JPH0797295A - ダイヤモンド初期核の形成方法およびダイヤモンド薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 請求項１に記載の発明は、基板の表面に炭素
含有薄膜を形成した後、前記炭素含有薄膜にイオンビー
ム処理を行うことを特徴とするダイヤモンド初期核の形
成方法である。 【効果】 請求項１に記載の発明によると、高性能な半
導体デバイスや光導波路等に好適なダイヤモンド薄膜を
容易にかつ簡便に、しかも所望の形状に再現性よく製造
することができる、ダイヤモンド初期核の形成方法を提
供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ダイヤモンド初期核
の形成方法およびダイヤモンド薄膜の製造方法に関し、
更に詳しくは、高性能な電子デバイスの構成材料等に好
適なダイヤモンドを容易にかつ簡便に、しかも選択的に
再現性よく製造することができる、ダイヤモンド初期核
の形成方法およびダイヤモンド薄膜の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】近時、ダ
イヤモンド薄膜の電子デバイスへの応用・研究が盛んで
ある。ダイヤモンド薄膜を各種デバイスの集積やデバイ
ス間の配線に応用する場合、所望の形状のダイヤモンド
薄膜を選択的に形成する技術が必要となる。従来、かか
る技術として、ダイヤモンドの選択形成方法が幾つか提
案されている。しかし、これら従来の方法においては、
製造工程が煩雑であり、選択比も高くないので、所望の
形状のダイヤモンド薄膜を容易にかつ再現性よく製造す
るのが困難であるという問題があった。

【０００３】かかる問題を解決すべく、特開昭６３−３
１５５９８号公報には、基板の表面に、傷付け処理を
し、所定のマスクを形成し、アルゴンイオンビームによ
るエッチングを行い、前記マスクを除去した後、気相法
によりダイヤモンド薄膜を形成する方法が提案されてい
る。しかしながら、この方法の場合、選択比を向上させ
るためには、前記エッチング処理を強くする必要があ
り、その結果、基板を傷付けてしまい、所望の形状のダ
イヤモンドを容易に製造することができないという問題
がある。一方、基板をケミカルエッチングする方法や基
板に鉄薄膜によるパターンを形成する方法などが提案さ
れているが、これらの方法においても、依然、工程が煩
雑である、選択比の向上が図れない等の問題は解決され
ていない。

【０００４】この発明は、前記問題を解決し、高性能な
半導体デバイスや光導波路等に好適なダイヤモンド薄膜
を容易にかつ簡便に、しかも所望の形状に再現性よく製
造することができる、ダイヤモンド初期核の形成方法お
よびダイヤモンド薄膜の製造方法を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の前記請求項１に記載の発明は、基板の表面に炭素含有
薄膜を形成した後、前記炭素含有薄膜にイオンビーム処
理を行うことを特徴とするダイヤモンド初期核の形成方
法であり、前記請求項２に記載の発明は、前記イオンビ
ーム処理が、イオンビームによる描画である前記請求項
１に記載のダイヤモンド初期核の形成方法であり、前記
請求項３に記載の発明は、基板の表面に炭素含有薄膜を
形成し、前記炭素含有薄膜にイオンビーム処理を行った
後、気相法により前記基板の表面にダイヤモンド薄膜を
形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜の製造方法
である。

【０００６】以下に、この発明に係るダイヤモンド初期
核の形成方法およびダイヤモンド薄膜の製造方法につき
詳細に説明する。

【０００７】この発明に係るダイヤモンド初期核の形成
方法は、１）基板の表面に炭素含有薄膜を形成する工程
（以下、炭素含有薄膜形成工程と称する。）と、２）前
記炭素含有薄膜にイオンビームによる処理を行う工程
（以下、イオンビーム処理工程と称する。）とを有す
る。また、この発明に係るダイヤモンド薄膜の製造方法
は、前記１）および２）の他、更に３）気相法により前
記基板の表面にダイヤモンド薄膜を形成する工程（以
下、ダイヤモンド薄膜形成工程と称する。）を有する。
以下、前記各工程につき順を追って説明する。

