JPH01239090A - Method for thermal plasma vapor-phase synthesis of diamond and apparatus therefor - Google Patents
Method for thermal plasma vapor-phase synthesis of diamond and apparatus thereforInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔概 要］
本発明は、ダイヤモンドを気相合成する方法及び装置に
関し、
成膜速度の高いダイヤモンドの気相合成法を提供するこ
とを目的とし、
陽極および陰極を有する熱プラズマ発生装置に、ガスを
供給し、電極間の直流アーク放電によってこのガスをラ
ジカル化して熱プラズマとし、生じ。[Detailed Description of the Invention] [Summary] The present invention relates to a method and apparatus for vapor phase synthesis of diamond, and an object of the present invention is to provide a method for vapor phase synthesis of diamond with a high film formation rate. Gas is supplied to a thermal plasma generator, and the gas is radicalized by direct current arc discharge between the electrodes to form thermal plasma.
た熱プラズマをプラズマジェットとして、トーチ先端の
ノズルから噴出させ、このプラズマジェットに冷却ガス
を吹きつけ、熱プラズマを急冷させ、プラズマジェット
に供給される気相成長用原料化合物のラジカル化により
生ずるラジカル生成物を少なくとも含みラジカルの濃度
が高く活性な非平衡プラズマを生成し、この非平衡プラ
ズマに基板を接触させ、基板上に熱プラズマ化学気相成
長（ＣＶＤ）ダイヤモンド膜を気相成長させるように構
成する。The heated plasma is ejected as a plasma jet from the nozzle at the tip of the torch, and a cooling gas is blown onto this plasma jet to rapidly cool the thermal plasma. An active non-equilibrium plasma containing at least a product and a high concentration of radicals is generated, a substrate is brought into contact with the non-equilibrium plasma, and a thermal plasma chemical vapor deposition (CVD) diamond film is vapor-phase grown on the substrate. Configure.
（産業上の利用分野〕
本発明は、ダイヤモンドを高い成長速度で気相合成する
方法及び装置に関する。(Industrial Application Field) The present invention relates to a method and apparatus for vapor phase synthesis of diamond at a high growth rate.
ダイヤモンドは、熱伝導率が２０００Ｗ／ｍＫであって
、銅の４倍にも相当し、しかも、硬度および絶縁性もす
ぐれており、半導体素子用のヒートシンク、回路基板の
材料として、理想的な材料である。Diamond has a thermal conductivity of 2000 W/mK, which is four times that of copper, and it also has excellent hardness and insulation properties, making it an ideal material for heat sinks for semiconductor devices and circuit boards. It is.
また、広い波長範囲にわたり透光性にすぐれており、光
学材料としてもすぐれている。さらに、ダイヤモンドは
バンドギャップが５．４５ｅＶと広く、キャリア移動度
の高い半導体でもあるので、高温トランジスタ、高速ト
ランジスタなどの高性能デバイスとしても注目されてい
る。It also has excellent translucency over a wide wavelength range, making it an excellent optical material. Furthermore, since diamond is a semiconductor with a wide band gap of 5.45 eV and high carrier mobility, it is attracting attention as a high-performance device such as high-temperature transistors and high-speed transistors.
従来、良質のダイヤモンドを気相合成する方法としては
、熱フイラメント法（Ｓ、Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ ｅｔ
ａｌ、。Conventionally, the hot filament method (S, Matsumoto et al.
al.
Ｊａｐａｎ、Ｊ、八ｐｐ１．Ｐｈｙｓ、２１（１９８１
）Ｌ１８３） 、マイクロ波プラズマＣＶＤ法（Ｍ、Ｋ
ａｍｏ ｅｔ ａｌ、、Ｊ、Ｃｒｙｓｔ、Ｇｒｏｗｔｈ
。Japan, J, 8pp1. Phys, 21 (1981
) L183), microwave plasma CVD method (M, K
amo et al., J., Crystal, Growth.
.
６２ （１９８３） ６４２）、電子線照射ＣＶＤ法（
Ａ、Ｓａｗａｂｅ ｅｔａｌ、、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、
Ｌｅｔｔ、４６（１９８５） １４６）などの気相成長
（ＣＶＤ）法がある。62 (1983) 642), electron beam irradiation CVD method (
A,Sawabe etal,,Appl,Phys,
There are chemical vapor deposition (CVD) methods such as Lett, 46 (1985) 146).
