JPS62278193A - Vapor-phase synthesis of crystalline carbon - Google Patents

Vapor-phase synthesis of crystalline carbon

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JPS62278193A
JPS62278193A JP12058786A JP12058786A JPS62278193A JP S62278193 A JPS62278193 A JP S62278193A JP 12058786 A JP12058786 A JP 12058786A JP 12058786 A JP12058786 A JP 12058786A JP S62278193 A JPS62278193 A JP S62278193A
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phase synthesis
organic substance
crystalline carbon
polar organic
vapor
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Koji Kobashi
宏司 小橋
Kozo Nishimura
耕造 西村
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

PURPOSE:To increase the rate of crystal growth of a crystalline carbon in a vapor-phase synthesis of crystalline carbon, by using a carbonaceous raw material consisting of a polar organic substance containing F element in the molecule. CONSTITUTION:A polar organic substance containing F element in the molecule is used as a carbonaceous raw material in the vapor-phase synthesis of crystal line carbon. The polar organic substance is a fluorinated organic substance expressed by general formula ClHmFn (l, m and n are integers of >=1, >=3 and >=1, respectively) e.g. CH3F. The cost of vapor-phase synthesis of a crystalline carbon can be reduced by the above process since the decomposition of the polar organic substance proceeds with a slight microwave or high-frequency power even by using a conventional universal apparatus.

Description

【発明の詳細な説明】 3、発明の詳細な説明 [産業上の利用分野] 本発明は、ダイヤモンドに代表される様な結晶性炭素の
気相合成法に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] 3. Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for vapor phase synthesis of crystalline carbon such as diamond.

[従来の技術] ダイヤモンドは、高硬度であることを利用して古くは切
削工具用途を中心に広く使用されてきた。一方近年では
、熱伝導度が大きいこと、不純物ドーピングにより半導
体としての利用可能性があること等に着目され、前者の
特性を利用するものとしてIC(集積回路)基板のヒー
トシンク(冷却用放熱器)への適用が検討され、また後
者の特性を利用するものとして半導体素子等の電子技術
分野にも応用されるに至り、ダイヤモンド膜を形成する
為の技術が急速に開発されつつある。
[Prior Art] Diamond has long been widely used mainly in cutting tools because of its high hardness. On the other hand, in recent years, attention has been focused on the high thermal conductivity and the possibility of using it as a semiconductor by doping with impurities. The latter characteristic has also been applied to electronic technology fields such as semiconductor devices, and techniques for forming diamond films are being rapidly developed.

ダイヤモンドの合成法としては、黒鉛を炭素原料とし、
Ni、Cr、Mn等を触媒として4〜7万気圧、 10
00〜2000℃の高温・高圧で行なう高圧法が知られ
ているが、その他気体状炭化水素を炭素原料として低圧
条件下で行なう気相合成法も開発されている。気相合成
法によるダイヤモンドの合成は、高圧法と比べてダイヤ
モンドの結晶が小さくなるという欠点が従来より指摘さ
れてきたが、上述した様な電子技術分野への応用が進め
られると、却って薄膜の形成が容易であるという利点が
着目され、有用な技術であると位置付けられている。
The synthesis method for diamond uses graphite as a carbon raw material,
40,000 to 70,000 atmospheres using Ni, Cr, Mn, etc. as a catalyst, 10
A high-pressure method is known in which synthesis is carried out at high temperatures and pressures of 00 to 2000°C, but gas phase synthesis methods have also been developed in which gaseous hydrocarbons are used as carbon raw materials and carried out under low-pressure conditions. It has been pointed out that the disadvantage of diamond synthesis using the vapor phase synthesis method is that the diamond crystals are smaller compared to the high-pressure method. The advantage that it is easy to form has attracted attention, and it is positioned as a useful technology.

第1図はダイヤモンド気相合成装置の一例を示す概略説
明図である。当該装置はマイクロ波を応用した技術であ
り、その概略は下記の如くである。第1図において、マ
イクロ波照射装置1から発信されたマイクロ波は導波管
2を通って反応室3内に導かれる。一方H2供給装置5
及びCH4供給装置6からは夫々H,ガス及びCH4ガ
スが所定量流出され所定割合に混合(例えばCH41%
−H299%)されつつ供給管7を介して前記反応室3
内に供給される。一方反応室3内は所定量の混合ガスが
吸引排気されることによって、予め定めた圧力(例えば
40〜50 Torr)とされる(8は排気装置を示す
)。反応室3内には、支持棒10によって所定位置に固
定された支持台11が設けられており、この支持台11
上にはSiウニ八へのダイヤモンド析出用基板15が配
置される。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a diamond vapor phase synthesis apparatus. The device is a technology that applies microwaves, and its outline is as follows. In FIG. 1, microwaves emitted from a microwave irradiation device 1 are guided into a reaction chamber 3 through a waveguide 2. In FIG. On the other hand, H2 supply device 5
A predetermined amount of H, gas, and CH4 gas are respectively discharged from the CH4 supply device 6 and mixed at a predetermined ratio (for example, CH41%).
-H299%) is supplied to the reaction chamber 3 via the supply pipe 7.
supplied within. On the other hand, the inside of the reaction chamber 3 is brought to a predetermined pressure (for example, 40 to 50 Torr) by suctioning and exhausting a predetermined amount of the mixed gas (8 indicates an exhaust device). A support stand 11 fixed at a predetermined position by a support rod 10 is provided in the reaction chamber 3.
A substrate 15 for diamond deposition on Si is placed above.

