(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024019535
(43)【公開日】2024-02-09
(54)【発明の名称】熱フィラメントＣＶＤ装置
(51)【国際特許分類】
C23C 16/44 20060101AFI20240201BHJP
C30B 29/04 20060101ALI20240201BHJP
C23C 16/27 20060101ALI20240201BHJP
C30B 25/02 20060101ALI20240201BHJP
H01L 21/205 20060101ALI20240201BHJP
【ＦＩ】
C23C16/44 B
C30B29/04 G
C23C16/27
C30B25/02 Z
H01L21/205
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
【公開請求】
(21)【出願番号】P 2023210139
(22)【出願日】2023-12-13
(71)【出願人】
【識別番号】303034908
【氏名又は名称】村田 正義
(72)【発明者】
【氏名】村田正義
(57)【要約】
【課題】
ダイヤモンド合成に用いられる従来の熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱電子発生源である熱フィラメントの表面積を広くとることが困難であり、該熱フィラメントの表面に原料ガスを効果的に接触させることが困難である。その結果、ＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈを効果的に大量に発生させることが困難であり、成膜速度の向上が困難という問題がある。この問題を解決可能な熱フィラメントＣＶＤ装置を提供すること。
【解決手段】
熱フィラメントは、タンタル又はタンタルを含む合金で製作された断面形状が略長方形の複数の長尺薄板で形成され、前記複数の長尺薄板は、前記複数の長尺薄板の長手方向の辺が基板保持台の面に平行になるように配置され、原料ガスの供給手段は前記原料ガスを前記複数の長尺薄板の主面に傾斜する方向に噴出する原料ガス噴出孔を備えることを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ装置。
【選択図】図４
ダイヤモンド合成に用いられる従来の熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱電子発生源である熱フィラメントの表面積を広くとることが困難であり、該熱フィラメントの表面に原料ガスを効果的に接触させることが困難である。その結果、ＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈを効果的に大量に発生させることが困難であり、成膜速度の向上が困難という問題がある。この問題を解決可能な熱フィラメントＣＶＤ装置を提供すること。
【解決手段】
熱フィラメントは、タンタル又はタンタルを含む合金で製作された断面形状が略長方形の複数の長尺薄板で形成され、前記複数の長尺薄板は、前記複数の長尺薄板の長手方向の辺が基板保持台の面に平行になるように配置され、原料ガスの供給手段は前記原料ガスを前記複数の長尺薄板の主面に傾斜する方向に噴出する原料ガス噴出孔を備えることを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ装置。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも炭素含有ガスと水素を含む原料ガスを導入する原料ガスの導入手段と排気手段を備えた反応容器と、前記反応容器の内部に配置されて基板を保持する主面を有する基板保持台と、複数の熱フィラメントと前記複数の熱フィラメントのそれぞれの一方の端部を固定する第１の金属棒と前記複数の熱フィラメントのそれぞれの他方の端部を固定する第２の金属棒から成る熱フィラメント電極と、前記第１の金属棒及び前記第２の金属棒を介して前記複数の熱フィラメントに電力を供給する電源と、を具備し、前記原料ガスの導入手段から導入された前記原料ガスを前記複数の熱フィラメントにより分解して前記基板の表面にダイヤモンドを合成する熱フィラメントＣＶＤ装置において、
前記基板保持台と前記熱フィラメント電極と前記原料ガスの導入手段は、この順に配置され、
前記複数の熱フィラメントは、高融点金属又はその合金で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台の前記主面に平行になるように配置され、
前記原料ガスの導入手段は、多数の原料ガス噴出孔を備え、前記原料ガス噴出孔の略半数部分は前記複数の長尺薄板の一方の主面に対して傾斜する方向に噴出し、前記原料ガス噴出孔の他の略半数部分は前記複数の長尺薄板の他方の主面に対して傾斜する方向に噴出することを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ装置。
前記基板保持台と前記熱フィラメント電極と前記原料ガスの導入手段は、この順に配置され、
前記複数の熱フィラメントは、高融点金属又はその合金で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台の前記主面に平行になるように配置され、
前記原料ガスの導入手段は、多数の原料ガス噴出孔を備え、前記原料ガス噴出孔の略半数部分は前記複数の長尺薄板の一方の主面に対して傾斜する方向に噴出し、前記原料ガス噴出孔の他の略半数部分は前記複数の長尺薄板の他方の主面に対して傾斜する方向に噴出することを特徴とする熱フィラメントＣＶＤ装置。
【請求項2】
前記複数の長尺薄板の各々は、前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対して垂直に配置されることを特徴とする請求項１に記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
【請求項3】
前記複数の長尺薄板の各々は、隣り合う前記長尺薄板同士で前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対し互いに反対方向に傾斜して配置されることを特徴とする請求項１に記載熱フィラメントＣＶＤ装置
【請求項4】
前記複数の熱フィラメントの材質はタンタル（Ｔａ）であり、前記熱フィラメントの表面は熱フィラメントＣＶＤにより成膜される炭化タンタル薄膜で被覆されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
【請求項5】
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
【請求項6】
前記原料ガスの導入手段は、直径が略０．１ｍｍ～１ｍｍの複数のガス噴出孔を備えた箱型容器で形成されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
【請求項7】
前記電源は、交流電力又は直流電力を所要の一定電力に制御して供給することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の熱フィラメントＣＶＤ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱フィラメントＣＶＤ装置に関する。特に、大面積のダイヤモンド合成に用いられる熱フィラメントＣＶＤ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ダイヤモンドは、例えば、非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、宝飾品や機械加工材料のみならず、ワイドギャップ半導体として知られ、ＳｉやＳｉＣ等の半導体より遙かに優れた特性を有することから、究極のパワー半導体材料として注目されている。パワー半導体材料への応用を図るには、サイズ４～５インチ級の基板でのダイヤモンド合成が必要であり、ダイヤモンドの大面積合成装置に関する研究が進められている。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法には、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と熱フィラメントＣＶＤ法があることが知られている。また、一般に次のことが知られている。即ち、上記ＣＶＤ法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、結晶性が低下することがある。
パワー半導体材料としてのダイヤモンドを形成する方法には、主として、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と熱フィラメントＣＶＤ法があることが知られている。また、一般に次のことが知られている。即ち、上記ＣＶＤ法において、基板にダイヤモンドを用いる場合には、ホモエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成され、不純物を容易に制御可能で、かつ歪みのない結晶を形成することができる。また、基板がダイヤモンド以外の場合、ヘテロエピタキシャル成長によりダイヤモンドが形成されるので、歪みの発生を伴い、結晶性が低下することがある。
【0003】
マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、基板の加熱と原料ガスの分解にマイクロ波を用いることを特徴とする。即ち、マイクロ波を用いて原料ガスであるメタン（ＣＨ４）と水素（Ｈ２）の混合ガスをプラズマ化することにより、該プラズマ中に生成される電子及びイオン等によってダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させるとともに、前記マイクロ波を用いて基板上でのプラズマ化学反応促進に必要な基板温度を、約７００℃～約１，００℃に加熱する。そうすると、基板上にダイヤモンドが合成される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献４に記載されているように、一般にダイヤモンド成長速度は１～１０μｍ／ｈと比較的高いが、マイクロ波の波長が短いことに起因する均一プラズマ生成領域の広さに制限があり、成膜可能な面積がλ／８～λ／１０程度（λ：波長）と小さく、サイズ４～５インチ級の基板への対応の必須条件である大面積化が困難である、という課題がある。
熱フィラメントＣＶＤ法は、基板の加熱に輻射熱を用い、原料ガスの分解に熱フィラメントから放出される熱電子を用いることを特徴とする。即ち、基板の直上数ｍｍ～１０ｍｍ程度の位置に、高温のフィラメント（約１，０００℃～２，４００℃）を設置し、高温度のフィラメントから放出される熱電子によって原料ガスである水素（Ｈ２）とメタン（ＣＨ４）の混合ガスを分解し、ダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させる。ダイヤモンドは、例えば、非特許文献３ないし非特許文献５に記載されているように、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体とし、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除することにより、ダイヤモンド結晶が形成される。基板の温度は、一般に、約７００～約１，０００℃に設定される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、熱フィラメントＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１及び特許文献４に記載されているように、製膜速度が、一般に１．５～２．０μｍ／ｈと低速であることから、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と同じレベルの高速製膜の実現が課題である。また、パワー半導体材料への応用を図るには、サイズ４～５インチ級の基板への対応が可能な大面積化が課題である。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１、非特許文献２及び特許文献４に記載されているように、一般にダイヤモンド成長速度は１～１０μｍ／ｈと比較的高いが、マイクロ波の波長が短いことに起因する均一プラズマ生成領域の広さに制限があり、成膜可能な面積がλ／８～λ／１０程度（λ：波長）と小さく、サイズ４～５インチ級の基板への対応の必須条件である大面積化が困難である、という課題がある。
熱フィラメントＣＶＤ法は、基板の加熱に輻射熱を用い、原料ガスの分解に熱フィラメントから放出される熱電子を用いることを特徴とする。即ち、基板の直上数ｍｍ～１０ｍｍ程度の位置に、高温のフィラメント（約１，０００℃～２，４００℃）を設置し、高温度のフィラメントから放出される熱電子によって原料ガスである水素（Ｈ２）とメタン（ＣＨ４）の混合ガスを分解し、ダイヤモンド膜の形成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等を発生させる。ダイヤモンドは、例えば、非特許文献３ないし非特許文献５に記載されているように、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体とし、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除することにより、ダイヤモンド結晶が形成される。基板の温度は、一般に、約７００～約１，０００℃に設定される。
しかしながら、上記究極のパワー半導体材料の形成への応用の観点で見ると、熱フィラメントＣＶＤ法は、例えば、非特許文献１及び特許文献４に記載されているように、製膜速度が、一般に１．５～２．０μｍ／ｈと低速であることから、マイクロ波プラズマＣＶＤ法と同じレベルの高速製膜の実現が課題である。また、パワー半導体材料への応用を図るには、サイズ４～５インチ級の基板への対応が可能な大面積化が課題である。
【0004】
熱フィラメントＣＶＤによるダイヤモンド形成装置に関する代表的特許技術として、例えば、特許文献１ないし特許文献４が挙げられる。
特許文献１には、熱フィラメントを励起手段として用いる気相法ダイヤモンドの合成法において、フィラメントとしてその一部又は全てを炭化したタンタルフィラメントを励起源とし、ダイヤモンド合成用、原料気体を流速１ｍ／ｓｅｃ以上で接触させる事を特徴とする、ということが記載されている。
特許文献２には、 ダイヤモンドの気相合成をおこなう熱フィラメントＣＶＤ法において、前処理として、高濃度の炭素源を導入して通電加熱し、タンタルフィラメントの両電極端にグラファイトを主体とするカーボンを鞘状に析出させて被覆形成するための炭化処理を施すようにした熱フィラメントＣＶＤ法であって、５体積％以上のメタン濃度を有するメタンと水素との混合ガスを炭素源として導入し、通電加熱によりフィラメント温度を２０００℃以上で少なくとも１２時間保持することを特徴とする、ということが記載されている。
特許文献３には、基板を処理する反応室と、前記反応室内に反応ガスを供給するガス供給手段と、前記反応室内に供給された反応ガスと接触することにより前記反応ガスを分解する高温発熱体とを備え、前記高温発熱体は、互いに独立にまたは複数個づつ組み合わされて制御されるユニットから構成され、前記ユニットは前記反応室内を適宜分割した複数の領域に配置されていることを特徴とする半導体製造装置、ということが記載されている。
