JP6775771B2 - Microwave plasma CVD equipment and diamond synthesis method using it - Google Patents

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本発明は、マイクロ波プラズマCVDによるダイヤモンドの製造に関し、特に、プラズマのガス温度が比較的低い条件下であっても、比較的大きい合成速度でダイヤモンドを合成できるマイクロ波プラズマCVD装置、それを用いたダイヤモンドの合成方法及び合成されたダイヤモンドに関する。 The present invention relates to the production of diamond by microwave plasma CVD, and in particular, uses a microwave plasma CVD apparatus capable of synthesizing diamond at a relatively large synthesis rate even under conditions where the plasma gas temperature is relatively low. Regarding the method of synthesizing the diamond and the synthesized diamond.

ダイヤモンドの物性値のいくつかは物質中最高水準であり、特に、パワー半導体材料としての性能指数が、Si、SiC及びGaNよりも優れていることが知られている。ダイヤモンドは、光学的特性、熱的特性及び機械的特性も優れているので、パワー半導体を含むエレクトロニクス分野に加え、様々な分野での応用が期待されている。 It is known that some of the physical property values of diamond are the highest levels among substances, and in particular, the figure of merit as a power semiconductor material is superior to that of Si, SiC and GaN. Since diamond has excellent optical properties, thermal properties, and mechanical properties, it is expected to be applied in various fields in addition to the electronics field including power semiconductors.

ダイヤモンドの製造に関して、高温高圧法によりダイヤモンドが合成可能であることが示された後、現在では世界中で高温高圧法を用いてダイヤモンド結晶が生産されている。高温高圧法には、合成できるサイズが小さい(一般的なサイズは2〜3mm角程度)、製造コストが高い等の問題があり、近年では、ダイヤモンドの製造方法として、プラズマCVDが研究されている。 Regarding the production of diamond, after it was shown that diamond can be synthesized by the high temperature and high pressure method, diamond crystals are now produced all over the world by the high temperature and high pressure method. The high-temperature and high-pressure method has problems such as a small size that can be synthesized (general size is about 2 to 3 mm square) and a high manufacturing cost. In recent years, plasma CVD has been studied as a diamond manufacturing method. ..

例えば、下記特許文献1には、パルス状マイクロ波プラズマを用いたダイヤモンドの製造方法が開示されている。この製造方法では、減圧されたキャビティ内にダイヤモンド基板を配置し、炭素源及び水素源を導入した状態で、パルス状のマイクロ波を供給することにより、ダイヤモンド基板の上にダイヤモンドを積層する。マイクロ波パルスのデューティサイクル(1周期中の加熱時間の割合)は10〜50%の値であることが開示されている。 For example, Patent Document 1 below discloses a method for producing diamond using pulsed microwave plasma. In this manufacturing method, a diamond substrate is placed in a decompressed cavity, and a diamond is laminated on the diamond substrate by supplying a pulsed microwave with a carbon source and a hydrogen source introduced. It is disclosed that the duty cycle (ratio of heating time in one cycle) of the microwave pulse is a value of 10 to 50%.

下記特許文献2には、パルスマイクロ波を用いた化学蒸着により、フィールドエミッションディスプレイ(FED)の電子放出源に使用するダイヤモンド膜の製造方法が開示されている。パルス発振条件として、繰返し周波数0.1〜1Hz、パルス幅1〜10秒が開示されている。このようにして得られるダイヤモンド膜は、連続発振のマイクロ波を用いて製造した場合に比べ、例えばデューティサイクル17.5%のもので、20V/μmの電界強度において、約3倍強の電流強度が認められ、電子放出源として用いた場合、高い輝度を発生できることが開示されている。 Patent Document 2 below discloses a method for producing a diamond film used as an electron emission source of a field emission display (FED) by chemical vapor deposition using pulsed microwaves. As the pulse oscillation conditions, a repetition frequency of 0.1 to 1 Hz and a pulse width of 1 to 10 seconds are disclosed. The diamond film thus obtained has a duty cycle of 17.5%, for example, as compared with the case of manufacturing using continuously oscillating microwaves, and has a current intensity of about 3 times higher at an electric field strength of 20 V / μm. Is recognized, and it is disclosed that high brightness can be generated when used as an electron emission source.

下記特許文献3には、パルス状マイクロ波プラズマを用いたダイヤモンドの製造方法が開示されている。マイクロ波をパルス状にオンオフ制御する場合、マイクロ波を投入しない時間があることで、プラズマが不安定になる問題を解決するために、この製造方法では、ゼロでない所定の最小電力と、最大電力との間で、マイクロ波を繰返しパルス状に変調して、途切れることなくマイクロ波を供給する。具体的には、2.45GHzのマイクロ波を用い、変調パルス周波数10Hzで、デューティ比を変化させることにより、平均電力を一定に保持しながら最大電力を変化させることが開示されている。平均電力はマイクロ波により加熱される基材の温度と相関があり、最大電力は原料ガスの励起度合いと相関があることから、基材の温度と原料ガスの励起度合いとを個別に制御できることが開示されている。実施例として、10時間の合成により、窒化ケイ素セラミックスの基材の場合には膜厚20μm又は27μmのダイヤモンドが、超硬合金の基材の場合には膜厚18μm又は24μmのダイヤモンドが得られたことが開示されている。 Patent Document 3 below discloses a method for producing diamond using pulsed microwave plasma. In order to solve the problem that the microwave becomes unstable due to the time when the microwave is not input when the microwave is controlled on and off in a pulse shape, this manufacturing method has a predetermined non-zero power and a maximum power. The microwave is repeatedly pulsed with and from, and the microwave is supplied without interruption. Specifically, it is disclosed that the maximum power is changed while keeping the average power constant by using a microwave of 2.45 GHz and changing the duty ratio at a modulation pulse frequency of 10 Hz. Since the average power correlates with the temperature of the base material heated by microwaves and the maximum power correlates with the degree of excitation of the raw material gas, it is possible to control the temperature of the base material and the degree of excitation of the raw material gas individually. It is disclosed. As an example, a 10-hour synthesis yielded diamond with a film thickness of 20 μm or 27 μm in the case of a silicon nitride ceramic substrate, and diamond with a film thickness of 18 μm or 24 μm in the case of a cemented carbide substrate. Is disclosed.

また、マイクロ波プラズマによりダイヤモンドを合成する際に、リアクター(チャンバ)内において、基板への原料ガス(活性化ガス)の流れ(以下、強制対流ともいう)を形成することにより、ダイヤモンドの合成速度を増大できることが知られている。例えば、特許文献4には、リアクターの外部に、リアクター内のガスの循環経路を設け、送風手段(高速再循環ポンプ又はブロワー)によりガスを循環させることにより、リアクター内において、基板に向かうガスの流れを形成することが開示されている。特許文献5及び6には、チャンバの上部に口径の小さい複数のノズルを配置し、ノズルを介してガスを供給することにより、チャンバ内に基板に向かうガスの流れを形成することが開示されている。 Further, when synthesizing diamond by microwave plasma, a flow of a raw material gas (activated gas) to a substrate (hereinafter, also referred to as forced convection) is formed in a reactor (chamber), thereby synthesizing diamond. Is known to be able to increase. For example, in Patent Document 4, a gas circulation path in the reactor is provided outside the reactor, and the gas is circulated by a blowing means (high-speed recirculation pump or blower), so that the gas directed to the substrate in the reactor It is disclosed to form a flow. Patent Documents 5 and 6 disclose that a plurality of nozzles having a small diameter are arranged in an upper part of a chamber, and gas is supplied through the nozzles to form a gas flow toward a substrate in the chamber. There is.

特表2006−513123号公報Special Table 2006-513123 特開2000−247784号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-247784 特開平6−256952号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-256952 特開平4−259378号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-259378 特表2014−503035号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-503835 米国特許出願公開第2010/0189924号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2010/018924

マイクロ波プラズマCVDによるダイヤモンドの合成における問題として、合成速度が低いこと、及びプラズマのガス温度が高過ぎることが挙げられる。合成速度を向上するには、原料ガスの圧力を高くすること、高電力を供給してプラズマのガス温度を高くすること、窒素ガスを導入すること等が知られている。 Problems in diamond synthesis by microwave plasma CVD include low synthesis rate and too high plasma gas temperature. In order to improve the synthesis rate, it is known that the pressure of the raw material gas is increased, a high electric power is supplied to raise the gas temperature of the plasma, and nitrogen gas is introduced.

