JP2016098129A - ダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、短時間で、平坦・平滑化、凹部・穴部形成できるダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置を提供することを課題とする。【解決手段】ダイヤモンド結晶基板の被加工面に、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる加工用基板の接触面を接触させて配置する工程と、前記減圧容器内を水素ガス雰囲気とする工程と、ダイヤモンド結晶基板の露出部分を水素終端面とする工程と、前記プラズマで前記加工用基板を加熱して、被加工面を掘り進める工程と、を有するダイヤモンド結晶基板加工方法を用いることにより、前記課題を解決できる。【選択図】図34
Description
本発明は、ダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置に関する。
ダイヤモンド結晶は高い熱伝道率、高い絶縁破壊電界強度、高い周波特性などの優れた物理特性を有し、耐久性が高い高機能性材料なので、宇宙などの苛酷環境でも使用可能な半導体材料として注目されている。
通常、ダイヤモンド半導体素子は、まず、ダイヤモンド結晶を所望の形状に切断・研削し、次に、ダイヤモンド結晶表面を研磨して、平坦性面を作製してから、電極等を形成して、作製する。
通常、ダイヤモンド半導体素子は、まず、ダイヤモンド結晶を所望の形状に切断・研削し、次に、ダイヤモンド結晶表面を研磨して、平坦性面を作製してから、電極等を形成して、作製する。
特許文献1は、ダイヤモンド半導体素子およびその製造方法に関するものであり、単結晶ダイヤモンド薄膜の表面の面方位を前記単結晶ダイヤモンド薄膜の結晶軸の[001]方向に対して傾斜させるように前記単結晶ダイヤモンド薄膜の表面を研磨加工することが記載されている。
特許文献2は、ダイヤモンド薄膜、ダイヤモンド薄膜の改質方法、ダイヤモンド薄膜の改質及び薄膜形成方法、並びにダイヤモンド薄膜の加工方法に関するものであり、レーザービーム切断等によるデバイス化の工程で発生した歪み又は損傷をマイクロ波照射によって除去又は減少させることが記載されている。
特許文献3は、ダイヤモンドの微細加工方法に関するものであり、ECRプラズマエッチング方式により前記ダイヤモンドをエッチングすることが記載されている。
特許文献4は、ダイヤモンド単結晶基板の製造方法およびダイヤモンド単結晶基板に関するものであり、機械的研磨によって種基板表面に生じた加工変質層を除去してから単結晶を成長させてダイヤモンド単結晶基板を製造することが記載されている。
特許文献6は、単結晶ダイヤモンドの表面損傷の除去方法に関するものであり、単結晶ダイヤモンド中にイオン注入によって非ダイヤモンド層を形成した後、高温アニーリング等の方法で非ダイヤモンド層をグラファイト化させ、これを表面層とともにエッチングにより取り除くことによって、単結晶ダイヤモンドの表面粗さを増加させることなく、研磨や切削等によって生じた表面部分の損傷を取り除くことが可能になることが記載されている。
このように、ダイヤモンド結晶の加工方法には表面研磨法、レーザ加工法、プラズマエッチング法等があるが、これらの表面研磨、レーザ加工、プラズマエッチング等のダイヤモンド結晶加工方法は、プロセス時間、プロセス後の表面平坦性、加工形態の自由度等の点で優劣があるので、一般には、複数の方法が組み合わされて、ダイヤモンド結晶加工が行われている。
近年、大面積デバイスや、量産化を考慮して、ダイヤモンド結晶の表面を大面積で平滑化がすることが求められている。しかし、加工時間が大幅にかかるという問題や、加工むらが生じる等の問題が発生している。
例えば、表面積が10mm角以上のダイヤモンド基板に対して、表面粗さが100μm〜1mmの粗加工を実施した場合、加工時間は100時間以上となった。表面積を大きくすればするほど、加工時間は長くなる。
そのため、加工時間を短縮化できる加工方法の開発が強く望まれている。
そのため、加工時間を短縮化できる加工方法の開発が強く望まれている。
特許文献5は、炭化珪素半導体装置の製造方法に関するものであり、「表面にグラファイト層が生じている炭化珪素基板の表面を、カーバイドを形成することが可能な金属層で覆う。次に、炭化珪素基板をアニールし、カーバイドを形成することが可能な金属層中の金属と炭化珪素基板中のシリコンとを反応させ、カーバイドを形成することが可能な金属層と炭化珪素基板との間のグラファイト層を金属カーバイド層へと変化させることにより、グラファイト層を除去する。これにより、カーバイドを形成することが可能な金属層と炭化珪素基板との密着性が向上し、カーバイドを形成することが可能な金属層の剥離を抑制することができる。また、グラファイト層を除去することによりグラファイトの析出が抑制され、カーバイドを形成することが可能な金属層の表面に形成される配線用金属膜の剥離を抑制することができる。」ことが記載されている。
John,P(2002)."The oxidation of (100) textured diamond".Diamond and Related Materials 11(3-6):861.doi:10.1016/S0925−9635(01)00673−2.
