(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素成分を含むガスから基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、
前記基板の上方に熱電子放出材料を含む電子放出体を設け、
その電子放出体から離隔した位置に電極を設け、
前記基板の電位に対して相対的に高い電位を常に前記電子放出体に与え、かつ前記電子放出体の電位に対して相対的に高い電位を少なくとも一時的に前記電極に与えることにより、前記電子放出体と前記基板との間にプラズマを発生させ、かつ、前記電子放出体から前記電極へ電子を移動させて前記電極と前記電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする、ダイヤモンド合成方法。
【請求項２】
炭素成分を含むガスから基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、
前記基板の上方に熱電子放出材料を含む電子放出体を設け、
その電子放出体から離隔した位置に電極を設け、
前記基板の電位に対して相対的に高い電位を少なくとも一時的に前記電子放出体に与え、かつ前記電子放出体の電位に対して相対的に高い電位を常に前記電極に与えることにより、前記電子放出体と前記基板との間にプラズマを発生させ、かつ、前記電子放出体から前記電極へ電子を移動させて前記電極と前記電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする、ダイヤモンド合成方法。
【請求項３】
前記基板の電位に対して相対的に高い電位を常に前記電子放出体に与え、かつ前記電子放出体の電位に対して相対的に高い電位を常に前記電極に与えることにより、前記電子放出体と前記基板との間にプラズマを発生させ、かつ、前記電子放出体から前記電極へ電子を移動させて前記電極と前記電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド合成方法。
【請求項４】
前記電子放出体は、前記電極と前記基板との間に設けられることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド合成方法。
【請求項５】
前記電極は複数個あり、それぞれの前記電極の電位は互いに独立して制御されることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド合成方法。
【請求項６】
前記基板は単結晶体であることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド合成方法。
【請求項７】
前記基板の表面に厚さ１００μｍ以下の薄膜層が形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のダイヤモンド合成方法。
【請求項８】
炭素成分を含むプラズマを用いて基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、
前記基板の上方に熱電子放出材料を含む第１の電子放出体を設け、
その第１の電子放出体から離隔した位置に熱電子放出材料を含む第２の電子放出体を設け、
前記第１の電子放出体と前記第２の電子放出体との間に交流電位を与えることにより前記第１の電子放出体と前記第２の電子放出体との間にプラズマを発生させ、かつ、
前記第１および第２の電子放出体の平均電位に対して低い電位を前記基板に少なくとも一時的に与えることにより前記基板と前記第１の電子放出体の間および前記基板と前記第２の電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする、ダイヤモンド合成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイヤモンド合成方法に関し、特に、半導体材料、電子部品、光学部品、切削工具、耐摩工具、精密工具などに用いられる面積の大きいダイヤモンド膜の製造方法に関するものである。さらに、この発明は、半導体デバイス用の基板、熱伝導率の高いヒートシンクまたは光透過特性の高い光学部品として利用可能なダイヤモンドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ダイヤモンドは、以下のような特性を有している。
