JPS60112697A - ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置 - Google Patents
ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置Info
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- JPS60112697A JPS60112697A JP58217374A JP21737483A JPS60112697A JP S60112697 A JPS60112697 A JP S60112697A JP 58217374 A JP58217374 A JP 58217374A JP 21737483 A JP21737483 A JP 21737483A JP S60112697 A JPS60112697 A JP S60112697A
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/02—Elements
- C30B29/04—Diamond
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
〔従来技術〕
切削工具などに利用されている人工ダイヤ用ンドは、黒
鉛を超高圧高温状態にすることによづ大台成し、製造さ
れている。
鉛を超高圧高温状態にすることによづ大台成し、製造さ
れている。
最近では、カーホンや炭化水素ガス中の放電により生成
される炭素イオンを利用するイオンビーム堆積合成方法
や、高熱状態で熱化学的に炭化水素の化学結合枝を解離
することにより生成される炭素原子を利用する熱化学的
堆積合成方法により、ダイヤモンドの結晶合成の実験が
行わわている。
される炭素イオンを利用するイオンビーム堆積合成方法
や、高熱状態で熱化学的に炭化水素の化学結合枝を解離
することにより生成される炭素原子を利用する熱化学的
堆積合成方法により、ダイヤモンドの結晶合成の実験が
行わわている。
後者の熱化学的堆積合成方法の高熱源としては、高熱タ
ングステン・フィラメントや長波長レーザ光を集光した
高熱基板が用いられている。
ングステン・フィラメントや長波長レーザ光を集光した
高熱基板が用いられている。
上述のように、ダイヤモンド結晶成する方法としては、
大別して、超高圧高温下での合成方法、イオンビーム堆
積による合成方法、熱化学的堆積による合成方法がある
。しかし、超高圧高温合成方法においては超高圧発生装
置を必要とし、その装置が大型になるなどの欠点があっ
た。この超高圧高温合成方法に比較して、イオンビーム
堆積合成方法と熱化学的堆積合成方法では、低圧状態で
ダイヤモンド結晶が合成できるという利点がある。
大別して、超高圧高温下での合成方法、イオンビーム堆
積による合成方法、熱化学的堆積による合成方法がある
。しかし、超高圧高温合成方法においては超高圧発生装
置を必要とし、その装置が大型になるなどの欠点があっ
た。この超高圧高温合成方法に比較して、イオンビーム
堆積合成方法と熱化学的堆積合成方法では、低圧状態で
ダイヤモンド結晶が合成できるという利点がある。
しかし、イオンビーム堆積合成方法では放電により炭素
イオンのみならず他原子のイオンも発生するので不純物
が形成される可能性があり、また熱化学的堆積合成方法
活管化水素分子を熱化学的に。
イオンのみならず他原子のイオンも発生するので不純物
が形成される可能性があり、また熱化学的堆積合成方法
活管化水素分子を熱化学的に。
分解するので炭素原子の生成効率が劣るとい５１獣点が
あるとともに、この両方法では炭素イオ叫列。
あるとともに、この両方法では炭素イオ叫列。
ろいは炭素原子を局所的に集中させることは１難−であ
るので、ダイヤモンド結晶の成長速度が遅いという欠点
があった。
るので、ダイヤモンド結晶の成長速度が遅いという欠点
があった。
この発明は、上記の欠点を解消するためになされたもの
で、低圧低温状態で、しかも成長速度が速いダイヤモン
ド結晶および薄膜の合成が可能な方法と装置とを提供す
ることｔ主目的にしたものである。
