JPH06321688A - Forming method of highly oriented diamond thin film - Google Patents

Forming method of highly oriented diamond thin film

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JPH06321688A
JPH06321688A JP11200493A JP11200493A JPH06321688A JP H06321688 A JPH06321688 A JP H06321688A JP 11200493 A JP11200493 A JP 11200493A JP 11200493 A JP11200493 A JP 11200493A JP H06321688 A JPH06321688 A JP H06321688A
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JP
Japan
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single crystal
thin film
substrate
diamond thin
highly oriented
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JP11200493A
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Takeshi Tachibana
武史 橘
Rie Nakamura
理枝 中村
Koji Kobashi
宏司 小橋
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Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Kobe Steel Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a diamond thin film of large area having little grain boundaries, high mobility of the carrier and high breakdown electric field and little leak current by applying an electric field between a hot filament and a single crystal substrate for a specified time in the initial stage of synthesis. CONSTITUTION:The highly oriented diamond thin film is formed by hot filament method. The reaction chamber 1 is evacuated with a pump 14 through a tube 15, while a specified source material gas is introduced through a mass flow controller 8, electromagnetic valve 7, and tube 11 to the reaction chamber 1. the filament 2 is heated to produce plasma in the reaction chamber 1. In the initial stage of synthesis, about 200V DC voltage is applied on a substrate 4 such as single crystal silicon at about 650-800 deg.C for 30min to produce negative electric field to form a crystal seed layer of about <=1mum thickness on the substrate 4. Then the layer is grown to form a highly oriented diamond thin film.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はトランジスタ及びダイオ
ード等の電子部品・電子デバイス並びにヒートシンク等
に使用される高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a highly oriented diamond thin film used for electronic parts / devices such as transistors and diodes and heat sinks.

【0002】[0002]

【従来の技術】ダイヤモンドは耐熱性が優れ、バンドギ
ャップが大きく、通常は絶縁体であるが、不純物を添加
すれば半導体となる。このような特徴を有するために、
ダイヤモンドは高温・高周波・高電界用の電子部品・電
子デバイス材料として極めて有用である。
2. Description of the Related Art Diamond is excellent in heat resistance, has a large band gap, and is usually an insulator, but if added with impurities, it becomes a semiconductor. In order to have such characteristics,
Diamond is extremely useful as a material for electronic parts and electronic devices for high temperature, high frequency, and high electric field.

【0003】電子デバイスにおいて、前述のダイヤモン
ドの優れた特性を最大に活用するためには、不純物制御
された高品質の単結晶を合成することが必要である。し
かし、従来の高温高圧合成によって得られる単結晶ダイ
ヤモンドは、サイズに制限があり、不純物の制御も不可
能である。また、高温高圧合成とは別のダイヤモンドの
合成方法として、熱フィラメント法、マイクロ波化学気
相蒸着法、直流プラズマ化学気相蒸着法及び燃焼法等の
気相合成法も知られている。気相合成は不純物制御に有
利であるばかりでなく、薄膜状のダイヤモンドを得るこ
とができるため、電子材料用のダイヤモンド合成への応
用が期待されている。
In order to make the most of the above-mentioned excellent characteristics of diamond in electronic devices, it is necessary to synthesize high-quality single crystals with controlled impurities. However, single crystal diamond obtained by conventional high temperature and high pressure synthesis is limited in size and it is impossible to control impurities. As a diamond synthesizing method other than the high temperature and high pressure synthesizing method, a vapor phase synthesizing method such as a hot filament method, a microwave chemical vapor deposition method, a direct current plasma chemical vapor deposition method and a combustion method is also known. The vapor phase synthesis is not only advantageous for controlling impurities, but also obtains diamond in a thin film form, and thus is expected to be applied to diamond synthesis for electronic materials.

