JP2001139318A - 多結晶ダイヤモンドの平滑化方法 - Google Patents

多結晶ダイヤモンドの平滑化方法

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JP2001139318A
JP2001139318A JP31383299A JP31383299A JP2001139318A JP 2001139318 A JP2001139318 A JP 2001139318A JP 31383299 A JP31383299 A JP 31383299A JP 31383299 A JP31383299 A JP 31383299A JP 2001139318 A JP2001139318 A JP 2001139318A
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JP
Japan
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polycrystalline diamond
diamond
graphite
smoothing
graphite film
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Yasumasa Watanabe
泰正 渡辺
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Corporate Research and Development Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】研磨時の押しつけ力が低く、パターニング工程
を用いる複雑な構造体の作製が可能となる表面粗さが得
られる多結晶ダイヤモンド表面の平滑化方法を提供す
る。 【解決手段】基板1上に形成された多結晶ダイヤモンド
2の結晶粒のなす凹凸面上に、少なくとも前記凹凸が埋
まる厚さのグラファイト膜3を作製するグラファイト膜
作製工程と、場合によっては前記グラファイト膜のみを
機械研磨して平滑にする研磨工程と、酸素ビームを用い
てグラファイトおよびダイヤモンドを同時に、少なくと
もエッチング面の全てにダイヤモンド面が現れるまでエ
ッチングするエッチング工程を組み合わせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は多結晶ダイヤモンド
の平滑化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】数平方センチメートルを超える大面積ダ
イヤモンドは、一般的には気相成長法を用いてシリコン
基板上に作製される。気相成長法で作製されるダイヤモ
ンドは多結晶体であるため、その表面は平滑ではなく凹
凸が形成される。例えば平均50μm 厚さの多結晶ダイヤ
モンドでは、表面粗さは約10μm 程度となる。大面積の
ダイヤモンドは、光学用窓材料、ヒートシンク、半導体
素子等が実用化あるいは研究されている。表面粗さは、
光学的用途では、数十ナノメーター、ミクロなパターン
を形成する半導体素子用では、パターン転写をするため
の露光装置の焦点深度の制約により数μm 程度の表面粗
さに押さえる必要がある。
【0003】ダイヤモンドは最高硬度の材料であるた
め、研磨材としてダイヤモンド砥石を使用し、高押し付
け圧力を印加する平面研削法を用いて加工するのが一般
的であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、例えば、セン
サのように複雑な構造体では、機能性材料として、ダイ
ヤモンドやシリコン、金属などの複合材料を、同一平面
上に堆積しパターン化する必要がある。一般に、ダイヤ
モンドは他の材料との結合力が小さいため、このような
構造体は脆く、ダイヤモンド単体を加工する時のような
高押しつけ力による研磨加工では、ダイヤモンド以外の
材料が欠落するので、このような加工法を適用すること
は不可能であった。また、大面積化により加工能率が低
下する傾向がみられた。
【0005】本発明の目的は、研磨時の押しつけ力が従
