JPH07291794A - ダイヤモンド合成方法およびダイヤモンド合成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】気相成長によるダイヤモンドの合成方法及び合
成装置に関し、厚さ分布の制御を可能とし、大面積のダ
イヤモンド層を均一成長させることを目的とする。 【構成】プラズマトーチ１０を用い、炭素を含むプラズ
マジェット２０を基板３０に衝突させてダイヤモンド層
４０を成長させる際に、基板３０に向かうプラズマジェ
ット２０の流路の外部に電極５０を配置し、電界により
プラズマジェット２０を外側に偏向するか、又はバイア
ス電圧を印加してプラズマジェット２０の流路内を流れ
る電流を発生させ、その電流に磁界を作用させてプラズ
マジェット２０を偏向するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気相成長によるダイヤ
モンドの合成方法及び合成装置に関する。ダイヤモンド
は、ビッカース硬度が１００００であり、耐磨耗性と化
学的安定性とに優れることから、切削や研磨用の工具材
料として各種の産業分野で広く用いられている。また、
熱伝導率が銅の４倍の２０００Ｗ／ｍＫであり、広い波
長範囲にわたって透光性に優れるので、ヒートシンクや
電気回路基板、及び光学材料として好適である。さらに
バンドギャップが５．４ｅＶであり、半導体としても利
用し得るので、次世代の半導体デバイス材料として注目
されている。

【０００２】このため、より速くより厚い良質のダイヤ
モンドを得ることのできる工業的に有用なダイヤモンド
合成方法が求められている。

【０００３】

【従来の技術】結晶性の良好なダイヤモンドの合成に
は、気体の化学反応により固体を析出させる化学気相成
長（ＣＶＤ）法が用いられている。特に、本発明者らが
提案したプラズマジェットＣＶＤ法（特公平４−７７７
１０号）によれば、他の方法による場合の数十倍以上の
成膜速度でダイヤモンド層を成長させることができる。

【０００４】プラズマジェットＣＶＤ法は、アーク放電
により気体を加熱してプラズマ化する非移行型のプラズ
マトーチを用い、気体の炭素化合物をプラズマトーチ又
はそれから噴出するプラズマジェットに供給し、炭素を
含む高温高速のプラズマジェットを基板に衝突させて、
基板上にダイヤモンド層を成長させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のプラズ
マジェットＣＶＤ法による合成では、１００μｍ／ｈ程
度の成長速度が得られるものの、ピンチ効果によりプラ
ズマジェットの流れが絞られることから、ダイヤモンド
層の平面積（基板上でダイヤモンドが成長する範囲）が
小さく、しかも層の端部に近づくほど同心円状に層の厚
さが急激に減少するという問題があった。つまり、厚さ
が均一で面積の大きなダイヤモンドを合成することが困
難であった。

【０００６】本発明は、この問題に鑑みてなされたもの
で、ダイヤモンドの厚さ分布の制御を可能とし、大面積
のダイヤモンド層を均一成長させることを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係るダ
イヤモンド合成方法は、上述の課題を解決するため、図
１に示すように、プラズマトーチ１０を用い、炭素を含
むプラズマジェット２０を基板３０に衝突させてダイヤ
モンド層４０を成長させる際に、前記基板３０に向かう
前記プラズマジェット２０の流路の外部に電極５０を配
置し、前記プラズマトーチ１０と前記基板３０の間に電
界を発生させて前記プラズマジェット２０を偏向するも
のである。

【０００８】請求項２の発明に係る装置は、チャンバ７
１とプラズマトーチ１１とを備え、前記チャンバ７１内
に配置された基板３１に炭素を含むプラズマジェット２
１を衝突させて、ダイヤモンド層４１を成長させるダイ
ヤモンド合成装置１であって、前記基板３１に向かう前
記プラズマジェット２１の流路の外部に、前記プラズマ
ジェット２１を偏向する電界を発生させるための電極５
１を有する。

