JPH03131598A

JPH03131598A - ダイヤモンド膜の製造装置および製造方法

Info

Publication number: JPH03131598A
Application number: JP16917290A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yamamoto; 稔山元; Satoshi Nakamura; 聡中村; Nobue Ito; 伊藤　信衛; Tadashi Hattori; 正服部
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1989-07-05
Filing date: 1990-06-27
Publication date: 1991-06-05
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: JP2833164B2

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、ダイヤモンド膜の製造装置および製造方法に
関し、特にアーク放電を用いてダイヤモンド膜を気相合
成するものに関する。

〔従来の技術〕

近年、ダイヤモンド膜の低圧気相合成が提案されている
が、その合成方法は、次の３種類に大別できる。

第一の方法は、熱フイラメントＣＶＤ法と呼ばれるもの
で、８００〜１０００°Ｃに加熱した基板の直上にタン
グステンフィラメントを設け、フィラメントを２０００
°Ｃ以上に加熱し、水素と炭化水素ガス（例えばＣＨ４
）をフィラメントを通して基板に吹き付け、基板上にダ
イヤモンド膜を成長させる方法である。第二は、マイク
ロ波プラズマＣＶＤ法と呼ばれ、数百ワットのマイクロ
波により水素と炭化水素ガスの混合ガス気体にプラズマ
を発生させ、プラズマ内に配置された基板上にダイヤモ
ンドを成長させる方法で、基板はマイクロ波により加熱
され、７００〜９００°Ｃ程度の温度になっている。以
上２種類の合成法では、原子状水素が重要な役割をして
いる。原子状水素は、ＣＨ，の分解を促進し、さらに無
定形炭素などダイヤモンド以外の合成物質を選択的にエ
ツチングする。第三はイオンビームを用いた合成法であ
り、炭素のイオンビームを基板にあてることでダイヤモ
ンド膜を成長させようとするものである。

［発明が解決しようとする課題］しかし、現在提案されている上記従来のダイヤモンド製
造法は、ダイヤモンド膜の合成速度が速くても数μｍ／
Ｈｒとかなり遅く、例えばヒートシンク用基板として厚
み１００μｍ以上のダイヤモンド膜を合成しようとする
と極めて長時間かかりコスト面で実用的ではなかった。

本発明者達は先に直流アーク放電がダイヤモンド膜の高
速合成に極めて有効であることをつきとめた。アーク放
電は電子温度と気体温度が近く、数千度°に以上の高い
気体温度となる特徴を有する。従って、ダイヤモンドの
原料ガスとして供給されるＨｚガス及び炭化水素ガスの
分解が、熱フィラメントＣＶＤあるいはグロー放電を利
用するマイクロ波ＰＣＶＤ法と比べ著しく進行する。こ
の結果直流アーク放電を用いたダイヤモンド合成法は従
来例の合成法に比べ１０〜１００倍速い合成速度を達成
することができる。

直流アーク放電を用いた合成法としては、本出願人が先
に提案した特願昭６２−２５６８０５号に示した、原料
ガスをアーク放電内に通過せしめてガスプラズマとしこ
のガスプラズマを絞り部によりプラズマジェットとし、
このプラズマジェットを基板に吹き付ける方法が原料ガ
スを有効に活用できる点で有効である。しかしながら本
合成法においても次のような事実が判明した。

プラズマジェットとして吹きつけられるガスプラズマは
数千°にという高温の気体温度を有する。

ダイヤモンドを低圧下で基板上で成長させる場合、基板
上のダイヤモンド成長面温度が１０００°Ｃを超えると
グラファイト等の不純物炭素（ダイヤモンド以外の炭素
）の発生率が高くなってくる。従ってアーク放電プラズ
マジェットタイプの合成法では基板の冷却及びその温度
制御が非常に重要になってくる。また冷却をうまく行っ
た場合でも成長するダイヤモンドの膜厚が厚くなるに従
いダイヤモンド成長面の温度は違ってくるようである。

