JPH0226895A - ダイヤモンド気相合成方法及びその装置 - 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〕 ダイヤモンドの気相合成方法およびその装置に係り、特
に基板を冷却させることなく高速でダイヤモンド膜を成
長させる方法およびその装置に関し、 ダイヤモンド膜をどのような下地の上にでも約１０−／
ｈ以上の速さで高速に成長させうる方法および装置を提
供することを目的とし、熱プラズマ発生装置に、水素お
よび気体の炭素化合物を含むガスを供給し、高周波誘導
によるアーク放電により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ることにより、該
熱プラズマを急冷させて、ラジカルの濃度が高く活性な
非平衡プラズマを生成し、該非平衡プラズマに被処理基
板を接触せしめて被処理基板上にダイヤモンドを高速に
成長させ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の気相合成方法およびその装置に
係り、特に基板を冷却させることなく高速でダイヤモン
ド膜を成長させる方法およびその装置に関する。

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、絶縁性もすくれており、
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
。

Ｃ従来の技術〕 従来、良質のダイヤモンドを気相合成する方法として化
学気相成長法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ、　ＣＶＤ法）があるが、製膜速度が数
ｔｒｍ／ｈと遅いという欠点があった。

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℃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。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、ＲＦプ
ラズマジェットＣＶＤ法 が発明された。この方法は、高周波誘導放電により発生
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
１０１Ｍ／ｈ以上の極めて高い製膜速度が得られている
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記ＲＦプラズマジェットＣＶＤ法では、基板表面温度
をダイヤモンド生成温度の上限（約１３００℃）以下に
保ちながら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。すなわち、基板としては熱伝導率が
高く、薄いものしか使用できなかった。

本発明は、ダイヤモンド膜をどのような下地の上にでも
約１０廂／ｈ以上の速さで高速に成長させうる方法およ
び装置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熱プラズマ発生装置に、水素
および気体の炭素化合物を含むガスを供給し、高周波誘
導によるアーク放電により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ることにより、
該熱プラズマを急冷させて、ラジカルの濃度が高く活性
な非平衡プラズマを生成し、該非平衡プラズマに被処理
基板を接触せしめて、被処理基板上にダイヤモンドを高
速に成長させることを特徴とする、ダイヤモンドの気相
合成方法によって解決される。

更に上記課題は本発明によればプラズマトーチ（１３）
　、放電ガス供給管（１４）及び高周波電源（１６）を
具備し、真空チャンバ（１９）内の基板（１８）上に高
周波誘導プラズマトーチ）ＣＶＤ法によりダイヤモンド
を気相合成させるダイヤモンド気相合成装置において、 前記プラズマトーチ（１３）のノズル直下に、前記プラ
ズマトーチ（１３）から発生した熱プラズマを急冷させ
るための冷却ガス噴出口（２４）を設け、前記プラズマ
トーチ（１３）と、基板を支持する基板ホルダー（１９
）の位置が共に個々に調整可能であることを特徴とする
ダイヤモンド気相合成装置により解決される。

〔作　用〕

本発明では、熱プラズマを急冷させる手段として、基板
を冷却させるのではなく、プラズマジェットにガスを吹
きつける方法（ガス冷却法）を用いることが特徴である
。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。本発
明で水素はキャリアガスとしてばかりでなく、ダイヤモ
ンド生成反応において本質的な役割をしており、すなわ
ち、炭素化合物の分解反応、非ダイヤモンド炭素のエツ
チング反応のために用いられる。また、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、炭化水素や、分子内に０．Ｎ、ハロゲン等を含む有
機物が好ましい。また、原料ガスは放電ガスとしてでは
なく、冷却ガスとして導入してもかまわない。

放電ガスや冷却ガスに、計、Ｈｅ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向上
するが、製膜速度は低下する。

また、放電ガスや冷却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□、　１１
□０　、　Ｈ２０ｔ、　Ｃｏ等の酸化性ガスを少量混合
させてもかまわない。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず第１図を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明のガス冷却を用いたＲＦ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
）は高周波コイル、（２）は水冷プラズマチューブ、（
３）は放電ガス、（４）はプラズマジェット、（５）は
冷却ガス噴出口、（６）は冷却ガス、（７）は基板、（
８）はダイヤモンド膜、（９）は高周波電源、（１０）
はアーク、（１１）は非平衡プラズマ、（１２）はノズ
ルである。

水素ガスと炭化化合物ガスからなる放電ガス（３）を水
冷プラズマチューブ（２）に流し高周波誘導によりアー
ク放電（１０）をおこすことにより、放電ガスは急激に
加熱され、水冷プラズマチューブ（２）内で１００００
℃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　（４）となり、ノズル（１２）から噴出する。

このプラズマジェットに冷却ガス（６）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
ズマを急冷させ、非平衡プラズマ（１１）を発生させる
。この非平衡プラズマ中に基板（７）を置くと、その表
面にダイヤモンド膜（８）が成長する。

このように本発明では、これまでのＲＦプラズマジェッ
１−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。

第２図は本発明を実施するガス冷却ＲＦプラズマジェッ
トＣＶＤ法によるダイヤモンド合成装置の模式図であり
、図中（１３）はプラズマトーチ、（１４）は放電ガス
供給管、（１５）高周波電源、（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、（２ｏ）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
板マニュプレータである。

プラズマトーチ（１１）は水冷石英製のプラズマチュー
ブに水冷銅パイプの高周波コイルをまいた構造となって
いる。プラズマトーチ（１３）および基板ホルダ（１７
）は、それぞれのマユュブレータ（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、本模式図
には示していないが、基板温度を制御するために基板加
熱用ヒー夕や水冷機構が取りつけられても良い。