しかし、これらの製法ではダイヤモンドの成膜速度が数
μｍ／ｈ以下と低く、生産性が悪いと云う欠点があった
。また加茂らの高周波熱プラズマＣＶＤ法（応用物理学
会春季講演会１９８７年３月）は、１μｍ／ｍｉｎと高
い成膜速度を有するが、高周波により発生する熱プラズ
マは、流速が低いために基板を熱プラズマに接するよう
に配置しなくてはならない。このため、基板表面の温度
が高くなりやすく、厚い膜を作ることができない。However, these manufacturing methods have the disadvantage that the diamond film formation rate is low at several μm/h or less, resulting in poor productivity. Furthermore, the high-frequency thermal plasma CVD method of Kamo et al. (Japan Society of Applied Physics Spring Conference, March 1987) has a high film-forming rate of 1 μm/min, but the thermal plasma generated by the high frequency has a low flow rate and can damage the substrate. It must be placed in contact with the thermal plasma. Therefore, the temperature of the substrate surface tends to increase, making it impossible to form a thick film.
（発明が解決しようとする課題〕
本発明はどのような下地基板の上にでも高い成膜速度で
十分な膜厚を有し、膜質の良好なダイヤモンドを生成す
る気相合成法を提供することを目的とする。(Problems to be Solved by the Invention) The present invention provides a vapor phase synthesis method that produces diamond of sufficient film thickness and good film quality at a high film formation rate on any base substrate. With the goal.
〔課題を解決するための手段］
上記問題点は、陽極および陰極を有する熱プラズマ発生
装置に、ガスを供給し、電極間の直流アーク放電によっ
てこのガスをラジカル化して熱プラズマとし、生じた熱
プラズマをプラズマジェットとして、トーチ先端のノズ
ルから噴出させ、このプラズマジェットに冷却ガスを吹
きつけ、熱プラズマを急冷させ、プラズマジェットに供
給される気相成長用原料化合物のラジカル化により生ず
るラジカル生成物を少くとも含みラジカルの濃度が高く
活性な非平衡プラズマを生成し、この非平衡プラズマに
基板を接触させ、基板上に熱プラズマ化学気相成長（Ｃ
ＶＤ）膜を気相成長させることを特徴とする熱プラズマ
気相合成方法及び熱プラズマジェット噴出用ノズルを開
口し、放電ガス導入管を有する包囲体からなる、第１の
極性の電極形成体と、該包囲体の内部に該ノズルに対向
して位置する、他の極性の電極形成体と、該第１の極性
の電極形成体と該他の極性の電極形成体間に直流電圧を
印加する直流電源及び導線を含む電源供給系とを有し、
直流電圧が印加された電極間に該放電ガス導入管よりガ
スを供給し、電極間の直流アーク放電によって該ガスを
熱プラズマとし、生じた熱プラズマをプラズマジェット
として該ノズルから噴出させる直流プラズマトーチと、
該プラズマジェットへ気体の気相成長用原料化合物を供
給する原料ガス供給系と、
該プラズマジェットに冷却ガスを吹きつけ、熱プラズマ
を急冷させ、プラズマジェットに供給される気相成長用
原料化合物のラジカル化により生ずるラジカル生成物を
少なくとも含み、ラジカルの濃度が高く活性な非平衡プ
ラズマを生成せしめる該プラズマトーチの該ノズルに近
接して配置された冷却ガス噴出口を有する冷却ガス供給
系を含む非平衡プラズマ生成手段と、
上記非平衡プラズマ中に基板を支持し、該基板上に熱プ
ラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）膜を気相成長させる基板
支持機構とを有することを特徴とする熱プラズマ気相合
成装置により達成される。[Means for solving the problem] The above problem is solved by supplying gas to a thermal plasma generator having an anode and a cathode, and converting the gas into radicals by direct current arc discharge between the electrodes to form a thermal plasma. The plasma is ejected from the nozzle at the tip of the torch as a plasma jet, and a cooling gas is blown onto this plasma jet to rapidly cool the thermal plasma. Radical products are generated by radicalization of the raw material compound for vapor phase growth supplied to the plasma jet. An active non-equilibrium plasma containing at least a high concentration of radicals is generated, a substrate is brought into contact with this non-equilibrium plasma, and thermal plasma chemical vapor deposition (C
VD) A thermal plasma vapor phase synthesis method characterized by growing a film in a vapor phase; , applying a DC voltage between an electrode formation body of another polarity located inside the enclosure and facing the nozzle, and the electrode formation body of the first polarity and the electrode formation body of another polarity. It has a power supply system including a DC power source and a conductor,
A DC plasma torch that supplies gas from the discharge gas introduction tube between electrodes to which a DC voltage is applied, turns the gas into thermal plasma by DC arc discharge between the electrodes, and ejects the generated thermal plasma from the nozzle as a plasma jet. and,
a raw material gas supply system for supplying a gaseous raw material compound for vapor phase growth to the plasma jet; and a raw material gas supply system for supplying a gaseous raw material compound for vapor phase growth to the plasma jet; A non-equilibrium gas supply system having a cooling gas outlet disposed in close proximity to the nozzle of the plasma torch, which generates an active non-equilibrium plasma with a high concentration of radicals and which contains at least radical products generated by radicalization. A thermal plasma vapor deposition system characterized by having an equilibrium plasma generation means and a substrate support mechanism for supporting a substrate in the non-equilibrium plasma and growing a thermal plasma chemical vapor deposition (CVD) film on the substrate in vapor phase. Achieved by a phase synthesizer.
