JP5042134B2 - Diamond thin film - Google Patents

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Description

本発明は、基板に形成した気相合成ダイヤモンド薄膜又は基板を除去した自立ダイヤモンド薄膜(箔又は板)に存在する歪み、欠陥、色などを除去又は減少させ、あるいは配向性多結晶又は単結晶へと改質したダイヤモンド薄膜に関する
なお、本明細書中で使用する「ダイヤモンドの薄膜」は、特に明記する以外、「ダイヤモンドの自立膜」及び「加工後のダイヤモンドの薄膜」を含む。
The present invention removes or reduces strain, defects, color, etc. existing in a vapor-phase synthetic diamond thin film formed on a substrate or a free-standing diamond thin film (foil or plate) from which the substrate has been removed, or to an oriented polycrystal or single crystal. And a modified diamond thin film .
As used herein, “diamond thin film” includes “diamond free-standing film” and “processed diamond thin film” unless otherwise specified.

ダイヤモンドは透明大型単結晶のものから着色多結晶ダイヤまで様々なものがあり、結晶中に各種の格子欠陥やNi,Siなどの不純物が含まれている。これらのダイヤは紫外領域の光に対して3000オングストローム以下の波長の光を吸収するI型と、2250オングストローム以上の光を透過するII型とに分けられている。II型の方がより純粋である。
さらに前記I型は薄片状析出の窒素を0.1%以上含むIa型(天然ダイヤの殆ど)と500ppm以上の窒素が炭素と置換しているIb型に分けられる。またII型は高抵抗のIIa型とp型半導体を示すIIb型とに分けることができる。
これらのダイヤモンドは一般に高硬度、低熱膨張率、化学的安定性(不活性)、高熱伝導性、高絶縁性、高赤外線透過率、高反射率、高音速性、Wide band gap 半導体特性、高速キャリヤー、カラーセンター、負電子親和力、生体適応性、優れた音響特性など望ましい物性をたくさん持っている。
これらの特性を利用して切削工具、耐磨耗コーティング材、回路基板、高周波デバイス、ヒートシンク、各種光学部品、半導体や放射線センサー等の電子デバイス部品、表面弾性波フィルター、スピーカー、人工関節等の生体機能部品に利用が検討されており、多くの重要な工業用途をもつ材料である。
There are various kinds of diamonds, from transparent large single crystals to colored polycrystalline diamonds, and the crystal contains various lattice defects and impurities such as Ni and Si. These diamonds are divided into type I that absorbs light having a wavelength of 3000 angstroms or less with respect to light in the ultraviolet region and type II that transmits light of 2250 angstroms or more. Type II is more pure.
Further, the type I is classified into type Ia (most of natural diamonds) containing 0.1% or more of flaky nitrogen and type Ib in which 500 ppm or more of nitrogen is substituted with carbon. The type II can be divided into a high resistance type IIa and a type IIb indicating a p-type semiconductor.
These diamonds generally have high hardness, low coefficient of thermal expansion, chemical stability (inert), high thermal conductivity, high insulation, high infrared transmittance, high reflectivity, high sound velocity, wide band gap semiconductor characteristics, high-speed carrier It has many desirable physical properties such as color center, negative electron affinity, biocompatibility, and excellent acoustic properties.
Utilizing these characteristics, cutting tools, wear-resistant coating materials, circuit boards, high-frequency devices, heat sinks, various optical components, electronic device components such as semiconductors and radiation sensors, surface acoustic wave filters, speakers, artificial joints, and other living bodies It is being studied for use in functional parts and is a material with many important industrial uses.

周知のように今世紀半ばに、ダイヤモンドが高圧で合成できることに成功し、工業材料として広く使用されるようになってきた。またさらに気相中でダイヤモンド薄膜を作製できる手法が開発され、上記の優れた特性から一段と脚光を浴びるようになった。
基板上に薄膜を形成する手段としてよく知られている方法に気相成長法(CVD)がある。このCVD法を用いたダイヤモンド薄膜を形成する場合にも下記に示すいくつかの手法がある。
例えば、高温(2000°C前後)に加熱したタングステンフィラメントの近傍位置に開口する石英管を配置し、この石英管を通してメタン等の炭化水素ガスと水素との希釈混合ガスを導入し、500°C 〜1100°Cに加熱した基板上にダイヤモンドを前記混合ガスから分解析出させる方法、上記のタングステンフィラメント法に変えて、プラズマ放電を利用した、マイクロ波プラズマCVD法、RF(高周波)プラズマCVD法、DC(直流)アークプラズマジェット法、さらに、大気中で酸素アセチレンの火炎を高速で基板に当て、ダイヤモンドを炭化水素含有ガスから分解析出させる方法がある。
As is well known, in the middle of this century, diamond was successfully synthesized at high pressure and has been widely used as an industrial material. In addition, a method for producing a diamond thin film in the gas phase has been developed.
A well-known method for forming a thin film on a substrate is a vapor deposition method (CVD). There are several methods described below for forming a diamond thin film using this CVD method.
For example, a quartz tube opened near a tungsten filament heated to a high temperature (around 2000 ° C.) is disposed, and a diluted mixed gas of hydrocarbon gas such as methane and hydrogen is introduced through this quartz tube to obtain a temperature of 500 ° C. A method of decomposing and depositing diamond from the mixed gas on a substrate heated to ˜1100 ° C., a microwave plasma CVD method using a plasma discharge instead of the tungsten filament method, and an RF (radio frequency) plasma CVD method Further, there are a DC (direct current) arc plasma jet method, and a method in which a flame of oxyacetylene is applied to a substrate at high speed in the atmosphere to decompose and precipitate diamond from a hydrocarbon-containing gas.

以上の方法においては、水素を原子状に解離することによって、同時に生成するグラファイトを優先的に除去し、ダイヤモンド構造の膜を成長させるという原理を利用してダイヤモンドを形成するものであるが、その成膜機構は極めて複雑であり、現在のところ十分に理解されているというわけではない。
そして、上記の製法の種類によって品質、製造の操作性あるいは製造能力に著しい差があるのみならず、成膜パラメーターである温度、反応ガスの組成、ガス圧、反応ガス流速、基板の種類、基板の温度、成膜装置等の多くの因子に極めて敏感であり、ダイヤモンドを安定かつ再現性よく、かつ効率的に製造するという課題には十分満足できるレベルに至っていないのが現状である。
特に、前記プラズマ放電を利用した、マイクロ波プラズマCVD法やRF(高周波)プラズマCVD法などはプラズマを安定させるための複雑な同調装置を必要とするなど複雑かつ高価な装置となる問題があり、そしてその高価な装置の割りにはダイヤモンド成長が極めて遅く、得られたダイヤモンド膜中には高密度の欠陥や歪みが内在するという欠点があった。
In the above method, by dissociating hydrogen into atoms, the graphite formed at the same time is preferentially removed, and diamond is formed using the principle of growing a diamond structure film. The deposition mechanism is extremely complex and is not currently well understood.
In addition, there are not only significant differences in quality, manufacturing operability or manufacturing capability depending on the type of manufacturing method described above, but also the film formation parameters such as temperature, reaction gas composition, gas pressure, reaction gas flow rate, substrate type, substrate The present situation is that it is extremely sensitive to many factors such as temperature and film forming apparatus, and has not yet reached a level that can sufficiently satisfy the problem of producing diamond stably, reproducibly and efficiently.
In particular, the microwave plasma CVD method or the RF (high frequency) plasma CVD method using the plasma discharge has a problem of becoming a complicated and expensive device such as requiring a complicated tuning device for stabilizing the plasma. Further, the growth of diamond was extremely slow compared to the expensive apparatus, and the obtained diamond film had a defect that high density defects and strains were inherent.

次に、上記のようなCVD方法によって基板上に形成されたダイヤモンド薄膜であるが、どのような製造工程を経ても多くは引張り歪みや圧縮歪みによる応力が発生し、場合によっては亀裂が生じたり、ダイヤモンド薄膜が基板から剥落したりすることがある。
このような歪みの発生は、ダイヤモンド薄膜中の欠陥及び結晶粒界並びに結晶粒界部の不純物によるもののほか、ダイヤモンド薄膜を生成又はコーティングする基板あるいはコーティング素地とダイヤモンドの熱膨張特性の差異に起因するものである。
また、目的とする特性をもつダイヤモンド薄膜を得ようとしても、特性の低い疑似ダイヤモンドやダイヤモンド状炭素薄膜が形成されたり、黒鉛化を生じるなどの品質の低下が起こる。
これらは、上記に述べたように、CVD法が現状では膜状ダイヤモンドを形成する数少ない有効な手段であっても、結果が十分でないことはダイヤモンドを安定かつ再現性よく製造できないということに起因している。
Next, the diamond thin film formed on the substrate by the CVD method as described above, many of the manufacturing process causes stress due to tensile strain and compressive strain, and in some cases cracks may occur. The diamond thin film may peel off from the substrate.
The occurrence of such strain is caused by defects in the diamond thin film, grain boundaries and impurities at the grain boundary, as well as differences in thermal expansion characteristics between the substrate or coating substrate on which the diamond thin film is formed or coated and the diamond. Is.
In addition, even if it is attempted to obtain a diamond thin film having the desired characteristics, quality deterioration such as formation of pseudo diamond or diamond-like carbon thin film having low characteristics or graphitization occurs.
These are because, as described above, even if the CVD method is currently one of the few effective means for forming a film-like diamond, the result is not sufficient because the diamond cannot be produced stably and reproducibly. ing.