特許文献４には、 成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，５００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は１～１０ｍｍの間隔を隔てて複数段に配置され、前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径０．１～１．０ｍｍのタンタル又はその合金からなる線材が３～３０ｍｍの間隔で複数本配置されていることを特徴とするダイヤモンドの成膜に用いるための熱フィラメントＣＶＤ装置、ということが記載されている。
特許文献１には、熱フィラメントを励起手段として用いる気相法ダイヤモンドの合成法において、フィラメントとしてその一部又は全てを炭化したタンタルフィラメントを励起源とし、ダイヤモンド合成用、原料気体を流速１ｍ／ｓｅｃ以上で接触させる事を特徴とする、ということが記載されている。
特許文献２には、 ダイヤモンドの気相合成をおこなう熱フィラメントＣＶＤ法において、前処理として、高濃度の炭素源を導入して通電加熱し、タンタルフィラメントの両電極端にグラファイトを主体とするカーボンを鞘状に析出させて被覆形成するための炭化処理を施すようにした熱フィラメントＣＶＤ法であって、５体積％以上のメタン濃度を有するメタンと水素との混合ガスを炭素源として導入し、通電加熱によりフィラメント温度を２０００℃以上で少なくとも１２時間保持することを特徴とする、ということが記載されている。
特許文献３には、基板を処理する反応室と、前記反応室内に反応ガスを供給するガス供給手段と、前記反応室内に供給された反応ガスと接触することにより前記反応ガスを分解する高温発熱体とを備え、前記高温発熱体は、互いに独立にまたは複数個づつ組み合わされて制御されるユニットから構成され、前記ユニットは前記反応室内を適宜分割した複数の領域に配置されていることを特徴とする半導体製造装置、ということが記載されている。
特許文献４には、 成膜室と、前記成膜室内に配置された、基板を載置するための基板ホルダー及び２，５００℃以上に加熱されるためのフィラメント層と、前記成膜室内に原料ガス及びキャリアガスを供給するためのガス供給手段と、前記成膜室内からガスを排気するための排気手段とを備え、前記フィラメント層は１～１０ｍｍの間隔を隔てて複数段に配置され、前記複数段に配置されたそれぞれのフィラメント層は、線径０．１～１．０ｍｍのタンタル又はその合金からなる線材が３～３０ｍｍの間隔で複数本配置されていることを特徴とするダイヤモンドの成膜に用いるための熱フィラメントＣＶＤ装置、ということが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平０７－０６１８９６
【特許文献2】特許３８６１１７８
【特許文献3】特開２００２－０９３７１４
【特許文献4】特許７０１２３０４
【0006】
【非特許文献1】有屋田修、ダイヤモンド合成用ＣＶＤ装置、真空ジャーナル、２０２３年１月、２４－２６
【非特許文献2】山田英明、プラズマ CVD による単結晶ダイヤモンド合成の現状と課題、J. Plasma Fusion Res. Vol.90, No.2 (2014)１５２‐１５８
【非特許文献3】平木昭夫、川原田洋、ダイヤモンド状薄膜、炭素、１９８７（No.１２８）、４１－４９
【非特許文献4】渡邊厚仁、熱フィラメントＣＶＤ法及び電子衝撃ＣＶＤ法によるダイヤモンド薄膜の作製、表面技術、Ｖｏｌ．４２、Ｎ０．１２（１９９１）、１１８５－１１８８
【非特許文献5】相澤俊、安藤寿浩、ダイヤモンド表面の水素吸着、日本結晶学会誌３８（１９９６）、１６０－１６６
【非特許文献6】小林利明、ＳＰｒｉｎｇ８ 熱電子銃について 、運転員講習会資料、２００３．５．１２
【非特許文献7】ギード（横堀進、久我修、共訳本）、基礎伝熱工学、１９６０（丸善）、２０－２２２
【非特許文献8】中西利和、中村保、渡邊陽一郎、半藤勝正、木綿隆弘、ルーバ通過時の空気流れに関する研究、KOMATSU TECHNICAL REPORT、2007 、Vol. 53、 No.160 、１６－２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
上述したように、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、使用するマイクロ波の波長が短いことから、生成されるプラズマの生成領域は小さい領域（例えば、約８～１０ｍｍ）となり、サイズ４～５インチ級の基板への対応が本質的に困難であるという課題がある。
熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、サイズ４～５インチ級の基板への対応が可能であり、更なる実用化展開が期待されているが、以下に説明するような課題がある。
熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置では、熱フィラメントが発生する熱電子によって原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）をダイヤモンド合成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等に分解し、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体としてｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド成分）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト成分）が混在した結晶体を形成するとともに、原子状水素Ｈの水素引き抜き作用及びエッチング作用等によって、形成された炭素結合体の中の水素成分とグラファイト成分が優先的に排除されることにより、ダイヤモンド結晶が形成される。
このダイヤモンドの形成に際し、高品質で高速成膜化を実現するには、原料ガスから高濃度のＣＨ３ラジカル及び高濃度の原子状水素Ｈを生成する熱電子の発生個数の増大が必要である。
熱フィラメントが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、例えば、非特許文献６に記載のように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）の分解に必要な熱電子を多量に発生するには、熱フィラメントを高温化すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ａと呼ぶ）と、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ｂと呼ぶ）が必要である。
また、熱フィラメントで発生する熱電子は、該熱フィラメントの表面から放出され、拡散現象により空間的に拡散する。即ち、該該熱フィラメントの表面近傍の熱電子の密度は高く、該熱フィラメントの表面から離れるに従って急激に減少する。該熱フィラメントの表面を起点としてその法線方向での距離をｘとすると、距離ｘにおける熱電子の密度ｎｅ（ｘ）は、次式（２）で表されるように、Diracのδ関数型の空間分布に従う、と考えられる。
ｎｅ（ｘ） ∝ ｎ０・ｅｘｐ（－ｘ２／４D） （単位：個／ｃｍ３） ・・・（２）
ただし、ｎ０は熱フィラメントの表面層の熱電子の密度、Ｄは熱電子の拡散係数である。
式（２）は、熱フィラメントで発生する熱電子の密度ｎｅ（ｘ）は、該熱フィラメントの表面近傍で最も高く、該表面から離れるに従い急激に低くなることを意味している。
即ち、熱フィラメントによる原料ガスの分解作用は、該熱フィラメント表面から放出された熱電子と原料ガスの分子との衝突に基づく現象であることから、該熱フィラメントの表面層領域において最も強く、該表面層領域に流入する原料ガスが多いほど効果的に分解される、ということを意味している。また、原料ガスの流れが乱流状態にあれば、該表面層領域での該原料ガスと熱電子の衝突、接触、混合の度合いが増大することからより一層、効果的に分解されるということを意味している。
従って、式（２）で表される空間密度分布に従う熱電子によって原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）からＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈを効果的に生成させるには、原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ｃと呼ぶ）が必要である。
しかるに、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、例えば、特許文献１ないし４に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置では、熱フィラメントは、直径０．１ｍｍ～１ｍｍの線材で構成されている。また、原料ガス供給手段には、上記ダイヤモンド形成条件Ｂ及びＣに係わる特段の工夫はなされていない。なお、特許文献３及び４に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置では、線材で形成された熱フィラメント層を複数段に配置する構成を有することから、一段配置の場合に比べ、熱フィラメント表面積は複数倍になるので、ダイヤモンド形成条件Ｂを満たす意味で優れていると言える。
従って、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置は、上記ダイヤモンド形成条件Ｂ及びＣを充分に満たしていない、という問題がある。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置では、熱電子発生源である熱フィラメントの表面積を広くとることが困難であることに加えて、該熱フィラメントの表面層に原料ガスを効果的に流入させてＣＨ３ラジカル及び原子状水素を効果的に発生させることが困難という問題がある。その結果、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈを高密度で生成することが困難という課題がある。
上記のような課題を鑑みて、本発明は、上記ダイヤモンド形成条件Ａ、Ｂ及びＣを満たすことが可能なダイヤモンドの気相合成のための熱フィラメントＣＶＤ装置を提供することを目的とする。即ち、サイズ４～５インチ級の大面積基板への対応が可能なダイヤモンドの気相合成のための熱フィラメントＣＶＤ装置を提供することを目的とする。Ａ
熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、サイズ４～５インチ級の基板への対応が可能であり、更なる実用化展開が期待されているが、以下に説明するような課題がある。
熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置では、熱フィラメントが発生する熱電子によって原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）をダイヤモンド合成に不可欠の主要ラジカルであるＣＨ３ラジカルと原子状水素Ｈ等に分解し、ＣＨ３ラジカルを主たる前駆体としてｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド成分）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト成分）が混在した結晶体を形成するとともに、原子状水素Ｈの水素引き抜き作用及びエッチング作用等によって、形成された炭素結合体の中の水素成分とグラファイト成分が優先的に排除されることにより、ダイヤモンド結晶が形成される。
このダイヤモンドの形成に際し、高品質で高速成膜化を実現するには、原料ガスから高濃度のＣＨ３ラジカル及び高濃度の原子状水素Ｈを生成する熱電子の発生個数の増大が必要である。
熱フィラメントが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、例えば、非特許文献６に記載のように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）の分解に必要な熱電子を多量に発生するには、熱フィラメントを高温化すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ａと呼ぶ）と、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ｂと呼ぶ）が必要である。
また、熱フィラメントで発生する熱電子は、該熱フィラメントの表面から放出され、拡散現象により空間的に拡散する。即ち、該該熱フィラメントの表面近傍の熱電子の密度は高く、該熱フィラメントの表面から離れるに従って急激に減少する。該熱フィラメントの表面を起点としてその法線方向での距離をｘとすると、距離ｘにおける熱電子の密度ｎｅ（ｘ）は、次式（２）で表されるように、Diracのδ関数型の空間分布に従う、と考えられる。
ｎｅ（ｘ） ∝ ｎ０・ｅｘｐ（－ｘ２／４D） （単位：個／ｃｍ３） ・・・（２）
ただし、ｎ０は熱フィラメントの表面層の熱電子の密度、Ｄは熱電子の拡散係数である。
式（２）は、熱フィラメントで発生する熱電子の密度ｎｅ（ｘ）は、該熱フィラメントの表面近傍で最も高く、該表面から離れるに従い急激に低くなることを意味している。
即ち、熱フィラメントによる原料ガスの分解作用は、該熱フィラメント表面から放出された熱電子と原料ガスの分子との衝突に基づく現象であることから、該熱フィラメントの表面層領域において最も強く、該表面層領域に流入する原料ガスが多いほど効果的に分解される、ということを意味している。また、原料ガスの流れが乱流状態にあれば、該表面層領域での該原料ガスと熱電子の衝突、接触、混合の度合いが増大することからより一層、効果的に分解されるということを意味している。
従って、式（２）で表される空間密度分布に従う熱電子によって原料ガス（例えば、ＣＨ４とＨ２の混合ガス）からＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈを効果的に生成させるには、原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ここで、ダイヤモンド形成条件Ｃと呼ぶ）が必要である。
しかるに、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置は、例えば、特許文献１ないし４に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置では、熱フィラメントは、直径０．１ｍｍ～１ｍｍの線材で構成されている。また、原料ガス供給手段には、上記ダイヤモンド形成条件Ｂ及びＣに係わる特段の工夫はなされていない。なお、特許文献３及び４に記載の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド形成装置では、線材で形成された熱フィラメント層を複数段に配置する構成を有することから、一段配置の場合に比べ、熱フィラメント表面積は複数倍になるので、ダイヤモンド形成条件Ｂを満たす意味で優れていると言える。
