JP3777677B2

JP3777677B2 - 絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜とその製造方法

Info

Publication number: JP3777677B2
Application number: JP27648496A
Authority: JP
Inventors: 康充筒井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JPH10125672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は炭素膜の表面処理に関し、特に、電子デバイスに用いるためにフッ素化された絶縁性の表面パターンを有する炭素膜とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の表面は、その表面の炭素原子のダングリングボンドが水素原子で終端している場合にｐ型の導電性を示す。したがって、近年はこのような水素終端した表面領域を含む炭素膜を用いて電子デバイスを形成することが試みられている。ところで、炭素膜の表面に集積回路を形成するためには、水素終端した表面領域であるｐ型導電性領域の他に回路素子分離のための絶縁性表面領域をも形成する必要がある。
【０００３】
このように、炭素膜の表面に導電性領域と絶縁性領域との２種類の領域を形成する方法の一例が、応用物理学会１９９４年秋季学術講演会予稿集２０ｐ−Ｐ−９において中村らによって提案されている。中村らによれば、まずＭＰＣＶＤ法によって形成された炭素膜を空冷して、その表面全体が絶縁化される。そして、炭素膜の絶縁化された表面上に、ＲＦスパッタ法でＳｉＯ₂膜が部分的に形成される。そのＳｉＯ₂膜をマスクとして、たとえば３５Ｔｏｒｒの圧力下の水素プラズマ中で８００℃にて２分間炭素膜を処理することによって、炭素膜表面にｐ型導電性の水素終端領域が形成される。
【０００４】
炭素膜の表面に導電性領域と絶縁性領域を形成する方法のもう１つの例が、応用物理学会１９９５年秋季学術講演会予稿集２９ｐ−Ａ−１２において外園らによって提案されている。外園らによれば、まず全表面が水素終端された炭素膜が用意され、その炭素膜表面上に所定のパターンのＡｕマスクが形成される。この炭素膜表面をＡｒ⁺イオンで照射することによって、Ａｕマスクで覆われていない表面領域が絶縁化される。このとき、Ａｒ⁺イオンの照射条件としては、たとえば３０ｋｅＶの加速電圧と１．７×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ²のドーズ量が用いられる。なお、Ａｕマスクはそのまま金属導電領域として利用することができ、また、Ａｕマスクの全部または一部が除去された領域はｐ型導電性領域として利用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述の中村らによる先行技術においては、炭素膜表面上にＳｉＯ₂マスクを形成するために、処理されるべき各炭素膜ごとにＣＶＤ法，フォトリソグラフィ法，さらにエッチングなどの多くの工程を必要とし、手間がかかる。
【０００６】
外園らの技術においても、炭素膜表面上にＡｕマスクを形成するために、各炭素膜ごとに蒸着，フォトリソグラフィ，さらにエッチングなどの多くの工程を必要とする。また、Ａｕマスクの周縁部におけるイオンの回り込みやイオン衝撃による２次電子などの影響によって、絶縁化表面パターンの周縁部がぼやけやすい。さらに、イオン衝撃によって炭素膜が損傷を受けることもある。
【０００７】
以上のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、簡略かつ高精度に形成され得る微細な絶縁性表面パターンを含む炭素膜とその製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜は、フッ素原子で覆われた第１の絶縁性表面パターンと；水素原子，酸素原子，水酸基，および金属原子から選択された１種によって覆われた第２の表面パターンとを含むことを特徴としている。
【０００９】
