JP2006219363A - Carbon thin film and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly useful carbon thin film with two regions different in characteristics being exposed on the surface of the film. <P>SOLUTION: This carbon thin film has a first region 11 which contains a graphite cluster with a particle diameter of over 2 nm and a second region 12 which does not contain a graphite cluster with a particle diameter of over 2 nm, and the regions 11 and 12 are exposed on its surface and the first region 11 satisfies the condition (a), that is, it contains a metal element which is preferably Fe, Co, Ni, Al, Cu, or Au, and/or the condition (b), that is, it contains a plate-shaped graphite structure and/or an onion-shaped graphite structure. This thin film can be obtained, for example, by the selective injection of the above-mentioned element ion to a carbon-based amorphous thin film, and the irradiation of the thin film with an electron beam. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭素系薄膜とその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon-based thin film and a method for producing the same.

炭素系材料には、炭素の結合様式の多様性に応じ、特性が大きく相違する多種多様な形態が存在する。これらの形態には、カーボンナノチューブ(CNT)、フラーレンに代表されるように、優れた特性が確認され、電子デバイス、水素吸蔵材料等の分野で今後の普及が期待される新しい材料も含まれる。CNTやフラーレンに限らず、秩序化された炭素構造の形成には、一般に大きなエネルギーが要求される。これに対し、非晶質炭素は、大きなエネルギーを要することなく形成でき、幅広い諸特性(機械的、電気的、光学的特性)を実現できる。   There are various types of carbon-based materials whose properties are greatly different depending on the variety of bonding modes of carbon. These forms include new materials that have been confirmed to have excellent characteristics, such as carbon nanotubes (CNT) and fullerenes, and that are expected to become widely used in the fields of electronic devices and hydrogen storage materials. Not only CNT and fullerene, but generally large energy is required to form an ordered carbon structure. On the other hand, amorphous carbon can be formed without requiring large energy, and can realize a wide variety of characteristics (mechanical, electrical, and optical characteristics).

同じ炭素から構成されていても、非晶質炭素は結晶性の炭素材料とは大きく異なる諸特性を有する。グラファイトが導電性もしくは半絶縁性であるのに対し、非晶質炭素が実質的に絶縁性であるのはその一例である。従って、特性の異なる炭素をデバイスに適用しやすい形態で複合化した材料を製造する技術を確立すれば、新たな複合化材料を提供できる可能性がある。   Even though they are composed of the same carbon, amorphous carbon has characteristics that are significantly different from crystalline carbon materials. One example is that graphite is electrically conductive or semi-insulating, whereas amorphous carbon is substantially insulating. Therefore, if a technique for manufacturing a material in which carbons having different characteristics are combined in a form that can be easily applied to a device is established, a new composite material may be provided.

成膜したままで結晶性の炭素構造と非結晶性の炭素構造を含む炭素薄膜も知られている(例えば非特許文献1)。しかし、この技術では炭素材料の設計の自由度に限界がある。   A carbon thin film containing a crystalline carbon structure and an amorphous carbon structure as it is formed is also known (for example, Non-Patent Document 1). However, this technology has a limit in the degree of freedom in designing carbon materials.

本発明者は、特性が異なる2つの炭素膜を用いた炭素材料を提案した(特許文献1)。この炭素材料は、平均径2nm以上のグラファイトクラスターを含む低硬度硬質炭素膜と平均径1nm以下のグラファイトクラスターを含む高硬度硬質炭素膜とを交互に積層した多層膜である。この多層膜は、耐摩耗性および摺動特性が改善された、各種部材のコーティング膜となる。   The present inventor has proposed a carbon material using two carbon films having different characteristics (Patent Document 1). This carbon material is a multilayer film in which low-hardness hard carbon films containing graphite clusters having an average diameter of 2 nm or more and high-hardness hard carbon films containing graphite clusters having an average diameter of 1 nm or less are alternately laminated. This multilayer film becomes a coating film for various members with improved wear resistance and sliding properties.

非晶質炭素膜にレーザー光または電子ビームを照射し、硬質の非晶質炭素膜の表面を部分的にグラファイト化した炭素薄膜も提案されている(特許文献2)。この炭素薄膜では、グラファイト化した領域は潤滑部となり、残部は硬質部となる。潤滑部は、非晶質炭素膜の表面をレーザー光または電子ビームを走査することにより形成される。
M. Chhowalla et al. “Generation and deposition of fllerene- and nanotube-rich carbon thin films” Philosophical Magazine Letters, 1997, vol.75, No.5, pp329-335 特開2001−261318号公報 特開2003−268531号公報
A carbon thin film in which the amorphous carbon film is irradiated with a laser beam or an electron beam to partially graphitize the surface of the hard amorphous carbon film has also been proposed (Patent Document 2). In this carbon thin film, the graphitized region becomes a lubrication portion, and the remaining portion becomes a hard portion. The lubrication part is formed by scanning the surface of the amorphous carbon film with a laser beam or an electron beam.
M. Chhowalla et al. “Generation and deposition of fllerene- and nanotube-rich carbon thin films” Philosophical Magazine Letters, 1997, vol.75, No.5, pp329-335 JP 2001-261318 A JP 2003-268531 A

特許文献1が開示する技術とは異なり、特許文献2が開示する技術によれば、炭素薄膜の表面の所定部分に異なった特性を有する領域を導入できる。特許文献2が開示するように、非晶質炭素膜の表面にエネルギーを供給すると、ごく微小なグラファイトフラグメントが生成する。しかし、このフラグメントの粒径は大きくても2nmにとどまる。通常、非晶質炭素膜に、より大きな粒径を有するグラファイト構造を形成しようとすると、より大きなエネルギーを供給する必要があり、そうすると膜が減失する。また、レーザー光等を走査する必要があるため、特に面積が大きい薄膜や微細かつ複雑に領域を配置すべき薄膜を得ようとする場合には、製造効率において改善の余地がある。   Unlike the technique disclosed in Patent Document 1, according to the technique disclosed in Patent Document 2, regions having different characteristics can be introduced into a predetermined portion of the surface of the carbon thin film. As disclosed in Patent Document 2, when energy is supplied to the surface of the amorphous carbon film, very fine graphite fragments are generated. However, the particle size of this fragment is at most 2 nm. Usually, when an attempt is made to form a graphite structure having a larger particle size in an amorphous carbon film, it is necessary to supply a larger amount of energy, so that the film is lost. In addition, since it is necessary to scan with a laser beam or the like, there is room for improvement in manufacturing efficiency, particularly when a thin film having a large area or a thin film in which regions are to be arranged in a minute and complicated manner is obtained.

本発明は、以下の特徴を有する新たな炭素系薄膜を提供する。この炭素系薄膜は、粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを含む第1領域と、粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを含まない第2領域とを有し、第1領域および第2領域が表面に露出し、かつ以下のa)およびb)から選ばれる少なくとも一方の条件が成立する。
a)第1領域が金属元素を含む。
b)第1領域がグラファイトクラスターとしてプレート状グラファイト構造およびオニオン状グラファイト構造から選ばれる少なくとも一方を含む。
The present invention provides a new carbon-based thin film having the following characteristics. This carbon-based thin film has a first region including a graphite cluster having a particle size exceeding 2 nm and a second region not including a graphite cluster having a particle size exceeding 2 nm, and the first region and the second region are on the surface. It is exposed and at least one condition selected from the following a) and b) is satisfied.
a) The first region contains a metal element.
b) The first region includes at least one selected from a plate-like graphite structure and an onion-like graphite structure as a graphite cluster.

