JPH0481555B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、気相からダイヤモンド膜又はダイヤ
モンド状炭素膜を基板上に析出させる方法に関す
る。

（従来技術と発明が解決しようとする問題点） ダイヤモンド膜又はダイヤモンド状炭素膜を合
成する方法は、次のように分類される。

１） CVD法 ２） プラズマCVD法 ３） イオンビーム法 ４） スパツタ法 CVD法の例として、1982年発行のジヤパニー
ズ・ジヤーナル・オブ・アプライド・フイジクス
誌（Japanese Journal of Applied Physics）第
21巻第L183ページ記載の論文には、約2000℃に
加熱したタングステン線で水素ガスとメタンガス
の混合ガスと加熱し、シリコン、モリブデン又は
石英ガラス基板上にダイヤモンドを析出させる方
法が述べられている。この方法では、タングステ
ン線の高温加熱により、タングステンの蒸気圧が
高くなり、タングステンの活染が問題となる。更
に、タングステンとカーボンの反応及びガス分子
の吸蔵等により極めてもろくなる為、頻繁にタン
グステン線を交換せねばならず、長時間運転が困
難となる。またタングステン線の経時変化は反応
ガスの熱分解条件の変動を招き、広い面積に均一
に膜状ダイヤモンドを析出させるのは困難であ
る。更に、ダイヤモンドの析出温度は約800℃の
高温である欠点を有している。

プラズマCVD法では、反応気体をマイクロ波
ないしは高周波によつて放電させ、発生したプラ
ズマ内に基板に設置してダイヤモンド膜を合成す
る方法であるが、基板温度が約800℃と高温であ
る欠点を有し、更に直接プラズマ内に基板を設置
するため、プラズマ損傷が発生したり、プラズマ
によつて基板ないし反応管がエツチングされダイ
ヤモンド膜内に混入する欠点を有している。

イオンビーム法及びスパツタ法では、基板温度
は低温であるが、主として得られるのは、ダイヤ
モンドに特性の似たアモルフアス・カーボンが主
である欠点を有している。

本発明の目的は、このような従来の欠点を除去
せしめて、低温でダイヤモンド膜を合成する方法
を提供するところにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、紫外光を吸収する炭素化合物
の蒸気と増感剤の蒸気とを含む混合物に紫外光を
照射する工程を備えたことを特徴とするダイヤモ
ンドの合成法が得られる。

（作 用） 本発明は、上述の構成をとることにより、従来
技術の問題点を解決した。気相からのダイヤモン
ド析出プロセスは、熱力学的に準安定な相を安定
化せしめる人工的操作を要求されるが、反応ガス
の熱分解からだけで遊離炭素原子を得ようとする
と、基板上に非ダイヤモンドが析出するのは自明
である。またプラズマを利用する方法において
も、プラズマの内部エネルギー範囲は広く、ダイ
ヤモンドとなるべき活性種だけを作るのは困難
で、非ダイヤモンド炭素が析出しやすくなるのも
自明であろう。従つて本発明においては、ダイヤ
モンド生成に有効なメチルラジカル、原子状水素
等を紫外光を用いた効率的かつ選択的に作り出
し、基板上にダイヤモンドを合成するプロセスを
提供する。また光による活性種からの合成である
ため、基板温度を上昇せずにすみダイヤモンドの
低温成長が可能となる。

増感剤を使用する理由を以下に示す。

炭素源としてメタンを用いる場合、光子吸収等
を利用しない限り、約1460オングストローム以下
の真空紫外光を必要とする。ところがこのような
真空紫外域で強い光源は、現状では入手困難であ
る。そこで増感剤として、水銀、アンモニア等を
用いると、入手容易かつ光化学反応を引き起こす
のに十分なエネルギーを持つた水銀ランプ
（1849、2537オングストローム）又はフツ化アル
ゴン（ArF）エキシマーレーザー（1930オングス
トローム）フツ素（F₂）エキシマーレーザー
（1570オングストロム）等の光源を利用できる。
増感剤の役割は、紫外光を吸収後、生成した励起
種ないし分解生成物と炭素化合物の蒸気と相互作
用して、メチルラジカル及び原子状水素を合成す
ることにある。

炭素化合物の蒸気は紫外光を吸収し、光分解し
てメチルラジカルを放出する物質である方が望ま
しいが、紫外光による光化学反応が生ずるもので
あればさしつかえない。このような物質の例とし
て、アセトン（（CH₃）₂CO）等のケトン類やベン
ゼン等が考えられる。