ダイヤモンドは非常に熱伝導が良い物質であるがそれで
もダイヤモンドの膜厚が厚くなるに従い（合成時間が長
くなるに従い）その断熱効果から表面上皮が上昇し、延
いては不純物炭素の混入率が高くなることを本発明者達
は見出した。第３図はそのことを示すデータであり、合
成開始からｌＨｒ、５Ｈｒ、１０Ｈｒ合成を断続したダ
イヤモンド膜のラマン分光装置のラマンシフトデータを
示したものである。合成時間に対応して膜厚は厚くなっ
ており、合成時間ＩＨｒでダイヤモンド膜厚３０μｍ、
５Ｈｒで１５０μｍ、１０Ｈｒで３００μｍの膜厚とな
っている。第３図のラマンスベクトルのデータによると
合成時間が長くなる程、即ちダイヤモンド膜厚が厚くな
る程１６００ｃｍ−’近傍及び１３７０ｃｍ−’近傍の
グラファイト等の不純物炭素のピークが顕著に見られる
ようになる。

すなわち、膜厚が厚くなるに従い、ダイヤモンドの成長
面温度が１０００°Ｃ以上の高温となり、このような不
純物が形成されることが判明した。

本発明は、上述した事実を発見したことに基づきなされ
たものであって、ダイヤモンド膜の膜厚（あるいは合成
時間）に依らず純度の高いダイヤモンドを得ることがで
きる製造装置および製造方法を提供することを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明のダイヤモンド膜
の製造装置は所定真空度に維持される真空容器と、互いに対向するように前記真空容器内に配置した正極お
よび負極と、前記正極および負極に電気接続し、該正極および負極と
の空間にアーク放電を起こすべく所定の電力を印加する
アーク放電用電源と、前記アーク放電に少な（ともプラズマ源ガスを流すこと
によりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含む前記ガ
スプラズマをその下流に配置する基板に吹きつけるガス
供給手段と、前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が変
化する要因を検出する検出手段と、前記検出手段により
検出された前記要因に応じて前記ダイヤモンド膜の表面
の温度が所定温度になるように制御する手段とを備えることを特徴としている。

又、本発明のダイヤモンド膜の製造方法は少なくともプ
ラズマ源ガスをアーク放電に流すことによりガスプラズ
マを発生し、炭素源ガスを含む前記ガスプラズマをその
下流に配置する基板に吹きつけることにより該基板上に
ダイヤモンド膜を析出形成する方法において、前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が変
化する要因を検出すると共に、該検出された要因に応じ
て前記ダイヤモンド膜の表面の温度が所定温度になるよ
うに制御するようにしたことを特徴としている。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例を用いて説明する。

第１図は本発明の一実施例に用いられる製造装置の概要
を示す図、第２図は第１図中のプラズマジェットガン１
．基板２および基板支持台３を示す断面図である。プラ
ズマジェットガン１は、−端が鋭角に形成されたタング
ステンよりなる棒状電極７を軸として、銅よりなる電極
冷却部８、テフロンよりなるガス導入部９および銅より
なるシリンダ状電極１０が設けられている。電極冷却部
８およびシリンダ状電極１０には、中空部である中空部
１０８，１１０が設けられている。

冷却水はこの電極冷却部８およびシリンダ状電極１０に
対してそれぞれ冷却水パイプ１４０ａ１５０ａより供給
され、冷却水パイプ１５０ｂ。

１４０ｂより排出される。これにより棒状電極７とシリ
ンダ状電極ＩＯとの間に生ずるアーク放電の熱による電
極の損耗を防いでいる。

ガス導入部９には、原料ガス導入パイプ１６が設けられ
ており、さらに、棒状電極７の一端側において開口され
ガス導入パイプ１６より供給されるガスを、棒状電極７
の先端部７ａに送るように構成されている。さらに棒状
電極７とシリンダ状電極１００間でアーク放電を起こす
ために、棒状電極７とシリンダ状電極１０との間にはシ
リンダ状電極１０が正電位となるようにアーク放電用電
源１７が接続されている。また、シリンダ状電極ｌＯの
ガス導入部９の反対の面には、絞り部であるプラズマ噴
出口１８が設けられている。

このプラズマ噴出口１８の下流には基板支持台３上に基
板２が置かれている。本実施例では基板２としてシリコ
ン単結晶板を用いる。この基板支持台３は、基板を所定
温度（本実施例では約８００′Ｃ）に維持するために冷
却水パイプ２０ａより冷却水が供給され冷却水パイプ２
０ｂより排出できるよう中空となっている。これは、プ
ラズマ噴出口１８より噴き出されるプラズマジェットの
気体温度が数千〜数万度に達してしまうため、主に基板
温度をダイヤモンドの合成域である６００〜１１００’
Ｃにするために基板２を冷却する必要があるからである
。また、プラズマ噴出口１日近傍には、炭化水素ガス導
入口１９が設けられている。