また、本発明は、炭素系非晶質薄膜の表面からこの薄膜の一部に金属元素のイオンを注入することにより、上記薄膜に、上記金属元素を含む第1領域と上記金蔵元素を含まない第2領域とを形成する工程と、少なくとも第1領域にエネルギーを供給することにより、第2領域におけるグラファイトクラスターの成長を当該クラスターの粒径が2nm以下となる程度に抑制しながら、第1領域に粒径が2nmを超えるグラファイトクラスター、例えばプレート状グラファイト構造およびオニオン状グラファイト構造から選ばれる少なくとも一方であるグラファイトクラスター、を形成する工程と、含む炭素系薄膜の製造方法を提供する。   Further, the present invention does not include the first region containing the metal element and the metallizing element by implanting metal element ions into a part of the thin film from the surface of the carbon-based amorphous thin film. Forming the second region and supplying energy to at least the first region, thereby suppressing the growth of the graphite clusters in the second region to such an extent that the particle size of the cluster is 2 nm or less. And a process for forming a graphite cluster having a particle size exceeding 2 nm, for example, a graphite cluster that is at least one selected from a plate-like graphite structure and an onion-like graphite structure, and a method for producing a carbon-based thin film.

本発明の製造方法では、予め炭素系非晶質薄膜に金属元素のイオンを選択的に注入し、注入されたイオンに由来する金属原子の作用を利用するため、この薄膜に粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを選択的に形成できる。粒径が大きなグラファイトクラスターを選択的に導入して領域を設定すると、領域間の特性の相違は顕著となる。また、このイオンを選択的に注入することにより領域の設定を行うため、エネルギーの選択的供給によって領域を画する必要がない。従って、本発明の製造方法によれば、特性が異なる領域を膜面内に配置した炭素系薄膜、特に面積が大きい薄膜や微細で複雑なパターンを有する炭素系薄膜、を効率的かつ合理的に製造できる。   In the manufacturing method of the present invention, ions of metal elements are selectively implanted in the carbon-based amorphous thin film in advance, and the action of metal atoms derived from the implanted ions is used. It is possible to selectively form exceeding graphite clusters. When the graphite clusters having a large particle size are selectively introduced to set the regions, the difference in characteristics between the regions becomes remarkable. In addition, since the region is set by selectively implanting the ions, it is not necessary to define the region by selectively supplying energy. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, a carbon-based thin film in which regions having different characteristics are arranged in the film surface, particularly a thin film having a large area or a carbon-based thin film having a fine and complicated pattern, is efficiently and rationally used. Can be manufactured.

さらに、イオンの注入は表面近傍にとどまらない薄膜の改質を可能とする。イオンの注入量等をエネルギーの供給形態とともに制御することにより、グラファイト構造の形態およびサイズを容易に制御することもできる。本発明によれば、特性が異なる2つの領域が膜の表面に露出し、一定の厚さを有する有用性の高い炭素系薄膜を提供できる。   In addition, ion implantation allows modification of the thin film beyond the vicinity of the surface. The shape and size of the graphite structure can be easily controlled by controlling the ion implantation amount and the like together with the energy supply mode. According to the present invention, it is possible to provide a highly useful carbon-based thin film having a certain thickness, with two regions having different characteristics exposed on the surface of the film.

本発明の炭素系薄膜では、第1領域は、粒径が2nmを超える、好ましくは5nm以上の、より好ましくは10nm以上の、グラファイトクラスターを含み、第2領域は、粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを含まない。即ち、第2領域には、グラファイトクラスターが含まれていないか、あるいは、ごく微細なグラファイトクラスター(グラファイトフラグメント)が含まれているのみである。このフラグメントの粒径は2nm以下である。粒径がこの程度に制限されていると、グラファイトクラスターは、プレート状、オニオン状のような特徴的な構造をとりえない。   In the carbon-based thin film of the present invention, the first region includes a graphite cluster having a particle size of more than 2 nm, preferably 5 nm or more, more preferably 10 nm or more, and the second region is a graphite having a particle size of more than 2 nm. Does not include clusters. That is, the second region does not include graphite clusters or only includes very fine graphite clusters (graphite fragments). The particle size of this fragment is 2 nm or less. When the particle size is limited to this level, the graphite cluster cannot take a characteristic structure such as a plate shape or an onion shape.

グラファイトクラスターの粒径は、当該技術分野で広く行われているように、ラマン分光測定において、いわゆるDピーク(〜1350cm-1)とGピーク(1500〜1600cm-1)との強度比によって測定される面内相関距離によって評価すればよい(参考文献:Robertson J, “Diamond-like Amorphous Carbon”, Materials Science and Engineering, R37 (2002), 129-281;特に165-168)。 The particle size of the graphite cluster, as is widely in the art, in the Raman spectrometry, is determined by the intensity ratio of the so-called D peak (~1350cm -1) and G peak (1500~1600cm -1) (Reference: Robertson J, “Diamond-like Amorphous Carbon”, Materials Science and Engineering, R37 (2002), 129-281; 165-168 in particular).

本明細書において、「炭素系」の薄膜とは、具体的には、炭素を50原子%以上含む薄膜をいう。このように、本明細書では、「系」により50原子%以上含まれる主成分を記述する。炭素系薄膜は、炭素以外を副成分として含んでいてもよく、例えば、条件a)において列挙した金属元素に加え、H,N,BおよびSiから選ばれる少なくとも1種をさらに含んでいてもよい。また、「非晶質」とは、結晶のように周期的な長距離秩序を有しない構造をいい、例えば非晶質炭素には、不定形炭素、ダイヤモンドライクカーボン、ガラス状炭素等と呼ばれるものが含まれる(これら用語は明確に区別されて使用されているわけではない)。   In this specification, the “carbon-based” thin film specifically refers to a thin film containing 50 atomic% or more of carbon. Thus, in this specification, the main component contained by 50 atomic% or more is described by "system". The carbon-based thin film may contain components other than carbon as subcomponents. For example, in addition to the metal elements listed in condition a), the carbon-based thin film may further contain at least one selected from H, N, B, and Si. . “Amorphous” means a structure that does not have a periodic long-range order like a crystal. For example, amorphous carbon is called amorphous carbon, diamond-like carbon, glassy carbon, or the like. (These terms are not used distinctly).

金属元素は、Fe,Co,Ni,Al,CuおよびAuからなる群より選ばれる少なくとも1種が好ましく、Fe,CoおよびNiからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素がより好ましい。   The metal element is preferably at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Al, Cu and Au, and more preferably at least one element selected from the group consisting of Fe, Co and Ni.

本発明によれば、プレート状グラファイト構造のc軸が薄膜の面内方向に配向しているという特徴的な構造を有する炭素系薄膜を得ることができる。ここで、c軸(<001>軸)が薄膜の面内方向に配向しているとは、膜に含まれるグラファイト構造のc軸のすべてが面内方向に配向している、という意味ではなく、c軸が、全体として見れば、膜厚方向ではなく薄膜の面内方向に配向している、という意味である。   According to the present invention, it is possible to obtain a carbon-based thin film having a characteristic structure in which the c-axis of the plate-like graphite structure is oriented in the in-plane direction of the thin film. Here, the c-axis (<001> axis) being oriented in the in-plane direction of the thin film does not mean that all the c-axes of the graphite structure included in the film are oriented in the in-plane direction. This means that the c-axis is oriented not in the film thickness direction but in the in-plane direction of the thin film as a whole.

本発明の炭素系薄膜において、第1領域は、薄膜の表面から10nm以上、さらには50nm以上、場合によっては100nm以上、の深さを有することができる。第1領域は、イオンの注入エネルギー等によって制御できる。薄膜の厚さによっては、第1領域は、薄膜の表面から底面にまで達する。この場合、第1領域および第2領域の膜厚方向についての大きさ(領域の厚み)は、膜厚と同じとなる。   In the carbon-based thin film of the present invention, the first region can have a depth of 10 nm or more, further 50 nm or more, and in some cases 100 nm or more from the surface of the thin film. The first region can be controlled by ion implantation energy or the like. Depending on the thickness of the thin film, the first region extends from the surface of the thin film to the bottom surface. In this case, the size of the first region and the second region in the film thickness direction (region thickness) is the same as the film thickness.

