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JP2024082981A - Diamond growth method and diamond growth apparatus - Google Patents

Diamond growth method and diamond growth apparatus Download PDF

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JP2024082981A
JP2024082981A JP2022197231A JP2022197231A JP2024082981A JP 2024082981 A JP2024082981 A JP 2024082981A JP 2022197231 A JP2022197231 A JP 2022197231A JP 2022197231 A JP2022197231 A JP 2022197231A JP 2024082981 A JP2024082981 A JP 2024082981A
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Japan
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diamond
substrate
growth
growing
temperature
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Application number
JP2022197231A
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Japanese (ja)
Inventor
剛 大槻
Takeshi Otsuki
温 鈴木
Atsushi Suzuki
寿樹 松原
Hisaki Matsubara
達夫 阿部
Tatsuo Abe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

Figure 2024082981000001

【課題】
高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンドの成長方法を提供することを目的とする。
【解決手段】
マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
【選択図】図4

Figure 2024082981000001

【assignment】
The object of the present invention is to provide a method for growing diamond, which is capable of growing high-quality, large-diameter diamond even by plasma CVD using high-order mode microwaves.
SOLUTION
A diamond growth method including a growth step of growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD, characterized in that in the growth step, the microwaves during diamond growth are in a higher order mode, and the substrate is heated while diamond is being grown in the higher order mode, thereby controlling the temperature of the substrate.
[Selected figure] Figure 4

Description

本発明は、ダイヤモンド成長方法及びダイヤモンド成長装置に関する。 The present invention relates to a diamond growth method and a diamond growth apparatus.

ダイヤモンドは高硬度や良好な熱伝導性、高いキャリア移動度、ワイドバンドギャップであることなどの優れた物性値から、各種半導体素子・電子デバイスへの応用が期待されている。この半導体素子・電子デバイス用途としては、人工的に合成されたダイヤモンドが使われている。ダイヤモンド合成には、超高圧を用いて成長させる方法と、気相成長の2つがあり、半導体への応用では、気相成長(CVD成長)が、大口径を得られることから、注目されている(特許文献1~3)。 Diamond has excellent physical properties such as high hardness, good thermal conductivity, high carrier mobility, and a wide band gap, and is therefore expected to be applied to various semiconductor elements and electronic devices. Artificially synthesized diamond is used for these semiconductor elements and electronic devices. There are two methods for diamond synthesis: growth using ultra-high pressure and vapor phase growth. For semiconductor applications, vapor phase growth (CVD growth) is attracting attention because it can produce large diameters (Patent Documents 1 to 3).

CVD成長は、反応管の内部に基板を搭載し、常圧ないしは減圧下で原料ガス及びキャリアガスを流して、熱分解やプラズマによって原料ガスを分解・活性化して、基板上に成長する方法である。
CVDでダイヤモンドを成長させる場合、マイクロ波プラズマや、DCプラズマ、タングステンのようなフィラメントを用いるホットフィラメント法が採用されるが、単結晶成長においてはマイクロ波プラズマ方式が注目されている。このマイクロ波プラズマを利用したダイヤモンドの成長はマイクロ波にて反応化学種を活性化し、合成をおこなう手法であるが、マイクロ波は波長が短く、また、反応容器内で共振させる必要があることから、様々な工夫が行われている。また、大口径には915MHzが好適である(特許文献4)が、民生での通信信号帯がこの波長であり、また電波の到達距離が長いことから915MHzのマイクロ波プラズマCVDの工業的な応用にはハードルがあり、主に2.45GHz帯が使用されている。
CVD growth is a method in which a substrate is placed inside a reaction tube, source gases and a carrier gas are flowed under normal or reduced pressure, and the source gases are decomposed and activated by pyrolysis or plasma to grow on the substrate.
When growing diamond by CVD, microwave plasma, DC plasma, hot filament method using filament such as tungsten is adopted, but microwave plasma method is attracting attention for single crystal growth. This microwave plasma growth is a method of activating reactive chemical species with microwaves and synthesizing, but microwaves have a short wavelength and need to resonate in a reaction vessel, so various ideas have been made. In addition, 915MHz is suitable for large diameter (Patent Document 4), but this wavelength is used for civil communication signal band, and radio wave has a long reach, so there are hurdles for industrial application of 915MHz microwave plasma CVD, and 2.45GHz band is mainly used.

これらを背景にして、例えば特許文献5には、ミラーを用いてマイクロ波を共振させる方法(ただし得られるダイヤモンドは多結晶)や、マイクロ波導入管の組み合わせによるモードの改善が開示されている。また、特許文献6には、アプリケータ(共振器)の形状を矩形から円筒形にすることで、比較的大面積に成膜できることが記載されている。また、マイクロ波を低次モード(低次モードとは、TMnmモード、TEnmモード等において、n又はmが0か1の場合)にすることで 面内に均一な成膜が可能であるとされている。また、高次モードの例としては、TM20に言及されており、比較的大きな基板を加工できると記載されているが、このような高次モードでは局所的にマイクロ波が強くなりプラズマが強い箇所ができてしまい、基板の温度ムラが生じることで品質が劣化することが指摘されている。 In light of this, for example, Patent Document 5 discloses a method of resonating microwaves using mirrors (however, the diamond obtained is polycrystalline) and an improvement in the mode by combining microwave introduction tubes. Patent Document 6 describes that by changing the shape of the applicator (resonator) from rectangular to cylindrical, it is possible to form a film over a relatively large area. It is also said that by using low-order microwave modes (low-order modes are TMnm mode, TEnm mode, etc., where n or m is 0 or 1), it is possible to form a uniform film within the surface. As an example of a high-order mode, TM20 is mentioned, and it is described that it can process relatively large substrates, but it has been pointed out that in such high-order modes, microwaves become locally strong, creating areas with strong plasma, which causes uneven temperatures in the substrate and deteriorates the quality.

特開2001-354491号公報JP 2001-354491 A 特開2004-176132号公報JP 2004-176132 A 特開2006-143561号公報JP 2006-143561 A 特開2016-113303号公報JP 2016-113303 A 特表2006-501122号公報JP 2006-501122 A 特開平07-142195号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-142195

このように、ダイヤモンド基板は放熱特性などの点から注目されており、単結晶基板に対応した成長方法はマイクロ波プラズマ成長であるが、大口径化が可能とされる高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDでは基板の温度ムラで品質が劣化する問題がある。そのため、大口径化が難しい低次モードのプラズマを使用するしかなく、プラズマを照射できる面積の制約から直径300mmのような大口径化が不可能であった。 Diamond substrates have thus been attracting attention for their heat dissipation properties, and the growth method suitable for single crystal substrates is microwave plasma growth, but plasma CVD using higher mode microwaves that allow for larger diameters has the problem of quality degradation due to uneven substrate temperature. As a result, only lower mode plasma, which is difficult to increase in diameter, can be used, and restrictions on the area that can be irradiated with plasma make it impossible to increase the diameter to a diameter of 300 mm or more.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンドの成長方法及びダイヤモンドの成長装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a diamond growth method and diamond growth apparatus that can grow high-quality, large-diameter diamonds even when using plasma CVD that uses high-order mode microwaves.

