JPS6177697A - ダイヤモンドの気相合成法とその装置 - 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） 本発明は、気相からダイヤモンドを基板上に析出させる
方法および装置に関する。

合成する方法として、従来いくつかの方法力；知られて
いる。

次とえば、１９８０年発行のジャーナル・オブ・ノン・
クリスタリンΦソリツズ誌（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ｎｏ
ｕ−Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　５ｏｌｉｄｓ）　第３５
　＆３６巻第４３５ページ記載の論文には、ガラス又は
モリブデンを蒸着したガラス全基板に用い、圧力０．９
トール、ガス流量毎分０．５〜７．　ＯＣｎ　　基板温
度２５〜３７５℃、放電電流０．８〜２７７７、Ａ、　
　放電電圧３００〜４００■の条件下で、アセチレンを
直流グロー放電により分解し、アモルファス・カーボン
膜を得たことを述べている。前記のアモルファス　カー
ボン膜の電気抵抗率は、最大１０　　Ωスであり、絶縁
性のカーボン膜が得られている点では優れているが、膜
厚が１μｍｔｌ−越え７ｃシ、熱処理したりすると、カ
ーボン膜が基板からはがれる欠点がある。また、基板温
度が高い場合には、カーボン膜は黒色になり、グラファ
イト状になる欠点がある。更に、結晶性のダイヤモンド
膜を合成できない欠点を有している。

更に別な方法として、減圧状態の反応気体をマイクロ波
放電ないしは高周波放電によってプラズマを発生せしめ
、直接プラズマ中に２よいしはプラズマのアフターグロ
ー中に基板を設置し、基板上にダイヤモンドを析出させ
る方法や、イオン化しｔ炭素を基板に衡突させることに
よって膜状ダイヤモンドを合成する方法もあるが、前者
の方法はダイヤモンド相を得るには、基板を高温にしな
ければならない欠点を有している。更に、プラズマ中に
基板を設置する為、基板のプラズマ損傷が避けられない
。後者の方法（廿、常温付近でダイヤモンドを合成でき
る方法で優れ北方法であるが、装置が高価である欠点を
有している。更に、ビーム状にイオンを引き出す為ビー
ム強度にむらがあり広い面積に均一なダイヤモンド相を
得られない欠点を有している。

また、通常の直流グロー放電装置は、対向した２枚の電
極を備えており、一方の電極上に基板を設置して、電極
間に直流電圧を印加し直流グロー放電を発生せしめて、
基板上に薄膜を合成する構成となっている。

上述の構成では、基板に直接加速されたイオンが入射し
基板のスパッタが生じ、基板を構成する原子が合成しよ
うとする薄膜に混入する欠点がある。

更に、絶縁性の薄膜を基板に成長させると、放電が持続
しにくい欠点がある。

（本発明の目的） 本発明の目的は、このような従来の欠点全除去せしめて
、平坦な表面を有し、基板との付着力も強固な、透明な
ダイヤモンド薄膜を基板原子の混入を阻止しで、低温で
製造できるダイヤモンドの合成法及び装置を提供するこ
とにちる。

（発明の構成） すなわち、本発明は炭素化合物の気体ないしは蒸気を直
流グロー放電中で分解及び励起させ、ダイヤモンドを基
板上に析出させる方法において、対向した２つの電極の
間にスクリーン・メッシユを設置し、一方の電蓮と該ス
クリーン・メツシーの間に直流電圧を印加し、直流グロ
ー放１！を発生せしめ、他方の独立した直流電圧を印加
した電極上に基板全設置し、該基板上にダイヤモンドを
形成することを特徴とするダイヤモンドの気相合成法と
、ガス供給部と真空排気系とが接続した真空槽と、該真
空槽内部に対向した二枚の電極とを備え一方の’、ｔｉ
上に基板を設置し之ダイヤモンドの気相合成装置におい
て、対向した二枚の電極の間に移動可能なスクリーン・
メッシュを備えたことを特徴とするダイヤモンドの気相
合成装置である。

（構成の詳細な説明） 本発明は、上述の構成をとることにより従来技術の問題
点を解決した。

一般Ｋ、気相からダイヤモンドを合成せしめるには、炭
素源として、炭素化合物の気体ないしは蒸気を使用する
。ところが、気相からのダイヤモンド析出プロセスは、
熱力学的に準安定な相を安定化せしめる人工的操作全要
求される。反応ガスの熱分解からだけ遊離炭素原子を得
ようとすると基板上に非ダイヤモンド炭素が析出するの
は、自明である。ま之、プラズマを利用する方法におい
ても、単一の励起過程だけでダイヤモンド全合成するプ
ロセスでは、エネルギーが不足しており、ダイヤモンド
が安定に析出するには、高温を必要とし、更に非ダイヤ
モンド炭素の削土も生じる結果となる。従ってダイヤモ
ンドを気相から合成すろ過程において５反応ガスを分解
及び励起する過程と併せて％該分解・励起種に更にエネ
ルギーを付加せしめる過程が存在すると、効果的に、低
温でダイヤモンドを合成できる。