T.Ando,J.Chem.Soc,Faraday Trans.89,3635(1993)
本発明は、短時間で、平坦・平滑化、凹部・穴部形成できるダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置を提供することを課題とする。特に、1μm以下に平坦・平滑化でき、所望の形状・大きさで凹部・穴部を形成でき、従来のスカイフ研磨法では、荷重が200kg/cm程度であるのに対し、研磨時の加重が10gf/cm2以下と小さく、毎時1μm以上の速度でこれらの加工ができるダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置を提供することを課題とする。
本発明者は、上記事情を鑑みて、試行錯誤することにより、(1)ダイヤモンド結晶の被加工面に、カーバイド(carbide:炭化物)を形成可能な高融点金属からなる加工用基板を接触させて配置してから、これを加熱することにより、加工用基板に接する領域で、ダイヤモンド結晶の炭素を高融点金属と反応させて、金属カーバイドを形成できること、(2)カーバイドを形成することにより、ダイヤモンド表面は炭素枯渇となり、多量の欠陥が導入され、ダイヤモンド構造が保たれず、結果として黒鉛化されること、(3)1000℃以上に昇温することにより、ダイヤモンドの炭素をカーバイド化し、同時に黒鉛化できること、(4)プラズマにより、黒鉛をエッチング除去でき、ダイヤモンド結晶を研削・掘り込み・平坦化・平滑化できること、(5)プラズマを高密度にしたり、水素ガス雰囲気に酸素ガスを添加することにより、エッチング速度を毎時10μm以上に増加させることができること、(6)水素ガス雰囲気とすることにより、加工用基板に非接触の領域を水素終端保護でき、エッチングを抑制できることを見出して、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。
本発明は、以下の構成を有する。
(1) 減圧容器内に、ダイヤモンド結晶基板の被加工面に、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる加工用基板の接触面を接触させて配置する工程と、前記減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、前記減圧容器内を水素ガス雰囲気とする工程と、前記減圧容器内でプラズマを発生させて、ダイヤモンド結晶基板の露出部分を水素終端面とする工程と、前記プラズマで前記水素終端面の状態を維持しながら、前記プラズマで前記加工用基板を加熱して、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中のダイヤモンド結合炭素をプラズマで除去して、被加工面を深さ方向に掘り進める工程と、を有することを特徴とするダイヤモンド結晶基板加工方法。
(2) 前記接触面が、表面粗さが1μm以下であることを特徴とする(1)に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(3) 前記高融点金属がモリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)の群から選択されるいずれか一の金属であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(4) 前記加工用基板を、「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」以上に加熱することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(3) 前記高融点金属がモリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)の群から選択されるいずれか一の金属であることを特徴とする(1)又は(2)に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(4) 前記加工用基板を、「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」以上に加熱することを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(5) 前記水素ガス雰囲気に、酸素ガス又はフッ素を混入させることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(6) 前記被加工面が、平滑面に加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(7) 前記被加工面が、凹部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を凹部へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(8) 前記被加工面が、穴部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を穴部へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(6) 前記被加工面が、平滑面に加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(7) 前記被加工面が、凹部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を凹部へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(8) 前記被加工面が、穴部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を穴部へ加工することを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
(9) ダイヤモンド結晶基板を直接又は間接に一面上に配置する基板ホルダと、前記基板ホルダに配置したダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する加工用基板と、を有し、前記加工用基板がIVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなることを特徴とするダイヤモンド結晶基板配置治具。
(10) 前記加工用基板をダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する際、ダイヤモンド結晶基板の被加工面の深さ方向に前記加工用基板を押し付ける力が加えられることを特徴とする(9)に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(11) 前記加工用基板が、表面粗さが1μm以下である面を有することを特徴とする(9)又は(10)に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(10) 前記加工用基板をダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する際、ダイヤモンド結晶基板の被加工面の深さ方向に前記加工用基板を押し付ける力が加えられることを特徴とする(9)に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(11) 前記加工用基板が、表面粗さが1μm以下である面を有することを特徴とする(9)又は(10)に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(12) 前記加工用基板が、突出部を有していることを特徴とする(9)〜(11)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(13) 前記基板ホルダの4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダと、前記基板ホルダ上に配置するダイヤモンド結晶基板上に配置する加工用基板と、前記加工用基板と前記固体ホルダの間に配置され、前記加工用基板の4隅を押し付ける4つのバネと、を有し、前記固定ホルダに穴部が設けられていることを特徴とする(9)〜(12)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(13) 前記基板ホルダの4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダと、前記基板ホルダ上に配置するダイヤモンド結晶基板上に配置する加工用基板と、前記加工用基板と前記固体ホルダの間に配置され、前記加工用基板の4隅を押し付ける4つのバネと、を有し、前記固定ホルダに穴部が設けられていることを特徴とする(9)〜(12)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
(14) ガス導入/排気管とマイクロ波導入部を有する減圧容器と、前記減圧容器内に配置する、(9)〜(13)のいずれかに記載のダイヤモンド結晶基板配置治具を有することを特徴とするダイヤモンド結晶基板加工装置。
本発明のダイヤモンド結晶基板加工方法は、減圧容器内に、ダイヤモンド結晶基板の被加工面に、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる加工用基板の接触面を接触させて配置する工程と、前記減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、前記減圧容器内を水素ガス雰囲気とする工程と、前記減圧容器内でプラズマを発生させて、ダイヤモンド結晶基板の露出部分を水素終端面とする工程と、前記プラズマで前記水素終端面の状態を維持しながら、前記プラズマで前記加工用基板を加熱して、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中のダイヤモンド結合炭素をプラズマで除去して、被加工面を深さ方向に掘り進める工程と、を有する構成なので、加熱により、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中の炭素を金属カーバイドに変換してから、これをプラズマで除去でき、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。特に、1μm以下に平坦・平滑化でき、所望の形状・大きさで凹部・穴部を形成でき、毎時1μm以上の速度でこれらの加工ができる。つまり、この方法によれば、ダイヤモンド結晶基板の表面粗さ1μm以下の平坦化・平滑化加工を毎時1μm以上のエッチング速度ででき、従来の方法に比べて、加工時間を1桁以上短縮できる。この方法は、原理的にエッチング速度がダイヤモンド表面積に影響されない。