〔作 用］
ＣＶＤ法によるダイヤモンドの合成は、炭素化合物、た
とえばメタン、アセチレン、アルコール、アセトンなど
と、水素との混合ガスを分解して活性化し、ダイヤモン
ドの気相成長に適する温度、すなわち４００〜１５００
’Ｃの基板上に、ダイヤモンドを成長させる方法である
。ダイヤモンドの合成では、気相中の水素原子、メチル
基などの活性種が重要な働きをしていると言われており
、ダイヤモンドの成長速度を高めるためには、このよう
な活性種の密度の高いプラズマを作り、基板表面に供給
すれば良い。[Function] Synthesis of diamond by the CVD method involves decomposing and activating a mixed gas of carbon compounds such as methane, acetylene, alcohol, acetone, etc. and hydrogen, at a temperature suitable for vapor phase growth of diamond, that is, 400 to 400 ℃. 1500
This is a method of growing diamond on a 'C substrate. In the synthesis of diamond, active species such as hydrogen atoms and methyl groups in the gas phase are said to play an important role.In order to increase the growth rate of diamond, it is necessary to increase the density of these active species. All you have to do is create a high-temperature plasma and supply it to the substrate surface.
ガス分子の解離度が高く、極めて活性度の高いプラズマ
としては、プラズマ中のイオン、電子、中性粒子など各
化学種の温度がほぼ等しく、その温度が５０００ Ｋ以
上の熱プラズマが知られている。A plasma with a high degree of dissociation of gas molecules and an extremely high level of activity is known as a thermal plasma in which the temperature of each chemical species such as ions, electrons, and neutral particles in the plasma is approximately equal, and the temperature is 5000 K or higher. There is.
水素分子の解離反応
Ｈｚ ＃ ２Ｈ
の平衡定数に−（ＰＨ）２／ＰＨ２の温度変化によれば
５０００ Ｋにおいては、はとんどすべての水素分子が
水素原子に解離している。According to the equilibrium constant of hydrogen molecule dissociation reaction Hz #2H and the temperature change of -(PH)2/PH2, at 5000 K, almost all hydrogen molecules are dissociated into hydrogen atoms.
前述の如く、ダイヤモンドを高い速度で気相合成させる
には、水素原子や炭化水素ラジカル等の活性種を高い密
度で基板上に供給させなければならない。このような高
いラジカル濃度は熱プラズマを発生させることによりえ
られるが、熱プラズマはその温度が５０００°Ｃ以上と
高いため、そのまま基板上に供給することはできない。As mentioned above, in order to synthesize diamond at a high rate in the vapor phase, active species such as hydrogen atoms and hydrocarbon radicals must be supplied onto the substrate at a high density. Such a high radical concentration can be obtained by generating thermal plasma, but since the temperature of thermal plasma is as high as 5000° C. or more, it cannot be directly supplied onto the substrate.
そこで熱プラズマを急冷させ、高温での高いガス解離率
をそのまま凍結させた、低温でも高いラジカル濃度を有
する非平衡プラズマを基板上に供給させるという考えの
ちとに、ＤＣプラズマジェットＣＶＤ法を本発明者は特
願昭６２−８３３１８号に提案した。この方法は、ＤＣ
アーク放電により発生させた熱プラズマをプラズマジェ
ットとして水冷基板にぶつけることにより熱プラズマを
急冷させ、基板上にダイヤモンドを高速合成させる方法
である。この方法では８０μｍ／ｈという極めて高い製
膜速度が得られている。ただこの方法では、熱プラズマ
の急冷効果を上げるために、基板を十分に冷却しなくて
はならずそのため、基板に対しての制約が強かった。Therefore, we developed the DC plasma jet CVD method based on the idea of rapidly cooling the thermal plasma, freezing the high gas dissociation rate at high temperatures, and supplying a non-equilibrium plasma with a high radical concentration even at low temperatures onto the substrate. proposed in Japanese Patent Application No. 83318/1983. This method
This method rapidly cools the thermal plasma by impinging the thermal plasma generated by arc discharge on a water-cooled substrate as a plasma jet, and rapidly synthesizes diamond on the substrate. With this method, an extremely high film forming rate of 80 μm/h has been obtained. However, in this method, the substrate had to be sufficiently cooled in order to increase the effect of rapidly cooling the thermal plasma, which placed strong restrictions on the substrate.