本発明は上記課題を解決するための半導体基板上への人工的なダイヤモンド成長に関しての技術であり、より詳しくは、シリコン基板上へCVD(化学気相成長法)による単結晶ダイヤモンドを成長させる際の、ダイヤモンド成長方法とダイヤモンド成長装置に関するものである。
すなわち、本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法を提供する。
この構成では、課題であるマイクロ波プラズマCVDによる大口径基板へのダイヤモンド成長に対応できる成長方法として、基板上にダイヤモンドを成長させる際に、マイクロ波プラズマとして、積極的に高次モードを採用することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能とし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和(1か所のプラズマ密度を低下)させる、また基板を加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能とする。
さらに、この構成では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向(バーティカル)にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向(ラテラル)の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができる。
よって、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能である。
The present invention relates to a technology for artificially growing diamond on a semiconductor substrate to solve the above-mentioned problems, and more specifically, to a diamond growth method and diamond growth apparatus for growing single crystal diamond on a silicon substrate by CVD (chemical vapor deposition).
That is, the present invention has been made to achieve the above-mentioned object, and provides a diamond growth method including a growth step of growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD, characterized in that in the growth step, the microwaves during diamond growth are made to be in a higher mode, and the substrate is heated while diamond is growing in the higher mode, thereby controlling the temperature of the substrate.
In this configuration, as a growth method that can address the issue of growing diamond on large-diameter substrates by microwave plasma CVD, when growing diamond on a substrate, a higher-order mode is actively adopted as the microwave plasma, increasing the area that can be irradiated with plasma, making it possible to increase the diameter, and further mitigating local concentration of plasma (reducing the plasma density in one place).In addition, by heating the substrate and absorbing temperature unevenness, it is possible to grow high-quality diamond.
Furthermore, in this configuration, diamond is grown vertically in areas with high plasma density, while lateral growth occurs in areas with low plasma density, which also contributes to a reduction in defects.
Therefore, it is possible to grow high quality, large diameter diamond.

前記成長工程において、前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御してもよい。
このように基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
In the growth step, the temperature of the substrate at each position within the substrate may be individually controlled depending on the position.
In this way, the temperature can be controlled individually according to the position within the substrate, so that the heating temperature can be increased in low-temperature parts of the substrate and decreased in high-temperature parts, absorbing temperature variations and making the temperature uniform within the substrate. This allows for more precise control of the substrate temperature, resulting in the growth of higher quality diamonds.

前記成長工程後に、前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントCVD装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行ってもよい。
これによりマイクロ波プラズマCVDで基板上に成長させたダイヤモンド上に、大口径成長が可能なホットフィラメントCVD装置を使用して、さらにダイヤモンドの成長を行うことで、さらに厚いダイヤモンドを大口径基板に成長させることが可能になる。
After the growth step, an additional growth step may be performed in which diamond is further grown on the diamond grown on the substrate using a hot filament CVD apparatus.
This makes it possible to grow even thicker diamond on a large-diameter substrate by growing further diamond on the diamond grown on the substrate by microwave plasma CVD using a hot filament CVD apparatus capable of large-diameter growth.

なお、前記基板としてシリコン単結晶基板を用いてもよい。
この構成では、基板としてシリコン単結晶を用いるので、安価な基板上にダイヤモンドを成長させられる。
The substrate may be a silicon single crystal substrate.
In this configuration, since a silicon single crystal is used as the substrate, diamond can be grown on an inexpensive substrate.

また本発明は、基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してCVDで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置を提供する。
この装置ではマイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる際に、モード設定機構でマイクロ波を高次モードに設定することでプラズマを照射できる面積を増やして大口径化を可能なものとし、さらにプラズマの局所的な集中を緩和(1か所のプラズマ密度を低下)させる。また、加熱制御機構でステージを加熱して温度ムラを吸収することで高品質なダイヤモンドを成長可能なものとなる。
さらに、この装置では、プラズマ密度の高い箇所で縦方向(バーティカル)にダイヤモンドを成長させ、プラズマ密度の低い位置での成長は横方向(ラテラル)の成長が進行することで、欠陥の減少にも寄与することができるものとなる。
よって、本発明は高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなる。
The present invention also provides a diamond growth apparatus comprising a reaction vessel in which a substrate is housed and into which diamond raw material gas is introduced, and a waveguide connected to the reaction vessel for introducing microwaves into the reaction vessel, whereby plasma is generated in the reaction vessel by the microwaves introduced from the waveguide, and the raw material gas is decomposed and activated by the generated plasma to grow diamond on the substrate by CVD, characterized in that the diamond growth apparatus comprises a mode setting mechanism for changing the microwaves used for growing diamond to a higher mode, and a heating control mechanism for controlling the temperature of the substrate by heating the substrate while diamond is being grown in the higher mode.
In this device, when growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD, the microwave can be set to a higher mode by the mode setting mechanism, which increases the area that can be irradiated with plasma, making it possible to increase the diameter, and further mitigates localized concentration of plasma (reducing the plasma density in one place).In addition, the heating control mechanism heats the stage to absorb temperature unevenness, making it possible to grow high-quality diamond.
Furthermore, this device allows diamond to grow vertically in areas with high plasma density, while lateral growth occurs in areas with low plasma density, which contributes to a reduction in defects.
Therefore, the present invention makes it possible to grow high quality, large diameter diamond.

前記加熱制御機構は、前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であってもよい。
このように、加熱制御機構が基板内の位置に応じて個別に温度を制御するため、基板内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板内の温度を均一にできる。そのため、基板の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
The heating control mechanism may be a mechanism capable of individually controlling the temperature of the substrate at a position depending on the position within the substrate.
In this way, the heating control mechanism controls the temperature individually according to the position within the substrate, so that the heating temperature can be increased in low-temperature parts of the substrate and decreased in high-temperature parts of the substrate, absorbing temperature variations and making the temperature uniform within the substrate. This allows for more precise control of the substrate temperature, resulting in the growth of higher quality diamond.

以上のように、本発明のダイヤモンドの成長方法によれば、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能となる。また、本発明のダイヤモンドの成長装置によれば、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなる。
より具体的には、本発明の構成により、大口径の単結晶ダイヤモンドの成長が可能になる。
As described above, the diamond growth method of the present invention makes it possible to grow high-quality, large-diameter diamonds even in plasma CVD using high-order mode microwaves. Also, the diamond growth apparatus of the present invention makes it possible to grow high-quality, large-diameter diamonds even in plasma CVD using high-order mode microwaves.
More specifically, the composition of the present invention allows for the growth of large diameter single crystal diamond.