数kWの電力を供給することにより、プラズマのガス温度は3000℃以上になる。通常、ダイヤモンドを成長させる基板は、基板を配置するステージ等による冷却機能により、約1000℃以下に制御される。基板からプラズマの中心部までの距離は高々数10mm程度であるので、そのような狭い間隔で数千度の温度差が生じていることになり、基板温度の測定自体が難しいこともあり、基板温度の制御は難しい。また、基板の温度が高くなると、結晶の異常成長が発生し易くなるので、基板温度は低く設定されることが好ましい。したがって、プラズマのガス温度が比較的低い状態で、高い合成速度を実現することが望まれている。 By supplying a few kW of electric power, the gas temperature of the plasma becomes 3000 ° C. or higher. Usually, the substrate on which diamond is grown is controlled to about 1000 ° C. or lower by a cooling function by a stage or the like on which the substrate is arranged. Since the distance from the substrate to the center of the plasma is at most several tens of mm, a temperature difference of several thousand degrees occurs at such a narrow interval, and it may be difficult to measure the substrate temperature itself. Temperature control is difficult. Further, when the temperature of the substrate is high, abnormal growth of crystals is likely to occur, so that the substrate temperature is preferably set low. Therefore, it is desired to realize a high synthesis rate when the gas temperature of the plasma is relatively low.

また、合成速度を向上するために、放電時のガス圧力を高めることによって、放電領域を限定し、供給したパワーが吸収される領域を小さくすることで、パワー密度を向上する合成方法も知られている。しかし、この方法には、プラズマのガス温度が極めて高温となる問題がある。また、この方法では、合成環境の安定性や、合成可能な面積が犠牲になる。即ち、この方法では、大面積のダイヤモンドを高効率に安定して合成することはできない。 Further, in order to improve the synthesis speed, a synthesis method is also known in which the power density is improved by limiting the discharge region by increasing the gas pressure at the time of discharge and reducing the region where the supplied power is absorbed. ing. However, this method has a problem that the gas temperature of the plasma becomes extremely high. In addition, this method sacrifices the stability of the synthetic environment and the area that can be synthesized. That is, with this method, it is not possible to stably synthesize diamond having a large area with high efficiency.

これらの課題は、特許文献1〜6に開示された技術によっては解決できない。 These problems cannot be solved by the techniques disclosed in Patent Documents 1 to 6.

したがって、本発明は、プラズマのガス温度が比較的低い条件下であっても、比較的大きい合成速度で、ダイヤモンドを合成でき、特に、高品質な単結晶ダイヤモンドを合成できるマイクロ波プラズマCVD装置、それを用いたダイヤモンドの合成方法及び合成されたダイヤモンドを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention is a microwave plasma CVD apparatus capable of synthesizing diamond at a relatively high synthesis rate even under relatively low plasma gas temperature conditions, and in particular, synthesizing high-quality single crystal diamond. It is an object of the present invention to provide a method for synthesizing diamond using it and a synthesized diamond.

本発明の第1の局面に係るマイクロ波プラズマCVD装置は、原料ガスにマイクロ波パルスを供給してプラズマを発生させるマイクロ波プラズマCVD装置である。このマイクロ波プラズマCVD装置は、所定の流量及び所定の圧力で供給され、且つ水素を含む原料ガスに、所定の電力のマイクロ波パルスを供給するマイクロ波供給部を含む。マイクロ波供給部は、マイクロ波パルスが供給されるときの第1の発光強度が、上記の原料ガスに、所定の電力と同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときの第2の発光強度よりも大きくなるように、マイクロ波パルスを供給することができ、第1の発光強度及び第2の発光強度は、プラズマ中の水素原子から放出されるHα線の強度を表す。 The microwave plasma CVD apparatus according to the first aspect of the present invention is a microwave plasma CVD apparatus that supplies a microwave pulse to a raw material gas to generate plasma. This microwave plasma CVD apparatus includes a microwave supply unit that supplies a microwave pulse of a predetermined electric power to a raw material gas that is supplied at a predetermined flow rate and a predetermined pressure and contains hydrogen. In the microwave supply unit, the first emission intensity when a microwave pulse is supplied is higher than the second emission intensity when a continuous microwave having the same power as a predetermined power is supplied to the above-mentioned raw material gas. The microwave pulse can be supplied so as to be large, and the first emission intensity and the second emission intensity represent the intensity of the Hα ray emitted from the hydrogen atom in the plasma.

これにより、マイクロ波の連続波を使用する場合よりも、プラズマのガス温度が比較的低い条件下であっても、比較的大きい合成速度でダイヤモンドを合成できる。 As a result, diamond can be synthesized at a relatively high synthesis rate even under conditions where the plasma gas temperature is relatively low, as compared with the case of using a continuous microwave wave.

好ましくは、マイクロ波供給部により出力されるマイクロ波パルスの1周期におけるオン時間及びオフ時間は、第1の発光強度が第2の発光強度よりも大きくなるように設定される。 Preferably, the on-time and off-time in one cycle of the microwave pulse output by the microwave supply unit are set so that the first emission intensity is larger than the second emission intensity.

これにより、マイクロ波パルスのオン時間及びオフ時間を調整することにより、ダイヤモンドの合成速度を大きくすることができる。 Thereby, the diamond synthesis rate can be increased by adjusting the on time and the off time of the microwave pulse.

より好ましくは、オン時間及びオフ時間はそれぞれ、1msec以下である。 More preferably, the on-time and the off-time are 1 msec or less, respectively.

さらに好ましくは、マイクロ波プラズマCVD装置は、原料ガスとして炭素源及び水素の混合ガスを供給するガス供給部をさらに含む。 More preferably, the microwave plasma CVD apparatus further includes a gas supply unit that supplies a mixed gas of a carbon source and hydrogen as a raw material gas.

好ましくは、ガス供給部は、混合ガスに加えて窒素ガスを供給し、マイクロ波供給部は、窒素ガスを含む混合ガスにマイクロ波パルスを供給する。 Preferably, the gas supply unit supplies nitrogen gas in addition to the mixed gas, and the microwave supply unit supplies microwave pulses to the mixed gas containing the nitrogen gas.

より好ましくは、炭素源は、炭化水素ガスである。 More preferably, the carbon source is a hydrocarbon gas.

さらに好ましくは、マイクロ波プラズマCVD装置は、原料ガスにマイクロ波パルスを供給するときに、プラズマが形成される領域に原料ガスの流れを形成し得る強制対流形成部をさらに含む。 More preferably, the microwave plasma CVD apparatus further includes a forced convection forming portion capable of forming a flow of the source gas in the region where the plasma is formed when the microwave pulse is supplied to the source gas.

これにより、ダイヤモンドの合成速度をさらに大きくすることができる。 As a result, the synthesis rate of diamond can be further increased.

好ましくは、マイクロ波プラズマCVD装置は、プラズマが形成される反応容器をさらに含み、強制対流形成部は、原料ガスを、反応容器の一端から排出した後、反応容器の他端から反応容器に戻す循環部を含む。 Preferably, the microwave plasma CVD apparatus further includes a reaction vessel in which the plasma is formed, and the forced convection forming unit discharges the raw material gas from one end of the reaction vessel and then returns it to the reaction vessel from the other end of the reaction vessel. Includes circulation.

これにより、反応容器内に強制対流を効率的に形成することができ、ガスの消費量を節約することができる。 As a result, forced convection can be efficiently formed in the reaction vessel, and gas consumption can be saved.

本発明の第2の局面に係るダイヤモンドは、上記のマイクロ波プラズマCVD装置を用いて合成されたダイヤモンドである。 The diamond according to the second aspect of the present invention is a diamond synthesized by using the above-mentioned microwave plasma CVD apparatus.

これにより合成されたダイヤモンドは、異常成長が抑制された、熱ひずみの小さい結晶である。 The diamond synthesized by this is a crystal with small thermal strain in which abnormal growth is suppressed.

本発明の第3の局面に係るダイヤモンドの合成方法は、マイクロ波プラズマCVD装置を用いたダイヤモンドの合成方法である。このダイヤモンドの合成方法は、水素を含む原料ガスを、所定の流量及び所定の圧力で、基板に供給するステップと、原料ガスに所定の電力のマイクロ波パルスを供給してプラズマを発生させ、基板上にダイヤモンドを成長させるステップとを含む。ダイヤモンドを成長させるステップにおいて、マイクロ波パルスが供給されるときの第1の発光強度が、原料ガスに、所定の電力と同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときの第2の発光強度よりも大きくなるように、マイクロ波パルスを供給し、第1の発光強度及び第2の発光強度は、プラズマ中の水素原子から放出されるHα線の強度を表す。 The diamond synthesis method according to the third aspect of the present invention is a diamond synthesis method using a microwave plasma CVD apparatus. In this diamond synthesis method, a raw material gas containing hydrogen is supplied to a substrate at a predetermined flow rate and a predetermined pressure, and a microwave pulse of a predetermined electric power is supplied to the raw material gas to generate plasma, and the substrate is generated. Includes steps to grow diamonds on top. In the step of growing a diamond, the first emission intensity when a microwave pulse is supplied is higher than the second emission intensity when a continuous microwave of the same power as a predetermined power is supplied to the raw material gas. A microwave pulse is supplied so as to be large, and the first emission intensity and the second emission intensity represent the intensity of Hα rays emitted from hydrogen atoms in the plasma.

