JPH06247795A - Formation of diamond single crystal film - Google Patents

Formation of diamond single crystal film

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JPH06247795A
JPH06247795A JP3695193A JP3695193A JPH06247795A JP H06247795 A JPH06247795 A JP H06247795A JP 3695193 A JP3695193 A JP 3695193A JP 3695193 A JP3695193 A JP 3695193A JP H06247795 A JPH06247795 A JP H06247795A
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JP
Japan
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single crystal
film
nickel
diamond
crystal film
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JP3695193A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Fujita
英樹 藤田
Takaaki Kashiwatani
隆昭 柏谷
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Onoda Cement Co Ltd
Original Assignee
Onoda Cement Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To easily form a diamond single crystal film as a thin continuous film having a smooth surface. CONSTITUTION:A nickel single crystal film or a nickel-contg. alloy single crystal film is epitaxial-grown on an oxide single crystal a substrate having a perovskite type structure and then a diamond single crystal film is formed on the grown film by a chemical vapor growth method.

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単結晶膜の
形成方法に関し、更に詳しくは、各種高機能材料として
有用なダイヤモンド単結晶膜を簡便に形成する方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a diamond single crystal film, and more particularly to a method for simply forming a diamond single crystal film useful as various highly functional materials.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】近年、
化学気相法によるダイヤモンドの合成方法が各方面で開
発され、電子材料、光学材料等に有用なダイヤモンド膜
の作成が可能となったが、得られるものは、通常、多結
晶膜である。
2. Description of the Related Art In recent years,
A method of synthesizing diamond by a chemical vapor method has been developed in various fields, and it has become possible to produce a diamond film useful for electronic materials, optical materials and the like, but the obtained one is usually a polycrystalline film.

【0003】ダイヤモンドは、特定の不純物を添加する
ことにより半導体化することが知られているが、上記多
結晶膜を半導体化しようとしても、結晶粒が無秩序に配
列しているため、方位による不純物濃度の不均一が生
じ、高性能半導体素子を得ることは困難である。更に、
多結晶膜においては、粒界が電気的・光学的性質を劣化
させること、また、各結晶粒内部に種々の高密度欠陥が
存在すること等が知られている。従って、結晶本来の優
れた性質が要求される高機能材料には、シリコン半導体
の例からも明らかなように、単結晶材料を使用すること
が不可欠である。
It is known that diamond is made into a semiconductor by adding a specific impurity, but even if an attempt is made to make the above-mentioned polycrystalline film into a semiconductor, since the crystal grains are randomly arranged, the impurities due to the orientation It is difficult to obtain a high-performance semiconductor device because of non-uniform concentration. Furthermore,
It is known that grain boundaries in a polycrystalline film deteriorate electrical and optical properties, and that various high-density defects exist inside each crystal grain. Therefore, as is apparent from the example of the silicon semiconductor, it is essential to use a single crystal material for a high-performance material that is required to have excellent original crystal properties.

【0004】このような背景から、ダイヤモンド単結晶
膜の形成方法を確立するための試みが種々なされてきて
いる。例えば、ダイヤモンド基板上にホモエピタキシャ
ル膜を成長させる方法が知られているが、上記基板は天
然に又は高圧合成により得られるものであって、その大
きさの制約やコストから、実用的な方法とはいい難い。
また、立方晶窒化ホウ素(cBN)基板上にダイヤモン
ド単結晶膜をいわゆるヘテロエピタキシャル成長させる
方法も知られているが、該cBN基板の形成には超高圧
を要し、その形成が困難なものであることから、上記方
法も大きな工業的価値を有するものではない。
Against this background, various attempts have been made to establish a method for forming a diamond single crystal film. For example, a method of growing a homoepitaxial film on a diamond substrate is known, but the substrate is obtained naturally or by high-pressure synthesis, and is a practical method because of its size and cost. Is hard to say.
There is also known a method of so-called heteroepitaxial growth of a diamond single crystal film on a cubic boron nitride (cBN) substrate, but the formation of the cBN substrate requires ultrahigh pressure and is difficult to form. Therefore, the above method also does not have great industrial value.

【0005】最近になって、格子定数がダイヤモンドに
近似するニッケルを基板として用い、その上にダイヤモ
ンド膜をエピタキシャル成長する方法が報告されている
〔第4回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集pp.1
3〜14(1991)〕。ニッケルは、前記ダイヤモン
ドやcBNに比べ、大きな単結晶を容易に形成すること
ができるため、ダイヤモンド単結晶膜形成用基板材料と
して実用に供し得るものと期待される。
Recently, a method has been reported in which nickel having a lattice constant close to that of diamond is used as a substrate and a diamond film is epitaxially grown thereon [Abstracts of the 4th Diamond Symposium pp. 1
3-14 (1991)]. Nickel can easily form a large single crystal as compared with the diamond or cBN, and is expected to be put to practical use as a substrate material for forming a diamond single crystal film.

