JPH0647517B2 - 高品位ダイヤモンド及びその製造方法 - Google Patents

高品位ダイヤモンド及びその製造方法

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JPH0647517B2
JPH0647517B2 JP1067228A JP6722889A JPH0647517B2 JP H0647517 B2 JPH0647517 B2 JP H0647517B2 JP 1067228 A JP1067228 A JP 1067228A JP 6722889 A JP6722889 A JP 6722889A JP H0647517 B2 JPH0647517 B2 JP H0647517B2
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一仁 西村
燕清 黄
博 石塚
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明はCVD法を用いたダイヤモンドの製造において、
電子部材、光学用部材、ヒートシンクなどの用途に適し
たIIa型乃至これに近似の高品位ダイヤモンド、特に板
状のダイヤモンドの製造に関する。
〔従来技術〕
マイクロ波、高周波、加熱などによって活性化された、
炭素含有ガスからの析出によるダイヤモンドは、超高圧
を用いた合成方法に比べて、反応コントロールが容易で
あること、大面積の材料が得られることから、特に電子
用、光学用材料としての用途に期待がかけられている。
ダイヤモンドをヒートシンク、光学窓,半導体のような
熱的、光学的、電子的性質を利用した材料として用いる
際には、単にダイヤモンドであるというだけでなく、全
体が用途に適した結晶、すなわち不純物含有量が少な
く、結晶内における乱れも少ない高品位品であることが
望まれる。このようなダイヤモンドは天然にはIIa型と
して知られており、300nm付近の波長の光も透過し、窒
素の含有量20ppm以下、室温における熱電導率20W/cm
℃の物性値が知られている。しかし産出量が少ないの
で、一般的な材料として用いることはできない。
ところで天然ダイヤモンドについては、原石の分類にカ
ソードルミネセンス(CL)評価が利用されている。これは
試料結晶に電子線を照射した際に、電子線によって励起
された試料中の電子がより低いエネルギー準位に遷移す
る過程で、フォトンが放出される現象に基づくもので、
この発光スペクトルから試料中における発光中心(不純
物、格子欠陥など)およびバンド構造に関する情報が得
られる。即ち結晶中の欠陥や成長層の分布といった結晶
学上の差異によって、カソードルミネセンスのスペクト
ルに著しい違いが見られる。このような特性を利用し
て、ダイヤモンドのように広いバンドギャップを持つ材
料の分析や分類を行うのである。
分析の結果によると、大量の窒素を含んでいる天然のIa
型ダイヤモンドのカソードルミネセンス・スペクトル
は、2.9eVに明瞭なピークがあり、同時に2.3eVにも小さ
なピークが認められる。ところが高圧合成で得られたIb
型ダイヤモンドの場合は2.3eVに大きなピークが見ら
れ、2.9-3.0eVにも小さなピークが存在する。一方天然
ダイヤモンドのIIb型のカソードルミネセンス・スペク
トルは、2.9eV付近にのみピークが見られるという特徴
がある。
このIIaタイプのダイヤモンドのカソードルミネセンス
・スペクトルは、さらに厳密には分光図形におけるピー
ク位置2.8eV以上、半価幅0.5eV以内、20%高さにおける
エネルギー幅が0.8eV以内、あるいは25%高さにおける
エネルギー幅(四半価幅)0.77eV以内として近似的に特
徴付けることが可能である。
一方気相反応で生成したダイヤモンドの評価方法として
は、X線回折法とラマンスペクトル法とが一般に用いら
れている。前者はダイヤモンドであることの確認に有効
であり、後者は無定形炭素の混入を検出するのに特に適
していると思われる。これらの方法を用いて生成物が無
定形炭素を殆ど含まない高純度のダイヤモンドであると
判定することは可能であるが、結晶自体の完全性までを
評価することはできない。
CVD法で作製したダイヤモンド中における不純物の主な
ものとしては、ダイヤモンドと同時に析出する黒鉛ない
し無定形の炭素、励起用の加熱源または電極の構成材
料、析出用の基体材料、雰囲気ガス成分が挙げられる。
これらの不純物の混入が防止されれば、一時間あたり数
十μm程度までの析出速度においては、格子欠陥の少な
い、ほぼ完全な結晶を得ることが可能である。
