JPH03174398A - Diamond synthesizing device - Google Patents

Diamond synthesizing device

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JPH03174398A
JPH03174398A JP23165090A JP23165090A JPH03174398A JP H03174398 A JPH03174398 A JP H03174398A JP 23165090 A JP23165090 A JP 23165090A JP 23165090 A JP23165090 A JP 23165090A JP H03174398 A JPH03174398 A JP H03174398A
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JP
Japan
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raw material
diamond
gas
gaseous
circulation system
Prior art date
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Pending
Application number
JP23165090A
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Japanese (ja)
Inventor
Yukihiro Ota
進啓 太田
Naoharu Fujimori
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To stably control vapor phase epitaxial synthesis and to contrive cost reduction by providing a means for circulating a gaseous raw material in a sealed state to a reaction pipe for vapor phase epitaxial synthesis of diamond which is equipped with a plasma generating means and intermittently or continuously supplying the gaseous raw material to this circulation system. CONSTITUTION:A reaction pipe 3 for forming a circulation system 12 and the inside of a gas storing vessel 13 are vacuumized and exhausted by, closing the valve 2 of a gaseous raw material supplying system 1 and opening the valve 4 of an exhausting system 5. Then both a gaseous carbon source such as gaseous methane and a gaseous medium such as hydrogen are supplied at the prescribed flow rate by closing the valve 4 and opening the valve 2. Thereafter the valves 2, 4 and a valve 15 for supplying the gaseous carbon source are wholly closed and the circulation system 12 is made to a sealed system. The gaseous raw material is circulated through this circulation system 12 by a circulation pump 16. Successively plasma is generated by a plasma generating means 6 constituted of a microwave oscillator 7 and a waveguide 8 and diamond is synthesized in vapor growth. The necessary gaseous raw material is intermittently or continuously supplied according to reduction of the raw material.

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合成装置に関し、特に、マイクロ
波プラズマ中において安価に高品質のダイヤモンドを気
相合成技術を提供するダイヤモンド合成装置に関するも
のである。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a diamond synthesis apparatus, and particularly relates to a diamond synthesis apparatus that provides vapor phase synthesis technology for inexpensively producing high quality diamond in microwave plasma. .

[従来の技術] ダイヤモンドの気相合成技術は、1956年のDerj
aguin (USSRInv、Cert tl、;N
o、339134.1958) 、1958年のEve
rsole (USP;No、3030187.303
0188)により始まり、1982年の松本等(Jap
anes  Journal  of  Applie
d  PhysicsVo 1.21.1982.L1
83〜L185)の研究以来活発な開発が進められてい
る。
[Prior art] Diamond vapor phase synthesis technology was developed by Derj in 1956.
aguin (USSRInv, Cert tl,;N
o, 339134.1958), Eve in 1958
rsole (USP; No, 3030187.303
0188) and Matsumoto et al. (Jap
anes Journal of Applie
d Physics Vo 1.21.1982. L1
Since the research of 83-L185), active development has been carried out.

この中で、マイクロ波励起によるプラズマ中でダイヤモ
ンド合成を行なうマイクロ波プラズマ法は、1983年
に加茂等(Journal  ofCrystal  
Grouth;62.1983、p642〜p644)
により発明され、無電極放電であるため不純物のない膜
が得られるとの認識のもと、その形成面積の拡大および
成長速度の増加による低コスト化が進められてきた。
Among these, the microwave plasma method, in which diamond synthesis is performed in plasma by microwave excitation, was first described in 1983 by Kamo et al.
Growth; 62.1983, p642-p644)
Based on the recognition that impurity-free films can be obtained due to electrodeless discharge, efforts have been made to reduce costs by expanding the formation area and increasing the growth rate.

このような従来のマイクロ波プラズマ中におけるダイヤ
モンドの気相合成は、いずれも基本的には第3図に示す
ような、原料ガスが循環しないいわゆる開放型の装置に
よって行なわれていた。このような装置を用いたダイヤ
モンドの合成は、第3図を参照して、原料ガス供給系1
から原料ガス供給バルブ2を介して、1〜2%程度の炭
素源ガスと99%近い媒体ガスを混合した原料ガスが反
応管3内に供給される。炭素源ガスとしては、メタン、
エタン、プロパン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素
類、メタノール、エタノール、プロパツール等のアルコ
ール類、酢酸等の有機酸類、アセトン等のケトン類、酢
酸メチル等のエステル類、−酸化炭素、二酸化炭素等が
用いられる。媒体ガスとしては、水素もしくは酸素が用
いられる。
Such conventional vapor phase synthesis of diamond in microwave plasma has basically been carried out using a so-called open type apparatus in which source gas is not circulated, as shown in FIG. To synthesize diamond using such an apparatus, refer to FIG.
A raw material gas, which is a mixture of approximately 1 to 2% carbon source gas and nearly 99% medium gas, is supplied into the reaction tube 3 through the raw material gas supply valve 2 . Carbon source gases include methane,
Hydrocarbons such as ethane, propane, acetylene and benzene, alcohols such as methanol, ethanol and propatool, organic acids such as acetic acid, ketones such as acetone, esters such as methyl acetate, carbon oxide, carbon dioxide, etc. is used. Hydrogen or oxygen is used as the medium gas.

