JPS63117991A - 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、ダイヤモンドの気相合成法に関するものであ
る。

［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、ダイヤモンドを形成する為の
技術が急速に開発されつつある。

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。

第２図は従来のダイヤモンド気相合成装置の典型側を示
す概略説明図であり、第３図はその要部を示す概略説明
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２図において、マグネトロン発振機１から発振された
マイクロ波（２，４５Ｇ　ＨＺ　）は、アイソレータ２
、パワーモニタ３、チューナ４及び導波管５をこの記載
順序で導かれ、前記導波管５を貫通して設けられる石英
製の反応管６内に設置された基板７に照射される。前記
基板７としてはＴａ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等の金属材料が用
いられる場合もあるが、一般的にはＳｉウェハが用いら
れ、該基板７は石英製の支持台９によって所定位置に配
置されている。そして反応管６内には反応管人口１１側
から、Ｈ２ガスとｃＨ４ガスを所定割合に混合（例えば
ＣＨ４１％−Ｈ２９９％）した混合ガスが約１００　Ｓ
　ＣＣＭ　（Ｓｔａｎｄａｒｄ　ＣｕｂｉｃＣｅｎｔｉ
ｍｅｔｅｒｓ　ｐｅｒ　Ｍｉｎｕｔｅ）の流量で導入さ
れる。

導入された混合ガスは排気口１３側から所定量吸引排気
され、反応管６内は予め定めた圧力（例えば４０〜５０
Ｔｏｒｒ）とされる。

この様にして混合ガスが供給された反応管６内にマイク
ロ波の様な振動電波（約３００Ｗ）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、反応管６内には定常的なプラ
ズマが発生する。前記基板７はプラズマ発生領域１４に
配置されており、当該基板７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７
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
った形態のダイヤモンドが得られる。

第２図に示したダイヤモンド気相合成装置において、例
えば基板７としてＳｉウェハを用いた場合には、上述し
た処理条件で基板温度が約８５０℃となり、基板７上に
約０．３μｍ／時間の成長速度で結晶性ダイヤモンドが
析出する。尚第２．３図中の参照符号１５はプランジャ
ーであり、基板７が正確にプラズマ発生領域１４の中央
に位置する様にマイクロ波の反射を調整する為のもので
ある（第３図参照）。又参照符号２０て示されている部
材はアプリケーターであり、冷却水を供給管２１から供
給しつつ排出管２２から排出して反応管６が過渡に加熱
されるのを防ぐ機能を果たす。

［発明が解決しようとする問題点］ 実験室的製造手段は上述の如く一応確立されているが、
一方では基板７の大きさを任意に設定できれば、得られ
るダイヤモンド薄膜の応用範囲はより広がるのではない
かとの期待が持たれる。しかしながら基板７の大きさは
下記に示す理由によフて限定されざるを得なかったので
ある。

前記第２図に示した様な従来装置では、石英製の反応管
６が導波管５を貫通した構造である為、反応管６の大き
さは導波管５の大きさによって必然的に決まってしまう
。即ち現在用いられている導波管５における軸直角断面
の形状は上記マイクロ波の波長（１２ｃｍ）との関係上
、一般的に１１Ｘ６（ｃｍ）の矩形状であり、従って前
記反応管６の直径は構造上１１ｃｍより小さくする必要
がある。そればかりか反応管６からのマイクロ波の漏洩
を防止するといった観点からすれば、反応管６の内径は
前記マイクロ波の半波長に相当する６ｃｍ以下に設定す
る必要がある。そしてこの様な条件のもとてプラズマを
発生させると、反応管６内で生じるプラズマは直径２ｃ
ｍＸ長さ５ｃｍ程度のものとなり、この程度の大きさの
プラズマによフて基板７上に効果的にダイヤモンド薄膜
を形成する為には、基板５は精々１０ｘｌＯ（ｍｍ）程
度にしかできなかったのである。即ち、上記寸法よりも
大きな基板７を反応室６内に設置すると、該基板７によ
って反応室６内の電場が乱され、生じるプラズマが分裂
してしまい、その結果基板７全体をプラズマによって覆
うということができなくなり、成膜速度の減少、不均一
成膜の発生又は結晶性の低下等といった不都合な事態が
生じる。

この様に従来の技術では、その構造的特徴及びマイクロ
波の波長等に起因して基板７の大きさは極めて限られた
ものであり、従って合成ダイヤモンド薄膜の応用範囲は
極めて狭いものであった。

