JPH05155686A - Production of carbon material - Google Patents

Production of carbon material

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JPH05155686A
JPH05155686A JP3348216A JP34821691A JPH05155686A JP H05155686 A JPH05155686 A JP H05155686A JP 3348216 A JP3348216 A JP 3348216A JP 34821691 A JP34821691 A JP 34821691A JP H05155686 A JPH05155686 A JP H05155686A
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temperature
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亨 井上
Hisashi Otani
久 大谷
Shoji Miyanaga
昭治 宮永
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Abstract

PURPOSE:To easily obtain a large-area thin film by heating prescribed raw materials under a reaction region to change the raw materials to active species, then transporting the active species to a heated film forming region and forming the film on a substrate. CONSTITUTION:The raw materials consisting of hydrocarbon halide, hydrogen, diluting gas, etc., are introduced from a gas introducing port 2 into a quartz reaction tube 1. The inside of the reaction tube 1 is then set at about 760Torr and is heated by a filament 3 to 800 to 900 deg.C to form the reaction region. The gases are passed in the region for the required time from 1 to 10sec to form the active species. After the active species are transferred to a film forming region kept at 100 to 400 deg.C, the film is formed on the substrate 4 consisting of single crystal silicon by a chemical vapor growth method, by which the objective carbon material incorporating diamond having a granular or thin-film shape is produced.

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、ダイヤモンドを含む炭
素材料またはダイヤモンド材料の作製方法に関し、特に
成膜速度向上、成膜の大面積化及び低温成膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material, and more particularly to an improvement in film formation rate, an increase in film area, and a low temperature film formation.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドは、その硬度の大きさや熱
伝導性の高さ等の魅力ある特性により、切削工具にまた
は半導体材料にという具合に、多方面に渡って非常に研
究が活発に行われている材料である。
2. Description of the Related Art Due to its attractive properties such as hardness and high thermal conductivity, diamond has been actively researched in various fields such as cutting tools or semiconductor materials. It is a material.

【0003】そしてその製法としては、現在のところ大
きく分けて2つあり、一つは高圧下において単結晶ダイ
ヤモンドを得る製法であり、他方は低圧下において気相
からダイヤモンド薄膜を成膜する方法である。
At present, there are roughly two manufacturing methods, one is a method for obtaining a single crystal diamond under high pressure, and the other is a method for forming a diamond thin film from a vapor phase under low pressure. is there.

【0004】その中でも、化学的気相成長法を用いてダ
イヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形
成する方法としては熱フィラメントCVD(化学的気相
成長)法が最もよく利用されている。該方法とは、例え
ば図1に示すように石英反応管1に反応性ガスをガス導
入口2より流入し金属タングステン(またはタンタル)
製フィラメント3に電流を流し該フィラメントを1500℃
〜3000℃に加熱し、熱電子を放出させることによって基
板4を 400℃〜1300℃に加熱する。それと同時に、前記
反応性ガスを接触加熱により熱分解し、基板上にダイヤ
モンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形成す
る方法である。この時、反応容器内の圧力は 1〜350Tor
rに維持されている。それゆえ、熱フィラメントCVD
法は安価で手軽に行うことができる方法である。
Among them, the hot filament CVD (chemical vapor deposition) method is most widely used as a method for forming a carbon material containing diamond or a diamond material by using the chemical vapor deposition method. The method is, for example, as shown in FIG. 1, a reactive gas is introduced into a quartz reaction tube 1 through a gas inlet 2 and metal tungsten (or tantalum) is supplied.
An electric current is applied to the filament 3 to make the filament 1500 ° C.
The substrate 4 is heated to 400 ° C. to 1300 ° C. by heating to ˜3000 ° C. and emitting thermoelectrons. At the same time, the reactive gas is thermally decomposed by contact heating to form a carbon material containing diamond or a diamond material on the substrate. At this time, the pressure in the reaction vessel is 1 to 350 Tor.
maintained at r. Therefore, hot filament CVD
The method is an inexpensive and easy method.

【0005】他のダイヤモンドを含む炭素材料またはダ
イヤモンド材料形成方法として、マイクロ波プラズマC
VD法がある。該方法とは、例えば図2に示すようにマ
イクロ波導波管6の一部に石英反応管1を挿入し該石英
反応管の上部から、反応ガスを導入し、下部から真空排
気を行う。マイクロ波の発振周波数は2.45GHzが最も
よく用いられている。反応容器の圧力は10〜200Torr に
保たれている。
As another carbon material containing diamond or a method for forming a diamond material, microwave plasma C is used.
There is a VD method. In this method, as shown in FIG. 2, for example, a quartz reaction tube 1 is inserted into a part of a microwave waveguide 6, a reaction gas is introduced from the upper portion of the quartz reaction tube, and vacuum exhaust is performed from the lower portion. 2.45 GHz is the most commonly used microwave oscillation frequency. The pressure in the reaction vessel is maintained at 10 to 200 Torr.