このため、基板の両側に同時にダイヤモンドをCVD法によって膜を形成し、応力を相殺しようとする試みがある(特開平5ー306194号)。
しかし、これは基板の両側に正しく均等にダイヤモンドが形成されるという保証もない(アンバランスな内部歪みが発生しないように均一な膜形成を行なうという願望が記載されているけれども、実際はそのような安定したものではない)し、歪み状態が結晶の中で依然として存在する。
しかも、両面になるべく均等にダイヤモンドが形成されるように、基板の加熱温度や膜形成のためのガスの流れ方向、分解析出を微妙にコントロールしなければ理想通りに実現させることは難しく、装置設計やコントロールの方法が複雑であるという問題がある。
For this reason, there is an attempt to offset the stress by simultaneously forming a diamond film on both sides of the substrate by the CVD method (JP-A-5-306194).
However, this also does not guarantee that diamonds are formed correctly and evenly on both sides of the substrate (although there is a description of the desire to form a uniform film so that unbalanced internal strain does not occur, in fact, Is not stable) and a strained state still exists in the crystal.
In addition, it is difficult to achieve ideal as long as the heating temperature of the substrate, the gas flow direction for film formation, and the decomposition deposition are not finely controlled so that diamond is formed as evenly as possible on both sides. There is a problem that the design and control methods are complicated.

また、合成ダイヤモンド粒に存在する介在物を低減させ、ダイヤモンド格子の残留歪みを減らし靭性を高める目的のために、水素または水素と不活性ガスの混合ガス雰囲気中でアルミナルツボの中でアニ−ルする提案(特開平7−165494号公報)やダイヤモンド粒の色を減少させるために電子ビームを照射し1600〜2200°Cに加熱する提案(特公昭62−43960号公報)あるいはダイヤモンドに窒素、ホウ素、砒素、リンなどを高濃度にドーピングし、ダイヤモンドの結晶表面を荒らし、その後高周波(RF)コイルを用いてアニールし、格子損傷を回復しようとする試みもある(特開平6−166594号公報)。
しかし、いずれの方法も歪みを減少させるということでは一定の効果があると思われるが、その量は小さく、また最後尾の提案にあっては一度損傷させ(荒らし)た結晶を回復させることは容易ではないと思われる。いずれにしても、ダイヤモンド格子の残留歪みを減少させる有効な手段とは言えなかった。
Further, in order to reduce the inclusions present in the synthetic diamond grains, reduce the residual strain of the diamond lattice and increase the toughness, annealing is performed in an alumina crucible in an atmosphere of hydrogen or a mixed gas of hydrogen and an inert gas. (Japanese Patent Laid-Open No. 7-165494), a proposal of heating to 1600 to 2200 ° C. by irradiating with an electron beam in order to reduce the color of diamond grains (Japanese Patent Publication No. 62-43960) or nitrogen, boron There is also an attempt to recover lattice damage by doping high concentration of arsenic, phosphorus, etc., roughening the diamond crystal surface, and then annealing using a radio frequency (RF) coil (JP-A-6-166594). .
However, either method seems to have a certain effect in reducing distortion, but the amount is small, and in the last proposal, it is not possible to recover a crystal once damaged (damaged) It seems not easy. In any case, it was not an effective means for reducing the residual strain of the diamond lattice.

また、最近ダイヤモンドと同結晶構造をもち、硬質膜を形成するCBN(立方晶窒化硼素)、BCN(炭窒化硼素、CBNとダイヤモンドとの固溶体を含む)又はCN(立方晶炭素−窒素化合物)薄膜が注目されているが、これらは2元化合物又は3元化合物からなるので、成膜時に化学量論的組成からずれ易く(CBNでは結合の元素比B/Nが結晶中で局所的にゆらぐ現象がある)、欠陥や歪みの発生が多くなる傾向がある。
特に、CBN膜は高温半導体膜(n型半導体を作成できる可能性があり、p型半導体の特性を有するダイヤモンドとの組合せで、超高速キャリヤーのトランジスターの可能性も示唆されている)として又CN膜はダイヤモンドよりも硬い硬質膜を形成することができると期待されているが、成膜の段階で上記のように歪みや欠陥が多く発生し易いので、実用化の目処がたっていないという問題があった。
Recently, CBN (cubic boron nitride), BCN (including boron carbonitride, solid solution of CBN and diamond) or CN (cubic carbon-nitrogen compound) thin film having the same crystal structure as diamond and forming a hard film. However, since these are composed of binary compounds or ternary compounds, they tend to deviate from the stoichiometric composition during film formation (in CBN, the phenomenon in which the element ratio B / N of the bond fluctuates locally in the crystal). There is a tendency for more defects and distortions to occur.
In particular, the CBN film can be used as a high temperature semiconductor film (which may be capable of forming an n-type semiconductor, and in combination with diamond having the characteristics of a p-type semiconductor, suggesting the possibility of an ultrafast carrier transistor). The film is expected to be able to form a hard film that is harder than diamond. However, as described above, many distortions and defects are likely to occur at the stage of film formation. there were.

本発明は、基板に形成した気相ダイヤモンド等の薄膜、基板を除去した自立ダイヤモンド等の薄膜(箔又は板)等に存在する歪み、欠陥、色などを効果的に除去又は減少させ、あるいは配向性多結晶又は単結晶体へと改質したダイヤモンド等の薄膜を安定的にかつ再現性よく得ることができ、かつそのための改質方法並びにダイヤモンド等の薄膜形成方法を課題とする。   The present invention effectively removes or reduces strain, defects, color, etc. present in a thin film such as vapor-phase diamond formed on a substrate, a thin film (foil or plate) such as free-standing diamond from which the substrate is removed, or orientation. It is an object of the present invention to provide a thin film of diamond or the like modified into a crystalline polycrystal or a single crystal stably and with good reproducibility, and a modification method therefor and a thin film formation method of diamond or the like.

本発明は、
1 マイクロ波照射により改質された表面を備えるダイヤモンド薄膜であって、該ダイヤモンド薄膜の膜厚方向に沿って0.1μm以上改質された膜厚み領域を有し、ラマン分光法で評価したダイヤモンドスペクトルの半価幅が一定であり、その半価幅は膜厚み残部の同最大半価幅の85%以下であることを特徴とするダイヤモンド薄膜
2 ダイヤモンド薄膜における改質部の少なくとも一部が多結晶若しくは配向性多結晶又は単結晶であることを特徴とする上記1記載のダイヤモンド薄膜。
3 ダイヤモンド薄膜の改質部の少なくとも一部が半導体化していることを特徴とする上記1又は2記載のダイヤモンド薄膜
4 ダイヤモンド薄膜の改質部の上にさらに、同多結晶若しくは配向性多結晶又は単結晶膜が形成されていることを特徴とする上記1〜3のいずれか一項に記載のダイヤモンド薄膜
5 ダイヤモンド薄膜の少なくとも一部に金属若しくはセラミックス又は導体若しくは絶縁体を被覆したことを特徴とする上記1〜4のいずれか一項に記載のダイヤモンド薄膜
The present invention
1 Diamond thin film having a surface modified by microwave irradiation , having a film thickness region modified by 0.1 μm or more along the film thickness direction of the diamond thin film, and evaluated by Raman spectroscopy Diamond thin film 2 characterized in that the half width of the spectrum is constant and the half width is 85% or less of the maximum half width of the remaining thickness of the film. 2. The diamond thin film according to 1 above, which is a crystal, an oriented polycrystal, or a single crystal.
3. The diamond thin film according to 1 or 2 above, wherein at least a part of the modified portion of the diamond thin film is made into a semiconductor, and further on the modified portion of the diamond thin film. The diamond thin film according to any one of 1 to 3 above, wherein a single crystal film is formed, characterized in that at least a part of the diamond thin film is coated with a metal, ceramics, conductor or insulator. The diamond thin film according to any one of 1 to 4 above