本発明の炭素系薄膜は、条件a)および/または条件b)を満たせばよく、2つの条件をともに満たしていてもよい。後述するように、金属元素のイオン(金属イオン)を注入した後、エネルギーの供給を継続して行えば、注入したイオンに由来する金属原子が薄膜の表面へと拡散することがある。金属原子が高濃度となった表層を除去すれば、条件a)を満たさない薄膜を得ることも可能である。実験により確認されたところによると、金属原子が薄膜の表面で高濃度となってその内部に金属原子が存在しない部分が生じる程度にまでエネルギーの供給を継続すると、通常、薄膜にはプレート状グラファイト構造が形成される。   The carbon-based thin film of the present invention only needs to satisfy the conditions a) and / or the condition b), and may satisfy both of the two conditions. As will be described later, if energy supply is continued after implanting metal element ions (metal ions), metal atoms derived from the implanted ions may diffuse to the surface of the thin film. If the surface layer with a high concentration of metal atoms is removed, a thin film that does not satisfy the condition a) can be obtained. It has been confirmed by experiments that when the supply of energy is continued to such an extent that metal atoms become highly concentrated on the surface of the thin film and there are portions in which no metal atoms are present, the thin film usually has plate-like graphite. A structure is formed.

薄膜に注入した金属イオンは、非晶質炭素からのグラファイトクラスターの生成に要するエネルギーを低下させる。このイオンを薄膜の一部に注入するには、薄膜の表面を部分的にマスクした状態で当該表面からイオンを注入するとよい。この方法によれば、注入するイオンをビーム状にして、空間分布を与えながら描画する必要はない。薄膜の表面のマスキングには、予め所定のパターンに加工した金属板、樹脂板等の板状部材(テンプレート)を利用してもよく、所定のパターンとなるように成膜した金属薄膜を用いてもよい。グラファイトクラスターの生成を十分に促進するためには、イオンの注入量を1×1015/cm2以上、例えば5×1015〜5×1017/cm2とすることが推奨される。イオンの注入エネルギーは、特に制限されないが、薄膜の厚さとイオンを注入すべき深さ(グラファイト化を要する深さ)とから適宜選択するとよく、例えば40〜400keVとするとよい。 Metal ions implanted into the thin film reduce the energy required for the formation of graphite clusters from amorphous carbon. In order to implant the ions into a part of the thin film, the ions may be implanted from the surface with the surface of the thin film partially masked. According to this method, it is not necessary to draw ions while giving a spatial distribution by making ions to be implanted into a beam shape. For masking the surface of the thin film, a plate-like member (template) such as a metal plate or a resin plate previously processed into a predetermined pattern may be used, and a metal thin film formed to have a predetermined pattern is used. Also good. In order to sufficiently promote the formation of graphite clusters, it is recommended that the ion implantation amount be 1 × 10 15 / cm 2 or more, for example, 5 × 10 15 to 5 × 10 17 / cm 2 . The ion implantation energy is not particularly limited, but may be appropriately selected from the thickness of the thin film and the depth at which ions are to be implanted (depth that requires graphitization), for example, 40 to 400 keV.

エネルギーを供給する前の段階における薄膜中のイオンの濃度は、グラファイトクラスターの生成が促進される限り制限はないが、イオンを注入した領域(第1領域となるイオン注入領域)において、0.5〜30原子%、特に5〜20原子%が好適である。   The concentration of ions in the thin film before the energy supply is not limited as long as the formation of graphite clusters is promoted. However, in the region where ions are implanted (ion implantation region serving as the first region), the concentration of ions is 0.5. -30 atomic%, especially 5-20 atomic% are preferred.

エネルギーの供給方法は特に制限されないが、電子線の照射は、グラファイトクラスターの生成に適したエネルギーの供給方法である。電子線の照射によれば、通常の熱処理のように装置や薄膜を形成した試料全体を加熱する必要がない。電子線の照射は、炭素系薄膜を耐熱性の低い異種材料と複合化して用いるような場合には特に適している。   Although the energy supply method is not particularly limited, electron beam irradiation is an energy supply method suitable for generating graphite clusters. According to the electron beam irradiation, it is not necessary to heat the entire sample on which the apparatus and the thin film are formed as in normal heat treatment. The electron beam irradiation is particularly suitable when the carbon-based thin film is used in combination with a dissimilar material having low heat resistance.

電子線のエネルギーは、100keV以下、さらには60keV以下、例えば40〜60keVの電子線を用いるとよい。また、電子線の照射強度は1019/cm2・秒以下、さらには1017/cm2・秒以下、特に1015/cm2・秒以下、とすることが好ましい。電子線の照射強度の下限は、特に制限されないが、1013/cm2・秒以上が好ましい。 The energy of the electron beam is preferably 100 keV or less, more preferably 60 keV or less, for example, 40 to 60 keV. The electron beam irradiation intensity is preferably 10 19 / cm 2 · sec or less, more preferably 10 17 / cm 2 · sec or less, and particularly preferably 10 15 / cm 2 · sec or less. The lower limit of the electron beam irradiation intensity is not particularly limited, but is preferably 10 13 / cm 2 · sec or more.

高エネルギーの電子線照射はむしろ好ましくないため、電子線は高真空状態で照射する必要はなく、例えば常圧下で照射してもかまわない。高度に減圧せずに薄膜を処理できることは量産を考慮すると大きな利点となる。   Since high-energy electron beam irradiation is rather undesirable, it is not necessary to irradiate the electron beam in a high vacuum state. For example, irradiation may be performed under normal pressure. The ability to process a thin film without high pressure reduction is a great advantage when considering mass production.

電子線の照射は、大気等の酸素含有雰囲気で行ってもよいが、この場合はオゾンが発生する。これを避けたければ、酸素を含まない非酸化雰囲気中、例えば、アルゴンに代表される不活性ガスまたは窒素ガスからなる雰囲気中、で行うとよい。   The electron beam irradiation may be performed in an oxygen-containing atmosphere such as air, but in this case, ozone is generated. If this is to be avoided, it may be performed in a non-oxidizing atmosphere containing no oxygen, for example, in an atmosphere made of an inert gas such as argon or nitrogen gas.

エネルギーの供給は、薄膜を加熱することにより行ってもよい。この場合は、薄膜を600〜1000K、好ましくは750〜850K、の温度で加熱することが好ましい。温度が低すぎるとグラファイトクラスターが十分に生成せず、温度が高すぎると炭素の酸化または炭化水素化等による膜の減失が顕著となるためである。   The energy may be supplied by heating the thin film. In this case, it is preferable to heat the thin film at a temperature of 600 to 1000K, preferably 750 to 850K. This is because if the temperature is too low, sufficient graphite clusters are not formed, and if the temperature is too high, film loss due to carbon oxidation or hydrocarbonation becomes significant.

グラファイトクラスターを生成するためのエネルギーは、少なくとも第1領域に供給すればよく、第1領域のみにエネルギーを供給しても、第1領域および第2領域に供給してもよい。予めイオンを注入するため、本発明の製造方法では、照射領域が制限されるレーザー光のような高エネルギー線を用いる必要はない。電子線のようなエネルギービームを、空間分布を付与することなく大面積に供給すれば足りることも、量産に際しては利点となる。   The energy for generating the graphite cluster may be supplied to at least the first region, and the energy may be supplied only to the first region or may be supplied to the first region and the second region. Since ions are implanted in advance, the manufacturing method of the present invention does not require the use of a high energy beam such as a laser beam whose irradiation region is limited. It is also advantageous for mass production to supply an energy beam such as an electron beam over a large area without giving a spatial distribution.