本発明のダイヤモンド成長方法で基板上にダイヤモンドを成長させることで製造されたダイヤモンド基板の概念図を示す。FIG. 1 shows a conceptual diagram of a diamond substrate produced by growing diamond on a substrate using the diamond growth method of the present invention. 本発明のダイヤモンド成長装置の概念図を示す。1 shows a schematic diagram of a diamond growth apparatus according to the present invention. 本発明のダイヤモンド成長装置及び成長方法を用いてダイヤモンドを成長させる際の、マイクロ波のモードと、マイクロ波の長さの関係を示す。1 shows the relationship between the microwave mode and the microwave length when growing diamond using the diamond growth apparatus and growth method of the present invention. 本発明のダイヤモンド成長方法のフロー図を示す。1 shows a flow diagram of a diamond growth method of the present invention. ホットフィラメントCVD装置の概念図を示す。1 shows a conceptual diagram of a hot filament CVD apparatus. シリコン基板上に本発明のダイヤモンド成長方法を用いてマイクロ波プラズマCVDによって成長させたダイヤモンド膜を示す図であって、(a)はラマンスペクトルを示し、(b)はダイヤモンド膜の表面を光学顕微鏡で観察して得た画像を示す。FIG. 1 shows a diamond film grown on a silicon substrate by microwave plasma CVD using the diamond growth method of the present invention, where (a) shows a Raman spectrum and (b) shows an image obtained by observing the surface of the diamond film with an optical microscope. シリコン基板上に本発明のダイヤモンド成長方法を用いてマイクロ波プラズマCVDによってダイヤモンドを成長させ、さらに追加でホットフィラメントCVDでダイヤモンドを成長させた場合のダイヤモンド膜を示す図であって、(a)はラマンスペクトルを示し、(b)はダイヤモンド膜の表面を光学顕微鏡で観察して得た画像を示す。FIG. 1 shows a diamond film obtained by growing diamond on a silicon substrate by microwave plasma CVD using the diamond growth method of the present invention, and then growing additional diamond by hot filament CVD, where (a) shows a Raman spectrum, and (b) shows an image obtained by observing the surface of the diamond film with an optical microscope.

上述のように、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なダイヤモンド成長方法およびダイヤモンド成長装置が求められていた。 As mentioned above, there was a demand for a diamond growth method and diamond growth apparatus capable of growing high-quality, large-diameter diamonds even with plasma CVD using higher-order mode microwaves.

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、前記成長工程において、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法により、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であることを見出し、本発明を完成した。
また、本発明者らは上記課題について鋭意検討を重ねた結果、基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してCVDで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置により、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能なものとなることを見出し、本発明を完成した。
As a result of intensive research into the above-mentioned problems, the inventors have discovered that a diamond growth method including a growth step of growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD, characterized in that in the growth step, the microwaves used during diamond growth are in a higher mode, and the substrate is heated while the diamond is growing in the higher mode, thereby controlling the temperature of the substrate, and have completed the present invention.
Furthermore, as a result of intensive research by the inventors into the above-mentioned problems, they have found that a diamond growth apparatus comprising a reaction vessel in which a substrate is stored and into which diamond raw material gas is introduced, and a waveguide connected to the reaction vessel for introducing microwaves into the reaction vessel, in which plasma is generated in the reaction vessel by the microwaves introduced from the waveguide, and the raw material gas is decomposed and activated by the generated plasma to grow diamond on the substrate by CVD, the diamond growth apparatus comprising a mode setting mechanism for changing the microwaves during diamond growth to a higher mode, and a heating control mechanism for heating the substrate while diamond is being grown in the higher mode to control the temperature of the substrate, makes it possible to grow high quality, large diameter diamond even by plasma CVD using microwaves in a higher mode, and have completed the present invention.

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、図1を参照して本発明のダイヤモンド成長方法で製造されるダイヤモンド基板100の構成について説明する。
図1に示すようにダイヤモンド基板100は基板2とダイヤモンド膜13を備える。
基板2はダイヤモンド膜13を成長させる際の土台となる部材である。具体的な基板2の材料としてはダイヤモンド膜13を表面に成長させることができ、成長時の温度や雰囲気で意図しない変質が生じない材料であればよいが、例えばシリコン単結晶が挙げられる。
基板2の形状は一般にはウェハーと呼ばれる円板状であり、直径(口径ともいう)は成長させたいダイヤモンド膜13の直径以上である。基板2の厚さはダイヤモンド膜13の成長中に反りや割れが生じない程度の厚さである。
ダイヤモンド膜13は基板2上に形成されたダイヤモンドの膜である。具体的な膜の構造としては多結晶ダイヤモンドでもよいが、単結晶ダイヤモンドであると、半導体デバイスを形成するのに好適である。ダイヤモンド膜13の寸法は、直径が基板2の直径以下である。ダイヤモンド膜13の厚さの下限はデバイスを形成する際のエッチングや研磨で消失しない厚さであり、厚さの上限はデバイスを形成した際に例えばデバイスを形成する際に利用されない無駄な部分が出てこない厚さであることが好ましい。
The present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited thereto.
First, the structure of a diamond substrate 100 manufactured by the diamond growth method of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, a diamond substrate 100 includes a substrate 2 and a diamond film 13 .
The substrate 2 is a member that serves as a base for growing the diamond film 13. A specific material for the substrate 2 may be any material that allows the diamond film 13 to be grown on its surface and that is not subject to unintended alteration due to the temperature and atmosphere during growth, and may be, for example, silicon single crystal.
The shape of the substrate 2 is generally a disk shape called a wafer, and its diameter (also called aperture) is equal to or greater than the diameter of the diamond film 13 to be grown. The thickness of the substrate 2 is such that warping or cracking does not occur during the growth of the diamond film 13.
The diamond film 13 is a diamond film formed on the substrate 2. Although a specific film structure may be polycrystalline diamond, single crystal diamond is suitable for forming a semiconductor device. The dimensions of the diamond film 13 are such that the diameter is equal to or smaller than the diameter of the substrate 2. The lower limit of the thickness of the diamond film 13 is a thickness that is not lost by etching or polishing when forming the device, and the upper limit of the thickness is preferably a thickness that does not result in a wasted portion that is not used when forming the device, for example.

次に、図2を参照して本発明のダイヤモンド成長装置11の概略構成を説明する。
図2に示すダイヤモンド成長装置11は、マイクロ波により反応容器1内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスを分解・活性化させてCVDで基板2上にダイヤモンドを成長させるマイクロ波プラズマCVD装置である。
Next, the schematic configuration of the diamond growth apparatus 11 of the present invention will be described with reference to FIG.
The diamond growth apparatus 11 shown in FIG. 2 is a microwave plasma CVD apparatus that generates plasma in a reaction vessel 1 by microwaves, decomposes and activates a raw material gas with the generated plasma, and grows diamond on a substrate 2 by CVD.

