JPH0660411B2 - Optical plasma vapor phase synthesis method and apparatus - Google Patents

Optical plasma vapor phase synthesis method and apparatus

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JPH0660411B2
JPH0660411B2 JP5631688A JP5631688A JPH0660411B2 JP H0660411 B2 JPH0660411 B2 JP H0660411B2 JP 5631688 A JP5631688 A JP 5631688A JP 5631688 A JP5631688 A JP 5631688A JP H0660411 B2 JPH0660411 B2 JP H0660411B2
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【発明の詳細な説明】 〔概 要〕 ダイヤモンドや窒化ホウ素などを高速で気相合成する方
法及び装置に関し、 ダイヤモンドや窒化ホウ素の成膜速度を高めることを目
的とし、 集光された大出力レーザービームによる光アーク放電に
より発生させた熱プラズマをプラズマジェットとして、
トーチ先端のノズルから噴出させ、基板冷却、好ましく
は冷却ガス吹き付けで急冷させて被処理基板に接触せし
め、被処理基板上に目的の物質を高速に成長させるよう
に構成する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] A method and an apparatus for high-speed vapor phase synthesis of diamond, boron nitride, etc., for the purpose of increasing the deposition rate of diamond or boron nitride. The thermal plasma generated by the optical arc discharge by the beam is used as a plasma jet,
The target substance is ejected from a nozzle at the tip of the torch and rapidly cooled by cooling the substrate, preferably by blowing a cooling gas to bring it into contact with the substrate to be processed, so that a target substance is grown on the substrate to be processed at high speed.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明はダイヤモンドや窒化ホウ素のように通常の方法
で合成できない物質を高速に気相合成する方法及び装置
に関する。例えば、ダイヤモンド膜は、熱伝導率が2000
W/mKと銅の4倍にも相当し、しかも硬度、絶縁性もす
ぐれており、半導体用のヒートシンク、回路基板材料と
して、理想的な材料である。また、広い波長範囲で透光
性にすぐれており、光学材料としてすぐれている。さら
に、ダイヤモンドは、バンドギャップが5.4eVと広
く、キャリア移動度の高い半導体でもあり高温トランジ
スタ、高速トランジスタ等の構性能デバイスとしても注
目されている。
The present invention relates to a method and an apparatus for high speed vapor phase synthesis of substances such as diamond and boron nitride which cannot be synthesized by a conventional method. For example, a diamond film has a thermal conductivity of 2000
It is equivalent to W / mK, which is four times that of copper, and has excellent hardness and insulation, making it an ideal material for heat sinks and circuit board materials for semiconductors. Further, it has excellent translucency in a wide wavelength range and is excellent as an optical material. Further, diamond has a wide bandgap of 5.4 eV and is also a semiconductor having high carrier mobility, and is attracting attention as a structural device such as a high temperature transistor and a high speed transistor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、良質の結晶質ダイヤモンドの気相合成法として
は、熱フィラメント法(S.Matsumoto et al.:Jpn.J.App
l.Phys.21(1981)L183)、マイクロ波プラズマCVD法
(M.Kamo et al.:J.Cryst. Growth 62(1983)642)、電
子線照射CVD法(A.Sawabe et al.:Appl.Phys.Lett.4
6(1985)146)等のCVD法が知られている。
Conventionally, the hot filament method (S. Matsumoto et al .: Jpn.J.App.
l.Phys.21 (1981) L183), microwave plasma CVD method (M.Kamo et al.:J.Cryst. Growth 62 (1983) 642), electron beam irradiation CVD method (A.Sawabe et al.:Appl) .Phys.Lett.4
6 (1985) 146) and other CVD methods are known.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

気相合成によって形成したダイヤモンド膜は、熱伝導
率、硬度、絶縁性、透光性、耐食性が優れているので、
半導体素子の高密度実装用の基板、各種工具の高硬度コ
ーティング膜、光学部品等として使用することが期待さ
れているが、上記いずれの製法によっても、成膜速度が
1μm/h以下と遅いので、コスト、生産性の上で問題
であった。
Since the diamond film formed by vapor phase synthesis has excellent thermal conductivity, hardness, insulation, translucency, and corrosion resistance,
It is expected to be used as a substrate for high-density mounting of semiconductor elements, a high-hardness coating film for various tools, an optical component, etc. However, the film formation rate is as slow as 1 μm / h or less by any of the above-mentioned manufacturing methods. It was a problem in terms of cost and productivity.

