JPH07291773A

JPH07291773A - 炭素系物質の薄膜形成方法及び形成装置

Info

Publication number: JPH07291773A
Application number: JP6084606A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maeda; 健司前田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-07

Abstract

(57)【要約】【目的】高品質なダイヤモンドやＣ₆₀などの炭素系物
質の薄膜を形成する。【構成】Ｓｉ基板11の表面にダイヤモンド薄膜を形成
するに際し、真空中においてＣ試料へのアブレーション
用レーザ光L2の照射により微粒化されたＣを生成する。
そして、この超微粒子Ｃを、Ｈ₂の供給、高電圧の印
加、紫外線レーザ光の照射によりサイズ効果が得られる
nmオーダまで微粒化する。Ｓｉ基板11の表面に超微粒子
Ｃを堆積させ、この超微粒子Ｃに紫外線レーザ光L1を照
射して、光化学反応によりダイヤモンドの結晶を選択的
に成長させ、Ｓｉ基板11表面にダイヤモンドの薄膜を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭素系物質の薄膜形成
方法及び形成装置に係り、特に、基板の表面に高品質の
ダイヤモンド薄膜やＣ₆₀薄膜などを選択的に形成するた
めの技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えば特開平３−１７７３９８号
公報に開示されているように、耐熱性に優れ、高温度雰
囲気中でも半導体的性質が失われないダイヤモンド薄膜
層を、半導体デバイス基板の表面層として形成すること
が注目されている。

【０００３】そして、このようなダイヤモンド薄膜を形
成する手段として、従来より、例えば、文献「表面科学
の基礎と応用」（１９９１年８月１日発行、日本表面科
学会偏、編集人：宮崎栄三、発行者：吉田隆）P1080 〜
1083に開示されているようなＣＶＤ（化学蒸着）法やＰ
ＶＤ（物理蒸着）法等が採用されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな手段は、グラファイト構造やアモルファス構造の炭
素が残ってしまうために高品質のダイヤモンド結晶を得
ることが難しく、上述したような半導体デバイス基板に
利用した場合、その信頼性が十分に得られないといった
課題があった。このため、上述したような製法はダイヤ
モンド薄膜の形成に最適なものであるとはいえず、この
ダイヤモンド薄膜の形成について改良の余地があった。

【０００５】また、近年注目されているＣ₆₀の薄膜を形
成する際にあっても同様のことが言える。

【０００６】本発明は、この点に鑑みてなされたもので
あって、高品質なダイヤモンドやＣ₆₀などの炭素系物質
の薄膜を形成することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明に係る方法は、紫外線レーザ
光を利用し、このレーザ光の照射条件によって基板上に
おいて選択的に炭素系物質の結晶を成長させて薄膜を形
成するようにした。具体的には、基板(11)の表面に炭素
系物質の薄膜を形成する形成方法を前提とし、真空中に
おいて炭素試料(4) （以下炭素は元素記号Ｃで表す）へ
のレーザ光(L2)の照射により超微粒化されたＣを生成す
る超微粒子生成工程と、該超微粒子生成工程によって生
成された超微粒子Ｃを基板(11)の表面に散布する超微粒
子散布工程と、該超微粒子散布工程によって基板(11)の
表面に散布された超微粒子Ｃに所定の照射条件の反応光
(L1)を照射し、光化学反応により特定のＣ系物質の結晶
を前記反応光の照射条件に応じて選択的に成長させる薄
膜形成工程とを行うようにしている。

【０００８】請求項２記載の発明は、前記請求項１記載
のＣ系物質の薄膜形成方法において、超微粒子生成工程
と同時に、超微粒子Ｃに反応光(L1)を照射して、光化学
反応により該超微粒子Ｃの微粒化を促進させる光化学反
応工程を行うようにしている。

【０００９】請求項３記載の発明は、前記請求項１また
は２記載のＣ系物質の薄膜形成方法において、反応光を
紫外線レーザ光(L1)としている。

【００１０】請求項４記載の発明は、前記請求項１、２
または３記載のＣ系物質の薄膜形成方法において、超微
粒子生成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給し
てガス反応により超微粒子Ｃの微粒化を促進させるガス
反応工程を行うようにしている。

【００１１】請求項５記載の発明は、前記請求項１記載
のＣ系物質の薄膜形成方法において、薄膜形成工程と同
時に、基板(11)上の超微粒子Ｃに反応ガスを供給してＣ
系物質の結晶の成長を促進させるガス成長工程を行うよ
うにしている。

【００１２】請求項６記載の発明は、前記請求項４また
は５記載のＣ系物質の薄膜形成方法において、反応ガス
を水素ガス（以下Ｈ₂）としている。

【００１３】請求項７記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４、５または６記載のＣ系物質の薄膜形成方法
において、超微粒子生成工程と同時に、超微粒子Ｃを高
電圧励起分解させて微粒化を促進させる分解工程を行う
ようにしている。

【００１４】請求項８記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４、５、６または７記載のＣ系物質の薄膜形成
方法において、薄膜形成工程に先立って基板(11)の表面
にシリコンカーバイト（以下ＳｉＣ）の薄膜層を形成す
るＳｉＣ薄膜層形成工程を行うようにしている。