一方生成物の品質は、原料ガスの組成、流量、反応室の
圧力、励起方法、分解温度、析出温度などの諸要因によ
って微妙に変化するが、従来から用いられているX線回
折法やラマンスペクトル法では、微量の不純物や、結晶
構造に係わる詳細な情報までは得られない。そこで現在
の操作方法では流量計、圧力計、電力計などの指示値に
依存して、一定条件を維持していると見做しているに過
ぎない。
本発明はカソードルミネセンス分析方法を用いて、反応
を制御することによって、電子用、光学材料に適する不
純物含有量が少なく、格子の乱れも少ない、高品位ダイ
ヤモンドを得ることに関するものである。
本発明によってIIaタイプ乃至これに近似の多結晶膜を
得る方法としては、CH4+H2系やCO+H2系の原料ガスを用
い、これをマイクロ波または誘導結合型による高周波を
用いて励起するのが好ましい。これらの方法において
は、反応室内の不純物源となるヒーターや露出電極の影
響を無視することができる。一方、析出用の基体材料の
温度が高すぎると、析出したダイヤモンド中に基体材料
成分が拡散によって混入し、低すぎると水素が析出物中
にトラップされ、いずれも不純物量や格子の乱れを増す
ことになるので好ましくない。従って、基体の温度は70
0乃至950℃の間とするのがよく、特に800乃至900℃の間
が好適である。
上記の原料ガスを用いた場合のガス組成は、黒鉛ないし
無定形炭素の析出阻止の見地から、2成分系について10
0モルのH2に対してCH4は1モル未満、COは15モル未満と
するのがよい。ただCH4、COとも極端に低濃度となると基
体のエッチングが著しくなるので、この点においてCH4
を0.2モル未満、COを約1モル未満にするのは好ましく
ない。
さらにこれらの原料ガスに酸素、水、または炭酸ガスを
添加すると、黒鉛ないし無定形の炭素の混入を阻止しつ
つ、ダイヤモンドの析出速度を大きくすることができる
ので、より好ましい。この場合に添加された酸素、水、
炭酸ガスの機能の解明はまだであるが、酸素、水につい
ては、活性化されて原子またはイオンの形となって、非
ダイヤモンド炭素の除去に有効に作用し、この際に生じ
たCOガスからもダイヤモンドが形成されると考えられ
る。一方炭酸ガスの場合は、炭素源を添加することにも
なるので、酸素添加の場合よりもさらに形成速度が大き
くなると理解される。これらのガスを添加することによ
って、ダイヤモンドの形成速度は一旦大きくなり、次い
で連続的に低下する傾向が見られる。一方析出ダイヤモ
ンドの品質は、ガス添加量の増加に伴って連続的に向上
する。このことは、活性化された酸素含有物質によるエ
ッチング作用は、活性化された水素よりも強力なことか
ら、いずれの場合にも非ダイヤモンド物質だけでなく、
構造の乱れたダイヤモンドもエッチングされ、従って、
構造の整合性の高いダイヤモンドだけが析出物として残
るものと考えられる。これらの要件を勘案し、品質と生
産性との両方の見地から最適な添加量を設定することに
なる。
測定と評価については、ダイヤモンドの析出反応を行い
ながら生成物の品質を評価するのが好ましいが、形成装
置と測定装置とは構造も操作時の真空度も大きく異なる
ので、一定時間ごとに反応を中断して生成物を取り出
し、測定を行うのが実際的である。なお測定に要する時
間は20分以内である。評価は得られたスペクトルを画像
解析し、予め作成しておいた各種の標準画像と比較する
方法が簡便である。
そこでダイヤモンドの形成反応を始めた直後(例えば3
0分後)に、生成物についてカソードルミネセンスの測
定を行い、測定した反応条件が適当であるかどうかを検
定し、良ければそのままの条件で反応を続行し、不適当
であれば条件を設定しなおして反応をやり直すことによ
って、不良品を作り続ける無駄を未然に防ぐことができ
る。また繰返し反応を行う場合には、反応条件の再現性
を検定することにもなる。
反応の進行中にも定期的に生成物を検査することによっ
て、設定した反応条件が適正か、修正を必要とするかの
判断が可能であり、常に一定品質の製品の作製が保証さ
れる。
さらに反応条件と生成物の品質とを対比することによっ
て、反応条件の許容範囲を決定することができる。
〔実施例〕
反応管としては、2.45GHzのマイクロ波発生装置と組み
合わせた、外形48mmの石英管を用いた。析出用の基板に
はスクラッチ付けをした10mm角のシリコン板を用いた。
基板を約900℃に加熱し、反応管内の圧力は3.3kPaに保
った。反応ガスの組成(水素100に対するモル比)なら
びに生成品の評価をまとめて下表に示した。
このうち本発明によるダイヤモンドの一例(操作No.
