JPS5891100A - ダイヤモンドの合成法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 合成法に関する。

従来、ダイヤモンドの合成法としては、次のような方法
が知られている。

１）炭化水素を加熱した暴状表面に導入し、その（１） 熱エネルギーで熱分解して遊離炭素を生成せしめてダイ
ヤモンドを析出する化学気相析出法。

２）放電中の高エネルギーを持った電子を利用して、炭
化水素の化学結合を解き放すと同時に励起状態の炭素原
子を生成せしめ、基体にダイヤモンド層を沈積するプラ
ズマＯＶＤ法。

３）アーク放電とスパッタリングの技術を組合せて、正
イオンビームを生成せしめ、これを集束して基λ反表面
に衝突させてダイヤモンドを析出させるイオンビーム法
。

４）黒鉛と基板と水素ガスを封入し、黒鉛を高温部に基
体を低温部に設置し、水素ガスを熱的あるいは放電によ
って原子状水素を生成せしめ、不均等化学反応を利用し
て基ｔｔ表面にダイヤモンドを析出させる化学輸送法 などがある。

前記１）の化学気相析出法は、沖．川下で／１００”Ｃ
以下の温度に加熱した基祿麦面で炭化水素を熱分解して
基Ｉ，を表面にダイヤモンド層を形成させるため、ダイ
ヤモンドより安定な黒鉛，非ダイヤモン（２） ド炭素の析出が避けられない。これらの析出物はダイヤ
モンドの成長を阻害する。従って、周期的に析出の操作
と酸素ガスまたは水素ガスを導入して、基柾表面に析出
した黒鉛、非ダイヤモンド炭素を除去する操作を繰返し
行うことが必要である。

また析出速度がおそく、基紙がダイヤモンドに限定され
る欠点がある。

前記２）のプラズマＯＶＤ法は、プラズマの密度を全域
にわたって均一に保持することが固唾である。

面にダイヤモンドを析出できる利点があるが、炭素の正
イオンビームを発生する装置およびその集束装置が高価
であり、放電持続に用いる不活性ガスの原子が析出しな
ダイヤモンド格子中に取り込まれるなどの欠点がある。

前記４）の化学輸送法は、封管法であり、封管内で黒船
と原子状水素との反応によって生成した炭化水素を利用
する方法であるため、連続操業がでぜなく、−また反応
ガスの濃度および比率、１だ加ト 熱温度等の合成条件を独立して変更ができない欠点があ
る。

本発明は前記の従来法の欠点を改善せんとするものであ
り、連続的に生産が可能で、合成条件を独立して容易に
変更し得られ、その合成条件の変更によって、基板表面
に粒状ダイヤモンドあるいはＩｌｉ状ダイヤモンドを析
出し得られる合成方法を提供するにある。

本発明は炭化水素と水素との混合ガスを１０００°Ｃ以
上に加熱した熱電子放射材によって予備加熱した後、こ
の加熱混合ガスをＳＯＯ〜／３００”Ｃに加熱した基板
表面に導入して、炭化水素の熱分解によりダイヤモンド
を析出させる方法によって、前記目的を達成したもので
ある。

本発明の方法の原理を示すと、 黒鉛が熱力学的に安定な温度、圧力下で、ダイヤモンド
を合成するためには、個々に分離［７た炭素原子を生成
せしめること。これら炭素原子が励起状態にあること。

この励起状態がダイヤモンド核を形成するまで持続する
ことの条件を満たすことが必要である。また炭化水素の
熱分解で生成した遊離炭素から安定してダイヤモンドを
成長させるためには、Ｓｐ５の結合を生じせしめるに充
分な反応エネルギーを遊離炭素に供給することが必要で
ある。

本発明の方法においては、熱電子放射材を加熱体として
、炭化水素と水素との混合ガスを予備加熱することによ
って、励起状態の炭化水素、原子状水素を生成せしめる
。この励起状態の炭化水素が加熱された基Ｊ瓦表面で熱
分解した時に生成する遊離炭素原子に化学的に活性な性
質と、Ｓｐ’結合メ を起すに充分な反応エネルギーを供給する。また原子状
水素はＳｐ　　結合より弱く、黒鉛および非ダイヤモン
ド炭素の層を成長させる原因をなるＳｐ２゜Ｓｐ結合を
持った核と反応し、炭化水素を生成し、ダイヤモンドが
成長する面の清浄化の作用をする。

本発明の方法において使用する混合ガスの炭化水素と水
素ガスとの混合比率は、黒鉛、非ダイヤモンド炭素の析
出を防「ヒする観点からその上限は（Ｓ　） 炭化水素／水素習／以下であることが望まし県。

１ そして粒状ダイヤモンドを合成するには約ｏ、ｄ′ｔ４
・膜状ダイヤモンドを析出するには約Ｏ０／であること
が好ましい。

予備加熱に用いる熱電子放射材の温度は、励起状態の炭
化水素と原子状水素を生成するに必要外温度を必要とす
るため、１０００℃以上、好ましくはＪ！　０．００℃
以上で２１０θ℃までであることがよい。

基体温度は析出した夕゛イヤモンドが黒鉛に逆転移する
現象を防止し、また予備加熱で生成した励起状態の炭化
水素が基板表面で熱分解を起すに必要な温度であること
を必要とするので、２００〜／　３００℃であることが
望ましい。特にＳＯＯ〜／　０００°Ｃが好ましい。