【０００３】
ａ．高強度である。
ｂ．耐摩耗性に優れている。
【０００４】
ｃ．圧縮率・熱膨張率が小さい。
ｄ．絶縁体でありながら熱伝導度が非常に高い。
【０００５】
ｅ．屈折率が高く、光学的（紫外・可視・赤外）に透明である。
ｆ．耐薬品性に優れる。
【０００６】
ｇ．音波の伝播速度に優れる。
ｈ．特定の不純物をドープすることにより半導体特性を与えることができる。
【０００７】
このような特性を考慮して、ダイヤモンドを各種分野で利用することが考えられている。ダイヤモンドは、今や産業界において必要不可欠な物質となっている。
【０００８】
ここで、ダイヤモンド以外の基板の上にダイヤモンドを気相成長させる方法が近年研究されている。ダイヤモンド以外の基板にダイヤモンド成長させる場合には、まず、基板上にダイヤモンド粒子からなる核を発生させる。次に、この核を中心としてダイヤモンドの成長が始まる。このようなダイヤモンドの気相成長方法においては、基板表面の原子の配列を考慮してダイヤモンドを気相成長させている。たとえば、基板の表面が｛１００｝面であった場合には、ダイヤモンドの｛１００｝面の成長速度が他の面の成長速度に比べて大きい条件で基板上にダイヤモンドを成長させる。上述のような方法でダイヤモンド以外の基板の上にダイヤモンドを成長させる方法として、以下で示す文献に記載されたものが知られている。
【０００９】
（１）  Koizumi et al. Appl. Phys. Lett. No.57, （1990）, p 563
（２）  Jiang and Klages Diamond and Related Mater No.2,（1993）, p 1112
（３）  Stoner and Glass Appl. Phys. Lett. No.60, （1992）, p 698
（４）  藤田ら、第４回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集pp.13 〜14
（５）  犬塚ら、第４３回（１９９６年春季）応用物理学関係連合講演会講演予稿集No.2 p403
（６）  Yugo et al. Appl. Phys. Lett. No.58,（1991）, p 1036
（１）では、立方晶窒化ホウ素からなる基板を用いている。（２）では、ケイ素からなる基板を用いている。（３）では、炭化ケイ素からなる基板を用いている。（４）では、ニッケルからなる基板を用いている。（５）では、銅、白金、黒鉛、酸化ベリリウムまたはイリジウムからなる基板を用いている。（６）では、ケイ素、炭化ケイ素またはイリジウムからなる基板を用い、基板負バイアス処理を行なっている。この基板負バイアス処理というのは、マイクロ波プラズマＣＶＤ法において、プラズマに対して低い電位を基板に与えるものである。（６）で示された方法によってダイヤモンドが生成する反応機構として、イオン衝撃の効果やラジカル濃縮化の効果などが提案されている。しかしながら、反応機構は詳細にはわかっていない。
【００１０】
この方法で基板上に均一に核を発生させるためには、プラズマが均一に発生し、かつ基板の表面上で均一な電界が生じなければならない。しかしながら、このような条件を実現させるのは困難であるため（６）に示された方法では、基板上に十分にダイヤモンドを成長させることができない。
【００１１】
また、（６）で示す方法では、基板の表面上の電界を強くすると多くの核が発生することが知られている。しかしながら、電界が強すぎると方位が乱れたダイヤモンドの核が生じるため、高品質なダイヤモンドを得ることが困難となる。一方、熱フィラメントＣＶＤ法を用い、基板上にダイヤモンドを成長させる方法がChen et al. Appl. Phys. Lett. Vol.67, No.13,（1995）pp.1853 〜1855に記載されている。
【００１２】
