JPH03174397A - Method and device for synthesizing rigid substance - Google Patents

Method and device for synthesizing rigid substance

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JPH03174397A
JPH03174397A JP2231649A JP23164990A JPH03174397A JP H03174397 A JPH03174397 A JP H03174397A JP 2231649 A JP2231649 A JP 2231649A JP 23164990 A JP23164990 A JP 23164990A JP H03174397 A JPH03174397 A JP H03174397A
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JP
Japan
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hard
plasma
reaction tube
microwave
microwaves
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JP2231649A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Imai
貴浩 今井
Hiroshi Shiomi
弘 塩見
Naoharu Fujimori
直治 藤森
Yukihiro Ota
進啓 太田
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE:To generate high-density plasma in a high range and to synthesize rigid substance by vapor growth at the high growth velocity on a base plate having large area by parallel opposing plate electrodes vertically to the electric field of microwave and exciting plasma between the electrodes in the case of synthesizing rigid substance by a plasma CVD method. CONSTITUTION:At least two sheets of plate electrodes 17a, 17b (shared in a base material, >=5mm interval and wavelength or below of microwave) are parallel opposed vertically to the electric field (directions C shown in a figure) of microwave 18 in a reaction pipe 6 (quartz, alumina and boron nitride, etc., are preferably utilized). Plasma 11 is excited between the plate electrodes 17a, 17b. A gaseous raw material is supplied and rigid substance such as diamond and cubic boron nitride is synthesized.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、ダイヤモンドや立方晶窒化硼素など、工具や
熱伝導体、半導体などとして利用される硬質物質の合成
方法および合成装置に関し、特に高品質の硬質物質を高
速かつ大面積に均一に気相合成する方法および装置に関
するものである。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method and apparatus for synthesizing hard materials such as diamond and cubic boron nitride used as tools, thermal conductors, semiconductors, etc. The present invention relates to a method and apparatus for uniformly vapor-phase synthesizing high-quality hard materials over a large area at high speed.

[従来の技術] ダイヤモンドや立方晶窒化硼素、ウルツ鉱型窒化硼素な
どの硬質物質が、その高い硬度を利用して切削工具など
の工具や耐摩部品、砥粒などとして広く利用されている
。一方これらの物質の熱伝導率が高いという性質を利用
して、半導体素子の放熱基板としても用いられる。さら
に、透光性を利用した光学素子や半導体としても利用す
る開発が進んでいる。
[Prior Art] Hard substances such as diamond, cubic boron nitride, and wurtzite boron nitride are widely used as tools such as cutting tools, wear-resistant parts, abrasive grains, etc. by taking advantage of their high hardness. On the other hand, taking advantage of the high thermal conductivity of these materials, they are also used as heat dissipation substrates for semiconductor devices. Furthermore, progress is being made in the development of optical elements and semiconductors that take advantage of their translucent properties.

これらの硬質物質は、高圧下で安定な高圧相物質である
ため、当初超高圧下でのみ人工的に合成されてきたが、
近年、減圧下の気相中でダイヤモンドを始めこれらの硬
質物質を合成する各種の方法が開発された。これらの硬
質物質の気相合成方の中で、マイクロ波によりプラズマ
を発生させてガスを分解し、硬質物質を基板に堆積させ
るマイクロ波プラズマCVD法は、高純度の硬質物質を
合成することのできる優れた方法である。このマイクロ
波プラズマCVD法による硬質物質の合成については、
特開昭58−110494号公報。
These hard substances are high-pressure phase substances that are stable under high pressure, so they were initially synthesized artificially only under ultra-high pressure.
In recent years, various methods have been developed to synthesize diamond and other hard materials in the gas phase under reduced pressure. Among these vapor phase synthesis methods for hard materials, the microwave plasma CVD method, in which plasma is generated using microwaves to decompose gas and deposit hard materials on a substrate, is the most effective method for synthesizing high-purity hard materials. This is a great way to do it. Regarding the synthesis of hard materials using this microwave plasma CVD method,
JP-A-58-110494.

特開昭59−3098号公報、特開昭59−63732
号公報、USP4,434,188などに開示されてい
る。
JP-A-59-3098, JP-A-59-63732
No. 4,434,188, etc.

第5図は従来のダイヤモンドの気相合成装置を示す。こ
の装置はマイクロ波を応用した技術であり、その概略は
下記のとおりである。
FIG. 5 shows a conventional diamond vapor phase synthesis apparatus. This device is a technology that applies microwaves, and its outline is as follows.

