JPH0292895A - 熱フィラメントｃｖｄ法によるダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜の合成方法 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、化学気相析出法（ＣＶＤ法）によるダイヤモ
ンドあるいはダイヤモンド薄膜の合成方法に関するもの
である。

〈従来の技術〉 ダイヤモンドは硬度、熱伝導度、絶縁性などに優れた特
性を持っており、それぞれの特性を生かして多方面に活
用されている。最近はＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜
あるいはダイヤモンド状薄膜が合成されるようになり、
工具の保護膜のみならず、半導体材料などの高機能材料
の素材として注目をあびている。

ダイヤモンド薄膜をＣＶＤ法で合成する方法として種々
の方法が堤案されている０例えば、犬塚。

浜辺共著「ダイヤモンド薄膜」産業図書、　１９８７年
や、とりわけ特開昭５８−９１１００号公報に開示され
ている熱フィラメントＣＶＤ、特開昭５８−１１０４９
１号公報に開示されているマイクロ波プラズマＣＶＤ法
は、現在に至るまでダイヤモンド薄膜合成法の主流とな
っている。

この２つの方法の中で熱フィラメントＣＶＤ法は装置の
簡便さから、マイクロ波プラズマＣＶＤ法よりイｚれた
方法とされている。

熱フィラメントＣＶＤ法は、Ｓｔなどの基板工数価に設
置されたタングステンフィラメントを通電加熱しフィラ
メント温度を約２０００°Ｃ以上に加熱させ、その上方
から１１．で希釈された各種含炭素化合物の混合ガスを
導入し熱分解の作用で基板上にダイヤモンド薄膜を合成
しようとするものである。

この方法での最も大きな問題点は、数時間に及ぶＣＶＤ
中にダンゲステンフィラメントの温度が変化し、一定に
保つことができないことである。

この手法は原料ガスの熱分解により成膜に好ましいラジ
カル等の不安定中間体を生成することによりダイヤモン
ド薄膜を合成しようとするものであるから、熱フィラメ
ントの温度が不安定であることは熱分解反応が不均一あ
るいは時間的にみればゆらぐことになり、結果として良
質の薄膜の形成が困難であった。

〈発明が解決しようとする課題〉 本発明の目的は、熱フィラメントＣｖＤ法において熱フ
ィラメントの温度をＣＶＤの期間中正確に一定に保ち、
従来の方法で得られる膜よりも改質の一段と向上するも
のを形成するダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜
の合成方法を提供するものである。

〈課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熱フィラ
メントで熱分解した後、予め加熱した基板表面に導入し
てダイヤモンドを析出させる熱フィラメントＣＶＤ法に
おいて、該熱フィラメントあるいは該熱フィラメント周
辺空間部と該基板あるいは該基板周辺空間部間に流れる
電流を一定値に制御する熱フィラメントＣＶＤ法による
ダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜の合成方法で
あり、さらに具体的には、該電流を測定し、その測定値
を熱フィラメント加熱用Ｎ、源にフィードバックし、該
測定値が所定の値になるように該熱フィラメント加熱用
電源への供給電力を制御する熱フィラメントＣＶＤ法に
よるダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜の合成方
法である。

〈作　用〉 まず本発明に至った経過を説明する。

発明者等は基板上にダイヤモンド薄膜を合成するために
通常用いられている第４図の様な装置を用いて、実験を
試みた。この図で真空チャンバー７中に設置した基板ホ
ルダー４Ｂを加熱することにより、基板４として用いる
Ｓｉ板を８００〜９００　”Ｃに加熱する。そのＳｔ基
板の上方３Ｍの位置にタングステンフィラメント５を保
持し、　１００ｖ交流を電源としてスライダック（変圧
器）１４を用いて、タングステンフィラメンｌ−５を２
０００°Ｃ付近に通電加熱し、その上方からガス供給ノ
ズル６から１１！により１％以下に希釈したＣ１１４混
合ガスをタングステンフィラメント５に吹きつける。な
お１は反応炉、２は排気装置、　１２は排気口である。