この方法では、フィラメントに対して低い電位を基板に与えることでダイヤモンドの核を発生させることに成功している。この方法では、熱フィラメントによるラジカルを発生させ、ＤＣバイアスによりこのラジカルをＤＣプラズマとしているものと考えられる。
【００１３】
しかしながら、この方法においても基板表面上に電界を均一に発生させることは困難であり、基板のエッジ部分にのみ核が発生するなどの問題点が報告されている。また、基板とフィラメント間の放電が不安定になるという問題も報告されている。
【００１４】
さらに、熱電子放出材料から電子を引出して放電させ、基板の近傍にプラズマを発生させることによりダイヤモンドを合成する方法が特開昭６３−３０３９７（特公平０６−４９６３５）号公報に記載されている。
【００１５】
しかしながら、この発明でも、ダイヤモンドの核が十分に成長しないため、面積が大きくかつ高品質のダイヤモンドを得ることが困難である。
【００１６】
そこで、この発明は上述のような問題を解決するためになされたものであり、基板の上にダイヤモンドの核を均一かつ大量に発生させ、面積が大きくかつ高品質のダイヤモンドを基板の上に合成する方法を得ることを目的とするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明の１つの局面に従ったダイヤモンドを合成する方法は、炭素成分を含むガスから基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、基板の上方に熱電子放出材料を含む電子放出体を設け、その電子放出体から離隔した位置に電極を設け、基板の電位に対して相対的に高い電位を常に電子放出体に与え、かつ電子放出体の電位に対して相対的に高い電位や少なくとも一時的に電極に与えることにより、電子放出体と基板との間にプラズマを発生させ、かつ、電子放出体から電極へ電子を移動させて電極と電子放出体との間にプラズマを発生させることを特徴とする。
この発明の別の局面に従ったダイヤモンドを合成する方法は、炭素成分を含むガスから基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、基板の上方に熱電子放出材料を含む電子放出体を設け、その電子放出体から離隔した位置に電極を設け、基板の電位に対して相対的に高い電位を少なくとも一時的に電子放出体に与え、かつ電子放出体の電位に対して相対的に高い電位を常に電極に与えることにより、電子放出体と基板との間にプラズマを発生させ、かつ、電子放出体から電極へ電子を移動させて電極と電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする。
好ましくは、基板の電位に対して相対的に高い電位を常に電子放出体に与え、かつ電子放出体の電位に対して相対的に高い電位を常に電極に与えることにより、電子放出体と基板との間にプラズマを発生させ、かつ、電子放出体から電極へ電子を移動させて電極と電子放出体の間にプラズマを発生させることを特徴とする。
【００１８】
このような方法に従えば、基板の電位に対して相対的に高い電位が電子放出体に与えられているため、基板から電子放出体へ電子が移動する。この電子の作用により基板と電子放出体との間にプラズマが発生するが、このプラズマの量は少ない。しかしながら、この発明では、電子放出体から電極へ大量の電子が移動するため、この電子の作用により、電極と電子放出体との間に多量のプラズマが発生することになる。したがって、この電子放出体と電極との間のプラズマに励起されて基板と電子放出体との間により多くのプラズマが発生する。したがって、方位が整ったダイヤモンドの核が基板の表面に均一にかつ大量に発生することになる。その結果、この核をもとにダイヤモンドを成長させれば、面積が大きくかつ高品質のダイヤモンドを得ることができる。
【００１９】
また、電子放出体は、電極と基板との間に設けられることが好ましい。さらに、電極が複数個あり、それぞれの電極の電位が独立して制御されることが好ましい。この場合、それぞれの電極の電位を制御することでプラズマの量の空間分布を制御することができる。したがって、プラズマを均一に発生させ、基板上にダイヤモンドの核を均一に発生させることができる。その結果、この核をもとにダイヤモンドを成長させれば、面積が大きくかつ高品質のダイヤモンドを得ることができる。
