JP4547493B2 - Method for producing diamond single crystal and diamond single crystal - Google Patents
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Description
本発明は、ダイヤモンド単結晶の製造方法及びダイヤモンド単結晶に関する。 The present invention relates to a method for producing a diamond single crystal and a diamond single crystal.
ダイヤモンドは、高硬度、高熱伝導性で化学的安定性の高い物質であり、従来から宝飾用に用いられる他、工具、砥石等の機械的性質を利用した用途や、半導体レーザー用ヒートシンクやSAWデバイスなどの電子材料に用いられている。また、ダイヤモンドはワイド
ギャップ半導体であり、近年、電子材料や水電解用電極材料として利用する研究開発が盛んに行われている。
Diamond is a material with high hardness, high thermal conductivity, and high chemical stability. In addition to traditionally used for jewelry, it uses mechanical properties such as tools and grindstones, heat sinks for semiconductor lasers, and SAW devices. It is used for electronic materials. Diamond is a wide-gap semiconductor, and research and development for use as an electronic material or an electrode material for water electrolysis have been actively conducted in recent years.
工業用ダイヤモンド単結晶の製造方法としては、主として高温高圧合成法が採用されている。しかしながら、この方法では、大型ダイヤモンド単結晶を製造するには巨大なプレス機が必要になるため、合成単結晶ダイヤモンドは最大で1cm程度の大きさに留まっている。 As a method for producing an industrial diamond single crystal, a high-temperature and high-pressure synthesis method is mainly employed. However, in this method, a large press machine is required to produce a large diamond single crystal, and therefore the synthetic single crystal diamond remains at a maximum size of about 1 cm.
近年、ダイヤモンド単結晶の製造方法として、マイクロ波CVD法、フィラメントCVD法、直流放電法、アークジェット法、火炎法などの気相合成法による結晶成長方法について研究開発が盛んに行われている。この方法では、高温高圧法の様な装置上の制限がないため、さらに大型のダイヤモンド単結晶合成方法としての利用が期待されている。 In recent years, as a method for producing a diamond single crystal, research and development have been actively conducted on crystal growth methods by vapor phase synthesis methods such as a microwave CVD method, a filament CVD method, a direct current discharge method, an arc jet method, and a flame method. In this method, there is no restriction on the apparatus as in the high-temperature and high-pressure method, so that it is expected to be used as a method for synthesizing a larger diamond single crystal.
しかしながら、気相合成法では、成長中に異常核と呼ばれる粒子が成長面に発生し易く、その後の結晶成長が円滑に進行しないという問題がある。 However, the vapor phase synthesis method has a problem that particles called abnormal nuclei are likely to be generated on the growth surface during growth, and subsequent crystal growth does not proceed smoothly.
例えば、現状のダイヤモンド単結晶の気相合成法では、(100)面で研磨したダイヤモン
ド基板を種結晶として、この上にダイヤモンドをエピタキシャル成長させることが多い。しかしながら、この方法では、図1の模式断面図に示すように、成長面である(100)面上
に、主として(111)面を持った異常核が発生し易く、一度、異常核が発生すれば、その上
へのエピタキシャル成長は続行できないという問題点がある。また、(100)面上に気相成
長させる場合、原料ガスに窒素を微量添加すると、異常核の発生が抑制され、長時間成長が可能となり大型単結晶が合成できることが知られているが、この方法では、窒素がダイヤモンド結晶中に取込まれ、その取込み量によって黄色から黒褐色を呈し、結晶欠陥が増加するという欠点がある。
For example, in the current vapor phase synthesis method of a diamond single crystal, diamond is often epitaxially grown on a diamond substrate polished on the (100) plane as a seed crystal. However, in this method, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 1, abnormal nuclei having mainly the (111) plane are likely to be generated on the (100) plane, which is the growth surface, and once the abnormal nuclei are generated. In this case, there is a problem that the epitaxial growth thereon cannot be continued. In addition, when vapor phase growth on the (100) plane, adding a small amount of nitrogen to the source gas is known to suppress the generation of abnormal nuclei, enable growth for a long time and synthesize a large single crystal, This method has the disadvantage that nitrogen is incorporated into the diamond crystal and the yellowish to blackish brown color is exhibited depending on the amount of incorporation, resulting in an increase in crystal defects.