この装置を用いて何回か成膜実験を行ったところ、極め
て再現性が悪くその原因を調査しているうちに、熱フィ
ラメントの温度が不安定で当初設定した温度から時間が
経過するに従い変動していることに気付いた。

実際に測定したところ、タングステンフィラメントの温
度が１００〜３００°Ｃ程度変動することが観測された
。熱フィラメントにより原料ガスであるＣ１１．と希釈
ガスである１１□を分解するために、この温度変動はガ
スの分解する割合９分解生成物の分布にも変化をきたし
、良質の膜が形成できない原因となる。

ところで、熱フィラメントの温度を一定に保つために変
圧器を操作することは、人を常時必要とし設定の際に生
じる所定値をはさんだ温度の高低は逆にフィラメント温
度が時間的に変動する新しい原因になる。

そこで、さらに様々な試みを行っているうちに第２図に
示すように熱フィラメント５と基板間４に、電流８！Ｉ
５を直列に入れたところ、熱フィラメント５を通電加熱
すると電流が流れ出すのを発見した。このとき熱フィラ
メントと基板間は約５ｍｍ。

圧力４０ｔｏｒｒであった。すなわち熱フィラメントを
加熱するのみで、電流が基板からガス層を隔てて熱フィ
ラメント方向に流れることを発見した。

さらに原料ガスの流量。ガス組成、ガス圧力フィラメン
ト−基板間隔を一定にして、熱フィラメントに印加する
電圧を調整して熱フィラメントの温度を変更させると、
それに応じて、熱フィラメント−基板間に流れる電流値
が変化することを発見した。

熱フィラメントの温度を石英の窓を通してパイロメータ
ーで決定し、これを横軸に、そのときの電流値を縦軸に
プロットし第１１ＥＩの様な結果を得た。

この曲線は同一配置であるかぎり再現性がよく、この事
実をもとにして熱フィラメント−基板間に流れる電流量
を一定に保つことで、その設定した電流値に対応する熱
フィラメント温度に設定することができた。すなわち、
ｃ　Ｖ　Ｄ　Ｍ間中に熱フィラメントの温度が変化して
も、その設定電流値になるように熱フィラメントへの印
加電力をｉＪｌ整することにより、安定したＣＶＤ条件
を創りだせる。

ところで従来は熱フィラメントの温度はＣＶＤチャンバ
ーの窓を連してパイロメーターで決定されてきている。

しかしこの方法には次の欠点があり正６ｉなフィラメン
トの温度を測定することができない。

（１）窓が汚染しているときそれが誤差の原因となる。

（２）　　ｉｌｌ定に熟練を必要とする。

（３）誤差が±１００°Ｃ程ある。

本発明の方法を用いれば、これらの欠点が完全に克服さ
れる。

本発明は、以上の知見に基づいて構成されたもので、熱
フィラメントＣＶＤ法において熱フィラメントより発生
する電流量を計測し、それを利用して熱フィラメント温
度を一定に保ち、安定した熱分解反応を持続さＩ８質の
ダイヤモンド薄膜を合成しようとするものである。

熱フィラメントと基板に対して、２本の電極をそれら周
辺に配置し・その間に流れる電流をはかるには、次の４
通りの電極の配置の仕方がある。

■　熱フィラメントと基板それ自体 ■　熱フィラメントと基板ホルダー ■　熱フィラメントと熱フィラメント周辺の空間 ■　熱フィラメント基板周辺の任意の空間いずれの場合
もＣＶＤチャンバー外で２つの電極に対して直列に電流
針を設置する。

この４つの配置のうち同一温度で流れる電流値の大小は
この順になっていた。

なおアースされたグリッドを前記空間に挿入して電流強
度を測定してもよい。

本発明では、かくの様に測定した電流値で熱フィラメン
トの温度を知り、かつ同時に熱フィラメントの温度を測
定した電流値を一定にすることにより一定にするもので
ある。

この操作を例えば具体的には第３図の様な電気回路によ
り自動化することが可能である。すなわち電流計１５で
計測した電流値をフィードバック回路１６に入力し、そ
こからの出力を安定化電源１７に導入し、熱フィラメン
ト５への印加電力をコントロールする。