本発明のダイヤモンド結晶基板配置治具は、ダイヤモンド結晶基板を直接又は間接に一面上に配置する基板ホルダと、前記基板ホルダに配置したダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する加工用基板と、を有し、前記加工用基板がIVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる構成なので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明のダイヤモンド結晶基板加工装置は、ガス導入/排気管とマイクロ波導入部を有する減圧容器と、前記減圧容器内に配置する、先に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具を有する構成なので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
(本発明の第1の実施形態)
(ダイヤモンド結晶基板加工装置)
まず、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置の一例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置の一例を示す断面模式図である。
図1に示すように、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置11は、ガス導入管23/ガス排気管22とマイクロ波導入部24を有する減圧容器21と、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具81と、を有して概略構成されている。ダイヤモンド結晶基板配置治具81は、前記減圧容器内に配置されている。
(ダイヤモンド結晶基板加工装置)
まず、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置の一例について説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置の一例を示す断面模式図である。
図1に示すように、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置11は、ガス導入管23/ガス排気管22とマイクロ波導入部24を有する減圧容器21と、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具81と、を有して概略構成されている。ダイヤモンド結晶基板配置治具81は、前記減圧容器内に配置されている。
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
次に、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例について説明する。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具81は、基板ホルダ30と、加工用基板61と、を有して概略構成されている。
基板ホルダ30の一面には、ダイヤモンド結晶基板51が配置されている。
ダイヤモンド基板51は、非平坦面である被加工面51aをマイクロ波導入部24方向に向けて配置されている。被加工面51aは微細な凹凸を有する凹凸面であり、平坦加工を要する面である。
加工用基板61は、ダイヤモンド結晶51上に配置されている。具体的には、加工用基板61は、その接触面61aを被加工面51aに接触させて、ダイヤモンド基板51の非平坦面である被加工面51a上に配置されている。矢印に示す方向に働く重力により、接触面61aは被加工面51aに押し付けられ、被加工面51aの凸部先端に常に接面されている。
次に、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例について説明する。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具81は、基板ホルダ30と、加工用基板61と、を有して概略構成されている。
基板ホルダ30の一面には、ダイヤモンド結晶基板51が配置されている。
ダイヤモンド基板51は、非平坦面である被加工面51aをマイクロ波導入部24方向に向けて配置されている。被加工面51aは微細な凹凸を有する凹凸面であり、平坦加工を要する面である。
加工用基板61は、ダイヤモンド結晶51上に配置されている。具体的には、加工用基板61は、その接触面61aを被加工面51aに接触させて、ダイヤモンド基板51の非平坦面である被加工面51a上に配置されている。矢印に示す方向に働く重力により、接触面61aは被加工面51aに押し付けられ、被加工面51aの凸部先端に常に接面されている。
加工用基板61は、CAS表記で、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる。これにより、後述する加工工程で、これに接するダイヤモンド結晶基板の炭素をカーバイドとしてから、黒鉛化してエッチング除去できる。なお、エッチングとは、化学反応により、対象物質表面を削り取ることをいう。
前記高融点金属としては、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)の群から選択されるいずれか一の金属を挙げることができる。これらは、炭素と反応してカーバイドを形成可能な高融点金属である。
モリブデンカーバイド(MoC)、炭化タングステン(タングステンカーバイド:WC:超硬合金)、ニオブカーバイド、バナジウムカーバイド、タンタルカーバイド、チタンカーバイド、ジルコニウムカーバイド、ハフニウムカーバイド等が形成される。
モリブデンカーバイド(MoC)、炭化タングステン(タングステンカーバイド:WC:超硬合金)、ニオブカーバイド、バナジウムカーバイド、タンタルカーバイド、チタンカーバイド、ジルコニウムカーバイド、ハフニウムカーバイド等が形成される。
加工用基板61の接触面61aは、表面粗さが1μm以下であることが好ましい。これにより、ダイヤモンド結晶51の非平坦面である被加工面51aを、表面粗さが1μm以下の平滑面に加工できる。なお、表面粗さとは、粗さ曲線を曲線の平均値(中心線)で折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さで割った値である。表面粗さが0.1μm以下であることがより好ましい。これにより、ダイヤモンド結晶51の非平坦面である被加工面51aを、表面粗さが0.1μm以下の平滑面に加工できる。
加工用基板61は、突出部を有していてもよい。これにより、突出部で規定される形状の凹部や穴部を形成することもできる。
(ダイヤモンド結晶基板加工方法)
(平滑化加工1)
まず、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。
まず、平滑化加工について説明する。
平滑化加工を要するダイヤモンド結晶基板は、例えば、一面が非平坦面であり、平滑面に加工を要する被加工面を要する。
以下のようにして、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工する。
(平滑化加工1)
まず、本発明の第1の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。
まず、平滑化加工について説明する。
平滑化加工を要するダイヤモンド結晶基板は、例えば、一面が非平坦面であり、平滑面に加工を要する被加工面を要する。
以下のようにして、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工する。
図2〜11は、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、ダイヤモンド結晶基板及び加工用基板配置工程S1と、水素ガス雰囲気化工程S2と、水素終端面化工程S3と、エッチング工程S4と、を有する。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、ダイヤモンド結晶基板及び加工用基板配置工程S1と、水素ガス雰囲気化工程S2と、水素終端面化工程S3と、エッチング工程S4と、を有する。
(ダイヤモンド結晶基板及び加工用基板配置工程S1)
まず、図2に示すように、減圧容器内に基板ホルダ30を配置する。
次に、図3に示すように、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板51を配置する。ダイヤモンド結晶基板51は、その被加工面51aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図4に示すように、ダイヤモンド結晶51の被加工面51aに加工用基板61の接触面61aを接触させて配置する。
まず、図2に示すように、減圧容器内に基板ホルダ30を配置する。
次に、図3に示すように、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板51を配置する。ダイヤモンド結晶基板51は、その被加工面51aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図4に示すように、ダイヤモンド結晶51の被加工面51aに加工用基板61の接触面61aを接触させて配置する。
(水素ガス雰囲気化工程S2)
次に、図5に示すように、減圧容器21内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器21内を水素ガス雰囲気とする。
次に、図5に示すように、減圧容器21内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器21内を水素ガス雰囲気とする。
(水素終端面化工程S3)
次に、図6に示すように、減圧容器21内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50とする。
次に、図6に示すように、減圧容器21内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50とする。
(エッチング工程S4)
次に、図7に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板61を加熱する。
