JPS60221396A - ダイヤモンドの気相合成装置 - Google Patents

ダイヤモンドの気相合成装置

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JPS60221396A
JPS60221396A JP7895884A JP7895884A JPS60221396A JP S60221396 A JPS60221396 A JP S60221396A JP 7895884 A JP7895884 A JP 7895884A JP 7895884 A JP7895884 A JP 7895884A JP S60221396 A JPS60221396 A JP S60221396A
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diamond
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gas
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phase synthesis
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Nobuaki Shohata
伸明 正畑
Kazutaka Fujii
和隆 藤井
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NEC Corp
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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】 (産業上の利用分野) 本発明は、水素ガス雰囲気下で炭什索素を熱分解するこ
とによって、粒子状ないしは膜状ダイヤモンドを析出さ
せるダイヤモンドの気相合成装置に関する。
(従来技術とその問題点) 炭火水素ないしは炭素化合物気体の熱分解によってダイ
ヤモンドを合成する方法として、従来数種の方法が知ら
れているQ例えば、特開昭47−42286に所載の方
法は、水素ガスをキャリアガスとして、夕”イヤモンド
種結晶粉末を触媒ヒーター中に置き、以下の反応を利用
してダイヤモンド種結晶の粒子径を増大させることがで
きることを明らかにしている。
(lI CH,→(ダイヤモンド) +2H2(2+ 
2CO→(ダイヤモンド)十CO。
131 Cn)4n+、 −* C(ダイヤ−e7ド)
+H2(但しn≦5) 一般にダイヤモンドの気相合成では、ダイヤモンド以外
の無定形炭素やグラファイトの析出が以後のダイヤモン
ドの生成を陥止してしまう0このためダイヤモンド以外
の無定形炭素やグラファイト等の非ダイヤモンド物質の
生成を防止する必要がある。この手段として、Pt、I
r、Os、Re、Au。
pd、Ru 、Re、Au 、pa 、Ru 、Rh 
、Ag 、Ni等の触媒ヒーターの存在下、反応条件と
して、減圧ないしは、1−10気圧の圧力で、900℃
〜1200’OO温度範囲で合成を行うことが明らかに
されている。生成する無定形炭素ないしはグラファイト
は、前記ノ触媒ヒーターの作用によって、ダイヤモンド
上で、 C(無定形又はグラフアイ) )+2H2→CH。
なる反応で除去できることが知られている。
しかしながら開示されている従来の方法では、いずれも
ダイヤモンド種結晶を必要とし、また無定形炭素ないし
は、グラファイトの除去を完全に行うことは不可能であ
った。また確かに従来の方法は・ダイヤモンド種結晶の
小さい間・即ち・合成反応初期の例えば0.1μm程度
以下の種結晶径の間のみ有効であったが、種結晶が大き
くなるにつれ次第に触媒ヒーターの効果は薄れ無定形炭
素ないしは、グラファイト等の非ダイヤモンド物質が多
量に析出してしまい、その結果種結晶の成長は阻止され
る問題があり、粒径の大きなダイヤモンドを得ることが
困難であった。また、ダイヤモンド種結晶以外の物質上
にダイヤモンドを析出させることや平坦な表面上に膜状
のダイヤモンドを得ることなどは不可能であった゛。
また別の方法例えば1982年発行のジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブアプライド・フィジックス誌(Japa
nese Journal of Applied P
hysics)第21巻第L183ページ所載の論文に
は約2000℃に加熱したタングステン・ヒーターに水
素ガスをキャリアとして、メタン(CH4) ガスを接
触加熱し、熱分解させ、シリコンモリブデンないしは石
英ガラス基板上にダイヤモンドを析出させる方法が述べ
られている。この方法は、ダイヤモンド以外の物質上に
ダイヤモンドを析出させることができる点で優れた方法
であるが、タングステンヒーターは約2000“0とい
う高温に加熱されているために、タングステン自体の蒸
気圧も高くなシ、短時間で消耗したり、奈晃1 +Jン
グステンがダイヤモンド表面に付着したりする問題もあ
る。また一度加熱されたタングステンヒーターは、タン
グステン微結晶粒子の成長やガス分子の吸蔵等によシ、