本発明は、基板に形成した気相ダイヤモンド等の薄膜や基板を除去した自立ダイヤモンド薄膜(箔又は板)等に存在する歪み、欠陥、色などを除去又は減少させ、あるいは配向性多結晶又は単結晶へと改質できるダイヤモンド等の薄膜、改質方法及び薄膜形成方法であり、従来の電子ビームあるいは坩堝内で高周波加熱してアニールする方法にくらべ、本発明によるものは歪みあるいは組織の改質の範囲と性能が格段に向上し、安定かつ再現性よくダイヤモンド等の薄膜の改質を行なうことができる。しかも、複雑な装置やコントロール法を必要とせず、低コストで、ダイヤモンド等の薄膜の改質を行なうことができるという特徴を有している。
また、マイクロ波照射の温度、時間、強度、周波数、雰囲気などを調節することにより、被照射体の改質層の厚さを調節したりあるいは一定の深さまで傾斜的に改質を行なうことができるという改質操作に柔軟性があり、改質操作の工程の順序などに制限がない。すなわち改質と同時に、被改質面にさらに新たな高品質若しくは高配向性多結晶膜又は単結晶膜を形成したり、レーザーなどにより損傷を受けた面にマイクロ波を照射してその損傷部を回復させたり、改質と同時にダイヤモンド等の薄膜の面を半導体化するということもできる。このように操作性が非常に優れているという特徴を有する。
The present invention removes or reduces strain, defects, color, etc. present in a thin film such as vapor phase diamond formed on a substrate or a free-standing diamond thin film (foil or plate) from which the substrate has been removed, or is oriented polycrystal or single crystal. A thin film such as diamond that can be transformed into a crystal, a modification method, and a thin film formation method. Compared with a conventional electron beam or high-frequency heating annealing in a crucible, the present invention is a strain or texture modification. The range and performance of the film can be greatly improved, and a thin film such as diamond can be modified stably and reproducibly. In addition, a thin film such as diamond can be modified at a low cost without requiring a complicated apparatus or a control method.
In addition, by adjusting the temperature, time, intensity, frequency, atmosphere, etc. of microwave irradiation, the thickness of the modified layer of the irradiated object can be adjusted, or the thickness can be modified to a certain depth. The reforming operation that can be performed is flexible, and there is no restriction on the order of the steps of the reforming operation. In other words, simultaneously with the modification, a new high quality or highly oriented polycrystalline film or single crystal film is formed on the surface to be modified, or the damaged surface is irradiated with microwaves on the surface damaged by a laser or the like. It can be said that the surface of a thin film such as diamond is made into a semiconductor simultaneously with the modification. Thus, it has the characteristic that operativity is very excellent.

気相法で作製される、例えばダイヤモンド薄膜中にはダイヤモンド成分以外の結合様式であるSP結合、sP2結合等の 炭素結合が形成される。このような非ダイヤモンド成分が多い程、形成されたダイヤモンド膜の中には欠陥が生成し、膜の結晶性を低下させる場合が多く、また異なった方位のダイヤモンド結晶粒が膜中に成長することに起因して結晶粒界近傍に著しい歪みを誘発する。
この非ダイヤモンド成分の存在と結晶粒界近傍の歪みの存在がダイヤモンドのヘテロエピタキシアル成長を妨げる原因の1つと考えられている。
このようなダイヤモンドの欠陥を調べる方法として、ラマン分光法は、ダイヤモンド薄膜中に含まれる非ダイヤモンド成分の同定や定量、ダイヤモンドの自身結晶性を調べるのに最も有効な分析法と言われている。(東レリサ−チセンタ−THE TRC NEWS No.35(Apr.1991)16〜21「ラマン分光法によるダイヤモンド(状)膜の評価」)
For example, carbon bonds such as SP bonds and sP 2 bonds, which are bonding modes other than the diamond component, are formed in a diamond thin film produced by a vapor phase method. The more such non-diamond components, the more defects are formed in the formed diamond film, which often degrades the crystallinity of the film, and diamond grains with different orientations grow in the film. Due to this, a significant strain is induced in the vicinity of the grain boundary.
The presence of this non-diamond component and the presence of strain near the grain boundary are considered to be one of the causes that hinder the heteroepitaxial growth of diamond.
As a method for investigating such defects in diamond, Raman spectroscopy is said to be the most effective analytical method for identifying and quantifying non-diamond components contained in diamond thin films and examining the crystallinity of diamond itself. (Toray Research Center THE TRC NEWS No. 35 (Apr. 1991) 16-21 “Evaluation of diamond (like) film by Raman spectroscopy”)

本発明においては、ダイヤモンド等の薄膜中の歪み量すなわち結晶性の度合いを評価する評価法の1つとして、ラマンパラメーターの半値幅(半価幅)(cm-1)を採用した。すなわち、良好な天然ダイヤモンド等の半価幅と本発明で得られたダイヤモンド等薄膜の半価幅を対比し、特性を調べた。
この半価幅が天然ダイヤモンドに近付くにしたがって、格子欠陥や不純物の混入あるいは不均一な歪みが解消され、天然ダイヤモンドの結晶性に近くなる。また、同時にダイヤモンド等薄膜中の欠陥の評価法としてカソード・ルミネセンス発光(CL)像を用いて比較を行なった。
In the present invention, the half-value width (half-value width) (cm −1 ) of the Raman parameter is adopted as one of evaluation methods for evaluating the amount of strain in a thin film such as diamond, that is, the degree of crystallinity. That is, the half-value width of good natural diamond or the like was compared with the half-value width of the thin film such as diamond obtained in the present invention, and the characteristics were examined.
As this half-value width approaches that of natural diamond, lattice defects, contamination with impurities or non-uniform distortion are eliminated, and the crystallinity of natural diamond approaches. At the same time, a cathode luminescence emission (CL) image was used as a method for evaluating defects in thin films such as diamond.

本発明は上記に示す通り、ダイヤモンド等の薄膜に1GHz〜500GHzのマイクロ波を照射して加熱し、ダイヤモンド等の薄膜を改質するものである。
ここで、加熱のために照射するマイクロ波の周波数が1GHz未満ではダイヤモンド薄膜の加熱には不十分であり、ラマン分光で評価したダイヤモンドスペクトルの半価幅にも照射前後で、その変化は認められなかった。また、500GHzを超えるとマイクロ波はダイヤモンド薄膜には殆ど入り込まず改質効果はない。したがって、上記の範囲のマイクロ波を使用することが必要である。
雰囲気はダイヤモンド等の黒鉛化を防止できる真空中、不活性ガス、還元性ガス、あるいはこれらの混合ガス中を使用する。
マイクロ波の照射により直接又はガスの1部がプラズマ化してダイヤモンド等の被照射体が加熱される。
前述のように、従来マイクロ波をプラズマ生成に活用してダイヤモンド薄膜を形成できることは知られているが、直接又はプラズマと併用してマイクロ波そのものをダイヤモンド等に照射して加熱あるいは薄膜を生成する取り組みは行なわれていない。
このような点から、1GHz〜500GHzのマイクロ波がダイヤモンド等の薄膜に存在する欠陥や歪みを減少させる改質に有効であるといことは、以上のことからは想像できないことであった。
また、改質手段として上記に示すように電子ビームあるいはルツボ中でのアニールという手段が提案されてはいるが、効果的にダイヤモンド等の薄膜に存在するの欠陥を減少させるというものではない。
以上のとおり、気相により形成した欠陥や歪みを含むダイヤモンド等の薄膜を、それまでの性質をより優れたものに改質できる効果を有する本発明は斬新性と著しい効果を有するものである。
In the present invention, a thin film such as diamond is irradiated with a microwave of 1 GHz to 500 GHz and heated to modify the thin film such as diamond as described above.
Here, if the frequency of the microwave irradiated for heating is less than 1 GHz, it is insufficient for heating the diamond thin film, and the change in the half width of the diamond spectrum evaluated by Raman spectroscopy is also observed before and after irradiation. There wasn't. On the other hand, if it exceeds 500 GHz, the microwave hardly penetrates into the diamond thin film and has no modification effect. Therefore, it is necessary to use microwaves in the above range.
The atmosphere is a vacuum that can prevent graphitization of diamond or the like, an inert gas, a reducing gas, or a mixed gas thereof.
Directly or part of the gas is turned into plasma by microwave irradiation, and the irradiated object such as diamond is heated.
As described above, it is known that a diamond thin film can be formed by utilizing microwaves for plasma generation. However, the microwave itself is irradiated to diamond or the like directly or in combination with plasma to generate a heating or thin film. No effort has been made.
From such a point, it is impossible to imagine from the above that a microwave of 1 GHz to 500 GHz is effective for reforming to reduce defects and distortion existing in a thin film such as diamond.
Further, as described above, means for reforming means such as annealing in an electron beam or a crucible have been proposed, but this does not effectively reduce defects present in a thin film such as diamond.
As described above, the present invention, which has the effect of modifying a thin film of diamond or the like containing defects and strains formed by the gas phase into a more excellent one, has novelty and remarkable effects.