また、ダイヤモンド単結晶の(111)面上に成長させる場合には、双晶と呼ばれる結晶欠
陥が発生しやすい。このため、この方法は、燐や窒素などの不純物元をダイヤモンド結晶中に取込みやすいという性質を利用して、半導体製造の目的で不純物元素の高濃度ドーピングを行うために利用にされているだけである。
Further, when growing on the (111) plane of a diamond single crystal, crystal defects called twins are likely to occur. For this reason, this method is used only for high-concentration doping of impurity elements for the purpose of semiconductor manufacturing, taking advantage of the property of easily incorporating impurity elements such as phosphorus and nitrogen into diamond crystals. is there.
種結晶としてダンモンド単結晶の(110)面を利用する場合には、(110)面上にエピタキシャル成長を行うと、非常に粗い面が形成されるという報告が数多くなされている。例えば、下記非特許文献1には、フィラメント法を用いてダイヤモンド(110)面上に850℃、水素流量179sccm、メタン流量0.3sccm、アセチレン流量0.15sccmの条件で厚さ5.1μmほどエピタキシャル成長させた場合、成長面は高さ50〜250nm、幅100〜800nmの丘のような構造を
持った粗い面となることが記載されている。
In the case where the (110) plane of a dummond single crystal is used as a seed crystal, there are many reports that a very rough surface is formed when epitaxial growth is performed on the (110) plane. For example, the following Non-Patent Document 1 describes a case where a filament method is used to epitaxially grow a thickness of 5.1 μm on a diamond (110) surface at 850 ° C., a hydrogen flow rate of 179 sccm, a methane flow rate of 0.3 sccm, and an acetylene flow rate of 0.15 sccm. The growth surface is described as a rough surface having a hill-like structure with a height of 50 to 250 nm and a width of 100 to 800 nm.
下記非特許文献2には、フィラメント法を用いてダイヤモンド(110)面上に850℃、水素流量165sccm、メタン流量0.30sccm、アセチレン流量0.15sccmの条件で厚さ5μmほどエピ
タキシャル成長させた場合、成長面は100nmスケールの粗い構造となることが報告されて
いる。
Non-Patent Document 2 listed below shows that the growth surface is about 5 μm thick when epitaxially grown on a diamond (110) surface using a filament method at 850 ° C., a hydrogen flow rate of 165 sccm, a methane flow rate of 0.30 sccm, and an acetylene flow rate of 0.15 sccm. Has been reported to have a coarse structure on the 100 nm scale.
下記非特許文献3には、火炎法を用いてダイヤモンド(110)面上に900±100℃、酸素ガ
ス1.3または1.5SLM、アセチレン流量不明の条件で厚さ20、40、150μmほどエピタキシャ
ル成長させた場合、成長表面はかなり粗いと記載されている。
Non-Patent Document 3 below shows that when flame growth is used, epitaxial growth is performed on a diamond (110) surface at 900 ± 100 ° C., oxygen gas 1.3 or 1.5 SLM, thicknesses of 20, 40, and 150 μm under conditions of unknown acetylene flow rate. The growth surface is described as being fairly rough.
下記非特許文献4には、マイクロ波CVD法を用いてダイヤモンド(110)面上に、温度830
℃で、メタン/水素流量比2%、4%、6%又は8%、圧力40Torr (= 5.3kPa)の条件で2時
間ほどエピタキシャル成長させた場合に、粒状成長が見られ成長面は粗いと記載されている。
Non-Patent Document 4 listed below uses a microwave CVD method to form a temperature of 830 on a diamond (110) surface.
Described as grain growth and rough growth when grown epitaxially for 2 hours at ℃ / methane flow rate ratio of 2%, 4%, 6% or 8% and pressure of 40 Torr (= 5.3kPa) Has been.
下記非特許文献5には、マイクロ波CVD法を用いてダイヤモンド(110)面上に650℃、99
%水素、0.7%メタン、0.3%酸素、圧力30Torr (= 4.0kPa)の条件でエピタキシャル成長
させた場合、成長面は粗いと記載されている。
Non-Patent Document 5 listed below uses a microwave CVD method on a diamond (110) surface at 650 ° C., 99
It is described that the growth surface is rough when epitaxial growth is performed under the conditions of% hydrogen, 0.7% methane, 0.3% oxygen, and a pressure of 30 Torr (= 4.0 kPa).
以上の通り、従来知られている(110)面上にダイヤモンドを成長させる方法では、粗い
成長面が形成されるために、大型の単結晶ダイヤモンドの製造方法としては利用できないと考えられている。
本発明は、上記した従来技術の現状に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、気相合成法によってダイヤモンド単結晶を成長させる方法において、規則正しい成長面を有し、かつ不純物含有量が非常に少ない高品質のダイヤモンド単結晶を比較的簡単な方法によって製造することができ、大型ダイヤモンド単結晶の合成方法として有効に利用可能な新規なダイヤモンド単結晶製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described conventional state of the art, and its main object is a method of growing a diamond single crystal by a vapor phase synthesis method, having a regular growth surface, and having an impurity content. It is an object of the present invention to provide a novel diamond single crystal production method that can produce a high-quality diamond single crystal with a very small amount by a relatively simple method and can be effectively used as a synthesis method for a large diamond single crystal.