本発明では、熱プラズマを象、冷させる手段として、熱
プラズマジェットを、冷却された基板に衝突させて急冷
するのではなく、プラズマジェットにガスを吹きつける
方法（ガス冷却法）を用いる。In the present invention, as a means for cooling thermal plasma, a method of blowing gas onto the plasma jet (gas cooling method) is used instead of colliding a thermal plasma jet with a cooled substrate to rapidly cool it.
本発明のこの方法は、プラズマジェットと室温程度のガ
スを強制的に混合させることにより、瞬間的に熱プラズ
マを冷却させるので、基板とはまったく無関係に、非平
衡プラズマを作り出すことができる。したがって、この
非平衡プラズマ中に被処理物を、ダイヤモンドが生成可
能な温度になるように調整して保持しておくだけで、そ
の表面にダイヤモンドを高速で合成させることができる
。This method of the present invention instantly cools the thermal plasma by forcibly mixing the plasma jet with a gas at about room temperature, so that a non-equilibrium plasma can be created completely independent of the substrate. Therefore, diamond can be synthesized on the surface of a workpiece at high speed simply by adjusting and holding the workpiece in this non-equilibrium plasma at a temperature at which diamond can be generated.
第１図は、本発明のガス冷却を用いたＤＣプラズマジェ
ットＣＶＤ法でのダイヤモンド合成の原理図である。
（１）は陰極、 （２）は陽極、（３）は放電ガス、（
４）はノズル、 （５）はプラズマジェット、（６）は
冷却ガス噴出口、（７）は冷却ガス、 （８）は基板、
（９）はダイヤモンド膜、（１０）はアーク電源、（１
１）はアーク、（１２）は非平衡プラズマである。プラ
ズマトーチ１３としては第１図（ｂ）の単極、第１図（
ｃ）の多極を有するもの等を用いることができる。FIG. 1 is a diagram showing the principle of diamond synthesis by the DC plasma jet CVD method using gas cooling according to the present invention.
(1) is the cathode, (2) is the anode, (3) is the discharge gas, (
4) is a nozzle, (5) is a plasma jet, (6) is a cooling gas outlet, (7) is a cooling gas, (8) is a substrate,
(9) is a diamond film, (10) is an arc power source, (1
1) is an arc, and (12) is a non-equilibrium plasma. As the plasma torch 13, the monopole shown in FIG. 1(b), the monopole shown in FIG.
c) having multiple poles can be used.
水素ガスと炭素化合物ガスからなる放電ガス（３）を流
しながら、陰極（１）、陽極（２）間に直流電圧を印加
し、アーク放電（１１）をおこすことにより、放電ガス
は急激に加熱され、ノズル（４）付近で５０００°Ｃ以
上の熱プラズマとなる。この際、急激な温度上昇による
体積膨張により、熱プラズマは超音速のプラズマジェッ
ト （５）となり、ノズル（４）から噴出する。While flowing a discharge gas (3) consisting of hydrogen gas and carbon compound gas, a DC voltage is applied between the cathode (1) and the anode (2) to cause an arc discharge (11), thereby rapidly heating the discharge gas. , and becomes a thermal plasma of 5000°C or more near the nozzle (4). At this time, the thermal plasma becomes a supersonic plasma jet (5) due to the volume expansion caused by the rapid temperature rise, and is ejected from the nozzle (4).
このプラズマジェット （５）に冷却ガス（７）として
水素ガスを勢い良く吹きつけ強制混合させることにより
、熱プラズマを象、冷させ、非平衡プラズマ（１２）を
発生させる。この非平衡プラズマ（１２）中に基板（８
）を置くと、寿命の短い水素原子などの活性種が消滅す
る前に基板上で反応してその表面にダイヤモンド膜（９
）が成長する。第２図および第３図に、冷却ガスを流さ
ない場合と、流した場合のプラズマジェットを示す。第
３図のガス冷却を行った場合では、プラズマジェットの
長さが極めて短くなっており、熱プラズマが急冷されて
いることがわかる。By vigorously blowing hydrogen gas as a cooling gas (7) into this plasma jet (5) and forcibly mixing it, the thermal plasma is cooled and a non-equilibrium plasma (12) is generated. The substrate (8) is placed in this non-equilibrium plasma (12).
), active species such as short-lived hydrogen atoms react on the substrate before they disappear, forming a diamond film (9
) grows. FIGS. 2 and 3 show plasma jets with and without cooling gas flow. In the case of gas cooling shown in FIG. 3, the length of the plasma jet is extremely short, indicating that the thermal plasma is rapidly cooled.
このように本発明では、これまでのＤＣプラズマジェッ
）ＣＶＤ法にくらべ、基板とまったく無関係に熱プラズ
マを急冷できるため、基板にたいする制約がなく、どの
ような基板上にでもダイヤモンドを高速に成長させるこ
とができる。As described above, in the present invention, compared to the conventional DC plasma jet CVD method, the thermal plasma can be rapidly cooled completely independent of the substrate, so there is no restriction on the substrate, and diamond can be grown at high speed on any substrate. be able to.