以下に、本発明の実施例を比較例と対比しながら説明する。なお、本発明の実施例はあくまで1つの例に過ぎず種々変更し得るものである。したがって、本発明の範囲は下記実施例に拘束されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の種々の変形を含むものである。また、特に明記しない限り、ダイヤモンド薄膜の実施例及び比較例を示すが、CBN、BCN若しくはCN薄膜にも同等に適用できるものである。   Examples of the present invention will be described below in comparison with comparative examples. The embodiment of the present invention is merely an example and can be variously changed. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the following examples, and includes various modifications within the scope not departing from the gist of the present invention. Further, examples and comparative examples of diamond thin films are shown unless otherwise specified, but the present invention can be equally applied to CBN, BCN, or CN thin films.

(実施例1と比較例)
本実施例において、マイクロ波照射装置の中にダイヤモンド薄膜を配置し1GHz〜500GHzのマイクロ波を照射して加熱する。図1に装置の概略説明図を示す。
該装置のほぼ中央にアルミナファイバー製(Al2O3 fiberboard)の容器を配置し、その中にダイヤモンド自立膜(試料)を置く。マイクロ波はダイヤモンド自立体に45°の角度で照射されるように配置する。
前記アルミナ製の容器にマイクロ波入射方向と直角となる位置に温度計測装置(Thermal Video System)を配置し、ダイヤモンド表面の温度を常時計測する。 図2に試料の配置、マイクロ波の照射方向及び温度計測の拡大した説明図を示す。装置内には1気圧の窒素ガスを流した(N2ガス気流中)。本実施例では6
0GHzのパルスマイクロ波(Pulse wide 5.5msec、Repetition frequency 5Hz)を用いたが、連続波を用いることもできる。
(Example 1 and comparative example)
In this embodiment, a diamond thin film is placed in a microwave irradiation apparatus, and microwaves of 1 GHz to 500 GHz are irradiated and heated. FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the apparatus.
A container made of alumina fiber (Al2O3 fiberboard) is placed in the center of the apparatus, and a diamond free-standing film (sample) is placed therein. Microwaves are arranged so that the diamond solid body is irradiated at an angle of 45 °.
A temperature measuring device (Thermal Video System) is placed in the alumina container at a position perpendicular to the microwave incident direction, and the temperature of the diamond surface is constantly measured. FIG. 2 shows an enlarged explanatory diagram of sample arrangement, microwave irradiation direction, and temperature measurement. Nitrogen gas at 1 atm was passed through the apparatus (in a N2 gas stream). In this embodiment, 6
A pulse microwave of 0 GHz (Pulse wide 5.5 msec, Repetition frequency 5 Hz) was used, but a continuous wave can also be used.

本実施例においては、気相成長により合成したダイヤモンド自立膜を使用したが、基板上に形成したダイヤモンド薄膜であってもよい。
ダイヤモンド自立膜は例えばMo基板にプラズマ放電を利用した前記DC(直流)アークプラズマCVD法により薄膜を形成し、形成されたダイヤモンド膜を基板から加熱剥離(温度膨張の差を利用して剥離する)又は化学的手段により溶解除去してダイヤモンド自立膜とする。このようにして得た500μmの膜(自立膜)を2枚積層し試料として用いた。
前記ダイヤモンド自立膜はすでに知られた他のマイクロ波プラズマCVD法やRF(高周波)プラズマCVD法あるいは酸素アセチレン火炎法によって作製されたものでもよい。
本発明の実施例としては、ダイヤモンド自立膜の試料を多数個準備し、前記60GHzのパルスマイクロ波を用いてダイヤモンド自立膜の試料に45°の角度から照射し、800°C、1300°C、1500°C、1800°C、2200°C、2500°Cにそれぞれ加熱した(それぞれ加熱到達温度である)。
比較例として、天然の良好なダイヤモンド及び前記ダイヤモンド自立膜の試料にマイクロ波を一切照射しないものを準備した。以上の結果を次に示す。
In this embodiment, a diamond free-standing film synthesized by vapor deposition is used, but a diamond thin film formed on a substrate may be used.
For example, a diamond free-standing film is formed on a Mo substrate by the above-described DC (direct current) arc plasma CVD method using plasma discharge, and the formed diamond film is peeled off from the substrate by heating (stripping using the difference in temperature expansion). Alternatively, it is dissolved and removed by chemical means to form a diamond free-standing film. Two films of 500 μm thus obtained (self-supporting films) were laminated and used as a sample.
The diamond free-standing film may be formed by other known microwave plasma CVD method, RF (radio frequency) plasma CVD method, or oxygen acetylene flame method.
As an embodiment of the present invention, a large number of diamond free-standing film samples were prepared, and the diamond free-standing film sample was irradiated from a 45 ° angle using the 60 GHz pulsed microwave, and 800 ° C., 1300 ° C., It heated at 1500 degreeC, 1800 degreeC, 2200 degreeC, and 2500 degreeC, respectively (each is heating attainment temperature).
As a comparative example, a natural good diamond and a sample of the diamond free-standing film that were not irradiated with microwaves were prepared. The above results are shown below.

(試験1)
まず、カソード・ルミネセンス発光(CL)像による比較である。
ダイヤモンド気相成長させた同一の試料について、図3は本発明の実施例で上記60GHzのパルスマイクロ波を用いて最終成長表面を1500°C(到達温度)に加熱し、さらに該照射面を表面から〜50μmの厚みだけ除去加工した面のカソード・ルミネセンス像(×20)を示す。
図4は比較例として単にダイヤモンド気相成長させたままの最終成長表面から〜50μmの厚みだけ除去加工した面のカソード・ルミネセンス像、すなわち未照射の試料(×30)を示す。
このカソード・ルミネセンス像の対比から明らかなように、図3に示す本発明の実施例でのCL発光は、図4に示すマイクロ波を照射していない比較例である未処理に比べ、極めて増大していることが分かる。すなわち、天然の良好なダイヤモンドに近似するCL発光をもっていることが分かる。
これはダイヤモンド気相成長面及びその厚み方向に分布する欠陥や歪みが減少したことに起因すると推定される。いずれにしても、マイクロ波照射による加熱がダイヤモンド気相成長膜の改質に有効であることが分かる。
(Test 1)
First, comparison is made using a cathode luminescence emission (CL) image.
FIG. 3 shows the same sample subjected to vapor deposition of diamond. FIG. 3 shows an embodiment of the present invention, in which the final growth surface is heated to 1500 ° C. (attainment temperature) using the above-mentioned 60 GHz pulsed microwave. Shows a cathode luminescence image (× 20) of the surface removed by a thickness of ˜50 μm.
FIG. 4 shows, as a comparative example, a cathodoluminescence image of a surface processed by removing a thickness of ˜50 μm from the final growth surface as it is simply subjected to diamond vapor phase growth, that is, an unirradiated sample (× 30).
As is clear from the comparison of the cathode luminescence images, the CL emission in the example of the present invention shown in FIG. 3 is much higher than that in the unprocessed comparative example not irradiated with the microwave shown in FIG. It can be seen that it has increased. That is, it can be seen that it has CL emission similar to natural good diamond.
This is presumed to be due to a decrease in defects and strains distributed in the diamond vapor phase growth surface and its thickness direction. In any case, it can be seen that heating by microwave irradiation is effective in modifying the diamond vapor phase growth film.

