JPH02279591A - Method for synthesizing diamond - Google Patents

Method for synthesizing diamond

Info

Publication number
JPH02279591A
JPH02279591A JP9763489A JP9763489A JPH02279591A JP H02279591 A JPH02279591 A JP H02279591A JP 9763489 A JP9763489 A JP 9763489A JP 9763489 A JP9763489 A JP 9763489A JP H02279591 A JPH02279591 A JP H02279591A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
carbon
diamond
voltage
concentration
synthesized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9763489A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toru Mitomo
三友 亨
Tomohiro Oota
与洋 太田
Kenichi Otsuka
大塚 研一
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Original Assignee
Kawasaki Steel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kawasaki Steel Corp filed Critical Kawasaki Steel Corp
Priority to JP9763489A priority Critical patent/JPH02279591A/en
Publication of JPH02279591A publication Critical patent/JPH02279591A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

PURPOSE:To well hold crystallinity and to improve a film forming speed by maintaining the concn. of the carbon-contg. compd. in a gaseous mixture lower than the optimum concn. of the carbon-contg. compd. in the case of no voltage impression to a base body. CONSTITUTION:Gaseous raw materials 1 are mixed with gaseous hydrogen 2 and additive gases are mixed therewith in some cases. The gaseous raw materials are then introduced through a raw material supply nozzle 7 into a reaction vessel 6 at the flow rate controlled by a mass flow controller 5. The gaseous raw materials are thermally cracked by a thermion radiating material 10 heated by a power source 11 for heating the thermion radiating material and diamond is synthesized on the base body 8 heated on a base body holder 9. The concn. of the carbon-contg. compd. in the gaseous raw materials is decreased to the value lower than the optimum concn. of the carbon-contg. compd. at which the good crystal can be synthesized without impressed voltage according to the voltage to be impressed, by which the diamond having the good crystallinity is synthesized.

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はダイヤモンドの合成方法に係り、詳しくは熱電
子放射材による熱分解を用いてダイヤモンドを合成する
方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a method of synthesizing diamond, and more particularly to a method of synthesizing diamond using thermal decomposition using a thermionic emitter.

〈従来の技術〉 ダイヤモンドは高硬度、高熱伝導率であり、しかも絶縁
性に優れ、透光性が良く化学的にも安定である等種々の
優れた物性を有する。そのためダイ\・モンドの利用分
野は広く、切削工具へのコーティング、光学材料へのコ
ーティング、半導体のヒートシンク、高温動作半導体等
への応用が考えられている。
<Prior Art> Diamond has various excellent physical properties such as high hardness, high thermal conductivity, excellent insulation, good translucency, and chemical stability. For this reason, Dai\Mondo is used in a wide range of fields, including applications such as coating cutting tools, coating optical materials, semiconductor heat sinks, and high-temperature operating semiconductors.

ところで、従来ダイヤモンドの合成は高温・高圧下でN
i等の触媒を用いて行われてきたが、この方法はコスト
が高いという問題があった。そのため近年、低温・低圧
下での気相合成法の研究が活発に行われている。
By the way, conventional diamond synthesis involves N2 at high temperature and high pressure.
This method has been carried out using a catalyst such as i, but this method has a problem of high cost. Therefore, in recent years, research on vapor phase synthesis methods at low temperatures and low pressures has been actively conducted.

低温・低圧下でのダイヤモンド合成法として主嬰なもの
は次の2つである。
There are two main methods for synthesizing diamonds at low temperatures and pressures:

1.熱電子放射材による熱分解を用いた方法(例えば特
公昭59−27753号公報等)。
1. A method using thermal decomposition using a thermionic emitting material (for example, Japanese Patent Publication No. 59-27753, etc.).

2、マイクロ波放電、直流放電、高周波放電等によりプ
ラズマを発生させプラズマ中の反応を用いる方法(例え
ば特公昭59−27754号公報等)。
2. A method in which plasma is generated by microwave discharge, direct current discharge, high frequency discharge, etc., and reactions in the plasma are used (for example, Japanese Patent Publication No. 59-27754, etc.).

