JPH04285154A - 炭素薄膜の作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、耐摩耗性，摺動性が
要求される分野、あるいは、高熱伝導性が要求される分
野、あるいは、半導体物性が要求される分野等において
用いられるダイヤモンド構造を有する炭素薄膜の作成方
法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは、高硬度・高熱伝導性を
有する他、電気抵抗が高く、光学的には一部の赤外域を
除いて透過性に優れ、また不純物の添加により半導体の
性質を示す可能性もあるといった、広い応用が期待され
ている物質である。その反面、ダイヤモンドの合成には
高温・高圧が必要であり、その合成には莫大なコストを
要し、その用途が拡大しなかった。

【０００３】ダイヤモンドが高圧を要しない低温下で薄
膜化され、基体上に密着性良く合成できればその用途を
飛躍的に拡大させることができる。これまで、基体上に
ダイヤモンド薄膜を合成する手段としては、炭化水素や
有機化合物系のガスを用いたプラズマＣＶＤ法、光ＣＶ
Ｄ法等の化学気相成長法（ＣＶＤ法）がもっぱら採られ
てきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記のような
従来のＣＶＤ法では、■炭化水素や有機化合物系のガス
ではダイヤモンドの結晶成長と同時に、アモルファス状
炭素の析出が生じ易い。■　　基体およびガス雰囲気を
高温（例えば８００℃〜１０００℃）に加熱して処理を
行う必要があるため、基体として使用できる材質が限ら
れている。

【０００５】■　　基体に対するダイヤモンド薄膜の密
着性が悪く、ダイヤモンド薄膜が基体から剥離しやすい
。 ■　　ダイヤモンド薄膜内に不純物が侵入しやすく、高
品位のダイヤモンド薄膜を形成することが困難である。 等の問題があった。

【０００６】そこで、発明者等は、基体に対して炭素元
素を含有する物質を蒸着させると同時または交互に、不
活性ガスよりなるイオンビームを基体に照射することに
よって、基体を加熱すること無しに、膜内にダイヤモン
ド構造の炭素を生成する方法を提案した。この方法によ
ると、照射イオンが基体に蒸着されたグラファイト構造
の炭素を高励起状態にし、蒸着膜の中にはダイヤモンド
構造をもつ結晶構造が生成される。この際、基体を加熱
する必要が無く、基体として用いられる材質が限定され
ないという利点がある。

【０００７】しかしながら、この方法には、膜内に絶縁
物のダイヤモンド構造を有する炭素が形成されるため、
作成中に照射されるイオン（正に帯電している）により
膜内に正の電荷が蓄積され、膜がチャージアップを起こ
し、その結果、局所的な絶縁破壊を生じ、膜内にピンホ
ールを発生させるという欠点があった。この膜内のピン
ホールは、膜の絶縁性、熱伝導度特性、耐候性、あるい
は長期安定性等の特性を劣化させる原因になる。

【０００８】したがって、この発明の目的は、このよう
な問題点を解決し、膜内のピンホールの発生を防止する
ことができるダイヤモンド構造を有する炭素薄膜の作成
方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明の炭素薄膜の作
成方法は、負イオン，電子等の負帯電粒子を基体に照射
し、かつ、電磁波を照射しながら薄膜を形成する。

【００１０】

【作用】負イオンあるいは電子等の負帯電粒子を真空容
器内に発生させ、それを基体に照射することにより、蒸
着膜への不活性ガスのイオン照射によって蓄積される正
電荷を中和し、蒸着膜がチャージアップすることによっ
てもたらされるピンホールの発生を防止する。これによ
って、薄膜の絶縁性、あるいは熱伝導度等の特性が向上
し、薄膜の耐候性等の長期安定性が確保される。

【００１１】また、粒子エネルギー（励起状態にあると
きのポテンシャル）が１０−２ｅＶ以上１０６　ｅＶ以
下の電磁波を蒸着膜に照射することによって、蒸発炭素
がさらに高励起状態になり、ダイヤモンド構造になりや
すくなる。その結果、基体の表面に形成された膜内のダ
イヤモンド構造の炭素の結晶性が向上し、アモルファス
状炭素の析出が抑制される。

