JPH06172089A - Synthesis of diamond - Google Patents

Synthesis of diamond

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JPH06172089A
JPH06172089A JP32709092A JP32709092A JPH06172089A JP H06172089 A JPH06172089 A JP H06172089A JP 32709092 A JP32709092 A JP 32709092A JP 32709092 A JP32709092 A JP 32709092A JP H06172089 A JPH06172089 A JP H06172089A
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JP
Japan
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diamond
single crystal
less
plane
growth
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JP32709092A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Chikuno
孝 築野
Takahiro Imai
貴浩 今井
Naoharu Fujimori
直治 藤森
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide a process for producing a thick diamond single crystal layer having high uniformity and quality by keeping the epitaxial growth by vapor-phase synthesis over a long period. CONSTITUTION:Epitaxial growth of a diamond film is carried out by using a substrate having a main growth plane deviated from the {100} plane by <=10 deg. and alternately repeating a process to grow a diamond layer of 0.1-300mum thick under a condition of A>=1.5% wherein A (=[C]/[H]) is ratio of carbon element to hydrogen element in vapor phase and a process to grow a diamond layer of 0.1-300mum thick under a condition of A<1.5%.

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の製造方法
に関し、特に切削工具、耐摩工具、精密工具、半導体材
料、電子部品、光学部品などに用いられる大型のダイヤ
モンド単結晶の製造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 a method for producing diamond, and more particularly to a method for producing large diamond single crystals used for cutting tools, abrasion resistant tools, precision tools, semiconductor materials, electronic parts, optical parts and the like. .

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、気相合成法によって比較的大
面積のダイヤモンドが各種基板上に人工的に製造されて
いたが、これらは多結晶膜であり大面積の単結晶は得ら
れていない。しかしながら、ダイヤモンドの用途の中で
も特に平滑な面を必要とする超精密工具や光学部品、半
導体などに用いられる場合は、単結晶ダイヤモンドを用
いることが必要となる。そこで、気相合成法による単結
晶のエピタキシャル成長の条件が検討されており、さら
には気相合成法により大面積の単結晶を製造する方法が
検討されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, relatively large area diamonds have been artificially produced on various substrates by a vapor phase synthesis method, but these are polycrystalline films and large area single crystals have not been obtained. . However, among diamond applications, single crystal diamond is required when it is used for ultra-precision tools, optical parts, semiconductors, etc., which require a particularly smooth surface. Therefore, the conditions for epitaxial growth of a single crystal by the vapor phase synthesis method have been studied, and further, the method for producing a large area single crystal by the vapor phase synthesis method has been studied.

【0003】ダイヤモンド気相合成においてダイヤモン
ド単結晶を基板とすることによって、比較的容易にホモ
エピタキシャル成長によりダイヤモンド単結晶層が成長
することは早くから知られていた。しかし、このような
ホモエピタキシャル成長によっても十分な厚みのダイヤ
モンド層を得ようとすると、成長する間エピタキシャル
成長が維持されること、即ち成長した結晶が下地の結晶
と完全に同じ結晶方位を有することが必要である。
It has been known for a long time that a diamond single crystal layer can be relatively easily grown by homoepitaxial growth by using a diamond single crystal as a substrate in diamond vapor phase synthesis. However, in order to obtain a diamond layer having a sufficient thickness even by such homoepitaxial growth, it is necessary that the epitaxial growth be maintained during growth, that is, the grown crystal should have exactly the same crystal orientation as the underlying crystal. Is.

【0004】しかしながら、成長が進むにつれて、もと
の基材結晶と成長した結晶との間のエピタキシャル関係
が失われた成分が多くなってくることが大きな問題であ
った。即ち、基板との方位のずれた部分が形成され、こ
こから多結晶化が進行するため、エピタキシャル層が厚
くなるほど結晶内に欠陥が増えるという問題である。こ
うした非エピタキシャル成分(以下異常成長と略す)は
基板面研磨時に発生するダイヤモンド小粒子に起因する
もの、成長面上での2次的な核発生、さらには{11
1}双晶の形成によるものが挙げられる。
However, it has been a serious problem that as the growth progresses, the amount of components in which the epitaxial relationship between the original substrate crystal and the grown crystal is lost increases. That is, a part of which the orientation is deviated from that of the substrate is formed, and polycrystallization progresses from this part. Therefore, the problem is that defects increase in the crystal as the epitaxial layer becomes thicker. Such non-epitaxial components (hereinafter abbreviated as abnormal growth) are caused by small diamond particles generated during polishing of the substrate surface, secondary nucleation on the growth surface, and {11
1} Twin crystals are formed.

【0005】エピタキシャル成長における異常成長を抑
制するためにこれまでに{100}面上に比較的高い炭
素濃度で成長させることにより平坦な単結晶表面を維持
したまま成長を続けられることが知られている。(例え
ば特開平2−233591)しかしながら、このような
炭素濃度の高い条件で20μm以上の厚いエピタキシャ
ル層を成長させるとダイヤモンド結晶内に非ダイヤモン
ド成分を多く含むダイヤモンドが成長しやすいという問
題がある。更に1cm以上の径を有する大型のダイヤモ
ンド単結晶は極めて高価であるために、ダイヤモンドの
ホモエピタキシーによっても良質の大型単結晶ダイヤモ
ンドを得るのは困難であった。
In order to suppress abnormal growth in epitaxial growth, it has hitherto been known that growth can be continued while maintaining a flat single crystal surface by growing a relatively high carbon concentration on the {100} plane. . (For example, JP-A-2-233591) However, when a thick epitaxial layer having a thickness of 20 μm or more is grown under such a high carbon concentration condition, there is a problem that diamond containing a large amount of non-diamond components easily grows in the diamond crystal. Furthermore, since a large diamond single crystal having a diameter of 1 cm or more is extremely expensive, it has been difficult to obtain a good quality large single crystal diamond even by homoepitaxy of diamond.

