JPH01305896A

JPH01305896A - ダイヤモンド気相合成方法

Info

Publication number: JPH01305896A
Application number: JP13452388A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurihara; 和明栗原; Kenichi Sasaki; 謙一佐々木; Motonobu Kawarada; 河原田　元信; Nagaaki Etsuno; 越野　長明
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-06-02
Filing date: 1988-06-02
Publication date: 1989-12-11
Anticipated expiration: 2012-08-27
Also published as: JP2646438B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔概　要〕ダイヤモンド気相合成方法に係り特にグロー−アーク移
行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気相合成方法
に関し、高純度のダイヤモンドを安定に気相合成させる方法を提
供することを目的とし、プラズマ化学気相成長装置の陰極（１）、陽極（２）間
に放電ガス（３）を供給しながら放電させることにより
生ずるプラズマジェット（５）中に、ガス状炭素化合物
（６）を導入して該炭素化合物（６）をラジカル化し、
該ラジカル化したプラズマジェット（５）を被処理基板
（７）に衝突させて該被処理基板（７）上にダイヤモン
ド薄膜（８）を形成するダイヤモンド化学気相成長方法
において、前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電流
が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低いグロー−ア
ーク移行領域放電とすることを構成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明はダイヤモンド気相合成方法に係り特にグロー−
アーク移行領域のプラズマを利用するダイヤモンド気相
合成方法に関する。

ダイヤモンド膜は、熱伝導率が２０００Ｗ／ｍＫと銅の
４倍にも相当し、しかも硬度、絶糧性もすぐれており、
半導体用のヒートシンク、回路基板材料として、理想的
な材料である。また、広い波長範囲で透光性にすぐれて
おり、光学材料としてすぐれている。さらに、ダイヤモ
ンドは、バンドギャップが５，４ｅＶと広く、キャリア
移動度の高い半導体でもあり高温トランジスタ、高速ト
ランジスタ等の高性能デバイスとしても注目されている
。

〔従来の技術及び解決しようとする課題〕ダイヤモンド
を高い成長速度で合成させる方法としては、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
して基板に衝突させ熱プラズマを急冷させて、基板上に
ダイヤモンドを成長させる方法が知られている。

この方法では、電極間でアーク放電をおこすため、５０
００℃以上の温度のアークプラズマが発生し電極材が融
は出し不純物としてプラズマ中に混入してしまい、合成
されたダイヤモンドの純度を低下させた。また、電極の
消耗による電極形状の変化により、アーク放電状態が不
安定に変化するため、安定にダイヤモンドを合成するこ
とができなかった。

本発明は、上記の問題点を解決し、高純度のダイヤモン
ドを安定に気相合成させる方法を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は本発明によれば、プラズマ化学気相成長装置
の陰極（１）、陽極（２）間に放電ガス（３）を供給し
ながら放電させることにより生ずるプラズマジェット　
（５）中に、ガス状炭素化合物（６）を導入して該炭素
化合物（６）をラジカル化し、該ラジカル化したプラズ
マジェット（５）を被処理基板（７）に衝突させて該被
処理基板（７）上にダイヤモンド薄膜（８）を形成する
ダイヤモンド化学気相成長方法において、前記放電ガス
（３）の放電条件をアーク放電よりも電流が少なく、熱
プラズマよりもガス温度の低いグロー−アーク移行領域
放電とすることを特徴とするダイヤモンド気相合成方法
によって解決される。

〔作　用〕

すなわち、本発明によれば、電極間の放電をアーク放電
よりも電流が少なく、熱プラズマよりもガス温度の低い
放電（グロー−アーク移行領域）がなされるため電極表
面温度を電極材料、例えばタングステンの融点（３３５
０℃）以下とすることが可能となり電極材料がプラズマ
ジェット中に混入することが防止される。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係るＤＣプラズマジェットＣＶＤ法を
用いたダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式
断面図である。

第１図において、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は原料ガス、７
は基板、８はダイヤモンド膜、９は電源、１０はグロー
アーク移行領域の放電プラズマである。

放電ガス３と原料ガス６として水素ガスと炭素化合物ガ
スの混合ガスを流しながら、陰極１と陽極２間に直流電
圧を印加しグロー−アーク移行領域の放電１０をおこす
ことにより放電ガスは加熱され体積膨張により、ノズル
４よりプラズマジェット５となって噴出する。このプラ
ズマジェットを基板にぶつけ急冷させ、基板７上にダイ
ヤモンド膜８を析出させる。

グロー−アーク移行領域の放電をおこすためには電極間
のガス圧を１０〜数１００　Ｔｏｒｒ、好ましくは１０
〜３００　Ｔｏｒｒに保ち、放電電圧を数１００〜数１
０００Ｖにする必要がある。また、電極が溶けないよう
に水冷することが望ましい。

電極間距離としては、従来のアーク放電の場合の２〜３
ｍｍよりも長い５〜２０ｍｍが好ましく８〜１２ｍｍが
より好ましい。

本発明において、原料ガス炭素源としては炭素化合物で
あればよいが、Ｃｌ４４　　、Ｃ２Ｈ４等の炭化水素や
、アルコール、アセトン、ＣＣＡ’、等の分子内に０、
Ｎ１ハロゲン等を含む有機物が好ましい。

