JPH05117086A - Production of diamond thin film and diamond substrate - Google Patents

Production of diamond thin film and diamond substrate

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JPH05117086A
JPH05117086A JP30965691A JP30965691A JPH05117086A JP H05117086 A JPH05117086 A JP H05117086A JP 30965691 A JP30965691 A JP 30965691A JP 30965691 A JP30965691 A JP 30965691A JP H05117086 A JPH05117086 A JP H05117086A
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JP
Japan
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diamond
substrate
boron
boron phosphide
nitride
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Application number
JP30965691A
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Japanese (ja)
Inventor
Naohiro Toda
直大 戸田
Tadashi Tomikawa
唯司 富川
Nobuhiko Fujita
順彦 藤田
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05117086A publication Critical patent/JPH05117086A/en
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Abstract

PURPOSE:To enable the mass-production and cost-reduction in the formation of a diamond thin film by vapor-phase deposition process by forming a diamond film on a substrate obtained by synthesizing BN or a boron phosphide nitride expressed by a specific formula on BP. CONSTITUTION:A thick BP film is formed on an Si substrate by thermal CVD process, etc., and the Si layer is removed by immersing in fluoronitric acid to obtain a single crystal BP thick film. A boron phosphide nitride film having a gradient composition structure expressed by formula BPxN1-x is formed by an ion plating apparatus using B as a solid raw material and PH3 and N2 as the raw material gas while slowly increasing the content of N2. A diamond film is grown on the obtained film by hot filament CVD process to obtain a diamond substrate having a diamond/BPxN1-x/BP structure.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はトランジスタ、センサ−
等の各種半導体デバイス、絶縁膜、超硬工具に用いる高
硬度被膜として用いる事のできるダイヤモンド基板に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a transistor and a sensor.
The present invention relates to a diamond substrate that can be used as a high hardness coating used for various semiconductor devices such as, an insulating film, and a cemented carbide tool.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドを合成する試みは古くから
行われ、1950年代には高圧合成法でダイヤモンドの
合成に成功している。一方でダイヤモンドの薄膜を合成
するという要求から気相からのダイヤモンド合成も盛ん
に行われており、マイクロ波プラズマCVD法や高周波
プラズマCVD法、熱フィラメントCVD法、ECRプ
ラズマCVD法、ア−ク放電プラズマジェットCVD
法、燃焼炎法その他の各種方法での合成成功報告があ
る。言うまでもなく、ダイヤモンドは1991年現在で
は地球上で最も高い硬度を有する物質である。又ダイヤ
モンドはその高い硬度の他にも多くの優れた性質を有し
ている。例えば非常に広いバンドギャップを有し、Bな
どの各種不純物をド−ピングすることによってp型の半
導体とする事ができることなどから、高温で作動するト
ランジスタやセンサ−、又短波長発光素子等の各種電子
デバイスとしての用途が考えらている。また高熱伝導特
性からヒ−トシンクとしての用途などにも期待がもたれ
ている。
2. Description of the Related Art Attempts to synthesize diamond have been made for a long time, and in the 1950s, diamond was successfully synthesized by a high pressure synthesis method. On the other hand, the synthesis of diamond from the gas phase has been actively carried out due to the requirement to synthesize a diamond thin film. The microwave plasma CVD method, high frequency plasma CVD method, hot filament CVD method, ECR plasma CVD method, arc discharge Plasma jet CVD
There are reports of successful synthesis by various methods such as the method, combustion flame method and others. Needless to say, diamond has the highest hardness on earth as of 1991. In addition to its high hardness, diamond has many excellent properties. For example, since it has a very wide band gap and can be made into a p-type semiconductor by doping various impurities such as B, it can be used as a transistor or sensor operating at high temperature, or a short wavelength light emitting element. The use as various electronic devices is considered. Moreover, due to its high thermal conductivity, it is expected to be used as a heat sink.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記のように電子デバ
イスとして用いる場合には、高純度の大面積の薄膜単結
晶が望まれる。ところが、例えば現在高圧合成で得られ
るダイヤモンドは僅か数mm程度の板状又は粒状の結晶
だけである。また高圧合成法は非常に高価な高圧発生装
置を必要とするため単結晶の単価が極めて高価なものと
なってしまうという大きな問題がある。一方気相からの
ダイヤモンド合成法も先述のように多く試みられてい
る。単結晶ダイヤモンド薄膜は、高圧合成法によって得
られたダイヤモンド単結晶又は閃亜鉛鉱型窒化硼素単結
晶(以下c−BNと略す)を基板とした場合にのみに得
られている。しかし基板そのものが高圧合成法で作られ
る事から大面積基板を得る事が難しい。ダイヤモンドと
c−BN以外にはSiなどが基板としてよく用いられて
いるが、Siなどの基板上では多結晶の薄膜しか得られ
ず、ダイヤモンドの表面は凹凸が激しい。以上から本発
明は高純度で大面積の平滑なダイヤモンド基板又は単結
晶ダイヤモンド基板を大量に且つ安価に提供する事を目
的とする。
When used as an electronic device as described above, a high-purity large-area thin film single crystal is desired. However, for example, the diamond currently obtained by high-pressure synthesis is only a plate-like or granular crystal having a size of only a few millimeters. Further, the high-pressure synthesis method requires a very expensive high-pressure generator, and thus has a big problem that the unit price of a single crystal becomes extremely expensive. On the other hand, many methods of synthesizing diamond from the vapor phase have been tried as described above. The single crystal diamond thin film is obtained only when a diamond single crystal obtained by a high pressure synthesis method or a zinc blende type boron nitride single crystal (hereinafter abbreviated as c-BN) is used as a substrate. However, it is difficult to obtain a large area substrate because the substrate itself is made by the high pressure synthesis method. In addition to diamond and c-BN, Si or the like is often used as a substrate, but only a polycrystalline thin film can be obtained on a substrate such as Si, and the surface of diamond is highly uneven. From the above, it is an object of the present invention to provide a large amount of high-purity, large-area smooth diamond substrates or single crystal diamond substrates at low cost.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明に於いては、
(1)燐化硼素(以下BPと略す)上にc−BN、又は
硼素−燐−窒素の三元系の立方晶単結晶化合物(以下B
x1-x とも記す)を合成し、これをダイヤモンド薄
膜成長用基板として用いる事、(2)BP上で厚さ方向
に徐々にBPからc−BNへと変化させた構造又はBP
x1-x へと変化させた構造を有する基板を用いる事、
(3)BP上にc−BN又はBPx1-x を合成するに
当たりBPの硼素面を用い、その上に合成されたc−B
N又はBPx1-x を基板とする事、をそれぞれ特徴と
するダイヤモンド薄膜の製造方法を提供する。
According to the present invention,
(1) C-BN or boron-phosphorus-nitrogen ternary cubic single crystal compound (hereinafter B) on boron phosphide (hereinafter abbreviated as BP)
(Also referred to as P x N 1-x ) and used as a substrate for growing a diamond thin film, (2) a structure in which BP is gradually changed in the thickness direction from BP to c-BN, or BP
using a substrate having a structure changed to x N 1-x ,
(3) When synthesizing c-BN or BP x N 1-x on BP, the boron surface of BP is used, and c-B synthesized on it is used.
Provided is a method for producing a diamond thin film, which is characterized by using N or BP x N 1-x as a substrate.

【0005】さらにまた、(4)BP上にc−BN層が
あり、更にその上にダイヤモンド層を有する構造(図6
に示す)、(5)BP上にB−P−Nの三元素による立
方晶系の結晶構造をとるBPx1-x 層があり、更にそ
の上にダイヤモンド層を有する構造(図7に示す)、
(6)BP上で厚さ方向に徐々にBPからc−BNへと
組成が変化し、最終的にc−BNになる層を有し、更に
その上にダイヤモンド層を有する構造(図8に示す)、
(7)BP上で厚さ方向に徐々に窒化させてBPx
1-x 層を有し、更にその上にダイヤモンド層を有する構
造(図9に示す)、をそれぞれ特徴とするダイヤモンド
基板をも提供する。図6〜図9は本発明のダイヤモンド
基板の構造を示すが、その右方には混晶BPx1-x
おけるPの比率xを示す。BNでx=0、BPでx=1
であり中間でxの値はさまざまな変わりかたをする。
Furthermore, (4) a structure having a c-BN layer on the BP and further having a diamond layer on the c-BN layer (FIG. 6).
(5), and (5) there is a BP x N 1-x layer having a cubic crystal structure of three elements of B-P-N on BP, and a structure having a diamond layer on it (see FIG. 7). Show),
(6) A structure having a layer in which the composition gradually changes from BP to c-BN in the thickness direction on the BP and finally becomes c-BN, and further has a diamond layer thereon (see FIG. 8). Show),
(7) Gradually nitriding on BP in the thickness direction to obtain BP x N
There is also provided a diamond substrate, each characterized by a structure having a 1-x layer and further having a diamond layer thereon (shown in FIG. 9). 6 to 9 show the structure of the diamond substrate of the present invention, and the ratio x of P in the mixed crystal BP x N 1-x is shown on the right side thereof. X = 0 for BN, x = 1 for BP
In the middle, the value of x changes in various ways.

