JP3093402B2 - Carbon material production method - Google Patents
Carbon material production methodInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、ダイヤモンドを含む炭
素材料またはダイヤモンド材料の作製方法に関し、特に
成膜速度向上、成膜の大面積化及び低温成膜に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material, and more particularly to an improvement in a film forming speed, an increase in the area of a film formed, and a low temperature film forming.
【0002】[0002]
【従来の技術】ダイヤモンドは、その硬度の大きさや熱
伝導性の高さ等の魅力ある特性により、切削工具にまた
は半導体材料にという具合に、多方面に渡って非常に研
究が活発に行われている材料である。2. Description of the Related Art Due to its attractive properties such as high hardness and high thermal conductivity, diamond has been actively studied in various fields such as cutting tools and semiconductor materials. Material.
【0003】そしてその製法としては、現在のところ大
きく分けて2つあり、一つは高圧下において単結晶ダイ
ヤモンドを得る製法であり、他方は低圧下において気相
からダイヤモンド薄膜を成膜する方法である。[0003] At present, there are roughly two methods for producing such a method. One is a method for obtaining a single crystal diamond under a high pressure, and the other is a method for forming a diamond thin film from a gas phase under a low pressure. is there.
【0004】その中でも、化学的気相成長法を用いてダ
イヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形
成する方法としては熱フィラメントCVD(化学的気相
成長)法が最もよく利用されている。該方法とは、例え
ば図1に示すように石英反応管1に反応性ガスをガス導
入口2より流入し金属タングステン(またはタンタル)
製フィラメント3に電流を流し該フィラメントを1500℃
〜3000℃に加熱し、熱電子を放出させることによって基
板4を 400℃〜1300℃に加熱する。それと同時に、前記
反応性ガスを接触加熱により熱分解し、基板上にダイヤ
モンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形成す
る方法である。この時、反応容器内の圧力は 1〜350Tor
rに維持されている。それゆえ、熱フィラメントCVD
法は安価で手軽に行うことができる方法である。Among them, a hot filament CVD (chemical vapor deposition) method is most often used as a method for forming a carbon material containing diamond or a diamond material using the chemical vapor deposition method. The method is, for example, as shown in FIG. 1, a reactive gas is introduced into a quartz reaction tube 1 from a gas inlet 2 and metal tungsten (or tantalum)
An electric current is passed through the filament 3 to make the filament 1500 ° C.
The substrate 4 is heated to 400 ° C. to 1300 ° C. by heating to 30003000 ° C. and emitting thermoelectrons. At the same time, the reactive gas is thermally decomposed by contact heating to form a carbon material containing diamond or a diamond material on a substrate. At this time, the pressure in the reaction vessel is 1 to 350 Torr
r is maintained. Therefore, hot filament CVD
The method is a cheap and easy method.
【0005】他のダイヤモンドを含む炭素材料またはダ
イヤモンド材料形成方法として、マイクロ波プラズマC
VD法がある。該方法とは、例えば図2に示すようにマ
イクロ波導波管6の一部に石英反応管1を挿入し該石英
反応管の上部から、反応ガスを導入し、下部から真空排
気を行う。マイクロ波の発振周波数は2.45GHzが最も
よく用いられている。反応容器の圧力は10〜200Torr に
保たれている。As another method for forming a carbon material containing diamond or a diamond material, microwave plasma C
There is a VD method. In this method, for example, as shown in FIG. 2, the quartz reaction tube 1 is inserted into a part of the microwave waveguide 6, a reaction gas is introduced from the upper portion of the quartz reaction tube, and vacuum evacuation is performed from the lower portion. The most frequently used microwave oscillation frequency is 2.45 GHz. The pressure in the reactor is maintained at 10-200 Torr.
【0006】マイクロ波と磁界の相互作用を利用してダ
イヤモンドを含む炭素材料およびダイヤモンド材料を形
成する方法としては反応圧力が 0.1Torrより高い場合に
起こる現象であるMCR( Mixed Cyclotron Resonanc
e)を用いる有磁場マイクロ波プラズマCVD法と、反
応圧力が 0.1Torr以下と非常に低い場合に起こる現象で
あるECR(Electron Cyclotron Resonance)を用いる
ECRプラズマCVD法とがある。As a method for forming a carbon material containing diamond and a diamond material by utilizing the interaction between a microwave and a magnetic field, a mixed cyclotron resin (MCR) which is a phenomenon that occurs when the reaction pressure is higher than 0.1 Torr.
There is a magnetic field microwave plasma CVD method using e) and an ECR plasma CVD method using ECR (Electron Cyclotron Resonance), which is a phenomenon that occurs when the reaction pressure is as low as 0.1 Torr or less.