【0006】マイクロ波と磁界の相互作用を利用してダ
イヤモンドを含む炭素材料およびダイヤモンド材料を形
成する方法としては反応圧力が 0.1Torrより高い場合に
起こる現象であるMCR( Mixed Cyclotron Resonanc
e)を用いる有磁場マイクロ波プラズマCVD法と、反
応圧力が 0.1Torr以下と非常に低い場合に起こる現象で
あるECR(Electron Cyclotron Resonance)を用いる
ECRプラズマCVD法とがある。
As a method of forming a carbon material containing diamond and a diamond material by utilizing the interaction between a microwave and a magnetic field, MCR (Mixed Cyclotron Resonanc) is a phenomenon that occurs when the reaction pressure is higher than 0.1 Torr.
There is a magnetic field microwave plasma CVD method using e) and an ECR plasma CVD method using ECR (Electron Cyclotron Resonance) which is a phenomenon that occurs when the reaction pressure is as low as 0.1 Torr or less.

【0007】有磁場マイクロ波プラズマCVD法で使用
する装置の概略図を図3に示す。磁場コイル7による磁
界とマイクロ波導波管6から反応室に導入されたマイク
ロ波の相互作用を利用してガス導入口2より流入される
反応性ガスを効率よく励起し、基板4上にダイヤモンド
を含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形成する。基
板4は基板保持板を加熱することにより外部コントロー
ルされている。また、浮遊電界8を基板4に加えること
もできる。反応ガスとしてはメタン、一酸化炭素、エチ
レン、メタノール、エタノールなどの通常において気体
または液体の炭化水素を水素で希釈したガスが用いられ
ている。また、水、二酸化炭素、酸素を少量添加したガ
スも用いられている。
FIG. 3 shows a schematic view of an apparatus used in the magnetic field microwave plasma CVD method. Utilizing the interaction between the magnetic field generated by the magnetic field coil 7 and the microwave introduced from the microwave waveguide 6 into the reaction chamber, the reactive gas introduced from the gas introduction port 2 is efficiently excited and diamond is deposited on the substrate 4. A carbon material or a diamond material containing is formed. The substrate 4 is externally controlled by heating the substrate holding plate. The stray electric field 8 can also be applied to the substrate 4. As the reaction gas, a gas such as methane, carbon monoxide, ethylene, methanol or ethanol, which is usually a gas or liquid hydrocarbon diluted with hydrogen, is used. Moreover, a gas to which a small amount of water, carbon dioxide, or oxygen is added is also used.

【0008】ECRプラズマCVD法で使用する装置の
形状は有磁場マイクロ波CVD装置とほぼ同じである
が、反応圧力が 0.1Torr以下と非常に低いためにプラズ
マが有磁場マイクロ波CVD法より広がり大面積成膜が
可能になっている。そのため、ほとんどのECRプラズ
マCVD装置が図4に示してあるようにデポダウン形式
である。図3のような有磁場マイクロ波CVD装置では
反応室の質量および操作性の問題から必然的に大面積に
成膜するのは非常に効率が悪い。一般には反応ガスをガ
ス導入口2より流入するが、希釈ガスをガス導入口2よ
り、原料ガスをガス導入口9またはガス導入口10より流
入する方法も用いられている。希釈ガスとしては水素が
用いられ、原料ガスとして通常は気体で存在しているメ
タン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素などが用い
られ、極稀に通常は液体で存在しているメタノール、エ
タノール、アセトンなどが用いられている。基板保持台
を回転させることによって基板4上のダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料の膜厚および膜質の
均一性を向上させることを行うこともある。
The shape of the apparatus used in the ECR plasma CVD method is almost the same as that of the magnetic field microwave CVD apparatus, but since the reaction pressure is as low as 0.1 Torr or less, the plasma spreads wider than the magnetic field microwave CVD method. Area film formation is possible. Therefore, most ECR plasma CVD apparatuses are of the depot down type, as shown in FIG. In the magnetic field microwave CVD apparatus as shown in FIG. 3, it is very inefficient to form a film over a large area inevitably due to the problems of mass and operability of the reaction chamber. Generally, the reaction gas is introduced through the gas introduction port 2, but a method in which the diluent gas is introduced through the gas introduction port 2 and the source gas is introduced through the gas introduction port 9 or the gas introduction port 10 is also used. Hydrogen is used as the diluent gas, and methane, acetylene, carbon monoxide, carbon dioxide, and the like, which are usually present as a gas, are used as the raw material gas, and methanol, ethanol, which is very rarely present as a liquid, are used. Acetone or the like is used. The uniformity of the film thickness and film quality of the carbon material containing diamond or the diamond material on the substrate 4 may be improved by rotating the substrate holder.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在行
われている方法には数多くの問題点がある。
However, there are a number of problems with the presently practiced methods.

【0010】例えば熱フィラメントCVDにおいては、
フィラメント材料の蒸気圧が必然的に高くなるため成膜
した膜を汚染する可能性が高い。また、フィラメントの
寿命が短いため、交換の頻度が高くならざるをえないと
共に、経時変化やバッチ毎の均一性、再現性に乏しいと
いう欠点も有する。
For example, in hot filament CVD,
Since the vapor pressure of the filament material is inevitably high, there is a high possibility of contaminating the formed film. Further, since the life of the filament is short, it is inevitable that the filament will be replaced frequently, and there is a drawback that it is poor in temporal change, uniformity in each batch, and reproducibility.

【0011】他方、前述のプラズマCVDによる成膜に
関しては、大面積を均一に成膜することが、大型のプラ
ズマを均一に発生することに直結するため本質的に困難
であり、成膜速度も有磁場マイクロ波CVD法で1μm
/hr以下、ECRプラズマCVD法においては 0.3μ
m/hr以下と低いという決定的な欠点も有する。
On the other hand, regarding the film formation by the above-mentioned plasma CVD, it is essentially difficult to form a large-area film uniformly because it is directly connected to the uniform generation of a large-sized plasma, and the film forming rate is also high. 1 μm by magnetic field microwave CVD method
/ Hr or less, 0.3μ in ECR plasma CVD method
It also has a decisive drawback of being as low as m / hr or less.