【0006】気相合成により大面積の単結晶ダイヤモン
ドを成長させる方法は大きく2通りの方法にわけられ
る。第一の方法はヘテロエピタキシャル成長である。即
ち、大きな単結晶基板を用意できる材質の単結晶基板の
上にダイヤモンドを気相合成法によりエピタキシャル成
長させることにより大面積の単結晶を得ようというもの
である。例えばダイヤモンドがヘテロエピタキシャル成
長する基板としては、これまで立方晶窒化硼素(cB
N)、炭化珪素、珪素、ニッケル、コバルトなどが報告
されている(特開昭63−224225、特開平2−2
33591、特開平4−132687)。
There are roughly two methods for growing a large area single crystal diamond by vapor phase synthesis. The first method is heteroepitaxial growth. That is, a large area single crystal is obtained by epitaxially growing diamond on a single crystal substrate of a material capable of preparing a large single crystal substrate by a vapor phase synthesis method. For example, as a substrate on which diamond is heteroepitaxially grown, cubic boron nitride (cB) has hitherto been used.
N), silicon carbide, silicon, nickel, cobalt and the like have been reported (JP-A-63-224225, JP-A-2-2).
33591, JP-A-4-132687).

【0007】しかしながら、ニッケルやコバルトについ
ては島状のダイヤモンドがエピタキシャル成長するもの
の、ダイヤモンド単結晶の連続膜を得ることが困難であ
り、いずれの基板でもホモエピタキシーで生じる問題が
より顕著に生じ、異常成長が大量に発生することがわか
っている。
However, for nickel and cobalt, although island-shaped diamond is epitaxially grown, it is difficult to obtain a continuous film of diamond single crystal, and the problem caused by homoepitaxy occurs more significantly on any substrate, and abnormal growth occurs. Is known to occur in large numbers.

【0008】そこで、ヘテロエピタキシーを用いない第
2の方法が考えられている。これらは、ダイヤモンド基
板上のダイヤモンドの成長、即ちホモエピタキシャル成
長に基づく技術である。例えばダイヤモンドの場合に
は、高圧合成法によるmmオーダーのダイヤモンド単結
晶を方位をそろえて並べ、その上に一体の単結晶ダイヤ
モンドを得る方法(特開平3−075298)、砥粒と
して用いられるような数10〜100μm程度の粒子を
選択エッチングしたSi基板に並べ、その上にダイヤモ
ンドを成長させる方法( M.W.Geis H.I.Smith A.Argoit
ia J.Angus G.H.M.Ma J.T.Glass J.Butler C.J.Robinso
n R.Pryor, Appl.Phys.Lett.,Vol.58,(1991),p2485)な
どである。
Therefore, a second method that does not use heteroepitaxy has been considered. These are techniques based on the growth of diamond on a diamond substrate, ie homoepitaxial growth. For example, in the case of diamond, a method of arranging mm-order diamond single crystals by a high-pressure synthesis method with aligned orientations to obtain an integrated single crystal diamond (JP-A-3-075298), which is used as an abrasive grain, A method of arranging particles of about several tens to 100 μm on a selectively etched Si substrate and growing diamond on it (MWGeis HISmith A. Argoit
ia J. Angus GHMMa JTGlass J. Butler CJ Robinso
n R. Pryor, Appl. Phys. Lett., Vol.58, (1991), p2485).

【0009】こうした方法では、気相合成法により成長
する結晶基板に対してエピタキシャル成長を維持できれ
ば、隣合った基板単結晶から成長したダイヤモンド層の
境界に粒界が存在したとしても微小角粒界となり、電気
的、光学的に単結晶に匹敵する特性を有した大面積結晶
を得ることができる。しかし、これらの方法でも、ホモ
エピタキシーで生じる問題点は、当然同様に残されてい
る上に、基板の単結晶と単結晶の境界部分には、1個の
単結晶上にホモエピタキシャル成長させるとき以上の密
度で異常成長が発生することがわかっている。
In such a method, if the epitaxial growth can be maintained for the crystal substrate grown by the vapor phase synthesis method, even if the grain boundaries exist at the boundaries between the diamond layers grown from the adjacent single crystals of the substrates, they become minute angular grain boundaries. It is possible to obtain a large-area crystal having characteristics electrically and optically comparable to a single crystal. However, even with these methods, the problems caused by homoepitaxy are naturally left in the same manner, and at the boundary between the single crystals of the substrate, it is more than that when homoepitaxial growth is performed on one single crystal. It is known that abnormal growth occurs at a density of.

【0010】ダイヤモンド単結晶のホモエピタキシャル
成長を長時間維持することが困難である理由は以下のよ
うに考えられる。例えばダイヤモンド{100}面上の
ホモエピタキシャル成長を考えた場合に、完全なホモエ
ピタキシャル成長を維持している場合には成長方向は一
様に<100>である。しかし、何らかの原因により別
の方位を向いた異常な領域(図2中の3)が形成された
とき、その成長方向はもはや<100>ではなくなって
しまう。
The reason why it is difficult to maintain homoepitaxial growth of a diamond single crystal for a long time is considered as follows. For example, considering homoepitaxial growth on the diamond {100} plane, the growth direction is uniformly <100> when complete homoepitaxial growth is maintained. However, when an abnormal region (3 in FIG. 2) facing another direction is formed for some reason, the growth direction is no longer <100>.