第5図を参照して、マグネトロン発振器1から発振され
たマイクロ波は、アイソレータ2、パワーモニタ3、チ
ューナ4および導波管5を通して、反応管6内の支持台
7に置かれた基板8に照射される。原料ガスは、たとえ
ばメタンガス、水素などが所定の割合で混合され、ガス
導入口9から導入されて、排気口10からポンプ(図示
せず)を介して吸引排気され、その排気量を調節するこ
とによって反応管6内が所定圧力に保たれる。マイクロ
波のエネルギによりプラズマ11が発生し、基板8にダ
イヤモンドが形成される。アプリケータ12には、冷却
水を冷却水供給管13から供給しながら、冷却水排出管
14から排出して反応管6が過度に加熱されるのを防止
している。
Referring to FIG. 5, microwaves oscillated from a magnetron oscillator 1 pass through an isolator 2, a power monitor 3, a tuner 4, and a waveguide 5 to a substrate 8 placed on a support 7 within a reaction tube 6. irradiated. The raw material gas is, for example, methane gas, hydrogen, etc. mixed in a predetermined ratio, introduced from the gas inlet 9, and sucked and exhausted from the exhaust port 10 via a pump (not shown), and the exhaust amount is adjusted. The inside of the reaction tube 6 is maintained at a predetermined pressure. Plasma 11 is generated by the microwave energy, and diamond is formed on the substrate 8. Cooling water is supplied to the applicator 12 from a cooling water supply pipe 13 and discharged from a cooling water discharge pipe 14 to prevent the reaction tube 6 from being excessively heated.

導波管5は、導入されたマイクロ波の波長に応じ、プラ
ンジャ15の移動あるいはチューナ4の調節により、最
適な適合条件を実現している。
The waveguide 5 achieves optimal matching conditions by moving the plunger 15 or adjusting the tuner 4 according to the wavelength of the introduced microwave.

図において矢印A、  Bは、それぞれ原料ガスの導入
、排気の方向を示している。
In the figure, arrows A and B indicate the direction of introduction and exhaust of raw material gas, respectively.

なお、このようなマイクロ波プラズマCVD装置によっ
て、立方晶窒化硼素を合成する方法についても、特開昭
61−174378号公報などにおいて報告されている
A method for synthesizing cubic boron nitride using such a microwave plasma CVD apparatus has also been reported in Japanese Patent Application Laid-open No. 174378/1983.

一般にマイクロ波と称するのは、300MHzから30
0GHzの範囲の電磁波である。この周波数域の電磁波
は分子に吸収されやすく、また波長が1mから1mmで
あって反応管の大きさに比べて短い。したがって広い範
囲の圧力のガス中で効率的にプラズマを発生させること
ができる。また、この周波数範囲のマイクロ波は数10
cm以下の実用的なサイズの導波管によって効率的に、
電力を供給することができるので、より低い周波数にお
ける場合のように同軸ケーブルなどの供給経路での損失
や漏洩の問題が少ない。
Generally speaking, microwaves range from 300MHz to 30MHz.
It is an electromagnetic wave in the 0 GHz range. Electromagnetic waves in this frequency range are easily absorbed by molecules, and the wavelength is 1 m to 1 mm, which is short compared to the size of the reaction tube. Therefore, plasma can be efficiently generated in gases having a wide range of pressures. Also, microwaves in this frequency range are several 10
Efficiently with a practical size waveguide of less than cm.
Since power can be supplied, there are fewer problems with losses and leakage in the supply path, such as coaxial cables, as is the case at lower frequencies.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら上記従来のマイクロ波プラズマ装置を用い
た硬質物質の合成方法および合成装置には次のような問
題があった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, the conventional method and apparatus for synthesizing hard substances using the conventional microwave plasma apparatus have the following problems.

工業的には、2.45GHzの周波数のマイクロ波が広
くもちいられているが、このようなマイクロ波を反応管
に閉じ込めると、その半波長の周期で定在波が生じ、こ
の定在波の強度の分布に応じてプラズマが発生する箇所
と発生しない箇所ができる。そのため、広い面積に均一
にプラズマを発生させて硬質物質を合成することが不可
能であった。
Industrially, microwaves with a frequency of 2.45 GHz are widely used, but when such microwaves are confined in a reaction tube, a standing wave is generated with a period of half the wavelength, and this standing wave is Depending on the intensity distribution, there are places where plasma is generated and places where it is not. Therefore, it has been impossible to synthesize a hard material by uniformly generating plasma over a wide area.

