KR20140019726A - 다이아몬드의 제조 방법 및 직류 플라즈마 ｃｖｄ 장치 - Google Patents

다이아몬드의 제조 방법 및 직류 플라즈마 ｃｖｄ 장치 Download PDF

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Abstract

(과제)
다이아몬드의 안정된 성장 속도를 유지하고, 또한 고품질의 다이아몬드가 얻어지는 다이아몬드의 제조 방법을 제공한다.
(해결 수단)
기판(S)을 유지한 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에, 직류 전압을 인가하는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 원료로 하여 기판(S) 상에 다이아몬드를 성장시키는 다이아몬드의 제조 방법으로서, 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에 상기 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가한다.

Description

다이아몬드의 제조 방법 및 직류 플라즈마 ＣＶＤ 장치{METHOD OF MANUFACTURING DIAMOND AND DC PLASMA CVD APPARATUS}
본 발명은 다이아몬드의 제조 방법 및 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치에 관한 것이다.
다이아몬드는 5.47eV의 와이드 밴드 갭이고, 절연 파괴 전계 강도도 10㎹/㎝로 매우 높다. 또한, 물질에서 최고의 열전도율을 갖기 때문에 이것을 전자 디바이스에 사용하면 고출력 전자 디바이스로서 유리하다.
또한, 다이아몬드는 드리프트 이동도도 높고, Johnson 성능 지수를 비교해도 반도체 중에서 가장 고속 전자 디바이스로서 유리하다. Johnson 성능 지수란 디바이스 중의 전력 이동의 속도를 나타내는 것으로 높을수록 이동 속도가 빠르다. 따라서, 다이아몬드는 고주파·고출력 전자 디바이스에 적합한 궁극의 반도체로 이야기되고 있다.
그 때문에, 기판에 다이아몬드막 등을 적층한 적층 기판이 주목받고 있다. 현재, 다이아몬드 반도체 제작용의 단결정 다이아몬드는 고압법에 의해 합성된 Ib형이라고 불리는 다이아몬드가 대부분이다. 이 Ib형 다이아몬드는 질소 불순물을 많이 포함하고, 또한 5㎜×5㎜ 정도의 사이즈까지밖에 얻어지지 않아 실용성은 낮다.
그것에 대해서, 화학 기상 합성[Chemical Vapor Deposition(CVD)]법에서는 다결정 다이아몬드이면 고순도로 6인치(150㎜) 지름 정도의 대면적인 다이아몬드막이 얻어진다고 하는 이점이 있다. 그러나, 기상 합성법에서는 종래 통상의 전자 디바이스에 적합한 단결정화가 곤란했다. 이것은 기판으로서 종래 단결정 실리콘이 사용되고 있었던 것에 기인한다. 즉, 실리콘과 다이아몬드에서는 격자 정수의 차이가 크고(미스매치도 52.6%), 실리콘 기판 상에 다이아몬드를 헤테로 에피택셜 성장시키는 것이 매우 곤란하기 때문이다.
이 때문에, 여러 가지 검토가 진행되어 Pt나 Ir를 하지막으로 하고 그 위에 다이아몬드막을 기상 합성법에 의하여 제막하는 것이 유효하다는 보고가 있다(예를 들면, 비특허문헌 1, 비특허문헌 2 참조). 현재의 상태에서는 특히 Ir에 관한 연구가 가장 진행되고 있지만, 이것은 우선 단결정 MgO를 기판으로 하고, 그 위에 Ir막을 헤테로 에피택셜 성장시키며, 이어서 직류 플라즈마 CVD법으로 수소 희석 메탄 가스에 의한 바이어스 처리에 의해 Ir막 표면을 전처리하고, 그 Ir막 상에 다이아몬드막의 제막을 행하는 것이다. 이에 따라, 당초의 서브미크론 사이즈로부터 현재는 수밀리 사이즈의 다이아몬드가 얻어지고 있다. 다이아몬드 부분의 두께로서는 수㎛∼100㎛ 정도이다. 예를 들면, 비특허문헌 3에서는 100㎛ 두께 정도의 다이아몬드를 얻기 위해 8시간의 제막을 행하고 있다.