【0006】以下、順を追って説明する。まず、BPそ
のものについてである。従来単結晶ダイヤモンドを得る
ために基板として用いられていた高圧合成法によるダイ
ヤモンドやc−BNに比べ、BPは合成が容易であり大
面積化も可能であるという特徴がある。本発明において
使用するBP基板は、フラックス法や熱CVD法など公
知の技術により製造されたもので良い。BPは何もド−
ピングしないものでも良いし、Siなどをド−ピングし
たものでも良い。また僅かにB又はPを過剰に供給する
事によって、それぞれp型又はn型半導体の能動層とし
て働き得るものでも良い。又熱CVD法などの公知の技
術によりSi、SiC或はAl23 などの基板上に合
成されたものでも良く、この場合BPはSi、SiCや
Al23 などの基板上にあるままでも良いし、またこ
れらの基板を除去する事によって得られるBPの自立膜
でも良い。なお、SiCは格子定数が0.4360nm
でBPの格子定数とは近く、SiやAl23 を基板と
して用いた場合に比べ、その上に成膜されたBP層の結
晶性が良くなる。その結果このBP上のc−BNやBP
x1-x 、さらにその上のダイヤモンドも結晶性の良い
ものが得られる。ただ、単結晶BPである事が望まし
い。
The steps will be described below in order. First, the BP itself. Compared with diamond and c-BN which are conventionally used as a substrate for obtaining a single crystal diamond by a high pressure synthesis method, BP has a feature that it can be easily synthesized and an area can be increased. The BP substrate used in the present invention may be manufactured by a known technique such as a flux method or a thermal CVD method. BP is nothing
It may be one that is not pinged or one that is doped with Si or the like. It may also be one that can act as an active layer of a p-type or n-type semiconductor by slightly supplying B or P excessively. Alternatively, it may be synthesized on a substrate such as Si, SiC or Al 2 O 3 by a known technique such as a thermal CVD method. In this case, BP remains on the substrate such as Si, SiC or Al 2 O 3. Alternatively, it may be a self-standing film of BP obtained by removing these substrates. Note that SiC has a lattice constant of 0.4360 nm.
Since the lattice constant is close to that of BP, the crystallinity of the BP layer formed thereon is better than that when Si or Al 2 O 3 is used as the substrate. As a result, c-BN and BP on this BP
It is possible to obtain x N 1-x , and diamond with good crystallinity as well. However, it is desirable that it is a single crystal BP.

【0007】このBP層の上にc−BNを合成する。こ
れはECRプラズマCVDやRFプラズマCVD法とい
った公知のCVD、IVD法(Ion Vapor Deposition
法)やイオンプレ−テイング法などの公知のPVDによ
り合成できる。BP基板上にc−BNをすぐさま合成し
ても構わない(図6)が、BPはその格子定数が0.4
539nmでc−BNは0.3615nmである。この
間の格子定数の差異は小さくない。従ってBPとc−B
Nとの界面には大きな内部応力が存在するため、剥離な
どを起こし易い。ただ、BP及びc−BNは共に閃亜鉛
鉱型結晶である。このためBPのPの位置をNに徐々に
連続的に、或は段階的に切り換えてゆく事により、立方
晶系でありながら厚さ方向にBPのPが徐々にNと置換
された構造の膜を作る事ができる(図7〜図9)。この
ようにBPのPを徐々にNと置換し、最終的にPのない
c−BNとなった基板上にダイヤモンドを合成する事
(図8)により、より結晶性の良い平滑なダイヤモンド
薄膜を合成できる。また、BP基板上にB−P−N三元
系の立方晶系結晶BPx1-x を形成するか、あるいは
Pを徐々にNと置換する場合において、最終的にPを幾
らか含んだ状態でBPx1-x としたままでその上にダ
イヤモンドを合成しても良い(図9)。この場合も結晶
性の良いダイヤモンド薄膜を得る事が可能である。
C-BN is synthesized on this BP layer. This is known CVD such as ECR plasma CVD or RF plasma CVD, or IVD (Ion Vapor Deposition).
Method) or ion plating method. Although c-BN may be immediately synthesized on the BP substrate (Fig. 6), BP has a lattice constant of 0.4.
At 539 nm, c-BN is 0.3615 nm. The difference in lattice constant between these is not small. Therefore BP and c-B
Since a large internal stress exists at the interface with N, peeling or the like is likely to occur. However, both BP and c-BN are zinc blende type crystals. Therefore, the P position of BP is gradually and continuously or stepwise switched to N, so that the P structure of the BP is gradually replaced with N in the thickness direction even though it is a cubic system. A membrane can be made (Figs. 7-9). In this way, P of BP is gradually replaced with N, and diamond is finally synthesized on the substrate that has become P-free c-BN (Fig. 8), thereby obtaining a smooth diamond thin film with better crystallinity. Can be synthesized. In addition, when forming a BP-N ternary cubic crystal BP x N 1-x on the BP substrate or gradually replacing P with N, some P is finally contained. In this state, BP x N 1-x may be left as it is, and diamond may be synthesized thereon (FIG. 9). Also in this case, it is possible to obtain a diamond thin film having good crystallinity.

【0008】BP基板上にc−BN、BPx1-x を形
成、或は組成を傾斜させて形成する時、上記のようにB
P基板上にこれらを堆積しても良いし、またBP基板の
表面近傍においてP或はPの一部をNで置換しても良
い。この場合P或はPの一部をNで置換する方法として
は、BP基板を加熱した状態で、(1)Nを含むガス
(例えばN2 、NH3 など)をイオン化し、加速してB
P基板に照射する方法、(2)Nを含むガスのプラズマ
に曝す方法、(3)Nを含むガス中で熱処理する方法、
などの方法が可能である。上記のBP上にc−BNやB
x1-x (BPのPを徐々にNに置換する事で得られ
るc−BNやBPx1-x をも含む)を合成する場合に
於いて特にBPの硼素面上に合成する事が好ましい。c
−BN上にダイヤモンドを合成する場合には特にc−B
Nの硼素面で良い結晶のダイヤモンドが得られる。c−
BNやBPx1-x が単結晶ダイヤモンド合成に好まし
い硼素面を最表面に持つようにするには下地のBPの特
に硼素面上にc−BNやBPx1-x を合成する事が好
ましい。
When c-BN or BP x N 1-x is formed on the BP substrate or the composition is graded, B
These may be deposited on the P substrate, or P or a part of P may be replaced with N in the vicinity of the surface of the BP substrate. In this case, as a method of substituting P or a part of P with N, (1) in a state where the BP substrate is heated, a gas containing N (eg, N 2 , NH 3 etc.) is ionized and accelerated to B
Method of irradiating P substrate, (2) Method of exposing to plasma of gas containing N, (3) Method of heat treatment in gas containing N,
Etc. are possible. C-BN or B on the above BP
In the case of synthesizing P x N 1-x (including c-BN and BP x N 1-x obtained by gradually substituting P of BP with N), it is particularly synthesized on the boron surface of BP. It is preferable to do. c
-C-B especially when synthesizing diamond on BN
A good crystal diamond can be obtained on the boron surface of N. c-
In order for BN or BP x N 1-x to have a boron surface which is preferable for synthesizing a single crystal diamond on the outermost surface, c-BN or BP x N 1-x should be synthesized on the underlying BP, especially on the boron surface. Is preferred.

【0009】[0009]

【作用】ダイヤモンドは立方晶系の結晶であり、その格
子定数は0.3543nmである。従来ダイヤモンド薄
膜合成の基板として用いられてきたSiは結晶構造こそ
ダイヤモンドと同じであるが格子定数が0.5430n
mと大きい。この格子定数の大きな差異のためにSi基
板上にダイヤモンドをエピタキシャル成長させることは
難しい。表1に各物質の格子定数を示した。この中でダ
イヤモンドにもっとも近い格子定数を持つものはc−B
Nである。一方c−BN上には実際に単結晶ダイヤモン
ドが成長したという報告は複数ある。しかし先述のごと
くc−BNは合成が難しく、良質のc−BN単結晶は高
圧合成法による極めて小さな(数mm程度)ものしかな
くまた極めて高価である。そこで、発明者らは大きな単
結晶薄膜を作り得るBP上に面積の大きいc−BN結晶
或はBPx1-x を合成し、このc−BNあるいはBP
x1-x 結晶上にダイヤモンドを合成する事により、そ
の上に大きな面積の平滑なダイヤモンド或は結晶方位の
揃った単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる
ことに成功し、本発明に至ったものである。
FUNCTION Diamond is a cubic crystal and its lattice constant is 0.3543 nm. Si, which has been conventionally used as a substrate for synthesizing diamond thin films, has the same crystal structure as diamond, but has a lattice constant of 0.5430n.
It is as large as m. Due to this large difference in lattice constant, it is difficult to epitaxially grow diamond on a Si substrate. Table 1 shows the lattice constant of each substance. Of these, the one with the closest lattice constant to diamond is cB
N. On the other hand, there are several reports that single crystal diamond has actually grown on c-BN. However, as described above, it is difficult to synthesize c-BN, and a good-quality c-BN single crystal is very small (about several mm) by the high-pressure synthesis method and extremely expensive. Therefore, the inventors have synthesized a large area c-BN crystal or BP x N 1-x on a BP capable of forming a large single crystal thin film, and have prepared this c-BN or BP.
By synthesizing diamond on the x N 1-x crystal, it has succeeded in epitaxially growing a large area smooth diamond or a single crystal diamond having a uniform crystal orientation on the crystal, resulting in the present invention. ..