これらのガスを流してプラズマ中で反応させてダイヤモ
ンドを合成しているが、ここで使用した炭素源ガスのう
ち、実際にダイヤモンドになるのはわずか1〜2%程度
である。1度反応に使用した原料ガスは、未反応の炭素
原ガスをも含めて排気バルブ4を介して排気系5により
すべて排気されている。また、真空容器の圧力調節は、
原料ガス供給系1と排気系5を制御することによって行
なっている。反応管3内のプラズマの発生は、プラズマ
発生手段6により行なわれる。このプラズマ発生手段6
は、主としてマイクロ波発振器7と導波管8からなって
いる。マイクロ波発振器7により発振されるマイクロ波
は、ダイヤモンド合成の場合2.45GHzのものが一
般的に用いられ、このマイクロ波の周波数に適合するよ
うに、パワーモニタ9でモニタしなから導波管8がチュ
ーナ10およびプランジャ11によって調節される。
Diamond is synthesized by flowing these gases and reacting in plasma, but only about 1 to 2% of the carbon source gas used here actually becomes diamond. All of the raw material gas used in the reaction, including unreacted carbon raw gas, is exhausted by the exhaust system 5 via the exhaust valve 4. In addition, the pressure adjustment of the vacuum container is
This is done by controlling the raw material gas supply system 1 and the exhaust system 5. Plasma generation within the reaction tube 3 is performed by plasma generation means 6. This plasma generating means 6
mainly consists of a microwave oscillator 7 and a waveguide 8. The microwave oscillated by the microwave oscillator 7 is generally 2.45 GHz in the case of diamond synthesis, and in order to match the frequency of this microwave, it is monitored by the power monitor 9 and the waveguide is 8 is adjusted by a tuner 10 and a plunger 11.

ダイヤモンド気相合成の中で、特にマイクロ波プラズマ
CVD法においては、合成条件を限定することにより、
天然あるいは超高圧合成法によるバルク状ダイヤモンド
と同等の性能の高品質の膜状、薄板状ダイヤモンドが得
られることが確認されている。具体的には、ダイヤモン
ド単結晶と同等の硬度であるビッカース硬度10000
のものが得られている。また熱伝導率としては、16W
/ c m −Kのものが得られており、これはダイヤ
モンドの単結晶IIa型が22W/cm−に、Ia型が
11W/cm−にであるのに対し十分匹敵する特性であ
る。また、ヒートシンクや後部などは、板状あるいは基
材上の膜の形で使用される。したがって、成膜時にすで
に数μmから数100μmの厚みの膜あるいは板状にな
っている気相合成法によれば、加工の手間がかなり省く
ことができる。
In diamond vapor phase synthesis, especially in the microwave plasma CVD method, by limiting the synthesis conditions,
It has been confirmed that high-quality film-like and lamellar diamonds with performance equivalent to bulk diamonds produced by natural or ultra-high-pressure synthesis methods can be obtained. Specifically, it has a Vickers hardness of 10,000, which is the same hardness as a single crystal diamond.
are obtained. In addition, the thermal conductivity is 16W
/ cm -K, which is sufficiently comparable to the diamond single crystal type IIa which has a power of 22 W/cm and the type Ia which has a power of 11 W/cm. Further, the heat sink, rear part, etc. are used in the form of a plate or a film on a base material. Therefore, according to the vapor phase synthesis method, in which the film is already in the form of a film or plate having a thickness of several μm to several 100 μm at the time of film formation, the processing effort can be considerably reduced.

それに対し単結晶ダイヤモンドを使用する場合には、レ
ーザ切断などにより板状に切り出す工程が必要になる。
On the other hand, when using single-crystal diamond, a process such as laser cutting is required to cut it into a plate shape.

しかしながら、気相合成によるダイヤモンドは、コスト
の問題により十分な成果が上がっていないのが現状であ
る。そこで、各方面において低コスト化が検討されてい
る。その方法として形成面積の拡大と成長速度の増加が
挙げられる。マイクロ波プラズマ法において、形成面積
を拡大するためにプラズマの発生方法について種々検討
されている。
However, at present, diamond produced by vapor phase synthesis has not achieved sufficient results due to cost issues. Therefore, cost reduction is being considered in various fields. The methods include expanding the formation area and increasing the growth rate. In the microwave plasma method, various methods of generating plasma have been studied in order to expand the formation area.