また、マイクロ波の性質として周波数の高い方が、より
高いガス圧力でも安定してプラズマを発生させることが
でき、硬質物質の成長速度を向上させることができる。
Further, as a property of microwaves, the higher the frequency, the more stable plasma can be generated even at higher gas pressures, and the growth rate of hard substances can be improved.

しかしながら周波数を高くすると、波長が短くなり、定
在波の振幅の大きい部分の面積が小さくなるという矛盾
があった。
However, when the frequency is increased, the wavelength becomes shorter and the area of the part where the amplitude of the standing wave is larger becomes smaller, which is a contradiction.

このような硬質物質の気相合成における成長の不均一性
を改善するために、直流磁場を印加してプラズマの流線
を制御する方法や、反応管内のガス圧力を低下させる方
法が、特開昭63−107899号公報などで報告され
ている。しかしながらこれらのいずれの方法も、プラズ
マ中の活性分子種や電子の平均自由行程を長く保たなけ
ればならない。そのため反応管内のガス圧力を10T。
In order to improve the non-uniformity of growth in the vapor phase synthesis of hard materials, a method of controlling plasma streamlines by applying a DC magnetic field and a method of lowering the gas pressure in the reaction tube have been proposed in Japanese Patent Publication No. This is reported in Publication No. 107899/1983. However, in any of these methods, the mean free path of active molecular species and electrons in the plasma must be maintained for a long time. Therefore, the gas pressure inside the reaction tube was set to 10T.

rr以下と低くせざるを得ず、硬質物質の成長速度は1
μm/h以下という極めて低いものであった。
It has to be kept low, below rr, and the growth rate of hard substances is 1
It was extremely low, less than μm/h.

以上のような理由により、従来のプラズマCvDによる
ダイヤモンドなどの硬質物質の合成方法では、成長面積
と成長速度の点で大きな制約を受けることになり、硬質
物質を大量に合成することは困難であった。
For the reasons mentioned above, the conventional method of synthesizing hard materials such as diamond using plasma CvD is severely restricted in terms of growth area and growth rate, making it difficult to synthesize hard materials in large quantities. Ta.

上記従来の問題点を解消するため本発明は、高密度のプ
ラズマを広い範囲に発生させることを可能にし、大面積
の基板に高い成長速度でダイヤモンドなどの硬質物質の
合成方法および合成装置を提供することを目的とする。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention makes it possible to generate high-density plasma over a wide range, and provides a method and apparatus for synthesizing hard materials such as diamond at a high growth rate on a large-area substrate. The purpose is to

[課題を解決するための手段] 本発明の硬質物質の合成方法は、反応管内に原料ガスを
供給し、この反応管内の硬質物質の合成反応を生じさせ
る領域に、所定周波数のマイクロ波を所定方向に導入し
てプラズマを照射することにより硬質物質を気相合成す
るものである。本発明は、マイクロ波の電界に垂直に少
なくとも2枚の平板電極を平行に対向させ、これらの平
板電極の間でプラズマを励起させて硬質物質の気相合成
を行なわせることを特徴とする。
[Means for Solving the Problems] The method for synthesizing a hard substance of the present invention supplies a raw material gas into a reaction tube, and applies microwaves of a predetermined frequency to a region in the reaction tube where a hard substance synthesis reaction is to occur. This method synthesizes hard materials in a vapor phase by introducing the material in the same direction and irradiating it with plasma. The present invention is characterized in that at least two plate electrodes are opposed in parallel perpendicular to the microwave electric field, and plasma is excited between these plate electrodes to perform vapor phase synthesis of a hard substance.

本発明の硬質物質の合成装置は、反応管と、この反応管
内に原料ガスを供給する手段と、反応管内の硬質物質を
堆積させる基材の近傍にマイクロ波を所定方向に導入し
て、プラズマを発生させる手段を備えている。反応管内
には、硬質物質を堆積させる基材を挟んで、マイクロ波
の電界に垂直に、かつ互いに平行に対向させた少なくと
も2枚の平板電極を配設している。
The hard substance synthesis apparatus of the present invention includes a reaction tube, a means for supplying a raw material gas into the reaction tube, and a plasma generator by introducing microwaves in a predetermined direction into the vicinity of the substrate on which the hard substance is deposited in the reaction tube. It is equipped with a means to generate Inside the reaction tube, at least two plate electrodes are disposed, which face each other in parallel and perpendicular to the electric field of the microwave, with a base material on which a hard substance is deposited sandwiched therebetween.