本発明の方法は、炭素化合物の気体ないしは蒸気を対向
する笥；極間に設置され比スクリーン・メッシュと基板
を設置していない電極の間で直流グロー放電領域を形成
させ、もう一つの電極上に設置しｔ基板に電荷中性の活
性種を拡散させ、ないって、正まｔは負に帯電した活性
種を加速ないしは減速して基板に衝突させることによっ
て基板上にダイヤモンドとして析出させる方法である。

即ち、本発明の原理は、まずダイヤモンドの気相合成に
必要な活性種をスクリーン・メッシュと基板を設置して
いない電極の間の直流グロー放電領域で生じせしめた後
、もう一つの電極上に設置した基板まで拡散せしめる。

ここで、スクリーンメツシュと基板を設置した電極間に
グロー放／ｒ！Ｌを発生させないため、及び正または負
に帯電し之活性種を加速ないし減速するために、基板を
設置した電極に適切な電位を印加することによって、基
板上にこれらの活性Ｓを衝突せしめ、化学的に安定なＳ
Ｐ結合やＳＰ２結合を切り、ＳＰｓ結合を持っｔダイヤ
モンドのみを基板上べ析出させる。

帯電した活性種が基板に衝突することによって。

ダイヤモンド薄膜の基板との密着性は良好となる。

ダイヤモンドを成長させる過程における水素の役割は複
雑であるが、主としてプラズマ中で原子状水素となり、
基板上に析出し７ｐＳＰ、ＳＰ”結合を有する炭素、即
ち、非ダイヤモンド炭素を炭化水素化し除去すると考え
られているので、炭素化合物の気体ないし蒸気に水素ガ
スを混入したものを反応ガスとして用いると、非ダイヤ
モンド炭素の除去に一層効果があると考えられる。

従来、直流グロー放電法で用いることのできる基板及び
合成物質は、グロー放′ｒ！１．全安定に持続させるた
めに抵抗の低い物質、すなわち導体ないしは半導体に限
られていた。本発明では直流グロー放電は基板を設置し
ていない電極とスクリーン・メッシュの間で発生せしめ
、スクリーン・メツシーと基板を設置した電極間にはグ
ロー放電を発生させない条件であるため、従来、困難で
ありた絶縁性の基板も用いることかで゛きる。更に、絶
縁性の薄膜も安定に析出させ得る。

放ｔを容易にするガスとして希ガスを炭素化合物の気体
ないし蒸気中に混入することが考えられるが、特に放電
し易いアルゴンガス全相いれば放電圧力範囲を拡大でき
る。

ダイヤモンドを気相から合成する手法には、原子状水素
が重要な役割を果すことが云われており炭素化合物の気
体ないしは蒸気中に水素を混入することによっても効率
的にダイヤモンドを合成できる。

本発明の方法においては、適当なバイアス電圧を印加し
たスクリーン舎メツシュと基板全設置した電極の距離の
選定は、減速ないしは加速され、帯電した活性種が反応
ガス中を運動して基板に衝突する条件を決定したり、直
流グロー放電領域内で発生しｆｃｔ荷中性活性種の拡散
状Ｂを決定する要因となるため、ダイヤモンドの合成巣
作として重要な因子である。

該距離は短かい方が望まし込が、具体的には対向した電
極の中央から基板を設置し之電極直上にスクリーンメツ
シュを設置することが望ましい。

まｔ、直流グロー放電を安定に維持するｔめにスクリー
ンメツシュの制御も重要である。即ち、スクリーンメツ
シュ上には、炭化水素の分解生成物である高抵抗ないし
は絶縁性物質が析出し易くスクリーンメツシュの孔をつ
まらせたジ、電荷の蓄積が生じ北りして、直流グロー放
電条件の変動を招き、安定な成長を防げているのが現状
であるが、本発明の装置の構成のようＫ、スクリーンメ
ツシュを平行に対向した二枚の電極面に平行に移動し、
常に新しい面を電極に向けるようＫすれば上述の欠点を
除去できる。

