JPH0480000B2 - - Google Patents

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JPH0480000B2
JPH0480000B2 JP58220956A JP22095683A JPH0480000B2 JP H0480000 B2 JPH0480000 B2 JP H0480000B2 JP 58220956 A JP58220956 A JP 58220956A JP 22095683 A JP22095683 A JP 22095683A JP H0480000 B2 JPH0480000 B2 JP H0480000B2
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JP
Japan
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diamond
substrate
gas
thermionic
reaction
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JP58220956A
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JPS60112699A (ja
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Kazutaka Fujii
Nobuaki Shohata
Masao Mikami
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NEC Corp
Original Assignee
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH0480000B2 publication Critical patent/JPH0480000B2/ja
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02Epitaxial-layer growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、化学気相析出法を用い、基板上にダ
イヤモンドを析出させる製造方法に関する。
炭化水素ないしは炭素化合物の気体の熱分解に
よつてダイヤモンドを合成する方法として、従
来、数種の方法が知られている。例えば、特開昭
47−42286に記載の方法は、ダイヤモンド種結晶
を白金又はパラジウム等からなる線材をコーン状
に巻いた中に置き、この触媒ヒーターを加熱する
とともに、反応系を抵抗加熱、高周波加熱、炉内
加熱等で、1100〜1700℃に保持している。反応容
器は、水平又は垂直反応容器を使用し、水素ガス
をキヤリアガスとして炭化水素ガスを反応容器に
送り込み、下記の反応を利用してダイヤモンド種
結晶の粒子径を増大させている。
CoH2o+2→C(ダイヤモンド)+H2(但しn≦
5) 一般に、ダイヤモンドの気相合成では、ダイヤ
モンド以外の無定形炭素やグラフアイトの析出が
以後のダイヤモンドの生成を陥止してしまうが、
白金又はパラジウム等の触媒ヒーターの作用によ
つて、ダイヤモンド上に析出した非ダイヤモンド
物質を下記の反応を利用して除去できることを述
べている。
C(無定形炭素又はグラフアイト)+2H2
CH4 しかしながら、この方法ではダイヤモンドを成
長させる為に、ダイヤモンド種結晶を必要とする
欠点がある。すなわち、ダイヤモンド以外の物質
からなる基板上にダイヤモンドを析出させること
ができない欠点がある。またコーン状に巻いた触
媒ヒーター中に基板を置く為、触媒効果および触
媒ヒーターによる加熱効果は均一にはなり得ず平
坦な表面上に均一な膜状ダイヤモンドを得ること
は不可能である。
また別の方法、例えば1982年発行のジヤパニー
ズ・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジクス
誌(Japanese Journal of Applied Physics)第
21巻第L183ページ記載の論文には、第1図に示
すような装置を用い、メタンガスと水素ガスをボ
ンベ3から供給し、混合ガス供給管6から反応管
7内に導入し、約2000℃に加熱したタングステ
ン・フイラメント5で接触加熱・熱分解させタン
グステン・フイラメント5直下に置いた基板13
上にダイヤモンドを析出させている。基板は反応
