JPH0361373A - 無機材料の合成方法及びその装置 - 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、直流アークプラズマによってタイヤセント。

ファインセラミックスあるいはシリコン半導体等を合成
する無機材料の合成方法とその装置に関し、特に、ダイ
ヤモンド合成に好適な合成方法とその装置に関する。

［従来の技術］ 近年、ダイヤセント、ファインセラミックスあるいはシ
リコン半導体等のＳ機材材を、プラズマを用いて合成す
る方法か注目され、かつ実用化されつつある。

例えば、ダイヤモンドにあっては、低圧領域で気相から
薄膜状のダイヤモンドを合成する技術か種々開発され、
その実用化か期待されつつある。

しかし、従来の低圧気相タイヤモント合成方法は、−・
般に、■合成速度が遅い、■広面積のダイヤモンドを得
られない、■プラズマを無理に拡大するため膜厚分布か
不均一になるという問題かある。

４−、述した従来の低圧気相ダイヤモンド合成法のうち
、比較的合成速度の速い方法に、熱プラズマジェットを
利用した直流アークプラズマ法かある。しかし、この直
流アークプラズマ法（よるダイヤモンド合成法は、タイ
ヤセントの合成速度は速いものの局所的（５〜１０ｍｍ
φ〉にしか合成か行なわれず、したかって、基板を動か
しても均一かつ広面積なダイヤモンドを得ることか難し
い。

また、プラズマの半径方向に非常に大きな温度勾配かあ
るため、温度制御か困難となり膜厚分布か均一にならな
いという問題かある。

これら直流アークプラズマ法の問題点を解決するため種
々研究がなされており、特開昭６４−２８２９７号及び
同６４−：１３０９６号によってその一例か開示されて
いる。このうち、特開昭６４〜２８２９７号に記載の技
術は、アーク放電熱プラズマを複数のノズルから噴出さ
せることにより、広い面積にわたってタイヤセントを生
成しようとするものであり、また、同６４−：Ｉ：１０
９６号に記載の技術は、アーク放電熱プラズマを超音速
のプラズマジェットとすることにより、高速度てダイヤ
モンドを生成しようとするものである。

［解決すべき問題点］ 上述した特開昭６４−２！１２９７号及び同６４−：ｌ
：１０９６号は、それぞれダイヤモンド合成の広面積化
、高速度化を図れるものの、膜厚分布の均一・化、電極
の消耗による不均一化、及び寿命等の点において問題か
残っている。すなわち、固定化した一定の箇所から噴出
するプラズマを、広い範囲に広げているのて、プラズマ
の拡大に無理か生じ、局所的に高温もしくは低温となる
ことがあり、ダイヤモンＦを均一の膜厚に合成すること
かてきなかった。

また、プラズマの局在による電極の消耗によるプラズマ
寿命の低下や不均一化、さらには、ダイヤモンドを広い
面積に合成させるにはノズルの複雑化をまねくとともに
、大型真空装置を準備する必要かあるなど設備上の問題
かあった。

本発明は、上記問題点にかんがみてなされたものて、均
一の膜厚て広面積の無機材料、特にタイヤセントを高速
度て生成させることのできる無機材料合成力法と、この
合成方法を実施するための簡易な無機材糾合ｒ＆装置の
提供を目的とする。

なお、磁気を用いてプラズマを回転させる技術について
も種々開示かなされており、先行の技術として、例えば
、特公平ｔ−ｚｚａｉ：＋号あるいは特公昭５１−５４
１］０号を挙げることかてきる。しかし、これら先行技
術は、いずれも、雫にノズルから噴出されたプラズマの
周囲に回転磁場を設け、プラズマジェットを回転させる
だけのものに過ぎない。

したかって、電極間のアークプラズマを回転噴出させる
ことにより、均一膜厚で広面積の無機材料を、高速度て
生成する点についての指摘はなかった。

［問題点の解決手段］ 上記目的を遠戚するため、本発明の無機材料の合成方法
は、アーク放電を行なう陽極と陰極の間のリング状間隙
にガスを供給してプラズマを発生させるとともに、この
プラズマの発生する領域に磁界を形成し、上記リング状
間隙に沿ってプラズマを回転させながら噴出して基板上
に無機材料を生成させる方法としである。

また、本発明の無機材料の合成共ａは、中空状の電極及
び、この電極の内部中心にアーク放電り能な間隙をもっ
て設けた電極とからなるアーク発生手段と、このアーク
発生手段の上記間隙にガスを供給してプラズマを発生さ
せるガス供給手段と、Ｊ：、記アーク発生手段の近傍に
配置しプラズマに一定方向の電磁力を作用させる磁界形
成手段と、上記アーク発生手段のプラズマ発生箇所と平
行かつ対向した位置に設けた基板とを具備した構成とし
である。

