JPH07243044A

JPH07243044A - ダイヤモンドの気相合成法

Info

Publication number: JPH07243044A
Application number: JP5497994A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Takahashi; 利也高橋; Akihiko Ikegaya; 明彦池ケ谷; Naoharu Fujimori; 直治藤森
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1994-02-28
Filing date: 1994-02-28
Publication date: 1995-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】基材の上にダイヤモンド膜を厚く気相合成す
ると、内部応力のために基材が反る。基材が反ると、基
材と支持台の接触が不完全になる。基材は、基材支持台
によって冷却されているので、基材と支持台の接触が不
完全になると、基材の温度が上がり過ぎたり温度が不均
一になったりする。厚いダイヤモンド膜を基材の上に合
成するのが目的である。【構成】ダイヤモンド膜がある程度形成されると基材
を取出し、基材裏面を面出し加工する。平坦にしてから
再び基材支持台の上に戴置する。接触が完全になる。ダ
イヤモンドを再び合成する。基材が歪む前に取出し、ま
た基材裏面の面出しをする。このようにダイヤモンド膜
の合成と、基材裏面の面出し加工を繰り返す。常に基材
裏面が、支持台に緊密に接触できるので、基材の温度を
支持台の冷却媒体の流量温度により制御できるから、品
質が一定のダイヤモンドが引き続き形成できる。同じ工
程を繰り返して厚い膜を生成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドを気相合
成する際に、ダイヤモンドの品質を一定に保持しつつ合
成する方法に関する。加熱した適当な基板の上に炭化水
素、水素などの原料ガスを導き気相反応を起こさせるこ
とにより、ダイヤモンドの膜を成長させることができ
る。基板は、真空チャンバの中で、適当な基板支持台
（サセプタ）の上に置かれる。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドを気相合成する場合、基板
（基材）が必要である。基板として、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓ
ｉ₃ Ｎ₄ 、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＷＣ超合金な
どの板が用いられる。熱膨張率がダイヤモンドに近い、
ダイヤモンド合成温度より高い融点を有する、加工しや
すいなどの条件が、基板に対して要求される。熱膨張率
が著しく異なると冷却したときに、膜が剥離したり亀裂
が入ったりする。高融点でなければならないのは当然で
ある。加工性は、複雑な形状の膜を形成しようとする時
は特に重要な要件になる。本発明で問題にするのは熱膨
張率の違いによる、基板の反りである。薄い膜であれ
ば、膜による基板の歪みは問題にならない。しかし厚い
膜を成長させると、熱膨張率の相違に基づいて強い応力
が発生する。ために基板が歪む（反る）という問題が生
ずる。

【０００３】ダイヤモンドは熱膨張係数が非常に小さ
い。線膨張係数が１×１０^-6Ｋ^-1の程度である。通常の
金属やカ−バイドは５〜１０×１０^-6Ｋ^-1の程度の熱膨
張率を持つ。ダイヤモンドと同じ程度の線膨張係数を持
つ基板材料を選定するのが難しい。基板と膜の熱膨張率
の違いは無視できない。もしもダイヤモンドと大きく熱
膨張率の違う材料を基板とすると、合成の途中でも、膜
と基板の間に大きい応力が発生する。基板と膜の厚みの
比が大きい場合はあまり問題がない。しかし膜が厚くな
ってきた場合は、基板形状、剛性により基板自体に反り
が発生することがある。

【０００４】基板が反ると、基板と基板支持材（サセプ
タ）との間の接触状態が変化する。平坦な場合は、基板
の全体で、サセプタと接触しているので、基板温度は均
一である。もしも上に凸型に反ると、基板の周縁部のみ
が基板支持台（支持材）に接触し、中央部が浮き上が
る。上に凹型に反ると、基板の中央部のみが支持台に接
触し、周縁部が浮き上がる。このため、基板の温度が不
均一になり、発生した温度分布がさらに基板の反りを増
大させる。

