JPH0248494A - Method for preparing carbon - Google Patents

Method for preparing carbon

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JPH0248494A
JPH0248494A JP19568388A JP19568388A JPH0248494A JP H0248494 A JPH0248494 A JP H0248494A JP 19568388 A JP19568388 A JP 19568388A JP 19568388 A JP19568388 A JP 19568388A JP H0248494 A JPH0248494 A JP H0248494A
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carbon
diamond
gas
film
hydrogen
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JP19568388A
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Japanese (ja)
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Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To efficiently obtain diamond granules by subjecting hydrogen, carbon dioxide and carbonized product gas to plasma vapor phase reaction using a microwave, etc. CONSTITUTION:A carbonized product gas, e. g., carbon-hydrogen compound such as methane is reacted with hydrogen and carbon dioxide in high-density plasma formed by electric field and magnetic field of microwave at 0.003-800Torr, preferably 0.1-30Torr to grow the diamond crystal on a substrate (heated at 400-900 deg.C).

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、マイクロ波等を用いたプラズマ気相反応を用
いて、効率よく炭素を主成分とする固体物体、好ましく
はダイヤモンド粒またはダイヤモンド膜を形成せしめる
方法に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention uses a plasma gas phase reaction using microwaves or the like to efficiently form a solid object mainly composed of carbon, preferably diamond grains or a diamond film. It relates to a method of forming.

本発明、は、特に0.03〜800 torrのプラズ
マ雰囲気としては高圧状態で、さらに好ましくは400
〜900℃の低温で形成せしめる方法に関する。
In the present invention, the plasma atmosphere is particularly high pressure of 0.03 to 800 torr, more preferably 400 torr.
It relates to a method of forming at a low temperature of ~900°C.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、薄膜の形成手段としてECR(電子サイクロトロ
ン共鳴)条件即ちlXl0−3〜I Xl0−’tor
rの条件下で、少なくとも電子が1周するに十分な平均
自由工程の大きい、即ち低い圧力で炭素の活性種を作り
、ぞの発散磁場を利用し、被形成面を保持し、その上に
被膜を形成する電子サイクロトロン共鳴を用いる被膜作
製方法が知られている。
Conventionally, as a means for forming thin films, ECR (electron cyclotron resonance) conditions, that is, lXl0-3 to IXl0-'tor
Under conditions of A film forming method using electron cyclotron resonance to form a film is known.

〔従来の問題点〕[Conventional problems]

しかしかかる低い圧力でもし炭素膜を作らんとすると、
その炭素はグラファイト成分を多量に含有し、アモルフ
ァス構造を有しやすく、グイヤモンドの気相成長はその
収率が低く、工業化をするためには高価になりすぎてし
まった。このため、ダイヤモンドをより高い成長速度で
作らんとすると、その形成原理として結晶成長と同時に
アモルファス炭素成分のエツチングを活性水素(H2)
または酸素(0□)で行う。また、温度も800℃とい
う高温にもかかわらず成長速度が小さい。特に炭化物気
体を多量に反応室に導入せんとしても、その10z〜1
03倍もの水素を導入するため、炭素化合物の混合比が
1〜0.1χの流量比となってしまい、高い成長速度を
得るための非生成物等(分解した後、その一部が成膜材
料になる)を大流量流すことができない。
However, if you try to make a carbon film at such low pressure,
The carbon contains a large amount of graphite and tends to have an amorphous structure, and Guyardondo's vapor phase growth has a low yield and has become too expensive for industrialization. For this reason, when trying to make diamond at a higher growth rate, the formation principle is to simultaneously grow the crystal and etch the amorphous carbon component using active hydrogen (H2).
Or use oxygen (0□). Furthermore, the growth rate is slow despite the high temperature of 800°C. In particular, even if a large amount of carbide gas is not introduced into the reaction chamber, the 10z~1
Because 0.3 times as much hydrogen is introduced, the mixing ratio of carbon compounds becomes a flow rate ratio of 1 to 0.1χ. It is not possible to flow large amounts of material (which becomes the material).

このため気相法で微結晶粒状等のダイヤモンド(炭素の
単結晶体’> (SP’結合をC−C結合を有する)を
作るに対し、水素等のエツチング作用を有する気体を相
対的に少なく(総流量は一定とする)して、メタン、エ
チレン等の炭化物気体を多量に導入し、それで効率よく
単結晶成長を被形成面で行わしめんとしても不可能であ
った。また、シリコン以外の金属上での成膜が困難であ
った。
For this reason, while producing microcrystalline diamond (single crystal of carbon) (with SP' bonds and C-C bonds) using the gas phase method, relatively little gas such as hydrogen is used. It was impossible to efficiently grow a single crystal on the surface by introducing a large amount of carbide gas such as methane or ethylene (assuming the total flow rate was constant). It was difficult to form a film on metal.