【0004】しかし、ダイヤモンド以外の基板を使用し
てダイヤモンドの気相合成を行った場合には、高密度の
粒界を含む多結晶ダイヤモンドしか得られない。そこ
で、基板に単結晶ダイヤモンド(Fujimori, T.Imai, H.N
akahata, H.Shiomi, and Y.Nishibayashi, in Diamond,
Silicon Carbide and Related Wide Bandgap Semicond
uctors, (Materials Research Society symposium proc
eedings 162), edited by J,T.Glass, R.Messier, and
N,Fujimori, (Materials Research Society, Pittsburg
h,Pennsylvania, 1990), pp.23-33)、単結晶立方晶窒化
ホウ素(cBN)(S.Koizumi, T.Murakami, T.Inuzuka
and K.Suzuki, Applied Physics Letters,Vol.57,pp,56
3-565(1990))、単結晶ニッケル(Y,Sato, I.Yashima, H,
Fujita, T.Ando, and M.Kamo, Second International C
onference on New Diamond Science and Technology, e
dited by R,Messier, J.T,Glass, J.E.Butler and R.Ro
y,(Materials Research Society, Pittsburgh, Pennsyl
vania, 1991) ,pp.371-376)、単結晶炭化硅素(B.R.Ston
er and J.T.Glass, Applied Physics Letters, Vol.60,
pp.698-700(1992))を使用した例が報告されており、こ
の場合には、エピタキシャル成長が認められる。
However, when vapor phase synthesis of diamond is carried out using a substrate other than diamond, only polycrystalline diamond containing high-density grain boundaries can be obtained. Therefore, single crystal diamond (Fujimori, T.Imai, HN
akahata, H.Shiomi, and Y.Nishibayashi, in Diamond,
Silicon Carbide and Related Wide Bandgap Semicond
uctors, (Materials Research Society symposium proc
eedings 162), edited by J, T.Glass, R.Messier, and
N, Fujimori, (Materials Research Society, Pittsburg
h, Pennsylvania, 1990), pp.23-33), single crystal cubic boron nitride (cBN) (S. Koizumi, T. Murakami, T. Inuzuka
and K. Suzuki, Applied Physics Letters, Vol.57, pp, 56
3-565 (1990)), single crystal nickel (Y, Sato, I. Yashima, H,
Fujita, T. Ando, and M. Kamo, Second International C
onference on New Diamond Science and Technology, e
dited by R, Messier, JT, Glass, JEButler and R.Ro
y, (Materials Research Society, Pittsburgh, Pennsyl
vania, 1991), pp.371-376), single crystal silicon carbide (BR Stone
er and JT Glass, Applied Physics Letters, Vol.60,
pp.698-700 (1992)) has been reported, and in this case, epitaxial growth is observed.

【0005】しかし、単結晶ダイヤモンド及びcBN基
板にはサイズの制限があり、電子デバイス応用のための
大面積化は困難である。また、基板に単結晶ニッケル及
び単結晶炭化硅素を用いた場合は島状の不連続膜しか合
成することができない。
However, the size of single crystal diamond and cBN substrates is limited, and it is difficult to increase the area for electronic device applications. Further, when single crystal nickel and single crystal silicon carbide are used for the substrate, only island-shaped discontinuous films can be synthesized.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、通常、気
相合成されるダイヤモンド多結晶膜は欠陥を多く含む粒
界の存在のために、電子(正孔)の移動度及び降伏電界
の低下、並びに漏れ電流の増大など、電子デバイスへの
応用において多くの問題が生じる。基板に単結晶ダイヤ
モンド又はcBNを用いる場合も、基板サイズの制限の
ため、電子デバイス作製に必要且つ充分な面積が得られ
ない。単結晶ニッケル又は単結晶炭化硅素を基板に用い
た場合は、充分な膜厚の連続膜を得ることができない。
As described above, a diamond polycrystalline film that is vapor-phase-synthesized generally has a low mobility of electrons (holes) and a low breakdown electric field due to the presence of grain boundaries containing many defects. , As well as increased leakage current, many problems arise in electronic device applications. Even when single crystal diamond or cBN is used for the substrate, it is not possible to obtain a sufficient and necessary area for producing an electronic device due to the limitation of the substrate size. When single crystal nickel or single crystal silicon carbide is used for the substrate, a continuous film having a sufficient film thickness cannot be obtained.

【0007】一方、B.R.Stoner等により電界印加効果を
使用して形成された面方位が揃った高配向性結晶粒子
は、ダイヤモンドの合成にマイクロ波化学気相蒸着法が
用いられているため、(1)プラズマの大きさにより合
成面積が直径5cm以下に制限され、(2)高品質膜を
合成するには成膜速度を小さくする必要があり、経済的
でない等の問題点がある。
On the other hand, highly oriented crystal grains with uniform plane orientation formed by the effect of applying an electric field by BR Stoner or the like use the microwave chemical vapor deposition method to synthesize diamond. ) The synthesis area is limited to 5 cm or less depending on the size of plasma, and (2) there is a problem that the deposition rate must be reduced to synthesize a high quality film, which is not economical.

