JPH0558782A - Device for vapor phase synthesis of diamond and method therefor - Google Patents

Device for vapor phase synthesis of diamond and method therefor

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JPH0558782A
JPH0558782A JP21515491A JP21515491A JPH0558782A JP H0558782 A JPH0558782 A JP H0558782A JP 21515491 A JP21515491 A JP 21515491A JP 21515491 A JP21515491 A JP 21515491A JP H0558782 A JPH0558782 A JP H0558782A
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JP
Japan
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gas
diamond
plasma
arc discharge
plasma jet
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Application number
JP21515491A
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Japanese (ja)
Inventor
Nobuhiro Noto
信博 能登
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Koki Holdings Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Koki Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To attain high speed synthesis and enlargement of synthetic region by providing a pair of electrodes for generation of arc discharge between a plasma generator and a substrate holder in a device for vapor phase synthesis of diamond. CONSTITUTION:After the substrate 16 is fixed to the back side of the substrate holder 4 and the vacuum chamber 1 is evacuated to about 0.6Pa by the exhauster 9, an electric discharge gas (for example, argon gas) is fed between the anode 10 and cathod 11 of the plasma generator 2 from the gas introducing pipe 12 and arc discharge is generated by the power source 13 for ignition and hydrogen gas is added from the gas introducing pipe 12. Further, about 150A current from the constant current D.C. power source 14 is supplied between the electrodes to bring out the plasma jet 17 and the raw gas of diamond (for example, methane gas) is supplied from the gas introducing pipe 3 (pressure in the chamber is about 8000Pa). Then, when the plasma 17 is passed through between the electrodes 5, arc discharge is generated in an orthogonal direction to the plasma by supplying about 600V from the constant current D.C. power source 15. Next, the substrate 16 is irradiated for 30min until the substrate becomes 900 deg.C while closing to the plasma generator 2.

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、アーク放電で発生した
プラズマジェットを用いてダイヤモンドを高速かつ広い
範囲に気相合成できる装置と合成方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus and a method for synthesizing diamond in a vapor phase at high speed and in a wide range by using a plasma jet generated by arc discharge.

【0002】[0002]

【従来の技術】低圧下におけるダイヤモンド気相合成法
には、熱フィラメント法、電子衝撃CVD法、直流プラ
ズマCVD法、マイクロ波プラズマCVD法、有磁場マ
イクロ波プラズマCVD法、燃焼炎法、プラズマジェッ
トCVD法などがある。これら種々の合成方法のうちプ
ラズマジェットCVD法は、数千度の高温状態にある熱
プラズマの利用により、ダイヤモンドを数百μm/hの
高速で合成できる特長がある。
2. Description of the Related Art The diamond vapor phase synthesis method under low pressure includes hot filament method, electron impact CVD method, direct current plasma CVD method, microwave plasma CVD method, magnetic field microwave plasma CVD method, combustion flame method, plasma jet. There is a CVD method or the like. Among these various synthesizing methods, the plasma jet CVD method has a feature that diamond can be synthesized at a high speed of several hundred μm / h by utilizing thermal plasma in a high temperature state of several thousand degrees.

【0003】すなわちプラズマジェットCVD法は、プ
ラズマ発生器内でアーク放電によりプラズマジェットを
発生させ、冷却機構を備えた基板ホルダ上の基板にプラ
ズマジェットを照射してダイヤモンド膜を合成させるも
のである。その際、アークの発生は直流放電または高周
波放電で得られるが、装置構造が簡単で安価、更に熱プ
ラズマ発生が容易などの理由で、直流アーク放電の利用
が多い。
That is, the plasma jet CVD method is a method of generating a plasma jet by arc discharge in a plasma generator and irradiating the substrate on a substrate holder having a cooling mechanism with the plasma jet to synthesize a diamond film. At that time, arc generation can be obtained by direct-current discharge or high-frequency discharge, but direct-current arc discharge is often used because of its simple structure, low cost, and easy generation of thermal plasma.