このような本発明の第１の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜においては、フッ素原子で覆われた第１の表面パターンによって撥水性で極めて安定な絶縁表面を得ることができる。また、第２の表面パターンが水素原子で覆われている場合には、その第２の表面パターンは集積回路におけるｐ型導電領域として利用することができる。さらに、第２の表面パターンが酸素原子もしくは水酸基によって覆われている場合には、これらの酸素原子や水酸基は親水性であるので、その第２の表面パターン上に無電界めっきによって金属層パターンを形成することができ、そのような金属パターンは集積回路における電気配線パターンとして利用することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法は、炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガスに接触させてフッ素化し；酸素と水素から選択された一方の元素を含むガス雰囲気中に炭素膜を配置し；光マスクを介して２５０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波長の光を所定のパターンで炭素膜の表面に照射することによって、その所定のパターン内でフッ素元素を選択された水素または酸素で置換することを特徴としている。
【００１１】
このような本発明の第２の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法においては、高精度の光マスクを介して所定の短波長の光を炭素膜の表面に照射することによって、炭素膜の表面と強固に結合しているフッ素原子を水素原子または酸素原子と置換することができる。したがって、この置換反応において炭素膜を高温にする必要がないので、炭素膜の熱的損傷を防止することができる。また、反応原子中の電子を波長の短い光を用いて励起するので、光マスクを用いたパターニングにおける回折効果が小さく、空間選択性の高い高精度のフッ素化表面パターンを得ることができる。
【００１２】
本発明の第３の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法は、炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガス中に接触させてフッ素化し；炭素膜の表面を水の薄膜層で覆い；光マスクと水の薄膜層を介して２５０ｎｍ〜１００ｎｍおよび１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内に含まれる波長の光を所定のパターンで炭素膜の表面に照射することによって、所定のパターン内でフッ素元素を酸素と水酸基の少なくとも一方で置換することを特徴としている。
【００１３】
このような本発明の第３の態様による絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法においては、炭素膜表面上のフッ素原子が光照射の下に酸素原子もしくは水酸基と置換され得る。したがって、炭素膜は雰囲気調整し得る真空容器内に配置する必要がなく、炭素膜上のフッ素原子の一部をより簡便に酸素原子もしくは水酸基と置換することができる。なお、このような本発明の第３の実施の態様によって得られる炭素膜上のフッ素化された表面パターンの微細な精度は本発明の第２の態様による方法の場合と同様であることが容易に理解されよう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施の形態においては、まず炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素化される。この炭素膜は、ダイヤモンド膜やダイヤモンド構造を含むダイヤモンド状炭素膜であることが望ましい。炭素膜の表面をフッ素化させるには、炭素膜をフッ素ガス中に一定時間保持すればよい。このフッ素化反応は低温でも進行するが、炭素膜を２００℃〜３００℃の温度に加熱すれば反応速度が高められる。
【００１５】
炭素膜の表面における炭素原子のダングリングボンドがフッ素原子で終端された場合、それらのフッ素原子は炭素膜表面上で極めて安定に存在し得る。特に、ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の表面がフッ素化された場合、そのフッ素化表面は非常に安定な撥水性の絶縁表面になる。このとき、炭素膜表面が絶縁性になるためには、表面におけるすべての炭素原子がフッ素原子に覆われる必要がなく、それらの炭素原子の５０％以上がフッ素原子によって覆われれば十分な絶縁性が得られる。
【００１６】