そこで、本発明は、上記の問題的を解決し、成膜速度の
高いダイヤモンドの気相合成法を提供することを目的と
する。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems and provide a vapor phase synthesis method of diamond having a high film formation rate.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

本発明は、上記課題を解決するために、集光させた大出
力レーザービームによる光アーク放電により発生させた
熱プラズマをプラズマジェットとして、トーチ先端のノ
ズルから噴出させ、急冷させて被処理基板に接触せし
め、被処理基板上に目的の物質を高速に成長させる光プ
ラズマ気相合成方法と、この方法を実施するための装置
として、大出力レーザービームを集光する手段と、該レ
ーザービームが集光される位置に放電ガスを供給する手
段と、該レーザービームを照射されて放電ガスが光アー
ク放電して発生する熱プラズマを被処理基板へ向ける手
段と、被処理基板を冷却可能な被処理基板を保持する基
板ホルダーとを具備してなる光プラズマ気相合成装置、
を提供する。
The present invention, in order to solve the above problems, thermal plasma generated by optical arc discharge by a focused high-power laser beam as a plasma jet, jetted from a nozzle at the tip of the torch, and rapidly cooled to the substrate to be processed. An optical plasma vapor phase synthesis method for bringing a target substance into contact with a substrate to be processed to grow at high speed, and a device for carrying out this method, a means for condensing a high-power laser beam, and a method for collecting the laser beam. A means for supplying a discharge gas to a position to be illuminated, a means for directing a thermal plasma generated by a light arc discharge of the discharge gas irradiated with the laser beam to a substrate to be processed, and a substrate to be processed capable of cooling the substrate to be processed. An optical plasma vapor phase synthesizer comprising a substrate holder for holding a substrate,
I will provide a.

この光プラズマジェットCVD法は、例えば、ダイヤモ
ンドを高い速度で気相合成させるには、水素原子や炭化
水素ラジカル等の活性種を高い密度で基板上に供給させ
なければならない。このような高いラジカル濃度は熱プ
ラズマを発生させることによりえられるが、熱プラズマ
はその温度が5000℃以上と高いため、そのまま基板上に
供給することはできない。そこで熱プラズマを急冷さ
せ、高温での高いガス解離率をそのまま凍結させた、低
温でも高いラジカル濃度を有する非平衡プラズマを基板
上に供給させるという考えのもとに発明された。
In the photoplasma jet CVD method, for example, in order to vapor-phase synthesize diamond at a high rate, active species such as hydrogen atoms and hydrocarbon radicals must be supplied onto the substrate at a high density. Such high radical concentration can be obtained by generating thermal plasma, but thermal plasma cannot be directly supplied onto the substrate because its temperature is as high as 5000 ° C. or higher. Therefore, the invention was invented under the idea of quenching the thermal plasma and freezing the high gas dissociation rate at high temperature as it is, and supplying non-equilibrium plasma having a high radical concentration even at low temperature onto the substrate.