【００２０】
また、基板は単結晶体であることが好ましい。これは単結晶基板を用いることにより、ダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長が可能となるからである。
【００２１】
また、基板表面にはエピタキシャル成長した薄膜が形成されていても同様にダイヤモンドのヘテロエピタキシャル成長が可能となる。
【００２２】
また、基板の表面に厚さ１００μｍ以下の薄膜層が形成されていることが好ましい。
【００２３】
また、この発明は、炭素成分を含むプラズマ状態から基板上にダイヤモンドを合成する方法であって、基板の上方に熱電子放出材料を含む第１の電子放出体が設けられる。その第１の電子放出体から離隔した位置に熱電子放出材料を含む第２の電子放出体が設けられる。第１の電子放出体と第２の電子放出体との間に交流電位を与えることにより第１の電子放出体と第２の電子放出体との間にプラズマを発生させかつ第１および第２の電子放出体の平均電位に対して低い電位を基板に少なくとも一時的に与えることにより基板と第１の電子放出体の間および基板と第２の電子放出体の間にプラズマを発生させる。
【００２４】
このような方法に従えば、第１と第２の電子放出体には、基板に対して相対的に高い電位が与えられている。そのため、基板から第１と第２の電子放出体へ電子が移動する。この電子の作用により、基板と、第１または第２の電子放出体との間にプラズマが発生するが、このプラズマの量は少ない。しかしながら、第１の電子放出体から第２の電子放出体へ大量の電子が移動するため、この電子の作用により第１の電子放出体と第２の電子放出体との間に大量のプラズマが発生する。そのため、第１と第２の電子放出体の間のプラズマに励起されることにより、基板と、第１または第２の電子放出体との間にさらに多くのプラズマが発生する。したがって、基板と電子放出体との間に発生したプラズマにより方位の整ったダイヤモンドの核が基板の表面に均一にかつ大量に生ずる。その結果、この核をもとにダイヤモンドを成長させれば面積が大きくかつ高品質のダイヤモンドが製造できる。
【００２５】
【実施例】
（実施例１）
図１は、実施例１、２および５で用いたダイヤモンド合成装置を模式的に示す図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿って見たフィラメントの配線図である。図１および図２を参照して、チャンバ２と、フィラメント３と、電極４と、支持台５と、交流電源６と、直流電源７、８によりダイヤモンド合成装置１を構成した。
【００２６】
チャンバ２内にフィラメント３を設けた。フィラメント３は長さ１０ｃｍ、直径０．２ｍｍのタングステン線により構成した。フィラメント３の本数は１１本とした。フィラメント３間の距離（図２中Ｗ）は１０ｍｍとした。
【００２７】
フィラメント３の上方にタンタル（Ｔａ）からなる電極４を設けた。電極４の厚さ（図１中ｔ）は２ｍｍとした。また、電極４の直径（図１中Ｄ）は８０ｍｍとした。
【００２８】
フィラメント３の下方に支持台５を設けた。支持台５の上に単結晶シリコンからなる基板１１を載置した。基板１１の直径は３インチとした。基板１１の表面のうち、フィラメント３に対面する部分は（１１１）面とした。フィラメント３と基板１１との距離を１０ｍｍとした。フィラメント３と交流電源６を電気的に接続した。交流電源６の電圧は８０Ｖ、周波数は６０Ｈｚとした。交流電源６からチャンバ２を電気的に絶縁した。支持台５は導電体からなる。支持台５と直流電源７の負極を電気的に接続した。直流電源７の電圧は１５０Ｖとした。直流電源７の正極をフィラメント３に電気的に接続した。
【００２９】
直流電源８の電圧を６０Ｖとした。直流電源８の負極をフィラメント３と、直流電源７の正極と、交流電源６に電気的に接続した。直流電源８の正極を電極４に電気的に接続した。直流電源７、８からチャンバ２を電気的に絶縁した。
【００３０】