形成面積を拡大する従来の手段として、次の2種類があ
る。まず1つ目は、第4図に示す大口径マイクロ波プラ
ズマ法を用いた装置を使用する手段である。この手段で
は、導入されたマイクロ波が、テーパ導波管21によっ
て拡大され、この拡大された、マイクロ波により、ベル
ジャ22内においてプラズマ23が発生し、回転機構2
4によって回転されるホルダ25上のウェハ26上にダ
イヤモンド膜を気相合成するものである。この手段では
、ウェハとして4インチ径のシリコン基板が用いられ、
成長速度は0. 2μm/hr程度である。2つ目は、
第5図に示すECRプラズマ法を利用した装置を使用す
る手段である。この手段では、長方形断面を有する小断
面積の導波管31から、台形の円筒状導波管32に拡大
されたマイクロ波に、電磁コイル33によって磁場が印
加される。これにより、ヒータ34によって加熱される
基板35の表面近傍にECRプラズマ36が発生し、基
板35表面にダイヤモンド膜が気相合成される。この手
段を用いる場合は、基板35として2インチ径のシリコ
ン基板を用い、ダイヤモンド膜の成長速度が0. 1μ
m/hr程度である。
There are two types of conventional means for expanding the formation area: The first method is to use an apparatus using a large-diameter microwave plasma method as shown in FIG. With this means, the introduced microwave is expanded by the tapered waveguide 21, and the expanded microwave generates plasma 23 in the bell jar 22, and the rotating mechanism 22
A diamond film is vapor-phase synthesized on a wafer 26 on a holder 25 which is rotated by 4. In this method, a 4-inch diameter silicon substrate is used as a wafer,
Growth rate is 0. It is about 2 μm/hr. The second is
This method uses an apparatus using the ECR plasma method shown in FIG. In this method, a magnetic field is applied by an electromagnetic coil 33 to a microwave that is expanded from a waveguide 31 having a small cross-sectional area and a rectangular cross section to a trapezoidal cylindrical waveguide 32 . As a result, ECR plasma 36 is generated near the surface of the substrate 35 heated by the heater 34, and a diamond film is synthesized on the surface of the substrate 35 in a vapor phase. When using this method, a 2-inch diameter silicon substrate is used as the substrate 35, and the growth rate of the diamond film is 0. 1μ
It is about m/hr.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上記従来の開放型の気相合成装置を用い
た場合は、膜形成面積を拡大するための第4図および第
5図に示すいずれの手段も、膜質の著しい劣化をもたら
している。特に、成長速度を上げるために、圧力を上げ
たり燃料ガスの濃度を上げたりする試みがなされている
が、プラズマが不安定になったり、グラファイトなどの
非ダイヤモンド成分が析出したりして、成功していない
[Problems to be Solved by the Invention] However, when the conventional open-type gas phase synthesis apparatus described above is used, both of the means shown in FIGS. 4 and 5 for expanding the film formation area do not improve the film quality. resulting in significant deterioration of In particular, attempts have been made to increase the pressure and fuel gas concentration to increase the growth rate, but these efforts have been unsuccessful due to instability of the plasma and precipitation of non-diamond components such as graphite. I haven't.

プラズマを均一にするために、基板を回転させる試みも
なされているが、比較的良質な膜部分と不良部分が重な
り、全体として膜質は低下している。
Attempts have been made to rotate the substrate in order to make the plasma uniform, but the relatively good quality film parts overlap with the defective parts, resulting in a decline in film quality as a whole.

また、プラズマの中心部から離れるに従い膜質は低下す
る傾向にある。これらの手法は、まだ開発段階であり、
あまり進んでいないのが現状である。
Furthermore, the film quality tends to deteriorate as the distance from the center of the plasma increases. These methods are still in the development stage;
The current situation is that there is not much progress.

これらの手段では、通常、40TOrrの圧力で1μm
/hr程度の成長が限界となっている。大面積化や高速
成膜の養成に際限はなく、少なくとも4インチ径で10
μm/hr程度が好ましいとされており、従来の開放型
ではこれに遠く及ばないといえる。
With these means, typically 1 μm at a pressure of 40 TOrr.
/hr is the limit for growth. There is no limit to the development of large-area and high-speed film formation.
It is said that approximately μm/hr is preferable, and it can be said that the conventional open type does not come close to this.

ダイヤモンド気相合成における従来の開放型の気相合成
装置の他の問題点を列挙すると次のようになる。
Other problems with conventional open type vapor phase synthesis equipment in diamond vapor phase synthesis are listed below.

供給した炭素原ガスのうち数%が反応に供するだけであ
とは未反応のまま系外へ排出される。また、全体の原料
ガスの99%近く必要としている媒体ガスも、最終的に
は反応せずに無変化で排出される。すなわち、実際にダ
イヤモンドとなる炭素源ガスの5000倍もの原料ガス
を必要としている。このため、比較的設備費の少ない気
相合成ダイヤモンドにおいて、そのコストに占める原料
費の割合が大きくなっている。すなわち、原料ガスの有
効利用を図り原料コストを下げることが課題となってい
る。
Only a few percent of the supplied carbon raw gas is subjected to the reaction, and the rest is discharged from the system without reaction. Further, the medium gas, which is required for nearly 99% of the total raw material gas, is ultimately discharged unchanged without reacting. That is, a raw material gas that is 5000 times larger than the carbon source gas that actually becomes diamond is required. For this reason, raw material costs account for a large proportion of the cost of vapor-phase synthetic diamonds, which have relatively low equipment costs. In other words, the challenge is to effectively utilize raw material gas and reduce raw material costs.

一方、圧力の変動および原料組成の変動が高品質膜の合
成に悪影響を与えることが確認されているが、その調整
のための供給系と排気系のパルプ操作も煩雑になり、長
時間運転での条件の安定化が難しい。そのために作業者
がついてパルプの微調整を行なう必要があり、このこと
もコストを上げる要因となっている。また、この圧力調
整を自動化しようとすると、設備費が大幅に増加しコス
ト上昇につながる。すなわち、パルプ操作の簡略化およ
び圧力調整の簡便化を図ることにより、装置運転の自動
化あるいは無人化を実現することも課題となっている。
On the other hand, it has been confirmed that fluctuations in pressure and fluctuations in raw material composition have a negative impact on the synthesis of high-quality membranes, but pulp operations in the supply system and exhaust system to adjust them are also complicated, and long-term operation is difficult. It is difficult to stabilize the conditions. For this purpose, it is necessary for an operator to be present to make fine adjustments to the pulp, which is also a factor in increasing costs. Furthermore, if an attempt is made to automate this pressure adjustment, equipment costs will increase significantly, leading to an increase in costs. That is, it is also a challenge to realize automated or unmanned device operation by simplifying pulp operation and pressure adjustment.