【００１２】

【実施例】図１はこの発明に係る方法を実施する装置の
一例を示す概略図である。この装置は、真空容器（図示
省略）内において、例えば基体ホルダー１に炭素薄膜を
形成すべき対象となる基体２が取り付けられ、当該基体
２に向けて蒸発源３およびイオン源４が配置されている
。

【００１３】蒸発源３は、例えば電子ビームを用いた蒸
発源であり、蒸発材料５として炭素元素を含有する物質
を蒸気化５’して、基体２の上に蒸着させるためのもの
である。ただし、蒸発材料は炭素を高純度に含有してい
るものが好ましい。その際、蒸発材料５が昇華性で、電
子ビームの加熱を利用する蒸発源では、蒸発速度が安定
しない、あるいは蒸着速度が遅いといった問題を生じる
際には、炭素元素を有する物質からなるターゲットを不
活性ガスイオン等によってスパッタさせる方式の蒸発源
や、あるいは真空アーク放電等によって炭素元素含有物
質を蒸発させるプラズマ溶射方式の蒸発源等を任意に用
いればよい。

【００１４】イオン源４は、例えばプラズマ閉じ込めに
カスプ磁場を用いるバケット型イオン源等が用いられ、
イオン源に供給されたガスＧをイオン化して基体２の上
にイオンビーム４’を照射するためのものである。この
イオン源４も、この目的を達成するものであるならば、
例えばカウフマン型等の方式を任意に用いることができ
る。

【００１５】この場合、イオンビーム４’には、膜中の
不純物の混入を避けるため、不活性ガスをイオン化した
もの、具体的には、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｒ
ｎの希ガス元素よりなるイオンのいずれか１種または２
種以上を混合させたものより成るイオンビームを用いる
。膜作成に関しては、真空容器内を例えば１０−５ｔｏ
ｒｒ以下の高真空に排気した後、蒸発源３から炭素元素
を含有する物質を基体２の上に蒸着させるのと同時また
は交互に、イオン源４に不活性ガスを１種または２種以
上混合させたものを導入し、ガスＧをイオン化し、その
イオンよりなるイオンビーム４’を基体２に照射する。 その際、基体２に照射されるイオンの個数と、基体２に
蒸着される炭素原子の粒子比（イオンの個数／炭素原子
輸送比）は、０．１％〜１００％の範囲内にするのが好
ましい。この範囲を逸脱すると、膜が必要以上にスパッ
タされたり、過剰な炭素がアモルファス状態となって膜
内に必要以上に析出されたりする。

【００１６】図１における１０は、膜厚モニターであり
、例えば水晶振動子を用いたもの等であり、これによっ
て、蒸着膜の膜厚を測定したり、基体２上に蒸着される
炭素原子の個数を測定したりするものである。また、１
１は、電流測定モニターであり、例えばファラデーカッ
プ等からなり、これによって基体２に照射されるイオン
の個数を測定するものである。この膜厚モニター１０と
電流測定モニター１１を用いることにより、前記のイオ
ンの個数／炭素原子輸送比が算出される。

【００１７】また、照射するイオンの加速エネルギーは
、その照射によって蒸着膜内に発生するダメージ（欠陥
）が発生するのを極力少なくするために、１０ＫｅＶ以
下にするのが好ましい。なお、イオンの加速エネルギー
の下限値は、イオンビームを引き出せる限界から、現実
的には１０ｅＶ以上になる。さらに、基体２に対するイ
オンビーム４’の照射角度（図１に示すような、基体２
の表面に対する垂線とイオンビームの角度）θは０°〜
８０°の範囲内にするのが好ましい。この範囲を逸脱す
ると、イオンビームによる蒸着原子のスパッタ率が高く
なり、所定の膜厚が得られない可能性がある。

【００１８】そして、この発明では、上記方法によって
、基体２上に炭素元素含有薄膜を作成する際に、負イオ
ンあるいは電子等の負帯電粒子を真空容器内に発生させ
、それを基体２に照射させることを第１の特徴とする。 この負イオンあるいは電子等の負帯電粒子の発生方法は
、特に限定されないが、例えば高周波放電を真空容器内
に発生させることによって得る。真空容器内で高周波放
電を発生させる方法は特に限定されないが、この発明で
は、例えば図１に示すように、真空容器外にて高周波発
振器８と整合回路９に接続された高周波印加コイル６に
よって発生させる例を示す。高周波発振器８は、例えば
他励起水晶発振方式を用いるもので、発生する周波数は
１３．５６ＭＨｚであり、整合回路９は真空容器内での
高周波放電に対する入射波と反射波の整合を得るもので
ある。

