JPH04219337A

JPH04219337A - ダイヤモンドの合成方法および装置

Info

Publication number: JPH04219337A
Application number: JP40254190A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kurihara; 和明栗原; Kenichi Sasaki; 謙一佐々木; Motonobu Kawarada; 河原田　元信
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-12-15
Filing date: 1990-12-15
Publication date: 1992-08-10
Anticipated expiration: 2011-10-16
Also published as: JP2545498B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの気相合
成方法および装置に関する。ダイヤモンドは、ビッカー
ス硬度１００００と地球上で最も硬い材料の一つであり
、ヤング率も高く、耐摩耗性および化学的安定性にも優
れている。更に、熱伝動率も２０００Ｗ／ｍＫと銅の５
倍も高く、絶縁性に優れ、誘電率も低い。また、赤外域
から紫外域までの広い波長範囲で透明であり、しかも不
純物ドーピングにより半導体にもなる。このような優れ
た性質のため、ダイヤモンドは工具材料としてハイテク
産業に必要不可欠な存在であるばかりでなく、耐摩耗性
コーティング、スピーカの振動板、光学部品の透明コー
ティング、半導体素子のパッシベーション膜、ヒートシ
ンク、回路基板、耐環境トランジスタ、青色発光ダイオ
ード等、極めて広い分野での応用が期待されている。

【０００２】

【従来の技術】このようにダイヤモンドは数多くの優れ
た性質を持つため、近年、気相法によるダイヤモンドの
合成の研究が盛んになっており、各種のダイヤモンド合
成法が提案されている。そのような方法の一つとして、
酸素─アセチレン炎の内炎中に配置した基板上にダイヤ
モンドを高速合成する方法が開発されている（広瀬ら，
　ＮＥＷ　ＤＩＡＭＯＮＤ，　Ｎｏ．１０，　ｐ．３４
（１９８８））　。図３にこの方法の概略を示す。トー
チ３０１の下部から供給されたアセチレンガス３０２と
酸素ガス３０３とが別々にまたはトーチ３０１内で混合
された後トーチ３０１の上端から送り出され、トーチ３
０１外部の上方に内炎３０４および外炎３０５から成る
火炎を形成する。基板３０７は、冷却水３０９で冷却さ
れたホルダ３０８の下面に固定された状態で内炎３０４
の中に配置されており、内炎３０４に照射されている基
板３０７の表面にダイヤモンド３０６が析出する。

【０００３】この方法は、極めて簡単な装置で、しかも
電力を用いずに、質の高いダイヤモンドを高速合成でき
る優れた合成法である。しかしこの方法では、ダイヤモ
ンド成長に必要な高温を得るために、原料ガスとしては
酸素─アセチレンガスしか使用できない。アセチレンは
他の炭化水素ガスに比べて危険性が高く、また高圧ボン
ベとして使用できないためボンベの交換回数が多くなり
作業性が悪い上、高価でもある。更に、この方法で合成
したダイヤモンドは粒子状になり易く、多くの用途で必
要とされる膜状になり難いという欠点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
問題点を解消し、不純物のない高純度のダイヤモンドを
、安価で安全に、作業性良く、高速で大面積の基板上に
合成できる方法および装置を提供することを目的とする
。

【０００５】

【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の合成方法は、トーチの燃
焼室内で可燃性炭素化合物ガスを含む燃料ガスを酸素ガ
スで燃焼させ、発生した燃焼ガスを該トーチのノズルか
らガスフレームジェットとして噴出させて基板上に照射
することにより、該基板上にダイヤモンドを合成するこ
とを特徴とする。

【０００６】上記方法を実施するための本発明のダイヤ
モンドの合成装置は、燃料ガス供給口、酸素ガス供給口
、燃焼室、および燃焼ガス噴出ノズルを有するガスフレ
ームジェット発生用トーチと、基板保持機構と、該トー
チと基板とを相対的に移動させる機構と、該トーチに該
燃料ガスおよび該酸素ガスを供給するガス供給系とを含
んで成ることを特徴とする。

