JPS6033300A - ダイヤモンドの気相合成方法及びその装置 - Google Patents

ダイヤモンドの気相合成方法及びその装置

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JPS6033300A
JPS6033300A JP58142918A JP14291883A JPS6033300A JP S6033300 A JPS6033300 A JP S6033300A JP 58142918 A JP58142918 A JP 58142918A JP 14291883 A JP14291883 A JP 14291883A JP S6033300 A JPS6033300 A JP S6033300A
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hydrogen
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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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NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B25/00Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-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
    • C30B29/00Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02Elements
    • C30B29/04Diamond

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】 本発明は、水素ガス雰囲気下で炭化水素を熱分解するこ
とによりて粒子状ないしは膜状ダイヤモンドを析出させ
る方法及びその装置に関する。
炭化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。例えば特R昭47−42286に所載の方法
は、水素ガ・スをキャリアガスとして、ダイヤモンド種
結晶粉末を触媒ヒーター中に置き、以下の反応を利用し
てダイヤそンド種結晶粒子径を増大させることができる
ことを明らかKしている。
(1) CHI→C(ダイヤモンド)+2H。
(2) 2CO−+C(ダ(−?モ7ド)+co2(3
) CnH2n、→C(ダイヤモンド)+H6(但しn
≦5) しかし、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。このためダイヤモ
ンド以外の無定形炭素ヤ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P t + I r + Os e R
e + A u + P d @ Ru +Re、Au
、Pd、Ru、Rhoλg 、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℃ の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、前記の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))
+21(、→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
下の穏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そンド物質が多
量に析出してしまい、その結果種結晶の成長は陥止され
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育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年発行のシャツくニーズ
拳ジャーナル0オブ・アプライド・フィジックス誌(J
apanese Journal of Applie
d Phg@ics )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は約2000℃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
蒸気圧も高くなり、短時間で消耗したシ、蒸発したタン
グステンがダイヤモンド表面に付着したシする問題もあ
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ょ
ヤ、極めてもろくなり、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っ 更に他の方法としで、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(1)式の反応を起し、ダ
イヤモンドを析出させる方法や、イオン化した炭素を基
板に衝突させることKよって、膜状ダイヤモンドを合成
する試みも示されているが、いずれの方法によりても無
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りた。
更にダイヤモンド種結晶以外の例えばsi、ヒ化ガリウ
ム(GaAs)やサファイヤ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の方法では不可能であっ
た。
その目的とする所は、以上の種々の欠点を改善し、炭化
水素の分解を促進し、かつ無定形遊離炭素ないしはグラ
ファイトなどの非ダイヤモンドの生成を阻止でき、粒子
状ないしは膜状ダイヤモンドのみを析出することのでき
る気相合成方法及びその装置を提供することにある。
すなわち本発明は水素ガスの存在下で炭化水素の気相反
応によって、粒子状ないし紘、膜状ダイヤそンドを析出
させる方法において、水素プラズマより発生する紫外線
や可視光などの放射光をダ部にヒーターが設置された反
