JPH051238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ダイヤモンドの気相合成法に関する
ものである。

［従来の技術］ ダイヤモンドは、高硬度であることを利用して
古くは切削工具用途を中心に広く使用されてき
た。一方近年では、熱伝導度が大きいこと、不純
物ドーピングにより半導体として利用可能性があ
ること等に着目され、前者の特性を利用するもの
としてIC（集積回路）基板のヒートシンク（冷却
用放熱器）への適用が検討され、また後者の特性
を利用するものとして半導体素子等の電子技術分
野にも応用されるに至り、ダイヤモンドを形成す
る為の技術が急速に開発されつつある。

ダイヤモンドの合成法としては、黒鉛を炭素原
料とし、Ni、Cr、Mn等を触媒として４〜７万気
圧、1000〜2000℃の高温・高圧で行なう高圧法が
知られているが、その他気体状炭化水素を炭素原
料として低圧条件下で行なう気相合成法も開発さ
れている。気相合成法によるダイヤモンドの合成
は、高圧法と比べてダイヤモンドの結晶が小さく
なるという欠点が従来より指摘されてきたが、上
述した様な電子技術分野への応用が進められる
と、却つて薄膜の形成が容易であるという利点が
着目され、有用な技術であると位置付けられてい
る。

第２図は従来のダイヤモンド気相合成装置の典
型例を示す概略説明図であり、第３図はその要部
を示す概略説明図である。当該装置はマイクロ波
を応用した技術であり、その概略は下記の如くで
ある。

第２図において、マグネトロン発振機１から発
振されたマイクロ波（2.45GHz）は、アイソレー
タ２、パワーモニタ３、チユーナ４及び導波管５
をこの記載順序で導かれ、前記導波管５を貫通し
て設けられる石英製の反応管６内に設置された基
板７に照射される。前記基板７としてはTa、
Co、Ｗ、Mo等の金属材料が用いられる場合もあ
るが、一般的にはSiウエハが用いられ、該基板７
は石英製の支持台９によつて所定位置に配置され
ている。そして反応管６内には反応管入口１１側
から、H₂ガスとCH₄ガスを所定割合に混合（例
えばCH₄1％−H₂99％）した混合ガスが約
100SCCM（Standard Cubic Centimeters per
Minute）の流量で導入される。導入された混合
ガスは排気口１３側から所定量吸引排気され、反
応管６内は予め定めた圧力（例えば40〜50Torr）
とされる。

この様にして混合ガスが供給された反応管６内
にマイクロ波の様な振動電波（約300W）が導入
されると、高エネルギー電子によつて混合ガス成
分分子が原子・イオン・ラジカルに分解され、反
応管６内には定常的なプラズマが発生する。前記
基板７はプラズマ発生領域１４に配置されてお
り、当該基板７上には混合ガス中の炭素を原料と
してダイヤモンド結晶が析出する。そして基板７
の種類や処理条件に応じて微結晶又は薄膜等の様
に異なつた形態のダイヤモンドが得られる。

第２図に示したダイヤモンド気相合成装置にお
いて、例えば基板７としてSiウエハを用いた場合
には、上述した処理条件が基板温度が約850℃と
なり、基板７上に約0.3μｍ／時間の成長速度で結
晶性ダイヤモンドが析出する。尚第２，３図中の
参照符号１５はプランジヤーであり、基板７が正
確にプラグマ発生領域１４の中央に位置する様に
マイクロ波の反射を調整する為のものである（第
３図参照）。又参照符号２０で示されている部材
はアプリケーターであり、冷却水を供給管２１か
ら供給しつつ排出管２２から排出して反応管６が
過渡に加熱されるのを防ぐ機能を果たす。

［発明が解決しようとする問題点］ 実験室的製造手段は上述の如く一応確立されて
いるが、一方では基板７の大きさを任意に設定で
きれば、得られるダイヤモンド薄膜の応用範囲は
より広がるのではないかとの期待が持たれる。し
かしながら基板７の大きさは下記に示す理由によ
つて限定されざるを得なかつたのである。

前記第２図に示した様な従来装置では、石英製
の反応管６が導波管５を貫通した構造である為、
反応管６の大きさは導波管５の大きさによつて必
然的に決まつてしまう。即ち現在用いられている
導波管５における軸直角断面の形状は上記マイク
ロ波の波長（12cm）との関係上、一般的に11×６
（cm）の矩形状であり、従つて前記反応管６の直
径は構造上11cmより小さくする必要がある。それ
ばかりか反応管６からのマイクロ波の漏洩を防止
するといつた観点からすれば、反応管６の内径は
前記マイクロ波の半波長に相当する６cm以下に設
定する必要がある。そしてこの様な条件のもとで
プラズマを発生させると、反応管６内で生じるプ
ラズマは直径２cm×長さ５cm程度のものとなり、
この程度の大きさのプラズマによつて基板７上に
効果的にダイヤモンド薄膜を形成する為には、基
板５は精々10×10（mm）程度にしかできなかつた
のである。即ち、上記寸法よりも大きな基板７を
反応室６内に設置すると、該基板７によつて反応
室６内の電場が乱され、生じるプラズマが分裂し
てしまい、その結果基板７全体をプラズマによつ
て覆うということができなくなり、成膜速度の減
少、不均一成膜の発生又は結晶性の低下等といつ
た不都合な事態が生じる。