【0010】[0010]

【表1】 [Table 1]

【0011】BPは格子定数が0.4539nmの閃亜
鉛鉱型構造をした結晶でSiやSiC上にエピタキシャ
ル成長する事が知られている。一方c−BNは格子定数
は0.3615nmとBPより幾分小さいが、BPと同
じ閃亜鉛鉱型の結晶構造を持つ。一般に窒化硼素は上記
のような公知の合成法で作成した場合、六方晶窒化硼素
(以下h−BNと略す)や非晶質窒化硼素(以下a−B
Nと略す)を含む膜しか得られていない。しかしこれは
Siという格子定数の大きく異なった材料上に合成して
いるためである。Siに比べてBPはc−BNに近い格
子定数を持つ。このためBP上に結晶性の良いc−BN
単相の膜を合成し得たと発明者らは考えている。
BP is a crystal having a zinc blende type structure having a lattice constant of 0.4539 nm and is known to grow epitaxially on Si or SiC. On the other hand, c-BN has a lattice constant of 0.3615 nm, which is somewhat smaller than that of BP, but has the same zinc blende type crystal structure as BP. Generally, when boron nitride is prepared by the above-mentioned known synthesis method, hexagonal boron nitride (hereinafter abbreviated as h-BN) or amorphous boron nitride (hereinafter a-B).
Only a film containing N) is obtained. However, this is because they are synthesized on Si, which is a material having greatly different lattice constants. BP has a lattice constant closer to that of c-BN than that of Si. Therefore, c-BN with good crystallinity on BP
The inventors believe that a single-phase membrane could be synthesized.

【0012】またBPのPの一部を厚さ方向に徐々にN
で置換していくことにより、より結晶性の良いc−BN
を合成し得る。従ってこの基板を用いてダイヤモンドを
成長させる事によっても平滑な或は方位の揃った単結晶
ダイヤモンドが得られる。またBPのPの一部を厚さ方
向に徐々にNで置換した構造の薄膜を作る場合、必ずし
も最表面をc−BNにしなくても良い。すなわちBとP
とNの三元系結晶でも良い。Pの一部がNで置換される
事によりBP本来の格子定数よりも小さくなり、ダイヤ
モンドの格子定数に近づくために平滑な或は方位の揃っ
た単結晶ダイヤモンドが成長したと発明者らは考えてい
る。なお、本発明に於ける平滑なダイヤモンド層とはそ
の表面粗さが表面粗さ計による測定でRmax が膜厚の5
%程度以下のものである。このような平滑なダイヤモン
ド層は単結晶、双晶を含む単結晶もしくは粒径が数μm
以上の多結晶で構成されていると考えられる。この中で
は単結晶、特に双晶の少ない単結晶が好ましい。ここで
ダイヤモンド層としてはノンド−プ層で良いが、Bなど
の各種の不純物元素をド−ピングすることによりp型又
はn型半導体として半導体デバイスの能動層としても良
い。本発明に於いて形成されるダイヤモンド層の膜厚は
10μm以下が好ましい。これは基板最表面にあるc−
BNやBPx1-x との熱膨張係数の差から基板の反り
を生ずるためである。しかし成膜後に基板のBPを除去
する事によりダイヤモンドを自立膜として用いる場合は
10μm以上でも良い。
Also, a part of P of BP is gradually N
By replacing with c-BN with better crystallinity
Can be synthesized. Therefore, by growing diamond using this substrate, smooth or uniform single crystal diamond can be obtained. When a thin film having a structure in which a part of P of BP is gradually replaced with N in the thickness direction is formed, the outermost surface does not necessarily have to be c-BN. Ie B and P
A ternary crystal of N and N may be used. The present inventors believe that a single crystal diamond having a smooth or uniform orientation grows because it becomes smaller than the original lattice constant of BP by substituting a part of P with N, and approaches the lattice constant of diamond. ing. In the present invention, the smooth diamond layer has a surface roughness of Rmax of 5 which is measured by a surface roughness meter.
% Or less. Such a smooth diamond layer has a single crystal, a single crystal containing twins, or a grain size of several μm.
It is considered to be composed of the above polycrystals. Of these, single crystals, particularly single crystals with few twins, are preferred. Here, the diamond layer may be a non-doped layer, but may also be used as an active layer of a semiconductor device as a p-type or n-type semiconductor by doping various impurity elements such as B. The thickness of the diamond layer formed in the present invention is preferably 10 μm or less. This is c- on the outermost surface of the substrate
This is because the substrate warps due to the difference in thermal expansion coefficient between BN and BP x N 1-x . However, when diamond is used as a self-supporting film by removing BP of the substrate after film formation, the thickness may be 10 μm or more.

【0013】[0013]

【実施例】次に本発明の実施例1、2、3を説明する。
比較のため、シリコン基板やアルミナ基板を用いダイヤ
モンドの合成については同じ手法による対応従来例も比
較例1.1、1.2;2.1、2.2;3.1、3.2
として説明する。実施例1の基板をa、比較例1.1、
1.2の基板をb、cとする。これらの略構成を図10
〜12に示す。実施例2の基板をd、e、fとし、比較
例2.1、2.2の基板をg、hとし、図13〜15に
略構成を示す。実施例3の基板をi、j、k、l、mと
し、比較例3.1、3.2の基板をn、oとし、図16
〜18に略構成を示す。さらに実施例1〜3における各
薄膜の形成方法を表5にまとめた。
EXAMPLES Examples 1, 2, and 3 of the present invention will be described below.
For comparison, the same method is used for synthesizing diamond using a silicon substrate or an alumina substrate. Conventional examples are also comparative examples 1.1, 1.2; 2.1, 2.2; 3.1, 3.2.
As described below. The substrate of Example 1 is a, Comparative Example 1.1,
Substrates 1.2 are designated as b and c. These schematic configurations are shown in FIG.
~ 12. The substrates of Example 2 are d, e and f, the substrates of Comparative Examples 2.1 and 2.2 are g and h, and the schematic configurations are shown in FIGS. The substrate of Example 3 is i, j, k, l, m, and the substrates of Comparative Examples 3.1 and 3.2 are n and o.
18 shows a schematic configuration. Further, Table 5 summarizes the method of forming each thin film in Examples 1 to 3.

【0014】1.実施例1と比較例1.1,比較例1.
2 −マイクロ波プラズマCVD法− マイクロ波プラズマCVD装置(図1)を用いて基板の
上にダイヤモンドを合成し本発明と従来例を比較した。 [実施例1] 基板a 図10 まず10mm×20mmの大きさのSiの(111)面
上に公知の熱CVD法で0.2mmの厚さのBPを合成
した。これを高速反射電子線回折法(以下RHEED法
とも略す)により観察したところ、(111)面の単結
晶となっている事を確認した。続いて同基板を弗硝酸に
浸漬する事によってSi層を除去する事により、単結晶
BP自立膜を得た。続いてこのBP基板上に有磁場マイ
クロ波プラズマCVD装置(図2)によりBN膜を合成
した。図2に示す装置はECRプラズマCVD装置とも
いう。マイクロ波発生装置20で例えば2.45GHz
のマイクロ波21が発生する。これが導波管22を伝播
し、誘電体窓23から真空チャンバ−24に入る。この
内部には基板ホルダ−25により基板26が支持されて
いる。真空チャンバ24の外周には電子共鳴のための磁
場を与えるコイル27がある。共鳴磁場の強さは875
ガウスである。ガス導入部から原料ガスが導入される。
これがマイクロ波と磁場の共鳴によって生ずる電子のエ
ネルギ−によって励起されプラズマ28となる。基板2
6には電源29によって適当なバイアスを加えることが
できる。プラズマのエネルギ−により比較的低温でも気
相反応が起こる。そして反応生成物が基板26の上に堆
積する。排ガスは排気口30から排出される。
1. Example 1 and Comparative Example 1.1, Comparative Example 1.
2-Microwave Plasma CVD Method Using the microwave plasma CVD apparatus (FIG. 1), diamond was synthesized on the substrate and the present invention and the conventional example were compared. Example 1 Substrate a FIG. 10 First, a BP having a thickness of 0.2 mm was synthesized on a (111) plane of Si having a size of 10 mm × 20 mm by a known thermal CVD method. When this was observed by a high-speed reflection electron diffraction method (hereinafter also abbreviated as RHEED method), it was confirmed that the single crystal had a (111) plane. Then, the Si layer was removed by immersing the same substrate in hydrofluoric nitric acid to obtain a single crystal BP free-standing film. Then, a BN film was synthesized on this BP substrate by a magnetic field microwave plasma CVD apparatus (FIG. 2). The apparatus shown in FIG. 2 is also called an ECR plasma CVD apparatus. In the microwave generator 20, for example, 2.45 GHz
Microwave 21 is generated. This propagates through the waveguide 22 and enters the vacuum chamber-24 through the dielectric window 23. A substrate 26 is supported inside this by a substrate holder 25. A coil 27 that gives a magnetic field for electron resonance is provided on the outer circumference of the vacuum chamber 24. The strength of the resonance magnetic field is 875
Gauss. The raw material gas is introduced from the gas introduction section.
This is excited by the energy of electrons generated by the resonance of the microwave and the magnetic field, and becomes plasma 28. Board 2
An appropriate bias can be applied to 6 by a power supply 29. Due to the energy of plasma, a gas phase reaction occurs even at a relatively low temperature. Then, the reaction product is deposited on the substrate 26. The exhaust gas is discharged from the exhaust port 30.