(試験2)
次に、天然ダイヤモンド、60GHzのパルスマイクロ波を用いてダイヤモンド自立膜の試料に45°の角度から照射し800°C、1300°C、1500°C、1800°C、2200°C、2500°Cまでそれぞれ加熱した本発明の実施例のダイヤモンド薄膜の試料と、マイクロ波を照射していない気相成長ダイヤモンドの試料のラマンパラメーターの半価幅(cm-1)を対比する。 天然ダイヤモンドのラマンパラメーターの半価幅(cm-1)を図5に示す。
同図には、天然ダイヤモンドとしてライトイエロー(111)面からブラウン(100)面まで6種類の半価幅があるが、約3.5〜4.5cm-1の範囲にある。
図6にマイクロ波を照射し上記の温度にそれぞれ加熱した本発明の実施例とマイクロ波を照射していないラマンパラメーターの半価幅(cm-1)の比較例を示す。左端はマイクロ波を照射していない比較例であり、約8〜10cm-1の半価幅にある。
これに対し、本発明の実施例の中でマイクロ波を照射し1300°Cに加熱したものは、約7〜7.5cm-1の半価幅を持ち、さらにマイクロ波を照射し1500°Cまで加熱したものは、5〜6cm-1の半価幅となり、さらに2200°C〜2500°Cの高温まで照射加熱することにより、4〜5cm-1の半価幅となっている。このように、天然のダイヤモンドの半価幅に近似した値をもつことが確認された。また、この結果は上記カソード・ルミネセンス像の結果とよく一致している。
(Test 2)
Next, the diamond free-standing film sample was irradiated from a 45 ° angle using natural diamond, 60 GHz pulsed microwave, and 800 ° C, 1300 ° C, 1500 ° C, 1800 ° C, 2200 ° C, 2500 ° C. The half-value width (cm −1 ) of the Raman parameter of the sample of the diamond thin film according to the embodiment of the present invention heated to the above and the sample of the vapor growth diamond not irradiated with microwaves are compared. FIG. 5 shows the half-value width (cm −1 ) of the Raman parameter of natural diamond.
In the figure, there are six half-value widths from light yellow (111) face to brown (100) face as natural diamond, but they are in the range of about 3.5 to 4.5 cm −1 .
FIG. 6 shows an example of the present invention in which microwaves are irradiated and heated to the above temperatures, and a comparative example of the half-value width (cm −1 ) of the Raman parameters that are not irradiated with microwaves. The left end is a comparative example not irradiated with microwaves, and has a half width of about 8 to 10 cm −1 .
On the other hand, in the examples of the present invention, those which were irradiated with microwaves and heated to 1300 ° C. had a half width of about 7 to 7.5 cm −1 and were further irradiated with microwaves to 1500 ° C. The one that has been heated to 5 to 6 cm −1 has a half width of 4 to 5 cm −1 by irradiation and heating to a high temperature of 2200 ° C. to 2500 ° C. Thus, it was confirmed that it has a value that approximates the half-value width of natural diamond. This result agrees well with the result of the cathode luminescence image.

上記図6に示す800°Cまでの加熱ではむしろマイクロ波を照射していない比較例よりもやや大きくなる傾向を示している。しかし、500°C付近からマイクロ波の吸収が良好に行なわれていることが観察された。
歪み回復の途中にある段階でむしろ見かけ上半価幅が増大する傾向を示したものと推測されるが、その明確な理由は不明である。しかし、改質効果は500°C付近から存在するとみてよい。
その後加熱温度の上昇と共に急速に半価幅の減少を示した。これは、マイクロ波の照射がダイヤモンドの結晶中の歪み、欠陥等の改質に極めて有効であることが分かる。
実施例においては、60GHzのマイクロ波を用いたが、1GHz以上のマイクロ波で改質効果が確認された。マイクロ波の周波数を上昇させ、500GHzを超える照射を実施したが、このような高い周波数ではマイクロ波は殆どダイヤモンド膜に入り込まず、改質効果は確認できなかった。したがって、1GHz以上500GHz以下のマイクロ波が改質効果に有効であることが分かる。
また、マイクロ波照射による加熱温度はダイヤモンド薄膜の性状にもよるが、500°C〜3000°Cの範囲で改質効果があることが確認された。
The heating up to 800 ° C. shown in FIG. 6 shows a tendency to be slightly larger than the comparative example in which microwaves are not irradiated. However, it was observed that the microwave was satisfactorily absorbed from around 500 ° C.
It is presumed that the half-value width apparently showed a tendency to increase at a stage in the middle of strain recovery, but the clear reason is unknown. However, it can be considered that the reforming effect exists from around 500 ° C.
After that, the half-value width decreased rapidly with increasing heating temperature. This shows that microwave irradiation is extremely effective for modifying distortions and defects in diamond crystals.
In the examples, a 60 GHz microwave was used, but a modification effect was confirmed with a microwave of 1 GHz or more. Although the microwave frequency was increased and irradiation exceeding 500 GHz was carried out, at such a high frequency, the microwave hardly penetrated into the diamond film, and the modification effect could not be confirmed. Therefore, it can be seen that microwaves of 1 GHz to 500 GHz are effective for the reforming effect.
Moreover, although the heating temperature by microwave irradiation is based on the property of a diamond thin film, it was confirmed that there exists a modification effect in the range of 500 ° C to 3000 ° C.

(実施例2)
厚さ100μmの多結晶部及び配向性多結晶部を有し、最終成長面の凹凸を平坦加工した500μm膜厚みのダイヤモンド自立膜を準備し、この自立膜に60GHzのマイクロ波を最終成長面側から照射加熱した。改質雰囲気はAr気流中であり、加熱温度は800°Cである。
表1及び表2は、マイクロ波照射加熱をマイクロ波の出力を一定として2回繰り返して照射した照射条件と到達温度の関係(ダイヤモンド薄膜加熱温度の推移)を示している。
1回目のマイクロ波照射で800°Cまで加熱したダイヤモンド薄膜を、更に同一条件で2回目のマイクロ波の照射を行なった場合、到達温度が低下することが分かる(表1から表2に)。なお、これ以上の照射による到達温度の低下は殆どみられない。
(Example 2)
A diamond free-standing film having a thickness of 500 μm having a polycrystalline part and an oriented polycrystalline part having a thickness of 100 μm and flattened irregularities on the final growth surface was prepared, and a microwave of 60 GHz was applied to this free-standing film on the side of the final growth surface And heated by irradiation. The reforming atmosphere is in an Ar stream and the heating temperature is 800 ° C.
Tables 1 and 2 show the relationship between the irradiation conditions and the ultimate temperature (the transition of the diamond thin film heating temperature) in which the microwave irradiation heating is repeated twice with the microwave output constant.
It can be seen that when the diamond thin film heated to 800 ° C. by the first microwave irradiation is further subjected to the second microwave irradiation under the same conditions, the ultimate temperature decreases (from Table 1 to Table 2). In addition, the fall of the ultimate temperature by irradiation beyond this is hardly seen.

(試験3)
以上で得られたダイヤモンド薄膜のマイクロ波照射面の屈折率を計測し、さらにこの面を順次機械加工により膜厚みを低減させ、マイクロ波照射面から深さ方向の屈折率を計測した。この深さ方向への屈折率の測定で、マイクロ波照射面から膜厚み方向に沿って屈折率が一定となっている領域が生成していることが確認でき、また同時に自立膜のマイクロ波を照射していない側、すなわち反対側の面よりも高い屈折率を有していることが確認できた。
屈折率特性は誘電率との間には、[誘電率=(屈折率)1/2 ]の関係がある。この誘電損失特性をマイクロ波未照射の同一構造ダイヤモンド薄膜と比較した結果、本発明のマイクロ波照射薄膜では10%を超す高周波誘電損失の低減が確認された。
屈折率との関係でみれば、マイクロ波照射改質部の屈折率が非改質部の最小屈折率よりも0.1%以上大きくなると、前記高周波誘電損失の低減効果が大きくなり、特に有効である。
なお、マイクロ波によらず、通常の加熱でも効果があるかどうかのテストを実施したが、1600°Cに至まで段階的に加熱してその結果をみたが、全く効果がなかった。
このように、マイクロ波照射による500°C以上の加熱は高周波誘電損失の低減効果に極めて有効であることが確認できた。
(Test 3)
The refractive index of the microwave-irradiated surface of the diamond thin film obtained above was measured, and the thickness of this surface was sequentially reduced by machining, and the refractive index in the depth direction from the microwave-irradiated surface was measured. By measuring the refractive index in the depth direction, it can be confirmed that a region where the refractive index is constant from the microwave irradiation surface along the film thickness direction is generated, and at the same time, microwaves of the free-standing film are generated. It was confirmed that the film had a higher refractive index than the non-irradiated side, that is, the opposite surface.
The refractive index characteristic has a relationship of [dielectric constant = (refractive index) 1/2 ] with the dielectric constant. As a result of comparing this dielectric loss characteristic with a diamond thin film having the same structure not irradiated with microwaves, it was confirmed that the microwave irradiated thin film of the present invention had a reduction in high-frequency dielectric loss exceeding 10%.
In terms of the refractive index, when the refractive index of the microwave irradiation modified portion is 0.1% or more higher than the minimum refractive index of the non-modified portion, the effect of reducing the high-frequency dielectric loss increases, and is particularly effective. It is.
A test was conducted to determine whether or not normal heating was effective regardless of microwaves. Although the results of heating up to 1600 ° C. stepwise showed no effect.
Thus, it was confirmed that heating at 500 ° C. or higher by microwave irradiation is extremely effective for reducing the high-frequency dielectric loss.

