JPS63117993A - 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し、詳細にはダ
イヤモンド粒子や薄膜を安価に得ることのできる気相合
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（２，４５０Ｈ，）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Ｓｔウェハが用いられ、
該基板７は石英製の支持台９によフ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ＣＨ
４１％−Ｈ２９９％）した混合ガスが約１００３　ＣＣ
Ｍ　（Ｓｔａｎｄａｒｄ　ＣｕｂｉｃＣｅｎｔｉｍｅｔ
ｅｒｓ　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Ｓｔウェ八へ用いた場合には、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
。

又参照符号２０で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が過度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］ 第２図に示した気相合成装置における炭素原料としでは
、上述したメタン（ＣＨ４）の他、アセチレン、エチレ
ン、エタン、ベンゼン等の様な気体状炭化水素が一般的
に用いられていた。

しかしながらこれらの気体状炭化水素を炭素原料として
用いた場合には、炭素濃度の制御が比較的容易であると
いう点で好ましい結果を得ることができるが、次の様な
欠点があることも事実である。即ち上述した様な気体状
炭化水素を炭素原料として用いた場合には、■これらの
炭化水素は比較的高価である、■炭化水素を供給する為
の設備（図示していない）を反応装置に付加する必要が
あり、流量制御用配管やバルブ等の装置価格が高価とな
る、■ダイヤモンドの気相合成の開始・終了時に、炭化
水素が供給される配管内を不活性ガスで置換する手間が
必要である、等の問題点があった。

本発明はこれらの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、ダイヤモンドを安価
に合成し得ると共に、合成装置を比較的簡単な構成にし
得る様な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、ダイヤモンドの気相
合成に当たり、炭素原料として固体炭素を用い、該固体
炭素を水素プラズマ雰囲気中で高温に保ちつつ気相合成
を行なう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、要は炭素原料として
ＣＨ４ガスその他の気体状炭化水素を用いる代りに、固
体炭素を用いる点に最大の特徴を有するものである。用
いる固体炭素の種類や形状については何ら限定されない
が、例えばグラファイト（黒鉛）や粉末炭素等は比較的
容易に入手でき且つ安価であり、最も好都合である。ま
た表面積を増大すると共に水素ガスの侵入を助ける為に
多孔質としたものが推奨される。

この様な固体炭素をプラズマ発生領域に予め設置してお
き、Ｈ２単独ガスを供給して気相合成を行なうことによ
って、前記固体炭素は水素ブラズマ雰囲気中で高温に保
たれ、恐らくは炭化水素等を発生して基板上にダイヤモ
ンド粒子や薄膜が得られるのである。

本発明方法ではＣＨ４ガスその他の炭化水素ガスの様な
比較的高価な炭素原料を用いることなく、グラファイト
や粉末炭素等の比較的安価な炭素原料を用いる様にした
ので、従来よりも更に安価にダイヤモンドを合成するこ
とが可能となる。

また供給するガスはＨ２ガス単独でよく、気体状炭化水
素を供給していた為に必要とされていた気体原料混合制
御機構や複雑な配管・バルブ類が不要となり、本発明方
法を実施する為の気相合成装置自体も簡単な構成となり
、生産コストの低減に寄与し得るところが大きい。更に
上述の理由によフて、炭化水素ガス配管内を不活性ガス
で置換する手間も省ける。

尚本発明方法においては、プラズマ雰囲気中の炭素濃度
の制御は、気体状炭化水素を用いた場合と比べて多少困
難さを増すが、固体炭素原料の表面性状や温度、Ｈ２ガ
スの圧力や流量及びマイクロ波の出力等の条件を独立変
数として予め合成ダイヤモンドの性状に与える影響を調
査しておけば、実操業におけるダイヤモンド粒子・薄膜
の形態制御は比較的簡単に実施できる。

［実施例］ 第１図は本発明方法を実施する為に構成される気相合成
装置例の要部を示す概略説明図である。

第１図に示した装置における構成は基本的には第２図に
示した装置の構成と同様であり、対応する部分には同一
の参照符号を付すことにより重複説明を回避する。尚前
記第２図に示した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は説明の便宜上第１図
では省略したが、これらの部材は本発明方法を実施する
際にも必要であるのは言う迄もない。

第１図において石英製の反応管６内のプラズマ発生領域
１４内には支持台９上に基板７が配置されると共に、該
基板７の近傍（第１図では上方）には炭素原料としての
炭素板２５が同じく前記支持台９によって配置される。

第１図に示した装置において、入口１１側から反応管６
内にＨ２ガスを導入す、ると共に、導波管５からマイク
ロ波を導入する。そうすると反応管６内は水素プラズマ
雰囲気となり炭素−水素プラズマ反応が進行して高温に
保たれる。その結果、炭化水素ガス、炭化水素イオン、
炭化水素ラジカル等が発生すると共に、分子状水素の分
解により原子状水素が発生し、これらが基板７上に移送
されることにより、基板７上にダイヤモンド粒子やダイ
ヤモンド薄膜が析出する。