【0015】真空チェンバ−内にBP基板を設置した
後、有磁場マイクロ波プラズマCVD法により、次の条
件でBP基板の上にBNを100nm成長させた。 BN成長: 原料ガス B26 、N2 、Ar 流量 B26 1.5 sccm N2 1.5 sccm Ar 13.5 sccm 圧力 5.3×10-2 Pa マイクロ波 周波数 2.45 GHz マイクロ波パワ− 300 W コイルによる磁場 875 G 基板温度 520 K 基板バイアス −80 V BN膜厚 100 nm 得られたBN/BP基板のBN層の結晶状態をRHEE
D法により観察した結果、h−BNやa−BNに対応し
た回折は見られず、c−BNに対応した回折のみが見ら
れた。また赤外吸収分光分析によってもc−BNに対応
した吸収のみが観測された。
After placing the BP substrate in the vacuum chamber, BN was grown to 100 nm on the BP substrate by the magnetic field microwave plasma CVD method under the following conditions. BN growth: Source gas B 2 H 6 , N 2 , Ar flow rate B 2 H 6 1.5 sccm N 2 1.5 sccm Ar 13.5 sccm pressure 5.3 × 10 -2 Pa microwave frequency 2.45 GHz Microwave power 300 W Magnetic field by coil 875 G Substrate temperature 520 K Substrate bias -80 V BN film thickness 100 nm Crystalline state of the BN layer of the obtained BN / BP substrate was RHEE.
As a result of observation by the D method, diffraction corresponding to h-BN or a-BN was not seen, but only diffraction corresponding to c-BN was seen. In addition, only the absorption corresponding to c-BN was observed by infrared absorption spectroscopy.

【0016】続いてこのc−BN/BP基板を図1の装
置の真空チェンバ−内に設置し、この上にダイヤモンド
を成長させた。図1の装置はマイクロ波プラズマCVD
装置である。マイクロ波発生装置11でマイクロ波12
が発生する。これが導波管13を通って反応空間である
石英管14に到達する。石英管14の内部には基板ホル
ダ15があって基板16を支持している。石英管14の
上部のガス導入部17から原料ガスが導入される。マイ
クロ波の作用でガスが励起されプラズマ18となる。プ
ラズマで気相反応が起こり反応生成物が基板の上に堆積
する。排気系に接続された排気口19から排ガスが排出
される。
Subsequently, this c-BN / BP substrate was placed in the vacuum chamber of the apparatus shown in FIG. 1 and diamond was grown on it. The apparatus of FIG. 1 is a microwave plasma CVD
It is a device. The microwave generator 11 supplies the microwave 12
Occurs. This reaches the quartz tube 14 which is the reaction space through the waveguide 13. A substrate holder 15 is provided inside the quartz tube 14 to support a substrate 16. The raw material gas is introduced from the gas introduction part 17 above the quartz tube 14. The gas is excited by the action of microwaves and becomes plasma 18. A gas phase reaction occurs in the plasma, and reaction products are deposited on the substrate. Exhaust gas is discharged from the exhaust port 19 connected to the exhaust system.

【0017】以下の条件によりc−BN基板の上にダイ
ヤモンド1μmをマイクロ波プラズマCVD法によって
成長させた。 ダイヤモンド成長: 原料ガス CH4 、H2 (同時に導入) 流量 CH4 2 sccm H2 200 sccm 圧力 1×104 Pa マイクロ波周波数 2.45GHz マイクロ波パワ− 200 W 成長時間 1.5 時間 基板温度 1130 K ダイヤモンド膜厚 1 μm まず得られた膜がダイヤモンドである事をラマン分光法
により確認した。得られたダイヤモンド層の結晶状態を
RHEED法により観察した結果、(111)面に対応
した回折パタ−ンが得られた。また表面粗さ計によりそ
の表面粗さを調べた所、Rmax =30nmであった。
1 μm of diamond was grown on the c-BN substrate by the microwave plasma CVD method under the following conditions. Diamond growth: Source gas CH 4 , H 2 (simultaneously introduced) Flow rate CH 4 2 sccm H 2 200 sccm Pressure 1 × 10 4 Pa Microwave frequency 2.45 GHz Microwave power 200 W Growth time 1.5 hours Substrate temperature 1130 K diamond film thickness 1 μm First, it was confirmed by Raman spectroscopy that the film obtained was diamond. As a result of observing the crystal state of the obtained diamond layer by the RHEED method, a diffraction pattern corresponding to the (111) plane was obtained. Further, when the surface roughness was examined by a surface roughness meter, it was R max = 30 nm.

【0018】[比較例1.1] 基板b 図11 比較のためにマイクロ波プラズマCVD装置により上記
実施例1と同じ条件で面方位(111)の単結晶Si基
板上にダイヤモンド層の形成を試みた。しかし鏡面Si
上にはダイヤモンドが殆ど生成せず、極めて一部に結晶
方位の揃わないダイヤモンドの粒子が観察されるのみで
あった。
[Comparative Example 1.1] Substrate b FIG. 11 For comparison, an attempt was made to form a diamond layer on a single crystal Si substrate having a plane orientation (111) by a microwave plasma CVD apparatus under the same conditions as in Example 1 above. It was However, the mirror surface Si
Almost no diamond was formed on the upper part, and only very few diamond particles having a non-uniform crystal orientation were observed.

【0019】[比較例1.2] 基板c 図12 また20〜40μmのダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を
施した面方位(111)の単結晶Si基板上にもマイク
ロ波プラズマCVD装置により上記実施例1と同じ条件
でダイヤモンド層の形成を試みた。この場合には膜厚1
μmのダイヤモンド層を得た。これについてもRHEE
D法により得られた層の結晶状態を観察したが、ダイヤ
モンドに対応したスポッテイなリングパタ−ンのみが得
られ、このダイヤモンド層が結晶方位の揃っていない多
結晶である事を確認した。又表面粗さはRmax =400
nmであった。表2に実施例1と比較例1.1、1.2
の工程や基板の構造を略示した。
[Comparative Example 1.2] Substrate c FIG. 12 Further, a single crystal Si substrate having a plane orientation (111) which was scratched with diamond abrasive grains of 20 to 40 μm was also treated by the microwave plasma CVD apparatus in the above Example. An attempt was made to form a diamond layer under the same conditions as in 1. In this case, the film thickness is 1
A μm diamond layer was obtained. RHEE
The crystal state of the layer obtained by the D method was observed, and only a spotty ring pattern corresponding to diamond was obtained, and it was confirmed that this diamond layer was a polycrystal having a non-uniform crystal orientation. The surface roughness is R max = 400.
It was nm. Table 2 shows Example 1 and Comparative Examples 1.1 and 1.2.
The process and the structure of the substrate are outlined.

【0020】[0020]

【表2】 [Table 2]

【0021】2.実施例2及び比較例2.1、比較例
2.2 −熱フィラメントCVD− 熱フィラメントCVD装置(図3)を用いて基板の上に
ダイヤモンドを合成し本発明と従来法を比較した。 [実施例2] 基板d、e、f 図13 基体としてフラックス法で合成された2mm×2mm×
1mmの面方位(100)の単結晶BPを用いた。これ
を各種酸及び有機溶媒によって洗浄した。続いてこのB
P基体上にイオンプレ−テイング装置(図4)でB−P
−Nの傾斜組成構造膜を合成した。図4のイオンプレ−
テイング装置を先ず説明する。真空容器37は、排気口
38とガス導入口39を有し真空に引くことのできる容
器である。中間部にはイオン化電極40とフィラメント
49が設けられる。イオン電極は直流電源41に接続さ
れる。上方には上部電極に基板42が取り付けられる。
背面にはヒ−タ43があって基板42を任意の温度に加
熱できる。高周波電源44が上部電極に接続される。下
方には水冷るつぼ45があってこの中に金属ホウ素46
が収容される。電子銃47から電子ビ−ムが発射され磁
場で曲げられて金属ホウ素に衝突する。運動エネルギ−
によってホウ素を加熱し蒸気とする。蒸気は上方に上り
ガスのプラズマによって励起され一部はイオンになる。
のこりは中性の蒸気のまま基板近傍に至る。原料ガスが
別にガス導入口39から導入されるがこれはイオン化電
極と上部電極の間の高周波電力によってプラズマにな
る。プラズマが基板に当たり表面を活性化する。ホウ素
とガスとが反応してホウ化物が基板の上に堆積するよう
になっている。
2. Example 2 and Comparative Example 2.1, Comparative Example 2.2-Hot Filament CVD-Diamond was synthesized on a substrate using a hot filament CVD apparatus (FIG. 3) to compare the present invention with a conventional method. Example 2 Substrates d, e, f FIG. 13 2 mm × 2 mm × synthesized by the flux method as a substrate
A single crystal BP having a plane orientation (100) of 1 mm was used. This was washed with various acids and organic solvents. Then this B
BP on the P substrate with an ion plating device (Fig. 4)
A -N graded composition structure film was synthesized. Ion plate in Fig. 4
The towing device will be described first. The vacuum container 37 is a container that has an exhaust port 38 and a gas introduction port 39 and can be evacuated. An ionization electrode 40 and a filament 49 are provided in the middle part. The ion electrode is connected to the DC power supply 41. The substrate 42 is attached to the upper electrode above.
There is a heater 43 on the back surface to heat the substrate 42 to an arbitrary temperature. A high frequency power supply 44 is connected to the upper electrode. In the lower part there is a water-cooled crucible 45 in which there is metallic boron 46.
Is housed. An electron beam is emitted from the electron gun 47, is bent by a magnetic field, and collides with metallic boron. Kinetic energy
To heat the boron into steam. The vapor rises upward and is excited by the plasma of the gas, and part of it becomes ions.
The dust reaches the vicinity of the substrate as neutral vapor. The source gas is separately introduced from the gas inlet 39, which becomes plasma by the high frequency power between the ionization electrode and the upper electrode. The plasma hits the substrate and activates the surface. Boron reacts with the gas to deposit the boride on the substrate.

