JPH0940493A - ダイヤモンドの合成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い面積に均一に、しかも比較的速い成長速
度でダイヤモンド膜を成膜する。 【解決手段】 プラズマＣＶＤ法により炭素を含む原料
ガスからダイヤモンド膜を成膜する方法において、通常
周波数域の高周波電力と直流電力を重畳して投入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ダイヤモンドの
合成方法に関するものである。さらに詳しくは、この発
明は、広い面積に均一に、しかも比較的速い成長速度で
ダイヤモンド膜を成膜することのできる、プラズマＣＶ
Ｄ法によるダイヤモンドの合成方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術とその課題】ダイヤモンドを熱力学的な準
安定領域で合成する方法として、放電によるプラズマを
用いるＣＶＤ法が、現在では広く知られている。このよ
うなＣＶＤ法においては、プラズマ発生用電源に、直
流、低周波交流、高周波、又はマイクロ波が用いられて
きている。

【０００３】しかしながら、これらプラズマ発生用電源
のいずれを用いても、熱プラズマを発生させ、これを利
用する場合には、その大体において速い成長速度が得ら
れるものの、成膜コスト及び基板温度などの制御に問題
があり、また、プラズマがフレーム状になるため、大面
積の成膜が難しいという欠点もあった。

【０００４】すなわち、直流グロー放電では、グロー・
アーク遷移状態放電が速い成長速度を与えるが、放電点
が一点に集中するアーク放電に移行しやすく、安定な放
電の維持と成膜の大面積化が難しい。マイクロ波グロー
放電では、マイクロ波の波長が、2.45ＧHzで約１２cmと
短いため、堆積面積が小さく、大面積の成膜が不可能で
ある。

【０００５】高周波グロー放電では、ワークコイルを用
いる誘導結合型の放電の場合には、比較的速い速度で結
晶性のダイヤモンドを成膜することができるが、その大
面積化は難しい（S.Matsumoto, J.Mater.Sci.Lett. 4,
600(1985) ）。一方、容量性結合の平行平板電極で高周
波を用いる場合には、P.Wood et al.,Proc.1st.Int.Con
f.New Diamond Sci.Tech, Tokyo(1988)に示されるよう
に、成膜速度は決定的なほどに遅い。この論文には、
『シリコン上で0.04μm ／ｈ、モリブデン上に0.3 μm
／ｈ』と開示されており、モリブデンの場合には、炭化
物の成長速度が加算されている。

【０００６】このように、従来においては、ダイヤモン
ド膜を大面積に比較的速く成膜する方法の実現が求めら
れていた。そこで、この出願の出願人らは、これまで
に、超短波域の電力を用いた対向電極型容量性結合放電
によるプラズマＣＶＤ法に基づくダイヤモンドの合成方
法を提案している。しかしながら、この方法にあって
は、通常一般的に用いられている13.56 ＭHz以下の周波
数よりも高い超短波域の電力を使用するため、電源や整
合回路などが高価で、また、放電の取扱いに若干の慣れ
が必要であるという問題がある。

【０００７】この発明は、以上の通りの事情に鑑みてな
されたものであり、すでに提案したプラズマＣＶＤ法に
よるダイヤモンドの合成方法の欠点を解消し、広い面積
に均一に、しかも比較的速い成長速度でダイヤモンド膜
を成膜することのできる、改善されたダイヤモンドの合
成方法を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の発明者らは、
プラズマＣＶＤ法によるダイヤモンド合成における上記
課題を解消するためには、一般的に使用される通常周波
数域の高周波電力とともに直流電力を同時使用すること
によって、広い面積に均一に、しかも比較的速い成長速
度でダイヤモンド膜を成膜させることができることを見
い出し、この知見に基づいてこの発明を完成した。

【０００９】すなわち、この発明は、プラズマＣＶＤ法
により炭素を含む原料ガスからダイヤモンド膜を成膜さ
せる方法において、通常周波数域の高周波電力と直流電
力を重畳して投入することを特徴とするダイヤモンドの
合成方法を提供するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】この発明のダイヤモンドの合成方
法は、たとえば次のようにして実施することができる。
すなわち、水素ガス、酸素ガス又はハロゲン、アルゴ
ン、ヘリウム等の不活性ガスから選ばれた単独ガスある
いはその混合ガスを希釈ガス又は反応ガスとし、これ
を、高周波及び直流電力の同時投入によって励起し、プ
ラズマを発生させる。そして、このプラズマ中におい
て、原料ガスとして導入した有機化合物又は一酸化炭
素、二酸化炭素等の酸化炭素類などを分解・蒸発・解離
させ、これによって得られる気体からダイヤモンドを基
板上に析出させる。

【００１１】原料ガスに用いる有機化合物としては、よ
り具体的には、炭化水素の他、アルコール等の酸素を含
む有機化合物、アミン、アミド等の窒素を含む有機化合
物、塩化メチル、クロロホルム等のハロゲンを含む有機
化合物、チオフェン等の硫黄を含む有機化合物、さらに
は、燐を含む有機化合物などが例示される。

【００１２】図１は、この発明に用いることのできる装
置の一例を示した断面図である。この例は、平行平板電
極を備えた装置を例示したものである。たとえばこの図
１に例示した装置においては、反応室（１）内に、平行
平板電極（２）（３）が上下に対向して配置されてい
る。上部電極（２）は電力供給側の電極で、下部電極
（３）は接地側としている。どちらの電極を電力供給側
（接地側）とするかは任意であり、この図１の例とは逆
に、上部電極（２）を接地側とし、下部電極（３）を電
力供給側とすることもできる。これらの電極（２）
（３）は、水冷又はヒータ加熱が可能とされている。