【0007】有磁場マイクロ波プラズマCVD法で使用
する装置の概略図を図3に示す。磁場コイル7による磁
界とマイクロ波導波管6から反応室に導入されたマイク
ロ波の相互作用を利用してガス導入口2より流入される
反応性ガスを効率よく励起し、基板4上にダイヤモンド
を含む炭素材料またはダイヤモンド材料を形成する。基
板4は基板保持板を加熱することにより外部コントロー
ルされている。また、浮遊電界8を基板4に加えること
もできる。反応ガスとしてはメタン、一酸化炭素、エチ
レン、メタノール、エタノールなどの通常において気体
または液体の炭化水素を水素で希釈したガスが用いられ
ている。また、水、二酸化炭素、酸素を少量添加したガ
スも用いられている。FIG. 3 is a schematic diagram of an apparatus used in a magnetic field microwave plasma CVD method. By utilizing the interaction between the magnetic field generated by the magnetic field coil 7 and the microwave introduced from the microwave waveguide 6 into the reaction chamber, the reactive gas flowing from the gas inlet 2 is efficiently excited, and diamond is deposited on the substrate 4. Forming a carbon material or a diamond material. The substrate 4 is externally controlled by heating the substrate holding plate. Further, a floating electric field 8 can be applied to the substrate 4. As the reaction gas, a gas obtained by diluting a normally gaseous or liquid hydrocarbon with hydrogen, such as methane, carbon monoxide, ethylene, methanol, and ethanol, is used. Further, a gas to which a small amount of water, carbon dioxide, and oxygen are added is also used.
【0008】ECRプラズマCVD法で使用する装置の
形状は有磁場マイクロ波CVD装置とほぼ同じである
が、反応圧力が 0.1Torr以下と非常に低いためにプラズ
マが有磁場マイクロ波CVD法より広がり大面積成膜が
可能になっている。そのため、ほとんどのECRプラズ
マCVD装置が図4に示してあるようにデポダウン形式
である。図3のような有磁場マイクロ波CVD装置では
反応室の質量および操作性の問題から必然的に大面積に
成膜するのは非常に効率が悪い。一般には反応ガスをガ
ス導入口2より流入するが、希釈ガスをガス導入口2よ
り、原料ガスをガス導入口9またはガス導入口10より流
入する方法も用いられている。希釈ガスとしては水素が
用いられ、原料ガスとして通常は気体で存在しているメ
タン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素などが用い
られ、極稀に通常は液体で存在しているメタノール、エ
タノール、アセトンなどが用いられている。基板保持台
を回転させることによって基板4上のダイヤモンドを含
む炭素材料またはダイヤモンド材料の膜厚および膜質の
均一性を向上させることを行うこともある。The shape of the apparatus used in the ECR plasma CVD method is almost the same as that of the magnetic field microwave CVD apparatus. However, since the reaction pressure is very low at 0.1 Torr or less, the plasma spreads and is larger than that of the magnetic field microwave CVD method. Area deposition is possible. For this reason, most ECR plasma CVD apparatuses are of a deposit-down type as shown in FIG. In a magnetic field microwave CVD apparatus as shown in FIG. 3, it is very inefficient to form a film on a large area inevitably due to the problem of the mass and operability of the reaction chamber. Generally, a reaction gas flows in from the gas inlet 2, but a method in which a diluent gas flows in from the gas inlet 2 and a raw material gas flows in from the gas inlet 9 or the gas inlet 10 is also used. Hydrogen is used as a diluting gas, and methane, acetylene, carbon monoxide, carbon dioxide, etc., which are usually present as gases, are used as raw material gases, and rarely, usually, methanol, ethanol, Acetone is used. By rotating the substrate holder, the film thickness and film quality of the carbon material containing diamond or the diamond material on the substrate 4 may be improved in some cases.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在行
われている方法には数多くの問題点がある。However, the current methods have a number of problems.
【0010】例えば熱フィラメントCVDにおいては、
フィラメント材料の蒸気圧が必然的に高くなるため成膜
した膜を汚染する可能性が高い。また、フィラメントの
寿命が短いため、交換の頻度が高くならざるをえないと
共に、経時変化やバッチ毎の均一性、再現性に乏しいと
いう欠点も有する。For example, in hot filament CVD,
Since the vapor pressure of the filament material inevitably increases, there is a high possibility that the formed film is contaminated. In addition, since the life of the filament is short, the frequency of replacement has to be increased, and there is a drawback that the change with time, the uniformity of each batch, and the reproducibility are poor.
【0011】他方、前述のプラズマCVDによる成膜に
関しては、大面積を均一に成膜することが、大型のプラ
ズマを均一に発生することに直結するため本質的に困難
であり、成膜速度も有磁場マイクロ波CVD法で1μm
/hr以下、ECRプラズマCVD法においては 0.3μ
m/hr以下と低いという決定的な欠点も有する。On the other hand, with respect to the film formation by the above-mentioned plasma CVD, it is inherently difficult to form a uniform film over a large area because it is directly connected to uniformly generating a large plasma, and the film forming speed is also low. 1μm by magnetic field microwave CVD
/ Hr or less, 0.3 μm in ECR plasma CVD
It also has a decisive disadvantage of being as low as m / hr or less.
【0012】これらの問題点をまとめると、従来の様な
真空プロセスにおいては反応性ガス濃度が低くなるため
に、必然的に成膜速度は低下する。そこで、比較的低真
空、望ましくは常圧プロセスでダイヤモンドを含む炭素
材料またはダイヤモンド材料の薄膜を成膜が可能であれ
ば良いのであるが、従来のメタン系及びメタノール系に
おいては不可能であった。確かにプラズマジェットによ
る溶射という方法も常圧プロセスとして存在するが、膜
質や均一性等から考えて問題外と言わざるを得ない。To summarize these problems, in a conventional vacuum process, the concentration of the reactive gas is low, so that the film forming speed is inevitably reduced. Therefore, it is sufficient that a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material can be formed by a relatively low vacuum, desirably a normal pressure process, but it is impossible with conventional methane and methanol systems. . Certainly, the method of thermal spraying using a plasma jet exists as a normal pressure process, but it must be said that it is out of the problem in view of the film quality and uniformity.