【0022】このイオンプレ−テイング装置の上部電極
にBP基体を取り付た。真空チェンバ−内は一旦1×1
-4Pa以下になるまで排気された後に原料ガスを導入
しホウ素の蒸発を開始し次の条件によって傾斜構造BP
x1-x 膜を成長させた。 BPx1-x の成長:原料固体 ホウ素 原料ガス Ar、PH3 、N2 原料ガス分圧 Ar 2.5×10-1Pa PH3 (初期)2.0×10-1Pa(減少) N2 徐徐に増加 イオン化電極のバイアス 60 V 基板のRFバイアス 100 W 基板温度(ヒ−タで加熱) 570 K この方法で次に示すようなBPx1-x のxの異なる3
種類の基板d、e、fを作成した。
A BP substrate was attached to the upper electrode of this ion plating apparatus. 1x1 in the vacuum chamber
After the gas is exhausted to 0 -4 Pa or less, the raw material gas is introduced to start the evaporation of boron and the graded structure BP
A x N 1-x film was grown. Growth of BP x N 1 -x : Raw material solid boron Raw material gas Ar, PH 3 , N 2 raw material gas partial pressure Ar 2.5 × 10 −1 Pa PH 3 (initial) 2.0 × 10 −1 Pa (decrease) N 2 Gradual increase Ionization electrode bias 60 V Substrate RF bias 100 W Substrate temperature (heated by heater) 570 K In this method, BP x N 1- x with different x 3
The types of substrates d, e, and f were created.

【0023】得られたBN或はB−P−N層表面の元素
分析をX線光電子分光法により行った。その結果は、 (1)基板dではB:P:N=10.0:0.2:9.5 (2)基板eではB:P:N=10.0:2.0:7.8 (3)基板fではB:P:N=10.0:5.0:4.9 であった。これらの膜の結晶状態をRHEED法で観察
した結果、基板dの場合にはc−BNに対応する回折
が、又基板e及びfの場合にはc−BNよりも格子定数
の大きい立方晶系に属する回折のみが得られた。
The elemental analysis of the surface of the obtained BN or B-P-N layer was conducted by X-ray photoelectron spectroscopy. The results are: (1) B: P: N = 10.0: 0.2: 9.5 for substrate d, and (2) B: P: N = 10.0: 2.0: 7.8 for substrate e. (3) In the substrate f, B: P: N = 10.0: 5.0: 4.9. As a result of observing the crystalline state of these films by the RHEED method, in the case of the substrate d, the diffraction corresponding to c-BN, and in the case of the substrates e and f, the cubic system having a larger lattice constant than c-BN Only diffractions belonging to

【0024】続いて、基板d、e、fをそれぞれ図3の
装置の真空チェンバ−内に設置した。図3の装置は熱フ
ィラメントCVD装置である。真空チャンバ−31の内
部にはタングステンフィラメント32が設けられる。こ
れに対向して基板33を保持する基板ホルダ−34が設
置される。上方のガス導入部35から原料ガスが導入さ
れる。フィラメントに通電すると発熱し輻射熱を生ず
る。この熱で原料ガスが励起されるから気相反応が起こ
る。生成物が基板33に堆積するので、薄膜形成が可能
である。排ガスは排気口36から排出される。
Subsequently, the substrates d, e, and f were placed in the vacuum chamber of the apparatus shown in FIG. The apparatus of FIG. 3 is a hot filament CVD apparatus. A tungsten filament 32 is provided inside the vacuum chamber 31. A substrate holder-34 for holding the substrate 33 is installed opposite to this. The raw material gas is introduced from the upper gas introduction part 35. When the filament is energized, heat is generated and radiant heat is generated. This heat excites the raw material gas to cause a gas phase reaction. Since the product is deposited on the substrate 33, thin film formation is possible. The exhaust gas is discharged from the exhaust port 36.

【0025】基板d〜fはBPx1-x /BPという構
造を持つが、以下の条件でBPx1-x 面の上に熱フィ
ラメントCVD法によりダイヤモンド成長させた。 ダイヤモンド成長: 原料ガス CH4 、H2 原料ガス流量 CH4 4 sccm H2 200 sccm 圧力 4×103 Pa フィラメント温度 2273 K 基体表面温度 1100 K フィラメント基体間距離 10 mm 成長時間 2 時間 ダイヤモンド膜厚 2 μm 得られたものはダイヤモンド/BPx1-x /BNとい
う構造を持つ。ダイヤモンド層の結晶状態をRHEED
法により観察した所、基板d、e、fのいずれの上に成
膜したダイヤモンド薄膜からもダイヤモンドに対応した
回折が見られた。解析の結果、これらのダイヤモンド層
が双晶を含んだいくつかの大きな結晶からなる方位の揃
った多結晶ダイヤモンドである事が分かった。また表面
粗さはRmax =75nmであった。
The substrates d to f have a structure of BP x N 1-x / BP, and diamond was grown on the BP x N 1-x surface by the hot filament CVD method under the following conditions. Diamond growth: Raw material gas CH 4 , H 2 raw material gas flow rate CH 4 4 sccm H 2 200 sccm pressure 4 × 10 3 Pa filament temperature 2273 K substrate surface temperature 1100 K filament substrate distance 10 mm growth time 2 hours diamond film thickness 2 The obtained product has a structure of diamond / BP x N 1-x / BN. RHEED the crystalline state of the diamond layer
When observed by the method, diffraction corresponding to diamond was seen from the diamond thin film formed on any of the substrates d, e, and f. As a result of the analysis, it was found that these diamond layers are oriented polycrystalline diamonds composed of some large crystals including twins. The surface roughness was R max = 75 nm.

【0026】[比較例2.1] 基板g 図14 比較のために熱フィラメントCVD方により上記実施例
2と同じ条件で面方位(100)の単結晶Si鏡面基板
上にダイヤモンド層の形成を試みた。しかし極めて一部
に結晶方位の揃わないダイヤモンドの粒子が観察される
のみで薄膜を得る事はできなかった。
[Comparative Example 2.1] Substrate g FIG. 14 For comparison, an attempt was made to form a diamond layer on a single crystal Si mirror-finished substrate having a plane orientation (100) by the hot filament CVD method under the same conditions as in Example 2 above. It was However, it was not possible to obtain a thin film because only a part of the diamond particles having a non-uniform crystal orientation were observed.

【0027】[比較例2.2] 基板h 図15 またダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を施した面方位(1
00)の単結晶Si基板上にも熱フィラメントCVD法
により上記実施例2と同じ条件でダイヤモンド層の形成
を試みた。この場合には膜厚1μmのダイヤモンド層を
得た。これについてもRHEED法により得られた層の
結晶状態を観察したが、ダイヤモンドに対応したスポッ
テイ−なリングパタ−ンのみが得られ、このダイヤモン
ド層が結晶方位の揃っていない多結晶であることを確認
した。また同薄膜の表面粗さはRmax =300nmであ
った。表3に実施例2と比較例2.1、2.2の工程や
基板の構造を略示した。
[Comparative Example 2.2] Substrate h FIG. 15 Further, the plane orientation (1
A diamond layer was also tried to be formed on the single crystal Si substrate of (00) by the hot filament CVD method under the same conditions as in Example 2 above. In this case, a diamond layer having a film thickness of 1 μm was obtained. Also for this, the crystal state of the layer obtained by the RHEED method was observed, and only a spotty ring pattern corresponding to diamond was obtained, and it was confirmed that this diamond layer was a polycrystal with a non-uniform crystal orientation. did. The surface roughness of the thin film was R max = 300 nm. Table 3 outlines the steps and substrate structures of Example 2 and Comparative Examples 2.1 and 2.2.