これらの点を解決するために、これまでかかるECRの
存在領域でない、いわゆる0、03〜800torr特
に10Lorr以上の高い圧力(混成共鳴領域)で被膜
形成をさせんとしても、プラズマが発生せず、高密度プ
ラズマを利用することは不可能とされていた。しかし本
発明人は、0,03〜800tOrr好マシくは0.1
〜30torrの高い圧力であっても、反応性気体であ
るメタン、エチレン、弗化炭素等の非酸素化物気体であ
る炭素化物気体と水素との混合気体に加えて、第3の気
体を導入することにより、高密度プラズマを作り得るこ
と、そしてかかるプラズマはECRではなく新しいモー
ド(即ち共鳴条件を例えば2.45GHz、875ガウ
スとしても電子が1周の回転をし得ない圧力領域での電
子、イオン等の混合した共鳴状態を云う、これをここで
は「混成共鳴」と称する)であることを見出した。
In order to solve these problems, even if we try to form a film at a high pressure (hybrid resonance region) of 0.03 to 800 torr, especially 10 Lor or more (hybrid resonance region), which is outside the existing range of ECR, plasma will not be generated. It was considered impossible to use high-density plasma. However, the inventor has determined that the range is 0.03 to 800 tOrr, preferably 0.1
Even at high pressures of ~30 torr, a third gas is introduced in addition to a mixture of hydrogen and a carbonate gas, which is a non-oxygenate gas such as reactive gas methane, ethylene, or carbon fluoride. As a result, it is possible to create a high-density plasma, and such plasma is not ECR but a new mode (i.e., electrons in a pressure region where electrons cannot rotate once even if the resonance conditions are set to 2.45 GHz and 875 Gauss, for example). We have discovered that this is a resonance state in which ions, etc. are mixed, which is herein referred to as "hybrid resonance."

〔問題を解決すべき手段〕[Means to solve the problem]

本発明は、かかる混成共鳴を用いるとともに、エツチン
グ性を有する気体である水素に加えて、人体に無害の炭
素の酸素化物気体である炭酸ガス(Co□)を混入させ
た。さらにここに、炭素の反応性気体として炭素の水素
化物(炭素と水素との化合物)のみならず、炭素のハロ
ゲン化物(炭素とハロゲン元素との化合物または炭素と
ハロゲン元素と水素との化合物)の炭素の非酸素化物気
体を水素(H2)と炭酸ガス(COz)と同時に混入し
、それらを互いに高密度プラズマ中に反応せしめ、基板
上面にラジカル状態で炭素原子または分子を飛翔させる
ことにより、水素と炭化物気体のみの場合よりも成膜速
度を大きく、かつ被成膜基板の種類を任意にせしめて、
ダイヤモンドを含む炭素を主成分とする被膜または粒を
作製せしめんとしたものである。
The present invention uses such hybrid resonance and mixes carbon dioxide (Co□), which is a carbon oxygenate gas that is harmless to the human body, in addition to hydrogen, which is a gas that has etching properties. In addition, carbon reactive gases include not only carbon hydrides (compounds of carbon and hydrogen) but also carbon halides (compounds of carbon and halogen elements or compounds of carbon, halogen elements, and hydrogen). By mixing a carbon non-oxygenate gas with hydrogen (H2) and carbon dioxide gas (COz) at the same time, making them react with each other in a high-density plasma, and causing carbon atoms or molecules to fly in a radical state onto the upper surface of the substrate, hydrogen can be produced. The film formation rate is increased compared to the case of using only carbide gas, and the type of substrate on which the film is formed can be arbitrarily selected.
It is intended to produce a coating or grains whose main component is carbon containing diamond.

本発明はかかる高密度プラズマ条件下にて炭素の水素化
物気体例えばCH4と炭酸ガス(Co□)と水素(th
)とを互いに反応せしめる。するとCO□+ H2→ 
CO+ HzO(1)CH4+ 2CO→ 3C+2H
zO(2)CH4+ COz  → 2G +2HzO
(3)の反応が生ずる。特に式(1)により、この雰囲
気は還元剤である一酸化炭素を作ることができる。
The present invention utilizes carbon hydride gases such as CH4, carbon dioxide (Co□), and hydrogen (th) under such high-density plasma conditions.
) and react with each other. Then CO□+ H2→
CO+ HzO(1) CH4+ 2CO→ 3C+2H
zO(2)CH4+ COz → 2G +2HzO
The reaction (3) occurs. In particular, according to equation (1), this atmosphere can produce carbon monoxide, which is a reducing agent.

このCOは被形成面のナチュラルオキサイドを還元して
除去することにより、密着性の向上したダイヤモンド(
以下SP3結合を有するダイヤモンド状炭素またはSP
3結合のみのダイヤモンドを総称してダイヤモンドとい
う)を作ることができる。
This CO reduces and removes the natural oxide on the forming surface, resulting in improved adhesion to the diamond (
Diamond-like carbon or SP with SP3 bond below
Diamonds with only 3 bonds can be collectively called diamonds.

またCH4とCO2とを互いに直接反応させることによ
り、炭素を式(3)に示す如くに作ることもできる。
Carbon can also be produced as shown in formula (3) by directly reacting CH4 and CO2 with each other.