[作用] 本発明の硬質物質の合成方法あるいは合成装置によれば
、大電力のマイクロ波を導波管によって少ない損失で反
応管に導入し、対向した平板電極間には均一にかつ強力
な電界を安定に分布させることができる。この電界によ
って発生したプラズマは、高い反応圧力でも安定で、広
い面積に渡って均一である。
[Function] According to the hard substance synthesis method or synthesis apparatus of the present invention, high-power microwaves are introduced into the reaction tube through a waveguide with little loss, and a uniform and strong electric field is created between the opposing flat electrodes. can be stably distributed. The plasma generated by this electric field is stable even at high reaction pressures and is uniform over a wide area.

この方式は、マイクロ波より周波数の低い高周波を用い
た平行平板電極型のプラズマCVD装置の構成(たとえ
ばUSP4,414,085参照)と似ているが、マイ
クロ波より低い周波数では、l QTo r r以上の
比較的高い圧力で強いプラズマを安定に発生させること
は困難であり、硬質物質の合成には不適当である。さら
に、マイクロ波より低い周波数を用いた場合には、同軸
ケーブルなど導入経路における損失や、反応管への導入
口へのインピーダンスの不整合による圧力の反射が大き
な問題となる。
This method is similar to the configuration of a parallel plate electrode type plasma CVD apparatus that uses high frequencies lower than microwaves (for example, see US Pat. No. 4,414,085), but at frequencies lower than microwaves, l QTo r r It is difficult to stably generate strong plasma at such a relatively high pressure, and it is unsuitable for the synthesis of hard materials. Furthermore, when a frequency lower than that of microwaves is used, there are major problems such as loss in the introduction path such as a coaxial cable and pressure reflection due to impedance mismatch to the introduction port to the reaction tube.

導波管によって導かれたマイクロ波は、導波管の形状に
よって電界の方向と磁界の方向が決まっているが、この
対向電極は必ずマイクロ波の電界方向に垂直に配置され
なければならない。このように配置することによって、
電極間に強い電界を発生させることができる。また、マ
イクロ波の進行方向がこれらの電極と平行になるように
マイクロ波を入射させなければならない。
The direction of the electric field and the magnetic field of microwaves guided by a waveguide are determined by the shape of the waveguide, but this counter electrode must be placed perpendicular to the direction of the electric field of the microwave. By arranging it like this,
A strong electric field can be generated between the electrodes. Further, the microwave must be incident so that the direction of propagation of the microwave is parallel to these electrodes.

対向電極は、2枚よりも多く配置することができる。多
数の対向電極を配置して、これらの電極自身を硬質物質
成長の基板とするか、あるいは、各電極間ごとに基材を
配置することにより、さらに大きな面積に硬質物質を成
長させることができ、硬質物質の収量を増大させること
ができる。また、対向電極間に粉体を基材として配置す
ることもでき、それによって容易に硬質物質の砥粒を合
成することができる。
More than two counter electrodes can be arranged. By arranging a large number of opposing electrodes and using these electrodes themselves as substrates for hard material growth, or by arranging a base material between each electrode, it is possible to grow a hard material over an even larger area. , the yield of hard materials can be increased. Further, powder can be placed between the opposing electrodes as a base material, thereby making it possible to easily synthesize hard substance abrasive grains.

各対向電極間の間隔は、反応ガスの流れを容易にするた
めに、5mm以上であることが好ましい。
The distance between each opposing electrode is preferably 5 mm or more in order to facilitate the flow of the reaction gas.

また、対向電極間の間隔は、マイクロ波の波長程度の距
離を越えないことが望ましい。これは、電極間距離が使
用するマイクロ波の波長を越えると、マイクロ波の振動
モードが変化して電極間のプラズマが不均一になるため
である。
Further, it is desirable that the distance between the opposing electrodes does not exceed a distance equivalent to the wavelength of a microwave. This is because when the distance between the electrodes exceeds the wavelength of the microwave used, the vibration mode of the microwave changes and the plasma between the electrodes becomes non-uniform.

少なくとも反応管は、マイクロ波の透過損失の少ない石
英、アルミナ、ベリリア、窒化硼素などを材料とするこ
とが好ましい。反応管内に配置する電、極は、マイクロ
波の反射率が高く、耐熱性のある材料が好ましく、SO
3,Mo、Wなどの金属材料が適している。硬質物質を
成長させる基材に電極を兼ねさせる場合には、基材の材
料として金属や半導体などの導電性材料が用いられる。
At least the reaction tube is preferably made of a material such as quartz, alumina, beryllia, or boron nitride, which has low microwave transmission loss. The electrodes placed in the reaction tube are preferably made of materials with high microwave reflectance and heat resistance.
3. Metal materials such as Mo and W are suitable. When a base material on which a hard substance is grown also serves as an electrode, a conductive material such as a metal or a semiconductor is used as the base material.