【0008】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、結晶粒界が少なく、キャリア移動度及び降
伏電界が高いと共に、漏れ電流が少ない大面積のダイヤ
モンド薄膜を高効率で形成することができる高配向性ダ
イヤモンド薄膜の形成方法を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above problems, and forms a large area diamond thin film with few crystal grain boundaries, high carrier mobility and high breakdown electric field, and low leakage current with high efficiency. It is an object of the present invention to provide a method for forming a highly oriented diamond thin film that can be used.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る高配向性ダ
イヤモンド薄膜の形成方法は、ダイヤモンド薄膜を熱フ
ィラメント法より単結晶基板上に合成する高配向性ダイ
ヤモンド薄膜の形成方法において、合成の初期段階に熱
フィラメントと前記単結晶基板との間に所定時間前記単
結晶基板を負とする電界を印加することにより、前記単
結晶基板上に配向した結晶核層を形成し、次いでこの結
晶核層を成長させることにより高配向性ダイヤモンド薄
膜を合成することを特徴とする。
The method for forming a highly oriented diamond thin film according to the present invention is a method for forming a highly oriented diamond thin film in which a diamond thin film is synthesized on a single crystal substrate by a hot filament method. In the step, an electric field that makes the single crystal substrate negative is applied between the hot filament and the single crystal substrate for a predetermined time to form an oriented crystal nucleus layer on the single crystal substrate, and then this crystal nucleus layer It is characterized in that a highly oriented diamond thin film is synthesized by growing the diamond.

【0010】[0010]

【作用】本発明においては、ダイヤモンド薄膜を熱フィ
ラメント法により気相合成する際に初期段階である核発
生過程において、一定時間、熱フィラメントに対して基
板が負であるように電界を印加する。この場合に、熱フ
ィラメントを渦巻状にしたり、複数の熱フィラメントを
網状に交差するなどして、基板に対して有効な面積を拡
大することで、従来のマイクロ波化学気相蒸着法におけ
る電界印加法では困難な大面積化を容易に図ることがで
きる。
In the present invention, an electric field is applied to the hot filament so that the substrate is negative for a certain period of time during the nucleation process, which is the initial stage in the vapor phase synthesis of the diamond thin film by the hot filament method. In this case, the effective area for the substrate is expanded by expanding the effective area for the substrate by making the hot filament spiral or crossing a plurality of hot filaments in a net shape. It is possible to easily increase the area, which is difficult by the method.

【0011】基板には、単結晶炭化硅素基板の他に、種
々の炭化物及びシリサイド並びにそれらを形成するシリ
コン、チタン又はタングステン等の材料が有用である。
また、ダイヤモンドと格子定数が近い単結晶ニッケル及
び単結晶銅並びにそれらの合金も基板として使用でき
る。本発明によれば通常のダイヤモンド薄膜を気相合成
する工程の前に基板上に配向した結晶核を形成する。こ
れにより、非ダイヤモンド基板上に連続性の高配向性ダ
イヤモンド薄膜を形成できる。熱フィラメントの形状を
工夫し、基板に対して有効な面積を拡大し、従来のマイ
クロ波化学気相蒸着法における電界印加法では困難であ
った20cm2以上の大面積で面方位が揃った高配向性
ダイヤモンド薄膜を得ることができる。そして、この高
配向性ダイヤモンド薄膜を使用して電子部品又は電子デ
バイスを低コストで且つ容易に作製することができる。
For the substrate, in addition to the single crystal silicon carbide substrate, various carbides and silicides and materials such as silicon, titanium or tungsten that form them are useful.
Further, single crystal nickel and single crystal copper having a lattice constant close to that of diamond and alloys thereof can be used as the substrate. According to the present invention, oriented crystal nuclei are formed on the substrate before the step of vapor phase synthesizing an ordinary diamond thin film. As a result, a continuous highly oriented diamond thin film can be formed on the non-diamond substrate. By devising the shape of the hot filament and expanding the effective area for the substrate, a high surface area with a uniform surface orientation of 20 cm 2 or more, which was difficult with the electric field application method in the conventional microwave chemical vapor deposition method. An oriented diamond thin film can be obtained. Then, an electronic component or electronic device can be easily manufactured at low cost using this highly oriented diamond thin film.