また人体に有害な一酸化炭素をプラズマの存在時のみ発
生せしめて、式(2)より炭素を作ることができる。こ
のため反応空間より外にCOがもれて事故を誘発するこ
とがない。
Furthermore, carbon monoxide, which is harmful to the human body, can be generated only when plasma is present, and carbon can be produced from equation (2). This prevents CO from leaking out of the reaction space and causing an accident.

そしてこの高密度プラズマにより、活性の水素および炭
酸ガスをともに加えられた炭素化物気体を0.03〜8
00 torr、好ましくは0.1〜30torrの高
い圧力で高密度プラズマ化せしめ、基板上にSPコ結合
の炭素結晶を成長させて、ダイヤモンド構造とする。さ
らにアモルファス構造を有しやすいグラファイト成分(
SP2結合を有する)の炭素(一般に炭素と水素との合
金を作っている)を還元性のCOまたは水(OH基また
は酸素ラジカル)によりエツチング除去する。かくして
より高速かつ低温の結晶成分の成長を可能とする。
This high-density plasma then generates 0.03~8.
High-density plasma is generated at a high pressure of 0.00 torr, preferably 0.1 to 30 torr, and SP co-bonded carbon crystals are grown on the substrate to form a diamond structure. In addition, graphite components that tend to have an amorphous structure (
The carbon (generally forming an alloy of carbon and hydrogen) (having an SP2 bond) is removed by etching with reducing CO or water (OH group or oxygen radical). This allows for faster and lower temperature growth of crystalline components.

本発明はさらにこれらに加えて触媒剤を添加せしめんと
したものである。そしてこれら触媒用分解生成物の還元
ニッケル、マンガンまたはゲルマニウムに活性炭化物気
体またはその分解物が接触し、励起状態の持続を長時間
維持することによって、被形成面上にダイヤモンド粒ま
たはダイヤモンドを含む炭素被膜を高速で形成せんとし
たものである。
In addition to these, the present invention further includes the addition of a catalyst agent. The activated carbide gas or its decomposition product comes into contact with the reduced nickel, manganese, or germanium decomposed products for catalysts, and by maintaining the excited state for a long time, diamond grains or diamond-containing carbon are formed on the surface to be formed. The purpose was to form a film at high speed.

これらの被形成用基体を混成共鳴空間またはそれより離
れた活性状態を保持した空間内に配設して、反応生成物
を基体の表面にコーティングさせる。この目的のため、
マイクロ波電力の電界強度が最も大きくなる領域または
その近傍に被形成面を有する基体を配設する。
These substrates to be formed are placed in the hybrid resonance space or a space apart from the hybrid resonance space that maintains an active state, and the reaction product is coated on the surface of the substrate. For this purpose,
A substrate having a surface to be formed is disposed in or near a region where the electric field strength of microwave power is maximum.

この空間の生成物気体の炭素の存在比(全プラズマ空間
中での水素、H2Oまたはこれらのラジカルに対する生
成物気体である炭化物気体の割合)およ・び単位空間あ
たりの生成物気体の濃度をこれまでのFiCRCVD法
に比べて10”〜10S倍程度の高濃度にする。すると
かかる高い圧力においてのみ初めて分解または反応をさ
せることができる材料である炭素を主成分とするダイヤ
モンド被膜形成が可能となる。即ち、ダイヤモンド、i
−カーボン(sp3結合を有するダイヤモンドまたは微
結晶粒を有する炭素被膜)である。
The abundance ratio of carbon in the product gas in this space (the ratio of carbide gas, which is a product gas, to hydrogen, H2O, or these radicals in the entire plasma space) and the concentration of product gas per unit space are The concentration is about 10" to 10S times higher than that of the conventional FiCRCVD method. This makes it possible to form a diamond film whose main component is carbon, which is a material that can only decompose or react for the first time under such high pressure. i.e. diamond, i
- Carbon (diamond with sp3 bonds or carbon coating with microcrystalline grains).

このダイヤモンドを含む炭素膜の成膜機構は、被膜形成
過程において予め核として形成された炭素を有し、ここ
またはこの近傍で結晶成長を作る正の反応(炭素の結晶
のあるところをより結晶成長しやすくする反応)により
ダイヤモンドを成長させることができる。そしてこの形
成されつつある炭素の密の部分の構成物(例えば結晶部
分)を残し、かつそこで選択的に成長せしめ、粗の部分
の構成(例えばアモルファス部分)をプラズマ化した水
素、水またはCOのラジカルにより除去し、即ちエツチ
ングをさせつつ行わんとするものである。そして形成さ
れた被膜の少なくとも一部に結晶性を有する被膜を形成
せんとするものである。
The formation mechanism of this diamond-containing carbon film is that carbon is pre-formed as a nucleus during the film formation process, and a positive reaction that produces crystal growth at or near this point (crystal growth occurs where carbon crystals are present) Diamonds can be grown by a reaction that facilitates the growth of diamonds. The dense constituents (e.g. crystalline parts) of this forming carbon are left behind and selectively grown there, and the coarse constituents (e.g. amorphous parts) are transformed into plasma of hydrogen, water or CO. The purpose is to remove it using radicals, that is, to perform etching. The purpose is to form a film having crystallinity on at least a portion of the formed film.

