JPS61201694A - ダイヤモンドの気相合成法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、気相からダイヤモンドを基板上に析出させる
方法に関する。

（従来技術とその問題点） 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、１９８２年発行のジャパニーズ・寿−ナル・オ
ブ・アプライド・フィジクス誌（ＪａｐａｎｅｓｅＪｏ
ｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ）第２１巻第Ｌ１８３ページ記載の論文には、約２
０００℃に加熱したタングステン・ヒーターに水素をキ
ャリア・ガスとして、メタンガスを接触加熱し、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。

この方法はタングステン・ヒーターが約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、短時間で消耗したり、蒸発したタング
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、一度加熱したタングステン・ヒーターはタン
グステンとカーボンの反応やガス分子の吸蔵等により、
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
装置を運動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−に膜状ダイヤモンドを析出させ
るのは困難である。更に、ダイヤモンド析出温度は高く
、室温付近での合成は不可能である欠点を有している＠
更番こ、他の方法として、１９８０年発行のジャーナル
・オブ・ノン・クリスタリン・ソリッズ誌（Ｊｏｕｒｎ
ａｌ　　ｏｆ　　Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　　
５ｏｌｉｄｓ）第３５＆３６巻第４３５ページ記載の論
文には、ガラスないしはモリブデンをガラス上に蒸着し
たものを基板に用い、圧力０．９トール、ガス流量毎分
０．５〜１．０ｃｃ、基板温度２’５〜３７５℃、放電
電流０、８〜２　ｍＡ　、放電電圧３００〜４００ｖの
条件下で、アセチレンを直流グロー放電により分解し、
アモルファス・カーボン膜を得たことを述べている。前
記のアモルファス・カーボン膜の電気抵抗率は、最大１
０１６０ｃｒＩＬであり、絶縁性のカーボン膜が得られ
ている点では優れているが、膜厚が１μｍを越えたり、
熱処理したりすると、カーボン膜が基板からはがれる欠
点がある。また、基板温度が高い場合には、カーボン膜
は黒色になり、グラファイト状ｌこなる欠点がある。更
に、結晶性のダイヤモンド膜を合成できない欠点を有し
ている。

更に、別な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プラズマを発生せしめ
、直接プラズマ中にないしは、プラズマのアフターグロ
ー中に基板を設置し、基板上に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に
よって膜状ダイヤモンドを合成する方法もあるが、前者
の方法は、ダイヤモンド相を得るには基板を高温にしな
ければならない欠点を有している。更に、プラズマ中に
基板を設置する為、基板のプラズマ損傷が避けられない
。後者の方法は、常温付近でダイヤモンドを合成できる
方法で、優れた方法であるが装置が高価である欠点を有
している。更に、ビーム状にイオンを引き出す為、ビー
ム強度にむらがあり、広い面積に均一なダイヤモンド相
を得られない欠点を有している。

（発明の目的） 本発明の目的は、このような従来の欠点を除去せしめて
、低温で、ダイヤモンドだけを選択的に析出させ、基板
上に薄膜として付着させるダイヤモンドの合成法を提供
することｌこある。

（発明の構成） 本発明Ｊこよれば、炭素化合物の気体又は蒸気に、所定
の波長の真空紫外光を照射する工程を備えたことを特徴
とするダイヤモンドの気相合戚法が得られる。

（構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとることにより、従来技術の問
題点を解決した。

気相からのダイヤモンド析出プロセスは、熱力学的に準
安定な相を安定化せしめる人工的操作を要求されるが、
反応ガスの熱分解からだけ遊離炭素原子を得ようとする
と、基板上に非ダイヤモンド炭素が析出するのは自明で
ある。またプラズマを利用する方法においても、プラズ
マの内部エネルギー範囲は広く、ダイヤモンドとなるべ
き活性種だけを作るのは困難で、非ダイヤモンド炭素が
析出しやすくなるのも自明であろう。従って１本発明に
おいては、ダイヤモンド生成に有効なメチルラジカル、
メチル陽イオン原子状水素等を決った波長を有する真空
紫外光を用いて、効率的かつ選択的に作り出し、基板上
にダイヤモンドを合成するプロセスを提供する。また、
光による活性種の合成であるため、基板温度を上昇せず
にすむため、ダイヤモンドの低温成長が可能となる。活
性種の光合成の例として、メタンガスを反応ガスに用い
た場合を述べる。メタンガスは、通常用いられる水銀灯
のような紫外光は吸収せず従って、活性種を合成できな
い。吸収が始まるのが、約１４６０オングストローム以
下で、光の波長により、種々のラジカルないしはイオン
に分解する。また、それぞれのラジカルまたはイオンも
種々の励起状態を持つ。メチルラジカルを作るｌこは、
１４６０オングストローム以下の真空紫外光が必要であ
り、更に光の強度も強い程良い。即ち、アルゴンエキシ
マ−レーザーやミンクロトロン放射光等の高出力な真空
紫外源が望ましい。更に、メチル陽イオしたり、ミンク
ロトロン放射光を用いてもよい。

