JP2011099137A - Method for depositing diamond film - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電子デバイス、ヒートシンク、表面弾性波素子、X線窓、光学材料、およびハードコーティング材等に適したダイヤモンド膜をレーザーアブレーション法により形成する技術に関する。 The present invention relates to a technique for forming a diamond film suitable for an electronic device, a heat sink, a surface acoustic wave element, an X-ray window, an optical material, a hard coating material, and the like by a laser ablation method.
ダイヤモンドは物質中で最高の硬度と熱伝導度を有し、透光性、化学的安定性に優れていることから、さまざまな産業分野への応用が期待されている。また、最近ではワイドバンドギャップを有する新しい半導体材料として認識され始め、電子デバイスとしての応用観点からも注目が集まっている。これらを実用化するにあたり、低コストでダイヤモンド膜を形成することが重要となっている。 Since diamond has the highest hardness and thermal conductivity among materials, and is excellent in translucency and chemical stability, it is expected to be applied to various industrial fields. Recently, it has been recognized as a new semiconductor material having a wide band gap, and has attracted attention from the viewpoint of application as an electronic device. In putting these to practical use, it is important to form a diamond film at a low cost.
ダイヤモンドは高温高圧相であり従来、高圧合成が主であったが、近年μ波プラズマや直流プラズマ、熱フィラメントなどの励起方法により、水素で1%程度に希釈した炭化水素ガス(メタン等)を分解し、1000℃前後の温度に保持された基板にダイヤモンドを蒸着する化学気相蒸着法(CVD)が盛んに研究され、比較的容易にダイヤモンド膜を得ることができるようになってきた。 Diamond is a high-temperature and high-pressure phase, and conventionally high-pressure synthesis has been the main. However, in recent years, hydrocarbon gas (methane, etc.) diluted to about 1% with hydrogen by an excitation method such as μ-wave plasma, DC plasma, or hot filament is used. Chemical vapor deposition (CVD), in which diamond is deposited on a substrate that is decomposed and maintained at a temperature of about 1000 ° C., has been actively studied, and a diamond film can be obtained relatively easily.
一方、物理気相成長(PVD)であるレーザーアブレーション法によってもダイヤモンド膜を形成することができる。レーザーアブレーション法は、ターゲット材料に対しエキシマレーザーまたはYAGレーザーを用いて1010W/cm2程度のパワー密度でパルスレーザーを照射することにより、瞬間的にターゲット材料を飛散させ、基板へ堆積させる方法であり、近年、酸化物や化合物半導体などの様々な材料に適用され、高品質な膜が比較的低温で得られることにより注目を集めている。 On the other hand, a diamond film can also be formed by laser ablation which is physical vapor deposition (PVD). In the laser ablation method, a target material is instantaneously scattered and deposited on a substrate by irradiating the target material with a pulse laser at a power density of about 10 10 W / cm 2 using an excimer laser or a YAG laser. In recent years, it has been attracting attention because it is applied to various materials such as oxides and compound semiconductors, and a high-quality film can be obtained at a relatively low temperature.
レーザーアブレーション法の特徴としては、(1)飛散する粒子のエネルギーが高く、CVD法と比べて低温成長が可能である、(2)準安定相や非平衡相を生成することができる、(3)ターゲットからの組成ズレが少なく、不純物混入も原理的には無いため、高品質な膜形成が可能である、(4)装置構成が簡素である、などが挙げられる。これらの特徴はダイヤモンド膜の作成に好ましく、特にCVD法と比べて低温プロセスとなる点から、低融点材料やプラスチック材料など、CVD法の高温プロセスに適用できない材料にダイヤモンド膜を形成できる可能性を有している。 The characteristics of the laser ablation method are as follows: (1) The energy of scattered particles is high, and low temperature growth is possible as compared with the CVD method. (2) A metastable phase or non-equilibrium phase can be generated. ) Since there is little compositional deviation from the target and no impurities are mixed in principle, high-quality film formation is possible, and (4) the apparatus configuration is simple. These features are preferable for the creation of diamond films, and in particular, because they are low-temperature processes compared to CVD methods, the possibility of forming diamond films on materials that cannot be applied to high-temperature processes such as low-melting-point materials and plastic materials. Have.