【０００９】請求項３の発明に係るダイヤモンド合成方
法は、図２に示すように、プラズマトーチ１０を用い、
炭素を含むプラズマジェット２０を基板３０に衝突させ
てダイヤモンド層４０を成長させる際に、前記基板３０
に向かう前記プラズマジェット２０に対して、前記プラ
ズマトーチ１０の軸方向と交差する方向の磁界を印加す
るとともに、前記プラズマトーチ１０と前記基板３０と
の間にバイアス電圧を印加して前記プラズマジェット２
０の流路内を流れる電流を発生させ、その電流に前記磁
界を作用させて前記プラズマジェット２０を偏向するも
のである。

【００１０】請求項４の発明に係る装置は、チャンバ７
２とプラズマトーチ１２とを備え、前記チャンバ７２内
に配置された基板３２に炭素を含むプラズマジェット２
２を衝突させて、ダイヤモンド層４２を成長させるダイ
ヤモンド合成装置２であって、前記基板３２に向かう前
記プラズマジェット２２に対して、前記プラズマトーチ
１２の軸方向と交差する方向の磁界を印加する電磁石６
０が設けられ、前記プラズマジェット２２の流路内を電
流が流れるように、前記プラズマトーチ１２１と前記基
板３２との間に電位差を生じさせるためのバイアス電圧
の印加が可能に構成されてなる。

【００１１】

【作用】プラズマトーチ１０に供給された放電ガスは、
陰極（カソード）１０１とノズル状の陽極（アノード）
１０２との間のアーク放電によって熱プラズマとなり、
急激な体積膨張により超高速のプラズマジェット２０と
なってノズルの開口から基板３０に向かって噴出する。
炭素化合物などの原料ガスは、放電ガスとともにプラズ
マトーチ１０に供給され、又はプラズマトーチ１０の外
部でプラズマジェット２０に供給される。炭素を含むプ
ラズマジェット２０は、適当な温度に保たれた基板３０
と衝突して冷却される。これにより、基板３０上にダイ
ヤモンド層４０が成長する。

【００１２】このような結晶成長に際して、例えばプラ
ズマトーチ１０と基板３０との間に、プラズマジェット
２０の流路を囲む電極５０を配置し、その電位を基板３
０及びアノード１０２の各電位より低電位とすると、基
板３０及びアノード１０２の両方から電極５０に向かう
電界Ｅが生じる。また、アノード１０２と電極５０と間
に電流が流れ、プラズマジェット２０中の元素の解離度
が高くなる。このため、プラズマジェット２０中の正電
荷が電極５０に引き寄せられて外側に偏向し、プラズマ
ジェット２０がプラズマトーチ１０の径方向に拡がり、
ダイヤモンド層４０の平面積が増大し且つ厚さが均一に
なる。

【００１３】また、基板３０に向かうプラズマジェット
２０に対して、プラズマトーチ１０の軸方向と交差する
方向の磁界Ｈを印加すると、ローレンツ力によって荷電
粒子の進路が変わり、それに引きずられてプラズマジェ
ット２０中の各粒子が偏向され、プラズマジェット２０
がプラズマトーチ１０の径方向に拡がる。そのとき、プ
ラズマトーチ１０と基板３０との間にバイアス電圧を印
加してプラズマジェット２０の流路内を流れる電流（放
電電流）Ｉを発生させると、ローレンツ力を受ける荷電
粒子の密度（プラズマジェットの電荷密度）が高まるこ
とから、プラズマジェット２０の偏向角度が大きくな
り、より広面積のダイヤモンド層が得られる。特にカソ
ード１０１と基板３０との間にバイアス電圧を印加する
と、アノード１０２と基板３０との間にバイアス電圧を
印加する場合に比べて、プラズマトーチ１０と基板３０
との間の放電電圧が高くなり、プラズマジェット２０の
電荷密度をより高めることができる。

【００１４】

【実施例】図３は請求項１の発明の実施に係るダイヤモ
ンド合成装置１の構成図である。ダイヤモンド合成装置
１は、減圧用のチャンバ７１、プラズマトーチ１１、基
板用マニプレータ８１、水冷の基板ホルダ８５、偏向用
の電極５１、電極位置調整用マニプレータ５２などから
構成されている。

