JPS62235295A - ダイヤモンドの合成法 - 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〕 本発明はダイヤモンドの低圧合成法に関する。

〔従来の技術〕

ダイヤモンドは硬度以外に、絶縁性、熱伝導性。

紫外、赤外光の透過性、化学的安定性など機能材料とし
て優れた特性をもっている。

ダイヤモンドの合成法には、高圧法と低圧法とがある。

高圧法は、１５００℃以上の高温、六方気圧以上の高圧
条件下、グラファイトの結晶により合成する方法である
。粒子状ダイヤモンドが合成でき、研摩材、工具等忙利
用されている。これに対し、低圧法は粒子に限らず、膜
状ダイヤモンドの合成も可能であり、半導体素子の放熱
基板や工作機器のコーテングなど幅広い用途が考えられ
る。

ダイヤモンド低圧合成の従来技術は、特開５８−１６４
７６５号、２２−２２７６７８号公報にみられるように
、メタン、又は、炭化水素と水素との混合ガスを減圧化
された反応器に導入し、プラズマ分解し、数千℃に加熱
された基板上で合成する−＃体−ｒｓ、ｓｔ入− この技術によれば、数μ／ｈの速度で粒子状ないし膜状
ダイヤモンドの合成が可能である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

シカし、ダイヤモンド膜付半導体デバイスや工具等の量
産性を考えた場合、さらに早い速度でのダイヤモンド合
成が必要となる。

本発明の目的は、従来より数倍ないし土数倍早い速度で
ダイヤモンドを低圧合成する方法を提供することにある
。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、炭化水素、水素の混合ガスに微量の酸素又
は酸素を含有する無機ガスを添加し、この混合ガスをプ
ラズマ分解することにより達成される。

〔作用〕

炭化水素−水素の混合ガス中に微量添加される酸素、又
は、酸素を含有する無機ガスはプラズマ中で活性な酸素
原子（ラジカルなど）に分解し、この酸素原子は炭化水
素の分解を促進し、又、基板上でのダイヤモンドの生成
反応では、ダイヤモンドより反応し易い副生グラファイ
トと選択的に反応し、これを−酸化炭素、又は、二酸化
炭素として除去する。このため、従来より多量の炭化水
素の反応器への供給が可能となり、ダイヤモンドの生長
速度を早めることができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図により説明する。

炭化水素１、水素２、酸素、又は、酸素を含む無機ガス
３Ｆｉ質量流量計４により計量されたのち混合され、プ
ラズマ反応器５に供給される。プラズマ反応器５は真空
ポンプ１１により減圧されている。プラズマ反応器５に
供給された混合ガスは、高周波発振器６から１３．５６
ＭＨ２の高周波が印加され、プラズマ化する。プラズマ
７中で水素及び酸素は分解しラジカルを生成する。炭化
水素はこれらのラジカルによる水素引き抜１反応により
、又は、プラズマ中の高エネルギをもつ電子によシ分解
し、数百℃に加熱された基板上８にダイヤモンド及びグ
ラファイトを析出させる。グラファイトは、酸素ラジカ
ル及び水素ラジカルと反応して除去され、ダイヤモンド
が選択的にシリコン基板上に生成される。

炭化水素としては、メタン、エタン、プロパン等の飽和
炭化水素、及び、エチレン、アセチレン等の不飽和炭化
水素が用いられる。

酸素を含む無機ガスには、亜酸化窒素、−酸化窒素、二
酸化窒素等の窒素酸化物及び水が用いられる。

又、プラズマを発生するエネルギ源には高周波に限らず
、マイクロ波やラジオ波、さらには、直流高電圧源等が
用いられる。

〔実施例１〕 図の装置を用いてダイヤモンドの低圧合成実験を行なっ
た。プラズマ反応器は内径４９ｍｍφ。

長さ１ｍの石英ガラス展である。基板には１０１０ｍｍ
Ｘ１０のシリコン基板上を用いた。実験は、原料ガスと
してメタン−水素混合ガスの場合、メタン−水素−酸素
混合ガスの場合の二ケースについて行なった。実験条件
を表１に示す。ケース■は従来法によるものであり、ケ
ース■は本発明による方法である。