本発明者は、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねてきた。その結果、マイクロ波CVD法によってダイヤモンド単結晶を成長させる場合に、原料ガス流量比、圧力及び成長温度を特定の条件に制御することによって、ダイヤモンド種結晶の(110)面上に、一定
の表面形状を保ちながらエピタキシャル成長を持続でき、異常核の発生のない成長を高速に行うことが可能となることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
The present inventor has intensively studied to achieve the above-described object. As a result, when a diamond single crystal is grown by the microwave CVD method, a constant surface is formed on the (110) plane of the diamond seed crystal by controlling the raw material gas flow ratio, pressure and growth temperature to specific conditions. It has been found that epitaxial growth can be continued while maintaining the shape, and growth without occurrence of abnormal nuclei can be performed at high speed, and the present invention has been completed here.
即ち、本発明は、下記の単結晶ダイヤモンドの製造方法及び単結晶ダイヤモンドを提供するものである。
1. マイクロ波CVD法によってダイヤモンド単結晶を成長させる方法であって、原料ガス流量比を、水素100に対してメタン0.2〜20、窒素0.12未満とし、CVDチ
ャンバー内の圧力を13kPa〜33kPa、成長温度を950℃〜1250℃としてダイヤモンド単結晶の(110)基板上に結晶成長を行うことを特徴とするダイヤモンド単結
晶の製造方法。
2. ダイヤモンド単結晶の(110)面に平行であって、最大高さが1〜10μmの表面
粗さの成長面を有するダイヤモンド単結晶。
3. 成長面が、微小な(111)面と(100)面からなるファセットから構成される(110)面
に平行な面である上記項2に記載のダイヤモンド単結晶。
4. ダイヤモンド単結晶の成長面の形状に基づく成長縞を有する上記項2又は3に記載のダイヤモンド単結晶。
5. 成長縞が、最大高さ1〜10μmの粗さを有する(110)面に平行な縞状模様であ
る上記項4に記載の単結晶ダイヤモンド。
6. 上記項1の方法で得られる上記項2〜5のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンド。
That is, the present invention provides the following method for producing single crystal diamond and single crystal diamond.
1. A method of growing a diamond single crystal by a microwave CVD method, wherein a raw material gas flow rate ratio is 0.2 to 20 for methane and less than 0.12 for nitrogen with respect to hydrogen 100, and a pressure in the CVD chamber is 13 to 33 kPa. A method for producing a diamond single crystal, comprising growing a crystal at a growth temperature of 950 ° C. to 1250 ° C. on a (110) substrate of the diamond single crystal.
2. A diamond single crystal having a growth surface having a surface roughness parallel to the (110) plane of the diamond single crystal and having a maximum height of 1 to 10 μm.
3. Item 3. The diamond single crystal according to Item 2, wherein the growth surface is a plane parallel to the (110) plane composed of facets composed of fine (111) plane and (100) plane.
4). Item 4. The diamond single crystal according to Item 2 or 3, which has a growth stripe based on the shape of the growth surface of the diamond single crystal.
5). Item 5. The single crystal diamond according to Item 4, wherein the growth stripe is a stripe pattern parallel to the (110) plane having a roughness with a maximum height of 1 to 10 μm.
6). Item 6. The single crystal diamond according to any one of Items 2 to 5 obtained by the method according to Item 1.
以下、本発明の単結晶ダイヤモンドの製造方法について具体的に説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the single crystal diamond of this invention is demonstrated concretely.
ダイヤモンド単結晶の製造方法
(i)種結晶
本発明の製造方法では、種結晶として、(110)面で研磨されたダイヤモンド単結晶基
板を用いる。ダイヤモンド種結晶は、成長面として利用する(110)面が研磨されたもの
であればよく、大きさ、形状などは、使用するプラズマCVD装置及び基板支持体等に応じて適宜選択できる。
Diamond Single Crystal Manufacturing Method (i) Seed Crystal In the manufacturing method of the present invention, a diamond single crystal substrate polished on the (110) plane is used as a seed crystal. The diamond seed crystal only needs to have a polished (110) plane used as a growth plane, and the size, shape, and the like can be appropriately selected according to the plasma CVD apparatus and substrate support used.