次に、図7に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板61を加熱する。
加工用基板の加熱温度は、「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」以上とすることを要する。これにより、加工用基板61に接触したダイヤモンド結晶基板51の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、黒鉛はプラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面を深さ方向に掘り進める。
加熱温度を「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」としたのは、まず、ダイヤモンドのバルク酸化温度は、700℃であること(非特許文献1)、及び、表面酸化反応は、750K(500℃)から始まること(非特許文献2)から、ダイヤモンド表面でのカーバイド化も、表面反応(本発明)とバルク反応(一般的に言われている、カーバイド化温度)には、200℃の差があり、かつ、表面反応温度の方が低いと類推したためである。
図8〜10は、それぞれ、より掘り進んだ時点の工程図である。
図11は、最終工程図である。
最終的な被加工面の表面粗さは、接触面の表面粗さとされる。
被加工面が所定の平滑面とされたダイヤモンド結晶基板52が形成される。
図11は、最終工程図である。
最終的な被加工面の表面粗さは、接触面の表面粗さとされる。
被加工面が所定の平滑面とされたダイヤモンド結晶基板52が形成される。
なお、加工領域は原子状水素が分布するプラズマサイズで限定される。プラズマサイズは、装置形状とプラズマを生成するマイクロ波出力のどちらかで限定される。プラズマ出力1000Wの場合、直径30mm(706mm2)までを加工する事が可能である。60kWプラズマ装置が市販されており、この装置の最大プラズマサイズが直径152mmなので、少なくともこの面積までは対応可能である。装置改造により、更に加工領域の増加が可能である。
加工時間は、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面51aの加工前の高低差に依存する。本実施例から、毎時1μm以上で加工できる。
上記に示したように、雰囲気ガスは水素ガスのみでもよいが、前記水素ガス雰囲気に酸素ガス又はフッ素含有ガスを混入させることがより好ましい。これにより、加工速度を向上させることができる。
(本発明の第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。平滑化加工の別の一例である。
次に、本発明の第2の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。平滑化加工の別の一例である。
(ダイヤモンド結晶基板加工方法)
(平滑化加工2)
図12〜14は、本発明の第2の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、ダイヤモンド結晶基板及び加工用基板配置工程S1での配置が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
(平滑化加工2)
図12〜14は、本発明の第2の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、ダイヤモンド結晶基板及び加工用基板配置工程S1での配置が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
具体的には、まず、減圧容器内に基板ホルダ30を配置する。
次に、基板ホルダ30上に加工用基板61を配置する。
次に、図12に示すように、加工用基板61上にダイヤモンド結晶51を、加工用基板61の接触面61aにダイヤモンド結晶51の被加工面51aを接触させて配置する。ダイヤモンド結晶基板51の被加工面51aの反対側の面が上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
重力により、接触面61aは矢印に示す方向に被加工面51aに押し付けられ、被加工面51aの凸部先端に常に接面されている。
次に、基板ホルダ30上に加工用基板61を配置する。
次に、図12に示すように、加工用基板61上にダイヤモンド結晶51を、加工用基板61の接触面61aにダイヤモンド結晶51の被加工面51aを接触させて配置する。ダイヤモンド結晶基板51の被加工面51aの反対側の面が上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
重力により、接触面61aは矢印に示す方向に被加工面51aに押し付けられ、被加工面51aの凸部先端に常に接面されている。
(水素ガス雰囲気化工程S2)
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
(水素終端面化工程S3)
次に、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50とする。
次に、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50とする。
(エッチング工程S4)
次に、図13に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で、直接的に、あるいはダイヤモンド結晶基板を介して間接的に加工用基板61を加熱する。
これにより、加工用基板61に接触したダイヤモンド結晶基板51の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図14は、最終工程図である。
最終的な被加工面の表面粗さは、接触面の表面粗さとされる。
被加工面が所定の平滑面とされたダイヤモンド結晶基板52が形成される。
次に、図13に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で、直接的に、あるいはダイヤモンド結晶基板を介して間接的に加工用基板61を加熱する。
これにより、加工用基板61に接触したダイヤモンド結晶基板51の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図14は、最終工程図である。
最終的な被加工面の表面粗さは、接触面の表面粗さとされる。
被加工面が所定の平滑面とされたダイヤモンド結晶基板52が形成される。
(本発明の第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。凹部加工の一例である。
次に、本発明の第3の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。凹部加工の一例である。
(ダイヤモンド結晶基板加工方法)
(凹部加工)
図15〜22は、本発明の第3の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、加工用基板62の平面視径が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
なお、凹部加工を要するダイヤモンド結晶基板として、例えば、平坦面に凹部加工を要する被加工面を要するダイヤモンド結晶基板52を用いて説明したが、これに限られるものではない。
以下のようにして、被加工面の一部を深さ方向に掘り進めて、被加工面に凹部を加工形成する。
(凹部加工)
図15〜22は、本発明の第3の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、加工用基板62の平面視径が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
なお、凹部加工を要するダイヤモンド結晶基板として、例えば、平坦面に凹部加工を要する被加工面を要するダイヤモンド結晶基板52を用いて説明したが、これに限られるものではない。
以下のようにして、被加工面の一部を深さ方向に掘り進めて、被加工面に凹部を加工形成する。
具体的には、まず、減圧容器21内に基板ホルダ30を配置する。
次に、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板52を配置する。ダイヤモンド結晶基板52は、その被加工面52aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図15に示すように、ダイヤモンド結晶52の被加工面52aに加工用基板62の接触面62aを接触させて配置する。加工用基板62の平面視径は、被加工面52aを全部覆う大きさではなく、一部のみを覆う大きさとされている。
加工用基板62と基板ホルダ30とから、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具82が構成される。
次に、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板52を配置する。ダイヤモンド結晶基板52は、その被加工面52aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図15に示すように、ダイヤモンド結晶52の被加工面52aに加工用基板62の接触面62aを接触させて配置する。加工用基板62の平面視径は、被加工面52aを全部覆う大きさではなく、一部のみを覆う大きさとされている。
加工用基板62と基板ホルダ30とから、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具82が構成される。
(水素ガス雰囲気化工程S2)
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
(水素終端面化工程S3)
次に、図16に示すように、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50とする。
次に、図16に示すように、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50とする。
(エッチング工程S4)
次に、図17に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板62加熱する。
これにより、加工用基板62に接触したダイヤモンド結晶基板52の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板52の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図18〜22は、それぞれ、より掘り進んだ時点の工程図である。