この様にして混合ガスが供給された反応室3内にマイク
ロ波の様な振!!]電波が導入されると、高エネルギー
電子によって混合ガス成分分子が原子・イオン・ラジカ
ルに分解され、反応室3内には定常的なプラズマが発生
する。前記基板15はプラズマ発生領域に配置されてお
り、当該基板15上には混合ガス中の炭素を原料として
ダイヤモンド結晶が析出する。そして基板15の種類や
処理条件に応じて微結晶又は薄膜等の様に異なった形態
のものが得られ、一方混合ガスの混合割合を変化させる
ことによって結晶性ダイヤモンド。
A microwave-like vibration is generated in the reaction chamber 3 to which the mixed gas is supplied in this way! ! ] When radio waves are introduced, the mixed gas component molecules are decomposed into atoms, ions, and radicals by high-energy electrons, and a steady plasma is generated in the reaction chamber 3. The substrate 15 is placed in a plasma generation region, and diamond crystals are deposited on the substrate 15 using carbon in the mixed gas as a raw material. Depending on the type of substrate 15 and processing conditions, different forms such as microcrystals or thin films can be obtained, while crystalline diamond can be obtained by changing the mixing ratio of the mixed gas.

ダイヤモンド状結晶及びグラファイト等の結晶構造の異
なる結晶性炭素が得られる。尚図中13は反射板であり
、反応室3内を拡散するマイクロ波を反射させる作用を
果たす。
Crystalline carbon with different crystal structures such as diamond-like crystals and graphite can be obtained. In the figure, reference numeral 13 denotes a reflecting plate, which serves to reflect the microwaves diffused within the reaction chamber 3.

ダイヤモじド気相合成装置の他の例としては、第2図に
示される様な高周波を利用する技術も開発されている。
As another example of a diamond gas phase synthesis apparatus, a technique using high frequency as shown in FIG. 2 has also been developed.

当該技術においては、第1図に示したマイクロ波照射装
置1の代りに高周波電源20を用い、高周波電源20か
らの高周波を作動コイル21に導通して反応室3内に高
周波プラズマを発生させるものである。その他の基本的
な原理は第4図に示した技術と同様であり、対応する部
分には同一の参照符号を付して重複説明を避ける。
In this technique, a high frequency power source 20 is used in place of the microwave irradiation device 1 shown in FIG. It is. Other basic principles are the same as the technique shown in FIG. 4, and corresponding parts are given the same reference numerals to avoid redundant explanation.

[発明が解決しようとする問題点] 第1,2図に示した気相合成装置における炭素性原料と
しては、上述したメタン(CH4)の他、アセチレン、
エチレン、エタン、ベンゼン等の様な炭化水素が一般的
に用いられていた。これは、上記の様な炭化水素を用い
た場合に反応室内で進行するプラズマ反応による副生成
物が、水素、炭素、炭化水素等に限定され、且つこれら
は強い毒性や腐食性がなく、廃ガス処理が容易であると
いう消極的理由からである。又基板上に成長する結晶性
炭素の格子欠陥1表面2粒界等に取り込まれるものは水
素原子や水素分子程度の大きさのものに限られ、結晶性
炭素の結晶構造に大きな影響を与えることがないと予想
されるからである。
[Problems to be Solved by the Invention] In addition to the above-mentioned methane (CH4), acetylene,
Hydrocarbons such as ethylene, ethane, benzene, etc. were commonly used. This is because when the above hydrocarbons are used, the byproducts of the plasma reaction that progresses in the reaction chamber are limited to hydrogen, carbon, hydrocarbons, etc., and these are not highly toxic or corrosive and can be disposed of. This is because of the negative reason that gas treatment is easy. In addition, the lattice defects of crystalline carbon growing on the substrate are limited to hydrogen atoms and those that are about the size of hydrogen molecules, and they have a large effect on the crystal structure of the crystalline carbon. This is because it is expected that there will be no.