なお、合成される無機材料は、プラズマガス及びこのプ
ラズマガス中に含まれる原料ガスの種類によって異なる
。

［実施例］ 以ｆ、本発明の実施例をダイヤモンドを合成する場合を
例にとって説明する。

なお、本明細書における、ダイヤモンドとは、タイヤセ
ント薄膜とタイヤセント薄膜素膜を含むものである。

まず、第１図及び第２図によって、ダイヤモンド合成装
置について説明する。

第１図はダイヤモンド合成装置の一実施例の要部縦断面
図、第２図は熱プラズマジェットの発生状態説明図を示
す。

これら図面において、ｌは銅製の陽極であり、中空状に
形成しである。２はタングステン製の陰極であり、陽極
ｌの中空部中心に配置しである。

これら陽極ｌと陰極２によって、リング状の間隙を有す
るアーク放電電極を構成している。上記電極における陽
極１と陰極２（以ｆ、電極１．２と称すこともある。）
の間隙は０．５〜ｚＯ■曽とすればよく、アーク発生の
確実性を向上させるには２〜ｌＯ■−とすることが好ま
しし）。

また、電極の材料としては、導電性を有し、ある程度の
耐熱性を具備するものであれば特に制限されず、銅、タ
ングステン以外にも例えば、カーボン、白金、タングス
テン−希土類合金（Ｗ−Ｔｈ等）、タンタル、チタン、
ステンレス鋼などを用いることかできる。なお、電極１
．２は、どちらを陽極、陰極としてもよいが、通常は、
電極ｌを陽極とし、溶融を防止するために図示せざる水
冷装置等によって常時冷却するようになっている。

また、電極１．２の構成するソング状の間隙は良円状の
ものに限られず、環状に連続していればよく、大きさや
形状に制限はない。したかって、例えば楕円形ソング状
、ひょうたん形ソング状、ベルト状等とすることもでき
る。

本発明は、従来のアークノズルとこの点て最も異なるも
のであり、プラズマの回転をｖくすることによって、実
質的に環状のプラズマを得ることかできる。この結果と
して、プラズマの広面積化か可能となる。

３は放電ガスの供給管、４はプラズマガスすなわちＴＸ
料ガスの供給管てあり、それぞれ陽極１と陰極２の間に
放電ガスと炭素源ガス等の原料ガスを供給する。電極１
．２間に放電ガスおよび原料ガスを供給しつつ、電極１
．２間にアークを放電すると、上記ガスは超高温のため
に急激に膨張して熱プラズマジェットとなって電極１．
２の間隙より外部に向かって噴き出す。

５はソレノトコイルであり、−＋を極１，２の出１」付
近に配置しである。このソレノトコイル５に電流を流し
て磁界を形成すると、フレミンクの左手の法則によって
電極１．２の間隙の放電電流に電磁力か作用し、プラズ
マジェットはリング状の間隙に沿って移動し回転する。

これにより、回転路を長くとることかできるとともに、
回転によりアーク放電点か移動するため電極の溶融や消
耗かほとんど生じない。

６は基板ホルダ、７は基板であり、電極１．２の熱プラ
ズマジェットの噴き出す側に、電極ｌ。

２と適宜の距離をもって対向しかつ平行な状態で配置し
である。基板７には、冷却用のガスを吹き付けておき、
基板７と接触したプラズマを急激に冷却する。

次に、」二足実施例装置を用いたダイヤモンド合成方法
の一実施例について説明する。

放電ガスと原料ガスを電極１．２の間隙に供給しつつ、
′屯極１，２間に電圧を印加し、アークを放電させる。

これにより、上記ガスは急激にｌ１１張して電極１．２
の間隙より熱プラズマジェットとなって噴き出す。なお
、原料ガスは、電極の間隙に供給せず、ａ射プラズマ中
に供給することもてきる。

この場合、原料ガスとしては、アルゴンガス。

水素ガス、ヘリウムガス、窒素ガス等、並びに、気相反
応に用いる場合には、メタン、エタン。

アセチレン、アルコール、アセトン、メチルアミン、−
酸化炭素等の炭素化合物、ハロゲン。

窒素、水素あるいは硫Ｍ等を含む化合物のガスを用いる
ことかてきる。そして、例えば、アルゴン０〜：Ｉ００
文／ｗｉｎ、好ましくは１〜１００４１／＋ｓｉｎ、水
素ガス１１．１〜５ｆ）Ｑ　／　ｗｉｎ　、好ましくは
０．１〜：１０１／ｍｌｎ、メタンガス口、Ｏ１〜：１
０１　／　ｗｉｎ　、好ましくは０．１〜ｌ０ＪＩ／ｓ
ｉｎからなる化合物のガスを供給する。たたし、この値
はプラズマ出力によって変化することかある。

また、電極１，２間てアークを放電させるための印加電
圧、電流としては５〜１００ＯＶ　、　　１〜５０００
Ａ、好ましくは１０〜５ＯＯＶ、　１０〜１０００Ａト
する。