来のダイヤモンド単体加工時の1/1000程度と低く、光露
光技術を用いたパターニング工程を用いる複雑な構造体
の作製が可能となる表面粗さが得られる多結晶ダイヤモ
ンド表面の平滑化方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ために、多結晶ダイヤモンドの結晶粒のなす凹凸面上
に、少なくとも前記凹凸が埋まる厚さのグラファイト膜
を作製するグラファイト膜作製工程と、酸素ビームを用
いてグラファイトおよびダイヤモンドを同時に、少なく
ともエッチング面の全てにダイヤモンド面が現れるまで
エッチングするエッチング工程を組み合わせたこととす
る。
【0007】前記グラファイト膜作製工程後に前記グラ
ファイト膜のみを機械研磨して平滑にする研磨工程を行
うと良い。前記研磨工程は前記グラファイトに対しての
み行い、前記ダイヤモンド多結晶体の最高結晶粒の高さ
をグラファイト面の研磨終了高さとすると良い。前記多
結晶ダイヤモンドはシリコン基板上に形成されていると
良い。
【0008】前記グラファイト膜作製工程はメタンガス
を用いたプラズマ化学気相成長法であると良い。前記グ
ラファイト膜作製工程はグラファイト粉末分散液の多結
晶ダイヤモンド表面への塗布および乾燥であると良い。
前記グラファイト膜作製工程は固形グラファイトの多結
晶ダイヤモンド表面への擦り付けであると良い。
【0009】前記エッチング工程は酸素イオンビームを
少なくとも被平滑化面全体に照射すると良い。本発明に
よれば、多結晶ダイヤモンドの結晶粒のなす凹凸面上
に、凹凸が埋まる厚さの平滑な(または後で平滑化す
る)グラファイト膜を作製し、酸素ビームを用いてグラ
ファイトおよびダイヤモンドを同時に、少なくともエッ
チング面の全てにダイヤモンド面が現れるまでエッチン
グするようにしたため、以下に説明する作用に従って、
平滑なダイヤモンド表面を得ることができる。
【0010】グラファイトとダイヤモンドは酸素イオン
ビームに対する加工速度比(選択比)がほぼ等しいた
め、イオンビームの照射により、均一に両者を除去する
ことができ、すなわちイオンビームは当初の照射面の形
状を保つので、グラファイト表面が平滑であれば(ある
いは平滑面に研磨しておけば)、平滑なダイヤモンド面
が得られる。
【0011】グラファイトは低硬度なので低機械力(押
しつけ力)で研磨を行うことができるため、ダイヤモン
ドとその形成された基板の場合のように互いの結合力が
小さい複合材料を用いた構造体におけるダイヤモンドの
平滑化が可能になる。合わせて、大面積ダイヤモンドの
平滑化が可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】実施例1 図1は本発明に係る多結晶ダイヤモンドの平滑化方法の
各工程後の多結晶ダイヤモンドの断面図を示し、(a)
はリムエッチング後、(b)は多結晶ダイヤモンド成膜
後、(c)はグラファイト膜成膜後、(d)はグラファ
イト膜の研磨後であり(e)は酸素イオンビームエッチ
ング後である。
【0013】直径2 インチの片面が鏡面に研磨されたシ
リコンウェハーをダイヤモンド成膜用基板1として使用
した。 1)次に説明する気相成長法ではウェハー端部における成
長が早いため、あらかじめウェハーの周辺部を、フッ硝
酸混合溶液で約100 μm エッチング除去した(図1
(a))。つづけて、ウェハーをダイヤモンド砥粒の入
ったアルコール懸濁液中で30分超音波処理し、傷付け処
理を行い、鏡面に結晶核を形成した。
【0014】2)マイクロ波によるプラズマ化学気相成長
法を用いて、メタン濃度1 vol%の水素混合雰囲気中で、
基板温度900 ℃とし、50μm 厚さの多結晶ダイヤモンド
2を成膜した(図1(b))。この時の各ダイヤモンド
結晶粒が形成する凹凸による表面粗さは約10μm であっ
た。 3)続けて、基板温度を1100℃、メタン濃度は10vol%とし
て、厚さ20μm のグラファイト膜3を成膜した。多結晶
ダイヤモンド2の最高の突起もグラファイト膜3によっ
て被覆され、グラファイト膜3の表面は多結晶ダイヤモ
ンド2の表面より滑らかとなり、表面粗さは1 μm 以下
であった(図1(c))。