本発明の製造方法において、第1領域へのエネルギーの供給を継続すると、この領域にはオニオン状および/またはプレート状グラファイト構造が生成することがある。これらのグラファイト構造は、すすへの電子線照射や熱処理により観察され、例えばプレート状グラファイト構造は、すすの1000Kを超える熱処理により観察される。しかし、オニオン状およびプレート状グラファイト構造が非晶質薄膜へのエネルギー供給により当該薄膜の一部において選択的に形成されることは、通常ない。   In the manufacturing method of the present invention, when the supply of energy to the first region is continued, an onion-like and / or plate-like graphite structure may be generated in this region. These graphite structures are observed by electron beam irradiation or heat treatment of soot. For example, a plate-like graphite structure is observed by heat treatment exceeding 1000 K of soot. However, onion and plate-like graphite structures are usually not selectively formed in a part of the thin film by supplying energy to the amorphous thin film.

特に、従来、非晶質炭素膜のように等方的な構造を有する膜では、単に電子線を照射してもプレート状構造は形成されない、と考えられてきた。しかし、金属イオンを注入した領域に電子線を照射すると、高温を要することなくプレート状構造が形成される。プレート状構造の形成には、金属イオンが薄膜の表面へと拡散することによる非晶質構造のダイナミックな再構成が関与していると考えられる。   In particular, it has been conventionally considered that a film having an isotropic structure such as an amorphous carbon film does not form a plate-like structure even if it is simply irradiated with an electron beam. However, when an electron beam is irradiated onto the region into which metal ions are implanted, a plate-like structure is formed without requiring a high temperature. It is considered that the formation of the plate-like structure involves dynamic reconstruction of the amorphous structure due to the diffusion of metal ions to the surface of the thin film.

本発明の製造方法では、注入した金属イオンに由来する金属原子が拡散して薄膜の表面近傍に偏って存在するまでエネルギーを供給した後、この表面近傍に偏析する金属原子を除去する工程をさらに実施してもよい。この追加工程の実施は、Fe等の存在により光の吸収を避けたい場合、例えば炭素系薄膜を光学デバイスの一部として用いる場合、には特に有用である。   In the manufacturing method of the present invention, after supplying energy until the metal atoms derived from the implanted metal ions diffuse and are biased near the surface of the thin film, the step of removing the metal atoms segregated near the surface is further performed. You may implement. This additional step is particularly useful when it is desired to avoid light absorption due to the presence of Fe or the like, for example, when a carbon-based thin film is used as a part of an optical device.

金属原子を除去する工程は、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより薄膜の表層を除去する工程として実施すればよい。金属原子を除去する工程により、薄膜から金属原子を実質的に除去することもできる。   The step of removing the metal atoms may be performed as a step of removing the surface layer of the thin film by dry etching or wet etching. The metal atom can be substantially removed from the thin film by the step of removing the metal atom.

本発明によれば、特性の異なる領域を膜面内に任意に配置した炭素系薄膜を得ることができる。第1領域と第2領域とは、第1領域におけるグラファイトクラスターの生成に起因して異なる特性を有しうる。例えば、第1領域には、第2領域よりも高い導電率を与えることができる。また例えば、第1領域には、第2領域よりも低い光線透過率を可視〜赤外〜遠赤外の波長域で与えることができる。   According to the present invention, it is possible to obtain a carbon-based thin film in which regions having different characteristics are arbitrarily arranged in the film surface. The first region and the second region can have different characteristics due to the formation of graphite clusters in the first region. For example, the first region can be given higher conductivity than the second region. Further, for example, the first region can be given a light transmittance lower than that of the second region in the visible to infrared to far infrared wavelength region.

炭素系薄膜の厚さは、特に限定されないが、例えば10nm〜5μm、特に50nm〜1μmの範囲とするとよい。   Although the thickness of a carbon-type thin film is not specifically limited, For example, it is good to set it as the range of 10 nm-5 micrometers, especially 50 nm-1 micrometer.

炭素系非晶質薄膜の成膜方法は、特に限定されない。この薄膜は、従来から知られている各種成膜法、スパッタリング法に代表される物理蒸着法(PVD法)、各種化学蒸着法(CVD法)等、により形成するとよい。スパッタリング法に使用するターゲットの一例としては、焼成グラファイトを挙げることができる。Si、B等の原子を膜に添加する場合には、その原子を含むターゲットを用いてもよい。雰囲気はアルゴン等の不活性ガスとすればよいが、不活性ガスとともに、例えば、水素原子含有ガスおよび窒素原子含有ガスから選ばれる少なくとも一方を含む雰囲気として、Hおよび/またはNを膜に混入してもよい。   The method for forming the carbon-based amorphous thin film is not particularly limited. This thin film may be formed by various conventionally known film forming methods, physical vapor deposition methods (PVD methods) represented by sputtering methods, various chemical vapor deposition methods (CVD methods), and the like. An example of a target used for the sputtering method is calcined graphite. When atoms such as Si and B are added to the film, a target containing the atoms may be used. The atmosphere may be an inert gas such as argon, but H and / or N is mixed into the film as an atmosphere containing at least one selected from a hydrogen atom-containing gas and a nitrogen atom-containing gas, for example, together with the inert gas. May be.

薄膜の形成に用いる基板の材料には、特に制限はなく、例えば、シリコン等の半導体基板、Al23,MgO等の酸化物基板、鉄,アルミ,これらを含む合金等の金属基板を適宜用いればよい。 The material of the substrate used for forming the thin film is not particularly limited. For example, a semiconductor substrate such as silicon, an oxide substrate such as Al 2 O 3 or MgO, a metal substrate such as iron, aluminum, or an alloy containing these is appropriately used. Use it.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

まず、図1に示すように、基板30上に、炭素系非晶質薄膜15を形成する。さらに、薄膜15上に、所定のパターンとなるようにマスク31とする薄膜を形成する。引き続き、薄膜15の表面に金属イオン32を注入する。これにより、イオン注入領域をビーム描画によって絞り込むことなく、薄膜には、第1領域となる部分にイオン32が注入される。   First, as shown in FIG. 1, a carbon-based amorphous thin film 15 is formed on a substrate 30. Further, a thin film serving as a mask 31 is formed on the thin film 15 so as to have a predetermined pattern. Subsequently, metal ions 32 are implanted into the surface of the thin film 15. As a result, the ions 32 are implanted into the portion to be the first region in the thin film without narrowing the ion implantation region by beam drawing.

次いで、図2に示すように、マスク31を除去し、薄膜15に電子線33を照射する。電子線33は、照射領域を絞り込む必要はなく、薄膜15の表面全面に一括照射すればよい。電子線33の照射により、イオンを注入した領域(第1領域11)ではグラファイトクラスターの生成が促進される。イオンを注入しない領域(第2領域12)では電子線を照射しても、グラファイトクラスターの生成は十分に抑制される。なお、図2には、マスク31を除去してから電子線33を照射する形態を示したが、マスク31を残したままこれを介して電子線33を照射しても構わない。   Next, as shown in FIG. 2, the mask 31 is removed, and the thin film 15 is irradiated with an electron beam 33. The electron beam 33 does not need to narrow down the irradiation area, and may irradiate the entire surface of the thin film 15 at once. The irradiation of the electron beam 33 promotes the generation of graphite clusters in the region where ions are implanted (first region 11). In the region where the ions are not implanted (second region 12), the generation of the graphite cluster is sufficiently suppressed even when the electron beam is irradiated. Although FIG. 2 shows a mode in which the electron beam 33 is irradiated after the mask 31 is removed, the electron beam 33 may be irradiated through the mask 31 while leaving it.