【0028】[0028]

【表3】 [Table 3]

【0029】3.実施例3と比較例3.1、比較例3.
2−ECRプラズマCVD法− 有磁場マイクロ波プラズマCVD装置(図2:ECRプ
ラズマCVD装置)を用いて基板の上にダイヤモンドを
成長させ本発明と従来法を比較した。 [実施例3] 基板i、j、k、l、m ;図16、図
17 基板としては実施例1と同様、熱CVD法で合成した1
0mm×20mm×0.2mmの面方位(111)の単
結晶BP基板を用いた。ただし、今回はBPを合成する
のに用いたSiを除去せず、Si上にBPが存るという
BP/Si2層構造のままで基板に用いた。これを弗化
水素酸及びイソプロピルアルコ−ルやアセトン等の有機
溶媒によって洗浄した。この基板の表面をエッチングす
る事によりこの基板表面が硼素面である事を確認した。
3. Example 3, Comparative Example 3.1, Comparative Example 3.
2-ECR Plasma CVD Method-The present invention and the conventional method were compared by growing diamond on a substrate using a magnetic field microwave plasma CVD apparatus (FIG. 2: ECR plasma CVD apparatus). [Example 3] Substrates i, j, k, l, and m; Fig. 16 and Fig. 17 As the substrate, 1 was synthesized by the thermal CVD method as in Example 1.
A single crystal BP substrate having a plane orientation (111) of 0 mm × 20 mm × 0.2 mm was used. However, this time, the Si used for synthesizing BP was not removed, and the BP / Si two-layer structure in which BP was present on Si was used for the substrate as it was. This was washed with hydrofluoric acid and an organic solvent such as isopropyl alcohol and acetone. It was confirmed that the surface of this substrate was a boron surface by etching the surface of this substrate.

【0030】続いてこの基板上にRFプラズマCVD装
置(図5)を用いて以下に述べる2種類の方法で基板を
合成した。図5に示す装置において、真空チャンバ51
は内部を真空に引くことのできる容器である。上方には
基板52を取り付けた基板ホルダ−53がある。これは
上部電極を兼ねている。下方には中空の下部電極54が
設置される。ガスの吹出口55が下部電極54の上面に
多数穿孔される。下方のガス導入口56から導入された
ガスが吹出口55から内部空間に入る。下部電極54は
高周波電源発振器57によって高周波電力を供給されう
る。上部電極である供給ホルダ53にはヒ−タ58があ
って基板を所望の温度に加熱できるようになっている。
直流電源によって上部電極にバイアスを加えることがで
きる。
Subsequently, a substrate was synthesized on this substrate by using the RF plasma CVD apparatus (FIG. 5) by the following two kinds of methods. In the apparatus shown in FIG. 5, the vacuum chamber 51
Is a container whose inside can be evacuated. Above the substrate is a substrate holder 53 to which the substrate 52 is attached. This also serves as the upper electrode. A hollow lower electrode 54 is installed below. A large number of gas outlets 55 are formed on the upper surface of the lower electrode 54. The gas introduced from the lower gas inlet 56 enters the internal space from the outlet 55. The lower electrode 54 can be supplied with high frequency power by a high frequency power source oscillator 57. The supply holder 53 as the upper electrode has a heater 58 so that the substrate can be heated to a desired temperature.
A bias can be applied to the upper electrode by a DC power supply.

【0031】(I)−BP表面の窒化−基板i、j ;
図16 一つはBPにNH3 を反応させてBPの表面を窒化させ
ることによりB−P−Nの傾斜組成構造層を形成する方
法である。真空チャンバ−内の基板ホルダ−ににBP/
Si基板を取り付けた後次の条件でBPx1-x 層を形
成した、 BPx1-x 層形成: 原料ガス NH3 、N2 ガス流量 NH3 5 sccm N2 95 sccm 圧力(60Torr)8×103 Pa 電極間RFパワ− 200 W 基板温度 1000 K プラズマ中にあるのは窒素成分であるから、BP中のP
が時間とともにNによって置換されてゆく。長時間処理
すればPの比率が減り、窒素の比率が増える。この状態
で種々の時間反応させる事で、その最表面に 1.B:P:N=10.0:0.0:9.9・・・・基板i 2.B:P:N=10.0:4.9:4.9・・・・基板j であるような相を合成した。なお、上記の元素分析はX
線光電子分光法により行ったものである。これらの膜を
RHEED法により観察したところ、基板iの場合には
c−BNの(111)面に対応した回折が、また基板j
の場合にはc−BNよりも格子定数の大きい立方晶系の
(111)面に対応する回折のみが得られた。またラザ
フォ−ド後方散乱法により基板i及びjの表面に生成し
たB−P−N系結晶膜の表面が硼素面である事を確認し
た。
(I) -nitriding of BP surface-substrates i, j;
FIG. 16 shows a method of forming a B-P-N gradient composition structure layer by reacting BP with NH 3 to nitride the surface of the BP. BP / on the substrate holder in the vacuum chamber
After the Si substrate was attached, a BP x N 1-x layer was formed under the following conditions: BP x N 1-x layer formation: Source gas NH 3 , N 2 gas flow rate NH 3 5 sccm N 2 95 sccm Pressure (60 Torr ) 8 × 10 3 Pa RF power between electrodes 200 W Substrate temperature 1000 K Since plasma contains nitrogen components, P in BP
Are replaced by N over time. If it is treated for a long time, the ratio of P decreases and the ratio of nitrogen increases. By reacting for various times in this state, 1. B: P: N = 10.0: 0.0: 9.9 ... Substrate i 2. B: P: N = 10.0: 4.9: 4.9 ... A phase having a substrate j was synthesized. The above elemental analysis is X
It was performed by line photoelectron spectroscopy. When these films were observed by the RHEED method, in the case of the substrate i, diffraction corresponding to the (111) plane of c-BN was observed, and
In the case of, only the diffraction corresponding to the cubic (111) plane having a lattice constant larger than that of c-BN was obtained. Further, it was confirmed by the Rutherford backscattering method that the surface of the BPN crystal film formed on the surfaces of the substrates i and j was a boron surface.

【0032】(II)−原料ガスの組成を変えてゆく−
基板k、l、m ;図17 もう一の方法は、原料のP/N成分を変えながらBP表
面に、B−P−Nの傾斜組成構造膜を堆積させて行く方
法である。図5の装置の真空チャンバ−内に基板を設置
したのち次のようにBP/Si基板にBPx1-x を成
長させた。 BPx1-x 成長: 原料ガス Ar、H2 、B26 、PH3 、NH3 ガス流量 B26 0.1sccm、 PH3 (初期)0.5sccm、 H2 100 sccm Ar 100 sccm (上記のガスは同時に導入する) NH3 徐徐に増加 圧力 (80Torr) 1.1×104 Pa 電極間RFパワ− 300 W 基板温度 870 K 基板RFバイアス −100 V この場合、成膜に利用した上記のガスのうち、PH3
スについては徐徐にNH3 ガスに置換していった。種々
のガス比率になった状態まで成膜を行い、3種類の基板
k、l、mを作成した。
(II) -Changing the composition of raw material gas-
Substrates k, l, m; FIG. 17 Another method is to deposit a B-P-N gradient composition structure film on the BP surface while changing the P / N component of the raw material. After placing the substrate in the vacuum chamber of the apparatus of FIG. 5, BP x N 1-x was grown on the BP / Si substrate as follows. BP x N 1-x growth: Raw material gas Ar, H 2 , B 2 H 6 , PH 3 , NH 3 gas flow rate B 2 H 6 0.1 sccm, PH 3 (initial) 0.5 sccm, H 2 100 sccm Ar 100 sccm (The above gases are introduced at the same time) NH 3 Gradually increase Pressure (80 Torr) 1.1 × 10 4 Pa RF power between electrodes 300 W Substrate temperature 870 K Substrate RF bias -100 V Used for film formation in this case Among the above gases, PH 3 gas was gradually replaced with NH 3 gas. Film formation was performed up to various gas ratios to prepare three types of substrates k, l, and m.

【0033】得られたBNあるいはB−P−N層表面に
ついてはやはり実施例2と同様、X線光電子分光法によ
り元素分析を行った。その結果、 1.基板kではB:P:N=10.0:0.1:9.7 2.基板lではB:P:N=10.0:7.8:2.1 3.基板mではB:P:N=10.0:4.8:5.0 であった。これらの膜の結晶状態をRHEED法により
観察した結果、基板kの場合にはc−BNの(111)
面に対応する回折が、また基板l及びmの場合にはc−
BNよりも格子定数の大きい立方晶系の(111)面に
属する回折のみが得られた。また、ラザフォ−ド後方散
乱法により得られたB−P−N膜の表面が硼素面である
事を確認した。
The surface of the obtained BN or B-P-N layer was subjected to elemental analysis by X-ray photoelectron spectroscopy as in Example 2. As a result, 1. For substrate k, B: P: N = 10.0: 0.1: 9.7 2. For substrate l, B: P: N = 10.0: 7.8: 2.1 3. In the substrate m, B: P: N = 10.0: 4.8: 5.0. As a result of observing the crystalline state of these films by the RHEED method, in the case of the substrate k, (111) of c-BN was obtained.
The diffraction corresponding to the plane is also c- in the case of substrates l and m.
Only the diffraction belonging to the cubic (111) plane having a lattice constant larger than that of BN was obtained. It was also confirmed that the surface of the B-P-N film obtained by the Rutherford backscattering method was a boron surface.