炉1で加熱している。タングステン・フイラメン
ト5の構造は、コイル状に一巻きしており、反応
ガスの流れは、混合ガス供給管6を上昇し、排気
装置2により反応管7内で下方に向きを変えるよ
うになつている。この方法はダイヤモンド以外の
物質上にダイヤモンドを析出させることができる
点で優れた方法であるがタングステン・フイラメ
ント5がコイル状に巻かれており、しかも一巻き
である為、基板13全体を均一に加熱できず、小
面積に析出ししかも、非ダイヤモンド物質が混在
する不均一性を有している。更に、ガスの流れが
反応管7内で逆転する構造であり、ガス流は乱流
となる。またガス流は、タングステン・フイラメ
ント5に接触後、基板13に垂直に近い角度で衝
突する構造である為、基板13直上で、基板13
中心から端の方向へ反応ガスが流れる為、更にガ
ス流速分布の乱れが生ずる。この結果、予備加熱
されたガスの温度分布が不均一になつたり、ガス
濃度分布が一様でなくなり、非ダイヤモンド物質
の混在を招き、ダイヤモンドの成長も抑制される
欠点を有している。
本発明は、前記欠点を改善することを目的と
し、熱電子放射材によつて構成される加熱面と、
反応ガス流と、該加熱面直下に配置された基板面
とを互いにほぼ平行に配置し、ガス流速分布およ
び濃度分布を一様にすることによつて、熱電子放
射材による反応ガスの熱分解および励起過程を基
板付近で均一にするものである。
すなわち、ダイヤモンド成長の抑制因子である
非ダイヤモンド炭素の混在を、基板付近でのガス
流速分布およびガス濃度分布を一様にすることに
よつて除き、早い成長速度で、均一なダイヤモン
ド膜を得る。
以下、本発明を詳細に説明する。熱電子放射材
の加熱により、発生する熱電子の作用、熱電子放
射材による反応ガスの接触分解等により、水素ガ
スおよび炭化水素ガスは原子状水素、炭化水素の
分解生成物あるいはこれらの励起状態に変化す
る。基板上に付着した遊離炭素あるいは、炭化水
素の分解生成物は、励起状態にある分子ないしは
原子からエネルギーを授与され、SP3結合を有す
るダイヤモンドとなる。更に、原子状水素は、
SP,SP2結合を有する非ダイヤモンド炭素原子と
反応し、炭化水素となつて基板上から離脱する
為、基板上には、ダイヤモンドだけが析出するこ
とになる。本発明の方法においては、熱電子放射
材の加熱面および基板面を反応ガス流に平行ない
しは平行に近くなるように配置することによつ
て、上記の原子状水素、炭化水素の分解生成物あ
るいはこれらの励起状態にあるものを基板付近で
均一に生じせしめ、基板上に析出する非ダイヤモ
ンド炭素を完全に除去できることになる。非ダイ
ヤモンド炭素の存在しない清浄なダイヤモンド表
面は、ダイヤモンドの成長に好ましい条件であ
り、均一にしかも早い成長速度でダイヤモンド膜
が得られ、従来技術の欠点を改善できる。
本発明において使用する混合ガスに対する炭化
水素の容量%は、水素ガスによる非ダイヤモンド
炭素の分解が均一に行なわれ、非ダイヤモンド炭
素が生成しにくい為、上限は20%が望ましい。下
限は、容量%が0.01%より小さくなると成長速度
が極端に遅くなる為、0.01%が望ましい。膜状ダ
イヤモンド成長時には、1〜5%が望ましい。
熱電子放射材の加熱温度は、炭化水素および水
素ガスの接触分解、および励起効果を考慮すると
1800℃以上が好ましい。
基板温度は、析出炭素の構造に直接影響を及ぼ
す因子であり、低すぎると、析出物はアモルフア
ス状となる。また高すぎるとダイヤモンドからグ
ラフアイトに変態するので、600〜1000℃が好ま
しい。
熱電子放射材は、熱電子放出能力大、高温にお
ける低蒸気圧、高融点等が必要条件であるため、
タングステン、ホウ化ランタン等が望ましい。特
に製造しやすいタングステンが好ましい。
熱電子放射材の加熱面および基板面に平行ない
しは平行に近くなるように反応ガスを流す構造と
して、第2図および第3図に示すような構造が考
えられるが、基板に対する熱電子放射材の距離が
一定である第2図に示すような構造が望ましい。
第2図において交流電源1に接続された熱電子放
射材3が支持台2中の穴を通り、加熱面を構成し
ている。第3図は交流電源1に接続した2枚の金
属板2に耐火物カバー4が金属ネジ2により組立
てられ該金属板間に熱電子放射材5が形成されて
いる。
次に、本発明による気相合成ダイヤモンドの製
造方法について図面を用いて説明する。第4図は
本発明の方法を実施する装置の態様を示す。反応
管1中の基板支持台2上に基板3を設置し、基板
3の上に熱電子放射材4を熱電子放射材支持台5