で、低圧低温状態で、しかも成長速度が速いダイヤモン
ド結晶および薄膜の合成が可能な方法と装置とを提供す
ることｔ主目的にしたものである。
まず、この発明の原理の概略Ｚ説明する。
この発明は、紫外光および真空紫外光照射により炭化水
素分子の解離を誘起し、その際遊離する炭素原子を基板
上に堆積させダイヤモンド結晶を合成するものである。
素分子の解離を誘起し、その際遊離する炭素原子を基板
上に堆積させダイヤモンド結晶を合成するものである。
原理は次のとおりである。
炭化水素分子は炭素原子Ｃと水素分子Ｈとから構成され
ており、Ｃ−Ｈ結合枝、Ｃ−Ｃ結合枝。
ており、Ｃ−Ｈ結合枝、Ｃ−Ｃ結合枝。
Ｃ＝Ｃ結合結合枝ＥＣ結合結合枝成っている。こわらの
結合枝の化学結合エネルギーは、Ｃ７Ｈ枝で９８ ｋｃ
ａｌ／ｍｏｌ 、 Ｃ−Ｃ枝で８０ ｋｃａｌ ／ｍｏ
ｌ 。
結合枝の化学結合エネルギーは、Ｃ７Ｈ枝で９８ ｋｃ
ａｌ／ｍｏｌ 、 Ｃ−Ｃ枝で８０ ｋｃａｌ ／ｍｏ
ｌ 。
Ｃ＝Ｃ枝で１４５ ｋｃａｌ ／ｍｏｌ 、 ＣＥ Ｃ
枝で１９８ｋｃａｌ／ｍｏｌである。これらの結合枝の
化学結合エネルギーより大きいエネルギーヶ持つ高エネ
ルギー粒子を照射すると、結合枝！切断することができ
、炭素原子を炭化水素分子から分離させることができる
。このような高エネルギー粒子としては、光址子、高速
イオン、高速電子などが挙げられる。
枝で１９８ｋｃａｌ／ｍｏｌである。これらの結合枝の
化学結合エネルギーより大きいエネルギーヶ持つ高エネ
ルギー粒子を照射すると、結合枝！切断することができ
、炭素原子を炭化水素分子から分離させることができる
。このような高エネルギー粒子としては、光址子、高速
イオン、高速電子などが挙げられる。
ここで光量子の持つエネルギーについて記す。
光の周波数ンシ、波長ンλ、光速をＣとすると、この光
の１光子の量子エネルギーは、ｈν＝ ｃ ｈ／λで表
わされる。ここで、ｈはブランク定数である。例えば、
波長３００ｎｍの光量子エネルギー９５ ｋｃａｌ ／
ｍｏｌ 、波長２００ｎｍの光量子エネルギーは１４
３ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌ ｇ波長１００ ｎｍの光量
子エネルギーは２８６ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌである。
の１光子の量子エネルギーは、ｈν＝ ｃ ｈ／λで表
わされる。ここで、ｈはブランク定数である。例えば、
波長３００ｎｍの光量子エネルギー９５ ｋｃａｌ ／
ｍｏｌ 、波長２００ｎｍの光量子エネルギーは１４
３ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌ ｇ波長１００ ｎｍの光量
子エネルギーは２８６ ｋｃａｌ ／ ｍｏｌである。
そこで、炭化水素分子のメタンＣＩ（、はＣ−Ｈ枝から
構成されているので、Ｃ−Ｈ枝の化学結合エネルギー９
８ｋｃａｌ ／ ｍｏｌより大きい光量子エネルギー！
持つ光、すなわち、約３００ ｎｍより短波長の光を照
射してやると、Ｃ−Ｈ枝を切断しメタンを分解すること
ができるということになるが、メタンの光吸収帯が１６
０ ｎｍ以下にあるので、１６０ ｎｍより短かい波長
の光をメタンに照射すると最も効率よ（メタンを分解で
き、炭素原子ン遊離′１−ることかできる。すなわち、
次の過程により炭素原子を遊離させることができる。
構成されているので、Ｃ−Ｈ枝の化学結合エネルギー９
８ｋｃａｌ ／ ｍｏｌより大きい光量子エネルギー！
持つ光、すなわち、約３００ ｎｍより短波長の光を照
射してやると、Ｃ−Ｈ枝を切断しメタンを分解すること
ができるということになるが、メタンの光吸収帯が１６
０ ｎｍ以下にあるので、１６０ ｎｍより短かい波長
の光をメタンに照射すると最も効率よ（メタンを分解で
き、炭素原子ン遊離′１−ることかできる。すなわち、
次の過程により炭素原子を遊離させることができる。
ＣＨ４＋ｂν（λ＜１６０ｎｍ）−＋ＣＩＨ３＋Ｈ。
Ｃｌ−１，＋Ｈ，、ＣＨ＋１（、＋Ｈ，Ｃ＋２Ｈ。
このようにメタンの光分解には波長が１６０ｎｍより短
かい光を照射すわば良いのであるが、光分解により遊離