【０００８】１）炭素含有薄膜形成工程 この炭素含有薄膜形成工程においては、基板の表面に炭
素含有薄膜を形成する。

【０００９】−基板− 前記基板としては、炭化物を形成し得る材質であれば特
に制限はなく、例えばＳｉ、ガリウム−ヒ素、ＳｉＯ
₂ 、セラミックス、サファイヤ、超硬合金等を挙げるこ
とができる。前記基板は、Ｐ型あるいはＮ型の半導体で
あってもよい。この発明においては、これらの中でも、
これらの単結晶基板が好ましく、特にＳｉ単結晶基板が
好ましい。前記基板の比抵抗としては、通常１０^-6〜１
０³ Ω・ｃｍである。前記基板の大きさ、形状等は適宜
選択することができる。

【００１０】−炭素含有薄膜− 前記炭素含有薄膜としては、炭素を含有する薄膜であれ
ば特に制限はないが、例えばダイヤモンド・ライク・カ
ーボン（以下、ＤＬＣと称する。）、アモルファス・カ
ーボン、グラファイト等を挙げることができる。

【００１１】前記炭素含有薄膜を形成する方法として
は、特に制限はなく、例えばＰＶＤ法、ＲＦプラズマＣ
ＶＤ法、ＥＣＲプラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、イ
オンプレーディング法、スパッタリング法、プラズマＣ
ＶＤ法等の従来法を挙げることができる。これらの中で
も、ＲＦプラズマＣＶＤ法、イオン化蒸着法、スパッタ
リング法、プラズマＣＶＤ法が好ましい。また、各種の
塗布方法によって、グラファイト粉末のスラリーを基板
に塗布してもよい。

【００１２】前記炭素含有薄膜を形成する条件として
は、目的に応じて種々の励起方法、原料ガス、反応圧
力、反応温度、成長時間等を適宜選択することができ
る。

【００１３】前記励起方法としては、ＤＣ、ＡＣ、ＲＦ
（１３．５６ＭＨｚ）、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）
等による放電励起が好ましい。これらの中でもＲＦが好
ましい。

【００１４】前記原料ガスとしては、メタン、エタン、
一酸化炭素等が好ましく、特にメタン、メタン／水素の
混合ガス、メタン／アルゴン等の希ガスとの混合ガスが
好ましい。前記混合ガス中のメタンの含有率は、１〜１
００ｖｏｌ．％が好ましく、特に１０〜１００ｖｏｌ．
％が好ましい。

【００１５】前記反応圧力（Ｐｒ）としては、合成法に
よって異なるので一概には規定できないが、例えばＲＦ
プラズマ法においては、１０^-6〜１０Ｔｏｒｒが好まし
く、特に１０^-4〜１Ｔｏｒｒが好ましい。

【００１６】前記反応温度としては、７７Ｋ〜１１００
℃が好ましく、特に室温〜５００℃が好ましい。

【００１７】前記炭素含有薄膜の厚みとしては、通常５
０Å〜１０μｍであり、５００Å〜１μｍが好ましい。
前記厚みが、５０Å未満であると、後に行うイオンビー
ム処理において、ＳｉＣ等の炭化物薄膜を充分に形成す
ることができないことがある。一方、１０μｍを越える
と、ＳｉＣ等の炭化物薄膜を形成するのに時間がかかり
効率的でないことがある。

【００１８】以上により、図３に示すように、基板１の
表面に炭素含有薄膜３を形成することができる。

【００１９】２）イオンビーム処理工程 このイオンビーム処理工程では、前記基板の表面に形成
した前記炭素含有薄膜にイオンビームによる処理を行
い、その一部または全部について炭化物薄膜パターンを
形成する。

【００２０】−イオンビームによる処理− 前記イオンビームによる処理は、それ自体公知のイオン
ビーム装置を用いて、前記炭素含有薄膜にイオンビーム
を所定の条件にて照射することにより行うことができ
る。