(ii)製造条件
本発明では、マイクロ波CVD法によって、ダイヤモンド単結晶を成長させるが、その際、反応ガスとして、水素とメタンを供給し、流量比を水素100に対してメタンを0.2〜20程度、好ましくは4〜10程度の範囲とすると共に、窒素の流量を水素100に対して0.12未満、好ましくは0.1未満とする。
(Ii) Manufacturing conditions In the present invention, a diamond single crystal is grown by a microwave CVD method. At this time, hydrogen and methane are supplied as reaction gases, and the flow rate ratio is 0.2 with respect to 100 hydrogen. The flow rate of nitrogen is less than 0.12, preferably less than 0.1, with respect to hydrogen 100, in the range of about ˜20, preferably about 4-10.
更に、CVDチャンバー内の圧力を13kPa〜33kPa程度、好ましくは20kPa〜26kPa程度とし、成長面の温度を950〜1250℃程度、好ましくは950〜1050℃程度とする。 Furthermore, the pressure in the CVD chamber is about 13 kPa to 33 kPa, preferably about 20 kPa to 26 kPa, and the temperature of the growth surface is about 950 to 1250 ° C., preferably about 950 to 1050 ° C.
その他の条件については、公知のマイクロ波CVD法によるダイヤモンド成長の条件と同様とすればよい。例えば、マイクロ波としては、通常、2.45GHz、915MHz等の工業および科学用に許可された周波数のマイクロ波が使用される。マイクロ波電力は、特に限定的ではないが、例えば、0.5〜5kW程度とればよい。 Other conditions may be the same as the conditions for diamond growth by a known microwave CVD method. For example, a microwave having a frequency permitted for industrial and scientific use such as 2.45 GHz and 915 MHz is usually used as the microwave. The microwave power is not particularly limited, and may be about 0.5 to 5 kW, for example.
上記した条件を採用して、マイクロ波CVD法によってダイヤモンド単結晶を成長させることによって、従来、粗い成長面となるために成長面としての使用が敬遠されていた(110)面上に、一定の表面形状を保ちながらエピタキシャル成長を持続することが可能と
なる。特に、本発明の製造条件は、成長温度が950℃〜1250℃と高温であり、成長圧力が13kPa〜33kPa程度と高く、更に、窒素ガスの混入量が極めて少ないことが特徴的である。
By adopting the above conditions and growing a diamond single crystal by a microwave CVD method, it has been fixed on a (110) surface that has been conventionally avoided as a growth surface because it becomes a rough growth surface. It is possible to maintain the epitaxial growth while maintaining the surface shape. In particular, the production conditions of the present invention are characterized in that the growth temperature is as high as 950 ° C. to 1250 ° C., the growth pressure is as high as about 13 kPa to 33 kPa, and the mixing amount of nitrogen gas is extremely small.
ダイヤモンド単結晶
本発明方法によって得られるダイヤモンド単結晶は、図2の模式断面図に示すように、成長面は、巨視的には種結晶(ダイヤモンド基板)面である(110)面に平行であるが、微
視的には、この成長面は種結晶の(110)面に完全に平行ではなく、表面粗さの大きい成長
面となっている。この場合、成長面は、通常、最大高さ(Ry)が1〜10μm程度の表面粗さ(JIS B 0601)となる。
Diamond Single Crystal The diamond single crystal obtained by the method of the present invention has a growth plane that is macroscopically parallel to the (110) plane, which is a seed crystal (diamond substrate) plane, as shown in the schematic cross-sectional view of FIG. However, microscopically, this growth surface is not completely parallel to the (110) plane of the seed crystal, but is a growth surface having a large surface roughness. In this case, the growth surface usually has a surface roughness (JIS B 0601) with a maximum height (Ry) of about 1 to 10 μm.
後述する実施例1で得られたダイヤモンド単結晶の成長面の表面形状のレーザー顕微鏡写真を図3に示す。図3は、(110)成長面を拡大して観察したものであり、この場合には
最大高さ3.5μm程度の表面粗さの成長面となっている。この成長面は、図3に示すように傾いた(111)面と(100)面から構成されており、これが成長面の粗さの原因となっている。ここで観察される(110)成長面上の微小な(111)面と(100)面からなる多面体状の形態
をファセットと称するが、これが本発明のダイヤモンド単結晶の製造方法における特徴的な成長面の形態である。
FIG. 3 shows a laser micrograph of the surface shape of the growth surface of the diamond single crystal obtained in Example 1 described later. FIG. 3 is an enlarged view of the (110) growth surface. In this case, the growth surface has a surface roughness with a maximum height of about 3.5 μm. As shown in FIG. 3, this growth surface is composed of an inclined (111) surface and (100) surface, which causes the roughness of the growth surface. The polyhedral shape consisting of minute (111) and (100) planes on the (110) growth plane observed here is called a facet, which is a characteristic growth in the method for producing a diamond single crystal of the present invention. The form of the surface.