【0012】これらの問題点をまとめると、従来の様な
真空プロセスにおいては反応性ガス濃度が低くなるため
に、必然的に成膜速度は低下する。そこで、比較的低真
空、望ましくは常圧プロセスでダイヤモンドを含む炭素
材料またはダイヤモンド材料の薄膜を成膜が可能であれ
ば良いのであるが、従来のメタン系及びメタノール系に
おいては不可能であった。確かにプラズマジェットによ
る溶射という方法も常圧プロセスとして存在するが、膜
質や均一性等から考えて問題外と言わざるを得ない。
Summarizing these problems, in the conventional vacuum process, the reactive gas concentration becomes low, so that the film formation rate inevitably decreases. Therefore, it would be sufficient if a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material can be formed by a relatively low vacuum, preferably an atmospheric pressure process, but it was not possible in a conventional methane system and methanol system. .. Certainly, a method of thermal spraying using a plasma jet also exists as an atmospheric pressure process, but it must be said that it is out of the problem considering the film quality and uniformity.

【0013】また、上記の成膜速度の問題以外にも、成
膜温度の低温化も従来は達成されていなかった。このこ
とが克服されれば、低融点金属などの熱に弱い物質上に
低温においてダイヤモンドを含む炭素材料またはダイヤ
モンド材料を作製することが可能となり、現在はスロー
アウェイチップ等のみである用途が更に広がることが予
想され産業上大きなメリットがある。また、高温におけ
る成膜では試料を取り出した際の冷却によるダイヤモン
ドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料の剥離が発生
しやすく、この現象を防ぐ意味でも重要である。
Further, in addition to the above-mentioned problem of the film forming rate, the lowering of the film forming temperature has not been conventionally achieved. If this is overcome, it becomes possible to fabricate a carbon material containing diamond or a diamond material at a low temperature on a heat-sensitive substance such as a low-melting point metal, which further expands the applications currently only for throw-away chips. It is expected that there will be a great industrial advantage. Further, in film formation at a high temperature, peeling of a carbon material containing diamond or a diamond material is likely to occur due to cooling when a sample is taken out, which is also important in preventing this phenomenon.

【0014】[0014]

【問題を解決するための手段】前述の様に、問題を解決
するためには低真空、望ましくは常圧プロセスでダイヤ
モンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料の薄膜を
成膜が可能な方法を開発する必要があり、それと同時に
成膜の低温化を可能足らしめるためには、従来のメタン
系及びメタノール系等に代わる原料(反応性ガス)から
考える必要があった。
As described above, in order to solve the problem, a method capable of forming a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material in a low vacuum, preferably atmospheric pressure process is developed. At the same time, in order to make it possible to lower the temperature of the film formation at the same time, it was necessary to consider a raw material (reactive gas) instead of the conventional methane-based or methanol-based.

【0015】最近、ライス大のパターソンらが、CF4
と水素あるいはCS2 とフッ素等の原料気体を使用した
場合において、従来のメタン系よりも低温化等が可能で
あることを報告している。彼らは、固体炭素形成に関す
る簡単な熱力学的考察から、固体炭素の形成と安定性を
議論している。具体的には、固体炭素形成の際、原料か
ら側鎖等を全て取り去る時の自由エネルギーの変化をみ
ているのであるが、1000℃において、自由エネルギーの
変化を比較したところ、メタン単独のそれは−4.5KJ/mo
l にしか過ぎないのに対し、CF4 と水素から固体炭素
を作る際のそれは−340.0KJ/mol と桁違いに大きく、そ
れゆえに彼らは、ダイヤモンドの成膜が容易に行われる
可能性があるという。
[0015] Recently, Rice University of Patterson et al., CF 4
It has been reported that the use of a raw material gas such as hydrogen or CS 2 and fluorine can lower the temperature compared to the conventional methane system. They discuss solid carbon formation and stability from a simple thermodynamic study of solid carbon formation. Specifically, when forming solid carbon, we are looking at the change in free energy when all side chains are removed from the raw material.When we compare the change in free energy at 1000 ° C, that of methane alone is − 4.5KJ / mo
While it is only l, it is an order of magnitude larger than -340.0 KJ / mol when solid carbon is made from CF 4 and hydrogen, and therefore they are likely to form diamond film easily. That.

【0016】しかしながら、彼らの考察においては、活
性化エネルギーの考慮が全く欠けており、自由エネルギ
ーだけでは反応性を議論することは不十分である。ま
た、同様にグラファイトも形成されるのだが、それに関
する考察が安易であり、彼らのモデル化は不十分であっ
た。しかしながら、我々が考えていたモデルと比較的近
い内容であるため、興味深い内容ではある。
However, in their consideration, the activation energy is not taken into consideration at all, and it is insufficient to discuss the reactivity only by the free energy. Graphite is also formed in the same way, but its consideration was easy and their modeling was insufficient. However, it is interesting because it is relatively close to the model we were thinking of.