【0013】また、上記の成膜速度の問題以外にも、成
膜温度の低温化も従来は達成されていなかった。このこ
とが克服されれば、低融点金属などの熱に弱い物質上に
低温においてダイヤモンドを含む炭素材料またはダイヤ
モンド材料を作製することが可能となり、現在はスロー
アウェイチップ等のみである用途が更に広がることが予
想され産業上大きなメリットがある。また、高温におけ
る成膜では試料を取り出した際の冷却によるダイヤモン
ドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料の剥離が発生
しやすく、この現象を防ぐ意味でも重要である。[0013] In addition to the above-mentioned problem of the film forming speed, the lowering of the film forming temperature has not been achieved conventionally. If this is overcome, it becomes possible to produce diamond-containing carbon materials or diamond materials on heat-sensitive materials such as low-melting metals at low temperatures, further expanding the applications that are currently only throw-away tips etc. It is expected that there is a great industrial advantage. Further, in film formation at a high temperature, the carbon material containing diamond or the diamond material is likely to be separated due to cooling when the sample is taken out, which is also important in preventing this phenomenon.
【0014】[0014]
【問題を解決するための手段】前述の様に、問題を解決
するためには低真空、望ましくは常圧プロセスでダイヤ
モンドを含む炭素材料またはダイヤモンド材料の薄膜を
成膜が可能な方法を開発する必要があり、それと同時に
成膜の低温化を可能足らしめるためには、従来のメタン
系及びメタノール系等に代わる原料(反応性ガス)から
考える必要があった。As described above, in order to solve the problem, a method capable of forming a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material by a low vacuum, preferably a normal pressure process is developed. In order to make it possible to lower the temperature of the film at the same time, it is necessary to consider a raw material (reactive gas) that can replace conventional methane-based and methanol-based systems.
【0015】最近、ライス大のパターソンらが、CF4
と水素あるいはCS2 とフッ素等の原料気体を使用した
場合において、従来のメタン系よりも低温化等が可能で
あることを報告している。彼らは、固体炭素形成に関す
る簡単な熱力学的考察から、固体炭素の形成と安定性を
議論している。具体的には、固体炭素形成の際、原料か
ら側鎖等を全て取り去る時の自由エネルギーの変化をみ
ているのであるが、1000℃において、自由エネルギーの
変化を比較したところ、メタン単独のそれは−4.5KJ/mo
l にしか過ぎないのに対し、CF4 と水素から固体炭素
を作る際のそれは−340.0KJ/mol と桁違いに大きく、そ
れゆえにダイヤモンドの成膜が容易に行われる可能性が
あるという。Recently, Patterson et al. At Rice University reported that CF 4
It is reported that lower temperatures can be achieved than conventional methane systems when using raw materials such as methane and hydrogen or CS 2 and fluorine. They discuss the formation and stability of solid carbon from simple thermodynamic considerations of solid carbon formation. Specifically, during solid carbon formation, the change in free energy when removing all side chains and the like from the raw material is observed.When the change in free energy at 1000 ° C. is compared, that of methane alone is − 4.5KJ / mo
While no more than the l, while that of making the solid carbon from the CF 4 and hydrogen orders of magnitude and -340.0KJ / mol greater, therefore that there is a possibility that the deposition of the diamond is easily performed.
【0016】しかしながら、彼らの考察においては、活
性化エネルギーの考慮が全く欠けており、自由エネルギ
ーだけでは反応性を議論することは不十分である。ま
た、同様にグラファイトも形成されるのだが、それに関
する考察が安易であり、彼らのモデル化は不十分であっ
た。しかしながら、我々が考えていたモデルと比較的近
い内容であるため、興味深い内容ではある。However, in their consideration, the consideration of the activation energy is completely absent, and it is not enough to discuss the reactivity only with the free energy. Graphite is also formed, but their considerations were easy and their modeling was inadequate. However, it is interesting because it is relatively close to the model we were thinking of.
【0017】ここで、我々のモデルをより詳細に述べる
こととする。我々が注目したのは、常温で気体あるいは
液体の形状を有し、1.1−脱離反応によりCX2 ラジ
カル(Xはハロゲン元素)あるいはCH2 ラジカルに代
表されるカルベンを生成するハロゲン化炭化水素であ
る。これらCX2 ラジカル(Xはハロゲン元素)あるい
はCH2 ラジカルには、一重項と三重項のものが考えら
れる。この内、三重項のもの、即ちジラジカルに関して
は、C−H間に挿入反応を起こすことが考えられ、それ
がダイヤモンドの成膜に効果を発揮する可能性がある。
また一重項のものについては、シリコンの(001 )面に
おけるホローブリッジサイトのクラスターモデルについ
てSiH2 の一重項ラジカルが接近することによるエピ
タキシャル成長のモデルが提唱されており、同様の内容
をダイヤモンドに当てはめるのにそれほどの困難はない
と考えられるからである。Here, our model will be described in more detail. We have focused on halogenated carbons that have the shape of a gas or liquid at room temperature and produce carbene represented by CX 2 radical (X is a halogen element) or CH 2 radical by 1.1-elimination reaction. Hydrogen. These CX 2 radicals (X is a halogen element) or CH 2 radicals include singlet and triplet. Among them, a triplet, that is, a diradical is considered to cause an insertion reaction between C and H, which may exert an effect on diamond film formation.