그러나, 종래의 직류 플라즈마 CVD 장치에서 수시간 이상의 다이아몬드의 제막을 행하면, 제막한 다이아몬드가 절연물이기 때문에 기판 표면이 차지업되어 버렸다. 또한, 다른쪽의 전극 표면에도 이물이 생성되어 이것도 차지업의 원인이 된다. 이들 차지업에 의해 다이아몬드의 성장 속도가 감소하거나, 스파크도 발생하기 쉬워져서 다이아몬드의 결함이나 균열의 원인으로도 되고 있었다.
또한, 본 발명에 관련되는 선행 기술로서 하기 특허문헌 1, 특허문헌 2가 있다.
일본 특허 공개 2011-84411호 공보 일본 특허 공개 2010-159465호 공보
Y.Shintani, j.Mater.Res. 11,2955(1996) K.Ohtsuka, Jpn. J.Appl.Phys. 35, L1072(1996) 마에다 신타로 외, 제 18회 다이아몬드 심포지엄 강연 요지집, pp.10-11(2004)
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 다이아몬드의 안정된 성장 속도를 유지하고, 또한 고품질의 다이아몬드가 얻어지는 다이아몬드의 제조 방법, 및 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 하기의 다이아몬드의 제조 방법 및 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치를 제공한다.
[1] 기판을 유지한 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에, 직류 전압을 인가하는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 원료로 하여 기판 상에 다이아몬드를 성장시키는 다이아몬드의 제조 방법으로서, 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
[2] 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압의 인가시에는 상기 스테이지 전극을 애노드로 하고, 상기 전압 인가 전극을 캐소드로 하는 것을 특징으로 하는 [1]에 기재된 다이아몬드의 제조 방법.
[3] 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이의 차지업 전압이 다이아몬드 성장용 직류 전압의 1/3 이상으로 되었을 때에 상기 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 다이아몬드의 제조 방법.
[4] 100㎲에 1회 이하의 일정 주기로 상기 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 [1]∼[3] 중 어느 하나에 기재된 다이아몬드의 제조 방법.
[5] 상기 역극성의 단펄스 전압의 크기가 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압값의 1/30배 이상 1배 이하인 것을 특징으로 하는 [1]∼[4] 중 어느 하나에 기재된 다이아몬드의 제조 방법.
[6] 진공조와, 진공조 내에 조합시켜서 배치되는 기판을 유지하는 스테이지 전극 및 전압 인가 전극과, 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류 전원과, 직류 전원의 출력 전압에 펄스 전압을 중첩하는 펄스 전압 중첩기와, 진공조 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단을 구비하고, 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 기판 상에 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에, 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 전압 제어를 소정의 타이밍으로 행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가해서 기판 상에 있어서의 차지업을 억제하므로, 전극간의 차지업에 의한 다이아몬드의 성장 속도의 저하가 억제되고, 또한 차지업 기인의 스파크에 의한 다이아몬드에 있어서의 결함도 없어져서 다이아몬드를 고속으로 제조할 수 있음과 아울러 고품질의 다이아몬드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
우선, 본 발명에서 이용하는 직류 플라즈마 CVD법이란 플라즈마를 원용하는 형식의 화학 기상 합성(CVD)법으로서, 2개의 전극 사이에 직류(DC) 전압을 인가하여 원료 가스를 플라즈마 상태로 해서 기판 상에 퇴적시키는 방법이다. 이 직류 플라즈마 CVD법은 장치 구성이 간단하고, 대면적에 고속으로 성장이 가능하다고 하는 특징을 갖고 있다.