こうして、図3に示すように、マスク31のパターンが転写された炭素系薄膜10を得ることができる。この薄膜10では、マスク31の開口部に対応する、グラファイトクラスターが成長した帯状の第1領域11と、マスク31による遮蔽部に対応する、グラファイトクラスターの成長が抑制された帯状の第2領域12とが交互に配置されている。図示した形態では、これらの領域11,12は、薄膜の表面から底面に至るまで伸長しており、薄膜の厚さと同じ厚さを有する。   In this way, as shown in FIG. 3, the carbon-based thin film 10 to which the pattern of the mask 31 is transferred can be obtained. In this thin film 10, a strip-shaped first region 11 corresponding to the opening of the mask 31 where the graphite clusters have grown, and a strip-shaped second region 12 corresponding to the shielding portion formed by the mask 31 in which the growth of the graphite clusters is suppressed. And are arranged alternately. In the illustrated form, these regions 11 and 12 extend from the surface of the thin film to the bottom surface, and have the same thickness as the thickness of the thin film.

上記説明から明らかなように、マスク31のパターンを変更すれば、任意の大きさで任意の位置に、領域11,12を配置できる。例えば、図4に示すように、一方の領域(図では第1領域11)が他方の領域(第2領域12)に囲まれた柱状領域となる炭素系薄膜10を得ることも可能である。柱状領域11の形状は、図示したような円柱、四角柱に制限されるわけではない。   As is clear from the above description, if the pattern of the mask 31 is changed, the regions 11 and 12 can be arranged at an arbitrary size and an arbitrary position. For example, as shown in FIG. 4, it is also possible to obtain a carbon-based thin film 10 in which one region (first region 11 in the figure) is a columnar region surrounded by the other region (second region 12). The shape of the columnar region 11 is not limited to a cylinder or a quadrangular column as illustrated.

図3および図4に示したように、本発明によれば、以下のc)〜d)から選ばれる少なくとも1つ、好ましくは両方、が成立する炭素系薄膜を得ることもできる。   As shown in FIGS. 3 and 4, according to the present invention, a carbon-based thin film in which at least one, preferably both, selected from the following c) to d) can be obtained.

c)第1領域11および第2領域12から選ばれるいずれか一方の領域が他方の領域に囲まれた柱状領域であり、炭素系薄膜の表面における柱状領域の面積が200nm2以上、好ましくは1000nm2以上、より好ましくは10000nm2以上である。 c) One of the regions selected from the first region 11 and the second region 12 is a columnar region surrounded by the other region, and the area of the columnar region on the surface of the carbon-based thin film is 200 nm 2 or more, preferably 1000 nm 2 or more, more preferably 10,000 nm 2 or more.

d)第1領域11および第2領域12が、第1面内方向51について、第1面内方向51と直交する第2面内方向52についての平均径の2倍以上、好ましくは10倍以上、の平均径を有し、第2面内方向52について交互に配置されている。   d) In the first in-plane direction 51, the first region 11 and the second region 12 are not less than twice the average diameter in the second in-plane direction 52 orthogonal to the first in-plane direction 51, preferably not less than 10 times. , And are alternately arranged in the second in-plane direction 52.

上記c)とともに、あるいは上記c)に代えて、第1領域11および第2領域12から選ばれるいずれか一方の領域が他方の領域に囲まれた柱状領域であり、この柱状領域の面内方向についての平均径が100nm、好ましくは200nm以上、という条件を満たす炭素系薄膜を得ることもできる。   Along with c) or instead of c), any one region selected from the first region 11 and the second region 12 is a columnar region surrounded by the other region, and the in-plane direction of this columnar region It is also possible to obtain a carbon-based thin film that satisfies the condition that the average diameter is about 100 nm, preferably 200 nm or more.

ただし、上記c)およびd)は、成膜したままの状態の炭素系薄膜(例えばカラム−カラム間組織を有する炭素系薄膜)が、上記a)またはb)を具備したとしても、到底実現できない領域の配置を例示するものであって、本発明により導入される領域の形状およびサイズが上記に制限を受けるわけではない。上述のとおり、本発明の製造方法は、微細かつ複雑に入り組んだ領域を有する炭素系薄膜の製造にも適している。   However, the above c) and d) cannot be realized even if a carbon-based thin film (for example, a carbon-based thin film having a column-column structure) as it is formed has the above-mentioned a) or b). The arrangement of the regions is illustrated, and the shape and size of the regions introduced by the present invention are not limited to the above. As described above, the manufacturing method of the present invention is also suitable for manufacturing a carbon-based thin film having a fine and complicated region.

図3に示す炭素系薄膜10では、第1領域11および第2領域12は、ともに帯状に配置されている。これら帯状の領域11,12は、第1面内方向51について、この方向51と直交する第2面内方向52についての平均径よりも上記d)に記載の程度以上の倍率の平均径を有し、かつ第2面内方向52について交互に配置されている。図4に示す炭素系薄膜10では、第2領域12により囲まれた柱状の第1領域11の平均径が、上記c)の条件を満たすように設定されている。柱状領域11の形状は、図示したような円柱、四角柱に制限されるわけではない。   In the carbon-based thin film 10 shown in FIG. 3, the first region 11 and the second region 12 are both arranged in a band shape. These band-like regions 11 and 12 have an average diameter of the first in-plane direction 51 that is equal to or larger than the degree described in d) above the average diameter in the second in-plane direction 52 perpendicular to the direction 51. In addition, the second in-plane directions 52 are alternately arranged. In the carbon-based thin film 10 shown in FIG. 4, the average diameter of the columnar first region 11 surrounded by the second region 12 is set so as to satisfy the above condition c). The shape of the columnar region 11 is not limited to a cylinder or a quadrangular column as illustrated.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本欄における上記説明と同様、以下も本発明の実施形態の例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。   Hereinafter, although an example explains the present invention still in detail, like the above-mentioned explanation in this column, the following is only illustration of an embodiment of the present invention and does not limit the present invention.

マグネトロンスパッタリング法を用い、シリコン基板上に膜厚約0.2μmの炭素系非晶質薄膜Aを形成した。ターゲットとしては焼成グラファイトを用いた。基板温度は室温(基板は水冷)、雰囲気圧力は0.27Pa(2mTorr)とした。成膜雰囲気はアルゴンとした。   Using a magnetron sputtering method, a carbon-based amorphous thin film A having a thickness of about 0.2 μm was formed on a silicon substrate. Firing graphite was used as a target. The substrate temperature was room temperature (the substrate was water-cooled), and the atmospheric pressure was 0.27 Pa (2 mTorr). The film forming atmosphere was argon.

次いで、この非晶質薄膜Aの表面にCu製のテンプレート板を配置した状態で、この表面上にイオンビームスパッタリング法によりAl薄膜(厚さ約500nm)を形成した。Al薄膜の形成後、テンプレート板を除去し、パターニングされたAl薄膜をマスクとして、薄膜Aの表面にFeイオンを注入した。Feイオンは、80keV、2×1015/cm2の条件で注入した。Feイオンの注入によりイオン注入領域におけるFe濃度は約1原子%となった。 Next, an Al thin film (thickness: about 500 nm) was formed on the surface of the amorphous thin film A by an ion beam sputtering method with a Cu template plate disposed thereon. After the formation of the Al thin film, the template plate was removed, and Fe ions were implanted into the surface of the thin film A using the patterned Al thin film as a mask. Fe ions were implanted under the conditions of 80 keV and 2 × 10 15 / cm 2 . The Fe concentration in the ion implantation region was about 1 atomic% by the implantation of Fe ions.