この様に従来の技術では、その構造的特徴及び
マイクロ波の波長等に起因して基板７の大きさは
極めて限られたものであり、従つて合成ダイヤモ
ンド薄膜の応用範囲は極めて狭いものであつた。

本発明の目的は上記趣旨から明らかな様に、マ
イクロ波の波長等によつて基板の大きさが限定さ
れることなく、比較的大きな基板であつても効果
的にダイヤモンド薄膜を形成でき、よつて合成ダ
イヤモンド薄膜の適用範囲をより拡張し得る様な
ダイヤモンドの気相合成法を提供することにあ
る。

［問題点を解決する為の手段］ 上記目的を達成し得た本発明とは、マイクロ波
の振幅方向側面に、前記マイクロ波の進行方向と
直交する方向に軸心を有する円筒型又は角筒型の
反応室を設けると共に該反応室内には反応室の軸
心と直交する面内に基板を設置し、前記マイクロ
波によつて反応室内にTM_01o（ｎ≧２の整数）の
共振モードを形成させて前記基板上にダイヤモン
ドを合成する点に要旨を有するダイヤモンドの気
相合成法である。

［作用］ 本発明は上述の如く構成されるが、要はダイヤ
モンドが気相合成されるべき反応室内に、マイク
ロ波によつてTM_01o（ｎ≧２の整数）の共振モー
ドを形成する様にした点に最大の特徴を有するも
のである。

基板上に有効にダイヤモンド薄膜を形成するに
は、プラズマ密度が基板上で最大になり且つ電場
が基板表面に対して垂直に形成される様に反応室
を設計する必要がある。本発明者らはこの様な観
点から種々検討した結果、マイクロ波によつて反
応室内にTM_01oの共振モードを形成すれば、上記
要求を満足し得るとの着想が得られた。即ち
TM_01oの共振モードにおける電界分布を見ると、
電界が円周方向に一様であり、半径方向では中心
部が最大になり周辺部で弱くなる傾向があるの
で、基板を電界分布の中央に且つ電場基板表面に
対して垂直になる様に設置すれば、基板上に一様
のダイヤモンド薄膜が得られると共に反応室内壁
によるエネルギー損失が少なくなる。更に好まし
いことには、TM_01oの共振モードを形成すること
によつて生じるプラズマの大きさは周波数等によ
つて限定されることなく、専ら反応室の大きさや
形状によつてのみ左右されるのである。従つて本
発明によれば、ダイヤモンドが合成されるべき基
板の大きさは原理的に何ら限定されるものではな
く、比較的大きな基板であつても使用することが
できる。

［実施例］ 第１図は、本発明方法を実施する為に構成され
るダイヤモンド気相合成装置の一例を示す概略説
明図である。

当該装置においても、第２図に示した従来装置
と同様に、マグネトロン発振機１、アイソレータ
２、パワーモニタ３、チユーナ４、導波管５及び
プランジヤー１５等が備えられている。

第１図に示した装置においては、導波管５の軸
心方向、従つてマイクロ波の進行方向（第１図に
おける左右方向）と直交する方向に軸心を有する
円筒型の反応室１０が、マイクロ波の振幅方向側
面（第１図においては導波管５の下方）に設けら
れている。そして当該反応室１０と前記導波管５
は、アイリス１６によつて電気力線が連通できる
様に構成されている。尚前記アイリス１６は石英
製ウインドーによつて、反応室１０内の気密性が
保たれている。

前記反応室１０は、TM₀₁₄の共振モードを形成
する場合を想定して構成されたものである。即ち
反応室１０の内部形状を第４図に模式的に示す様
に円柱状であると仮定すると、TM₀₁₄の共振モー
ドで生じる表面電流は矢印の様に形成され、仮想
線Ａ〜Ｄで示した位置（軸振方向の長さをｌとし
た場合に上からｌ／８、3l／８、5l／８、7l／８
の位置）に相当する面内では表面電流が停溜す
る。従つて第１図に示した反応室１０では、表面
電流が停溜する位置に、フランジ１８ａ〜１８ｃ
及び反応ガス導入口２４並びに排気口２５が設け
られている。このことによつて、TM₀₁₄の共振モ
ードによる表面電流の流れを妨害することが防が
れ、又TM₀₁₄の共振モード以外の共振モードが不
本意に発生することを防止する様にしている。尚
前記フランジ１８ａ〜１８ｃはTM₀₁₄の共振モー
ドを反応室１０内で有効に達成する目的で、反応
室１０内の軸心方向の長さｌを±30％程度の範囲
で伸縮自在に適宜調整する為のものである。