即ち、本発明は、マイクロ波を用いたプラズマCVD法
に磁場の力を加え、マイクロ波の電場と磁場との相互作
用を用いる。そして0.03〜3QQ torrの高い
圧力で「混成共鳴空間」での高エネルギ状態を利用して
、例えば活性炭素を多量に発生させて、再現性に優れ、
均一な膜厚、均質な特性の被膜、例えばダイヤモンド、
i−カーボン膜等の被膜の形成を可能としたものである
。また加える磁場の強さが任意に変更可能な為、電子の
みではなく特定のイオンの共鳴条件を設定することがで
きる特徴がある。
That is, in the present invention, the force of a magnetic field is added to the plasma CVD method using microwaves, and the interaction between the electric field and the magnetic field of the microwaves is used. Then, by utilizing the high energy state in the "hybrid resonance space" at a high pressure of 0.03 to 3QQ torr, for example, a large amount of activated carbon is generated, with excellent reproducibility,
Coatings with uniform thickness and homogeneous properties, such as diamond,
This makes it possible to form a film such as an i-carbon film. Furthermore, since the strength of the applied magnetic field can be changed arbitrarily, it is possible to set resonance conditions not only for electrons but also for specific ions.

以下に実施例を示し、さらに本発明を説明する。Examples will be shown below to further explain the present invention.

〔実施例〕〔Example〕

第1図に本発明にて用いた磁場印加可能なマイクロ波プ
ラズマCVD装置を示す。
FIG. 1 shows a microwave plasma CVD apparatus capable of applying a magnetic field used in the present invention.

同図において、この装置は減圧状態に保持可能なプラズ
マ発生空間(1)、補助空間(2)、磁場を発生する電
磁石(5)、(5’)およびその電! (25) 、マ
イクロ波発振器(4)、排気系を構成するターボ分子ポ
ンプ(7)、ロータリーポンプ(14L圧力調整パルプ
(11)基板ホルダ(10’)、被膜形成用物体(10
) 、マイクロ波導入窓(15) 、ガス系(6) 、
 (7) 、 (8) 、水冷系(18) 。
In the figure, this device includes a plasma generation space (1) that can be maintained in a reduced pressure state, an auxiliary space (2), electromagnets (5) and (5') that generate magnetic fields, and their electric! (25), microwave oscillator (4), turbo molecular pump (7) that constitutes the exhaust system, rotary pump (14L pressure regulating pulp (11), substrate holder (10'), film forming object (10)
), microwave introduction window (15), gas system (6),
(7), (8), water cooling system (18).

(1B’)、ハロゲンランプ(20)、反射鏡(21)
、加熱用空間(3)より構成されている。
(1B'), halogen lamp (20), reflector (21)
, a heating space (3).

まず薄膜形成用物体(10)を基板ホルダ(10”)上
に設置し、ゲート弁(16)よりプラズマ発生空間(1
)に配設する。この実施例では基板は珪素ウェハを用い
た。この基板ホルダ(10’)はマイクロ波および電磁
場をできるだけ乱さないようにするためステンレス製と
した。そしてここに正の電圧を加えるべくバイアス電圧
を印加し、成膜スピードを上げることは有効である。
First, the thin film forming object (10) is placed on the substrate holder (10''), and the plasma generation space (10) is opened from the gate valve (16).
). In this example, a silicon wafer was used as the substrate. This substrate holder (10') was made of stainless steel so as not to disturb microwaves and electromagnetic fields as much as possible. It is effective to apply a bias voltage here to apply a positive voltage to increase the film formation speed.

作製工程として、まずこれら全体をターボ分子ポンプ(
17) 、  ロータリーポンプ(14)により、1×
10” btorr以下に真空排気する。次に非生成物
気体(分解反応後置体を構成しない気体)である水素(
6)を11005CCガス系(7)を通じてプラズマ発
生領域(1)に導入し、この圧力を0.03〜30to
rrとする。外部より2.45GHzの周波数のマイク
ロ波をIKWの強さで加える。さらに磁石(マグネット
) (5) 。
As part of the fabrication process, the entire structure was first assembled using a turbo molecular pump (
17), 1× by rotary pump (14)
Evacuate to 10" btorr or less. Next, hydrogen (
6) is introduced into the plasma generation region (1) through the 11005CC gas system (7), and the pressure is set at 0.03 to 30 to
Let it be rr. A microwave with a frequency of 2.45 GHz is applied from the outside at a strength of IKW. Furthermore, a magnet (5).

(5”)を(18) 、 (18°)より水冷しつつ磁
場的2にガウスを印加し、高密度プラズマをプラズマ発
生空間(1)にて発生させる。この高密度プラズマ領域
より高ネルギを持つ非生成物気体または電子が基板ホル
ダ(10’)上の物体(10)の表面上に到り、表面を
清浄にする。
(5") is water-cooled from (18) and (18°) while applying a Gaussian magnetic field to generate high-density plasma in the plasma generation space (1). High energy is generated from this high-density plasma region. The non-product gases or electrons that it carries reach onto the surface of the object (10) on the substrate holder (10') and clean the surface.