この方法は、光アーク放電により発生させた熱プラズマ
をプラズマジェットとして水冷基板にぶつけることによ
り熱プラズマを急冷させダイヤモンドを高速合成させる
方法である。この方法では10μm/h以上の極めて高
い製膜速度が得られている。しかしこの方法では、熱プ
ラズマの急冷効果を上げるために、基板を十分に冷却し
なくてはならずそのため、基板に対しての制約が強かっ
た。すなわち基板としては熱伝導率が高く、薄いものし
か使用できなかった。そこで、上記の問題点を解決し、
どのような下地の上にでもダイヤモンド膜を高速に成長
させうるようにするために、本発明は、同様にして、集
光させた大出力レーザービームによる光アーク放電によ
り発生させた熱プラズマをプラズマジェットとして、ト
ーチ先端のノズルから噴出させ、このプラズマジェット
に冷却ガスを吹きつけ、熱プラズマを急冷させ、ラジカ
ルの濃度が高く活性な非平衡プラズマを生成し、この非
平衡プラズマに被処理基板を接触せしめ、被処理基板上
に目的の物質を高速に成長させることを特徴とする光プ
ラズマ気相合成方法,と、この方法を実施するための装
置として、大出力レーザービームを集光する手段と、該
レーザービームが集光される位置に放電ガスを供給する
手段と、該レーザービームを照射されて放電ガスが光ア
ーク放電して発生する熱プラズマを被処理基板へ向かわ
せる手段と、被処理基板へ向かう熱プラズマに冷却ガス
を吹き付ける手段とを具備することを特徴とする光プラ
ズマ気相合成装置、を提供する。
In this method, thermal plasma generated by optical arc discharge is struck as a plasma jet on a water-cooled substrate to rapidly cool the thermal plasma and rapidly synthesize diamond. With this method, an extremely high film forming rate of 10 μm / h or more has been obtained. However, in this method, the substrate has to be sufficiently cooled in order to enhance the quenching effect of the thermal plasma, and therefore the substrate is strongly restricted. That is, the substrate had a high thermal conductivity and only a thin substrate could be used. Therefore, we solved the above problems,
In order to be able to grow a diamond film on any underlayer at a high speed, the present invention similarly uses a thermal plasma generated by an optical arc discharge by a focused high-power laser beam as a plasma. As a jet, it is ejected from a nozzle at the tip of the torch, a cooling gas is blown to this plasma jet, the thermal plasma is rapidly cooled, active non-equilibrium plasma with a high concentration of radicals is generated, and the substrate to be processed is attached to this non-equilibrium plasma. An optical plasma vapor phase synthesis method characterized by bringing a target substance into contact with the substrate to be grown at a high speed, and an apparatus for carrying out this method, a means for condensing a high-power laser beam, , A means for supplying a discharge gas to a position where the laser beam is focused, and a discharge arc generated by the discharge gas being irradiated with the laser beam Means for directing the thermal plasma to the substrate to be processed that provides an optical plasma vapor synthesis apparatus, characterized by comprising means for blowing a cooling gas into the thermal plasma toward the substrate to be processed.

〔作用及び実施例〕[Operation and Example]

第1図に示すように、大出力レーザー1、たとえばCO
レーザーからのレーザービームAを集光レンズ2で、集
光コーン3の先端部に集光させて、極めて高い光強度を
得る。
As shown in FIG. 1, a high-power laser 1, for example, CO 2
The laser beam A from the laser is focused on the tip of the focusing cone 3 by the focusing lens 2 to obtain an extremely high light intensity.

原料ガスは、大気圧または、それ以上の圧力で導入し、
コーン3の先端部で集光されたレーザービームによって
加熱され、光アーク放電により、化学的活性度の高い高
温熱プラズマとなる。この際の急激な熱膨張を生じて、
プラズマジェットBとなり、ノズル6から噴出する。原
料ガスは、ダイヤモンド合成の場合には、従来よりCV
D法によるダイヤモンド合成に用いられている。たとえ
ば、H−1%CHを使用する。また、立方晶窒化ホウ
素(CBN) 合成の場合には、H−0.5% B2H6−1%
NHを使用する。
The raw material gas is introduced at atmospheric pressure or higher pressure,
It is heated by the laser beam focused at the tip of the cone 3 and becomes a high temperature thermal plasma with high chemical activity due to the light arc discharge. At this time, a rapid thermal expansion occurs,
It becomes a plasma jet B and is ejected from the nozzle 6. In the case of diamond synthesis, the source gas is CV
It is used for diamond synthesis by method D. For example, using a H 2 -1% CH 4. In the case of synthesizing cubic boron nitride (CBN), H 2 -0.5% B 2 H 6 -1%
Use NH 4 .

本発明によれば、従来法より活性度の高いプラズマをプ
ラズマジェットBとして得る。このプラズマジェットB
を水冷された基板7に吹きつけることにより、熱プラズ
マを急冷する効果が働き、従来のCVDに比べ格段に高
い速度でダイヤモンド、CBN等を合成することができ
る。
According to the present invention, plasma having a higher activity than that of the conventional method is obtained as the plasma jet B. This plasma jet B
Is sprayed on the water-cooled substrate 7, the effect of rapidly cooling the thermal plasma is exerted, and diamond, CBN, etc. can be synthesized at a much higher rate than in conventional CVD.