これにより、マイクロ波の連続波を使用する場合よりも、プラズマのガス温度が比較的低い条件下であっても、比較的大きい合成速度でダイヤモンドを合成できる。 As a result, diamond can be synthesized at a relatively high synthesis rate even under conditions where the plasma gas temperature is relatively low, as compared with the case of using a continuous microwave wave.

好ましくは、ダイヤモンドの合成方法は、基板上にダイヤモンドを成長させるステップを実行中に、基板に向かう原料ガスの流れを形成するステップをさらに含む。 Preferably, the method of synthesizing diamond further comprises forming a flow of source gas towards the substrate while performing the step of growing diamond on the substrate.

これにより、ダイヤモンドの合成速度をさらに大きくすることができる。 As a result, the synthesis rate of diamond can be further increased.

本発明によれば、プラズマからの発光強度が大きくなるように、マイクロ波パルスを供給することにより、供給する電力が比較的低くプラズマのガス温度が比較的低い条件下であっても、比較的大きい合成速度でダイヤモンドを合成できる。ダイヤモンドを成長させる基板に単結晶ダイヤモンドを使用すれば、大きい合成速度で単結晶ダイヤモンドを成長させることができる。 According to the present invention, by supplying a microwave pulse so that the emission intensity from the plasma is increased, the power to be supplied is relatively low and the gas temperature of the plasma is relatively low, even under conditions of relatively low. Diamond can be synthesized at a high synthesis rate. If a single crystal diamond is used as a substrate for growing diamond, the single crystal diamond can be grown at a high synthesis rate.

また、窒素ガスを導入することにより、ダイヤモンドの合成速度をより一層大きくできる。 Further, by introducing nitrogen gas, the synthesis rate of diamond can be further increased.

また、基板に向かう原料ガスの流れを形成することにより、ダイヤモンドの合成速度をさらに大きくすることができる。 Further, by forming a flow of the raw material gas toward the substrate, the diamond synthesis rate can be further increased.

また、結晶の異常成長の発生を抑制でき、高品質のダイヤモンドを合成できる。さらに、熱ひずみの小さいダイヤモンドを合成できる。 In addition, the occurrence of abnormal crystal growth can be suppressed, and high-quality diamond can be synthesized. Furthermore, diamond with low thermal strain can be synthesized.

また、合成速度を向上するために、放電時のガス圧力を高くする必要がないので、放電領域が限定されることがなく、大面積のダイヤモンドの合成が可能になる。 Further, since it is not necessary to increase the gas pressure at the time of discharge in order to improve the synthesis rate, the discharge region is not limited and a large area of diamond can be synthesized.

本発明の第1の実施の形態に係るダイヤモンドの製造装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the diamond manufacturing apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 図1の製造装置で使用されるマイクロ波パルスを示す波形図である。It is a waveform diagram which shows the microwave pulse used in the manufacturing apparatus of FIG. 一定のガス圧で、マイクロ波パルスのオン時間及びオフ時間を変化させてプラズマを発生させたときのプラズマの発光強度を示すマップである。It is a map showing the emission intensity of plasma when plasma is generated by changing the on-time and the off-time of a microwave pulse at a constant gas pressure. 種々の合成条件でダイヤモンドを合成した結果をまとめて示すテーブルである。It is a table which shows the result of synthesizing diamond under various synthesis conditions. 実施例3で製造されたダイヤモンドを示すレーザ顕微鏡写真である。3 is a laser micrograph showing the diamond produced in Example 3. 実施例5で製造されたダイヤモンドを示すレーザ顕微鏡写真である。6 is a laser micrograph showing the diamond produced in Example 5. ダイヤモンドを合成した結果を示すテーブルである。It is a table which shows the result of synthesizing diamond.

以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 In the following embodiments, the same parts are given the same reference numbers. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed explanations about them will not be repeated.

(第1の実施の形態)
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態に係るダイヤモンド製造装置100は、マイクロ波発生部102、導波管104、アンテナ106、第1キャビティ108、石英板110、第2キャビティ112、サセプタ114、基板ホルダ116、支持部118、ガス導入管120、パルス電源122、及び制御部124を備えている。
(First Embodiment)
With reference to FIG. 1, the diamond manufacturing apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention includes a microwave generating unit 102, a waveguide 104, an antenna 106, a first cavity 108, a quartz plate 110, and a second cavity. It includes 112, a susceptor 114, a substrate holder 116, a support 118, a gas introduction pipe 120, a pulse power supply 122, and a control unit 124.

マイクロ波発生部102は、マイクロ波を生成して出力する。マイクロ波発生部102は、例えばマグネトロンである。マイクロ波発生部102は、パルス電源122によりパルス状に電力を供給され、図2に示すように、所定周波数のマイクロ波を発生する。図2において、破線はマイクロ波の一部を示し、パルス波形は、マイクロ波の包絡線である。時間T(sec)は、繰返し出力されるパルスの周期を表し、時間Tonは、マイクロ波が出力されている時間であり、Toffは、マイクロ波が出力されていない時間である。パルスの周波数f(Hz)は、f=1/Tであり、デューティDは、D=Ton/Tである。 The microwave generation unit 102 generates and outputs microwaves. The microwave generation unit 102 is, for example, a magnetron. The microwave generation unit 102 is supplied with electric power in a pulsed manner by the pulse power supply 122, and generates microwaves having a predetermined frequency as shown in FIG. In FIG. 2, the broken line indicates a part of the microwave, and the pulse waveform is the envelope of the microwave. The time T (sec) represents the period of the pulse that is repeatedly output, the time Ton is the time when the microwave is output, and the time Toff is the time when the microwave is not output. The frequency f (Hz) of the pulse is f = 1 / T, and the duty D is D = Ton / T.

制御部124は、マイクロ波パルスのパルス条件、即ちTon、Toff、及び供給する電力の設定を受付ける。制御部124は、設定されたマイクロ波パルスがマイクロ波発生部102から出力されるように、パルス電源122を制御する。後述するように、マイクロ波パルスを供給するときのプラズマの発光強度(プラズマの水素原子から放出されるHα線の強度)が、マイクロ波パルスとして供給する電力と同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときのプラズマの発光強度よりも大きくなるように、マイクロ波パルスを設定することで、高い合成速度が得られる。 The control unit 124 accepts the pulse conditions of the microwave pulse, that is, the setting of Ton, Toff, and the power to be supplied. The control unit 124 controls the pulse power supply 122 so that the set microwave pulse is output from the microwave generation unit 102. As will be described later, the emission intensity of the plasma (the intensity of the Hα ray emitted from the hydrogen atom of the plasma) when the microwave pulse is supplied supplies a continuous microwave having the same power as the power supplied as the microwave pulse. A high synthesis rate can be obtained by setting the microwave pulse so that it becomes larger than the emission intensity of the plasma at that time.

マイクロ波発生部102から出力されたマイクロ波は、導波管104により伝搬され、アンテナ106を介して第1キャビティ108及び第2キャビティ112に導入され、定在波を形成する。石英板110を挟んで第1キャビティ108と隔離された第2キャビティ112内には、プラズマ源となるガスが、ガス供給装置(図示せず)から、ガス導入管120を介して所定の圧力で供給される。したがって、サセプタ114の上の基板ホルダ116の上方近傍で放電が起こり、プラズマPが発生する。 The microwave output from the microwave generation unit 102 is propagated by the waveguide 104 and introduced into the first cavity 108 and the second cavity 112 via the antenna 106 to form a standing wave. In the second cavity 112 isolated from the first cavity 108 across the quartz plate 110, a gas serving as a plasma source is supplied from a gas supply device (not shown) at a predetermined pressure through a gas introduction pipe 120. Will be supplied. Therefore, an electric discharge occurs in the vicinity above the substrate holder 116 on the susceptor 114, and plasma P is generated.

サセプタ114及び基板ホルダ116は、例えばモリブデン(Mo)で形成されている。サセプタ114を支持する支持部118の内部には、冷却水(破線の矢印参照)を循環させる機構を有している。また、第2キャビティ112の外壁にも、冷却水を循環させる機構(図示せず)を有している。 The susceptor 114 and the substrate holder 116 are made of, for example, molybdenum (Mo). Inside the support portion 118 that supports the susceptor 114, there is a mechanism for circulating cooling water (see the broken line arrow). Further, the outer wall of the second cavity 112 also has a mechanism (not shown) for circulating cooling water.