【００１５】請求項９記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４、５、６、７または８記載のＣ系物質の薄膜
形成方法において、Ｃ系物質をダイヤモンドとしてい
る。

【００１６】請求項１０記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４、５、６、７または８記載のＣ系物質の薄膜
形成方法において、Ｃ系物質をＣ₆₀としている。

【００１７】請求項１１記載の発明は、上述した請求項
１記載の発明に係るＣ系物質の薄膜形成方法に使用され
る装置に係る。具体的には、真空中においてＣ試料(4)
へのレーザ光(L2)の照射により超微粒化されたＣを生成
させる超微粒子生成手段(20)と、該超微粒子生成手段(2
0)によって生成された超微粒子Ｃを基板(11)の表面に向
って移動させる超微粒子移動手段(22)と、該超微粒子移
動手段(22)によって基板(11)の表面に移動された超微粒
子炭素に所定の照射条件の反応光(L1)を照射し、光化学
反応により特定の炭素系物質の結晶を前記反応光の照射
条件に応じて選択的に成長させる結晶選択成長手段(21)
とを備えさせた構成としている。

【００１８】請求項１２記載の発明は、前記請求項１１
記載のＣ系物質の薄膜形成装置において、超微粒子生成
手段(20)に、Ｃ試料(4) の表面にアブレーション用レー
ザ光(L2)を照射するレーザ装置(16)を備えさせた構成と
している。

【００１９】請求項１３記載の発明は、前記請求項１１
記載のＣ系物質の薄膜形成装置において、結晶選択成長
手段(21)に、基板(11)の表面に移動した超微粒子Ｃに向
って紫外線レーザ光(L1)を照射する紫外線レーザ装置(1
7)を備えさせた構成としている。

【００２０】請求項１４記載の発明は、前記請求項１１
または１３記載のＣ系物質の薄膜形成装置において、結
晶選択成長手段(21)に、基板(11)に近接して配置され且
つ該基板(11)の表面に移動した超微粒子Ｃに向って紫外
線を照射する紫外線ランプ(12)を備えさせた構成として
いる。

【００２１】請求項１５記載の発明は、前記請求項１
１、１３または１４記載のＣ系物質の薄膜形成装置にお
いて、結晶選択成長手段(21)に、基板(11)を所定温度に
加熱するヒータ(10b) を備えさせた構成としている。

【００２２】

【作用】上記の構成により、本発明では以下に述べるよ
うな作用が得られる。請求項１記載の発明に係る方法で
は、先ず、真空中においてＣ試料(4) にレーザ光(L2)を
照射し、これによってＣ試料(4) の表面部分から超微粒
子Ｃを生成させる。また、この動作と同時若しくは動作
後に、超微粒子Ｃを基板(11)の表面に散布する。更に、
その後、基板(11)の表面の超微粒子Ｃに対して予め設定
された照射条件で反応光(L1)を照射し、その光化学反応
によって、グラファイト構造やアモルファス構造のＣが
除去されるに伴いダイヤモンドやＣ₆₀等の特定のＣ系物
質の結晶が照射条件に応じて選択的に成長する。これに
より、基板(11)の表面にその薄膜が形成される。

【００２３】請求項２記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃに反応光(L1)を照射す
ると、光化学反応によって該超微粒子Ｃは微粒化が促進
され、サイズ効果を得ることができる程度まで微粒化す
る。そして、超微粒子Ｃがサイズ効果を得ることができ
るnmオーダまで微粒化された状態にあっては、結晶成長
が迅速に行える。また、この反応光(L1)を基板(11)表面
に照射して該基板(11)表面を活性化させることができる
ので、Ｃ系物質の結晶を選択成長させる前に、この基板
(11)表面に他の物質を結合させておくこともできる。つ
まり、この場合、反応光(L1)は、基板(11)表面を活性化
させる機能、超微粒子Ｃの微粒化を促進させる機能、更
には特定のＣ系物質の結晶を成長させる機能とを兼ね備
えることになる。

【００２４】請求項３記載の発明では、光化学反応を行
わせる反応光を紫外線レーザ光(L1)としたために、必要
な領域にのみ反応光を照射することができ、効率良く光
化学反応を行うことができる。

【００２５】請求項４記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃに反応ガスを供給する
と、ガス反応によって該超微粒子Ｃは微粒化が促進さ
れ、この場合にもサイズ効果を得ることができる程度ま
で微粒化することができる。

【００２６】請求項５記載の発明では、Ｃ系物質の薄膜
形成動作と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給するこ
とにより、結晶の成長が促進され、Ｃ系物質の薄膜形成
が迅速に行える。

【００２７】請求項６記載の発明では、超微粒子の微粒
化を促進させるガス反応を行わせる反応ガスをＨ₂とし
たために、簡単な製法で得られる反応ガスを用いて効率
良く微粒化若しくは結晶の成長を行うことができる。

【００２８】請求項７記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃを高電圧励起分解させ
ることにより、該超微粒子Ｃは微粒化の促進及びプラズ
マ状態の安定化による高品質化が図れ、この場合にもサ
イズ効果を得ることができる程度まで微粒化することが
できる。

