JPS63265892A - ダイヤモンドの合成方法および合成装置 - 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］ この発明は、化学気相析出法によるダイヤモンドの合成
方法および合成装置に関する。

［従来の技術およびその問題点］ 近年、ダイヤモンドの合成技術が著しい発展を遂げつつ
ある。

そして、これまでに、たとえば化学気相析出法（ＣＶＤ
法）、イオンビーム法、化学輸送法などの種々の合成技
術が知られるに至っている。

特に、低温において化学気相析出法によりダイヤモンド
薄膜を形成する方法は、連続操業が容易で工業的に有利
なことから、最近、注目を浴びている。

一方、このＣＶＤ法の工業化にあたっては、いかにして
混合ガスを活性化状態にするかが重要な問題である。そ
の方法としては、■混合ガスを、赤熱したフィラメント
の近傍を通過させることによって活性化状態に導＜、＠
ＣＶＤ法、■混合ガスの導入部に高周波を印加し、そこ
で高周波にょるプラズマを形成することによって混合ガ
スを活性化状態に導く高周波プラズマＣＶＤ法、■マイ
クロ波をガス導入部へ導入し、そこでマイクロ波による
プラズマを形成することによって混合ガスを活性化状態
に導くマイクロ波プラズマＣＶＤ法が知られている。

これらの中でも、特にマイクロ波プラズマＣＶＤ法は、
活性化状態の再現性に優れるとともに、消耗部品がない
ことから有望視されている。

しかしながら、従来のマイクロ波プラズマＣＶＤ法にお
いては、−基のマイクロ波発振器から発振されるマイク
ロ波をそのままプラズマ発生装置に導入していたので（
特開昭５９−９１１００号公報参照、）、ダイヤモンド
薄膜を同時に大量に製造するためには、マイクロ波発振
器とプラズマ発生器とを一組とする多数組の装置を必要
とした。したがって、生産効率が低く工業的に不利であ
るという問題を有していた。

［発明の目的］ この発明の目的は、前記問題を解消し、マイクロ波プラ
ズマＣＶＤ法によりダイヤモンド薄膜の大量生産が可能
であって、工業的に有用なダイヤモンドの製造方法を提
供するとともに、この方法の実施に好適な製造装置を提
供することである。

［前記目的を達成するための手段］ 前記目的を達成するためのこの第１の発明の概要は、プ
ラズマ発生装置内で、マイクロ波の照射により水素ガス
と炭素源ガスとから得られたプラズマを、基板表面に導
入することにより、基板表面にダイヤモンドを析出させ
るダイヤモンドの合成方法において、１基のマイクロ波
発振器から発振したマイクロ波の進行を分岐させ、分岐
した各マイクロ波を複数のプラズマ発生装置に導くよう
にしたことを特徴とするダイヤモンドの合成方法であり
、 第２の発明の概要は、マイクロ波を発振するマイクロ波
発振器と、このマイクロ波発振器から発振されたマイク
ロ波の進行を複数の方向に分岐させる分岐導波管と、こ
の分岐導波管に接続されると共にダイヤモンド析出用の
基板をそれぞれ有する複数のプラズマ発生装置とを備え
てなることを特徴とするダイヤモンド合成装置である。

この発明に係る合成方法を、この第２発明の一例である
ダイヤモンド合成装置と共に説明する。

第１図（イ）に示すように、このダイヤモンド合成装置
は、１基のマイクロ波発振器ｌと１２！の分岐導波管２
と２基のプラズマ発生装置３とを備えるものである。

前記マイクロ波発振器ｌは、マイクロ波帯（周波数１０
０１００Ｏ〜１００ＧＨｚ）で発振機能を有するもので
あり、具体例としては、速度変調管、クライストロン、
マグネトロンなど従来から公知のマイクロ波管が挙げら
れる。

この発明においては、マイクロ波のうち、特にＩＳＭ周
波数帯を好適に用いることができる。

第１図（イ）に示す前記分岐導波管２は、マイクロ波発
振器ｌで発信したマイクロ波を均等に二方向に分岐して
、分岐した２方向のマイクロ波それぞれを各プラズマ発
生装置３に導くように形成してなる。この例では、この
マイクロ波発振器１から発信されるメイクロ波を均一に
二方向に分岐させる二方向分岐導波管として示している
が、一方向のマイクロ波を３方向以上にさらに分岐させ
るときには、たとえばこの二方向分岐導波管を組み合せ
て、マイクロ波発振器ｌで発信したマイクロ波を第に方
向分岐導波管でマイクロ波を二方向に分岐させ、次いで
分岐したいずれかのマイクロ波を第２二方向分岐導波管
で二方向に分岐させると、結果的に三方向にマイクロ波
を分岐させることができる。この場合、マイクロ波は、
二組みの二方向分岐導波管でその強度が２：１：１とな
るように分岐する。もっとも、複数個の二方向分岐導波
管を組み合せて２以上にマイクロ波を分岐しなくても、
たとえばＴ分岐管、Ｅコーナー変換導波管、三分岐管、
あるいはこれらの組み合せによることも可能である。