第2キャビティ112内に導入されるガスは、ダイヤモンドの原料ガスであり、例えば、メタン(CH)及び水素(H)がそれぞれ所定の流量で導入される。基板ホルダ116の上に単結晶ダイヤモンドの基板(図示せず)を配置すれば、その基板の上に、プラズマの炭素源の炭素が積層され、ダイヤモンドが成長する。 The gas introduced into the second cavity 112 is a raw material gas for diamond, and for example, methane (CH 4 ) and hydrogen (H 2 ) are introduced at predetermined flow rates, respectively. When a single crystal diamond substrate (not shown) is placed on the substrate holder 116, carbon as a carbon source of plasma is laminated on the substrate, and diamond grows.

ダイヤモンド製造装置100は、プラズマPの状態、及び、基板ホルダ116に配置されたダイヤモンド基板の温度を測定するための装置を備えていてもよい。プラズマPの状態を測定するための装置は、例えば、プラズマPが発する光を受光する受光素子、分光器、及び受光素子の出力信号を分光器に伝送する光ファイバを備える。受光素子の出力信号は、光ファイバを介して分光器に入力され、例えば、水素原子のスペクトルのパルマー系列のうちのHα線(波長656.28nm)、Hγ線(波長434.05nm)等の強度が測定される。ダイヤモンド基板の温度を測定するための装置は、例えば、光高温計方式のパイロメータである。 The diamond manufacturing apparatus 100 may include an apparatus for measuring the state of the plasma P and the temperature of the diamond substrate arranged in the substrate holder 116. The device for measuring the state of the plasma P includes, for example, a light receiving element that receives light emitted by the plasma P, a spectroscope, and an optical fiber that transmits an output signal of the light receiving element to the spectroscope. The output signal of the light receiving element is input to the spectroscope via an optical fiber, and for example, the intensity of the Hα ray (wavelength 656.28 nm), Hγ ray (wavelength 434.05 nm), etc. in the Palmer series of the hydrogen atom spectrum. Is measured. The device for measuring the temperature of the diamond substrate is, for example, an optical thermometer-type pyrometer.

図1のダイヤモンド製造装置100を用いたダイヤモンドの合成方法に関してより具体的に説明する。基板ホルダ116に、単結晶ダイヤモンドの基板を配置し、第2キャビティ112内の空気を排気して第2キャビティ112内を減圧し、ガス供給装置からガス導入管120を介して、原料ガスとしてメタン及び水素をそれぞれ所定の流量で第2キャビティ112内に供給し、混合ガスの圧力が所定圧力になるようにする。マイクロ波発生部102からは、所定の平均パワー(電力)でマイクロ波パルスを供給する。マイクロ波パルスは、プラズマの発光強度が、同じ環境下において、マイクロ波パルスの平均パワーと同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときのプラズマの発光強度よりも大きくなるような条件に設定される。 A method for synthesizing diamond using the diamond manufacturing apparatus 100 of FIG. 1 will be described in more detail. A single crystal diamond substrate is placed on the substrate holder 116, the air in the second cavity 112 is exhausted to reduce the pressure in the second cavity 112, and methane is used as a raw material gas from the gas supply device via the gas introduction pipe 120. And hydrogen are supplied into the second cavity 112 at a predetermined flow rate, respectively, so that the pressure of the mixed gas becomes a predetermined pressure. A microwave pulse is supplied from the microwave generation unit 102 with a predetermined average power (electric power). The microwave pulse is set under conditions such that the emission intensity of the plasma is greater than the emission intensity of the plasma when continuously supplying microwaves having the same power as the average power of the microwave pulse under the same environment. ..

このとき、プラズマPの温度は高温(約3000℃)になるので、ダイヤモンド基板が高温になり過ぎないように、所定の温度(例えば、約1000℃以下)に調整することが好ましい。 At this time, since the temperature of the plasma P becomes high (about 3000 ° C.), it is preferable to adjust the temperature to a predetermined temperature (for example, about 1000 ° C. or lower) so that the diamond substrate does not become too high.

これにより、基板の上に単結晶ダイヤモンドが、後述するように連続のマイクロ波を供給する場合よりも大きい合成速度で合成される。このとき、プラズマのガスの温度は、連続のマイクロ波を供給する場合よりも低く、基板温度を低く制御することが比較的容易になり、高品質のダイヤモンドが合成される。 As a result, single crystal diamond is synthesized on the substrate at a higher synthesis rate than when continuous microwaves are supplied as described later. At this time, the temperature of the plasma gas is lower than that in the case of supplying continuous microwaves, the substrate temperature can be relatively easily controlled to be low, and high-quality diamond is synthesized.

上記では、マイクロ波パルスの発生にパルス電源122を用いてマイクロ波発生部102を作動させる場合を説明したが、これに限定されない。例えば、通常の電源を用いてマイクロ波発生部102を連続作動させて、連続的に出力されるマイクロ波を、高速のスイッチ素子等によりゲートして、図2に示したマイクロ波パルスを導波管104に出力するようにしてもよい。 In the above, the case where the microwave generation unit 102 is operated by using the pulse power supply 122 to generate the microwave pulse has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the microwave generator 102 is continuously operated by using a normal power source, the continuously output microwave is gated by a high-speed switch element or the like, and the microwave pulse shown in FIG. 2 is guided. The output may be made to the tube 104.

上記では、炭素源ガスがメタンの場合を説明したが、これに限定されず、炭化水素ガスであればよい。 In the above, the case where the carbon source gas is methane has been described, but the present invention is not limited to this, and any hydrocarbon gas may be used.

上記では、単結晶ダイヤモンド基板の上に単結晶ダイヤモンドを合成する場合を説明したが、これに限定されない。単結晶ダイヤモンド基板の代わりに、ケイ素等の異種材料であってもよい。その場合には、多結晶のダイヤモンドが合成される。 In the above, the case where the single crystal diamond is synthesized on the single crystal diamond substrate has been described, but the present invention is not limited to this. Instead of the single crystal diamond substrate, a different material such as silicon may be used. In that case, polycrystalline diamond is synthesized.

以下に実験結果を示し、本発明の第1の実施の形態の有効性を示す。実験には、コーンズテクノロジー株式会社製のマイクロ波プラズマCVD装置AX5200を用いた。マイクロ波パルスを発生するために、マイクロ波プラズマCVD装置のマグネトロンをパルス電源で駆動した。 The experimental results are shown below, and the effectiveness of the first embodiment of the present invention is shown. A microwave plasma CVD apparatus AX5200 manufactured by Cornes Technology Co., Ltd. was used for the experiment. In order to generate a microwave pulse, the magnetron of the microwave plasma CVD apparatus was driven by a pulse power source.

キャビティ内のステージ(サセプタ)上に直径2インチ(約5cm)の基板ホルダを設置し、その中央にダイヤモンドの単結晶基板を配置した。ガスの圧力は90torr(約12kPa)とし、水素を流量500sccmでキャビティ内に供給した。その状態で、ON時間及びOFF時間を設定して、パワーの平均値が2.6〜3kWの範囲のマイクロ波パルスを連続して供給し、プラズマ発光分光を行なった。 A substrate holder having a diameter of 2 inches (about 5 cm) was placed on a stage (susceptor) in the cavity, and a diamond single crystal substrate was placed in the center thereof. The pressure of the gas was 90 torr (about 12 kPa), and hydrogen was supplied into the cavity at a flow rate of 500 sccm. In that state, the ON time and the OFF time were set, and microwave pulses having an average power value in the range of 2.6 to 3 kW were continuously supplied, and plasma emission spectroscopy was performed.

各条件でのダイヤモンド合成中における発光強度の測定値を、両対数グラフにマップした結果を図3に示す。図3において、横軸及び縦軸はそれぞれ、マイクロ波パルスのON時間及びOFF時間(何れもミリ秒単位)である。eで10のべき乗を表し、e−3及びe+3はそれぞれ10−3及び10+3を意味する。 FIG. 3 shows the results of mapping the measured values of the emission intensity during diamond synthesis under each condition on a log-log graph. In FIG. 3, the horizontal axis and the vertical axis are the ON time and the OFF time (both in milliseconds) of the microwave pulse, respectively. It represents a power of 10 e, e-3 and e + 3 means 10 -3 and 10 + 3, respectively.

マッピングされた四角形は、各実験に対応し、その色(明度)は発光強度(任意単位)を表す。観測された940〜2600カウントの間の発光強度を、等間隔(332カウント)に区分し、5種類の色(明度)を割当てている。図3では、便宜上、異なる明度を異なるパターンで表している。発光強度は、ダイヤモンドの合成速度の目安にできる。即ち、発光強度が大きい(明度が高い)ことは、合成速度が大きいことを表し、発光強度が小さい(明度が低い)ことは、合成速度が小さいことを表す。符号CWを付した矢印は、連続のマイクロ波を使用した場合の発光強度を表し、その値は“1260”である。 The mapped rectangle corresponds to each experiment, and its color (brightness) represents the emission intensity (arbitrary unit). The observed emission intensity between 940 and 2600 counts is divided into equal intervals (332 counts), and five kinds of colors (brightness) are assigned. In FIG. 3, for convenience, different brightnesses are represented by different patterns. The emission intensity can be used as a guide for the synthesis rate of diamond. That is, a large emission intensity (high brightness) indicates a high synthesis rate, and a low emission intensity (low brightness) indicates a low synthesis rate. The arrow with the symbol CW represents the emission intensity when continuous microwaves are used, and the value thereof is “1260”.