そして、これらの装置は５Ｔｏｒｒ〜５気圧の範囲内の
減圧下で運転されるため、第１図に示すようにアーク放
電用電源１７を除き真空容器１００内におさめられてい
る。

第１図において、符号１．２．３は第２図を用いて説明
したそれぞれプラズマジェットガン、基板、基板支持台
３であり、又、３０は非接触温度計、３１は窓、３２は
ギア、３３は支持台上下機構、３４はステップモータ、
３５はマイクロコンピュータである。プラズマジェット
ガン１よりプラズマジェットガスは基板２に吹き付けら
れ、基板２上にダイヤモンドが析出する。この基板２上
に成長するダイヤモンド膜の表面温度を非接触温度計３
０により窓３１を介して測定し、その信号がマイクロコ
ンピュータ３５内に予じて人力されているダイヤモンド
膜表面温度の設定値より上昇した場合は、ステップモー
タ３４、ギア３２を介して支持台上下機構３３を駆動す
ることにより基板支持台３を下げ、プラズマジェットガ
ンｌから基板２を離し、表面温度が設定値になるように
動作する。逆にダイヤモンド膜表面温度が設定値より低
下した場合は、基板支持台３を上げダイヤモンド膜表面
温度を一定に保つ。ここで支持台上下機構は、ギア３２
を回転させることで上下動し、ギア３２は非接触温度計
３０の信号をマイクロコンピュータ３５のフィードバッ
クしステップモータ３４により回転する。

尚、非接触温度計３０の具体的な構成としては第５図に
示すような機構を有するものが採用できる。即ち、基板
２の表面放射輝度強度（温度により変化）をレンズ３０
ａで集光し光フィルタ３０ｂを通過後、ダイオードアレ
イ等のディテクター３０ｃで光強度を測定する。熱放射
体のスペクトルはブランクの放射式に従うため、温度上
昇により光強度は強くなり一定波長の放射輝度の強度を
測定することで温度が決定できるものである。

又、ダイヤモンド膜表面温度の設定値は、ダイヤモンド
の合成が６００〜１０００℃の範囲で可能であるのでそ
の範囲内の値である。その所定値はガスの組成、圧力等
により最適温度は異なる。

又、制御温度範囲は±５°Ｃ以内が適当である。

次に、上述した装置を用いたダイヤモンド膜の合成方法
を記述する。まずはじめに、真空容器１００内を排気し
た後、電離度の高い第０族のガスであるアルゴンをガス
導入パイプ１６からプラズマジェットガンｌに導入し、
かつ真空容器１００内圧力を５０　Ｔｏｒｒに設定する
。その後、アーク放電用電源１７により棒状電極７（負
極）とシリンダ状電極１０（正極）との間にアーク放電
を発生させる。放電が安定したところで、このアーク放
電にガス導入パイプ１６より、アルゴン６０ｖＯＩ！。

％、　　Ｈｚ　４０ｖｏｊ２％の混合ガスを１５１７ｍ
１ｎの流量で流し、ガスプラズマとした。さらに、炭化
水素ガス導入口１９よりメタンガスを６０ｃｃ／ｍｉｎ
水素ガスを２００　ｃｃ／＋ｎｉｎで導入した。ここで
、メタンガスに代表される炭化水素ガスは、作動ガス導
入パイプ１６から導入してもよいが、タングステン電極
棒が炭化され、長時間放電が安定しない欠点があるため
、炭化水素ガスは放電部下流のガス導入口１９から導入
するのが望ましい。真空容器１００内の圧力は５０　Ｔ
ｏｒｒに保つ様、排気している。アーク放電は、電圧４
０Ｖで電流５０Ａの条件とした。プラズマ噴出口１８に
ガスプラズマを通過せしめ、プラズマジェットとし、さ
らに炭化水素ガス導入口１９より導入されるメタンガス
をこのプラズマジェットに吹き付はプラズマジェットガ
スとした。尚、プラズマ中心部は気体温度で３０００　
”Ｃ以上であり、またガン内部の放電部はそれ以上に上
昇している。そして、赤紫色のプラズマジェットガスを
基板２に吹き付けることによりダイヤモンドを析出形成
させる。

