JPH03131597A - ダイヤモンドの合成方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、高周波によるプラズマ法タイヤセント合成に
おいて、ガスの種類、導入方法を特定することによって
、生成速度を早くするとともに、安定してダイヤモンド
を合成できるようにしたダイヤモンドの合成方法に関す
る。

〔従来の技術〕

近年、低圧気相中て行なうダイヤモンド合成方法として
種々の方法か開発されている。このうち、ダイヤモンド
の生成速度の速い方法として、熱プラズマを用いた方法
と、燃焼炎を用いた方法か注目されている。

［解決すべき課題］ 従来の熱プラズマを用いたダイヤセントの合成方法は、
その装置として出力数ＫＷ〜数ＭＷの直流アーク装置あ
るいは高周波熱プラズマ装置を用いている。

しかしながら、これらの熱プラズマ発生装置には、■多
量の電力を消費する、■反応には直接寄与しないアルゴ
ン等のプラズマガスな多量に（数十〜数百文／ｗｉｎ）
使用する、■安定した熱プラズマを得にくい、■大型の
電源を必要とするために装こか高価になる。などといっ
た問題かある。

例えば、高周波プラズマによるダイヤモンドの気相合成
法として、特開昭６３−２８２２０Ｑ号の技術か提案さ
れている。この方法は、プラズマガスとして水素等を用
いてプラズマ噴流を形成し、このプラズマ噴流中に、原
料ガスとしての炭化水素ガスを導入し、ラジカル化して
基板に衝突せしめ、ダイヤモンド薄膜を形成するもので
ある。しかし、この方法ては、プラズマ噴流をつくるた
めに多量のガスを必要とし、ダイヤモンド生成のための
エツチングガスとして水素を用いるとプラズマ化が非常
に困難となり、たとえプラズマ化が生じてもプラズマの
安定性かなく、さらにダイヤモンドの生成速度の点で十
分なものではなかった。

この問題を解決するために、直流と高周波を直列させて
用いるハイブリッド方法が開発されている。しかし、こ
の方法は二つの電源を用いる必要かあるため、コスト的
にはほとんど改善されていないという問題がある。

一方、燃焼炎を用いた方法は、燃料ガス及び酸素ガスを
燃焼させ、不完全燃焼領域中に基板を置くことによりダ
イヤモンドを合成させるものである。この方法において
は、燃料ガスとしてアセチレンガス、プロパンガスある
いはメタンガスを使用するのか一般的である。このうち
、アセチレンガスは、効率的なダイヤモンド合成に必要
な燃焼温度が得られるものの、高価で危険である。これ
に対して、プロパンガス、メタンガス等は、アセチレン
ガスより安価で安全であるものの、燃焼温度か低いため
ダイヤモンドを効率的に合成できないという問題かある
。

本発明は、上記問題点にかんがみてなされたちのて、高
周波プラズマの発生と、炭素源原料ガス及び含酸素ガス
を用いることにより低コストで安定した熱プラズマを得
、高速かつ均一なダイヤモンド合成を行なえるようにし
た方法の提供を目的とする。

なお、特開昭６２−２７３０４７号において、燃焼炎複
合高周波熱プラズマ発生装置が開示されているか、この
装置を用いてダイヤモンドを合成させる方法についての
具体的な記載、及び本発明方法を示唆する記載は全くな
い。

［課題の解決手段］ 上記目的を達成するため１本発明のダイヤモンド合成方
法は、高周波によるプラズマ中に炭素源となる原料ガス
と含酸素ガスを導入して基板にダイヤモンドを生成させ
るようにしである。そして望ましくは、原料ガスと酸素
ガスを導入して不完全燃焼領域をプラズマ中に形成し、
基板にダイヤモンドを生成させる方法としである。

この方法によると、高周波による熱プラズマ発生と、原
料ガス及び含酸素ガス導入による、例えば不完全燃焼領
域の形成を実質的に分離することかできる。したかって
、それぞれについて最適の条件を選定することかでき、
任意の原料ガスと一つの小型（低出力）の電源を用いる
だけで、安定した熱プラズマを発生し、ダイヤモンドを
高速度で生成できる。また、プラズマガスの量も大幅に
減らすことかできる。