HNO3:H3PO4:CH3COOH=1:4:15(体積比)によりAl薄膜を除去した後、非晶質薄膜Aに電子線を照射した。電子線の照射は1.3×10-3Paに減圧した雰囲気中で60kV−0.3mAで加速した電子線を用い、1×1014/cm2・秒の照射強度で行った。電子線の照射に用いた装置は電子線照射管(ウシオ電機製「Min-EB」)である。電子線は、Si窓を通過させることにより、電子線のエネルギーを10〜20%程度減少させ、かつ散乱させた状態で、炭素系非晶質薄膜Aを一括露光した。Si窓と薄膜Aとの間隔は15mmとした。照射時間は30分から11時間とした。なお、電子線の照射に伴う薄膜Aの昇温は、熱電対を用いた測定によると453Kで飽和し、この飽和には30分を要した。 After removing the Al thin film by HNO 3 : H 3 PO 4 : CH 3 COOH = 1: 4: 15 (volume ratio), the amorphous thin film A was irradiated with an electron beam. The electron beam was irradiated at an irradiation intensity of 1 × 10 14 / cm 2 · sec using an electron beam accelerated at 60 kV−0.3 mA in an atmosphere reduced to 1.3 × 10 −3 Pa. The apparatus used for the electron beam irradiation is an electron beam irradiation tube (USHIO “Min-EB”). The electron beam was passed through the Si window to reduce the energy of the electron beam by about 10 to 20%, and the carbon-based amorphous thin film A was collectively exposed in a scattered state. The distance between the Si window and the thin film A was 15 mm. The irradiation time was 30 minutes to 11 hours. The temperature rise of the thin film A accompanying the electron beam irradiation was saturated at 453 K according to measurement using a thermocouple, and this saturation took 30 minutes.

図5に、イオン注入領域における電子線照射に伴うラマンプロファイルの変化を示す。ラマンプロファイルの変化から見積もったところでは、膜中には粒径10nmを超えるグラファイトクラスターが生成していた。図6に、電子線照射の前後において、薄膜の断面を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した結果を示す。電子線の照射により、Feが凝集してクラスターを形成し、このクラスターが表面へと拡散していることが確認できた。   FIG. 5 shows changes in the Raman profile associated with electron beam irradiation in the ion implantation region. As estimated from the change in the Raman profile, graphite clusters having a particle diameter exceeding 10 nm were generated in the film. In FIG. 6, the result of having observed the cross section of the thin film with the transmission electron microscope (TEM) before and behind electron beam irradiation is shown. It was confirmed that Fe was agglomerated to form clusters by electron beam irradiation, and these clusters were diffused to the surface.

Feの濃度を約15原子%とした炭素系非晶質薄膜Bを別に作製し、上記と同様にして電子線を照射した。電子線照射による薄膜Bの構造の変化を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察した結果を図7(a)〜(c)に示す。電子線の照射により、Feが凝集してクラスターを形成し、このクラスターが表面へと拡散した。図7(c)(照射時間5時間30分)では、薄膜Bの内部にFeが存在しない領域が現れた。   A carbon-based amorphous thin film B having a Fe concentration of about 15 atomic% was separately prepared and irradiated with an electron beam in the same manner as described above. 7A to 7C show the results of observation of the change in the structure of the thin film B by electron beam irradiation using a transmission electron microscope (TEM). By the electron beam irradiation, Fe aggregates to form clusters, and these clusters diffuse to the surface. In FIG.7 (c) (irradiation time 5 hours 30 minutes), the area | region where Fe does not exist inside the thin film B appeared.

電子線照射により薄膜B内に生成したグラファイト構造をTEMにより観察した。なお、この観察は、Feクラスターが含まれる薄膜Bの表層を3%ナイタールにより除去してから行った。結果を図8(a),(c)に示す。図8(b),(d)は、それぞれ図8(a),(c)中に円で囲んだ部分の拡大観察結果である。薄膜Bには、オニオン状グラファイト構造(図8(a),(b))およびプレート状グラファイト構造(図8(c),(d))が観察された。前者は1時間程度の短い照射により顕著に認められ、後者は5時間を超える照射により顕著に認められた。   The graphite structure produced in the thin film B by electron beam irradiation was observed by TEM. This observation was performed after removing the surface layer of the thin film B containing Fe clusters with 3% nital. The results are shown in FIGS. 8 (a) and (c). FIGS. 8B and 8D are enlarged observation results of portions surrounded by circles in FIGS. 8A and 8C, respectively. On the thin film B, an onion-like graphite structure (FIGS. 8A and 8B) and a plate-like graphite structure (FIGS. 8C and 8D) were observed. The former was conspicuously observed by short irradiation of about 1 hour, and the latter was conspicuously recognized by irradiation exceeding 5 hours.

これらのグラファイトクラスターの大きさは、照射時間によるが、オニオン状構造については1〜10nm程度であり、プレート状構造については最大でc軸方向について約20nm、これと直交する基底面の面内方向について約30nmに達した。プレート状構造は、c軸が膜面方向に配向している傾向を有していた。   Although the size of these graphite clusters depends on the irradiation time, it is about 1 to 10 nm for the onion-like structure, about 20 nm at the maximum for the c-axis direction for the plate-like structure, and the in-plane direction of the basal plane perpendicular to this Reached about 30 nm. The plate-like structure had a tendency that the c-axis was oriented in the film surface direction.

なお、プレート状構造が現れる程度に電子線を照射すると、3つの構造、即ち、面内相関距離が2nm未満のクラスタリングの進行した非晶質炭素マトリックス、面内相関距離が2〜5nmのオニオン状構造やナノグラファイト構造、面内相関距離が10nmを超えるプレート状構造が観察された。   When the electron beam is irradiated to such an extent that a plate-like structure appears, three structures are produced: an amorphous carbon matrix in which the in-plane correlation distance is less than 2 nm, and an onion shape in which the in-plane correlation distance is 2 to 5 nm. Structures, nanographite structures, and plate-like structures with in-plane correlation distances exceeding 10 nm were observed.

一方、Fe原子が存在しないように形成した領域では、TEMにより観察しても、2nmを超えるグラファイトクラスターの生成は認められなかった。   On the other hand, in the region formed so that no Fe atom was present, the formation of graphite clusters exceeding 2 nm was not observed even when observed by TEM.

図9に、Fe原子が存在するように成膜した領域における電子線照射に伴うラマンプロファイルの変化を示す。電子線の照射に伴い、グラファイトクラスターに起因する2つのピーク(DピークおよびGピーク)が顕著となり、Gピークが高周波側にシフトした。   FIG. 9 shows the change in the Raman profile accompanying electron beam irradiation in the region where the film was formed so that Fe atoms exist. With the irradiation of the electron beam, two peaks (D peak and G peak) due to the graphite cluster became prominent, and the G peak shifted to the high frequency side.

図10は、上記と同様にして形成した炭素系薄膜の断面TEM像である。Feイオンを注入した領域にはFeクラスターが生成したが、マスキングによりFeイオンの注入を防いだ領域にはFeクラスターは生成していない。   FIG. 10 is a cross-sectional TEM image of a carbon-based thin film formed in the same manner as described above. Fe clusters were generated in the region where Fe ions were implanted, but no Fe clusters were generated in the region where the implantation of Fe ions was prevented by masking.

図11に、図10に示した炭素系薄膜についての電子ビームの照射前後のラマンスペクトルの変化を示す。図11のラマンプロファイルより、Feイオンを注入した領域には電子線の照射後、粒径10nm以上のグラファイトクラスターが生成したことが確認できた。一方、Feイオンが注入されていない領域では、電子線照射後においても、グラファイトクラスターの粒径は2nm以下にとどまっていた。   FIG. 11 shows the change in the Raman spectrum before and after the electron beam irradiation for the carbon-based thin film shown in FIG. From the Raman profile of FIG. 11, it was confirmed that a graphite cluster having a particle diameter of 10 nm or more was generated in the region into which Fe ions were implanted after the electron beam irradiation. On the other hand, in the region where no Fe ions were implanted, the particle size of the graphite cluster remained at 2 nm or less even after electron beam irradiation.