【0012】このように本発明は、大面積化及び経済性
の点で、従来の単結晶ダイヤモンド又は単結晶cBN基
板を用いた場合に比して有利である。また、従来の電界
印加効果を用いたマイクロ波化学気相蒸着法に比して
も、本発明は大面積化の容易さ及び合成速度の高速化の
点から有利である。
As described above, the present invention is advantageous in terms of large area and economy, as compared with the case of using the conventional single crystal diamond or single crystal cBN substrate. Further, the present invention is advantageous in terms of easiness of increasing the area and accelerating the synthesis speed, as compared with the conventional microwave chemical vapor deposition method using the effect of applying an electric field.

【0013】本発明は、種々の基板上に、電界印加効果
を用いた熱フィラメント法により、疑似単結晶としての
高配向性ダイヤモンド薄膜を合成するものである。この
基板としては、例えば、単結晶シリコン、単結晶チタ
ン、単結晶タングステン及び単結晶タンタル等があり、
これらの基板の上に、炭化硅素、炭化チタン、炭化タン
グステン及び炭化タンタル等の種々の炭化物、チタニウ
ムシリサイド、タングステンシリサイド及びタンタルム
シリサイド等の種々のシリサイドを形成したものを使用
することもできる。また、ダイヤモンドと格子定数が近
い単結晶ニッケル、単結晶銅及びニッケル−銅合金のい
ずれかを基板として使用することもできる。
The present invention is to synthesize a highly oriented diamond thin film as a pseudo single crystal on various substrates by a hot filament method using an electric field application effect. Examples of this substrate include single crystal silicon, single crystal titanium, single crystal tungsten, and single crystal tantalum.
It is also possible to use those obtained by forming various carbides such as silicon carbide, titanium carbide, tungsten carbide and tantalum carbide, and various silicides such as titanium silicide, tungsten silicide and tantalum silicide on these substrates. Further, any one of single crystal nickel, single crystal copper, and nickel-copper alloy having a lattice constant close to that of diamond can be used as the substrate.

【0014】本発明で用いる熱フィラメント法は、ダイ
ヤモンド薄膜の気相合成法の一つとして広く知られてお
り、基板とフィラメントとの間に電界を印加する試みも
従来報告されている(Y.H.Lee, G.H.Ma, K.J.Bachmann,
J.T,Glass. in Daimond, Silicon Carbide and Related
Wide Bandgap Semiconductors, (Materials Research
Society symposium proceedings 162), edited by J.T.
Glass, R,Messier, and N,Fujimori, (Materials Resea
rch Society, Pittsburgh, Pennsylvania, 1990), pp,1
19-125.)。しかし、本発明においては、薄膜合成の初期
段階で一定時間のみ電界を印加する点が上述の従来の熱
フィラメント法とは異なり、これにより非ダイヤモンド
基板上に高配向性ダイヤモンド薄膜を形成することがで
きる。
The hot filament method used in the present invention is widely known as one of vapor phase synthesis methods for diamond thin films, and an attempt to apply an electric field between a substrate and a filament has been reported so far (YH Lee, GHMa, KJBachmann,
JT, Glass. In Daimond, Silicon Carbide and Related
Wide Bandgap Semiconductors, (Materials Research
Society symposium proceedings 162), edited by JT
Glass, R, Messier, and N, Fujimori, (Materials Resea
rch Society, Pittsburgh, Pennsylvania, 1990), pp, 1
19-125.). However, the present invention is different from the above-mentioned conventional hot filament method in that an electric field is applied only for a certain period of time in the initial stage of thin film synthesis, whereby a highly oriented diamond thin film can be formed on a non-diamond substrate. it can.

【0015】また、この高配向性ダイヤモンド薄膜を基
板としてダイヤモンドをエピタキシャル成長することも
できる。更に、非ダイヤモンド基板を除去し、高配向性
ダイヤモンド薄膜を単体で使用することも従来とは異な
り容易である。
Diamond can also be epitaxially grown using this highly oriented diamond thin film as a substrate. Furthermore, it is easy to remove the non-diamond substrate and use the highly oriented diamond thin film as a simple substance, unlike the conventional case.

【0016】[0016]

【実施例】以下に、添付の図面を参照して本発明の実施
例について具体的に説明する。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.