具体的には図2に示すようにダイヤモンド成長装置11は反応容器1、原料ガス導入管6、マイクロ波導入管4、マイクロ波発生装置5、及び基板加熱ステージ3を備える。
反応容器1はダイヤモンドの成長が行われる容器であり、基板2が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される。反応容器1は基板2を収納できる寸法・形状で、ダイヤモンド成長の際の温度や圧力に耐えられるものであれば、具体的な構造や材料は適宜選択できる。
原料ガス導入管6はダイヤモンドの原料となる元素を含む化合物である原料ガスや、容器の中で原料ガスを均一に拡散させるために原料ガスに混合されるキャリアガスを反応容器1に導入するガス管であり、一端が反応容器1に接続され、他端が原料ガスやキャリアガスが封入された図示しないガスボンベ等に接続される。
Specifically, as shown in FIG. 2, the diamond growth apparatus 11 comprises a reaction vessel 1 , a source gas introduction tube 6 , a microwave introduction tube 4 , a microwave generator 5 , and a substrate heating stage 3 .
A reaction vessel 1 is a vessel in which diamond growth takes place, in which a substrate 2 is housed, and into which diamond raw material gas is introduced. The specific structure and materials of the reaction vessel 1 can be appropriately selected as long as it has a size and shape that can house the substrate 2 and can withstand the temperature and pressure during diamond growth.
The raw material gas introduction pipe 6 is a gas pipe that introduces raw material gas, which is a compound containing the elements that are the raw materials for diamond, and a carrier gas that is mixed with the raw material gas to diffuse the raw material gas evenly inside the vessel, into the reaction vessel 1, and has one end connected to the reaction vessel 1 and the other end connected to a gas cylinder (not shown) in which the raw material gas and carrier gas are sealed.

マイクロ波導入管4はマイクロ波を反応容器1に導入する導波管であり、反応容器1に接続される。マイクロ波導入管4の具体的な寸法・形状は所望のモードのマイクロ波を反応容器1に導入できる構造であれば適宜選択できる。
マイクロ波発生装置5はマイクロ波を発生させる装置であり、マグネトロンを例示できる。
なお、マイクロ波導入管4とマイクロ波発生装置5は、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構としての機能を備える。マイクロ波のモードは例えばマイクロ波導入管4の寸法・形状で調整できる。
The microwave introduction tube 4 is a waveguide that introduces microwaves into the reaction vessel 1, and is connected to the reaction vessel 1. The specific dimensions and shape of the microwave introduction tube 4 can be appropriately selected as long as it has a structure that can introduce microwaves of a desired mode into the reaction vessel 1.
The microwave generating device 5 is a device that generates microwaves, and an example of such a device is a magnetron.
The microwave introduction tube 4 and the microwave generator 5 function as a mode setting mechanism for setting the microwaves during diamond growth to a higher mode. The microwave mode can be adjusted by, for example, the dimensions and shape of the microwave introduction tube 4.

ここで本発明で高次モードのマイクロ波を用いる理由について説明する。
マイクロ波のモードとは、反応容器1内で共振しているマイクロ波の長さを示すものである。例えば図3で「TM10モード」と記載されているマイクロ波は長さが1/2波長である。このように1/2波長でマイクロ波が共振している状態を「低次モード」と称す。低次モードではマイクロ波の周波数がCVDに一般的な2.45GHzの場合、マイクロ波の長さL1は12cm程度になり、ダイヤモンドを成膜できる範囲がおよそ1/2波長分の長さに該当する。ただし、図3の波形でプラズマを生成させた場合、プラズマ強度が波の腹の部分と節の部分で大きな分布差が生じるため、実際にダイヤモンドの成長に使えるのは波の一部で、最大でも1/2程度(6cm)、実際は1/4くらいになる。そのため、低次モードで成長させられるダイヤモンドの口径は最大でも2インチ(5.05cm)程度になる。
Here, the reason why higher mode microwaves are used in the present invention will be explained.
The microwave mode indicates the length of the microwave resonating in the reaction vessel 1. For example, the microwave indicated as "TM10 mode" in FIG. 3 has a length of 1/2 wavelength. The state in which the microwave resonates at 1/2 wavelength is called "low mode". In the low mode, when the microwave frequency is 2.45 GHz, which is common for CVD, the microwave length L1 is about 12 cm, and the range in which diamond can be formed corresponds to the length of about 1/2 wavelength. However, when plasma is generated with the waveform of FIG. 3, a large distribution difference occurs in the plasma intensity at the antinode and the node of the wave, so that only a part of the wave can actually be used for the growth of diamond, and it is about 1/2 (6 cm) at most, and in reality, it is about 1/4. Therefore, the diameter of the diamond that can be grown in the low mode is about 2 inches (5.05 cm) at most.

一方で、図3で「TM20モード」と記載されているマイクロ波は長さが1波長であり、「TM40モード」と記載されているマイクロ波は長さが2波長である。このように長さが1波長以上でマイクロ波が共振している状態を「高次モード」と称す。高次モードでは低次モードよりもマイクロ波の長さが長くなるため、生成されるプラズマの面積が大きくなり、成長させられるダイヤモンドの口径が大きくなる。例えば「TM20モード」ではマイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、マイクロ波の長さL2は24cm程度になり、実際にダイヤモンドの成長に使える部分の長さは12cm程度であるため、成長させられるダイヤモンドの口径は最大で4インチ(10.2cm)になる。また「TM40モード」ではマイクロ波の周波数が2.45GHzの場合、マイクロ波の長さL3は48cm程度になり、実際にダイヤモンドの成長に使える部分の長さは24cm程度であるため、成長させられるダイヤモンドの口径は最大で8インチ(20.3cm)になる。 On the other hand, the microwaves labeled "TM20 mode" in FIG. 3 have a length of one wavelength, and those labeled "TM40 mode" have a length of two wavelengths. Such a state in which the microwaves resonate at a length of one wavelength or more is called a "higher mode". In the higher mode, the length of the microwaves is longer than in the lower mode, so the area of the plasma generated is larger and the diameter of the diamonds grown is larger. For example, in the "TM20 mode", when the microwave frequency is 2.45 GHz, the length L2 of the microwaves is about 24 cm, and the length of the part that can actually be used to grow diamonds is about 12 cm, so the diameter of the diamonds grown is a maximum of 4 inches (10.2 cm). In the "TM40 mode", when the microwave frequency is 2.45 GHz, the length L3 of the microwaves is about 48 cm, and the length of the part that can actually be used to grow diamonds is about 24 cm, so the diameter of the diamonds grown is a maximum of 8 inches (20.3 cm).