【0011】もしもその異常な領域の成長速度が、<1
00>の成長速度を上回る場合には、図2に示すように
次第にその領域が広がるような形で成長してしまい、こ
れが多結晶化の進行する原因となる。{100}の成長
速度が比較的速い条件({100}配向条件と略す)で
成長させれば異常成長は抑えられるが、この条件ではラ
マン分光、赤外吸収スペクトルなどの評価により膜質は
あまり良好ではないことがわかっている。即ち、単結晶
は得られても高品質な結晶は期待できない。
If the growth rate of the abnormal region is <1
When the growth rate of 00> is exceeded, the region gradually grows as shown in FIG. 2, and this causes polycrystallization. Abnormal growth can be suppressed by growing under the condition that the growth rate of {100} is relatively fast (abbreviated as {100} orientation condition), but under this condition, the film quality is very good as evaluated by Raman spectroscopy and infrared absorption spectrum. I know it's not. That is, even if a single crystal is obtained, a high quality crystal cannot be expected.

【0012】一般に、CVD法により成長した単結晶、
多結晶の炭素濃度が低い場合、或いは酸素または二酸化
炭素、水が添加された場合にはダイヤモンドの品質は向
上することが知られている。しかし、この条件は、上記
の<100>の成長速度が他の方位に比べて遅い場合に
相当し、一度異常な領域が形成されると成長が進むにつ
れて、エピタキシャル成長の状態が失われてしまう。即
ち、{100}基板は、ダイヤモンドエピタキシャル成
長にとって好ましい基板であるが、結晶方位は維持する
が結晶性の劣るエピタキシャル膜と結晶性はよいが異常
成長を含む膜のいずれかしか知られていなかった。
In general, a single crystal grown by the CVD method,
It is known that the diamond quality is improved when the polycrystalline carbon concentration is low, or when oxygen, carbon dioxide, or water is added. However, this condition corresponds to the case where the growth rate of <100> described above is slower than in other directions, and once an abnormal region is formed, the epitaxial growth state is lost as the growth proceeds. That is, the {100} substrate is a preferable substrate for diamond epitaxial growth, but only an epitaxial film which maintains the crystal orientation but is inferior in crystallinity or a film which is good in crystallinity but includes abnormal growth has been known.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題点を解消し、気相合成法によるダイヤモンドのエピタ
キシャル成長を長時間維持し、異常成長が少なくかつ結
晶性の良い、均質かつ良質な厚膜ダイヤモンド単結晶層
の製造方法を提供することを目的とする。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art, maintains the epitaxial growth of diamond by the vapor phase synthesis method for a long time, has little abnormal growth, has good crystallinity, and has a uniform and high-quality thickness. An object of the present invention is to provide a method for producing a film diamond single crystal layer.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】単結晶基板上に気相から
ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる際に、成長の
主面として{100}面を用い 、エピタキシャル成長
を{100}の成長が起きやすい条件、即ち炭素と水素
の比率A(A=[C]/[H])を1.5%以上の割合
で0.1μm以上300μm以下のダイヤモンド層を成
長させる過程と、炭素濃度の低い条件すなわちAが1.
5%未満で0.1μm以上300μm以下のダイヤモン
ド層を成長させる過程とを交互に繰り返すことによりダ
イヤモンドを成長させる。
[Means for Solving the Problems] When epitaxially growing diamond from a vapor phase on a single crystal substrate, the {100} plane is used as a main growth surface, and the epitaxial growth is performed under the condition that {100} growth easily occurs, that is, carbon. And a hydrogen ratio A (A = [C] / [H]) of 1.5% or more to grow a diamond layer of 0.1 μm or more and 300 μm or less, and a low carbon concentration condition, that is, A is 1.
Diamond is grown by alternately repeating the process of growing a diamond layer of less than 5% and having a thickness of 0.1 μm or more and 300 μm or less.

【0015】ここで、炭素と水素の比率は実効的な比率
である。すなわち、成長のいずれかの段階で原料ガス中
に酸素を添加する場合においては、気相中の炭素と水素
と酸素の元素量から、B=([C]−[O])/[H]
によって求める比率Bを実効炭素濃度とする。この炭素
濃度の変化を繰り返しながら成長させる方法以外に、成
長温度1100℃以上と1000℃以下の条件を交互に
繰り返すことによっても同様の効果がある。
Here, the ratio of carbon and hydrogen is an effective ratio. That is, when oxygen is added to the source gas at any stage of growth, B = ([C] − [O]) / [H] is calculated from the element amounts of carbon, hydrogen and oxygen in the vapor phase.
The ratio B determined by is the effective carbon concentration. Other than the method of growing while repeating the change of the carbon concentration, the same effect can be obtained by alternately repeating the conditions of the growth temperature of 1100 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower.

【0016】基板は単結晶ダイヤモンドの他に、立方晶
窒化ホウ素、炭化珪素、珪素、ゲルマニウムまたは珪素
とゲルマニウムの合金の単結晶や、ニッケル、銅、コバ
ルトおよび鉄の中から選ばれた1種または2種以上を主
成分とする金属や合金の単結晶を使用することができ
る。
In addition to single crystal diamond, the substrate is a single crystal of cubic boron nitride, silicon carbide, silicon, germanium or an alloy of silicon and germanium, or one or more selected from nickel, copper, cobalt and iron. A single crystal of a metal or an alloy containing two or more kinds as main components can be used.

【0017】[0017]

【作用】発明者らは鋭意研究の結果、異常成長を抑制す
る{100}配向条件での成長と高品質なダイヤモンド
を与える条件での成長を周期的に行なうことにより高品
質を保ちかつ異常成長が抑制されたエピタキシャル成長
が得られることを見いだした。異常成長を抑制する効果
を持つことを特徴とする成長条件を第1条件と呼び、良
好な結晶性を持つことを特徴とする成長条件を第2条件
と呼ぶことにする。
As a result of earnest studies, the inventors of the present invention have maintained high quality and abnormal growth by periodically performing growth under {100} orientation conditions that suppress abnormal growth and growth under conditions that give high quality diamond. It has been found that epitaxial growth with suppressed crystal growth can be obtained. The growth condition characterized by having the effect of suppressing abnormal growth is called the first condition, and the growth condition characterized by having good crystallinity is called the second condition.