これらの課題を解決する手段として、反応装置を封止系
にして原料ガスを循環し、ダイヤモンドの合成に消費さ
れた分の炭素源ガスだけ供給し、これにより原料の有効
利用を図ることが考えられる。また封止系では反応空間
が密封されているので圧力調整の必要がなく、パルプ操
作も簡単にすることができると考えられる。しかしなが
ら通常、プラズマ中で炭素源ガスが分解してダイヤモン
ドが生成する反応において、たとえば炭素源ガスが炭化
水素の場合には下記の式(1)の反応が進行する。
As a means to solve these problems, it has been proposed to use the reactor as a sealed system to circulate the raw material gas and supply only the amount of carbon source gas consumed for diamond synthesis, thereby making effective use of the raw material. It will be done. In addition, in a sealed system, since the reaction space is sealed, there is no need for pressure adjustment, and it is thought that pulping operations can be simplified. However, in a reaction in which a carbon source gas is decomposed in plasma to produce diamond, for example, when the carbon source gas is a hydrocarbon, the reaction expressed by the following formula (1) proceeds.

CxHy−I−xC+y/2H2・・・(1)この反応
により、y=2の場合を除いて、発生する水素ガスによ
り密閉した反応容器内の圧力が上昇し、プラズマ状態に
影響を与え、膜質の劣化をもたらす。また、炭素原ガス
自体も下記の式(2)に示すように多量体化し、同様の
問題が生じる。
CxHy-I-xC+y/2H2... (1) Due to this reaction, except for the case where y=2, the pressure inside the sealed reaction vessel increases due to the generated hydrogen gas, which affects the plasma state and reduces the film quality. resulting in deterioration. In addition, the carbon raw gas itself also multimerizes as shown in equation (2) below, causing a similar problem.

nCx Hv →Cn x Hn y −a+α/2H
2・・・(2) このように、従来の開放型の装置における反応管3を単
に封止状態で気相合成を行なうことによっては、原料ガ
ス濃度の安定制御あるいは圧力上昇の抑制が困難である
nCx Hv →Cn x Hn y −a+α/2H
2...(2) In this way, by simply performing gas phase synthesis with the reaction tube 3 in a sealed state in a conventional open-type device, it is difficult to stably control the raw material gas concentration or suppress the pressure increase. be.

上記従来の問題点を解消するため本発明は、封止系にお
けるダイヤモンドの気相合成の安定制御および低コスト
化を実現するダイヤモンド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, an object of the present invention is to provide a diamond synthesis apparatus that realizes stable control of vapor phase synthesis of diamond in a sealed system and a reduction in cost.

[課題を解決するための手段] 本発明のダイヤモンド合成装置は、内部においてダイヤ
モンドの気相合成反応を行なわせる反応管と、この反応
管内に所定のマイクロ波プラズマを発生させるプラズマ
発生手段と、反応管と連結され、この反応管とともに循
環系を形成るガス貯蔵容器とを備えている。またこの循
環系内の排気を行なう手段と、循環系内において炭素を
含む化合物である原料ガスを封止状態で循環させる手段
が設けられ、さらに循環系内に原料ガスを間欠的にある
いは連続的に供給する原料ガス供給手段を備えている。
[Means for Solving the Problems] The diamond synthesis apparatus of the present invention includes a reaction tube in which a diamond gas phase synthesis reaction is carried out, a plasma generation means for generating a predetermined microwave plasma in the reaction tube, and a reaction tube. A gas storage container is connected to the reaction tube and forms a circulation system together with the reaction tube. In addition, a means for exhausting air in this circulation system and a means for circulating the raw material gas, which is a compound containing carbon, in the circulation system in a sealed state are provided. It is equipped with a raw material gas supply means for supplying raw material gas to

[作用コ 本発明によれば、循環系内で封止状態で原料ガスを循環
させ、原料の減少に従い必要とするような原料ガスのみ
を間欠的にあるいは連続的に供給して、反応管内でダイ
ヤモンドの気相合成を行なうことにより、反応およびガ
ス添加に伴なう圧力変動および組成変動を最小限に抑え
、極めて限られたガス組成および圧力範囲でダイヤモン
ドの気相合成を行なうことができる。
[Function] According to the present invention, the raw material gas is circulated in a sealed state in the circulation system, and only the raw material gas that is required as the raw material decreases is supplied intermittently or continuously, and the raw material gas is By carrying out vapor phase synthesis of diamond, pressure fluctuations and composition fluctuations accompanying reactions and gas addition can be minimized, and diamond vapor phase synthesis can be carried out within an extremely limited gas composition and pressure range.

また、封止状態の循環系で気相合成を行なうため、原料
ガスの消費量が大幅に少なくなり、従来の開放系に比べ
て2%以下の原料ガス使用量に減らすことができる。
Furthermore, since vapor phase synthesis is performed in a closed circulation system, the consumption of raw material gas is significantly reduced, and the amount of raw material gas used can be reduced to 2% or less compared to a conventional open system.

また、循環系にガス貯蔵容器を有するため、ガスの供給
時における反応管内のガス濃度変化は極めてゆっくりか
つ滑らかであり、たとえば電磁弁とタイマを組合わせた
簡単な炭素源ガス供給系で間欠的にガスを供給したとし
ても、膜質に影響を与えることがない。
In addition, since the circulation system includes a gas storage container, the gas concentration inside the reaction tube changes extremely slowly and smoothly when gas is supplied. Even if gas is supplied to the film, it will not affect the film quality.