レーザーアブレーション法によってダイヤモンド膜を形成する例として、特許文献1には、酸素雰囲気下において所望の粒径のダイヤモンド膜を得る方法が開示されている。それによれば、酸素70mTorrの雰囲気下においてレーザーをグラファイトターゲットに照射し、基板温度を400℃〜650℃とすることで、ダイヤモンド基板上にダイヤモンド膜を得ており、レーザーパルスの繰り返し周波数(0.1〜50Hz)の設定により、ダイヤモンド膜の粒径を調整することが記載されている。
As an example of forming a diamond film by a laser ablation method,
また、特許文献2には、水素雰囲気下において超平坦なダイヤモンド膜を得る方法が開示されている。それによれば、水素4Torrの雰囲気下、基板温度450℃〜650℃の範囲において、ダイヤモンド基板上に平均粗さ2.2nmの微結晶ダイヤモンド薄膜を形成している。
レーザーアブレーション法によるダイヤモンド膜の形成おいて、酸素または水素雰囲気は膜質を決定するうえで重要な役割を担っている。炭素の熱力学的安定相はグラファイトであるため、通常はレーザーアブレーション法によって堆積する膜質もグラファイト成分(sp2結合成分)が主となる。しかし、酸素または水素雰囲気とすることで、アブレーションした炭素粒子とガス分子との衝突により酸素または水素が活性化され、基板に堆積した膜と反応する。ダイヤモンド成分に比べてグラファイト成分は反応しやすいため、選択的なエッチングが生じ、結果としてダイヤモンド成分が基板上に堆積することになる。 In forming a diamond film by laser ablation, an oxygen or hydrogen atmosphere plays an important role in determining the film quality. Since the thermodynamic stable phase of carbon is graphite, the film quality usually deposited by the laser ablation method is mainly composed of a graphite component (sp2 binding component). However, in an oxygen or hydrogen atmosphere, oxygen or hydrogen is activated by collision between the ablated carbon particles and gas molecules, and reacts with the film deposited on the substrate. Since the graphite component is more reactive than the diamond component, selective etching occurs, resulting in the diamond component being deposited on the substrate.
ところが、上記のようなガス雰囲気下では、アブレーションした炭素粒子とガス分子との衝突によって、レーザーアブレーション法の特徴の一つである高エネルギー性が損なわれるという新たな問題が生じた。基板に到達する炭素粒子のエネルギーが低下すると、成長初期におけるダイヤモンド核生成確率が低下する。そのため、ダイヤモンド基板に対しての成膜は可能であっても、異種基板を用いた場合にはダイヤモンドの核発生が起こり難くなり、ダイヤモンド膜が形成されないか、形成されたとしても初期の核密度が低く、連続膜となり難い問題がある。 However, under the gas atmosphere as described above, a new problem has arisen in that the high energy property, which is one of the features of the laser ablation method, is impaired by the collision between the ablated carbon particles and the gas molecules. When the energy of the carbon particles reaching the substrate is lowered, the probability of diamond nucleation at the initial growth stage is lowered. Therefore, even if film formation on a diamond substrate is possible, when different types of substrates are used, diamond nucleation is less likely to occur, and even if a diamond film is not formed, the initial nucleus density is not formed. However, there is a problem that it is difficult to form a continuous film.
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素または水素雰囲気中でのレーザーアブレーションによりグラファイト成分を排除しながらも金属などの異種基板に対して良好なダイヤモンド膜を形成できる方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is good for different types of substrates such as metals while eliminating the graphite component by laser ablation in an oxygen or hydrogen atmosphere. The object is to provide a method capable of forming a diamond film.
上記目的を達成するために、本発明は、酸素または水素雰囲気中で、グラファイト、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン、またはダイヤモンドからなる炭素ターゲットに、50ns以下のパルス幅でレーザー光を照射し、レーザーアブレーションによって前記ターゲットから炭素粒子を飛散させて基板上に堆積させ、パルス毎に堆積粒子の過飽和状態を形成して前記基板上にダイヤモンド膜を形成する方法において、前記基板に負バイアスを印加した状態で前記レーザー光を照射することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention irradiates a laser target with a pulse width of 50 ns or less to a carbon target made of graphite, amorphous carbon, glassy carbon, or diamond in an oxygen or hydrogen atmosphere, and performs laser ablation. In the method in which carbon particles are scattered from the target and deposited on a substrate, and a supersaturated state of the deposited particles is formed for each pulse to form a diamond film on the substrate, the negative bias is applied to the substrate. It is characterized by irradiating with laser light.
レーザーアブレーションによって炭素ターゲットから飛散する粒子の大半は、正に帯電したイオンであるので、基板に負バイアスを印加することにより、炭素イオンが基板に衝突する際に加速される。これにより、酸素あるいは水素雰囲気下でのガス分子との衝突によって失われたエネルギーが補填され、sp2成分の生成を抑制しつつも、炭素粒子を高エネルギーで基板に到達させることが可能となる。 Since most of the particles scattered from the carbon target by laser ablation are positively charged ions, application of a negative bias to the substrate accelerates the carbon ions when they collide with the substrate. As a result, energy lost by collision with gas molecules in an oxygen or hydrogen atmosphere is compensated, and carbon particles can reach the substrate with high energy while suppressing generation of sp2 components.