【0017】なお、ガス組成、反応ガス種、ガス流量、
基板材料、基板温度、ガス圧、フィラメント−基板間距
離、フィラメント温度、印加電圧及び電界印加時間等の
組み合わせは任意であり、以下の実施例に示すもの以外
の条件で合成を試みても本発明の効果は変わらない。
The gas composition, reactive gas species, gas flow rate,
The combination of the substrate material, the substrate temperature, the gas pressure, the filament-substrate distance, the filament temperature, the applied voltage, the electric field application time, etc. is arbitrary, and the present invention can be obtained even if the synthesis is tried under conditions other than those shown in the following examples. The effect of does not change.

【0018】実施例1 先ず、フィラメントと基板との間に電界を印加してダイ
ヤモンドを合成する装置について説明する。図1は本実
施例の高配向性ダイヤモンド薄膜の合成装置を示す概略
図である。反応器1内に基板ホルダー5及び熱フィラメ
ント2が設置されており、熱フィラメント2には電源3
から給電されるようになっている。また、基板ホルダー
5上には基板4が載置されるようになっており、基板ホ
ルダー5には電界印加用電源6が接続されていて、これ
により基板4に基板4が負となる電界が印加される。
Example 1 First, an apparatus for synthesizing diamond by applying an electric field between a filament and a substrate will be described. FIG. 1 is a schematic view showing a highly oriented diamond thin film synthesizing apparatus of this embodiment. A substrate holder 5 and a hot filament 2 are installed in the reactor 1, and the hot filament 2 has a power source 3
Power is supplied from. Further, the substrate 4 is placed on the substrate holder 5, and the electric field applying power source 6 is connected to the substrate holder 5, whereby an electric field that makes the substrate 4 negative is applied to the substrate 4. Is applied.

【0019】反応器1には配管15を介して排気ポンプ
14が連結されており、この反応器1と排気ポンプ14
とを連結する配管15には、電磁弁7及び圧力調節弁1
3が設置されている。また、反応器1には、反応ガス導
入管11が接続されており、この反応ガス導入管11は
分岐配管11a〜11cを介してガス供給源9に連結さ
れている。そして、導入管11には電磁弁7が設けられ
ており、各分岐配管11a〜11cには電磁弁7及びマ
スフローコントローラ8が設けられている。これらのマ
スフローコントローラ8は制御器10により制御されて
いる。また、全ての電磁弁7は電磁弁電源12によりオ
ンオフ制御される。
An exhaust pump 14 is connected to the reactor 1 via a pipe 15. The reactor 1 and the exhaust pump 14 are connected to each other.
The solenoid valve 7 and the pressure control valve 1 are connected to the pipe 15 that connects
3 are installed. A reaction gas introduction pipe 11 is connected to the reactor 1, and the reaction gas introduction pipe 11 is connected to the gas supply source 9 via branch pipes 11a to 11c. The introduction pipe 11 is provided with a solenoid valve 7, and the branch pipes 11a to 11c are provided with a solenoid valve 7 and a mass flow controller 8. These mass flow controllers 8 are controlled by the controller 10. Further, all solenoid valves 7 are on / off controlled by a solenoid valve power source 12.

【0020】このように構成された合成装置において
は、排気ポンプ14により反応器1内を排気しつつ、ガ
ス供給源9から所定の原料ガスを反応器1内に供給す
る。そして、熱フィラメント2に給電してこれを加熱す
ることにより、反応容器1内にプラズマを発生させて、
ダイヤモンド薄膜を基板4上に堆積させる。この場合
に、ダイヤモンド薄膜の合成工程の初期工程において、
基板4に負の電界を印加することができる。
In the synthesizer thus constructed, the exhaust pump 14 exhausts the inside of the reactor 1 while supplying a predetermined source gas from the gas supply source 9 into the reactor 1. Then, by supplying power to the hot filament 2 to heat it, plasma is generated in the reaction vessel 1,
A diamond thin film is deposited on the substrate 4. In this case, in the initial step of the diamond thin film synthesis step,
A negative electric field can be applied to the substrate 4.

【0021】このように構成された装置を用い、次に示
す条件で高配向性ダイヤモンド薄膜を合成した。
Using the apparatus thus constructed, a highly oriented diamond thin film was synthesized under the following conditions.