【００１９】負イオンあるいは電子等の負帯電粒子を発
生させ、これを基体２に照射させることの効果は以下の
ように説明される。前記手法によって、イオンの照射に
よって形成されたダイヤモンド構造を有する炭素が基体
２上に形成されていくと、蒸着膜は絶縁性を有するよう
になる。そのため、蒸着膜は形成途中より、イオンの照
射によってチャージアップを起こすようになり、その結
果、膜には過剰の電荷が蓄積されていき、やがて局所的
な絶縁破壊を生じる。それは、膜内にピンホールの発生
をもたらし、膜の絶縁性，耐候性等の特性を劣化させる
原因になる。

【００２０】これに対して、この発明のように、高周波
放電の真空容器内での発生は、放電によって真空容器内
にプラズマを発生させ、それによって、大量の電子が生
み出され、それが、イオン照射によって過剰に蓄積され
た膜内の正電荷を中和させるように働く。これによって
、膜のチャージアップは防止され、前記過程によって発
生する膜内のピンホールの発生は防止される。

【００２１】この際、印加する高周波の出力は１０Ｗ以
上が好ましい。１０Ｗ未満であると、その効果が充分得
られない。また、高周波放電を発生させる際の真空容器
内でのガス圧は１×１０−８ｔｏｒｒ以上が好ましく、
それ未満であると、高周波放電が安定に維持されない可
能性がある。さらに、この発明は、粒子エネルギーが１
０−２ｅＶ以上１０６　ｅＶ以下の電磁波を蒸着膜に照
射しながら薄膜を作成することを第２の特徴とする。こ
の粒子エネルギーが１０−２ｅＶ以上１０６　ｅＶ以下
の電磁波の例として、本実施例では実施例１に示すよう
な、紫外線照射ランプ７を用いる。この紫外線照射ラン
プ７は、例えば水銀アークを用いたランプ等が用いられ
、この紫外線の照射の効果は以下のように説明される。

【００２２】紫外線照射ランプ７より光子が発生され、
その光子と蒸着炭素原子の衝突によって、あるいは蒸着
炭素原子が光子のエネルギーを吸収することによって、
バンド間での電子の移動が生じ、蒸着炭素原子が高励起
状態になり、非熱平衡下で擬似的な高温・高圧状態が生
まれ、その結果、蒸着炭素はダイヤモンド構造を形成し
易くなる。

【００２３】この際、紫外線の照射の方式は特に限定さ
れるものではなく、その照射量の上限・下限値は、前記
イオンの照射量，加速エネルギーあるいはイオン炭素原
子の輸送比によって適宜選択される。なお、上記におい
て、粒子エネルギーが１０−２ｅＶ以上としたとのは、
これより小さいと炭素原子が励起状態にならないからで
ある。また、粒子エネルギーが１０６　ｅＶ以下とした
のは、これより大きいと照射損傷を生じるおそれがある
からである。また、粒子エネルギー１０−２ｅＶ以上１
０６　ｅＶ以下の電磁波の例としては、遠赤外線ないし
Ｘ線の範囲（波長１０−４〜１０−１０　ｍ）の各種電
磁波が含まれる。

【００２４】（実施例１）図１に示すような装置を用い
、基体ホルダーに（１００）のＳｉ基体を設置した後、
真空容器内に納め、当該真空容器を２×１０−８ｔｏｒ
ｒ以下の高真空に保持した。その後、電子ビームを用い
た蒸発源を用いて、純度９９．９％の炭素よりなる蒸発
物質を蒸発させ、Ｓｉ基体上に炭素薄膜を形成し、それ
と同時に、バケット型イオン源に純度９９．９９９％の
Ｎｅガスを導入し（この際の真空容器内の真空度は８×
１０−５ｔｏｒｒ）、当該Ｎｅガスをイオン化し、加速
エネルギー２００ｅＶでＳｉ基体に照射した。なお、Ｎ
ｅ／Ｃの輸送比は０．２５であり、ビーム電流は２ｍＡ
であった。