6)および比較品の一例(操作No.10)についてのカソ
ードルミネセンス分光図形を、それぞれ第1図および第
2図に示す。さらに参考のために天然ダイヤモンドにつ
いて、カソードルミネセンス分光図形を第3図に示す。
図において縦軸はルミネセンス強度(任意単位)、横軸
はフォトンエネルギー(eV)乃至波長(nm)を表わす。
また第4図は本発明品(操作No.6)、比較品(操作No.
7)並びに天然のIIa型ダイヤモンドについて、光の吸
収(透過)特性を比較した例である。図において横軸は
光の波長(nm)、縦軸は吸光度である。図に見られるよ
うに、本発明品(曲線2)による膜は、天然のIIa型ダ
イヤモンド(曲線3)と同様に300nm付近の波長の光を
透過することが認められる。これに対して比較品(曲線
1)においては、350nmよりも短波長の光は透過せずI
a型に属しており、本発明品とは明らかな差異が認めら
れる。
本発明による評価方法としては、カソードルミネセンス
図形について、ピーク値、半価幅だけでなく、20%高さ
におけるエネルギー幅も用いたが、20%高さの代わりに
25%高さにおけるエネルギー幅(四半価幅)を用いるこ
ともできる。この場合本発明品の操作No.1〜6につい
ての測定値はそれぞれ0.75、0.66、0.62、0.69、0.65、0.57
となるものの、傾向としては20%高さにおけるエネルギ
ー幅の値を用いた場合と同様である。
以上詳述したように本発明においては、 1.反応の初期に生成物を検査することによって生成条
件が所定の品質を得るのに適しているかを検定すること
ができ、操作上の無駄を省くことができる。また再現性
を確保することができる。
2.一定時間ごとに反応をモニターすることにより、反
応条件のずれを早期に見つけることが可能であり、全反
応を通じて一定の条件を維持することによって均質な製
品が得られる。
3.生成物の評価から、許容される反応条件の範囲が決
定できるので、最も効率の高い条件を選ぶことができ、
生産性を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図はそれぞれ、本発明によるダイヤモ
ンドおよび比較品の一例についてのカソードルミネセン
ス分光図形、第3図は各タイプ天然ダイヤモンドについ
てのカソードルミネセンス分光図形を示す。また第4図
は本発明品、比較品ならびに天然のIIa型ダイヤモンド
について、光の吸収(透過)特性を比較した例である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚 博 東京都品川区荏原6丁目19番2号 (72)発明者 細見 暁 神奈川県平塚市山下358番地の1 審査官 寺本 光生

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】CVD法により生成されたダイヤモンドであ
    って、カソードルミネセンスによる評価において、分光
    図形のピーク位置2.8eV以上、半価幅0.5eV以内、20%高
    さにおけるエネルギー幅が0.8eV以内である、高品位ダ
    イヤモンド。
  2. 【請求項2】H2−CH4またはH2−COの2成分からなる混
    合ガス或いはこれらを主成分とする混合ガスを原料とし
    てCVD法によりダイヤモンドを製造するにあたり、生成
    したダイヤモンドをカソードルミネセンスの分光図形の
    ピーク位置、半価幅、20%高さにおけるエネルギー幅に
    基づいて評価し、これらの値がそれぞれ2.8eV以上、0.5
    eV以内、0.8eV以内となるように原料ガスの組成および
    流量、操作温度、基板状態等を調整することにより、操
    作条件を最適化してダイヤモンドの生成を行うことを特
    徴とする、高品位ダイヤモンドの製造方法。
  3. 【請求項3】反応室へ装入される原料ガスとして単位時