【0022】反応ガス; CH4/H2(5%比) ガス流量; 200sccm 基板; 単結晶シリコン(100)面 基板温度; 650℃(電界印加時)/800℃
(電界印加終了後) ガス圧; 30Torr フィラメント; 2100℃ フィラメント基板間距離;8mm 印加電圧; 200V(直流) 電界印加時間; 30分 総合成時間; 6時間。
Reaction gas: CH 4 / H 2 (5% ratio) Gas flow rate: 200 sccm Substrate: Single crystal silicon (100) plane Substrate temperature: 650 ° C. (when electric field is applied) / 800 ° C.
(After application of electric field) Gas pressure: 30 Torr filament; 2100 ° C. Filament-to-substrate distance; 8 mm Applied voltage; 200 V (direct current) Electric field application time: 30 minutes Total formation time: 6 hours.

【0023】得られたダイヤモンド薄膜は、膜厚が約2
0μmで、その表面の95%が(100)結晶面で覆わ
れている高配向性ダイヤモンド薄膜であった。また、薄
膜の断面写真から各結晶面の高低差は0.3μm以下で
あることがわかった。更に、断面写真の解析により、基
板とダイヤモンド薄膜の間に炭化硅素が形成されてお
り、基板上に炭化硅素が、また炭化硅素上にダイヤモン
ド薄膜が夫々エピタキシャル成長していることが確認さ
れた。
The resulting diamond thin film has a thickness of about 2
It was a highly oriented diamond thin film having a thickness of 0 μm and 95% of the surface of which was covered with a (100) crystal plane. Further, it was found from the cross-sectional photograph of the thin film that the height difference between the crystal planes was 0.3 μm or less. Further, analysis of the cross-sectional photograph confirmed that silicon carbide was formed between the substrate and the diamond thin film, silicon carbide was epitaxially grown on the substrate, and diamond thin film was epitaxially grown on the silicon carbide.

【0024】実施例2 実施例1と同様に図1に示す装置を用い、次に示す条件
で高配向性ダイヤモンド薄膜を合成した。
Example 2 Using the apparatus shown in FIG. 1 as in Example 1, a highly oriented diamond thin film was synthesized under the following conditions.

【0025】反応ガス; CO/H2(5%比) ガス流量; 300sccm 基板; 単結晶ニッケル(111)面 基板温度; 650℃(電界印加時)/800℃
(電界印加終了後) ガス圧; 30Torr フィラメント; 2100℃ フィラメント基板間距離;8mn 印加電圧; 200Vdc 電界印加時間; 30分 総合成時間; 6時間。
Reaction gas: CO / H 2 (5% ratio) Gas flow rate: 300 sccm Substrate: Single crystal nickel (111) surface Substrate temperature: 650 ° C. (when electric field is applied) / 800 ° C.
(After application of electric field) Gas pressure; 30 Torr filament; 2100 ° C. filament-substrate distance; 8 mn applied voltage; 200 Vdc electric field application time; 30 minutes total formation time; 6 hours.

【0026】得られたダイヤモンド薄膜は、膜厚が約2
5μmで、表面の95%が(111)結晶面で覆われて
いる高配向性ダイヤモンド薄膜であった。また、薄膜の
断面写真から各結晶面の高低差は0.3μm以下である
ことがわかった。
The obtained diamond thin film has a thickness of about 2
It was a highly oriented diamond thin film having a thickness of 5 μm and 95% of the surface of which was covered with a (111) crystal face. Further, it was found from the cross-sectional photograph of the thin film that the height difference between the crystal planes was 0.3 μm or less.

【0027】実施例3 反応ガス; CH4/H2(5%比)、B261pp
m添加 ガス流量; 200sccm 基板温度; 800℃ ガス圧; 30Torr フィラメント温度;2100℃ フィラメント基板間距離;8mn 合成時間; 4時間。
Example 3 Reaction gas: CH 4 / H 2 (5% ratio), B 2 H 6 1pp
m additional gas flow rate; 200 sccm substrate temperature; 800 ° C. gas pressure; 30 Torr filament temperature; 2100 ° C. filament substrate distance; 8 mn synthesis time; 4 hours.

【0028】この結果、下地の高配向膜と同一の表面形
態を有する厚さ3μmのP型半導体ダイヤモンド薄膜層
が積層された。この半導体ダイヤモンド層のホール移動
度を測定し、100cm2/V・sを得た。この値は通
常の多結晶ダイヤモンド薄膜のホール移動度(約1cm
2/V・s)の約100倍である。
As a result, a P-type semiconductor diamond thin film layer having a thickness of 3 μm and having the same surface morphology as the underlying highly oriented film was laminated. The hole mobility of this semiconductor diamond layer was measured to obtain 100 cm 2 / V · s. This value is the hole mobility of a normal polycrystalline diamond thin film (about 1 cm
2 / V · s) is about 100 times.

