JPS62265197A - ダイヤモンドの合成方法 - 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〕

ダイヤモンドは最も硬い物質としてよく知られているが
、硬さ以外に熱の伝導性、電気的絶縁性。

紫外〜赤外域の光の透過性、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として高圧法がよく知られている
が、−気圧以下の低圧でもプラズマ、イオンビーム及び
熱エネルギを利用することにより合成できることも解っ
てきた。この中で熱エネルギを利用する方法が簡便で、
実用上偏れていると考えられる。

熱ＣＶＤ法によるダイヤモンドの低圧合成の従来技術は
特開昭５８−９１１００号公報にみられるようにメタン
等の炭化水素と水素との混合ガスを１’５００〜２００
０”Ｃに加熱されたタングステンヒータにより分解し、
数百℃に加熱されたシリコンウェハ等上に粒子、又は、
膜状のダイヤモンドを合成する方法である。この従来技
術によれば、約１μ／ｈの速度で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〕　　　゛しかじ、ダ
イヤモンドの工業的生産を考えた場合、より早い速度で
簡便に合成することが望ましい。

本発明の目的は、従来法より低温で、しかも数倍早い速
度で粒子、又は、膜状ダイヤモンドを合成する方法を提
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と水素の混合ガスに微量の酸素原子
を含む無機ガスを添加し、このガスを１５００〜２００
０’Ｃで熱分解することにより達成される。

従来、原料ガス中に酸素を添加するとグラファイトのみ
ならずダイヤモンドも燃焼してしまい好ましくないと考
えられていた。しかし、水素に富んだ還元性ガス雰囲気
中の微量の酸素は、ダイヤモンドを燃焼することなく、
炭化水素のラジカル分解を促進し、また、グラファイト
の除去に有効に働くことを実験的に確認し１本発明に至
った。

酸素量は、炭化水素の炭素を１として、０．１〜１含有
することが好ましい、０．１未満では効果が乏しく、１
より大にするとダイヤモンドが燃えるおそれがある。

〔作用〕 炭化水素と水素との混合ガス中に微量添加される酸素原
子を含有する無機ガスは高温中で熱分解し、活用な酸素
ラジカル、又は、水酸基ラジカルを生成する。このラジ
カルは、炭化水素の分解を促進し、また、基板上ではダ
イヤモンドの生長を阻害する副生グラファイトと選択的
に反応し、これを除去する。このため、従来の水素だけ
によるグラファイトの除去に比べ、多量の炭化水素の供
給が可能となり、ダイヤモンドの生成速度を早めること
ができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図を用いて説明する。

実施例では炭化水素ガスとしてメタン、無機酸素を含有
するガスとして水を用いた。メタン１と水素２は質量流
量計３で計量されたのち、混合される。水４は混合ガス
がバブリングすることにより、混合ガスに同伴させて反
応器５へ供給される。水の供給量は恒温槽６の水７の温
度をヒータ８により調節することにより制御する０反応
器５に入った混合ガスは１５００〜２０００℃に加熱さ
れたタングステンヒータ９により分解される。この温度
でメタンは、はぼ、完全に分解され、水素及び水は数パ
ーセント解離する。メタンの分解により生成した炭素か
ら数百度に加熱されたシリコンウェハ１０上にダイヤモ
ンド及びグラファイトが生成する。グラファイトは水素
及び水の分解で生成した水素原子、又は、酸素原子と反
応して除去されるので、結果としてダイヤモンドがシリ
コンウェハ上に残る。シリコン基板１０は必要に応じて
外部よりヒータ１１により加熱され、基板温度は熱電対
１２より計測される１反応器５は真空ポンプ１３により
数Ｔｏｒｒに減圧される。

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は、水以外に酸素、亜酸化窒素等の
窒素酸化物、過酸化水素が用いられる。

以下、具体的実施例を用いてさらに詳しく本発明を説明
する。

実施例１ 図に示す装置を用いてダイヤモンドの熱ＣＶＤ法による
合成実験を行なった０反応器は内径４０１■、長さ１，
０００ｍ厘の石英ガラス製である。基板には１０墓ｍＸ
　１０＋ａ履のシリコンウェハを用いた。

実験は１Ｍ料ガスとしてメタン−水素混合ガスの場合、
メタン−水素−水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。

表　　１ 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■の実験では、１０及び１００ｔｒｒＱ／■ｉ
ｎのときダイヤモンドの生成が確認されたが、３００膳
Ω／＋ａｉｎのときは多量のグラファイトが混在した。

ガス流量１０〜１００ｍｇ／ｗｉｎの条件下でのダイヤ
モンドの成長速度は０．１〜１．０μｍ／＋＊ｉｎであ
った。これに対し、ケース■の場合には、ガス流量１０
〜３００ｍｊｌ／ｌ１ｉｎの条件下でダイヤモンドが生
成した。生成速度は、０．１〜８μｍ／ｈであった。

以上の実験結果より１本発明による方法では。

従来法に比べて多量の炭化水素の供給が可能となり、ダ
イヤモンドの成長速度が従来法に比べ数倍早いことがわ
かった。

実施例２ 実施例１と同じ装置を用い、酸素を含有するガスとして
亜酸化窒素を混入してダイヤモンドの合成実験を行なっ
た０Ｍ料ガス組成は、水素９８％。

メタン１％、亜酸化窒素１％である。ガス流量は３００
＋ｆｉ／ｗｉｎ　＊圧力１０Ｔｏｒｒ、基板温度８００
℃２反応時間１ｈの条件で実験を行なった。基板には（
１００）面のシリコンウェハを用いた。

実験の結果、３〜１０μ径の粒子状ダイヤモンドの生成
が確認され、従来法より数倍早い速度である０以上の結
果、酸素を含有する無機ガスは水に限らず亜酸化窒素な
ど１５００〜２０００”Ｃで分解し、活性な酸素を放出
するものであればよいことがわかる。

実施例３ 実施例１と同じ装置を用い、炭化水素ガスとしてエタン
、エチレン及びアセチレンを用い、無機酸素を含有する
ガスとして亜酸化窒素を用いてダイヤモンドの合成実験
を行なった。ガス組成は。

水素９８％、炭化水素ガス１％、亜酸化窒素１％である
。実験条件は、圧力１０Ｔｏｒｒ、基板温度８００℃、
ガス流量３００ｍｆｉ／ｍ１ｎ−１９反応時間１ｈであ
る。基板には（１００３面のシリコンウェハを用いた。

実験終了径、電子線回折によりダイヤモンドの生成を確
認した１粒子径は４〜８μで従来より数倍早い速度であ
る。

以上の実験により、炭化水素はメタンに限らずエタン、
エチレン、アセチレンでもよいことが明らかである。

〔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
も数倍早い速度で、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】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、反応器に炭化水素ガス、水素ガス及び微量の酸素原
   子を含有する無機ガスを供給して、熱分解することを特
   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、前記炭化水素ガス
   がメタン、エタン、プロパンであり、前記無機ガスが酸
   素、窒素酸化物、水、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。