【0017】ここで、我々のモデルをより詳細に述べる
こととする。我々が注目したのは、分子の対称性が低
く、ダイポールモーメントを有する分子であって、その
中でもハロゲン化炭化水素である。ダイポールモーメン
トを有するのは、電荷の偏りが生じていた方が、より反
応性に富むという理由による。また、ハロゲンを有する
のは、これらが電気陰性度から考えて、ダイポールモー
メントを大きくするのに有利に働くと考えられること
と、水素によって引き抜かれた際に生成するハロゲン化
水素、例えばHFの安定性が高い為、自由エネルギーか
ら考えて有利であろうという予想からであった。
Let us now describe our model in more detail. We focused on molecules with low molecular symmetry and dipole moments, among which halogenated hydrocarbons. The reason for having a dipole moment is that the charge is more reactive when the charge is biased. In addition, having halogens is considered to be advantageous in increasing the dipole moment in view of electronegativity, and the stability of hydrogen halides, such as HF, generated when hydrogen is extracted. Because it is highly probable, it was expected from the viewpoint of free energy.

【0018】我々のモデルに従って原料を選び、成膜し
てみたところダイヤモンドが成膜され、パターソンが良
いといっているCF4 で追試実験をしてみたところダイ
ヤモンドは確認されなかったのである。
When a raw material was selected according to our model and a film was formed, a diamond film was formed, and when a follow-up experiment was conducted with CF 4 , which is said to have a good Patterson, no diamond was confirmed.

【0019】 即ち具体的にはCHF3 ,CH2 2
のダイポールモーメントを有するハロゲン化炭化水素と
水素、または必要に応じて不活性ガスを添加したガスを
原料ガスとして用いた低真空(数百Torr)望ましくは常
圧における熱CVDにおいて、比較的高速でダイヤモン
ド含む炭素材料またはダイヤモンド材料からなる薄膜を
成膜することが可能であることを見いだすに至ったので
ある。
[0019] That is, specifically, a low vacuum (several hundred Torr) using a halogenated hydrocarbon and hydrogen having a dipole moment such as CHF 3 , CH 2 F 2 or the like, or a gas to which an inert gas is added as necessary as a raw material gas. It has been found that it is possible to form a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material at a relatively high speed, preferably by thermal CVD under normal pressure.

【0020】また、前記熱CVDにおいて、材料ガスの
反応領域と、基板上への成膜領域とを分け、それぞれの
温度を独立に制御すると共に、前記反応領域で発生した
プリカーサーが効率よく基板上に到達すべくガスの流れ
を制御することにより、基板温度が100 〜400 ℃と比較
的低温においてもダイヤモンド含む炭素材料またはダイ
ヤモンド材料からなる薄膜を成膜することが可能である
こと、即ち低温化が可能であることも見いだしたのであ
る。
Further, in the thermal CVD, the reaction region of the material gas and the film formation region on the substrate are separated, the respective temperatures are independently controlled, and the precursor generated in the reaction region is efficiently generated on the substrate. It is possible to form a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material even at a relatively low substrate temperature of 100 to 400 ° C by controlling the gas flow to reach We also found that is possible.

【0021】そして忘れてはならないのは、本発明の方
法でダイヤモンド薄膜を作製する際には、副生成物とし
てフッ化水素等のハロゲン化水素が発生するため、これ
らと高温で接触するチャンバー部分には従来の半導体等
で使用された石英やステンレスを使用することが実質的
には困難であることである。そこで、チャンバーの材料
として、フッ化水素等と比較的反応性が低く、かつ高温
における構造用材料として機能する材料、具体的にはア
ルミナ、サファイア、SiC、等のセラミック材料及び
モネル等の耐酸化性金属材料を使用した。この中でも、
SiCに関しては、焼結体の上からCVDコーティング
した材料を用いたところ、出来上がった膜中の不純物の
濃度が低く、非常に優れていた。
It should be remembered that when a diamond thin film is produced by the method of the present invention, a hydrogen halide such as hydrogen fluoride is generated as a by-product, so that the chamber portion that comes into contact with these at a high temperature. It is practically difficult to use quartz or stainless steel used in conventional semiconductors and the like. Therefore, as a material of the chamber, a material having relatively low reactivity with hydrogen fluoride and the like and functioning as a structural material at a high temperature, specifically, a ceramic material such as alumina, sapphire, or SiC, and an oxidation resistant material such as monel. A metallic material was used. Among these,
Regarding SiC, when a material obtained by performing CVD coating on the sintered body was used, the concentration of impurities in the finished film was low and it was very excellent.

【0022】以下に実施例を示してより詳細に本発明を
説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.

【実施例】【Example】

「実施例1」まず第一ステップとして、パターソンらの
モデルに従ってCF4 +水素系で、熱CVDを試みるこ
とにした。成膜の条件は、チャンバー内圧力が760torr
、CF4 濃度が1 〜5 %、材料ガスの反応領域におけ
る温度が880 ℃、前述の反応領域をガスが通過する際の
所要時間が約1 〜10秒、成膜領域の基板温度が300 〜40
0 ℃、成膜時間が8時間という条件で行った。また、チ
ャンバーの材質はモネル400 を使用した。実は、これら
のパラメーターは、ライス大のパターソンらの実験の際
のパラメータに準拠したものであった。
Example 1 First, as the first step, it was decided to try thermal CVD with CF 4 + hydrogen system according to the model of Patterson et al. The film formation condition is that the chamber pressure is 760 torr.
, The CF 4 concentration is 1 to 5%, the temperature in the reaction region of the material gas is 880 ° C., the time required for the gas to pass through the reaction region is about 1 to 10 seconds, and the substrate temperature in the film formation region is 300 to 40
The film formation was performed under conditions of 0 ° C. and a film formation time of 8 hours. The chamber material used was Monel 400. In fact, these parameters were in accordance with the experimental parameters of Rice-Patterson et al.