【0029】実施例4 実施例1で得られた高配向性ダイヤモンド薄膜に更に以
下の条件でマイクロ波プラズマCVD法を用いてダイヤ
モンド薄膜を積層した。その後、メタン0.5%、水素
99.4%、酸素0.1%、ガス圧30Torr、ガス
流量300cc/min、基板温度800℃で80時間
合成を続けた。
Example 4 A diamond thin film was further laminated on the highly oriented diamond thin film obtained in Example 1 by the microwave plasma CVD method under the following conditions. Then, synthesis was continued for 80 hours at 0.5% methane, 99.4% hydrogen, 0.1% oxygen, gas pressure 30 Torr, gas flow rate 300 cc / min, and substrate temperature 800 ° C.

【0030】反応ガス; CH4/H2(5%比)、
20.1%添加 ガス流量; 300sccm 基板温度; 800℃ ガス圧; 50Torr 合成時間; 80時間。
Reaction gas: CH 4 / H 2 (5% ratio),
O 2 0.1% additive gas flow rate; 300 sccm substrate temperature; 800 ° C. gas pressure; 50 Torr synthesis time; 80 hours.

【0031】その結果、積層されたダイヤモンド薄膜
は、膜厚が約100μmで、表面の98%が(100)
結晶面で覆われている高配向性ダイヤモンド薄膜であっ
た。また、薄膜の断面写真から各結晶面の高低差は0.
1μm以下であることがわかった。
As a result, the laminated diamond thin film has a thickness of about 100 μm and 98% of the surface is (100)
It was a highly oriented diamond thin film covered with crystal planes. In addition, the height difference between the crystal planes is 0.
It was found to be 1 μm or less.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
基板上に大面積の疑似単結晶の高配向性ダイヤモンド薄
膜が得られる。また、熱フィラメント及び基板を反応器
の他の部分から電気的に隔離して制御することができる
ため、装置形状による電界印加法の制限が解消される。
即ち、従来の方法ではプラズマを含む反応器自体をアー
スし、基板に負電圧を印加するので、プラズマから基板
へ正電荷(基板からプラズマ負電荷)が移動するのみの
一元的電界効果に限られる。これに対して、本発明で
は、例えばフィラメントを反応器に対して負電圧にし、
基板には更に大きな負電圧を印加するので、従来と同様
の電界効果の他に、フィラメントから反応器への負電荷
の移動をも生じることになる。この負電荷(電子)の流
れは、原子状水素の生成・グラファイト析出の制御等の
高品質膜の形成に有効である。
As described above, according to the present invention,
A large-area pseudo single crystal highly oriented diamond thin film is obtained on the substrate. Further, since the hot filament and the substrate can be electrically isolated and controlled from other parts of the reactor, the limitation of the electric field application method due to the shape of the device is eliminated.
That is, in the conventional method, since the reactor itself including plasma is grounded and a negative voltage is applied to the substrate, it is limited to a unitary electric field effect in which positive charges (plasma negative charges from the substrate) move from the plasma to the substrate. . On the other hand, in the present invention, for example, the filament is set to a negative voltage with respect to the reactor,
Since a larger negative voltage is applied to the substrate, in addition to the electric field effect similar to the conventional one, the negative charge is also transferred from the filament to the reactor. This flow of negative charges (electrons) is effective for forming a high quality film such as generation of atomic hydrogen and control of graphite precipitation.

【0033】上述の如く、本発明によれば大面積且つ高
品質の高配向性ダイヤモンド薄膜を高効率で形成するこ
とができ、本発明はダイヤモンド電子デバイスの開発及
び作製に極めて有用である。
As described above, according to the present invention, a large-area and high-quality highly oriented diamond thin film can be formed with high efficiency, and the present invention is extremely useful for the development and production of diamond electronic devices.