[実施例] 以下本発明の実施例を第1図〜第4図に基づいて説明す
る。
[Example] Hereinafter, an example of the present invention will be described based on FIGS. 1 to 4.

(実施例■) 本発明の硬質物質の気相合成は、第1図に示す基本的な
装置によって実施される。同図を参照して、本実施例に
おいては、まずマイクロ波が導波管5を通して反応管6
内の支持台16上に対向して置かれた2枚の基材17a
、17bの間の空間に照射される。同図においてはマイ
クロ波発生手段についての詳細を省略しているが、マイ
クロ波■8がマグネトロン発振器1で発振されて、アイ
ソレータ2.パワーモニタ3.チューナ4および導波管
5を通して反応管6に導入される構造は、第5図に示す
従来の装置と同様である。
(Example ■) The gas phase synthesis of hard materials of the present invention is carried out using the basic apparatus shown in FIG. Referring to the figure, in this embodiment, microwaves first pass through a waveguide 5 into a reaction tube 6.
Two base materials 17a placed oppositely on the support stand 16 inside.
, 17b is irradiated. Although the details of the microwave generating means are omitted in the figure, the microwave 8 is oscillated by the magnetron oscillator 1, and the isolator 2. Power monitor 3. The structure introduced into the reaction tube 6 through the tuner 4 and the waveguide 5 is similar to the conventional device shown in FIG.

2枚の基材17a、17bは、いずれもシリコンからな
り、マイクロ波18の電界方向(図の矢印C方向)に対
して垂直に配置されて、対向電極として役割を担ってい
る。基材17 a、  17 b間にマイクロ波を導入
することによりプラズマ11が発生し、原料ガスが気相
合成され、基材17a。
The two base materials 17a and 17b are both made of silicon, are arranged perpendicular to the electric field direction of the microwave 18 (direction of arrow C in the figure), and serve as counter electrodes. Plasma 11 is generated by introducing microwaves between the base materials 17a and 17b, and the raw material gas is synthesized in a vapor phase to form the base material 17a.

17b上に同時に硬質物質膜が形成される。アプリケー
タ12には冷却水を冷却水供給管13から供給し、冷却
水排水管14から排出して反応管16が過度に加熱され
るのを防止している。なお、図の矢印A、Bはそれぞれ
原料ガスの導入、排気の方向を示している。
A hard material film is simultaneously formed on 17b. Cooling water is supplied to the applicator 12 from a cooling water supply pipe 13 and discharged from a cooling water drain pipe 14 to prevent the reaction tube 16 from being excessively heated. Note that arrows A and B in the figure indicate the direction of introduction and exhaust of raw material gas, respectively.

このような装置を用い、以下の具体的条件下においてダ
イヤモンドの合成を行なった。使用した反応管6の内径
は60mm、基材t7a、17bを直径5Qmm、厚さ
3mmのシリコンの円板とし、基材17a、17b、の
間隔は25mmとした。反応管6には、反応ガスとして
H2,CH4を100:2の比率で供給し、排気量を調
節することにより反応管6内の圧力を60Torrとし
た。またマイクロ波の入力パワーを600Wとした。
Using such an apparatus, diamond was synthesized under the following specific conditions. The inner diameter of the reaction tube 6 used was 60 mm, the base materials t7a and 17b were silicon disks with a diameter of 5 Q mm and a thickness of 3 mm, and the interval between the base materials 17a and 17b was 25 mm. H2 and CH4 were supplied as reaction gases to the reaction tube 6 at a ratio of 100:2, and the pressure inside the reaction tube 6 was set to 60 Torr by adjusting the exhaust volume. Further, the input power of the microwave was set to 600W.

その結果、基材17a、17bの双方に、直径49mm
の範囲に5μm/hという速い成長速度でダイヤモンド
膜を形成することができた。これは、プラズマ11が基
材17g、17b間に集中することにより得られた効果
である。
As a result, both base materials 17a and 17b have a diameter of 49 mm.
A diamond film could be formed at a fast growth rate of 5 μm/h. This is an effect obtained by concentrating the plasma 11 between the base materials 17g and 17b.