【００２９】請求項８記載の発明では、基板(11)の表面
にＳｉＣの薄膜層を形成した後、この薄膜層に対して特
定のＣ系物質の薄膜を形成する。この場合、基板(11)が
Ｃ系物質でないものであっても、ＳｉＣ薄膜層が構造緩
和層として機能し、基板(11)に対するＣ系物質の薄膜の
密着性を良好に得ることができる。

【００３０】請求項９記載の発明では、基板(11)の表面
の超微粒子Ｃに対して照射する反応光(L1)の条件を調整
することにより、ダイヤモンド結晶を選択的に成長させ
る。これにより、基板(11)の表面に高品質のダイヤモン
ド薄膜が形成される。

【００３１】請求項１０記載の発明では、基板(11)の表
面の超微粒子Ｃに対して照射する反応光(L1)の条件を調
整することにより、Ｃ₆₀の結晶を選択的に成長させる。
これにより、基板(11)の表面に高品質のＣ₆₀の薄膜が形
成される。

【００３２】請求項１１記載の発明に係る装置によるＣ
系物質の薄膜形成動作にあっては、先ず、真空中におい
て超微粒子生成手段(20)によりＣ試料(4) にレーザ光(L
2)を照射し、これによってＣ試料(4) の表面部分から超
微粒子Ｃを生成する。また、この動作と同時若しくは動
作後に、超微粒子移動手段(22)により超微粒子Ｃを基板
(11)の表面に散布する。更に、その後、基板(11)の表面
の超微粒子Ｃに対して結晶選択成長手段(21)より予め設
定された照射条件で反応光(L1)を照射して光化学反応に
よってダイヤモンドやＣ₆₀等の特定のＣ系物質の結晶を
前記照射条件に応じて選択的に成長させる。これによ
り、基板(11)の表面に特定のＣ系物質の薄膜が形成され
る。

【００３３】請求項１２記載の発明では、Ｃ試料(4) 表
面にアブレーション用レーザ光(L2)を照射すると、該表
面がアブレーションされて容易且つ迅速に超微粒子Ｃが
得られる。このように、レーザ光によってＣ試料(4) 表
面から超微粒子Ｃを生成するようにしているので、必要
な領域、つまりＣ試料(4) 表面にのみ反応光を照射する
ことができ、効率良く超微粒子Ｃを生成することができ
る。また、局部的な加熱であるために、熱の影響によっ
てＣ試料(4) 以外の部材から不純物が発生するようなこ
ともなく、高品質の薄膜が得られる。

【００３４】請求項１３記載の発明では、基板(11)の表
面に移動した超微粒子Ｃに向って紫外線レーザ装置(17)
から紫外線レーザ光(L1)を照射することにより、光化学
反応によってダイヤモンドやＣ₆₀等の特定のＣ系物質の
結晶が選択的に成長する。この場合にも、レーザ光(L1)
を利用したことで、必要な領域にのみ照射でき、効率良
くＣ系物質の薄膜が形成できる。

【００３５】請求項１４記載の発明では、基板(11)の表
面の超微粒子Ｃに向って紫外線ランプ(12)から紫外線を
照射することにより、特定のＣ系物質の結晶を成長させ
ることができる。また、大面積のＣ系物質の薄膜を形成
するような場合でも、大型の紫外線ランプ(12)を使用す
れば可能になる。

【００３６】請求項１５記載の発明では、基板(11)をヒ
ータ(10b) により加熱することにより、特定のＣ系物質
の結晶の選択成長を促進することができ、薄膜の形成を
迅速に行うことができる。

【００３７】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基いて説明す
る。また、本例では、Ｃ系物質としてダイヤモンドの薄
膜を形成する場合について説明する。先ず、本発明に係
る方法によりダイヤモンドの薄膜を形成するための薄膜
形成装置について説明する。図１は、薄膜形成装置(1)
の全体図を示している。この装置(1) は、Ｃの超微粒子
を生成し、それをＳｉ基板表面においてダイヤモンド結
晶を選択的に成長させてダイヤモンド薄膜を形成するも
のである。

【００３８】本図の如く、この薄膜層形成装置(1) は、
内部にチャンバ(A) が形成されたケーシング(2) を備え
ている。このケーシング(2) は、側面に排気管(2a)が接
続されている。この排気管(2a)は、図示しない真空ポン
プに接続されており、真空ポンプの駆動によりケーシン
グ(2) 内の空気を排出して該ケーシング(2) 内を真空状
態にするようになっている。

【００３９】次に、ダイヤモンド薄膜の形成に際し、Ｃ
の超微粒子を生成するための構成について説明する。

【００４０】ケーシング(2) の底部の中央部には試料台
(3) が設置されている。この試料台(3) は上面に試料
(4) が載置されるものであって、その内部には冷却水が
流通される冷却水配管(3a)が挿通されている。また、前
記試料(4) としては例えばプラズマ焼結されたＣが採用
される。