[実施例] 以下本発明の第■の実施例を第1図に基づいて説明する
。本実施例においては、同図を参照して、まず原料ガス
供給系の原料ガス供給パルプ2を閉じ、排気系5の排気
パルプ4を開いて、循環系12を形成する反応管3およ
びガス貯蔵容器13内を真空排気する。次に排気パルプ
4を閉じ、原料ガス供給バルブ2を開いて、所定圧力に
なるまで原料ガスを供給する。この原料ガスとして、炭
素源ガスと媒体ガスが所定の割合の流量で供給される。
[Embodiment] The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In this embodiment, referring to the figure, first, the raw material gas supply pulp 2 of the raw material gas supply system is closed, the exhaust pulp 4 of the exhaust system 5 is opened, and the reaction tube 3 forming the circulation system 12 and the gas storage The inside of the container 13 is evacuated. Next, the exhaust pulp 4 is closed, the raw material gas supply valve 2 is opened, and the raw material gas is supplied until a predetermined pressure is reached. As this raw material gas, a carbon source gas and a medium gas are supplied at a predetermined flow rate.

また循環系12内の圧力の調節は、原料ガス供給系1と
排気系5を制御することによって行なわれる。ガス貯蔵
容器13は炭素源ガス供給系14に連結され、その炭素
源ガス供給パルプ15を介して、随時炭素源ガスが供給
される。原料ガス供給バルブ2、排気パルプ4および炭
素源ガス供給パルプ15をすべて閉じると、循環系12
は外部とのガスの出入りが遮断されて封止系を形成する
とともに、循環系12内に封止された原料ガスは、循環
ポンプ16により循環系12内を循環する。
Further, the pressure within the circulation system 12 is adjusted by controlling the raw material gas supply system 1 and the exhaust system 5. The gas storage container 13 is connected to a carbon source gas supply system 14, and carbon source gas is supplied as needed through the carbon source gas supply pulp 15. When the raw material gas supply valve 2, exhaust pulp 4 and carbon source gas supply pulp 15 are all closed, the circulation system 12
A sealed system is formed in which gas is blocked from entering and leaving the outside, and the raw material gas sealed within the circulation system 12 is circulated within the circulation system 12 by a circulation pump 16 .

反応管3内におけるプラズマの発生は、プラズマ発生手
段6により行なわれる。このプラズマ発生手段6は主と
してマイクロ波発振器7と導波管8からなっており、マ
イクロ波発振器7により発振されるマイクロ波は一般的
には2.45GHzのものが用いられている。このマイ
クロ波の周波数に適合するように、パワーモニタ9でモ
ニタしながら、導波管8がチューナ10およびプランジ
ャ11によって調節される。
Plasma generation within the reaction tube 3 is performed by plasma generation means 6. The plasma generating means 6 mainly consists of a microwave oscillator 7 and a waveguide 8, and the microwave oscillated by the microwave oscillator 7 generally has a frequency of 2.45 GHz. The waveguide 8 is adjusted by the tuner 10 and the plunger 11 while being monitored by the power monitor 9 so as to match the frequency of this microwave.

本実施例の装置を用いて、次のような具体的条件下でダ
イヤモンドの気相合成を行なった。まず真空排気をした
後、原料ガス供給バルブ2を開いて、メタンガスを10
m1/min、水素ガスを10100O/minの割合
で反応管3内へ供給し、循環系12内が40To r 
rになるまで充填した後、原料ガス供給バルブ4を閉じ
て循環系12を封止系とした。反応管3としては、内径
40mmの円柱状石英管を使用した。またマイクロ波出
力は、約400Wとした。このマイクロ波出力は一般的
にはaoow〜500Wの範囲であるが、これに限られ
るものではない。最適な成膜条件については、基板とプ
ラズマの位置関係などの影響が考えられるため、一義的
に決められるものではない。また反応管の形状とマイク
ロ波出力との関係については、反応管が太いほど高出力
が必要になるが、マイクロ波の漏洩の問題などから、本
実施例の装置では40mm〜60mmが限界であると考
えられる。
Using the apparatus of this example, diamond was vapor-phase synthesized under the following specific conditions. First, after evacuation, open the raw material gas supply valve 2 and supply methane gas for 10 minutes.
m1/min, hydrogen gas is supplied into the reaction tube 3 at a rate of 10,100 O/min, and the inside of the circulation system 12 is set at 40 Torr.
After filling up to r, the raw material gas supply valve 4 was closed to make the circulation system 12 a sealed system. As the reaction tube 3, a cylindrical quartz tube with an inner diameter of 40 mm was used. Further, the microwave output was approximately 400W. This microwave output is generally in the range of aoow to 500W, but is not limited thereto. The optimum film forming conditions cannot be determined uniquely because they may be affected by factors such as the positional relationship between the substrate and the plasma. Regarding the relationship between the shape of the reaction tube and the microwave output, the thicker the reaction tube, the higher the output required, but due to problems such as microwave leakage, the limit for the device of this example is 40 mm to 60 mm. it is conceivable that.

次にプラズマ発生手段6を作動させて反応管3内にプラ
ズマを発生させ、ダイヤモンドの合成を開始−した。そ
の後1時間ごとに炭素源ガス供給パルプ15を開いて間
欠的にメタンガスを導入した。
Next, the plasma generating means 6 was activated to generate plasma in the reaction tube 3, and synthesis of diamond was started. Thereafter, the carbon source gas supply pulp 15 was opened every hour to intermittently introduce methane gas.

この間欠的なメタンガスの導入量は、循環系12内のメ
タンガス濃度変化を実験的に求め、この値をもとに決定
した。
The amount of intermittent introduction of methane gas was determined based on experimentally determined changes in methane gas concentration within the circulation system 12.