増感剤としては、紫外光を吸収し、炭素化合物
の蒸気と相互作用するものであればなんでもよい
が、光分解して、原子状水素を放出したり、炭素
化合物と反応してメチルラジカルを生成する物質
である方が望ましい。このような物質の例とし
て、アンモニア（NH₃）、水銀等が考えられる。

また水素は、増感剤と反応して原子状水素を放
出するので、炭素化合物の蒸気と増感剤の混合物
に混入すると効率的である。紫外光は強い程望ま
しいので、水銀ランプ及びエキシマーレーザーの
光をレンズで集光する方がよい。また、膜厚の均
一性及び大面積化には、集光した光を基板全面に
照射できるように、基板ないしは光軸をくりかえ
し移動させることも有効である。

（実施例） 紫外光の波長は、光化学反応を生じる4000オン
グストローム以下であることが望ましい。以下、
図面を用いて本発明に使用した装置の例及び製造
工程の例を説明する。

紫外光源９として、フツ化アルゴン（ArF）エ
キシマーレーザー及び水銀ランプを用いた。紫外
光は大気による吸収をさける為、真空装置６によ
つて100^-3トール以下に真空引きされた光路15内
を通り、レンズ８により集光され基板１に照射さ
れる。また、ダイヤモンドの合成中、アルゴンボ
ンベ１４からアルゴンを合成石英ガラス製窓５に
吹きつけ、窓のくもり防止とした。液体の物質
は、バブラー１０に入れ、水素ボンベ１１から水
素をキヤリアガスに用い、真空槽２に導入した。

ダイヤモンドの合成プロセスを以下に示す。基
板１を基板加熱台３上に設置後、真空槽２内を真
空装置７で、光路１５内を真空装置Ａ６で10^-3ト
ール以下に排気する。基板１を基板加熱台３で所
定の温度に設定後、基板移動台４で、所定の幅で
くり返し、移動させる。所定の反応物質の蒸気及
びアルゴンを水素ボンベ１１、メタンボンベ１
２、アンモニアボンベ１３、バブラー１０、アル
ゴンボンベ１４から真空槽２内に所定の分圧で導
入する。紫外光源９から紫外光を基板１に照射
し、ダイヤモンドを合成する。

基板は直径50mmのシリコン、モリブデン石英ガ
ラスを用い、基板温度は100℃〜600℃とした。紫
外光源はフツ化アルゴン（ArF）エキシマーレー
ザーを用いた。反応時間は30分とした。

炭素化合物はアセトンおよびベンゼンを用い、
バブラー１０から水素ガスのバブリングにより反
応容器内に導入し、増感剤はアンモニアを用い
た。

アセトンおよびベンゼンは共に紫外光を吸収す
ることがわかつており、いずれの基板温度でも析
出物が認められ、100℃から200℃まではアモルフ
アス・カーボンがダイヤモンドと共に析出してい
た。200℃以上ではダイヤモンド単相となつてい
た。反応速度は300℃で３ミクロン／時間であつ
た。

紫外光源として水銀ランプを用いると、ArFエ
キシマーレーザーより強度が小さいため、析出速
度は、0.03ミクロン／時間と遅い結果であつた。

増感剤であるアンモニアを用いない場合には、
ArFエキシマーレーザーを用いてもアモルフアス
カーボンのみしか得られなかつた。

（発明の効果） 本発明により、ダイヤモンド単相の薄膜を基板
上に析出させることができる。成長速度も速く、
従来より低温で合成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法に直接使用する装置の
概略図。 図において、１…基板、２…真空槽、３…基板
加熱台、４…基板移動台、５…窓、６…真空装置
Ａ、７…真空装置Ｂ、８…レンズ、９…紫外光
源、１０…バブラー、１１…水素ボンベ、１２…
メタンボンベ、１３…アンモニアボンベ、１４…
アルゴンボンベ、１５…光路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 紫外光により光分解する炭素化合物の蒸気と
   増感剤の蒸気とを含む混合気体に紫外光を照射す
   る工程を備えたことを特徴とするダイヤモンドの
   合成法。 ２ 混合気体中には水素が混入されている特許請
   求の範囲第１項記載のダイヤモンドの合成法。 ３ 炭素化合物として、アセトン及びベンゼンの
   うち少なく共一種類を用いる特許請求の範囲第１
   項または第２項記載のダイヤモンドの合成法。 ４ 増感剤としてアンモニアを用いる特許請求の
   範囲第１項または第２項または第３項記載のダイ
   ヤモンドの合成法。