JPH0569800B2 - - Google Patents
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- JPH0569800B2 JPH0569800B2 JP62005527A JP552787A JPH0569800B2 JP H0569800 B2 JPH0569800 B2 JP H0569800B2 JP 62005527 A JP62005527 A JP 62005527A JP 552787 A JP552787 A JP 552787A JP H0569800 B2 JPH0569800 B2 JP H0569800B2
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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-
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/10—Heating of the reaction chamber or the substrate
- C30B25/105—Heating of the reaction chamber or the substrate by irradiation or electric discharge
-
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- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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- C30B29/04—Diamond
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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膜の製造方法に関し、特
にアーク放電を利用してダイヤモンドを低圧合成
する方法に関するものである。
にアーク放電を利用してダイヤモンドを低圧合成
する方法に関するものである。
ダイヤモンドの合成法としては従来黒鉛等の炭
素粉末を金属触媒下で高温超高圧下で処理する方
法が行なわれていたが、近年は上記方法に代えて
低圧下でダイヤモンドを合成する方法が注目され
ている。
素粉末を金属触媒下で高温超高圧下で処理する方
法が行なわれていたが、近年は上記方法に代えて
低圧下でダイヤモンドを合成する方法が注目され
ている。
例えば、特開昭60−118693号公報に示されたダ
イヤモンドの合成方法がある。
イヤモンドの合成方法がある。
これは、1KV〜10KVという高電圧の直流によ
つて発生されるアーク放電中の空間に、水素ガス
とメタンガスからなる原料ガスを通すことによつ
て、混合ガスを活性化させ、ダイヤモンドを生成
させている。
つて発生されるアーク放電中の空間に、水素ガス
とメタンガスからなる原料ガスを通すことによつ
て、混合ガスを活性化させ、ダイヤモンドを生成
させている。
しかしながら、1KV〜10KVという高電圧の直
流によつて発生されるアーク放電中の空間に通す
ことで、ダイヤモンドを合成する方法では、以下
のような問題が生じてしまう。
流によつて発生されるアーク放電中の空間に通す
ことで、ダイヤモンドを合成する方法では、以下
のような問題が生じてしまう。
すなわち、1KV〜10KVという高電圧の直流に
よつて、このアーク放電を発生させていることか
ら、このアーク放電は、正規グロー放電（電圧は
高いが電流がほとんど流れない放電）がアーク放
電に移行する領域において存在する、電圧が非常
に高い領域の放電、即ち、火花放電域であるアー
ク放電の一形態であると考えられる。
よつて、このアーク放電を発生させていることか
ら、このアーク放電は、正規グロー放電（電圧は
高いが電流がほとんど流れない放電）がアーク放
電に移行する領域において存在する、電圧が非常
に高い領域の放電、即ち、火花放電域であるアー
ク放電の一形態であると考えられる。
この時、電極間には高電圧が印加されているた
め、電子が電極から飛びだし、その電子が雪崩状
に増殖し、電流が電極間を流れることはできる
が、電極間電圧が非常に高いため電流の供給が追
いつかず、瞬間的な放電とならざるを得ないた
め、バチバチと火花が電極間を飛び交う放電の状
態となる。
め、電子が電極から飛びだし、その電子が雪崩状
に増殖し、電流が電極間を流れることはできる
が、電極間電圧が非常に高いため電流の供給が追
いつかず、瞬間的な放電とならざるを得ないた
め、バチバチと火花が電極間を飛び交う放電の状
態となる。
しかしながら、このような放電の場合には、ア
ーク放電による火花が途切れてしまうため、原料
ガスの温度を十分に上昇させることができず、そ
のため原料ガスの分解率を高くすることができな
い。そればかりか、火花が途切れる時にも混合ガ
スが流される場合には、非ダイヤモンド炭素が多
量に発生してしまうという問題もまた生じてしま