【0006】しかし、ニッケルは炭素を固溶する性質を
有することから、これに起因するいくつかの問題点が生
じている。一つは、ダイヤモンドの核発生密度が小さい
ため、膜表面の平滑度が悪化し、極端な場合には連続膜
を形成できなくなる点である。今一つは、析出したダイ
ヤモンドとニッケルとの界面で反応が起こるため、ダイ
ヤモンドがニッケルに浸食される点である。
However, since nickel has a property of dissolving carbon in solid solution, some problems resulting from this have occurred. One is that since the nucleus generation density of diamond is low, the smoothness of the film surface deteriorates, and in extreme cases, a continuous film cannot be formed. Another is that the diamond is eroded by nickel because a reaction occurs at the interface between the deposited diamond and nickel.

【0007】ニッケルが炭素を固溶することに起因する
問題を解決するため、酸化マグネシウム(MgO)単結
晶の上にニッケル単結晶膜をエピタキシャル成長させ、
これによりニッケルの体積を小さくするという試みが提
案されている〔第39回応用物理学関係連合講演会予稿
集、p.423(1992)〕。
In order to solve the problem caused by the solid solution of nickel with carbon, a nickel single crystal film is epitaxially grown on a magnesium oxide (MgO) single crystal,
As a result, an attempt to reduce the volume of nickel has been proposed [Proceedings of the 39th Joint Lecture on Applied Physics, p. 423 (1992)].

【0008】しかし、上記方法はMgO単結晶を下地に
用いているため、長時間のダイヤモンド合成では、Mg
O単結晶が還元、炭化されるので、ニッケル膜の一部が
剥離したり、炭化マグネシウム結晶を含む不完全なダイ
ヤモンド膜となったりし、良好なダイヤモンド単結晶膜
を効率よく形成することは困難である。
However, since the above method uses the MgO single crystal as the underlayer, the Mg
Since the O single crystal is reduced and carbonized, a part of the nickel film is peeled off or an incomplete diamond film containing magnesium carbide crystals is formed, and it is difficult to efficiently form a good diamond single crystal film. Is.

【0009】そこで、上記問題点を解決し、表面が平滑
で薄い膜厚のダイヤモンド単結晶膜を簡便に形成する方
法の開発が望まれていた。
Therefore, it has been desired to develop a method for solving the above problems and simply forming a diamond single crystal film having a smooth surface and a thin film thickness.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる実
情に鑑み鋭意検討した結果、ペロブスカイト型構造を有
する酸化物単結晶上に、ニッケル単結晶膜を設け、その
上に化学気相成長法によりダイヤモンドを成膜させれ
ば、表面が非常に平滑で薄い膜厚のダイヤモンド単結晶
膜が簡便に得られることを見出し、本発明を完成するに
至った。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have made earnest studies in view of such circumstances, and as a result, provided a nickel single crystal film on an oxide single crystal having a perovskite structure, and then performing chemical vapor deposition on the nickel single crystal film. It was found that a diamond single crystal film having a very smooth surface and a thin film thickness can be easily obtained by forming a diamond film by the method, and completed the present invention.

【0011】すなわち、本発明は、ペロブスカイト型構
造を有する酸化物単結晶基板上にニッケル単結晶膜又は
ニッケル含有合金単結晶膜をエピタキシャル成長せしめ
た後、該膜上に化学気相成長法によりダイヤモンド単結
晶膜を形成することを特徴とするダイヤモンド単結晶膜
の形成方法を提供するものである。
That is, according to the present invention, after a nickel single crystal film or a nickel-containing alloy single crystal film is epitaxially grown on an oxide single crystal substrate having a perovskite structure, diamond single crystal film is grown on the film by chemical vapor deposition. The present invention provides a method for forming a diamond single crystal film, which is characterized by forming a crystal film.

【0012】本発明に使用されるペロブスカイト型構造
を有する酸化物単結晶は、単結晶インゴットから切り出
したものでも、また、シリコン等の単結晶材料上にエピ
タキシャル成長させて得られる単結晶膜でもよい。ペロ
ブスカイト型構造を有する酸化物単結晶材料としては、
ニッケル及びニッケル含有合金の単結晶膜をその上に形
成可能なものならいずれでもよく、例えばチタン酸スト
ロンチウム(SrTiO3)、チタン酸鉛(PbTiO3)、チタン
酸カルシウム(CaTiO3)、チタン酸バリウム(BaTi
O3)、ジルコン酸鉛(PbZrO3)、ジルコン酸バリウム
(BaZrO3)やこれらの固溶体が挙げられる。これらのう
ち、ニッケル及びダイヤモンドの双方に格子定数が近似
し、しかもダイヤモンド単結晶膜形成のために高温加熱
しても安定な結晶構造を維持し得るチタン酸ストロンチ
ウム、チタン酸バリウム等が好ましい。
The oxide single crystal having a perovskite structure used in the present invention may be a single crystal ingot cut out or a single crystal film obtained by epitaxial growth on a single crystal material such as silicon. As an oxide single crystal material having a perovskite structure,
Any material that can form a single crystal film of nickel and a nickel-containing alloy on it may be used, such as strontium titanate (SrTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), barium titanate. (BaTi
O 3 ), lead zirconate (PbZrO 3 ), barium zirconate (BaZrO 3 ), and solid solutions of these. Of these, strontium titanate, barium titanate, and the like, which have a lattice constant close to that of both nickel and diamond and can maintain a stable crystal structure even when heated at high temperature for forming a diamond single crystal film, are preferable.