【0018】第1条件で成長させるエピタキシャル層の
厚みは0.1μm未満では異常成長を抑制する効果がな
いので0.1μm以上必要で、より好ましくは3μm以
上である。第1条件によっても20μmの厚さまでは下
地のダイヤモンド層の品質を維持したままダイヤモンド
を成長させることができる。しかし、20μmを超える
と非ダイヤモンド質炭素が結晶中に混入するようになり
300μmを超えると半導体や光学材料としての特性の
低下が観察されるので300μm以下であることが必要
である。
If the thickness of the epitaxial layer grown under the first condition is less than 0.1 μm, there is no effect of suppressing abnormal growth, so 0.1 μm or more is necessary, and more preferably 3 μm or more. Even under the first condition, when the thickness is 20 μm, diamond can be grown while maintaining the quality of the underlying diamond layer. However, when it exceeds 20 μm, non-diamond carbon is mixed into the crystal, and when it exceeds 300 μm, deterioration in characteristics as a semiconductor or an optical material is observed. Therefore, it is necessary to be 300 μm or less.

【0019】第1条件ではガス中の炭素(C)と水素
(H)の比率([C]/[H])を1.5%未満とする
と異常成長を抑制する効果がないので1.5%以上とす
ることが望ましくより好ましくは4〜8%である。炭素
濃度が8%を超えると非ダイヤモンド質炭素の混入が多
くなり、多くとも15%以下が好ましい範囲である。
Under the first condition, if the ratio of carbon (C) to hydrogen (H) ([C] / [H]) in the gas is less than 1.5%, there is no effect of suppressing abnormal growth. % Or more, and more preferably 4 to 8%. When the carbon concentration exceeds 8%, the amount of non-diamond carbon mixed in increases, and at most 15% or less is a preferable range.

【0020】酸素(O)を含んだガスが用いられる場合
には炭素と酸素の差と水素の比率([C]−[O])/
[H]であらわされる実効的な炭素濃度が1.5%以上
であれば良い。
When a gas containing oxygen (O) is used, the difference between carbon and oxygen and the ratio of hydrogen ([C]-[O]) /
It suffices that the effective carbon concentration represented by [H] is 1.5% or more.

【0021】また、 第2条件で成長させるエピタキシ
ャル層の厚みは0.1μm未満では高品質を維持する効
果がないのでこれ以上必要で、より好ましくは15μm
以上である。しかし、50μmを超えると異常成長が見
られるようになり300μmを超えると半導体や光学材
料としての特性の低下が観察されるので300μm以下
であることが必要である。第2条件ではガス中の炭素
(C)水素(H)の比率([C]/[H])を1.5%
以上では結晶性が悪くなるので1.5%未満とすること
が望ましくより好ましくは0.5〜1.5%である。
Further, if the thickness of the epitaxial layer grown under the second condition is less than 0.1 μm, there is no effect of maintaining high quality, so more is required, more preferably 15 μm.
That is all. However, if it exceeds 50 μm, abnormal growth is observed, and if it exceeds 300 μm, deterioration of characteristics as a semiconductor or an optical material is observed. Therefore, it is necessary to be 300 μm or less. Under the second condition, the ratio of carbon (C) hydrogen (H) ([C] / [H]) in the gas is 1.5%.
Since the crystallinity is deteriorated by the above, it is desirable to set it to less than 1.5%, more preferably 0.5 to 1.5%.

【0022】酸素(O)を含んだガスが用いられる場合
には炭素と酸素の差と水素の比率([C]−[O])/
[H]であらわされる実効的な炭素濃度が1.5%未満
であれば良い。
When a gas containing oxygen (O) is used, the difference between carbon and oxygen and the ratio of hydrogen ([C]-[O]) /
It is sufficient that the effective carbon concentration represented by [H] is less than 1.5%.

【0023】また、炭素濃度比を変化させるかわりに第
1条件では成長時の基板温度を1100℃以上とし、第
2条件では1000℃以下に変化させることにより同様
の効果を得ることができる。実効的な炭素濃度を変化さ
せる方法と、基板温度を変化させる方法とを組み合せて
実施することも可能であり、より顕著な効果が得られ
る。
Further, instead of changing the carbon concentration ratio, the same effect can be obtained by changing the substrate temperature during growth to 1100 ° C. or higher under the first condition and to 1000 ° C. or lower under the second condition. It is also possible to combine the method of changing the effective carbon concentration and the method of changing the substrate temperature, and a more remarkable effect can be obtained.

【0024】また、用いる基板はダイヤモンド単結晶ま
たは立方晶窒化ホウ素が最も好ましいが、ダイヤモンド
構造を有する珪素やゲルマニウムやその合金でも良く、
炭化珪素は立方晶と六方晶の両方の結晶型のものを用い
ることができ、さらに立方晶のニッケル、銅、コバル
ト、鉄やそれらの合金の単結晶を用いることが望まし
い。
The substrate used is most preferably diamond single crystal or cubic boron nitride, but may be silicon having a diamond structure, germanium or its alloy,
As the silicon carbide, both cubic and hexagonal crystal types can be used, and cubic single crystals of nickel, copper, cobalt, iron and alloys thereof are preferably used.