次にこの反応系に水素とガス系(7)より生成物気体(
分解・反応後置体を構成する気体)であるCH4とCO
□とを1:Hl:4〜4:1の流量比とした)の気体濃
度比とし、その総流量をl0SCCHの流量で導入する
。水素に対する炭化物気体を2〜30%とした。この炭
素の水素化物はアセチレン(C,1I2)。
Next, a product gas (
CH4 and CO, which are the gases that constitute the decomposition/reaction postfix
□ and a flow rate ratio of 1:Hl:4 to 4:1), and the total flow rate is introduced at a flow rate of 10SCCH. The amount of carbide gas relative to hydrogen was 2 to 30%. This carbon hydride is acetylene (C, 1I2).

エチレン(C2H4)、ベンゼン(C6H6)でもよい
。また炭素のハロゲン化物としてCF4.CHJz、C
zFz、CzF4゜CzCIz、 C2Cl4であって
もよい。すると本発明方法は炭化物気体として炭素の非
酸化物を用い、これとCO□とを用いるため、メチルア
ルコール(C!(:+OH)エチルアルコール(CJs
OH)に比べて酸素の混入量を制御できるという特長を
有する。
Ethylene (C2H4) and benzene (C6H6) may also be used. Also, as a carbon halide, CF4. CHJz,C
It may be zFz, CzF4°CzCIz, or C2Cl4. Then, in the method of the present invention, a non-oxide of carbon is used as the carbide gas, and since this and CO□ are used, methyl alcohol (C!(:+OH)) ethyl alcohol (CJs
It has the advantage of being able to control the amount of oxygen mixed in compared to OH).

本発明方法はこれに加えてニッケルカルボニル(Ni 
(CO) 4)をISCCMまたはそれにゲルマン(G
eH4)。
In addition to this, the method of the present invention also uses nickel carbonyl (Ni).
(CO) 4) to ISCCM or to it
eH4).

弗化ゲルマニウム(GeF4)を25CCM 、即ち炭
化物気体に比べて0.1〜10%の濃度比にて加えた。
Germanium fluoride (GeF4) was added at a concentration ratio of 25 CCM, ie 0.1-10% compared to the carbide gas.

かくして高エネルギに励起された炭素原子が生成され、
400〜1000℃にプラズマまたはそれに加えてヒー
タ(20)により加熱され、基板ホルダ(10″)上の
物体(10)(ここでは珪素基板を用いた)上にこの炭
素が堆積し、0.1〜100urnの粒径のダイヤモン
ド又は0.1〜100μmの厚さのi−カーボン膜を形
成させることができた。
In this way, highly energetically excited carbon atoms are produced,
This carbon is heated to 400-1000° C. by plasma or additionally a heater (20), and deposits on the object (10) (here a silicon substrate) on the substrate holder (10″), with a temperature of 0.1 It was possible to form a diamond particle size of ~100 urn or an i-carbon film with a thickness of 0.1-100 μm.

CH,と水素のみの反応性気体であり、かつ触媒をまっ
た(用いない時は、800 ”Cの高温であっても15
時間かけて0.75μmの平均膜厚の膜が作られたのみ
であった。しかし本発明方法においては、Cog/CH
4=1/1 としくC(h+cl14)/Hz = 6
Zとした時、第4図にダイヤモンドの成長速度と基板温
度との関係を示すが、1時間で4.2μmもの高い成長
速度を800℃の低温で作ることが可能となった。加え
て従来方決においては形成された膜は凹凸が激しく、金
属顕微鏡(xlooo)でみても凹凸がみられた。しか
し本発明方法を用いた場合は、被形成面上が相対的に平
坦な被膜を作ることができた。
It is a reactive gas consisting only of CH, and hydrogen, and contains a catalyst (when not used, even at a high temperature of 800"C
Only a film with an average thickness of 0.75 μm was formed over time. However, in the method of the present invention, Cog/CH
4=1/1 C(h+cl14)/Hz = 6
Figure 4 shows the relationship between diamond growth rate and substrate temperature when Z is shown, and it has become possible to grow diamond as high as 4.2 μm in one hour at a low temperature of 800°C. In addition, in the conventional method, the film formed had severe irregularities, and the irregularities could be seen even when viewed with a metallurgical microscope (XLOOO). However, when the method of the present invention was used, it was possible to produce a film whose surface was relatively flat.

第1図において、磁場は2つのリング状の磁石(5) 
、 (5’ )を用いたヘルムホルツコイル方式を採用
した。さらに、4分割した空間(30)に対し電場・磁
場の強度を調べた結果を第2図に示す。
In Figure 1, the magnetic field is connected to two ring-shaped magnets (5).
, (5') was adopted. Furthermore, FIG. 2 shows the results of examining the strength of the electric and magnetic fields for the space (30) divided into four parts.