【0013】本発明においては、上記ペロブスカイト型
構造を有する酸化物単結晶基板上にニッケル又はニッケ
ル含有合金の単結晶膜をエピタキシャル成長せしめる。
エピタキシャル成長は、例えばスパッタリング法、真空
蒸着法等の公知の手段により、通常の条件下に行わせる
ことができる。
In the present invention, a single crystal film of nickel or a nickel-containing alloy is epitaxially grown on the oxide single crystal substrate having the perovskite structure.
Epitaxial growth can be performed under ordinary conditions by a known means such as a sputtering method or a vacuum vapor deposition method.

【0014】膜厚は、特に制限されないが、例えばニッ
ケルのみの単結晶膜の場合、10nm〜10μm が好まし
い。10μm を超えると、核発生が困難となることか
ら、形成されるダイヤモンドがニッケルに浸食されやす
くなり好ましくない。一方、10nm未満では、ニッケル
の蒸気圧が高温下で比較的高いことから、ダイヤモンド
膜形成中にニッケルが蒸発したり、また、特にプラズマ
法を用いる場合にはプラズマによりニッケルがスパッタ
され、膜が消失してしまうことがあり、好ましくない。
The film thickness is not particularly limited, but for example, in the case of a single crystal film of nickel only, 10 nm to 10 μm is preferable. If it exceeds 10 μm, it becomes difficult to generate nuclei, and the formed diamond is easily corroded by nickel, which is not preferable. On the other hand, when the thickness is less than 10 nm, the vapor pressure of nickel is relatively high at a high temperature, so that nickel is evaporated during the diamond film formation, and particularly when the plasma method is used, nickel is sputtered by plasma and the film is formed. It may disappear, which is not preferable.

【0015】このように、ニッケル単結晶膜又はニッケ
ル含有合金単結晶膜の膜厚を調整することにより、ダイ
ヤモンドの核発生密度の低減やニッケルによる浸食を抑
制することができる。
As described above, by adjusting the film thickness of the nickel single crystal film or the nickel-containing alloy single crystal film, it is possible to reduce the nucleus generation density of diamond and suppress corrosion by nickel.

【0016】本発明に使用されるニッケル含有合金を形
成するニッケル以外の金属としては、例えばパラジウ
ム、銅、コバルト、鉄、白金、クロム、金、チタン、マ
ンガン等が挙げられるが、中でも、ニッケルと結晶構造
や格子定数が近く固溶体を形成し易いパラジウム、銅、
コバルト、鉄が好ましい。これらニッケル以外の金属は
一種でも、また、二種以上を使用してもよい。
Examples of the metal other than nickel forming the nickel-containing alloy used in the present invention include palladium, copper, cobalt, iron, platinum, chromium, gold, titanium, manganese and the like. Among them, nickel and Palladium, copper, which has a close crystal structure and lattice constant and is easy to form a solid solution,
Cobalt and iron are preferred. These metals other than nickel may be used alone or in combination of two or more.

【0017】上記ニッケル以外の金属のニッケル含有合
金中の含有量は、パラジウム、銅、コバルト及び鉄につ
いては50atm%以下、その他の金属については10atm
%以下が好ましい。このように、ニッケル含有合金の組
成を制御することにより、その格子定数をダイヤモンド
のそれに近似させ、更に炭素の該合金への溶解度を小さ
くすることができるが、一方、ニッケル以外の金属の含
有量が多くなりすぎるとダイヤモンド単結晶膜のエピタ
キシャル成長がしばしば阻害される。
The content of metals other than nickel in the nickel-containing alloy is 50 atm% or less for palladium, copper, cobalt and iron, and 10 atm for other metals.
% Or less is preferable. In this way, by controlling the composition of the nickel-containing alloy, its lattice constant can be approximated to that of diamond, and the solubility of carbon in the alloy can be reduced, while the content of metals other than nickel can be reduced. If the amount is too large, the epitaxial growth of the diamond single crystal film is often hindered.

【0018】本発明においては、前記酸化物単結晶上に
形成する上記ニッケル単結晶膜又はニッケル含有合金単
結晶膜の上に、更にダイヤモンド単結晶膜を化学気相成
長法によりエピタキシャル成長せしめる。
In the present invention, a diamond single crystal film is epitaxially grown by a chemical vapor deposition method on the nickel single crystal film or the nickel-containing alloy single crystal film formed on the oxide single crystal.