그러나, 상술한 바와 같이 종래의 직류 플라즈마 CVD 장치로 다이아몬드를 성장시킬 경우에는 다이아몬드가 도체가 아니기 때문에 다이아몬드의 두께가 늘면 점차 기판 상에 있어서의 차지업량도 증가하고, 다이아몬드의 성장 속도가 저하된다. 또한, CVD법을 행하면 다른쪽의 전압 인가 전극의 표면에도 점차 표면에 절연성의 퇴적물이 형성되고, 결과적으로 차지업해서 성장 속도를 저하시키게 된다. 또한, 기판 표면이나 전극 표면에서의 차지업은 때로는 스파크를 야기하기 때문에, 다이아몬드막에 결함이 혼입되는 원인으로도 된다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명자는 이러한 문제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭했다.
그 결과, 본 발명자는 차지업에 의해 성장 속도 저하나 스파크가 발생하기 전에 차지업을 해소하기 위해서 소정의 타이밍으로 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 역극성의 단펄스 전압을 인가함으로써 다이아몬드의 성장 속도를 저하시키지 않고, 또한 스파크 발생도 억제해서 결함이 혼입되지 않도록 할 수 있고, 그 결과 고속으로 고품질의 다이아몬드가 얻어지는 것을 발견하여 본 발명을 완성했다.
즉, 본 발명에 의한 다이아몬드의 제조 방법은 기판을 유지한 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류 플라즈마 CVD법에 의해, 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 원료로 하여 기판 상에 다이아몬드를 성장시키는 다이아몬드의 제조 방법으로서, 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에서는, 예를 들면 도 1에 나타내는 직류 플라즈마 CVD 장치를 이용하여 다이아몬드를 제조한다.
도 1은 본 발명에 의한 다이아몬드의 제조 방법에 사용되는 직류 플라즈마 CVD 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 직류 플라즈마 CVD 장치(10)는 진공조인 챔버(11)와, 챔버(11) 내에서 조합시켜서 배치되는 기판(S)을 유지하는 스테이지 전극(12) 및 전압 인가 전극(13)과, 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 직류 전압을 인가하는 직류 전원(14)과, 직류 전원(14)의 출력 전압에 펄스 전압을 중첩하는 펄스 전압 중첩기(15)와, 원료 가스 공급 수단(16)과, 장치 전체를 제어하는 제어부(18)를 구비한다.
여기에서, 챔버(11)는 스테인리스 스틸 등으로 이루어지는 밀폐 가능한 진공 용기이며, 인슐레이터를 통해서 스테이지 전극(12) 및 전압 인가 전극(13)이 내부에 삽입되어 있다. 또한, 챔버(11) 내부는 진공 펌프 등의 진공 배기 장치(도시하지 않음)에 의해 진공 배기된다.
스테이지 전극(12)은 챔버(11) 내의 저부에 배치되고, 기판(S)을 유지하는 것이다.
전압 인가 전극(13)은 챔버(11) 내의 스테이지 전극(12)에 대향해서 그 상방에 배치되어 있다.
또한, 스테이지 전극(12) 및 전압 인가 전극(13)은 플라즈마 방전 중의 고열에 견디도록 Ta, Mo, W 등의 고융점 금속으로 이루어진다.
직류 전원(14)은 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 다이아몬드 성장을 위한 직류 전압을 공급하는 것이다. 이때, 스테이지 전극(12)측을 접지 전위(어스)로 하고, 스테이지 전극(12)을 애노드, 전압 인가 전극(13)을 캐소드로 하면 좋다.
펄스 전압 중첩기(15)는 직류 전원(14)으로부터 출력되는 부(負)의 직류 전압에 단발이고 매우 단시간의 정전압 펄스를 중첩하는 것이며, 이에 따라 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 다이아몬드 성장용 직류 전압에 대하여 역극성의 단펄스 전압이 인가된다.