また、分岐導波管の組み合せにより、マイクロ波の強度
をそれぞれ均一に分岐させることができるのは勿論、所
望の比率の強度に分岐させることもできる。

この発明においては、前記分岐導波管２により分岐した
マイクロ波を、前記分岐導波管２に接続した複数のプラ
ズマ発生装置３に導き、各プラズマ発生装置３内に供給
される水素ガスと炭素源ガスとの混合ガスにマイクロ波
を照射してプラズマを形成することによって該混合ガス
を活性化状態にする。

第１図（ロ）に示したように前記プラズマ発生装置３は
、水素ガスと炭素源ガスとの混合ガスを反応室４へ供給
するガス供給装置５と、使用後の反応ガスを反応室４か
ら外部へ排出する排気装置６とを有し、反応室４には、
表面にダイヤモンドを析出させる基板７が内蔵されてい
る。基板７は必要に応じて、たとえば加熱炉により加熱
して使用する。

基板７には特に限定はなく、たとえば、ガラス、シリコ
ン、金属などの従来から使用されているものを用いるこ
とができる。

また、混合ガスの供給量および排出量は、それぞれ供給
量調整弁８または排出量調整弁９により調節可能である
。

前記反応装置３と前記分岐導波管２との接続は、それ自
体公知のアプリケーターを介して行なわれる。

この発明においては、１基の前記マイクロ波発振器から
発振されるマイクロ波を、複数の前記プラズマ発生装置
の反応室に供給される水素ガスと炭素源ガスとの混合ガ
スへの照射強度が、通常、それぞれ０．１ｋｗ以」二、
好ましくは、それぞれ０．２ｋｍ以上になるように分岐
して用いる。前記プラズマ発生装置１基あたりの照射強
度がＦｌｋｗ未満の場合には、ダイヤモンドの析出速度
が遅くなったり、ダイヤモンドが析出しないことがある
。

前記水素ガスは、前記炭素源ガスと混合して用いるもの
であり、マイクロ波の照射によって原子状水素等を形成
する。

この原子状水素等は、ダイヤモンドの析出と同時に析出
する黒鉛構造の炭素を除去する作用と析出したダイヤモ
ンド結品中の炭素原子のＳＰ３構造を高温においても維
持する作用とを有するものである。

前記炭素源ガスとしては、たとえばメタン、エタン、プ
ロパン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、
フロピレン、フチレフ等のすレフイン系炭化水素：アセ
チレン、アリレン等のアセチレン系炭化水素：ブタジェ
ン等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、シク
ロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂環式
炭化水素；シクロブタジェン、ベンゼン、トルエン、キ
シレン、ナフタレン等の芳香族炭化水素；アセトン、ジ
エチルケトン、ベンゾフェノン等のケトン類；メタノー
ル、エタノール等のアルコール類；トリメチルアミン、
トリエチルアミンなどのアミン類：炭酸ガス、−酸化炭
素などを挙げることができる。

これらは、１種単独で用いることもできるし。

２種以上を併用することもできる。

これらの中でも、好ましいのはメタン、エタン、プロパ
ン等のパラフィン系炭化水素、アセトン、ベンゾフェノ
ンなどのケトン類およびトリメチルアミン、トリエチル
アミンなどのアミン類であり、特に好ましいのはメタン
、アセトン、メタノール、トリメチルアミンである。

前記水素ガス中の炭素源ガスの濃度は、通常、０．１〜
２０モル％、好ましくは０．２〜１０モル％である。こ
の濃度が（Ｌ１モル％より少ない場合には、ダイヤモン
ドの析出速度が遅くなったり、ダイヤモンドが析出しな
いことがある。一方、２０モル％を超える場合には、黒
鉛などの非ダイヤモンド炭素が析出することがある。

この発明の方法における反応圧力、すなわち反応室内の
圧力は、通常、０．００１〜１０００ｔｏｒｒ　、好ま
しくは１〜８００　ｔｏｒｒである０反応圧力が０．０
０１ｔｏｒｒよりも低い場合には、ダイヤモンドの析出
速度が遅くなったり、ダイヤモンドが析出しないことが
ある。