【0019】本発明に使用される化学気相成長法(以
下、「CVD法」ということがある)としては、従来、
ダイヤモンド膜形成に使用されてきている、炭素含有ガ
スを原料として用いる種々のCVD法を使用することが
できる。具体例としては、赤熱したフィラメントによる
ガスの熱分解を利用する熱フィラメントCVD法、放電
によりガスをプラズマ化するマイクロ波プラズマCVD
法、高周波プラズマCVD法、直流プラズマCVD法、
直流アークプラズマCVD法等の各種プラズマCVD
法、アセチレン−酸素混合ガスの燃焼炎を利用する燃焼
炎CVD法などが挙げられる。
The chemical vapor deposition method (hereinafter sometimes referred to as "CVD method") used in the present invention has been conventionally
Various CVD methods using a carbon-containing gas as a raw material, which have been used for forming a diamond film, can be used. Specific examples include a hot filament CVD method that utilizes the thermal decomposition of gas by a filament that has been heated red, and a microwave plasma CVD that converts gas into plasma by electric discharge.
Method, high frequency plasma CVD method, direct current plasma CVD method,
Various plasma CVD such as DC arc plasma CVD method
Method, a combustion flame CVD method using a combustion flame of acetylene-oxygen mixed gas, and the like.

【0020】上記CVD法に使用するガスとしては、メ
タン、エタン、アセチレン、ベンゼン等の炭化水素、エ
タノール等のアルコール、一酸化炭素などの炭素含有ガ
スを水素ガスで希釈したものや、また、炭素含有ガスに
酸素、水蒸気、二酸化炭素等の酸素含有ガスを添加した
ものを使用してもよい。更に、必要に応じ、アルゴン、
ヘリウム等の不活性ガス、窒素などを混合させてもよ
い。
Examples of the gas used in the above CVD method include hydrocarbons such as methane, ethane, acetylene and benzene, alcohols such as ethanol, carbon-containing gas such as carbon monoxide diluted with hydrogen gas, and carbon. You may use what added oxygen containing gas, such as oxygen, steam, and carbon dioxide, to the containing gas. Furthermore, if necessary, argon,
You may mix inert gas, such as helium, and nitrogen.

【0021】本発明においては、上記いずれかのCVD
法を、上記ガスを適宜選択使用して、それぞれ通常条件
下に適用することによりダイヤモンド単結晶膜をエピタ
キシャル成長させることができる。
In the present invention, any one of the above CVDs
The diamond single crystal film can be epitaxially grown by applying the method under normal conditions by appropriately using the above gases.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明の方法により、ダイヤモンド単結
晶膜を簡便に得ることができる。しかも、本発明方法に
よれば、ダイヤモンド単結晶膜形成初期の核発生密度が
高いため、表面が非常に平滑な、薄い膜厚の連続膜を容
易に形成できる。更に、基板材料からの汚染物質の混入
が極めて低減された高純度のダイヤモンド単結晶膜を得
ることができる。
According to the method of the present invention, a diamond single crystal film can be easily obtained. Moreover, according to the method of the present invention, since the nucleus generation density is high at the initial stage of diamond single crystal film formation, it is possible to easily form a thin continuous film having a very smooth surface. Further, it is possible to obtain a high-purity diamond single crystal film in which contamination of contaminants from the substrate material is extremely reduced.

【0023】[0023]

【実施例】以下に本発明を実施例により具体的に説明す
るが、本発明はこれらに限定されるものではない。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.