図22は、最終工程図である。
被加工面に凹部53cが加工されたダイヤモンド結晶基板53が形成される。
次に、図17に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板51の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板62加熱する。
これにより、加工用基板62に接触したダイヤモンド結晶基板52の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板52の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図18〜22は、それぞれ、より掘り進んだ時点の工程図である。
図22は、最終工程図である。
被加工面に凹部53cが加工されたダイヤモンド結晶基板53が形成される。
(本発明の第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。穴部加工の一例である。
次に、本発明の第4の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。穴部加工の一例である。
(ダイヤモンド結晶基板加工方法)
(穴部加工)
図23は、本発明の第4の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、エッチング工程S4で、穴を形成するまでエッチングを行った他は本発明の第3の実施形態と同様の構成とされている。
図22より掘り進み、図23に示すように、被加工面に穴部54hが加工された環状のダイヤモンド結晶基板54が形成される。
(穴部加工)
図23は、本発明の第4の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、エッチング工程S4で、穴を形成するまでエッチングを行った他は本発明の第3の実施形態と同様の構成とされている。
図22より掘り進み、図23に示すように、被加工面に穴部54hが加工された環状のダイヤモンド結晶基板54が形成される。
(本発明の第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。凹部加工の一例である。
次に、本発明の第5の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例について説明する。凹部加工の一例である。
(ダイヤモンド結晶基板加工方法)
(凹部加工)
図24〜30は、本発明の第5の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、加工用基板63の形状が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
加工用基板63は、板状本体部の一面に立方体状の突出部が接合されている突出部の突出面が接触面63aとされている。
以下のようにして、被加工面の一部を深さ方向に掘り進めて、被加工面に凹部を加工形成する。
(凹部加工)
図24〜30は、本発明の第5の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法の一例を示す断面工程図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、加工用基板63の形状が異なる他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
加工用基板63は、板状本体部の一面に立方体状の突出部が接合されている突出部の突出面が接触面63aとされている。
以下のようにして、被加工面の一部を深さ方向に掘り進めて、被加工面に凹部を加工形成する。
具体的には、まず、減圧容器21内に基板ホルダ30を配置する。
次に、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板52を配置する。ダイヤモンド結晶基板52は、その被加工面52aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図24に示すように、ダイヤモンド結晶52の被加工面52aに加工用基板63の接触面63aを接触させて配置する。接触面63aの平面視径は、被加工面52a全部覆う大きさではなく、一部のみを覆う大きさとされている。
加工用基板63と基板ホルダ30とから、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具83が構成される。
次に、基板ホルダ30上にダイヤモンド結晶基板52を配置する。ダイヤモンド結晶基板52は、その被加工面52aが上側を向き、マイクロ波導入部24方向を向くように配置する。
次に、図24に示すように、ダイヤモンド結晶52の被加工面52aに加工用基板63の接触面63aを接触させて配置する。接触面63aの平面視径は、被加工面52a全部覆う大きさではなく、一部のみを覆う大きさとされている。
加工用基板63と基板ホルダ30とから、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具83が構成される。
(水素ガス雰囲気化工程S2)
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
次に、減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、減圧容器内を水素ガス雰囲気とする。
(水素終端面化工程S3)
次に、図25に示すように、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50とする。
次に、図25に示すように、減圧容器内でプラズマ45を発生させて、ダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50とする。
(エッチング工程S4)
次に、図26に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板63を加熱する。
これにより、加工用基板63に接触したダイヤモンド結晶基板52の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板52の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図27〜30は、それぞれ、より掘り進んだ時点の工程図である。
図30は、最終工程図である。
被加工面に凹部53c2が加工されたダイヤモンド結晶基板53が形成される。
次に、図26に示すように、プラズマ45でダイヤモンド結晶基板52の露出部分を水素終端面50の状態を維持しながら、プラズマ45で加工用基板63を加熱する。
これにより、加工用基板63に接触したダイヤモンド結晶基板52の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板52の被加工面を深さ方向に掘り進める。
図27〜30は、それぞれ、より掘り進んだ時点の工程図である。
図30は、最終工程図である。
被加工面に凹部53c2が加工されたダイヤモンド結晶基板53が形成される。
(本発明の第6の実施形態)
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
図31は、本発明の第6の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例を示す断面図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具84は、加工用基板63と基板ホルダ30Aとから構成される。
基板ホルダ30Aは、基板ホルダ30がストッパ形状とされたものである。ストッパ形状とは、配置する基板を取り囲むように壁部が設けられた形状である。
基板ホルダ30Aを用いることにより、加工中、基板をずらすことなく、安定して加工することができる。
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
図31は、本発明の第6の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例を示す断面図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具84は、加工用基板63と基板ホルダ30Aとから構成される。
基板ホルダ30Aは、基板ホルダ30がストッパ形状とされたものである。ストッパ形状とは、配置する基板を取り囲むように壁部が設けられた形状である。
基板ホルダ30Aを用いることにより、加工中、基板をずらすことなく、安定して加工することができる。
(本発明の第7の実施形態)
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
本発明の第7の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置は、別のダイヤモンド結晶基板配置治具を備える構成とした他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
本発明の第7の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置は、別のダイヤモンド結晶基板配置治具を備える構成とした他は本発明の第1の実施形態と同様の構成とされている。
(ダイヤモンド結晶基板配置治具)
次に、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の別の一例について説明する。
図32は、本発明の第7の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例を示す断面図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70は、基板ホルダ30の4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部73と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダ71と、前記基板ホルダに配置するダイヤモンド結晶基板52上に配置する加工用基板62と、前記加工用基板枠部と前記固体ホルダの間に配置され、加工用基板62の4隅を押し付ける4つのバネ75と、を有している。