このように高次モードのマイクロ波を用いることで、大口径のダイヤモンドを成長させられる。これが本発明で高次モードのマイクロ波を用いる理由である。
なお、高次モードのマイクロ波を用いる場合、低次モードの場合よりもダイヤモンドの成長レートは小さくなるが、マイクロ波のピークのエネルギーが相対的に小さくなるため、プラズマの分布は低次モードに比べて均一になる。
また、プラズマ密度の高い箇所では縦方向(バーティカル)にダイヤモンドが成長し、プラズマ密度の低い位置では横方向(ラテラル)の成長が進行するため、ダイヤモンド内での欠陥の減少に寄与することができるものとなる。
なお、マイクロ波には電界が入射面に垂直な成分のみを持つ平面波であるTE波(直交偏波)と、磁界が入射面に垂直な成分のみを持つTM波(平行偏波)がある。図3ではTM波を例示しているが、TE波を用いても同様に成長させられるダイヤモンドの口径を大きくできる効果が得られる。
By using microwaves of a higher order mode in this way, diamonds with a large diameter can be grown, which is the reason why microwaves of a higher order mode are used in the present invention.
When using high-order mode microwaves, the diamond growth rate is smaller than that of low-order mode, but the peak energy of the microwaves is relatively small, so the plasma distribution is more uniform than in the low-order mode.
In addition, diamond grows vertically in areas where the plasma density is high, and lateral growth occurs in areas where the plasma density is low, which can contribute to reducing defects in the diamond.
Microwaves include TE waves (orthogonal polarization), which are plane waves whose electric field has only a component perpendicular to the incident surface, and TM waves (parallel polarization), which have a magnetic field whose magnetic field has only a component perpendicular to the incident surface. Although TM waves are shown as an example in Figure 3, the effect of increasing the diameter of the diamond that can be grown can also be obtained by using TE waves.

基板加熱ステージ3は反応容器1内で基板2を保持する台座であるとともに、高次モードでダイヤモンドを成長中に基板2を加熱することで基板2の温度を制御する加熱制御機構であり、反応容器1内に設けられる。
具体的には、基板加熱ステージ3は上面に設けられた図示しないチャック機構で基板2を保持する。基板加熱ステージ3の寸法・形状は基板2を保持できる寸法・形状であればよく、基板2がウェハーの場合は基板加熱ステージ3も円板状で、直径が基板2よりも大きい。
また基板加熱ステージ3の内部には発熱体であるヒータ7が内蔵されており、高次モードでダイヤモンドを成長中は、ヒータ7が発熱することで基板加熱ステージ3を介して熱を基板2に伝達して加熱する。
The substrate heating stage 3 is a base that holds the substrate 2 within the reaction vessel 1, and is also a heating control mechanism that controls the temperature of the substrate 2 by heating the substrate 2 while growing diamond in a higher mode, and is provided within the reaction vessel 1.
Specifically, the substrate heating stage 3 holds the substrate 2 by a chuck mechanism (not shown) provided on the upper surface. The dimensions and shape of the substrate heating stage 3 need only be such that it can hold the substrate 2. When the substrate 2 is a wafer, the substrate heating stage 3 is also disk-shaped and has a diameter larger than that of the substrate 2.
In addition, a heater 7, which is a heating element, is built into the substrate heating stage 3, and when diamond is growing in the higher mode, the heater 7 generates heat and transfers it to the substrate 2 via the substrate heating stage 3 to heat it.

このように、高次モードでダイヤモンドを成長中に加熱制御機構で基板2を加熱して基板2の面内の温度ムラを吸収することで、ダイヤモンドを成長中に基板2を加熱しない場合と比べて基板2上にダイヤモンドを均一に成長させることができ、高品質なダイヤモンドを成長可能なものとなる。 In this way, by heating the substrate 2 with the heating control mechanism while growing diamond in the higher mode, and absorbing temperature unevenness within the surface of the substrate 2, diamond can be grown more uniformly on the substrate 2 than in the case where the substrate 2 is not heated while growing diamond, and high-quality diamond can be grown.

加熱制御機構としての基板加熱ステージ3は、基板2内の位置に応じて個別に該位置における基板2の温度を制御可能な機構であるのが好ましい。
このような機構としては、平面視で基板加熱ステージ3の基板載置面の中心に対して同心円状に複数のヒータ7を基板加熱ステージ3に内蔵させ、複数のヒータ7の温度設定を個別に調整することで、基板加熱ステージ3の径方向位置に応じて個別に温度を調整する機構が挙げられる。
基板加熱ステージ3が、基板2内の位置に応じて個別に温度を制御可能であると、基板2内で温度が低い部分は、その部分の加熱温度を上昇させたり、基板2内で温度が高い部分は加熱温度を下げたりすることで、より温度ムラを吸収して基板2内の温度を均一にできる。よって基板2の温度をより精密に制御でき、より高品質なダイヤモンドを成長させられる。
The substrate heating stage 3 serving as a heating control mechanism is preferably a mechanism capable of individually controlling the temperature of the substrate 2 at each position in the substrate 2 .
An example of such a mechanism is a mechanism in which multiple heaters 7 are built into the substrate heating stage 3 in a concentric manner relative to the center of the substrate mounting surface of the substrate heating stage 3 when viewed in a plane, and the temperature settings of the multiple heaters 7 are individually adjusted to individually adjust the temperature according to the radial position of the substrate heating stage 3.
If the substrate heating stage 3 can control the temperature individually according to the position within the substrate 2, the heating temperature can be increased in low-temperature parts of the substrate 2 and decreased in high-temperature parts of the substrate 2, thereby absorbing temperature variations and making the temperature within the substrate 2 uniform. This allows the temperature of the substrate 2 to be controlled more precisely, and allows a higher quality diamond to be grown.

なお、ヒータ7は基板加熱ステージ3を介して基板2を所望の温度に加熱できる構造であれば抵抗発熱体、高周波加熱、ランプ等の公知の加熱装置を用いればよい。
また、基板2の温度分布は例えば基板2を支持するチャックに搭載した熱電対で測定すればよい。熱電対の搭載位置は、基板2を搭載した状態で、少なくとも平面視で基板2の中心部と、基板2の外周部140mmの2か所以上であるのが好ましい。
以上が本発明のダイヤモンド成長装置11の構成の説明である。
The heater 7 may be a known heating device such as a resistance heating element, a high frequency heater, a lamp, etc., so long as it has a structure capable of heating the substrate 2 to a desired temperature via the substrate heating stage 3.
The temperature distribution of the substrate 2 may be measured, for example, by a thermocouple mounted on a chuck supporting the substrate 2. The thermocouples are preferably mounted at least in two locations, namely, at the center of the substrate 2 and within 140 mm of the outer periphery of the substrate 2 in a plan view, with the substrate 2 mounted.
The above is an explanation of the configuration of the diamond growth apparatus 11 of the present invention.

次に図2、図4、及び図5を参照して本発明のダイヤモンド成長方法を説明する。
まず、マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる(図4のS1、成長工程)。
Next, the diamond growth method of the present invention will be described with reference to FIGS.
First, diamond is grown on a substrate by microwave plasma CVD (S1 in FIG. 4, growth step).