以下、本発明のダイヤモンド合成方法を具体的に説明す
る。

まず、本方法を実施する際に用いる装置例を第１図及び
第２図によって説明する。

第１図は第−装置例を示すものてあり、１は筒状の石英
管であり、管壁部は二重構造となっていて冷却水の流れ
る空間１ａが形成しである。２は高周波コイルであり、
石英管工の外周に巻設してあり、高周波電源３と接続し
ている。

４はバーナてあり１石英管１の内部にガスを噴射して燃
焼炎５を形成する。このバーナ４は、多重の同軸管構造
となっており、プラズマガス、原料ガス、含酸素ガスを
噴射する。

６は基板てあり、石英管ｌの内部のプラズマ中に配置し
である。７は基板６を冷却するための水冷パイプである
。なお、８は熱プラズマフレームである。

したがって、本装置において、高周波電源３より高周波
コイル２に高周波を送り、バーナ４より上述の各種ガス
を供給すると、熱プラズマフレーム８か形成されるとと
もに、燃焼炎５が形成される。このとき基板６は、内炎
５ａと外炎５ｂとからなる燃焼炎５の内部に位ｎする。

このうち、不完全燃焼領域である内炎５ａは、ダイヤモ
ンドの前駆体が多量に存在していると考えられるので、
この不完全燃焼領域もしくはこれに準する領域内に基板
６を位置せしめることかダイヤモンド合成にとっては好
ましいと考えられる。

第２図は、第二装置例を示すものであり、石英管ｌ、高
周波コイル２．高周波電源３、基板６、水冷バイブ７は
第一実施例のものと同じ構造となっている。一方、各種
ガスを噴射するノズルは分離しており、プラズマガスを
噴出するノズル９は、基板６と適宜の間隔を保った対向
位置に配置してあり、原料ガス及び含酸素ガスを噴出す
るノズル１０は、プラズマの尾炎部より複数のノズル１
０ａを放射状に配置した構成としである。

この装置を用いる場合は、例えば、アルゴンを用いてプ
ラズマを形成し、このプラズマの尾炎部において原料ガ
スと含酸素ガス（好ましくは、酸素ガス）を周囲より導
入するようにする。

したかって、本装置を用いた方法によれば、プラズマの
発生と、不完全燃焼領域の形成を完全に分離することか
でき、それぞれの最適条件を容易に選定できるので本発
明方法により適している。

［実施例］ 次に、本発明方法の実施例と、比較例を対比する。

本発明方法における各種合成条件等は、以下のとおりで
ある。ただし、これに限定されるものではない。

０周波数：　ＩＫＨｚ　〜１００ＭＩ（Ｚ　（好ましく
は４ＭＨ１または１３．５６ＭＨｚ） ○出カニ　ｓｏｏｗ〜１００ＫＷ　（好ましくは１〜５
ＯＫＷ）Ｏ炭素源原料ガス：メタン、エタン、プロパン
。

ブタン、プロピレン、アセチレン、各種アルコール、ハ
ロゲン化炭化水素、アミン。

−酸化炭素等ダイヤモンド合成用ガス Ｏ含酸素ガス：酸素、空気、二酸化炭素、水等（好まし
くは酸素） Ｏ圧力＋　１〜８００Ｔｏｒｒ（好ましくは１００〜７
５０Ｔｏｒｒ）○プラズマガス：アルゴン、ヘリウム ○基板：シリコン、炭化ケイ素、アルミナ、窒化アルミ
ニウム、タングステン、タングステンカーバイド等 実施例１ 第１図に示した装置を用い、大気下、周波数１３．５６
Ｍｌ１ｚ、メタン：１．ＳＪｌ　／ｗｉｎ、酸素：２．
ＯＪｌ　／＊ｉｎとし、高周波電源の出力５ＫＷの条件
で、シリコンウェハーを基板として、燃焼炎を用いてダ
イヤモンドの合成を行なった。