図4は、この成長面の微小な(111)面と(100)面からなるファセットを模式的に示す平面図である。成長面に観察されるファセットである(111)面と(100)面は、図4のA−A’断面図と、B−B’断面図に示すように、結晶本来の(111)面、(100)面から最大で5°程度
傾いている。A−A’断面図と、B−B’断面図において、波線が結晶本来の傾きを示すものであり、また、図中の括弧内に示した角度が、結晶本来の(111)面、(100)面がなす角度である。
FIG. 4 is a plan view schematically showing a facet composed of minute (111) and (100) planes of this growth surface. The (111) plane and (100) plane, which are facets observed on the growth plane, are the original (111) plane of the crystal, as shown in the AA ′ sectional view and the BB ′ sectional view of FIG. It is tilted up to about 5 ° from the (100) plane. In the AA ′ and BB ′ sectional views, the wavy line indicates the original inclination of the crystal, and the angle shown in parentheses in the drawing is the original (111) plane of the crystal, ( 100) The angle formed by the surface.
この様な形態の成長面では、隣り合った2つの(111)ファセットおよび隣り合った2つ
の(100)ファセットの交線として成長表面上に形成される稜線を起点として成長が始まり
、ファセット上をステップフローによって成長が進行すると考えられる。この様にして、(100)結晶面からわずかに傾斜した成長面上で結晶成長させると、ステップフロー成長が
起こり、欠陥の少ない結晶成長が起こると考えられる。このため、(110)面上で結晶成長
を行う本発明の方法によれば、従来の(100)面上での単結晶成長のように異常核の発生抑
制のために窒素原子を添加することなく、異常核の発生を抑制してエピタキシャル成長を持続することができる。このため、本発明の方法によれば、結晶中への窒素の混入がなく、高純度で欠陥の少ないダイヤモンド単結晶を製造することができる。
On the growth surface in this form, growth starts from the ridgeline formed on the growth surface as the intersection of two adjacent (111) facets and two adjacent (100) facets. It is thought that growth progresses by the step flow. Thus, it is considered that when crystal growth is performed on a growth surface slightly inclined from the (100) crystal plane, step flow growth occurs and crystal growth with few defects occurs. For this reason, according to the method of the present invention for crystal growth on the (110) plane, nitrogen atoms are added to suppress the generation of abnormal nuclei as in the conventional single crystal growth on the (100) plane. In addition, the generation of abnormal nuclei can be suppressed and the epitaxial growth can be continued. For this reason, according to the method of the present invention, it is possible to produce a diamond single crystal with high purity and few defects, with no nitrogen mixed into the crystal.
尚、反応ガス中に窒素が多量に存在すると、窒素元素を取り込みやすい(111)ファセッ
ト面の成長が極端に抑制され、(110)面上でのエピタキシャル成長を持続できない。この
ため、(111)ファセットの成長を阻害する不純物元素の混入を極力避けることが、本発明
方法において(110)面上に結晶成長させるための重要な要件である。
If a large amount of nitrogen is present in the reaction gas, the growth of the (111) facet surface that easily takes in the nitrogen element is extremely suppressed, and the epitaxial growth on the (110) surface cannot be sustained. For this reason, it is an important requirement for crystal growth on the (110) plane in the method of the present invention to avoid as much as possible the incorporation of an impurity element that inhibits the growth of the (111) facet.
また、本発明の方法では、窒素の存在量の非常に少ない状態で結晶成長を行うために、同一成長条件のもとでは、(110)面上での成長速度は(100)面上に比べて、約2倍程度高速であり、生産性の観点からも有利である。 In the method of the present invention, since the crystal growth is performed in a state where the amount of nitrogen is very small, the growth rate on the (110) plane is higher than that on the (100) plane under the same growth conditions. The speed is about twice as high, which is advantageous from the viewpoint of productivity.
次いで、本発明方法によって得られるダイヤモンド単結晶の成長縞の形態の特徴について説明する。 Next, characteristics of the form of the growth stripes of the diamond single crystal obtained by the method of the present invention will be described.