【００１３】基板（４）は、下部電極（３）上に配置さ
れている。もちろん、上部電極（２）に配置しても構わ
ない。基板（４）の材質については特に制限はなく、モ
リブデン、ステンレス等の金属又は合金、シリコン等の
半導体、アルミナ等のセラミックス、あるいはダイヤモ
ンド単結晶などとすることができる。

【００１４】ガスは、ガス供給装置（５）より供給され
るようにしており、基板（４）が配置されていない電極
を通して反応室（１）内に導入される。すなわち、この
図１の例の場合には、上部電極（２）から反応室（１）
内に導入される。また、不要のガスは、排気装置（６）
によって、反応室（１）から排気量調節バルブ（７）を
通じて排気されるようにしている。なお、ガス供給の方
法は、上記のように電極を通す方法に限定されるもので
はない。

【００１５】基板（４）上にダイヤモンド膜を成膜させ
る時には、以下の手順により操作する。まず、排気装置
（６）によって反応室（１）を真空にする。次いで、ガ
ス流量調整バルブ（８）を通じて、ガス供給装置（５）
から希釈ガス又は反応ガスを反応室（１）内に導入す
る。この時、排気量調節バルブ（７）を調節して所定の
圧力を実現する。

【００１６】反応室（１）のガス圧は、１０^-3〜760 To
rr程度とすることができる。反応速度の速さ及びプラズ
マの均一制御の両立からは、１０^-1〜300 Torrが適当で
ある。

【００１７】この後に、高周波電源（９）から高周波電
力及び直流電源（１０）から直流電力をそれぞれ投入
し、次いでこれら電力を整合器（１１）で合わせ、重畳
して、上部電極（２）に供給し、プラズマを発生させ
る。この時に使用する高周波電力の周波数は、通常一般
的に使用される通常域とすることができ、１０ｋHzから
３０ＭHzまでを好ましく用いることができる。なお、直
流電力は、基板側電極が対向電極に対して＋となるよう
に印加する。図１の例の場合には、下部電極（３）を上
部電極（２）に対して＋とする。

【００１８】こうして、基板（４）表面に合成されたダ
イヤモンドを膜状に析出させる。この時、基板（４）
は、たとえば350 〜1200℃の温度範囲に加熱することが
できる。

【００１９】図２は、この発明に用いることのできる別
の装置の例を示した断面図である。この図２に例示した
装置においては、高周波電力と直流電力を別々の電極に
同時に投入することができるようにしている。すなわ
ち、この例においては、上部電極（２）に高周波電源
（９）を、下部電極（３）に直流電源（１０）を接続し
ている。もちろん、上部電極（２）に直流電源（１０）
を、下部電極（３）に高周波電源（９）を接続すること
も可能である。なお、以上において、平行平板電極を備
えた装置を例示したが、この発明に適用される電極につ
いては特にこれに限定されることはない。種々の態様が
可能である。

【００２０】

【実施例】実施例１ 図１に例示した装置を用い、水素ガス190 ml／min 及び
メタンガス５ml／minの混合ガスを流しながら、ガス圧1
00 Torrにおいて、400 ｋHz、出力１ｋＷの高周波電力
と500 Ｖ、1.4 Ａの直流電力とを重畳した電力を投入
し、プラズマＣＶＤ法により、２インチのシリコン基板
上にダイヤモンド膜を成膜した。１時間後に膜厚約３μ
ｍのダイヤモンド膜がシリコン基板上に均一に形成し
た。Ｘ線回折及びラマン散乱分光によりダイヤモンド構
造が確認された。

【００２１】実施例２ 図２に例示した装置を用い、水素ガス100 ml／min 及び
メタンガス５ml／minの混合ガスを流しながら、ガス圧
１０Torrにおいて、13.56 ＭHz、出力１ｋＷの高周波電
力を上部電極に、また、460 Ｖ、1.2 Ａの直流電力を下
部電極に投入し、プラズマＣＶＤ法により、２インチの
シリコン基板上にダイヤモンド膜を成膜した。１時間後
に膜厚約１μｍのダイヤモンド膜がシリコン基板上に均
一に形成した。Ｘ線回折及びラマン散乱分光によりダイ
ヤモンド構造が確認された。

【００２２】もちろんこの発明は、以上の例によって限
定されるものではない。使用される装置の構成及び構
造、反応条件等の細部については様々な態様が可能であ
ることは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、この発明によ
って、広い面積に均一に、しかも比較的速い速度でダイ
ヤモンドを成膜することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に用いることのできる装置の一例を示
した断面図である。

【図２】この発明に用いることのできる別の装置の例を
示した断面図である。

【符号の説明】

１ 反応室 ２ 上部電極 ３ 下部電極 ４ 基板 ５ ガス供給装置 ６ 排気装置 ７ 排気速度調節バルブ ８ ガス流量調整バルブ ９ 高周波電源 １０ 直流電源 １１ 整合器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマＣＶＤ法により炭素を含む原料
   ガスからダイヤモンド膜を成膜する方法において、通常
   周波数域の高周波電力と直流電力を重畳して投入するこ
   とを特徴とするダイヤモンドの合成方法。
2. 【請求項２】 対向電極型容量性結合放電を用いる請求
   項１記載のダイヤモンドの合成方法。