【0023】今回の実験に用いた実験装置の構成を図5
に示す。基本的には、電気炉を加熱源としたホットウォ
ール型の熱CVDであり、電気炉の温度及び、電気炉に
挿入されたチャンバーの長さを変更することにより、反
応領域における温度及び通過に要する時間を調節するこ
とが可能である。また、温度勾配については、断熱材の
有無及び冷却用ファンの設置等によって調節を行い、88
0 ℃〜室温までリニアとなるように調節して実験を行っ
た。
The configuration of the experimental apparatus used in this experiment is shown in FIG.
Shown in. Basically, it is a hot wall type thermal CVD using an electric furnace as a heating source, and by changing the temperature of the electric furnace and the length of the chamber inserted in the electric furnace, the temperature and the passage in the reaction region can be controlled. It is possible to adjust the time required. The temperature gradient is adjusted by adjusting the presence or absence of heat insulating materials and installing a cooling fan.
The experiment was conducted by adjusting the temperature to be linear from 0 ° C to room temperature.

【0024】まず、チャンバー内の、400 〜200 ℃に相
当する部分に、チャンバーと同様のモネル400 からなる
基板を設置し、その後、チャンバー内を少なくとも10-3
torr以下まで真空に引いた。尚、基板は念のためにダイ
ヤモンドパウダーによる傷つけ処理を行った。
First, a substrate made of Monel 400, which is similar to the chamber, is placed in a portion of the chamber corresponding to 400 to 200 ° C., and thereafter, the inside of the chamber is at least 10 −3.
The vacuum was pulled to below torr. The substrate was scratched with diamond powder just in case.

【0025】チャンバー内が十分に真空になった後、電
気炉の温度を昇温し、定常状態になったところで反応ガ
スを導入し、成膜を行った。成膜中の温度は、図6に示
す様な、チャンバー内の構造により、インサイチュウで
測定可能であり、其故に基板温度も正確に把握すること
ができた。
After the inside of the chamber was sufficiently evacuated, the temperature of the electric furnace was raised, and when a steady state was reached, a reaction gas was introduced to form a film. The temperature during the film formation can be measured in situ by the structure inside the chamber as shown in FIG. 6, and therefore the substrate temperature could be accurately grasped.

【0026】8時間の成膜終了後、反応ガスを止め、十
分に真空引き(少なくとも10-3torr以下)を行った後、
試料を取り出した。勿論基板温度が高い際に大気に暴露
すると酸化されてしまうので注意が必要である。
After completion of film formation for 8 hours, the reaction gas was stopped, and after sufficiently evacuation (at least 10 −3 torr or less),
The sample was removed. Of course, it is necessary to be careful because it will be oxidized if exposed to the atmosphere when the substrate temperature is high.

【0027】成膜後の膜について、ラマン分光測定、及
びXRD の測定を行った。しかしながら残念にもダイヤモ
ンドに起因すると思われるピークは確認されなかった。
その後、パラメータを各種変更し、成膜時間も最長40時
間まで延長してみたが結果は同様であった。
Raman spectroscopic measurement and XRD measurement were performed on the film after film formation. However, unfortunately, no peak that could be attributed to diamond was confirmed.
After that, various parameters were changed and the film formation time was extended up to 40 hours, but the result was the same.

【0028】次いで、我々のモデルに従い、ダイポール
モーメントが大きなハロゲン化炭化水素としてCHF3
及び水素に原料を変更し、同様の実験を行った。上述の
実験は、単なる追試実験であった為、モネル基板を使用
したが、我々は半導体プロセスへの応用を考えており、
今回はノーマルに基板材料として利用されている、単結
晶シリコンウェハーをカットしたものを使用した。
Then, according to our model, CHF 3 was obtained as a halogenated hydrocarbon having a large dipole moment.
And the same experiment was conducted by changing the raw material to hydrogen. Since the above experiment was just a follow-up experiment, we used a Monel substrate, but we are considering application to a semiconductor process,
This time, we used a cut single crystal silicon wafer, which is normally used as a substrate material.

【0029】まず、チャンバー内の、400 〜200 ℃に相
当する部分に単結晶シリコンからなる基板を設置し、そ
の後、チャンバー内を少なくとも10-3torr以下まで真空
に引いた。尚、今回も基板は念のためにダイヤモンドパ
ウダーによる傷つけ処理を行った。その他の条件は、前
述の方法と全く同様である。
First, a substrate made of single crystal silicon was placed in a portion of the chamber corresponding to 400 to 200 ° C., and then the chamber was evacuated to at least 10 −3 torr or less. In this case, the substrate was also scratched with diamond powder just in case. Other conditions are exactly the same as the above-mentioned method.