As for the singlet type, a model of epitaxial growth due to the approach of singlet radicals of SiH 2 has been proposed for a cluster model of a hollow bridge site on the (001) plane of silicon, and the same contents can be applied to diamond. Is not considered to be so difficult.
【0018】我々のモデルに従って原料を選び、成膜し
てみたところダイヤモンドが成膜され、パターソンが良
いといっているCF4 で追試実験をしてみたところダイ
ヤモンドは確認されなかったのである。[0018] to select the raw materials in accordance with our model, diamond was tried to film formation is deposited, diamond was tried to the additional test experiment with CF 4 which is to say that Patterson is good is was not confirmed.
【0019】 即ち具体的にはCHF3 ,CH3 F等の
1.1−脱離反応によりCX2 ラジカル(Xはハロゲン
元素)あるいはCH2 ラジカルを生成するハロゲン化炭
化水素と水素、または必要に応じて不活性ガスを添加し
たガスを原料ガスとして用いた低真空(数百Torr)望ま
しくは常圧における熱CVDにおいて、比較的高速でダ
イヤモンド含む炭素材料またはダイヤモンド材料からな
る薄膜を成膜することが可能であることを見いだすに至
ったのである。[0019] That is, specifically, a CX 2 radical (X is a halogen element) or a halogenated hydrocarbon which produces a CH 2 radical by a 1.1-elimination reaction of CHF 3 , CH 3 F, etc. It is possible to form a carbon material containing diamond or a thin film made of a diamond material at a relatively high speed in a low-vacuum (several hundred Torr), preferably at normal pressure, thermal CVD using a gas to which an active gas is added as a source gas. I have found something.
【0020】また、前記熱CVDにおいて、材料ガスの
反応領域と、基板上への成膜領域とを分け、それぞれの
温度を独立に制御すると共に、前記反応領域で発生した
プリカーサーが効率よく基板上に到達すべくガスの流れ
を制御することにより、基板温度が100 〜400 ℃と比較
的低温においてもダイヤモンド含む炭素材料またはダイ
ヤモンド材料からなる薄膜を成膜することが可能である
こと、即ち低温化が可能であることも見いだしたのであ
る。In the thermal CVD, a reaction region of a material gas and a film formation region on a substrate are divided, and the respective temperatures are independently controlled, and a precursor generated in the reaction region is efficiently formed on the substrate. By controlling the gas flow to reach, it is possible to form a thin film made of a carbon material containing diamond or a diamond material even at a relatively low substrate temperature of 100 to 400 ° C. It was also found that was possible.
【0021】そして忘れてはならないのは、本発明の方
法でダイヤモンド薄膜を作製する際には、副生成物とし
てフッ化水素等のハロゲン化水素が発生するため、これ
らと高温で接触するチャンバー部分には従来の半導体等
で使用された石英やステンレスを使用することが実質的
には困難であることである。そこで、チャンバーの材料
として、フッ化水素等と比較的反応性が低く、かつ高温
における構造用材料として機能する材料、具体的にはア
ルミナ、サファイア、SiC、等のセラミック材料及び
モネル等の耐酸化性金属材料を使用した。この中でも、
SiCに関しては、焼結体の上からCVDコーティング
した材料を用いたところ、出来上がった膜中の不純物の
濃度が低く、非常に優れていた。It should be remembered that when a diamond thin film is prepared by the method of the present invention, hydrogen halide such as hydrogen fluoride is generated as a by-product, so that the chamber portion which comes into contact with these at a high temperature. Is that it is practically difficult to use quartz or stainless steel used in conventional semiconductors. Therefore, as a material of the chamber, a material having relatively low reactivity with hydrogen fluoride or the like and functioning as a structural material at a high temperature, specifically, a ceramic material such as alumina, sapphire, or SiC, and an oxidation-resistant material such as Monel. A metallic material was used. Among them,
With respect to SiC, when a material coated by CVD from above the sintered body was used, the concentration of impurities in the resulting film was low and was very excellent.
【0022】以下に実施例を示してより詳細に本発明を
説明する。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
『実施例1』まず第一ステップとして、パターソンらの
モデルに従ってCF4 +水素系で、熱CVDを試みるこ
とにした。成膜の条件は、チャンバー内圧力が760torr
、CF4 濃度が1 〜5 %、材料ガスの反応領域におけ
る温度が880 ℃、前述の反応領域をガスが通過する際の
所要時間が約1 〜10秒、成膜領域の基板温度が300 〜40
0 ℃、成膜時間が8時間という条件で行った。また、チ
ャンバーの材質はモネル400 を使用した。実は、これら
のパラメーターは、ライス大のパターソンらの実験の際
のパラメータに準拠したものであった。Example 1 As a first step, thermal CVD was attempted in a CF 4 + hydrogen system according to the model of Patterson et al. The conditions for film formation are as follows: chamber pressure is 760 torr
The concentration of CF 4 is 1 to 5%, the temperature of the material gas in the reaction region is 880 ° C., the time required for the gas to pass through the reaction region is about 1 to 10 seconds, and the substrate temperature of the film formation region is 300 to 40
The test was performed under the conditions of 0 ° C. and a deposition time of 8 hours. The material of the chamber was Monel 400. In fact, these parameters were based on those of Rice University's Patterson et al.
