JPH02263791A - ダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents

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〕 マイクロ波プラズマ化学気相成長法により形成するダ・
イヤモンド膜に関し、 被処理基板上に平滑性の優れたダイヤモンド膜を形成す
ることを目的とし、 表面に酸化膜を有する被処理基板上にダイヤモンドの薄
膜を成長させる際に、予め水素プラズマにより被処理基
板上の酸化膜を還元除去した後、低圧合成法により膜成
長を行うことによりダイヤモンド膜の製造方法を構成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は被処理基板上への平滑性の優れたダイヤモンド
膜の製造方法に関する。

ダイヤモンドは炭素（Ｃ）の同素体であり、所謂るダイ
ヤモンド構造を示し、モース（Ｍｏｈｓ）硬度１０と大
きく、また熱伝導度は２０００Ｗ／ｍＫと他の物質に較
べて格段に優れている。

そこで、この特性を利用して各種の用途が開発されてい
る。

すなわち、熱伝導度の高いのを利用してＬＳＩ、ＶＬＳ
ｌあるいはレーザなど半導体素子のヒートシンク（Ｈｅ
ａｔ−ｓｉｎｋ）の構成材として着目されている。

また、硬度の高いのを利用してドリルの刃やバイトに使
用することが考えられており、タングステン・カーバイ
）　（ＷＣ）など高硬度な焼結合金からなるこれら工具
の上に被覆して使用することが試みられている。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドの合成法としては高圧合成法と低圧合成法
が知られている。

こ−で、高圧合成法は比較的サイズの大きな単結晶を育
成するのに適した方法ではあるが、装置が大掛かりであ
り、成長速度も著しく遅く、そのためコストが高くつく
と云う問題がある。

これに対し、低圧合成法にはマイクロ波プラズマ化学気
相成長法（略してマイクロ波プラズマＣｖＤ法）やプラ
ズマジェットＣ￥Ｄ法などがあり、成長速度が前者に較
べて著しく速く、被処理基板上に微結晶の形で成膜でき
る点に特徴がある。

第１図は低圧合成法を代表するマイクロ波プラズマＣＶ
Ｄを行う装置の構成を示すものである。

すなわち、反応管１は石英よりなり、装置の中央に置か
れ、反応ガスは反応管１の上部に設けられている導入口
２より供給され、図示を省略した排気系に繋がる排気口
３より排出される。

一方、マイクロ波導波管４は反応管１の中央に面して直
角に配置されており、反応管１の反対側にはプランジャ
５があり、この位置を調節することによりマイクロ波導
波管４から伝播して（るマイクロ波を反射して反応管１
の中の所定位置に定在波を立たせることができる。

また、マククロ波導波管４の前方で反応管１の中央には
支持棒６に支えられて窒化硼素（ＢＮ）などマイクロ波
を吸収しない耐熱材料からなる基板ホルダー７があり、
この上に被処理基板８が裁置されている。

なお、反応管ｌはこの周囲に水冷ジャケット９を備える
冷却構造をとっており、また上部にはプリズム１０があ
り、ビューポー［・１１を通して被処理基板８を観察で
きるよう構成されている。

次に、か＼る装置を用いて被処理基板８の上にダイヤモ
ンド膜を成長せしめるには、排気系を動作させて充分に
真空排気した状態で導入口２よりメタン（ＣＨ４）など
の反応ガスを導入すると共にマイクロ波導波管４からマ
イクロ波を出射し、プランジャ５の位置を調節して被処
理基板８の直−ヒに定在波を立たセるようにする。

このようにすると被処理基板８がマイクロ波の吸収体で
あれば、マイクロ波を吸収して温度上昇し、また反応ガ
スもこのエネルギーを吸収して温度上昇し、プラズマ化
すると共に分解することにより被処理基板８の上にダイ
ヤモンド膜の成長が行われる。

然し、この方法を用いてダイヤモンド膜を成長させる場
合に被処理基板の種類が限られており、また被処理基板
の表面に傷が存在しなければ容易に成長しないと云う問
題がある。

すなわち、実験の結果、ダイヤモンド膜が成長できる金
属はシリコン（Ｓｔ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン
（Ｗ）１モリブデン（Ｍｏ）などの金属またはこれらの
炭化物か白金（Ｐｔ）などに限られている。

また、か−る−金属を用いても表面に傷が存在しなけれ
ばダイヤモンドが仲々成長しないと云う問題がある。

そのため、表面にダイヤモンドなどで微少な傷をつけた
被処理基板上にダイヤモンド膜を成長させているが、表
面の平滑性が著しく悪いので用途が限定されていた。

〔発明が解決しようとする課題］ 以上記したように低圧合成法を使用すると特定種類の被
処理基板の上にダイヤモンド膜を成長させることができ
る。

然し、被処理基板上に傷が存在しないとダイヤモンドの
成長が起こりにく＼、また傷の存在のために平坦性が著
しく悪いことが用途が限定される原因となっている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の課題は表面に酸化膜を有する被処理基板上にダイ
ヤモンドの薄膜を成長させる際に、予め水素プラズマに
より被処理基板上の酸化膜を還元除去した後、低圧合成
法により膜成長を行うことにより解決することができる
。