しかしこれらの方法はいずれも成膜速度が遅く、成膜面
積が小さいという問題があり、実用化を妨げている。
However, all of these methods have problems in that the film formation rate is slow and the film formation area is small, which hinders their practical application.

上記の方法のうち大面積化が比較的容易であると考えら
れるのは熱電子放射材を用いる方法であるが、この方法
において成膜速度を向上させるために熱電子放射材から
の電子シャワーを利用することが考えられている0例え
ば、特開昭60−221395号公報には電子シャワー
を用いる技術が開示されている。
Among the above methods, the method using a thermionic emitter is considered to be relatively easy to increase the area, but in order to improve the film formation rate in this method, the electron shower from the thermionic emitter is used. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 60-221395 discloses a technique using an electronic shower.

しかしながら、この方法において成膜速度を上げるとグ
ラファイトの混入した結晶性の悪い膜が合成してしまい
、結晶性の良い膜は合成できないという問題があった。
However, in this method, when the film formation rate is increased, a film with poor crystallinity containing graphite is synthesized, and a film with good crystallinity cannot be synthesized.

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明の目的は上記の問題点を解決し熱電子放射材によ
る熱分解を用い、結晶性の良い膜を高速で合成する方法
を提案するものである。
<Problems to be Solved by the Invention> The purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to propose a method for rapidly synthesizing a film with good crystallinity using thermal decomposition using a thermionic emitting material.

<t!p、題を解決するための手段〉 本発明は、含炭素化合物と水素との混合ガスを加熱され
た熱電子放射材により熱分解し、該熱電子放射材に対し
て正の電圧を印加された基体上に導きダイヤモンドを合
成する方法において、該混合ガス中の含炭素化合物濃度
を!f基体への電圧印加が無い場合の最適な含炭素化合
物濃度よりも低く保持することを特徴とするダイヤモン
ドの合成方法である。
<t! P. Means for Solving the Problem> The present invention thermally decomposes a mixed gas of a carbon-containing compound and hydrogen using a heated thermionic emitting material, and a positive voltage is applied to the thermionic emitting material. In the method of synthesizing diamond on a substrate, the concentration of carbon-containing compounds in the mixed gas! f This is a diamond synthesis method characterized by maintaining the carbon-containing compound concentration lower than the optimum concentration when no voltage is applied to the substrate.

く作用〉 本発明の構成並びにその作用について更に具体的に説明
する。
Effects> The structure and effects of the present invention will be explained in more detail.

本発明者らは加熱した熱電子放射材を用いたダイヤモン
ド′合成の際、基体に熱電子放射材に対して正の電圧を
印加すると成膜速度は向上するものの膜質が劣化する現
象に遭遇した。そこでこの現象について研究を重ねた結
果、熱電子放射材からの電子照射により熱電子放射材−
基体間の空間の含炭素化合物の分解が進み、この空間で
のダイヤモンド合成に関与する分子が過飽和の状態とな
っていること、つまり原料ガス濃度が高い場合と同じで
あることがわかった。そこで原料ガス濃度を電圧を印加
しない場合の最適濃度より減少させてみたところ成膜速
度は速いままで結晶性のよいダイヤモンドが合成される
ことを発見した。
During diamond synthesis using a heated thermionic emitter, the present inventors encountered a phenomenon in which the film formation rate improved but the film quality deteriorated when a positive voltage was applied to the substrate relative to the thermionic emitter. . As a result of repeated research on this phenomenon, we found that electron irradiation from the thermionic material causes the thermionic material to emit light.
It was found that the decomposition of carbon-containing compounds in the space between the substrates progressed, and the molecules involved in diamond synthesis in this space became supersaturated, which is the same as when the raw material gas concentration is high. Therefore, by reducing the raw material gas concentration from the optimum concentration when no voltage is applied, they discovered that diamond with good crystallinity was synthesized while the film formation rate remained high.