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

【図1】熱フィラメント型高配向性ダイヤモンド薄膜合
成装置を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a hot filament type highly oriented diamond thin film synthesizing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;反応器 2;熱フィラメント 3;熱フィラメント電源 4;基板 5;基板ホルダー 6;電圧印加用電源 7;電磁弁 8;マスフローコントローラ 9;ガス供給源 10;制御器 14;排気ポンプ 1; Reactor 2; Hot Filament 3; Hot Filament Power Supply 4; Substrate 5; Substrate Holder 6; Power Supply for Voltage Application 7; Solenoid Valve 8; Mass Flow Controller 9; Gas Supply Source 10; Controller 14; Exhaust Pump

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ダイヤモンド薄膜を熱フィラメント法よ
り単結晶基板上に合成する高配向性ダイヤモンド薄膜の
形成方法において、合成の初期段階に熱フィラメントと
前記単結晶基板との間に所定時間前記単結晶基板を負と
する電界を印加することにより、前記単結晶基板上に配
向した結晶核層を形成し、次いでこの結晶核層を成長さ
せることにより高配向性ダイヤモンド薄膜を合成するこ
とを特徴とする高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
1. A method for forming a highly oriented diamond thin film, which comprises synthesizing a diamond thin film on a single crystal substrate by a hot filament method, wherein the single crystal is kept for a predetermined time between the hot filament and the single crystal substrate at an initial stage of synthesis. A high orientation diamond thin film is synthesized by forming an oriented crystal nucleus layer on the single crystal substrate by applying an electric field which makes the substrate negative and then growing this crystal nucleus layer. Method for forming highly oriented diamond thin film.
【請求項2】 前記結晶核層は厚さが1μm以下、好ま
しくは0.002乃至0.1μmであることを特徴とす
る請求項1に記載の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方
法。
2. The method for forming a highly oriented diamond thin film according to claim 1, wherein the crystal nucleus layer has a thickness of 1 μm or less, preferably 0.002 to 0.1 μm.
【請求項3】 前記単結晶基板が単結晶シリコン基板で
あることを特徴とする請求項1に記載の高配向性ダイヤ
モンド薄膜の形成方法。
3. The method for forming a highly oriented diamond thin film according to claim 1, wherein the single crystal substrate is a single crystal silicon substrate.
【請求項4】 前記単結晶基板は、単結晶チタン、単結
晶タングステン及び単結晶タンタルからなる群から選択
された物質により形成されたものであり、その単結晶基
板の上に炭化タングステン、炭化タンタル、チタニウム
シリサイド、タングステンシリサイド又はタンタルムシ
リサイドからなる前記基板構成物質の炭化物又はシリサ
イドの層が形成されていることを特徴とする請求項1に
記載の高配向性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
4. The single crystal substrate is formed of a material selected from the group consisting of single crystal titanium, single crystal tungsten and single crystal tantalum, and tungsten carbide and tantalum carbide are formed on the single crystal substrate. The method for forming a highly oriented diamond thin film according to claim 1, wherein a carbide or silicide layer of the substrate constituent material, which is made of titanium, titanium silicide, tungsten silicide, or tantalum silicide, is formed.
【請求項5】 前記単結晶基板は、単結晶ニッケル、単
結晶銅及びニッケル−銅合金からなる群から選択された
物質からなることを特徴とする請求項1に記載の高配向
性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
5. The highly oriented diamond thin film according to claim 1, wherein the single crystal substrate is made of a material selected from the group consisting of single crystal nickel, single crystal copper and nickel-copper alloy. Forming method.
【請求項6】 前記単結晶基板上に形成された炭化物の
一部又は全てが前記単結晶基板とエピタキシャルな関係
にあることを特徴とする請求項4に記載の高配向性ダイ
ヤモンド薄膜の形成方法。
6. The method for forming a highly oriented diamond thin film according to claim 4, wherein a part or all of the carbide formed on the single crystal substrate has an epitaxial relationship with the single crystal substrate. .
【請求項7】 前記高配向性ダイヤモンド薄膜は前記単
結晶基板上に形成された前記炭化物層とエピタキシャル
な関係にあることを特徴とする請求項6に記載の高配向
性ダイヤモンド薄膜の形成方法。
7. The method for forming a highly oriented diamond thin film according to claim 6, wherein the highly oriented diamond thin film has an epitaxial relationship with the carbide layer formed on the single crystal substrate.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100379474B1 (en) * 2000-08-17 2003-04-10 엘지전자 주식회사 Method for developing carbon nanotube without catalyst
JP2016180132A (en) * 2015-03-23 2016-10-13 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター Method for manufacturing diamond film, hot filament cvd apparatus and mechanical seal

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