【0030】成膜終了後、基板を取り出してラマン分光
測定を行って見たところ、基板温度が高い部分は、全て
不定型炭素に起因すると見られるピークであったが、20
0 〜300 ℃の部分については、1550cm-1付近にアモルフ
ァス状炭素材料のブロードなピークが存在しているが、
1332cm-1にダイヤモンドの鋭いピークを確認することが
できた。レーザー出力の変更等を行っても、ピーク位置
がずれないことを確認し、このピークがダイヤモンドで
あると同定した。すなわち、ダイヤモンド材料を含む炭
素膜が成膜されたと考えても良い。ラマン分光の感度は
アモルファス状炭素に対しては鋭い感度をもっているが
ダイヤモンドに対してはそれほどの感度はもっていない
こともピーク強度の差になってあらわれていると考えら
れる。
After the film formation was completed, the substrate was taken out and subjected to Raman spectroscopic measurement. As a result, the peak at the portion where the substrate temperature was high was thought to be attributable to the amorphous carbon.
Regarding the part of 0 to 300 ℃, a broad peak of the amorphous carbon material exists near 1550 cm -1 ,
A sharp peak of diamond could be confirmed at 1332 cm -1 . Even if the laser output was changed, it was confirmed that the peak position did not shift, and this peak was identified as diamond. That is, it may be considered that a carbon film containing a diamond material is formed. The sensitivity of Raman spectroscopy is sharp for amorphous carbon but not so much for diamond, which is considered to be caused by the difference in peak intensity.

【0031】パターソンの理論によれば、CF4 はCH
3よりもダイヤモンドを作製し易いはずであり、今回
の実験結果と矛盾する。すなわち、パターソンらの理論
は不十分であり、我々のモデルの方がより正しかったこ
とが確認されたわけである
According to Patterson's theory, CF 4 is CH
It should be easier to make diamond than F 3, which contradicts the experimental results of this time. That is, it was confirmed that the theory of Patterson et al. Was insufficient and that our model was more correct.

【0032】『実施例2』本実験においては、実施例1
を更にプロセスを最適化した例を示す。即ち、原料は全
く同一のCHF3 と水素であり、CHF3 の濃度を低く
するためにヘリウムを加えている。各パラメータは、C
HF3 濃度が1 〜0.25%、材料ガスの反応領域における
温度が840 ℃、前述の反応領域をガスが通過する際の所
要時間が約1 〜5 秒、成膜領域の基板温度が100 〜350
℃、成膜時間が8時間という条件で行った。実験に使用
した装置及び実験方法等は実施例1と同様である。
Example 2 In this experiment, Example 1 was used.
An example in which the process is further optimized is shown below. That is, the raw materials are exactly the same CHF 3 and hydrogen, and helium is added to reduce the concentration of CHF 3 . Each parameter is C
The HF 3 concentration is 1 to 0.25%, the temperature in the reaction region of the material gas is 840 ° C., the time required for the gas to pass through the reaction region is about 1 to 5 seconds, and the substrate temperature in the film formation region is 100 to 350.
The film formation was carried out under the conditions that the film formation time was 8 ° C. The apparatus used in the experiment, the experiment method, and the like are the same as in Example 1.

【0033】まず、CHF3 濃度が1%の際に得られた
ラマン分光の結果を図7に示す。尚、これは基板温度約
130 ℃という非常に低温部分に成膜されたものである。
はっきりとダイヤモンドに起因するピークが確認されて
いるが、それ以外のピークも数多く確認されている。こ
れらは、従来のメタン系でも確認された不定型炭素ある
いは炭素のポリマーに起因するピークと考えられ、原料
ガスが適正濃度より高いときに多く確認されるケースが
多い。そこで、更に濃度を下げ、CHF3 濃度0.25%に
おけるラマン分光の結果を図8に示す。CHF3 濃度以
外の成膜条件は全く同一である。この結果より、明らか
にダイヤモンドが成膜されていることが確認された。デ
ポレートは約1μm/hr以上で、材料ガスの反応領域
における温度が880 ℃°C であった実施例1よりも明ら
かに増大しており、成膜機構を考える上で非常に興味深
かった。又、膜の均一性は非常に高かった。
First, FIG. 7 shows the results of Raman spectroscopy obtained when the CHF 3 concentration was 1%. This is the substrate temperature
It was formed at a very low temperature of 130 ° C.
Clearly, the peaks caused by diamond are confirmed, but many other peaks are also confirmed. It is considered that these are peaks caused by amorphous carbon or carbon polymer, which has been confirmed even in the conventional methane system, and are often confirmed when the source gas is higher than the proper concentration. Therefore, the concentration is further reduced and the result of Raman spectroscopy at a CHF 3 concentration of 0.25% is shown in FIG. The film forming conditions other than the CHF 3 concentration are exactly the same. From this result, it was confirmed that diamond was clearly formed. The deposition rate was about 1 μm / hr or more, which was significantly higher than that in Example 1 in which the temperature in the reaction region of the material gas was 880 ° C., which was very interesting in considering the film formation mechanism. Also, the uniformity of the film was very high.

【0034】『実施例3』本実験においては、実施例2
のプロセスにおいて、原料を変更した例を示す。即ち、
原料としてCH3 Fと水素であり、希釈のためにヘリウ
ムを加えた。各パラメータは、CH3 F濃度が0.25%、
材料ガスの反応領域における温度が840 ℃、前述の反応
領域をガスが通過する際の所要時間が約1 〜5 秒、成膜
領域の基板温度が100 〜350 ℃、成膜時間が8時間とい
う条件で行った。実験に使用した装置及び実験方法等は
実施例2と同様である。
[Embodiment 3] In this experiment, Embodiment 2 is used.
An example in which the raw materials are changed in the above process is shown. That is,
CH 3 F and hydrogen were used as raw materials, and helium was added for dilution. Each parameter has a CH 3 F concentration of 0.25%,
The temperature of the material gas in the reaction region is 840 ° C, the time required for the gas to pass through the reaction region is about 1 to 5 seconds, the substrate temperature in the film forming region is 100 to 350 ° C, and the film forming time is 8 hours. I went under the conditions. The apparatus used in the experiment, the experiment method, and the like are the same as in Example 2.