원료 가스 공급 수단(16)은 다이아몬드 성장을 위해서 필요한 원료 가스를 챔버(11) 내에 공급하는 것이며, 예를 들면 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스(바람직하게는 메탄 가스와 수소 가스의 혼합 가스)를 공급한다. 또한, 다이아몬드 성장시에는 챔버(11)에 설치된 압력 센서(도시하지 않음)에 의해 검지되는 챔버(11) 내의 압력의 값에 의거하여 개폐 밸브(도시하지 않음)로 배기가스의 유량이 조정되어서 원하는 압력으로 제어된다.
제어부(18)는 직류 플라즈마 CVD 장치(10)의 각 부의 동작을 종합적으로 제어하는 것이며, 예를 들면 진공 배기 장치에 의한 챔버(11) 내의 진공 배기 제어, 직류 전원(14) 및 펄스 전압 중첩기(15)에 의한 전력 공급 제어, 원료 가스 공급 수단(16)에 의한 원료 가스 공급 제어를 행한다.
본 발명에 의한 다이아몬드의 제조 방법은 이상의 구성의 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치(10)를 사용해서 다이아몬드를 제조하는 것이며, 구체적으로는 다음과 같은 순서로 다이아몬드의 성장을 행한다.
(순서 1) 스테이지 전극(12) 상에 기판(S)을 설치한다. 여기에서 사용하는 기판(S)은 플라즈마 CVD법에 의해 단결정의 다이아몬드를 성장시킬 수 있는 것이면 좋고, 예를 들면 단결정 MgO 기재에 단결정 Ir을 헤테로 에피택셜 성장시킨 것, HPHT(고온 고압) 단결정 다이아몬드 기재, 단결정 SiC 기재에 단결정 Ir막 또는 Rh막을 헤테로 에피택셜 성장시킨 것 등을 들 수 있다. 또한, 기판(S)은 필요에 따라서 바이어스 처리를 실시하면 좋다. 이 바이어스 처리는 예를 들면 일본 특허 공개 2007-238377호 공보에 기재된 방법이면 좋고, 구체적으로는 미리 기판(S)측 전극을 캐소드로 한 직류 방전에 의해 기판(S) 표면에 다이아몬드 성장핵을 형성하는 전처리이다.
(순서 2) 진공 배기 장치에 의해 챔버(11) 내를, 예를 들면 1×10-3Torr 이하로 진공 배기한다.
(순서 3) 이어서, 원료 가스 공급 수단(16)으로부터 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스, 예를 들면 수소 가스로 희석한 메탄 가스를 챔버(11) 내에 도입하여 소정의 압력으로 조정한다.
(순서 4) 이어서, 직류 전원(14)으로부터 직류 전압을 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 인가하여 챔버(11) 내에 플라즈마를 발생시키고, 기판(S) 상에 다이아몬드를 성장시킨다. 이때, 스테이지 전극(12)을 접지 전위(어스)와 애노드로 하고, 전압 인가 전극(13)에 스테이지 전극(12)에 대하여 부극성 전위로 하는 전압을 인가하여 상기 전압 인가 전극(13)을 캐소드로 한다. 또한, 스테이지 전극(12)-전압 인가 전극(13) 사이에 인가하는 직류 전압[다이아몬드 성장용 직류 전압(이하, 성장용 직류 전압이라고도 함)]은, 예를 들면 -1000V∼-400V 정도이며, 이것에 의해 원료 가스를 분해하는 플라즈마가 발생한다.
(순서 5) 순서 4의 다이아몬드 성장 중에 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 상기 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가한다. 즉, 한창 연속해서 성장용 직류 전압을 인가하고 있을 때에 펄스 전압 중첩기(15)가 직류 전원(14)의 출력 전압에 펄스 전압을 중첩함으로써, 상기 성장용 직류 전압과는 역극성이며 소정의 직류 전압의 단펄스 전압을 스테이지 전극(12)-전압 인가 전극(13) 사이에 단시간 인가하는 것을 소정의 타이밍으로 행한다. 이에 따라, 다이아몬드 성장 중에 축적된 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이의 차지업이 해소된다.