具体的には、まず図2に示すダイヤモンド成長装置11の反応容器1の図示しない扉を開けて基板2を反応容器1内に入れ、基板加熱ステージ3に搭載して扉を閉める。この際、基板2としてはダイヤモンド基板等を用いてもよいが、シリコン単結晶基板を用いると、安価な基板上にダイヤモンドを成長させられる。また、基板としてシリコン単結晶基板を用いる場合、予め基板2の表面を粗化してダメージを導入することで成長の核とするスクラッチ処理と呼ばれる処理等を行う。次に反応容器1内を排気して反応容器1内を減圧してから、原料ガス導入管6を介して原料ガスとキャリアガスを反応容器1内に導入する。ダイヤモンドを成長させる場合、原料ガスは例えばメタンガスであり、キャリアガスは例えば水素ガスである。
次にマイクロ波発生装置5を作動させてマイクロ波を生成し、マイクロ波導入管4を介してマイクロ波を反応容器1に照射する。
照射されたマイクロ波は反応容器1内で共振し、基板2の上部を覆うようにマイクロ波プラズマが形成される。形成されたマイクロ波プラズマは原料ガス、例えばメタンを分解・活性化させ、CVDで基板2上にダイヤモンドを成長させる。
Specifically, first, the door (not shown) of the reaction vessel 1 of the diamond growth apparatus 11 shown in FIG. 2 is opened, the substrate 2 is placed in the reaction vessel 1, and the substrate 2 is mounted on the substrate heating stage 3, and the door is closed. At this time, a diamond substrate or the like may be used as the substrate 2, but if a silicon single crystal substrate is used, diamond can be grown on an inexpensive substrate. In addition, when a silicon single crystal substrate is used as the substrate, a process called scratch processing is performed in which the surface of the substrate 2 is roughened in advance to introduce damage and become the nucleus of growth. Next, the reaction vessel 1 is evacuated to reduce the pressure inside the reaction vessel 1, and then the raw material gas and carrier gas are introduced into the reaction vessel 1 through the raw material gas introduction pipe 6. When growing diamond, the raw material gas is, for example, methane gas, and the carrier gas is, for example, hydrogen gas.
Next, the microwave generator 5 is operated to generate microwaves, which are then irradiated to the reaction vessel 1 via the microwave introduction tube 4 .
The irradiated microwaves resonate within the reaction vessel 1, and a microwave plasma is formed so as to cover the upper part of the substrate 2. The formed microwave plasma decomposes and activates a source gas, for example, methane, and grows diamond on the substrate 2 by CVD.

この際、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に基板加熱ステージ3のヒータ7を作動させて基板2を加熱することで、基板2の温度を制御する。
具体的なマイクロ波のモードは、マイクロ波の長さが、成長させるダイヤモンドの口径以上になるように選択する。またヒータ7の加熱温度は温度ムラを吸収して基板2の温度分布を均一にできる温度で、かつダイヤモンドの成長を阻害しない温度であればよいが、例えば800℃~1000℃程度である。
また、基板2内の温度分布はなるべく均一であるのが好ましく、例えば面内温度差が±10%以下であるのが好ましい。
At this time, the microwaves during the growth of diamond are set to a higher order mode, and while the diamond is growing in the higher order mode, the heater 7 of the substrate heating stage 3 is operated to heat the substrate 2, thereby controlling the temperature of the substrate 2.
A specific microwave mode is selected so that the length of the microwave is equal to or greater than the diameter of the diamond to be grown. The heating temperature of the heater 7 may be any temperature that can absorb temperature irregularities to make the temperature distribution of the substrate 2 uniform and does not inhibit the growth of diamond, for example, about 800°C to 1000°C.
It is also preferable that the temperature distribution within the substrate 2 is as uniform as possible, and for example, it is preferable that the in-plane temperature difference is ±10% or less.

なお、成長時間は長ければ長いほどダイヤモンドを厚くできるが、ある程度の成長時間以上になるとダイヤモンドを均一に成長させるのが難しくなるため、ダイヤモンドを均一に成長させられる範囲で成長時間を設定する。 Note that the longer the growth time, the thicker the diamond will be, but once the growth time exceeds a certain level, it becomes difficult to grow the diamond evenly, so the growth time is set within a range that allows the diamond to grow evenly.

S1でマイクロ波プラズマにて成長させたダイヤモンド膜13は厚さが十分であればこのまま後工程でデバイスの形成等に用いても良いが、さらにダイヤモンド膜13を厚く成長させるためには、マイクロ波プラズマだけで成長させるのではなく、S1でマイクロ波プラズマ成長させた基板2を、図5に示すようなホットフィラメント方式によるダイヤモンド成長装置(以下、ホットフィラメントCVD装置17と称す)を用いてさらにダイヤモンドを追加で成長させることも可能である。 If the diamond film 13 grown by microwave plasma in S1 is thick enough, it can be used as is in a later process for forming a device, etc., but in order to grow the diamond film 13 even thicker, it is also possible to grow additional diamond on the substrate 2 grown by microwave plasma in S1 using a hot filament diamond growth device (hereinafter referred to as hot filament CVD device 17) using the method shown in Figure 5, rather than growing it only with microwave plasma.

具体的にはホットフィラメントCVD装置17は基板2が収納されダイヤモンドの成長が行われる反応容器21、原料ガスおよびキャリアガスが導入される原料ガス導入管23、及び抵抗発熱体であるフィラメント25を備える。
ホットフィラメントCVD装置17を用いる場合、原料ガスとしてメタンを、キャリアガスとして水素を原料ガス導入管23から反応容器21内に導入し、基板2の上方に設置したタングステンの等のフィラメント25に通電して原料ガスを通電加熱して分解し基板2上にダイヤモンドを成長させることで、大口径の基板2の全体にダイヤモンドを成長させる(図4のS2、追加成長工程)。
Specifically, the hot filament CVD apparatus 17 comprises a reaction vessel 21 in which the substrate 2 is housed and diamond is grown, a source gas introduction pipe 23 into which a source gas and a carrier gas are introduced, and a filament 25 which is a resistance heating element.
When using the hot filament CVD apparatus 17, methane as the source gas and hydrogen as the carrier gas are introduced into the reaction vessel 21 from the source gas inlet pipe 23, and electricity is passed through a filament 25 such as tungsten installed above the substrate 2 to electrically heat and decompose the source gas, thereby growing diamond on the substrate 2, thereby growing diamond over the entire large-diameter substrate 2 (S2 in FIG. 4, additional growth process).

この態様ではマイクロ波プラズマCVDで基板上に成長させたダイヤモンド上に、大口径成長が可能なホットフィラメントCVD装置17を使用して、さらにダイヤモンドの成長を行うことで、さらに厚いダイヤモンドを大口径の基板2に成長させることが可能になる。
以上が本発明のダイヤモンド成長方法の説明である。
In this embodiment, by further growing diamond on the substrate by microwave plasma CVD using a hot filament CVD apparatus 17 capable of large diameter growth, it becomes possible to grow even thicker diamond on the large diameter substrate 2.
The above is an explanation of the diamond growth method of the present invention.