【0035】得られた薄膜について、ラマン分光で測定
したところ、非常にはっきりとダイヤモンドに起因する
ピークが確認された。しかしながら膜厚に関しては、C
HF3 濃度0.25%の結果よりも明らかに薄く、デポレー
トが低下していることが確認された。
When the obtained thin film was measured by Raman spectroscopy, a peak due to diamond was confirmed very clearly. However, regarding the film thickness, C
It was confirmed that the HF 3 concentration was 0.25%, which was clearly thinner than the result, and the deposition rate was lowered.

【0036】『実施例4』本実験においては、実施例2
のプロセスにおいて、原料を変更した例を示す。即ち、
原料としてCHCl3 と水素であり、希釈のためにヘリ
ウムを加えた。実施例1〜3においては原料は全て常温
で気体であった為問題なかったのであるが、今回の原料
は常温で液体であるため、ベーパーソースを用いて実験
を行った。また、成膜の際に必然的に塩化水素が発生す
るため、チャンバーをモネル管からアルミナ管に変更し
た。各パラメータは、CHCl3 濃度が0.25%、材料ガ
スの反応領域における温度が820 ℃、前述の反応領域を
ガスが通過する際の所要時間が約1 〜5 秒、成膜領域の
基板温度が100 〜350 ℃、成膜時間が8時間という条件
で行った。実験に使用した装置及び実験方法等は、上述
の変更点を除いては実施例2と同様である。実験に先立
って、チャンバー内に傷つけ処理を行ったシリコン基板
を設置し、その後チャンバー内が十分に真空になった
後、電気炉の温度を昇温し、定常状態になったところで
反応ガスを導入し、成膜を行った。尚、減圧状態でベイ
パーソースと接続すると、一時的にCHCl3濃度が高
くなってしまうという問題が生じたため、まずは水素と
ヘリウムでチャンバー内を760torrにした後にCHCl
3 を導入して成膜を行った。
Example 4 In this experiment, Example 2 was used.
An example in which the raw materials are changed in the above process is shown. That is,
CHCl 3 and hydrogen were used as raw materials, and helium was added for dilution. In Examples 1 to 3, there was no problem because all the raw materials were gases at room temperature, but since the raw materials this time were liquid at room temperature, experiments were conducted using a vapor sauce. Also, since hydrogen chloride is inevitably generated during film formation, the chamber was changed from a monel tube to an alumina tube. The parameters are as follows: CHCl 3 concentration is 0.25%, temperature in material gas reaction region is 820 ° C., time required for gas to pass through the reaction region is about 1 to 5 seconds, and film formation region substrate temperature is 100. It was carried out under the conditions that the film formation time is 8 hours at 350 ° C. The apparatus used for the experiment, the experiment method, and the like are the same as in Example 2 except for the above-mentioned changes. Prior to the experiment, a scratched silicon substrate was placed in the chamber, and after the chamber was sufficiently evacuated, the temperature of the electric furnace was raised and the reaction gas was introduced when it reached a steady state. Then, a film was formed. When connecting to a vapor source in a depressurized state, there was a problem that the concentration of CHCl 3 temporarily increased, so first set the chamber to 760 torr with hydrogen and helium, and then CHCl 3.
3 was introduced to form a film.

【0037】本実施例により得られた薄膜について、ラ
マン分光で測定したところ、非常にはっきりとダイヤモ
ンドに起因するピークが確認された。しかも膜厚に関し
ては、CHF3 濃度0.25%の結果よりも明らかに厚く、
デポレートが上昇していることが確認された。
When the thin film obtained in this example was measured by Raman spectroscopy, a very distinct peak due to diamond was confirmed. Moreover, regarding the film thickness, it is clearly thicker than the result of CHF 3 concentration of 0.25%,
It was confirmed that the deposit rate was rising.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によって、低真空あるいは常圧プ
ロセスでダイヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモン
ド材料の薄膜の成膜が可能となった。その方法も、最も
コンベンショナルな熱CVDで成膜することが可能であ
り、そのためにプラズマCVD等とは異なりガスの流れ
だけを考慮すれば大面積化も容易である。また、デポレ
ートも、我々の実験において約1μm/hr以上と有磁
場プラズマCVD等よりは高い値を得ており、パラメー
タの最適化を図ることにより更なる高いデポレートも可
能であろう。
According to the present invention, it is possible to form a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material by a low vacuum or normal pressure process. Also in that method, it is possible to form a film by the most conventional thermal CVD. Therefore, unlike plasma CVD or the like, it is easy to increase the area by considering only the gas flow. In addition, the deposition rate obtained in our experiments is about 1 μm / hr or more, which is higher than that in the magnetic field plasma CVD, and it is possible to further increase the deposition rate by optimizing the parameters.