【０００５】反りの発生を避けるために、基板加熱を軽
減してゆくという方法がある。熱フィラメントＣＶＤ法
の場合は、膜が厚くなり反りが生ずる前に、フィラメン
トを基材（基板）から離してゆくとか、フィラメント電
力を下げてゆくという方法が考えられる。フィラメント
からの熱入力が減少するので、基板の温度不均一性が是
正されると考えられる。例えばプラズマＣＶＤ法の場合
は、プラズマ投入電力を下げてゆくことにより、反りの
発生を防止する。しかし途中で合成条件を変更すると、
ダイヤモンドの成長速度が変化し、品質が変化してしま
う。従って、全長に渡って一様な品質のダイヤモンドを
得ることができない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】気相合成によりダイヤ
モンドを成長させる場合、従来は１０μｍ以下の薄い被
覆で十分なことが多かった。表面を被覆して耐摩耗性、
耐薬品性、などを改善するにはこれで良い。このような
薄い膜であれば、基板が反るという問題はない。しかし
最近はダイヤモンドの気相合成技術が進み、厚いダイヤ
モンドを作ることができるようになってきた。さらにダ
イヤモンドの応用範囲が広がり、厚いダイヤモンド膜
や、基板を除去した自立膜としての用途も発生してき
た。

【０００７】それゆえ１００μｍ〜２ｍｍという極めて
厚いダイヤモンド膜を形成する場合もある。このように
厚い膜の場合、長時間にわたる合成になる。従って、基
板、膜の熱膨張率の相違により強い応力が発生する。高
温であるから、基板の剛性は低下しており、時間も長い
ので、応力の影響が強くなる。つまり歪み（反り）が大
きくなるのである。

【０００８】基板とダイヤモンドの熱膨張率が違うの
で、ダイヤモンド膜を厚く基板上に合成すると、ダイヤ
モンド膜の内部応力のために、基板が反る。基板の反り
は、サセプタとの接触を変化させるので、基板の温度が
不均一になり、温度分布が発生する。同じ条件で合成を
続けるとしても、条件を変えてもダイヤモンドに厚み、
品質の変化を引き起こす。合成すべきダイヤモンド膜は
厚み方向に品質が一定であることが望ましい。反りによ
り、基板と支持材の接触状態が面内で違うので、膜の品
質は面内でも変動する。膜厚自体も面内で変化する。こ
のように基板の反りが、ダイヤモンドの厚み方向、面方
向の品質を変化させ、均一な品質のダイヤモンドを成長
させるのが難しい。

【０００９】基板（基材）の反りは、内部応力と、基板
の曲げ剛性の大きさに依存する。基板を厚くしてやれ
ば、反りは小さくなる。これは簡単な解決である。しか
し厚い基板はそれだけ高価額になる。基板を厚くすると
いう方法は経済的に好ましいものではない。さらに自立
膜とする場合は、基材をエッチング法、研磨法により除
去するが、厚い基材は除去に時間がかかる。コストの点
からも、基材はやはり薄い方が好ましい。本発明は、厚
み方向、半径方向、円周方向に一様な品質のダイヤモン
ドを成長させる方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、反応容
器の中で基板（基材）の上に、ある厚みのダイヤモンド
を合成し、基板を外部に取出し、基板の裏面の面出し加
工を行なう。さらに反応容器に入れてダイヤモンド合成
をする。また一定の厚みだけ成長させて、外部に取出
し、基板の裏面を研磨する。このようにダイヤモンドの
合成と、基板裏面の研磨を何度も繰り返す。ダイヤモン
ド成長により基板が反り掛けても、研磨により基板裏面
は平坦に戻る。

【００１１】つまりダイヤモンド合成により反りが発生
するが、これが極小さい内に外部に取り出して面出し加
工（研磨）するから、常に裏面は平坦に保たれる。こう
すると、基板支持台と基板の接触状態が常に一定にな
る。厚いダイヤモンド膜でも、支持台（サセプタ）と基
板の相互関係が不変である。裏面が平坦になるだけで、
反りは実際には発生するので、上面（表面）は反ってく
る。しかし上面の反りは温度分布の発生を引き起こさな
いので、品質の揺らぎの原因にならない。また、基板の
温度が均一化されているので、本発明によらない方法で
ダイヤモンドを合成した場合よりも反りの程度は大きく
軽減される。

【００１２】本発明は合成、裏面研磨、合成、裏面研磨
…を繰り返すものであるが、一回に合成するダイヤモン
ド膜の厚みは、５００μｍ以下とするのが望ましい。こ
れ以上の厚みであると、基材が反ってしまうからであ
る。さらに好ましくは一回の合成厚みは３００μｍ以下
とするのが良い。