여기에서, 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 인가한다는 것은 한창 연속해서 성장용 직류 전압을 인가하고 있을 때에 스테이지 전극(12)이 캐소드, 전압 인가 전극(13)이 애노드(또한 어스)가 되는 직류 전압의 펄스(역전압 펄스)를 단발적으로 인가하는 것이다. 이때, 다이아몬드의 막질을 저하시키지 않을 정도의 조건으로 행한다.
즉, 이러한 역전압 펄스의 인가 타이밍은 다이아몬드 성장을 위한 방전 유지에 필요한 전류와 전압의 관계로 제어하고 있을 때에 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이의 차지업 전압이 다이아몬드 성장용 직류 전압(V)의 1/3 이상(≥V/3)이 되었을 때인 것이 바람직하다. 이에 따라, 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이의 차지업이 효과적으로 해소된다. 다이아몬드 성장용 직류 전압(V)의 1/3 미만에서는 차지업에 대한 개선 효과가 적고, 오히려 다이아몬드의 성장이 진행되지 않게 되기 때문에 바람직하지 못하다.
또한, 역전압 펄스의 인가의 타이밍으로서는 한창 연속해서 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가하고 있을 때에 주기적으로 역전압 펄스를 인가해서 차지업을 방지해도 좋다. 이 경우의 주기(T)(= 1/f)는 100㎲에 1회 이하의 주기, 즉 f≤10㎑가 바람직하다. 100㎲에 1회 초과의 주기(f>10㎑)에서는 본래의 직류 플라즈마 CVD법에 의해 얻어지는 막의 특성에 고주파 등의 교류 플라즈마 CVD법에 의해 얻어지는 막 특성이 포함되게 되어 다이아몬드의 결정성의 저하가 나타나는 경우가 있다.
또한, 이 역전압 펄스의 크기가 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압값(전위 V)의 1/30배 이상 1배 이하(역전압 펄스의 전위로서는 -V∼-V/30)인 것이 바람직하다. 역전압 펄스의 크기가 상기 성장용 직류 전압값의 1/30배 미만에서는 차지업 해소의 효과가 적어지는 경우가 있고, 1배(등배) 초과에서는 그 역극성의 직류 전압에 의한 플라즈마 방전이 발생해서 다이아몬드의 막질이 저하될 우려가 있다.
(순서 6) 최후에, 필요에 따라서 기판(S)으로부터 다이아몬드를 분리하여 다이아몬드 기판을 얻는다. 이 분리는 습식 에칭이나 기계적 연마 등에 의해 행하면 좋다.
다이아몬드를 분리하지 않고, 그대로 다이아몬드와 기판(S)의 적층 기판으로서 사용해도 좋다.
이상의 제조 방법에 의해, 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이의 차지업을 해소하면서 다이아몬드 성장을 행함으로써 안정된 다이아몬드 성장 속도를 유지하면서 스파크의 발생을 억제하므로, 결함이 없는 고품질의 다이아몬드를 고속으로 제조할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예 및 비교예를 나타내서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것들에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
본 발명의 다이아몬드의 제조 방법에 의거하여, 이하의 조건으로 다이아몬드를 제조했다.
(기판의 준비)
직경 25.0㎜, 두께 1.00㎜로 방위(100)의 양면 연마 가공한 단결정 MgO 기판을 준비했다. 이 단결정 MgO 기판 상에 이리듐(Ir)막을 헤테로 에피택셜 성장시켰다. 제막은 Ir을 타깃으로 하고, RF 마그네트론 스퍼터링법에 의해 Ar가스 6×10-2Torr, 기판 온도 700℃의 조건으로 단결정 Ir을 막 두께가 1.5㎛가 될 때까지 스퍼터 제막해서 마무리했다.