この方法において、プラズマの安定度を高めるために、
原料ガスにHe やAr 等の希ガスを加えても良い。ただ
し、希ガスの混合により製膜速度はいくぶん、低下す
る。
In this method, in order to increase the stability of the plasma,
A rare gas such as He or Ar may be added to the raw material gas. However, the film forming rate is somewhat reduced by mixing the rare gas.

なお、第1図は本発明の光プラズマCVD法の原理を示
す模式図である。同図中、1はレーザー発生装置、2は
集光レンズ、3は集光コーン、4はガス導入管、5はノ
ズル、6,9は冷却管、7は基板、8は基板ホルダ、1
0は真空チャンバ、11は排気管である。
Note that FIG. 1 is a schematic diagram showing the principle of the photoplasma CVD method of the present invention. In the figure, 1 is a laser generator, 2 is a condenser lens, 3 is a condenser cone, 4 is a gas introduction tube, 5 is a nozzle, 6 and 9 are cooling tubes, 7 is a substrate, 8 is a substrate holder, 1
Reference numeral 0 is a vacuum chamber, and 11 is an exhaust pipe.

第2図は熱プラズマに冷却ガスを吹き付けて冷却する光
プラズマ気相合成の原理を示す模式図である。同図中、
21は大出力レーザー、22はレーザービーム、23は
集光レンズ、24は放電ガス、25はノズル冷却水、2
6は水冷トーチノズル、27はプラズマジェット、28
は冷却ガス、29は冷却ガス噴出口、30はコーン、3
1は非平衡プラズマ、32は基板、33はダイヤモンド
膜、34はアークである。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of optical plasma vapor phase synthesis in which a cooling gas is blown onto the thermal plasma to cool it. In the figure,
21 is a high-power laser, 22 is a laser beam, 23 is a condenser lens, 24 is discharge gas, 25 is nozzle cooling water, 2
6 is a water-cooled torch nozzle, 27 is a plasma jet, 28
Is a cooling gas, 29 is a cooling gas ejection port, 30 is a cone, 3
Reference numeral 1 is a non-equilibrium plasma, 32 is a substrate, 33 is a diamond film, and 34 is an arc.

再び、ダイヤモンド合成の例で説明すると、水素ガスと
炭化化合物ガスからなる放電ガス24を集光コーン30
内に流し、集光されたレーザービーム22をあて、トー
チノズル付近で光アーク放電をおこすと、放電ガスは急
激に加熱され、10000℃以上の熱プラズマとなる。この
際、急激な温度上昇による体積膨張により、熱プラズマ
は超音速のプラズマジェット27となり、ノズル26か
ら噴出する。このプラズマジェットに冷却ガス28とし
て水素ガスを勢い良く吹き付け強制混合させることによ
り、熱プラズマを急冷させ、非平衡プラズマ31を発生
させる。この非平衡プラズマ中に基板27を置くと、そ
の表面にダイヤモンド膜33が成長する。
Explaining again with the example of diamond synthesis, the discharge gas 24 composed of hydrogen gas and carbonized compound gas is supplied to the condensing cone 30.
When the laser beam 22 focused inside is applied and a light arc discharge is generated in the vicinity of the torch nozzle, the discharge gas is rapidly heated to a thermal plasma of 10,000 ° C. or higher. At this time, the thermal plasma becomes a supersonic plasma jet 27 due to the volume expansion due to the rapid temperature rise, and is ejected from the nozzle 26. Hydrogen gas is vigorously blown onto the plasma jet as the cooling gas 28 to forcefully mix the plasma jet, whereby the thermal plasma is rapidly cooled and the non-equilibrium plasma 31 is generated. When the substrate 27 is placed in this non-equilibrium plasma, the diamond film 33 grows on its surface.

この方法では、熱プラズマを急冷させる手段として、基
板を冷却させるのではなく、プラズマジェットにガスを
吹きつける方法(ガス冷却法)を用いることが特徴であ
る。この方法は、プラズマジェットと室温程度のガスを
強制的に混合させることにより、瞬間的にプラズマを冷
却させるので、基板とはまったく無関係に、非平衡でプ
ラズマを作り出すことができる。したがって、この非平
衡プラズマ中に被処理物を、ダイヤモンドやCBNなど
が生成可能な温度になるように調整して保持しておくだ
けで、その表面にダイヤモンドやCBNなどを高速で合
成させることができる。
This method is characterized by using a method of blowing a gas to a plasma jet (gas cooling method) instead of cooling the substrate as a means for rapidly cooling the thermal plasma. In this method, the plasma is instantaneously cooled by forcibly mixing the plasma jet and a gas at about room temperature, so that the plasma can be generated in a non-equilibrium state irrespective of the substrate. Therefore, it is possible to synthesize diamond, CBN, etc. on the surface at high speed simply by adjusting and holding the object to be treated in this non-equilibrium plasma so that it has a temperature at which diamond, CBN, etc. can be produced. it can.