【００２１】前記イオンビーム装置としては、集束イオ
ンビーム装置を好適に挙げることができる。

【００２２】前記イオンビームのイオン源としては、例
えばＧａ⁺ 、Ａｒ⁺ 、Ｂｅ⁺ 、Ｇｅ⁺ 、Ａｓ⁺ 、Ｓｂ
⁺ 、Ａｕ⁺ 、Ｂ⁺ 、Ｓｉ⁺ 等を挙げることができる。こ
れらの中でも、Ｇａ⁺ が好ましい。

【００２３】前記条件としては、イオンビームの加速エ
ネルギー、照射量等を挙げることができる。

【００２４】前記イオンビームの加速エネルギーとして
は、通常１〜２００ｋｅＶであり、１０〜１５０ｋｅＶ
が好ましく、特に４０〜１００ｋｅＶが好ましい。前記
加速エネルギーが、１ｋｅＶ未満であると、ダイヤモン
ド初期核の発生密度が低下することがある。一方、２０
０ｋｅＶを越える場合にも、ダイヤモンド初期核の発生
密度が低下することがある。

【００２５】前記イオンビームの照射量としては、通常
１０¹¹〜１０¹⁸／ｃｍ² であり、１０¹²〜１０¹⁷／ｃｍ
² が好ましく、特に１０¹⁵〜１０¹⁶／ｃｍ² が好まし
い。前記照射量が、１０¹¹／ｃｍ² 未満であると、ダイ
ヤモンド初期核の発生密度が低下することがある。一
方、１０¹⁸／ｃｍ² を越えても、それに見合う効果は見
られない。

【００２６】このように、基板表面の炭素含有薄膜にイ
オンビーム処理を施すことにより、ダイヤモンド初期核
の発生密度は１０⁷ 〜１０¹⁰個／ｃｍ² となる。

【００２７】なお、これら以外の条件、例えば圧力、温
度、時間、雰囲気等については適宜選択することができ
る。

【００２８】前記照射は、前記炭素含有薄膜の全面に行
ってもよく、あるいはその一部に行ってもよいが、この
発明においては、所望の部分に照射を行う、即ち前記照
射が描画であるのが好ましい。例えば、図２に示すよう
に、基板１の表面に形成された炭素含有薄膜３に、Ｇａ
⁺ 等のイオンビームをライン状に照射する描画を行って
もよい。

【００２９】前記描画は、種々の描画法を用いることが
でき、前記描画法としては、例えばサーペンタイン描画
法、バスケットウエーブ描画法、テーブル連続移動式描
画法、ステップアンドリピート式描画法等を挙げること
ができる。

【００３０】−炭化物薄膜パターン− 前記イオンビームによる処理を行うと、炭素含有薄膜の
一部または全部が炭化物薄膜に変化する。その際、所望
の形状に前記描画を行うと、所望の形状の炭化物薄膜パ
ターンを形成することができる。例えば、図２に示すよ
うに、イオンビームをライン状に照射した場合には、図
１に示すようなライン状の炭化物薄膜パターン４を形成
することができる。

【００３１】前記炭化物薄膜は、前記基板の元素と前記
炭素含有薄膜に含まれる炭素との炭化物であり、例えば
前記基板にシリコンを用いた場合、前記炭化物薄膜は、
ＳｉＣである。この炭化物の形成は、炭素含有薄膜に含
まれる炭素の一部または全部が化合物を形成するように
する。

【００３２】３）ダイヤモンド薄膜形成工程 このダイヤモンド薄膜形成工程においては、前記基板の
表面に形成した前記炭化物薄膜パターン上にダイヤモン
ド薄膜をヘテロエピタキシャル形成させる。

【００３３】−ダイヤモンド薄膜− 前記ダイヤモンド薄膜をヘテロエピタキシャル形成させ
る方法としては、それ自体公知である各種のダイヤモン
ド気相合成法を用いることができる。具体的には、ＣＶ
Ｄ法、ＰＶＤ法、ＰＣＶＤ法またはこれらを組合せた方
法等を挙げることができる。これらの中でも、通常ＥＡ
ＣＶＤ法を含めた各種の熱フィラメント法、熱プラズマ
法を含めた各種の直流プラズマＣＶＤ法、熱プラズマ法
を含めたマイクロ波プラズマＣＶＤ法等を好適に挙げる
ことができる。