移動機構としては、種々の方法が考えられるが、長時間
の稼動が可能な点を考慮して二つのロールを用い、片方
のロールにスクリーンメツシュｅ巻いておきもう一つの
ロールで巻きとるような機構が考えられるつ 以下、図面を用いて本発明に１重用した装置例および装
造工程全詳細に説明する。本発明において使用した基板
は、前処理として基板に適した二ノチング剤全用いて表
面全清浄にしたものを用いる。

図において、 洗浄後の基板５を電極６上に設置後、真空槽１内をＩＦ
”　トールまでロータリーポンプ９により予備真空し、
ヒーター７ｋ・用いて所定の温度まで力ＩＱ熱する。炭
化水素ガスボンベ１０、水素ガスボンベ１１又は希ガス
ボンベ１２からコック１３．１４．１５を開いて所定の
反応ガスケ真空４！！１内に導入し、圧力調整器８を用
いて所定の圧力に保つ。

直流グロー放電は接地したスクリーンメツシュ３と電極
６の間にグロー放電が発生しない、様に適当なバイアス
電圧全印加し、電極２に数百ボルトの正または負の直流
電圧を印加せしめ、発生させる。

バイアス電圧は＋１００ボルトまでが有効である。

スクリーンメツシュ３は、二つのロール１６ｊ１７よジ
なるスクリーンメツシュ移動機構４により電極２と６に
平行に移動させることができる。

さらに最適なスクリーンメツシー位ｔを決定する為に、
スクリーンメツシュ３及びスクリーンメツシュ移動機構
４を電極２と６に垂直に移動させることができる。

（実施例） 直流グロー放電は、基板を設置していない電極に正まｔ
は負の数百ボルトの直流電圧を印加せしめ、接地したス
クリーンメツシュの間で発生せしめた。放電電流密度は
１ｍＡ／ｃＩ／ｌとした。基板には、＋１００ボルトか
ら一１００Ｖまでの電圧を印加した。圧力は１トール、
反応時間は１時間、温度２００℃と一定に保った。スク
リーンメツシュの位置は、二つのｉｔｗＬの距離を１０
０とし、基板の位置全０として相対値で表わした。実験
条件と透渦型電子顕微焼による同定結果及びひっかき法
による付着力の実験結果を第１表に示す。スクリーンメ
ツシュを固定した場合、数十分の反応時間で放電は不安
定となり、均一な膜が析出しなくなりたが、スクリーン
メツシーを毎分５　ｃｍで移動すせると基板全面に均一
な干渉色を呈するダイヤモンド薄膜が得られた。

なおスクリーンメツシュは２０〜１００　　メツシュ力
ご適当であり、この実施例では８ｏメツシユを用いた。

（本発明の効果） 本発明により、ダイヤモンドの薄膜が大きな付着力で低
温で合成され比。

従来の方法で得られた膜の付着は数＋ｙであるので、本
発明の方法により合成され７？：Ｈの付着力は数倍以上
大きく、半導体デノくイスの表面ノくツシペーション、
工具等への表面保護膜としての応用範囲が拡がり、工業
的価値が一層増大した。

゛従来の直流グロー放電法では、絶縁性の基板を使用す
ること又は絶縁性の薄膜を合成することは困難であるが
、本発明の装置の構成により７８緑体であるダイヤモン
ド全絶縁体である石英ガラスの上に析出させることが可
能となり、直流グロー放電法という簡単な構成で絶縁性
、非胎縁性を問わずすべての基板上にダイヤモンドを合
成できるようＫなり、工業的価値が増大した。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法全実施する装置の概略図。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）炭素化合物の気体ないしは蒸気を直流グロー放電
   中で分解及び励起させ、ダイヤモンドを基板上に形成す
   る方法において、対向した２つの電極の間にスクリーン
   ・メッシュを設置し、一方の電極と該スクリーン・メッ
   シュの間に直流電圧を印加し、直流グロー放電を発生せ
   しめ他方の独立した直流電圧を印加した電極上に基板を
   設置し、該基板上にダイヤモンドを形成することを特徴
   とするダイヤモンドの気相合成法。
2. （２）ガス供給部と真空排気系とが接続した真空槽と、
   該真空槽内部に対向した二枚の電極とを備え一方の電極
   上に基板を設置したダイヤモンドの気相合成装置におい
   て、対向した二枚の電極の間に移動可能なスクリーン・
   メッシュを備えたことを特徴とするダイヤモンドの気相
   合成装置。
3. （３）スクリーン・メッシュは二枚の電極の中央部から
   基板を設置した電極直上までの範囲に設置する特許請求
   の範囲第２項記載のダイヤモンドの気相合成装置。