以下、実施例を挙げて本発明について具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
マイクロ波プラズマCVDで基板2上にダイヤモンドを成長させる際に、ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に基板2を加熱することで、基板2の温度を制御しながらダイヤモンドを成長させ、成長後のダイヤモンドの物性および外観を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited thereto.
When growing diamond on substrate 2 by microwave plasma CVD, the microwaves during diamond growth were set to a higher order mode, and substrate 2 was heated during diamond growth in the higher order mode, thereby growing diamond while controlling the temperature of substrate 2, and the physical properties and appearance of the grown diamond were evaluated. The specific procedure is as follows.

(実施例1:マイクロ波プラズマCVDによるダイヤモンド成長)
基板2として直径200mm、表面の面方位が(111)のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板(抵抗率100Ω・cm)を準備し、#8000砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板2をTM20モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図2に示すダイヤモンド成長装置11の基板加熱ステージ3に搭載し、2.45GHzのマイクロ波を1500Wの条件で反応容器1内に導入してプラズマを形成し、H流量:10SLM、CH濃度:3%、基板温度:850℃、反応容器1内の圧力が60Torr.(7999.34Pa)の条件でCVDによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で850℃±5℃の範囲になるように、基板加熱ステージ3のヒータ7の温度を調整した。
(Example 1: Diamond growth by microwave plasma CVD)
A boron-doped high-resistance single crystal silicon substrate (resistivity 100 Ω·cm) having a diameter of 200 mm and a surface orientation of (111) was prepared as substrate 2. The surface was ground with a #8000 grindstone to roughen the silicon surface and introduce damage to serve as nuclei for diamond growth.
This substrate 2 was mounted on the substrate heating stage 3 of a diamond growth apparatus 11 shown in Fig. 2 as a TM20 mode microwave plasma growth apparatus, and a 2.45 GHz microwave was introduced into the reaction vessel 1 at 1500 W to form a plasma, and diamond was grown by CVD under the following conditions: H2 flow rate: 10 SLM, CH4 concentration: 3%, substrate temperature: 850°C, and pressure in the reaction vessel 1 was 60 Torr (7999.34 Pa). The temperature of the heater 7 of the substrate heating stage 3 was adjusted so that the substrate temperature at this time was within the range of 850°C ± 5°C within the surface.

そのあと、成長後のダイヤモンド膜13に対してラマン分光法による測定を行い、さらに光学顕微鏡でダイヤモンド膜13の表面を観察してダイヤモンドの成長を評価した。測定で得られたラマンスペクトルを図6(a)に示し、観察して得られた光学顕微鏡画像を図6(b)に示す。
図6(a)に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数1332cm-1付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図6(b)に示すように光学顕微鏡の像でもダイヤモンドの析出を示す微細な凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
The grown diamond film 13 was then measured by Raman spectroscopy, and the surface of the diamond film 13 was observed with an optical microscope to evaluate the growth of the diamond. The Raman spectrum obtained by the measurement is shown in Figure 6(a), and the optical microscope image obtained by observation is shown in Figure 6(b).
As shown in Figure 6(a), the Raman spectrum obtained showed a peak indicating single crystal diamond at a wave number of about 1332 cm -1 , and no peaks were observed at other wave numbers, so the growth of diamond was confirmed. Also, as shown in Figure 6(b), the optical microscope image showed fine irregularities indicating the deposition of diamond, and it was confirmed that diamond had grown uniformly from the outside.

よって、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であることがわかった。 This shows that it is possible to grow high-quality, large-diameter diamond even using plasma CVD with higher-order mode microwaves.

(実施例2:マイクロ波プラズマCVDとホットフィラメントCVDによるダイヤモンド成長)
基板2として直径300mm、表面の面方位が(111)のボロンドープの高抵抗単結晶シリコン基板(抵抗率100Ω・cm)を準備し、#8000砥石で表面を研削しシリコン表面を粗化してダメージを導入し、ダイヤモンド成長の核とした。
この基板2をTM20モードのマイクロ波プラズマ成長装置としての図2に示すダイヤモンド成長装置11の基板加熱ステージ3に搭載し、2.45GHzのマイクロ波を1500Wの条件で反応容器1内に導入してプラズマを形成し、H流量:10SLM、CH濃度:3%、基板温度:850℃、60Torr.(7999.34Pa)の条件でCVDによるダイヤモンドの成長を行った。またこのときの基板温度は面内で850℃±5℃の範囲になるように、基板加熱ステージ3のヒータ7の温度を調整した。
(Example 2: Diamond growth by microwave plasma CVD and hot filament CVD)
A boron-doped high-resistance single crystal silicon substrate (resistivity 100 Ω·cm) with a diameter of 300 mm and a surface orientation of (111) was prepared as substrate 2. The surface was ground with a #8000 grindstone to roughen the silicon surface and introduce damage to serve as nuclei for diamond growth.
This substrate 2 was mounted on the substrate heating stage 3 of a diamond growth apparatus 11 shown in Fig. 2 as a TM20 mode microwave plasma growth apparatus, and a 2.45 GHz microwave was introduced into the reaction vessel 1 at 1500 W to form a plasma, and diamond was grown by CVD under the following conditions: H2 flow rate: 10 SLM, CH4 concentration: 3%, substrate temperature: 850°C, 60 Torr. (7999.34 Pa). The temperature of the heater 7 of the substrate heating stage 3 was adjusted so that the substrate temperature was within the range of 850°C±5°C in the plane.

次にこの基板2を、図5に示すホットフィラメントCVD装置17に入れ、フィラメント温度:2200℃、H流量:10SLM、CH濃度:3%、基板温度:850℃、5Torr.(666.612Pa)の条件で4時間のダイヤモンド成長を行った。
そのあと、成長後のダイヤモンド膜13に対してラマン分光法による測定を行い、さらに光学顕微鏡でダイヤモンド膜13の表面を観察してダイヤモンドの成長を評価した。測定で得られたラマンスペクトルを図7(a)に示し、観察して得られた光学顕微鏡の画像を図7(b)に示す。
図7(a)に示すように、得られたラマンスペクトルでは波数1332cm-1付近に単結晶ダイヤモンドを示すピークが観察され、他の波数ではピークが見られなかったため、ダイヤモンドの成長を確認できた。また、図7(b)に示すように光学顕微鏡の画像でもダイヤモンドの析出を示す凹凸形状が見られ、外観上もダイヤモンドが均一に成長していることを確認できた。
Next, this substrate 2 was placed in a hot filament CVD apparatus 17 shown in Fig. 5, and diamond was grown for 4 hours under the conditions of filament temperature: 2200°C, H2 flow rate: 10 SLM, CH4 concentration: 3%, substrate temperature: 850°C, and 5 Torr (666.612 Pa).
The grown diamond film 13 was then measured by Raman spectroscopy, and the surface of the diamond film 13 was observed with an optical microscope to evaluate the growth of the diamond. The Raman spectrum obtained by the measurement is shown in Figure 7(a), and the image obtained by observation with the optical microscope is shown in Figure 7(b).
As shown in Figure 7(a), the Raman spectrum showed a peak indicating single crystal diamond at a wave number of about 1332 cm -1 , and no peaks were observed at other wave numbers, confirming the growth of diamond. Also, as shown in Figure 7(b), the optical microscope image showed uneven shapes indicating the deposition of diamond, and it was confirmed that diamond had grown uniformly from the outside.