図3のマップの左上隅の斜線を付した領域は、ON時間が非常に短く、OFF時間が非常に長い領域であり、この領域では安定なプラズマが生成されにくい。また、図3のマップの右下隅の斜線を付した領域は、ON時間が非常に長く、OFF時間が非常に短い領域であり、この領域のパルス条件は連続波に近い。 The shaded area in the upper left corner of the map of FIG. 3 is a region where the ON time is very short and the OFF time is very long, and it is difficult to generate stable plasma in this region. Further, the shaded area in the lower right corner of the map of FIG. 3 is a region where the ON time is very long and the OFF time is very short, and the pulse condition in this region is close to a continuous wave.

図3から、マイクロ波パルスのON時間(Ton)及びOFF時間(Toff)を共に1msec未満にすると、高い発光強度が得られることが判る。また、パルス幅を短くし過ぎると、逆に発光強度が下がることも判る。 From FIG. 3, it can be seen that when both the ON time (Ton) and the OFF time (Toff) of the microwave pulse are set to less than 1 msec, high emission intensity can be obtained. It can also be seen that if the pulse width is made too short, the emission intensity will decrease.

Ton及びToffが共に0.1msecよりも小さい場合は、全ての場合においてCWの場合よりも大きな発光強度が得られた。Ton及びToffが共に0.01msecよりも小さくなると、CWの場合よりも発光強度が大きいものの、より高い発光強度はそれよりも長いパルス幅で得られることが判る。 When both Ton and Toff were smaller than 0.1 msec, a larger emission intensity than that of CW was obtained in all cases. It can be seen that when both Ton and Toff are smaller than 0.01 msec, the emission intensity is higher than that in the case of CW, but higher emission intensity can be obtained with a longer pulse width.

実施例1と同じ構成で、水素に加えてメタンをキャビティ内に供給し、ダイヤモンド合成を行なった。ガスの圧力は90torr(約12kPa)とし、メタン及び水素の流量はそれぞれ25sccm及び500sccmとした。その状態で、ON時間及びOFF時間がそれぞれ0.008msec及び0.01msecであり、平均値2.7kWのマイクロ波パルスを、4.5時間連続して供給し、単結晶基板上へのダイヤモンド合成を行なった。 With the same configuration as in Example 1, methane was supplied into the cavity in addition to hydrogen to perform diamond synthesis. The gas pressure was 90 torr (about 12 kPa) and the flow rates of methane and hydrogen were 25 sccm and 500 sccm, respectively. In that state, the ON time and the OFF time are 0.008 msec and 0.01 msec, respectively, and a microwave pulse having an average value of 2.7 kW is continuously supplied for 4.5 hours to synthesize diamond on a single crystal substrate. Was done.

ダイヤモンド合成中の基板温度が高温になり過ぎず、所望の温度になるように、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。ダイヤモンド合成中の基板温度は、光高温計方式のパイロメータを用いて非接触で測定した。ダイヤモンド合成中の基板温度は930℃であった。 The thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted so that the substrate temperature during diamond synthesis did not become too high and became a desired temperature. The substrate temperature during diamond synthesis was measured non-contact using a pyrometer-type pyrometer. The substrate temperature during diamond synthesis was 930 ° C.

合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は32μmであり、1時間当たりの合成速度は約7μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 32 μm, and the synthesis rate per hour was about 7 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

実施例2と同じ構成で、条件を変えてダイヤモンドの合成を行なった。マイクロ波パルスのON時間及びOFF時間は、それぞれ0.058msec及び0.025msecとし、マイクロ波パワーの平均値は2.5kWとした。メタン及び水素に加えて、窒素を0.02sccmで供給し、マイクロ波パルスを5.1時間連続して供給した。それ以外の条件は、実施例2と同じとした。 Diamonds were synthesized with the same configuration as in Example 2 under different conditions. The ON time and OFF time of the microwave pulse were 0.058 msec and 0.025 msec, respectively, and the average value of the microwave power was 2.5 kW. In addition to methane and hydrogen, nitrogen was fed at 0.02 sccm and microwave pulses were fed continuously for 5.1 hours. Other conditions were the same as in Example 2.

実施例2と同様に、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。パイロメータを用いて非接触で測定した、ダイヤモンド合成中の基板温度は1050℃であった。合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は65μmであり、合成速度は約13μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 Similar to Example 2, the thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted. The substrate temperature during diamond synthesis, measured non-contact with a pyrometer, was 1050 ° C. The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 65 μm, and the synthesis rate was about 13 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

作製されたダイヤモンド結晶のレーザ顕微鏡写真を図5に示す。図5において黒い粒のように写っているものは、結晶の異常成長部分である。異常成長は、{100}面上に成長した結晶中の{100}以外の配向(例えば{111})の粒子を示す。異常成長が存在するダイヤモンド結晶を用いてデバイス等を作製した場合、電気的特性が劣化する原因となるので、異常成長は少ないことが好ましい。 A laser micrograph of the produced diamond crystal is shown in FIG. What appears like black grains in FIG. 5 is an abnormally grown portion of the crystal. Abnormal growth indicates particles having an orientation other than {100} (for example, {111}) in the crystal grown on the {100} plane. When a device or the like is manufactured using a diamond crystal having abnormal growth, it causes deterioration of electrical characteristics, so it is preferable that the abnormal growth is small.

なお、実施例3で使用した基板は、公知の方法(特許5382742号明細書参照)で、所定のオフ角を有する種結晶から作製されたものである。即ち、種結晶の一方の面にイオン注入し、表面近傍にイオン注入層を形成した後、その上に気相合成法(マイクロ波プラズマCVD)によって単結晶ダイヤモンドを成長させ、成長させたダイヤモンドをイオン注入層の部分で分離し、ダイヤモンド合成の基板とした。 The substrate used in Example 3 was produced from a seed crystal having a predetermined off-angle by a known method (see Patent No. 5382742). That is, after ion implantation is performed on one surface of the seed crystal to form an ion implantation layer near the surface, a single crystal diamond is grown on the ion-implanted layer by a vapor phase synthesis method (microwave plasma CVD), and the grown diamond is grown. It was separated at the ion-implanted layer to form a diamond-synthesized substrate.

実施例2と同じ構成で、窒素を供給しなかった以外は、実施例3と同じ条件でダイヤモンドの合成を行なった。即ち、マイクロ波パルスのON時間及びOFF時間は、それぞれ0.058msec及び0.025msecとし、マイクロ波パワーの平均値は2.5kWとし、マイクロ波パルスを6時間連続して供給した。使用した基板は、実施例3で使用した基板の作製に使用した種結晶と同一の種結晶から、上記と同じ方法で作製したものである。 Diamond was synthesized under the same conditions as in Example 3 except that nitrogen was not supplied with the same configuration as in Example 2. That is, the ON time and the OFF time of the microwave pulse were 0.058 msec and 0.025 msec, respectively, the average value of the microwave power was 2.5 kW, and the microwave pulse was continuously supplied for 6 hours. The substrate used was prepared from the same seed crystal as the seed crystal used for producing the substrate used in Example 3 by the same method as described above.

実施例2と同様に、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。パイロメータを用いて非接触で測定した、ダイヤモンド合成中の基板温度は985℃であった。合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差から算出した合成速度は、実施例3と同じ約13μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 Similar to Example 2, the thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted. The substrate temperature during diamond synthesis, measured non-contact with a pyrometer, was 985 ° C. The synthesis rate calculated from the difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was about 13 μm / Hr, which was the same as in Example 3. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

実施例2と同じ構成で、条件を変えてダイヤモンドの合成を行なった。マイクロ波パルスのON時間及びOFF時間は、共に0.1msecとし、マイクロ波パワーの平均値は3kWとした。メタン及び水素に加えて、窒素を0.02sccmで供給した。ガス圧は120torr(約16kPa)とし、マイクロ波パルスを4時間連続して供給した。それ以外の条件は、実施例2と同じである。 Diamonds were synthesized with the same configuration as in Example 2 under different conditions. The ON time and OFF time of the microwave pulse were both 0.1 msec, and the average value of the microwave power was 3 kW. In addition to methane and hydrogen, nitrogen was supplied at 0.02 sccm. The gas pressure was 120 torr (about 16 kPa), and microwave pulses were continuously supplied for 4 hours. Other conditions are the same as in Example 2.