一方第１図に矢印電気力線の様子を示した様
に、反応室１０内では、電場は３カ所（第４図に
おける上からｌ／４、ｌ／２、3l／４の位置）で
最大となり、当該各位置に反応室１０の軸心と直
交する面内となる様に（即ち電気力線が垂直に当
たる様に）基板７ａ〜７ｃが支持台９によつて
夫々設置される。

本発明者らは、第１図に示した装置を用いて実
験を行なつた。使用した反応室１０の寸法は内径
20cm、軸心方向の長さ27.7cmであり、アイリス１
６の寸法は直径24mmとした。反応室１０内には反
応ガスとしてCH₄ガスとH₂ガスの混合ガス
（CH₄90％＋H₂1％）を反応ガス供給口２４から
供給すると共に、排気口２５から所定量排気し
て、反応室１０内の圧力を10Torr以上となる様
に調節した。基板７ａ〜７ｃとしては、３インチ
のSiウエハを用いた。そしてマグネトロン発振機
１から2.45GHzのマイクロ波を発振し、反応室１
０内にTM₀₁₄の共振モードを形成した。この際プ
ランジヤー１５を調整して、導波管５内に発生す
るマイクロ波の腹がアイリス１６の位置となる様
にし（第１図参照）、マイクロ波のエネルギーが
反応室内に最も有効に移送できる様にした。尚導
波管５内において、プランジヤー１５側から反射
して逆行してくるマイクロ波をチユーナ４によつ
て最小限に止めるのは従来技術と同様である。そ
の結果、基板７ａ〜７ｃ付近で比較的大きなプラ
ズマが発生し、基板７ａ〜７ｃ上には、いずれも
ダイヤモンド薄膜を合成することができた。

上述した実施例では、TM₀₁₄の共振モードを形
成する為の装置について示したけれども、本発明
方法を実施する為の装置は図示したものに限定さ
れず、反応室１０内に形成される共振モードに対
応させて設計変更することも可能である。従つて
設置される基板７の数も限定されず、形成する共
振モードに対応させて任意の数（例えばTM₀₁₆モ
ードであれば５）を設置することができ、第１図
に示した装置と同様の原理でダイヤモンドの気相
合成が達成される。

また第１図に示した装置では、反応室１０はフ
ランジ１８ａ〜１８ｃによつて伸縮自在な構成で
あつたけれども、表面電流や電気力線の流れから
すれば可能な限り反応室１０の内面は面一が良い
ので、マイクロ波や基板の大きさ等の条件に応じ
て希望する共振モードが達成できる長さが予め分
かれば、反応室１０を一体物として形成してもよ
いのは勿論である。

更に前記アイリス１６、反応ガス供給口２４及
び排気口２５を設ける位置も図示したものに限ら
れず、基本的な原理・原則を満足する限り、反応
室１０の適当な位置に設けることができる。即ち
アイリス１６は、マイクロ波の進行方向と反応室
１０の軸心方向とが直交する関係を満足し、反応
室１０内にTM_01o（ｎ≧２以上の整数）の共振モ
ードが形成できる位置であればよく、一方反応ガ
ス供給口２４及び排気口２５は、前記表面電流を
妨害しない位置であればよい。

尚第１図に示した反応室１０の基本的な形状は
円筒型としたけれども、TM_01oの共振モードを達
成するには反応室１０の形状が角筒形であつても
よいのは周知の通りである。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法によれば、既述の構
成を採用することによつて、比較的大きな基板上
に効果的にダイヤモンド薄膜を形成することがで
きる様になり、本発明方法の技術的意義は大きな
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する為に構成される
気相合成装置の一例を示す概略説明図、第２図は
従来のダイヤモンド気相合成装置の典型例を示す
概略説明図、第３図は第２図に示した従来装置の
要部を示す概略説明図、第４図は円筒型反応室内
に生じる表面電流の流れを模式的に示した図であ
る。 １……マグネトロン発振機、５……導波管、
７，７ａ〜７ｃ……基板、１０……反応室、１５
……プランジヤー、１６……アイリス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ マイクロ波の振幅方向側面に、前記マイクロ
   波の進行方向と直交する方向に軸心を有する円筒
   型又は角筒型の反応室を設けると共に該反応室内
   には反応室の軸心と直交する面内に基板を設置
   し、前記マイクロ波によつて反応室内にTM_01o
   （ｎ≧２の整数）の共振モードを形成させて前記
   基板上にダイヤモンドを合成することを特徴とす
   るダイヤモンドの気相合成法。