(実施例3)
次に、ダイヤモンド等の薄膜に1GHz〜500GHzのマイクロ波を照射して加熱する同時に、改質雰囲気に炭素、窒素若しくは硼素源供給源ガス又は半導体化元素を含むガスから選択した1種類以上のガスを導入し、改質と同時にさらに被改質体の上にダイヤモンド等の多結晶薄膜、配向性多結晶薄膜、単結晶薄膜又はこれらの半導体薄膜を形成する例を説明する。
ダイヤモンド膜の気相合成過程では、上記のようにダイヤモンド成分の生成とともに、不可避的に非ダイヤモンド成分の生成が避けられないが、この非ダイヤモンド成分の低減にはプラズマ中で生成される炭素供給源(炭化水素系)ガスが解離、活性化して生成した原子状水素のエッチング作用が効果的であることが分かっている。
このため、現状の技術では多結晶ダイヤモンド薄膜を高品質化する試みの中で、炭素供給源ガス中の炭素濃度を低減させ、薄膜生成速度を低下させて原子状水素による非ダイヤモンド成分のエッチング効果を高めようとしている。
ところが、このエッチング作用はダイヤモンド薄膜中に種々の格子欠陥の生成を誘発するため、生成されるダイヤモンド膜中には多量の引っ張り歪み、圧縮歪みが蓄積することとなる。
このようなことから、従来は膜中の歪みが低減された結晶性の高い多結晶ダイヤモンド膜、配向性の高い同多結晶膜、さらにシリコンにかわるワイドバンドギャップ半導体生成に不可欠な単結晶膜は実現していなかった。
(Example 3)
Next, one or more kinds of gases selected from carbon, nitrogen or boron source supply gas or gas containing semiconducting elements in the reforming atmosphere are simultaneously heated by irradiating a thin film such as diamond with microwaves of 1 GHz to 500 GHz. An example of forming a polycrystalline thin film such as diamond, an oriented polycrystalline thin film, a single crystalline thin film, or a semiconductor thin film thereof on the object to be modified at the same time as the modification will be described.
In the gas phase synthesis process of the diamond film, the generation of the diamond component and the generation of the non-diamond component are unavoidable together with the generation of the diamond component as described above. It has been found that the etching action of atomic hydrogen produced by dissociating and activating (hydrocarbon-based) gas is effective.
For this reason, in the current technology, while trying to improve the quality of polycrystalline diamond thin films, the carbon concentration in the carbon source gas is reduced, the thin film formation rate is lowered, and the etching effect of non-diamond components by atomic hydrogen Is trying to increase.
However, since this etching action induces the generation of various lattice defects in the diamond thin film, a large amount of tensile strain and compressive strain accumulate in the generated diamond film.
For this reason, conventional polycrystalline diamond films with high crystallinity with reduced strain in the films, highly oriented polycrystalline films, and single crystal films that are indispensable for producing wide band gap semiconductors instead of silicon It was not realized.

本実施例においては、マイクロ波CVD法で成膜した厚み10μmの基板付多結晶ダイヤモンド薄膜を用いた。
この基板付ダイヤモンド薄膜を、実施例1と同じくマイクロ波照射装置に挿入し、1GHz以上のマイクロ波をダイヤモンド薄膜に照射して加熱すると同時に、改質雰囲気に炭素供給源ガスを導入し、新たにダイヤモンド薄膜を成膜した。そして、得られた薄膜の構造をラマン分光法で評価した。
この結果、ラマン分光法で評価したダイヤモンドスペクトルの半価幅が膜厚み残部の同最大半価幅値の85%以下である改質された配向性多結晶膜及び、さらにマイクロ周波数の選択により、その上部に単結晶構造を有する膜層のダイヤモンド薄膜が得られた。この構造はSEM及びX線回折でも同様に確認できた。
このように、従来実現できなかった膜中の歪みが少なく結晶性の高い多結晶ダイヤモンド膜、配向性の高い同多結晶膜及び単結晶膜が本発明により容易に製造できることが分かった。
特に、単結晶構造を有するダイヤモンド薄膜はワイドバンドギャップ半導体材料あるいは高熱伝導性ヒートシンクとして有用である。
In this embodiment, a polycrystalline diamond thin film with a substrate having a thickness of 10 μm and formed by a microwave CVD method was used.
This diamond thin film with a substrate is inserted into a microwave irradiation apparatus in the same manner as in Example 1, and the diamond thin film is irradiated with microwaves and heated, and at the same time, a carbon source gas is introduced into the modified atmosphere, A diamond thin film was formed. And the structure of the obtained thin film was evaluated by Raman spectroscopy.
As a result, a modified oriented polycrystalline film in which the half-value width of the diamond spectrum evaluated by Raman spectroscopy is 85% or less of the maximum half-value width value of the remaining film thickness, and further by selecting a micro frequency, A diamond thin film having a single crystal structure on the upper portion was obtained. This structure could be confirmed similarly by SEM and X-ray diffraction.
As described above, it has been found that the polycrystalline diamond film having a high crystallinity with less distortion in the film that could not be realized conventionally, the same polycrystalline film having a high orientation and a single crystal film can be easily manufactured by the present invention.
In particular, a diamond thin film having a single crystal structure is useful as a wide band gap semiconductor material or a high thermal conductive heat sink.

(実施例4)
次に、改質部の一部が半導体特性を備えたダイヤモンド製電子デバイスの製造例を説明する。
上記実施例3と同様に、基板付ダイヤモンド薄膜をマイクロ波照射装置に挿入し、マイクロ波をダイヤモンド薄膜に照射して加熱すると同時に、改質雰囲気に炭素供給源ガスとBを半導体元素として含むガスを導入し、ダイヤモンド薄膜上にp型ダイヤモンド多結晶薄膜、配向性ダイヤモンド薄膜、さらには単結晶膜を成膜した。
得られた半導体薄膜の特性はマイクロ波照射の改質効果により飛躍的に向上していることが確認できた。なお、上記においては基板に形成したダイヤモンド薄膜の例を示したが、自立膜でも同様な結果が得られた。
Example 4
Next, an example of manufacturing a diamond electronic device in which a part of the modified portion has semiconductor characteristics will be described.
Similarly to Example 3 above, a diamond thin film with a substrate is inserted into a microwave irradiation apparatus, and the diamond thin film is irradiated with heat and heated, and at the same time, a gas containing a carbon source gas and B as semiconductor elements in a modified atmosphere Then, a p-type diamond polycrystalline thin film, an oriented diamond thin film, and a single crystal film were formed on the diamond thin film.
It was confirmed that the characteristics of the obtained semiconductor thin film were drastically improved by the modification effect of microwave irradiation. In addition, although the example of the diamond thin film formed in the board | substrate was shown above, the same result was obtained also with the self-supporting film | membrane.

(実施例5)
次に、ダイヤモンド薄膜を例えばヒートシンクとして利用する場合の例を説明する。
被冷却部品をダイヤモンド薄膜上に固定して放熱性を向上させたり、被冷却部品の電気的接触を確保したり、デバイス機能確保のため、ダイヤモンド薄膜にメタライズ層等を形成することが不可欠である。
本実施例では、上記のようにダイヤモンド薄膜にマイクロ波を照射して加熱し改質したダイヤモンド薄膜にスパッタリングによりTi、Pt、Auの0.5μm厚のメタライズ層を形成した。なお、この場合に使用したダイヤモンド薄膜は0.1μm以上のラマン分光法で評価したダイヤモンドスペクトルの半価幅が膜厚み残部の同最大半価幅値の85%以下である改質部を備えている。
一方比較のために改質部をもたないダイヤモンド薄膜に同様にメタライズ層を形成して、これらの放熱性を対比した。
この結果、ダイヤモンドの厚さ及び改質部の厚みにもよるが、改質したメタライズダイヤモンドヒートシンクでは熱伝導率が向上し放熱性が少なくとも20%向上した。このように、マイクロ波照射加熱によるダイヤモンドの改質は、メタライズ層を施したデバイスとしての性能を向上させることができる。
上記においては、ヒートシンクについて説明したが、その外セラミックス膜等の絶縁膜、セラミック導電膜等を形成したダイヤモンド薄膜においても、それらの特性の向上が確認された。
(Example 5)
Next, an example of using a diamond thin film as a heat sink will be described.
It is indispensable to fix the parts to be cooled on the diamond thin film to improve heat dissipation, to ensure electrical contact of the parts to be cooled, and to form a metallized layer etc. on the diamond thin film in order to ensure device function. .
In this example, a 0.5 μm thick metallized layer of Ti, Pt, and Au was formed by sputtering on the diamond thin film modified by irradiating microwaves to the diamond thin film as described above. The diamond thin film used in this case has a modified portion in which the half width of the diamond spectrum evaluated by Raman spectroscopy of 0.1 μm or more is 85% or less of the maximum half width value of the remaining thickness of the film. Yes.
On the other hand, for comparison, a metallized layer was similarly formed on a diamond thin film having no modified portion, and these heat dissipation properties were compared.
As a result, although depending on the thickness of the diamond and the thickness of the modified portion, the modified metallized diamond heat sink has improved thermal conductivity and improved heat dissipation by at least 20%. Thus, the modification of diamond by microwave irradiation heating can improve the performance as a device provided with a metallized layer.
In the above description, the heat sink has been described. However, the improvement of the characteristics was confirmed also in the diamond thin film formed with the insulating film such as the outer ceramic film, the ceramic conductive film and the like.