〈実施例〉 第２図の回路を用いて熱フィラメントＣＶＤ法によりダ
イヤモンド薄膜の合成を行った。流量はＣｌ１ａ　２ｓ
ｃｃｍ、　ｌｌｚ　１９８ｓｃｃｍ、基板温度８５０’
Ｃ，圧力４０Ｌｏｒｒであった。フィラメント温度をパ
イロメーターで測定しながら２０００’Ｃになる様に電
源をコントロールした。このとき基板と熱フィラメント
間に流れる電流は１．２ｍＡであった。第３図のフィー
ドバック回路を用いて電流の指示値が１．２ｍＡになる
様に設定したところ、５時間のｃ　Ｖ　Ｄ　ｇ間中熱フ
ィラメント温度は（２０００±１０）’Ｃであった。

比較のために、第５図に示す従来の装置で、温度設定を
パイロメーターを用いて手動調整したとき得られた膜と
の比較を表１に示す。両方の薄膜ともレーザラマン分光
光度計で測定すると１３３２ｃｍ−’の位置にピークが
表れダイヤモンドの形成を示している。しかし比較例の
方が半値幅が２倍になり、膜質が悪いことを示している
。

ＳＥＭ像（走査型電顕像）では両者ともに多結晶膜であ
ったが表１に示す様に実施例１の膜の方が特性がよりダ
イヤモンド本来の値に近づいている。すなわち、より緻
密な膜が形成され、粒界なとの影響がより少ない良質な
改が形成されていることを示す。

〈発明の効果〉 以上詳しく説明した通り、本発明法は熱フィラメントＣ
ＶＤ法における最大の問題点である熱フィラメントの温
度を、熱フィラメント−基板あるいは熱フィラメント−
その周辺の任意の空間の間に流れる電流量により正確に
制御ｎするものである。

第３図に示す制御回路を用いれば無人で熱フィラメント
の温度を制ｉ１１することができる。また、熱フィラメ
ントの温度制御が小さな温度振幅で正確に行えるため得
られる膜質は著しく向上する。すなわち本発明は優れた
特性を持つダイヤモンドを高品質でかつ低コストで合成
する方法であり、その産業上の育用性ははかり知れない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は熱フィラメント−基板間に流れる電流量と熱フ
ィラメント温度との関係を示すグラフ、第２図は熱フィ
ラメントと基板間を電流計を介して接続した説明図、第
３図は本発明の実施例を示す説明図、第４図は熱フィラ
メントＣＶＤ法の概念図、第５図は第４図の要部拡大説
明図である。 ｌ・・・反応炉、　　　　　　　　２・・・排気装置、
３・・・炭化水素と水素上のノ」（給装置、４・・・基
　板、 ４Ａ・・・基板支持棒、　　　　　４Ｂ・・・基板支持
台、５・・・タングステン・フィラメント、６・・・混
合ガスノズル、　　　　７・・・反応管、８、　９．１
０．１１・・・コック、　１２・・・排気口、１４・・
・熱フィラメン斗加熱Ｔｒｉ源、１５・・・電流計、 Ｉ６・・・フィードバック装置、 １７・・・電源安定化装置。 第１図 熱フィラメント温度（Ｃ） 第２図

Claims (1)

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熱フィラメント
   で熱分解し予め加熱した基板表面に導入してダイヤモン
   ドを析出させる熱フィラメントＣＶＤ法において、該熱
   フィラメントあるいは該熱フィラメント周辺空間部と該
   基板あるいは該基板周辺空間部間に流れる電流を一定値
   に制御することを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ法に
   よるダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜の合成方
   法。 ２、請求項１記載の電流を測定し、その測定値を熱フィ
   ラメント加熱用電源にフィードバックし、該測定値が所
   定の値になるように該熱フィラメント加熱用電源への供
   給電力を制御することを特徴とする熱フィラメントＣＶ
   Ｄ法によるダイヤモンドあるいはダイヤモンド状薄膜の
   合成方法。