一般に、気相成長法でダイヤモンド単結晶を成長させる場合には、成長したダイヤモンドには、成長面と平行に成長縞が観察される。この成長縞は、成長中に取り込まれる不純物量の微妙な変化を反映した色や濃さの差、X線トポグラフィーで観察される転移密度の
違い、干渉顕微鏡で観察される結晶歪み分布を反映したコントラスト、紫外線励起による発光像などで観察される(参照:砂川一郎著、「結晶(成長・形・完全性)」共立出版(2003) p.108〜114)。
In general, when a diamond single crystal is grown by a vapor phase growth method, growth stripes are observed in parallel with the growth surface in the grown diamond. This growth stripe reflects the difference in color and density that reflects subtle changes in the amount of impurities incorporated during growth, the difference in transition density observed with X-ray topography, and the crystal strain distribution observed with an interference microscope. (See: Ichiro Sunagawa, “Crystal (Growth, Shape, Completeness)” Kyoritsu Shuppan (2003) p.108-114).
この様な成長縞は、成長した単結晶ダイヤモンドを成長面に対して垂直に切断すると、従来の(100)面上の気相成長では、(100)面に平行な縞模様として観察される。 Such growth stripes are observed as stripe patterns parallel to the (100) plane in the conventional vapor phase growth on the (100) plane when the grown single crystal diamond is cut perpendicular to the growth plane.
一方、高温高圧合成法では、一般に(100)面と(111)面とを持った塊状の種結晶が使用され、(100)面と(111)面とに平行な成長面を形成しながら成長が進むので、(100)面と(111)面とに平行な成長縞が生じる。したがって、高温高圧合成法にて成長したダイヤモンド結晶を切断・加工すると、(100)面または(111)面に平行な成長縞が観察される。 On the other hand, high-temperature and high-pressure synthesis methods generally use bulky seed crystals with (100) and (111) planes, and grow while forming growth planes parallel to the (100) and (111) planes. Therefore, growth stripes parallel to the (100) plane and the (111) plane are generated. Therefore, when a diamond crystal grown by the high-temperature and high-pressure synthesis method is cut and processed, growth fringes parallel to the (100) plane or the (111) plane are observed.
これに対して、本発明方法では、上記した通り、微視的には(111)および(100)ファセットによって形成される粗い成長面を反映した成長縞が観察され、巨視的には、(100)およ
び(111)面に平行な成長縞は原理的に観られず、成長面形状を反映した(110)面に平行な成
長縞が形成される。即ち、本発明方法によれば、(111)ファセット及び(100)ファセットによって形成される最大高さが1〜10μm程度の粗さを有し、全体としては、(110)面に
平行な成長縞を有するダイヤモンド単結晶が得られる。本発明方法によって得られる単結晶ダイヤモンドは、この様な特徴的な成長縞を有するものである。
In contrast, in the method of the present invention, as described above, growth fringes reflecting the rough growth surface formed by the (111) and (100) facets are observed microscopically, and macroscopically (100 ) And growth stripes parallel to the (111) plane are not observed in principle, and growth stripes parallel to the (110) plane reflecting the growth surface shape are formed. That is, according to the method of the present invention, the maximum height formed by the (111) facet and the (100) facet has a roughness of about 1 to 10 μm, and the growth stripes parallel to the (110) plane as a whole. A diamond single crystal having the following is obtained. The single crystal diamond obtained by the method of the present invention has such characteristic growth stripes.
尚、天然に産するダイヤモンド単結晶は、人工合成ダイヤモンドに比較して結晶性が悪く、インクルージョン等の欠陥が多いため、合成ダイヤモンドとは明確に区別される。 Naturally produced diamond single crystals have a lower crystallinity than artificial synthetic diamonds and have many defects such as inclusions, so they are clearly distinguished from synthetic diamonds.
本発明のダイヤモンド単結晶の製造方法によれば、気相法を利用した比較的簡単な方法によって、規則正しい成長面を有し、かつ不純物含有が非常に少ない高品質のダイヤモンド単結晶を製造することができる。 According to the method for producing a diamond single crystal of the present invention, a high-quality diamond single crystal having a regular growth surface and containing very little impurities can be produced by a relatively simple method utilizing a vapor phase method. Can do.
本発明方法によって、ダイヤモンド単結晶を十分厚く成長させた後、切断および研磨することにより、任意の結晶面を持ったダイヤモンド結晶を製造することができる。このため本発明のダイヤモンド単結晶の製造方法は、各種用途に有用な大型ダイヤモンド単結晶の合成方法として非常に有用な方法である。 By growing a diamond single crystal sufficiently thick by the method of the present invention, and then cutting and polishing, a diamond crystal having an arbitrary crystal plane can be produced. Therefore, the method for producing a diamond single crystal of the present invention is a very useful method for synthesizing a large diamond single crystal useful for various applications.
