JP2683060B2 - ダイヤモンド膜及びその製造法 - Google Patents

ダイヤモンド膜及びその製造法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、気相法により基体上の所望の位置に所望の
形状でダイヤモンド結晶を形成する方法に関する。本発
明により選択的に形成したダイヤモンド結晶膜は、光学
薄膜、摺動部等の保護膜、半導体集積回路等に利用する
ことができる。
[従来の技術] ダイヤモンド膜やダイヤモンド状炭素膜の形成方法と
しては、従来より幾つかの方法が知られており、例えば
水素ガスと炭素含有ガスを熱分解あるいはプラズマ状態
にして炭素含有ガスの活性種を生成し、その活性種から
ダイヤモンド膜を基体上に形成する方法(特開昭58-911
00号公報、特開昭58-110494号公報、特公昭61-2632号公
報等)、原料ガスをイオン化し、電界により引き出して
基体上にダイヤモンド膜を形成する方法(特開昭53-106
34号公報等)、グラファイトやダイヤモンド等のターゲ
ットに荷電粒子を照射することによりスパッタ蒸着さ
せ、そのスパッタ蒸着した炭素原子によりダイヤモンド
膜を基体上に形成する、いわゆるイオンビームスパッタ
法(特開昭56-22616号公報等)などがある。
特に最近は、上述のような単なるダイヤモンドの製法
だけでなく、ダイヤモンド薄膜の実用化という観点から
ダイヤモンド薄膜を所望の位置に所望の大きさで形成し
ようとする動きが出始めている。例えば、特開昭62-297
298号公報がその1つである。これはダイヤモンド核発
生密度が高くなるように微小の傷を基板に形成する。そ
の後ダイヤモンドを形成しない部分をアモルファス材料
で覆い傷が露出している部分に選択的にダイヤモンド結
晶を析出する方法である。このような傷形成の他にもダ
イヤモンドを形成しやすい物質と形成しにくい物質のパ
ターンを形成し、ダイヤモンドを選択的に形成する方法
も知られている。(特開昭62-241898号公報)。
[発明が解決しようとする問題点] しかしながら、これら2件の公報に述べられている方
法は、パターン形成に際してアモルファスカーボンやア
モルファスSiをマスクとして用いなければならず、これ
らのアモルファス物質は、基板温度600〜1000℃、かつ
水素ラジカルに富んだ気相法ダイヤモンド合成の雰囲気
下ではパターンを形成しているアモルファス材料が飛散
してしまい、所望の位置、所望の形状にダイヤモンドの
パターンを形成できないことがあるという欠点を有して
いた。
[問題点を解決するための手段(及び作用)] 本発明の第一は、平均粒径5000Å以下のダイヤモンド
粒子を有する所望のパターン状に形成された領域と該ダ
イヤモンド粒子から結晶成長させて得られたダイヤモン
ド領域パターンを有するダイヤモンド膜、である。
また、本発明の第二は、基体に平均粒径5000Å以下の
ダイヤモンド粒子を埋め込む工程、及び該ダイヤモンド
粒子からダイヤモンドを結晶成長させて成膜する工程を
有するダイヤモンド膜の製造法、である。
本発明のダイヤモンド膜は、パターン状で使用される
用途、例えば半導体集積回路や光集積回路の絶縁体、半
導体、高屈折率物質、熱伝導体等としても用いることが
でき、非常に有用である。
尚、本発明でいう「パターン状に形成された」とは、
半導体集積回路等の回路パターン状に形成された事のみ
を意味するのではなく、用途に応じて基体上の所望の位
置および所望の形状に形成された事を意味する。更に
は、ダイヤモンド膜が形成された部分とされていない部
分とによるパターンのみを意味するのではなく、一様な
多結晶膜部分と単結晶部分とによるパターン等も意味す
る。
以下本発明のダイヤモンド膜の形成方法をその工程に
沿って説明する。
まず、その表面に気相法によりダイヤモンド結晶が成
長可能であり、600〜1000℃の温度でも耐える事がで
き、水素ラジカルによって著しく損傷されないような基
体を用意する。そのような基体としては例えば、Si,Ge