う。
ーク放電による火花が途切れてしまうため、原料
ガスの温度を十分に上昇させることができず、そ
のため原料ガスの分解率を高くすることができな
い。そればかりか、火花が途切れる時にも混合ガ
スが流される場合には、非ダイヤモンド炭素が多
量に発生してしまうという問題もまた生じてしま
う。
本発明はかかる従来の問題点を解決しようとす
るもので、原料ガスの分解率が高く、したがつて
高純度のダイヤモンド膜を効率的に形成すること
が可能なダイヤモンド膜の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
るもので、原料ガスの分解率が高く、したがつて
高純度のダイヤモンド膜を効率的に形成すること
が可能なダイヤモンド膜の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
本発明の方法は、30〜90vol％の第０族ガスと
ともに、水素ガスと炭化水素ガスまたは有機化合
物ガスよりなる原料ガスを、対向する電極間に通
過させるとともに、該対向電極間には、100Vよ
り低い直流電圧印加により、アーク放電柱を生じ
させることによつて、前記原料ガスを水素ガスの
解離度の高い高温気体のガスプラズマとなし、該
ガスプラズマを前記アーク放電柱近傍に設けた基
板に連続的に導入することによつて、該基板上に
ダイヤモンド膜を折出形成することを特徴として
いる。
ともに、水素ガスと炭化水素ガスまたは有機化合
物ガスよりなる原料ガスを、対向する電極間に通
過させるとともに、該対向電極間には、100Vよ
り低い直流電圧印加により、アーク放電柱を生じ
させることによつて、前記原料ガスを水素ガスの
解離度の高い高温気体のガスプラズマとなし、該
ガスプラズマを前記アーク放電柱近傍に設けた基
板に連続的に導入することによつて、該基板上に
ダイヤモンド膜を折出形成することを特徴として
いる。
本願発明におけるアーク放電は、対向電極間の
電位差を100Vより低く、かつ多量の電流が電極
間を流れる放電である。
電位差を100Vより低く、かつ多量の電流が電極
間を流れる放電である。
そのため、アーク放電を連続的かつ大電流とす
ることができ、そのため原料ガスの気体温度を数
千〜数万°Ｋと十分に高くすることができる。
ることができ、そのため原料ガスの気体温度を数
千〜数万°Ｋと十分に高くすることができる。
我々はこのエネルギーを利用しアークプラズマ
中に原料ガスを通過させて分解活性化させるとと
もに、原料ガスと同時に導入される水素から多量
の解離水素を発生させることにより、ダイヤモン
ドを合成するものである。
中に原料ガスを通過させて分解活性化させるとと
もに、原料ガスと同時に導入される水素から多量
の解離水素を発生させることにより、ダイヤモン
ドを合成するものである。
即ち、この方法により、従来では考えられない
程、はるかに高効率で原料ガスを分解することが
できるのである。例えば水素の解離率は、
2000°Kでは数％も解離することができないのに
対し、4000°Kでは70〜80％の解離率を得ること
ができ、非常に多量の解離水素を得ることができ
るのである。
程、はるかに高効率で原料ガスを分解することが
できるのである。例えば水素の解離率は、
2000°Kでは数％も解離することができないのに
対し、4000°Kでは70〜80％の解離率を得ること
ができ、非常に多量の解離水素を得ることができ
るのである。
この解離水素は、原料ガスより解離された炭素
を例えばメタン等に還元させることにより還元さ
せ、炭素をエツチングさせる働きがある。しかし
ながら、この時、解離水素が炭素をエツチングす
るエツチング速度は、炭素が非ダイヤモンド炭素
である場合の方が、ダイヤモンド炭素の場合より
も圧倒的に速い。
を例えばメタン等に還元させることにより還元さ
せ、炭素をエツチングさせる働きがある。しかし
ながら、この時、解離水素が炭素をエツチングす
るエツチング速度は、炭素が非ダイヤモンド炭素
である場合の方が、ダイヤモンド炭素の場合より
も圧倒的に速い。
即ち、解離水素を多量に原料ガス中に供給させ
ることによつて、より多くの非ダイヤモンド炭素
をエツチングさせることができるのである。その
ため、ダイヤモンドの合成速度を上げることによ
る炭化水素ガスの供給量を増加させることがで
き、さらには合成するダイヤモンド膜の純度を上
げることができるのである。
ることによつて、より多くの非ダイヤモンド炭素
をエツチングさせることができるのである。その
ため、ダイヤモンドの合成速度を上げることによ
る炭化水素ガスの供給量を増加させることがで
き、さらには合成するダイヤモンド膜の純度を上
げることができるのである。
また、本発明では、この原料ガスに30〜90vol
％の第０族ガスを含有させることによつて、アー
ク放電をさらに安定化させ、原料ガスのプラズマ
化を連続的に行うことができるばかりでなく、ス
ムーズに発生を開始させることができる。
％の第０族ガスを含有させることによつて、アー
ク放電をさらに安定化させ、原料ガスのプラズマ
化を連続的に行うことができるばかりでなく、ス