本発明において、原料ガスとしては、炭素化合物であれ
ば、どのようなものでもかまわないが、炭化水素、また
は分子内に酸素、窒素もしくはハロゲンを含む炭化水素
またはハロゲン化炭素が好ましい。In the present invention, the raw material gas may be any carbon compound, but hydrocarbons, hydrocarbons containing oxygen, nitrogen, or halogen in the molecule, or halogenated carbons are preferred.
放電ガスの水素および原料ガスの炭素化合物の他にアル
ゴン、ヘリウムなどの不活性ガスを混合して、アーク放
電の安定性を向上させることができる。この場合、成膜
速度は低下するが、膜の表面の均一性が高まる利点があ
る。The stability of arc discharge can be improved by mixing an inert gas such as argon or helium in addition to the hydrogen of the discharge gas and the carbon compound of the raw material gas. In this case, although the film formation rate decreases, there is an advantage that the uniformity of the surface of the film increases.
また酸素、水、過酸化水素、−酸化炭素などの酸化性ガ
スを少量混合して、非ダイヤモンド炭素をエツチングし
て除去する効果を高めることができる。Furthermore, the effect of etching and removing non-diamond carbon can be enhanced by mixing a small amount of oxidizing gas such as oxygen, water, hydrogen peroxide, and carbon oxide.
放電ガスとして、イオン化ポテンシャルが高く、放電し
にくい水素を用いるため、電極材としては、耐熱性が高
いものが良い。希土類元素酸化物たとえば酸化ランタン
、酸化イツトリウム、酸化セリウムなどを添加したタン
グステンが電極材として、すくれている。さらに電極か
らの不純物混入をきらう場合は、高純度の炭素電極を用
いると良い。Since hydrogen, which has a high ionization potential and is difficult to discharge, is used as the discharge gas, the electrode material should preferably have high heat resistance. Tungsten to which rare earth element oxides such as lanthanum oxide, yttrium oxide, and cerium oxide are added is used as an electrode material. Furthermore, if contamination with impurities from the electrode is to be avoided, it is preferable to use a high-purity carbon electrode.
（実施例〕
第４図は本発明を実施するガス冷却ＤＣプラズマジェッ
トＣＶＤ法によ、るダイヤモンド合成装置を示す図で、
（１３）はプラズマトーチ、（１４）は放電ガス供給管
、（１５）は冷却ガス供給管、（１０）はアーク電源、
（１６）はトーチ用冷却水配管、（１７）は基板ホルダ
、（１８）は基板、（１９）は真空チャンバ、（２０）
は排気系、（２１）はトーチマニュブレーク、（２２）
は流量計、（２３）はガスボンベ、（２４）は冷却ガス
噴出口、（２５）は基十反マニュブレータである。(Example) FIG. 4 is a diagram showing a diamond synthesis apparatus using the gas-cooled DC plasma jet CVD method for implementing the present invention.
(13) is a plasma torch, (14) is a discharge gas supply pipe, (15) is a cooling gas supply pipe, (10) is an arc power supply,
(16) is the torch cooling water pipe, (17) is the substrate holder, (18) is the substrate, (19) is the vacuum chamber, (20)
is the exhaust system, (21) is the torch manipulator brake, (22)
is a flow meter, (23) is a gas cylinder, (24) is a cooling gas outlet, and (25) is a base manubrator.
プラズマトーチ（１３）は陽極２、陰極１ともに、２重
量％酸化イツトリウム添加タングステン製で水冷構造と
なっている。プラズマトーチ１３および基板ホルダ１７
は、それぞれマニュブレーク２１．２５により、位置と
向きをコントロールできるため、大面積の基板や複雑な
表面形状の被処理物の上にも均一にダイヤモンド膜を成
長させることができる。また、第４図には示していない
が、基板ホルダ１７は基板温度を制御するために基板加
熱用ヒータや水冷機構が取りつけられても良い。The plasma torch (13) has an anode 2 and a cathode 1 both made of tungsten doped with 2% by weight of yttrium oxide and has a water-cooled structure. Plasma torch 13 and substrate holder 17
Since the position and direction of the diamond film can be controlled using the manubrakes 21 and 25, it is possible to uniformly grow a diamond film even on a large-area substrate or a workpiece with a complicated surface shape. Further, although not shown in FIG. 4, the substrate holder 17 may be equipped with a heater for heating the substrate or a water cooling mechanism in order to control the temperature of the substrate.
〔実施例 １］
基板８として５ Ｘ ５ Ｘ ０．２ ｍｍのＳｉウェ
ハを用い、真空チャンバ１９内を２ Ｘ １０−３Ｔｏ
ｒｒまで排気後、放電ガスとして水素を１ｋｇ／ｃＴＭ
の圧力で２０ｊ２／ｍｉｎ。[Example 1] A 5 x 5 x 0.2 mm Si wafer was used as the substrate 8, and the inside of the vacuum chamber 19 was 2 x 10-3 To
After exhausting to rr, 1kg/cTM of hydrogen is used as discharge gas.
at a pressure of 20j2/min.