【0025】用いる基板はダイヤモンド単結晶であって
も、それ以外の半導体や金属の単結晶であっても、立方
晶の{100}、{111}、{110}の各結晶面に
近い研磨された面を単結晶基材の主面として成長させる
のが望ましい。しかし結晶面としては{100}面が最
も好ましく、{100}からのずれは10度以内が好ま
しく、より好ましくは2度以内である。ずれの角度が大
きくなるほど異常成長は増大し、10度を超えると多結
晶成分が多くなり好ましくない。
Whether the substrate used is a diamond single crystal or a semiconductor or metal single crystal other than diamond, it is polished close to the cubic {100}, {111}, and {110} crystal faces. It is desirable to grow the raised surface as the main surface of the single crystal substrate. However, the {100} plane is most preferable as the crystal plane, and the deviation from {100} is preferably within 10 degrees, more preferably within 2 degrees. Abnormal growth increases as the angle of deviation increases, and if it exceeds 10 degrees, polycrystalline components increase, which is not preferable.

【0026】ダイヤモンドの気相合成法では炭素、水
素、酸素以外の元素を供給してダイヤモンド中に少量の
不純物を混入してダイヤモンドの特性を制御することが
可能である。特に、ホウ素、窒素、リンなどはダイヤモ
ンドの電気的、光学的特性を制御するための不純物とし
て重要である。しかし、特に窒素はダイヤモンドの結晶
性低下の原因ともなるのでエッチングや成長の過程では
窒素の混入は[N]/[C]比で500ppm以下にす
ることが好ましい。
In the vapor phase synthesis method of diamond, it is possible to control the characteristics of diamond by supplying elements other than carbon, hydrogen and oxygen to mix a small amount of impurities into diamond. In particular, boron, nitrogen, phosphorus, etc. are important as impurities for controlling the electrical and optical properties of diamond. However, since nitrogen also causes deterioration of crystallinity of diamond, it is preferable to mix nitrogen in the process of etching and growth at a [N] / [C] ratio of 500 ppm or less.

【0027】気相でダイヤモンドを成長する前に単結晶
基板のエッチングを行うことが好ましい。ダイヤモン
ド、窒化ホウ素、炭化珪素、珪素、ゲルマニウムの場合
はダイヤモンドを成長する際に用いられる活性な水素や
酸素を含む雰囲気中で行うことができる。ニッケルのよ
うな金属の単結晶を用いる場合には酸素や水素ではエッ
チングが行われないので、フッ素や塩素などのハロゲン
を含む雰囲気中でエッチングを行うことができる。エッ
チングで除去される基材の厚さは1nm以下では効果が
なく、基板表面の傷やダストを完全に除去するために1
0nm以上のエッチングを行うことがより好ましい。
The single crystal substrate is preferably etched before the diamond is grown in the vapor phase. In the case of diamond, boron nitride, silicon carbide, silicon, or germanium, it can be carried out in an atmosphere containing active hydrogen or oxygen used when growing diamond. When a single crystal of a metal such as nickel is used, etching is not performed with oxygen or hydrogen, and therefore etching can be performed in an atmosphere containing halogen such as fluorine or chlorine. If the thickness of the substrate to be removed by etching is less than 1 nm, there is no effect, and in order to completely remove scratches and dust on the substrate surface,
It is more preferable to perform etching of 0 nm or more.

【0028】本発明の方法はダイヤモンド以外の基板を
用いるヘテロエピタキシャル成長や、複数の単結晶を基
材として用いる方法においても異常成長や欠陥の発生を
抑制することができるので、非常に有効であり大面積の
単結晶ダイヤモンドに準ずるものとして実用に供するこ
とのできるダイヤモンドを製造できる。
Since the method of the present invention can suppress the abnormal growth and the occurrence of defects even in the heteroepitaxial growth using a substrate other than diamond and the method using a plurality of single crystals as a base material, it is very effective and large. It is possible to manufacture a diamond that can be put to practical use as a diamond equivalent to a single crystal diamond having an area.

【0029】本発明は使用する気相合成プロセスが公知
の熱CVD法、プラズマCVD法、レーザーCVD法、
イオンビーム法等いずれの方法であっても有効である。
The present invention uses a thermal CVD method, a plasma CVD method, a laser CVD method, which is a known vapor phase synthesis process.
Any method such as the ion beam method is effective.

【0030】[0030]

【実施例】【Example】

(実施例1) 本実施例においては、超高圧法により人
工合成されたIb型ダイヤモンド単結晶から、スライス
し、研磨したものを基板として用いた。基板面方位が
{100}の基板を5個用意した。基板サイズはいずれ
も2mm×3mm、厚みは0.3mmである。いずれの
基板も面方位ズレは1度以下であることを反射電子回折
により確認した。
(Example 1) In this example, an Ib type diamond single crystal artificially synthesized by an ultrahigh pressure method was sliced and polished, and used as a substrate. Five substrates having a substrate plane orientation of {100} were prepared. The substrate size is 2 mm × 3 mm, and the thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of all substrates was 1 degree or less.

【0031】成長はマイクロ波プラズマCVD法により
行った。水素(H2)100sccm、メタン(CH4
10sccm、基板温度850℃で10時間成長させる
過程(比率A=4.2%)と、水素100sccm、メ
タン2sccm、基板温度1000℃で30時間成長さ
せる過程(比率A=1.0%)とを10回、全部で40
0時間成長させた。その結果、成長表面に異常成長は見
られず、ラマン分光によるスペクトルにダイヤモンドの
信号は1332cm-1に鋭く(半値巾<2cm-1)かつ
強く(S/B<signal/background>比>1000)見ら
れた。
The growth was performed by a microwave plasma CVD method. Hydrogen (H 2 ) 100 sccm, methane (CH 4 )
A process of growing at 10 sccm and a substrate temperature of 850 ° C. for 10 hours (ratio A = 4.2%) and a process of growing at 100 sccm of hydrogen, 2 sccm of methane and a substrate temperature of 1000 ° C. for 30 hours (ratio A = 1.0%). 10 times, 40 in total
It was grown for 0 hours. As a result, abnormal growth was not seen on the growth surface, the spectrum by Raman spectroscopy signals of the diamond are sharp in 1332 cm -1 (half width <2 cm -1) and strong (S / B <signal / background >ratio> 1000) I was seen.