ムーズに発生を開始させることができる。
さらに、本願発明では、対向電極の負極を正極
よりも小さくすることが好ましく、この構成によ
れば、発生したプラズマをさらに安定したものと
なる。
よりも小さくすることが好ましく、この構成によ
れば、発生したプラズマをさらに安定したものと
なる。
第１図には本発明の方法を実施する装置の構成
を示す。図において、図略の排気装置により所定
真空度に維持された真空容器９内に対向電極の正
極１と負極２を設け、アークプラズマ１１が発生
する空間の直下に基板５を支持するための試料第
１０が設けてある。アークプラズマ１１が発生す
る空間の直上には、原料ガスを導入するための導
入パイプ４が設けてあり、原料ガスはアークプラ
ズマ空間を通過して試料第１０上の基板５に到達
する。対向電極１，２はアーク電源７に接続され
ており、上記基板５はヒータ電源８に接続された
ヒータ３によつて所定温度（約800℃）に維持さ
れている。
を示す。図において、図略の排気装置により所定
真空度に維持された真空容器９内に対向電極の正
極１と負極２を設け、アークプラズマ１１が発生
する空間の直下に基板５を支持するための試料第
１０が設けてある。アークプラズマ１１が発生す
る空間の直上には、原料ガスを導入するための導
入パイプ４が設けてあり、原料ガスはアークプラ
ズマ空間を通過して試料第１０上の基板５に到達
する。対向電極１，２はアーク電源７に接続され
ており、上記基板５はヒータ電源８に接続された
ヒータ３によつて所定温度（約800℃）に維持さ
れている。
実験は次の様な条件で実施した。まず真空容器
内を排気した後、電離度の高い第０族ガスである
アルゴンを導入パイプから容器内に導入し容器内
圧力を50Torrに設定する。その後アーク電源に
より正極、負極間にアーク放電し、放電が安定し
たところで導入パイプより、アルゴン50vol％、
H249vol％、CH41vol％の混合ガスを100c.c.／min
の流量で流した。圧力は50Torrに保様適当に排
気している。
内を排気した後、電離度の高い第０族ガスである
アルゴンを導入パイプから容器内に導入し容器内
圧力を50Torrに設定する。その後アーク電源に
より正極、負極間にアーク放電し、放電が安定し
たところで導入パイプより、アルゴン50vol％、
H249vol％、CH41vol％の混合ガスを100c.c.／min
の流量で流した。圧力は50Torrに保様適当に排
気している。
対向電極は、負極２にφ5、正極１にφ15のカー
ボン棒を用いた。アーク放電は20V，40Aの条件
である。アーク放電中の温度は、陰極基点近傍で
3000°K以上であり、陽光柱内の気体温度はそれ
以上に上昇していると判断される。以上の条件で
放電を１時間継続し、基板上の付着物を観察し
た。基板としてはタングステン金属板を用い、ダ
イヤモンド合成し易いように基板表面にはあらか
じめ研磨により微細な傷がつけてある。基板上付
着物の観察には、ラマン分光装置と電子顕微鏡を
用いた。ラマンスペクトルからは、第２図に示す
ように、1333cm-1のダイヤモンドの存在を示すラ
マンピークが確認された。電子顕微鏡の観察でも
結晶粒子像が観察されており、結晶形もマイクロ
波プラズマCVD等で合成されているダイヤモン
ド粒子と同様の形態を示している。従来知られて
いるマイクロ波プラズマCVDを用い我々が行つ
たダイヤモンド合成実験では、１時間後ではダイ
ヤモンド粒子は確認されず、ラマンピークが観察
されるまでには３時間以上の成長時間が必要であ
つた。従つて本発明のダイヤモンド膜製造方法は
成長速度の早いダイヤモンド合成法である。当然
フイラメント法の様にフイラメントが断線したり
するトラブルもない。
ボン棒を用いた。アーク放電は20V，40Aの条件
である。アーク放電中の温度は、陰極基点近傍で
3000°K以上であり、陽光柱内の気体温度はそれ
以上に上昇していると判断される。以上の条件で
放電を１時間継続し、基板上の付着物を観察し
た。基板としてはタングステン金属板を用い、ダ
イヤモンド合成し易いように基板表面にはあらか
じめ研磨により微細な傷がつけてある。基板上付
着物の観察には、ラマン分光装置と電子顕微鏡を
用いた。ラマンスペクトルからは、第２図に示す
ように、1333cm-1のダイヤモンドの存在を示すラ
マンピークが確認された。電子顕微鏡の観察でも
結晶粒子像が観察されており、結晶形もマイクロ
波プラズマCVD等で合成されているダイヤモン
ド粒子と同様の形態を示している。従来知られて
いるマイクロ波プラズマCVDを用い我々が行つ
たダイヤモンド合成実験では、１時間後ではダイ
ヤモンド粒子は確認されず、ラマンピークが観察
されるまでには３時間以上の成長時間が必要であ
つた。従つて本発明のダイヤモンド膜製造方法は
成長速度の早いダイヤモンド合成法である。当然
フイラメント法の様にフイラメントが断線したり
するトラブルもない。
本実施例で放電開始時に第０族であるアルゴン
ガスを流したのは、放電の開始を容易にするため
である。本実施例で用いた電源はアーク放電専用
電源であるため、放電開始時は高周波により電極
間の気体を電離しアーク放電が容易となる状態と