した炭素原子を堆積させダイヤモンド結晶を合成しよう
という場合には、結晶の成長速度を上げるために高出力
光源を用い、しかもレンズで基板上に光ン集光するのが
望ましい。波長が１６０ ｎｍ以下の高出力真空紫外光
源としては、フッ素Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）やア
ルゴンＡｒ２エキシマレーザ（波長１２６ｎｍ）などが
ある。そして、波長が１６０ ｎｍ以下のレーザは１光
子吸収過程によるメタンの光分解の場合に使用されるが
、２光子吸収過程による光分解の場合を考えると、波長
が３２０ ｎｍより短かい光を照射ては、キセノン塩素
Ｘｅ（１工キシマレーザＣ波岸゛１３０８ｎｍ）、クリ
プトンフッ素ＫｒＦエキシ４レーザ（波長２４９ｎｍ）
、アルゴンフッ素Ａｒ″Ｆ−エキシマレーザ（波長１９
３ｎｍ）など数多く存在する。
かい光を照射すわば良いのであるが、光分解により遊離
した炭素原子を堆積させダイヤモンド結晶を合成しよう
という場合には、結晶の成長速度を上げるために高出力
光源を用い、しかもレンズで基板上に光ン集光するのが
望ましい。波長が１６０ ｎｍ以下の高出力真空紫外光
源としては、フッ素Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）やア
ルゴンＡｒ２エキシマレーザ（波長１２６ｎｍ）などが
ある。そして、波長が１６０ ｎｍ以下のレーザは１光
子吸収過程によるメタンの光分解の場合に使用されるが
、２光子吸収過程による光分解の場合を考えると、波長
が３２０ ｎｍより短かい光を照射ては、キセノン塩素
Ｘｅ（１工キシマレーザＣ波岸゛１３０８ｎｍ）、クリ
プトンフッ素ＫｒＦエキシ４レーザ（波長２４９ｎｍ）
、アルゴンフッ素Ａｒ″Ｆ−エキシマレーザ（波長１９
３ｎｍ）など数多く存在する。
上記のように、ダイヤモンド結晶を合成するために、炭
化水素ン分解し遊離炭素原子を生成する方法として従来
は熱化学的方法がとられていたが、この発明においては
、炭化水素Ｙ＠ｊｉ！している結合枝の化学結合エネル
ギーよりも大きい光量子エネルギーン持つ光を照射する
ことＫよって炭化水素の結合枝な解離させ、炭素原子ケ
遊離させることができる、ということに注目したもので
、この発明の光化学的堆積合成方法は、従来の熱化学的
堆積合成方法に比較して、分子そのものに作用する直接
プロセスであるとともに、低圧低温プロセスであるので
省エネルギー的である。
化水素ン分解し遊離炭素原子を生成する方法として従来
は熱化学的方法がとられていたが、この発明においては
、炭化水素Ｙ＠ｊｉ！している結合枝の化学結合エネル
ギーよりも大きい光量子エネルギーン持つ光を照射する
ことＫよって炭化水素の結合枝な解離させ、炭素原子ケ
遊離させることができる、ということに注目したもので
、この発明の光化学的堆積合成方法は、従来の熱化学的
堆積合成方法に比較して、分子そのものに作用する直接
プロセスであるとともに、低圧低温プロセスであるので
省エネルギー的である。
このような光化学的堆積合成によるダイヤモンド合成方
法は、メタンのみならず他のパラフィン系炭化水素Ｃｎ
Ｈ２□、に対しても同様な原理が適用できる。また、二
重結合Ｃ−Ｃ枝を持つ炭化水素の１つであるエチレンＨ
，Ｃ＝ ＣＨ，の光吸収帯は２１０ ｎｍ以下にあり、
Ｃ＝Ｃ枝は波長１９７ｎｍ以下の光照射で解離される。
法は、メタンのみならず他のパラフィン系炭化水素Ｃｎ
Ｈ２□、に対しても同様な原理が適用できる。また、二
重結合Ｃ−Ｃ枝を持つ炭化水素の１つであるエチレンＨ
，Ｃ＝ ＣＨ，の光吸収帯は２１０ ｎｍ以下にあり、
Ｃ＝Ｃ枝は波長１９７ｎｍ以下の光照射で解離される。
従って、光源としてアルゴンフッ素ＡｒＦエキシマレー
ザ〔波長１９３ｎｍ）を用いると、１光子吸収過程でエ
チレンを光分解することができる。
ザ〔波長１９３ｎｍ）を用いると、１光子吸収過程でエ
チレンを光分解することができる。
次に、上記の原理によって光化学的堆積合成装ｆｌＬｐ
ｔ図面により説明する。
ｔ図面により説明する。
図面はこの発明の一実施例を示すもので、公知の高出力
紫外光発生装置１から放射される紫外おＪび真空紫外域
