JPH0449517B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は、ダイハモンドを気相合成する方法に
関し、 広い面積のダイヤモンドを高い成膜速度で化学
気相成長させる方法を提供することを目的とし、 １つの極性の電極を形成する包囲体に空けた複
数のノズルの内壁と、これに対向する他の極性の
複数の電極との間に直流電圧を印加してアーク放
電させ、これによつて水素および気体の炭素化合
物を含むガスを活性化して熱プラズマとし、複数
のノズルから熱プラズマジエツトを減圧チヤンバ
内に噴出させ、冷却された基板に衝突させて急冷
し、基板上にダイヤモンド膜を化学気相成長させ
るように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、ダイヤモンドを気相合成する方法に
関する。

ダイヤモンドは、熱伝導率が2000W／mKであ
つて、銅の４倍にも相当し、しかも、硬度および
絶縁性もすぐれており、半導体素子用のヒートシ
ンク、回路基板の材料として、理想的な材料であ
る。また、広い波長範囲にわたり透光性にすぐれ
ており、光学材料としても利用できる。さらに、
ダイヤモンドはバンドギヤツプが5.45eVと広く、
キヤリア移動度の高い半導体であるので、高温ト
ランジスタ、高速トランジスタなどの高性能デバ
イスの材料としても注目されている。

〔従来の技術〕

従来、良質のダイヤモンドを気相合成する方法
としては、熱フイラメント法（S.Matsumoto et
al.，Japan.J.Appl.Phys.21（1981）L183）、マイ
クロ波プラズマCVD法（M.Kamo et al.，J.
Cryst.Growth.62（1983）642）、電子線照射CVD
法（A.Sawabe et al.，Appl.Phys.Lett.46（1985）
146）などの気相成長（CVD）法がある。

しかし、これらの製法ではダイヤモンドの成膜
速度が数μｍ／ｈ以下と低く、安価な装置、原材
料を使つていながら、生産性が悪いのでコストが
高く、実用化がおくれていた。また加茂らの高周
波熱プラズマCVD法（応用物理学会春季講習会
1987年３月）は、1μｍ／minと高い成膜速度を有
するが、水素濃度が高いとプラズマ化できないの
で、比較的多量の不活性なアルゴンを入れて熱プ
ラズマ化する。そのため水素流量が低くて、水素
によるエツチング効果が減少し、生成するダイヤ
モンドの膜厚が30μｍ以上となると、グラフアイ
ト化する欠点がある。また広い体積において熱プ
ラズマ化するので、熱プラズマの流速が低く、水
冷基板で冷却される速度が十分でないので、ダイ
ヤモンド膜の均一性が得られない。

〔発明が解決しようとする問題点〕 本発明は高い成膜速度で十分な膜厚を有し、膜
質の良好なダイヤモンドを広い面積で生成する気
相合成法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、１つの極性の電極を形成する包
囲体に空けた複数のノズルの内壁と、これに対向
する他の極性の複数の電極との間に直流電圧を印
加してアーク放電させ、これによつて水素および
気体の炭素化合物を含むガスを活性化して熱プラ
ズマとし、複数のノズルから熱プラズマジエツト
を減圧チヤンバ内に噴出させ、冷却された基板に
衝突させて急冷し、基板上にダイモンド膜を化学
気相成長させることを特徴とする、ダイヤモンド
の化学気相合成方法によつて解決することができ
る。

〔作用〕

CVD法によるダイヤモンドの合成は、炭素化
合物、たとえばメタン、アセチレン、アルコー
ル、アセトン、メチルアミン、ジクロルエタンな
どと、水素との混合ガスを分解して活性化し、ダ
イヤモンドの気相成長に適する温度、すなわち
400〜1500℃の基板上に、ダイヤモンドを成長さ
せる方法である。ダイヤモンドの合成では、気相
中の水素原子、メチル基などの活性種が重要な働
きをしていると言われており、ダイヤモンドの成
長速度を高めるためには、このような活性種の密
度の高いプラズマを作り、基板表面に供給すれば
良い。

このとき、発生する熱プラズマは狭い電極間
で、約10000℃の高温に加熱されるので、急激に
膨張してノズルからジエツトとして噴出する。ノ
ズルの口径は１〜２mmと狭いので、１つのノズル
からのジエツトでは冷却された基板に衝突する面
積も25mm²程度であるが、本発明によつて複数のノ
ズルから熱プラズマジエツトを噴出するので、成
膜面積を広くすることができる。