従って、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置は、上記ダイヤモンド形成条件Ｂ及びＣを充分に満たしていない、という問題がある。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ法を用いたダイヤモンド合成装置では、熱電子発生源である熱フィラメントの表面積を広くとることが困難であることに加えて、該熱フィラメントの表面層に原料ガスを効果的に流入させてＣＨ３ラジカル及び原子状水素を効果的に発生させることが困難という問題がある。その結果、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈを高密度で生成することが困難という課題がある。
上記のような課題を鑑みて、本発明は、上記ダイヤモンド形成条件Ａ、Ｂ及びＣを満たすことが可能なダイヤモンドの気相合成のための熱フィラメントＣＶＤ装置を提供することを目的とする。即ち、サイズ４～５インチ級の大面積基板への対応が可能なダイヤモンドの気相合成のための熱フィラメントＣＶＤ装置を提供することを目的とする。Ａ
【課題を解決するための手段】
【0008】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、少なくとも炭素含有ガスと水素を含む原料ガスを導入する原料ガスの導入手段と排気手段を備えた反応容器と、前記反応容器の内部に配置されて基板を保持する主面を有する基板保持台と、複数の熱フィラメントと前記複数の熱フィラメントのそれぞれの一方の端部を固定する第１の金属棒と前記複数の熱フィラメントのそれぞれの他方の端部を固定する第２の金属棒から成る熱フィラメント電極と、前記第１の金属棒及び前記第２の金属棒を介して前記複数の熱フィラメントに電力を供給する電源と、を具備し、前記原料ガスの導入手段から導入された前記原料ガスを前記複数の熱フィラメントにより分解して前記基板の表面にダイヤモンドを合成する熱フィラメントＣＶＤ装置において、
前記基板保持台と前記熱フィラメント電極と前記原料ガスの導入手段は、この順に配置され、
前記複数の熱フィラメントは、高融点金属又はその合金で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台の前記主面に平行になるように配置され、
前記原料ガスの導入手段は、多数の原料ガス噴出孔を備え、前記原料ガス噴出孔の略半数部分は前記複数の長尺薄板の一方の主面に対して傾斜する方向に噴出し、前記原料ガス噴出孔の他の略半数部分は前記複数の長尺薄板の他方の主面に対して傾斜する方向に噴出することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記複数の長尺薄板の各々は、前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対して垂直に配置されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明において、前記複数の長尺薄板の各々は、隣り合う前記長尺薄板同士で前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対し互いに反対方向に傾斜して配置されることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３のいずれか一つの発明において、前記複数の熱フィラメントの材質はタンタル（Ｔａ）であり、前記熱フィラメントの表面は熱フィラメントＣＶＤにより成膜される炭化タンタル薄膜で被覆されることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか一つの発明において、前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記原料ガスの導入手段は、直径が略０．１ｍｍ～１ｍｍの複数のガス噴出孔を備えた箱型容器で形成されることを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つの発明において、前記電源は、交流電力又は直流電力を所要の一定電力に制御して供給することを特徴とする。
前記基板保持台と前記熱フィラメント電極と前記原料ガスの導入手段は、この順に配置され、
前記複数の熱フィラメントは、高融点金属又はその合金で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台の前記主面に平行になるように配置され、
前記原料ガスの導入手段は、多数の原料ガス噴出孔を備え、前記原料ガス噴出孔の略半数部分は前記複数の長尺薄板の一方の主面に対して傾斜する方向に噴出し、前記原料ガス噴出孔の他の略半数部分は前記複数の長尺薄板の他方の主面に対して傾斜する方向に噴出することを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、前記複数の長尺薄板の各々は、前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対して垂直に配置されることを特徴とする。
第３の発明は、第１の発明において、前記複数の長尺薄板の各々は、隣り合う前記長尺薄板同士で前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対し互いに反対方向に傾斜して配置されることを特徴とする。
第４の発明は、第１の発明から第３のいずれか一つの発明において、前記複数の熱フィラメントの材質はタンタル（Ｔａ）であり、前記熱フィラメントの表面は熱フィラメントＣＶＤにより成膜される炭化タンタル薄膜で被覆されることを特徴とする。
第５の発明は、第１の発明から第４の発明のいずれか一つの発明において、前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ばれる少なくとも１種を含むガスであることを特徴とする。
第６の発明は、第１の発明から第５の発明のいずれか一つの発明において、前記原料ガスの導入手段は、直径が略０．１ｍｍ～１ｍｍの複数のガス噴出孔を備えた箱型容器で形成されることを特徴とする。
第７の発明は、第１の発明から第６の発明のいずれか一つの発明において、前記電源は、交流電力又は直流電力を所要の一定電力に制御して供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
上記のように構成された本発明の熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱フィラメントとして高融点金属又はその合金で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板が配置されることにより、熱フィラメントの表面積の増大が図ることが可能となり、更に前記長尺薄板の２つの主面に対して傾斜する方向から前記原料ガスを噴出することにより、熱フィラメント表面と原料ガスの効果的な接触が可能となり、熱電子と該原料ガス分子との衝突・接触・混合を効果的に発生できる、という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置の課題である熱フィラメントを高温化すること（ダイヤモンド形成条件Ａ）、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件Ｂ）、及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件Ｃ）という３つの条件を満たすことが可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド合成が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置の課題である熱フィラメントを高温化すること（ダイヤモンド形成条件Ａ）、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件Ｂ）、及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件Ｃ）という３つの条件を満たすことが可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド合成が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。各図において、同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。
なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更可能である。また、以下に示す図面は、説明の便宜上、各部材の縮尺が、実際と異なる場合がある。また、各図面間においても、縮尺が、実際と異なる場合がある。
【0012】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成について、図１ないし図６を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である熱フィラメント電極の構成を示す模式的構成図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である原料ガス噴射孔と熱フィラメントの模式的断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における原料ガスの熱フィラメントの表面層への流入及び乱流の状況を示す模式的説明図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における熱フィラメントによる原料ガスからのＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈの生成を示す原理的模式図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて形成されるダイヤモンドの成長過程を示す原理的模式図である。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成について、図１ないし図６を参照して、説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成を示す模式的断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である熱フィラメント電極の構成を示す模式的構成図である。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である原料ガス噴射孔と熱フィラメントの模式的断面図である。図４は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における原料ガスの熱フィラメントの表面層への流入及び乱流の状況を示す模式的説明図である。図５は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における熱フィラメントによる原料ガスからのＣＨ３ラジカル及び原子状水素Ｈの生成を示す原理的模式図である。図６は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置を用いて形成されるダイヤモンドの成長過程を示す原理的模式図である。
【0013】
本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は、図１及び図２に示されるように、少なくとも炭素含有ガスと水素を含む原料ガスを導入する原料ガスの導入箱１３と排気口１０ａ、１０ｂを備えた反応容器１と、前記反応容器の内部に配置されて基板９を保持する主面を有する基板保持台６と、複数の熱フィラメント３ａと前記複数の熱フィラメント３ａのそれぞれの一方の端部を固定する第１の金属棒３ｂと前記複数の熱フィラメント３ａのそれぞれの他方の端部を固定する第２の金属棒３ｃから成る熱フィラメント電極２と、前記第１の金属棒３ｂ及び前記第２の金属棒３ｃを介して前記複数の熱フィラメント３ａに電力を供給する電源２０と、を備えている。
反応容器１は、円筒箱状あるいは矩形箱状の反応容器である。反応容器１の内部には、基板９を保持する主面６ａを有する基板保持台６と、複数の熱フィラメント３ａを備える熱フィラメント電極２と、原料ガスの導入箱１３が、この順に配置される。
反応容器１は、図示しない真空ポンプに接続された排気口１０ａ、１０ｂを備えている。排気口１０ａ、１０ｂは、図示しない圧力計及び図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器１の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器１内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
反応容器１は、基板９の搬入・搬出に用いられる図示しない基板搬入搬出用バルブ及び該反応容器１内部の各構成部品を組み立て、配置するための図示しない作業用フランジを備えている。
反応容器１は、熱フィラメント３ａ及び基板９の温度測定用石英窓２２ａを備えている。温度測定用石英窓２２ａは、放射温度計２２と連携して、熱フィラメント３ａ及び基板９の温度測定に用いられる。
反応容器１は、円筒箱状あるいは矩形箱状の反応容器である。反応容器１の内部には、基板９を保持する主面６ａを有する基板保持台６と、複数の熱フィラメント３ａを備える熱フィラメント電極２と、原料ガスの導入箱１３が、この順に配置される。
反応容器１は、図示しない真空ポンプに接続された排気口１０ａ、１０ｂを備えている。排気口１０ａ、１０ｂは、図示しない圧力計及び図示しない真空ポンプと組み合わせて稼働させることにより、反応容器１の内部を所定の圧力に調整し、該圧力を保持することが可能である。また、反応容器１内部を高真空度に真空引きすることが可能である。
反応容器１は、基板９の搬入・搬出に用いられる図示しない基板搬入搬出用バルブ及び該反応容器１内部の各構成部品を組み立て、配置するための図示しない作業用フランジを備えている。
反応容器１は、熱フィラメント３ａ及び基板９の温度測定用石英窓２２ａを備えている。温度測定用石英窓２２ａは、放射温度計２２と連携して、熱フィラメント３ａ及び基板９の温度測定に用いられる。
【0014】
基板保持台６は、主面６ａを有し、該主面６ａで基板９と接し、保持する。基板９の温度は、複数の熱フィラメント３ａが放射する輻射熱により加熱され、基板保持台６の内部に設けられた図示しない冷媒を用いた冷却手段と連携して所定の温度に制御される。基板９の温度は、約７００～約１，０００℃に、例えば、１，０００℃に設定される。なお、基板６の温度は、温度測定用石英窓２２ａを介して、放射温度計２２を用いて測定される。
基板保持台６の断面形状は、基板９の形状と相似形である。例えば、基板９のサイズが直径５インチの円板形である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、直径１５３ｍｍである。例えば、基板９のサイズが５インチｘ５インチの矩形板である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、１５３ｍｍｘ１５３ｍｍである。