した後、アーク放電に移行するようにになつてい
るが、原料ガスとして水素とCH4の混合ガスを用
いた場合、極めて放電の開始が困難なため、放電
開始時には高濃度な第０族のガスを流し、アーク
放電開始後に原料ガスを流すようにした方が放電
がスムーズに起きる。この放電の開始を容易にす
る効果は、実験では80％以上の濃度のアルゴンを
用いた場合顕著に現われた。もちろんアルゴン以
外の第０族のガスを用いても同様の効果が得られ
る。
ガスを流したのは、放電の開始を容易にするため
である。本実施例で用いた電源はアーク放電専用
電源であるため、放電開始時は高周波により電極
間の気体を電離しアーク放電が容易となる状態と
した後、アーク放電に移行するようにになつてい
るが、原料ガスとして水素とCH4の混合ガスを用
いた場合、極めて放電の開始が困難なため、放電
開始時には高濃度な第０族のガスを流し、アーク
放電開始後に原料ガスを流すようにした方が放電
がスムーズに起きる。この放電の開始を容易にす
る効果は、実験では80％以上の濃度のアルゴンを
用いた場合顕著に現われた。もちろんアルゴン以
外の第０族のガスを用いても同様の効果が得られ
る。
アーク放電開始後に原料ガスを流す場合も、水
素と炭化水素ガスの混合ガスに第０族のガスを混
入させた方が放電が安定し長じかん成長が可能と
なる。その効果は我々の実験では、水素とCH4の
混合ガスに30vol％以上のアルゴンを加えた時顕
著に現れた。アルゴンを90vol％以上加えると水
素とCH4ガス割合が10vol％以下となるためダイ
ヤモンド粒子の成長速度が抑制され好ましくな
い。
素と炭化水素ガスの混合ガスに第０族のガスを混
入させた方が放電が安定し長じかん成長が可能と
なる。その効果は我々の実験では、水素とCH4の
混合ガスに30vol％以上のアルゴンを加えた時顕
著に現れた。アルゴンを90vol％以上加えると水
素とCH4ガス割合が10vol％以下となるためダイ
ヤモンド粒子の成長速度が抑制され好ましくな
い。
対向電極の材料としては、炭素電極が好まし
い。アーク放電中は電極が極めて高温になるため
高融点材料を用いる必要があるが、基板への不純
物の混入を考慮すると炭素電極が好ましい。もち
ろんタングステンの様な高融点金属を用いた場合
でもダイヤモンドの合成は確認された。
い。アーク放電中は電極が極めて高温になるため
高融点材料を用いる必要があるが、基板への不純
物の混入を考慮すると炭素電極が好ましい。もち
ろんタングステンの様な高融点金属を用いた場合
でもダイヤモンドの合成は確認された。
電極径は正極より負極を小さくする方が長時間
の安定した放電を得られた。電極は小さい方が放
電は容易であるがプラズマ部分をできるだけ広く
するため電極端面積は広い方がよい。その場合正
極の端面積を広くした方が放電が安定していた。
の安定した放電を得られた。電極は小さい方が放
電は容易であるがプラズマ部分をできるだけ広く
するため電極端面積は広い方がよい。その場合正
極の端面積を広くした方が放電が安定していた。
基板は本実施例ではタングステンを用いたが、
シリコン基板を用いてもダイヤモンド合成は可能
であつたし他の材料でも良い。
シリコン基板を用いてもダイヤモンド合成は可能
であつたし他の材料でも良い。
炭素源としてはCH4を用いたがこれ以外にアセ
トンアルコール類、アミン類のような有機化合物
のガス原料として用いてもよいし、プロパンのよ
うな他の炭化水素を用いてもよい。
トンアルコール類、アミン類のような有機化合物
のガス原料として用いてもよいし、プロパンのよ
うな他の炭化水素を用いてもよい。
本発明で述べたアークプラズマとは、アーク放
電で生ずる陽光柱以外に周囲に発生する電離した
領域も含む。
電で生ずる陽光柱以外に周囲に発生する電離した
領域も含む。
上記実施例を採用することによつて、水素ガス
と炭化水素ガス等の供給比率は、供給炭素に対し
て十分な量の解離水素が作用するように任意に設
定できるから、良質なダイヤモンド膜を得ること
ができる。
と炭化水素ガス等の供給比率は、供給炭素に対し
て十分な量の解離水素が作用するように任意に設
定できるから、良質なダイヤモンド膜を得ること
ができる。
また、本方法によれば、イオンビーム法におけ
る加速器の如きは不要であるから極めて安価であ
る。
る加速器の如きは不要であるから極めて安価であ
る。
第１図は本発明を実施する装置の概略構成図、
第２図は本発明により製造したダイヤモンド膜の
ラマン分光スペクトル図である。 １……正極（対向電極）、２……負極（対向電
極）、３……ヒータ、４……導入パイプ、５……
基板、７……アーク電源、８……ヒータ電源。
第２図は本発明により製造したダイヤモンド膜の
ラマン分光スペクトル図である。 １……正極（対向電極）、２……負極（対向電
極）、３……ヒータ、４……導入パイプ、５……
基板、７……アーク電源、８……ヒータ電源。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 30〜90vol％の第０族ガスとともに、水素ガ
スと炭化水素ガスまたは有機化合物よりなる原料