【００１３】

【作用】ダイヤモンドの気相合成に用いられる基板は、
Ｓｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、
ＷＣ超合金などである。これらの材料の何れもが、ダイ
ヤモンドよりも大きい熱膨張率を持つ。熱膨張率の異な
る材料を基板に使うと、熱膨張係数の違いにより、歪み
が発生し、基板からダイヤモンドが剥離したり、基板が
反ってしまったりする。

【００１４】基板が反ると、支持台との接触が部分的に
なるので、基板の温度が面内で不均一になる。支持台の
中には冷却媒体を通し、冷却することがある。。加熱と
冷却が基板に対してなされるので、支持台と基板の接触
が不完全であると、基板の温度が好ましい温度からずれ
てくる。

【００１５】本発明は、ダイヤモンド合成の途中で、試
料（基板＋膜）を取出し、基板の裏面を再加工するの
で、裏面が再び平坦になる。これを反応容器に入れて、
サセプタの上にセットする。基板と支持台（サセプタ）
が密に接触できる。再びダイヤモンドを合成する。

【００１６】図１は本発明の方法を簡単に示すものであ
る。（１）は基板だけを示す。基板の上にダイヤモンド
膜を形成したものが、（２）である。ダイヤモンド膜が
厚くなるに従って、膜の応力のために基板が上に凹にな
るように歪んでくる。基板が上に凸になるか凹になるか
ということは、成長条件に依存する。ここでは凹になる
場合を図示しているが、凸になる場合でも同様に本発明
を適用できる。反りが大きくならないうちに、外部に取
出して（３）に示すように基板の裏面を研磨すると、裏
面が平坦になる。これを（２）のように反応容器に戻し
て再びダイヤモンド膜を合成する。矢印のように、合成
−研磨を繰り返す。所望の厚みに達すると合成を終了す
る。裏面は常に研磨して平坦になっているが、表面は反
りが蓄積されるので、凹型に反っている。

【００１７】１回の合成でどれほどの厚みのダイヤモン
ドを合成するのが良いかということは、基材の材質、合
成条件などに依存する。基板の材質が同じであれば、合
成時の基板温度が低い程、１回で合成可能な厚みが増え
る。合成温度が低いほど反りが小さくなるからである。

【００１８】基材（基板）が異なる場合は、基板の熱膨
張率が低いほど、１回で合成できる厚みが増える。ダイ
ヤモンドの熱膨張率に接近するからである。ダイヤモン
ド膜との密着性が良いので基板としてよく使われるＳｉ
基板の場合、１回で合成できる膜は３００μｍ以下であ
ることが望ましい。これは実験を繰り返して明らかにな
ったのである。さらにより好ましくは２００μｍ以下と
する。合成、研磨を繰り返すことにより、厚いダイヤモ
ンド膜を形成することができる。本発明の方法を繰り返
し、２ｍｍ程度の厚いダイヤモンド膜でも、膜厚方向に
均一な高品質なものを作ることができる。

【００１９】

【実施例】

［実施例１］２０ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍの正方形
Ｍｏ板を基材とした。熱フィラメントＣＶＤ法により、
Ｍｏ基板の上にダイヤモンド膜を１００時間合成した。
合成条件は、

【００２０】原料ガス水素ガス１０００ＳＣＣＭメタンガス１０ＳＣＣＭフィラメント温度２２００ ℃ 基材温度９００ ℃ 圧力３０Ｔｏｒｒ

【００２１】であった。これを取り出して厚みを測定す
ると、２００μｍの厚みのダイヤモンド膜が成膜できて
いた。このようなサンプル２個（Ａ、Ｂとする）の基材
裏面での反りを測定したところいずれも、１８μｍの反
りが発生していた。サンプルＡは引き続き、熱フィラメ
ントＣＶＤ法によりダイヤモンドを１００時間合成し
た。基材上にはダイヤモンドではなく非ダイヤモンド成
分を多く含む膜が生成していた。この理由は次のように
考えられる。基材と基板支持材の間に空隙ができ、支持
材による冷却が不十分で基材温度が高くなりすぎたので
ある。つまり合成条件が反りとともに変化してゆき、ダ
イヤモンド合成の最適条件からはずれてしまったのであ
る。

