JPS62171995A - ダイヤモンドの製造方法 - 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、気相反応によりダイヤモンドを合成する方法
に関する。

（従来の技術） ダイヤモンドは、その硬度が大きいことから、工業的に
は、従来、刃物や切削工具等へ応用されてきた。しかし
ながら、近年、その良好な熱伝導性に注目し、あるいは
半導体化して耐熱性電子デバイスを作り得るという可能
性に着目し、ダイヤモンド膜の合成について、研究が活
発化している。

従来、ダイヤモンドは、高温高圧下で合成できるのみな
らず、低圧下で、気体の炭素化合物を用いて、その結晶
を成長させることができることが知られている（例えば
、米国特許第３．０３０゜１８７号明細書、同３，０３
０．１８８号明細書等）。

プラズマ化学気相析出の技術を用いる低圧下でのダイヤ
モンドの合成法は、高圧下における合成法と比して、大
きなダイヤモンドの結晶をつくることは困難であるが、
半導体への利用が期待できる薄膜の合成が可能であると
いう点、更には、半導体のための不純物元素の導入も比
較的容易であるという、大きな利点のために注目されて
おり、近年は、メタンガスを原料とする製造方法も報告
されている（昭和５８年ｌＯ月、新技術開発事業団報告
「ダイヤモンド膜の低圧気相合成技術」）。

しかしながら、この方法においては、反応圧力は数Ｔｏ
ｒｒ以下とすることができず、又、炭素ラジカルを独立
に制御することができないため、合成した膜中に不測の
不純物の混入を避けることが困難である上、膜圧の微妙
なコントロールも困難であるという欠点があった。

本発明者らは、完全なダイヤモンド構造でなくても、気
相合成法により製造した炭素膜中のある炭素原子に注目
した場合、その近傍はＣ−Ｃ結合による四面体構造を持
ち、いわゆるダイヤモンド構造を有するが、長距離的に
は、この秩序は乱れて、いわゆるダングリングボンドが
生じること、そして、この秩序の乱れによる構造上の不
安定性は、水素原子又はハロゲン原子を炭素と結合させ
てダングリングボンドの発生を防ぎ、炭素膜全体を、ダ
イヤモンド状非晶質炭素膜とすることにより緩和するこ
とができること、及び、ハロゲン原子、水素原子、及び
炭素原子を供給し得るガスを原料として気相合成を行う
場合には、極めて緩やかな反応条件で、炭素膜及び炭素
粒子を合成することができ、しかも、その膜厚等の微妙
な調整が、容易にできることを開示した（特開昭５９−
３０７０９号）。

（発明が解決しようとする問題点） この発明によれば、従来より、更に低圧でダイヤモンド
の合成が可能であるので炭素膜中に不測の不純物が混入
することを防止する上で効果が著しいが、尚、炭素ラジ
カルや水素ラジカル濃度の微妙な調整には、多くの困鑓
を伴うという欠点がありたＱ 更に近年１０−３Ｔ□　ｒ　ｒ以下の圧力でイオンビー
ムを照射するダイヤモンド製膜方法が提案されている（
第４５回応用物理学会学術講演会予稿集、２１５頁（１
９８４））、Ｌかしながら、この方法の場合には製膜圧
力が低いため、大面積のダイヤモンドＷｔＷを製造する
ことは困難である。

従って、本発明の第１の目的は、ダイヤモンド又はダイ
ヤモンドＩＦＭ′ｌ！を容易に製造する方法を提ン共す
ることにある。

本発明の第２の目的は、ダイヤモンド１１！＋！Ｊの膜
厚を容易に制御することのできる炭素膜の気相合成法を
提供することにある。

（問題を解決するための手段） 本発明の上記の諸口的は、炭素源と水素ガスを減圧下に
分解して、基板上にダイヤモンドを形成せしめるダイヤ
モンドの気相合成方法において、炭素ラジカルと水−ラ
ジカルが共に基板に到達し得る範囲で、炭素源と水素ガ
スを夫々別の領域で個別に分解せしめることを特徴とす
るダイヤモンドの製造方法によって達成された。

本発明において、炭素原子を供給し得るガスとしては、
低級炭化水素（例えば、メタン、エタン、プロパン、ブ
タン等の脂肪族炭化水素、エチレン、プロピレン、ブチ
レン等の不飽和炭化水素等）、常温で数Ｔｏｒｒ以上の
蒸気圧を有する高級炭化水素類及びベンゼン、ナフタレ
ン等の芳香族炭化水素の他、例えば、ハロゲン化炭素の
如きものをあげることができる。