メタンを１ｋｇ／ｃｆｆｌの圧力で８０ｍ／ｍｉｎの流
量で両極間に流し冷却ガスとして水素を１ ｋｇ ／
ＣＴ１１の圧力で２０ｊ２／ｍｉｎ流し、真空チャンバ
内の圧力を２００Ｔｏｒｒに保持し′た。冷却ガス供給
管１５から供給される冷却ガスは、トーチノズル４の３
ｍ下に設置した４本の冷却ガス噴出口２４からプラズマ
ジェット５にむけて噴出された。定電流アーク電源１０
より、１０Ａの電流をトーチ１３の両極１．２間に流し
、電圧が一定になるまで約５分、保持した。この時の電
圧は６５Ｖであった。基板ホルダ１７をゆっくりｌ・−
チ１３のノズル４に近づけ、ノズル−基板間距離を５
ｍｍで固定し、この状態で１０分間製膜を行った。Methane was flowed between the two electrodes at a pressure of 1 kg/cffl and a flow rate of 80 m/min, and hydrogen was used as a cooling gas at a rate of 1 kg/cffl.
The flow rate was 20j2/min at the pressure of CT11, and the pressure inside the vacuum chamber was maintained at 200 Torr. The cooling gas supplied from the cooling gas supply pipe 15 is supplied to three of the torch nozzles 4.
The cooling gas was ejected toward the plasma jet 5 from four cooling gas ejection ports 24 installed below m. Constant current arc power supply 10
Then, a current of 10 A was passed between both poles 1.2 of the torch 13, and the current was maintained for about 5 minutes until the voltage became constant. The voltage at this time was 65V. Slowly press the board holder 17 l・-
13, and the distance between the nozzle and the substrate is 5.
It was fixed at mm, and film formation was performed in this state for 10 minutes.
そしてできたダイヤモンドを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）
、Ｘ線回折、ラマン分光、硬度測定により評価したとこ
ろ、厚さ約２０μｍの良質のダイヤモンド膜が基板上に
成長していた。The resulting diamond was then examined using a scanning electron microscope (SEM).
As a result of evaluation by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, and hardness measurement, a diamond film of good quality with a thickness of about 20 μm was grown on the substrate.
上記実施例で、熱プラズマを象、冷させ、ラジカルの濃
度が高く活性な非平衡プラズマを生成せしめる手段とし
て、熱プラズマジェットに４本の冷却ガス噴出口からプ
ラズマにむけて冷却ガスを吹付ける例を挙げたが、プラ
ズマジェットの軸中心に向け、円周方向から冷却ガスを
噴出してもよい。In the above embodiment, cooling gas is blown toward the plasma from four cooling gas outlets in the thermal plasma jet as a means of cooling the thermal plasma and generating active non-equilibrium plasma with a high concentration of radicals. Although the example has been given, the cooling gas may be ejected from the circumferential direction toward the axial center of the plasma jet.
なお温度分布、あるいはラジカル濃度に分布を持たせた
いような場合プラズマジェットに対し一方向からのみ冷
却ガスを噴出させてもよい。Note that when it is desired to have a distribution in temperature distribution or radical concentration, cooling gas may be ejected from only one direction with respect to the plasma jet.
