JPH04325492A - 単結晶ダイヤモンド膜の気相合成方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドの気相合
成に関し、さらに詳しくは、含炭素化合物と水素のガス
を基体上に導き単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成
長させる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは高硬度、広バンドギャッ
プ、高熱伝導度、光学的透明性、耐放射線性、化学的安
定性等の優れた性質を優しているため、例えば切削・研
磨材、絶縁体、ヒートシンク、宇宙空間用窓材等へ応用
されており、また適当なドーピング材を添加することに
より発光素子、高電力半導体等への応用も可能な、有用
な工業材料である。

【０００３】従来ダイヤモンドは、天然品を採掘するか
あるいは黒鉛等の炭素を高温高圧下で処理することによ
り得ていたが、これらの方法は大規模で高価な装置を利
用するためコストがかさむ上、塊状の結晶しか得られな
い。

【０００４】しかし近年開発された気相合成技術（例え
ば、特開昭５８−９１１００号の熱フィラメント法や特
開昭５８−１１０４９４号のマイクロ波プラズマ法）に
よれば、薄膜状のダイヤモンド結晶の合成が可能であり
、電子素子等への広範な応用が容易となった。

【０００５】これらの気相合成法によって得られるダイ
ヤモンド膜は、一般の気相合成法と同様、ダイヤモンド
と基板材質との格子定数の差が小さい場合には、単結晶
膜（即ちエピタキシャル膜）である。ダイヤモンド膜の
各種応用には、欠陥の少ない良質なダイヤモンドエピタ
キシャルダイヤモンド膜を得ることが望ましい。そこで
欠陥の少ない単結晶膜を得る方法が開発された。これら
の技術は例えばＡｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｃ
ｉｅｎｃｅ　ｖｏｌ．３３／３４　ｐｐ．５５３−５６
０（１９８８）や特開平０２−２３３５９１号に開示さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤモンド単
結晶膜成長法や、Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ｖ
ｏｌ．３３／３４　ｐｐ．５５３−５６０（１９８８）
や特開平０２−２３３５９１号に開示されている方法で
は、単結晶膜中に非ダイヤモンド質炭素が混入したり、
成長表面に凹凸が生じたり、膜内部に結晶欠陥が生じた
り、あるいは成長中に膜にクラックが生ずる等の問題点
があった。更に特開平０２−２３３５９１号の方法は、
含炭素化合物濃度が２〜１０％と高く、コスト高である
という欠点を有していた。

【０００７】本発明は、含炭素化合物と水素のガスを基
体上に導き単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長さ
せる際に、これら従来技術の持つ各種問題点を解決する
ことを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、含
炭素化合物と水素との混合ガスを原料としてダイヤモン
ドをエピタキシャル成長させる際に、原料ガスの総モル
分子数に対する炭素原子のモル濃度Ｃ（％）と合成雰囲
気中の該原料ガス分圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）との間の関係を、
Ｃ×Ｐ／１００＞１ とすることを特徴とする単結晶ダイヤモンド膜の気相合
成方法を提供するものである。

【０００９】

【作用】以下に本発明をさらに詳細に説明する。

【００１０】本発明は気相法により基板上にダイヤモン
ド膜をエピタキシャル成長させる方法であり、従来種々
の問題があったのは前述の通りである。本発明において
は、従来技術の問題点を解決しようと研究の結果、含炭
素化合物の水素の原料ガスの雰囲気中の分圧Ｐ（Ｔｏｒ
ｒ）と原料ガスの総モル分子数に対する炭素原子の濃度
Ｃ（モル％）との間に一定の関係を満足させれば、良好
なダイヤモンド膜をエピタキシャル成長させることがで
きることを見出した。

【００１１】図１は、エピタキシャル成長雰囲気中の原
料ガス分圧Ｐ（Ｔｏｒｒ）と含炭素化合物および水素の
混合ガスである原料ガス中の炭素原子のモル濃度Ｃ（％
）と、得られるエピタキシャル膜の結晶性を表す一例で
あって、本発明によって得られる効果を示す。基板には
、高温高圧法で作製した（１００）方位のダイヤモンド
単結晶を用いている。結晶性は、干渉顕微鏡、反射電子
線回折およびラマン分光分析によって評価している。図
中○印は非ダイヤモンド質を全く含まない平坦な単結晶
エピタキシャル膜、△は亜粒界や凹凸が見られたり、あ
るいは若干の非ダイヤモンド質が含まれる単結晶エピタ
キシャル膜、×は多結晶を示す。結晶性のよいエピタキ
シャル膜の得られる範囲は、次式で与えられる。 Ｃ×Ｐ／１００＞１………　　（１）