このようにしてダイヤモンドの合成を行なった結果、気
相合成の開始から50時間経過後の系内の圧力は41.
5Torrになっていた。このように循環系12内の圧
力が40Gorrから41゜5To r rに変化した
のは、ダイヤモンド膜の生成にしたがって、すでに述べ
たように原料のメタンガスの分解や多量体化がおこり、
その際に水素が発生して圧力上昇が起こるためである。
As a result of synthesizing diamond in this way, the pressure in the system after 50 hours from the start of vapor phase synthesis was 41.
It was 5 Torr. The reason why the pressure inside the circulation system 12 changed from 40 Gorr to 41°5 Torr was that as the diamond film was being formed, the raw material methane gas was decomposed and multimerized as described above.
This is because hydrogen is generated at that time and pressure rises.

その後プラズマを停止し、真空排気後に試料を取出し、
SEM観察およびラマン分光分析を行なった結果、従来
の開放型の気相合成装置によって、作業者がついてパル
プの調整を行なって合成されたものと比較して、全く差
異のないダイヤモンドが合成されていることが確認され
た。
After that, the plasma was stopped, the sample was taken out after evacuation, and
As a result of SEM observation and Raman spectroscopy, it was found that diamonds were synthesized using a conventional open-type gas-phase synthesis apparatus, with no difference at all compared to diamonds synthesized using an operator who adjusted the pulp. It was confirmed that there is.

膜質の劣化は、SEM観察でのダイヤモンドの結晶形状
の崩れにより明瞭に観察することができる。通常ダイヤ
モンドは、6面体か6−8面体をとり、良質のダイヤモ
ンドは面も平らで稜も直線的にはっきりしている。しか
し、膜質が低下すると面や稜が丸くだれた状態になる。
The deterioration of the film quality can be clearly observed by the collapse of the diamond crystal shape in SEM observation. Diamonds usually have a hexahedral shape or a 6-octahedral shape, and high-quality diamonds have flat faces and clear straight edges. However, when the film quality deteriorates, the surfaces and edges become rounded and sagging.

また使用した原料ガス料を試算した結果、開放系の場合
の1゜4%の原料ガスで同等量すなわちlQmm角×5
0μm厚程度のダイヤモンドが合成されていた。
In addition, as a result of trial calculation of the raw material gas used, it was found that the raw material gas of 1°4% in the case of an open system is the same amount, that is, 1Q mm square x 5
Diamonds with a thickness of approximately 0 μm were synthesized.

なお本実施例における圧力変動の問題は次のように考察
される。まず従来法においては、マスフローコントロー
ラによる原料ガスおよび水素ガスの供給量制御と真空ポ
ンプ側のパルプ操作による排出ガス量制御により圧力の
コントロールを行なっている。そのため組成変動は、は
とんどないといえる。一方、パルプや真空ポンプの性能
にもよるが、通常圧力変動は±2.5%程度である。そ
れに対し本実施例の方法では、圧力変動、組成変動は、
上述したように、原料ガスの分解による水素ガスの発生
が原因となっている。この変動幅は、ダイヤモンドの生
成量とリザーバタンクの容量により決定される。ダイヤ
モンドの生成量を上述した10mm角X50μm圧程度
とし、かつほぼ同量の炭素が基材支持材上や反応管の内
壁に分解して析出した場合、リザーバタンクの容量は1
00リツトルである場合には、圧力変動は40Torr
から41.8Torrに上昇する。組成変動として、消
費されたメタンガスの量のみを添加する場合、メタンガ
スの濃度が1%から0.96%に変化する。すなわち、
変動幅は4.5%に抑えられている。この圧力の変動は
±5%以内に抑える必要がある。これ以上の変動が起こ
ると、プラズマ状態および基板温度が変化し、最適条件
からはずれるため、膜質の劣化をもたらすことになる。
Note that the problem of pressure fluctuation in this embodiment is considered as follows. First, in the conventional method, pressure is controlled by controlling the supply amount of raw material gas and hydrogen gas using a mass flow controller and controlling the amount of exhaust gas by controlling the pulp on the vacuum pump side. Therefore, it can be said that compositional fluctuations are extremely unlikely. On the other hand, although it depends on the pulp and the performance of the vacuum pump, the pressure fluctuation is usually about ±2.5%. In contrast, in the method of this example, pressure fluctuations and composition fluctuations are
As mentioned above, the cause is the generation of hydrogen gas due to the decomposition of the raw material gas. This fluctuation range is determined by the amount of diamond produced and the capacity of the reservoir tank. If the amount of diamond produced is approximately 10 mm square x 50 μm pressure as described above, and approximately the same amount of carbon is decomposed and precipitated on the base support material and the inner wall of the reaction tube, the capacity of the reservoir tank is 1.
00 liters, the pressure fluctuation is 40 Torr.
The temperature increases from 41.8 Torr to 41.8 Torr. As a composition change, when only the amount of consumed methane gas is added, the concentration of methane gas changes from 1% to 0.96%. That is,
The fluctuation range has been suppressed to 4.5%. This pressure fluctuation needs to be suppressed within ±5%. If more fluctuation occurs, the plasma state and substrate temperature will change and deviate from the optimum conditions, resulting in deterioration of film quality.