〔作用〕

Ｓｉ、Ｔｉ、Ｗ、　Ｍｏおよびこの炭化物のような特定
の材料からなる被処理基板の上にしかダイヤモンドの成
長が生じない理由は明確ではないが、恐らくプラズマＣ
ＶＤ中にこれらの金属或いは非金属の炭化物が生じ、こ
れが核となってダイヤモンドの成長が起こると考えられ
る。

それにしても、ＣＶＤ法や真空薄着法などにより通常の
膜形成を行う際の核の発生密度は１０”個〜１０′２個
／　ｃｍ”であるのに対し、ダイヤモンドの場合は１０
７〜１０’個／　ｃｍ”と少なく、そのために被処理基
板に傷を設けて核の発生を助ける処理が必要となる。

例えば、反応ガスとしてメタン（ＣＨａ）を例にとれば
、プラズマ化することにより・ＣＨ３（ＣＨ３ラジカル
）と・Ｈ（）１ラジカル）を生じ、これは被処理基板に
衝突して基板面上を運動し、複数個の・ＣＨ３が結合し
て核を形成しようとするが、仲々有効な結合が生じない
。

一方、傷が存在すると・ＣＨ３の自由な運動が妨げられ
、その結果、有効な結合が生じやすく結晶核となると考
えられる。

発明者はＳｉ、Ｔｉ、Ｗ、　Ｍｏなどの金属は表面に酸
化皮膜（不動態皮膜）をもって安定した状態にあること
から、この酸化皮膜を除去して金属の表面エネルギーが
高い状態にしておけば、・ＣＩ（３などのラジカルを吸
着し易くなり、有効な核発生源になると考えた。

すなわち、金属表面に存在する多数のダングリングボン
ド（口ａｎｇｌｉｎｇ−ｂｏｎｄ）によりラジカルが捕
獲されると考えた。

そして、被処理基板上に存在する酸化皮膜を水素プラズ
マで除去した後、ダイヤモンドの低圧合成を行った結果
、被処理基板に傷をっけなくともダイヤモンド膜の膜形
成が可能になった。

〔実施例〕

第１図に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置を用い、被
処理基板にＳｉウェハを用いてダイヤモンド膜の成長を
行った。

すなわち、被処理基板８として（１１１）面を基板面と
する単結晶Ｓｉを用い、これをＢＮ焼結体からなる基板
ホルダー７の上におき、支持棒６を調節してマイクロ波
導波管４の中心軸より１ｃｍ下に位置決めした。

次に、反応ガスとしてはＣ）１．とＨ２を用い、流量比
は０．５　　：１００とした。

先ず、排気系を動作させた状態でＨ２ガスだけを８０　
ＳＣＣＭの条件でマイクロ波を投入し、プランジャ５を
調節して被処理基板（Ｓｉ３板）８の中央表面の位置に
プラズマを発生させた。

イ このとき、マタクロ波発生装置の出力は６００　Ｗとし
、装置内のガス圧は３０　Ｔｏｒｒに保った。

この状態を３０分保持して被処理基板８の酸化皮膜を除
去し、次にＨ，ガスに０．４５ＣＣＨのＣ１１，を添加
した。

なお、このプラズマＣＶＤを通じ被処理基板８はマイク
ロ波により約８５０°Ｃに上昇していた。

この条件で１０時間に亙ってプラズマＣＶＤを打つた結
果、厚さが４．２μｍで表面が平滑で鏡状をしたダイヤ
モンド膜を得ることができ、この膜厚の面内変動は膜厚
の０．３％にしか過ぎなかった。

次に、この膜をＸ線回折およびラマン散乱分光法で調べ
たところ、グラファイトや無定形炭素を含まない良質の
ダイヤモンド膜であることを確認できた。

〔発明の効果〕

本発明によれば、鏡面に近い平滑なダイヤモンドを約０
．４２μｍ／時の成膜速度で得ることができ、ヒートシ
ンクなど各種の用途に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイクロ波プラズマＣＶＤ装置の構成図である
。 図において、 １は反応管、　　　　　　４はマイクロ波導波管、５は
プランジャ　　　　　７は基板ホルダー８は被処理基板
、 である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面に酸化膜を有する被処理基板上にダイヤモンドの
   薄膜を成長させる際に、予め水素プラズマにより被処理
   基板上の酸化膜を還元除去した後、低圧合成法により膜
   成長を行うことを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法
   。