等の半導体基板、石英等の酸化物基板、Mo,Ta,W等の金
属基板を挙げる事ができる。
次いでこの基板表面にダイヤモンド結晶形成のための
所望のパターンを形成する。第1図に沿って説明する
と、工程(a)で、まず基体1の表面に平均粒子径5000
Å以下のダイヤモンド粒子2が埋め込まれる。このため
には、ダイヤモンド粒子を用いたエアー加速式、水噴射
式、遠心投射式、ベルト投射式のブラスト加工や、ダイ
ヤモンド粒子を分散した溶液中で基板を超音波洗浄器で
超音波処理する等の方法を用いる。
又、選択性よく所望のパターンのダイヤモンド(領
域)を形成するためには、埋め込まれたダイヤモンド粒
子2の密度は104〜1011個/mm2、より好ましくは、105
〜109個/mm2、最適には106〜107個/mm2であることが
望ましい。
次に第1図(b)に示すように、マスク3を介して基
体1をエッチングする事により、ダイヤモンド粒子2の
埋め込まれた領域をパターン状に形成できる。次いでマ
スク3を取り除き、基体1にダイヤモンドを成膜する
と、この領域のみに第1図(c)に図示したダイヤモン
ド膜4がパターン状に形成できる。
上記マスクとして、ガラスや金属よりなるマスクも可
能であるが、微小なパターンを形成する時には光リソグ
ラフィーによりレジストパターンを形成する方が望まし
い。
上記エッチングは、ドライエッチング、ウェットエッ
チングのどちらでも良い。ウェットエッチングを行なう
場合は、例えばフッ化水素酸、硝酸混液によるエッチン
グなどを挙げることができる。またドライエッチングを
行なう場合は、例えばプラズマエッチング、イオンビー
ムエッチングなどを挙げることができる。プラズマエッ
チングのエッチングガスとしてはCF4ガスなどを挙げる
ことができ、イオンビームエッチングのエッチングガス
としてはAr,He,Ne等の希ガス、酸素、フッ素、水素、炭
素などを含んだガスも可能である。エッチングの深さ
は、ダイヤモンド膜の使用用途に応じて適宜選定すれば
よいが、好ましくは200〜1000Å、より好ましくは500〜
2000Å程度の深さにエッチングすれば、十分にパターン
形成できる。そのエッチング条件によりダイヤモンド核
の発生密度の制御が可能である。
ダイヤモンド結晶形成は、パターン領域が形成された
基体に対して、例えば特開昭58-91100号公報、特開昭58
-110494号公報、特公昭61-2632号公報などに記載された
方法によって行なう。
本発明で埋め込まれたダイヤモンド粒子の粒径は5000
Å以下、望ましくは1000Å以下、さらに望ましくは500
Åがよい。その理由は、 1)粒径が5000Åより大きいと、選択成長における位置
の選択性が悪くなる傾向がある。
2)粒径が5000Åより大きいと、ダイヤモンド粒子の埋
め込まれた領域をエッチング処理する際、エッチングの
深さを大きくする必要があり、エッチングによるマスク
(レジスト等)部分の損傷も大きく、マスクの除去がむ
ずかしくなり、ダイヤモンド形成の選択性が悪くなる傾
向がある。
3)粒径が5000Åより大きいと、ダイヤモンド粒子の
「埋め込み」の際に、基板にクラック等の大きな損傷を
与える。このクラック等の損傷が大きいと、選択成長に
おける位置の選択性が悪くなる傾向がある。
ダイヤモンド粒子が「埋め込まれた」基板を用いるの
は、特開昭63-166798号に開示されているような粒子を
基板表面に塗布するだけでは、本発明時に必要な、例え
ばエッチング処理後のレジスト除去に必要な有機溶媒を
用いた洗浄及び成膜前の基板洗浄でダイヤモンド粒子が
離脱し、選択性が著しく低下するためである。このため
本発明では、これらのプロセスでダイヤモンドを離脱さ
せないため、ダイヤモンド粒子が基板に埋め込まれてい
る必要がある。又、ダイヤモンド粒子の埋め込みの度合
は、粒子全体が基板中に埋め込まれている必要はなく、
粒子の一部(全体の1/10程度以上)が埋め込まれていれ
ば上述の有機溶媒を用いた洗浄処理後にも離脱すること
なく、基板表面に残存する。
また、所望の位置に単結晶ダイヤモンドを形成するに