応室と、該反応室に反応ガスを供給する反応ガス供給装
置と、水素グツズi光透過壁を介して前記反応室に隣接
して設置されている水素グ2ズi光発生室とを備えたこ
とを特徴とするダイヤモンドの気相合成装置である。反
応ガスを励起するためには、光によるガスの加熱効果以
外に光エネルギーによる直接動、起がある特定の波長の
光を用いて可能である。光の波長が短いほど光のエネル
ギーは大きく反応ガス分子の高エネルギーの非安定状態
への励起が可能となるので化学反応の速やかな進行が期
待できる。
メタンから光化学反応によってダイヤモンドを生成する
ためKは、メタンの吸収が極めて大きくなる20017
1以下の光を用いることが有効である。
しかし、ハロゲンランプキセノンラング高圧、低圧水銀
ランプはいずれも光強度の波長分布から短波長域の光強
度は極めて弱く、シか%184.7ax程度までしかな
いためこれ以下の波長は利用できな−。
また反応管壁への反応生成物の付着による光の基板への
到達率の減少も極めて重大な問題である。
水素プラズマ光の光強度の波長分布は極めて短波長側1
50ηm程度付近の波長でも極めて強く、光化学反応を
利用する上で極めて前例である。
以下に本発明になる気相合成方法及びその装置の実施例
を図面によって説明する。
図は、本発明による気相反応装置の実施例である。装置
は、直径90■の石英製反応室1および直径50−の石
英パイプよりなる水素プラズマ光発生室2からなってい
る。水素プラズマの発生には、高周波電源12よクコイ
ル3に高周波電力を供給し、水冷壁4を装備した水素プ
ラズマ光発生室内にプラズマガスを発生させその時誘起
される紫外光を水素プラズマ元透過壁5を通して、あら
かじめ適当な温度に加熱した2インチのシリコン基板6
上に照射できるようにしである。7は基板の加熱のため
のヒーターである。
水素ガスは水素グッズマ光発生室外部から導入パイプ8
゛を介して導入する。また反応ガスはガス供給装@11
よシ、供給パイプ8を介して反応室1に導入する。反応
室1は石英製の反応gI9で作りてあり、760 To
rrから0.1 Torrの全圧力下で働くように、真
空排気装置10で排気する。
通常水素プラズマより発生する発光強度の波長分布はそ
の気体圧力依存性が極めて大きく、水素グラズマ光発生
室2の内部の圧力は別途設置し九排気装置13で調整す
る。水素プラズマ光発生のために使用する気体の圧力は
通常10To r r〜760Torrである。このた
め0.ITorr 〜数十Torrの反応室1との間に
圧力差が生じる。隔壁5嬬水素グ2ズV光発生室内から
、反応室へのガスの進入を少くシ、紫外ないし杜可視光
線などの光のみを透過させる目的でガラス製の毛細管を
束ねる仁とによって製作した。毛細管の径はガス流に対
して高抵抗となる様にできる限〕細い事が望ましい。
本実施例では、長さ20.外径0.5 lII+内径0
.3 。
のものを束ねて接着同定した。水素プラズマ中で発生す
る過剰イオンの反応室への侵入程度をコントロールする
ために毛細管の隔壁に金属を蒸着し電極となして、除土
電圧を印加することも有効であり九。また水素プ2ズマ
透過壁としてMgFtのような短波長の光をよく透過す
る材料を用いることもてきる。以上の様な装置を用い以
下の条件て合成反応を行なわせた。水素プラズマ光の発
生には、水素ガス流量を毎分5tとし、ガス導入口4よ
シ発生室に注入し4メガヘルツの高周波電力約10KW
を高周波電源12よシワ−クコイル3に投入した。
プラズマ流の安定化のために発生室の管壁に沿ってらせ
ん状にガス流を作ることも有効であり九。
プラズマ発生時の圧力は排気装置13を8μ1節するこ
とによシ約20Torrとした。
反応ガスは、メタンガス(C)k )を0.5Vol 
%含むメタンガスと水素ガスの混合ガスを毎分2を流し
、基板温度は約1000 ℃とした。反応基の圧力は約
100Torrとした。
以上の条件によって、基板温度700℃〜1000℃と
したシリコン基板上に薄膜状のダイヤモンドを成長させ
ることができた。膜厚は0.1〜0.5μで成長速度は
1時間当90.5μであった。ただし、反応ガス流量、
反応室圧力、水素プラズマ元発生室圧力、反応ガスのメ
タンと水素の混合比などは上記条件以外の範囲でも適切
な条件を組合せることくよシダイヤモンドの成長は可能
である。
ダイヤモンドであることは透過電子線回析バタ−ンから
確認した。
水素プラズマ光を照射し逢い場合には、ダイヤモンドの
析出は起らすグラファイト状の炭素膜ないしは、粒子の
みしか認められなかった。
以上のように、本発明による気相合成方法及びその装置
は水素ガスの存在下で炭化水素の気相反応によって、ダ
イヤモンド膜を容易に析出させることができる。
水素プラズマ光源となる水素ガス中にアルゴン、キセノ
ン等の希ガスを1体積−から、10体積−程度混合する
ことによって水素プラズマのみでは得られない光強度の
波長分布を得ることも容易にできるので実用的価値は極
めて大きい。
【図面の簡単な説明】
図は本発明の実施例を示す気相合成装置の概略図。図中
、lは反応室、2は水素プラズマ光発生室、3はコイル
、4社水冷壁、5は水素プラズマ光透過壁、6は基板、
7はヒーター、8は反応ガス供給パイプ、8′は水素導
入パイプ、9は反応管、10.13は真空排気装置、1
1は反応ガス供給装置、12は高周波電源である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)水素ガスの存在下で炭化水素の気相反応によって
    、粒子状な匹しは、膜状ダイヤモンドを析出させる方法
    において、水素プラズマより発生する紫外線や可視光な
    どの放射光をダイヤモン(2) その内部にヒーターが
    設置された反応室と、該反応室に反応ガスを供給する反
    応ガス供給装置と、水素グ2ズマ光透過壁を介して前記
    反応室に隣接して設置されている水素グ2ズマ光発生室
    とを備えたことを特徴とするダイヤモンドの気相合成装
    置。
JP58142918A 1983-08-04 1983-08-04 ダイヤモンドの気相合成方法及びその装置 Granted JPS6033300A (ja)

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