上記構成とすることにより、エッチングにより被加工面が掘り進められても、重力の方向に関係なく、バネの押し付け方向に押し付ける力を作用させて、被加工面をむらなくエッチングできる。
次に、本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の別の一例について説明する。
図32は、本発明の第7の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具の一例を示す断面図である。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70は、基板ホルダ30の4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部73と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダ71と、前記基板ホルダに配置するダイヤモンド結晶基板52上に配置する加工用基板62と、前記加工用基板枠部と前記固体ホルダの間に配置され、加工用基板62の4隅を押し付ける4つのバネ75と、を有している。
上記構成とすることにより、エッチングにより被加工面が掘り進められても、重力の方向に関係なく、バネの押し付け方向に押し付ける力を作用させて、被加工面をむらなくエッチングできる。
前記固定ホルダに穴部71hが設けられている。これにより、プラズマを加工用基板62に接近させることができ、容易に加熱できる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、減圧容器21内に、ダイヤモンド結晶基板51、52の被加工面51a、52aに、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる加工用基板61、62、63の接触面61a、62a、63aを接触させて配置する工程と、前記減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、前記減圧容器内を水素ガス雰囲気とする工程と、前記減圧容器内でプラズマを発生させて、ダイヤモンド結晶基板の露出部分を水素終端面50とする工程と、前記プラズマで前記水素終端面の状態を維持しながら、前記プラズマで前記加工用基板を加熱して、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中のダイヤモンド結合炭素をプラズマで除去して、被加工面を深さ方向に掘り進める工程と、を有する構成なので、前記加熱により、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中のダイヤモンド結合炭素を、金属カーバイド反応を介して黒鉛に変換してから、これをプラズマで除去でき、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。つまり、この方法によれば、ダイヤモンド結晶基板の表面粗さ1μm以下の平坦化・平滑化加工を毎時1μm以上のエッチング速度で実施でき、従来の方法に比べて、加工時間を1桁以上短縮できる。この方法は、原理的にエッチング速度がダイヤモンド表面積に影響されない。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、前記接触面61aが、表面粗さが1μm以下である構成なので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、前記高融点金属がモリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)の群から選択されるいずれか一の金属である構成なので、ダイヤモンド結晶基板中のダイヤモンド結合炭素を、カーバイド形成を介して、黒鉛化し、プラズマ除去できるので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、加工用基板61、62、63を、「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」以上に加熱する構成なので、ダイヤモンド結晶基板中のダイヤモンド結合炭素を、カーバイド形成を介して、黒鉛化し、プラズマ除去できるので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、前記水素ガス雰囲気に、酸素ガス又はフッ素含有ガスを混入させる構成なので、水素プラズマだけでなく、酸素又はフッ素プラズマによってもエッチング除去でき、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。全ガス流量に対して2%となるように酸素を供給した場合、エッチング速度は10倍以上になる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、被加工面51aが、平滑面に加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工する構成なので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、被加工面52aが、凹部53cへ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を凹部へ加工する構成なので、所望の形状の凹部加工を、短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法は、被加工面52aが、穴部54hへ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を穴部へ加工する構成なので、所望の形状の穴部加工を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70、81、82、83、84は、ダイヤモンド結晶基板51、52を直接又は間接に一面上に配置する基板ホルダ30と、前記基板ホルダに配置したダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する加工用基板61、62、63と、を有し、前記加工用基板がIVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる構成なので、加工用基板に接触したダイヤモンド結晶基板の被加工面では1000℃以上に昇温することにより、カーバイドが形成される。金属カーバイド化に伴い、被加工面のダイヤモンド結合が非ダイヤモンド結合(黒鉛化)に変換される。プラズマにより、黒鉛がエッチング除去し、ダイヤモンド結晶を研削・掘り込み・平坦・平滑化、凹部・穴部形成を容易にできる。
また、加工用基板61に接触したダイヤモンド結晶基板51の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面を深さ方向に掘り進める。
また、加工用基板61に接触したダイヤモンド結晶基板51の中のダイヤモンド結合炭素を金属カーバイドに変換できる。金属カーバイド化は、黒鉛形成を誘発し、プラズマによりエッチング除去される。これにより、ダイヤモンド結晶基板51の被加工面を深さ方向に掘り進める。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70、81、82、83、84は、加工用基板61、62、63をダイヤモンド結晶基板51、52に接触させて配置する際、ダイヤモンド結晶基板の被加工面の深さ方向に前記加工用基板を押し付ける力が加えられる構成なので、加工用基板をダイヤモンド結晶基板に押し付けて、加工用基板の平坦・平滑性、形状・大きさをダイヤモンド結晶基板に転写して、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70、81、82、83、84は、加工用基板61、62、63が、表面粗さが1μm以下である面を有する構成なので、表面粗さが1μm以下への平坦・平滑化を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具83、84は、加工用基板63が、突出部を有している構成なので、突出部をダイヤモンド結晶基板に押し付けて、突出部の形状・大きさをダイヤモンド結晶基板に転写して、所望の形状の凹部、穴部加工を、短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板配置治具70は、基板ホルダ30の4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部73と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダ71と、前記基板ホルダ上に配置するダイヤモンド結晶基板上に配置する加工用基板62と、前記加工用基板と前記固体ホルダの間に配置され、前記加工用基板の4隅を押し付ける4つのバネ75と、を有し、前記固定ホルダ71に穴部71hが設けられている構成なので、重力方向に関わらず、加工用基板をダイヤモンド結晶基板に押し付けることができ、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工装置11は、ガス導入/排気管23、22とマイクロ波導入部24を有する減圧容器21と、前記減圧容器内に配置する、ダイヤモンド結晶基板配置治具70、81、82、83、84を有する構成なので、平坦・平滑化、凹部・穴部形成を短時間で容易にできる。
本発明の実施形態であるダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
まず、厚みが2980μmであるダイヤモンド単結晶板を用意した。
次に、真空装置内にダイヤモンド単結晶板を配置してから、その表面にモリブデン板を配置した。
次に、前記真空装置内を排気してから、水素98%、酸素2%の雰囲気とした。
次に、モリブデン板の上部にプラズマを形成した。この状態で、モリブデン板の温度を1250℃〜1450℃の範囲として、335分間、この状態を保持した。
まず、厚みが2980μmであるダイヤモンド単結晶板を用意した。
次に、真空装置内にダイヤモンド単結晶板を配置してから、その表面にモリブデン板を配置した。
次に、前記真空装置内を排気してから、水素98%、酸素2%の雰囲気とした。
次に、モリブデン板の上部にプラズマを形成した。この状態で、モリブデン板の温度を1250℃〜1450℃の範囲として、335分間、この状態を保持した。
図33は、実施例1で、モリブデン板の温度を1250℃とした時点におけるダイヤモンド表面エッチングの概念図である。