極めてもろくなシ、簡単に切断されやすくなるため、頻
繁にタングステンヒーターを交換せねばならず長時間装
置を運転するのが困難である、またタングステンヒータ
ー線の経時変化は反応ガスの熱分解条件の変動を招き広
い面積に均一に膜状ダイヤモンドを析出させることが困
難であるなどの難点もあった。
更に他の方法として、減圧状態の反応気体を、マイクロ
波放電ないしは、高周波放電によって発生したプラズマ
ガス中に置いた基板上に前記fi1式の反応を起し、膜
状ダイヤモンドを合成する試みも示されている。
高周波放電プラズマを用いる方法は例えば第1図に示す
ようにマイクロ波やラジオ波などの高周波電源3よシミ
力を供給し、放電室部分4内に放電プラズマを発生させ
、放電室4に原料である炭化水素ガスを炭化水素ガス供
給装置1よシ、水素ガスを水素ガス供給装置2よシ供給
する。反応室5内の基板7は支持台8上に設置しその温
度は電気炉9で調整し、反応室5および放電室4は真空
排気装置6によって、0.1〜Q、5Torrの真空度
に調整される。基板の温度を700°0〜900 ℃ 
とすることによって、シリコン、石英などの基板上にダ
イヤモンド膜や粒子が形成できることを述べている。
また、更に別の手段では、イオン化した炭素を基板に衝
突させることによって膜状ダイヤモンドを合成する試み
もなされているが、いずれの方法によっても無定形炭素
ないしはグラファイトなどの非ダイヤモンド物質の析出
が生じるという問題があった。
更にダイヤモンド種結晶以外の例えば8Xsヒ化ガリウ
ム(GaAs)やサファイアなどの単結晶基板上に単結
晶膜状に堆積させることは従来はいずれの方法でも不可
能であった。
(発明の目的) 本発明は以上述べた様な種々の欠点を改善し、炭化水素
の分解を促進し、無定形炭素ないしはグラファイトなど
の非ダイヤモンド物質の生成が阻止でき、粒子状ないし
は膜状ダイヤモンドのみを析出させるダイヤモンドの気
相合成装置を提供する所にある。
(発明の構成) すなわち、本発明は反応容器と、その一端に形成され炭
化水素を含むガスを反応容器内に導入するガス導入口と
、前記反応容器内に設置される基板保持部と、該基板保
持部上の基板を加熱する加熱手段と、反応容器内の圧力
を調整する排気装置を備えたダイヤモンドの気相合成装
置であって、前記ガス導入口と基板保持部の間に高周波
プラズマを発生させる高周波プラズマ発生手段と、反応
容器内の高周波プラズマ発生領域と基板保持部との間に
一対の電極グリッドとが配置された構造を特徴とするダ
イヤモンドの気相合成装置である0(構成の詳細な説明
) 以下に本発明になるダイヤモンドの気相合成装置につい
て述べる0 筆91iSQld太発明によるダイヤモンドの気相合成
装置の一例を示す。第2図において、石英製反応管21
の内部に基板支持台23を設置し、基板22を支持台2
3上におく。原料及びキャリアーである(4% 、H,
、Ar等のガスはガス供給装置24.25および26よ
り、ガスバルブ28の開閉によって行う。ガス流量は、
それぞれのガス供給装置内に設置した流量コントローラ
によって適当量にコントロールする。原料ガスは、石英
反応管21の外側に巻いたコイル31に高周波電源32
より電力を供給することによって、プラズマガス化する
0その後はソ20纜離して相対する網状の電極グリッド
33および34に直流電源35により電圧を印加するこ
とによって、過剰の荷電粒子が基板22上に飛来しない
ようにする。同時に荷電粒子のエネルギーも調整する0 基板は電気炉38によって加熱し、所定の温度に保持す
る。
石英反応管は真空排気装置36によって、0.1〜10
0Torr内の適切な真空度に保持するO基板22およ
び基板支持台23は、試料挿入口37よシ出入れする0 綱状電極33.34はカーボンないしはタングステンを
用いたが、プラズマイオン衝撃によってスパッタリング
の生じにくい金属材料であれば何を用いても良い。カー
ボンを用いる場合はカーボン製の板に2m0以下の孔を
間隔5厘以下で明けるのが有効であった0板の厚みは、
反応ガスの流れを乱さないように適当な厚みを選択すれ
ば良く、1011以下ならば良好であった0タングステ
ンの場合には40メツシーの綱が適当であったOあま9
目の大きいメツシュでは、多量のプラズマが漏れて基板
側に達し、良好外結果とならない。最適のメツシュは、
プラズマを発生する高周波電力の大きさにも依存するが
、1OOW程度までならば、40メツシユ以下が適当で
あった0メツシユが300以下となると、メツシーへの
析出物が孔をふさぎ、ガス流を乱すこともあったので、
できるかぎ9大きい方が望ましい0 本発明を考察すると、まず高周波プラズマ中を通るメタ
ン(CH4)ガスが、高周波エネルギーを得て励起状態
のメタンないしは、ダイヤモンドと同じ電子状態である
SP”電子配置に励起されるが、その際電荷を余計に放
出し、SP”電子配置が破れ十 て、正に荷電した炭素イオンやHイオンが発生すると考
えられる。このSP3電子配置の破れた炭素子 イオンあるいは過剰のHイオン等が基板表面を衝撃する
程度が太きすぎる場合には、基板上に生成されたダイヤ
モンド構造は、より熱力学的に安定なグラファイトや非
晶質カーボンに変化するものと考えられる。綱状電極グ