組成変動は、メタンなどの原料ガス濃度が減少する場合
は膜質の劣化にはつながらないが、成膜速度が低下する
原因となる。一方、原料ガスの濃度が増加した場合には
、その増加がわずかであっても膜質の劣化の原因となる
。経験的には、圧力変動は一工0%〜0%の範囲に抑え
る必要がある。
Compositional fluctuations do not lead to deterioration of film quality when the concentration of source gas such as methane decreases, but they cause a decrease in the film formation rate. On the other hand, when the concentration of the source gas increases, even if the increase is small, it causes deterioration of the film quality. Empirically, it is necessary to suppress pressure fluctuations within a range of 0% to 0% per step.

以上のように本実施例によれば、反応管3とガス貯蔵容
器13からなる循環系12を封止系として原料ガスを循
環させてプラズマ中で気相合成することにより、原料ガ
スの消費量が大幅に少なくなり、コストの低減を図るこ
とができる。
As described above, according to this embodiment, by using the circulation system 12 consisting of the reaction tube 3 and the gas storage container 13 as a sealed system to circulate the raw material gas and perform vapor phase synthesis in the plasma, the consumption of the raw material gas can be reduced. is significantly reduced, and costs can be reduced.

また、圧力が一定に保ちやすい封止系において原料ガス
を循環させ、間欠的に微量のメタンガスを供給するため
、反応およびガス添加に伴なう圧力変動および組成変動
を最小限に抑え、極めて限られたガス組成および圧力範
囲で合成可能な高品質ダイヤモンドを、パルプ調節等の
ために人手を要することなく自動的に安定して合成する
ことができる。
In addition, since the raw material gas is circulated in a sealed system that is easy to maintain a constant pressure and a trace amount of methane gas is intermittently supplied, pressure fluctuations and composition fluctuations associated with reactions and gas addition are minimized and extremely limited. High-quality diamond, which can be synthesized within a specified gas composition and pressure range, can be automatically and stably synthesized without the need for manual adjustments such as pulp adjustment.

次に、本発明の第2の実施例を第2図に基づいて説明す
る。
Next, a second embodiment of the present invention will be described based on FIG.

本実施例の装置は、原料ガス供給系上、排気系5、循環
系12および炭素原ガス供給系14を備える点で上記第
1の実施例と共通する。本実施例が第1の実施例と異な
るのは、循環系12において、反応管3とプラズマ発生
手段6が複数個並列に配置されている点である。この場
合のプラズマ発生手段6は、ここの反応間3に第1図に
示す装置と同様に、1個ずつ配設されている。第2図に
おいては、プラズマ発生手段6はいずれも、第1図に示
されたプラズマ発生手段6を右側面から見た様子を示し
たものである。
The apparatus of this embodiment is similar to the first embodiment in that it includes a raw material gas supply system, an exhaust system 5, a circulation system 12, and a carbon source gas supply system 14. This embodiment differs from the first embodiment in that in the circulation system 12, a plurality of reaction tubes 3 and plasma generation means 6 are arranged in parallel. In this case, one plasma generating means 6 is disposed in each reaction chamber 3, similarly to the apparatus shown in FIG. In FIG. 2, the plasma generating means 6 is shown as the plasma generating means 6 shown in FIG. 1 viewed from the right side.

本実施例の装置を用いて、上記第1の実施例の場合と同
様の具体的条件下でダイヤモンドの合成を行なった。な
お本実施例におけるメタンガスの間欠的供給量は、ガス
供給マスフローコントローラにより制御して調節した。
Using the apparatus of this example, diamond was synthesized under the same specific conditions as in the first example. Note that the intermittent supply amount of methane gas in this example was controlled and regulated by a gas supply mass flow controller.

このようにしてダイヤモンドの合成を行なった結果、合
成開始から50時間経過後の循環系12内の圧力は41
.7Torrになっていた。その後プラズマを停止し、
真空排気後試料を取出してSEM観察およびラマン分光
分析を行なった結果、従来の開放系の装置で作業者がつ
いてバルブ調節を行なって合成したものと比較して、全
く差異のないダイヤモンドが合成されたことが確認され
た。また、使用した原料ガス量を試算した結果、開放系
の場合の1.78%の原料ガスで同等量のダイヤモンド
が合成されていた。
As a result of synthesizing diamond in this way, the pressure in the circulatory system 12 after 50 hours from the start of synthesis was 41
.. It was 7 Torr. Then stop the plasma and
After evacuation, the sample was taken out and subjected to SEM observation and Raman spectroscopy. The results showed that diamonds were synthesized with no difference at all compared to those synthesized using a conventional open-system device with a worker adjusting the valves. It was confirmed that Further, as a result of trial calculation of the amount of raw material gas used, it was found that the same amount of diamond was synthesized with 1.78% of the raw material gas in the case of an open system.

ラマン分光分析では、1333cm−’にあるダイヤモ
ンドの鋭いピークと、1500〜170Q(m−’!こ
なだらかに現れるアモルファス炭素ノシグナル、および
1360cm−1と1600cm−’に出現するグラフ
ァイトの比較的ブロードなピークが観察される。ラマン
分光分析によってダイヤモンドのピークのみが出現する
膜が良質な膜であるということができる。アモルファス
あるいはグラフアイとのシグナルが出現すると、それは
膜質の劣化が生じていることを意味する。
Raman spectroscopy revealed a sharp diamond peak at 1333 cm-', a gradual amorphous carbon signal from 1500 to 170Q (m-'!), and relatively broad graphite peaks appearing at 1360 cm-1 and 1600 cm-'. is observed.A film in which only diamond peaks appear in Raman spectroscopy can be said to be a good quality film.If an amorphous or graphite signal appears, it means that the film quality has deteriorated. do.