以上のことから、炭素膜表面をフッ素化することによって、容易にその炭素膜表面を安定な絶縁性表面にし得ることが理解されよう。しかし、このことは、逆に言えば、炭素膜表面上のフッ素原子を熱的に脱離させたり他の原子もしくは分子と置換することによって絶縁性フッ素化表面をパターン化することが困難であることを意味する。たとえば、炭素膜表面上のフッ素原子を熱エネルギによる活性化によって水素原子と置換するには、５００℃以上の温度が必要である（たとえば、ＪＮＤＦ第９回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集，１９９５，第６４頁下から第４行〜第３行参照）。したがって、５００℃以上の温度における熱プロセスによって炭素膜の絶縁性フッ素化表面から所定の領域中のフッ素原子を除去して絶縁性表面をパターン化することは困難である。そこで、本発明においては、光照射による原子の活性化を利用して炭素膜表面上のフッ素原子を他の原子もしくは分子で置換することによって、絶縁性フッ素化表面をパターン化することを意図している。なお、本願明細書においては、光とは可視光のみならず紫外線やＸ線などをも含む意味で用いられている。
【００１７】
図１は、全表面がフッ素化によって絶縁性にされた炭素膜をパターニングする方法の一例を説明するための概略的な断面図である。図１の方法において、真空チャンバ１内の試料ステージ２上に炭素膜３がセットされる。炭素膜３上には所定のパターンを有する光マスク４が配置され、その光マスク４はマスクフレーム４ａによって支持されている。なお、光マスク４はマスクフレーム４ａなしに直接炭素膜３上に配置されてもよいことは言うまでもない。
【００１８】
真空チャンバ１は、窓膜５によって封止されている。窓膜５として、必要に応じて、特定の波長の光を選択するためのフィルタ膜を用いてもよい。真空チャンバは、まず排気弁６を介して真空にされる。その後、水素原子または酸素原子を含むガスがガス導入弁７を介して導入される。そして、炭素膜３の表面には光マスク４を介して光８が照射される。光８は原子中の電子を励起することによって原子を活性化し、化学反応を促進させる。そのために、光８として、２５０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の短い波長を有する光が用いられる。このような短い波長範囲の光は紫外線やＸ線に相当するが、シンクロトロン放射光を用いれば、このような波長範囲の任意の波長を有する光を利用することができる。光８としてシンクロトロン放射光を用いる場合、通常はシンクロトロン装置の真空を維持するために真空弁９が設けられる。しかし、場合によっては、窓膜５と真空弁９のいずれか一方を省略することも可能である。
【００１９】
図１の真空チャンバ１内に水素原子を含むガスが導入されている場合、炭素膜３のフッ素化された表面のうち、光マスク４を介して光８が照射された領域のみにおいてフッ素原子が水素原子に置換される。そして、炭素膜の水素化された表面はｐ型導電性領域になり、残存するフッ素化表面領域が絶縁性表面パターンとして残される。
【００２０】
このとき、置換反応は原子を熱的に活性化させて行なわれるのではなく、光によって原子中の電子を励起することによって行なわれるので、炭素膜が熱的損傷を受けることがない。また、フッ素化表面のパターニングは微細で高精度の光マスクを通過した光によって行なわれ、しかも回折効果の小さな短波長の光によって行なわれるので、微細で高精度の絶縁性表面パターンの形成が可能となる。
【００２１】
ところで、図１の真空チャンバ１内に酸素ガスを含むガスが導入されている場合、光マスク４を介して光８が照射された領域の表面は、フッ素原子と置換した酸素原子で終端することになる。このように酸素原子で終端した表面は親水性であり、他方、フッ素化表面パターンは撥水性であるので、親水性表面領域上のみにおいて無電界めっきによって容易に金属膜パターンを形成することができる。
【００２２】
以上のようにして得られた微細で高精度のフッ素化表面の絶縁性パターンおよび水素化表面のｐ型導電性パターンもしくは金属化された導電配線パターンを含む炭素膜を用いて、その表面上にＴＦＴ等を含む高密度の集積回路を形成することが可能となる。
【００２３】
図２は、全表面がフッ素化によって絶縁性にされた炭素膜をパターニングする方法のもう１つの例を説明するための概略的な断面図である。図２の方法においては、試料ステージ２上に炭素膜３がセットされる。炭素膜３上には水の薄膜層１０が付与され、その水の薄膜層１０上には押さえシートもしくは板１１が被せられる。そして、光マスク４が押さえシートもしくは板１１上に配置される。このような状態において、窓膜５と光マスク４を介して光８が炭素膜３の表面に照射される。
【００２４】
このとき、光８として、好ましくは２５０ｎｍ〜１００ｎｍおよび１ｎｍ〜０．１ｎｍの波長範囲に含まれる波長を有する光が用いられる。なぜならば、１００ｎｍ〜１ｎｍの範囲内の波長を有する光を十分透過できる窓膜がないためである。また、炭素膜３が大気中に配置されている場合には、大気中の酸素によって吸収されにくい１８０ｎｍより大きな波長を有する光を用いることが好ましい。なお、炭素膜３をたとえばヘリウム雰囲気中に配置すれば、酸素による光の吸収を考慮する必要はない。