【００２２】サンプルＢは、基材裏面の面出し加工を行
なった。裏面対角線に沿う反りが、０．５μｍになるよ
うにした。これを再びＣＶＤ装置に入れて支持台の上に
セットした。基材と支持台は全面で接触した。このよう
にしてダイヤモンドの合成をさらに１００時間続けた。
これを取り出して膜厚と基材の反りを測定した。できた
膜はダイヤモンドであった。膜厚は４２０μｍであり、
対角線上の反りは２０μｍであった。厚み方向の品質は
一様であった。

【００２３】［実施例２］２０ｍｍ×２０ｍｍ×５
ｍｍのＳｉ板を基材に用いた。これを熱フィラメントＣ
ＶＤ装置の基材支持台に設置し、以下の条件で１００時
間ダイヤモンド膜を生成させた。

【００２４】原料ガス水素ガス１０００ＳＣＣＭメタンガス２０ＳＣＣＭフィラメント温度２３００ ℃ 基材温度９５０ ℃ 圧力５０Ｔｏｒｒ

【００２５】できたダイヤモンド膜の厚みは３００μｍ
であった。このようなサンプル２個（ＣとＤとする）の
基材裏面での反りを測定した。いずれも２２μｍの反り
が対角線上に発生していた。ＣのサンプルはそのままＣ
ＶＤ装置に戻して、熱フィラメントＣＶＤ法によりさら
に３００μｍの厚みのダイヤモンドを形成しようとし
た。しかしサンプルＣを取り出してみると、基材上には
炭素膜が形成されていた。また基材には亀裂が発生して
いた。これは反りのために、基材と基材支持台の接触が
点接触になり、支持台を経由する冷却作用が不完全にな
ったためである。基材温度が高すぎてダイヤモンドがで
きず炭素膜になってしまったのである。また内部応力が
きわめて強くなり、基材に亀裂が入ったのである。

【００２６】Ｄのサンプルは、基材裏面の面出し加工を
行なって、裏面対角線上での反りが０．５μｍ以下にな
るようにした。これを再び熱フィラメントＣＶＤ装置の
基材支持台の上に置いて、さらにダイヤモンドを３００
μｍ合成した。全部で６００μｍの厚いダイヤモンド膜
ができる。さらにこれを取出し、裏面の面出しをする。
これをＣＶＤ装置に入れてダイヤモンドの合成を行な
う。これを繰り返して、膜厚が２ｍｍのダイヤモンドを
形成することができた。厚み方向のダイヤモンド膜の品
質は一定であった。基材に亀裂が発生しなかった。基材
の裏面での反りは最終的に２８μｍであった。

【００２７】

【発明の効果】従来法はダイヤモンド膜が厚くなると基
材が反るので、基材と支持台の接触が部分的になり、基
材温度が制御できなくなるという欠点があった。支持台
は冷却され温度制御されているのであるが、基材と支持
台の熱接触が不完全であると、基材温度が上がり過ぎ
る。ために厚いダイヤモンド膜を作ることができない。
本発明のダイヤモンド合成法は、ある程度基材の上にダ
イヤモンド膜を合成すると、基材の裏面を平坦に加工
し、支持台に戻し再びダイヤモンドを合成する工程を繰
り返す。基材裏面と基材支持台の接触が常に密になるの
で、冷却されている支持台により、基材温度を適性な範
囲に制御することができる。ために品質の一様なダイヤ
モンド膜を繰り返し合成し、厚いダイヤモンド膜を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のダイヤモンド合成法を説明するための
単純化した工程図。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＶＤ装置の中に設けられ冷却媒体によ
り冷却されている基材支持台に、基材を戴置し、炭化水
素と水素を含む原料ガスを導入し、原料ガスを、熱、プ
ラズマ、マイクロ波、高周波電界などによって励起し、
基材の上にダイヤモンド膜を合成する方法において、ダ
イヤモンド膜をある厚み以下に合成し、基板を取出し、
基板裏面を面出し加工して反りを除いて平坦にし、再び
ＣＶＤ装置の基材支持台に戴置して、基材の上にダイヤ
モンド膜を合成する工程を繰り返し、基材の裏面の反り
を除きながら、ダイヤモンド膜を合成することを特徴と
するダイヤモンドの気相合成法。
【請求項２】基材が、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、
Ｗ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、ＷＣ超合金のいずれかで
あることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンドの
気相合成法。