本発明はこの発見に基づいて成立したものである。The present invention was established based on this discovery.

以下第1図により本発明を更に詳しく説明する。The present invention will be explained in more detail below with reference to FIG.

第1図は本発明を実施する際に用いられるダイヤモンド
合成装置の一例の説明図である。ここで1は原料ガス、
2は水素ガス、3は添加ガス、4はストップバルブ、5
はマスフローコントローラ、6は反応容器、7は原料供
給ノズル、8は基体、9はヒータを内蔵した基体ホルダ
ー、10は熱電子放射材、11は熱電子放射材加熱用電
源、I2は定電圧電源である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of an example of a diamond synthesis apparatus used in carrying out the present invention. Here, 1 is the raw material gas,
2 is hydrogen gas, 3 is additive gas, 4 is stop valve, 5
is a mass flow controller, 6 is a reaction vessel, 7 is a raw material supply nozzle, 8 is a substrate, 9 is a substrate holder with a built-in heater, 10 is a thermionic emissive material, 11 is a power source for heating the thermionic emissive material, I2 is a constant voltage power source It is.

第1図において原料ガス1は水素ガス2と混合され場合
により添加ガス3も混合しマスフローコントローラ5に
より流量を制御され反応容器6内に原料供給ノズル7を
通して導入される。原料ガスは熱電子放射材加熱用電源
11により加熱された熱電子放射材10により熱分解さ
れ、基体ホルダー9上で加熱された基体8上にダイヤモ
ンドが合成される。この時熱電子放射材と基体との間に
定電圧電源12により熱電子放射材に対して基体に正の
電圧を印加すると原料ガスの分解の促進、核発生の増加
の効果によりダイヤモンドの成膜速度を向上させること
ができる。この時印加する電圧に応じて原料ガス中の含
炭素化合物の濃度を電圧印加なしでよい結晶が合成でき
る最適合炭素化合物濃度よりも低く減少させることによ
り結晶性のよいダイヤモンドの合成が可能になる。
In FIG. 1, a raw material gas 1 is mixed with hydrogen gas 2 and optionally an additive gas 3, and the flow rate is controlled by a mass flow controller 5 and introduced into a reaction vessel 6 through a raw material supply nozzle 7. The raw material gas is thermally decomposed by the thermionic radiation material 10 heated by the thermionic radiation material heating power source 11, and diamond is synthesized on the substrate 8 heated on the substrate holder 9. At this time, when a positive voltage is applied to the thermionic emitting material and the substrate by the constant voltage power supply 12 between the thermionic emitting material and the substrate, the decomposition of the raw material gas is promoted and the generation of nuclei is increased, thereby forming a diamond film. Speed can be improved. At this time, it is possible to synthesize diamond with good crystallinity by reducing the concentration of carbon-containing compounds in the raw material gas to a level lower than the optimal carbon compound concentration at which good crystals can be synthesized without applying voltage, depending on the applied voltage. .

基体に印加する電圧としては正であればよいがより望ま
しくは100V〜400vである。  1oov未満で
は効果は少なく、400■を超えると気相中の反応が進
みすぎるため合成速度は減少する。その際原料ガス中の
含炭素化合物の濃度は印加する電圧に応して減少させる
必要がある。この時含炭素化合物の濃度は次のように示
される。
The voltage applied to the substrate may be positive, but is more preferably 100V to 400V. If it is less than 1 oov, the effect will be small, and if it exceeds 400 μv, the reaction in the gas phase will proceed too much and the synthesis rate will decrease. At this time, the concentration of carbon-containing compounds in the raw material gas needs to be reduced in accordance with the applied voltage. At this time, the concentration of the carbon-containing compound is shown as follows.