実施例2と同様に、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。パイロメータを用いて非接触で測定した、ダイヤモンド合成中の基板温度は1030℃であった。合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は33μmであり、合成速度は約8μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 Similar to Example 2, the thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted. The substrate temperature during diamond synthesis, measured non-contact with a pyrometer, was 1030 ° C. The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 33 μm, and the synthesis rate was about 8 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

作製されたダイヤモンド結晶のレーザ顕微鏡写真を図6に示す。図6において泡のように写っているものは、結晶の異常成長部分である。図6の倍率及び撮影領域は、図5と同じである。図6と図5とを比較すると、実施例3で作製されたダイヤモンド(図5)は、実施例5で作製されたダイヤモンド(図6)よりも、結晶の異常成長の密度が低いことが分かる。即ち、実施例3で作製されたダイヤモンドは、実施例5で作製されたダイヤモンドよりも高品質である。 A laser micrograph of the produced diamond crystal is shown in FIG. What appears like bubbles in FIG. 6 is an abnormally grown portion of the crystal. The magnification and the photographing area of FIG. 6 are the same as those of FIG. Comparing FIG. 6 and FIG. 5, it can be seen that the diamond produced in Example 3 (FIG. 5) has a lower density of abnormal crystal growth than the diamond produced in Example 5 (FIG. 6). .. That is, the diamond produced in Example 3 is of higher quality than the diamond produced in Example 5.

なお、実施例5で使用した基板は、実施例3で使用した基板の作製に使用した種結晶と同一の種結晶から、上記と同じ方法で作製したものである。したがって、実施例3及び5で合成されたダイヤモンドは、使用した基板品質の影響が少ないので、結晶の異常成長の違いは、主にマイクロ波パルスのON時間及びOFF時間の違いによるものと言える。即ち、マイクロ波パルスのON時間及びOFF時間を短くすることにより、結晶の異常成長を抑制でき、高品質の単結晶ダイヤモンドを合成できる。 The substrate used in Example 5 was prepared from the same seed crystal as the seed crystal used for producing the substrate used in Example 3 by the same method as described above. Therefore, since the diamonds synthesized in Examples 3 and 5 are less affected by the quality of the substrate used, it can be said that the difference in abnormal crystal growth is mainly due to the difference in the ON time and OFF time of the microwave pulse. That is, by shortening the ON time and OFF time of the microwave pulse, abnormal growth of crystals can be suppressed, and high-quality single crystal diamond can be synthesized.

比較例1Comparative Example 1

比較実験として、実施例2と同じ構成で、連続のマイクロ波を用いてダイヤモンド合成を行なった。 As a comparative experiment, diamond synthesis was performed using continuous microwaves with the same configuration as in Example 2.

ガス圧を120torrとし、マイクロ波パワーの平均値が3.6kWである連続のマイクロ波を4時間連続して供給した。それ以外の条件は、実施例2と同じである。 The gas pressure was 120 torr, and continuous microwaves having an average microwave power of 3.6 kW were continuously supplied for 4 hours. Other conditions are the same as in Example 2.

実施例2と同様に、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。パイロメータを用いて非接触で測定した、ダイヤモンド合成中の基板温度は970℃であった。合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は5μmであり、合成速度は約1μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 Similar to Example 2, the thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted. The substrate temperature during diamond synthesis, measured non-contact with a pyrometer, was 970 ° C. The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 5 μm, and the synthesis rate was about 1 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

比較例2Comparative Example 2

比較実験として、実施例2と同じ構成で、連続のマイクロ波を用いてダイヤモンド合成を行なった。 As a comparative experiment, diamond synthesis was performed using continuous microwaves with the same configuration as in Example 2.

マイクロ波パワーの平均値が2.5kWである連続のマイクロ波を用い、メタン及び水素に加えて、窒素を0.02sccmで供給した。マイクロ波は5.5時間連続して供給した。それ以外の条件は、実施例2と同じである。 Nitrogen was supplied at 0.02 sccm in addition to methane and hydrogen using continuous microwaves with an average microwave power of 2.5 kW. Microwaves were supplied continuously for 5.5 hours. Other conditions are the same as in Example 2.

実施例2と同様に、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。パイロメータを用いて非接触で測定した、ダイヤモンド合成中の基板温度は1040℃であった。合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は13μmであり、合成速度は約2μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図4に示す。 Similar to Example 2, the thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted. The substrate temperature during diamond synthesis, measured non-contact with a pyrometer, was 1040 ° C. The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 13 μm, and the synthesis rate was about 2 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

以上の実施例2〜5、並びに比較例1及び2に関する実験条件及び実験結果をまとめて示した図4から次のことが分かる。プラズマCVD法によるダイヤモンド合成においては、一般的に、ガスの圧力を上げるとプラズマが集中して、合成速度が大きくなる。また、一般的に、より大きいパワーでマイクロ波を供給すると、プラズマのガス温度が高くなり、ダイヤモンドの合成速度は大きくなる。これらの観点で、実施例2と比較例1とを比較すると、実施例2の方が、ガスの圧力が低く、マイクロ波のパワーが小さい(ガスの温度が低い)にもかかわらず、比較例1よりも合成速度が大きくなっている(約7倍)。したがって、図3に示した様に、発光強度が高い領域におけるON時間及びOFF時間で、マイクロ波をパルス状に供給することが、ダイヤモンドの合成速度の向上に有効であることが分かる。 The following can be seen from FIG. 4, which summarizes the experimental conditions and experimental results of Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. In diamond synthesis by the plasma CVD method, generally, when the pressure of the gas is increased, the plasma is concentrated and the synthesis rate is increased. Also, in general, when microwaves are supplied with a higher power, the gas temperature of the plasma becomes higher and the diamond synthesis rate becomes higher. From these viewpoints, when Example 2 and Comparative Example 1 are compared, in Example 2, the gas pressure is lower and the microwave power is smaller (the gas temperature is lower), but the comparative example is compared. The synthesis speed is higher than 1 (about 7 times). Therefore, as shown in FIG. 3, it can be seen that supplying microwaves in a pulse shape during the ON time and the OFF time in the region where the emission intensity is high is effective in improving the diamond synthesis rate.

マイクロ波パルスを用いた実施例3と実施例5とを比較すると、実施例3の方が、ガスの圧力が低く、マイクロ波のパワーが小さい(ガスの温度が低い)にもかかわらず、実施例5よりも合成速度が大きくなっている。したがって、図3に示した様に、発光強度が高い領域におけるマイクロ波パルスのON時間及びOFF時間は、ダイヤモンド合成においてより大きな合成速度が得られるので好ましく、その上に、図5及び図6を参照して上記で示した結晶の異常成長の観点からも、高品質の単結晶ダイヤモンドの合成に好ましいと言える。 Comparing Example 3 and Example 5 using the microwave pulse, Example 3 was carried out even though the gas pressure was lower and the microwave power was lower (the gas temperature was lower). The synthesis speed is higher than in Example 5. Therefore, as shown in FIG. 3, the ON time and OFF time of the microwave pulse in the region where the emission intensity is high are preferable because a larger synthesis rate can be obtained in diamond synthesis, and FIGS. 5 and 6 are shown on top of this. From the viewpoint of abnormal growth of the crystals shown above with reference to the above, it can be said that it is preferable for the synthesis of high-quality single crystal diamond.

一般に、プラズマCVD法によるダイヤモンドの合成において、微量の窒素を導入することにより、合成速度が大きくなることが知られている。連続のマイクロ波を用いた比較例1と比較例2とを比較すると、比較例2の方が、ガスの圧力が低く、マイクロ波のパワーが小さいにもかかわらず、窒素を導入することにより、比較例1よりも合成速度が大きくなっている(約2倍)。 In general, it is known that in the synthesis of diamond by the plasma CVD method, the synthesis rate is increased by introducing a small amount of nitrogen. Comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2 using continuous microwaves, Comparative Example 2 has a lower gas pressure and a smaller microwave power, but by introducing nitrogen, The synthesis speed is higher than that of Comparative Example 1 (about twice).

実施例2と比較例2とを比較すると、ガスの圧力、ガスの流量、及びマイクロ波パワーがほぼ同じであり、マイクロ波パルスを用いた実施例2の方が、窒素を導入した比較例2よりも合成速度が大きくなっている(約3.5倍)。即ち、窒素を導入するよりも、マイクロ波パルスを使用する方が、合成速度を向上させる効果は大きい。 Comparing Example 2 and Comparative Example 2, the gas pressure, the flow rate of the gas, and the microwave power are almost the same, and Example 2 using the microwave pulse is compared with Comparative Example 2 in which nitrogen is introduced. The synthesis speed is faster than that (about 3.5 times). That is, the effect of improving the synthesis rate is greater when using a microwave pulse than when introducing nitrogen.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態では、ダイヤモンドの合成速度をさらに増大させるために、プラズマが形成される空間内で、ダイヤモンド基板に向かう原料ガスの流れ(強制対流)を形成する。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, in order to further increase the synthesis rate of diamond, a flow of raw material gas (forced convection) toward the diamond substrate is formed in the space where the plasma is formed.