基板９は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から基板保持台６の主面６ａに搬入、載置され、目的とする熱フィラメントＣＶＤによるダイヤモンド合成処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。
基板保持台６の断面形状は、基板９の形状と相似形である。例えば、基板９のサイズが直径５インチの円板形である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、直径１５３ｍｍである。例えば、基板９のサイズが５インチｘ５インチの矩形板である場合は、それより一回りおおきいサイズで、例えば、１５３ｍｍｘ１５３ｍｍである。
基板９は、図示しない基板搬入搬出用バルブを開閉することにより、大気側から基板保持台６の主面６ａに搬入、載置され、目的とする熱フィラメントＣＶＤによるダイヤモンド合成処理が行なわれた後、大気側へ搬出される。
【0015】
ここでは、基板９を、例えば、直径５インチの単結晶Ｓｉウエハーとする。基板保持台６の主面６ａのサイズは、例えば、直径１５３ｍｍとする。なお、基板９は単結晶Ｓｉウエハーに限定されない、例えば、高温高圧法で製作された小さいサイズの複数個のダイヤモンド基板を載置してもよい。
【0016】
熱フィラメント電極２は、図２（ａ）（ｂ）に示されるように、複数の熱フィラメント３ａと、第１の金属棒３ｂと、第２の金属棒３ｃを備えている。第１の金属棒３ｂと第２の金属棒３ｃは、互いに平行に、且つ基板保持台６の主面６ａに平行に配置される。
複数の熱フィラメント３ａは、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金等の高融点金属で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記複数の長尺薄板は、前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台６の前記主面６ａに平行になるように配置される。
更に、長尺薄板で形成された前記複数の熱フィラメント３ａは、前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台６の主面６ａに対して、図３及び図４に示されるように、垂直になるように配置される。前記複数の熱フィラメント３ａは互いに平行であり、等間隔に並べられる。前記複数の熱フィラメント３ａは、図２（ａ）に示されるように、その端部の一方が前記第１の金属棒３ｂに固着され、他方が前記第２の金属棒３ｃに固着される。即ち、熱フィラメント３ａと第１の金属棒３ａと第１の金属棒３ｂは導通状態にある。
複数の熱フィラメント３ａの材質としては、高融点金属の中から、熱電子発生の観点より、仕事関数φが低い材料であるタングステン（φ＝４．５ｅＶ）又はタンタル（φ＝４．２ｅＶ）又はタンタルを含む合金から選ばれる。好ましくは、熱フィラメントＣＶＤ処理により高融点で高い機械的強度を持つ炭化タンタル（ＴａＣ）へ変質可能なタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金がよい。
熱フィラメントＣＶＤ処理によりタンタルで形成された熱フィラメント３ａに炭化タンタルを被膜させる方法は以下に、示される。即ち、タンタル製の前記熱フィラメント３ａに熱フィラメントＣＶＤ法を用いて、原料ガスとして、例えば、流量比ＣＨ４／Ｈ２＝５／１００、圧力４ｋＰａ、該熱フィラメント３ａの温度を略２，０００℃～２，６００℃で、成膜時間略１０時間ないし２０時間で炭化膜を被覆形成する。そうすると、略４，０００℃の高融点を持ち、機械的強度の強い炭化タンタル被覆膜が得られる。
複数の熱フィラメント３ａの断面形状を略長方形に選ぶ理由は、該熱フィラメント３ａの表面積を広く取り、熱電子の発生個数を増大するためである。複数の熱フィラメント３ａが放出する熱電子は、以下に示されるリチャードソン・ダッシ ュマンの式で表され、該熱フィラメント３ａの表面積が広ければ広いほど、熱電子の発生個数を増大することができる。
即ち、熱フィラメント３ａが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、例えば、非特許文献６に記載のように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
断面形状が略長方形の場合、円形の場合に比べて、断面積の増大を抑制し、且つ表面積を増大することが可能である。その結果、熱電子の発生個数の増大を図ることが可能である。なお、円形フィラメントの場合、断面積を増大すれば、電気抵抗が小さくなり、電気回路の設計、製作が困難になることが危惧される。
ここでは、複数の熱フィラメント３ａの寸法は、例えば、厚み略０．１ｍｍ～０．５ｍｍｘ幅１ｍｍ～１０ｍｍｘ長さ略１５０ｍｍ～２００ｍｍ程度の中から選ぶ。例えば、厚み０．１ｍｍｘ幅４ｍｍｘ長さ略１６０ｍｍとする。また、複数の熱フィラメント３ａの材質は熱電子発生の観点よりタンタルとする。なお、この場合、熱フィラメント３ａの周長は８．２ｍｍであるので、従来の直径０．５ｍｍの線材熱フィラメントの場合（周長：１．５７ｍｍ）に比べて、表面積は約５．２倍である。
複数の熱フィラメント３ａの隣り合う間隔は、該熱フィラメント３ａと基板６との距離を含めて、予め実験を行い、得られたデータに基づいて適度の間隔が選ばれる。例えば、３ｍｍ～３０ｍｍの範囲から、例えば、５ｍｍとする。熱フィラメント３ａの長手方向の辺と基板保持台６の主面６ａとの距離は、実験データに基づいて適度の距離が選ばれる。例えば、５ｍｍ～１００ｍｍの範囲から、例えば、７ｍｍが選ばれる。
複数の熱フィラメント３ａは、例えば、タングステン（Ｗ）又はタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金等の高融点金属で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、各前記長尺薄板は、並行して並べられ、且つ前記複数の長尺薄板は、前記長尺薄板の長手方向の辺が前記基板保持台６の前記主面６ａに平行になるように配置される。
更に、長尺薄板で形成された前記複数の熱フィラメント３ａは、前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台６の主面６ａに対して、図３及び図４に示されるように、垂直になるように配置される。前記複数の熱フィラメント３ａは互いに平行であり、等間隔に並べられる。前記複数の熱フィラメント３ａは、図２（ａ）に示されるように、その端部の一方が前記第１の金属棒３ｂに固着され、他方が前記第２の金属棒３ｃに固着される。即ち、熱フィラメント３ａと第１の金属棒３ａと第１の金属棒３ｂは導通状態にある。
複数の熱フィラメント３ａの材質としては、高融点金属の中から、熱電子発生の観点より、仕事関数φが低い材料であるタングステン（φ＝４．５ｅＶ）又はタンタル（φ＝４．２ｅＶ）又はタンタルを含む合金から選ばれる。好ましくは、熱フィラメントＣＶＤ処理により高融点で高い機械的強度を持つ炭化タンタル（ＴａＣ）へ変質可能なタンタル（Ｔａ）又はタンタルを含む合金がよい。
熱フィラメントＣＶＤ処理によりタンタルで形成された熱フィラメント３ａに炭化タンタルを被膜させる方法は以下に、示される。即ち、タンタル製の前記熱フィラメント３ａに熱フィラメントＣＶＤ法を用いて、原料ガスとして、例えば、流量比ＣＨ４／Ｈ２＝５／１００、圧力４ｋＰａ、該熱フィラメント３ａの温度を略２，０００℃～２，６００℃で、成膜時間略１０時間ないし２０時間で炭化膜を被覆形成する。そうすると、略４，０００℃の高融点を持ち、機械的強度の強い炭化タンタル被覆膜が得られる。
複数の熱フィラメント３ａの断面形状を略長方形に選ぶ理由は、該熱フィラメント３ａの表面積を広く取り、熱電子の発生個数を増大するためである。複数の熱フィラメント３ａが放出する熱電子は、以下に示されるリチャードソン・ダッシ ュマンの式で表され、該熱フィラメント３ａの表面積が広ければ広いほど、熱電子の発生個数を増大することができる。
即ち、熱フィラメント３ａが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、例えば、非特許文献６に記載のように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
断面形状が略長方形の場合、円形の場合に比べて、断面積の増大を抑制し、且つ表面積を増大することが可能である。その結果、熱電子の発生個数の増大を図ることが可能である。なお、円形フィラメントの場合、断面積を増大すれば、電気抵抗が小さくなり、電気回路の設計、製作が困難になることが危惧される。
ここでは、複数の熱フィラメント３ａの寸法は、例えば、厚み略０．１ｍｍ～０．５ｍｍｘ幅１ｍｍ～１０ｍｍｘ長さ略１５０ｍｍ～２００ｍｍ程度の中から選ぶ。例えば、厚み０．１ｍｍｘ幅４ｍｍｘ長さ略１６０ｍｍとする。また、複数の熱フィラメント３ａの材質は熱電子発生の観点よりタンタルとする。なお、この場合、熱フィラメント３ａの周長は８．２ｍｍであるので、従来の直径０．５ｍｍの線材熱フィラメントの場合（周長：１．５７ｍｍ）に比べて、表面積は約５．２倍である。
複数の熱フィラメント３ａの隣り合う間隔は、該熱フィラメント３ａと基板６との距離を含めて、予め実験を行い、得られたデータに基づいて適度の間隔が選ばれる。例えば、３ｍｍ～３０ｍｍの範囲から、例えば、５ｍｍとする。熱フィラメント３ａの長手方向の辺と基板保持台６の主面６ａとの距離は、実験データに基づいて適度の距離が選ばれる。例えば、５ｍｍ～１００ｍｍの範囲から、例えば、７ｍｍが選ばれる。
【0017】
第１の金属棒３ｂは、図２（ａ）、（ｂ）に示されるように、第１の棒バネ式張力付与手段５ａに固着され、該第１の棒バネ式張力付与手段５ａは、後述の第１の真空用電流導入端子７ａの給電棒９ａに第１の接続治具１０ａを介して固着される。なお、第１の棒バネ式張力付与手段５ａは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。また、第１の棒バネ式張力付与手段５ａは、棒バネ式に限らず、板バネ式やコイルバネ式等を用いることができる。
同様に、第２の金属棒３ｃは、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂに固着され、該第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは、後述の第２の真空用電流導入端子７ｂの給電棒９ｂに第２の接続治具１０ｂを介して固着される。なお、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。また、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは、棒バネ式に限らず、板バネ式やコイルバネ式等を用いることができる。
第１の金属棒３ｂ及び第２の金属棒３ｃの寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法２ｍｍ～１０ｍｍ程度ｘ２ｍｍ～１０ｍｍ程度の角棒を選ぶ。第１の金属棒３ｂ及び第２の金属棒３ｃの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
同様に、第２の金属棒３ｃは、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂに固着され、該第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは、後述の第２の真空用電流導入端子７ｂの給電棒９ｂに第２の接続治具１０ｂを介して固着される。なお、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは電気的に導体で、高温度に耐える金属で、例えば、タンタルあるいはタンタルを含む合金で製作される。また、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂは、棒バネ式に限らず、板バネ式やコイルバネ式等を用いることができる。
第１の金属棒３ｂ及び第２の金属棒３ｃの寸法は、適度の剛性を持つ、例えば、断面寸法２ｍｍ～１０ｍｍ程度ｘ２ｍｍ～１０ｍｍ程度の角棒を選ぶ。第１の金属棒３ｂ及び第２の金属棒３ｃの長さは、基板保持台６の主面６ａより大きいサイズ、例えば、１６０ｍｍ～１７０ｍｍ、例えば、１６０ｍｍとする。
【0018】
複数の熱フィラメント３ａを高温度に加熱するための電力供給手段は、図１に示されるように、電源２０と、非接地の電力供給線２０ａと、接地された電力供給線２０ｂと、第１の真空用電流導入端子７ａと、第２の真空用電流導入端子７ｂと、を備える。
第１の真空用電流導入端子７ａの構造は、図２（ｂ）に示されるように、真空用フランジ１２ａと、誘電体１１ａと、芯線である給電棒９ａで構成され、前記給電棒９ａと第１の棒バネ式張力付与手段５ａは第１の接続治具１０ａで固着され、電気的に接続される。
電源２０の電力供給回路は、電源２０の出力端子から順に、非接地の電力供給線２０ａ、第１の真空用電流導入端子７ａ、第１の棒バネ式張力付与手段５ａ、第１の金属棒３ｂ、複数の熱フィラメント３ａ、第２の金属棒３ｂ、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂ、第２の真空用電流導入端子７ｂ、接地された電力供給線２０ｂ及び電源２０の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
電源２０は、定電力制御方式であり、複数の熱フィラメント３ａの温度を、約２，０００～約２，８００℃に、例えば、２，４００℃に加熱し、一定温度に制御可能である。電源２０は、市販の装置、例えば、商用周波数６０Ｈｚ、出力電流：最大１００Ａ、出力電圧：最大１ｋＶ、出力電力：最大１００ｋＷの定電力制御方式電源を用いる。ここでは、商用周波数６０Ｈｚの交流電源を用いるが、直流電源でもよい。
電源２０から熱フィラメント３ａに所定の電力が供給されると、該熱フィラメント３ａから熱電子が放出される。即ち、形状が長尺薄板の熱フィラメント３ａの２つの主面から大部分の熱電子が放出される。
第１の真空用電流導入端子７ａの構造は、図２（ｂ）に示されるように、真空用フランジ１２ａと、誘電体１１ａと、芯線である給電棒９ａで構成され、前記給電棒９ａと第１の棒バネ式張力付与手段５ａは第１の接続治具１０ａで固着され、電気的に接続される。
電源２０の電力供給回路は、電源２０の出力端子から順に、非接地の電力供給線２０ａ、第１の真空用電流導入端子７ａ、第１の棒バネ式張力付与手段５ａ、第１の金属棒３ｂ、複数の熱フィラメント３ａ、第２の金属棒３ｂ、第２の棒バネ式張力付与手段５ｂ、第２の真空用電流導入端子７ｂ、接地された電力供給線２０ｂ及び電源２０の接地された出力端子を結ぶループで形成される。
電源２０は、定電力制御方式であり、複数の熱フィラメント３ａの温度を、約２，０００～約２，８００℃に、例えば、２，４００℃に加熱し、一定温度に制御可能である。電源２０は、市販の装置、例えば、商用周波数６０Ｈｚ、出力電流：最大１００Ａ、出力電圧：最大１ｋＶ、出力電力：最大１００ｋＷの定電力制御方式電源を用いる。ここでは、商用周波数６０Ｈｚの交流電源を用いるが、直流電源でもよい。
電源２０から熱フィラメント３ａに所定の電力が供給されると、該熱フィラメント３ａから熱電子が放出される。即ち、形状が長尺薄板の熱フィラメント３ａの２つの主面から大部分の熱電子が放出される。
【0019】