本発明のガス冷却ＤＣプラズマジェッｌ−ＣＶＤ法によ
れば、これまでのＤＣプラズマジェットＣＶＤ法にくら
べ、基板とまったく無関係に熱プラズマを急冷できるた
め、基板にたいする制約がなく、どのような１４反上に
でもダイヤモンドを１００μｍ／ｈ程度の速い製膜速度
で良質のダイヤモンドを、基板の冷却なしに形成させる
ことができ、ダイヤモンドなどの気相合成法では合成困
難な物質のコーティングの応用範囲を大幅に広げること
ができる。According to the gas-cooled DC plasma gel-CVD method of the present invention, compared to the conventional DC plasma jet CVD method, thermal plasma can be rapidly cooled completely independent of the substrate, so there is no restriction on the substrate and any 14 reaction times can be used. High-quality diamond can be formed even on top of the substrate at a fast deposition rate of about 100 μm/h without cooling the substrate, greatly expanding the range of applications for coating materials such as diamond that are difficult to synthesize using vapor phase synthesis methods. can be expanded to
第１図（ａ）は本発明のＤＣプラズマ気相合成法の原理
図、第１図（ｔ））、第１図（Ｃ）はプラズマＩ・−チ
の断面図、第２図はプラズマジェット冷却ガスを流さな
いＤＣプラズマ気相合成法によるプラズマジェットの状
態を示す図、第３図は本発明のＤＣプラズマ気相合成法
によるプラズマジェットの状態を示す図、第４図は本発
明のガス冷却ＤＣプラズマジェット気相合成装置を示す
図、である。
１・・・陰極、 ２・・・陽極、３・・・放
電ガス、 ４・・・トーチのノズル、５・・・プ
ラズマジェット、
６・・・冷却ガス噴出口、７・・・冷却ガス、８．１８
・・・基板、 ９・・・ダイヤモンド膜、１０・・
・アーク電源、 １１・・・アーク、１２・・・非平
衡プラズマ、１３・・・プラズマトーチ、１４・・・放
電ガス供給管、１５・・・冷却ガス供給管、１６・・・
トーチ用冷却水配管、
１７・・・基板ホルダ、 １９・・・真空チャンバ、
２０・・・排気系、
２１・・・トーチマニュブレータ、
２２・・・流量計、 ２３・・・ガス供給系、２
４・・・冷却ガス噴出口、２５・・・基板マニエブレー
ク。
（ｂ） （ｃ）
２・・・陽極 ８．・・被処理基板３・
・・放電ガス ９・・・ダイヤモンド膜４
−−− ／ ！ ／′ＩＱ・・・アーク電源５・・・プ
ラズマジェット １１・・・アーク６・・冷却ガス
噴出口 １２・・・非平衡プラズマプラズマジェ
ット冷却ガスを流さない場合第２図
プラズマジェット冷却ガスを流しだ場合第３図Figure 1 (a) is a principle diagram of the DC plasma vapor phase synthesis method of the present invention, Figure 1 (t)), Figure 1 (C) is a cross-sectional view of plasma I--H, and Figure 2 is a plasma jet A diagram showing the state of a plasma jet produced by the DC plasma vapor phase synthesis method without flowing a cooling gas, FIG. 3 is a diagram showing the state of the plasma jet produced by the DC plasma vapor phase synthesis method of the present invention, and FIG. 4 shows the state of the plasma jet produced by the DC plasma vapor phase synthesis method of the present invention. 1 is a diagram showing a cooled DC plasma jet vapor phase synthesis apparatus. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Cathode, 2... Anode, 3... Discharge gas, 4... Torch nozzle, 5... Plasma jet, 6... Cooling gas spout, 7... Cooling gas, 8.18
...Substrate, 9...Diamond film, 10...
- Arc power supply, 11... Arc, 12... Non-equilibrium plasma, 13... Plasma torch, 14... Discharge gas supply pipe, 15... Cooling gas supply pipe, 16...
Cooling water piping for torch, 17... Substrate holder, 19... Vacuum chamber,
20... Exhaust system, 21... Torch manipulator, 22... Flow meter, 23... Gas supply system, 2
4...Cooling gas outlet, 25...Board mannie break. (b) (c) 2... Anode 8.・Substrate to be processed 3・
...Discharge gas 9...Diamond film 4
−−− / ! /'IQ...Arc power source 5...Plasma jet 11...Arc 6...Cooling gas outlet 12...Non-equilibrium plasma Plasma jet When cooling gas is not flowed Fig. 2 Plasma jet cooling gas is flowed If so, Figure 3
Claims (1)
てこのガスをラジカル化して熱プラズマとし、生じた熱
プラズマをプラズマジェットとして、トーチ先端のノズ
ルから噴出させ、このプラズマジェットに冷却ガスを吹
きつけ、熱プラズマを急冷させ、プラズマジェットに供
給される気体炭素化合物のラジカル化により生ずるラジ
カル生成物を少なくとも含みラジカルの濃度が高く活性
な非平衡プラズマを生成し、この非平衡プラズマに基板
を接触させ、基板上に熱プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ
）ダイヤモンド膜を気相成長させることを特徴とするダ
イヤモンド熱プラズマ気相合成方法。 ２、上記ガスもしくは上記冷却ガスまたはその両方に水
素を含む特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３、ダイヤモンドの炭素源となる原料気体を炭素化合物
とし、上記ガスまたは上記冷却ガスとしてプラズマジェ
ット中に供給する特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４、炭素化合物が炭化水素または分子内に酸素、窒素も
しくはハロゲンを含む炭化水素である特許請求の範囲第
１項記載の方法。 ５、上記ガスが不活性ガスおよび／または酸化性ガスを
さらに含む特許請求の範囲第１項記載の方法。 ６、電極から噴出する熱プラズマジェットに不活性ガス
および／または酸化性ガスを供給する、特許請求の範囲
第１〜５項のいずれか１項に記載の方法。 ７、不活性ガスがアルゴンまたはヘリウムである特許請
求の範囲第５項または第６項記載の方法。 ８、酸化性ガスが酸素、水、過酸化水素または一酸化炭
素である特許請求の範囲第５項または第６項記載の方法
。 ９、陽極および陰極を有する熱プラズマ発生装置の電極
間に水素および気体の原料化合物を含むガスを供給する
特許請求の範囲第１〜８項のいずれか１項に記載の方法
。 １０、陽極および陰極を有する熱プラズマ発生装置の電
極間に、水素を含むガスを供給し、電極間から噴出する
熱プラズマジェットに気体の原料炭素化合物を含むガス
を供給する特許請求の範囲第１〜８項のいずれか１項に
記載の方法。 １１、炭素電極または希土類元素酸化物を含むタングス
テン電極を電極として、直流アーク放電させる、特許請
求の範囲第９項又は第１０項のいずれか１項に記載の方