【００４１】また、ケーシング(2) の上壁内面にはセラ
ミック製で中空円錐台状のレーザ導入コーン(5) が、上
壁外面でレーザ導入コーン(5) に対向した位置にはレー
ザ導入ユニット(6) が夫々取付けられている。このレー
ザ導入ユニット(6) にはアブレーション用レーザ装置(1
6)が接続されている。そして、試料(4) とレーザ導入コ
ーン(5) とが所定間隔を存して鉛直方向に対向配置され
ていることにより、アブレーション用レーザ装置(16)か
らのアブレーション用レーザ光がレーザ導入ユニット
(6) 及びレーザ導入コーン(5) の内部を通過して試料台
(3) 上の試料(4)に照射されて該試料(4) をアブレーシ
ョンするようになっている。また、前記アブレーション
用レーザ装置(16)としては、例えば１kWＹＡＧレーザ
（レーザ光：５〜５００Hz，１〜１００Ｊ）が採用され
る。このようにして本発明でいう超微粒子生成手段(20)
が構成されている。

【００４２】また、レーザ導入ユニット(6) には反応ガ
ス導入配管(7) が接続されている。この反応ガス導入配
管(7) は、レーザ導入ユニット(6) 及びレーザ導入コー
ン(5) を経て試料(4) に向ってバッファガスとしてのＨ
ｅと反応ガスとしてのＨ₂とを供給するものである。

【００４３】更に、前記レーザ導入コーン(6) の下端部
の開口部の縁部にはリング型の電極(8) が配設されてい
る。また、この電極(8) と試料台(3) との間には図示し
ない直流電源が接続されており、電極(8) を陽極、試料
台(3) を陰極として、この両者間に例えば５〜２０kV程
度の高圧電圧が印加されるようになっている。

【００４４】次に、Ｓｉ基板(11)の表面でダイヤモンド
結晶を選択的に成長させる構成について説明する。

【００４５】ケーシング(2) の一方の側壁には、移動用
マニュピレータ(9) によって支持された基板取付け台(1
0)が配設されている。この基板取付け台(10)は台本体(1
0a)と該台本体(10a) の裏面側に配置されたヒータ(10b)
とを備えてなる。また、台本体(10a) の前面には単結
晶構造のＳｉ基板(11)が取付けられる。更に、図２及び
図３にも示すように、基板取付け台(10)に近接してＯ型
の紫外線ランプ(12)が配設されている。また、この紫外
線ランプ(12)にはＳｉ基板(11)の表面に向って効果的に
紫外線を照射するための反射板(12a) が設けられてい
る。

【００４６】また、図１の如くケーシング(2) における
前記基板取付け台(10)に対向する他方の側壁の内面には
セラミック製で中空円錐台状の整流用コーン(13)が、該
側壁の外面で整流用コーン(13)に対向した位置には反応
光導入ユニット(14)が夫々取付けられている。この反応
光導入ユニット(14)には紫外線レーザ装置(17)が接続さ
れている。そして、Ｓｉ基板(11)と整流用コーン(13)と
が水平方向に所定間隔を存して対向配置されていること
により、紫外線レーザ装置(17)からのレーザ光が反応光
導入ユニット(14)及び整流用コーン(13)内部を通過して
基板取付け台(10)のＳｉ基板(11)に対して照射するよう
になっている。また、前記紫外線レーザ装置(17)として
は、例えばエキシマレーザ（レーザ光：２００Hz，１０
〜３００mJ）が採用される。このようにして本発明でい
う結晶選択成長手段(21)が構成されている。

【００４７】また、反応光導入ユニット(14)にはキャリ
ヤガス導入配管(15)が接続されている。このキャリヤガ
ス導入配管(15)は、反応光導入ユニット(14)及び整流用
コーン(13)を経てＳｉ基板(11)に向ってキャリヤガスと
してのＨｅとＨ₂とを供給するものである。これにより
本発明でいう超微粒子移動手段(22)が構成されている。

【００４８】このような構成により、各機器は、試料
(4) とレーザ導入コーン(5) とを結ぶ直線（図１におけ
る仮想線ｔ１）と、Ｓｉ基板(11)と整流用コーン(13)と
を結ぶ直線（図１における仮想線ｔ２）とが直交するよ
うに配置されていることになる。即ち、レーザ導入コー
ン(5) を通過して試料(4) に照射されるアブレーション
用レーザ光及びレーザ導入コーン(5) を経て試料(4) に
向って供給される反応ガスの通路と、整流用コーン(13)
を通過してＳｉ基板(11)に照射される紫外線レーザ光及
び整流用コーン(13)を経てＳｉ基板(11)に向って供給さ
れるキャリヤガスの通路とが互い干渉するような配置状
態となっている。

【００４９】次に、上述の如く構成された薄膜形成装置
(1) によるＳｉ基板(11)表面におけるダイヤモンド薄膜
の形成動作について図４を用いて説明する。このダイヤ
モンド薄膜の形成動作は、超微粒子生成工程、超微粒子
散布工程、ダイヤモンド薄膜形成工程からなる。