具体的には、図1に示すダイヤモンド製造装置100において、第1の実施の形態と同様に、基板ホルダ116に単結晶ダイヤモンドの基板を配置し、マイクロ波発生部102からマイクロ波パルスを供給してプラズマPを形成した状態で、第2キャビティ112内に、基板に向かう強制対流を形成する。特許文献4に記載のあるように、第2キャビティ112内に強制対流を形成するには、例えば、図1の構成において、第2キャビティ112の下部とガス導入管120との間に、排気管、ポンプ及び帰還管からなる循環経路を設ける。循環経路により、第2キャビティ112内のガスは、一旦排出された後、再度ガス導入管120から第2キャビティ112に導入される。これにより、基板に向かう原料ガスの強制対流が形成され、基板上へのダイヤモンド合成の速度を、より一層大きくすることができる。 Specifically, in the diamond manufacturing apparatus 100 shown in FIG. 1, a single crystal diamond substrate is arranged on the substrate holder 116 and microwave pulses are supplied from the microwave generating unit 102, as in the first embodiment. In the state where the plasma P is formed, a forced convection toward the substrate is formed in the second cavity 112. As described in Patent Document 4, in order to form forced convection in the second cavity 112, for example, in the configuration of FIG. 1, an exhaust pipe is provided between the lower portion of the second cavity 112 and the gas introduction pipe 120. , Provide a circulation path consisting of a pump and a return pipe. By the circulation path, the gas in the second cavity 112 is once discharged, and then introduced again from the gas introduction pipe 120 into the second cavity 112. As a result, forced convection of the raw material gas toward the substrate is formed, and the speed of diamond synthesis on the substrate can be further increased.

ガスの伝搬には、拡散及び対流(移流)があり、キャビティ132内に明らかな対流が形成される状態であれば、ダイヤモンドの合成速度を増大させることができる。対流の速度は、1,000〜20,000cm/分であることが好ましい。 Gas propagation includes diffusion and convection (advection), and the rate of diamond synthesis can be increased if obvious convection is formed in the cavity 132. The speed of convection is preferably 1,000 to 20,000 cm / min.

キャビティ内に強制対流を形成する方法は、循環経路を設ける方法に限定されない。ガス導入管120のキャビティへの接続部分の内径を小さくして、又は、特許文献5及び6のようにノズルを設けて、より速い流速でキャビティ内に原料ガスを供給してもよい。その場合にも、キャビティ内に強制対流を形成することができる。 The method of forming forced convection in the cavity is not limited to the method of providing a circulation path. The inner diameter of the connection portion of the gas introduction pipe 120 to the cavity may be reduced, or a nozzle may be provided as in Patent Documents 5 and 6 to supply the raw material gas into the cavity at a higher flow velocity. Even in that case, forced convection can be formed in the cavity.

また、図1のように、サセプタの前面(上方)からマイクロ波パルスを供給する場合に限定されない。例えば、特許文献6に開示されているように、サセプタの背面からマイクロ波パルスを供給する構成において、キャビティ内に強制対流を形成してもよい。 Further, as shown in FIG. 1, the case is not limited to the case where the microwave pulse is supplied from the front surface (upper side) of the susceptor. For example, as disclosed in Patent Document 6, forced convection may be formed in the cavity in a configuration in which microwave pulses are supplied from the back surface of the susceptor.

以下に実験結果を示し、本発明の第2の実施の形態の有効性を示す。実験には、コーンズテクノロジー株式会社製のマイクロ波プラズマCVD装置AX6500を用いた。マイクロ波パルスを発生するために、マイクロ波プラズマCVD装置のマグネトロンをパルス電源で駆動した。 The experimental results are shown below, and the effectiveness of the second embodiment of the present invention is shown. In the experiment, a microwave plasma CVD apparatus AX6500 manufactured by Cornes Technology Co., Ltd. was used. In order to generate a microwave pulse, the magnetron of the microwave plasma CVD apparatus was driven by a pulse power source.

キャビティ内への原料ガスの導入管に接続したポンプにより、原料ガスを強制的に押し流すことで、キャビティ内に強制対流を形成した。使用したポンプの容量(流量)は、100torr(約13.3kPa)において11リットル/分であった。ガス導入管のキャビティへの導入孔の径から見積った流速は、7,800cm/分であった。 Forced convection was formed in the cavity by forcibly flushing the raw material gas with a pump connected to the introduction pipe of the raw material gas into the cavity. The capacity (flow rate) of the pump used was 11 liters / minute at 100 torr (about 13.3 kPa). The flow velocity estimated from the diameter of the introduction hole of the gas introduction pipe into the cavity was 7,800 cm / min.

上記した実施例1〜5と同様に、キャビティ内のステージ(サセプタ)上に直径2インチ(約5cm)の基板ホルダを設置し、その中央にダイヤモンドの単結晶基板を配置し、ダイヤモンド合成を行なった。 Similar to Examples 1 to 5 described above, a substrate holder having a diameter of 2 inches (about 5 cm) is placed on a stage (susceptor) in the cavity, and a diamond single crystal substrate is placed in the center thereof to perform diamond synthesis. It was.

具体的には、ガスの圧力は120torr(約16kPa)とし、水素、メタン、窒素及び酸素を、それぞれ1000sccm、50sccm、0.06sccm、及び6sccmの流量でキャビティ内に供給した。酸素を供給したのは、結晶性の高いダイヤモンドを合成するためである。 Specifically, the pressure of the gas was 120 torr (about 16 kPa), and hydrogen, methane, nitrogen, and oxygen were supplied into the cavity at flow rates of 1000 sccm, 50 sccm, 0.06 sccm, and 6 sccm, respectively. Oxygen was supplied in order to synthesize highly crystalline diamond.

ON時間及びOFF時間が、それぞれ0.050msecであり、パワーの平均値が3kWのマイクロ波パルスを供給した状態で、ポンプを駆動させて、キャビティ内に強制対流を形成した。この状態を1.2時間連続して維持した。 The pump was driven to form forced convection in the cavity while the ON time and the OFF time were 0.050 msec and a microwave pulse having an average power of 3 kW was supplied. This state was maintained continuously for 1.2 hours.

ダイヤモンド合成中の基板温度が高温になり過ぎず、所望の温度になるように、基板と基板ホルダとの間の熱接触状態を調整した。ダイヤモンド合成中の基板温度は、光高温計方式のパイロメータを用いて非接触で測定した。ダイヤモンド合成中の基板温度は1070℃であった。 The thermal contact state between the substrate and the substrate holder was adjusted so that the substrate temperature during diamond synthesis did not become too high and became a desired temperature. The substrate temperature during diamond synthesis was measured non-contact using a pyrometer-type pyrometer. The substrate temperature during diamond synthesis was 1070 ° C.

合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は50μmであり、1時間当たりの合成速度は約42μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図7に示す。 The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 50 μm, and the synthesis rate per hour was about 42 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

得られた合成速度は、図4に示した各実験結果の合成速度とは、原料ガスの流量が異なるので、直接的な比較はできないが、マイクロ波パルスを使用することに加えて、キャビティ内に強制対流を形成することにより、従来の合成速度(比較例1及び2)を著しく改善できることが分かる。 The obtained synthesis rate cannot be directly compared with the synthesis rate of each experimental result shown in FIG. 4 because the flow rate of the raw material gas is different, but in addition to using the microwave pulse, in the cavity. It can be seen that the conventional synthesis rate (Comparative Examples 1 and 2) can be significantly improved by forming forced convection.

本発明における、キャビティ内に強制対流を形成することによる効果を確認するための実験を行なった。即ち、強制対流が無い点以外は実施例6と同じ条件で、単結晶基板上へのダイヤモンド合成を50時間連続して行なった。 An experiment was conducted to confirm the effect of forming forced convection in the cavity in the present invention. That is, diamond synthesis on the single crystal substrate was continuously carried out for 50 hours under the same conditions as in Example 6 except that there was no forced convection.

ダイヤモンド合成中の基板温度は、光高温計方式のパイロメータを用いて非接触で測定した。ダイヤモンド合成中の基板温度は1099℃であった。 The substrate temperature during diamond synthesis was measured non-contact using a pyrometer-type pyrometer. The substrate temperature during diamond synthesis was 1099 ° C.

合成の前後におけるダイヤモンド結晶の膜厚の差は1082μmであり、1時間当たりの合成速度は約22μm/Hrであった。合成の条件及び結果を図7に示す。 The difference in the film thickness of the diamond crystals before and after the synthesis was 1082 μm, and the synthesis rate per hour was about 22 μm / Hr. The conditions and results of the synthesis are shown in FIG.