このようにこの方法では、前記の基板を冷却する光プラ
ズマジェットCVD法にくらべ、基板とまったく無関係
に熱プラズマを急冷できるために、基板にたいする制約
がなく、どのような基板上にでもダイヤモンドを高速に
成長させることができる利点がある。
As described above, in this method, the thermal plasma can be rapidly cooled irrespective of the substrate, as compared with the optical plasma jet CVD method for cooling the substrate described above, so that there is no restriction on the substrate and diamond can be deposited at high speed on any substrate. There is an advantage that can be grown.

この方法において、原料ガスとしては前記の光プラズマ
CVD法と同様であることができるが、原料ガスは放電
ガスとしてではなく、冷却ガスとして導入してもかまわ
ない。
In this method, the raw material gas may be the same as in the above-mentioned optical plasma CVD method, but the raw material gas may be introduced not as the discharge gas but as the cooling gas.

放電ガスや冷却ガスに、Ar ,He 等の不活性ガスを混
合してもかまわない。この場合、プラズマの安定性は向
上するが、製膜速度は低下する。
An inert gas such as Ar or He may be mixed with the discharge gas or the cooling gas. In this case, the stability of plasma is improved, but the film forming rate is decreased.

また、放電ガスや冷却ガスに非晶質炭素等の目的外の炭
素のエッチング効果を上がるため、O2, H2O, H2O2, CO
等の酸化性ガスを少量混合させてもかまわない。
In addition, in order to enhance the etching effect of undesired carbon such as amorphous carbon in the discharge gas or the cooling gas, O 2 , H 2 O, H 2 O 2 , CO
You may mix a small amount of oxidizing gas such as.

第3図は冷却ガスを用いて熱プラズマを冷却するタイプ
のガス冷却光プラズマジェットCVD法による気相合成
装置の模式図で、43はプラズマトーチ、44は放電ガ
ス供給管、45はレーザー、46はトーチ用冷却水配
管、47は基板ホルダ、48は基板、49は真空チャン
バ、50は排気系、51はレーザービーム、52は流量
計、53はガスボンベ、54は冷却ガス噴出口、55は
基板マニュプレータである。光源としては、下記実施例
2,3では、発信周波数10.6μm、出力20kW、ビーム
径80mmのフロー型COレーザーを用い、集光レンズに
は口径80mm、f1.5のものを用いた。基板ホルダは
マニュプレータにより、位置と向きをコントロールでき
るため、大面積の基板や複雑な表面形状の被処理物の上
にも均一に目的の物質を成長させることができる。また
本模式図には示していないが、基板温度を制御するため
に基板加熱用ヒータや水冷機構が取りつけられても良
い。
FIG. 3 is a schematic diagram of a gas-phase synthesis apparatus using a gas-cooled optical plasma jet CVD method of cooling thermal plasma using a cooling gas, 43 is a plasma torch, 44 is a discharge gas supply pipe, 45 is a laser, 46 Is a torch cooling water pipe, 47 is a substrate holder, 48 is a substrate, 48 is a vacuum chamber, 50 is an exhaust system, 51 is a laser beam, 52 is a flow meter, 53 is a gas cylinder, 54 is a cooling gas jet port, and 55 is a substrate. It is a manipulator. In Examples 2 and 3 below, a flow type CO 2 laser having an emission frequency of 10.6 μm, an output of 20 kW and a beam diameter of 80 mm was used as a light source, and a condenser lens having an aperture of 80 mm and f1.5 was used. Since the position and orientation of the substrate holder can be controlled by the manipulator, the target substance can be uniformly grown even on a large-area substrate or an object to be processed having a complicated surface shape. Although not shown in this schematic diagram, a heater for heating the substrate and a water cooling mechanism may be attached to control the temperature of the substrate.