【００５０】先ず、超微粒子生成工程として、台本体(1
0a) の前面にＳｉ基板(11)を取付け、この状態で真空ポ
ンプを駆動させて、ケーシング(2) 内の空気を排気管(2
a)から排出して該ケーシング(2) 内を高真空状態にす
る。これと同時に基板取付け台(10)のヒータ(10b) に通
電して台本体(10a) 及びＳｉ基板(11)を所定温度（例え
ば９００℃）に調整する。

【００５１】その後、アブレーション用レーザ装置(16)
を起動させ、アブレーション用レーザ光(L2)をレーザ導
入ユニット(6) 及びレーザ導入コーン(5) の内部を通過
させて試料台(3) 上の試料(4) に照射する。この照射
は、レーザ光をデフォーカスし、試料(4) 表面の全面に
照射できるようにする。これにより、該試料(4) はアブ
レーションされてＣの超微粒子が生成される。また、こ
のアブレーション用レーザ光(L2)の照射と同時に、反応
ガス導入配管(7) からレーザ導入ユニット(6) 及びレー
ザ導入コーン(5) を経て試料(4) に向ってＨｅとＨ₂と
を供給する（例えば３０Torr）。これにより、Ｈ₂が反
応ガスとして作用し試料(4) 表面からのＣの蒸発速度が
加速され、効率良くＣの超微粒子が生成され、且つ微粒
化も促進される（本発明でいうガス反応工程）。具体的
には、一般的に使用されるＡｒやＨｅを単独で使用した
場合よりも超微粒子の径を１桁オーダ小さくすることが
でき、サイズ効果を良好に得ることができる数nmの超微
粒子Ｃを容易に得ることができる。

【００５２】更に、このＣの超微粒子の生成動作と同時
に、電極(8) と試料台(3) との間に例えば５〜２０kV程
度の高圧電圧を印加する。これにより、超微粒子Ｃは高
電圧励起分解され、また、この超微粒子ＣをＨｉボルト
放電によりプラズマ化した部分（図５における領域Ｂ）
に閉じ込めることができ、より高い効率で超微粒子Ｃの
生成及び更なる微粒化が促進できる（本発明でいう分解
工程）。

【００５３】また、この超微粒子生成工程において、紫
外線レーザ装置(17)を起動させ、紫外線レーザ光(L1)を
反応光導入ユニット(14)及び整流用コーン(13)の内部を
通過させて基板取付け台(10)のＳｉ基板(11)に向って照
射する。この際、この紫外線レーザ光(L1)は超微粒子Ｃ
に照射されることになり、この照射による光化学反応に
よっても超微粒子Ｃの微粒化が促進される（本発明でい
う光化学反応工程）。

【００５４】そして、このようにして得られた超微粒子
Ｃは６nm程度に形成されることになり、融点降下や飽和
蒸気圧の上昇に伴って分解が容易に行われるサイズ効果
が顕著に起こる。

【００５５】この動作の後、超微粒子散布工程に移る。
この工程では、キャリヤガス導入配管(15)から反応光導
入ユニット(14)及び整流用コーン(13)を経てＳｉ基板(1
1)に向ってキャリヤガスとしてのＨｅとＨ₂とを供給す
る。これによって、超微粒子Ｃがキャリヤガスによって
Ｓｉ基板(11)に向って移動し、Ｓｉ基板(11)の表面に散
布され、該Ｓｉ基板(11)の表面に堆積される。

【００５６】そして、この超微粒子散布工程の後、ダイ
ヤモンド薄膜形成工程に移る。この工程では、Ｓｉ基板
(11)の表面に堆積された超微粒子Ｃに対して紫外線レー
ザ装置(17)からの紫外線レーザ光(L1)が照射されること
になる。そして、この紫外線レーザ光(L1)の波長やエネ
ルギ量等を予め所定値（例えば５０〜１５０mJ／cm²，
３００〜９００℃）に設定しておくことによってダイヤ
モンド結晶が選択的に成長することになる。つまり、こ
の紫外線レーザ光により比較的結合力の弱いグラファイ
ト構造やアモルファス構造のＣが除去され、それに代っ
てダイヤモンド構造のＣが生成されることになる。ま
た、キャリヤガスとしてＨ₂と不活性ガスを使用したこ
とにより、このＨ₂とＣとの反応がダイヤモンド結晶の
選択成長を促進している（本発明でいうガス成長工
程）。

【００５７】このように、１つの系の中で、超微粒子Ｃ
の生成及び該超微粒子ＣのＳｉ基板(11)表面でのダイヤ
モンド結晶の選択成長が行われる。つまり、図４に示し
た各領域Ｄ，Ｅ，Ｆのうち、領域Ｄでは、アブレーショ
ンによる超微粒子Ｃの生成、分解励起及び光化学反応に
よる微粒化の促進が、領域Ｅでは、分解励起、光化学反
応及び超微粒子Ｃの成長が、領域Ｆでは、超微粒子Ｃの
光化学反応、超微粒子Ｃのサイズ効果及びダイヤモンド
薄膜の成長が夫々起こっている。