図33に示すように、試料ホルダの上に、露出表面が水素終端表面とされたダイヤモンド結晶が配置されており、非平坦面の上にカーバイド形成物質が配置されている。水素/酸素ガス(H2+O2)雰囲気中で、カーバイド形成物質上で水素/酸素プラズマが形成されている。
図33に示すように、試料ホルダの上に、露出表面が水素終端表面とされたダイヤモンド結晶が配置されており、非平坦面の上にカーバイド形成物質が配置されている。水素/酸素ガス(H2+O2)雰囲気中で、カーバイド形成物質上で水素/酸素プラズマが形成されている。
次に、プラズマ形成を中止し、室温、大気雰囲気に戻してから、ダイヤモンド単結晶板(実施例1)を取り出した。
図34は、エッチング前後の表面写真である。平滑面が得られた。
具体的には、335分間のプラズマ処理によりダイヤモンド単結晶板の表面は600μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時107μmであった。また、ダイヤモンド結晶内での、測定領域100μm角内での表面粗さを計測したところ、ダイヤモンド表面粗さは1μm以下で、非常に平滑な表面とすることができた。
具体的には、335分間のプラズマ処理によりダイヤモンド単結晶板の表面は600μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時107μmであった。また、ダイヤモンド結晶内での、測定領域100μm角内での表面粗さを計測したところ、ダイヤモンド表面粗さは1μm以下で、非常に平滑な表面とすることができた。
(実施例2)
厚みが3110μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、モリブデン板の温度を1050℃〜1250℃の範囲にし、1430分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例2)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は1140μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時48μmであった。実施例1と比較すると、加工用基板の加熱温度が低いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
厚みが3110μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、モリブデン板の温度を1050℃〜1250℃の範囲にし、1430分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例2)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は1140μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時48μmであった。実施例1と比較すると、加工用基板の加熱温度が低いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
(実施例3)
厚みが2557μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、水素100%、酸素0%の雰囲気とし、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例3)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は13μmエッチングされていた。実施例1と比較すると、酸素濃度が低いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
厚みが2557μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、水素100%、酸素0%の雰囲気とし、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例3)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は13μmエッチングされていた。実施例1と比較すると、酸素濃度が低いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
(実施例4)
厚みが2080μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、結晶表面にタングステン板を配置し、245分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例4)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は50μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時13μmであった。実施例1と比較すると、加工用基板に用いる高融点金属のカーバイド化温度が高いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
また、ダイヤモンド結晶内での、測定領域100μm角内での表面粗さを計測したところ、ダイヤモンド表面粗さは1μm以下で、非常に平滑な表面とすることができた。
厚みが2080μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、結晶表面にタングステン板を配置し、245分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(実施例4)を作成した。
ダイヤモンド単結晶板の表面は50μmエッチングされていた。つまり、エッチング速度は、毎時13μmであった。実施例1と比較すると、加工用基板に用いる高融点金属のカーバイド化温度が高いほど、エッチング速度が低下する事が示された。
また、ダイヤモンド結晶内での、測定領域100μm角内での表面粗さを計測したところ、ダイヤモンド表面粗さは1μm以下で、非常に平滑な表面とすることができた。
(比較例1)
厚みが500μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、結晶表面に炭化ケイ素板を配置し、炭化ケイ素板の温度を1250℃〜1450℃の範囲で設定し、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(比較例1)を作成した。
ダイヤモンドのエッチングは1μm以下であった。
厚みが500μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、結晶表面に炭化ケイ素板を配置し、炭化ケイ素板の温度を1250℃〜1450℃の範囲で設定し、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(比較例1)を作成した。
ダイヤモンドのエッチングは1μm以下であった。
(比較例2)
厚みが2612μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、水素98%、酸素0%の雰囲気とし、モリブデン板の温度を900℃〜1100℃の範囲で設定し、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(比較例2)を作成した。
ダイヤモンドのエッチングは1μm以下であった。
厚みが2612μmであるダイヤモンド単結晶板を用い、水素98%、酸素0%の雰囲気とし、モリブデン板の温度を900℃〜1100℃の範囲で設定し、60分間、プラズマ処理した他は実施例1と同様にして、ダイヤモンド単結晶板(比較例2)を作成した。
ダイヤモンドのエッチングは1μm以下であった。
(実施例5)
まず、結晶端の周辺に、100μm以上の多結晶凸部が存在するダイヤモンド結晶基板を準備した。
次に、真空装置内で、このダイヤモンド結晶基板をホルダ上に配置した。
次に、ダイヤモンド結晶基板上にタングステン板を配置し、水素(98%)及び酸素(2%)雰囲気としてから、プラズマ処理して、平均温度1250℃に加熱してダイヤモンド基板の表面をエッチングして、ダイヤモンド単結晶板(実施例5)を作成した。
図35は、エッチング前後のダイヤモンド結晶基板の表面写真であり、エッチング前(a)、エッチング後(b)である。
結晶端部の凸部が除去され、平坦・平滑面が形成されていた。
図36は、このエッチング工程の説明図である。加熱されたタングステン基板により、カーバイドを介して形成された黒鉛がプラズマで除去されることにより、表面が研削される。表面が研削されても、重力により、タングステン基板はダイヤモンド結晶基板に接触を続けるため、研削が続けられ、表面が平坦・平滑化される。
まず、結晶端の周辺に、100μm以上の多結晶凸部が存在するダイヤモンド結晶基板を準備した。
次に、真空装置内で、このダイヤモンド結晶基板をホルダ上に配置した。
次に、ダイヤモンド結晶基板上にタングステン板を配置し、水素(98%)及び酸素(2%)雰囲気としてから、プラズマ処理して、平均温度1250℃に加熱してダイヤモンド基板の表面をエッチングして、ダイヤモンド単結晶板(実施例5)を作成した。
図35は、エッチング前後のダイヤモンド結晶基板の表面写真であり、エッチング前(a)、エッチング後(b)である。
結晶端部の凸部が除去され、平坦・平滑面が形成されていた。
図36は、このエッチング工程の説明図である。加熱されたタングステン基板により、カーバイドを介して形成された黒鉛がプラズマで除去されることにより、表面が研削される。表面が研削されても、重力により、タングステン基板はダイヤモンド結晶基板に接触を続けるため、研削が続けられ、表面が平坦・平滑化される。
(実施例6)
まず、平面視略円形のモリブデン板及びダイヤモンド結晶基板を準備した。
次に、真空装置内で、このモリブデン板をホルダ上に配置した。
次に、モリブデン板上にダイヤモンド結晶基板を配置し、水素(98%)及び酸素(2%)雰囲気としてから、プラズマ処理して、平均温度1400℃に加熱して、モリブデン板との接触面でダイヤモンド基板の表面をエッチングして、ダイヤモンド単結晶板(実施例6)を作成した。
図37は、エッチング前後のダイヤモンド結晶基板の表面写真であり、エッチング前(a)、エッチング後(b)である。
穴が形成された。
図38は、この穴あけ加工工程の説明図である。加熱されたモリブデン板により、カーバイドを介して形成された黒鉛がプラズマで除去されることにより、表面が研削される。表面が研削されても、重力により、ダイヤモンド結晶基板はモリブデン板に接触を続けるため、研削が続けられ、穴あけ加工される。