チャンバ２には、原料となるガスを導入するためのガス導入口１０を設けた。チャンバ２に真空ポンプ９を接続してチャンバ２内の圧力を調整することができるようにした。
【００３１】
このように構成したダイヤモンド合成装置１により基板１１の（１１１）面上にダイヤモンドの成膜を試みた。
【００３２】
まず、チャンバ２内の圧力を１００Ｔｏｒｒとした。チャンバ２内にガス導入口１０から流量１０００ｓｃｃｍ（standard cubic cm par minutes ）の水素と流量２０ｓｃｃｍのメタンを導入した。ここで、流量Ｘｓｃｃｍとは、温度２５℃、圧力１気圧のもとで体積Ｘｃｍ3 となる量の気体を１分間に流すことをいう。また、フィラメント３の温度は２０００±２０℃であった。フィラメント３の平均電位は電極４の平均電位より低く、その差は６０Ｖであった。フィラメント３からの発光のため目視ではプラズマが形成されていることが確認できなかったが、電極４とフィラメント３との間には４Ａの電流が流れていた。また、フィラメント３の平均電位は基板１１の平均電位より高く、その差は１５０Ｖであった。フィラメント３と基板１１との間には１Ａの電流が流れていた。
【００３３】
このように、電極４とフィラメント３との間に４Ａの電流、フィラメント３と基板１１の間に１Ａの電流が流れる状態を３０分間維持した。
【００３４】
次に、基板１１をチャンバ２から取出し、基板１１の表面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope））で観察した。その結果、基板１１の表面には１０10個／ｃｍ2 程度の密度でダイヤモンドの核が形成されていることが認められた。
【００３５】
次に、基板１１をチャンバ２内に戻し、直流電源８を取外し、電極４とフィラメント３を同じ電位とし、圧力１００Ｔｏｒｒ、メタンの流量２ｓｃｃｍ、水素の流量５００ｓｃｃｍ、基板１１の温度を９８０℃とした。この状態を１００時間保つことにより基板１１の表面にダイヤモンドの膜を成膜した。その結果、基板１１の端から距離１〜２ｍｍの部分を除いてほぼ全面に厚さ２０μｍのダイヤモンドの膜が成膜していることがわかった。このダイヤモンドの膜をＳＥＭで観察したところ、ダイヤモンドの結晶方位は基材の結晶方位とほぼ一致していることがわかった。
【００３６】
（実施例２）
実施例１では単結晶シリコンからなる基板１１の直径を３インチとしたが、実施例２では、単結晶シリコンからなる基板１１の直径を１インチとした。また、実施例１では、基板１１の表面のうちフィラメント３に対面する部分（１１１）面としたが、実施例２では、基板１１の表面のうちフィラメント３に対面する部分は（１００）面とした。また、実施例１では基板１１は１枚であったが、実施例２では基板１１は４枚とした。４枚の基板１１は、すべて支持台５と接するようにした。そのうち１枚の基板１１の表面に直径５μｍのダイヤモンドを用いて傷付け処理を行なった。それ以外の装置の構成に関しては実施例１と全く同様とした。
【００３７】
このように構成された装置で実施例１と同様のプロセスを経て基板１１の表面にダイヤモンドの核を発生させた。基板１１の表面に発生したダイヤモンドの核の密度を調べると、傷付け処理を行なわなかった３枚の基板１１では、核の密度が５×１０9 個／ｃｍ2 であった。一方、傷付け処理を行なった基板では、核の密度は１０10個／ｃｍ2 程度であった。
【００３８】
次に、ダイヤモンドの核が発生した４枚の基板１１をチャンバ２内に戻し、電極４とフィラメント３を同じ電位とし、圧力１００Ｔｏｒｒ、メタンの流量１０ｓｃｃｍ、水素の流量５００ｓｃｃｍ、基板の温度９８０℃とし、この状態を２０時間保った。これにより、基板１１の端から約１ｍｍの外周部分を除いてほぼ全面に厚さ３μｍのダイヤモンド膜が成膜した。このダイヤモンド膜をＳＥＭで観察したところ、ダイヤモンドの結晶方位は基板１１の結晶方位とほぼ一致といることがわかった。
【００３９】
（実施例３）