実施例1 発振波長10.6μm、出力20kW、ビーム径80mmのフロ
ー型COレーザー1を用いて発生させたプラズマビーム
Aを、第1図に示すように口径80mm、f1.5の集光
レンズ2から、集光コーン3に導入するとともに、ガス
導入管4からH5/min 、CH0.2/min の流
量で原料ガスを集光コーン3に導入して、熱プラズマジ
ェットBとして口径3mmのノズル5から噴出させた。ノ
ズル5は圧力 200Torrの真空チャンバ10内に開口して
おり、ノズル5から30mm隔たった20×20mm、厚み0.
5mmの基板7に向けて熱プラズマを吹き当てた。ノズル
5および基板ホルダ8は、それぞれ冷却水管6および9
によって冷却し、基板の温度が 900℃になるように調節
して熱プラズマを急冷した。30分間経過して厚み20
μmの無色透明の膜を生成した。この膜は、X線回析で
は、ダイヤモンドのみのピークが検出され、ラマン分光
では、ダイヤモンドのピークの他に非晶質炭素によるブ
ロードなピークもいくらか、検出された。
Example 1 A plasma beam A generated by using a flow type CO 2 laser 1 having an oscillation wavelength of 10.6 μm, an output of 20 kW and a beam diameter of 80 mm was used, as shown in FIG. From the gas condensing cone 3 into the condensing cone 3, and the raw material gas is introduced from the gas introducing pipe 4 into the condensing cone 3 at a flow rate of H 2 5 / min and CH 2 0.2 / min. It was ejected from a 3 mm nozzle 5. The nozzle 5 is opened in the vacuum chamber 10 having a pressure of 200 Torr, and is 20 mm apart from the nozzle 5 by 30 mm and has a thickness of 0.
Thermal plasma was sprayed onto the 5 mm substrate 7. The nozzle 5 and the substrate holder 8 have cooling water pipes 6 and 9 respectively.
Then, the temperature of the substrate was adjusted to 900 ° C. to quench the thermal plasma. 20 minutes after 30 minutes
A μm colorless transparent film was produced. In this film, a peak of only diamond was detected by X-ray diffraction, and some broad peaks due to amorphous carbon were detected by Raman spectroscopy in addition to the peak of diamond.

実施例2 第2図、第3図に示す装置を用いて、基板として5×5
×0.2mmのSi ウェハを用い、チャンバ内を2×10-3
Torrまで排気後、放電ガスとして水素を1kg/cm2の圧
力で10/min 、メタンを1kg/cm2の圧力で80ml
/min 冷却ガスとして水素を1kg/cm2の圧力で10
/min 流し、チャンバ内の圧力を 200Torrに保持した。
冷却ガスは、トーチノズルの3mm下に設置した4本の噴
出口からプラズマジェットにむけて噴出された。レーザ
ー発信器より、出力10kWのレーザービームを照射し光
アーク放電をおこし、プラズマジェットを発生させた。
次に、基板をゆっくりトーチに近ずけ、ノズル−基板間
距離を5mmで固定し、この状態で10分間製膜を行っ
た。
Example 2 Using the apparatus shown in FIGS. 2 and 3, 5 × 5 as a substrate
2 × 10 -3 inside the chamber using Si wafer of 0.2 mm
After evacuated to Torr, pressure 10 / min of hydrogen as a discharge gas 1kg / cm 2, 80ml methane at a pressure of 1 kg / cm 2
/ Min Hydrogen as a cooling gas 10 at a pressure of 1 kg / cm 2
/ Min and the pressure in the chamber was maintained at 200 Torr.
The cooling gas was ejected toward the plasma jet from four ejection ports installed 3 mm below the torch nozzle. A laser beam having an output of 10 kW was irradiated from a laser oscillator to cause a light arc discharge and generate a plasma jet.
Next, the substrate was slowly moved closer to the torch, the nozzle-substrate distance was fixed at 5 mm, and film formation was performed for 10 minutes in this state.