【0032】また1580cm-1付近に現れるはずのア
モルファス炭素の信号は全く見られなかった。成長層の
断面を走査型電子顕微鏡で観察したところ、2次電子の
放出強度のコントラストから第1条件のメタン10sc
cmで10時間成長させた層は1回当り厚さ12μm、
第2条件のメタン2sccmで30時間成長させた層は
1回当り厚さ25μmであることがわかった。
Further, no signal of amorphous carbon which should appear near 1580 cm -1 was observed. When the cross section of the growth layer was observed with a scanning electron microscope, it was found that methane of 10 sc
The layer grown for 10 hours in cm has a thickness of 12 μm per time,
It was found that the layer grown at 2 sccm of methane under the second condition for 30 hours had a thickness of 25 μm per time.

【0033】(比較例1) 実施例1と同様の基板、即
ち超高圧法により人工合成されたIb{100}基板を
5個を用いた。基板サイズはいずれも2mm×3mm、
厚みは0.3mmである。いずれの基板も面方位ズレは
1度以下であることを反射電子回折により確認した。マ
イクロ波プラズマCVD法により水素100sccm、
メタン10sccm、基板温度850℃で400時間成
長させた。その結果、成長表面に異常成長は見られなか
ったが、ラマン分光によるスペクトルでは、ダイヤモン
ドの信号はブロードであり(半値巾=6cm-1)かつ強
いバックグランドが見られ、S/B比は2.5であっ
た。
(Comparative Example 1) The same substrates as in Example 1, that is, five Ib {100} substrates artificially synthesized by the ultrahigh pressure method were used. Substrate size is 2mm x 3mm,
The thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of all substrates was 1 degree or less. 100 sccm hydrogen by microwave plasma CVD method,
It was grown for 400 hours at 10 sccm of methane and a substrate temperature of 850 ° C. As a result, no abnormal growth was observed on the growth surface, but in the spectrum by Raman spectroscopy, the diamond signal was broad (half-width = 6 cm -1 ) and a strong background was observed, and the S / B ratio was 2 It was .5.

【0034】(比較例2) 実施例1と同様の基板、即
ち超高圧法により人工合成されたIb{100}基板を
5個を用いた。基板サイズはいずれも2mm×3mm、
厚みは0.3mmである。いずれの基板も面方位ズレは
1度以下であることを反射電子回折により確認した。マ
イクロ波プラズマCVD法により水素100sccm、
メタン2sccm、基板温度1000℃で400時間成
長させた。その結果、成長表面に異常成が見られ、X線
回折により多結晶化が進んでいることがわかった。
(Comparative Example 2) The same substrates as in Example 1, that is, five Ib {100} substrates artificially synthesized by the ultrahigh pressure method were used. Substrate size is 2mm x 3mm,
The thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of all substrates was 1 degree or less. 100 sccm hydrogen by microwave plasma CVD method,
It was grown at a methane of 2 sccm and a substrate temperature of 1000 ° C. for 400 hours. As a result, abnormal growth was observed on the growth surface, and it was found that polycrystallization was advanced by X-ray diffraction.

【0035】(実施例2) 本実施例においては、超高
圧法により人工合成されたIb型ダイヤモンド単結晶か
らスライスし研磨したもの、及び天然のIIa型のダイヤ
モンドからスライスし研磨したものを基板として用い
た。基板面方位が{100}の基板をそれぞれ3個用意
した。基板サイズはいずれも2mm×3mm、厚みは
0.3mmである。いずれの基板も面方位ズレは0.5度
以下であることを反射電子回折により確認した。
Example 2 In this example, substrates obtained by slicing and polishing an Ib type diamond single crystal artificially synthesized by the ultra-high pressure method and slicing and polishing a natural type IIa diamond were used as substrates. Using. Three substrates each having a substrate plane orientation of {100} were prepared. The substrate size is 2 mm × 3 mm, and the thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of each of the substrates was 0.5 degrees or less.

【0036】成長はマイクロ波プラズマCVD法により
行った。水素(H2)100sccm、メタン(CH4
3sccm、基板温度1200℃で20時間成長させる
過程と同じガス成分で基板温度950℃で20時間成長
させる過程を10回、全部で400時間成長させた。そ
の結果、成長表面に異常成長は見られず、ラマン分光に
よるスペクトルにダイヤモンドの信号は鋭く(半値巾<
2.5cm-1)かつ強く(S/B比>1000)見られ
た。またアモルファス炭素の信号は全く見られなかっ
た。第1条件の層は1回当り厚さ30μm、第2条件の
層は1回当り厚さ24μmであることがわかった。
The growth was performed by the microwave plasma CVD method. Hydrogen (H 2 ) 100 sccm, methane (CH 4 )
A process of growing for 20 hours at a substrate temperature of 950 ° C. with the same gas component as the process of growing for 20 hours at 3 sccm and a substrate temperature of 1200 ° C. was grown 10 times, for a total of 400 hours. As a result, no abnormal growth was observed on the growth surface, and the Raman spectrum showed a sharp diamond signal (half-value width <
2.5 cm −1 ) and strongly (S / B ratio> 1000). Also, no signal of amorphous carbon was observed. It was found that the layer under the first condition had a thickness of 30 μm per time, and the layer under the second condition had a thickness of 24 μm per time.