はダイヤモンドの埋め込まれた領域の面積を好ましくは
10μm2以下、より好ましくは4μm2以下、最適には1μm2
以下とするのが好ましい。
[実施例] 以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。な
お、本発明は以下の実施例によって何等限定されるもの
ではない (実施例1) まず、平均粒径500Åのダイヤモンド粒子を拡散させ
た水中に石英基板を入れ,その基板表面のダイヤモンド
埋め込み密度が107個/mm2になるよう20分間超音波処理
を行なった。
次いで、その基板のダイヤモンド膜を形成すべき所望
の部分を通常のリソグラフィー法でマスクし、マスクし
た部分以外をAr+イオンビームで500Åの深さにエッチン
グした。なお、その際のAr+イオンビームの加速電圧は
0.5kV,照射時間は5分とした。
次いで、エッチング後上記マスクを除去し洗浄した。
石英基板上にはマスクした部分にダイヤモンド粒子が脱
落することなく該ダイヤモンド粒子が埋め込まれた領域
が形成された。続いて、マイクロ波CVD法により、メタ
ン、水素ガス(各流量1SCCM、100SCCM)をプラズマ化
し、選択的にダイヤモンド膜を4時間形成した。その際
のマイクロ波電力は500W,基板温度は800℃,圧力は50To
rrであった。
以上の成膜によりダイヤモンド膜が埋め込まれたパタ
ーン状領域に選択的にダイヤモンド膜が形成された。図
2(a)にパターンの模式図、図2(b)にパターンの
SEM写真、図2(c)に図2(b)にパターン上に形成
したダイヤモンドのSEM写真を示す。又、表1に同様の
方法で種々の粒径のダイヤモンドを埋め込んだ時の選択
性を示す。
(実施例2) まず、シリコンウエハーを基板とし該基板表面に粒径
1000Åのダイヤモンド粒子埋め込み密度が108個/mm2
なるようにエアー加速式のブラスト加工処理をした。次
いで、その基板に100μmの正方格子の格子点に0.3μm
四方のフォトレジストをパターニングし、Ar+イオンビ
ームで500Åの深さまでエッチングした。Ar+イオンビー
ムの加速電圧は1kV,照射時間は1分とした。
次いでレジストを除去し、洗浄した基板を用いて高周
波CVD法によりダイヤモンド膜を形成した。ガス流量は
メタン1SCCM,H2200_SCCMとし、RF電力200W,基板温度は8
10℃,圧力40Torr,形成時間は4時間であった。
以上のダイヤモンド形成により、ダイヤモンド粒子の
埋め込まれた領域から直径3〜4μmの単結晶が成長し
た。
(実施例3) 実施例2と同様の方法により、基板表面にダイヤモン
ド粒子(粒径2500Å)の埋め込み密度が1×1013個/mm
2のタングステン基板を形成した。次いで、この基板に
直径100μmにレジストをパターニングし、それをAr+
オンビームで1000Åエッチングした。
次いでレジストを除去し、W−フィラメント法により
3時間成膜を行なった。なおその際の原料ガスとしてメ
タンガス濃度が0.5%の水素メタン混合ガスを用い、圧
力は200Torr,基板温度は820℃,フィラメント温度は205
0℃成膜時間は3時間とした。
以上の成膜により100μmの円状領域にはダイヤモン
ドの多結晶膜が選択性よく形成された。
〈比較例1〉 実施例2と同様な方法で平均粒径1μmのダイヤモン
ド結晶を基板に埋め込んだ。実施例2と同様なエッチン
グ処理、成膜条件でダイヤモンドを形成したが、エッチ
ング処理を施した領域に、ダイヤモンド結晶が残存した
ため、ダイヤモンド多結晶形成の選択性は著しく悪かっ
た。
〈比較例2〉 粒径500Å以下のダイヤモンド粒子をエチルアルコー
ルに入れ、これをSi表面に塗布した。この基板を実施例
2と同様なエッチング処理を行なった所、レジスト除去
時及び洗浄時に、ダイヤモンド粒子の大半が基板表面か
ら離脱し、成膜時にはダイヤモンド粒子はほとんど存在
せず、ダイヤモンド多結晶形成の選択性は著しく悪かっ
た。
[発明の効果] 本発明によって、所望の位置に所望の形状でダイヤモ