【００１５】プラズマトーチ１１は、カソード１１１及
びノズル状のアノード１１２からなり、チャンバ７１の
上部に取付けられている。カソード１１１及びアノード
１１２は水冷構造であり、これらの間には電源１５１に
よりアーク放電のための電圧が印加される。

【００１６】基板用マニプレータ８１は、チャンバ７１
の下部に鉛直方向（プラズマトーチ１１の軸方向）に移
動可能に配置され、基板ホルダ８５の上面に取付けられ
た基板３１とプラズマトーチ１１との距離の調整に用い
られる。

【００１７】電極５１は、プラズマトーチ１１から基板
３１に向かうプラズマジェット２１の流路を周回する環
状の導体からなり、絶縁性のフランジ５２ａを介してマ
ニプレータ５２に取り付けられ、プラズマトーチ１１と
同心に支持されている。電極５１の軸方向断面は円形で
ある。マニプレータ５２は、プラズマトーチ１１の軸方
向における電極５１の位置調整に用いられる。

【００１８】電極５１と基板ホルダ８５との間には、可
変電圧源９０により電極側を低電位とするバイアス電圧
が印加され、これにより、プラズマトーチ１１と基板３
１との間でプラズマジェット２１に作用する電界が生じ
る。

【００１９】以上の構成のダイヤモンド合成装置１にお
いては、真空ポンプを排気口７５に接続してチャンバ７
１の内部を所定の低圧状態とし、プラズマトーチ１１の
ポート１１３から原料ガスを連続的に供給する。原料ガ
スはアーク放電により熱プラズマとなり、アノード１１
２の先端の開口からプラズマジェット２１となって噴出
する。プラズマジェット２１は電界により外側に偏向さ
れ、プラズマジェット２１の流路が径方向に拡がる。こ
のため、基板３１の広範囲の部分にほぼ均等にプラズマ
ジェット２１が衝突し、厚さの均一な大面積のダイヤモ
ンド層４１が成長する。なお、気相成長中はチャンバ７
１内の残留ガスの排気が行われる。

【００２０】次にダイヤモンド合成装置１による合成の
具体例について説明する。基板ホルダ８５に４０ｍｍ角
のモリブデン基板３１を固定してチャンバ７１の排気を
行い、プラズマトーチ１１に水素（放電ガス）及びアル
ゴン（放電安定用ガス）をそれぞれ３０リットル毎分
（Ｌ／ｍｉｎ）の流量で供給するとともに、原料ガスと
してメタンを０．３Ｌ／ｍｉｎの流量で供給した。

【００２１】気相成長中は、カソード１１１とアノード
１１２との間の電位差を１４０Ｖに保持した。また、電
極５１と基板ホルダ８５との間に３００Ｖの電圧を印加
してプラズマジェット２１を偏向した。

【００２２】一定時間の合成で得られたダイヤモンド層
４１について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で表面を観
察するとともに、断面観察により層の厚さの分布状態を
評価した。その結果、ダイヤモンド層４１の結晶性は良
好であった。また、層の厚さは３５０±１９．５μｍで
あった。すなわち、中央部の厚さは３６９．５（＝３５
０＋１９．５）μｍであり、端部の厚さは３３０．５
（＝３５０−１９．５）μｍであった。

【００２３】比較例として、実質的に電極５１を使用せ
ず、その他については上述の例と同一の条件でダイヤモ
ンドを合成した。それにより得られた層の厚さは５７０
±７７μｍであった。

【００２４】また、基板３１に対する電極５１の電位を
種々変更してダイヤモンドを合成し、厚さ分布を評価し
た。その結果を図４に示す。基板３１と電極５１との間
の電位差が大きいほど、すなわち電界が強いほど、プラ
ズマジェット２１の拡がりが顕著である。