【0023】今回の実験に用いた実験装置の構成を図5
に示す。基本的には、電気炉を加熱源としたホットウォ
ール型の熱CVDであり、電気炉の温度及び、電気炉に
挿入されたチャンバーの長さを変更することにより、反
応領域における温度及び通過に要する時間を調節するこ
とが可能である。また、温度勾配については、断熱材の
有無及び冷却用ファンの設置等によって調節を行い、88
0 ℃〜室温までリニアとなるように調節して実験を行っ
た。FIG. 5 shows the configuration of the experimental apparatus used in this experiment.
Shown in Basically, it is a hot-wall type thermal CVD using an electric furnace as a heating source. By changing the temperature of the electric furnace and the length of the chamber inserted into the electric furnace, the temperature and the passage in the reaction region can be reduced. The time required can be adjusted. The temperature gradient was adjusted by the presence or absence of heat insulating material and the installation of cooling fans.
The experiment was performed by adjusting the temperature to be linear from 0 ° C. to room temperature.
【0024】まず、チャンバー内の、400 〜200 ℃に相
当する部分に、チャンバーと同様のモネル400 からなる
基板を設置し、その後、チャンバー内を少なくとも10-3
torr以下まで真空に引いた。尚、基板は念のためにダイ
ヤモンドパウダーによる傷つけ処理を行った。Firstly, in the chamber, a portion corresponding to 400 to 200 DEG ° C., providing a substrate consisting of a chamber similar to Monel 400, then, the inside of the chamber at least 10 -3
Vacuum was pulled to below torr. The substrate was subjected to a scratching treatment with diamond powder just in case.
【0025】チャンバー内が十分に真空になった後、電
気炉の温度を昇温し、定常状態になったところで反応ガ
スを導入し、成膜を行った。成膜中の温度は、図6に示
す様な、チャンバー内の構造により、インサイチュウで
測定可能であり、其故に基板温度も正確に把握すること
ができた。After the inside of the chamber was sufficiently evacuated, the temperature of the electric furnace was raised, and when it reached a steady state, a reaction gas was introduced to form a film. The temperature during the film formation could be measured in situ by the structure in the chamber as shown in FIG. 6, and therefore the substrate temperature could be accurately grasped.
【0026】8時間の成膜終了後、反応ガスを止め、十
分に真空引き(少なくとも10-3torr以下)を行った後、
試料を取り出した。勿論基板温度が高い際に大気に暴露
すると酸化されてしまうので注意が必要である。After the completion of the film formation for 8 hours, the reaction gas is stopped, and a sufficient evacuation (at least 10 −3 torr or less) is performed.
A sample was removed. Of course, care must be taken since exposure to the air when the substrate temperature is high will result in oxidation.
【0027】成膜後の膜について、ラマン分光測定、及
びXRD の測定を行った。しかしながら残念にもダイヤモ
ンドに起因すると思われるピークは確認されなかった。
その後、パラメータを各種変更し、成膜時間も最長40時
間まで延長してみたが結果は同様であった。The film after film formation was measured for Raman spectroscopy and XRD. Unfortunately, however, no peaks attributed to diamond were identified.
After that, various parameters were changed and the deposition time was extended up to 40 hours, but the result was the same.
【0028】次いで、我々のモデルに従い、1.1−脱
離反応によりCX2 ラジカル(Xはハロゲン元素)ある
いはCH2 ラジカルを生成するハロゲン化炭化水素とし
てCHF3 及び水素に原料を変更し、同様の実験を行っ
た。上述の実験は、単なる追試実験であった為、モネル
基板を使用したが、我々は半導体プロセスへの応用を考
えており、今回はノーマルに基板材料として利用されて
いる、単結晶シリコンウェハーをカットしたものを使用
した。Next, according to our model, the raw materials were changed to CHF 3 and hydrogen as halogenated hydrocarbons producing CX 2 radicals (X is a halogen element) or CH 2 radicals by 1.1-elimination reaction. Was conducted. Since the above experiment was a mere additional test, we used a Monel substrate, but we are thinking of applying it to a semiconductor process.This time, we cut a single crystal silicon wafer, which is normally used as a substrate material. What was used was used.
【0029】まず、チャンバー内の、400 〜200 ℃に相
当する部分に単結晶シリコンからなる基板を設置し、そ
の後、チャンバー内を少なくとも10-3torr以下まで真空
に引いた。尚、今回も基板は念のためにダイヤモンドパ
ウダーによる傷つけ処理を行った。その他の条件は、前
述の方法と全く同様である。First, a substrate made of single crystal silicon was set in a portion corresponding to 400 to 200 ° C. in the chamber, and then the chamber was evacuated to at least 10 −3 torr or less. In this case, the substrate was also subjected to a scratching treatment with diamond powder just in case. Other conditions are exactly the same as the above-mentioned method.