なお、本実施例において基材17a、17bとしてシリ
コンを用いたが、基材17a、17bを対向電極として
機能させる材料としては、たとえば炭素材料や導電性の
金属材料、あるいはSiC。
Although silicon is used as the base materials 17a and 17b in this embodiment, the material that allows the base materials 17a and 17b to function as counter electrodes may be, for example, a carbon material, a conductive metal material, or SiC.

GeなどのSi以外の半導体材料を用いてもよい。Semiconductor materials other than Si, such as Ge, may also be used.

また絶縁材料の表面にこれらの材料をコーティングした
ものでもよい。
Alternatively, the surface of an insulating material may be coated with these materials.

反応ガスとしての炭素源ガスは、CH4以外の炭化水素
やアルコール、ケトンなとも用いることができる。また
、固体炭素を気相中で分解して原料として供給すること
もできる。
Hydrocarbons other than CH4, alcohols, and ketones can also be used as the carbon source gas as the reaction gas. Furthermore, solid carbon can be decomposed in a gas phase and supplied as a raw material.

(実施例2) 本実施例に用いる装置や具体的条件は上記実施例1とほ
ぼ共通している。実施例1と異なるのは、反応ガスとし
て、H2,CH4を100:2の比で供給するとともに
、Arを添加して、排気量を調節し、反応管6内の圧力
を100Torrまで上げた点である。
(Example 2) The apparatus and specific conditions used in this example are almost the same as those in Example 1 above. The difference from Example 1 is that H2 and CH4 were supplied as reaction gases at a ratio of 100:2, Ar was added, the exhaust amount was adjusted, and the pressure inside the reaction tube 6 was raised to 100 Torr. It is.

その結果、10μm/hというダイヤモンド膜成長速度
で合成することができた。
As a result, it was possible to synthesize a diamond film at a growth rate of 10 μm/h.

なお、Ar以外の不活性ガスであるHe、Ne。Note that He and Ne are inert gases other than Ar.

Kr、Xe、Rnなどを添加することによっても同様に
プラズマを安定化させて同様の効果を得ることができる
A similar effect can be obtained by stabilizing the plasma by adding Kr, Xe, Rn, or the like.

(実施例3) 本実施例においては、第2図に示すように、1つの反応
管6の2カ所にいてマイクロ波を供給し、マイクロ波の
入力パワーをそれぞれ600Wとし、他の条件を上記実
施例1と同じにして、1カ所につき2枚、計4枚の基材
17a、17b上にダイヤモンドの気相合成を行なった
。その結果、各基材17a、17bにおいて直径30m
mの範囲に平均5μm/hの成長速度でダイヤモンド膜
を合成することができた。
(Example 3) In this example, as shown in FIG. 2, microwaves were supplied from two locations in one reaction tube 6, and the input power of the microwave was 600 W for each, and the other conditions were set as above. In the same manner as in Example 1, diamond was vapor-phase synthesized on a total of four base materials 17a and 17b, two for each location. As a result, each base material 17a, 17b has a diameter of 30 m.
A diamond film could be synthesized at an average growth rate of 5 μm/h over a range of 5 μm/h.

(実施例4) 本実施例は、第3図に示す装置を用いて実施した。第3
図の装置は、反応管6およびマイクロ波の発生手段につ
いては、第1図に示す実施例1に用いたものと共通であ
る。本実施例においては、基材を対向電極として使用せ
ずに、対向電極19a、19bを有する石英治具20を
設置する。石英治具20のD−D断面は、第4図に示す
ように小さな仕切り板21を内部に有し、内部に配置し
た基材としてのダイヤモンド砥粒22を、反応管6と同
軸の軸23のまわりに矢印E方向に回転することによっ
て攪拌できるようになっている。
(Example 4) This example was carried out using the apparatus shown in FIG. Third
The apparatus shown in the figure has the same reaction tube 6 and microwave generation means as that used in Example 1 shown in FIG. In this embodiment, a quartz jig 20 having opposing electrodes 19a and 19b is installed without using the base material as the opposing electrode. The DD cross section of the quartz jig 20 has a small partition plate 21 inside, as shown in FIG. It can be stirred by rotating it in the direction of arrow E.

このような装置を用いて、上記実施例2と同一の条件で
ダイヤモンドの気相合成を行なった。その結果、石英治
具27内の直径100μmのダイヤモンド砥粒が1時間
の成長で直径200μmの粒になった。
Using such an apparatus, diamond was vapor-phase synthesized under the same conditions as in Example 2 above. As a result, the diamond abrasive grains with a diameter of 100 μm in the quartz jig 27 became grains with a diameter of 200 μm after growing for one hour.