ここで、図４及び図５において、熱フィラメント３ａの２つの主面の一方の主面の近傍領域を第１の表面層３ａａと呼び、他方の主面の近傍領域を第２の表面層３ａｂと呼ぶ。第１の表面層３ａａ及び第２の表面層３ａｂは、図５に示されるように、高温状態にある熱フィラメント３ａの表面から熱電子１００が放出され、該表面近傍は高密度の熱電子が存在する領域である。
【0020】
原料ガスの導入箱１３は、図１、図３及び図４に示されるように、原料ガス供給口１４と、空洞１３ｃと、多数の第１原料ガス噴出孔１３ａと、多数の第２原料ガス噴出孔１３ｂと、を備えている。
原料ガス供給口１４の上流に図示しない少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガスの供給源が配置される。
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスである。高品質ダイヤモンドの形成の観点から、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）を選び、水素ガス（Ｈ２）との混合ガスを原料に用いる。混合比は、流量比で、例えば、ＣＨ４／Ｈ２＝１～３／１００、ここでは、ＣＨ４／Ｈ２＝１／１００とする。
原料ガス供給口１４から導入された原料ガスは、原料ガス導入箱１３の空洞１３ｃで分散され、複数の第１原料ガス噴出孔１３ａ及び複数の第２原料ガス噴出孔１３ｂへ、均等に供給される。
多数の第１原料ガス噴出孔１３ａ及び多数の第２原料ガス噴出孔１３ｂは、孔の直径が、例えば、略０．１ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。孔の直径を０．ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、原料ガス噴出量の空間的に均一することが出来る。開口率を３０％～８０％に設定することにより、原料ガスの大量供給への対応が可能である。ここでは、孔径を略０．５ｍｍ、開口率を略３０％とする。
多数の第１の原料ガス噴出孔１３ａは、図３及び図４に示されるように、空洞１３ｃから供給された第１の原料ガス１４ａを、第１の噴射流１５ａとして噴射し、熱フィラメント３ａの一方の表面層３ａａに対し、第１の斜め入射流１６ａを供給する。原料ガスが、熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに対して第１の斜め入射流１６ａの形態で供給されると、第１の乱流１７ａが発生する。第１の乱流１７ａは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
同様に、多数の第２の原料ガス噴出孔１３ｂは、図３及び図４に示されるように、空洞１３ｃから供給された第２の原料ガス１４ｂを、第２の噴射流１５ｂとして噴射し、熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに対し、第２の斜め入射流１６ｂを供給する。熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに対して第２の斜め入射流１６ｂが供給されると、第２の乱流１７ｂが発生する。第２の乱流１７ｂは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
前記熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａと第２の表面層３ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。そして、ＣＨ３ラジカルはダイヤモンドの前駆体として、ｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）を形成する。水素ラジカルＨは、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除する。その結果、ダイヤモンド結晶が形成される。
原料ガス供給口１４の上流に図示しない少なくとも炭素含有ガスと水素ガス（Ｈ２）を含む原料ガスの供給源が配置される。
前記炭素含有ガスは、メタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選ばれる少なくとも１種を含むガスである。高品質ダイヤモンドの形成の観点から、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）を選び、水素ガス（Ｈ２）との混合ガスを原料に用いる。混合比は、流量比で、例えば、ＣＨ４／Ｈ２＝１～３／１００、ここでは、ＣＨ４／Ｈ２＝１／１００とする。
原料ガス供給口１４から導入された原料ガスは、原料ガス導入箱１３の空洞１３ｃで分散され、複数の第１原料ガス噴出孔１３ａ及び複数の第２原料ガス噴出孔１３ｂへ、均等に供給される。
多数の第１原料ガス噴出孔１３ａ及び多数の第２原料ガス噴出孔１３ｂは、孔の直径が、例えば、略０．１ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。孔の直径を０．ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、原料ガス噴出量の空間的に均一することが出来る。開口率を３０％～８０％に設定することにより、原料ガスの大量供給への対応が可能である。ここでは、孔径を略０．５ｍｍ、開口率を略３０％とする。
多数の第１の原料ガス噴出孔１３ａは、図３及び図４に示されるように、空洞１３ｃから供給された第１の原料ガス１４ａを、第１の噴射流１５ａとして噴射し、熱フィラメント３ａの一方の表面層３ａａに対し、第１の斜め入射流１６ａを供給する。原料ガスが、熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに対して第１の斜め入射流１６ａの形態で供給されると、第１の乱流１７ａが発生する。第１の乱流１７ａは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
同様に、多数の第２の原料ガス噴出孔１３ｂは、図３及び図４に示されるように、空洞１３ｃから供給された第２の原料ガス１４ｂを、第２の噴射流１５ｂとして噴射し、熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに対し、第２の斜め入射流１６ｂを供給する。熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに対して第２の斜め入射流１６ｂが供給されると、第２の乱流１７ｂが発生する。第２の乱流１７ｂは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
前記熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａと第２の表面層３ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。そして、ＣＨ３ラジカルはダイヤモンドの前駆体として、ｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）を形成する。水素ラジカルＨは、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除する。その結果、ダイヤモンド結晶が形成される。
【0021】
次に、電源２０から熱フィラメント３ａへ電力が供給される際に発生する輻射熱及び熱電子の形態について、以下に説明する。
図１において、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給する。該熱フィラメント３ａと基板９の温度を、放射温度計２２で測定しながら、該電源２０の出力を調整し、また、基板保持台６の内部に設けられた図示しない冷媒を用いた冷却手段を調整する。そして、該電源２０の出力を基板９の温度が略１，０００℃に、熱フィラメント３ａの温度が略２，４００℃になるように調整し、設定する。そうすると、熱フィラメント３ａは、輻射エネルギーと熱電子を放射する。
該熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）は、例えば、非特許文献７に記載されているように、ステファン・ボルツマンの法則で表される。即ち、該熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギーＥｓは、次式（３）で表される。
Ｅｓ ∝ ε・σ・Ｔ４（ｗ／ｃｍ２） ・・・（３）
ただし、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔは熱フィラメント３ａの絶対温度である。
基板９に入射する輻射エネルギーＱは、例えば、非特許文献７に記載されているように、次式（４）で表される。
Ｑ ∝ Ｅｓ・Ｓ・cosθ／ｄ２ ・・・（４）
ただし、Ｅｓは熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギー、Ｓは熱フィラメント３ａの表面積、θは、基板９の法線を基準にした熱フィラメント３ａを見上げる角度（仰角）、ｄは熱フィラメント３ａと基板９の距離である。
なお、熱フィラメント３ａの主面の仰角は９０°であるので、該熱フィラメント３ａの主面から放出される輻射エネルギーの基板９の温度上昇に対する貢献度は低い。
また、隣り合う２つの高温物体では輻射エネルギーの交換が発生する。例えば、隣り合って配置された第１の高温物体の温度Ｔ１で、第２の高温物体の温度Ｔ２の場合、単位面積当たりの正味のエネルギー交換量ΔＥは、次式（５）で表される。
ΔＥ ∝ ε・σ・（Ｔ１－Ｔ２）４ ・・・（５）
これは、隣り合って配置された複数の熱フィラメント３ａの間では、温度が同じであれば、正味のエネルギー交換は発生しない、ということを示している。即ち、隣り合って配置された複数の熱フィラメント３ａ同士は温度がほぼ同じであるので、両者の間で正味のエネルギー交換は発生しない、という意味である。
基板９の表面温度は、上記式（３）ないし式（５）で表されるように、複数の隣り合う熱フィラメント３ａ間の距離、該熱フィラメント３ａと基板９の距離ｄ及び電源２０の出力等に依存することから、放射温度計２２で基板９の表面温度を測定しながら、基板９の表面温度が該基板９の前面に亘って、ほぼ一様になるように、複数の熱フィラメント３ａ同士間の距離、前記熱フィラメント３ａと基板９の距離ｄ及び電源２０の出力のそれぞれの最適値に関するデータを、予め実験により把握する。
ここでは、予め把握した複数の熱フィラメント３ａ同士間の距離、該熱フィラメント３ａと基板９の距離及び電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを基に、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定し、維持制御する。
図１において、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給する。該熱フィラメント３ａと基板９の温度を、放射温度計２２で測定しながら、該電源２０の出力を調整し、また、基板保持台６の内部に設けられた図示しない冷媒を用いた冷却手段を調整する。そして、該電源２０の出力を基板９の温度が略１，０００℃に、熱フィラメント３ａの温度が略２，４００℃になるように調整し、設定する。そうすると、熱フィラメント３ａは、輻射エネルギーと熱電子を放射する。
該熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギー（赤外線、可視光、紫外線等を含む輻射熱）は、例えば、非特許文献７に記載されているように、ステファン・ボルツマンの法則で表される。即ち、該熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギーＥｓは、次式（３）で表される。
Ｅｓ ∝ ε・σ・Ｔ４（ｗ／ｃｍ２） ・・・（３）
ただし、εは放射率、σはステファン・ボルツマン定数、Ｔは熱フィラメント３ａの絶対温度である。
基板９に入射する輻射エネルギーＱは、例えば、非特許文献７に記載されているように、次式（４）で表される。
Ｑ ∝ Ｅｓ・Ｓ・cosθ／ｄ２ ・・・（４）
ただし、Ｅｓは熱フィラメント３ａから放射される輻射エネルギー、Ｓは熱フィラメント３ａの表面積、θは、基板９の法線を基準にした熱フィラメント３ａを見上げる角度（仰角）、ｄは熱フィラメント３ａと基板９の距離である。
なお、熱フィラメント３ａの主面の仰角は９０°であるので、該熱フィラメント３ａの主面から放出される輻射エネルギーの基板９の温度上昇に対する貢献度は低い。
また、隣り合う２つの高温物体では輻射エネルギーの交換が発生する。例えば、隣り合って配置された第１の高温物体の温度Ｔ１で、第２の高温物体の温度Ｔ２の場合、単位面積当たりの正味のエネルギー交換量ΔＥは、次式（５）で表される。
ΔＥ ∝ ε・σ・（Ｔ１－Ｔ２）４ ・・・（５）
これは、隣り合って配置された複数の熱フィラメント３ａの間では、温度が同じであれば、正味のエネルギー交換は発生しない、ということを示している。即ち、隣り合って配置された複数の熱フィラメント３ａ同士は温度がほぼ同じであるので、両者の間で正味のエネルギー交換は発生しない、という意味である。
基板９の表面温度は、上記式（３）ないし式（５）で表されるように、複数の隣り合う熱フィラメント３ａ間の距離、該熱フィラメント３ａと基板９の距離ｄ及び電源２０の出力等に依存することから、放射温度計２２で基板９の表面温度を測定しながら、基板９の表面温度が該基板９の前面に亘って、ほぼ一様になるように、複数の熱フィラメント３ａ同士間の距離、前記熱フィラメント３ａと基板９の距離ｄ及び電源２０の出力のそれぞれの最適値に関するデータを、予め実験により把握する。
ここでは、予め把握した複数の熱フィラメント３ａ同士間の距離、該熱フィラメント３ａと基板９の距離及び電源８の出力のそれぞれの最適値に関するデータを基に、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定し、維持制御する。
【0022】
他方、熱フィラメント３ａが高温度に加熱される場合、熱電子が発生する。熱フィラメントが発生する熱電子の発生個数Ｎｅは、例えば、非特許文献６に記載のように、リチャードソン・ダッシ ュマンの式に従う。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、熱フィラメント３ａの温度が高ければ高いほど、また、仕事関数が小さければ小さいほど、また、表面積Ｓが広ければ広いほど放出される熱電子の数が多くなる。例えば、非特許文献６によれば、タングステン（Ｗ）の仕事関数φ＝４．５ｅＶ、タンタル（Ｔａ）の仕事関数φ＝４．２ｅＶであり、熱電子放出特性として、タングステンＷ（融点：３，０００℃）に関し、２０００℃で０．０１Ａ／ｃｍ２及び２，４００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られ、タンタルＴａ（融点：２，８５０℃）に関し、１，４００℃で、０．０１Ａ／ｃｍ２及び１，８００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られている。
即ち、上記式（１）及び非特許文献６に記載の上記データは、熱フィラメント３ａの温度が高いほど、多量の熱電子が発生することを示している。また、熱電子発生の能力で比較すれば、タンタルがタングステンよりも優れていることが判る。