(実施例6)
一般に、ダイヤモンド薄膜は最終成長面の凹凸を加工により除去し、平滑面として使用される。このような平滑加工は基板に付着している状態で行なわれ、その平滑化加工面の要求される加工仕様も年々向上している。例えば、表面粗さでは数nmであり、平坦度は表面弾性波フイルターでは20nm以下が要求されつつある。
ダイヤモンド薄膜を成膜する基板としてはSi単結晶、Mo、W、Pt、SiC、SiO2 、AlN等が使用されるが、これらはダイヤモンドと比較すると熱膨張係数が極めて大きく、ダイヤモンド成膜温度である800〜1000°Cの高温から基板温度を冷却する時に大きな歪み(成膜側に圧縮歪み、基板側に引っ張り歪み)がダイヤモンドにかかることは避けられない。
また、上述のようにダイヤモンド成膜中にも多数の結晶欠陥や歪みが導入されているので、ダイヤモンド薄膜の平坦加工において、形状のゆがみが避けられなかった。特殊な3次元形状の自立膜の製造が必要な場合、特に問題となる。
(Example 6)
Generally, a diamond thin film is used as a smooth surface by removing irregularities on the final growth surface by processing. Such smoothing is performed while adhering to the substrate, and the processing specifications required for the smoothed surface are improving year by year. For example, the surface roughness is several nm, and the flatness is required to be 20 nm or less for the surface acoustic wave filter.
As a substrate for forming a diamond thin film, Si single crystal, Mo, W, Pt, SiC, SiO 2, AlN, or the like is used, but these have an extremely large thermal expansion coefficient compared to diamond and are at the diamond film forming temperature. When the substrate temperature is cooled from a high temperature of 800 to 1000 ° C., it is inevitable that a large strain (compression strain on the film forming side and tensile strain on the substrate side) is applied to the diamond.
In addition, as described above, since many crystal defects and strains are introduced even during diamond film formation, distortion of the shape is inevitable in flat processing of the diamond thin film. This is particularly problematic when it is necessary to produce a special three-dimensional free-standing film.

以上のことから、本実施例では径(φ)2インチの基板付きダイヤモンド薄膜の精密平坦化加工に際し、加工に先立ちダイヤモンド薄膜面に1GHz以上のマイクロ波を照射加熱し改質した。この時の改質部の結晶性をラマン分光半価幅で評価した値が非改質部の最大半価幅の値の85%以下であった。
次に、このダイヤモンド薄膜をダイヤモンド砥石で平滑化加工を行なった。加工後の平坦度は10nm以下であり、優れた平坦度が達成された。また同時に、ダイヤモンド薄膜の耐破壊信頼性も大幅に向上した。
さらに、薄膜の最終成長面を平坦化加工し、基板を除去した300μm厚みのダイヤモンド自立膜を用い、ダイヤモンドの最終成長表面側をマイクロ波の照射面として1GHz以上のマイクロ波を照射加熱した。
前記基板を除去した後のダイヤモンド薄膜は基板からの圧縮歪みが解放されるため、わずかながら凹型に変形することが多いが、これに適度なマイクロ波照射加熱を行なうことにより、前記凹型の変形が修復され極めて平坦性の良く、強度も向上した自立膜を得ることができた。
From the above, in this example, when the diamond thin film with a substrate having a diameter (φ) of 2 inches was precisely planarized, the diamond thin film surface was irradiated with microwaves of 1 GHz or more and modified before the processing. The value obtained by evaluating the crystallinity of the modified portion at this time by the Raman spectral half width was 85% or less of the value of the maximum half width of the non-modified portion.
Next, the diamond thin film was smoothed with a diamond grindstone. The flatness after processing was 10 nm or less, and excellent flatness was achieved. At the same time, the fracture resistance of diamond thin films has been greatly improved.
Further, the final growth surface of the thin film was planarized, and a 300 μm-thick diamond free-standing film from which the substrate was removed was used, and the final growth surface side of diamond was irradiated with microwaves of 1 GHz or more with the microwave irradiation surface.
The diamond thin film after removing the substrate is often slightly deformed into a concave shape because the compressive strain from the substrate is released, but by performing appropriate microwave irradiation heating, the deformation of the concave shape is reduced. A self-supporting film that was repaired and extremely flat and improved in strength could be obtained.

上記実施例に示す通り、基板上の結晶成長面にマイクロ波を照射し改質を行なうことができ、自立体では基板を除去した後の初期成長面に照射することもできる。これによって、結晶成長面と同等にダイヤモンド等の膜の改質を行なうこともできる。
また、マイクロ波照射の温度、時間、強度、周波数、雰囲気などを調節することにより、被照射体の改質層の厚さを調節したりあるいは一定の深さまで傾斜的に改質を行なうことができる。
被照射体であるダイヤモンド等の膜の改質できる膜の厚さには特に制限はないが、0.01μm以上の膜厚を有していれば改質可能である。
上記のように、気相合成ダイヤモンド等の気相成長面に直接、切断加工又はデバイス化のための研削加工や研磨加工等の最終仕上げ加工した面に、本発明のマイクロ波照射による改質を行なうことができる。
また、上記では理解を容易にするために実施例及び比較例についてダイヤモンド薄膜を中心に説明したが、CBN、BCN若しくはCN薄膜にも同等に適用できるものであり、それによる効果も同様であることが確認できた。
また、上記改質と同時に、ダイヤモンド薄膜等を半導体化しようとする場合には、半導体化元素を含む反応性ガスを単独で又は炭素供給源ガスと共に雰囲気ガスに導入し、ダイヤモンドの少なくとも一部を半導体化することができる。
さらに、上記の改質と同時に、被改質面であるダイヤモンド等の薄膜上に、さらに高品質若しくは高配向性多結晶膜又は単結晶膜を形成することもできる。
As shown in the above embodiment, the crystal growth surface on the substrate can be irradiated with microwaves for modification, and the self-solid structure can also irradiate the initial growth surface after removing the substrate. As a result, the film such as diamond can be modified in the same manner as the crystal growth surface.
In addition, by adjusting the temperature, time, intensity, frequency, atmosphere, etc. of microwave irradiation, the thickness of the modified layer of the irradiated object can be adjusted, or the thickness can be modified to a certain depth. it can.
There is no particular limitation on the thickness of the film that can modify the film of diamond or the like, which is an object to be irradiated.
As described above, the modification by microwave irradiation of the present invention is applied directly to the surface of the final growth such as grinding or polishing for cutting or device fabrication directly on the vapor phase growth surface of vapor phase synthetic diamond or the like. Can be done.
Further, in the above description, for ease of understanding, the examples and comparative examples have been described with a focus on diamond thin films. However, the present invention is equally applicable to CBN, BCN, or CN thin films, and the effects thereof are the same. Was confirmed.
In addition, simultaneously with the above modification, when a diamond thin film or the like is to be made into a semiconductor, a reactive gas containing a semiconducting element is introduced into an atmosphere gas alone or together with a carbon supply source gas, and at least a part of the diamond is introduced. It can be made semiconductor.
Furthermore, simultaneously with the above modification, a high-quality or highly-oriented polycrystalline film or a single crystal film can be formed on a thin film such as diamond that is the surface to be modified.