【0024】実施例1 まず、大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)
面のチタン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装
置を用いて厚さ500nmのニッケル薄膜を形成した。ニ
ッケル薄膜の形成条件は、雰囲気ガスとしてアルゴンを
用い、その圧力が1.5Pa、基板温度が400℃、ま
た、プラズマ密度が6.8W/cm2 であった。このニッ
ケル薄膜についてRHEED(反射高速電子回折)によ
り方位を測定した結果、(001)単結晶薄膜となって
おり、下地チタン酸ストロンチウムに対しパラレルエピ
タキシーの関係にあった。上記方法で作成した基板を内
径40mmφの石英ガラス製反応管内の基板ホルダー上に
設置し、ロータリポンプと油拡散ポンプとにより反応管
内の排気を行った。10-4Torrまで排気した後、水素ガ
スを99.2ml/min の流量で流し、反応管内の圧力が
6.7kPa となるように調整した。次に、反応管外部か
ら、基板を設置した場所へ周波数2.45GHz のマイク
ロ波を反応管に垂直な方向より印加し、プラズマを発生
させた。プラズマ点灯後、マイクロ波投入電力を調整し
て基板温度を890℃となるように設定した。この時の
マイクロ波投入電力は500Wであった。基板温度は反
応管上部の石英窓より放射温度計により測定した。基板
温度が890℃で一定となった時点で、メタンガスを
0.8ml/min の流量で添加し、反応管内の圧力が6.
7kPa となるように再調整した。以上の条件で30分間
膜形成を行ったところ、ニッケル上に結晶学的方位の揃
った物質が粒状に析出した。ラマン分光法によりこれら
の粒状の物質がダイヤモンドであることを確認した。こ
の粒状のダイヤモンドの密度は107 〜108 個/cm2
程度であった。また、RHEEDにより、これらの粒状
ダイヤモンドが基板上にパラレルにエピタキシャル成長
していることがわかった。同じ条件で更に5時間膜形成
を行ったところ、膜厚が約5μm の表面が平滑なダイヤ
モンド(001)単結晶膜を得た。
Example 1 First, the size is 15 mm × 15 mm × 1 mmt, and the azimuth (001)
A 500 nm-thick nickel thin film was formed on the strontium titanate single crystal substrate on the surface using a sputtering apparatus. As the conditions for forming the nickel thin film, argon was used as the atmosphere gas, the pressure was 1.5 Pa, the substrate temperature was 400 ° C., and the plasma density was 6.8 W / cm 2 . As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED (reflection high-energy electron diffraction), it was a (001) single crystal thin film, which had a parallel epitaxy relationship with the underlying strontium titanate. The substrate prepared by the above method was placed on a substrate holder in a quartz glass reaction tube having an inner diameter of 40 mm, and the reaction tube was evacuated by a rotary pump and an oil diffusion pump. After exhausting to 10 −4 Torr, hydrogen gas was caused to flow at a flow rate of 99.2 ml / min to adjust the pressure inside the reaction tube to 6.7 kPa. Next, a microwave having a frequency of 2.45 GHz was applied from the outside of the reaction tube to the place where the substrate was placed in a direction perpendicular to the reaction tube to generate plasma. After the plasma was turned on, the microwave input power was adjusted to set the substrate temperature to 890 ° C. The microwave input power at this time was 500W. The substrate temperature was measured with a radiation thermometer through a quartz window above the reaction tube. When the substrate temperature became constant at 890 ° C, methane gas was added at a flow rate of 0.8 ml / min, and the pressure in the reaction tube was adjusted to 6.
Readjusted to be 7 kPa. When a film was formed under the above conditions for 30 minutes, a substance having a uniform crystallographic orientation was granularly deposited on nickel. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond is 10 7 to 10 8 pieces / cm 2
It was about. Further, it was found by RHEED that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. When film formation was performed for another 5 hours under the same conditions, a diamond (001) single crystal film having a film thickness of about 5 μm and a smooth surface was obtained.

【0025】実施例2 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)面のチ
タン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装置を用
いて、実施例1と同様の条件で、厚さ1μm のニッケル
薄膜を形成した。このニッケル薄膜をRHEEDにより
方位を測定した結果、(001)単結晶薄膜となってお
り、下地チタン酸ストロンチウムとパラレルエピタキシ
ーの関係にあった。上記方法で作成した基板上に、実施
例1で示したマイクロ波プラズマCVD法により実施例
1と同じ条件で30分間膜形成を行ったところ、ニッケ
ル上に結晶学的方位の揃った物質が粒状に析出した。ラ
マン分光法によりこれらの粒状の物質がダイヤモンドで
あることを確認した。この粒状のダイヤモンドの密度は
実施例1の場合よりやや低く106 〜107 個/cm2
度であった。またRHEEDにより、これらの粒状ダイ
ヤモンドが基板にパラレルにエピタキシャル成長してい
ることがわかった。同じ条件で更に5時間膜形成を行っ
たところ、膜厚が約5μm の表面が比較的平滑なダイヤ
モンド(001)単結晶膜を得た。
Example 2 A 1 μm thick nickel thin film was formed on a strontium titanate single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane under the same conditions as in Example 1 using a sputtering apparatus. Formed. As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED, it was found to be a (001) single crystal thin film, which had a relationship of parallel epitaxy with the underlying strontium titanate. A film was formed on the substrate prepared by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 30 minutes. Deposited on. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond was slightly lower than that of Example 1 and was about 10 6 to 10 7 pieces / cm 2 . Moreover, it was found by RHEED that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. When film formation was performed for 5 hours under the same conditions, a diamond (001) single crystal film having a film thickness of about 5 μm and a relatively smooth surface was obtained.

【0026】実施例3 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(111)面のチ
タン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装置を用
いて、実施例1と同様の条件で、厚さ500nmのニッケ
ル薄膜を形成した。このニッケル薄膜をRHEEDによ
り方位を測定した結果、(111)単結晶薄膜となって
おり、下地チタン酸ストロンチウムとパラレルエピタキ
シーの関係にあった。上記方法で作成した基板上に、実
施例1で示したマイクロ波プラズマCVD法により、実
施例1と同じ条件で30分間膜形成を行ったところ、ニ
ッケル上に結晶学的方位の揃った物質が粒状に析出し
た。ラマン分光法によりこれらの粒状の物質がダイヤモ
ンドであることを確認した。この粒状のダイヤモンドの
密度は107 〜108 個/cm2 程度であった。またRH
EEDにより、これらの粒状ダイヤモンドが基板にパラ
レルにエピタキシャル成長していることがわかった。同
じ条件で更に5時間膜形成を行っところ、膜厚が約5μ
m の表面が平滑なダイヤモンド(111)単結晶膜を得
た。
Example 3 A nickel thin film having a thickness of 500 nm was formed under the same conditions as in Example 1 on a strontium titanate single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (111) plane under the same conditions as in Example 1. Formed. As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED, it was found to be a (111) single crystal thin film and had a relationship of parallel epitaxy with the underlying strontium titanate. A film was formed on the substrate prepared by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 30 minutes. It was precipitated in a granular form. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond was about 10 7 to 10 8 pieces / cm 2 . Also RH
It was found by EED that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. When the film is formed for another 5 hours under the same conditions, the film thickness is about 5μ.
A diamond (111) single crystal film having a smooth m surface was obtained.