또한, 바이어스 처리 및 직류 플라즈마 CVD 처리를 행할 때의 전기적 도통을 확보하기 위해서 기판 온도를 100℃로 한 것 외에는 같은 조건으로 이면에도 두께 1.5㎛의 Ir을 제막했다.
(바이어스 처리)
이어서, 이 기판의 단결정 Ir막의 표면에 다이아몬드의 핵을 형성하기 위한 바이어스 처리를 행했다. 우선, 기판을 바이어스 처리 장치의 부전압 인가 전극(캐소드) 상에 세팅하고, 진공 배기를 행했다. 이어서, 기판을 600℃로 가열하고나서 3vol% 수소 희석 메탄 가스를 도입하고, 압력을 160hPa(120Torr)로 해서 바이어스 처리를 행했다. 즉, 양쪽 전극 사이에 직류 전압을 인가하여 소정의 직류 전류를 흘렸다.
(다이아몬드 성장)
이어서, 이 바이어스 처리가 완료된 기판 상에 도 1에 나타내는 직류 플라즈마 CVD 장치(10)를 사용한 직류 플라즈마 CVD법에 의해 단결정 다이아몬드를 헤테로 에피택셜 성장시켰다. 상세하게는, 기판을 스테이지 전극(12) 상에 적재해서 챔버(11) 내를 진공 배기한 후에 기판을 기판 온도 900℃까지 가열하고, 이어서 원료 가스로서 4vol% 수소 희석 메탄 가스를 도입하여 챔버(11) 내의 압력을 160hPa(120Torr)로 했다.
이어서, 어스된 스테이지 전극(12)을 애노드로 하고, 전압 인가 전극(13)을 캐소드로 해서 다이아몬드 성장용 직류 전압(-500V)을 인가하여 15시간의 다이아몬드 성장을 행했다(제 1회 성장). 또한, 역전압 펄스의 인가 조건으로서 다이아몬드 성장 중에 차지업 전압이 직류 전압의 절반(전위 -V/2)이 되었을 때에 펄스 전압 중첩기(15)로부터 직류 전원(14)의 출력 전압에 그 직류 전압의 역극성의 단펄스 전압을 인가하고, 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 전압 V/10의 역전압 펄스를 인가 시간 5㎲만큼 인가했다.
제 1회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 75㎛였다(성장 속도 5㎛/h).
그 후에 제 1회 성장과 동일한 조건으로 또 한번 직류 플라즈마 CVD 장치(10)를 사용한 직류 플라즈마 CVD법에 의해 15시간의 성장을 행했다(제 2회 성장). 제 2회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 150㎛로 되어 있었다(성장 속도 5㎛/h).
제 1회 성장, 제 2회 성장 모두 높은 성장 속도가 유지되었다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은 라만 분광 분석, X선 록킹 커브, 단면 투과 전자현미경(TEM) 관찰, 캐소드 루미네센스(CL)로 평가한 결과, 결함이 없고 양호한 결정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 다이아몬드 성장에 있어서의 전압 인가 조건으로서 역전압 펄스의 인가 조건을 다음과 같이 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지인 조건으로 다이아몬드를 제조했다.
(역전압 펄스 조건)
다이아몬드 성장 중에 성장 시간 250㎲마다(즉, f=4㎑로 해서) 펄스 전압 중첩기(15)로부터 직류 전원(14)의 출력 전압(전위 V)에 그 성장용 직류 전압의 역극성의 단펄스 전압을 인가하여 스테이지 전극(12)과 전압 인가 전극(13) 사이에 전압 V/20(전위 -V/20)의 역전압 펄스를 인가 시간 5㎲만큼 인가했다.
제 1회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 75㎛였다(성장 속도 5㎛/h).
그 후에 제 1회 성장과 동일한 조건으로 또 한번 직류 플라즈마 CVD 장치(10)를 사용한 직류 플라즈마 CVD법에 의해 15시간의 성장을 행했다(제 2회 성장). 제 2회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 150㎛로 되어 있었다(성장 속도 5㎛/h).