ここでは、熱電子の発生量を最大とするために、熱フィラメント３ａの温度を融点以下とし、可能な限り最大の温度に選ぶ。例えば、基板９の表面温度を所要の値に維持しつつ、熱フィラメント３ａの温度を可能な限り高い温度に、例えば、２，４００℃に設定する。ただし、基板９の温度は上昇するので、基板保持台６が内蔵する冷却手段を用いて、基板９を冷却し、該基板９の表面温度を約１，０００℃に制御する。
Ｎｅ ∝ Ｔ２・Ｓ・ｅｘｐ｛－φ／ｋＴ｝ （単位：個） ・・・（１）
ただし、Ｔは熱フィラメントの絶対温度、Ｓは熱フィラメントの表面積、φは熱フィラメントの仕事関数、ｋはボルツマン定数である。
したがって、熱フィラメント３ａの温度が高ければ高いほど、また、仕事関数が小さければ小さいほど、また、表面積Ｓが広ければ広いほど放出される熱電子の数が多くなる。例えば、非特許文献６によれば、タングステン（Ｗ）の仕事関数φ＝４．５ｅＶ、タンタル（Ｔａ）の仕事関数φ＝４．２ｅＶであり、熱電子放出特性として、タングステンＷ（融点：３，０００℃）に関し、２０００℃で０．０１Ａ／ｃｍ２及び２，４００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られ、タンタルＴａ（融点：２，８５０℃）に関し、１，４００℃で、０．０１Ａ／ｃｍ２及び１，８００℃で、１Ａ／ｃｍ２が得られている。
即ち、上記式（１）及び非特許文献６に記載の上記データは、熱フィラメント３ａの温度が高いほど、多量の熱電子が発生することを示している。また、熱電子発生の能力で比較すれば、タンタルがタングステンよりも優れていることが判る。
ここでは、熱電子の発生量を最大とするために、熱フィラメント３ａの温度を融点以下とし、可能な限り最大の温度に選ぶ。例えば、基板９の表面温度を所要の値に維持しつつ、熱フィラメント３ａの温度を可能な限り高い温度に、例えば、２，４００℃に設定する。ただし、基板９の温度は上昇するので、基板保持台６が内蔵する冷却手段を用いて、基板９を冷却し、該基板９の表面温度を約１，０００℃に制御する。
【0023】
ところで、ＣＨ３ラジカルの気相中の輸送（移動）は、「物質の単位面積、単位時間当たりの拡散量は、濃度勾配に比例する」というフイックの法則に従う。即ち、これは、次式（６）で表せられる。なお、基板表面の法線方向を座標ｘ軸とし、該基板表面をｘ＝０とする。基板表面に流れ込む単位面積・単位時間当たりのＣＨ３ラジカルの量J１（ＣＨ３）：（ｃｍ－２・ｓ－１）は、ＣＨ３ラジカルの拡散係数をＤ（ＣＨ３）として、
J１（ＣＨ３）∝ Ｄ（ＣＨ３）・｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（６）
ただし、｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＣＨ３濃度勾配（ｃｍ－４）である。
原子状Ｈの輸送（移動）は、上記ＣＨ３ラジカルの輸送（移動）と同様に、フイックの法則に従う。即ち、基板表面に流れ込む原子状Ｈの量J２（Ｈ）は、原子状Ｈの拡散係数をＤ（Ｈ）として、次式（７）で表せられる。
J２（Ｈ）∝ Ｄ（Ｈ）・｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（７）
ただし、｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＨ濃度勾配（ｃｍ－４）である。
即ち、上記式（６）及び式（７）は、基板表面近傍のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの輸送量は、それぞれの濃度が高ければ高いほど多くなる、ということを示している。
J１（ＣＨ３）∝ Ｄ（ＣＨ３）・｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（６）
ただし、｛ｄ[ＣＨ３]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＣＨ３濃度勾配（ｃｍ－４）である。
原子状Ｈの輸送（移動）は、上記ＣＨ３ラジカルの輸送（移動）と同様に、フイックの法則に従う。即ち、基板表面に流れ込む原子状Ｈの量J２（Ｈ）は、原子状Ｈの拡散係数をＤ（Ｈ）として、次式（７）で表せられる。
J２（Ｈ）∝ Ｄ（Ｈ）・｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ ・・・（７）
ただし、｛ｄ[Ｈ]／ｄｘ｝ｘ＝０ は基板表面近傍でのＨ濃度勾配（ｃｍ－４）である。
即ち、上記式（６）及び式（７）は、基板表面近傍のＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの輸送量は、それぞれの濃度が高ければ高いほど多くなる、ということを示している。
【0024】
上述したように本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱フィラメント３ａが２，４００℃の高温に熱せられ（ダイヤモンド形成条件Ａ）、長尺薄板の熱フィラメント３ａを用いることにより熱フィラメント３ａの表面積が増大化され（ダイヤモンド形成条件Ｂ）、前記長尺薄板の熱フィラメント３ａへ原料ガスが斜めに噴射されることにより原料ガスが熱フィラメント３ａの表面層近傍３ａａ、３ａｂに効果的に流入され、且つ攪拌される（ダイヤモンド形成条件Ｃ）ことから、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成が可能である。したがって、図５及び図６に示されるように、ＣＨ３ラジカルと原子状Ｈに係わる輸送現象と基板表面での化学反応現象、並びに多量の原子状水素Ｈによるダイヤモンド形成前駆体の中の水素成分及び結合の弱い炭素成分の引き抜き作用によりダイヤモンドが形成される、と考えられる。
即ち、図５及び図６において、熱フィラメント３ａの第１及び第２の表面層近傍３ａａ、３ａｂの領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカルは拡散現象により、基板９の表面に移動する。基板９の表面に到達したＣＨ３ラジカルの一部分は、基板９の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３ａの第１及び第２の表面層近傍３ａａ、３ａｂの領域で発生した高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
即ち、図５及び図６において、熱フィラメント３ａの第１及び第２の表面層近傍３ａａ、３ａｂの領域で発生した高濃度のＣＨ３ラジカルは拡散現象により、基板９の表面に移動する。基板９の表面に到達したＣＨ３ラジカルの一部分は、基板９の表面に化学吸着する。基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３ａの第１及び第２の表面層近傍３ａａ、３ａｂの領域で発生した高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
【0025】
次に、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の操作手順について、図１～図６を参照して説明する。熱フィラメント３ａはタンタル製が用いられる。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の初期条件設定操作として、熱フィラメント３ａへの炭化タンタルの被覆成膜を行う。
図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。次に、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、熱フィラメント３ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、メタンガスと水素を原料として、流量比を、例えば、水素流量／メタンガス流量＝１００／５とし、所定の流量を、圧力を、例えば、略４ｋＰａで供給する。そうすると、原料ガスが分解され、熱フィラメント３ａの表面に炭素系の膜が形成される。該炭素系の膜は炭化タンタル成分を含む膜となる。該炭素系の膜の形成時間が、例えば、約１２時間経過後に、原料ガスの供給を停止する。そして、電源２０の出力を、停止する。次に、反応容器１の内部を所定の真空度にする。次に、反応容器１の内部を大気に戻す。
次に、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、以下に示す手順で水素ラジカルによる基板９の表面のクリーニングを行う。電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、熱フィラメント３ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から水素ガスを適当流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３ａが放出する熱電子により、水素が分解されて原子状水素Ｈが発生する。発生した原子状水素Ｈは拡散して基板９の表面に到達する。原子状水素Ｈの作用により、基板９の表面がクリーニングされ、基板表面は水素で終端された状態になる。
なお、原子状水素Ｈに作用には、エッチング、気相中での原料ガスの解離（成膜前駆体の生成）、表面の欠陥修復、結晶化促進等があることが知られている。
基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の原子状水素Ｈによる基板９の表面のクリーニングを行う。
先ず、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の初期条件設定操作として、熱フィラメント３ａへの炭化タンタルの被覆成膜を行う。
図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。次に、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、熱フィラメント３ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、メタンガスと水素を原料として、流量比を、例えば、水素流量／メタンガス流量＝１００／５とし、所定の流量を、圧力を、例えば、略４ｋＰａで供給する。そうすると、原料ガスが分解され、熱フィラメント３ａの表面に炭素系の膜が形成される。該炭素系の膜は炭化タンタル成分を含む膜となる。該炭素系の膜の形成時間が、例えば、約１２時間経過後に、原料ガスの供給を停止する。そして、電源２０の出力を、停止する。次に、反応容器１の内部を所定の真空度にする。次に、反応容器１の内部を大気に戻す。
次に、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、以下に示す手順で水素ラジカルによる基板９の表面のクリーニングを行う。電源２０の出力を熱フィラメント３ａに供給し、熱フィラメント３ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から水素ガスを適当流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３ａが放出する熱電子により、水素が分解されて原子状水素Ｈが発生する。発生した原子状水素Ｈは拡散して基板９の表面に到達する。原子状水素Ｈの作用により、基板９の表面がクリーニングされ、基板表面は水素で終端された状態になる。
なお、原子状水素Ｈに作用には、エッチング、気相中での原料ガスの解離（成膜前駆体の生成）、表面の欠陥修復、結晶化促進等があることが知られている。
基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の原子状水素Ｈによる基板９の表面のクリーニングを行う。
【0026】
次に、電源２０の出力を、一旦、ゼロに戻す。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、例えば、メタンガスと水素を選び供給する。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／１とする。図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給口１４を介して原料ガス噴出穴１３ａ及び１３ｂから噴出させる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、数ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
そうすると、図３及び図４に示されるように、第１の原料ガス噴出孔１３ａから噴射された原料ガス１４ａは、第１の噴射流１５ａとして噴射され、熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに対し、第１の斜め入射流１６ａとして供給され、第１の乱流１７ａを発生する。第１の乱流１７ａは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの表面層３ａａに存在する熱電子１００が効果的に接触、混合、攪拌される。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
同様に、第２の原料ガス噴出孔１３ｂから噴射された原料ガス１４ｂは、第２の噴射流１５ｂとして噴射され、熱フィラメント３ａの表面層３ａｂに対し、第２の斜め入射流１６ｂとして供給され、第２の乱流１７ｂが発生する。第２の乱流１７ｂは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに存在する熱電子１００が効果的に接触、混合、攪拌される。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、図６に示されるように、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３ａで生成された高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、数ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
そうすると、図３及び図４に示されるように、第１の原料ガス噴出孔１３ａから噴射された原料ガス１４ａは、第１の噴射流１５ａとして噴射され、熱フィラメント３ａの第１の表面層３ａａに対し、第１の斜め入射流１６ａとして供給され、第１の乱流１７ａを発生する。第１の乱流１７ａは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの表面層３ａａに存在する熱電子１００が効果的に接触、混合、攪拌される。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
同様に、第２の原料ガス噴出孔１３ｂから噴射された原料ガス１４ｂは、第２の噴射流１５ｂとして噴射され、熱フィラメント３ａの表面層３ａｂに対し、第２の斜め入射流１６ｂとして供給され、第２の乱流１７ｂが発生する。第２の乱流１７ｂは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと熱フィラメント３ａの第２の表面層３ａｂに存在する熱電子１００が効果的に接触、混合、攪拌される。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、図６に示されるように、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３ａで生成された高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