【０００７】

【作用】本発明においては、燃焼をトーチ内で行うこと
により、高温で高速のガスフレームジェットを発生させ
、ダイヤモンドを合成する。図１は、本発明の原理を説
明するための概念図である。同図中、１１はトーチ、１
２は高速ガスフレームジェット、１３はダイヤモンド膜
、１４は水冷された基板、１５は燃料ガス、１６は酸素
ガス、１７はトーチ１１の燃焼室、１８はトーチ１１の
燃焼ガス噴出用ノズル、１９は点火プラグである。

【０００８】従来法では、燃料ガスと酸素ガスがトーチ
を出た所で燃焼反応が起こるため、断熱膨張により燃焼
ガスの温度が低下するため、ダイヤモンド合成に必要な
高温を得るために燃料ガスとしてアセチレンしか用いる
ことができなかった。また、燃焼ガスが単なる火炎とし
て形成されるため流速も速くないため、膜状のダイヤモ
ンドになりにくかった。

【０００９】本発明においては、トーチ１１の燃焼室１
７内で燃焼反応が起こるため、定容加圧により燃焼ガス
が容易に高温になる。このためアセチレンを用いなくと
も、ダイヤモンド合成に必要な高温を得ることができる
。更に、燃焼室１７内の高温高圧の燃焼ガスは、ノズル
１８から高速のガスフレームジェットとなって噴出し、
水冷基板１４にぶつかって急冷される。そのため、燃焼
室１７内の高温により生成した活性なラジカルがそのま
ま保存された非平衡組成の燃焼ガスが基板１４上に供給
されるので、高い成長速度でダイヤモンドが形成される
。また、燃焼ガスがガスフレームジェット１２として基
板１３上に供給され、極めて流速が速いため、反応界面
の拡散が速く、ダイヤモンドが膜状に成長し易い。更に、トーチ１１と基板１３と距離を適当な間隔とする
ことができるので、ガスフレームの均一性も高く、トー
チ１１と基板１３とを基板面に沿って移動させることが
できるので、大きな面積や曲面状の基板にも製膜するこ
とができる。

【００１０】本発明では既に説明した原理により高い燃
焼温度が得られるので、燃料ガスとしては従来法で用い
られたセチレンに限らず、ダイヤモンド合成に充分な燃
焼エネルギーおよび燃焼温度が得られ、炭素化合物ガス
を含有する種々の可燃性ガスを用いることができる。燃
料ガスは、炭素化合物ガスを主成分とするものが望まし
く、特にプロピレン、プロパン等の炭化水素ガスを用い
ると便利である。また、炭素化合物ガスと水素との混合
ガス、特にメタン等の炭化水素ガスと水素との混合ガス
を用いることもできる。燃料ガスは、合成されたダイヤ
モンドに用途上悪影響を及ぼさないガス（例えば、アル
ゴン等の不活性ガス、あるいは燃焼・ダイヤモンド成長
に触媒的な作用をするガス等）を含んでいてもよい。

【００１１】ダイヤモンドを析出させるためには、燃料
ガスと酸素ガスとを合わせた全体の組成が炭素リッチに
なっていなくてはならない。具体的には、全体組成中の
炭素原子数が酸素原子数よりも多くなるような比率で、
燃料ガスと酸素ガスとを供給する必要がある。例えば、
本発明の燃料ガスとしてＣＯガスを用いることができる
が、その際には、これに炭化水素ガス等を添加する等に
より上記の必要な比率となるように調整する。