【0004】一方、円形中心孔の陽極と該陽極の中央に
位置する陰極を有したプラズマ発生器を用いて直流アー
ク放電によりダイヤモンドを合成させる研究は、富士通
研究所の栗原ら[第48回応用物理学会学術講演会(1
987)18p−T−3]や無機材質研究所の松本精一
郎ら[セラミック,Vol.24,No.5,P.41
6(1989)]などが知られている。
On the other hand, research on synthesizing diamond by direct current arc discharge using a plasma generator having an anode with a circular center hole and a cathode located at the center of the anode has been carried out by Fujitsu Laboratories [Kurihara et al. Academic Meeting of the Physical Society of Japan (1
987) 18p-T-3] and Seiichiro Matsumoto et al. Of the Institute for Inorganic Materials [Ceramics, Vol. 24, No. 5, P.I. 41
6 (1989)] and the like are known.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】プラズマジェットCV
D法における高速合成は、アーク放電で発生する数千度
の高温状態にあるプラズマジェットの利用により、ダイ
ヤモンド合成に寄与する活性種を高密度で生成させるこ
とで得られる。しかし、上記した従来の方法において
は、ダイヤモンドの原料である有機化合物ガスがプラズ
マ発生器内部に導入される方法、あるいはプラズマ発生
器外部のプラズマジェット噴出口近くからプラズマジェ
ットに供給される方法がとられていたため、次のような
問題点があった。
Problem to be Solved by the Invention Plasma jet CV
The high-speed synthesis in the D method can be obtained by generating a high density of active species that contribute to diamond synthesis by using a plasma jet in a high temperature state of several thousand degrees generated by arc discharge. However, in the above-mentioned conventional method, there is a method of introducing an organic compound gas, which is a raw material of diamond, into the inside of the plasma generator, or a method of supplying it to the plasma jet from the vicinity of the plasma jet outlet outside the plasma generator. However, there were the following problems.

【0006】(1)ダイヤモンドの原料となる活性な有
機化合物ガスがプラズマ発生器内部に導入される場合、
解離した炭素が陽極面に付着し、放電を不安定にした
り、放電の発生を困難にしたり、プラズマジェット噴出
口に付着してプラズマジェットの形状を乱してしまう。
(1) When an active organic compound gas as a raw material of diamond is introduced into the plasma generator,
The dissociated carbon adheres to the anode surface to make the discharge unstable, make the discharge difficult to occur, or adhere to the plasma jet ejection port to disturb the shape of the plasma jet.

【0007】(2)ダイヤモンドの原料ガスをプラズマ
発生器外部のプラズマジェット噴出口近くからプラズマ
ジェットに供給する場合、原料ガスの分解を促進させる
ために、プラズマ発生器内部に原料ガスを導入する場合
より大きな電力をプラズマジェットに供給しなければな
らない。
(2) When the source gas of diamond is supplied to the plasma jet from the vicinity of the plasma jet outlet outside the plasma generator, the source gas is introduced into the plasma generator in order to accelerate the decomposition of the source gas. Greater power must be supplied to the plasma jet.

【0008】3)得られるダイヤモンドの合成範囲は、
プラズマジェットの形状に依存しているため小さい。
3) The synthetic range of the obtained diamond is
It is small because it depends on the shape of the plasma jet.

【0009】従って、本発明の目的は安定したアーク放
電が得られ、ダイヤモンド原料ガスを効率良く分解して
ダイヤモンドを高速合成し、しかもダイヤモンド合成領
域を広げられるダイヤモンド合成装置および合成方法を
提供することにある。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a diamond synthesizing apparatus and a synthesizing method capable of obtaining stable arc discharge, efficiently decomposing diamond raw material gas to synthesize diamond at a high speed, and further expanding the diamond synthesizing region. It is in.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的は、プラズマジ
ェットよって供給されたダイヤモンド原料ガスが分解し
た後または同時に、プラズマ発生器と基板ホルダの間に
一対のアーク放電を発生できる電極を設けてプラズマジ
ェットと直交する方向に直流電圧を印加し、プラズマジ
ェットが電極間を通過する際、前記電極間で発生させた
アーク放電の電離作用を重畳させることによって達成さ
れる。
The above object is to provide a pair of electrodes capable of generating a pair of arc discharges between a plasma generator and a substrate holder after or simultaneously with decomposition of a diamond raw material gas supplied by a plasma jet. This is achieved by applying a DC voltage in the direction orthogonal to the jet and superimposing the ionizing action of the arc discharge generated between the electrodes when the plasma jet passes between the electrodes.