【0034】続いてこれらの基板を図2の有磁場マイク
ロ波プラズマCVD装置(ECRプラズマCVD装置)
の真空チャンバ−内に設置し以下の条件でダイヤモンド
を成長させた。 ダイヤモンド成長: 原料ガス CH4 、H2 ガス流量 CH4 4 sccm H2 200 sccm 圧力 10 Pa マイクロ波周波数 2.45GHz マイクロ波パワ− 500 W 磁場 875 G 成長時間 30 分 この条件でダイヤモンドを30分間成長させ、ダイヤ/
BPx1-x /BP/Si構造体を得た。得られたダイ
ヤモンドを走査型電子顕微鏡で観察した結果、総ての基
板に対して結晶方位の揃ったダイヤモンド粒子が形成さ
れていた。それぞれの基板のダイヤモンド粒子の核発生
密度を表6に示す。多数のダイヤモンド粒子の核発生が
起こっているということが分かる。
Subsequently, these substrates were attached to a magnetic field microwave plasma CVD apparatus (ECR plasma CVD apparatus) shown in FIG.
It was installed in a vacuum chamber of No. 1 and diamond was grown under the following conditions. Diamond growth: Source gas CH 4 , H 2 gas flow rate CH 4 4 sccm H 2 200 sccm pressure 10 Pa microwave frequency 2.45 GHz microwave power 500 W magnetic field 875 G growth time 30 minutes Diamond growth for 30 minutes under these conditions Let's do diamond /
Was obtained BP x N 1-x / BP / Si structure. As a result of observing the obtained diamond with a scanning electron microscope, it was found that diamond particles having a uniform crystal orientation were formed on all the substrates. Table 6 shows the nucleation density of diamond particles on each substrate. It can be seen that a large number of diamond particles are nucleated.

【0035】[0035]

【表6】 [Table 6]

【0036】[比較例3.1] 基板n 図18 比較のために上記実施例3と同じ条件で有磁場マイクロ
波プラズマCVD法により面方位(0001)の単結晶
Al23 鏡面基板上にダイヤモンドの形成を試みた。
比較例1.1(基板b)、比較例2.1(基板g)の鏡
面Si基板上の成膜と同様に極めて一部に(核発生密度
2.1×105 個cm-2)結晶方位の揃わないダイヤモ
ンドの粒子が観察されるのみで薄膜を得ることはできな
かった。
Comparative Example 3.1 Substrate n FIG. 18 For comparison, a single crystal Al 2 O 3 mirror substrate having a plane orientation of (0001) was prepared by a magnetic field microwave plasma CVD method under the same conditions as in Example 3 above. Tried to form diamond.
Similar to the film formation on the mirror-finished Si substrate in Comparative Example 1.1 (substrate b) and Comparative Example 2.1 (substrate g), a very small part (nucleus generation density 2.1 × 10 5 cm −2 ) crystals It was not possible to obtain a thin film because only diamond particles with non-uniform orientation were observed.

【0037】[比較例3.2] 基板o 図19 ダイヤモンド砥粒で傷つけ処理を施した面方位(000
1)の単結晶Al23 基板上にも上記実施例3と同じ
条件で有磁場マイクロ波プラズマCVD法によりダイヤ
モンド層の形成を試みた。この場合には核発生密度が
1.6×108 個cm-2の結晶方位の揃わないダイヤモ
ンド粒子が得られた。表4に実施例3(基板i、j、
k、l、m)と比較例3.1(基板n)、3.2(基板
o)の工程や基板の構造を略示した。
[Comparative Example 3.2] Substrate o FIG. 19 Plane orientation (000
An attempt was made to form a diamond layer on the single crystal Al 2 O 3 substrate of 1) by the magnetic field microwave plasma CVD method under the same conditions as in Example 3 above. In this case, diamond particles having a nucleus generation density of 1.6 × 10 8 cm −2 and having non-uniform crystal orientations were obtained. In Table 4, Example 3 (substrates i, j,
The processes of k, l, m) and Comparative Examples 3.1 (substrate n) and 3.2 (substrate o) and the structure of the substrate are schematically shown.

【0038】[0038]

【表4】 [Table 4]

【0039】実施例1〜3における各薄膜の形成方法を
表5にまとめた。
Table 5 shows a method of forming each thin film in Examples 1 to 3.

【0040】[0040]

【表5】 [Table 5]

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば半導体用途や超硬工具用
途などに有用な面積の大きい平滑ダイヤモンド基板もし
くは単結晶ダイヤモンド基板を大量かつ安価に製造でき
る。
According to the present invention, a large area smooth diamond substrate or single crystal diamond substrate useful for semiconductor applications, cemented carbide tools applications, etc. can be manufactured in large quantities and at low cost.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明で用いるマイクロ波プラズマCVD装置
の概略断面図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a microwave plasma CVD apparatus used in the present invention.

【図2】本発明で用いる有磁場マイクロ波プラズマCV
D装置の概略断面図。
FIG. 2 is a magnetic field microwave plasma CV used in the present invention.
FIG.

【図3】本発明で用いる熱フィラメントCVD装置の概
略断面図。
FIG. 3 is a schematic sectional view of a hot filament CVD apparatus used in the present invention.

【図4】本発明で用いるイオンプレ−ティング装置の概
略断面図。
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an ion plating device used in the present invention.

【図5】本発明で用いるRFプラズマCVD装置の概略
断面図。
FIG. 5 is a schematic sectional view of an RF plasma CVD apparatus used in the present invention.

【図6】ダイヤモンド/c−BN/BP構造を有する本
発明のダイヤモンド基板の概略断面図と各層中でのP比
率を示す図。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a diamond substrate of the present invention having a diamond / c-BN / BP structure and a diagram showing the P ratio in each layer.

【図7】ダイヤモンド/BPx1-x /BP構造を有し
中間層でx一定であるようにした本発明のダイヤモンド
基板の概略断面図と各層中でのP比率を示す図。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a diamond substrate of the present invention having a diamond / BP x N 1-x / BP structure and having a constant x in the intermediate layer, and a diagram showing the P ratio in each layer.

【図8】ダイヤモンド/BPx1-x /BP構造を有し
中間層でxが1から0まで変化するようにした本発明の
ダイヤモンド基板の概略断面図と各層中でのP比率を示
す図。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a diamond substrate of the present invention having a diamond / BP x N 1-x / BP structure in which x changes from 1 to 0 in an intermediate layer and a P ratio in each layer. Fig.

【図9】ダイヤモンド/BPx1-x /BP構造を有し
中間層でxが1から0より大きい値まで変化するように
した本発明のダイヤモンド基板の概略断面図と各層中で
のP比率を示す図。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a diamond substrate of the present invention having a diamond / BP x N 1-x / BP structure in which x varies from 1 to more than 0 in an intermediate layer and P in each layer. The figure which shows a ratio.

【図10】ダイヤモンド/c−BN/BP構造を有する
本発明の実施例1に係る基板の断面図と各層でのP比率
を示す図。
10 is a cross-sectional view of a substrate having a diamond / c-BN / BP structure according to Example 1 of the present invention and a diagram showing P ratios in respective layers. FIG.

【図11】鏡面シリコン基板の上にダイヤモンドを形成
する比較例1.1の断面図。
FIG. 11 is a cross-sectional view of Comparative Example 1.1 in which diamond is formed on a mirror-like silicon substrate.

【図12】傷付けシリコン基板の上にダイヤモンドを形
成する比較例1.2の断面図。
FIG. 12 is a sectional view of Comparative Example 1.2 in which diamond is formed on a scratched silicon substrate.

【図13】ダイヤモンド/BPx1-x /BP構造を有
する本発明の実施例2に係る基板の断面図と各層でのP
比率を示す図。
FIG. 13 is a sectional view of a substrate according to Example 2 of the present invention having a diamond / BP x N 1-x / BP structure and P in each layer.
The figure which shows a ratio.

【図14】鏡面シリコン基板の上にダイヤモンドを形成
する比較例2.1の断面図。
FIG. 14 is a cross-sectional view of Comparative Example 2.1 in which diamond is formed on a mirror-like silicon substrate.

【図15】傷付けシリコン基板の上にダイヤモンドを形
成する比較例2.2の断面図。
FIG. 15 is a cross-sectional view of Comparative Example 2.2 in which diamond is formed on a scratched silicon substrate.

【図16】ダイヤモンド/BPx1-x /BPの構造を
有し中間層でBPをNH3 によって窒化することによっ
てxを1から0近くへ変化させるようにした実施例3の
基板の断面図と各層でのP比率を示す図。
FIG. 16 is a cross section of a substrate of Example 3 having a diamond / BP x N 1-x / BP structure and adapted to change x from 1 to near 0 by nitriding BP with NH 3 in an intermediate layer. The figure and the figure which shows the P ratio in each layer.