リッドを通過する際にこれらの荷電粒子の運動エネルギ
ーを調整することがダイヤモンドのみを安定に生成させ
るために必要な点である。
以下に本発明による気相合成装置を用いた実施例につい
て記す。
(実施例1) 基板22として、lOΩ・傭のn型シリコン基板を用い
基板温度は400℃とし、Cl1(4ガスの流量を10
 Cc/分H,ガスを500 c c /lA−とじ、
石英反応室の圧力は0.1トールとした。
高周波は、13.56M1lzの周波数で1OOWの電
力をコイル31に加え、タングステン綱状グリッド33
.34には50Vの直流を印加した。この除圧の荷電粒
子が減速される極性とするために高周波に近い側33は
負極とし、遠い側34は正極とした0 反応は、1時間行った所、基板上にダイヤモンド膜が得
られた。膜厚は、5000Aであった。ダイヤモンドで
あることは、透過電子線回折によって確かめた。
高周波プラズマのみを発生させ、綱状電極を用いない場
合には、アモルファス状のカーボン粒子およびβ−8i
C粒子が生成し、ダイヤモンドは生成しなかった。
また、綱状グリノドの極性を逆に即ち、33を正極に3
4を負極とした時には、β−8iC粒子のみが生成した
。また、電圧範囲は、lO■〜500■が適当でこれか
ら外れると、非ダイヤモンドの生成が認められた。
反応容器にアルゴンガスないしは窒素ガスを1ガスの%
までの流量で混入することも本発明の効果をそこなうこ
とがなかった0窒素ないしはアルゴンガスの流量がこれ
以上になると、グラファイトや非晶質炭素などのダイヤ
モンド以外の物質が生成された。
なお本発明の気相合成装置は第1図のような縦型であっ
てもよい。またガス導入口は複数でもよく、電極グリッ
ドは一対より多くともよい。
(発明の効果) 実施例に述べた様に、本発明による気相合成装置によれ
ば、非ダイヤモンド物質の析出力なく、粒子状ないしは
膜状のダイヤモンドのみが得られ実用上極めて有効であ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のダイヤモンド気相合成装量を示す概略図
、lは炭化水素ガスの供給装置、2は水素ガス供給装置
、3は高周波電源、4は放電室、5は石英製反応管、6
は真空排気装置、7は基板、8は基板支杓治、9は電気
炉、10は基板の上下調整台である。 ゝ 第2図は本発明の気相合成装置の一実施例を示す概
略構造図。 21は、石英製反応管、22は基板、23は基板支持台
、24は水素ガス供給装置、25はメタンガス供給装置
、26はアルゴンガス供給装置、27は窒素ガス供給装
置、28はパルプ、31は高周波誘導コイル、32は高
周波電源、33および34は綱状電極グリッド、35は
直流電源、36は真空排気装置、37は基板の出し入れ
口、38は電気炉を示す。 第1図 9\

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 反応容器と、その一端に形成され炭め水素を含むガスを
    反応容器内に導入するガス導入口と、前記反応容器内に
    設置される基板保持部と、該基板保持部上の基板を加熱
    する加熱手段と、反応容器内の圧力を調整する排気装置
    を備えたダイヤモンドの気相合成装置であって、前記ガ
    ス導入口と基板保持部の間に高周波プラズマを発生させ
    る高周波プラズマ発生手段と、反応容器内の高周波プラ
    ズマ発生領域と基板保持部との間に一対の電極グリッド
    とが配置された構造を特徴とするダイヤモンドの気相合
    成装置。
JP7895884A 1984-04-19 1984-04-19 ダイヤモンドの気相合成装置 Granted JPS60221396A (ja)

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JP7895884A JPS60221396A (ja) 1984-04-19 1984-04-19 ダイヤモンドの気相合成装置

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JPH0518797B2 JPH0518797B2 (ja) 1993-03-12

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4940015A (en) * 1988-07-30 1990-07-10 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Plasma reactor for diamond synthesis

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4940015A (en) * 1988-07-30 1990-07-10 Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho Plasma reactor for diamond synthesis

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