【0011】[0011]

【作用】ダイヤモンドの合成では基板温度を500〜1
100℃に設定して、気相中で生成される原子状水素や
メチル基などの励起種を基板表面に多数供給することに
より成長速度を高めることができる。
[Function] When synthesizing diamond, the substrate temperature is 500 to 1
The growth rate can be increased by setting the temperature to 100 ° C. and supplying a large number of excited species such as atomic hydrogen and methyl groups generated in the gas phase to the substrate surface.

【0012】従って本発明のように、アーク放電を発生
できる一対の電極が基板近傍に設置されると、プラズマ
ジェットの熱で分解されなかったダイヤモンド原料ガス
の励起および既に解離生成した励起種の一層の活性化促
進を図ることができ、基板に到達するダイヤモンド合成
に寄与する活性種密度を高め、ダイヤモンドの合成速度
を向上させることが可能となる。さらに、アークによる
放電空間を形成して活性種を広い範囲で分布させるた
め、ダイヤモンドの合成領域を拡大させることができ
る。
Therefore, when a pair of electrodes capable of generating an arc discharge is installed in the vicinity of the substrate as in the present invention, the diamond raw material gas which has not been decomposed by the heat of the plasma jet and the excited species which have already been dissociated and formed are further excited. Can be promoted, the density of active species that contributes to diamond synthesis reaching the substrate can be increased, and the diamond synthesis rate can be improved. Furthermore, since the discharge space by the arc is formed and the active species are distributed in a wide range, the synthetic area of diamond can be expanded.

【0013】[0013]

【実施例】以下実施例図面を参照して本発明を詳述す
る。図1は本発明の一実施例を示す縦断面図であり、真
空チャンバ1には、プラズマ発生器2、該プラズマ発生
器2に接続されたダイヤモンドの原料となる有機化合物
ガスを供給するガス導入管3、水冷構造で回転かつ鉛直
・水平方向へ自在に移動できる基板ホルダ4、前記プラ
ズマ発生器2と前記基板ホルダ4との間に設置されたア
ーク放電発生用電極5、電流導入端子6、7、真空ゲー
ジ8及び排気装置9が取り付けられている。
The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing an embodiment of the present invention. A gas introduction for supplying a plasma generator 2 into a vacuum chamber 1 and an organic compound gas as a raw material of diamond connected to the plasma generator 2. A tube 3, a water-cooled structure, a substrate holder 4 that can rotate and move freely in vertical and horizontal directions, an arc discharge generation electrode 5 installed between the plasma generator 2 and the substrate holder 4, a current introduction terminal 6, 7, a vacuum gauge 8 and an exhaust device 9 are attached.

【0014】プラズマ発生器2は、無酸素銅からなる円
形中心孔の陽極10と、前記陽極10の中央に位置する
トリウム入りタングステンからなる陰極11およびガス
導入管12より構成され、アーク放電を発生させる点火
用電源13とプラズマジェット引き出し用定電流直流電
源14が並列に接続されている。また、アーク放電発生
用電極5には定電流直流電源15が接続され、電極間距
離は20mmに設定されている。なお、真空チャンバ
1、基板ホルダ4、陽極10および陰極11は、発生し
たプラズマジェットの熱で溶融やガス放出が発生しない
ように水冷されている。
The plasma generator 2 comprises an anode 10 made of oxygen-free copper and having a circular center hole, a cathode 11 made of tungsten containing thorium and a gas introduction tube 12 located at the center of the anode 10, and arc discharge is generated. An ignition power source 13 and a plasma jet drawing constant current DC power source 14 are connected in parallel. A constant current DC power supply 15 is connected to the arc discharge generating electrode 5, and the distance between the electrodes is set to 20 mm. The vacuum chamber 1, the substrate holder 4, the anode 10 and the cathode 11 are water-cooled so that the generated plasma jet does not melt or release gas.