の高出力光、特にレーザ光あるいはコヒーレント光を反
射＠１２と集光レンズ３を通して、反応器４の中に設置
された基板５の上に窓１０を介して集光する。炭化水素
、あるいは炭化水素と水素の混合ガスは反応ガス供給装
置８ノ・ら反応器４へ供給される。紫外光および真空紫
外光で炭化水素は光分解さ、＋１、その際遊離した炭素
原子は基板５上に堆積し、基板５上でダイヤモンド結晶
が成長する。基板５上で成長するダイヤモンド結晶の品
質や成長速度などは基板温度に依存するので、基板温度
？最適化するために加熱用のヒータ６を基板５の下に設
置する。ヒータ６の温度は温度フン）ｃ−−ラＴで制御
する。使用後の反応ガスは、ガス排気装置９により排気
する。
紫外光発生装置１から放射される紫外おＪび真空紫外域
の高出力光、特にレーザ光あるいはコヒーレント光を反
射＠１２と集光レンズ３を通して、反応器４の中に設置
された基板５の上に窓１０を介して集光する。炭化水素
、あるいは炭化水素と水素の混合ガスは反応ガス供給装
置８ノ・ら反応器４へ供給される。紫外光および真空紫
外光で炭化水素は光分解さ、＋１、その際遊離した炭素
原子は基板５上に堆積し、基板５上でダイヤモンド結晶
が成長する。基板５上で成長するダイヤモンド結晶の品
質や成長速度などは基板温度に依存するので、基板温度
？最適化するために加熱用のヒータ６を基板５の下に設
置する。ヒータ６の温度は温度フン）ｃ−−ラＴで制御
する。使用後の反応ガスは、ガス排気装置９により排気
する。
以上玩明したようにこの発明は、炭化水素の反応ガスに
高出力紫外光を基板上に照射することにより反応ガスを
分１４！Ｉ−させるとともに、加熱した基板上に前記反
応ガスの分解により遊離した炭素原子を堆積させてダイ
ヤモンド結晶を成長させるようにしたので、従来の熱化
学的堆積合成に比べて低圧、低温の工程で、かつ、成長
速度が速いためエネルギーの梢費が少なく、製造コスト
が低減できる利点ケ有する。また、この発明による装置
は集光レンズを介して基板上に高出力紫外光を集中的に
照射させる構成であるため、高能率で基板上に結晶を合
成できる利点があるとともに、光源と＝して大出力エキ
シマレーザを用いることにより大型結晶の育成も可能と
なる。さらにこの装置は構成が簡単で製作も容易である
ので、非常に安価である。
高出力紫外光を基板上に照射することにより反応ガスを
分１４！Ｉ−させるとともに、加熱した基板上に前記反
応ガスの分解により遊離した炭素原子を堆積させてダイ
ヤモンド結晶を成長させるようにしたので、従来の熱化
学的堆積合成に比べて低圧、低温の工程で、かつ、成長
速度が速いためエネルギーの梢費が少なく、製造コスト
が低減できる利点ケ有する。また、この発明による装置
は集光レンズを介して基板上に高出力紫外光を集中的に
照射させる構成であるため、高能率で基板上に結晶を合
成できる利点があるとともに、光源と＝して大出力エキ
シマレーザを用いることにより大型結晶の育成も可能と
なる。さらにこの装置は構成が簡単で製作も容易である
ので、非常に安価である。
図面はこの発明の一実施例を示す概略構成図である。
Claims (2)
- （１） 炭化水素系の反応ガスに高出力紫外光を照射す
ることにより、前記反応ガスを分解させるとともに、加
熱した基板上に前記反応ガス゛の分解により遊離した炭
素原子を堆積させてダイヤモンド結晶および薄膜ケ成長
させることを特徴とするダイヤモンドの光化学堆積合成
方法。 - （２）高出力紫外光発生装置と、この高出力紫外光発生
装置からの高出力紫外光を集光レンズを介して導入し内
部の基板に照射させる反応器と、前記基板を加熱するヒ
ータと、前記反応器に反応ガスを供給する反応ガス供給
装置と、前記反応器内の反応ガスを排気するガス排気装
置とを備えたことを特徴とするダイヤモンドの光化学的
堆積合成装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58217374A JPS60112697A (ja) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58217374A JPS60112697A (ja) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60112697A true JPS60112697A (ja) | 1985-06-19 |