第2図(八)において、横軸(X軸)は空間(30)の
横方向(反応性気体の放出方向)であり、縦軸(R軸)
は磁石の直径方向を示す。図面における曲線は磁場の等
磁位面を示す。そしてその線上に示されている数字は磁
石(5)が約2000ガウスの時に得られる磁場の強さ
を示す。磁石(5)の強度を調整すると、電場・磁場の
相互作用を有する空間(100)(875ガウス±18
5ガウス以内)では磁場の強さを基板の被形成面の広い
面積にわたって概略均一にさせることができる。図面は
等磁場面を示し、特に線(26)が875ガウスとなる
共鳴の条件を生ずる等磁場面である。
In Figure 2 (8), the horizontal axis (X-axis) is the horizontal direction of the space (30) (reactive gas release direction), and the vertical axis (R-axis)
indicates the diameter direction of the magnet. The curves in the drawings indicate equipotential surfaces of the magnetic field. The number shown on the line indicates the strength of the magnetic field obtained when the magnet (5) is about 2000 Gauss. By adjusting the strength of the magnet (5), the space (100) (875 Gauss ± 18
(within 5 Gauss), the strength of the magnetic field can be made approximately uniform over a wide area of the surface on which the substrate is formed. The drawing shows an isomagnetic scene, in particular the isomagnetic scene that gives rise to the conditions of resonance where the line (26) is 875 Gauss.

この共鳴条件を生ずる空間(100)は第2図(B)に
示す如く、電場が最大となる領域となるようにしでいる
。第2図(B)の横軸は第2図(A)と同じく反応性気
体の流れる方向を示し、縦軸は電場(電界強度)の強さ
を示す。
The space (100) that produces this resonance condition is designed to be a region where the electric field is maximum, as shown in FIG. 2(B). The horizontal axis in FIG. 2(B) indicates the direction in which the reactive gas flows, as in FIG. 2(A), and the vertical axis indicates the strength of the electric field (electric field strength).

もちろんドーナツ型に被膜を形成せんとする場合はそれ
でもよい。
Of course, if a donut-shaped coating is to be formed, this may be used.

領域(100)に対してその原点対称の反対の側でも電
場が最大であり、かつ磁場が広い領域にわたって一定と
なる領域を有する。基板の加熱を行う必要がない場合は
かかる空間での被膜形成も有効である。しかしマイクロ
波の電場を乱すことなく加熱を行う手段が得にくい。
There is also a region on the opposite side of the origin symmetrical to region (100) where the electric field is maximum and the magnetic field is constant over a wide region. When there is no need to heat the substrate, film formation in such a space is also effective. However, it is difficult to find a way to perform heating without disturbing the microwave electric field.

これらの結果、基板の出し入れ、加熱の容易さを考慮し
、均一かつ均質な被膜とするためには第2図(A)の領
域(100)が3つの領域の中では最も工業的に量産性
の優れた位置と推定される。。
As a result, considering the ease of loading and unloading the substrate and the ease of heating, the area (100) in Figure 2 (A) is the most industrially mass-producible of the three areas in order to obtain a uniform and homogeneous coating. Estimated to be in an excellent location. .

この結果、本発明では領域(100)に基板(1o)を
配設すると、この基板が円形であった場合、半径100
mmまで、好ましくは半径50mmまでの大きさで均一
、均質な被膜形成が可能となった。
As a result, in the present invention, when the substrate (1o) is disposed in the area (100), if this substrate is circular, the radius is 100.
It became possible to form a uniform and homogeneous film with a radius of up to 50 mm, preferably up to 50 mm.

さらに大面積とするには、例えばこの4倍の面積におい
て同じく均一な膜厚とするには、周波数を2.45GH
zではなく 1.225GH2とすればこの空間の直径
(第2図(A)のR方向)を2倍とすることができる。
For an even larger area, for example, to achieve the same uniform film thickness over an area four times larger than this, the frequency should be set to 2.45 GH.
If it is set to 1.225GH2 instead of z, the diameter of this space (direction R in FIG. 2(A)) can be doubled.

第3図は第2図における基板(10)の位置での円形空
間の磁場(A)および電場(B)の等磁場、等電場の図
面である。第3図(B)より明らかなごとく電場は最大
25KV/mにまで達せしめ得ることがわかる。
FIG. 3 is a diagram of equal magnetic fields and equal electric fields of the magnetic field (A) and electric field (B) in a circular space at the position of the substrate (10) in FIG. 2. FIG. As is clear from FIG. 3(B), it can be seen that the electric field can reach a maximum of 25 KV/m.

「実施例2」 実施例1の装置を用いた。その結果を第5図に示す。即
ち、(CH4+CO□)/H2=6χ(体積比)とし、
基板温度を800℃とした。そしてCHa とCO□の
混合比を可変した。するとCH4とCO2とを混合比で
1:2または2:1として、水素をまず反応用装置内に
流して形成した。成長速度は従来の方法、即ちCH4+
H2のみの反応性気体を用いる方法に比べて約20〜8
4倍も大きくなった。
"Example 2" The apparatus of Example 1 was used. The results are shown in FIG. That is, (CH4+CO□)/H2=6χ (volume ratio),
The substrate temperature was 800°C. Then, the mixing ratio of CHa and CO□ was varied. Hydrogen was then formed by first flowing CH4 and CO2 in a mixing ratio of 1:2 or 2:1 into the reactor. The growth rate was determined by the conventional method, i.e. CH4+
Approximately 20 to 8
It's now four times bigger.