しかしながら、上述した様な炭化水素を炭素原料として
用いた場合には、結晶性炭素の結晶成長速度が小さいと
いう問題があった。即ち、上記気相合成法においては炭
化水素分子と高エネルギー電子との相互作用、取りわけ
近距離相互作用による電子と分子の衝突がプラズマ生成
に寄与するのであるが、炭素原料として炭化水素を用い
た場合には反応性衝突断面積が小さく結晶性炭素に必要
な原子・イオン・プラズマ種の生成効率が低くなる。
However, when the above-mentioned hydrocarbons are used as carbon raw materials, there is a problem that the crystal growth rate of crystalline carbon is slow. That is, in the above gas phase synthesis method, the interaction between hydrocarbon molecules and high-energy electrons, especially the collision between electrons and molecules due to short-range interaction, contributes to plasma generation. In this case, the reactive collision cross section will be small and the generation efficiency of atoms, ions, and plasma species necessary for crystalline carbon will be low.

本発明はこうした従来技術の持つ問題点を解決する為に
なされたものであって、その目的とするところは結晶性
炭素の結晶成長速度を大きくする様にした気相合成法を
提供する点にある。
The present invention was made to solve the problems of the prior art, and its purpose is to provide a vapor phase synthesis method that increases the crystal growth rate of crystalline carbon. be.

[問題点を解決する為の手段] 上記問題点を解決し得た本発明の構成とは、結晶性炭素
の気相合成に当たり、F元素を分子内に含む有極性有機
物質を炭素性原料として用いる点に要旨を有するもので
ある。
[Means for Solving the Problems] The structure of the present invention that can solve the above problems is that in vapor phase synthesis of crystalline carbon, a polar organic substance containing F element in the molecule is used as a carbonaceous raw material. The gist lies in the way it is used.

[作用] 本発明は上述の如く構成されるが、要はF元素を分子内
に含む有極性有機物質を炭素性原料として用いて気相合
成することにより結晶性炭素の結晶成長速度を大きくし
得たものである。ここで上記有極性有機物質とは、例え
ばCH3Fの様に一般式C2HmFn (u、m、nは
1≧2.m≧3、n≧1である整数)、で表わされる弗
素化有機物質を総称するものである。
[Function] The present invention is configured as described above, but the point is that the crystal growth rate of crystalline carbon is increased by vapor phase synthesis using a polar organic substance containing F element in the molecule as a carbonaceous raw material. That's what I got. Here, the above-mentioned polar organic substance is a general term for fluorinated organic substances represented by the general formula C2HmFn (u, m, and n are integers such as 1≧2, m≧3, and n≧1), such as CH3F. It is something to do.

本発明で選ばれる有極性有機物質は、大きな双極子モー
メントを持つ。例えばCH3Fの双極子モーメントは、
1.85xlO−1aesu  −cmである。電子と
双極子モーメントとの相互作用エネルギーは、電子−双
極子モーメント距離をγとすると、γ−2に比例する。
The polar organic material selected in the present invention has a large dipole moment. For example, the dipole moment of CH3F is
It is 1.85xlO-1aesu-cm. The interaction energy between an electron and a dipole moment is proportional to γ-2, where γ is the electron-dipole moment distance.

そして前述の有極有機物質は、この相互作用が比較的大
きく、そこでその解離速度は一般の炭化水素に比べて大
きい。又上記有極性有機物質は、原子半径の大きいF原
子を分子内に含む為電子の衝突断面積も大きく、それだ
け分子解難が促進されるという利点がある。
The above-mentioned polar organic substance has a relatively large interaction, so its dissociation rate is higher than that of general hydrocarbons. Furthermore, since the polar organic substance contains F atoms with a large atomic radius in the molecule, the electron collision cross section is also large, which has the advantage that molecular elucidation is promoted accordingly.

一方解離されたF原子は、副次反応にってHF、F2分
子或はその他の有機分子として排気される。そして通常
の処理条件では、極めて微量の有極性有機物質しか消費
されないので、前述の様に排気されるF原子は通常の吸
着処理法やチラー処理法等で容易に十分除去できる。又
F原子の原子半径は大きいので、結晶性炭素中に取り込
まれるF原子量は極微量である。
On the other hand, the dissociated F atoms are exhausted as HF, F2 molecules or other organic molecules through a side reaction. Under normal processing conditions, only a very small amount of the polar organic substance is consumed, so the F atoms exhausted as described above can be easily and sufficiently removed by normal adsorption processing, chiller processing, etc. Furthermore, since the atomic radius of F atoms is large, the amount of F atoms incorporated into crystalline carbon is extremely small.

本発明は、炭素原料として前記有極性有機物質を用いた
ものであるが、本発明方法の実施に当っては格別の装置
である必要がなく、基本的には第1図及び第2図に示し
た装置を用いればよい。
Although the present invention uses the polar organic substance described above as a carbon raw material, there is no need for special equipment to carry out the method of the present invention, and basically the method shown in FIGS. 1 and 2 is used. The device shown may be used.