レーザー光を50ns以下のパルス幅でターゲットに入射することにより、瞬間的にターゲット材がアブレーションされ、基板上に到達するが、このとき、堆積する粒子は過飽和な状態となる。また、上記の基板バイアスにより、高エネルギー粒子が基板に到達するため、基板上のカーボン粒子は擬似的に高温高圧状態となる。よって、通常では熱力学的に非安定相であったダイヤモンドの核形成が促進されることになる。 When the laser beam is incident on the target with a pulse width of 50 ns or less, the target material is instantaneously ablated and reaches the substrate. At this time, the deposited particles are supersaturated. In addition, since the high energy particles reach the substrate due to the substrate bias, the carbon particles on the substrate are in a pseudo high temperature and high pressure state. Therefore, nucleation of diamond, which is usually a thermodynamically unstable phase, is promoted.
本発明に係るダイヤモンド膜の形成方法は、上述の通り、基板に負バイアスを印加した状態で炭素材料からなるターゲットにレーザー光を照射することにより、異種基板上でダイヤモンド核を有効に発生させることができ、様々な材料上に高品質なダイヤモンド膜を形成することが可能となる。また、擬似的に高温高圧状態を形成するのみであるため、従来、高温プロセスであるCVD法が適用できなかった材料に対してもダイヤモンド膜を形成することができ、ダイヤモンド応用に多大な貢献をなすことができる。 The diamond film forming method according to the present invention, as described above, effectively generates diamond nuclei on a different substrate by irradiating a target made of a carbon material with a negative bias applied to the substrate. It is possible to form a high-quality diamond film on various materials. In addition, because it only forms a high temperature and high pressure state in a pseudo manner, a diamond film can be formed even on materials that could not be applied with the conventional CVD method, which is a high temperature process, making a great contribution to diamond applications. Can be made.
また、本発明において、前記基板に金属製基板を用いるか、または、前記基板に導電性被覆を施した絶縁性基板または非金属の導電性基板を用いることが好適であり、これらの基板に対しても負バイアスを印加することができ、良好なダイヤモンド膜を形成することができる。 In the present invention, it is preferable to use a metal substrate for the substrate, or to use an insulating substrate or a nonmetallic conductive substrate with a conductive coating on the substrate. However, a negative bias can be applied and a good diamond film can be formed.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1において、成膜装置を構成する真空チャンバー1は、ゲートバルブ2を介して真空ポンプに接続され、内部の排気を行うことができる。真空チャンバー1には、開閉弁3を備えたガス導入パイプ4が接続されており、開閉弁3を開くことでガス導入パイプ4を通じて成膜時の雰囲気ガスを真空チャンバー1内に供給できるように構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In FIG. 1, a
真空チャンバー1内の一側には、ターゲット50を保持するためのターゲットホルダ5が配設されている。ダイヤモンド膜を形成するためのターゲット50としては、グラファイト、アモルファスカーボン、グラッシーカーボン、ダイヤモンドなどの炭素材料を用いることができる。
A
真空チャンバー1の他側には、ターゲット50に対してレーザー光60を照射するためのレーザー光学系6が付設されている。レーザー光学系6は、レーザー光源61から発生させたレーザー光60をミラー62、集光レンズ63、レーザー導入窓64を介して真空チャンバー1内に導入し、ターゲット50に対して斜め(図示例では45度)に入射させかつターゲット50上で集光させることにより、ターゲット50に対してレーザーアブレーションを実施するものである。レーザー光源61としては、例えば、ArFエキシマレーザー、KrFエキシマレーザー、YAGレーザーなどを用いることができる。
A laser
真空チャンバー1内のターゲット50(ターゲットホルダ5)と対向する位置には、ダイヤモンド膜を形成する基板70を保持するための基板ホルダ7が配設されている。基板ホルダ7の内部には、該基板ホルダ7と電気的に絶縁された図示しないヒーターが設置されており、該ヒーターにより基板70を所定温度に加熱することができる。基板ホルダ7は、その軸部71において絶縁材72を介して真空チャンバー1に支持されており、真空チャンバー1に対して電気的に絶縁されている。さらに、基板ホルダ7の軸部71は、真空チャンバー1の外部において可変電圧源73と接続され、基板ホルダ7に所望の負バイアスを印加できるように構成されている。
A
次に、上記成膜装置を用いて本発明に係るダイヤモンド膜の形成方法を実施した実施例について説明する。 Next, the Example which implemented the formation method of the diamond film based on this invention using the said film-forming apparatus is described.