【0030】成膜終了後、基板を取り出してラマン分光
測定を行って見たところ、基板温度が高い部分は、全て
不定型炭素に起因すると見られるピークであったが、20
0 〜300 ℃の部分については、1550cm-1付近にアモルフ
ァス状炭素材料のブロードなピークが存在しているが、
1332cm-1にダイヤモンドの鋭いピークを確認することが
できた。レーザー出力の変更等を行っても、ピーク位置
がずれないことを確認し、このピークがダイヤモンドで
あると同定した。すなわち、ダイヤモンド材料を含む炭
素膜が成膜されたと考えても良い。ラマン分光の感度は
アモルファス状炭素に対しては鋭い感度をもっているが
ダイヤモンドに対してはそれほどの感度はもっていない
こともピーク強度の差になってあらわれていると考えら
れる。After the film formation was completed, the substrate was taken out and subjected to Raman spectroscopy. When the substrate temperature was high, all peaks were considered to be due to amorphous carbon.
In the part between 0 and 300 ° C, a broad peak of the amorphous carbon material exists around 1550 cm -1 ,
A sharp diamond peak was observed at 1332 cm -1 . Even if the laser output was changed, it was confirmed that the peak position did not shift, and this peak was identified as diamond. That is, it may be considered that the carbon film containing the diamond material is formed. The sensitivity of Raman spectroscopy is sharp for amorphous carbon, but not so high for diamond, which may be due to the difference in peak intensity.
【0031】パターソンの理論によれば、CF4 はCH
F3よりもダイヤモンドを作製し易いはずであり、今回
の実験結果と矛盾する。すなわち、パターソンらの理論
は不十分であり、我々のモデルの方がより正しかったこ
とが確認されたわけであるAccording to Patterson's theory, CF 4 is CH 2
And it would likely produce a diamond than F 3, inconsistent with this experimental result. In other words, Patterson et al.'S theory was inadequate, confirming that our model was more correct.
【0032】『実施例2』本実験においては、実施例1
を更にプロセスを最適化した例を示す。即ち、原料は全
く同一のCHF3 と水素であり、CHF3 の濃度を低く
するためにヘリウムを加えている。各パラメータは、C
HF3 濃度が1 〜0.25%、材料ガスの反応領域における
温度が840 ℃、前述の反応領域をガスが通過する際の所
要時間が約1 〜5 秒、成膜領域の基板温度が100 〜350
℃、成膜時間が8時間という条件で行った。実験に使用
した装置及び実験方法等は実施例1と同様である。Example 2 In this experiment, Example 1 was used.
Shows an example in which the process is further optimized. That is, the raw materials are exactly the same CHF 3 and hydrogen, and helium is added to reduce the concentration of CHF 3 . Each parameter is C
HF 3 concentration of 1 to 0.25%, temperature of 840 ° C. in the reaction zone of the material gas, the time required for passing through a gas reaction region of the aforementioned approximately 1-5 seconds, the substrate temperature in the deposition region is from 100 to 350
C. and a film formation time of 8 hours. The apparatus and the experimental method used in the experiment are the same as those in the first embodiment.
【0033】まず、CHF3 濃度が1%の際に得られた
ラマン分光の結果を図7に示す。ハッキリとダイヤモン
ドに起因するピークが確認されているが、それ以外のピ
ークも数多く確認されている。これらは、従来のメタン
系でも確認された不定型炭素あるいは炭素のポリマーに
起因するピークと考えられ、原料ガスが適正濃度より高
いときに多く確認されるケースが多い。そこで、更に濃
度を下げ、CHF3 濃度0.25%におけるラマン分光の結
果を図8に示す。CHF3 濃度以外の成膜条件は全く同
一である。この結果より、明らかにダイヤモンドが成膜
されていることが確認された。デポレートは約1μm/
hr以上で、材料ガスの反応領域における温度が880 ℃
°C であった実施例1よりも明らかに増大しており、成
膜機構を考える上で非常に興味深かった。又、膜の均一
性は非常に高かった。First, the results of Raman spectroscopy obtained when the CHF 3 concentration is 1% are shown in FIG. Although peaks attributable to diamonds and diamonds have been confirmed, many other peaks have also been confirmed. These peaks are considered to be caused by amorphous carbon or a polymer of carbon, which were also confirmed in the conventional methane system, and are often confirmed when the concentration of the raw material gas is higher than an appropriate concentration. The results of Raman spectroscopy at a CHF 3 concentration of 0.25% are shown in FIG. The film forming conditions other than the CHF 3 concentration are exactly the same. From this result, it was confirmed that diamond was clearly formed. Depot rate is about 1 μm /
hr or more, the temperature of the material gas in the reaction zone is 880 ° C.
° C, which was clearly higher than in Example 1, and was very interesting in considering the film formation mechanism. Also, the uniformity of the film was very high.