【0027】
次に、ダイヤモンド膜の厚みは成膜時間に比例するので、上記電源２０の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、その出力をゼロにする。製膜時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、３０分～１２０分、例えば６０分とする。
なお、製膜時間は、熱フィラメント３ａと基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、供給電力等の関係に係わるデータを、予め実験で把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記原料ガスの供給を停止し、反応容器１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
なお、製膜時間は、熱フィラメント３ａと基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、供給電力等の関係に係わるデータを、予め実験で把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記原料ガスの供給を停止し、反応容器１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
【0028】
以上の説明で示されたように、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱フィラメントとしてタンタル（Ｔａ）で製作された断面形状が略長方形の複数の長尺薄板が配置されることにより、熱フィラメントの表面積の増大を図ることが可能となることに加え、前記長尺薄板の２つの主面に対して傾斜する方向から前記原料ガスを噴出することにより、熱フィラメント表面と原料ガスを効果的に接触させることが可能となる。その結果、熱電子と該原料ガス分子とを効果的に衝突・接触・混合させることができる、という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件B）及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件C）という条件を満たすことが困難であるが、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件B）及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件C）という条件を満たすことが困難であるが、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
【0029】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置について、図７及び図８を参照して、説明する。図１ないし図６も参照する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である原料ガス噴射孔と熱フィラメントの模式的断面図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における原料ガスの熱フィラメントの表面層への流入及び撹乱の状況を示す模式的説明図である。
本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における熱フィラメント３ａに代えて、熱フィラメント３０ａ、３１ａを配置するとともに、第１の原料ガス噴出孔１３ａ及び第２の原料ガス噴出孔１３ｂに代えて、第３の原料ガス噴出孔１３ｄを配置することを特徴とする。
本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置について、図７及び図８を参照して、説明する。図１ないし図６も参照する。
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成部材である原料ガス噴射孔と熱フィラメントの模式的断面図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における原料ガスの熱フィラメントの表面層への流入及び撹乱の状況を示す模式的説明図である。
本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の構成は、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置における熱フィラメント３ａに代えて、熱フィラメント３０ａ、３１ａを配置するとともに、第１の原料ガス噴出孔１３ａ及び第２の原料ガス噴出孔１３ｂに代えて、第３の原料ガス噴出孔１３ｄを配置することを特徴とする。
【0030】
複数の熱フィラメント３０ａ、３１ａは、図７及び図８に示されるように、断面形状が略長方形の長尺薄板で形成され、前記複数の長尺薄板の各々が、隣り合う前記長尺薄板同士で前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対し互いに反対方向に傾斜して配置される。即ち、各前記長尺薄板３０ａと３１ａは、並行して並べられ、隣りあう熱フィラメント３０ａと３１ａが先広ノズル型状と先細ノズル型状を交互に形成するように配置される。前記長尺薄板３０ａ、３１ａの長手方向の辺は、前記基板保持台６の前記主面６ａに平行になるように配置される。
複数の熱フィラメント３０ａ、３１ａは、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の場合と同様に、その端部の一方が前記第１の金属棒３ｂに固着され、他方が前記第２の金属棒３ｃに固着される。即ち、熱フィラメント３０ａと３１ａは、第１の金属棒３ａと第１の金属棒３ｂに固定され、導通状態にある。
電源２０から熱フィラメントの長尺薄板３０ａ、３１ａに所定の電力が供給されると、該熱フィラメント３０ａ、３１ａから熱電子が放出される。即ち、形状が長尺薄板の熱フィラメント３０ａ、３１ａのそれぞれの２つの主面から大部分の熱電子が放出される。
ここで、図８において、熱フィラメント３０ａの２つの主面の一方の主面の近傍領域を第３の表面層３０ａａ、他方の主面の近傍領域を第４の表面層３０ａｂと呼ぶ。また、図８において、熱フィラメント３１ａの２つの主面の一方の主面の近傍領域を第５の表面層３１ａａ、他方の主面の近傍領域を第６の表面層３１ａｂと呼ぶ。なお、第３ないし第６の表面層３０ａａ、３０ａｂ、３１ａａ、３１ａｂは、高密度の熱電子が存在する領域である。
複数の熱フィラメント３０ａ、３１ａは、本発明の第１の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の場合と同様に、その端部の一方が前記第１の金属棒３ｂに固着され、他方が前記第２の金属棒３ｃに固着される。即ち、熱フィラメント３０ａと３１ａは、第１の金属棒３ａと第１の金属棒３ｂに固定され、導通状態にある。
電源２０から熱フィラメントの長尺薄板３０ａ、３１ａに所定の電力が供給されると、該熱フィラメント３０ａ、３１ａから熱電子が放出される。即ち、形状が長尺薄板の熱フィラメント３０ａ、３１ａのそれぞれの２つの主面から大部分の熱電子が放出される。
ここで、図８において、熱フィラメント３０ａの２つの主面の一方の主面の近傍領域を第３の表面層３０ａａ、他方の主面の近傍領域を第４の表面層３０ａｂと呼ぶ。また、図８において、熱フィラメント３１ａの２つの主面の一方の主面の近傍領域を第５の表面層３１ａａ、他方の主面の近傍領域を第６の表面層３１ａｂと呼ぶ。なお、第３ないし第６の表面層３０ａａ、３０ａｂ、３１ａａ、３１ａｂは、高密度の熱電子が存在する領域である。
【0031】
原料ガスの導入箱１３は、図７及び図８に示されるように、原料ガス供給口１４と、空洞１３ｃと、多数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄを備えている。多数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄは、空洞１３ｃから供給される原料ガスを、基板保持台６の前記主面６ａの垂直方向へ噴射する。
多数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄは、孔の直径が、例えば、略０．１ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。孔の直径を０．ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、複数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴出される原料ガス噴出量を空間的に均一することができる。開口率を３０％～８０％に設定することにより、原料ガスの大量供給への対応が可能である。ここでは、孔径を略０．５ｍｍ、開口率を略３０％とする。
第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴射される噴射流は、図８に第３の噴射流１６ｃ及び第４の噴射流１６ｄとして示される。
第３の噴射流１６ｃが噴射されると、該第３の噴射流１６ｃは熱フィラメント３０ａの第３の表面層３０ａａ及び熱フィラメント３１ａの第５の表面層３１ａａに対し斜めから流入し、それぞれは、第３の乱流１７ｃ及び第４の乱流１７ｄを発生する。
第３の乱流１７ｃ及び第４の乱流１７ｄは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第３及び第５の表面層３０ａａ、３１ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
他方、第４の噴射流１６ｄが噴射されると、例えば、非特許文献８に記載されているように、剥離流１６ｅを誘発する。剥離流１６ｅは、第４の表面層３０ａｂに第５の乱流１７ｅを発生し、第６の表面層３１ａｂに第６の乱流１７ｆを発生する。
第５の乱流１７ｅ及び第６の乱流１７ｆは、流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第４及び第５の表面層３０ａｂ、３１ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
前記第３及び第４の表面層３０ａａ、３０ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。また、前記第５及び第６の表面層３１ａａ、３１ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。
そして、ＣＨ３ラジカルはダイヤモンドの前駆体として、ｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）を形成する。水素ラジカルＨは、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除する。その結果、ダイヤモンド結晶が形成される。
多数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄは、孔の直径が、例えば、略０．１ｍｍ～略１ｍｍで、開口率は、例えば、略３０％～略８０％である。孔の直径を０．ｍｍ～１ｍｍに設定することにより、複数の第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴出される原料ガス噴出量を空間的に均一することができる。開口率を３０％～８０％に設定することにより、原料ガスの大量供給への対応が可能である。ここでは、孔径を略０．５ｍｍ、開口率を略３０％とする。
第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴射される噴射流は、図８に第３の噴射流１６ｃ及び第４の噴射流１６ｄとして示される。
第３の噴射流１６ｃが噴射されると、該第３の噴射流１６ｃは熱フィラメント３０ａの第３の表面層３０ａａ及び熱フィラメント３１ａの第５の表面層３１ａａに対し斜めから流入し、それぞれは、第３の乱流１７ｃ及び第４の乱流１７ｄを発生する。
第３の乱流１７ｃ及び第４の乱流１７ｄは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第３及び第５の表面層３０ａａ、３１ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
他方、第４の噴射流１６ｄが噴射されると、例えば、非特許文献８に記載されているように、剥離流１６ｅを誘発する。剥離流１６ｅは、第４の表面層３０ａｂに第５の乱流１７ｅを発生し、第６の表面層３１ａｂに第６の乱流１７ｆを発生する。
第５の乱流１７ｅ及び第６の乱流１７ｆは、流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第４及び第５の表面層３０ａｂ、３１ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することが可能である。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。
前記第３及び第４の表面層３０ａａ、３０ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。また、前記第５及び第６の表面層３１ａａ、３１ａｂの領域で発生したＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨは、拡散現象により基板９の表面へ輸送される。
そして、ＣＨ３ラジカルはダイヤモンドの前駆体として、ｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）を形成する。水素ラジカルＨは、基板表面及び膜中に形成されたｓｐ３混成軌道を有する炭素結合体（ダイヤモンド）とｓｐ２混成軌道を有する炭素結合体（グラファイト）が混在した結晶体から、原子状水素Ｈのｓｐ３とｓｐ２へのエッチング効果の違いによりグラファイト成分を優先的に排除する。その結果、ダイヤモンド結晶が形成される。
【0032】
次に、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の操作手順について、図７及び図８を参照して説明する。図５及び図６も参照する。熱フィラメント３０ａ、３１ａはタンタルで形成される。
先ず、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の初期条件設定操作として、熱フィラメント３０ａ、３１ａへの炭化タンタルの被覆成膜を行う。