これは、印加電圧、１！流か低過ぎるとアーク放電か発
生せず、また高過ぎると電極の溶融が激しくなるためで
ある。

さらに、反応圧力、すなわち反応室内の圧力は、　１０
−’　〜８００Ｔｏｒｒ、好ましくは、　５〜８００Ｔ
Ｏｒｒとする。この反応圧力か低過ぎる場合には、ダイ
ヤセント生成速度か著しく遅くなることかある。

一方、高過ぎる場合には、ダイヤモンドの形成されない
ことかある。

一方、ソレノトコイル５に電流を流し、熱プラズマジェ
ットの噴出部付近に磁界を形成する。

磁界か形成されると、アーク部分に電磁力か作用し、ア
ークすなわち熱プラズマジェットか電極１．２のリング
状の間隙に沿って高速回転する。

これにより、熱プラズマジェットは、電極１，２のリン
グ状の間隙から、基板７に向かって見かけＬ連続的に噴
出された状態となり、結局大口径の熱プラズマジェット
を形成し、基板５上の広い面積にわたって均一に衝突す
る。この場合、熱プラズマジットは、通常、拡散状態で
衝突し、温度勾配は小さく１局所的に高温となるような
ことはない。

なお、ソレノイドコイル５に流す電流の方向を逆にする
と、プラズマの回転方向を逆にすることかできる。

［実験例と比較例］ 実験例 り述した実施例装置を用い、次の条件で実験を行なった
。

く条件〉 陽極：銅製、水冷方式　、内径８０■■φ瞼極：タング
ステン製、外径７０ｍ■φメタンガス１立／■ｉｎ アーク放電：電圧５０Ｖ、１！流１８０Ａ反応圧カニ　
１５０Ｔｏｒｒ く結果〉 この結果、約８０ｓＩＩＣｐの面積からなる高密度の熱
プラズマジェットを得ることかでき０．１　ｇｍ／＊ｉ
ｎの速度でダイヤモンドを生成した。また、生成された
ダイヤモンドの薄膜厚さは均一であり、結晶の大きさも
ほぼ均一であった。

塩艶男 第３図に示すように、筒状の陽極１１の内部に陰極２支
を設け、礼状の噴出口３１から熱プラズマジェットを噴
出させる構成の従来装置を用いて次の条件で実験を行な
った。

〈条件〉 陽極：銅製、水冷方式 陰極：タングステン製 噴出口　　５１■φ メタンガス１立／ｗｉｎ アーク放電：を圧７０ｖ、電流１５０Ａ反応圧カニ　１
５０Ｔｏｒｒ 〈結果〉 この結果、約ｌ０−１φの面積からなる、長さ７ｈｍの
熱プラズマジェットを発生し、１ｓＪＬｓ／５ｉｎ（中
心部）の速度でダイヤモンドを生成した。生成されたダ
イヤモンド４１は第３図に示すような山形となり均＝−
の膜厚ではなかった。また、タイヤセントの結晶も、大
きさか不均一てあった。

以−１のように、本発明の合成方法を用いたタイヤセン
ト合成方法によれば、均一膜厚で広面積のダイヤモンド
を長期間安定して、高速度に形成することができる。

また、本発明のダイヤモンド合成装置によれば、簡単な
構造の装置により、電極の損傷を最低限に抑えた状態で
上述のタイヤセント合成方法を実施することかできる。

本発明は、上述のタイヤセント合成のほかに、シリコン
半導体、窒化はう素、窒化アルミニウム等の合成などに
幅広く用いることかできる。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、プラズマの噴出領域の広
範囲化及び均一化を図れ、無機材料の合成を広域かつ高
速に行なうことかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例であるダイヤモンドの合成装置に
おける一実施例の要部縦断面図、第２図は第１図に示す
ダイヤモンド合成装置のプラズマジェット発生状態説明
図、第３図は従来のダイヤセント合成装置の要部縦断面
図を示す。 １：陽極　　　　　　　２：陰極 ３：放電ガス供給管　　４：原料ガス供給管５：ソレノ
イトコイル　７・基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アーク放電を行なう陽極と陰極の間のリング状間
   隙にガスを供給してプラズマを発生させるとともに、こ
   のプラズマの発生する領域に磁界を形成し、プラズマを
   上記リング状間隙に沿って回転させながら噴出して基板
   上に無機材料を生成させることを特徴とした無機材料の
   合成方法。
2. （２）中空状の電極及び、この電極の内部中心にアーク
   放電可能な間隙をもって設けられた電極とからなるアー
   ク発生手段と、 このアーク発生手段の上記間隙にガスを供給して、プラ
   ズマを発生させるガス供給手段と、上記アーク発生手段
   の近傍に配置し、プラズマに一定方向の電磁力を作用さ
   せる磁界形成手段と、 上記アーク発生手段のプラズマ発生箇所と平行かつ対向
   した位置に設けた基板とからなることを特徴とした無機
   材料の合成装置。