【0037】(実施例3) 超高圧法により人工合成さ
れたIb型ダイヤモンド単結晶からスライスし研磨した
ものを基板として用いた。基板面方位が{100}の基
板を3個用意した。基板サイズはいずれも2mm×4m
m、厚みは0.3mmである。いずれの基板も面方位ズ
レは2度以下であることを反射電子回折により確認し
た。
Example 3 An Ib type diamond single crystal artificially synthesized by an ultrahigh pressure method was sliced and polished, and used as a substrate. Three substrates having a substrate plane orientation of {100} were prepared. Substrate size is 2mm x 4m
m and the thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of all substrates was 2 degrees or less.

【0038】成長はマイクロ波プラズマCVD法により
行った。水素(H2)100sccm、メタン(CH4
12sccm、二酸化炭素(CO2)2sccm、基板
温度950℃で5時間成長させる過程(比率B=4.
0)と、水素(H2)100sccm、メタン(CH4
8sccm、二酸化炭素(CO2)5sccm、基板温
度950℃で35時間成長させる過程(比率B=1.
3)を10回、全部で400時間成長させた。
The growth was performed by the microwave plasma CVD method. Hydrogen (H 2 ) 100 sccm, methane (CH 4 )
12 sccm, carbon dioxide (CO 2 ) 2 sccm, substrate temperature of 950 ° C. for 5 hours for growth (ratio B = 4.
0), hydrogen (H 2 ) 100 sccm, methane (CH 4 )
8 sccm, carbon dioxide (CO 2 ) 5 sccm, substrate temperature of 950 ° C. for 35 hours for growth (ratio B = 1.
3) was grown 10 times for a total of 400 hours.

【0039】その結果、成長表面に異常成長は見られ
ず、ラマン分光によるスペクトルにダイヤモンドの信号
は鋭く(半値巾<2.0cm-1)かつ強く(S/B比>
1000)見られた。またアモルファス炭素の信号は全
く見られなかった。第1条件の層は1回当り厚さ9μ
m、第2条件の層は1回当り厚さ28μmであることが
わかった。
As a result, no abnormal growth was observed on the growth surface, and the Raman spectrum showed that the diamond signal was sharp (half-width <2.0 cm -1 ) and strong (S / B ratio>).
1000) was seen. Also, no signal of amorphous carbon was observed. The first condition layer is 9μ thick
It was found that the layer under the second condition had a thickness of 28 μm per time.

【0040】(実施例4) 超高圧法により人工合成さ
れたIb型ダイヤモンド単結晶からスライスし研磨した
ものを基板として用いた。基板面方位が{100}の基
板を2個用意した。基板サイズはいずれも2mm×3m
m、厚みは0.3mmである。いずれの基板も面方位ズ
レは2度以下であることを反射電子回折により確認し
た。
Example 4 A substrate was prepared by slicing and polishing an Ib type diamond single crystal artificially synthesized by an ultrahigh pressure method. Two substrates having a substrate plane orientation of {100} were prepared. Substrate size is 2mm x 3m
m and the thickness is 0.3 mm. It was confirmed by backscattered electron diffraction that the plane orientation deviation of all substrates was 2 degrees or less.

【0041】成長はマイクロ波プラズマCVD法により
行った。水素(H2)100sccm、メタン(CH4
6sccm、基板温度1150℃で15時間成長させる
過程(比率A=2.7%)と、水素(H2)100sc
cm、メタン(CH4)3sccm、基板温度830℃
で25時間成長させる過程(比率A=1.4%)を10
回、全部で400時間成長させた。
The growth was performed by the microwave plasma CVD method. Hydrogen (H 2 ) 100 sccm, methane (CH 4 )
6 sccm, process of growing at a substrate temperature of 1150 ° C. for 15 hours (ratio A = 2.7%), and hydrogen (H 2 ) 100 sc
cm, methane (CH 4 ) 3 sccm, substrate temperature 830 ° C.
10 hours during the process of growing for 25 hours (ratio A = 1.4%)
Once, it was grown for a total of 400 hours.

【0042】その結果、成長表面に異常成長は見られ
ず、ラマン分光によるスペクトルにダイヤモンドの信号
は鋭く(半値巾<2.5cm-1)かつ強く(S/B比>
1000)見られた。またアモルファス炭素の信号は全
く見られなかった。第1条件の層は1回当り厚さ25μ
m、第2条件の層は1回当り厚さ21μmであることが
わかった。
As a result, no abnormal growth was observed on the growth surface, and the Raman spectrum showed that the diamond signal was sharp (half width <2.5 cm -1 ) and strong (S / B ratio>).
1000) was seen. Also, no signal of amorphous carbon was observed. The thickness of the layer under the first condition is 25μ per time.
It was found that the layer under the second condition had a thickness of 21 μm per time.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によれば、均質で異常成長が少な
い厚膜のダイヤモンド単結晶を容易に得ることができ
る。成長を気相合成法により行なうので、ダイヤモンド
に硼素や窒素などの種々のドーピングをすることが可能
である。したがって本発明の製造方法によって得られる
ダイヤモンドは、精密工具刃先、耐摩工具、耐熱工具、
半導体基材、放熱基板、高圧相半導体材料、光学材料、
音響振動板などに幅広く用いることができる。
According to the present invention, it is possible to easily obtain a thick film diamond single crystal which is homogeneous and has little abnormal growth. Since the growth is performed by the vapor phase synthesis method, it is possible to dope various kinds of diamond such as boron and nitrogen. Therefore, the diamond obtained by the manufacturing method of the present invention is a precision tool cutting edge, a wear resistant tool, a heat resistant tool,
Semiconductor substrate, heat dissipation substrate, high voltage phase semiconductor material, optical material,
It can be widely used as an acoustic diaphragm.