【００１２】ダイヤモンド合成時の基板表面温度は、通
常５００〜１２００℃である。この温度範囲よりも低く
とも高くとも、合成されたダイヤモンドが非晶質になり
易い。従って、他の合成条件により非晶質化させずに合
成できれば、基板表面温度は上記温度範囲外でもよい。本発明の方法を行う雰囲気は特に限定する必要がなく、
大気開放系、不活性ガス雰囲気等の雰囲気中、減圧雰囲
気下等のいずれを用いてもよい。減圧雰囲気下で行うこ
とにより、不純物の混入がなく、またトーチ内外の圧力
差が大きくなるためガスフレームジェットの流速が更に
速くなって合成速度を更に高めることができ、またダイ
ヤモンド膜質も更に向上させることができる。すなわち
、合成したダイヤモンドの用途により特に高純度を必要
とする場合や特に高速合成を必要とする場合には、トー
チのノズルからガスフレームジェットを減圧雰囲気中に
噴出させ、この減圧雰囲気中に保持した基板上に照射す
ることにより合成を行うことが望ましい。その場合、本
発明の合成装置は、トーチ、基板保持機構、およびトー
チと基板との相対移動機構を、排気系に接続された真空
チャンバ内に設けた態様とする。

【００１３】燃料ガスを酸素ガスで燃焼させるための点
火手段としては、一般的には図１に示したようにトーチ
１１に設けた点火プラグ１９を用いることが便利である
が、このようなノズルを用いない方法も可能である。例
えば大気開放系雰囲気で行う場合には、燃料ガス１６と
酸素１５とを未燃焼状態でノズル１８から比較的ゆっく
り送り出した状態にしておき、送出された燃焼ガスと酸
素ガスとの混合ガス流に、ライター等の着火器具で点火
し、燃焼室１７内に引火した後に燃料ガスと酸素ガスの
供給速度を上げて高速のガスフレームジェット１２を形
成させるようにしてもよい。

【００１４】

【実施例】〔実施例１〕本発明に従い、図２に示す装置
を用いてダイヤモンドを合成した。同図中、２０１はト
ーチ、２０２Ａおよび２０２Ｂはそれぞれ燃料ガスおよ
び酸素ガスのボンベ、２０３はガス流量調節用レギュレ
ータ、２０４はトーチ・マニピュレータ、２０５はガス
フレームジェット、２０６はダイヤモンド膜、２０７は
基板、２０８は銅製の水冷可動基板ホルダ、２０９は真
空チャンバ、２１０は排気系である。トーチ２０１は図
１のトーチ１１と同様な構造であり、着火用の点火プラ
グ（図示せず）が設けられている。トーチ２０１はマニ
ピュレータ２０４によって上下方向および水平方向に移
動でき、基板２０７は基板ホルダ２０８によって水平方
向に移動できるようになっている。

【００１５】先ず、チャンバ２０９内を大気に対して開
放した状態で、モリブデン基板２０７（２０ｍｍ角、厚
さ２ｍｍ）を基板ホルダ２０８上に取り付けた。次に、
ボンベ２０２Ａから燃料ガスとしてプロピレンを１０リ
ットル／ｍｉｎ、ボンベ２０２Ｂから酸素を１４リット
ル／ｍｉｎ流し、点火プラグで着火した。その後、チャ
ンバ２０９を外囲大気に対して密閉し、排気系２１０を
作動させてチャンバ２０９内を２００Ｔｏｏｒに減圧し
た。マニピュレータ２０４を作動させてトーチ２０１を
ゆっくり下降させて基板に近づけ、基板表面温度が１０
００℃になる位置に固定した。この状態に１時間維持し
て製膜を行った。

【００１６】基板２０７上に合成された生成物を、Ｘ線
回折、ラマン分光、二次イオン質量分析計（ＳＩＭＳ）
、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で調べた。その結果、生成
物は厚さ２００μｍの膜状多結晶体で、Ｘ線回折では立
方晶ダイヤモンドのピークのみが検出された。ラマン分
光では１３３３ｃｍ−１にダイヤモンド特有のシャープ
なピークが検出された。また、ＳＩＭＳでは炭素以外の
原子は検出されなかった。