【００２５】また、それと同時に２００Ｗの出力の高周
波出力による高周波放電を真空容器内に発生させ、かつ
、水銀アークによるランプを用いて前記蒸着膜に紫外線
を照射した。なお、薄膜作成中はＳｉ基体は水冷機構に
よって室温下に保たれた。蒸着膜を約１μｍの厚さに形
成した後、ラマン散乱分光法により膜の結晶構造を評価
した結果を図２に示す。実施例１の場合、ダイヤモンド
の結晶構造の生成を反映する波数１３３０ｃｍ−１でピ
ークが見られた。

【００２６】また、膜の表面状態を走査型電子顕微鏡に
よって観測したところ、膜にはピンホールが観察されな
かった。 （比較例１）実施例１と同様に、電子ビームを用いた蒸
発源を用いて、純度９９．９％の炭素よりなる蒸発物質
を蒸発させ、Ｓｉ基体上に炭素薄膜を形成すると同時に
、バケット型イオン源に純度９９．９９９％のＮｅガス
を導入し（この際の真空容器内の真空度は８×１０−５
ｔｏｒｒ）、当該Ｎｅガスをイオン化し、加速エネルギ
ー２００ｅＶでＳｉ基体に照射することによって、Ｓｉ
基体上に炭素薄膜を作成した。ただし、この際、実施例
１で用いた高周波放電および紫外線照射は用いなかった
。なお、それ以外の条件は実施例１と全く同様にした。

【００２７】実施例１と同様に、蒸着膜の結晶構造をラ
マン散乱分光法によって評価した結果を図３に示す。比
較例では、実施例１のように膜内にダイヤモンドの結晶
構造の存在を示す波数１３３０ｃｍ−１でピークが見ら
れるが、これ以外にアモルファス炭素の存在を示す高波
数域で幅広いピークも同時に見られ、実施例１よりも膜
内に多くのアモルファス状炭素が含有されていることが
判る。

【００２８】また、実施例１と同じく、膜の表面状態を
走査型電子顕微鏡によって観測したところ、膜には幾つ
かのピンホールが観察された。

【００２９】

【発明の効果】この発明によれば、（１）　　薄膜作成
中に、負イオンあるいは電子等の負帯電粒子を真空容器
内に発生させ、それを基体に照射することによって、膜
中の正電荷が中和され、不活性ガスのイオン照射による
薄膜作成中の膜のチャージアップが防止される。この結
果、ピンホールの無い高品位の膜を作成することができ
る。

【００３０】（２）　　電磁波を蒸着膜に照射しながら
薄膜を作成することによって、炭素を充分に高励起状態
にすることができ、アモルファス状炭素の少ない、かつ
、結晶性の良いダイヤモンド構造を有する炭素薄膜を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の炭素薄膜の作成方法を実施する装置
の構造を示す概略図である。

【図２】ラマン散乱分光法により実施例１の膜の結晶構
造を評価した結果を示す特性図である。

【図３】ラマン散乱分光法により比較例１の膜の結晶構
造を評価した結果を示す特性図である。

【符号の説明】

１　　　　基体ホルダー ２　　　　基体 ３　　　　蒸発源 ４　　　　イオン源 ４’　　イオンビーム ５　　　　蒸発材料 ５’　　蒸気化 ６　　　　高周波印加コイル ７　　　　紫外線照射ランプ ８　　　　高周波発振器 ９　　　　整合回路 １０　　膜厚モニター １１　　電流測定モニター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　炭素元素を含有する物質の蒸着を基体
   に行うと同時または交互に、不活性ガスをイオン化する
   ことによって得られるイオンビームの照射を前記基体に
   行うことにより、前記基体の表面にダイヤモンド構造を
   有する炭素薄膜を形成する炭素薄膜の作成方法において
   、負イオン，電子等の負帯電粒子を基体に照射し、かつ
   、電磁波を照射しながら薄膜を形成することを特徴とす
   る炭素薄膜の作成方法。