去上拠よ 基板として５Ｘ５Ｘ０．２ｍｍのＳｔウェハを用い、チ
ャンバ内を２　ｘ　１０−３Ｔｏｒｒまで排気した後、
放電ガスとして水素を１ｋｇ／ｃｎｉの圧力で１０１／
ｍｉｎ、メタンを１ｋｇ／ｃａｌの圧力で８０ｍｌ／ｍ
ｉｎ、、冷却ガスとして水素を１ｋｇ／ｃｎの圧力で１
０１／ｍｉｎそれぞれ流し、真空チャンバ内の圧力を２
００Ｔｏｒｒに保持した。冷却ガスは、トーチノズルの
１ｆｌ下に設置した４本の噴出口からプラズマジェット
にむけて噴出された。高周波電源より周波数２７．１２
ＭＨ２１に−の高周波出力を高周波コイルに印加し、プ
ラズマジェットを発生させた。次に、基板をゆっくりト
ーチに近づけ、ノズル−基板間距離を５龍で固定し、こ
の状態で１０分間製膜を行った。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。

合成されたダイヤモンド膜は厚さ約２０戸のはっきりし
た自形を有する緻密な多結晶体であった。

Ｘ＆１回折では、立方晶ダイヤモンドのシャープなピー
クのみが検出された。ラマンスペクトルでは、１３３３
ｃｍ−’″のダイヤモンドのピークのみが検出され、グ
ラファイトや非晶質炭素によるピークは検出されなかっ
た。また、ビッカース硬度は荷重５００ｇで約ｔｏｏｏ
ｏｋｇ／ｃｎｌと天然ダイヤモンドと同等の値であった
。

以上の結果より、合成されたダイヤモンドは、良質の多
結晶膜であり、また、製膜速度は１００Ｊ！Ｔｎ／ｈに
も達していることがわかった。

実施±１ 実施例１と同様の装置を用い、トーチノズル（１２）か
らガス噴出口（５）までの距離を変え、基板表面温度が
約１０００℃になるようにトーチノズルから基板（７）
までの距離を調整してダイヤモンドの合成を行った。製
膜条件は、 基板　　　　　　Ｍ　ｏ　　　　５ｘ５ｘ０．５　＊＊
　（水冷なし）放電ガス　　　　水素　　１０　１／ｍ
ｉｎメタン　８０　　ｍｌ／ｍｉｎ 冷却ガス　　　　水素　　１０　１／ｍｉｎ圧力　　　
　　　　　　　　２００　　ＴｏｒｒＲＦパワー　　　
　　　　　１　　　　ｋＷ製膜時間　　　　　　　　１
ｈ である。この結果を第１表に示す。

第１表 プラズマ発生条件、基板温度が同じであるにもかかわら
ず、膜厚に大きな差が生じたのは、冷却ガス噴出口がノ
ズルに近い程、熱プラズマの急冷効果が高くなるため、
基板表面に供給される活性種の量が多くなり、製膜速度
が速くなるからである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明にかかるガス冷却ＲＦプラズ
マジェットＣＶＤ法によれば、１００ｍ／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、ダイヤモンドコーティングの応用
範囲を大幅に広げることができる。さらに、半導体用の
ダイヤモンドヒートシンクやダイヤモンド回路基板の実
現を前進させることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガス冷却を用いたＲＦ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り、 第２図は、本発明を実施するガス冷却ＲＦプラズマジェ
・ノドＣＶＤ法によるダイヤモンド合成装置の模式図で
ある。 （１）・・・高周波コイル、 （２）・・・水冷プラズマチューブ、 （３）・・・放電ガス、 （４）・・・プラズマジェット、 （５）・・・冷却ガス噴出口、（６）・・・冷却ガス、
（７）・・・基板、 （８）・・・ダイヤモンド膜、（９）・・・高周波電源
、・・・アーク、 ・・・非平衡プラズマ、（１２）・・・ノズル、・・・
プラズマトーチ、 ・・・放電ガス供給管、（１５）・・・高周波電源、・
・・トーチ用冷却水配管、 ・・・基板ホルダ、　　　（１８）・・・基板、・・・
　真空チャンバ、（２０）・・・排気系、・・・トーチ
マニュプレータ、 ・・・流量計、　　　　　（２３）・・・ガスボンベ、
・・・冷却ガス噴出口、 ・・・基板マニュプレータである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、熱プラズマ発生装置に、水素および気体の炭素化合
   物を含むガスを供給し、高周波誘導によるアーク放電に
   より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
   却ガスを吹きつけることにより、該熱プラズマを急冷さ
   せて、ラジカルの濃度が高く活性な非平衡プラズマを生
   成し、該非平衡プラズマに被処理基板を接触せしめて、
   被処理基板上にダイヤモンドを高速に成長させることを
   特徴とする、ダイヤモンドの気相合成方法。 ２、プラズマトーチ（１３）、放電ガス供給管（１４）
   及び高周波電源（１６）を具備し、真空チャンバ（１９
   ）内の基板（１８）上に高周波誘導プラズマジェットＣ
   ＶＤ法によりダイヤモンドを気相合成させるダイヤモン
   ド気相合成装置において、前記プラズマトーチ（１３）
   のノズル直下に、前記プラズマトーチ（１３）から発生
   した熱プラズマを急冷させるための冷却ガス噴出口（２
   ４）を設け、前記プラズマトーチ（１３）と、基板を支
   持する基板ホルダー（１９）の位置が共に個々に調整可
   能であることを特徴とするダイヤモンド気相合成装置。