【００１７】このように、不純物ない高純度で良質のダ
イヤモンドを、製膜速度２００μｍ／ｈの高速で合成す
ることができた。〔実施例２〕実施例１と同じ装置、条件で製膜を行った。ただし、燃
料ガスとしてメタン（１リットル／ｍｉｎ）と水素（１
５リットル／ｍｉｎ）の混合ガスを用い、酸素流量を１
５リットル／ｍｉｎとした。

【００１８】得られた生成物を実施例１と同様に調べた
。厚さ１１０μｍの高純度で良質のダイヤモンド膜を合
成することができた。製膜速度は１１０μｍ／ｈであっ
た。〔実施例３〕実施例１と同じ装置、条件で製膜を行った。ただし、排
気系２１０は作動させず、大気開放雰囲気で行った。

【００１９】得られた生成物を実施例１と同様に調べた
。厚さ１２０μｍのダイヤモンド膜を合成することがで
きた。ＳＩＭＳ分析では、炭素以外に窒素が僅かに検出
された。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
不純物のない高純度のダイヤモンドを、安価で安全に、
作業性良く、高速で大面積の基板上に合成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための装置断面図であ
る。

【図２】本発明に従ったダイヤモンドの合成方法を行う
装置の配置例を示す装置断面図である。

【図３】従来のダイヤモンド合成方法を示す装置断面図
である。

【符号の説明】

１１…トーチ１２…高速ガスフレームジェット１３…ダイヤモンド膜１４…水冷された基板１５…燃料ガス１６…酸素ガス１７…トーチ１１の燃焼室１８…トーチ１１の燃焼ガス噴出用ノズル１９…点火プ
ラグ２０１…トーチ２０２Ａ…燃料ガスのボンベ２０２Ｂ…酸素ガスのボンベ２０３…ガス流量調節用レギュレータ２０４…トーチ・マニピュレータ２０５…ガスフレームジェット２０６…ダイヤモンド膜２０７…基板２０８…銅製の水冷可動基板ホルダ２０９…真空チャンバ２１０…排気系３０１…トーチ３０２…アセチレンガス３０３…酸素ガス３０４…内炎３０６…ダイヤモンド３０５…外炎３０７…基板３７３０８…水冷されたホルダ３０９…冷却水

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】トーチの燃焼室内で可燃性炭素化合物ガス
を含む燃料ガスを酸素ガスで燃焼させ、発生した燃焼ガ
スを該トーチのノズルからガスフレームジェットとして
噴出させて基板上に照射することにより、該基板上にダ
イヤモンドを合成することを特徴とするダイヤモンドの
合成方法。
【請求項２】前記燃料ガスが、炭素化合物ガスを主成分
とすることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド
の合成方法。
【請求項３】前記燃料ガスが、炭素化合物ガスと水素ガ
スとの混合ガスを主成分とすることを特徴とする請求項
１に記載のダイヤモンドの合成方法。
【請求項４】前記炭素化合物が炭化水素であることを特
徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載のダ
イヤモンドの合成方法。
【請求項５】前記トーチのノズルから前記ガスフレーム
ジェットを減圧雰囲気中に噴出させ、該減圧雰囲気中に
保持した基板上に照射することを特徴とする請求項１か
ら４までのいずれか１項に記載のダイヤモンドの合成方
法。
【請求項６】請求項１に記載のダイヤモンドの合成方法
を実施するための装置であって、燃料ガス供給口、酸素
ガス供給口、燃焼室、および燃焼ガス噴出ノズルを有す
るガスフレームジェット発生用トーチと、基板保持機構
と、該トーチと基板とを相対的に移動させる機構と、該
トーチに該燃料ガスおよび該酸素ガスを供給するガス供
給系とを含んで成ることを特徴とするダイヤモンドの合
成装置。
【請求項７】前記トーチ、前記基板保持機構、および前
記トーチと基板との相対移動機構を、排気系に接続され
た真空チャンバ内に設けたことを特徴とする請求項６に
記載のダイヤモンドの合成装置。