以下、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
実施例1
(110)面で研磨し洗浄した厚さ0.5mm、一辺約5.7mmのほぼ正方形状の単結晶ダイヤモンド基板を種結晶として用い、これを市販のマイクロ波プラズマCVD装置にセットし、水素ガスをCVDチャンバーに導入し、マイクロ波電力を印加してプラズマを発生させた。水
素ガス流量500sccm、圧力24kPaで基板温度が1000℃になるようにマイクロ波電力約1200W
に設定し、10分間保持した。この工程は水素プラズマにダイヤモンド基板を曝すことによって表面のクリーニングを行うとともに、CVDチャンバー内の温度などの条件を安定化す
るためのものである。
Example 1
Using a substantially square-shaped single crystal diamond substrate with a thickness of 0.5 mm and a side of about 5.7 mm polished and cleaned on the (110) surface as a seed crystal, this was set in a commercially available microwave plasma CVD apparatus, and hydrogen gas was CVD It was introduced into the chamber and plasma was generated by applying microwave power. Microwave power of about 1200 W so that the substrate temperature is 1000 ° C at a hydrogen gas flow rate of 500 sccm and a pressure of 24 kPa.
And held for 10 minutes. This step is to clean the surface by exposing the diamond substrate to hydrogen plasma and to stabilize conditions such as the temperature in the CVD chamber.
次いで、CVDチャンバーにメタンガスを20sccm導入するとともに、ダイヤモンド基板の温度が1000℃に維持されるようにマイクロ波電力を調節した。メタンガス導入後、60分間保持することによって結晶成長を行い、その後、メタンガスを止めることによって成長を終了した。その後、マイクロ波電力および水素ガス流量を次第に0にし、CVDチャン
バーを真空排気した後、窒素リークして、試料を取り出した。
Next, 20 sccm of methane gas was introduced into the CVD chamber, and the microwave power was adjusted so that the temperature of the diamond substrate was maintained at 1000 ° C. After introducing methane gas, crystal growth was performed by holding for 60 minutes, and then the growth was terminated by stopping methane gas. Thereafter, the microwave power and the hydrogen gas flow rate were gradually reduced to 0, and the CVD chamber was evacuated and then leaked with nitrogen to remove the sample.
同一の試料に対して、成長時間のみを変更して上記工程を5回繰返し、その都度、微分干渉顕微鏡およびレーザー顕微鏡を用いて資料の成長表面を観察・計測し、マイクロメータを用いて成長厚さを測定し、電子天秤にて重量増を計測した。 For the same sample, change the growth time only and repeat the above process five times. Each time, observe and measure the growth surface of the material using a differential interference microscope and a laser microscope, and grow the thickness using a micrometer. The weight increase was measured with an electronic balance.
マイクロメータを用いて計測した成長厚さは、基板面積を考慮してダイヤモンド単結晶密度を仮定して重量増から求めた値とほぼ一致した。5回の成長時間はそれぞれ60分、180分、270分、270分、390分であり、そのときの成長厚さは、0.020mm、0.044mm、0.063mm
、0.079mm、0.089mmであり、合計0.295mm成長した。
The growth thickness measured using a micrometer almost coincided with the value obtained from the weight increase assuming the single crystal density of diamond in consideration of the substrate area. The five growth times are 60 minutes, 180 minutes, 270 minutes, 270 minutes, and 390 minutes, respectively, and the growth thicknesses at that time are 0.020 mm, 0.044 mm, and 0.063 mm.
0.079mm and 0.089mm, and the total growth was 0.295mm.
図5は、得られたダイヤモンド単結晶の表面状態を示す微分干渉顕微鏡写真である。図5から明らかなように、成長表面上に異常核などの欠陥が発生していないことが確認できる。 FIG. 5 is a differential interference micrograph showing the surface state of the obtained diamond single crystal. As is apparent from FIG. 5, it can be confirmed that defects such as abnormal nuclei are not generated on the growth surface.
図3は、成長面を拡大したレーザー顕微鏡写真であり、これから成長面は(111)ファセ
ットと(100)ファセットからなっていることが確認できる。この成長面の表面形状は、そ
れぞれの成長時間でほぼ同様であった。
FIG. 3 is a laser micrograph in which the growth surface is enlarged. From this, it can be confirmed that the growth surface is composed of (111) facets and (100) facets. The surface shape of this growth surface was substantially the same for each growth time.
