JPH04362094A - ダイヤモンドの気相合成方法 - 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
成方法に関する。この方法で合成されたダイヤモンドは
、その高熱伝導性を利用したヒートシンクなどの放熱材
、高硬度を利用した工具等の耐摩耗性コーティング、赤
外から紫外領域にかけての広い範囲での透明性を利用し
た分析用の窓材、広いバンドギャップに基づく耐熱性の
半導体、等に応用可能である。

【０００２】

【従来の技術】人工のダイヤモンドは、従来、熱フィラ
メント法、マイクロ波ＣＶＤ法、燃焼炎法などにより合
成されてきた。これらの技術を用いることで、ダイヤモ
ンド膜の合成が可能である。また、最近では、高速のダ
イヤモンド製膜方法の一つとして、ＤＣプラズマジェッ
トＣＶＤ法が開発されている。

【０００３】従来のＤＣプラズマジェットＣＶＤ法は、
図３にその概要を示すように、直流電源３５によりプラ
ズマトーチ３２のアノード３４及びカソード３３の両電
極間に直流アーク放電３６を生じさせ、これらの電極間
に供給された原料３１を活性化し、これを基板３８にプ
ラズマジェット３７として照射することで、基板３８上
にダイヤモンド膜３９を作る。

【０００４】この方法は、高密度の活性種を基板に照射
して製膜するため、高速製膜が可能である。また、ダイ
ヤモンドへの添加物として、ホウ素等を気体不純物の形
で原料ガスに混入して供給できるのみならず、例えばタ
ングステンのような粉体をも原料ガスにより搬送して供
給することが可能である。こうしたことから、ＤＣプラ
ズマジェットＣＶＤ法は、ダイヤモンドの製膜にとって
非常に有利な方法と言える。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＤＣプラズマジ
ェットＣＶＤ法には、高速製膜が可能であり、短時間で
膜厚の厚いダイヤモンド膜を作製可能であるという利点
がある一方で、直流アーク放電を用いるためその高温で
電極が溶融され、生成したダイヤモンド中に電極材料が
混入しやすいという難点があった。直流アーク放電は、
両電極の点と点との間での放電であるため、放電の発生
位置が移動しやすく、これに伴って放電電圧が変動する
ため、プラズマ温度が変動して原料の分解率が変化する
ことがあり、これが安定した製膜の妨げとなることがあ
った。

【０００６】また、固体状添加物を原料ガスに混入して
供給する場合には、これが電極での反応により電極自身
へ付着して、電極の汚れの原因となり、アーク放電の変
動を招くことがあって、これもまた安定した製膜を妨げ
る一因であった。

【０００７】更に、原料は放電を可能にするガスと共に
供給する必要があり、そして放電は原料ガス成分やそれ
らの比率に左右されるので、放電による原料の活性化の
条件は原料ガスの成分やそれらの比率に依存する。この
ため、従来のＤＣプラズマジェットＣＶＤ法では、原料
ガス組成を変えるためには放電条件も変えなくてはなら
なかった。

【０００８】本発明の目的は、生成したダイヤモンド膜
への電極材料の混入を極力抑えることができ、電極の汚
れの原因をなくしてアーク放電の変動を防ぐことができ
、安定した製膜が可能であり、そして原料ガス組成を放
電条件に影響を及ぼすことなく任意に変えることが可能
なダイヤモンドの気相合成方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のダイヤモンドの
気相合成方法は、直流電源によりプラズマトーチのアノ
ード−カソード電極間に直流アーク放電を生じさせ、そ
れによりガス原料を活性化し、これを基板に照射するこ
とでダイヤモンドを生成する気相合成方法において、原
料ガスを原料ガス導入ノズルから基板へ供給し、この原
料ガスの流れに原料ガス導入ノズルとは別個のプラズマ
トーチよりプラズマジェットを照射して当該原料ガスを
活性化させることを特徴とする方法である。

【００１０】この方法を説明する模式図を図１に示す。 ダイヤモンドの生成に必要とされるガス原料（例えばメ
タン）は、この原料から基板上にダイヤモンドと共に析
出する他の不要な物質（具体的に言えばグラファイトと
無定形炭素）をこれらと反応することで取除くのに有効
なガス（一般的には水素が使用され、このほかに水を使
用することもできる）と共に、原料ガス導入ノズル１０
から基板８へ供給される。