【0015】図1において、基板ホルダ4に15×15
×厚さ1mmのタングステン基板16を裏側に銀ペース
トを塗布して固定し、真空チャンバ1内を排気装置9に
より真空ゲ−ジ8の読みが0.6Paになるまで排気し
た後、ガス導入管12から放電ガスとしてアルゴンガス
を圧力1.5kg/cm2、流量15l/minでプラ
ズマ発生器2の陽極10と陰極11の間に流し、点火用
電源13でアーク放電を発生させ、前記ガス導入管12
より水素ガスを圧力1.5kg/cm2、流量2l/m
inで加えた。更に、定電流直流電源14で150Aの
電流を電極間に印加してプラズマジェット17を引き出
し、ガス導入管3よりダイヤモンドの原料となるメタン
ガスを圧力0.5kg/cm2、流量0.075l/m
inでプラズマジェット17に供給した。このときの真
空チャンバ1内の圧力は8000Paであった。そし
て、プラズマジェット17がアーク放電発生用電極5の
間を通過する際に、定電流直流電源15で直流電圧を6
00Vに印加してプラズマジェットに対して直交する方
向にアーク放電を発生させた。また、移動可能な基板ホ
ルダ4で、基板16の基板温度が950℃になるまで基
板16をプラズマ発生器2に近づけ、30分照射した。
In FIG. 1, the substrate holder 4 has a size of 15 × 15.
× A tungsten substrate 16 having a thickness of 1 mm is coated and fixed on the back side with silver paste, and the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by the exhaust device 9 until the reading of the vacuum gauge 8 becomes 0.6 Pa, and then the gas introduction tube. Argon gas as a discharge gas from 12 was made to flow between the anode 10 and the cathode 11 of the plasma generator 2 at a pressure of 1.5 kg / cm 2 and a flow rate of 15 l / min, and an arc discharge was generated by the ignition power source 13 to introduce the gas. Tube 12
More hydrogen gas pressure 1.5kg / cm 2 , flow rate 2l / m
added in. Further, a constant current DC power supply 14 applies a current of 150 A between the electrodes to draw out a plasma jet 17, and a methane gas, which is a raw material of diamond, is supplied from the gas introduction pipe 3 at a pressure of 0.5 kg / cm 2 and a flow rate of 0.075 l / m.
It was supplied to the plasma jet 17 in. The pressure in the vacuum chamber 1 at this time was 8000 Pa. Then, when the plasma jet 17 passes between the arc discharge generating electrodes 5, a DC voltage of 6 is generated by the constant current DC power supply 15.
It was applied to 00 V to generate arc discharge in a direction orthogonal to the plasma jet. Further, the movable substrate holder 4 brought the substrate 16 close to the plasma generator 2 until the substrate temperature of the substrate 16 reached 950 ° C., and irradiated for 30 minutes.

【0016】ダイヤモンドの原料であるメタンガスは、
プラズマジェット17の熱で解離され、ダイヤモンド合
成に寄与するメチル基などの励起種となるが、上記のよ
うな装置を用いることにより、電極5を通過する際に、
前記プラズマジェット17の進行方向に直交する方向に
発生したアーク放電によって、未解離のメタンの分解や
励起種の一層の活性化を促進するようになる。このと
き、電極5を基板近傍に接近させて基板までの到達距離
を短くすることにより、寿命の短い活性種を、ダイヤモ
ンドの成長に効果的に作用させることができる。また、
基板近傍で発生させたアークにより放電空間が作られる
ため、活性種の分布が広がる方向に作用しダイヤモンド
合成領域を拡大できる。
Methane gas which is a raw material of diamond is
It is dissociated by the heat of the plasma jet 17 and becomes an excited species such as a methyl group that contributes to diamond synthesis. By using the above device, when passing through the electrode 5,
The arc discharge generated in the direction orthogonal to the traveling direction of the plasma jet 17 promotes decomposition of undissociated methane and further activation of excited species. At this time, by bringing the electrode 5 close to the substrate and shortening the reaching distance to the substrate, active species having a short life can effectively act on the growth of diamond. Also,
Since the discharge space is created by the arc generated in the vicinity of the substrate, the distribution of the active species acts in a direction that spreads and the diamond synthesis region can be expanded.