また(CH4+CO□)/H2を1〜30%にまで可変
した。
Furthermore, (CH4+CO□)/H2 was varied from 1 to 30%.

するとこの値が大きくなるほど成膜速度が増大した。し
かし10%を越えると、多結晶中の色が透明から黄色が
かってきた。即ち、ダイヤモンド中にグラファイト成分
が混入してきているものと推定される。
As this value increased, the film formation rate increased. However, when it exceeds 10%, the color of the polycrystal changes from transparent to yellowish. That is, it is presumed that graphite components have been mixed into the diamond.

本発明で明らかな如く、反応性気体をCO□/UZのみ
とし、メタンの混入量を零としてもダイヤモンドを作る
ことができる。しかしその成膜速度は0.8μ/時間と
遅かった。しかしそれでもメタンと水素のみとにする方
法に比べて60%も大きい成長速度を有せしめることが
でき、従来方法より優れてていた。
As is clear from the present invention, diamond can be produced even when the reactive gas is CO□/UZ and the amount of methane mixed is zero. However, the film formation rate was as slow as 0.8 μ/hour. However, it was still possible to achieve a growth rate 60% higher than the method using only methane and hydrogen, which was superior to the conventional method.

さらにCH4:CO2=2:1(CO,/CH4=0.
5)においては、ダイヤモンドを含む薄膜を作る最低温
度は700℃1最高圧力は20torrであった。しか
しCHn:C0z−1:1とすると、650℃(0,1
torrの場合)、最高圧力は50 torr (80
0℃の場合)であり、またCH4:CO□−に2とする
と、650 ’Cの温度でも圧力を1Qtorrにする
とダイヤ毛ンドの結晶が認められた。
Furthermore, CH4:CO2=2:1 (CO,/CH4=0.
In 5), the minimum temperature for forming a thin film containing diamond was 700° C. and the maximum pressure was 20 torr. However, if CHn:C0z-1:1, 650℃ (0,1
torr), maximum pressure is 50 torr (80 torr)
0°C), and when CH4:CO□- was set to 2, diamond crystals were observed even at a temperature of 650'C when the pressure was set to 1 Qtorr.

形成したものである。その結果、ダイヤモンドを単にシ
リコン基板上のみならずTiN、Moまた金属バイト等
の被形成面上に膜状に形成することが可能となった。
It was formed. As a result, it has become possible to form diamond in the form of a film not only on a silicon substrate but also on the surface of TiN, Mo, a metal cutting tool, or the like.

〔効果〕〔effect〕

本発明は、炭素の反応性気体(非酸化物気体)に水素と
炭酸ガスとを同時に混入した気体により炭化物気体を希
釈して、ダイヤモンド粒または膜を形成したものである
。その結果、ダイヤモンドを単にシリコン基板上のみな
らずTtN、Moまた金属バイト等の被形成面上に膜状
に形成することが可能となった。
In the present invention, diamond grains or a film are formed by diluting a carbide gas with a gas in which hydrogen and carbon dioxide gas are simultaneously mixed into a carbon reactive gas (non-oxide gas). As a result, it has become possible to form diamond in the form of a film not only on a silicon substrate but also on the surface of a TtN, Mo, metal cutting tool, or the like.

また人体にきわめて有害なC0(−酸化炭素)をボンベ
より水素に混入するのではなく、本発明は人体に安全な
CO□を出発気体として用いている。
Furthermore, rather than mixing CO (-carbon oxide), which is extremely harmful to the human body, into hydrogen from a cylinder, the present invention uses CO□, which is safe for the human body, as the starting gas.

そのため、万一、装置の動作不備で気体が外部にもれて
も、安全であるという工業上の特徴を有する。加えて成
膜速度も水素での炭化水素気体の希釈割合を少な(でき
るため、5〜20倍もの高速でダイヤモンドを作ること
が可能となった。
Therefore, it has an industrial feature of being safe even if gas leaks to the outside due to malfunction of the device. In addition, the film-forming speed was reduced by diluting the hydrocarbon gas with hydrogen, making it possible to produce diamonds 5 to 20 times faster.

さらに、水素と炭酸ガスおよびメタン、弗化炭素等の非
酸化物炭素化物気体を用い、室温または300℃以下の
温度で高周波プラズマを用いてダイヤモンド状炭素を作
る場合も、本発明は有効である。かかる場合、メタンの
みを用いた形成方法が黄色の不透明な膜であり、かつ、
ビッカース硬度2000〜4000Kg/cm”である
のに比ヘテ、ビッカース硬度を5000〜9000Kg
/cm”を有する透明な膜を作ることが可能となった。
Furthermore, the present invention is also effective when diamond-like carbon is produced using high-frequency plasma at room temperature or at a temperature of 300°C or less using hydrogen, carbon dioxide gas, and non-oxide carbonide gas such as methane or carbon fluoride. . In such a case, the formation method using only methane results in a yellow opaque film, and
Although the Vickers hardness is 2000-4000Kg/cm, the Vickers hardness is 5000-9000Kg.
/cm'' can now be produced.