【００１２】本発明は、ダイヤモンドの気相合成を行な
うことのできる全ての成膜方法に適用することができる
。具体的には、マイクロ波プラズマ法、ＲＦプラズマ法
、ＥＣＲプラズマ法、熱フィラメント法、電子線衝撃熱
フィラメント法、ＤＣプラズマ法、プラズマジェット法
、化学輸送法等である。

【００１３】次に、本発明の作用するダイヤモンド合成
条件の範囲の例について説明する。

【００１４】原料ガスとして用いる含炭素化合物は、特
に限定されない。具体的には、メタン、エタン、プロパ
ン、エチレン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素、メ
タノール、エタノール、アセトン、一酸化炭素等の含酸
素炭素化合物、四塩化炭素、塩化メチル等の含ハロゲン
炭素化合物等である。これらの内でも、取扱の容易さ、
熱分解の容易さ等から、メタン、アセチレン、メタノー
ル、エタノール等が好ましい。また、雰囲気中炭素原子
濃度Ｃ（モル％）も（１）式を満たしていれば特に限定
されない。

【００１５】原料ガス中には、必要に応じて添加ガスを
混入することができる。たとえば、アルゴン、ヘリウム
、酸素、窒素、弗素、塩素、ＨＦ、Ｂ２　Ｈ６　、Ａｓ
Ｈ３　、ＰＨ３　等を添加することができる。これら以
外の各種のガスを添加した場合であっても本発明は有効
に作用する。

【００１６】基板には、単結晶ダイヤモンド膜を合成し
得るものであることが必要である。通常は、ダイヤモン
ドの格子定数ａと、基板の格子定数ｂとの間に、（ａ−
ｂ）／ｂ＜０．２…………　　（２）なる関係が成立し
ている単結晶材料を選ぶ。具体的には、ダイヤモンド単
結晶、立方晶窒化硼素（ＣＢＮ）、ＳｉＣ、Ｎｉ、Ｃｕ
、Ｎｉ−Ｃｕ合金等が挙げられるが、単結晶ダイヤモン
ド膜を得られるものであればこの例に限定される物では
なく、他の結晶質材料、非晶質材料を組成を問わず選ぶ
ことができ、また基板とダイヤモンドの間にバッファ層
を挟んだものであってもよい。基板温度は１１００℃以
下が好ましい。

【００１７】雰囲気圧力はＰが（１）式を満たしていれ
ば特に限定されず、１気圧未満の減圧下であっても、大
気圧下であっても、１気圧以上の加圧下であっても用い
ることができるが、望ましくは０．１気圧以上の範囲で
用いる。

【００１８】

【実施例】次に本発明を実施例に基づいて具体的に説明
する。

【００１９】（実施例１）表１に示す種々の条件でＣお
よびＰを変化させてダイヤモンド膜をエピタキシャル成
長させた。なお、評価方法は図１についてなしたのと同
じである。発明例１〜３および比較例１は、図２のマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置を用いたダイヤモンドのエピ
タキシャル成長の例、発明例４〜６および比較例２は図
３の熱フィラメントＣＶＤ装置を用いたダイヤモンドの
エピタキシャル成長の例である。基板温度は、いずれも
８５０℃であった。Ｃ×Ｐ／１００の値が１よりも大き
い場合（発明例）に結晶性の良好なエピタキシャル膜が
得られた。

【００２０】

【表１】

【００２１】

【発明の効果】本発明により、非ダイヤモンド質炭素・
成長表面の凹凸・結晶欠陥等の少ない、良好なダイヤモ
ンド単結晶膜を得ることが可能となった。また、大気圧
下でも本発明は作用するので、減圧装置等が不要である
という効果もある。更に、含炭素化合物も低い濃度でよ
いので安価である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施時のダイヤモンド単結晶の結晶性を
表すＣとＰとの関係図である。

【図２】本発明を実施したマイクロ波プラズマＣＶＤ装
置の模式図である。

【図３】本発明を実施した熱フィラメントＣＶＤ装置の
模式図である。

【符号の説明】

１　　基板 ２　　反応管 ３　　圧力計 ４　　圧力調整バルブ ５　　基板支持台 ６　　マイクロ波発振器 ７　　整合器 ８　　反射器 ９　　熱フィラメント １０　　加熱炉 １１　　電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　含炭素化合物と水素との混合ガスを原
   料としてダイヤモンドをエピタキシャル成長させる際に
   、原料ガスの総モル分子数に対する炭素原子のモル濃度
   Ｃ（％）と合成雰囲気中の該原料ガス分圧Ｐ（Ｔｏｒｒ
   ）との間の関係を 、　　　　　　　　　　　　Ｃ×Ｐ／１００＞１とする
   ことを特徴とする単結晶ダイヤモンド膜の気相合成方法
   。