【0017】上記した合成装置及び合成方法で生成した
膜をラマン分光法で分析したところ、1333cm~1の位置
に鋭いダイヤモンドのラマンスペクトルが得られ、ダイ
ヤモンドの合成を確認できた。膜厚は50μm(合成速
度100μm/h)で、基板全面に合成されていた。
When the film produced by the above-mentioned synthesizing apparatus and synthesizing method was analyzed by Raman spectroscopy, a sharp Raman spectrum of diamond was obtained at a position of 1333 cm to 1 and the synthesis of diamond was confirmed. The film thickness was 50 μm (synthesis speed 100 μm / h), and the film was synthesized on the entire surface of the substrate.

【0018】これに対し、本実施例による合成条件でア
ーク放電発生用電極5にアーク放電を発生させない場合
は、合成速度は20μm/h、膜の大きさは直径10m
mであった。
On the other hand, when no arc discharge is generated in the arc discharge generating electrode 5 under the synthesizing conditions according to this embodiment, the synthesizing speed is 20 μm / h and the film size is 10 m in diameter.
It was m.

【0019】本実施例では、アーク放電発生用電極5に
接続させた定電流直流電源15の電源出力は600Wであ
ったが、出力の大きな電源を用いることによって、本発
明による効果を一層大きくすることができる。その際
は、電極5の構造を水冷にするなどして発熱による溶融
を防ぐことが必要になる。
In this embodiment, the constant current DC power supply 15 connected to the arc discharge generating electrode 5 has a power output of 600 W. However, by using a power supply with a large output, the effect of the present invention is further enhanced. be able to. In that case, it is necessary to prevent the melting due to heat generation by cooling the structure of the electrode 5 with water.

【0020】図2は本発明の他の実施例である。装置構
成は、上記実施例で用いた装置とほとんど同じである
が、本実施例ではダイヤモンド原料ガス供給用ガス導入
管に直流電圧を印加して、アーク放電を発生させるよう
にした。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. The apparatus configuration is almost the same as that of the apparatus used in the above embodiment, but in this embodiment, a DC voltage was applied to the diamond raw material gas supply gas introduction tube to generate arc discharge.

【0021】真空チャンバ1には、プラズマ発生器2、
水冷構造で回転かつ鉛直・水平方向へ自在に移動できる
基板ホルダ4、前記プラズマ発生器2と前記基板ホルダ
4との間にあって、絶縁用碍子18を介して中空円筒形
状でモリブデン(高融点金属)製のアーク放電発生用電極
5が接続され、ダイヤモンドの原料となる有機化合物ガ
スを供給するガス導入管3、電流導入端子6、7、真空
ゲージ8および排気装置9が取り付けられている。プラ
ズマ発生器2は、無酸素銅からなる円形中心孔の陽極1
0と、前記陽極10の中央に位置するトリウム入りタン
グステンからなる陰極11及びガス導入管12より構成
され、アーク放電を発生させる点火用電源13とプラズ
マジェット引き出し用定電流直流電源14が並列に接続
されている。また、アーク放電発生用電極5には、定電
流直流電源15が接続され、電極間距離が20mmに設
定されている。なお、真空チャンバ1、基板ホルダ4、
陽極10及び陰極11は、発生したプラズマジェットの
熱で溶融やガス放出が発生しないように水冷されてい
る。
In the vacuum chamber 1, a plasma generator 2,
A water-cooled substrate holder 4, which is rotatable and freely movable in vertical and horizontal directions, is located between the plasma generator 2 and the substrate holder 4, and has a hollow cylindrical shape of molybdenum (high melting point metal) through an insulating insulator 18. An arc discharge generating electrode 5 manufactured by the company is connected, and a gas introduction pipe 3 for supplying an organic compound gas as a raw material of diamond, current introduction terminals 6, 7, a vacuum gauge 8 and an exhaust device 9 are attached. The plasma generator 2 is an anode 1 with a circular center hole made of oxygen-free copper.
0, a cathode 11 made of tungsten containing thorium located in the center of the anode 10 and a gas introduction tube 12, and an ignition power supply 13 for generating an arc discharge and a constant current DC power supply 14 for drawing a plasma jet are connected in parallel. Has been done. Further, a constant current DC power supply 15 is connected to the arc discharge generation electrode 5, and the inter-electrode distance is set to 20 mm. The vacuum chamber 1, the substrate holder 4,
The anode 10 and the cathode 11 are water-cooled so that the generated plasma jet does not melt or emit gas due to the heat of the generated plasma jet.