このため、従来公知の高圧プレス法で作られるダイヤモ
ンドに比べ約1000倍もダラムあたりの生産コストが
高い気相法において、その比が約1000倍度にまで下
げることが可能となった。さらに高圧法では被膜を作る
ことができないため、本発明により初めて平坦な被膜を
作ることができ、新たな応用を期待することが可能とな
った。
For this reason, in the gas phase method, the production cost per duram is about 1000 times higher than that of diamond produced by the conventionally known high-pressure pressing method, but it has become possible to reduce the production cost to about 1000 times. Furthermore, since it is not possible to form a film using a high-pressure method, the present invention makes it possible to create a flat film for the first time, making it possible to expect new applications.

本発明方法において、炭素を作るに際し、その中にホウ
素、窒素、リン等の添加をしてPまたはN型の半導体と
しても、珪素を添加し5ixC+□を被形成面上にまず
形成し、その上に炭素膜を二層構造で作製し、より下地
材料での密着性を向上させてもよい。また成膜中に触媒
作用のあるGeF 、 。
In the method of the present invention, when carbon is made, boron, nitrogen, phosphorus, etc. are added thereto to make it a P- or N-type semiconductor, and silicon is added to form 5ixC+□ on the surface to be formed. A carbon film may be formed on top to have a two-layer structure to further improve adhesion with the base material. GeF also has a catalytic effect during film formation.

ニッケルカルボニル気体を同時に混入し、成膜混圧を下
げることは有効である。
It is effective to simultaneously mix nickel carbonyl gas and lower the mixed pressure for film formation.

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

第1図は本発明で用いる磁場・電場相互作用を用いたマ
イクロ波CVD装置の概略を示す。 第2図はコンピュータシミュレイションによる磁場およ
び電場特性を示す。 第3図は電場・磁場相互作用をさせた位置での磁場およ
び電場の特性を示す。 第4図および第5図は本発明方法を用いて作られたダイ
ヤモンドの成長速度特性を示す。 1・・・・プラズマ発生空間 4・・・・マイクロ波発振器 5.5゛・・・外部磁場発生器 17・・・・ターボ分子ポンプ 10・・・・被膜形成用物体または基板10゛  ・・
・基板ホルダ 20・・・・ハロゲンランプ 21・・・・反射鏡 100  ・・・最大電場となる空間 第2図 ÷−一【(綿) 港ザL這A文Oc・) ネ4ω
FIG. 1 schematically shows a microwave CVD apparatus using magnetic field/electric field interaction used in the present invention. FIG. 2 shows the magnetic field and electric field characteristics by computer simulation. Figure 3 shows the characteristics of the magnetic field and electric field at a position where the electric field and magnetic field interact. Figures 4 and 5 show the growth rate characteristics of diamond made using the method of the present invention. 1... Plasma generation space 4... Microwave oscillator 5.5''... External magnetic field generator 17... Turbo molecular pump 10... Film forming object or substrate 10''...
・Substrate holder 20...Halogen lamp 21...Reflector 100...Space with maximum electric field Fig. 2 ÷ - 1

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、プラズマ気相反応方法であって、水素と炭酸ガスと
炭素化物気体とをプラズマ発生空間に導入してダイヤモ
ンド状炭素またはダイヤモンドを主成分とする物体を作
製することを特徴とする炭素作製方法。 2、特許請求の範囲第1項において、マイクロ波に加え
て磁場を同時に印加し、電場および磁場の相互作用を用
いて0.03〜800torrの圧力範囲でプラズマを
発生せしめてダイヤモンド状炭素またはダイヤモンドを
主成分とする物体を作製することを特徴とする炭素作製
方法。 3、特許請求の範囲第1項において、400〜900℃
の基板温度にて、基板上にダイヤモンドを有する物体を
作製することを特徴とする炭素作製方法。
[Claims] 1. A plasma gas phase reaction method, which involves introducing hydrogen, carbon dioxide gas, and carbonide gas into a plasma generation space to produce a diamond-like carbon or diamond-based object. Characteristic carbon production method. 2. In claim 1, diamond-like carbon or diamond is produced by simultaneously applying a magnetic field in addition to microwaves and generating plasma in a pressure range of 0.03 to 800 torr using the interaction of the electric and magnetic fields. A carbon production method characterized by producing an object whose main component is 3. In claim 1, 400 to 900°C
1. A carbon production method characterized by producing an object having diamond on a substrate at a substrate temperature of .
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0259492A (en) * 1988-08-25 1990-02-28 Ishizuka Kenkyusho:Kk Method for synthesizing diamond by vapor phase reaction
CN109537051A (en) * 2018-11-27 2019-03-29 西安碳星半导体科技有限公司 A kind of method of high-speed growth single-crystal diamond

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