次に、上記ダイヤ（ンド膜の形成において、ダイヤモン
ド膜の表面温度を設定値近傍の値に制御する方法につい
て説明する。

マイクロコンピュータ３５は、アーク放電用電源１７に
よるアーク放電の開始に応答して、第６図に示す制御を
開始する。この制御は、アーク放電が行われている間ス
テップ２００から２４０を繰り返し実行することにより
行われる。

まず、ステップ２００では、非接触温度計３０によって
検出されたダイヤモンド膜の最表面温度を示す検出デー
タＴを非接触温度計３０より入力するとともに、マイク
ロコンピュータ３５に予め記憶しておいた設定値データ
Ｔｏおよび許容偏差データＤを読み出す。この設定値デ
ータＴｏとしては、ダイヤモンド膜の最表面温度の設定
値として例えば９００°Ｃ１許容偏差データＤとしては
２０°Ｃに相当する値が設定されている。これは、ダイ
ヤモンド膜の最表面温度が８００°Ｃ以下ではｉカーボ
ンと呼ばれるアモルファス炭素が生成される可能性が増
大し、また１０００°Ｃ以上の温度ではグラファイト等
の不純物炭素が生成される可能性が増大するからである
。

ステップ２１０では、検出データＴと設定値データＴｏ
の差が、許容偏差データＤ以下であるが否かが判定され
る。この判定がＹＥＳならばステップ２００に戻る。し
かし、検出データＴが設定値データＴｏより許容偏差デ
ータ０以上低い場合にはステップ２１０の判定がＮｏに
なり、ステップ２２０を介してステップ２４０に進む。

このステップ２４０では、ステップモータ３４に、上昇
信号を送り、支持台上下機構３３を上昇させる。

その結果、ダイヤモンドの表面の温度が上昇し上記設定
値に近づくようになる。

また、検出データＴが設定値データＴｏより許容偏差デ
ータ０以上高い場合にはステップ２１０よりステップ２
２０を介してステップ２３０に進む。このステップ２３
０では、ステップモータ３４に、下降信号を送り、支持
台上下機構３３を下降させる。その結果、ダイヤモンド
の表面の温度が下降し上記設定値に近づくようになる。

従って、上記フィードバッグ制御を行うことにより、ダ
イヤモンドの表面の温度を８８０″Ｃと９２０°Ｃの間
の温度に維持する。

そこで、本実施例によると、上記の条件にてダイヤモン
ド膜を合成した結果、合成速度は３０μｍ／Ｈｒであり
、かなり高速に合成することができた。そして、ダイヤ
モンド膜の表面の温度を検出し、その温度に応じて該表
面の温度が設定値になるように制御しているのでダイヤ
モンド膜の析出過程においてダイヤモンド膜の表面の温
度はダイヤモンド膜の膜厚（あるいは合成時間）に依存
することなく常に精度良く設定値に制御され、その結果
、純度の高いダイヤモンド膜を得ることができる。第４
図は本実施例により合成開始からＩＨｒ、　５　Ｈｒ、
　１０　Ｈｒ合成を断続したダイヤモンド膜のラマン分
析装置のラマンシフトデータを示したものである。

このラマンスペクトルの結果では膜厚が３００μｍ近く
になっても若干不純物炭素のピークが観察されるだけで
ダイヤモンド膜の純度の向上に大きな効果を有すること
が判明した。

以上、本発明を上記実施例を用いて説明したが、本発明
はそれに限定されることなくその主旨を逸脱しない限り
、例えば以下に示す如く種々変形可能である。

（１）ダイヤモンド膜の表面の温度を調整する手段とし
て上記実施例では支持台上下機構３３を用いているが、
アーク放電用電源１７によりその温度を調整するように
しても良い。即ち、非接触温度計３０からのダイヤモン
ド膜表面温度信号をマイクロコンピュータ３５を介して
アーク放電用電源１７にフィードバックし、その放電電
力を制御すればよく、表面温度が上昇すれば電力を小さ
くし、逆に表面温度が低下すれば電力を増加しようとす
る。ただし、この場合電力の変化分が大きいと放電その
ものが不安定になるので所定電力ずつ変化されるのが望
ましい。

