度であり、ダイヤモンドとして
の品質を満足しえないものであった。
【００１８】
【発明の効果】本発明によれば、発熱体からの金属汚染
を大幅に低減することができるため、付着強度が強く、
高熱伝導度を有する合成ダイヤモンドを得ることができ
る。特に、繰り返しの合成による合成ダイヤモンド膜界
面の変質層をなくするかもしくはあっても全面を覆い尽
くす程度に均一でなくかつ厚くなく、ダイヤモンド結晶
粒が全面にわたって分断されることがないダイヤモンド
膜が得られるため、１００μｍ以上の厚い高品質合成ダ
イヤモンドが得られる。また、外部操作により本発明の
方法を可能とする合成装置によってダイヤモンドを合成
することによって、発熱体の炭化処理工程とダイヤモン
ド合成工程を連続して行えるため、合成コストを低減す
る事が出来る。このような合成装置および合成方法によ
って得られた合成ダイヤモンド膜、特にダイヤモンド以
外の物質から形成される変質層中の濃度が全ダイヤモン
ド膜中の１／１００以下の高品質合成ダイヤモンド膜は
高熱伝導率度放熱基板として使用することができる。
を大幅に低減することができるため、付着強度が強く、
高熱伝導度を有する合成ダイヤモンドを得ることができ
る。特に、繰り返しの合成による合成ダイヤモンド膜界
面の変質層をなくするかもしくはあっても全面を覆い尽
くす程度に均一でなくかつ厚くなく、ダイヤモンド結晶
粒が全面にわたって分断されることがないダイヤモンド
膜が得られるため、１００μｍ以上の厚い高品質合成ダ
イヤモンドが得られる。また、外部操作により本発明の
方法を可能とする合成装置によってダイヤモンドを合成
することによって、発熱体の炭化処理工程とダイヤモン
ド合成工程を連続して行えるため、合成コストを低減す
る事が出来る。このような合成装置および合成方法によ
って得られた合成ダイヤモンド膜、特にダイヤモンド以
外の物質から形成される変質層中の濃度が全ダイヤモン
ド膜中の１／１００以下の高品質合成ダイヤモンド膜は
高熱伝導率度放熱基板として使用することができる。
【図１】は、本発明で使用したダイヤモンド合成装置の
概略図である。
概略図である。
【図２】は、比較例で使用したダイヤモンド合成装置の
概略図である。
概略図である。
図１〜２において、１は発熱体、２は基板、３は基板支
持台、４は原料ガス供給ノズル、５は反応容器、６は昇
降軸、７はＭｏ遮蔽板、８は高速ガス流ノズルである。
持台、４は原料ガス供給ノズル、５は反応容器、６は昇
降軸、７はＭｏ遮蔽板、８は高速ガス流ノズルである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平２−38399（ＪＰ，Ａ)
特開 昭62−202896（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−254496（ＪＰ，Ａ)
特開 昭52−81975（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−182297（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−61896（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C30B 1/00 - 35/00
ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)
Claims (3)
- 【請求項１】炭化水素と水素との混合ガスを加熱された
発熱体により予備加熱した後、該加熱混合ガスを加熱さ
れた基板表面に導入してダイヤモンド析出させる方法に
おいて、前記発熱体の炭化処理工程では発熱体の温度を
２０００℃未満にするとともに前記発熱体と前記基板表
面との距離を５０ｍｍ以上離しておき、さらにダイヤモ
ンド合成工程では前記発熱体の温度を２０００℃以上に
するとともに前記発熱体と前記基板表面との距離を炭化
処理工程における距離よりも近づけて５０ｍｍ以下にす
ることを特徴とするダイヤモンド合成方法。 - 【請求項２】 炭化水素と水素との混合ガスを加熱され
た発熱体により予備加熱した後、該加熱混合ガスを加熱
された基板表面に導入してダイヤモンド析出させる方法
において、反応容器内に前記発熱体及び前記基板をあら
かじめ配置した後に前記発熱体の炭化処理工程及びダイ
ヤモンド合成工程を行う方法であって、前記発熱体の炭
化処理工程では発熱体と基板表面の間を遮蔽する物体を
設置しておき、ダイヤモンド合成工程前に遮蔽物体を移
動あるいは除去することを特徴とするダイヤモンド合成
方法。 - 【請求項３】 炭化水素と水素との混合ガスを加熱され
た発熱体により予備加熱した後、該加熱混合ガスを加熱
された基板表面に導入してダイヤモンド析出させる方法
において、発熱体の炭化処理工程では基板表面あるいは
発熱体と基板表面の間に高速ガス流を流し、ダイヤモン
ド合成工程前に高速ガス流を停止あるいはガス流速を減
少することを特徴とするダイヤモンド合成法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13050194A JP3498363B2 (ja) | 1994-06-13 | 1994-06-13 | ダイヤモンドの合成方法 |
| US08/489,638 US5939140A (en) | 1994-06-13 | 1995-06-12 | Hot filament CVD of diamond films |
| DE69511469T DE69511469T2 (de) | 1994-06-13 | 1995-06-13 | Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Diamanten |
| EP95304077A EP0687753B1 (en) | 1994-06-13 | 1995-06-13 | A synthesis process of diamond, synthesis apparatus and synthetic diamond |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13050194A JP3498363B2 (ja) | 1994-06-13 | 1994-06-13 | ダイヤモンドの合成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07330489A JPH07330489A (ja) | 1995-12-19 |
| JP3498363B2 true JP3498363B2 (ja) | 2004-02-16 |
Family
ID=15035786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13050194A Expired - Lifetime JP3498363B2 (ja) | 1994-06-13 | 1994-06-13 | ダイヤモンドの合成方法 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5939140A (ja) |
| EP (1) | EP0687753B1 (ja) |
| JP (1) | JP3498363B2 (ja) |
| DE (1) | DE69511469T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL1004886C2 (nl) * | 1996-12-23 | 1998-06-24 | Univ Utrecht | Halfgeleiderinrichtingen en werkwijze voor het maken daarvan. |
| US6475573B1 (en) | 1999-05-03 | 2002-11-05 | Guardian Industries Corp. | Method of depositing DLC inclusive coating on substrate |
| US6277480B1 (en) | 1999-05-03 | 2001-08-21 | Guardian Industries Corporation | Coated article including a DLC inclusive layer(s) and a layer(s) deposited using siloxane gas, and corresponding method |
| US6280834B1 (en) | 1999-05-03 | 2001-08-28 | Guardian Industries Corporation | Hydrophobic coating including DLC and/or FAS on substrate |