【００３４】前記ダイヤモンド薄膜の形成方法に用いる
炭素源ガスとしては、例えばメタン、エタン、プロパ
ン、ブタン等のパラフィン系炭化水素；エチレン、プロ
ピレン、ブチレン等のオレフィン系炭化水素；アセチレ
ン、アリレン等のアセチレン系炭化水素；ブタジエン、
アレン等のジオレフィン系炭化水素；シクロプロパン、
シクロブタン、シクロペンタン、シクロヘキサン等の脂
環式炭化水素；シクロブタジエン、ベンゼン、トルエ
ン、キシレン、ナフタレン等の芳香族炭化水素；アセト
ン、ジエチルケトン、ベンゾフェノン等のケトン類；メ
タノール、エタノール等のアルコール類；この外の含酸
素炭化水素；トリメチルアミン、トリエチルアミン等の
アミン類；この外の含窒素炭化水素；炭酸ガス、一酸化
炭素、エ酸化炭素等を挙げることができる。これらの中
でも、メタン、エタン、プロパン等のパラフィン系炭化
水素、エタノール、メタノール等のアルコール類、アセ
トン、ベンゾフェノン等のケトン類、トリメチルアミ
ン、トリエチルアミン等のアミン類、炭酸ガス、一酸化
炭素が好ましく、特に一酸化炭素が好ましい。なお、こ
れらは一種単独で用いてもよく、二種以上を混合ガス等
として併用してもよい。また、これらは水素等の活性ガ
スやヘリウム、アルゴン、ネオン、キセノン、窒素等の
不活性ガスと混合して用いてもよい。

【００３５】前記ダイヤモンド薄膜の形成条件として
は、反応圧力、反応温度、反応時間等を挙げることがで
きる。

【００３６】前記反応圧力としては、通常１０^-6〜１０
³ Ｔｏｒｒであり、好ましくは１〜７６０Ｔｏｒｒであ
る。前記反応圧力が１０^-6Ｔｏｒｒ未満の場合、ダイヤ
モンド薄膜の形成速度が遅くなることがある。一方、１
０³ Ｔｏｒｒを越えると、１０³ Ｔｏｒｒのときに得ら
れる効果に比べて、それ以上の効果が得られないことが
ある。

【００３７】前記反応温度としては、基板の表面温度を
基準にすることができる。前記基板の表面温度として
は、前記炭素源ガスの活性化手段等により異なるので、
一概に規定することはできないが、通常は室温〜１，２
００℃、好ましくは室温〜１，１００℃である。前記基
板の表面温度が、室温未満であるとダイヤモンド薄膜の
形成が十分でないことがある。一方、１，２００℃を超
えると形成したダイヤモンド薄膜にエッチングが生じる
ことがある。

【００３８】前記反応時間としては、特に限定はなく、
ダイヤモンド薄膜が所望の厚みとなるように、ダイヤモ
ンド薄膜の形成速度に応じて適宜選択することができ
る。

【００３９】前記ダイヤモンド薄膜の厚みとしては、使
用目的等に応じて適宜選択すればよく、この意味で特に
制限はないが、通常１〜１００μｍである。

【００４０】以上より、図１に示すように、基板１の表
面に形成した炭化物薄膜パターン４上にのみ所望の形状
および大きさを有するダイヤモンド薄膜２を、寸法精度
よく選択的にヘテロエピタキシャル形成することができ
る。

【００４１】この発明のダイヤモンド初期核の形成方法
によると、微細な炭化物薄膜パターンの初期核を簡便な
操作で容易に形成することができる。また、この発明の
ダイヤモンド薄膜の形成方法によると、任意の形状のダ
イヤモンド薄膜を容易にかつ簡便に、しかも選択的に再
現性よく製造することができる。そして、得られるダイ
ヤモンド薄膜は、例えば電子デバイスの構成材料等の各
種電子材料をはじめとする広い分野において好適に用い
ることができる。