【００５８】これによってＳｉ基板(11)表面の極めて表
面層においてのみ、その全体に亘って高品質のダイヤモ
ンド薄膜が形成されることになる。

【００５９】このダイヤモンド薄膜の生成プロセスにつ
いて詳しく説明すると、先ず、図６に示すようなＳｉの
単結晶基板に対し、図７のように超微粒子Ｃを散布しな
がら超微粒子Ｃに紫外線レーザ光(L1)を照射することに
よって図８に示すようなダイヤモンド結晶が選択的に成
長してダイヤモンド薄膜が形成されることになる。

【００６０】また、このようなダイヤモンド薄膜の形成
動作において、予め、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉＣ薄膜
を形成しておいてもよい。この動作としては、Ｓｉ基板
(11)の表面に対し、紫外線レーザ装置(17)からの紫外線
レーザ光(L1)や紫外線ランプ(12)からの紫外線の照射に
より、このＳｉ基板(11)の表面を光化学反応によって活
性化させておく。これにより、Ｓｉ基板(11)の表面は他
物質との反応を起こし易い状態になる。また、この際、
図４の如く紫外線レーザ光(L1)をデフォーカスし、Ｓｉ
基板(11)の表面全体を紫外線レーザ光(L1)により活性化
させる。

【００６１】この状態から超微粒子ＣをＳｉ基板(11)の
表面に散布すると、サイズ効果により極めて活性状態に
ある超微粒子Ｃと活性化されたＳｉ基板(11)の表面のＳ
ｉとが容易に反応して結合し、ＳｉＣとなる。このよう
な反応状態が、活性化されたＳｉ基板(11)表面の全体に
おいて均一に行われる。更に、この反応が行われている
状態において紫外線ランプ(12)や紫外線レーザから紫外
線を照射させることにより、光化学反応によるＳｉＣ薄
膜の成長を促進できる。このようにしてＳｉＣ薄膜を形
成した後、その表面に上述した動作によりダイヤモンド
薄膜を形成する。

【００６２】つまり、この場合には、紫外線レーザ光(L
1)は、Ｓｉ基板(11)表面を活性化させる機能、超微粒子
Ｃの微粒化を促進させる機能、更には、ダイヤモンド結
晶を選択成長させる機能とを兼ね備えていることにな
る。そして、このようにして形成されたダイヤモンド薄
膜は、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層として機能し、基板(1
1)に対するダイヤモンドの密着性を均一且つ良好に得る
ことができる。

【００６３】このように、本例によれば、従来のＣＶＤ
法やＰＶＤ法等では難しかった高品質のダイヤモンド薄
膜を形成することができ、半導体デバイス基板等に利用
した場合、その信頼性を十分に得ることができる。

【００６４】また、紫外線レーザ(L1)のデフォーカス調
整や紫外線ランプ(12)の大きさを変更するのみで大面積
のＳｉ基板(11)に対してもダイヤモンド結晶を成長させ
ることができるので、大面積に高品質のダイヤモンド薄
膜を形成することができる。また、このような大面積に
ダイヤモンド薄膜を形成しようとした場合には紫外線レ
ーザ光を大きくデフォーカスさせる必要があり、これに
伴って紫外線レーザ光のエネルギ密度が低くなってしま
って短時間で高品質のダイヤモンド薄膜を形成すること
ができないことが考えられるが、本例のものは、前記紫
外線ランプ(12)を設けたことにより、この紫外線ランプ
(12)からの紫外線と紫外線レーザ光とが相俟って短時間
でダイヤモンド薄膜を形成することができる。

【００６５】更に、超微粒子Ｃを得る手段は、レーザに
よる局部的な加熱であるので、ケーシング(2) 内全体が
高温度になるようなことがなく、このためケーシング内
壁に付着した不純物が系内に入込むようなことがないの
で、高品質のダイヤモンド薄膜が得られる。また、冷却
系などの構造が殆ど不要であるので、装置全体としての
構造がシンプルであって、製作やメンテナンスを容易に
行うことができる。

【００６６】また、前記各コーン(5),(13)は中空円錐台
状であることから、放電からの保護、ガスの整流及び高
温度の保護等の機能を備えている。

【００６７】また、この実施例では、ダイヤモンドの薄
膜を形成する場合について説明したが、紫外線ランプ(1
2)や紫外線レーザ光(L1)の波長やエネルギ量を調整する
ことにより、Ｃ60の結晶を選択的に成長させることもで
き、この場合には、高品質のＣ60の薄膜が形成できる。

【００６８】尚、本例では、超微粒子Ｃを得るための手
段としてレーザアブレーションを採用したが、本発明
は、これに限らず、レーザ蒸発法やレーザプラズマ法等
を採用してもよい。

【００６９】また、本例では基板(11)の材料としてＳｉ
を使用したが、銅などの金属材料を使用してもよい。

【００７０】また、アブレーション用のレーザ装置(16)
としてＹＡＧレーザを採用したが、ＣＯ₂レーザや紫外
線レーザ等を採用してもよい。

【００７１】また、電極(8) と基板取付け台(10)との間
には交流電源を接続するようにしてもよい。

【００７２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば以下に述べるような効果が発揮される。請求項１及び
１１記載の発明によれば、レーザ光を利用して超微粒子
Ｃを生成し、この超微粒子Ｃを基板表面において反応光
により特定のＣ系物質の結晶を選択的に成長させて基板
表面にＣ系物質の薄膜を形成するようにしたために、従
来の手法では難しかった高品質のダイヤモンド薄膜を形
成することができ、半導体デバイス基板等に利用した場
合、その信頼性を十分に得ることができる。