【0022】図2において、基板ホルダ4に15×15
×厚さ1mmのタングステン基板16を裏側に銀ペース
トを塗布して固定し、真空チャンバ1内を排気装置9に
より真空ゲ−ジ8の読みが0.6Paになるまで排気し
た後、ガス導入管12から放電ガスとしてアルゴンガス
を圧力1.5kg/cm2、流量15l/minでプラ
ズマ発生器2の陽極10と陰極11の間に流し、点火用
電源13でアーク放電を発生させ、水素ガスを圧力1.
5kg/cm2、流量2l/minで加えた。更に、定
電流直流電源14で150Aの電流を電極間に印加して
プラズマジェット17を引き出し、ガス導入管3よりダ
イヤモンドの原料となるメタンガスを圧力0.5kg/
cm2、流量0.075l/minでプラズマジェット
17に供給した。このときの真空チャンバ内圧力は80
00Paであった。そして、プラズマジェット17がア
ーク放電発生用電極5を通過する際に、定電流直流電源
15でアーク放電発生用電極5に直流電圧600Vを印
加し、アーク放電を発生させた。更に、移動可能な基板
ホルダ4で基板16の基板温度が950℃になるまで基
板16をプラズマ発生器2に近づけ、20分照射した。
In FIG. 2, the substrate holder 4 is provided with 15 × 15.
× A tungsten substrate 16 having a thickness of 1 mm is coated and fixed on the back side with silver paste, and the inside of the vacuum chamber 1 is evacuated by the exhaust device 9 until the reading of the vacuum gauge 8 becomes 0.6 Pa, and then the gas introduction tube. Argon gas as a discharge gas from 12 was made to flow between the anode 10 and the cathode 11 of the plasma generator 2 at a pressure of 1.5 kg / cm 2 and a flow rate of 15 l / min, and an arc discharge was generated by the ignition power source 13 to generate hydrogen gas. Pressure 1.
It was added at 5 kg / cm 2 and a flow rate of 2 l / min. Further, a constant current DC power supply 14 applies a current of 150 A between the electrodes to draw out a plasma jet 17, and a methane gas, which is a raw material of diamond, is supplied from the gas introduction pipe 3 at a pressure of 0.5 kg /
It was supplied to the plasma jet 17 at cm 2 and a flow rate of 0.075 l / min. At this time, the pressure in the vacuum chamber is 80
It was 00 Pa. Then, when the plasma jet 17 passed through the arc discharge generation electrode 5, a DC voltage of 600 V was applied to the arc discharge generation electrode 5 by the constant current DC power supply 15 to generate arc discharge. Further, the movable substrate holder 4 brought the substrate 16 close to the plasma generator 2 until the substrate temperature of the substrate 16 reached 950 ° C., and irradiated for 20 minutes.

【0023】生成した膜をラマン分光法で分析したとこ
ろ、1333cm~1の位置に鋭いダイヤモンドのラマン
スペクトルが得られ、ダイヤモンドの合成を確認でき
た。膜厚は30μm(合成速度90μm/h)で、基板
全面に合成されていた。
When the produced film was analyzed by Raman spectroscopy, a sharp Raman spectrum of diamond was obtained at a position of 1333 cm- 1 and it was confirmed that diamond was synthesized. The film thickness was 30 μm (synthesis speed 90 μm / h), and it was synthesized on the entire surface of the substrate.

【0024】[0024]

【発明の効果】上述したように、本発明によれば、反応
性の高い有機化合物ガスをプラズマ発生器内に導入しな
いので、プラズマ発生器内で安定したアーク放電が得ら
れる。
As described above, according to the present invention, since a highly reactive organic compound gas is not introduced into the plasma generator, stable arc discharge can be obtained in the plasma generator.