【００１１】この原料ガス１３は、従来のＤＣプラズマ
ジェットＣＶＤ法（図３）でのようにプラズマトーチで
活性化されてプラズマジェットとして基板に照射される
のではなく、原料ガスの流れとして基板８に到着する。 そして原料ガス１３は、原料ガス導入ノズル１０から基
板８に至る途中で、ノズル１０とは別個のプラズマトー
チ１１から照射されるプラズマジェット１２により活性
化されてから基板８に衝突して、基板上にダイヤモンド
膜を生成する。

【００１２】原料ガス導入ノズル１０とは別個に用意さ
れるプラズマトーチ１１は、必然的にノズル１０と同一
方向に向けて配置することができず、プラズマトーチ１
１から照射されたプラズマジェット１２は常に、原料ガ
ス１３の流れを横切らなくてはならない。このことを利
用して、プラズマジェット１２の向きを、活性化された
原料ガスが基板に衝突して形成されるダイヤモンド膜の
形成領域の中心から外すことができる。このため、たと
えプラズマトーチの電極材料が溶融した場合でも、溶融
した電極材料に由来する不純物が生成されたダイヤモン
ドに混入するのを抑えることができる。プラズマトーチ
１１の角度を適当に調節すれば、原料ガスの流れを横切
ったプラズマジェットが基板８の上に形成されるダイヤ
モンド膜の領域内に全く入り込まないようにすることが
可能である。こうすることによって、溶融電極材料に由
来する不純物の混入を極力抑えることができる。

【００１３】プラズマジェットを得るためプラズマトー
チに供給される放電ガスとしては、水素とメタンとの混
合ガス、水素、アルゴン、水素とアルゴンとの混合ガス
、ヘリウム、等を用いることができる。

【００１４】プラズマトーチには原料ガスが供給されな
いため、原料ガスに不純物添加用の固体を混入させる場
合でも電極の汚れに起因するアーク放電の変動は起らず
、安定した製膜を行うことが可能になる。

【００１５】プラズマトーチの数は一つとは限らず、図
１に例示するように二つとすることもでき、あるいは三
つ以上のプラズマトーチを使用してもよい。前述のよう
に、直流アーク放電では放電の発生位置の移動に伴って
放電電圧の変動が生じやすく、これが安定した製膜の妨
げとなることがあるが、複数のプラズマトーチを用いれ
ば、各トーチでの放電電圧の変動の影響を減少させるこ
とができるので有利である。

【００１６】原料を供給する原料導入ノズルとプラズマ
ジェットを作るプラズマトーチは独立に設けられるので
、原料ガスはアーク放電と直接関係しなくなる。従って
、原料ガスの組成は、プラズマ発生条件（これは原料ガ
スの活性化条件と言うこともできる）と切離して独立に
、任意に変化させることができる。

【００１７】本発明の方法で使用される装置は、ノズル
もトーチも含めて、このような目的のために普通に用い
られている一般的なものでよく、これらをここで詳しく
説明するには及ばない。

【００１８】

【作用】原料ガス導入ノズルから原料ガスを基板へ供給
し、この原料ガスの流れに原料ガス導入ノズルとは別個
のプラズマトーチからプラズマジェットを照射して原料
ガスを活性化させるという本発明の構成は、プラズマジ
ェットが原料ガスの流れを斜めに横切ることから、プラ
ズマトーチの電極がたとえ溶融した場合にもこれに由来
する不純物の生成ダイヤモンドへの混入を効果的に抑制
する。また、原料ガスの供給とプラズマジェットの発生
とが独立になされることから、原料ガスに不純物添加用
の固体を混入させる場合でもこれによる電極の汚れをな
くして、アーク放電の変動を防ぎ、安定な製膜を可能に
する。プラズマトーチの数を複数とすれば、各トーチで
の放電電圧の変動の影響が減少することから、やはりこ
れも安定な製膜を可能にする。更に、原料ガス導入ノズ
ルとプラズマトーチとが独立であることから、放電条件
に影響を及ぼすことなく原料ガス組成を任意に変えるの
を可能にする。

【００１９】

【実施例】次に、実施例により本発明を更に説明する。 以下の実施例において示す操作条件は一例であるに過ぎ
ず、それらは使用する原料ガスや放電ガス、装置等によ
って適宜変更可能であることは言うまでもない。

【００２０】実施例１ 図２に模式的に例示した装置でもって、ダイヤモンド膜
を作製した。

【００２１】チャンバ１の内の対称位置に配置した二つ
のプラズマトーチ１１を使ってプラズマジェットを作り
、それらが図２に示すように原料ガスが基板８へ向う進
路を横切るようにし、更にそれらが基板８の上のダイヤ
モンド膜形成領域外にそれるようにした。両トーチには
、放電ガスとして水素とメタンとの混合ガスを供給した
。 水素及びメタンは、それぞれのガスボンベ１４及び１５
からそれぞれの流量計１６及び１７で流量を制御してか
ら混合して各トーチへ供給した。おのおののガス流量は
、１トーチ当り水素ガスが２０リットル／分、メタンガ
スが２０ミリリットル／分であった。