この結果、プラズマガスとしてのアルゴンを使用するこ
となく安定な熱プラズマを得られ、ダイヤモンドは均−
状の薄膜状に合成され、生成速度は約１００　ｐ、　會
／ｈｒであった。なお、シリコンウェハーは５ダイヤモ
ンド粉て傷付処理したものを用いた。

比較例１ 従来の高周波熱プラズマ装置を用い、アルゴン：　：１
ＯＪＬ　／＋ｓｉｎ、メタン：０．５１　／ｗｉｎ、水
素：２１　／＋＊ｉｎとしたところ、高周波出力４０に
Ｗで熱プラズマか発生し、約１００ｇ重ハｒの生成速度
でダイヤモンドか合成された。また、アルゴンの流量を
：ｌＯＭ　／ｗｉｎ以下とした場合には、熱プラズマは
安定しなかった。

Ｌ！！１ス 第２図に示した装置を用い、プラズマガスとしてアルゴ
ンを１５４１　／ｓｉｎ供給し、周波数１３．５６Ｍ）
Ｉｚ。

高周波出力３ＫＷ、圧力１０Ｔｏｒｒの条件下でプラズ
マを発生させた。プラズマ発生後、徐々に圧力を上げて
、７６０Ｔｏｒｒの熱プラズマとした。石英管出口付近
において、プロパン　１文／ｗｉｎと酸素１立／■ｉｎ
の混合ガスを周囲のノズルよりプラズマ尾炎部に導入し
、シリコンウェハー基板上にダイヤモンドの合成を行な
った０合成時の圧力は、７６０Ｔｏｒｒとした。

この結果、安定性よくダイヤモンドの均一な薄膜かえら
れた。このときの生成速度は、約１２０ルｍ／ｈｒであ
った。

このように高周波プラズマに、炭素源原料ガスおよび含
酸素ガス、好ましくは酸素ガスを導入することにより、
高周波プラズマの出力を低くできるとともに、プラズマ
ガスとしてのアルゴンの使用量を減少することか可能と
なった。しかも、プラズマも長期に安定した状態を維持
できた。また、プラズマが低出力であるにもかかわらず
、高品質のダイヤモンドを生成速度速く得られた。

このように、本発明は、従来の高周波プラズマ法と異な
り、ダイヤモンド形成時のエツチングを励起水素ではな
く、酸素を用いて行なうなど、従来の高周波プラズマ法
とは大いに異なり、単なる改良でないことか分かった。

特に、不完全燃焼条件下においての合成にあっては、プ
ラズマの温度と燃焼による温度とを任意に制御できるた
め、従来燃焼炎法て困難であったメタン、エタン、プロ
パン等の原料ガスの使用をも可能にできるなど安全面、
経済面ての効果も大である。

なお、ここでダイヤモンドとは、膜状１粒状。

板状などのものを含む概念である。また、本ダイヤモン
ド合成方法は、電子９機械、光学等の広い分野において
利用できる。

［発明の効果］ 以上のように本発明のダイヤモンド合成方法によれば、
ダイヤモンド合成を均一かつ高速に、しかも安価に行な
える効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明方法を実施するための第−装と例の要
部図、第２図は、本発明方法を実施するための第二装置
例の要部図を示す。 ｌ：石英管　　　　　　２：高周波コイル３：高周波電
源　　　　４：ノズル ５：燃焼炎　　５ａ：内炎　　　５ｂ：外炎６：基板　
　　　　　　７：水冷バイブ８コ熱プラズマフレーム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波によるプラズマ中に、炭素源となる原料ガ
   スと含酸素ガスを導入して、基板にダイヤモンドを生成
   させることを特徴としたダイヤモンドの合成方法。
2. （２）高周波によるプラズマ中に、炭素源となる原料ガ
   スと酸素ガスを導入して、不完全燃焼領域を上記プラズ
   マ中に形成し、基板にダイヤモンドを生成させることを
   特徴としたダイヤモンドの合成方法。