実験終了後、電子線回折により析出物の同定を行なった
。ケースエの実験ではガス供給量２００ｍＬ／ｍ　ｉ　
ｎ　のときダイヤモンドのみが析出したが、ガス供給量
５００　ｍｔ／ｍｉｎのときにはダイヤモンド以外に多
量のグラファイトが析出した。また、ガス供給量１０１
００Ｏ／ｍｉｎ　のときＫは、はとんどがグラファイト
であった。ガス供給量２００ｍｔ／ｍｉｎの条件下での
ダイヤモンド成長速度は約１μ／ｈであつ次。

これに対し、ケース２の場合には、いずれのガス供給量
の条件下でもダイヤモンドが析出し、析出速度はガス供
給量に比例し、１０１００Ｏ／ｍｉｎの条件での成長速
度は１０μ／ｈで、従来法に比べ約十倍速い速度である
。図中９Ｖｉ高周波コイル、１０はヒータ、１１は真空
ポンプ。

〔実施例２〕 実施例１と同じ装置を用い、水素−メタン−酸素の混合
ガスを原料に、混合ガス中の酸素原子数と炭素原子数の
比０／Ｃｔ−０，０１〜５．０の範囲で変化させ、ダイ
ヤモンド析出速度に及ぼす影響について調べた。混合ガ
スはペースガスが水素で９７９６一定として作成した。

実験条件は、圧力ＩＴｏｒｒ　、基板温度８００℃、高
周波出力５００Ｗ。

反応時間一時間とした。

実験の結果、酸素原子数と炭素原子数との比０／Ｃが０
．０５〜２０の範囲で従来法より速いダイヤモンドの成
長速度が確認された。

〔実施例３〕 実施例１と同じ装ｆｉｔ？用い、原料ガス組成のメタン
の代りにエタン、エチレン、アセチレンを、酸素の代り
に窒素酸化物（Ｈ２Ｏ、Ｎ　Ｏ、ＮＣｈ　）　。

スチームを用いてダイヤモンドの合成実験を行なった。

実験条件は、圧力Ｉ　Ｔｏｒｒ　、基板温度ＳＯＯ℃、
０／Ｃ０，５，高周波出力５００Ｗ、反応時間を一時間
とした。基板にはシリコンウェハ・Ｉｇｌｏｏ面〕を用
いた。

実験後、電子線回折による析出物の同定及び走査型電子
顕微鏡（ＳＥＭ）による観察にもとづいて析出速度を求
めた。その結果、炭化水素はメタンに限らずエタンや、
エチレン、アセチレン等の不飽和炭化水素でもよく、ま
た、酸素原子数を含有する無機化合物は酸素に限らず窒
素酸化物、スチームでよいことが明らかとなった。

ダイヤモンド合成の炭素源として、従来の炭化水素（メ
タン、エタン、エチレン、アセチレンなど）やアルコー
ル（メタノール、エタノールなど）の代りて有機金属化
合物、例えば、トリメチルアルミニウム（Ａ　ｔ　（Ｃ
Ｈｓ）ｓ−）、　）リエチルアルミニウム（Ａｔ　（Ｃ
ｔ　Ｈａ　’Ｉｓ　）等を使用する方法を提案する。こ
れら有機金属化合物は、熱やプラズマによって容易に分
解し、ダイヤモンド合成の基本的活性種である炭化水素
ラジカルを容易に生成するのでダイヤモンドの合成速度
の向上が期待できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、シリコンウェハ等の基板上に従来より
も十倍以上速い速度でダイヤモンドを合成することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の一実施例の系統図である。 １・・・炭化水素、２・・・水素、３・・・酸素又は酸
素含有ガス、６・・・高周波発振器、８・・・シリコン
ウェハ、５・・・プラズマ反応器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、減圧された反応器に炭化水素ガス、水素ガス、酸素
   ガス又は酸素を含有する無機ガスを供給し、これらの混
   合ガスに高周波、マイクロ波等の電磁エネルギを印加し
   てプラズマ反応を生起せしめることを特徴とするダイヤ
   モンドの合成方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記酸素ガス又は
   前記酸素を含有する無機ガス中の酸素原子数と炭化水素
   ガス中の炭素原子数との比が０．０５〜２．０の範囲で
   あることを特徴とするダイヤモンドの合成方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記炭化水素ガス
   がメタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレンで
   あり、前記酸素を含有する無機ガスが窒素酸化物、スチ
   ーム、過酸化水素であることを特徴とするダイヤモンド
   の合成方法。