【0027】実施例4 大きさ7mm×7mm×1mmt 、方位(001)面のチタン
酸バリウム単結晶基板上にスパッタ装置を用いて、実施
例1と同様の条件で、厚さ500nmのニッケル薄膜を形
成した。このニッケル薄膜をRHEEDにより方位を測
定した結果、(001)単結晶薄膜となっており、下地
チタン酸バリウムとパラレルエピタキシーの関係にあっ
た。上記方法で作成した基板上に、実施例1で示したマ
イクロ波プラズマCVD法により、実施例1と同じ条件
で5時間膜形成を行ったところ、基板にパラレルにエピ
タキシャル成長した膜厚が5μm の表面が平滑なダイヤ
モンド(001)単結晶膜を得た。
Example 4 A nickel thin film having a thickness of 500 nm was formed on a barium titanate single crystal substrate having a size of 7 mm × 7 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane using a sputtering apparatus under the same conditions as in Example 1. Formed. As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED, it was found to be a (001) single crystal thin film, which had a relationship of parallel epitaxy with the underlying barium titanate. A film was formed on the substrate produced by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 5 hours. As a result, the surface epitaxially grown in parallel on the substrate had a film thickness of 5 μm. A smooth diamond (001) single crystal film was obtained.

【0028】実施例5 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)面のチ
タン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装置を用
いて、実施例1と同様の条件で、厚さ500nmのニッケ
ル薄膜を形成した。このニッケル薄膜をRHEEDによ
り方位を測定した結果、(001)単結晶薄膜となって
おり、下地チタン酸ストロンチウムとパラレルエピタキ
シーの関係にあった。上記方法で作成した基板を内径4
0mmφの石英ガラス製反応管内の基板ホルダー上に設置
し、ロータリポンプと油拡散ポンプにより反応管内の排
気を行った。10-4Torrまで排気した後、反応管上方よ
り水素ガスを99.2ml/min の流量で流し、反応管内
の圧力が6.7kPa となるように調整した。次に、反応
管外部の電気炉により基板を加熱し、更に基板上方10
mmに設置したタングステンフィラメントに通電、210
0℃に赤熱させた。基板温度が890℃となったところ
でメタンガスを0.8ml/min の流量で添加し、反応管
内の圧力が6.7kPa となるように再調整した。以上の
条件で5時間膜形成を行ったところ、基板上に膜厚が約
5μm の表面が平滑なダイヤモンド(001)単結晶膜
を得た。
Example 5 A nickel thin film having a thickness of 500 nm was formed under the same conditions as in Example 1 on a strontium titanate single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane by using a sputtering apparatus. Formed. As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED, it was found to be a (001) single crystal thin film, which had a relationship of parallel epitaxy with the underlying strontium titanate. The substrate created by the above method has an inner diameter of 4
It was installed on a substrate holder in a 0 mmφ quartz glass reaction tube, and the reaction tube was evacuated by a rotary pump and an oil diffusion pump. After exhausting to 10 −4 Torr, hydrogen gas was caused to flow from above the reaction tube at a flow rate of 99.2 ml / min to adjust the pressure in the reaction tube to 6.7 kPa. Next, the substrate is heated by an electric furnace outside the reaction tube, and further above the substrate 10
energize the tungsten filament installed in mm, 210
It was red-hot at 0 ° C. When the substrate temperature reached 890 ° C., methane gas was added at a flow rate of 0.8 ml / min, and the pressure inside the reaction tube was readjusted to 6.7 kPa. When the film formation was performed for 5 hours under the above conditions, a diamond (001) single crystal film having a smooth surface and a film thickness of about 5 μm was obtained on the substrate.