(実施例5) 本実施例においては、実施例1と同様の第1図に示す装
置を用い、反応ガスやマイクロ波の条件を実施例1と同
一にして、基材として3枚のシリコン円板(直径50m
m、厚さ3mm)をマイクロ波18の電界方向(矢印C
方向)に垂直に配置した。また、プラズマがこれらの3
枚の基板全体を覆うように、圧力を20Torrにして
ダイヤモンドの合成を行なった。
(Example 5) In this example, the same apparatus shown in FIG. 1 as in Example 1 was used, the reaction gas and microwave conditions were the same as in Example 1, and three silicon circles were used as the base material. Board (diameter 50m
m, thickness 3 mm) in the electric field direction of the microwave 18 (arrow C
direction). In addition, the plasma
Diamond was synthesized at a pressure of 20 Torr so as to cover the entire substrate.

その結果、0. 2μm/hの成長速度で直径5Qmm
の基材全面にダイヤモンドが形成された。
As a result, 0. Diameter 5Qmm at growth rate of 2μm/h
Diamonds were formed on the entire surface of the base material.

なお、圧力を40Torrまで上げたところ、ダイヤモ
ンドの平均成長速度が0.05μm/hとなり、さらに
圧力を50Torrまで上げると、基材のごく一部にし
かダイヤモンドの成長が見られなかった。
Note that when the pressure was increased to 40 Torr, the average growth rate of diamond was 0.05 μm/h, and when the pressure was further increased to 50 Torr, diamond growth was observed only in a small portion of the base material.

本実施例により、3枚以上の基板を置いた場合でも、4
0Torr以下の圧力ではすべての基板に均一にダイヤ
モンドの膜を形成でき、ダイヤモンドの生成数量を増や
すことができた。
According to this embodiment, even if three or more boards are placed, four
At a pressure of 0 Torr or less, a diamond film could be uniformly formed on all substrates, and the number of diamonds produced could be increased.

なお上記各実施例においては、原料ガスとして、炭素源
ガスと水素を加えた場合、およびそれに不活性ガスを加
えた場合について述べたが、さらに、原料ガスに酸素を
含む物質を用いるか、または添加することにより、合成
されるダイヤモンドの透光性が上がるなどのダイヤモン
ドの高品質化に寄与するという公知の事実が、本発明に
おいても有効であることが実験的に確認されている。酸
素を含む物質としては、たとえば、アルコール類、ケト
ン類、エーテル類、0゜、H2O,Co、C02、NO
2,NO,03などが利用できる。
In addition, in each of the above embodiments, the case where a carbon source gas and hydrogen were added as the raw material gas, and the case where an inert gas was added thereto were described, but it is also possible to use a substance containing oxygen as the raw material gas, or It has been experimentally confirmed that the well-known fact that addition contributes to higher quality diamonds, such as by increasing the light transmittance of synthesized diamonds, is also effective in the present invention. Examples of substances containing oxygen include alcohols, ketones, ethers, 0°, H2O, Co, CO2, NO
2, NO, 03 etc. can be used.

(実施例6) 実施例1に用いたものと同様の合成装置を用いて、実施
例1の場合と同様に2枚のSi基材を配置し、反応ガス
として、H2、A r 、 N H3、B2H6を、1
00:40:10:3の比率で供給し、圧力を25To
rrに保った。この反応ガス中に800Wのマイクロ波
を導入し、20時間反応させたところ、両方の基板上に
、25mmの直径の範囲に硬質物質が成長していた。こ
の硬質物質の最も厚い中央部分の厚さは、7μmであっ
た。
(Example 6) Using the same synthesis apparatus as that used in Example 1, two Si substrates were placed in the same manner as in Example 1, and H2, Ar, N H3 were used as reaction gases. , B2H6, 1
Supply at a ratio of 00:40:10:3 and the pressure is 25To
I kept it at rr. When a microwave of 800 W was introduced into this reaction gas and the reaction was carried out for 20 hours, a hard substance was grown on both substrates within a diameter range of 25 mm. The thickness of the thickest central portion of this hard material was 7 μm.

この硬質物質の結晶構造をX線回折法により調べたとこ
ろ、立方晶窒化硼素からなっていることが確認された。
When the crystal structure of this hard material was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that it consisted of cubic boron nitride.