【0025】また、プラズマ発生器と基板ホルダとの間
に設けられたアーク放電発生用電極のアーク放電によ
り、基板近傍でダイヤモンド原料ガスの一層の活性化が
図られ、ダイヤモンド合成に寄与する活性種の生成が促
進されることになり、その結果、合成速度が向上する。
特に、寿命の短い活性種をダイヤモンドの成長に対し
て、従来よりも効果的に利用することができる。更に、
アーク放電により活性種生成空間を基板近傍で形成でき
るため、合成面積を従来よりも広くすることができる。
その上、プラズマ発生器内で生成された原子状水素の中
で、基板へ到達するまでに再結合して水素分子となった
ものを再び解離して原子状にできるため、ダイヤモンド
の不純物となる無定形炭素の除去率を高め、生成するダ
イヤモンドの品質を向上させる等の効果も奏する。
Further, due to the arc discharge of the arc discharge generating electrode provided between the plasma generator and the substrate holder, the diamond raw material gas is further activated in the vicinity of the substrate, and the active species contributing to diamond synthesis. Will be promoted, resulting in an increased synthesis rate.
In particular, active species having a short life can be used more effectively than before for the growth of diamond. Furthermore,
Since the active species generation space can be formed in the vicinity of the substrate by arc discharge, the synthetic area can be made wider than before.
In addition, among the atomic hydrogen generated in the plasma generator, the hydrogen atoms that recombine by the time they reach the substrate and become hydrogen molecules can be dissociated again into atomic states, and become diamond impurities. It also has the effect of increasing the removal rate of amorphous carbon and improving the quality of diamond produced.