【００２５】これらのことから明らかなように、電極５
１による電界の印加は、ダイヤモンド層４１の厚さの均
一化に有効である。なお、プラズマジェット２１の拡が
りにともなって成長速度が低下するが、それでも他の合
成方法よりは桁違いに成長が速い。

【００２６】このように電界によりプラズマジェット２
１を偏向するダイヤモンド合成に際して、電極５１の配
置位置は、プラズマジェット２１の発生条件などに応じ
て最適化すればよい。

【００２７】図５は電極位置による厚さの変化を示すグ
ラフである。電極５１の電位は、電極位置に係わらず、
基板５１に対して−３００Ｖとした。図５の例では、電
極５１とアノード１１２との距離が６０ｍｍのときに、
厚さの均一性が最良となっている。

【００２８】図６は請求項３の発明の実施に係るダイヤ
モンド合成装置２の構成図である。ダイヤモンド合成装
置２は、減圧用のチャンバ７２、プラズマトーチ１２、
基板用マニプレータ８２、水冷の基板ホルダ８６、及び
偏向用の電磁石６０などから構成されている。

【００２９】プラズマトーチ１２は、カソード１２１と
ノズル状の２つのアノード１２２，１２３からなる大出
力型トーチであり、下方にプラズマジェット２２を噴出
するようにチャンバ７１の上部に取付けられている。カ
ソード１２１及びアノード１２２，１２３は水冷構造の
タングステン電極であり、これらの間の間隙寸法は絶縁
体１２７，１２８によって規定されている。

【００３０】カソード１２１と内側のアノード１２２
は、アーク放電用の電源９１に接続される。また、カソ
ード１２１と外側のアノード１２３は、アーク放電用の
電源９２に接続される。アノード１２３の開口の径は１
０ｍｍである。なお、アノード１２３の先端部には、軸
方向の磁界を発生させて陽極点の回転を促すために、防
錆加工を施したＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系の永久磁石１２９が内
蔵されている。

【００３１】基板用マニプレータ８２は、チャンバ７２
の下部にＸＹＺ方向に移動可能に配置され、銅製の基板
ホルダ８５の上面に取付けられた基板３２とプラズマト
ーチ１２との配置関係の調整に用いられる。

【００３２】電磁石６０は、アノード１２３の開口直下
の空間を水平面内の左右前後の４方から挟む形状のヨー
ク６１と、水冷容器内に納められた励磁コイル６２とを
有する４極型電磁石である。励磁コイル６２は図示しな
い周波数可変型の２相交流電源に接続され、これにより
ヨーク６１で挟まれたギャップ内に、ほぼ水平面に沿っ
て一定周期で回転する磁界を発生させることができる。
磁束密度は最大１０００ガウスである。

【００３３】このような電磁石６０による磁界の作用を
高めるため、本実施例のダイヤモンド合成装置２では、
カソード１２１と基板ホルダ８６とをバイアス電源９３
に接続し、プラズマトーチ１２と基板３２との間で放電
を生じさせることができる。

【００３４】なお、原料ガスは、放電ガスとともにポー
ト１２４，１２５からプラズマトーチ１２に供給しても
よいし、チャンバ７２のポート７７から雰囲気ガスとし
て供給してもよい。さらに配管７８を介してプラズマト
ーチ１２の噴射口の近傍に供給することもできる。

【００３５】以上の構成のダイヤモンド合成装置２にお
いては、メカニカルブースターポンプ及びロータリーポ
ンプからなる排気系を排気口７６に接続してチャンバ７
２の内部を所定の減圧状態とし、プラズマトーチ１２に
放電ガスを連続的に供給する。放電ガスはアーク放電に
より熱プラズマとなり、プラズマジェット２２となって
噴出する。プラズマジェット２２は回転磁界により水平
面内における中心から外側に向かう各方向に均等に偏向
される。このとき、バイアス電源９３によって放電を生
じさせると、磁気作用を受ける電荷の密度が増大するこ
とから、偏向角度が増大する。このため、基板３２の広
範囲の部分にほぼ均等にプラズマジェット２２が衝突
し、厚さの均一な大面積のダイヤモンド層４２が成長す
る。気相成長中はチャンバ７２内の残留ガスの排気が行
われる。