【００７３】請求項２記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応光を照射して、光化
学反応により該超微粒子Ｃの微粒化を促進させるように
したので、超微粒子Ｃをサイズ効果を得ることができる
程度まで微粒化することができる。このため、結晶成長
が迅速に行え、短時間で高品質のＣ系物質の薄膜を形成
することができる。また、この反応光を基板表面に照射
して該基板表面を活性化させることができるので、Ｃ系
物質の結晶を選択成長させる前に、この基板表面に他の
物質を結合させておくこともできる。つまり、この場
合、反応光に、基板表面を活性化させる機能、超微粒子
Ｃの微粒化を促進させる機能、更には特定のＣ系物質の
結晶を成長させる機能とを兼ね備えさせることができ、
装置全体としての構造の簡略化を図りながら上記効果を
得ることができる。

【００７４】請求項３記載の発明によれば、反応光を紫
外線レーザ光としたことにより、必要な領域にのみ反応
光を照射することができ、効率良く光化学反応を行うこ
とができる。

【００７５】請求項４記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給してガス
反応により超微粒子Ｃの微粒化を促進させるようにした
ので、この場合にも、超微粒子Ｃをサイズ効果を得るこ
とができる程度まで微粒化することができる。このた
め、Ｃ系物質の結晶の成長が迅速に行え、短時間で高品
質のＣ系物質の薄膜を形成することができる。

【００７６】請求項５記載の発明によれば、Ｃ系物質の
薄膜形成動作と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給し
て、結晶の成長を促進するようにしたために、Ｃ系物質
の薄膜形成が迅速に行える。

【００７７】請求項６記載の発明によれば、反応ガスを
Ｈ₂としたために、簡単な製法で得られる反応ガスを用
いて効率良く薄膜形成を行うことができ、実用性が高
く、且つ高品質のＣ系物質の薄膜を形成する形成方法を
得ることができる。

【００７８】請求項７記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃを高電圧励起分解させて微
粒化を促進させると共にプラズマ状態の安定化により超
微粒子を高品質化させるようにしたので、この場合に
も、超微粒子Ｃをサイズ効果を得ることができる程度ま
で微粒化することができ、短時間で高品質のＣ系物質の
薄膜を形成することができる。

【００７９】請求項８記載の発明によれば、ＳｉＣ薄膜
層を形成した後、この薄膜層に特定のＣ系物質の薄膜を
形成するようにしたために、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層
として機能し、基板がＣ系物質でないものであっても、
基板に対するＣ系物質の薄膜の密着性を良好に得ること
ができる。

【００８０】請求項９記載の発明によれば、Ｃ系物質を
ダイヤモンドとしたために、基板の表面に高品質のダイ
ヤモンド薄膜が形成できる。

【００８１】請求項１０記載の発明によれば、Ｃ系物質
をＣ₆₀としたために、基板の表面に高品質のＣ60の薄膜
が形成できる。

【００８２】請求項１２記載の発明によれば、超微粒子
生成手段に、Ｃ試料表面にアブレーション用レーザ光を
照射するレーザ装置を備えさせ、レーザ光によってＣ試
料表面から超微粒子Ｃを生成するようにしたために、必
要な領域、つまりＣ試料表面にのみ反応光を照射するこ
とができ、効率良く超微粒子Ｃを生成することができ
る。また、局部的な加熱であるために、熱の影響によっ
てＣ試料以外の部材から不純物が発生するようなことも
なく、高品質のＣ系物質の薄膜を得ることができる。

【００８３】請求項１３記載の発明によれば、結晶選択
成長手段に、基板の表面に移動した超微粒子炭素に向っ
て紫外線レーザ光を照射する紫外線レーザ装置を備えさ
せ、レーザ光によって特定のＣ系物質の結晶を成長させ
るようにしたために、必要な領域にのみ照射でき、効率
良くＣ系物質の薄膜が形成できる。

【００８４】請求項１４記載の発明によれば、結晶選択
成長手段に、基板に近接して配置され且つ基板表面の超
微粒子Ｃに向って紫外線を照射する紫外線ランプを備え
させ、該紫外線ランプからの紫外線照射により、特定の
Ｃ系物質の結晶を成長させるようにしたために、大型の
紫外線ランプを使用すれば、大面積のＣ系物質の薄膜を
容易に形成することができる。

【００８５】請求項１５記載の発明によれば、結晶選択
成長手段に、基板を所定温度に加熱するヒータを備えさ
せ、基板をヒータにより加熱するようにしたために、こ
の加熱により、特定のＣ系物質の結晶の選択成長を促進
することができ、薄膜の形成を迅速に行うことができ、
Ｃ系物質の薄膜の形成動作の高効率化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄膜層形成装置の内部構造を示す図である。