제 1회 성장, 제 2회 성장 모두 높은 성장 속도가 유지되었다.
얻어진 단결정 다이아몬드 기판은 라만 분광 분석, X선 록킹 커브, 단면 투과 전자현미경(TEM) 관찰, 캐소드 루미네센스(CL)로 평가한 결과, 결함이 없고 양호한 결정성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
[비교예 1]
실시예 1에 있어서, 다이아몬드 성장에 있어서의 전압 인가 조건으로서 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가할 뿐이고 역전압 펄스의 인가 없음으로 한 것 외에는 실시예 1과 마찬가지인 조건으로 다이아몬드를 제조했다.
제 1회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 75㎛였다(성장 속도 5㎛/h).
그 후에 제 1회 성장과 동일한 조건으로 또 한번 직류 플라즈마 CVD 장치(10)를 사용한 직류 플라즈마 CVD법에 의해 15시간의 성장을 행했다. 제 2회 성장의 종료 후, 챔버(11)로부터 인출한 제조물은 다이아몬드의 두께가 105㎛로 되어 있었다(성장 속도 2㎛/h). 제 1회 성장에 비해서 제 2회 성장의 성장 속도가 대폭 저하되었다. 또한, 제 2회 성장의 도중에 스파크의 발생이 일어나서 기판의 일부가 파손되었다.
이상과 같이, 본 발명의 다이아몬드의 제조 방법에 의하면 성장 중의 차지업에 의한 다이아몬드의 성장 속도의 저하가 억제되고, 또한 스파크에 의한 결함의 발생도 없어져서 고속으로 고품질의 다이아몬드를 얻을 수 있었다. 또한, 이러한 다이아몬드의 기판을 사용하면 매우 뛰어난 고주파·고출력 전자 디바이스를 고수율로 제작할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 마찬가지인 작용 효과를 갖는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
10 : 직류 플라즈마 CVD 장치 11 : 챔버
12 : 스테이지 전극 13 : 전압 인가 전극
14 : 직류 전원 15 : 펄스 전압 중첩기
16 : 가스 공급 수단 18 : 제어부
S : 기판

Claims (6)

  1. 기판을 유지한 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에, 직류 전압을 인가하는 직류 플라즈마 CVD법에 의해 적어도 탄소 함유 가스와 수소 가스의 혼합 가스를 원료로 하여 기판 상에 다이아몬드를 성장시키는 다이아몬드의 제조 방법으로서, 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 소정의 타이밍으로 인가하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이아몬드 성장용 직류 전압의 인가시에는 상기 스테이지 전극을 애노드로 하고, 상기 전압 인가 전극을 캐소드로 하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이의 차지업 전압이 다이아몬드 성장용 직류 전압의 1/3 이상으로 되었을 때에 상기 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    100㎲에 1회 이하의 일정 주기로 상기 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 역극성의 단펄스 전압의 크기는 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압값의 1/30배 이상 1배 이하인 것을 특징으로 하는 다이아몬드의 제조 방법.
  6. 진공조와, 상기 진공조 내에 조합시켜서 배치되는 기판을 유지하는 스테이지 전극 및 전압 인가 전극과, 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 직류 전압을 인가하는 직류 전원과, 상기 직류 전원의 출력 전압에 펄스 전압을 중첩하는 펄스 전압 중첩기와, 상기 진공조 내에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급 수단을 구비하고, 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 다이아몬드 성장용 직류 전압을 인가해서 기판 상에 다이아몬드를 성장시키고 있을 때에, 상기 스테이지 전극과 전압 인가 전극 사이에 상기 다이아몬드 성장용 직류 전압과는 역극성의 단펄스 전압을 인가하는 전압 제어를 소정의 타이밍으로 행하는 것을 특징으로 하는 다이아몬드 제조용 직류 플라즈마 CVD 장치.
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