【００３６】次にダイヤモンド合成装置２による合成の
具体例について説明する。基板３２として、直径２００
ｍｍ、厚さ５ｍｍのモリブデン板を用いた。基板３２を
基板ホルダ８６に固定し、チャンバ７２内を０．０１Ｔ
ｏｒｒ以下とした後、ガス供給源３からアルゴン（１０
Ｌ／ｍｉｎ）、水素（１０Ｌ／ｍｉｎ）、及び原料ガス
のメタン（０．６Ｌ／ｍｉｎ）を供給した。

【００３７】チャンバ７２内の圧力を３０Ｔｏｒｒに保
った状態で、まず、カソード１２１とアノード１２２と
の間で電流が２０Ａのアーク放電を生じさせ、次にカソ
ード１２１とアノード１２３との間で１００Ａのアーク
放電を生じさせ、さらにカソード１２１と基板３１との
間で放電を生じさせて２０Ａのバイアス電流を流した。
このとき、総消費電力は１００ｋＷであった。

【００３８】続いて、電磁石６０に周波数が１００Ｈｚ
の２相交流を印加し、ピーク磁束密度が５００ガウスの
磁界を発生させた。そして、基板３２を徐々にプラズマ
トーチ１２に近づけ、表面温度が１０００℃になる位置
に配置し、１時間のダイヤモンド合成を行った。

【００３９】以上の合成により得られたダイヤモンド層
４２を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、Ｘ線回折及
びラマン分光により結晶性を評価するとともに、二次イ
オン質量分析計（ＳＩＭＳ）を用いて不純物濃度を分析
した。

【００４０】図７は図６の装置によるダイヤモンド層４
２の厚さ分布を示すグラフである。図７においては、比
較のため、バイアス電流を流さず、その他については上
述の条件で合成したダイヤモンド層の厚さ分布を合わせ
て示してある。

【００４１】バイアス電圧を印加しない場合は、直径が
８０ｍｍ程度の範囲において厚さが均一である。これに
対して、バイアス電圧を印加した場合は、直径が１５０
ｍｍ程度の範囲において厚さが均一である。なお、厚さ
についてみると成長速度はバイアス電圧の印加により低
下するが、体積ついてみると成長速度はバイアス電圧の
印加により高まっている。

【００４２】また、Ｘ線回折ではダイヤモンドのピーク
のみが検出され，ラマン分光でも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は検出され
なかった。さらにＳＩＭＳよる分析では、電極材である
タングステンの濃度は１ｐｐｍ以下であった。

【００４３】図６の実施例によれば、アーク放電空間を
軸方向に延長し、プラズマジェットよりも電荷密度の高
いアーク放電に磁界を印加する場合に比べて、電磁石６
０のヨーク６１の下方にアーク放電用電極（アノード）
を設ける必要がないので、プラズマトーチ１２の構造が
簡単になる。

【００４４】図３の実施例において、プラズマトーチ１
１を軸方向に移動可能とし、電極５１を固定した状態で
トーチ１１を移動させて、電極５１とトーチ１１との相
対位置関係を調整するようにしてもよい。また、電極５
１の配置位置はプラズマジェットの流路の外側（側方）
に限られず、例えば基板３１の下方など用途に適した位
置に電極５１を設けることができる。

【００４５】図６の実施例において、バイアス電圧をア
ノード１２３と基板３２との間に印加するようにしても
よい。ただし、上述のようにカソード１２１と基板３２
との間に印加する方がプラズマジェット２２の電荷密度
をより高めることができる。

【００４６】なお、ガスの種類や流量などの合成条件
は、上述の例に限定されず、本発明の主旨に沿って適宜
選定することができる。また、合成装置１，２の構造、
各部の材質などは種々変更することができ、各種の電源
を合成装置１，２と一体化してもよいし、別装置として
設けてもよい。