合成されたダイヤモンド膜は厚さ約15μmのはっきり
した自形を有する緻密な多結晶体であった。X線回析で
は、立方晶ダイヤモンドのシャープなピークのみが検出
された。ラマンスペクトルでは、1333cm-1のダイヤモン
ドのピークのみが検出され、グラファイトや非晶質炭素
によるピークは検出されなかった。また、ビッカース硬
度は荷重 500gで約 10000kg/cm2と天然ダイヤモンドと
同等の値であった。
The synthesized diamond film was a dense polycrystalline body having a clear automorphic shape with a thickness of about 15 μm. In X-ray diffraction, only sharp peaks of cubic diamond were detected. In the Raman spectrum, only the diamond peak at 1333 cm -1 was detected, and no peak due to graphite or amorphous carbon was detected. The Vickers hardness was about 10,000 kg / cm 2 under a load of 500 g, which was the same value as natural diamond.

以上の結果より、合成されたダイヤモンドは、良質の多
結晶膜であることがわかる。また、製膜速度は 100μm
/hにも達していることがわかる。
From the above results, it can be seen that the synthesized diamond is a good quality polycrystalline film. The film forming speed is 100 μm
It can be seen that / h is reached.

実施例3 放電ガスとして水素を1kg/cm2の圧力で10/min
、B2H6を1kg/cm2の圧力で50ml/min 、冷却ガスと
して水素を1kg/cm2の圧力で10/min 、NHを1k
g/cm2の圧力で90ml/min 流し、他の条件は実施例2
と同様にしてBNの合成を行ったところ、ウルツ鉱型BN
(w−BN) を含む厚さ約10μmの c−BNの膜が形成され
た。この膜のX線回折ではグラファイト構造の六方晶型
BN(h−BN) はまったく検出されなかった。
Example 3 Hydrogen as a discharge gas at a pressure of 1 kg / cm 2 was 10 / min.
, B 2 H 6 at a pressure of 1 kg / cm 2 at 50 ml / min, hydrogen as a cooling gas at a pressure of 1 kg / cm 2 at 10 / min, NH 3 at 1 k
Flow at 90 ml / min at a pressure of g / cm 2 , other conditions being Example 2
When BN was synthesized in the same manner as in, wurtzite BN
A film of c-BN containing (w-BN) and having a thickness of about 10 μm was formed. X-ray diffraction of this film shows hexagonal structure of graphite structure
No BN (h-BN) was detected.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明の光プラズマジェットを利用する気相合成方法に
よれば、ダイヤモンドやCBNのように通常のCVD法
で合成できない薄膜を高速かつ連続的に形成し、コスト
および生産性を向上させることができる。
According to the vapor phase synthesis method using the photoplasma jet of the present invention, a thin film such as diamond or CBN that cannot be synthesized by a normal CVD method can be formed at high speed and continuously, and cost and productivity can be improved. .

また、本発明のガス冷却光プラズマジェットCVD方法
及び装置を用いれば、極めて速い製膜速度でダイヤモン
ドや c−BN等の気相法では合成困難な材料を、基板の冷
却なしに形成させることができるため、これらの物質の
応用範囲を大幅に広げることができる。
Further, by using the gas-cooled optical plasma jet CVD method and apparatus of the present invention, it is possible to form a material that is difficult to synthesize by a vapor phase method such as diamond or c-BN at an extremely high film-forming rate without cooling the substrate. Therefore, the range of application of these substances can be greatly expanded.