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

【図1】本発明の方法によって成長した異常成長のない
単結晶の断面模式図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a single crystal grown by the method of the present invention without abnormal growth.

【図2】従来の方法によって成長した異常成長の発生し
た成長例。
FIG. 2 is a growth example in which abnormal growth occurs according to a conventional method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:単結晶基板 2:成長したダイヤモンド単結晶層 3:異常成長部分 1: single crystal substrate 2: grown diamond single crystal layer 3: abnormally grown portion

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶基板の{100}面または{10
0}面からのずれが10度以内である面の上に、少なく
とも炭素と水素を含む気相からダイヤモンドをエピタキ
シャル成長させる方法であって、 気相中の炭素と水素の元素量の比率A(A=[C]/
[H])が1.5%以上の条件において0.1μm以上
300μm以下のダイヤモンド層を成長させる過程と、 Aが1.5%未満において0.1μm以上300μm以
下のダイヤモンド層を成長させる過程と、 からなる異なる2種以上の過程を少なくとも交互に2回
以上繰り返すことを含むことを特徴とするダイヤモンド
の合成法。
1. A {100} plane or {10} of a single crystal substrate.
A method of epitaxially growing diamond from a vapor phase containing at least carbon and hydrogen on a plane having a deviation from the 0} plane of 10 degrees or less, wherein the ratio of the element amounts of carbon and hydrogen in the vapor phase A (A = [C] /
A process of growing a diamond layer of 0.1 μm or more and 300 μm or less under the condition that [H]) is 1.5% or more, and a process of growing a diamond layer of 0.1 μm or more and 300 μm or less when A is less than 1.5%. A method for synthesizing diamond, which comprises repeating two or more different processes consisting of, at least alternately two or more times.
【請求項2】 単結晶基板の{100}面または{10
0}面からのずれが10度以内である面の上に少なくと
も炭素と水素を含む気相からダイヤモンドをエピタキシ
ャル成長させる方法であって、 成長のいずれかの段階で酸素を含む原料を気相中に供給
する場合に、 気相中の炭素、水素、酸素の元素量から求められる値B
=([C]−[O])/[H])が1.5%以上の条件
において0.1μm以上300μm以下のダイヤモンド
層を成長させる過程とBが1.5%未満において少なく
とも0.1μm以上300μm以下のダイヤモンド層を
成長させる過程と、 からなる異なる2種以上の過程を少なくとも交互に2回
以上繰り返すことを含むことを特徴とするダイヤモンド
の合成法。
2. A {100} plane or a {10} plane of a single crystal substrate.
A method for epitaxially growing diamond from a vapor phase containing at least carbon and hydrogen on a plane having a deviation from the 0} plane of 10 degrees or less, wherein a raw material containing oxygen is added to the vapor phase at any stage of the growth. When supplied, the value B obtained from the elemental amounts of carbon, hydrogen, and oxygen in the gas phase
= ([C]-[O]) / [H]) is 1.5% or more, a process of growing a diamond layer of 0.1 μm or more and 300 μm or less and B is less than 1.5% and at least 0.1 μm. A method for synthesizing diamond, which comprises repeating a process of growing a diamond layer having a thickness of 300 μm or less and two or more different processes consisting of at least alternately two or more times.
【請求項3】 単結晶基板の{100}面または{10
0}面からのずれが10度以内である面の上に少なくと
も炭素と水素を含む気相からダイヤモンドをエピタキシ
ャル成長させる方法であって、 成長のいずれかの段階で酸素を含む原料を気相中に供給
する場合に、 基板温度を1100℃以上として0.1μm以上300
μm以下のダイヤモンド層を成長させる過程と、基板温
度を1000℃以下として0.1μm以上300μm以
下のダイヤモンド層を成長させる過程と、 からなる異なる2種以上の過程を少なくとも2回以上繰
り返すことを含むことを特徴とするダイヤモンドの合成
法。
3. A {100} plane or a {10} plane of a single crystal substrate.
A method for epitaxially growing diamond from a vapor phase containing at least carbon and hydrogen on a plane having a deviation from the 0} plane of 10 degrees or less, wherein a raw material containing oxygen is added to the vapor phase at any stage of the growth. When supplying, set the substrate temperature to 1100 ° C or higher and 0.1 μm or higher to 300
a step of growing a diamond layer of less than μm, a step of growing a diamond layer of 0.1 μm or more and 300 μm or less at a substrate temperature of 1000 ° C. or less, and repeating two or more different types of steps at least twice. A method for synthesizing diamond, which is characterized in that
【請求項4】 単結晶基板がダイヤモンドであることを
特徴とする請求項1、2または3に記載のダイヤモンド
の合成法。
4. The method for synthesizing diamond according to claim 1, 2 or 3, wherein the single crystal substrate is diamond.
【請求項5】 単結晶基板が、ニッケル、銅、コバルト
および鉄から選ばれた1種または2種以上を主成分とす
る合金の単結晶である、請求項1、2または3に記載の
ダイヤモンドの合成法。
5. The diamond according to claim 1, 2 or 3, wherein the single crystal substrate is a single crystal of an alloy whose main component is one or more selected from nickel, copper, cobalt and iron. Method of synthesis.
【請求項6】 単結晶基板が、立方晶窒化ホウ素、炭化
珪素、珪素、ゲルマニウム、または珪素とゲルマニウム
の合金のうちのいずれかの単結晶である、請求項1、2
または3に記載のダイヤモンドの合成法。
6. The single crystal substrate is a single crystal of cubic boron nitride, silicon carbide, silicon, germanium, or an alloy of silicon and germanium.
Alternatively, the method for synthesizing diamond according to 3 above.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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