ンド多結晶膜を形成させ、所望の位置に単結晶を形成さ
せることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
(1)図面の簡単な説明 第1図(a)はダイヤモンド粒子が埋め込まれた基板、
第1図(b)はマスクを介してパターン状にエッチング
をした基板、第1図(c)は第1図(b)の基体を用い
てダイヤモンドを形成した時の模式図を示す。 第2図は第1図(c)の模式図が実現されたもので、第
2図(a)はパターンの模式図、第2図(b)及び第2
図(c)は夫々ダイヤモンドの粒子構造を示す写真であ
る。 (2)図面の主要な部分を表わす符号の説明 1.基体 2.ダイヤモンド粒子 3.マスク 4.ダイヤモンド膜 11.Si基板 12.基板上に形成されたダイヤモンド堆積前のパターン
フロントページの続き (72)発明者 生駒 圭子 東京都大田区下丸子3丁目30番2号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平2−14897(JP,A) 特開 昭64−18991(JP,A) 特開 昭62−138395(JP,A)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平均粒径5000Å以下のダイヤモンド粒子を
    有する所望のパターン状に形成された領域と該ダイヤモ
    ンド粒子から結晶成長させて得られたダイヤモンド領域
    パターンを有するダイヤモンド膜。
  2. 【請求項2】前記ダイヤモンド粒子が104〜1011個/mm2
    の密度で配置されている請求項1記載のダイヤモンド
    膜。
  3. 【請求項3】前記ダイヤモンド粒子の平均粒径はが1000
    Å以下である請求項1記載のダイヤモンド膜。
  4. 【請求項4】前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が500Å
    以下である請求項1記載のダイヤモンド膜。
  5. 【請求項5】前記ダイヤモンド領域パターンが気相法に
    より形成されている請求項1記載のダイヤモンド膜。
  6. 【請求項6】基体に平均粒径5000Å以下のダイヤモンド
    粒子を埋め込む工程、及び該ダイヤモンド粒子からダイ
    ヤモンドを結晶成長させて成膜する工程を有するダイヤ
    モンド膜の製造法。
  7. 【請求項7】前記ダイヤモンド粒子を104〜1011個/mm2
    の密度で基体に埋め込む請求項6記載のダイヤモンド膜
    の製造法。
  8. 【請求項8】前記ダイヤモンド粒子を105〜109個/mm2
    の密度で基体に埋め込む請求項6記載のダイヤモンド膜
    の製造法。
  9. 【請求項9】基体のダイヤモンド粒子が埋め込まれた領
    域をパターン状に形成し、ダイヤモンドを成膜する工程
    を行いパターン状のダイヤモンド膜を得る請求項6記載
    のダイヤモンド膜の製造法。
  10. 【請求項10】基体にダイヤモンド粒子を埋め込む工程
    の後、該基体をマスクを介してエッチングすることによ
    り基体のダイヤモンド粒子が埋め込まれた領域をパター
    ン状にした後、ダイヤモンドを成膜する工程を行いパタ
    ーン状のダイヤモンド膜を得る請求項6記載のダイヤモ
    ンド膜の製造法。
  11. 【請求項11】前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が1000
    Å以下である請求項6記載のダイヤモンド膜の製造法。
  12. 【請求項12】前記ダイヤモンド粒子の平均粒径が500
    Å以下である請求項6記載のダイヤモンド膜の製造法。
  13. 【請求項13】ダイヤモンド粒子の全体の1/10以上を基
    体に埋め込む請求項6記載のダイヤモンド膜の製造法。
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