【００２５】
２５０ｎｍ〜１００ｎｍの波長の光８が用いられる場合、そのような光に対して高い透過性を有するシリカガラス，ＬｉＦ，またはポリイミドなどが押さえシートもしくは板１１および窓膜５として用いることができる。他方、１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波長の光８が用いられる場合、そのような波長の光に対して良好な透過性を有するベリリウムが押さえシートもしくは板１１や窓膜５として用いることができる。
【００２６】
図２に示されているように光８が炭素膜３に照射される場合、炭素膜３の表面において光８による原子の活性化によって、フッ素原子が酸素原子もしくは水酸基と置換される。こうして、酸素原子もしくは水酸基によって覆われた炭素膜表面は浸水性表面となり、残存するフッ素化表面領域が撥水性の絶縁表面パターンとして残される。したがって、その親水性表面領域上のみにおいて無電界めっきによって容易に金属膜パターンを形成することができる。
【００２７】
さらに、図２に示された方法において、水の層１０として昇温された湯を用いるか、または水の層１０がホウ酸，過酸化水素水，もしくはアンモニア水を含む溶液を用いることで炭素膜表面上のフッ素原子を水との反応によって酸素原子もしくは水酸基と置換する反応を促進させることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡易かつ高精度に形成され得る絶縁性の微細な表面パターンを含む炭素膜とその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により炭素膜表面上に絶縁性フッ素化表面パターンを形成する方法の一例を示す概略的な断面図である。
【図２】本発明により炭素膜表面上に絶縁性フッ素化表面パターンを形成するもう１つの例を示す概略的な断面図である。
【符号の説明】
１真空チャンバ
２試料ステージ
３炭素膜
４光マスク
４ａマスクフレーム
５窓膜
６排気弁
７ガス導入弁
８照射光
９真空弁
１０水の薄膜層
１１押さえシートもしくは板

Claims

フッ素原子で覆われた第１の絶縁性表面パターンと、
水素原子，酸素原子，水酸基，および金属原子から選択された１種によって覆われた第２の表面パターンと
を含むことを特徴とする絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜。
前記第１の絶縁性表面パターン内では表面炭素原子の５０％以上がフッ素原子によって覆われていることを特徴とする請求項１に記載の炭素膜。
前記炭素膜はダイヤモンド構造を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の炭素膜。
炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガスに接触させてフッ素化し、
酸素と水素から選択された一方の元素を含むガス雰囲気中に前記炭素膜を配置し、
光マスクを介して２５０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波長の光を所定のパターンで前記炭素膜の表面に照射することによって、前記所定のパターン内で前記フッ素元素を前記選択された元素で置換することを特徴とする絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法。
炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガス中に接触させてフッ素化し、
前記炭素膜の表面を水の層で覆い、
光マスクと前記水の層を介して２５０ｎｍ〜１００ｎｍおよび１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内に含まれる波長の光を所定のパターンで前記炭素膜の表面に照射することによって、前記所定のパターン内で前記フッ素元素を酸素と水酸基の少なくとも一方で置換することを特徴とする絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法。
前記水は昇温されていることを特徴とする請求項５に記載の炭素膜の製造方法。
前記水はホウ酸，過酸化水素水，およびアンモニアから選択された１つを含むことを特徴とする請求項５または６に記載の炭素膜の製造方法。
酸素と水酸基の少なくとも一方によってフッ素が置換された前記所定パターン上に無電界めっきによって金属膜を形成することを特徴とする請求項４から７のいずれかの項に記載の炭素膜の製造方法。