法。 １２、熱プラズマジェット噴出用ノズルを開口し、放電
ガス導入管より供給されたガスを放電によって熱プラズ
マとし、生じた熱プラズマをプラズマジェットとして該
ノズルから噴出させるプラズマトーチと、 該プラズマジェットへ気体の気相成長用炭素化合物を供
給する原料ガス供給系と、 該プラズマジェットに冷却ガスを吹きつけ、熱プラズマ
を急冷させ、プラズマジェットに供給される気相成長用
炭素化合物のラジカル化により生ずるラジカル生成物を
少なくとも含み、ラジカルの濃度が高く活性な非平衡プ
ラズマを生成せしめる該プラズマトーチの該ノズルに近
接して配置された冷却ガス噴出口を有する冷却ガス供給
系を含む非平衡プラズマ生成手段と、 上記非平衡プラズマ中に基板を支持し、該基板上に熱プ
ラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）ダイヤモンド膜を気相成
長させる基板支持機構とを有することを特徴とするダイ
ヤモンドの熱プラズマ気相合成装置。[Claims] 1. Gas is supplied to a thermal plasma generator, the gas is radicalized by electric discharge to form thermal plasma, and the generated thermal plasma is ejected from a nozzle at the tip of a torch as a plasma jet. A cooling gas is blown onto the jet to rapidly cool the thermal plasma, and an active non-equilibrium plasma with a high concentration of radicals containing at least radical products generated by radicalization of the gaseous carbon compound supplied to the plasma jet is generated. The substrate is brought into contact with an equilibrium plasma, and thermal plasma chemical vapor deposition (CVD) is applied onto the substrate.
) A diamond thermal plasma vapor phase synthesis method characterized by vapor phase growth of a diamond film. 2. The method according to claim 1, wherein the gas, the cooling gas, or both contain hydrogen. 3. The method according to claim 1, wherein a carbon compound is used as the raw material gas serving as a carbon source for diamond, and is supplied into the plasma jet as the gas or the cooling gas. 4. The method according to claim 1, wherein the carbon compound is a hydrocarbon or a hydrocarbon containing oxygen, nitrogen, or halogen in the molecule. 5. The method according to claim 1, wherein the gas further contains an inert gas and/or an oxidizing gas. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein an inert gas and/or an oxidizing gas is supplied to the thermal plasma jet ejected from the electrode. 7. The method according to claim 5 or 6, wherein the inert gas is argon or helium. 8. The method according to claim 5 or 6, wherein the oxidizing gas is oxygen, water, hydrogen peroxide, or carbon monoxide. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein a gas containing hydrogen and a gaseous raw material compound is supplied between the electrodes of a thermal plasma generator having an anode and a cathode. 10. Supplying a gas containing hydrogen between the electrodes of a thermal plasma generator having an anode and a cathode, and supplying the gas containing a gaseous raw material carbon compound to a thermal plasma jet ejected from between the electrodes.Claim 1 The method according to any one of items 1 to 8. 11. The method according to claim 9 or 10, wherein DC arc discharge is performed using a carbon electrode or a tungsten electrode containing a rare earth element oxide as an electrode. 12. A plasma torch that opens a thermal plasma jet ejection nozzle, turns gas supplied from a discharge gas introduction tube into thermal plasma by discharge, and ejects the generated thermal plasma from the nozzle as a plasma jet; a raw material gas supply system for supplying a carbon compound for vapor phase growth; Non-equilibrium plasma generation means including a cooling gas supply system having a cooling gas outlet disposed close to the nozzle of the plasma torch, which generates an active nonequilibrium plasma containing at least a product and having a high concentration of radicals; , a substrate support mechanism for supporting a substrate in the non-equilibrium plasma and growing a thermal plasma chemical vapor deposition (CVD) diamond film on the substrate in vapor phase. Device.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP6363288A JPH01239090A (en) | 1988-03-18 | 1988-03-18 | Method for thermal plasma vapor-phase synthesis of diamond and apparatus therefor |
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-
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- 1988-03-18 JP JP6363288A patent/JPH01239090A/en active Pending
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