基板を収容する反応管内の圧力は％　　０．／−ＩＩｏ
ｏＴｏｒｒの範囲がよい。好ましい圧力は１００　Ｔｏ
ｒｒである。

熱電子放射体としては、例えばタングステンフィラメン
ト、トリウム含有タングステンフィラメントが挙げられ
る。

（乙） 本発明の方法によるときは、開管法であり、反応ガスと
して、炭化水素と水素との混合ガスを使用し、この混合
ガスを予備加熱して加熱した基板表面に導入するため、
反応ガスの濃度、混合ガスの比率、ガスの流速、さらに
予備加熱温度、基本温度々どを各々独立して制御するこ
とができ、従って容易に核形成速度を制御することがで
きる。

この合成条件を変えることにより、粒状ダイヤモンドあ
るいは膜状ダイヤモンドを容易に合成し得、へれる。ま
た連続操業で基ギ良表面にダイヤ−・ド４形成すること
ができ、量産に適しな合成方法である。

１１カ、４．＊、、ｈ〜、４ヤ−ｅｙ）’Ｕ。あ、い。

非ダイヤモンドの共析出がなく、優れたダイヤモンドが
得られる特長を有する。

次に本発明の方法を実施する装置の態様を示すと第７図
の通りである。／は反応炉１．２は排気装置、３は炭化
水素ガスと水素ガスとの供給装置でスを供給する混合ガ
ス供給管６が内蔵されている。

混合ガスは反応管７の下部にある混合ガス供給管乙から
導入され、基板支持台ｑの近傍に固定されたタングステ
ンフィラメントＳの近傍に固定された出口から供給され
る。

反応管７内の基板上に基板／３を設置した後、排気装置
−で反応管７内の空気を排気すると共にコックざ、９．
／θを調整して、水素ガスの流量ならびに反応管７内の
圧力を所定の減圧に保持する。

次にタングステンフィラメントＳの温度、基板／３の温
度を所定の温度まで加熱する。そして先に導入した水素
ガスの流量で水素ガスを、また予め流量調整した炭化水
素ガスを導入する。／／はコック、１２は排気口である
。

実施例１ シリコン・ウエノ・−を基板とし、反応ガスとしてメタ
ンと水素とを／　：　１００　（容量）の割合で混合し
たガスを使用し、反応管内の圧力を５０Ｔｏｒｒ（ざ　
） に調整し、基体温度を７００°Ｃ１予備加熱用のタング
ステン・フィラメントの温度を一〇〇〇″Ｃに加熱して
、３時間析出を行った。基板表面には２μｍ程度の粒状
ダイヤモンドの析出が観察された。第２図はこの粒状ダ
イヤモンドの反射電子回折像である。この回折像から立
方晶ダイヤモンドであることが同定された。第３図はこ
の粒状ダイヤモンドの走査型電子顕微鏡写真である。

実施例２ ）モリブデンを基板とし、反応ガスとしてエタンと水素
との／：Ｓθ（容量）の割合の混合ガスを用い□、反応
管内の圧力を／θＴｏｒｒに調整し、基板温度′をにｏ
ｏ’ｃ、　タングステン・フィラメント温度２０００”
Ｃに加熱し、３時間析出を行った。モリブテン基板表面
に約３μｍの粒状ダイヤモンドの析出が観察された。第
ψ図はこの方法で得られたダイヤモンドのラマンスペク
トルで、ダイヤモンドのラマン・バンドに対応する／３
３２Ｃｍ−’附近に、ラマン線が観察され、ダイヤモン
ドであることが同定された。

（９） 実施例ろ ″゛石英ガラスを基板とし、反応ガスとしてエチレンと
水素とを／：Ｓθ（容に）の割合で混合した混合ガスを
用い、反応管内の圧力を／θＴｏｒｒＫＭ整し、基板温
度をｑｏｏｏＣｌ　タングステン・フィラメント湿度２
０００″Ｃに加熱し、３時間析出を行つな。

基板表面に約３μｍのダイヤモンドが析出された。

実施例４ シリコン・ウェハーを基板とし、反応ガスとしてメタン
と水素とを／：Ｓθ（賽垣）の割合で混合した混合ガス
を用い、反応管内の圧力を９００°Ｃ１タングステン・
フィラメント温度を２３００′Ｃに力１１熱し、３峙］
ｔ−ＩＩ析出を行った。第３図の走査型電子顕微鏡写真
に示す膜状のダイヤモンドが在られた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する析出装置の態様、第２
図は実施例１によって得られたダイヤモンドの反射′Ｃ
１王子顕微鏡写★、第３図は実施例１によって得られた
ダイヤモンドの走査型電子顕微鏡写真、第ψ図は実施例
２によって得られたダイヤ（／θ） モンドのラマンスペクトル、第５図は実施例４によって
得られた膜状ダイヤモンドの走査型電子顕微鏡写真を示
す。 ｌ：反応炉、　　　　　　２＝排気装置、Ｓ：タングス
テン・フィラメント、 ６：混合ガス供給管、　　７：反応管、≠ ｆ　、　ｑ、／θ、コック、　　／ノ：排気口、／３：
基板。 「 （／／〕 第　３　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　炭化水素と水素との混合ガスを１０００”Ｃ以上に
   加熱した熱電子放射材によって予備加熱した後、この加
   熱混合ガスを、ＳＯＯ〜／　３００°Ｃに加熱した基板
   表面に導入して炭化水素の熱分解によりダイヤモンドを
   析出させることを特徴とする化学気相析出法によるダイ
   ヤモンドの合成法。 ２、　炭化水素と水素との混合ガスの混合比率が成性。