【００２２】これらのトーチには、プラズマジェットを
得るため直流電源１８により直流電圧を印加した。この
ときの放電条件は、放電電圧が８０〜１００　Ｖ、放流
電流１０Ａ、基板とトーチとの間隔３０ｍｍであった。

【００２３】原料ガスは、前後左右上下の各方向に位置
を変えることの可能なＸＹＺステージ２０上の基板８へ
、原料ガス導入ノズル１０から垂直に吹きつけた。ＸＹ
Ｚステージ２０の中には冷却水２１を流して、これによ
り基板８を冷却した。

【００２４】原料ガスとしては、メタン及び水素の混合
ガスを用いた。メタン及び水素は、放電ガスの場合と同
じように、それぞれのガスボンベ１４及び１５からそれ
ぞれの流量計１６及び１７で流量を制御し、そしてこれ
らを混合してノズル１０へ供給した。これらのガスの流
量は、メタンと水素との流量比が１：１０００になるよ
うに、メタンを２ミリリットル／分、水素を２リットル
／分とした。

【００２５】原料ガスの流れは二つのプラズマジェット
の交わる点を通過し、この際に原料ガスが活性化され、
そして基板に到達して、堆積したダイヤモンド、グラフ
ァイト及び無定形炭素のうちのグラファイト及び無定形
炭素が水素との反応により取除かれて、ダイヤモンドだ
けが基板上に析出する。このようにして、シリコンの基
板上に１０μｍ／ｈの製膜速度でダイヤモンド膜を作る
ことができた。

【００２６】ダイヤモンドの製膜は非常に安定した状態
で行われ、また得られたダイヤモンド膜には電極の溶融
による電極材料の混入がほとんどの場合認められなかっ
た。また、原料ガス組成を意図的に変化させた場合でも
、プラズマジェットには変化が生じないため、そのまま
安定した製膜を行うことができた。

【００２７】実施例２ 実施例１で使用した装置を使い、原料ガスに添加不純物
としてタングステン粉末を粉粒体混入装置２２から混入
して、実施例１と同じ条件でダイヤモンド膜を作った。

【００２８】製膜は安定した状態で行われ、得られた膜
への電極材料の混入は認められなかった。また、粉末は
プラズマトーチへは供給されないので、プラズマトーチ
の電極にもトーチの出口付近にも異物の付着は認められ
なかった。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の方法によ
れば、電極材料の溶融に由来する不純物の生成ダイヤモ
ンド膜への混入を極力抑えることができる。また、原料
ガスに不純物添加用の粉粒体を混入させた場合にあって
も、電極の汚れがなくなってアーク放電の変動を防止す
ることができ、製膜を安定して行うことができる。複数
のプラズマトーチを使用しても、各トーチの放電電圧の
変動の影響を減少させることができるので、やはり製膜
を安定して行うことができる。更に、放電条件に影響を
及ぼすことなしに原料ガス組成を任意に変えることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を説明する模式図である。

【図２】実施例で使用した装置を説明する模式図である
。

【図３】従来のＤＣプラズマジェットＣＶＤ法の概要を
説明する模式図である。

【符号の説明】

８…基板 １０…原料ガス導入ノズル １１…プラズマトーチ １２…プラズマジェット １３…原料ガス １８…直流電源 ３１…原料 ３２…プラズマトーチ ３３…カソード ３４…アノード ３５…直流電源 ３６…アーク放電 ３７…プラズマジェット ３８…基板 ３９…ダイヤモンド膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直流電源によりプラズマトーチのアノ
   ード−カソード電極間に直流アーク放電を生じさせ、そ
   れによりガス原料を活性化し、これを基板に照射するこ
   とでダイヤモンドを生成する気相合成方法において、原
   料ガスを原料ガス導入ノズルから基板へ供給し、この原
   料ガスの流れに原料ガス導入ノズルとは別個のプラズマ
   トーチよりプラズマジェットを照射して当該原料ガスを
   活性化させることを特徴とするダイヤモンドの気相合成
   方法。
2. 【請求項２】　　複数のプラズマトーチを使用する、請
   求項１記載の方法。
3. 【請求項３】　　不純物添加用の粉粒体を原料ガスに混
   入する、請求項１記載の方法。