    間あたりのモル比において100部のH2と1部未満のCH4
    の混合ガスを用いる、請求項2に記載の高品位ダイヤモ
    ンドの製造方法。
  4. 【請求項4】反応室へ装入される原料ガスが、主成分と
    して、単位時間あたりのモル比において100部のH2と1
    部以上のCH4、及び添加成分としてO2、CO2、H2Oのうちの
    少なくとも1種を含み、かつ添加成分の全酸素量が原子
    比において水素100に対して2以上の混合ガスを用い
    る、請求項2に記載の高品位ダイヤモンドの製造方法。
  5. 【請求項5】上記添加ガスが本質的に、100部のH2に対
    して1.5部以上含有されたO2である、請求項4に記載の
    高品位ダイヤモンドの製造方法。
  6. 【請求項6】上記添加ガスが本質的に、100部のH2に対
    して1.0部以上含有されたCO2である、請求項4に記載の
    高品位ダイヤモンドの製造方法。
  7. 【請求項7】上記添加ガスが本質的に、100部のH2に対
    し2部以上含有されたH2Oである、請求項4に記載の高
    品位ダイヤモンドの製造方法。
  8. 【請求項8】反応室へ装入される原料ガスとして単位時
    間あたりのモル比において100部のH2と15部未満のCO
    との混合ガスを用いる、請求項2に記載の高品位ダイヤ
    モンドの製造方法。
  9. 【請求項9】反応室へ装入される原料ガスが、主成分と
    して、単位時間あたりのモル比において100部のH2と1
    5部以上のCO、及び添加成分としてO2、CO2、H2Oのうちの
    少なくとも1種を含み、かつ添加成分の全酸素量が原子
    比において水素100に対して5以上の混合ガスを用い
    る、請求項2に記載の高品位ダイヤモンドの製造方法。
  10. 【請求項10】上記添加ガスが本質的に、100部のH2
    対して3部以上含有されたO2である、請求項9に記載の
    高品位ダイヤモンドの製造方法。
  11. 【請求項11】上記添加ガスが本質的に、100部のH2
    対して5部以上含有されたCO2である、請求項9に記載
    の高品位ダイヤモンドの製造方法。
  12. 【請求項12】上記添加ガスが本質的に、100部のH2
    対して5部以上含有されたH2Oである、請求項9に記載
    の高品位ダイヤモンドの製造方法。
  13. 【請求項13】原料ガスの励起方法として、マイクロ波
    または誘導結合型による高周波を用いる、請求項2乃至
    12の各項に記載の高品位ダイヤモンドの製造方法。
  14. 【請求項14】ダイヤモンド析出時の基板温度を700乃
    至950℃とする、請求項2乃至13に記載の高品位ダイ
    ヤモンドの製造方法。
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US08/627,320 US5882740A (en) 1989-03-17 1996-04-01 Method of producing diamond of controlled quality and product produced thereby

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61158899A (ja) * 1985-07-31 1986-07-18 Kyocera Corp ダイヤモンド膜の製法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS61158899A (ja) * 1985-07-31 1986-07-18 Kyocera Corp ダイヤモンド膜の製法

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