第３図は本発明方法を実施する為に構成される気相合成
装置の他の例を示す概略説明図である。

この装置では、図示する様に反応管６が水平に配置され
ると共に、該反応管６内には支持台９が設置され、この
支持台９上に炭素粉末２６が載置され、更に炭素粉末よ
りも反応管６の下流側（第３図における右側）には基板
７が設置される。この様な装置においても、前記第１図
と同様の原理で基板７上にイヤモンド粒子やダイヤモン
ド薄膜を析出することができる。

本発明者らは、前記第３図の気相合成装置を用いて実験
を行なった。即ちマイクロ波の出力を７００Ｗとし、基
板７を導波管６の中央部よりも少しずらせて置き基板７
の温度が８００℃となる様にし、反応管６の人口１１側
からＨ２ガスを１１００３ＣＣの流量で供給した。尚反
応管６内の圧力は、Ｈ２ガスを排気口１３側から所定量
排気することによって７０Ｔｏｒｒに調整した。そして
反応を７時間進行させたところ、基板７上に直径約２μ
ｍのダイヤモンド微粒子が析出した。

本発明方法を実施する為の気相合成装置は前記第１図及
び第３図に示した構成に限られず、その他各種の構成を
採用することもできる。例えば下記第４〜８図はその一
例であり以下これらの図面を参照しつつ説明するが、基
本的な原理は第１゜３図の場合と同様であるので構成の
違いを簡単に説明するにとどめる。

まず第４図に示した気相合成装置は、反応室２７内に基
板７及び炭素板２５を対向して配置した例である。この
装置においては、Ｈ２ガスは供給管２８から反応室２７
内に供給されると共に排気管２９から排気され、一方マ
イクロ波が導波管５から導入され、反応室２７内には基
板７及び炭素板２５を包む様にして水素プラズマを発生
させるものである。尚第４図中参照符号３０はマイクロ
波導入用ウィンドウである。

次に第５図に示した気相合成装置は第４図に示した装置
とほぼ同様であり、相違点は炭素板２５の代りに炭素粉
末２６を用いた点である。

更に、第６図に示した気相合成装置は、導波管５を２箇
所設けた例である。即ち、反応管６の上流側に配置した
導波管５ａによって炭素粉末２６を加熱して水素プラズ
マと反応させると共に、反応管６の下流側に配置した導
波管５ｂによって基板７の周囲を水素プラズマ雰囲気と
するものである。そして生じた炭化水素・ラジカル・イ
オン種等がＨ２ガスによって基板７上に穆送され、基板
７上にダイヤモンドが析出する。

第７図に示した気相合成装置では、炭素粉末２６をプラ
ズマ発生領域１４中におき、Ｈ２ガスが導入される反応
管６の下流側を比較的大きな容量を有する反応室２７ａ
とし、この反応室２７ａ内に面積を広くした基板７を設
置し、この基板７上にダイヤモンドを析出させるもので
ある。尚この際基板７は補助加熱用ヒータ３３で８００
〜１０００℃に加熱される。

第８図に示した気相合成装置では、反応室２７の内壁に
断熱材３４を内張すすると共に、該断熱材３４上に炭素
板２５を配置するものである。モしてＨ２ガスを供給管
２８から反応室２７内に供給すると共に、導波管５から
マイクロ波を導入することによって、反応室２７内を高
温の水素プラズマ雰囲気として基板７上にダイヤモンド
を析出させる。

［発明の効果］ 以上述べた如く本発明方法によれば、炭素原料として安
価な固体炭素を用いる様にしたので、ダイヤモンドが安
価に合成できると共に、気相合成装置の構成も比較的簡
単なものとすることができ、従来の問題点を一挙に解決
し得た。

【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
装置例の要部を示す概略説明図、第２図は従来の気相合
成装置の二側を示す概略説明図、第３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他の例を示す概
略説明図、第４〜８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各種の例を示す概略説明図である
。 １・・・マグネトロン発振機 ５．５ａ、５ｂ・・・導波管　　６・・・反応管７・・
・基板　　　　　　９・・・支持台１４・・・プラズマ
発生領域 １５・・・プランジャー　　２５・・・炭素板２６・・
・炭素粉末　　　　２７．２７ａ・・・反応室排気 第３図 第２図　　　ＣＨ４十８２ ★ 排気 第４図 排気 第５図 排気 第６図 第７図 第８図 り丁３０名 ・□・・・

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ダイヤモンドの気相合成に当たり、炭素原料として固体
   炭素を用い、該固体炭素を水素プラズマ雰囲気中で高温
   に保ちつつ気相合成を行なうことを特徴とするダイヤモ
   ンドの気相合成法。