(混合ガス中の含炭素化合物濃度) −(it電圧加な
しでよい結晶が合成できる最適含炭素化合物濃度)×{
1−A×(印加した電圧)) ここでAは定数であり、含炭素化合物の種類合成条件に
より変化するため特定できないが、般に0.0001〜
0.003の値を取る。このように原料ガスの濃度を電
圧に応じて調整することにより結晶性のよいダイヤモン
ドが高速で合成できるようになる。
(Concentration of carbon-containing compound in mixed gas) - (Optimum concentration of carbon-containing compound that allows synthesis of good crystals without applying voltage) x {
1-A×(applied voltage)) Here, A is a constant and cannot be specified because it changes depending on the type of carbon-containing compound and the synthesis conditions, but it is generally between 0.0001 and
Takes a value of 0.003. By adjusting the concentration of the raw material gas in accordance with the voltage in this way, diamond with good crystallinity can be synthesized at high speed.

次にダイヤモンド合成条件について述べる。含炭素化合
物としては炭素を含んでいるものならば特に限定されず
、例えばメタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチ
レン等の炭化水素、メタノール エタノール、アセトン
、−酸化炭素等の含酸素炭素化合物、四塩化炭素、塩化
メタル等の含塩素炭素化合物などである。これらの中で
も取り扱いの容易さ、熱分解しやすいことなどからメタ
、ン、アセチレン、メタノール、エタノールなどが好ま
しい。
Next, the diamond synthesis conditions will be described. The carbon-containing compound is not particularly limited as long as it contains carbon, and includes, for example, hydrocarbons such as methane, ethane, propane, ethylene, and acetylene, oxygen-containing carbon compounds such as methanol, ethanol, acetone, and carbon oxide, and tetrachloride. These include carbon, chlorine-containing carbon compounds such as metal chloride, etc. Among these, methane, acetylene, methanol, ethanol and the like are preferred because of their ease of handling and ease of thermal decomposition.

基体としては、ダイヤモンドの合成温度である600’
C以上で損傷しないものが望ましい0例えばモリブデン
、タングステン等の金属、シリコン等の半導体、石英、
アルミナ等のセラミックスである。
The base material is 600' which is the synthesis temperature of diamond.
It is preferable to use materials that do not cause damage at temperatures above C.0 For example, metals such as molybdenum and tungsten, semiconductors such as silicon, quartz,
Ceramics such as alumina.

基体温度は600〜1200°Cが好ましい。600°
C未満、 1200℃を超えてはダイヤモンドが生成し
ない。
The substrate temperature is preferably 600 to 1200°C. 600°
If the temperature is lower than C or higher than 1200℃, no diamond will be formed.

圧力は0.1〜760Torrの範囲で用いることがで
きるが成膜速度、膜質を考慮すると10〜100Tor
rが好ましい。
The pressure can be used in the range of 0.1 to 760 Torr, but considering the film formation rate and film quality, the pressure is 10 to 100 Torr.
r is preferred.

流量は装置のサイズ等により最適値が変わるので限定で
きない。
The flow rate cannot be limited because the optimum value changes depending on the size of the device, etc.

熱電子放射材の材料としては融点が2000”C以上の
ものならばよい0例えばタングステン、クンタル等の金
属や合金1炭化物などが用いられる。熱電子放射材の形
状は場合に応じて線、コイル状に巻いたもの、メツシュ
状のものなどが用いられる。
The material for the thermionic emitting material may be one with a melting point of 2,000"C or higher. For example, metals such as tungsten and kuntal, or alloys 1-carbide are used. The shape of the thermionic emitting material may be wire, coil, etc. depending on the case. It can be rolled into a shape or shaped like a mesh.

熱電子放射材の温度は1500°C以上ならばよい。The temperature of the thermionic radiation material may be 1500°C or higher.

1500°C未満ではダイヤモンドは合成しない、成膜
速度を考慮すると1800°C以上が好ましい。
Diamond is not synthesized at temperatures below 1500°C, but in consideration of the film formation rate, temperatures of 1800°C or higher are preferred.