又、表面の温度の調整は、非接触温度計３０の温度信号
をフィードバックし基板支持台３を冷却する冷却水パイ
プ２０ａ、２０ｂ内の冷却水の水量、もしくは水温を変
化させようにして実現しても良い。ただし、水温、もし
くは水量により制御は応答性に問題があり、微妙な温調
は困難であるので、上述した支持台上下機構３３を上下
動する方法、あるいは放電電力を制御する方法と組み合
わせて行うのが望ましい。

（２）本発明が言うダイヤモンド膜の表面の温度が変化
する要因として上記実施例では非接触温度計３０を用い
て直接ダイヤモンド膜の表面の温度を検出しているが、
ダイヤモンド膜の表面の温度はダイヤモンド膜の膜厚あ
るいは合成時間により変化するものであるから、それら
を検出することにより間接的に表面、の温度を検出する
ようにしても良い。尚、合成条件が変化する場合にはダ
イヤモンド膜の膜厚あるいは合成時間とダイヤモンド膜
の表面の温度との関係も変化するのでその変化分を見込
んで制御する必要がある。

（３）上記実施例ではアーク放電プラズマジェット法に
より行ったが、特願昭６２−５５２７号に示すような構
成のアーク放電法によっても上記実施例と同様の効果が
得られる。つまり、対向している電極間にアーク放電用
電源によりアーク放電を発生させ、原料ガス導入パイプ
よりプラズマ源ガスおよび炭素源ガスを含む原料ガスと
して水素。

メタン、アルゴンの混合ガスを上記実施例と量比率、同
流量流す。

そして、上記実施例のように基板上に成長するダイヤモ
ンド膜の表面の温度が変化する要因を検出すると共に、
その検出された要因に応じてダイヤモンド膜の表面の温
度が所定温度になるように制御すれば良いものである。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によると、基板上に成長するダ
イヤモンド膜の表面の温度が変化する要因を検出すると
共に、その検出された要因に応じてダイヤモンド膜の表
面の温度が所定温度になるように制御しているので、純
度の高いダイヤモンド膜を得ることができるという効果
がある。

又、前記要因としてダイヤモンド膜の表面の温度を直接
検出すれば、該温度の検出精度が高まり、より制御性が
良くなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に用いられる製造装置の概
要を示す図、第２図は第１図中のプラズマジェットガン
、基板、基板支持台を示す断面図第３図は従来技術のラ
マン分光装置のラマンシフトデータ、第４図は第１図に
示す実施例のラマン分光装置のラマンシフトデータ、第
５図は非接触温度計の機構を説明する為の図、第６図は
第１図中のマイクロコンピュータの制御を示すフローチ
ャートである。１・・・プラズマジェットガン、２・・・基板、３・・
・基板支持台、１７・・・アーク放電用電源、３０・・
・非接触温度計、３３・・・支持台上下機構、３４・・
・ステップモータ、１００・・・真空容器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）所定真空度に維持される真空容器と、互いに対向
するように前記真空容器内に配置した正極および負極と
、前記正極および負極に電気接続し、該正極および負極と
の空間にアーク放電を起こすべく所定の電力を印加する
アーク放電用電源と、前記アーク放電に少なくともプラズマ源ガスを流すこと
によりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含む前記ガ
スプラズマをその下流に配置する基板に吹きつけるガス
供給手段と、前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が変
化する要因を検出する検出手段と、前記検出手段により
検出された前記要因に応じて前記ダイヤモンド膜の表面
の温度が所定温度になるように制御する手段とを備えることを特徴とするダイヤモンド膜の製造装置。
（２）前記検出手段は、前記要因として前記ダイヤモン
ド膜の表面の温度を検出するものである請求項（１）記
載のダイヤモンド膜の製造装置。
（３）少なくともプラズマ源ガスをアーク放電に流すこ
とによりガスプラズマを発生し、炭素源ガスを含む前記
ガスプラズマをその下流に配置する基板に吹きつけるこ
とにより該基板上にダイヤモンド膜を析出形成する方法
において、前記基板上に成長するダイヤモンド膜の表面の温度が変
化する要因を検出すると共に、該検出された要因に応じ
て前記ダイヤモンド膜の表面の温度が所定温度になるよ
うに制御するようにしたことを特徴とするダイヤモンド
膜の製造方法。
（４）前記要因は、前記ダイヤモンド膜の表面の温度で
ある請求項（３）記載のダイヤモンド膜の製造方法。