本発明においては、これら各種のガスを混合し、必要な
場合には、更に、ヘリウム、ネオン、アルゴン等の不活
性ガスで希釈して、使用することができる。

本発明の気相合成は、反応室内のガスを放電等により分
解し、発生した炭素ラジカル、炭化水素ラジカル及び水
素原子を所望の割合で基板上に到達せしめることにより
行う。この場合、これらのラジカルや原子のイオンが関
与している可能性もある。これらのイオン種の量を調整
するために、炭素源及び水素ガスの分解領域の他に、更
に別の放電領域を設けても良い。従来法においては、原
料の炭素源と水素を別個に分解することはできなかった
ため、それらの分解比率をｔＩｌなものとし、一度基板
上に堆積した炭素の再放出を制御し、或いは基板上に堆
積しようとする黒鉛を除去する事は、容易なことではな
かった。

これに対して本発明においては、水素原子の発生箇所と
発生量を適宜調節することにより、炭素の再放出速度も
基板上に堆積しようとする黒鉛を除去することも容易で
あるので、安定に、ダイヤモンドを製造することができ
る。このようにして得られるダイヤモンドは、粒状及び
／又は薄膜状である。気相合成を行う反応室内の圧力は
、約１０ｍＴｏｒｒ以上とすることが好ましく、基板温
度は任意に調節することができる。

本発明において、反応室内のガスを分解するための方法
としては、高周波、低周波等によるグロー放電法、アー
ク放電法等の各種放電法の他、プラズマジェット法、光
分解及び熱分解等の方法をも用いることができる。

放電法に用いる電力密度は、約０．１．Ｗ／ｅ耐〜約５
　Ｗ　／　ｃ　ｎｒ好ましくは、約０．４Ｗ／ｅイ〜約
３Ｗ／ｃ−である。この場合、ラジカル種と共に発生ず
るイオン種の基板への到達量を制御するために、基板に
直流バイアスを印加することが好ましい。特に、炭素源
を放電法により分解する場合には、放電を容易なものと
し、ダイヤモンド合成に必要なラジカルの寿命を長くす
るために、前述の希釈ガスを使用する事が好ましい。

本発明において使用する基板としては、例えば、ガラス
板、結晶シリコン、金属板等通常用いるものの中から、
広く選択して使用することができる。

（発明の効果） 本発明の方法により得られた炭素膜は、ダイヤモンド構
造を有するので、熱的性質にもすぐれ、不純物をドープ
することにより、半導体としての機能を賦与することが
できる。従って、研磨粒や、加］−１切削工具の刃先、
被膜剤、半導体素子の放熱板、耐熱性半導体素子等の極
めて広範囲にわたって、利用することができる。

次に、本発明を実施例に従って更に説明するが、本発明
は、これによって固定されるものではない。

実施例１゜ 炭素源として、メタンと水素の混合ガスを使用し、第１
図に示すような水素ガス用放電領域と、混合ガス用放電
領域の２つの放電領域を有する反応系を用いて炭素膜を
製造した。この場合、水素分解用にマイクロ波電源を使
用し、メタンと水素の混合ガスの分解には高周波電源を
使用した。又、反応系内の圧力は１０Ｔｏｒｒ、基板温
度は８００℃とした。このような条件下における基板の
近傍は、水素ラジカルの豊富な雰囲気であり、得られた
炭素膜は、電子線回折から、ダイヤモンドであることが
確認された。

実施例２゜ 第２図に示す反応系を用いた他は、実施例１と同様にし
て炭素膜を製造した。第２図における（１）、（２）、
（３）はそれぞれ水素分解用、混合ガス分解用、基板領
域用電源である。水素ラジカル及び炭素ラジカルは主に
Ａ、Ｂの放電により供給される。基板での放電は、イオ
ン種が基板付近に適度に存在するように調節した。この
方法によってもダイヤモンド薄膜の形成が確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図は水素ガス用放電領域と、混合ガス用放電領域の
２つの放電領域を有する反応系の例である。 第２図は、３つの電源を有する反応系の例である。図中
符号（１）は水素分解用電源、（２）は混合ガス分解用
電源、（３）は基板付近のイオン種の存在を調節するた
めの電源である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）炭素源と水素ガスを減圧下に分解して、基板上にダ
   イヤモンドを形成せしめるダイヤモンドの気相合成方法
   において、炭素ラジカルと水素ラジカルが共に基板に到
   達し得る範囲で、炭素源と水素ガスを夫々別の領域で個
   別に分解せしめることを特徴とするダイヤモンドの製造
   方法。 ２）炭素源をヘリウム、アルゴン及び水素から選択され
   た少なくとも１種のガスで希釈する特許請求の範囲第１
   項に記載のダイヤモンドの製造方法。 ３）基板に直流バイアスを印加する特許請求の範囲第１
   項又は第２項に記載のダイヤモンドの製造方法。