熱電子放射材と基体間の距離は圧力等により最適値が異
なるため特定することは困難であるが、距^■が近ずぎ
ると輻射熱の影響で改質は劣化し、距離が遠ずぎるとダ
イヤモンドは生成しない。
It is difficult to determine the optimal distance between the thermionic emitting material and the substrate because it varies depending on pressure, etc., but if the distance is too close, the modification will deteriorate due to the influence of radiant heat, and if the distance is too far, the diamond will deteriorate. is not generated.

〈実施例〉 第1図に示す装置によりダイヤモンドの合成を行った。<Example> Diamond was synthesized using the apparatus shown in FIG.

原料ガスとしてメタンを用いた。この時への値を出すた
めに熱電子放出材と基板間に印加した電圧とメタン濃度
との関係を求めた。結果を第2図に示す、この図からA
の値は約0.001 となる。
Methane was used as the raw material gas. In order to obtain the value at this time, we determined the relationship between the voltage applied between the thermionic emission material and the substrate and the methane concentration. The results are shown in Figure 2. From this figure, A
The value of is approximately 0.001.

ここで基体と熱電子放出材間に印加する電圧を50V、
 100V、 200Vと変え、供給ガス中の含炭素化
合物濃度(容■)をそれに応じて0.95%、0.9%
、0.8%と変えて合成した。その他の条件としては圧
力は30Torr、流量はトータルで100SCCt熱
電子放出材としてタングステンを用い2000°Cに加
熱し基体としてダイヤモンドで研磨したノリコンウェハ
ーを用い基体ホルダーにより900’Cに加熱した。こ
のようにして合成したダイヤモンド膜の成膜速度と膜質
を表1に示す。
Here, the voltage applied between the base and thermionic emission material is 50V,
100V and 200V, and the carbon-containing compound concentration (volume) in the supplied gas was changed to 0.95% and 0.9% accordingly.
, 0.8%. Other conditions included a pressure of 30 Torr and a total flow rate of 100 SCCt. Tungsten was used as the thermionic emission material and heated to 2000°C. A diamond-polished Noricon wafer was used as the substrate and heated to 900'C using a substrate holder. Table 1 shows the deposition rate and film quality of the diamond film synthesized in this manner.

また比較例として原料ガス中のメタン濃度を1%に固定
し熱電子放射材と基体間に電圧を加え、その他の条件は
そのままとして合成した成膜速度と膜質を表1に同様に
示す。
Further, as a comparative example, the methane concentration in the raw material gas was fixed at 1%, a voltage was applied between the thermionic emitting material and the substrate, and the other conditions remained the same, and the film formation rate and film quality synthesized are similarly shown in Table 1.

表1から本発明により改質はよいままで成膜速度は向上
しているのが明らかにわかる。
From Table 1, it is clearly seen that the present invention improves the film formation rate while maintaining good modification.

〈発明の効果〉 本発明によれば従来の熱電子放射材による熱分解を用い
たダイヤモンド合成法の成膜速度を結晶性を良好に保持
して向上することができた。
<Effects of the Invention> According to the present invention, the film formation rate of the conventional diamond synthesis method using thermal decomposition using a thermionic emitter can be improved while maintaining good crystallinity.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明を実施する際に用いられる装置の説明図
、第2図は印加した電圧とメタン濃度との関係を示すグ
ラフである。 I・・・原料ガス、   2・・・水素ガス、3・・・
添加ガス、    4・・・ストップバルブ、5・・・
マスフローメータ、 6・・・反応容器、   7・・・原料供給ノズル、8
・・・基体、      9・・・基体ホルダー10・
・・熱電子放射材、 11・・・熱電子放射材加熱用?ilt源、12・・・
定電圧′r4源、  13・・・排気口。 特許出願人   川崎製鉄株式会社
FIG. 1 is an explanatory diagram of an apparatus used in carrying out the present invention, and FIG. 2 is a graph showing the relationship between applied voltage and methane concentration. I... Raw material gas, 2... Hydrogen gas, 3...
Additive gas, 4...stop valve, 5...
Mass flow meter, 6... Reaction container, 7... Raw material supply nozzle, 8
...Base body, 9...Base body holder 10.
...Thermionic radiation material, 11...Thermionic radiation material for heating? ilt source, 12...
Constant voltage 'r4 source, 13...exhaust port. Patent applicant: Kawasaki Steel Corporation