まず、平面視略円形のモリブデン板及びダイヤモンド結晶基板を準備した。
次に、真空装置内で、このモリブデン板をホルダ上に配置した。
次に、モリブデン板上にダイヤモンド結晶基板を配置し、水素(98%)及び酸素(2%)雰囲気としてから、プラズマ処理して、平均温度1400℃に加熱して、モリブデン板との接触面でダイヤモンド基板の表面をエッチングして、ダイヤモンド単結晶板(実施例6)を作成した。
図37は、エッチング前後のダイヤモンド結晶基板の表面写真であり、エッチング前(a)、エッチング後(b)である。
穴が形成された。
図38は、この穴あけ加工工程の説明図である。加熱されたモリブデン板により、カーバイドを介して形成された黒鉛がプラズマで除去されることにより、表面が研削される。表面が研削されても、重力により、ダイヤモンド結晶基板はモリブデン板に接触を続けるため、研削が続けられ、穴あけ加工される。
なお、今回の実施例では、実施例6を除いて、加工用基板の面積よりも面積が小さいダイヤモンド結晶を用いた。よって、加工領域が結晶サイズとなった。本手法の原理からすると、同一のエッチング条件で、加工用基板面積において同じ加工速度で削られることになる。
以上の実験条件及び結果を表1にまとめた。
以上の実験条件及び結果を表1にまとめた。
本発明のダイヤモンド結晶基板加工方法とダイヤモンド結晶基板加工装置は、従来の方法に比べて、加工時間を1桁以上短縮できる、ダイヤモンド結晶の加工方法及び加工装置に関するものであり、ダイヤモンド結晶加工産業、ダイヤモンド半導体デバイス産業等において利用可能性がある。
11…ダイヤモンド結晶基板加工装置、21…減圧容器、22…ガス排気管、23…ガス導入管、24…マイクロ波導入管、30…基板ホルダ、45…水素/酸素プラズマ、50…水素終端表面、51、52、53…ダイヤモンド結晶基板、51a、52a…被加工面、53c、53c2…凹部、54h…穴部、61、62、63…加工用基板、61a、62a、63a…接触面、70…ダイヤモンド結晶基板配置治具、71…固定ホルダ、71h…穴部、73…柱部、75…バネ、81、82、83、84…ダイヤモンド結晶基板配置治具。
Claims (14)
- 減圧容器内に、ダイヤモンド結晶基板の被加工面に、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなる加工用基板の接触面を接触させて配置する工程と、
前記減圧容器内を減圧してから、水素ガスを導入して、前記減圧容器内を水素ガス雰囲気とする工程と、
前記減圧容器内でプラズマを発生させて、ダイヤモンド結晶基板の露出部分を水素終端面とする工程と、
前記プラズマで前記水素終端面の状態を維持しながら、前記プラズマで前記加工用基板を加熱して、前記加工用基板の近傍のダイヤモンド結晶中のダイヤモンド結合炭素をプラズマで除去して、被加工面を深さ方向に掘り進める工程と、を有することを特徴とするダイヤモンド結晶基板加工方法。 - 前記接触面が、表面粗さが1μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記高融点金属がモリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ニオブ、バナジウム、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)の群から選択されるいずれか一の金属であることを特徴とする請求項1又は2に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記加工用基板を、「加工用基板中、カーバイド化温度が最も低い高融点金属のカーバイド化温度−200℃」以上に加熱することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記水素ガス雰囲気に、酸素ガス又はフッ素を混入させることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記被加工面が、平滑面に加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を平滑面へ加工することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記被加工面が、凹部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を凹部へ加工することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- 前記被加工面が、穴部へ加工を要する面であり、被加工面を深さ方向に掘り進めて、被加工面を穴部へ加工することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板加工方法。
- ダイヤモンド結晶基板を直接又は間接に一面上に配置する基板ホルダと、前記基板ホルダに配置したダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する加工用基板と、を有し、前記加工用基板がIVB族、VB族、VIB族、VIIB族、VIIIB族のいずれか一又は二以上の高融点金属であって、カーバイドを形成可能な高融点金属からなることを特徴とするダイヤモンド結晶基板配置治具。
- 前記加工用基板をダイヤモンド結晶基板に接触させて配置する際、ダイヤモンド結晶基板の被加工面の深さ方向に前記加工用基板を押し付ける力が加えられることを特徴とする請求項9に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
- 前記加工用基板が、表面粗さが1μm以下である面を有することを特徴とする請求項9又は10に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
- 前記加工用基板が、突出部を有していることを特徴とする請求項9〜11のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
- 前記基板ホルダの4隅に一端側が取り付けられた4つの柱部と、前記4つの柱部の他端側に4隅が取り付けられた固定ホルダと、前記基板ホルダ上に配置するダイヤモンド結晶基板上に配置する加工用基板と、前記加工用基板と前記固体ホルダの間に配置され、前記加工用基板の4隅を押し付ける4つのバネと、を有し、前記固定ホルダに穴部が設けられていることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具。
- ガス導入/排気管とマイクロ波導入部を有する減圧容器と、前記減圧容器内に配置する、請求項9〜13のいずれか1項に記載のダイヤモンド結晶基板配置治具を有することを特徴とするダイヤモンド結晶基板加工装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014234613A JP2016098129A (ja) | 2014-11-19 | 2014-11-19 | ダイヤモンド結晶基板加工方法、ダイヤモンド結晶基板配置治具及びダイヤモンド結晶基板加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=56076186
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019035437A1 (ja) * | 2017-08-15 | 2019-02-21 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体およびその製造方法 |
WO2019035438A1 (ja) * | 2017-08-15 | 2019-02-21 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体、その製造方法およびその製造装置 |
-
2014
- 2014-11-19 JP JP2014234613A patent/JP2016098129A/ja active Pending
Cited By (11)
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---|---|---|---|---|
WO2019035437A1 (ja) * | 2017-08-15 | 2019-02-21 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体およびその製造方法 |
WO2019035438A1 (ja) * | 2017-08-15 | 2019-02-21 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体、その製造方法およびその製造装置 |
CN111032932A (zh) * | 2017-08-15 | 2020-04-17 | 住友电气工业株式会社 | 含有固体碳的材料的加工体、其制造方法和其制造装置 |
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JP7088194B2 (ja) | 2017-08-15 | 2022-06-21 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体、その製造方法およびその製造装置 |
JP7099462B2 (ja) | 2017-08-15 | 2022-07-12 | 住友電気工業株式会社 | 固体炭素含有材料加工体およびその製造方法 |
US11518680B2 (en) | 2017-08-15 | 2022-12-06 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Body obtained by processing solid carbon-containing material, producing method thereof, and producing apparatus thereof |
US11629104B2 (en) | 2017-08-15 | 2023-04-18 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Body obtained by processing solid carbon-containing material and producing method thereof |
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