本発明の目的は上記趣旨から明らかな様に、マィクロ波
の波長等によって基板の大きさが限定されることなく、
比較的大きな基板であっても効果的にダイヤモンド薄膜
を形成でき、よって合成ダイヤモンド薄膜の適用範囲を
より拡張し得る様なダイヤモンドの気相合成法を提供す
ることにある。

［問題点を解決する為の手段コ 上記目的を達成し得た本発明とは、マイクロ波の振幅方
向側面に、前記マイクロ波の進行方向と直交する方向に
軸心な有する円筒型又は角筒型の反応室を設けると共に
該反応室内には反応室の軸心と直交する面内に基板を設
置し、前記マイクロ波によって反応室内にＴＭＯｌｎ　
　（ｎ≧２の整数）の共振モードを形成させて前記基板
上にダイヤモンドを合成する点に要旨を有するダイヤモ
ンドの気相合成法である。

［作用コ 本発明は上述の如く構成されるが、要はダイヤモンドが
気相合成されるべき反応室内に、マイクロ波によってＴ
ＭＯｌｎ　　（ｎ２２以上の整数）の共振モードを形成
する様にした点に最大の特徴を有するものである。

基板上に有効にダイヤモンド薄膜を形成するには、プラ
ズマ密度が基板上で最大になり且つ電場が基板表面に対
して垂直に形成される様に反応室を設計する必要がある
。本発明者らはこの様な観点から種々検討した結果、マ
イクロ波によって反応室内にＴＭＯＩｎの共振モードを
形成すれば、上記要求を満足し得るとの着想が得られた
。即ちＴ　Ｍ　ｏ　ｒ　ｎの共振モードにおける電界分
布を見ると、電界が円周方向に一様であり、半径方向で
は中心部が最大になり周辺部で弱くなる傾向があるので
、基板を電界分布の中央に且つ電場基板表面に対して垂
直になる様に設置すれば、基板上に一様のダイヤモンド
薄膜が得られると共に反応室内壁によるエネルギー損失
が少なくなる。更に好ましいことには、ＴＭ、、。の共
振モードを形成することによって生じるプラズマの大き
さは周波数等によって限定されることなく、専ら反応室
の大きさや形状によってのみ左右されるのである。従っ
て本発明によれば、ダイヤモンドが合成されるべき基板
の大きさは原理的に何ら限定されるものではなく、比較
的大きな基板であっても使用することができる。

［実施例］ 第１図は、本発明方法を実施する為に構成されるダイヤ
モンド気相合成装置の一例を示す概略説明図である。

当該装置においても、第２図に示した従来装置と同様に
、マグネトロン発振機１、アイソレータ２、パワーモニ
タ３、チューナ４、導波管５及びプランジャー１５等が
備えられている。

第１図に示した装置においては、導波管５の軸心方向、
従ってマイクロ波の進行方向（第１図における左右方向
）と直交する方向に軸心を有する円筒型の反応室１０が
、マイクロ波の振幅方向側面（第１図においては導波管
５の下方）に設けられている。そして当該反応室１０と
前記導波管５は、アイリス１６によって電気力線が連通
できる様に構成されている。尚前記アイリス１６は石英
製ウィンドーによって、反応室１０内の気密性が保たれ
ている。

前記反応室１０は、ＴＭＯＩ４の共振モードを形成する
場合を想定して構成されたものである。即ち反応室１０
の内部形状を第４図に模式的に示す様に円柱状であると
仮定すると、ＴＭ０１４の共振モードで生じる表面電流
は矢印の様に形成され、仮想線Ａ−Ｄで示した位置（軸
心方向の長さを℃とした場合に上からｆｔ／Ｂ、３１１
／Ｂ。

５ｆＬ／８，７ｍ／８の位置）に相当する面内では表面
電流が停溜する。従って第１図に示した反応室１０では
、表面電流が停溜する位置に、フランジ１８ａ〜１８ｃ
及び反応ガス導入口２４並びに排気口２５が設けられて
いる。このことによって、ＴＭｏＩ４の共振モードによ
る表面電流の流れを妨害することが防がれ、又ＴＭ０１
４の共振モード以外の共振モードが不本意に発生するこ
とを防止する様にしている。尚前記フランジ１８ａ〜１
８ｃは、ＴＭ０１４の共振モードを反応室１０内で有効
に達成する目的で、反応室１０内の軸心方向の長さＡを
卆±３０％程度の範囲で伸縮自在に適宜調整する為のも
のである。