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、含炭素化合物と水素との混合ガスを加熱された熱電
子放射材により熱分解し、該熱電子放射材に対して正の
電圧を印加された基体上に導きダイヤモンドを合成する
方法において、該混合ガス中の含炭素化合物濃度を該基
体への電圧印加が無い場合の最適な含炭素化合物濃度よ
りも低く保持することを特徴とするダイヤモンドの合成
方法。 2、請求項1記載の混合ガス中の含炭素化合物濃度を、
次式で決まる濃度に保持することを特徴とするダイヤモ
ンドの合成方法。 (混合ガス中の含炭素化合物濃度)=(電圧印加なしで
よい結晶が合成できる最適含炭素化合物濃度)×{1−
A×(印加した電圧)}但し、Aは含炭素化合物の種類
、合成条件 により決まる定数である。
[Scope of Claims] 1. A mixed gas of a carbon-containing compound and hydrogen is thermally decomposed by a heated thermionic emitting material, and is guided onto a substrate to which a positive voltage is applied to the thermionic emitting material, and then diamond A method for synthesizing diamond, characterized in that the concentration of carbon-containing compounds in the mixed gas is kept lower than the optimum concentration of carbon-containing compounds when no voltage is applied to the substrate. 2. The concentration of carbon-containing compound in the mixed gas according to claim 1,
A diamond synthesis method characterized by maintaining the concentration determined by the following formula. (Concentration of carbon-containing compound in mixed gas) = (Optimum concentration of carbon-containing compound that allows synthesis of good crystals without applying voltage) x {1-
A×(applied voltage)} However, A is a constant determined by the type of carbon-containing compound and the synthesis conditions.
JP9763489A 1989-04-19 1989-04-19 Method for synthesizing diamond Pending JPH02279591A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9763489A JPH02279591A (en) 1989-04-19 1989-04-19 Method for synthesizing diamond

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP9763489A JPH02279591A (en) 1989-04-19 1989-04-19 Method for synthesizing diamond

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH02279591A true JPH02279591A (en) 1990-11-15

Family

ID=14197586

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP9763489A Pending JPH02279591A (en) 1989-04-19 1989-04-19 Method for synthesizing diamond

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH02279591A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JPS5891100A (en) Synthesizing method for diamond
JPS6221757B2 (en)
JPH02279591A (en) Method for synthesizing diamond
JPS61222915A (en) Vapor-phase synthesis of diamond
JPS60122794A (en) Low pressure vapor phase synthesis method of diamond
JPS6054996A (en) Synthesis of diamond
JPH0543393A (en) Method for preparing carbon material
JP3071855B2 (en) Diamond film fabrication method
JPH0481552B2 (en)
JP2803396B2 (en) Diamond thin film synthesis equipment
JPS60112699A (en) Manufacture of diamond
JP4480192B2 (en) Method for synthesizing high purity diamond
JPS62280364A (en) Method for synthesizing hard boron nitride
JPH08208207A (en) Vapor phase synthesis of boron nitride
JP3219832B2 (en) Manufacturing method of silicon carbide thin film
JP2839612B2 (en) Synthesis method of vapor phase diamond
JPH05155689A (en) Production of carbon material
JP3093402B2 (en) Carbon material production method
JPH064915B2 (en) Method for synthesizing cubic boron nitride
JPH02279592A (en) Method for synthesizing diamond
JP2636167B2 (en) Gas phase synthesis of diamond
JPH06298599A (en) Production of diamond and diamond-like carbon
JPH0333094A (en) Synthesizing method of diamond
JPH01100092A (en) Diamond vapor-phase synthesis and device therefor
JPH05155687A (en) Apparatus for producing carbon material