即ちCHa供給装置6の代りにCH3F等の有極性有機
物質を単独又はH2ガスと共に所定の混合割合にして反
応室3内に供給する様にすればよい。そして本発明方法
を実施した場合は、従来用いられている一般的な装置を
もってしてもわずかなマイクロ波又は高周波電力で有極
性有機物質の解離が進行するので、結晶性炭素の気相合
成におけるコスト低減を図ることができる。
That is, instead of the CHa supply device 6, a polar organic substance such as CH3F may be supplied into the reaction chamber 3 alone or together with H2 gas at a predetermined mixing ratio. When the method of the present invention is carried out, dissociation of polar organic substances proceeds with a small amount of microwave or high-frequency power even with conventionally used general equipment. Cost reduction can be achieved.

[実施例コ マイクロ波CVD装置を用いて、ダイヤモンド薄膜の結
晶成長実験を行なった。
[Example 1] A diamond thin film crystal growth experiment was conducted using a microwave CVD apparatus.

炭素性原料として、CH4ガスとCH3Fガスを用い、
夫々の場合を比較した。尚上記炭素性原料ガスは、H2
によって1%になる様に希釈し、混合ガスとして気相合
成に借した。
Using CH4 gas and CH3F gas as carbonaceous raw materials,
Each case was compared. Note that the carbonaceous raw material gas is H2
The mixture was diluted to 1% and used as a mixed gas for gas phase synthesis.

混合ガス流量は100 S CCM (Standar
dCubic Centimeter)とし、反応室3
の内圧は40Torrに保ち、マイクロ波のパワーは3
00wとした。基板15としては、表面処理を施したS
iウェハを用い、装置運転中の基板温度は850℃であ
った。
The mixed gas flow rate is 100 S CCM (Standard
dCubic Centimeter) and reaction chamber 3.
The internal pressure was kept at 40 Torr, and the microwave power was 3
It was set to 00w. As the substrate 15, surface-treated S
An i-wafer was used, and the substrate temperature during device operation was 850°C.

この様にして6時間に亘り基板15上にダイヤモンド薄
膜を形成させた後、S E M (ScanningE
lectron Microscope )で薄膜断面
を観察した。
After forming a diamond thin film on the substrate 15 for 6 hours in this manner, SEM (ScanningE
The cross section of the thin film was observed using an electron microscope.

5箇所で膜厚を測定したところ、炭素性原料としてCH
4ガスを用いた場合の平均膜厚は2.1 μmであった
のに対し、CH3CfLを用いた場合の平均膜厚は2.
4μmであった。
When the film thickness was measured at five locations, CH
The average film thickness when using 4 gases was 2.1 μm, while the average film thickness when using CH3CfL was 2.1 μm.
It was 4 μm.

この結果から明らかであるが、炭素性原料としてCH3
Fガスを用いた場合は、従来用いられていた様な炭化水
素(CH4等)を用いた場合に比べ、結晶成長速度が約
19%をも増大することが理解される。
It is clear from this result that CH3 is used as a carbonaceous raw material.
It is understood that when F gas is used, the crystal growth rate increases by about 19% compared to when conventionally used hydrocarbons (CH4, etc.) are used.

[発明の効果コ 以上述べた如く本発明によれば、既述の構成を採用する
ことによって、結晶性炭素の結晶成長速度を大きくする
様にした気相合成法が実現できた。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, by employing the above-described configuration, a vapor phase synthesis method in which the crystal growth rate of crystalline carbon is increased can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

7jS1図及び第2図は気相合成装賀の例を示す概略説
明図である。 1・・・マイクロ波照射装置 2・・・導波管     3・・・反応室15・・・基
板      2o・・・高周波電源出厘人 株式会社
神戸製鋼所
7jS1 and FIG. 2 are schematic explanatory diagrams showing examples of vapor phase synthesis and storage. 1...Microwave irradiation device 2...Waveguide 3...Reaction chamber 15...Substrate 2o...High frequency power supply personnel Kobe Steel, Ltd.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 結晶性炭素の気相合成に当たり、F元素を分子内に含む
有極性有機物質を炭素性原料として用いることを特徴と
する結晶性炭素の気相合成法。
A method for vapor phase synthesis of crystalline carbon, characterized in that a polar organic substance containing element F in its molecule is used as a carbonaceous raw material.
JP12058786A 1986-05-26 1986-05-26 Vapor-phase synthesis of crystalline carbon Granted JPS62278193A (en)

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JP12058786A JPS62278193A (en) 1986-05-26 1986-05-26 Vapor-phase synthesis of crystalline carbon

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5071677A (en) * 1990-05-24 1991-12-10 Houston Advanced Research Center Halogen-assisted chemical vapor deposition of diamond

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