【００４２】

【実施例】

（実施例１） １）炭素含有薄膜形成工程 −基板− 前記基板として、Ｐ⁺ （１００）Ｓｉ基板を用いた。

【００４３】−炭素含有薄膜− 前記基板の表面に、ＲＦプラズマＣＶＤ法を用い、０．
１Ｔｏｒｒ、室温の条件で２０分間、５０ｓｃｃｍのＣ
Ｈ₄ を反応させることにより、厚み２０００ÅのＤＬＣ
薄膜を形成した。

【００４４】２）イオンビーム処理工程 −イオンビームによる処理− 集束イオンビーム装置を用い、イオンビームのイオン源
がＧａ⁺ 、その加速エネルギーが５０ｋｅＶ、その照射
量が１０¹⁵／ｃｍ² である条件にて、前記ＤＬＣ薄膜に
０．５ｍｍ間隔でライン状にイオンビームを描画した。

【００４５】−炭化物薄膜パターン− 前記イオンビームによる処理の結果、ＤＬＣの一部が基
板のＳｉと反応してＳｉＣとなり、０．５ｍｍ間隔のラ
イン状のＳｉＣとＤＬＣとによるパターンが形成され
た。

【００４６】なお、このとき、ダイヤモンド初期核を
７．５×１０⁸ 個／ｃｍ² という高い密度で形成するこ
とができた。

【００４７】３）ダイヤモンド薄膜形成工程 前記イオンビーム処理工程を経た基板の表面に、マイク
ロ波プラズマＣＶＤ法を用いて、４０Ｔｏｒｒ、９００
℃の条件下で１時間、ＣＯ／Ｈ₂ ＝１０／９０ｓｃｃｍ
を反応させることにより、ダイヤモンド薄膜を形成し
た。

【００４８】その結果、前記ＳｉＣによるパターン上に
ダイヤモンド薄膜が選択的に形成され、０．５ｍｍ幅の
ライン状のダイヤモンド薄膜を製造することができた。
なお、その際の選択比は、２×１０⁴ という高い値であ
った。

【００４９】（比較例１）実施例１において、２）イオ
ンビーム処理工程を行わなかった外は、実施例１と同様
にしてダイヤモンド薄膜の製造を行った。

【００５０】その結果、基板の表面にダイヤモンドの粒
が１０⁴ 個／ｃｍ² の密度で形成されただけであった。

【００５１】

【発明の効果】この発明によると、高性能な半導体デバ
イスや光導波路等に好適なダイヤモンド薄膜を容易にか
つ簡便に、しかも所望の形状に再現性よく製造すること
ができる、ダイヤモンド初期核の形成方法およびダイヤ
モンド薄膜の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、基板の表面にダイヤモンド薄膜が選択
的に形成された状態を示す概略説明図である。

【図２】図２は、基板の表面に形成した炭素含有薄膜に
イオンビームを照射している状態を示す断面概略説明図
である。

【図３】図３は、基板の表面に炭素含有薄膜が形成され
た状態を示す断面概略説明図である。

【符合の説明】

１・・・基板、２・・・ダイヤモンド、３・・・炭素含
有薄膜、４・・・炭化物薄膜パターン、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板の表面に炭素含有薄膜を形成した
   後、前記炭素含有薄膜にイオンビーム処理を行うことを
   特徴とするダイヤモンド初期核の形成方法。
2. 【請求項２】 前記イオンビーム処理が、イオンビーム
   による描画である前記請求項１に記載のダイヤモンド初
   期核の形成方法。
3. 【請求項３】 基板の表面に炭素含有薄膜を形成し、前
   記炭素含有薄膜にイオンビーム処理を行った後、気相法
   により前記基板の表面にダイヤモンド薄膜を形成するこ
   とを特徴とするダイヤモンド薄膜の製造方法。