【図２】基板取付け台周辺部を示す図である。

【図３】赤外線ランプを示す図である。

【図４】Ｃ系物質の薄膜形成動作を説明するための図１
相当図である。

【図５】超微粒子Ｃの生成動作を説明するための試料周
辺部を示す図である。

【図６】Ｓｉ単結晶を示す図である。

【図７】超微粒子Ｃの堆積状態を示す図である。

【図８】Ｃ系物質の薄膜形成状態を示す図である。

【符号の説明】

(1) 薄膜層形成装置 (4) 試料 (10b) ヒータ (11) Ｓｉ基板 (12) 紫外線ランプ (16) アブレーション用レーザ装置 (17) 紫外線レーザ装置 (20) 超微粒子生成手段 (21) 基板活性化手段 (22) 超微粒子移動手段 (L1) 紫外線レーザ光（反応光） (L2) アブレーション用レーザ光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ２３Ｃ 14/28 8414−4ＫＣ３０Ｂ 29/02 8216−4Ｇ 29/04 Ｕ 8216−4Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板(11)の表面に炭素系物質の薄膜を形
成する形成方法であって、真空中において炭素試料(4) へのレーザ光(L2)の照射に
より超微粒化された炭素を生成する超微粒子生成工程
と、該超微粒子生成工程によって生成された超微粒子炭素を
基板(11)の表面に散布する超微粒子散布工程と、該超微粒子散布工程によって基板(11)の表面に散布され
た超微粒子炭素に所定の照射条件の反応光(L1)を照射
し、光化学反応により特定の炭素系物質の結晶を前記反
応光の照射条件に応じて選択的に成長させる薄膜形成工
程とからなる炭素系物質の薄膜形成方法。
【請求項２】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素に反応光(L1)を照射して、光化学反応により該超微粒
子炭素の微粒化を促進させる光化学反応工程を行うこと
を特徴とする請求項１記載の炭素系物質の薄膜形成方
法。
【請求項３】反応光は紫外線レーザ光(L1)であること
を特徴とする請求項１または２記載の炭素系物質の薄膜
形成方法。
【請求項４】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素に反応ガスを供給してガス反応により超微粒子炭素の
微粒化を促進させるガス反応工程を行うことを特徴とす
る請求項１、２または３記載の炭素系物質の薄膜形成方
法。
【請求項５】薄膜形成工程と同時に、基板(11)上の超
微粒子炭素に反応ガスを供給して炭素系物質の結晶の成
長を促進させるガス成長工程を行うことを特徴とする請
求項１記載の炭素系物質の薄膜形成方法。
【請求項６】反応ガスは水素ガスであることを特徴と
する請求項４または５記載の炭素系物質の薄膜形成方
法。
【請求項７】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素を高電圧励起分解させて微粒化を促進させると共にプ
ラズマ状態の安定化により超微粒子を高品質化させる分
解工程を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４、
５または６記載の炭素系物質の薄膜形成方法。
【請求項８】薄膜形成工程に先立って基板(11)の表面
にシリコンカーバイトの薄膜層を形成するシリコンカー
バイト薄膜層形成工程を行うことを特徴とする請求項
１、２、３、４、５、６または７記載の炭素系物質の薄
膜形成方法。
【請求項９】炭素系物質はダイヤモンドであることを
特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７または８
記載の炭素系物質の薄膜形成方法。
【請求項１０】炭素系物質はＣ₆₀であることを特徴と
する請求項１、２、３、４、５、６、７または８記載の
炭素系物質の薄膜形成方法。
【請求項１１】基板(11)の表面に炭素系物質の薄膜を
形成するための形成装置であって、真空中において炭素試料(4) へのレーザ光(L2)の照射に
より超微粒化された炭素を生成させる超微粒子生成手段
(20)と、該超微粒子生成手段(20)によって生成された超微粒子炭
素を基板(11)の表面に向って移動させる超微粒子移動手
段(22)と、該超微粒子移動手段(22)によって基板(11)の表面に移動
された超微粒子炭素に所定の照射条件の反応光(L1)を照
射し、光化学反応により特定の炭素系物質の結晶を前記
反応光の照射条件に応じて選択的に成長させる結晶選択
成長手段(21)とを備えたことを特徴とする炭素系物質の
薄膜形成装置。
【請求項１２】超微粒子生成手段(20)は、炭素試料
(4) の表面にアブレーション用レーザ光(L2)を照射する
レーザ装置(16)を備えていることを特徴とする請求項１
１記載の炭素系物質の薄膜形成装置。
【請求項１３】結晶選択成長手段(21)は、基板(11)の
表面に移動した超微粒子炭素に向って紫外線レーザ光(L
1)を照射する紫外線レーザ装置(17)を備えていることを
特徴とする請求項１１記載の炭素系物質の薄膜形成装
置。
【請求項１４】結晶選択成長手段(21)は、基板(11)に
近接して配置され且つ該基板(11)の表面に移動した超微
粒子炭素に向って紫外線を照射する紫外線ランプ(12)を
備えていることを特徴とする請求項１１または１３記載
の炭素系物質の薄膜形成装置。
【請求項１５】結晶選択成長手段(21)は、基板(11)を
所定温度に加熱するヒータ(10b) を備えていることを特
徴とする請求項１１、１３または１４記載の炭素系物質
の薄膜形成装置。