| US6312808B1 (en) | 1999-05-03 | 2001-11-06 | Guardian Industries Corporation | Hydrophobic coating with DLC & FAS on substrate |
| US6461731B1 (en) | 1999-05-03 | 2002-10-08 | Guardian Industries Corp. | Solar management coating system including protective DLC |
| US6447891B1 (en) | 1999-05-03 | 2002-09-10 | Guardian Industries Corp. | Low-E coating system including protective DLC |
| US6368664B1 (en) | 1999-05-03 | 2002-04-09 | Guardian Industries Corp. | Method of ion beam milling substrate prior to depositing diamond like carbon layer thereon |
| JP4710187B2 (ja) * | 2000-08-30 | 2011-06-29 | ソニー株式会社 | 多結晶シリコン層の成長方法および単結晶シリコン層のエピタキシャル成長方法 |
| EP1448807A4 (en) * | 2001-10-30 | 2005-07-13 | Massachusetts Inst Technology | FLUORO CARBON ORGANOSILICIUM COPOLYMERS AND COATINGS MADE ACCORDING TO THE HFCVD PROCEDURE |
| US7501330B2 (en) * | 2002-12-05 | 2009-03-10 | Intel Corporation | Methods of forming a high conductivity diamond film and structures formed thereby |
| US20090017258A1 (en) * | 2007-07-10 | 2009-01-15 | Carlisle John A | Diamond film deposition |
| JP5746839B2 (ja) * | 2010-08-16 | 2015-07-08 | 株式会社アルバック | 通電加熱線、成膜装置及び通電加熱線の製造方法 |
| JP5803003B2 (ja) * | 2011-07-07 | 2015-11-04 | 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター | 熱フィラメントｃｖｄ装置及び成膜方法 |
| JP6043346B2 (ja) * | 2012-05-09 | 2016-12-14 | 麒麟麦酒株式会社 | 複合発熱体並びにそれを用いた薄膜を備える成形体の製造方法及び発熱体ｃｖｄ装置 |
| EP3669014B1 (de) * | 2017-08-18 | 2024-08-07 | Gühring KG | Verfahren zum beschichten temperaturempfindlicher substrate mit polykristallinem diamant |
| JP7061049B2 (ja) * | 2018-09-10 | 2022-04-27 | 株式会社神戸製鋼所 | 熱フィラメントｃｖｄ装置 |
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|---|---|---|---|---|
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| JPS62202897A (ja) * | 1986-02-28 | 1987-09-07 | Toshiba Corp | ダイヤモンドの製造方法 |
| JPS63153815A (ja) * | 1986-12-17 | 1988-06-27 | Fujitsu Ltd | ダイヤモンドの気相合成方法 |
| JPS63159292A (ja) * | 1986-12-23 | 1988-07-02 | Showa Denko Kk | ダイヤモンド膜の作製方法 |
| US5071708A (en) * | 1987-10-20 | 1991-12-10 | Showa Denko K.K. | Composite diamond grain |
| US5127983A (en) * | 1989-05-22 | 1992-07-07 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Method of producing single crystal of high-pressure phase material |
| JP2799744B2 (ja) * | 1989-09-11 | 1998-09-21 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | ダイヤモンドを用いたサーミスタの作製方法 |
| JP2775903B2 (ja) * | 1989-10-04 | 1998-07-16 | 住友電気工業株式会社 | ダイヤモンド半導体素子 |
| DE69117077T2 (de) * | 1990-03-06 | 1996-06-27 | Sumitomo Electric Industries | Verfahren zum Aufwachsen einer Dünnschicht aus Diamant oder c-BN |
| US5209812A (en) * | 1990-04-09 | 1993-05-11 | Ford Motor Company | Hot filament method for growing high purity diamond |
| US5314570A (en) * | 1990-07-18 | 1994-05-24 | Sumitomo Electric Industries Ltd. | Process and apparatus for the production of diamond |
| US5082522A (en) * | 1990-08-14 | 1992-01-21 | Texas Instruments Incorporated | Method for forming patterned diamond thin films |
| US5254862A (en) * | 1991-08-14 | 1993-10-19 | Kobe Steel U.S.A., Inc. | Diamond field-effect transistor with a particular boron distribution profile |
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-
1994
- 1994-06-13 JP JP13050194A patent/JP3498363B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
1995
- 1995-06-12 US US08/489,638 patent/US5939140A/en not_active Expired - Lifetime
- 1995-06-13 DE DE69511469T patent/DE69511469T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1995-06-13 EP EP95304077A patent/EP0687753B1/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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|---|---|
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| US5939140A (en) | 1999-08-17 |
| EP0687753A1 (en) | 1995-12-20 |
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