以上のように本実施例によれば、比較的高価な原料ガス
供給系1.排気系5および循環系12をそれぞれ1つず
つのままで、反応管3とプラズマ発生手段の数のみを増
やすことが可能となり、大幅に設備コストを下げること
ができる。
As described above, according to this embodiment, the relatively expensive raw material gas supply system 1. It is possible to increase only the number of reaction tubes 3 and plasma generation means while leaving one exhaust system 5 and one circulation system 12 each, and it is possible to significantly reduce equipment costs.

[発明の効果] 以上述べたように本発明によれば、反応管とガス貯蔵容
器を連結して循環系を形成し、この循環系内を封止状態
で原料ガスを循環させるとともに、随時原料ガスを間欠
的あるいは連続的に供給する手段を備えているため、次
のような効果を奏する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the reaction tube and the gas storage container are connected to form a circulation system, and the raw material gas is circulated in this circulation system in a sealed state, and the raw material gas is Since it is equipped with a means for supplying gas intermittently or continuously, the following effects are achieved.

まず、循環系にガス貯蔵容器を有しているため、原料ガ
スを間欠的に供給しても、生成されるダイヤモンドの膜
質に全く影響しない範囲でガス圧力およびガス組成の変
動を抑えることができるため、原料ガスの簡単な流量制
御で良質のダイヤモンドを合成することができる。した
がって人手による圧力調整の必要がなくなり、自動化に
よる無人運転が可能となる。
First, because the circulation system includes a gas storage container, even if raw material gas is supplied intermittently, fluctuations in gas pressure and gas composition can be suppressed to the extent that it does not affect the quality of the diamond film produced. Therefore, high-quality diamond can be synthesized by simply controlling the flow rate of the raw material gas. Therefore, there is no need for manual pressure adjustment, and unmanned operation is possible through automation.

また封止状態での循環系において、原料ガス減少分のみ
を適宜補給することにより、原料ガスの消費量を大幅に
減少させることが可能となる。
In addition, in the circulation system in a sealed state, by appropriately replenishing only the reduced amount of raw material gas, it is possible to significantly reduce the consumption of raw material gas.

さらに、供給系、排気系および循環系を1つのままで、
反応管とプラズマ発生手段のみの数を増やすことにより
、大幅に設備コストを上昇させることなく気相反応のた
めの容積を拡大させることができる。
Furthermore, the supply system, exhaust system and circulation system remain as one,
By increasing the number of reaction tubes and plasma generation means, the volume for gas phase reaction can be expanded without significantly increasing equipment costs.

以上を総合し、本実施例の装置を用いることによりダイ
ヤモンドの気相合成のコストを大幅に減少させることが
可能となる。
In summary, by using the apparatus of this embodiment, it is possible to significantly reduce the cost of diamond vapor phase synthesis.

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

第1図は本発明の第1の実施例におけるダイヤモンド合
成装置の構成を模式的に示す図、第2図は本発明の第2
の実施例におけるダイヤモンド合成装置の構成を模式的
に示す図である。 第3図は従来の開放系のダイヤモンド合成装置の構成を
模式的に示す図である。 第4図は大口径マイクロ波プラズマ法を用いた従来のダ
イヤモンド合成装置を示す断面図、第5図はECRプラ
ズマ法を利用したダイヤモンド合成装置を示す断面図で
ある。 図において、1は原料ガス供給系、3は反応管、は排気
系、6はプラズマ発生手段、12は循環系、13はガス
貯蔵容器、14は炭素源供給系、16は循環ポンプであ
る。 なお、各図において同一番号を付した部分は、同一また
は相当の要素を示す。 祐3図 4
FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a diamond synthesis apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the configuration of a diamond synthesis apparatus in an example. FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of a conventional open system diamond synthesis apparatus. FIG. 4 is a sectional view showing a conventional diamond synthesis apparatus using a large-diameter microwave plasma method, and FIG. 5 is a sectional view showing a diamond synthesis apparatus using an ECR plasma method. In the figure, 1 is a raw material gas supply system, 3 is a reaction tube, 1 is an exhaust system, 6 is a plasma generation means, 12 is a circulation system, 13 is a gas storage container, 14 is a carbon source supply system, and 16 is a circulation pump. In addition, parts given the same number in each figure indicate the same or equivalent elements. Yu 3 figure 4

Claims (1)

【特許請求の範囲】 内部においてダイヤモンドの気相合成反応を行なわせる
反応管と、 この反応管内に所定のマイクロ波プラズマを発生させる
プラズマ発生手段と、 前記反応管と連結され、この反応管とともに循環系を形
成するガス貯蔵容器と、 この循環系内の排気を行なう手段と、 前記循環系内において、炭素を含む化合物である原料ガ
スを封止状態で循環させる手段と、前記循環系内に、前
記原料ガスを間欠的にあるいは連続的に供給する原料ガ
ス供給手段と、を備えたダイヤモンド合成装置。
[Scope of Claims] A reaction tube in which a diamond vapor phase synthesis reaction is carried out; plasma generation means for generating a predetermined microwave plasma in the reaction tube; and plasma generation means connected to the reaction tube and circulating together with the reaction tube. a gas storage container forming a system; a means for evacuating the circulation system; a means for circulating a raw material gas, which is a carbon-containing compound, in a sealed state within the circulation system; A diamond synthesis apparatus comprising a raw material gas supply means that supplies the raw material gas intermittently or continuously.
JP23165090A 1989-09-20 1990-08-31 Diamond synthesizing device Pending JPH03174398A (en)

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EP90117965A EP0418837B1 (en) 1989-09-20 1990-09-18 Diamond synthesizing apparatus
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