マイクロ波の照射方向を特定したりあるいは多重反射させて、被照射体の特定領域のみを照射したり、均一に照射したりしてダイヤモンドの歪みや改質域を自在に変え、一部の領域又は全体の領域を改質することができる。本発明はこれらの全てを含む。残存歪みの分布、量を制御改質することにより、またそれによってダイヤモンド膜に形状付与することも可能である。
特に、マイクロ波照射により歪みを減少させダイヤモンド等の膜自体の強度を増大させるだけでなく、例えば膜自体の歪みの減少により基板との面の整合性を向上させ、基板上に形成された膜の付着強度を増加させることもできる。
さらに、本発明のマイクロ波照射により、多結晶あるいは配向性の膜品質が向上した配向性膜又は単結晶質の一段優れた膜特性をもつダイヤモンド等に、また例えばデバイス化のためにYAGレーザーなどにより切断した面あるいは損傷を受けた面をマイクロ波照射によりその損傷部を回復させ、それ以外の部と殆ど変わらないダイヤモンド等の薄膜に形成することができる。
Specify the direction of microwave irradiation or make multiple reflections to irradiate only a specific area of the irradiated object, or evenly irradiate it to freely change the distortion and modification area of the diamond, and some areas Alternatively, the entire area can be modified. The present invention includes all of these. It is possible to impart a shape to the diamond film by controlling and modifying the distribution and amount of residual strain.
In particular, the film formed on the substrate not only reduces the strain by microwave irradiation and increases the strength of the film itself such as diamond, but also improves the consistency of the surface with the substrate by reducing the strain of the film itself, for example. The adhesion strength of can also be increased.
Furthermore, the microwave irradiation of the present invention can be applied to an oriented film with improved polycrystalline or oriented film quality, or diamond having a single-layered superior film characteristic, for example, a YAG laser for device fabrication, etc. The damaged surface can be recovered by microwave irradiation to form a thin film such as diamond that is almost the same as the other portions.

本発明は、基板に形成した気相ダイヤモンド等の薄膜や基板を除去した自立ダイヤモンド薄膜(箔又は板)等に存在する歪み、欠陥、色などを除去又は減少させ、あるいは配向性多結晶又は単結晶へと改質できるダイヤモンド等の薄膜、改質方法及び薄膜形成方法であり、従来の電子ビームあるいは坩堝内で高周波加熱してアニールする方法にくらべ、本発明によるものは歪みあるいは組織の改質の範囲と性能が格段に向上し、安定かつ再現性よくダイヤモンド等の薄膜の改質を行なうことができる。しかも、複雑な装置やコントロール法を必要とせず、低コストで、ダイヤモンド等の薄膜の改質を行なうことができるという特徴を有している。
また、マイクロ波照射の温度、時間、強度、周波数、雰囲気などを調節することにより、被照射体の改質層の厚さを調節したりあるいは一定の深さまで傾斜的に改質を行なうことができるという改質操作に柔軟性があり、改質操作の工程の順序などに制限がない。すなわち改質と同時に、被改質面にさらに新たな高品質若しくは高配向性多結晶膜又は単結晶膜を形成したり、レーザーなどにより損傷を受けた面にマイクロ波を照射してその損傷部を回復させたり、改質と同時にダイヤモンド等の薄膜の面を半導体化するということもできる。このように操作性が非常に優れているという特徴を有する。
本発明により改質を受けたダイヤモンド等は、歪み、欠陥などの劣化因子を除去または低減することができ、高硬度、低摩擦摺動性、低熱膨張率、高温かつ化学的安定性(不活性)、高熱伝導性、高絶縁性、高赤外線透過率、高反射率、高音速性、ワイドバンドギャップ半導体特性、高速キャリヤー、カラーセンター、負電子親和力、生体適応性、優れた音響特性などダイヤモンド等がもつ望ましい特性を一層向上させ、特性の安定性と破壊信頼性も著しく向上させ、上記のような広範囲なダイヤモンド等の用途に全て適用できるものである。
The present invention removes or reduces strain, defects, color, etc. present in a thin film such as vapor phase diamond formed on a substrate or a free-standing diamond thin film (foil or plate) from which the substrate has been removed, or is oriented polycrystal or single crystal. A thin film such as diamond that can be transformed into a crystal, a modification method, and a thin film formation method. Compared with a conventional electron beam or high-frequency heating annealing in a crucible, the present invention is a strain or texture modification. The range and performance of the film can be greatly improved, and a thin film such as diamond can be modified stably and reproducibly. In addition, a thin film such as diamond can be modified at a low cost without requiring a complicated apparatus or a control method.
In addition, by adjusting the temperature, time, intensity, frequency, atmosphere, etc. of microwave irradiation, the thickness of the modified layer of the irradiated object can be adjusted, or the thickness can be modified to a certain depth. The reforming operation that can be performed is flexible, and there is no restriction on the order of the steps of the reforming operation. In other words, simultaneously with the modification, a new high quality or highly oriented polycrystalline film or single crystal film is formed on the surface to be modified, or the damaged surface is irradiated with microwaves on the surface damaged by a laser or the like. It can be said that the surface of a thin film such as diamond is made into a semiconductor simultaneously with the modification. Thus, it has the characteristic that operativity is very excellent.
Diamonds and the like modified according to the present invention can remove or reduce deterioration factors such as strain and defects, and have high hardness, low friction sliding property, low thermal expansion coefficient, high temperature and chemical stability (inert ), High thermal conductivity, high insulation, high infrared transmittance, high reflectivity, high sound speed, wide band gap semiconductor characteristics, high-speed carrier, color center, negative electron affinity, biocompatibility, excellent acoustic characteristics, etc. The desirable characteristics of the material are further improved, the stability of the characteristics and the fracture reliability are remarkably improved, and can be applied to a wide range of uses such as diamond as described above.

マイクロ波照射装置の中にダイヤモンド等の薄膜を配置し1GHz〜500GHzのマイクロ波を照射して加熱する装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the apparatus which arrange | positions thin films, such as a diamond, in a microwave irradiation apparatus, and irradiates and heats a microwave of 1 GHz-500 GHz. マイクロ波照射装置における試料、マイクロ波の照射方向及び温度計測の配置を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning of the sample in a microwave irradiation apparatus, the irradiation direction of a microwave, and temperature measurement. 本発明の実施例における60GHzのマイクロ波を用いてダイヤモンドを1500°Cに加熱した面近傍の面のカソード・ルミネセンス像である。It is a cathode luminescence image of the surface near the surface which heated diamond to 1500 ° C using the microwave of 60 GHz in the example of the present invention. ダイヤモンド気相成長表面の近傍の面、すなわちマイクロ波未照射の試料のカソード・ルミネセンス像である。It is a cathode luminescence image of a surface near a diamond vapor phase growth surface, that is, a sample not irradiated with microwaves. 天然ダイヤモンドのラマンパラメーターの半価幅(cm-1)である。This is the half-value width (cm −1 ) of the Raman parameter of natural diamond. 本発明のマイクロ波を照射し加熱した各温度における実施例のラマンパラメーターの半価幅と、マイクロ波を照射していない同半価幅の比較例をグラフにしたものである。The graph shows a comparative example of the half-value width of the Raman parameter of the example at each temperature heated by irradiation with the microwave of the present invention and the same half-value width without irradiation of the microwave.

符号の説明Explanation of symbols

1 マイクロ波の照射方向
2 温度計測装置
3 アルミナファイバーボード
4 試料
5 アルゴンガス導入孔
6 リーク孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Microwave irradiation direction 2 Temperature measuring device 3 Alumina fiber board 4 Sample 5 Argon gas introduction hole 6 Leak hole

Claims (5)

マイクロ波照射により改質された表面を備えるダイヤモンド薄膜であって、該ダイヤモンド薄膜の膜厚方向に沿って0.1μm以上改質された膜厚み領域を有し、ラマン分光法で評価したダイヤモンドスペクトルの半価幅が一定であり、その半価幅は膜厚み残部の同最大半価幅の85%以下であることを特徴とするダイヤモンド薄膜。 A diamond thin film having a surface modified by microwave irradiation , having a film thickness region modified by 0.1 μm or more along the film thickness direction of the diamond thin film, and evaluated by Raman spectroscopy The diamond thin film is characterized in that the half width is constant and the half width is 85% or less of the maximum half width of the remaining thickness of the film. ダイヤモンド薄膜における改質部の少なくとも一部が多結晶若しくは配向性多結晶又は単結晶であることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド薄膜。   The diamond thin film according to claim 1, wherein at least a part of the modified portion in the diamond thin film is polycrystalline, oriented polycrystalline, or single crystal. ダイヤモンド薄膜の改質部の少なくとも一部が半導体化していることを特徴とする請求項1又は2記載のダイヤモンド薄膜。   The diamond thin film according to claim 1 or 2, wherein at least a part of the modified portion of the diamond thin film is made into a semiconductor. ダイヤモンド薄膜の改質部の上にさらに、同多結晶若しくは配向性多結晶又は単結晶膜が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のダイヤモンド薄膜。   The diamond thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the polycrystal, the oriented polycrystal, or the single crystal film is further formed on the modified portion of the diamond thin film. ダイヤモンド薄膜の少なくとも一部に金属若しくはセラミックス又は導体若しくは絶縁体を被覆したことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のダイヤモンド薄膜。   The diamond thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein at least a part of the diamond thin film is coated with metal, ceramics, a conductor, or an insulator.
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