図10および図11の結果より、炭素系薄膜にマスキングによる任意のパターンを形成することにより、炭素系薄膜の任意の領域にグラファイトクラスターを生成できることが確認できる。炭素系非晶質膜の任意の領域の特性を変化させることができるため、本発明による適用範囲は極めて広い。   From the results of FIGS. 10 and 11, it can be confirmed that a graphite cluster can be generated in an arbitrary region of the carbon-based thin film by forming an arbitrary pattern by masking on the carbon-based thin film. Since the characteristics of an arbitrary region of the carbon-based amorphous film can be changed, the applicable range according to the present invention is extremely wide.

なお、図10および図11に示した炭素系薄膜へのFeイオンの注入条件は、80keV、3.6×1016/cm2である。電子線の照射条件は上記と同様とした。 The conditions for implanting Fe ions into the carbon-based thin film shown in FIGS. 10 and 11 are 80 keV and 3.6 × 10 16 / cm 2 . The electron beam irradiation conditions were the same as described above.

Feに代えて、Co、Niを用いて上記と同様の実験を行ったところ、注入された金属原子が存在する場合にも、オニオン状およびプレート状のグラファイト構造の生成が確認され、イオンが存在しない領域においては2nmを超えるグラファイトクラスターの生成は認められなかった。ただし、プレート状グラファイト構造の形成は、Feが存在する場合に最も顕著となった。   An experiment similar to the above was performed using Co and Ni instead of Fe. Even when implanted metal atoms were present, the formation of onion-like and plate-like graphite structures was confirmed, and ions were present. In the non-treated region, the formation of graphite clusters exceeding 2 nm was not observed. However, the formation of a plate-like graphite structure was most noticeable when Fe was present.

また、Feイオンの注入量を1013〜2×1015/cm2の範囲で変化させて同様の実験を行ったところ、Feイオンの注入量により形成されるグラファイトクラスターの粒径が変化した。図12に結果の一部を示す。Feイオンの注入条件は、(a)60keV、4×1013/cm2、(b)80keV、5×1014/cm2、(c)80keV、2×1015/cm2、とした。ラマンプロファイルの変化から見積もったところでは、(a)の炭素系薄膜では粒径1.5nm程度のグラファイトクラスターが、(b)の炭素系薄膜では粒径1.5nm程度のグラファイトクラスターが生成したのに対し、(c)の炭素系薄膜では粒径10nm以上のグラファイトクラスターが生成した。その他の結果と併せて検討すると、粒径10nm以上のグラファイトクラスターの生成には1×1015/cm2以上の注入量が望ましいことがわかった。 Moreover, when the same experiment was performed by changing the amount of Fe ions implanted in the range of 10 13 to 2 × 10 15 / cm 2 , the particle size of the graphite clusters formed varied depending on the amount of Fe ions implanted. FIG. 12 shows a part of the result. Fe ion implantation conditions were (a) 60 keV, 4 × 10 13 / cm 2 , (b) 80 keV, 5 × 10 14 / cm 2 , (c) 80 keV, 2 × 10 15 / cm 2 . As estimated from changes in the Raman profile, the carbon-based thin film (a) produced graphite clusters with a particle size of about 1.5 nm, and the carbon-based thin film (b) produced graphite clusters with a particle size of about 1.5 nm. On the other hand, in the carbon-based thin film (c), graphite clusters having a particle diameter of 10 nm or more were generated. Examining together with other results, it was found that an injection amount of 1 × 10 15 / cm 2 or more is desirable for the formation of graphite clusters having a particle size of 10 nm or more.

さらに、電子線の照射に代えて、加熱処理により非晶質薄膜にエネルギーを供給した。この実験からもグラファイトクラスターの生成が確認できた。加熱処理は、昇温レートを10K/分、最高温度を573K〜1000K、最高温度における保持時間を10000〜40000秒とした。最高温度750K以上の加熱処理により、イオン注入領域において粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターの生成が確認できた。この場合も、イオン非注入領域では、粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターの生成は確認できなかった。   Further, instead of the electron beam irradiation, energy was supplied to the amorphous thin film by heat treatment. This experiment also confirmed the formation of graphite clusters. In the heat treatment, the temperature rising rate was 10 K / min, the maximum temperature was 573 K to 1000 K, and the holding time at the maximum temperature was 10,000 to 40000 seconds. By the heat treatment at a maximum temperature of 750 K or more, it was confirmed that graphite clusters having a particle size exceeding 2 nm were formed in the ion implantation region. Also in this case, the formation of graphite clusters having a particle size exceeding 2 nm could not be confirmed in the non-ion-implanted region.

本発明によれば、電気的、光学的、機械的諸特性が異なる領域が薄膜の面内の所望の位置に配置された炭素系薄膜を提供できる。この薄膜は、例えば導体が厚さ方向に貫通した層間絶縁膜等として、各種電子デバイス、光学デバイス、耐摩耗部材に適用可能な特性を備えている。   According to the present invention, it is possible to provide a carbon-based thin film in which regions having different electrical, optical, and mechanical properties are arranged at desired positions in the plane of the thin film. This thin film has characteristics applicable to various electronic devices, optical devices, and wear-resistant members, for example, as an interlayer insulating film or the like through which a conductor penetrates in the thickness direction.

本発明の製造方法の一例における一工程を示すための部分切り取り斜視図である。It is a partial cutaway perspective view for showing one process in an example of the manufacturing method of the present invention. 図1の工程に引き続き行われる一工程を示すための部分切り取り斜視図である。It is a partial cutaway perspective view for showing one process performed following the process of FIG. 図1および図2に示した工程を経て得られた炭素系薄膜を示すための部分切り取り斜視図である。FIG. 3 is a partially cutaway perspective view for showing a carbon-based thin film obtained through the steps shown in FIGS. 1 and 2. 本発明の炭素系薄膜の別の一例を示すための部分切り取り斜視図である。It is a partial cutaway perspective view for showing another example of the carbon-based thin film of the present invention. 電子線照射前および照射後におけるラマン分光法による炭素系薄膜の測定結果を示すスペクトルである。It is a spectrum which shows the measurement result of the carbon-type thin film by the Raman spectroscopy before and after electron beam irradiation. 電子線照射前(a)、照射後(b)における薄膜の断面TEM像である。It is a cross-sectional TEM image of the thin film before (a) electron beam irradiation and after (b) irradiation. 電子線の照射により、金属(Fe)イオンクラスターが表面へと拡散していく状態を示す断面TEM像であり、(a)は電子線照射300秒後、(b)は同3600秒後、(c)は同19800秒後の状態を示す。It is a cross-sectional TEM image showing a state in which metal (Fe) ion clusters are diffused to the surface by electron beam irradiation, (a) is 300 seconds after electron beam irradiation, (b) is 3600 seconds after ( c) shows the state after 19800 seconds. 電子線の照射により形成されたグラファイトクラスターを観察した結果を示す平面TEM像であり、(a)およびその拡大写真である(b)は電子線照射10000秒後の観察結果であり、(c)およびその拡大写真である(d)は電子線照射20000秒後の観察結果である。It is a plane TEM image which shows the result of having observed the graphite cluster formed by irradiation of an electron beam, (a) and the enlarged photograph (b) are the observation results after 10000 seconds of electron beam irradiation, (c) And (d) which is the enlarged photograph is an observation result after 20000 seconds of electron beam irradiation. 電子線照射前および照射後におけるラマン分光法による炭素系薄膜の測定結果の別の例を示すスペクトルである。It is a spectrum which shows another example of the measurement result of the carbon-type thin film by the Raman spectroscopy before and after electron beam irradiation. マスキング領域(Fe非注入領域)と非マスクキング領域(Fe注入領域)との境界近傍における、電子線照射後の炭素系薄膜の断面TEM像である。It is a cross-sectional TEM image of the carbon-based thin film after electron beam irradiation in the vicinity of the boundary between the masking region (Fe non-implanted region) and the non-masking region (Fe implanted region). 図10に示した炭素系薄膜についての電子照射前および照射後(照射後についてはイオン非注入領域についても測定)におけるラマン分光法による測定結果を示すスペクトルである。It is a spectrum which shows the measurement result by the Raman spectroscopy before the electron irradiation about the carbon-type thin film shown in FIG. Feイオンの注入条件を変化させて測定した、炭素系薄膜についての電子照射前および照射後におけるラマン分光法による測定結果を示すスペクトルである。It is a spectrum which shows the measurement result by the Raman spectroscopy before and after electron irradiation about the carbon-type thin film measured by changing the implantation conditions of Fe ions.