図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。次に、電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、熱フィラメント３０ａ、３１ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、メタンガスと水素を原料として、流量比を、例えば、水素流量／メタンガス流量＝１００／５とし、圧力を、例えば、略４ｋＰａで所定の流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３０ａ、３１ａの表面に炭素系の膜が形成される。該炭素系の膜は炭化タンタル成分を含む膜となる。該炭素系の膜の形成時間が、例えば、約１２時間経過後に、原料ガスの供給を停止する。そして、電源２０の出力を、停止する。次に、反応容器１の内部を、一旦所定の真空度にする。次に、反応容器１の内部を大気に戻す。
次に、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、以下に示す手順で水素ラジカルによる基板９の表面のクリーニングを行う。電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、熱フィラメント３０ａ、３１ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から水素ガスを適当流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３０ａ、３１ａが放出する熱電子により、水素が分解されて原子状水素Ｈが発生する。発生した原子状水素Ｈは拡散して基板９の表面に到達する。原子状水素Ｈの作用により、基板９の表面がクリーニングされ、基板表面は水素で終端された状態になる。
なお、原子状水素Ｈの作用には、エッチング、気相中での原料ガスの解離（成膜前駆体の生成）、表面の欠陥修復、結晶化促進等があることが知られている。
基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の原子状水素Ｈによる基板９の表面のクリーニングを行う。
先ず、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置の初期条件設定操作として、熱フィラメント３０ａ、３１ａへの炭化タンタルの被覆成膜を行う。
図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。次に、電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、熱フィラメント３０ａ、３１ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、メタンガスと水素を原料として、流量比を、例えば、水素流量／メタンガス流量＝１００／５とし、圧力を、例えば、略４ｋＰａで所定の流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３０ａ、３１ａの表面に炭素系の膜が形成される。該炭素系の膜は炭化タンタル成分を含む膜となる。該炭素系の膜の形成時間が、例えば、約１２時間経過後に、原料ガスの供給を停止する。そして、電源２０の出力を、停止する。次に、反応容器１の内部を、一旦所定の真空度にする。次に、反応容器１の内部を大気に戻す。
次に、反応容器１の図示しない基板搬入搬出バルブを開いて、基板９を基板保持台６の主面６ａに載置する。次に、基板搬入搬出バルブを閉じた後、図示しない真空ポンプにより、排気口１０ａ及び排気口１０ｂを介して、反応容器１内部を所定の真空度にする。
次に、電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、基板９の表面温度を、例えば、１，０００℃に設定する。
次に、基板９の表面を上記温度に加熱した状態で、以下に示す手順で水素ラジカルによる基板９の表面のクリーニングを行う。電源２０の出力を熱フィラメント３０ａ、３１ａに供給し、熱フィラメント３０ａ、３１ａの温度を、例えば、略２，４００℃に設定し、維持する。次に、図示しない原料ガスの供給源から水素ガスを適当流量で供給する。そうすると、熱フィラメント３０ａ、３１ａが放出する熱電子により、水素が分解されて原子状水素Ｈが発生する。発生した原子状水素Ｈは拡散して基板９の表面に到達する。原子状水素Ｈの作用により、基板９の表面がクリーニングされ、基板表面は水素で終端された状態になる。
なお、原子状水素Ｈの作用には、エッチング、気相中での原料ガスの解離（成膜前駆体の生成）、表面の欠陥修復、結晶化促進等があることが知られている。
基板９の表面のクリーニングの時間は数分以内でよい。ここでは、例えば、３分間の原子状水素Ｈによる基板９の表面のクリーニングを行う。
【0033】
次に、電源２０の出力を、一旦、ゼロに戻す。次に、図示しない原料ガスの供給源から原料ガスとして、例えば、メタンガスと水素を選び供給する。ガス供給条件は、例えば、流量比を水素流量／メタンガス流量＝１００／１とする。図示しないメタンガス源及び図示しない水素ガス源から、それぞれ図示しないメタンガス及び水素ガスのマスフローコントローラで所定の流量を制御されたメタンガス及び水素ガスを、原料ガス供給口１４を介して原料ガス噴出孔１３ｄから噴出させる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、数ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
そうすると、図８に示されるように、第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴射された原料ガスは、第３及び第４の噴射流１６ｃ、１６ｄとして噴射される。
第３の噴射流１６ｃは、熱フィラメント３０ａに斜めに入射して第３の表面層３０ａａに第３の乱流１７ｃを発生する。また、熱フィラメント３１ａに斜めに入射して第５の表面層３１ａａに第４の乱流１７ｄを発生する。第３及び第４の乱流１７ｃ、１７ｄは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第３及び第５の表面層３０ａａ、３１ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することできる。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
同様に、第３の原料ガス噴出穴１３ｄから第４の噴射流１６ｄとして噴射された原料ガスは、第４及び第６の表面層３０ａｂ、３１ａｂに対し、第５及び第６の乱流１７ｅ、１７ｆとして流入する。第５及び第６の乱流１７ｅ、１７ｆは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第４及び第６の表面層３０ａｂ、３１ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することできる。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、図６に示されるように、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３０ａ、３１ａで生成された高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
なお、ここでは、炭素含有ガスとして、メタン（ＣＨ４）選ぶが、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）、プロピレン（Ｃ３Ｈ６）及びアセチレン（Ｃ２Ｈ２）から選んでもよい。高品質ダイヤモンドの形成の観点からは、ｓｐ３混成軌道を有するメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）から選ぶのが好ましい。
次に、図示しない排気バルブ制御装置により図示しない排気バルブの開閉度を制御し、反応容器１の内部圧力を、数ｋＰａに保つ。ここでは、例えば、４ｋＰａに設定し、維持する。
そうすると、図８に示されるように、第３の原料ガス噴出孔１３ｄから噴射された原料ガスは、第３及び第４の噴射流１６ｃ、１６ｄとして噴射される。
第３の噴射流１６ｃは、熱フィラメント３０ａに斜めに入射して第３の表面層３０ａａに第３の乱流１７ｃを発生する。また、熱フィラメント３１ａに斜めに入射して第５の表面層３１ａａに第４の乱流１７ｄを発生する。第３及び第４の乱流１７ｃ、１７ｄは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第３及び第５の表面層３０ａａ、３１ａａに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することできる。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
同様に、第３の原料ガス噴出穴１３ｄから第４の噴射流１６ｄとして噴射された原料ガスは、第４及び第６の表面層３０ａｂ、３１ａｂに対し、第５及び第６の乱流１７ｅ、１７ｆとして流入する。第５及び第６の乱流１７ｅ、１７ｆは流れの方向及び速さが時間的に激しく変化することから、原料ガスと第４及び第６の表面層３０ａｂ、３１ａｂに存在する熱電子とを効果的に接触、混合、攪拌することできる。その結果、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスから大量のＣＨ３ラジカル及び水素ラジカルＨが発生する。該ＣＨ３ラジカル及び該原子状Ｈ等は拡散して、基板９の表面に到達する。
基板表面に化学吸着したＣＨ３ラジカルの一部分は、図６に示されるように、表面化学反応により、Ｃ－Ｃの形で結合する。熱フィラメント３０ａ、３１ａで生成された高濃度の原子状Ｈは、膜表面及び膜中のＨ成分及び結合の弱い炭素成分を引き抜く。引き抜きされたＣ及びＨ成分はガスに成って排出される。基板上では、Ｃ－Ｃ結合が正四面体構造で形成され、ダイヤモンドが成長する、と考えられる。
【0034】
次に、ダイヤモンド膜の厚みは成膜時間に比例するので、上記電源２０の出力供給開始から所定の時間が経過した時点で、その出力をゼロにする。製膜時間は、予め取得されたデータに基づいて決められる。ここでは、例えば、３０分～１２０分、例えば６０分とする。
なお、製膜時間は、熱フィラメント３０ａ、３１ａと基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、供給電力等の関係に係わるデータを、予め実験で把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記原料ガスの供給を停止し、反応容器１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
なお、製膜時間は、熱フィラメント３０ａ、３１ａと基板保持台６の間隔、基板温度、メタンガスの流量、水素ガスの流量、圧力、供給電力等の関係に係わるデータを、予め実験で把握し、そのデータを基に決められる。
目的とするダイヤモンド膜の製膜が終了後、上記原料ガスの供給を停止し、反応容器１の内部を、一旦、高い真空度に真空引きする。その後、反応容器１を大気条件に戻す。反応容器１が大気条件に戻され、基板９の温度が室温になった後、図示しない基板搬入搬出バルブを開とし、基板９を取り出す。反応容器１から取り出された基板９に、均一なダイヤモンド膜が形成されている、ことを確認する。
【0035】
以上の説明で示されたように、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は、熱フィラメントとしてタンタル（Ｔａ）で製作された断面形状が略長方形の長尺薄板が隣り合う前記長尺薄板同士で前記長尺薄板の幅方向が前記基板保持台の前記主面に対し互いに反対する方向に傾斜して配置され、原料ガスを前記基板保持台の前記主面の垂直方向に噴射される構成を有することから、熱フィラメントの表面積の増大が図ることが可能となり、更に、熱フィラメントの表面と原料ガスの効果的な接触が可能となり、熱電子と該原料ガス分子との衝突・接触・混合を効果的に発生できる、という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件Ｂ）及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件Ｃ）という条件を満たすことが困難であるが、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
即ち、従来の熱フィラメントＣＶＤ装置では、高温度の熱フィラメントの表面積を増大化すること（ダイヤモンド形成条件Ｂ）及び原料ガスを熱フィラメント表面層近傍に効果的に流入させ、且つ攪拌すること（ダイヤモンド形成条件Ｃ）という条件を満たすことが困難であるが、本発明の第２の実施形態に係わる熱フィラメントＣＶＤ装置は可能である。これにより、ダイヤモンドの合成に必要なＣＨ３ラジカル及び原子状Ｈの高密度生成及び大面積化が可能である、という効果を奏する。その結果、高速で大面積に、且つ高品質のダイヤモンド成長が可能となり、上記課題を解消可能という効果を奏する。
【符号の説明】
【0036】
１・・・反応容器、
２・・・熱フィラメント電極、
３ａ・・・熱フィラメント、
３ｂ・・・第１の金属棒、
３ｃ・・・第２の金属棒、
３ａａ・・・第１の表面層、
３ａｂ・・・第２の表面層、
５ａ、ｂｂ・・・第１及び第２の棒バネ式張力付与手段、
６・・・基板保持台、
６ａ・・・基板保持台の主面、
９・・・基板、
１３ｃ・・・空洞、
１３ａ・・・第１の原料ガス噴出孔
１３ｂ・・・第２の原料ガス噴出孔、
１３ｄ・・・第３の原料ガス噴出孔、
１５ａ・・・第１の噴射流、
１５ｂ・・・第２の噴射流、
１４・・・原料ガス供給口、
１６ａ・・・第１の斜め入射流、
１６ｂ・・・第２の斜め入射流、
１６ｃ・・・第３の噴射流、
１６ｄ・・・第４の噴射流、
１６ｅ・・・剥離流、
１７ａ・・・第１の乱流、
１７ｂ・・・第２の乱流
１７ｃ・・・第３の乱流、
１７ｄ・・・第４の乱流、
１７ｅ・・・第５の乱流、
１７ｆ・・・第６の乱流、
２０・・・電源、
２２・・・放射温度計、
２２ａ・・・温度測定用石英窓、
３０ａ・・・熱フィラメント、
３１ａ・・・熱フィラメント、
３０ａａ・・・第３の表面層、
３０ａｂ・・・第４の表面層、
３１ａａ・・・第５の表面層、
３１ａｂ・・・第６の表面層。
２・・・熱フィラメント電極、
３ａ・・・熱フィラメント、
３ｂ・・・第１の金属棒、
３ｃ・・・第２の金属棒、
３ａａ・・・第１の表面層、
３ａｂ・・・第２の表面層、
５ａ、ｂｂ・・・第１及び第２の棒バネ式張力付与手段、
６・・・基板保持台、
６ａ・・・基板保持台の主面、
９・・・基板、
１３ｃ・・・空洞、
１３ａ・・・第１の原料ガス噴出孔
１３ｂ・・・第２の原料ガス噴出孔、
１３ｄ・・・第３の原料ガス噴出孔、
１５ａ・・・第１の噴射流、
１５ｂ・・・第２の噴射流、
１４・・・原料ガス供給口、
１６ａ・・・第１の斜め入射流、
１６ｂ・・・第２の斜め入射流、
１６ｃ・・・第３の噴射流、
１６ｄ・・・第４の噴射流、
１６ｅ・・・剥離流、
１７ａ・・・第１の乱流、
１７ｂ・・・第２の乱流
１７ｃ・・・第３の乱流、
１７ｄ・・・第４の乱流、
１７ｅ・・・第５の乱流、
１７ｆ・・・第６の乱流、
２０・・・電源、
２２・・・放射温度計、
２２ａ・・・温度測定用石英窓、
３０ａ・・・熱フィラメント、
３１ａ・・・熱フィラメント、
３０ａａ・・・第３の表面層、
３０ａｂ・・・第４の表面層、
３１ａａ・・・第５の表面層、
３１ａｂ・・・第６の表面層。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】