図３は、実施例３で用いたダイヤモンド合成装置を示す模式図である。図４は、図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿って見たフィラメントの配線図である。図３および図４を参照して、チャンバ２と、フィラメント３ａ、３ｂと、支持台５と、交流電源６ａ、６ｂ、６ｃと、直流電源１４と、抵抗１３によりダイヤモンド合成装置１５を構成した。
【００４０】
チャンバ２内にフィラメント３ａ、３ｂを設けた。フィラメント３ａ、３ｂは、長さ１３ｃｍ、直径０．２ｍｍのタングステン線からなる。フィラメント３ａとフィラメント３ｂとの間の距離（図４中Ｗ）は１０ｍｍとした。フィラメント３ａの本数は８本、フィラメント３ｂの本数は８本とした。フィラメント３ｂの下に導電体からなる支持台５を設けた。支持台５の表面に直径４インチの単結晶シリコンからなる基板１２を載置した。基板１２の表面のうちフィラメント３ａ、３ｂに対面する部分は（１００）面からなる。基板１２とフィラメント３ｂとの距離は１２ｍｍとした。交流電源６ａとフィラメント３ａを電気的に接続した。交流電源６ａの電圧は８０Ｖ、周波数は６０Ｈｚとした。交流電源６ｂとフィラメント３ｂを電気的に接続した。交流電源６ｂの電圧は８０Ｖ、周波数は６０Ｈｚとした。交流電源６ａ、６ｂからチャンバ２を電気的に絶縁した。直流電源１４の負極を支持台５に電気的に接続した。直流電源１４の電圧は１６０Ｖとした。直流電源１４の正極と抵抗１３を電気的に接続した。直流電源１４からチャンバ２と電気的に絶縁した。交流電源６ａ、６ｂと、抵抗１３と、フィラメント３ａ、３ｂとに電気的に接続するように交流電源６ｃを設けた。交流電源６ｃの電圧は１００Ｖ、周波数は６０Ｈｚとした。真空ポンプ９、ガス導入口１０は、実施例１と同様のものを用いた。
【００４１】
このように構成されたダイヤモンド合成装置１５のチャンバ２の圧力を１５〜３０Ｔｏｒｒとした。次に、ガス導入口１０から流量１０００ｓｃｃｍの水素と、流量２０ｓｃｃｍのメタンを導入した。また、フィラメント３ａ、３ｂの温度は２０００±２０℃であった。
【００４２】
図５は、図３中の点Ｅと点Ｆでの電位の時間変化を示す図である。点Ｅでの平均電位は１６０Ｖであった。また、点Ｆの平均電位も１６０Ｖであった。さらに、点Ｅと点Ｆでの電位には差があることが確かめられた。点ＥおよびＦでの電位の最大値は約２００Ｖ、また、電位の最低値は約１２０Ｖであった。基板１２の平均電位はフィラメント３ａ、３ｂの平均電位より低く、その差は、１６０Ｖであった。このような状態を１０分間保つことにより、基板１２の表面にダイヤモンドの核を発生させた。基板１２をチャンバ２から取出して、基板１２の表面のダイヤモンドの核の密度を観察すると、密度は８×１０9 〜２×１０10個／ｃｍ2 程度であった。
【００４３】
次に、ダイヤモンドの核が生成した基板１２上にメタン、水素、アルゴンガスを用いたプラズマジェットＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を成膜した。成膜時間は３０時間であり、基板１２の温度は１０２０℃であり、ガスの流量比はメタン：水素：アルゴン＝２：１００：１００であった。
【００４４】
このようにして基板１２上にダイヤモンドの膜を形成したところ、ダイヤモンドの膜の厚さは基板１２の中央部では１１０μｍであり、基板１２の端部では２５μｍであった。基板１２の端部での膜の厚さは中央部の膜の厚さに比べて２０％程度であったが、このダイヤモンド膜の方位と基板の方位はダイヤモンド膜全面にわたって一致していることが確認された。また、フィラメント３ａからフィラメント３ｂへの放電と、その逆の放電も生じたので、フィラメント３ａ、３ｂの表面には、タングステンカーバイドが堆積しなかった。
【００４５】
（実施例４）
図６は、実施例４で用いたダイヤモンド合成装置の模式的な斜視図である。図６を参照して、チャンバ（図示せず）と、フィラメント３ｃと、電極４ａ〜４ｅと、支持台５と、交流電源６と、直流電源７、８ａ〜８ｅとによりダイヤモンド合成装置２０を構成した。
【００４６】
フィラメント３ｃは長さ１３ｃｍ、直径０．２５ｍｍのタングステン線から構成した。フィラメント３ｃの本数は１６本であり、フィラメント３ｃ間の距離は１０ｍｍとした。フィラメント３ｃの上に電極４ａ〜４ｅを設けた。電極４ａ〜４ｅは、モリブデン（Ｍｏ）からなる。フィラメント３ｃと電極４ａ〜４ｅの距離は５ｍｍとした。それぞれの電極４ａ〜４ｅの厚さは２ｍｍである。また、それぞれの電極４ａ〜４ｅの面積は約１２ｃｍ2 である。