実施例6及び7は、強制対流の有無以外の条件がほぼ同じであるので、それらの結果である合成速度を比較すれば、本発明における強制対流の効果が分かる。ダイヤモンドの合成速度は、実施例7では約22μm/Hrであるのに対して、キャビティ内に強制的に対流を形成した実施例6では、約42μm/Hrであり、約2倍の値である。したがって、本発明においてキャビティ内に強制対流を形成することは、ダイヤモンドの合成速度の面で非常に有効である。 Since the conditions other than the presence or absence of forced convection are almost the same in Examples 6 and 7, the effect of forced convection in the present invention can be understood by comparing the synthesis rates resulting from them. The synthesis rate of diamond was about 22 μm / Hr in Example 7, whereas it was about 42 μm / Hr in Example 6 in which convection was forcibly formed in the cavity, which is about twice the value. .. Therefore, in the present invention, forming forced convection in the cavity is very effective in terms of diamond synthesis rate.

なお、実施例7では、キャビティ内に強制的に対流を形成していないにも拘わらず、合成速度が、第1〜第5の実施例の合成速度よりも約2〜3倍と大きいのは、主として、ガス流量が大きいこと、又は、全ガス若しくはメタンガス流量に対する窒素流量の割合が大きいことが原因である。 In Example 7, although the convection was not forcibly formed in the cavity, the synthesis rate was about 2 to 3 times higher than that of the first to fifth examples. This is mainly due to the large gas flow rate or the large ratio of the nitrogen flow rate to the total gas or methane gas flow rate.

以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。 Although the present invention has been described above by explaining the embodiments, the above-described embodiments are examples, and the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are made. be able to.

100 ダイヤモンド製造装置
102 マイクロ波発生部
104 導波管
106 アンテナ
108 第1キャビティ
110 石英板
112 第2キャビティ
114 サセプタ
116 基板ホルダ
118 支持部
120 ガス導入管
122 パルス電源
124 制御部
100 Diamond manufacturing equipment 102 Microwave generator 104 Waveguide 106 Antenna 108 First cavity 110 Quartz plate 112 Second cavity 114 Suceptor 116 Substrate holder 118 Support 120 Gas introduction tube 122 Pulse power supply 124 Control unit

Claims (11)

原料ガスにマイクロ波パルスを供給してプラズマを発生させるマイクロ波プラズマCVD装置であって、
所定の流量及び所定の圧力で供給され、且つ水素を含む前記原料ガスに、所定の電力の前記マイクロ波パルスを供給するマイクロ波供給手段を含み、
前記マイクロ波供給手段は、前記マイクロ波パルスが供給されるときの第1の発光強度が、前記原料ガスに、前記所定の電力と同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときの第2の発光強度よりも大きくなるように、前記マイクロ波パルスを供給することができ、
前記第1の発光強度及び前記第2の発光強度は、プラズマ中の水素原子から放出されるHα線の強度を表し、
前記マイクロ波供給手段により出力される前記マイクロ波パルスの1周期におけるオン時間及びオフ時間の各々は、0.1msec未満である、マイクロ波プラズマCVD装置。
A microwave plasma CVD device that generates plasma by supplying microwave pulses to the raw material gas.
A microwave supply means for supplying the microwave pulse of a predetermined electric power to the raw material gas supplied at a predetermined flow rate and a predetermined pressure and containing hydrogen is included.
The microwave supply means has a second emission intensity when the first emission intensity when the microwave pulse is supplied supplies the raw material gas with continuous microwaves having the same electric power as the predetermined electric power. The microwave pulse can be supplied so as to be greater than the intensity.
The first emission intensity and the second emission intensity represent the intensity of Hα rays emitted from hydrogen atoms in plasma.
A microwave plasma CVD apparatus in which each of the on-time and the off-time in one cycle of the microwave pulse output by the microwave supply means is less than 0.1 msec.
前記オン時間及び前記オフ時間は、前記第1の発光強度が前記第2の発光強度よりも大きくなるように設定される、請求項1に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。 The microwave plasma CVD apparatus according to claim 1, wherein the on-time and the off-time are set so that the first emission intensity is larger than the second emission intensity. 前記オン時間は0.1msec未満であり、且つ、前記オフ時間は、0.01msec以上0.1msec未満である、又は、
前記オン時間は、0.01msec以上0.1msec未満であり、且つ、前記オフ時間は、0.1msec未満である、請求項2に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。
The on-time is 0. 1msec less der is, and the off time is less than or 0.01Msec 0.1 msec, or,
The microwave plasma CVD apparatus according to claim 2, wherein the on-time is 0.01 msec or more and less than 0.1 msec, and the off-time is less than 0.1 msec .
前記原料ガスとして炭素源及び水素の混合ガスを供給するガス供給手段をさらに含む、請求項1から3の何れか1項に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。 The microwave plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising a gas supply means for supplying a mixed gas of a carbon source and hydrogen as the raw material gas. 前記ガス供給手段は、前記混合ガスに加えて窒素ガスを供給し、
前記マイクロ波供給手段は、前記窒素ガスを含む前記混合ガスに前記マイクロ波パルスを供給する、請求項4に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。
The gas supply means supplies nitrogen gas in addition to the mixed gas,
The microwave plasma CVD apparatus according to claim 4, wherein the microwave supply means supplies the microwave pulse to the mixed gas containing the nitrogen gas.
前記炭素源は、炭化水素ガスである、請求項4又は5に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。 The microwave plasma CVD apparatus according to claim 4 or 5, wherein the carbon source is a hydrocarbon gas. 前記原料ガスに前記マイクロ波パルスを供給するときに、前記プラズマが形成される領域に前記原料ガスの流れを形成し得る強制対流形成手段をさらに含む、請求項1から6の何れかに記載のマイクロ波プラズマCVD装置。 The method according to any one of claims 1 to 6, further comprising a forced convection forming means capable of forming a flow of the raw material gas in a region where the plasma is formed when the microwave pulse is supplied to the raw material gas. Microwave plasma CVD equipment. 前記プラズマが形成される反応容器をさらに含み、
前記強制対流形成手段は、前記原料ガスを、前記反応容器の一端から排出した後、前記反応容器の他端から前記反応容器に戻す循環手段を含む、請求項7に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。
Further comprising a reaction vessel on which the plasma is formed
The microwave plasma CVD apparatus according to claim 7, wherein the forced convection forming means includes a circulation means for discharging the raw material gas from one end of the reaction vessel and then returning the raw material gas to the reaction vessel from the other end of the reaction vessel. ..
単結晶ダイヤモンド基板を前記プラズマに晒し、前記単結晶ダイヤモンド基板の上にダイヤモンドを合成させる、請求項1から8の何れか1項に記載のマイクロ波プラズマCVD装置。 The microwave plasma CVD apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the single crystal diamond substrate is exposed to the plasma and diamond is synthesized on the single crystal diamond substrate. マイクロ波プラズマCVD装置を用いたダイヤモンドの合成方法であって、
水素を含む原料ガスを、所定の流量及び所定の圧力で、基板に供給するステップと、
前記原料ガスに所定の電力のマイクロ波パルスを供給してプラズマを発生させ、前記基板上にダイヤモンドを成長させるステップとを含み、
前記ダイヤモンドを成長させる前記ステップにおいて、前記マイクロ波パルスが供給されるときの第1の発光強度が、前記原料ガスに、前記所定の電力と同じ電力の連続のマイクロ波を供給するときの第2の発光強度よりも大きくなるように、前記マイクロ波パルスを供給し、
前記第1の発光強度及び前記第2の発光強度は、プラズマ中の水素原子から放出されるHα線の強度を表し、
記マイクロ波パルスの1周期におけるオン時間及びオフ時間の各々は、0.1msec未満である、ダイヤモンド合成方法。
A diamond synthesis method using a microwave plasma CVD apparatus.
A step of supplying a raw material gas containing hydrogen to a substrate at a predetermined flow rate and a predetermined pressure.
A step of supplying a microwave pulse of a predetermined electric power to the raw material gas to generate plasma and growing diamond on the substrate is included.
In the step of growing the diamond, the first emission intensity when the microwave pulse is supplied is the second when the raw material gas is supplied with continuous microwaves having the same power as the predetermined power. The microwave pulse is supplied so as to be larger than the emission intensity of
The first emission intensity and the second emission intensity represent the intensity of Hα rays emitted from hydrogen atoms in plasma.
Each of the on-time and off-time in one cycle before Symbol microwave pulse is less than 0.1 msec, a method for synthesizing diamond.
前記ダイヤモンドを成長させる前記ステップを実行中に、前記基板に向かう前記原料ガスの流れを形成するステップをさらに含む、請求項10に記載のダイヤモンド合成方法。 The diamond synthesis method according to claim 10, further comprising the step of forming a flow of the raw material gas toward the substrate while performing the step of growing the diamond.
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