放電ガスに、Ａｒ　、ｔ（ｅ等の不活性ガスを混合して
もかまわない。この場合、プラズマの安定性はさらに向
上するが、製膜速度は低下する。

また、放電ガスに非晶質炭素等の非ダイヤモンド炭素の
エツチング効果を上げるため、０□、Ｎ２０゜Ｈ，０゜
、ｃｏ、ｃｏ□等の酸化性ガスを少量混合させてもかま
わない。

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く、
安定した放電を発生させやすいものが良い、酸化ランタ
ン、酸化イツトリウム、酸化セリウム等を添加したタン
グステンが電極材としてすぐれている。

第２図は本発明に係る改良型ＤＣプラズマジェッ）ＣＶ
Ｄ法を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図で
、１３はプラズマトーチ、１４は放電ガス供給管、１５
は電源、１６は、トーチ用冷却水配管、１７は水冷基板
ホルダ、１８は基板、１９は真空チャンバ２０は排気系
、２１はトーチマニコプレーク、２２は流量計、２３は
ガスボンベ、２４は基板マニュプレークである。

プラズマトーチ１３は陽極、陰極ともに、２ｗｔ％酸化
イ酸化イツトリウム添加タングステ水製構造となってい
る。電極の構成は、図１のごとくで、陰極は５＋ｎｍφ
、陽極の内径は１５ａ＋ｍφ、放電部の長さは３＋ｎｍ
である。プラズマトーチおよび基板ホルダは、それぞれ
マニコプレークにより、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。

〔実施例１〕基板として５　Ｘ　５　ｘ　Ｏ，２ｍｍのＳｉ　ウェハ
を用い、チャンバ内を２　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒまで排
気後、放電ガスとして水素を１ｋｇ／ｃｒｌの圧力で２
０　Ｒ／ｍｉｎ　。

メタンを１ｋｇ／ｃ＋＋Ｉの圧力でＱ、　５　Ｉｔ　／
ｍｉｎ流し、チャンバ内の圧力を１５０Ｔｏｒｒに保持
した。

定電流電源より、２Ａの電流をトーチに流し、電圧が一
定になるまで約５分、保持した。この時の電圧は１．５
ｋＶであった。基板をゆっくりトーチに近イけ、ノズル
−基板間距離を５　ｍｍで固定し、この状態で１時間製
膜を行った。

できたダイヤモンドをＸ線回折、ラマン分光、硬度測定
により評価したところ、Ｘ線回折やラマン分光ではダイ
ヤモンドのみのピークが検出され、ビッカース硬度は荷
重５００ｇで約１ｏｏｏｏと天然ダイヤモンドと同等の
値であった。また、ダイヤモンドの膜厚は約２００角で
あり、製膜速度は２０（ｌｐＭ／ｈであった。

ダイヤモンド合成時の電源電圧の変動は本実施例では約
２％であり、従来の方法の約２０％に対し、大幅に安定
性が向上した。

また、できたダイヤモンド膜をＳＩＭＳ　（二次イオン
質量分析計）で組成分析したところ、Ｃの他に若干のＨ
と０が検出されたのみで、電極材のタングステンは検出
されなかった。従来法でできたダイヤモンドでは、約１
１００ｐｐのタングステンが検出されており、この方法
では極めて純度の高いダイヤモンドを得ることができた
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、２００Ｍ　／ｈ程
度の速い製膜速度で極めて純度の高い良質のダイヤモン
ド膜を合成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るＤＣプラズマジェットＣＶＤ法を
用いたダイヤモンド気相合成方法を説明するための模式
断面図であり、第２図は本発明に係る改良型ＤＣプラズマジェットＣＶ
Ｄ法を実施するためのダイヤモンド合成装置の模式図で
ある。 ■・・・陰極、　　　　　　　２・・・陽極、３・・・
放電ガス、　　　　　４・・・ノズノペ５・・・プラズ
マジェット、６・・・原料ガス、７．１８・・・基板、
　　　８・・・ダイヤモンド膜、９．１５・・・電源、１０・・・グロー−アーク移行領の放電プラズマ、１３
・・・プラズマトーチ、１４・・・放電ガス供給管、１
６・・・トーチ用冷却水配管、１７・・・水冷基板ホルダー、１９・・・真空チャンバ、２０・・・トーチマニュプレータ、２２・・・流ｆｆｌ計、２３・・・ガスボンベ、２４・
・・基板マニニブレーク。

Claims

【特許請求の範囲】１、プラズマ化学気相成長装置の陰極（１）と陽極（２
）間に放電ガス（３）を供給しながら放電させることに
より生ずるプラズマジェット（５）中に、ガス状炭素化
合物（６）を導入して該炭素化合物（６）をラジカル化
し、該ラジカル化したプラズマジェット（５）を被処理
基板（７）に衝突させて該被処理基板（７）上にダイヤ
モンド薄膜（８）を形成するダイヤモンド化学気相成長
方法において、前記放電ガス（３）の放電条件をアーク放電よりも電流
が少なく、且つ熱プラズマよりもガス温度の低いグロー
−アーク移行領域放電とすることを特徴とするダイヤモ
ンド気相合成方法。