[発明の効果〕 以上述べたように本発明によれば、比較的大きな領域に
おいて、板状の基材のみならず基材として砥粒を用いた
場合にも、速い成長速度でダイヤモンドなどの硬質物質
を合成することができる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, hard materials such as diamond can be grown at a high growth rate not only on a plate-shaped base material but also when abrasive grains are used as the base material in a relatively large area. Can synthesize substances.

このように硬質物質の成長速度や成長の領域が増加する
ことにより、硬質物質の合成コストが下がり、気相合成
による硬質物質の応用範囲が大幅に拡大し、たとえば工
具や研摩材などへの分野への適用も可能になる。
By increasing the growth rate and growth area of hard materials in this way, the cost of synthesizing hard materials will decrease, and the scope of application of hard materials by vapor phase synthesis will be greatly expanded, for example in fields such as tools and abrasives. It also becomes possible to apply it to

またプラズマの電界に垂直に配置した複数の対向電極を
導入することにより、プラズマの安定化や高密度化を図
ることができ、これらの対向電極間に配置した基材上に
有効に硬質物質の薄膜を形成することができる。また、
対向電極間において電界が均一化されることにより、基
材上に均一に硬質物質を成長させることができる。
In addition, by introducing multiple counter electrodes arranged perpendicular to the electric field of the plasma, it is possible to stabilize and increase the density of the plasma. A thin film can be formed. Also,
By making the electric field uniform between the opposing electrodes, the hard substance can be grown uniformly on the base material.

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

第1図は本発明の実施例1において使用される硬質物質
の合成装置を模式的に示す断面図、第2図は本発明の実
施例3において使用する硬質物質の合成装置の構成を模
式的に示す断面図、第3図は本発明の実施例4において
使用する硬質物質の合成装置の構成を模式的に示す断面
図、第4図はそのD−D断面図である。 第5図は従来のダイヤモンドの気相合成に用いられてい
る合成装置を模式的に示す断面図である。 図において、5は導波管、6は反応管、11はプラズマ
、17a、17bは基材、18はマイクロ波である。 なお各図において同一の番号または符号を付した部分は
、同一または相当の要素を示す。 奉20 8:マイフロミ及 島30 も59
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a hard substance synthesis apparatus used in Example 1 of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a hard substance synthesis apparatus used in Example 3 of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of a hard substance synthesis apparatus used in Example 4 of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line DD. FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a synthesis apparatus used in the conventional vapor phase synthesis of diamond. In the figure, 5 is a waveguide, 6 is a reaction tube, 11 is plasma, 17a and 17b are base materials, and 18 is a microwave. Note that parts with the same numbers or symbols in each figure indicate the same or equivalent elements. Hou 20 8: My Furomi Oijima 30 also 59

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)反応管内に原料ガスを供給し、前記反応管内の硬
質物質の合成反応を生じさせる領域に、所定周波数のマ
イクロ波を所定方向に導入してプラズマを発生させるこ
とにより硬質物質を気相合成する方法であって、 マイクロ波の電界に垂直に少なくとも2枚の平板電極を
平行に対向させ、これらの平板電極の間でプラズマを励
起させて硬質物質の気相合成を行なわせること を特徴とする硬質物質の合成方法。
(1) A raw material gas is supplied into a reaction tube, and microwaves of a predetermined frequency are introduced in a predetermined direction into a region in the reaction tube where a synthesis reaction of hard materials is to occur to generate plasma, thereby converting the hard material into a gas phase. A synthesis method, characterized in that at least two plate electrodes are opposed in parallel perpendicular to the electric field of microwaves, and plasma is excited between these plate electrodes to perform vapor phase synthesis of hard substances. A method for synthesizing hard substances.
(2)反応管と、 この反応管内に原料ガスを供給する手段と、前記反応管
内の、硬質物質を堆積させる基材の近傍にマイクロ波を
所定方向に導入して、プラズマを発生させる手段と を備えた硬質物質の合成装置であって、 前記反応管内の硬質物質を堆積させる基材を挟んで、前
記マイクロ波の電界に垂直に、かつ互いに平行に対向さ
せた少なくとも2枚の平板電極を配設したことを特徴と
する硬質物質の合成装置。
(2) a reaction tube; a means for supplying raw material gas into the reaction tube; and a means for generating plasma by introducing microwaves in a predetermined direction into the vicinity of the base material on which the hard substance is deposited in the reaction tube. A hard substance synthesis apparatus comprising: at least two plate electrodes facing perpendicularly to the electric field of the microwave and parallel to each other with a substrate on which the hard substance is deposited in the reaction tube in between. A hard substance synthesis device characterized by:
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