【図17】ダイヤモンド/BPx1-x /BPの構造を
有し中間層でガス組成をPH3 からNH3 変化させこと
によってxを1から0近くへ変化させるようにした実施
例3の基板の断面図と各層でのP比率を示す図。
FIG. 17 shows that of Example 3 having a diamond / BP x N 1-x / BP structure and changing x from 1 to near 0 by changing the gas composition from PH 3 to NH 3 in the intermediate layer. FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate and a diagram showing P ratio in each layer.

【図18】鏡面アルミナ基板の上にダイヤモンドを形成
する比較例3.1の断面図。
FIG. 18 is a sectional view of comparative example 3.1 in which diamond is formed on a mirror-like alumina substrate.

【図19】傷付けアルミナ基板の上にダイヤモンドを形
成する比較例3.2の断面図。
FIG. 19 is a cross-sectional view of Comparative Example 3.2 in which diamond is formed on a scratched alumina substrate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 マイクロ波発生装置 12 マイクロ波 13 導波管 14 石英管 15 基板ホルダ 16 基板 17 ガス導入部 18 プラズマ 19 排気口 20 マイクロ波発生装置 21 マイクロ波 22 導波管 23 誘電体窓 24 真空チャンバ− 25 基板ホルダ− 26 基板 27 コイル 28 プラズマ 29 電源 30 排気口 31 真空チャンバ− 32 フィラメント 33 基板 34 基板ホルダ− 35 ガス導入部 36 排気口 37 真空容器 38 排気口 39 ガス導入口 40 イオン化電極 41 直流電源 42 基板 43 ヒ−タ 44 高周波電源 45 水冷るつぼ 46 金属ホウ素 47 電子銃 48 シャッタ− 49 フィラメント 51 真空チャンバ 52 基板 53 基板ホルダ− 54 下部電極 55 吹出口 56 ガス導入口 57 高周波電源発振器 58 ヒ−タ 59 直流電源 60 プラズマ 11 Microwave generator 12 Microwave 13 Waveguide 14 Quartz tube 15 Substrate holder 16 Substrate 17 Gas introduction part 18 Plasma 19 Exhaust port 20 Microwave generator 21 Microwave 22 Waveguide 23 Dielectric window 24 Vacuum chamber-25 Substrate holder-26 Substrate 27 Coil 28 Plasma 29 Power source 30 Exhaust port 31 Vacuum chamber-32 Filament 33 Substrate 34 Substrate holder-35 Gas introduction part 36 Exhaust port 37 Vacuum container 38 Exhaust port 39 Gas introduction port 40 Ionization electrode 41 DC power source 42 Substrate 43 Heater 44 High Frequency Power Supply 45 Water Cooling Crucible 46 Metal Boron 47 Electron Gun 48 Shutter 49 Filament 51 Vacuum Chamber 52 Substrate 53 Substrate Holder 54 Lower Electrode 55 Blowout 56 Gas Inlet 57 High Frequency Power Source Oscillator 58 Heat 59 DC power supply 60 plasma

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/205 7454−4M ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/205 7454-4M

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燐化硼素上に窒化硼素或は燐化窒化硼素
を合成した基板の上に気相成長法によってダイヤモンド
薄膜を形成する事を特徴とするダイヤモンド薄膜の製造
方法。
1. A method for producing a diamond thin film, which comprises forming a diamond thin film by a vapor phase epitaxy method on a substrate obtained by synthesizing boron nitride or boron phosphide nitride on boron phosphide.
【請求項2】 燐化硼素上においてその厚さ方向に徐々
に燐化硼素から燐化窒化硼素へ或は燐化硼素から窒化硼
素へ窒素比率を増加させるように変化させた構造を有す
る基板の上に気相成長法によってダイヤモンド薄膜を形
成する事を特徴とするダイヤモンド薄膜の製造方法。
2. A substrate having a structure in which the ratio of nitrogen is gradually increased on boron phosphide in the thickness direction thereof from boron phosphide to boron phosphide nitride or from phosphide boron to boron nitride. A method for producing a diamond thin film, which comprises forming a diamond thin film on the top by vapor phase epitaxy.
【請求項3】 燐化硼素の上に形成された窒化硼素又は
燐化窒化硼素の硼素面の上にダイヤモンドを成長させる
事を特徴とする請求項1或は請求項2に記載のダイヤモ
ンド薄膜の製造方法。
3. A diamond thin film according to claim 1, wherein diamond is grown on boron nitride formed on boron phosphide or on a boron surface of boron phosphide nitride. Production method.
【請求項4】 シリコン単結晶の上に燐化硼素を成長さ
せ、この燐化硼素上に窒化硼素或は燐化窒化硼素を合成
しさらにこの基板の上に気相成長法によってダイヤモン
ド薄膜を形成する事を特徴とするダイヤモンド薄膜の製
造方法。
4. Boron phosphide is grown on a silicon single crystal, boron nitride or boron phosphide nitride is synthesized on this boron phosphide, and a diamond thin film is formed on this substrate by vapor phase epitaxy. A method for producing a diamond thin film, which comprises:
【請求項5】 シリコン単結晶の上に燐化硼素を成長さ
せ、厚さ方向に徐々に燐化硼素から燐化窒化硼素へ或は
燐化硼素から窒化硼素へ窒素比率が増加するように変化
する燐化窒化硼素を前記燐化硼素上に合成し、さらにこ
の基板の上に気相成長法によってダイヤモンド薄膜を形
成する事を特徴とするダイヤモンド薄膜の製造方法。
5. Boron phosphide is grown on a silicon single crystal and gradually changed in the thickness direction so that the nitrogen ratio increases from boron phosphide to boron phosphide nitride or from phosphide boron to boron nitride. A method for producing a diamond thin film, which comprises synthesizing boron phosphide nitride to be formed on the boron phosphide and forming a diamond thin film on the substrate by vapor phase epitaxy.
【請求項6】 シリコン単結晶の上に燐化硼素を成長さ
せ、シリコン基板を除去し、厚さ方向に徐々に燐化硼素
から燐化窒化硼素へ或は燐化硼素から窒化硼素へ窒素比
率が増加するように変化する燐化窒化硼素を前記燐化硼
素上に合成し、燐化窒化硼素の上に気相成長法によって
ダイヤモンド薄膜を形成する事を特徴とするダイヤモン
ド薄膜の製造方法。
6. Boron phosphide is grown on a silicon single crystal, the silicon substrate is removed, and the nitrogen ratio is gradually changed from boron phosphide to boron phosphide nitride or from boron phosphide to boron nitride in the thickness direction. A method for producing a diamond thin film, which comprises synthesizing boron phosphide nitride that changes so as to increase the amount on the boron phosphide, and forming a diamond thin film on the boron phosphide nitride by vapor phase epitaxy.
【請求項7】 燐化硼素と、該燐化硼素上に成長させた
窒化硼素層或は燐化窒化硼素層と、更にその上に成長さ
せたダイヤモンド層とを有する事を特徴とするダイヤモ
ンド基板。
7. A diamond substrate having boron phosphide, a boron nitride layer or a boron phosphide nitride layer grown on the boron phosphide, and a diamond layer further grown thereon. ..
【請求項8】 燐化硼素と、該燐化硼素上に成長させ
た、厚さ方向に徐々に燐化硼素から燐化窒化硼素へ或は
燐化硼素から窒化硼素へ窒素比率が増加するように変化
する燐化窒化硼素層と、更にその上に成長させたダイヤ
モンド層とを有するうに変化するるダイヤモンド基板。
8. Boron phosphide and the nitrogen ratio grown on said boron phosphide such that the nitrogen ratio gradually increases in the thickness direction from boron phosphide to boron phosphide nitride or from boron phosphide to boron nitride. A changing diamond substrate having a layer of boron phosphide nitride changing to, and a diamond layer grown thereon.
【請求項9】 シリコン基板と、該シリコン基板の上に
成長させた燐化硼素と、該燐化硼素上に成長させた、厚
さ方向に徐々に燐化硼素から燐化窒化硼素へ或は燐化硼
素から窒化硼素へ窒素比率が増加するように変化する燐
化窒化硼素と、更にその上に成長させたダイヤモンド層
とを有する事を特徴とするダイヤモンド基板。
9. A silicon substrate, boron phosphide grown on the silicon substrate, and boron phosphide grown on the silicon phosphide gradually changing in thickness direction from boron phosphide to boron phosphide nitride or A diamond substrate comprising: a boron phosphide nitride that changes so that the nitrogen ratio increases from boron phosphide to boron nitride; and a diamond layer further grown thereon.
【請求項10】 シリコン基板と、該シリコン基板の上
に成長させた燐化硼素と、該燐化硼素上に成長させた窒
化硼素層或は燐化窒化硼素層と、更にその上に成長させ
たダイヤモンド層とを有する事を特徴とするダイヤモン
ド基板。
10. A silicon substrate, boron phosphide grown on the silicon substrate, a boron nitride layer or a boron phosphide nitride layer grown on the boron phosphide, and further grown thereon. And a diamond layer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015044700A (en) * 2013-08-27 2015-03-12 日本電信電話株式会社 Substrate for diamond growth and manufacturing method for the same, and manufacturing method for large-area single-crystal diamond thin film and self-supporting film using the same
JP2019135739A (en) * 2018-02-05 2019-08-15 東京エレクトロン株式会社 Deposition method and deposition device for boron film

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