【００４７】
フィラメント３ｃの下に支持台５を設けた。支持台５は導電体からなる。支持台５の上に単結晶シリコンからなる基板１２を載置した。基板１２の直径は４インチとした。フィラメント３ｃと基板１２との距離は１０ｍｍとした。基板１２の表面のうちフィラメント３ｃに対面する部分は（１００）面とした。
【００４８】
直流電源７の負極を支持台５に電気的に接続した。直流電源７の電圧は１１０Ｖとした。直流電源７の正極と、フィラメント３ｃと、直流電源８ａ〜８ｅの負極とを電気的に接続した。直流電源８ａの電圧は６０Ｖとした。直流電源８ｂ〜８ｅの電圧は４７Ｖとした。直流電源８ａ〜８ｅの正極を電極４ａ〜４ｅに電気的に接続した。また、支持台５と、基板１２と、フィラメント３ｃと、電極４ａ〜４ｅを取囲むようにチャンバ（図示せず）を設けた。
【００４９】
このように構成されたダイヤモンド合成装置２０において、チャンバ内の圧力を４０Ｔｏｒｒとした。チャンバ内に流量１０００ｓｃｃｍの水素と、流量２０ｓｃｃｍのメタンを導入し、フィラメント３ｃの温度を２０００±２０℃に保持した。
【００５０】
フィラメント３ｃの平均電位と基板１２の平均電位との差は１１０Ｖであった。また、フィラメント３ｃの平均電位と電極４ａの平均電位との差は６０Ｖ、フィラメント３ｃの平均電位と電極４ｂ〜４ｅの平均電位との差は４７Ｖであった。この状態を１０分間保持することにより基板１２の表面にダイヤモンドの核を生成させた。基板１２の表面を観察すると、基板１２の全面にわたってダイヤモンドの核が発生していた。この核の密度は６×１０9 〜８×１０9 個／ｃｍ2 であり、核が比較的均一に発生していることがわかった。
【００５１】
（実施例５）
まず、直径が１インチで酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる基板を準備した。この基板の表面は酸化マグネシウムの（１００）面であった。この基板の温度を９５０℃とし、スパッタ法により基板表面にイリジウム膜を成長させた。イリジウム膜の厚さは０．４μｍであった。
【００５２】
この基板のイリジウム膜上に実施例１と同様の方法でダイヤモンドの核を成長させた。イリジウム膜表面に生成した核の密度は１×１０9 個／ｃｍ2 程度であった。
【００５３】
次に、この基板をチャンバ内に戻した。フィラメントと電極を同じ電位とし、チャンバの圧力１００Ｔｏｒｒ、メタンの流量２ｓｃｃｍ、水素の流量５００ｓｃｃｍ、基板の温度を７９０℃とし、この条件で３時間ダイヤモンド膜を成膜した。その結果、イリジウム膜の表面に厚さ３μｍのダイヤモンド膜が成長した。ＳＥＭでダイヤモンド膜を観察したところ、ダイヤモンドの結晶方位はイリジウム膜の結晶方位とほぼ一致していることがわかった。
【００５４】
（比較例１）
図７は、比較例１で用いたダイヤモンド合成装置１００の模式図である。図７を参照して、ダイヤモンド合成装置１００は、図１で示すダイヤモンド合成装置１から電極４と、直流電源８を除いたものである。それ以外の構成に関しては、図１で示すダイヤモンド合成装置１と同様である。
【００５５】
このように構成されたダイヤモンド合成装置１００のチャンバ２の圧力を１００Ｔｏｒｒとし、ガス導入口１０からチャンバ２内に水素とメタンを導入した。水素の流量は１０００ｓｃｃｍ、メタンの流量は２０ｓｃｃｍとした。フィラメント３の温度を２０００±２０℃に保持した。
【００５６】
フィラメント３の平均電位と基板１１の平均電位との差は１５０Ｖであった。このとき、フィラメント３の電位が基板１１の電位より高かった。この場合に、フィラメント３と基板１１の間には電流が全く流れなかった。この状態を３０分間維持した後に基板１１を装置から取出した。
【００５７】
基板１１をＳＥＭで観察したところ、ダイヤモンドの核が密度３×１０7 個／ｃｍ2 で基板１１表面に形成されていることが認められた。
【００５８】