ガスを、対向する電極間に通過させるとともに、
該対向電極間には、100Vより低い直流電圧印加
により、アーク放電柱を生じさせることによつ
て、前記原料ガスを水素ガスの解離度の高い高温
気体のガスプラズマとなし、該ガスプラズマを前
記アーク放電柱近傍に設けた基板に連続的に導入
することによつて、該基板上にダイヤモンド膜を
折出形成するようにしたことを特徴とするダイヤ
モンド膜の製造方法。 ２ 上記第０族ガスの混入量をアーク放電の発生
時に80〜100vol％となす特許請求の範囲第１項記
載のダイヤモンド膜の製造方法。 ３ 上記対向電極は、負極の径が正極の径よりも
小さく形成されていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載のダイヤモンド膜の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62005527A JPS63176399A (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
| US07/142,813 US4851254A (en) | 1987-01-13 | 1988-01-11 | Method and device for forming diamond film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62005527A JPS63176399A (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17255794A Division JP2746127B2 (ja) | 1994-07-25 | 1994-07-25 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63176399A JPS63176399A (ja) | 1988-07-20 |
| JPH0569800B2 true JPH0569800B2 (ja) | 1993-10-01 |
Family
ID=11613661
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62005527A Granted JPS63176399A (ja) | 1987-01-13 | 1987-01-13 | ダイヤモンド膜の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63176399A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02141494A (ja) * | 1988-07-30 | 1990-05-30 | Kobe Steel Ltd | ダイヤモンド気相合成装置 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60118693A (ja) * | 1983-11-25 | 1985-06-26 | Mitsubishi Metal Corp | ダイヤモンドの低圧合成方法 |
| JPS60145995A (ja) * | 1984-01-10 | 1985-08-01 | Nec Corp | ダイヤモンド状カ−ボンの製造方法 |
| JPS60171294A (ja) * | 1984-02-13 | 1985-09-04 | Mitsubishi Metal Corp | 人工ダイヤモンドを蒸着生成する方法 |
| JPS61288069A (ja) * | 1985-06-14 | 1986-12-18 | Tdk Corp | ダイヤモンド様カ−ボン成膜装置 |
-
1987
- 1987-01-13 JP JP62005527A patent/JPS63176399A/ja active Granted
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60118693A (ja) * | 1983-11-25 | 1985-06-26 | Mitsubishi Metal Corp | ダイヤモンドの低圧合成方法 |
| JPS60145995A (ja) * | 1984-01-10 | 1985-08-01 | Nec Corp | ダイヤモンド状カ−ボンの製造方法 |
| JPS60171294A (ja) * | 1984-02-13 | 1985-09-04 | Mitsubishi Metal Corp | 人工ダイヤモンドを蒸着生成する方法 |
| JPS61288069A (ja) * | 1985-06-14 | 1986-12-18 | Tdk Corp | ダイヤモンド様カ−ボン成膜装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63176399A (ja) | 1988-07-20 |
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