【0015】4)その後、粒度#400、#1000 、#2000 の順
序で紙ヤスリを使用し、押しつけ圧力を約1 ×104N/m2
として、グラファイトの表面を研磨した(図1
(d))。研磨はダイヤモンドの最高結晶粒が紙ヤスリ
に当たる時点で終了した。すなわち、低押しつけ力研磨
の可能限界まで研磨するので、平滑化工程中で最も時間
を要する次工程の酸素イオンビームエッチングの時間の
最短化ができる。
【0016】この研磨により、多結晶ダイヤモンドのど
の結晶粒も欠落せず、表面粗さは1μm と平滑であっ
た。 5)最後に、これをウェハー径より大口径の酸素イオンビ
ームを用いて、ウェハーを全体的にエッチング加工し
た。エッチング速度は、3 μm/h であった。約5時間の
エッチング後に、表面粗さ1 μm の平滑面を得ることが
できた(図1(e))。プラズマ化学気相成長のグラフ
ァイトは密度が高く、また多結晶粒界の凹部最底部をも
空隙なく埋めるので、空隙が原因の凹部(ピンホール)
は平滑面に形成されなかった。 実施例2 実施例1における多結晶ダイヤモンド表面に粒径0.1 μ
m のグラファイト粉末の分散液を塗布し、乾燥した。塗
膜の表面が平滑であったので、研磨は行わずに、実施例
1と同様に酸素イオンビームエッチングを行った。
【0017】表面粗さ1 μm 程度の平滑面が得られた
が、分散液の塗布時に生じた多結晶粒界の凹部底の微小
気泡が原因の凹部(ピンホール)が幾つか平滑面に形成
された。 実施例3 実施例1における多結晶ダイヤモンド表面に固形グラフ
ァイトを擦り付け、多結晶ダイヤモンド表面の凹凸をグ
ラファイトで埋めた。そして、実施例1と同様にグラフ
ァイトの研磨および酸素イオンビームエッチングを行っ
た。
【0018】擦り付けられたグラファイトが稠密度が小
さく、表面粗さは1 μm よりおおきかった。またグラフ
ァイトが多結晶粒界の凹部最底部に届かずに生じた微小
空隙が原因の凹部(ピンホール)が多数平滑面に形成さ
れた。上記の実施例では基板の全面が多結晶ダイヤモン
ドである場合を平滑化方法の典型例としてとりあげた
が、ダイヤモンドが基材の一部であったり、ダイヤモン
ドをベースとして他の材料が形成された構造体における
ダイヤモンド(必ずしも多結晶とは限らない)の平滑化
にも適用できるのはいうまでもない。 実施例4 実施例1で作製した平滑化された多結晶ダイヤモンド表
面に、厚さ1 μm のAl膜を蒸着した後、フォトプロセス
により、幅10μm のフォトマスクを用いてAl膜をコイル
パターン形状に加工した。続けて、大口径の酸素イオン
ビームを用いて、Al膜をマスクとしてダイヤモンドを約
10μm エッチングし、ダイヤモンドに溝部のパターンを
作製した。次に、厚さ1 μm の銅膜を蒸着し、これを電
極としてメッキにより、さらに厚さ10μm の銅層を形成
した。そして、銅層を研磨し、ダイヤモンドの溝部のみ
に銅のパターンを形成した。続けて、銅とダイヤモンド
の共存する表面に層間絶縁用のダイヤモンドを10μm 堆
積した。
【0019】ダイヤモンド表面には、凸部のダイヤモン
ドと凹部の銅の界面に直径数10μmに成長した微小突起
が多数見られた。銅とダイヤモンド界面の密着強度は非
常に小さいため、容易に剥離する傾向が見られるにもか
かわらず、実施例1と同様な手法を用いて、グラファイ
トを形成し、中間絶縁層の平滑化を行い、表面粗さ1μm
の平滑面を得ることができた。最後に、フォトプロセ
スを用いて、コイル接続端子に相当する貫通孔を作製
し、多結晶ダイヤモンド上に薄膜コイルを完成した。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、多結晶ダイヤモンドの
結晶粒のなす凹凸面上に、少なくとも前記凹凸が埋まる
厚さのグラファイト膜を作製するグラファイト膜作製工
程と、場合によっては前記グラファイト膜のみを機械研
磨して平滑にする研磨工程、および酸素ビームを用いて
グラファイトおよびダイヤモンドを同時に、少なくとも
エッチング面の全てにダイヤモンド面が現れるまでエッ
チングするエッチング工程を組み合わせたため、グラフ
ァイトとダイヤモンドは酸素イオンビームに対する加工
速度比(選択比)がほぼ等しくイオンビームの照射によ