また、これらを組み合わせて、２波長ないしそれ以上の
波長の光を同時に照射し、それぞれの活性種を異なる波
長で作ることもできる。原子状水素は、メタンから真空
紫外光によりメチルラジカルを作る時に副生ずる。また
、炭化水素ガスの光分解によっても生成するが、更に濃
度を上げる為に、水素ガスを反応ガスに混入させ、真空
紫外光により光分解させるとより効率よくダイヤモンド
を合成できる。光照射の方法は、基板に垂直あるいは平
行であっても良い。

以下図面を用いて、本発明に使用した装置の例および製
造工程を説明する。真空槽５の中を高真空排気装置１０
を用いて、１０４トール以下に予備排気後、バルブ１４
を閉じて、ロータリーポンプ９に切り換え、メタンボン
ベ１からメタンガス、水素ボンベ２から水素ガスをそれ
ぞれの質量流量計３，４を用いて真空槽５Ｉこ導入する
・圧力調整バルブ１５により所定の圧力へ調整する。基
板７は基板支持台８上ｌこ固定され、ヒーター６により
所定の温度へ調整する。真空紫外光源１１より照射され
た光は、高真空排気装置１ｏおよびオリフィス１２によ
り高真空（１０−”　ｔｏｒｒ以下）に保たれた差動排
気系１３及びオリフィス１２を通過して反応ガスである
メタン及び水素を励起及び分解しながら基板に照射され
る。また基板全域にダイヤモンドを析出させるために、
基板移動機構１６によって、基板を移動させ、基板全域
にオリフィス１２を通過した光を照射した。

（実施例） 基板は、シリコン、モリブデン、タングステン。

ガラスを用い、２００℃から６００’Ｃに加熱した。

反応時間は３０分とした反応ガスは、メタン１００チか
らメタン／水素混合比０．０１まで変化させ、反応圧力
は、１トールとした。真空紫外の光源として、アルゴン
エキシマ−レーザー（１２６０オングストローム）を用
いた。いずれの条件の時でも、干渉色を呈する薄膜が基
板に析出した。反射電子線回折でこの膜を測定するとダ
イヤモンド単相であり、走査型電子顕微鏡で観察すると
凹凸がみられず、非常に平担な膜であった。しかしなが
ら４００℃より低いか、あるいは、混合比０．５以上で
得られた膜の厚さは２００λ以下と薄く、実用上基板温
度は少なくとも４００℃以上で、メタン／水素混合比は
０．５以下の方が好ましいことが判明した。析出速度は
、最大毎時２ミクロンであった。

（本発明の効果） 本発明により、ダイヤモンド単−相の薄膜を基板上に析
出させることができる。成長速度も速く、従来より低温
で合成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法に直接使用する装置の概略図。 ｌ・・・メタンボンベ　　２・・・水素ボンベ３．４・
・・質量流量計　　５・・・真空槽６・・・ヒーター　
　　　　７・・・基板８・・・基板支持台　　　９・・
・ロータリーポンプ１０・・・高真空排気装置　１１・
・・真空紫外光源１２・・・オリフィス　　　１３・・
・差動排気系１４・・・バルブ　　　　１５・・・圧力
調整バルブ１６・・・基板移動機構

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炭素化合物の気体又は蒸気に所定の波長の真空紫外
   光を照射する工程を備えたことを特徴とするダイヤモン
   ドの気相合成法。 ２、炭素化合物の気体又は蒸気には水素ガスが混入され
   ている特許請求の範囲第１項記載のダイヤモンドの気相
   合成法。