【0034】『実施例3』本実験においては、実施例2
のプロセスにおいて、原料を変更した例を示す。即ち、
原料としてCH3 Fと水素であり、希釈のためにヘリウ
ムを加えた。各パラメータは、CH3 F濃度が0.25%、
材料ガスの反応領域における温度が840 ℃、前述の反応
領域をガスが通過する際の所要時間が約1 〜5 秒、成膜
領域の基板温度が100 〜350 ℃、成膜時間が8時間とい
う条件で行った。実験に使用した装置及び実験方法等は
実施例2と同様である。Example 3 In this experiment, Example 2 was used.
An example in which the raw materials are changed in the process of (1) is shown. That is,
The raw materials were CH 3 F and hydrogen, and helium was added for dilution. Each parameter is 0.25% CH 3 F concentration,
The temperature of the material gas in the reaction zone is 840 ° C, the time required for the gas to pass through the above-mentioned reaction zone is about 1 to 5 seconds, the substrate temperature in the film formation area is 100 to 350 ° C, and the film formation time is 8 hours. Performed under conditions. The apparatus and the experimental method used in the experiment are the same as those in the second embodiment.
【0035】得られた薄膜について、ラマン分光で測定
したところ、非常にハッキリとダイヤモンドに起因する
ピークが確認された。しかしながら膜厚に関しては、C
HF 3 濃度0.25%の結果よりも明らかに薄く、デポレー
トが低下していることが確認された。Measurement of the obtained thin film by Raman spectroscopy
Very clear and due to diamond
A peak was observed. However, regarding the film thickness, C
HF ThreeClearly thinner than the result of the concentration of 0.25%,
It has been confirmed that the cost has decreased.
【0036】『実施例4』本実験においては、実施例2
のプロセスにおいて、原料を変更した例を示す。即ち、
原料としてCHCl3 と水素であり、希釈のためにヘリ
ウムを加えた。実施例1〜3においては原料は全て常温
で気体であった為問題なかったのであるが、今回の原料
は常温で液体であるため、ベーパーソースを用いて実験
を行った。また、成膜の際に必然的に塩化水素が発生す
るため、チャンバーをモネル管からアルミナ管に変更し
た。各パラメータは、CHCl3 濃度が0.25%、材料ガ
スの反応領域における温度が820 ℃、前述の反応領域を
ガスが通過する際の所要時間が約1 〜5 秒、成膜領域の
基板温度が100 〜350 ℃、成膜時間が8時間という条件
で行った。実験に使用した装置及び実験方法等は、上述
の変更点を除いては実施例2と同様である。実験に先立
って、チャンバー内に傷つけ処理を行ったシリコン基板
を設置し、その後チャンバー内が十分に真空になった
後、電気炉の温度を昇温し、定常状態になったところで
反応ガスを導入し、成膜を行った。尚、減圧状態でベイ
パーソースと接続すると、一時的にCHCl3濃度が高
くなってしまうという問題が生じたため、まずは水素と
ヘリウムでチャンバー内を760torrにした後にCHCl
3 を導入して成膜を行った。Example 4 In this experiment, Example 2 was used.
An example in which the raw materials are changed in the process of (1) is shown. That is,
The raw materials were CHCl 3 and hydrogen, and helium was added for dilution. In Examples 1 to 3, there was no problem because the raw materials were all gases at room temperature, but there was no problem. However, since the raw materials were liquid at room temperature, an experiment was performed using a vapor source. Since hydrogen chloride was inevitably generated during film formation, the chamber was changed from a monel tube to an alumina tube. The parameters are as follows: CHCl 3 concentration: 0.25%; temperature in the reaction region of the material gas: 820 ° C .; time required for the gas to pass through the above-mentioned reaction region; The film formation was performed at a temperature of 350 ° C. and a film formation time of 8 hours. The apparatus and the experiment method used in the experiment are the same as those in Example 2 except for the above-mentioned changes. Prior to the experiment, a scratched silicon substrate was installed in the chamber, and then the inside of the chamber was sufficiently evacuated. Then, a film was formed. Note that, when connected to a vapor source under reduced pressure, there was a problem that the concentration of CHCl 3 temporarily increased.
3 was introduced to form a film.
【0037】本実施例で得られた薄膜について、ラマン
分光で測定したところ、非常にハッキリとダイヤモンド
に起因するピークが確認された。しかも膜厚に関して
は、CHF3 濃度0.25%の結果よりも明らかに厚く、デ
ポレートが上昇していることが確認された。When the thin film obtained in this example was measured by Raman spectroscopy, a very clear peak due to diamond was confirmed. In addition, the film thickness was clearly thicker than the result of the CHF 3 concentration of 0.25%, and it was confirmed that the deposit increased.
【0038】[0038]
【発明の効果】本発明によって、低真空あるいは常圧プ
ロセスでダイヤモンドを含む炭素材料またはダイヤモン
ド材料の薄膜の成膜が可能となった。その方法も、最も
コンベンショナルな熱CVDで成膜することが可能であ
り、そのためにプラズマCVD等とは異なりガスの流れ
だけを考慮すれば大面積化も容易である。また、デポレ
ートも、我々の実験において約1μm/hr以上と有磁
場プラズマCVD等よりは高い値を得ており、パラメー
タの最適化を図ることにより更なる高いデポレートも可
能であろう。According to the present invention, a thin film of a carbon material containing diamond or a diamond material can be formed by a low vacuum or normal pressure process. Also in this method, it is possible to form a film by the most conventional thermal CVD, and therefore, unlike plasma CVD and the like, it is easy to increase the area by considering only the gas flow. Also, in our experiments, the depot obtained a value higher than about 1 μm / hr, which is higher than that of a magnetic field plasma CVD or the like, and a higher depot can be obtained by optimizing the parameters.