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

【図1】 本発明の一実施例を示す縦断面図である。FIG. 1 is a vertical sectional view showing an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の他の実施例を示す縦断面図である。FIG. 2 is a vertical sectional view showing another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1は真空チャンバ、2はプラズマ発生器、3はダイヤモ
ンド原料ガス導入管、4は冷基板ホルダ、5はアーク放
電発生用電極、6及び7は電流導入端子、8は真空ゲ−
ジ、9は排気装置、10は陽極、11は陰極、12はガ
ス導入管、13は点火用電源、14、15は定電流直流
電源、16はタングステン基板、17はプラズマジェッ
ト、18は碍子である。
1 is a vacuum chamber, 2 is a plasma generator, 3 is a diamond raw material gas introduction tube, 4 is a cold substrate holder, 5 is an electrode for generating an arc discharge, 6 and 7 are current introduction terminals, and 8 is a vacuum gauge.
Reference numeral 9 is an exhaust device, 10 is an anode, 11 is a cathode, 12 is a gas introduction tube, 13 is a power source for ignition, 14 and 15 are constant current DC power sources, 16 is a tungsten substrate, 17 is a plasma jet, and 18 is an insulator. is there.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円形中心孔の陽極と前記陽極の中央に位
置する陰極を有してアーク放電を発生させるプラズマ発
生器、該プラズマ発生器に接続されたダイヤモンドの原
料ガスを供給するガス導入管、プラズマジェット引出用
電源、2台のアーク放電発生用電源、水冷構造で回転か
つ鉛直・水平方向へ自在に移動できる基板ホルダ、真空
ゲージおよび排気装置を取り付けた真空チャンバから構
成されるダイヤモンド気相合成装置において、前記プラ
ズマ発生器と基板ホルダの間に一対のアーク放電発生用
電極を設けたことを特徴とするダイヤモンド気相合成装
置。
1. A plasma generator having an anode having a circular center hole and a cathode positioned at the center of the anode to generate an arc discharge, and a gas introduction pipe connected to the plasma generator for supplying a diamond source gas. Diamond plasma phase consisting of a plasma jet drawing power supply, two arc discharge generating power supplies, a water-cooled substrate holder that can rotate and move freely in vertical and horizontal directions, a vacuum chamber equipped with a vacuum gauge and an exhaust device In the synthesizer, a pair of arc discharge generating electrodes is provided between the plasma generator and the substrate holder, the diamond vapor phase synthesizer.
【請求項2】 円形中心孔の陽極と前記陽極の中央に位
置する陰極を有してアーク放電を発生させるプラズマ発
生器、プラズマジェット引出用電源、2台のアーク放電
発生用電源、水冷構造で回転かつ鉛直・水平方向へ自在
に移動できる基板ホルダ、真空ゲージおよび排気装置を
取り付けた真空チャンバから構成されるダイヤモンド気
相合成装置において、前記プラズマ発生器と前記基板ホ
ルダの間に、絶縁用碍子を介してアーク放電発生用電極
を接続させた一対のダイヤモンド原料ガス供給用ガス導
入管を設けたことを特徴とするダイヤモンド気相合成装
置。
2. A plasma generator having an anode having a circular center hole and a cathode positioned at the center of the anode to generate an arc discharge, a plasma jet drawing power source, two arc discharge generating power sources, and a water cooling structure. In a diamond vapor phase synthesizing apparatus comprising a substrate holder that can rotate and move freely in vertical and horizontal directions, a vacuum chamber equipped with a vacuum gauge and an exhaust device, an insulating insulator is provided between the plasma generator and the substrate holder. A diamond vapor phase synthesizing device comprising a pair of gas feed pipes for supplying a diamond raw material gas, which are connected to electrodes for arc discharge generation via the above.
【請求項3】プラズマ発生器の陽極と陰極間に、不活性
ガスおよび水素ガスの混合ガスまたは水素ガスを供給
し、前記電極間にアーク放電を発生させ、前記ガスを分
解し熱プラズマ化してプラズマジェットにして噴射さ
せ、前記プラズマ発生器に取り付けられたガス導入管か
ら前記プラズマジェットにダイヤモンドの原料ガスを供
給し、前記ガス導入管の鉛直下方に設置されたアーク放
電発生用電極に電圧を印加し、前記プラズマジェットが
前記電極間を通過する際にアーク放電を発生させ、前記
プラズマジェットを電離後、水冷基板ホルダに取り付け
られた基板表面に最適なプラズマジェットを照射するよ
うにしてダイヤモンド膜を気相成長させることを特徴と
するダイヤモンドの気相合成方法。
3. A mixed gas of an inert gas and hydrogen gas or hydrogen gas is supplied between an anode and a cathode of a plasma generator, arc discharge is generated between the electrodes, and the gas is decomposed into thermal plasma. A plasma jet is jetted, a diamond source gas is supplied to the plasma jet from a gas introduction tube attached to the plasma generator, and a voltage is applied to an arc discharge generation electrode installed vertically below the gas introduction tube. A diamond film is formed by applying an arc discharge when the plasma jet passes between the electrodes, ionizing the plasma jet, and then irradiating the optimal plasma jet on the substrate surface attached to the water-cooled substrate holder. A method for vapor phase synthesis of diamond, characterized in that the vapor phase growth is performed.
【請求項4】プラズマ発生器の陽極と陰極間に、不活性
ガスおよび水素ガスの混合ガスまたは水素ガスを供給
し、前記電極間にアーク放電を発生させ、前記ガスを分
解し熱プラズマ化してプラズマジェットにして噴射さ
せ、前記プラズマ発生器と前記基板ホルダの間に対向し
て設置された一対のガス導入管から前記プラズマジェッ
トにダイヤモンドの原料ガスを供給し、該ガス導入管に
接続されたアーク放電発生用電極に電圧を印加し、前記
プラズマジェットが前記電極間を通過する際にアーク放
電を発生させ、前記プラズマジェットを電離後、水冷基
板ホルダに取り付けられた基板表面に最適なプラズマジ
ェットを照射するようにしてダイヤモンド膜を気相成長
させることを特徴とするダイヤモンドの気相合成方法。
4. A mixed gas of an inert gas and hydrogen gas or hydrogen gas is supplied between an anode and a cathode of a plasma generator, arc discharge is generated between the electrodes, and the gas is decomposed into thermal plasma. A plasma jet was made to be jetted, and a diamond raw material gas was supplied to the plasma jet from a pair of gas introduction pipes installed to face each other between the plasma generator and the substrate holder and connected to the gas introduction pipe. A voltage is applied to the electrodes for arc discharge generation, arc discharge is generated when the plasma jet passes between the electrodes, and after the plasma jet is ionized, the optimum plasma jet on the substrate surface attached to the water-cooled substrate holder A method for vapor-phase synthesis of diamond, characterized in that a diamond film is vapor-phase grown by irradiating a diamond.
JP21515491A 1991-08-27 1991-08-27 Device for vapor phase synthesis of diamond and method therefor Withdrawn JPH0558782A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5846330A (en) * 1997-06-26 1998-12-08 Celestech, Inc. Gas injection disc assembly for CVD applications

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5846330A (en) * 1997-06-26 1998-12-08 Celestech, Inc. Gas injection disc assembly for CVD applications

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Effective date: 19981112