| JPH0351675B2 JPH0351675B2 (ja) | 1991-08-07 |
Family
ID=16703167
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58217374A Granted JPS60112697A (ja) | 1983-11-18 | 1983-11-18 | ダイヤモンドの光化学的堆積合成方法およびその装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60112697A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60171295A (ja) * | 1984-02-14 | 1985-09-04 | Mitsubishi Metal Corp | 人工ダイヤモンドを蒸着生成する方法 |
| JPS61201694A (ja) * | 1985-02-28 | 1986-09-06 | Nec Corp | ダイヤモンドの気相合成法 |
| JPS61251506A (ja) * | 1985-04-30 | 1986-11-08 | Kyocera Corp | ダイヤモンド粉末の製法 |
| JPS623095A (ja) * | 1985-06-07 | 1987-01-09 | モリソン・パンプス・エスエイ・（プロプライアタリ−）・リミテツド | 結晶生長法 |
| US4981717A (en) * | 1989-02-24 | 1991-01-01 | Mcdonnell Douglas Corporation | Diamond like coating and method of forming |
| US7255744B2 (en) | 2002-12-27 | 2007-08-14 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Low-resistivity n-type semiconductor diamond and method of its manufacture |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS56109895A (en) * | 1980-01-30 | 1981-08-31 | Hitachi Ltd | Gaseous phase growing method for semiconductor |
| JPS5891100A (ja) * | 1981-11-25 | 1983-05-30 | Natl Inst For Res In Inorg Mater | ダイヤモンドの合成法 |
-
1983
- 1983-11-18 JP JP58217374A patent/JPS60112697A/ja active Granted
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPS56109895A (en) * | 1980-01-30 | 1981-08-31 | Hitachi Ltd | Gaseous phase growing method for semiconductor |
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| CN100337310C (zh) * | 2002-12-27 | 2007-09-12 | 住友电气工业株式会社 | 低电阻率n－型半导体金刚石及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0351675B2 (ja) | 1991-08-07 |
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