【００４７】また、上述の実施例においては、層の厚さ
を均一化するためにプラズマジェットを外側に偏向する
例を挙げたが、電界Ｅ又は磁界Ｈの印加形態を適当に変
更し、任意の厚さ分布を得るようにプラズマジェットを
偏向してもよい。

【００４８】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、
ダイヤモンド層の厚さの制御が可能となる。それによ
り、厚さの均一な大面積のダイヤモンド層を得ることが
でき、ダイヤモンド合成の実用性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１の発明の原理図である。

【図２】請求項３の発明の原理図である。

【図３】請求項１の発明の実施に係るダイヤモンド合成
装置の構成図である。

【図４】図３の装置によるダイヤモンド層の厚さ分布を
示すグラフである。

【図５】電極位置による厚さの変化を示すグラフであ
る。

【図６】請求項３の発明の実施に係るダイヤモンド合成
装置の構成図である。

【図７】図６の装置によるダイヤモンド層の厚さ分布を
示すグラフである。

【符号の説明】

１，２ ダイヤモンド合成装置 １０，１１，１２ プラズマトーチ ２０，２１，２２ プラズマジェット ３０，３１，３２ 基板 ４０，４１，４２ ダイヤモンド層 ５０，５１ 電極 ６０ 電磁石 ７１，７２ チャンバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 明石 忍 神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地 富士通株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】プラズマトーチ（１０）を用い、炭素を含
   むプラズマジェット（２０）を基板（３０）に衝突させ
   てダイヤモンド層（４０）を成長させるダイヤモンド合
   成方法であって、 前記基板（３０）に向かう前記プラズマジェット（２
   ０）の流路の外部に電極（５０）を配置し、前記プラズ
   マトーチ（１０）と前記基板（３０）の間に電界を発生
   させて前記プラズマジェット（２０）を偏向することを
   特徴とするダイヤモンド合成方法。
2. 【請求項２】チャンバ（７１）とプラズマトーチ（１
   １）とを備え、前記チャンバ（７１）内に配置された基
   板（３１）に炭素を含むプラズマジェット（２１）を衝
   突させて、ダイヤモンド層（４１）を成長させるダイヤ
   モンド合成装置（１）であって、 前記基板（３１）に向かう前記プラズマジェット（２
   １）の流路の外部に、前記プラズマジェット（２１）を
   偏向する電界を発生させるための電極（５１）を有する
   ことを特徴とするダイヤモンド合成装置。
3. 【請求項３】プラズマトーチ（１０）を用い、炭素を含
   むプラズマジェット（２０）を基板（３０）に衝突させ
   てダイヤモンド層（４０）を成長させるダイヤモンド合
   成方法であって、 前記基板（３０）に向かう前記プラズマジェット（２
   ０）に対して、前記プラズマトーチ（１０）の軸方向と
   交差する方向の磁界を印加するとともに、前記プラズマ
   トーチ（１０）と前記基板（３０）との間にバイアス電
   圧を印加して前記プラズマジェット（２０）の流路内を
   流れる電流を発生させ、その電流に前記磁界を作用させ
   て前記プラズマジェット（２０）を偏向することを特徴
   とするダイヤモンド合成方法。
4. 【請求項４】チャンバ（７２）とプラズマトーチ（１
   ２）とを備え、前記チャンバ（７２）内に配置された基
   板（３２）に炭素を含むプラズマジェット（２２）を衝
   突させて、ダイヤモンド層（４２）を成長させるダイヤ
   モンド合成装置（２）であって、 前記基板（３２）に向かう前記プラズマジェット（２
   ２）に対して、前記プラズマトーチ（１２）の軸方向と
   交差する方向の磁界を印加する電磁石（６０）が設けら
   れ、 前記プラズマジェット（２２）の流路内を電流が流れる
   ように、前記プラズマトーチ（１２）と前記基板（３
   ２）との間に電位差を生じさせるためのバイアス電圧の
   印加が可能に構成されてなることを特徴とするダイヤモ
   ンド合成装置。