(実施例1)
レーザー光源(61)としてKrFレーザーを用い、グラファイトからなるターゲット(50)の表面に約2mm2で集光するように、パルス幅20nsのレーザーを繰り返し周波数5Hzで入射し、レーザーエネルギーの大きさは200mJとした。
Example 1
Using a KrF laser as the laser light source (61), a laser with a pulse width of 20 ns is repeatedly incident on the surface of the target (50) made of graphite at a frequency of about 2 mm 2 at a frequency of 5 Hz. 200 mJ.
基板(70)としてNb:STO基板を用い、ターゲット(50)から50mmの距離に設置し、基板バイアスとして、可変電圧源73を用いて基板ホルダ7に150Vの負電圧を印加した。Nb:STO基板は、基板ホルダ7と電気的に接続されているため、Nb:STO基板にも同様に負バイアスが印加される。基板(70)の温度は、基板ホルダ7内のヒーターを用いて600℃に制御した。
A Nb: STO substrate was used as the substrate (70), placed at a distance of 50 mm from the target (50), and a negative voltage of 150 V was applied to the
真空ポンプ(ターボ分子ポンプ)を用いて真空チャンバー1の内部を10−7Torr以下まで排気した後、酸素を雰囲気ガスとして20mTorr導入した状態で、上述した条件によりレーザーを照射して成膜を行った。図2は、得られた多結晶ダイヤモンド膜について励起波長514nmで測定したラマンスペクトルを示している。sp2成分を示すDピーク(1300cm−1付近)やGピーク(1600cm−1付近)は観測されず、ダイヤモンドを示す1332cm−1にシャープなピークが観測された。
After evacuating the inside of the
(実施例2)
次に、雰囲気ガスを水素1Torrとし、その他の条件は実施例1と同じにして成膜を行った。得られた多結晶ダイヤモンド膜について実施例1と同条件でラマンスペクトルを測定したところ、実施例1と同様、1332cm−1にシャープなダイヤモンドピークのみが得られた。
(Example 2)
Next, the film was formed under the same conditions as in Example 1 except that the atmosphere gas was 1 Torr of hydrogen. When the Raman spectrum of the obtained polycrystalline diamond film was measured under the same conditions as in Example 1, only a sharp diamond peak at 1332 cm −1 was obtained as in Example 1.
(比較例1)
また、比較例1として、実施例の条件において、基板バイアスを印加しない状態で成膜を行ったところ、膜は得られなかった。これは、基板に入射するカーボン粒子がエネルギーを失っているためダイヤモンドの核発生が起こり難く、代わりに生成されるsp2成分は、酸素雰囲気下でエッチングされたことによる。
(Comparative Example 1)
Further, as Comparative Example 1, when a film was formed without applying a substrate bias under the conditions of the example, no film was obtained. This is because the carbon particles incident on the substrate have lost energy, so that diamond nucleation hardly occurs, and the sp2 component generated instead is etched in an oxygen atmosphere.
(比較例2)
さらに、比較例2として、実施例2の条件において、基板バイアスを印加しない状態で成膜を行ったところ、比較例1と同様に膜が得られなかった。この場合にも、比較例1と同様にsp2成分が水素雰囲気下でエッチングされたものと思われる。
(Comparative Example 2)
Furthermore, as Comparative Example 2, film formation was performed under the conditions of Example 2 without applying a substrate bias. As in Comparative Example 1, no film was obtained. Also in this case, it seems that the sp2 component was etched in a hydrogen atmosphere as in Comparative Example 1.
なお、上記実施例では、レーザー光のパルス幅を20nsとしたが、他の条件次第では堆積粒子が過飽和状態となるために50ns程度のパルス幅まで設定できる。しかし、パルス幅を50nsより大きくしても、ダイヤモンド膜の形成に寄与しないばかりか、ターゲットの消耗やエネルギー消費量が多くなる。 In the above embodiment, the pulse width of the laser beam is set to 20 ns. However, depending on other conditions, the deposited particles are in a supersaturated state, so that the pulse width can be set to about 50 ns. However, even if the pulse width is larger than 50 ns, not only does it contribute to the formation of the diamond film, but also the consumption of the target and the energy consumption increase.
以上、本発明の実施形態につき述べたが、本発明方法は上記実施形態に限定されるものではなく、上記以外にも本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention method is not limited to the said embodiment, In addition to the above, various deformation | transformation and a change are further possible based on the technical idea of this invention. .
1 真空チャンバー
2 ゲートバルブ
3 開閉弁
4 ガス導入パイプ
5 ターゲットホルダ
50 ターゲット
6 レーザー光学系
60 レーザー光
61 レーザー光源
62 ミラー
63 集光レンズ
64 レーザー導入窓
7 基板ホルダ
70 基板
71 軸部
72 絶縁材
73 可変電圧源
DESCRIPTION OF
Claims (3)
2. The method for forming a diamond film according to claim 1, wherein an insulating substrate or a nonmetallic conductive substrate obtained by applying a conductive coating to the substrate is used.
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