レーザー顕微鏡による表面形状計測の結果、これらの面の間の角度は図4のようになっており、これらのファセットが(111)面および(100)面に近いことがわかる。 As a result of the surface shape measurement by the laser microscope, the angle between these surfaces is as shown in FIG. 4, and it can be seen that these facets are close to the (111) plane and the (100) plane.
図6の(b)及び(c)は、それぞれ図6(a)に示す成長面のレーザー顕微鏡写真における直線1および直線2による切断面の断面形状(粗さ曲線)を示す図面である。図6から成長面は、最大高さ約3.5μmの表面粗さを有する面となっていることが判る。 FIGS. 6B and 6C are drawings showing cross-sectional shapes (roughness curves) of cut surfaces along the straight lines 1 and 2 in the laser micrograph of the growth surface shown in FIG. 6A, respectively. It can be seen from FIG. 6 that the growth surface is a surface having a maximum surface roughness of about 3.5 μm.
本発明方法によって得られるダイヤモンド単結晶は、この様な表面形状を維持して成長が持続する。このため、(110)面を結晶成長面として利用して大型のダイヤモンド単結晶
を得ることができる。
The diamond single crystal obtained by the method of the present invention maintains such a surface shape and continues to grow. Therefore, a large diamond single crystal can be obtained using the (110) plane as a crystal growth surface.
比較例1
ダイヤモンド成長の際にCVDチャンバーに導入するガス流量を、水素ガス流量500sccm、メタンガス流量60sccm、窒素ガス流量0.6sccmとしたこと以外は、実施例1と同様の条件での条件で、(110)基板上にダイヤモンドを60分間成長させた。
Comparative Example 1
The (110) substrate was used under the same conditions as in Example 1 except that the gas flow rate introduced into the CVD chamber during diamond growth was a hydrogen gas flow rate of 500 sccm, a methane gas flow rate of 60 sccm, and a nitrogen gas flow rate of 0.6 sccm. Diamonds were grown for 60 minutes on top.
その結果、厚さ0.176mmの多結晶ダイヤモンドが成長し、エピタキシャル成長は起こら
なかった。このことから原料ガスに窒素ガスを添加して(110)面上に結晶成長を行う場合
には、成長表面を維持してエピタキシャル成長を行うことができないことが判る。
As a result, 0.176 mm thick polycrystalline diamond grew and no epitaxial growth occurred. From this, it can be seen that when nitrogen gas is added to the source gas and crystal growth is performed on the (110) plane, epitaxial growth cannot be performed while maintaining the growth surface.
比較例2
種結晶として、(100)面で研磨し洗浄した3mm×3mm×厚さ0.5mmのダイヤモンド単結晶を用い、実施例1と同じ工程で、水素ガス流量500sccm、メタンガス流量20sccm、窒素ガス
流量0sccmの条件で(100)基板上に270分ダイヤモンドを成長させた。その結果、厚さ0.067mmの単結晶ダイヤモンドが成長した。
Comparative Example 2
As a seed crystal, a diamond single crystal of 3 mm × 3 mm × thickness 0.5 mm polished and washed on the (100) plane was used, and in the same process as in Example 1, a hydrogen gas flow rate of 500 sccm, a methane gas flow rate of 20 sccm, and a nitrogen gas flow rate of 0 sccm Under the conditions, diamond was grown on a (100) substrate for 270 minutes. As a result, a single crystal diamond having a thickness of 0.067 mm was grown.
図7は、得られたダイヤモンド単結晶の表面状態を示す微分干渉顕微鏡写真である。図7から明らかなように、(100)面を成長面とする場合には、反応ガス中に窒素ガスが含ま
れないと、多数の異常核が生じることが判る。
FIG. 7 is a differential interference micrograph showing the surface state of the obtained diamond single crystal. As is apparent from FIG. 7, when the (100) plane is used as the growth plane, it can be seen that a large number of abnormal nuclei are generated if the reaction gas does not contain nitrogen gas.
Claims (1)
ー内の圧力を13kPa〜33kPa、成長温度を950℃〜1250℃としてダイヤモンド単結晶の(110)基板上に結晶成長を行うことを特徴とするダイヤモンド単結晶の製
造方法。 A method of growing a diamond single crystal by a microwave CVD method, wherein a raw material gas flow rate ratio is 0.2 to 20 for methane and less than 0.12 for nitrogen with respect to hydrogen 100, and a pressure in the CVD chamber is 13 to 33 kPa. A method for producing a diamond single crystal, comprising growing a crystal at a growth temperature of 950 ° C. to 1250 ° C. on a (110) substrate of the diamond single crystal.
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