【0039】また、前記熱CVDにおいて、材料ガスの
反応領域と、基板上への成膜領域とを分け、それぞれの
温度を独立に制御すると共に、前記反応領域で発生した
プリカーサーが効率よく基板上に到達すべくガスの流れ
を制御することにより、基板温度が100 〜400 ℃と比較
的低温においてもダイヤモンドを含む炭素材料またはダ
イヤモンド材料からなる薄膜を成膜することが可能に、
即ち低温化が可能となった。このことによって、従来は
不可能と思われた材料、例えばプラスチックの様に高温
プロセスに耐えられず、従来の方法ではアモルファスカ
ーボン等しか成膜できなかった物にまでダイヤモンドが
成膜可能となり、新しい用途が可能となる。In the thermal CVD, a reaction region of a material gas and a film formation region on a substrate are separated, and the respective temperatures are independently controlled, and a precursor generated in the reaction region is efficiently applied to the substrate. By controlling the gas flow to reach, it is possible to form a thin film made of a carbon material containing diamond or a diamond material even at a relatively low substrate temperature of 100 to 400 ° C.
That is, the temperature can be reduced. This makes it possible to form diamond on materials that were previously considered impossible, such as plastics, which could not withstand high-temperature processes and could only form amorphous carbon or the like with conventional methods. Applications are possible.
【0040】よって、本発明は産業上非常に有用な特許
であると考えられる。Therefore, the present invention is considered to be a very useful industrial patent.
【図1】熱フィラメントCVD装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a hot filament CVD apparatus.
【図2】マイクロ波CVD装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a microwave CVD apparatus.
【図3】有磁場マイクロ波CVD装置の概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of a magnetic field microwave CVD apparatus.
【図4】ECRプラズマCVD装置の概略図である。FIG. 4 is a schematic view of an ECR plasma CVD apparatus.
【図5】本実験で用いたハロゲン化炭化水素を用いた熱
CVD装置の概略図である。FIG. 5 is a schematic view of a thermal CVD apparatus using a halogenated hydrocarbon used in this experiment.
【図6】本実験で用いたハロゲン化炭化水素を用いた熱
CVD装置のチャンバー内の概略図である。FIG. 6 is a schematic view of the inside of a chamber of a thermal CVD apparatus using a halogenated hydrocarbon used in this experiment.
【図7】本実施例の実験で得られたダイヤモンド材料の
ラマンスペクトルである。FIG. 7 is a Raman spectrum of the diamond material obtained in the experiment of this example.
【図8】本実施例の実験で得られたダイヤモンド材料の
ラマンスペクトルである。FIG. 8 is a Raman spectrum of the diamond material obtained in the experiment of this example.
1 石英反応管 2、9、10、14 ガス導入口 3 フィラメント 4 基板 5 排気 6 マイクロ波導波管 7 磁場コイル 8 浮遊電位 11 チャンバー 12 電気炉( 加熱源) 13 ベーパーソース 15 熱電対用保護管 16 原料ガス 17 基板保持用ボート 18 基板 19 反応領域 20 マスフローコントローラー DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quartz reaction tube 2, 9, 10, 14 Gas inlet 3 Filament 4 Substrate 5 Exhaust 6 Microwave waveguide 7 Magnetic field coil 8 Floating potential 11 Chamber 12 Electric furnace (heating source) 13 Vapor source 15 Thermocouple protection tube 16 Source gas 17 Substrate holding boat 18 Substrate 19 Reaction area 20 Mass flow controller
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 CA(STN) JICSTファイル(JOIS)────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C30B 1/00-35/00 CA (STN) JICST file (JOIS)
Claims (3)
素材料またはダイヤモンド材料を作製する方法におい
て、常温で気体あるいは液体で存在するハロゲン化炭化
水素と、水素あるいは水素と希釈ガスを用い、加熱によ
り前記ハロゲン化炭化水素を1.1−脱離反応させてカ
ルベンを生成させ、ダイヤモンドを含む炭素材料または
ダイヤモンド材料を作製することを特徴とする炭素材料
作製方法。In a method for producing a carbon material containing diamond or a diamond material by a thermal CVD method, a halogenated hydrocarbon existing as a gas or a liquid at room temperature, hydrogen, or hydrogen and a diluent gas are used.
1.1-elimination reaction of the halogenated hydrocarbon
To produce ruben, carbon material containing diamond or
A method for producing a carbon material, comprising producing a diamond material .
水素の濃度は1%以下であることを特徴とする炭素材料
作製方法。2. The method according to claim 1, wherein the concentration of the halogenated hydrocarbon is 1% or less.
化炭化水素は、CHF3 又はCHCl3 であることを特
徴とする炭素材料作製方法。3. The method according to claim 1, wherein the halogenated hydrocarbon is CHF 3 or CHCl 3 .
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JPH05155690A JPH05155690A (en) | 1993-06-22 |
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