【0039】また、前記熱CVDにおいて、材料ガスの
反応領域と、基板上への成膜領域とを分け、それぞれの
温度を独立に制御すると共に、前記反応領域で発生した
プリカーサーが効率よく基板上に到達すべくガスの流れ
を制御することにより、基板温度が100 〜400 ℃と比較
的低温においてもダイヤモンドを含む炭素材料またはダ
イヤモンド材料からなる薄膜を成膜することが可能に、
即ち低温化が可能となった。このことによって、従来は
不可能と思われた材料、例えばプラスチックの様に高温
プロセスに耐えられず、従来の方法ではアモルファスカ
ーボン等しか成膜できなかった物にまでダイヤモンドが
成膜可能となり、新しい用途が可能となる。
Further, in the thermal CVD, the reaction region of the material gas and the film formation region on the substrate are separated, the respective temperatures are independently controlled, and the precursor generated in the reaction region is efficiently generated on the substrate. By controlling the gas flow to reach, it is possible to form a thin film made of a carbon material containing diamond or a diamond material even at a relatively low substrate temperature of 100 to 400 ° C.
That is, the temperature can be lowered. This makes it possible to form diamond even on materials that could not be formed in the past, such as plastic, which cannot withstand high temperature processes and in which only amorphous carbon etc. could be formed by the conventional method. Applications are possible.

【0040】よって、本発明は産業上非常に有用な特許
であると考えられる。
Therefore, the present invention is considered to be a very useful patent in industry.

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

【図1】熱フィラメントCVD装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a hot filament CVD apparatus.

【図2】マイクロ波CVD装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a microwave CVD apparatus.

【図3】有磁場マイクロ波CVD装置の概略図である。FIG. 3 is a schematic view of a magnetic field microwave CVD apparatus.

【図4】ECRプラズマCVD装置の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of an ECR plasma CVD apparatus.

【図5】本実験で用いたハロゲン化炭化水素を用いた熱
CVD装置の概略図である。
FIG. 5 is a schematic view of a thermal CVD apparatus using a halogenated hydrocarbon used in this experiment.

【図6】本実験で用いたハロゲン化炭化水素を用いた熱
CVD装置のチャンバー内の概略図である。
FIG. 6 is a schematic view of the inside of a chamber of a thermal CVD apparatus using a halogenated hydrocarbon used in this experiment.

【図7】本実施例の実験で得られたダイヤモンド材料の
ラマンスペクトルである。
FIG. 7 is a Raman spectrum of the diamond material obtained in the experiment of this example.

【図8】本実施例の実験で得られたダイヤモンド材料の
ラマンスペクトルである。
FIG. 8 is a Raman spectrum of the diamond material obtained in the experiment of this example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 石英反応管 2、9、10、14 ガス導入口 3 フィラメント 4 基板 5 排気 6 マイクロ波導波管 7 磁場コイル 8 浮遊電位 11 チャンバー 12 電気炉( 加熱源) 13 ベーパーソース 15 熱電対用保護管 16 原料ガス 17 基板保持用ボート 18 基板 19 反応領域 20 マスフローコントローラー 1 Quartz Reaction Tube 2, 9, 10, 14 Gas Inlet 3 Filament 4 Substrate 5 Exhaust 6 Microwave Waveguide 7 Magnetic Field Coil 8 Floating Potential 11 Chamber 12 Electric Furnace (Heating Source) 13 Vapor Source 15 Thermocouple Protection Tube 16 Raw material gas 17 Substrate holding boat 18 Substrate 19 Reaction region 20 Mass flow controller

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】熱CVD法を用いたダイヤモンドを含む炭
素材料またはダイヤモンド材料の作製方法であって、ハ
ロゲン化炭化水素及び水素、あるいは前記ハロゲン化炭
化水素及び水素と希釈ガスとして希ガスからなる原料を
使用し、前記原料を800 〜900 ℃の温度に加熱された反
応領域において活性種に変化する工程を有し、前記反応
領域に連結して設けられた100 〜400 ℃の温度に加熱さ
れた成膜領域に前記活性種を輸送する工程を有し、前記
100 〜400 ℃の温度に加熱された成膜領域において運ば
れた活性種を所望の基板上に成膜する工程を有すること
を特徴とする炭素材料作製方法。
1. A method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material using a thermal CVD method, comprising a halogenated hydrocarbon and hydrogen, or a raw material comprising the halogenated hydrocarbon and hydrogen and a rare gas as a diluent gas. And having a step of converting the raw material into an active species in a reaction zone heated to a temperature of 800 to 900 ° C., and heating to a temperature of 100 to 400 ° C. provided in connection with the reaction zone. A step of transporting the active species to a film formation region,
A method for producing a carbon material, comprising a step of forming a film of active species carried in a film forming region heated to a temperature of 100 to 400 ° C. on a desired substrate.
【請求項2】請求項1において、作製されたダイヤモン
ドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料は、粒子状あ
るいは薄膜状の形状を有することを特徴とする炭素材料
作製方法。
2. The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the produced carbon material containing diamond or the diamond material has a particle shape or a thin film shape.
【請求項3】請求項1において、前記反応領域を原料が
通過する際の所要時間は1 〜10秒間であることを特徴と
する炭素材料作製方法。
3. The method for producing a carbon material according to claim 1, wherein the time required for the raw material to pass through the reaction region is 1 to 10 seconds.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105603385A (en) * 2016-01-15 2016-05-25 山西大学 Device and method for preparing diamond crystal film material

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