一方第１図に矢印で電気力線の様子を示した様に、反応
室１０内では、電場は３カ所（第４図における上からＡ
ｌ１，１１／２，３１１／４の位置）で最大となり、当
該各位置に反応室１０の軸心と直交する面内となる様に
（即ち電気力線が垂直に当たる様に）基板７ａ〜７ｃが
支持台９によって夫々設置される。

本発明者らは、第１図に示した装置を用いて実験を行な
った。使用した反応室１０の寸法は内径２０　ａｍ、軸
心方向の長さ２７．７ｃｍであり、アイリス１６の寸法
は直径２４ｍｍとした。反応室１０内には反応ガスとし
てＣＨ４ガスとＨ２ガスの混合ガス（ＣＨ４９０％＋Ｈ
２１％）を反応ガス供給口２４から供給すると共に、排
気口２５から所定量排気して、反応室１０内の圧力を１
０Ｔｏｒｒ以上となる様に調節した。基板７ａ〜７ｃと
しては、３インチのＳｔウェハを用いた。モしてマグネ
トロン発振機１から２．４５０　Ｈ、のマイクロ波を発
振し、反応室１０内にＴＭ０１４の共振モードを形成し
た。この際プランジャー１５を調整して、導波管５内に
発生するマイクロ波の腹がアイリス１６の位置となる様
にしく第１図参照）、マイクロ波のエネルギーが反応室
内に最も有効に移送できる様にした。尚導波管５内にお
いて、プランジャー１５側から反射して逆行してくるマ
イクロ波をチューナ４によって最小限に止めるのは従来
技術と同様である。その結果、基板７８〜７ｃ付近で比
較的大きなプラズマが発生し、基板７８〜７ｃ上には、
いずれもダイヤモンド薄膜を合成することができた。

上述した実施例では、ＴＭ０１４の共振モードを形成す
る為の装置について示したけれども、本発明方法を実施
する為の装置は図示したものに限定されず、反応室１０
内に形成される共振モードに対応させて設計変更するこ
とも可能である。

従って設置される基板７の数も限定されず、形成する共
振モードに対応させて任意の数（例えばＴＭｏ＋ａモー
ドであれば５）を設置することができ、第１図に示した
装置と同様の原理でダイヤモンドの気相合成が達成され
る。

また第１図に示した装置では、反応室１０はフランジ１
８ａ〜１８ｃによって伸縮自在な構成であったけれども
、表面電流や電気力線の流れからすれば可能な限り反応
室１０の内面は面一が良いので、マイクロ波や基板の大
きさ等の条件に応じて希望する共振モードが達成できる
長さが予め分かれば、反応室１０を一体物として形成し
てもよいのは勿論である。

更に前記アイリス１６、反応ガス供給口２４及び排気口
２５を設ける位置も図示したものに限られず、基本的な
原理・原則を満足する限り、反応室１０の適当な位置に
設けることができる。即ちアイリス１６は、マイクロ波
の進行方向と反応室１０の軸心方向とが直交する関係を
満足し、反応室１０内にＴＭｏ＋ｎ　　（ｎ２２以上の
整数）の共振モードが形成できる位置であればよく、一
方反応ガス供給口２４及び排気口２５は、前記表面電流
を妨害しない位置であればよい。

尚第１図に示した反応室１０の基本的な形状は円筒型と
したけれども、Ｔ　Ｍ　ＯＩ　ｎの共振モードを達成す
るには反応室１０の形状が角筒形であってもよいのは周
知の通りである。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法によれば、既述の構成を採用
することによって、比較的大きな基板上に効果的にダイ
ヤモンド薄膜を形成することができる様になり、本発明
方法の技術的意義は大きなものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する為に構成される気相合成
装置の一例を示す概略説明図、第２図は従来のダイヤモ
ンド気相合成装置の典型例を示す概略説明図、第３図は
第２図に示した従来装置の要部を示す概略説明図、第４
図は円筒型反応室内に生じる表面電流の流れを模式的に
示した図である。 １・・・マグネトロン発振機 ５・・・導波管　　　　　７．７ａ〜７Ｃ・・・基板１
０・・・反応室　　　　　１５・・・プランジャー１６
・・・アイリス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. マイクロ波の振幅方向側面に、前記マイクロ波の進行方
   向と直交する方向に軸心を有する円筒型又は角筒型の反
   応室を設けると共に該反応室内には反応室の軸心と直交
   する面内に基板を設置し、前記マイクロ波によって反応
   室内にＴＭｏｌｎ（ｎ≧２の整数）の共振モードを形成
   させて前記基板上にダイヤモンドを合成することを特徴
   とするダイヤモンドの気相合成法。