次に、この基板１１をチャンバ２内に戻し、圧力１００Ｔｏｒｒ、メタンの流量２ｓｃｃｍ、水素の流量５００ｓｃｃｍ、基板の温度を９８０℃とし、この状態を１００時間保つことにより、基板１１の表面にダイヤモンドを成膜した。基板１１の全面にダイヤモンド膜が成長したが、このダイヤモンド膜は、連続した膜とはなっていなかった。ＳＥＭでダイヤモンド膜を観察したところ、ダイヤモンドの結晶方位はランダムであることがわかった。
【００５９】
（比較例２）
比較例２では、比較例１で用いたダイヤモンド合成装置１００と同様のダイヤモンド合成装置を用いた。このダイヤモンド合成装置１００において、チャンバ２内の圧力を１００Ｔｏｒｒとした。チャンバ２に、ガス導入口１０から水素とメタンを導入した。水素の流量は１０００ｓｃｃｍ、メタンの流量は２０ｓｃｃｍとした。フィラメント３の温度を２０００±２０℃に保持した。フィラメント３の平均電位と、基板１１の平均電位との差を１５０Ｖとしたところ、フィラメント３と基板１１間で放電が生じなかった。そのため、フィラメント３と、基板１１との間にさらに直流電源を設け、フィラメント３の平均電位と基板１１の平均電位との差を２５０Ｖとした。このとき、フィラメント３の電位が基板１１の電位よりも高くなるようにした。すると、断続的な放電が生じ、５分後にフィラメントが断線した。
【００６０】
次に、基板１１の表面をＳＥＭで観察したところ、基板１１の表面にはダイヤモンドの核が生成していた。基板１１の中央部では、核の密度は３×１０9 個／ｃｍ2 、基板の周辺部では、核の密度は３×１０10／ｃｍ2 であることがわかった。
【００６１】
次に、フィラメント３を正常なものと交換した。フィラメント３の平均電位を基板１１の平均電位よりも１５０Ｖ大きくした。基板１１をチャンバ２内に戻し、圧力１００Ｔｏｒｒ、メタンの流量２ｓｃｃｍ、水素の流量５００ｓｃｃｍ、基板の温度９８０℃の雰囲気を１００時間保つことにより、基板１１の表面にダイヤモンド膜を成膜した。その結果、基板１１の端部からの距離１〜２ｍｍの部分を除いてほぼ全面に厚さ２０μｍのダイヤモンド膜が成長していることがわかった。ＳＥＭでこのダイヤモンド膜を観察したところ、基板の中央部の直径０．５インチ程度の領域ではダイヤモンドの結晶方位は基板の結晶方位と一致していたが、それより外側ではダイヤモンドの結晶方位と基板の結晶方位は一致していないことがわかった。
【００６２】
以上、この発明の実施例について説明したが、これらの実施例は、様々に変型可能である。例えば、実施例３では、３つの交流電源６ａ、６ｂ、６ｃを用いたが、これらの電源を使わずに、フィラメント３ａ、３ｂの一方が他方に対して一時的に高い電位を有するようにすることも可能である。今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００６３】
【発明の効果】
この発明によれば、面積が大きく、かつ高品質なダイヤモンド膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１、２および５で用いたダイヤモンド合成装置の模式図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿って見たフィラメントの配線図である。
【図３】実施例３で用いたダイヤモンド合成装置の模式図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ線に沿って見たフィラメントの配線図である。
【図５】図３中の点Ｅ，点Ｆでの電位の時間変化を示す図である。
【図６】実施例４で用いたダイヤモンド合成装置の模式図である。
【図７】比較例１で用いたダイヤモンド合成装置の模式図である。
【符号の説明】
３、３ａ、３ｂ、３ｃ  フィラメント
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ  電極
１１  基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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