り、均一に両者を除去することができ、グラファイト表
面が平滑であれば(あるいは平滑面に研磨しておけ
ば)、平滑なダイヤモンド面が得られる。
【0021】グラファイトは低硬度なので低機械力(押
しつけ力)で研磨を行うことができるため、ダイヤモン
ドとその形成された基板の場合のように互いの結合力が
小さい複合材料を用いた構造体におけるダイヤモンドの
平滑化が可能になる。合わせて、大面積ダイヤモンドの
平滑化が可能となる。このような、複合構造体の多結晶
ダイヤモンドの平滑表面が得られるので、その面上に、
他の材料を成膜したり、フォトプロセスを行うことがで
き、センサなどの製造が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る多結晶ダイヤモンドの平滑化方法
の各工程後の多結晶ダイヤモンドの断面図を示し、
(a)はリムエッチング後、(b)は多結晶ダイヤモン
ド成膜後、(c)はグラファイト膜成膜後、(d)はグ
ラファイト膜の研磨後であり(e)は酸素イオンビーム
エッチング後である。
【符号の説明】
1 基板 2 多結晶ダイヤモンド 3 グラファイト膜

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多結晶ダイヤモンドの結晶粒のなす凹凸面
    上に、少なくとも前記凹凸が埋まる厚さのグラファイト
    膜を作製するグラファイト膜作製工程と、酸素ビームを
    用いてグラファイトおよびダイヤモンドを同時に、少な
    くともエッチング面の全てにダイヤモンド面が現れるま
    でエッチングするエッチング工程を組み合わせたことを
    特徴とする多結晶ダイヤモンドの平滑化方法。
  2. 【請求項2】前記グラファイト膜作製工程後に前記グラ
    ファイト膜のみを機械研磨して平滑にする研磨工程を行
    うことを特徴とする請求項1に記載の多結晶ダイヤモン
    ドの平滑化方法。
  3. 【請求項3】前記研磨工程は前記グラファイトに対して
    のみ行い、前記ダイヤモンド多結晶体の最高結晶粒の高
    さをグラファイト面の研磨終了高さとすることを特徴と
    する請求項2に記載の多結晶ダイヤモンドの平滑化方
    法。
  4. 【請求項4】前記多結晶ダイヤモンドはシリコン基板上
    に形成されていることを特徴とする請求項1ないし3の
    いずれかに記載の多結晶ダイヤモンドの平滑化方法。
  5. 【請求項5】前記グラファイト膜作製工程はメタンガス
    を用いたプラズマ化学気相成長法であることを特徴とす
    る請求項1ないし4のいずれかに記載の多結晶ダイヤモ
    ンドの平滑化方法。
  6. 【請求項6】前記グラファイト膜作製工程はグラファイ
    ト粉末分散液の多結晶ダイヤモンド表面への塗布および
    乾燥であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれ
    かに記載の多結晶ダイヤモンドの平滑化方法。
  7. 【請求項7】前記グラファイト膜作製工程は固形グラフ
    ァイトの多結晶ダイヤモンド表面への擦り付けであるこ
    とを特徴とする請求項1ないし4のいずれか記載の多結
    晶ダイヤモンドの平滑化方法。
  8. 【請求項8】前記エッチング工程は酸素イオンビームを
    少なくとも被平滑化面全体に照射することを特徴とする
    請求項1ないし7のいずれかに記載の多結晶ダイヤモン
    ドの平滑化方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100476023C (zh) * 2007-02-14 2009-04-08 山东泉舜科技有限公司 用弧光放电等离子体化学气相沉淀法在金刚石表面制备半导体材料的方法
CN111195777A (zh) * 2020-03-02 2020-05-26 河北工程大学 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料超快激光精密刻蚀加工方法

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