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

第1図は本発明の方法を実施する光プラズマジェット気
相合成装置の説明図、第2図はガス冷却プラズマCVD
の原理を説明する図、第3図はガス冷却プラズマCVD
装置の模式図である。 A……レーザービーム、B……プラズマジェット、 1……レーザー、2……集光レンズ、 3……集光コーン、4……ガス導入管、 5……ノズル、6,9……冷却水管、 7……基板、8……基板ホルダ、 10……真空チャンバ、11……排気管、 21……レーザー、22……レーザービーム、 23……集光レンズ、24……放電ガス、 25……ノズル冷却水、 26……水冷トーチノズル、 27……プラズマジェット、 28……冷却ガス、 29……冷却ガス噴出ノズル、 30……集光コーン、31……非平衡プラズマ、 32……被処理基板、33……成長膜、 43……プラズマトーチ、44……放電ガス供給管、 45……レーザー、 46……トーチ用冷却水配管、 47……基板ホルダー、48……基板、 49……真空チャンバ、50……排気系、 52……流量計、53……ガスボンベ、 54……冷却ガス噴出口、 55……基板マニプレーター。
FIG. 1 is an explanatory view of an optical plasma jet vapor phase synthesis apparatus for carrying out the method of the present invention, and FIG. 2 is a gas cooling plasma CVD.
FIG. 3 is a diagram explaining the principle of the gas cooling plasma CVD.
It is a schematic diagram of an apparatus. A ... laser beam, B ... plasma jet, 1 ... laser, 2 ... focusing lens, 3 ... focusing cone, 4 ... gas introducing tube, 5 ... nozzle, 6, 9 ... cooling water tube , 7 ... Substrate, 8 ... Substrate holder, 10 ... Vacuum chamber, 11 ... Exhaust pipe, 21 ... Laser, 22 ... Laser beam, 23 ... Condensing lens, 24 ... Discharge gas, 25 ... … Nozzle cooling water, 26 …… Water cooling torch nozzle, 27 …… Plasma jet, 28 …… Cooling gas, 29 …… Cooling gas jet nozzle, 30 …… Condensing cone, 31 …… Non-equilibrium plasma, 32 …… Processing target Substrate, 33 ... Growth film, 43 ... Plasma torch, 44 ... Discharge gas supply pipe, 45 ... Laser, 46 ... Torch cooling water pipe, 47 ... Substrate holder, 48 ... Substrate, 49 ... Vacuum chamber, 50 ...... Exhaust system, 52 …… Flowmeter, 53 …… Gas cylinder, 54 …… Cooling gas jet, 55 …… Substrate manipulator.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】集光させた大出力レーザービームによる光
アーク放電により発生させた熱プラズマをプラズマジェ
ットとして、トーチ先端のノズルから噴出させ、急冷さ
せて被処理基板に接触せしめ、被処理基板上に目的の物
質を高速に成長させる光プラズマ気相合成方法。
1. A thermal plasma generated by an optical arc discharge by a focused high-power laser beam is ejected from a nozzle at the tip of a torch as a plasma jet, and is rapidly cooled to contact the substrate to be treated. Photo-plasma vapor-phase synthesis method for growing target material at high speed.
【請求項2】集光させた大出力レーザービームによる光
アーク放電により発生させた熱プラズマをプラズマジェ
ットとして、トーチ先端のノズルから噴出させ、このプ
ラズマジェットに冷却ガスを吹きつけ、熱プラズマを急
冷させ、ラジカルの濃度が高く活性な非平衡プラズマを
生成し、この非平衡プラズマに被処理基板を接触せし
め、被処理基板上に目的の物質を高速に成長させること
を特徴とするプラズマ気相合成方法。
2. A thermal plasma generated by a light arc discharge by a focused high-power laser beam is used as a plasma jet and is ejected from a nozzle at the tip of the torch, and a cooling gas is blown to the plasma jet to quench the thermal plasma. Plasma to generate an active non-equilibrium plasma having a high concentration of radicals, contact the substrate to be processed with the non-equilibrium plasma, and grow a target substance on the substrate to be processed at high speed. Method.
【請求項3】大出力レーザービームを集光する手段と、
該レーザービームが集光される位置に放電ガスを供給す
る手段と、該レーザービームを照射されて放電ガスが光
アーク放電して発生する熱プラズマを被処理基板へ向け
る手段と、被処理基板を冷却可能な被処理基板を保持す
る基板ホルダーとを具備してなる光プラズマ気相合成装
置。
3. A means for focusing a high-power laser beam,
A means for supplying a discharge gas to a position where the laser beam is focused; a means for directing a thermal plasma generated by the light arc arc discharge of the discharge gas to the processed substrate; An optical plasma vapor phase synthesizing apparatus comprising: a substrate holder for holding a cooled substrate to be processed.
【請求項4】大出力レーザービームを集光する手段と、
該レーザービームが集光される位置に放電ガスを供給す
る手段と、該レーザービームを照射されて放電ガスが光
アーク放電して発生する熱プラズマを被処理基板へ向か
わせる手段と、被処理基板へ向かう熱プラズマに冷却ガ
スを吹き付ける手段とを具備することを特徴とする光プ
ラズマ気相合成装置。
4. A means for collecting a high-power laser beam,
A means for supplying a discharge gas to a position where the laser beam is focused; a means for directing thermal plasma generated by the arc arc of the discharge gas irradiated with the laser beam to the substrate to be processed; And a means for spraying a cooling gas onto the thermal plasma directed to the optical plasma vapor phase synthesis apparatus.
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