【0029】実施例6 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)面のチ
タン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装置を用
いて、ターゲットにニッケル−パラジウム合金を用いて
実施例1と同様の条件で、厚さ500nmのニッケル−パ
ラジウム合金薄膜を形成した。EPMAによる定量分析
の結果、この合金薄膜の組成はニッケル84−パラジウ
ム16atm%であった。また、RHEEDにより、この
合金薄膜の方位を測定した結果、(001)単結晶薄膜
となっており、下地チタン酸ストロンチウムとパラレル
エピタキシーの関係にあった。上記方法で作成した基板
上に、実施例1で示したマイクロ波プラズマCVD方に
より、実施例1と同じ条件で30分間膜形成を行ったと
ころ、ニッケル上に結晶学的方位の揃った物質が粒状に
析出した。ラマン分光法によりこれらの粒状の物質がダ
イヤモンドであることを確認した。この粒状のダイヤモ
ンドの密度は107 〜108 個/cm2 程度であった。ま
たRHEEDにより、これらの粒状ダイヤモンドが基板
上にパラレルにエピタキシャル成長していることがわか
った。同じ条件で更に5時間膜形成を行ったところ、膜
厚が約5μm の表面が平滑なダイヤモンド(001)単
結晶膜を得た。
Example 6 The same conditions as in Example 1 except that a nickel-palladium alloy was used as a target on a strontium titanate single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane by using a sputtering apparatus. Thus, a nickel-palladium alloy thin film having a thickness of 500 nm was formed. As a result of quantitative analysis by EPMA, the composition of this alloy thin film was nickel 84-palladium 16 atm%. As a result of measuring the orientation of this alloy thin film by RHEED, it was found to be a (001) single crystal thin film, which had a relation of parallel epitaxy with the underlying strontium titanate. A film was formed on the substrate prepared by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 30 minutes. It was precipitated in a granular form. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond was about 10 7 to 10 8 pieces / cm 2 . Further, it was found by RHEED that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. When film formation was performed for another 5 hours under the same conditions, a diamond (001) single crystal film having a film thickness of about 5 μm and a smooth surface was obtained.

【0030】実施例7 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)面のチ
タン酸ストロンチウム単結晶基板上にスパッタ装置を用
いて、ターゲットにニッケル−銅合金を用いて実施例1
と同様の条件で、厚さ500nmのニッケル−合金薄膜を
形成した。EPMAによる定量分析の結果、この合金薄
膜の組成はニッケル70−銅30atm%であった。ま
た、RHEEDにより、この合金薄膜の方位を測定した
結果、(001)単結晶薄膜となっており、下地チタン
酸ストロンチウムとパラレルエピタキシーの関係にあっ
た。上記方法で作成した基板上に、実施例1で示したマ
イクロ波プラズマCVD法により、実施例1と同じ条件
で5時間膜形成を行ったところ、基板にパラレルにエピ
タキシャル成長したダイヤモンド(001)単結晶膜を
得た。上記方法で作成した基板上に、実施例1で示した
マイクロ波プラズマCVD法により、実施例1と同じ条
件で30分間膜形成を行ったところ、ニッケル上に結晶
学的方位の揃った物質が粒状に析出した。ラマン分光法
によりこれらの粒状の物質がダイヤモンドであることを
確認した。この粒状のダイヤモンドの密度は107 〜1
8 個/cm2 程度であった。またRHEEDにより、こ
れらの粒状ダイヤモンドが基板にパラレルにエピタキシ
ャル成長していることがわかった。同じ条件で更に5時
間膜形成を行ったところ、膜厚が約5μm の表面が平滑
なダイヤモンド(001)単結晶膜を得た。
Example 7 A sputtering apparatus was used on a strontium titanate single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane, and a nickel-copper alloy was used as a target.
Under the same conditions as above, a 500 nm thick nickel-alloy thin film was formed. As a result of quantitative analysis by EPMA, the composition of this alloy thin film was nickel 70-copper 30 atm%. As a result of measuring the orientation of this alloy thin film by RHEED, it was found to be a (001) single crystal thin film, which had a relation of parallel epitaxy with the underlying strontium titanate. A film was formed on the substrate prepared by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 5 hours. Diamond (001) single crystal epitaxially grown in parallel on the substrate A film was obtained. A film was formed on the substrate prepared by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1 for 30 minutes. It was precipitated in a granular form. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond is 10 7 to 1
0 was 8 pieces / cm 2 or so. Moreover, it was found by RHEED that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. When film formation was performed for another 5 hours under the same conditions, a diamond (001) single crystal film having a film thickness of about 5 μm and a smooth surface was obtained.

【0031】比較例1 単結晶インゴットより切り出した大きさ12mmφ×1mm
t 、方位(001)面のニッケル単結晶基板上に、実施
例1で示したマイクロ波プラズマCVD法により、実施
例1と同じ条件で30分間合成を行ったところ、ニッケ
ル上に結晶学的方位の揃った物質が粒状に析出した。ラ
マン分光法によりこれらの粒状の物質がダイヤモンドで
あることを確認した。この粒状のダイヤモンドの密度は
104 〜105 個/cm2 程度であった。またRHEED
により、これらの粒状ダイヤモンドが基板にパラレルに
エピタキシャル成長していることがわかった。同じ条件
で更に5時間膜形成を行っても、ダイヤモンドは粒状の
ままであり、ダイヤモンド単結晶連薄膜は得られなかっ
た。
Comparative Example 1 Size 12 mmφ × 1 mm cut out from a single crystal ingot
Synthesis was performed for 30 minutes under the same conditions as in Example 1 on the nickel single crystal substrate having the t and orientation (001) plane by the microwave plasma CVD method shown in Example 1, and the crystallographic orientation on nickel was obtained. A uniform substance was deposited in a granular form. Raman spectroscopy confirmed that these granular materials were diamonds. The density of this granular diamond was about 10 4 to 10 5 pieces / cm 2 . Also RHEED
As a result, it was found that these granular diamonds were epitaxially grown in parallel on the substrate. Even if film formation was performed for 5 hours under the same conditions, diamond remained granular and a diamond single crystal continuous thin film could not be obtained.