なお、放電ガスの水素および原料ガスの炭素化
合物のいずれかまたは両方、不活性ガスたとえば
アルゴンまたはヘリウムを混入して、成膜の均一
性を高めることができ、あるいは酸化性ガスたと
えば酸素、過酸化水素または水を混入して、成膜
に混在する非ダイヤモンド炭素をエツチングして
除去することができる。

〔実施例〕 本発明に使用する熱プラズマジエツト発生装置
は、第１図に示すように、陽極１を形成する包囲
体と、その内部に陰極２があり、放電ガス導管３
が包囲体内で開口し、原料ガス導管４が、電極１
を形成する包囲体に空けた複数のノズル６の内部
に開口する。電極には導線５から直流電圧を印加
して、電極間に放電アーク７を連続して発生さ
せ、放電ガスおおび原料ガスを活性化して、高温
の熱プラズマジエツト８とする。

本発明によつてダイヤモンドを化学気相成長さ
せるために、第４図に示すように、この熱プラズ
マ発生装置を減圧チヤンバ１２内に設置した。こ
のチヤンバ１２にはノズル６に対向して基板１０
を支持する水冷基板ホルダ１１を備えている。第
２図に示す４個のノズル６は口径を２mm、もつと
も近いノズル中心間の間隔を５mmとし、20mm角の
基板１０はノズル６の下方100mmに配置した。減
圧チヤンバ内を100Torrの減圧として、放電ガス
供給管３から水素を1000SCCMの流量で供給し、
原料ガス供給管４からメタンを100SCCMの流量
でノズル６内に供給した。電極間に2kWの直流
電力を印加し、アーク放電によつて発生する熱プ
ラズマジエツト８を１時間継続して、基板上に衝
突させて急冷し、膜厚80μｍ、面積４cm²のダイヤ
モンド膜を形成することができた。この膜の面積
は、単一のノズルを使用する場合の16倍を達成す
ることができた。なお、原料ガス供給管４は第３
図に示すように、ノズル６の外力に開口して、熱
プラズマジエツトに吹き込むこともできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ダイヤモンドの直流のプラズ
マジエツト化学気相成長法において、高速で製膜
が可能であり、かつ製膜面積を大幅に増大するこ
とができ、コストおよび生産性の向上が達成でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する熱プラズマジエツト
発生装置の断面図であり、第２図は本発明で使用
する熱プラズマジエツト発生装置の底面図であ
り、第３図は本発明で使用する他の熱プラズマジ
エツト発生装置の断面図であり、第４図は本発明
の気相合成に使用する装置の説明図である。 １……陽極を形成する包囲体、２……陰極、３
……放電ガス導管、４……原料ガス導管、５……
直流導線、６……ノズル、７……放電アーク、８
……熱プラズマジエツト、９……化学気相成長
膜、１０……基板、１１……水冷基板ホルダ、１
２……減圧チヤンバ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つの極性の電極を形成する包囲体に空けた
   複数のノズルの内壁と、これに対向する他の極性
   の複数の電極との間に直流電圧を印加してアーク
   放電させ、これによつて水素および気体の炭素化
   合物を含むガスを活性化して熱プラズマとし、複
   数のノズルから熱プラズマジエツトを減圧チヤン
   バ内に噴出させ、冷却された基板に衝突させて急
   冷し、基板上にダイヤモンド膜を化学気相成長さ
   せることを特徴とする、ダイヤモンドの化学気相
   合成方法。 ２ 気体の炭素化合物が、炭化水素、または分子
   内に酸素、窒素もしくはハロゲンを含む炭化水素
   である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 水素または気体の炭素化合物を含むガスが、
   不活性ガスおよび／または酸化性ガスをさらに含
   む、特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 電極から噴出する熱プラズマジエツトに不活
   性ガスおよび／または酸化性ガスを供給する、特
   許請求の範囲第１または２項記載の方法。 ５ 不活性ガスがアルゴンまたはヘリウムであ
   る、特許請求の範囲第３または４項記載の方法。 ６ 酸化性ガスが酸素、水、過酸化水素または一
   酸化炭素である、特許請求の範囲第３または４項
   記載の方法。 ７ 熱プラズマ発生装置の電極間に、水素および
   炭素化合物を含むガスを供給する、特許請求の範
   囲第１〜６項のいずれかに記載の方法。 ８ 熱プラズマ発生装置の電極間に、水素を含む
   ガスを供給し、電極間から噴出する熱プラズマジ
   エツトに炭素化合物を含むガスを供給する、特許
   請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載の方法。 ９ 炭素電極または希土類元素酸化物を含むタン
   グステン電極を電極として、直流アーク放電させ
   る、特許請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載
   の方法。