よって、高次モードのマイクロ波を用いたプラズマCVDであっても、高品質で大口径のダイヤモンドを成長可能であり、さらにホットフィラメントCVDでダイヤモンドをさらに成長させられることも分かった。 This shows that even plasma CVD using higher mode microwaves can grow high-quality, large-diameter diamonds, and that even greater diamond growth can be achieved using hot filament CVD.

本明細書は、以下の態様を包含する。
[1]:マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
[2]:前記成長工程において、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする上記[1]に記載のダイヤモンド成長方法。
[3]:前記成長工程後に、
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントCVD装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする上記[1]または上記[2]に記載のダイヤモンド成長方法。
[4]:前記基板としてシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする上記[1]から上記[3]のいずれかに記載のダイヤモンド成長方法。
[5]:基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してCVDで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
[6]:前記加熱制御機構は、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする上記[5]に記載のダイヤモンド成長装置。
The present specification includes the following aspects.
[1]: A diamond growth method including a growth step of growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD,
In the growing step,
A method for growing diamond, comprising: setting microwaves in a higher mode during diamond growth; and heating the substrate during diamond growth in the higher mode, thereby controlling the temperature of the substrate.
[2]: In the growth step,
The method for growing diamond according to the above-mentioned [1], characterized in that the temperature of the substrate at each position within the substrate is controlled individually according to the position.
[3]: After the growth step,
The method for growing diamond according to the above [1] or [2], characterized in that an additional growth step is carried out in which a diamond is further grown on the diamond grown on the substrate using a hot filament CVD apparatus.
[4]: A method for growing diamond according to any one of [1] to [3] above, characterized in that a silicon single crystal substrate is used as the substrate.
[5]: A diamond growth apparatus comprising a reaction vessel in which a substrate is stored and into which a diamond raw material gas is introduced, and a waveguide connected to the reaction vessel and for introducing microwaves into the reaction vessel, in which plasma is generated in the reaction vessel by the microwaves introduced from the waveguide, and the raw material gas is decomposed and activated by the generated plasma, thereby growing diamond on the substrate by CVD,
A mode setting mechanism for setting the microwaves to a higher mode during diamond growth;
a heating control mechanism for controlling the temperature of the substrate by heating the substrate while growing diamond in a higher order mode;
A diamond growth apparatus comprising:
[6]: The heating control mechanism includes:
6. The diamond growth apparatus according to claim 5, further comprising a mechanism for controlling the temperature of the substrate at each position individually according to the position within the substrate.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above-described embodiment. The above-described embodiment is merely an example, and anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and exhibits similar effects is included within the technical scope of the present invention.

1…反応容器、 2…基板、 3…基板加熱ステージ 4…マイクロ波導入管、 5…マイクロ波発生装置、 6…原料ガス導入管、 7…ヒータ、 11…ダイヤモンド成長装置、13…ダイヤモンド膜、 17…ホットフィラメントCVD装置、 21…反応容器、 23…原料ガス導入管、 25…フィラメント、 100…ダイヤモンド基板。 1... reaction vessel, 2... substrate, 3... substrate heating stage, 4... microwave introduction tube, 5... microwave generator, 6... raw material gas introduction tube, 7... heater, 11... diamond growth device, 13... diamond film, 17... hot filament CVD device, 21... reaction vessel, 23... raw material gas introduction tube, 25... filament, 100... diamond substrate.

Claims (6)

マイクロ波プラズマCVDで基板上にダイヤモンドを成長させる成長工程を含むダイヤモンド成長方法であって、
前記成長工程において、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにし、かつ高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで、前記基板の温度を制御することを特徴とするダイヤモンド成長方法。
1. A method for growing diamond, comprising the steps of growing diamond on a substrate by microwave plasma CVD,
In the growing step,
A method for growing diamond, comprising: setting microwaves in a higher mode during diamond growth; and heating the substrate during diamond growth in the higher mode, thereby controlling the temperature of the substrate.
前記成長工程において、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御することを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド成長方法。
In the growing step,
2. A method for growing diamond according to claim 1, wherein the temperature of the substrate is controlled individually at each position within the substrate.
前記成長工程後に、
前記基板上に成長したダイヤモンド上に、さらにホットフィラメントCVD装置を用いてダイヤモンドを成長させる追加成長工程を行うことを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド成長方法。
After the growth step,
2. The method for growing diamond according to claim 1, further comprising the step of growing an additional diamond on the diamond grown on the substrate using a hot filament CVD apparatus.
前記基板としてシリコン単結晶基板を用いることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のダイヤモンド成長方法。 The diamond growth method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a silicon single crystal substrate is used as the substrate. 基板が収納され、ダイヤモンドの原料ガスが導入される反応容器と、前記反応容器に接続されマイクロ波を前記反応容器に導入する導波管を備え、前記導波管から導入されたマイクロ波により前記反応容器内でプラズマを生成させ、生成したプラズマで原料ガスが分解・活性化してCVDで前記基板上にダイヤモンドが成長するダイヤモンド成長装置であって、
ダイヤモンドを成長中のマイクロ波を高次モードにするモード設定機構と、
高次モードでダイヤモンドを成長中に前記基板を加熱することで前記基板の温度を制御する加熱制御機構と、
を備えることを特徴とするダイヤモンド成長装置。
A diamond growth apparatus comprising: a reaction vessel in which a substrate is housed and into which a diamond source gas is introduced; and a waveguide connected to the reaction vessel and for introducing microwaves into the reaction vessel, wherein plasma is generated in the reaction vessel by the microwaves introduced from the waveguide, and the source gas is decomposed and activated by the generated plasma, thereby growing diamond on the substrate by CVD,
A mode setting mechanism for setting the microwaves to a higher mode during diamond growth;
a heating control mechanism for controlling the temperature of the substrate by heating the substrate while growing diamond in a higher order mode;
A diamond growth apparatus comprising:
前記加熱制御機構は、
前記基板内の位置に応じて個別に該位置における前記基板の温度を制御可能な機構であることを特徴とする請求項5に記載のダイヤモンド成長装置。
The heating control mechanism includes:
6. A diamond growth apparatus according to claim 5, further comprising a mechanism capable of individually controlling the temperature of said substrate at each position in said substrate depending on the position.
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