で設置する。次に減圧の場合は、コツク6を閉じ
コツク7を開いて真空排気装置8によつて反応管
1の中を真空にする。同時に反応炉13により基
板3を加熱後、コツク9および10を開いて炭化
水素ガスボンベ11、水素ガスボンベ12より、
ガス混合器15を経由して炭化水素ガスおよび水
素ガスを反応管1へ導入して、圧力調整後熱電子
放射材加熱電源14により、熱電子放射材4を加
熱して、成長を開始する。導入ガスは、ガス排気
口16より排気する。常圧で運転する時は、コツ
ク7を閉じて、コツク6を開いてガス排気口16
より導入ガスを排気すればよい。昇温は、水素中
で行なう。
以下実施例に基づき、本発明を説明する。
実施例 1 2インチφのn型シリコンウエハーを基板とし
て用いた。0.3mmφのタングステン線3を第2図
のように、加熱面がガス流に平行になるように石
英ガラス製治具2で固定し、交流電源1でこのタ
ングステン線を1800℃に加熱した。このタングス
テン線直下10mmの所に電気炉で1080℃に傍熱加熱
したシリコン基板を設置した。反応ガス流量はメ
タンガスが毎分20c.c.で水素ガスが毎分10であ
る。10分の反応後シリコン基板上には、非常にな
めらかなダイヤモンド薄膜が基板全域にわたつて
均一に得られた。膜厚は1.5μmで、ウエハー全面
で均一な膜厚が得られた。なお、ダイヤモンドの
同定は電子線回折によつて行なつた。
実施例 2 50mm角のモリブデン板を基板に用いた。第3図
のように、タングステン板2を石英ガラス板4を
用い、タングステン製ネジ3で固定する。このタ
ングステン板2に0.5mmφのタングステン線5を
コイル状に巻き、タングステン製ネジ3で固定
し、交流電源1で1800℃に加熱した。このタング
ステン線5の直下10mmの所に電気炉で1000℃に傍
熱加熱したモリブデン基板を設置した。反応ガス
流量は、メタンガスが毎分10c.c.で水素ガスが毎分
20である。10分の反応後、シリコン基板上に
は、非常になめらかなダイヤモンド薄膜が基板全
域にわたつて均一に得られた。膜厚は2μmでウエ
ハー全面で均一であつた。
本発明によつて、ダイヤモンド膜が大面積でか
つ均質なものが速い成長速度で得られた。すなわ
ち、従来法では、1cm2以下の面積にしかもまばら
にしかダイヤモンド薄膜を作製できなかつたもの
が、本発明の方法を用いると2インチφ以上の基
板上に均質に合成できる。しかも成長速度は、毎
時10ミクロン程度であり、従来法に比し、数倍速
い成長が実現された。
またダイヤモンド以外の基板上、たとえばシリ
コン上にダイヤモンド薄膜を得ることができ、工
業的価値は大である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、従来法による装置の例を示す図。第
2図,第3図は、本発明による熱電子放射材の構
成例を示す図。第4図は本発明による製造装置の
図である。 第1図において、1…電気炉、2…排気装置、
3…炭化水素と水素の供給装置、4A…基板支持
棒、4B…基板支持台、5…タングステン・フイ
ラメント、6…混合ガス供給管、7…反応管、
8,9,10,11…コツク、12…排気口、1
3…基板を示す。第2図において、1…交流電
源、2…支持台、3…熱電子放射材を示す。第3
図において、1…交流電源、2…金属板、3…金
属ネジ、4…耐火物カバー、5…熱電子放射材を
示す。第4図において、1…反応管、2…基板支
持台、3…基板、4…熱電子放射材、5…熱電子
放射材支持台、6…コツク、7…コツク、8…真
空排気装置、9…コツク、10…コツク、11…
水素ガスボンベ、12…炭化水素ボンベ、13…
反応炉、14…熱電子放射材加熱電源、15…ガ
ス混合装置、16…ガス排気口を示す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 水素雰囲気下で炭化水素ガスを熱電子放射材
    で熱分解して、ダイヤモンドを合成する方法にお
    いて、該熱電子放射材によつて構成される加熱面
    と、水素および炭化水素とを含む混合ガス流と、
    該熱電子放射材の加熱面直下に配置された基板面
    とを互いにそれぞれほぼ平行に設置することを特
    徴とするダイヤモンドの製造方法。
JP58220956A 1983-11-24 1983-11-24 ダイヤモンドの製造方法 Granted JPS60112699A (ja)

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