符号の説明Explanation of symbols

10 炭素系薄膜
11 第1領域
12 第2領域
15 炭素系非晶質薄膜
30 基板
31 マスク
32 イオン
33 電子線
51 第1面内方向
52 第2面内方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Carbon type thin film 11 1st area | region 12 2nd area | region 15 Carbon type amorphous thin film 30 Substrate 31 Mask 32 Ion 33 Electron beam 51 First in-plane direction 52 Second in-plane direction

Claims (22)

粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを含む第1領域と、
粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを含まない第2領域と、を有し、
前記第1領域および前記第2領域が表面に露出し、かつ
以下のa)およびb)から選ばれる少なくとも一方の条件が成立する炭素系薄膜。
a)前記第1領域が金属元素を含む。
b)前記第1領域が前記グラファイトクラスターとしてプレート状グラファイト構造およびオニオン状グラファイト構造から選ばれる少なくとも一方を含む。
A first region comprising graphite clusters having a particle size greater than 2 nm;
A second region not containing a graphite cluster having a particle size exceeding 2 nm,
A carbon-based thin film in which the first region and the second region are exposed on the surface, and at least one condition selected from the following a) and b) is satisfied.
a) The first region contains a metal element.
b) The first region includes at least one selected from a plate-like graphite structure and an onion-like graphite structure as the graphite cluster.
前記金属元素が、Fe,Co,Ni,Al,CuおよびAuからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to claim 1, wherein the metal element is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Al, Cu and Au. 前記金属元素が、Fe,CoおよびNiからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項2に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to claim 2, wherein the metal element is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. 前記プレート状グラファイト構造のc軸が薄膜の面内方向に配向している請求項1に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to claim 1, wherein the c-axis of the plate-like graphite structure is oriented in the in-plane direction of the thin film. 前記第1領域が、粒径が5nm以上のグラファイトクラスターを含む請求項1〜4のいずれか1項に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to any one of claims 1 to 4, wherein the first region includes a graphite cluster having a particle size of 5 nm or more. 前記第1領域が、前記表面から10nm以上の深さを有する請求項1〜5のいずれか1項に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to claim 1, wherein the first region has a depth of 10 nm or more from the surface. 前記第1領域および前記第2領域の膜厚方向の厚さが薄膜の厚さと同じである請求項1〜6のいずれか1項に記載の炭素系薄膜。   The carbon-based thin film according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness in the film thickness direction of the first region and the second region is the same as the thickness of the thin film. 以下のc)およびd)から選ばれる少なくとも1つが成立する請求項1〜7のいずれか1項に記載の炭素系薄膜。
c)前記第1領域および前記第2領域から選ばれるいずれか一方の領域が他方の領域に囲まれた柱状領域であり、前記炭素系薄膜の表面における前記柱状領域の面積が200nm2以上である。
d)前記第1領域および前記第2領域が、第1面内方向について、前記第1面内方向と直交する第2面内方向についての平均径の2倍以上の平均径を有し、前記第2面内方向について交互に配置されている。
The carbon-based thin film according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one selected from the following c) and d) is established.
c) One of the regions selected from the first region and the second region is a columnar region surrounded by the other region, and the area of the columnar region on the surface of the carbon-based thin film is 200 nm 2 or more. .
d) The first region and the second region have an average diameter that is at least twice as large as an average diameter in a second in-plane direction perpendicular to the first in-plane direction in the first in-plane direction; They are arranged alternately in the second in-plane direction.
炭素系非晶質薄膜の表面から前記薄膜の一部に金属元素のイオンを注入することにより、前記薄膜に、前記金属元素を含む第1領域と前記金属元素を含まない第2領域とを形成する工程と、
少なくとも前記第1領域にエネルギーを供給することにより、前記第2領域におけるグラファイトクラスターの成長を当該クラスターの粒径が2nm以下となる程度に抑制しながら、前記第1領域に粒径が2nmを超えるグラファイトクラスターを形成する工程と、を含む炭素系薄膜の製造方法。
By implanting metal element ions into a part of the thin film from the surface of the carbon-based amorphous thin film, a first region containing the metal element and a second region not containing the metal element are formed in the thin film. And a process of
By supplying energy to at least the first region, the growth of graphite clusters in the second region is suppressed to such an extent that the particle size of the cluster is 2 nm or less, and the particle size exceeds 2 nm in the first region. Forming a graphite cluster; and a method for producing a carbon-based thin film.
前記金属元素が、Fe,Co,Ni,Al,CuおよびAuからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項9に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 9, wherein the metal element is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Al, Cu, and Au. 前記金属元素が、Fe,CoおよびNiからなる群より選ばれる少なくとも1種である請求項10に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 10, wherein the metal element is at least one selected from the group consisting of Fe, Co, and Ni. 前記薄膜の表面を部分的にマスクした状態で当該表面から前記イオンを注入する請求項9〜11のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 9, wherein the ions are implanted from the surface in a state where the surface of the thin film is partially masked. 前記イオンの注入量が、1×1015/cm2以上である請求項9〜12のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。 Injection amount of the ions, method of producing a carbon-based thin film according to any one of 1 × 10 15 / cm 2 or more at which claims 9 to 12. 前記第1領域および前記第2領域にエネルギーを供給する請求項9〜13のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 9, wherein energy is supplied to the first region and the second region. 前記第1領域に前記グラファイトクラスターとしてプレート状グラファイト構造およびオニオン状グラファイト構造から選ばれる少なくとも一方を形成する請求項9〜14のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to any one of claims 9 to 14, wherein at least one selected from a plate-like graphite structure and an onion-like graphite structure is formed as the graphite cluster in the first region. 前記第1領域に粒径が5nm以上のグラファイトクラスターを形成する請求項9〜15のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to any one of claims 9 to 15, wherein a graphite cluster having a particle size of 5 nm or more is formed in the first region. 電子線を照射することによりエネルギーを供給する請求項9〜16のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The manufacturing method of the carbon-type thin film of any one of Claims 9-16 which supplies energy by irradiating an electron beam. 1×1019/cm2・秒以下の強度で電子線を照射する請求項17に記載の炭素系薄膜の製造方法。 The method for producing a carbon-based thin film according to claim 17, wherein the electron beam is irradiated with an intensity of 1 × 10 19 / cm 2 · sec or less. 前記薄膜を加熱することによりエネルギーを供給する請求項9〜16のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to any one of claims 9 to 16, wherein energy is supplied by heating the thin film. 前記薄膜を600〜1000Kの温度に加熱する請求項19に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 19, wherein the thin film is heated to a temperature of 600 to 1000K. 前記イオンに由来する金属原子が拡散して薄膜の表面近傍に偏って存在するまで前記エネルギーを供給した後、前記表面近傍に存在する金属原子を除去する工程をさらに実施する請求項9〜20のいずれか1項に記載の炭素系薄膜の製造方法。   21. The method according to claim 9, further comprising the step of removing the metal atoms existing in the vicinity of the surface after supplying the energy until the metal atoms derived from the ions are diffused and exist near the surface of the thin film. The manufacturing method of the carbon-type thin film of any one. 前記金属原子を除去する工程が、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより前記薄膜の表層を除去する工程である請求項21に記載の炭素系薄膜の製造方法。   The method for producing a carbon-based thin film according to claim 21, wherein the step of removing the metal atoms is a step of removing a surface layer of the thin film by dry etching or wet etching.
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