前記基板表面の温度は、通常、４００℃　〜１０００℃
、好ましくは６００℃〜８５０℃である。この温度が４
００℃より低い場合には、ダイヤモンドの析出速度が遅
くなったり、ダイヤモンドが析出しないことがある。一
方、ｔｏｏｏ℃を超える場合には、析出したダイヤモン
ドが逆にエツチングにより削られ、ダイヤモンドの析出
速度が遅くなることがある。

この発明の合Ｊ＆装置によりダイヤモンドを製造するに
は以下のようにすればよい。

前記水素ガスと前記炭素源ガスとの混合ガスを、第１図
（ロ）に示したプラズマ発生装置３の反応室４内へガス
供給装置５を用いて供給する。

続いて、反応室４内に供給された混合ガスにマイクロ波
発振器１から発振されるマイクロ波を分岐導波管２によ
り分岐し、各プラズマ発生装置３に照射してプラズマを
形成することにより、混合ガスを活性化状態にする。

活性化状態にある混合ガスは基板７の表面に達し、この
基板の表面にダイヤモンドを析出させる。

使用後の反応ガスは、排気装置ｉ１６により排出する。

第２の発明の合成装置により第１の発明の方法を実施す
ると、複数のダイヤモンド薄膜を同時に得ることができ
、得られたダイヤモンド薄膜はたとえば切削工具（バイ
ト）のコーティングなどに好適に利用することができる
。

［発明の効果］ この発明によると、 （１）　　複数のダイヤモンド薄膜を同時に製造するこ
とができるので、工業的に有利なダイヤモンドの合成方
法を提供することができ、 （２）　　また、この製造方法においてはマイクロ波を
分岐して用いるだけでよいので、合成装置の簡略化を図
ることができ。

（３）　　さらに、この合成方法の実施に使用する合成
装置においては一基のマイクロ波発振器を複数のプラズ
マ発生装置で共用するの、生産効率に優れる、 等の種々の効果を有するダイヤモンドの合成方法および
合成装置を提供することができる。

［実施例］ 次いで、この発明の実施例を示し、この発明についてさ
らに詳しく説明する。

（実施例１） 基板にシリコンウェハーを用いた反応管中に、メタンガ
スおよび水素ガスを、それぞれ導入した。

次いで、マイクロ波発振器の出力を２．４ｋｗとし、第
に方向分岐導波管で前記出力を均一な二方向に分岐して
からさらに二組みの第２二方向分岐導波管で前記２出力
を二方向に分岐することにより均一な４出力に分岐して
、各反応管に０．８　ｋｗづつ供給して放電を行なった
。このときの、メタンガス量は０．５　ｊＩＣＣ園、水
素ガス量は１００５ｃｃｎであった。

この状態で４時間析出を行なうことにより、４枚の各基
板上にそれぞれ厚み２ｐｍの薄膜を同時に得た。

得られた薄膜につき、ラマン分光分析により分析を行な
ったところ、いずれの薄膜にもダイヤモンド以外の不純
物が存在していないことが確認された。

（実施例２） 前記実施例１において、メタンガスをア七トンに代えた
以外は、前記実施例１と同様にして実施して、４枚の各
基板上にそれぞれ厚み１０Ｂｍの薄膜を同時に得た。得
られたＳ膜につき、ラマン分光分析により分析を行なっ
たところ、いずれの薄膜にもダイヤモンド以外の不純物
が存在していないことが確認された。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は、この発明のダイヤモンドの合成装置の
構成を示す概念図であり、同図（ロ）は同装置を構成す
るプラズマ発生装置の一例を示す説明図である。 ｌ・・・マイクロ波発振器、 ２・・・分岐導波管、 ３・・拳プラズマ発生装置。 特許出願人　　出光石油化学株式会社　。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ発生装置内で、マイクロ波の照射により
   水素ガスと炭素源ガスとから得られたプラズマを、基板
   表面に導入することにより、基板表面にダイヤモンドを
   析出させるダイヤモンドの合成方法において、１基のマ
   イクロ波発振器から発振したマイクロ波の進行を分岐さ
   せ、分岐した各マイクロ波を複数のプラズマ発生装置に
   導くようにしたことを特徴とするダイヤモンドの合成方
   法。
2. （２）マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、この
   マイクロ波発振器から発振されたマイクロ波の進行を複
   数の方向に分岐させる分岐導波管と、この分岐導波管に
   接続されると共にダイヤモンド析出用の基板をそれぞれ
   有する複数のプラズマ発生装置とを備えてなることを特
   徴とするダイヤモンド合成装置。