【0032】比較例2 大きさ15mm×15mm×1mmt 、方位(001)面の酸
化マグネシウム単結晶基板上にスパッタ装置を用いて、
実施例1と同様の条件で、厚さ500nmのニッケル薄膜
を形成した。このニッケル薄膜をRHEEDにより方位
を測定した結果、(001)単結晶薄膜となっており、
下地酸化マグネシウムとパラレルエピタキシーの関係に
あった。上記方法で作成した基板上に、実施例1で示し
たマイクロ波プラズマCVD法により、実施例1と同じ
条件で膜形成を行ったところ、ニッケル膜の一部が剥離
し、プラズマにはマグネシウムイオンに由来すると考え
られる緑色の発光が観察された。30分間の合成の後、
基板上には結晶学的方位の揃った物質と方位の揃ってい
ない物質の両方が粒状に析出した。ラマン分光法及びX
線回折法により、これらの粒状の物質はダイヤモンドと
炭化マグネシウムであることを確認した。同じ条件で更
に5時間膜形成を行ったところ、局所的に粒状ダイヤモ
ンド同士が接合していたものの、膜中に正六面体の炭化
マグネシウム結晶を含む不完全な膜であった。また、ニ
ッケル薄膜が剥離した部分にはダイヤモンドは観察され
ず、炭化マグネシウムのみが観察された。
Comparative Example 2 A sputtering apparatus was used on a magnesium oxide single crystal substrate having a size of 15 mm × 15 mm × 1 mmt and an orientation (001) plane.
Under the same conditions as in Example 1, a nickel thin film having a thickness of 500 nm was formed. As a result of measuring the orientation of this nickel thin film by RHEED, it is a (001) single crystal thin film,
There was a relationship between the underlying magnesium oxide and parallel epitaxy. A film was formed on the substrate formed by the above method by the microwave plasma CVD method shown in Example 1 under the same conditions as in Example 1. As a result, a part of the nickel film was peeled off and magnesium ions were included in the plasma. A green light emission, which is considered to be derived from, was observed. After 30 minutes of synthesis,
On the substrate, both crystallographically oriented substances and non-oriented substances were deposited in a granular form. Raman spectroscopy and X
It was confirmed by line diffraction method that these granular substances were diamond and magnesium carbide. When a film was formed for another 5 hours under the same conditions, although the granular diamonds were locally bonded to each other, the film was an incomplete film containing regular hexahedral magnesium carbide crystals. Further, no diamond was observed in the portion where the nickel thin film was peeled off, and only magnesium carbide was observed.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ペロブスカイト型構造を有する酸化物単
結晶基板上にニッケル単結晶膜又はニッケル含有合金単
結晶膜をエピタキシャル成長せしめた後、該膜上に化学
気相成長法によりダイヤモンド単結晶膜を形成すること
を特徴とするダイヤモンド単結晶膜の形成方法。
1. A nickel single crystal film or a nickel-containing alloy single crystal film is epitaxially grown on an oxide single crystal substrate having a perovskite structure, and then a diamond single crystal film is formed on the film by chemical vapor deposition. A method for forming a diamond single crystal film, which comprises:
【請求項2】 ペロブスカイト型構造を有する酸化物が
チタン酸ストロンチウム又はチタン酸バリウムである請
求項1記載のダイヤモンド単結晶膜の形成方法。
2. The method for forming a diamond single crystal film according to claim 1, wherein the oxide having a perovskite structure is strontium titanate or barium titanate.
【請求項3】 ニッケル含有合金がニッケル以外の金属
を50atm%以下含有する請求項1記載のダイヤモンド
単結晶膜の形成方法。
3. The method for forming a diamond single crystal film according to claim 1, wherein the nickel-containing alloy contains a metal other than nickel in an amount of 50 atm% or less.
【請求項4】 ニッケル以外の金属が、パラジウム、
銅、コバルト及び鉄より選ばれる一種又は二種以上であ
る請求項3記載のダイヤモンド単結晶膜の形成方法。
4. A metal other than nickel is palladium,
The method for forming a diamond single crystal film according to claim 3, which is one kind or two or more kinds selected from copper, cobalt and iron.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000019301A (en) * 1998-06-29 2000-01-21 Kyocera Corp Optical lens and optical recording device using that
JP2020500138A (en) * 2016-10-31 2020-01-09 クエスト インテグレーテッド, エルエルシー Single crystal perovskite solid solution with equilibrium point for single crystal epitaxial growth

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