JP4199440B2 - 超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超微細加工方法に関し、特に、超強度弾性ダイヤモンド状炭素の微細構造体の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド状炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）化合物による薄膜や微細構造体は、その機械的特性、即ち、耐摩耗性、硬さ（ヤング率）などの点で非常に優れており、工業応用上、非常に重要である。
【０００３】
例えば、ＣＶＤ法によって形成されるＤＬＣ膜は、磁気ヘッドやハードディスクなどの磁気記憶媒体の表面保護膜に広く利用され、今日のエレクトニクス技術社会に不可欠の要素技術となっている。
【０００４】
このＤＬＣ膜などは、例えば芳香族系炭化水素をガスとし、光、電子ビーム、イオンビームを用い、表面励起反応によって原料ガスを分解生成することでダイヤモンド状薄膜を得る方法等が比較的よく知られている。
【０００５】
特に、近年の電子ビームやイオンビームを用いた電子・イオン励起反応によるＤＬＣ分解生成物は、例えば、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー誌２０００年（ＶＯＬ６）３１８１−３１８４ページにあるように、その加工寸法を数ナノメートルで制御することが可能であり、さらに、３次元の中空構造をも作り出すことが可能であることが示され、極めて重要なナノ加工技術となっている。
【０００６】
このようなＤＬＣによるナノ３次元構造体の作成技術は、ナノスケールでのメカニカルデバイス（ＮＥＭＳ）やバイオエレクトロニクスへの応用が考えられ、医療分野や、航空宇宙工学、量子演算コンピュータなどの次世代エレクトロニクスにいたる広範囲な分野での応用が期待される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなダイヤモンド状炭素の重要な基礎物性である硬さ（ヤング率）は、実際のデバイス、例えば共振を利用したフィルタや、ナノメカニカルデバイスなどの応用を考えたときに、極めて重要なパラメータであり、自然ダイヤモンドに近いものができるようになると、その工業的応用範囲は非常に広い。
【０００８】
従来報告されているＣＶＤ法による薄膜は磁気ヘッドや磁気記憶媒体の耐摩耗用保護膜として利用されているが、そのヤング率は約６００ＧＰａであった。自然界に産出される自然ダイヤモンド結晶の硬さが１２２０ＧＰａであり、地上で最大の硬さを誇る。一方、人工合成による薄膜の硬さはこの自然ダイヤの約半分である。また、近年注目されているナノチューブの硬さは約１０００ＧＰａであり、自然ダイヤモンドに近い。
【０００９】
発明者等は、研究の結果、ある条件のもとで、分解生成反応プロセスとイオンによるスパッタ衝撃との平行条件を制御しながら成長させることで、例えば、直径８０ナノメートル程度で２０μｍの長さを持つピラーにおけるヤング率をほぼ自然ダイヤモンド並の１０００ＧＰａレベルまでを達成・制御させる技術を開発した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、原料ガスとして、例えば、フェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）およびピレン（Ｃ１６Ｈ１０）ガスを用い、基板近傍に局所的に高いガス分圧維持させるためのガスノズルおよび基板上にガスを閉じこめる構造を有し、イオンビームによる照射条件を０．１〜１０ｐＡの集束イオンビーム電流量と、その時の成長速度が０．５〜５μｍ／分の範囲で制御することである技術を提供する。尚、収束イオンビームの原料ガス分圧が、１０ −７ Ｔｏｒｒオーダーレベルであってもよい。
【００１１】
即ち、本発明によれば集束イオンビームによる炭化水素ガスの化学分解生成反応を利用したダイヤモンド状炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）構造体の形成方法において、前記集束イオンビームの照射量を０．１〜１０ｐＡのイオンビーム電流量でもって制御することを特徴とする超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１２】
本発明によればまた、ダイヤモンド状炭素構造体の成長速度を０．５〜５μｍ／分にする前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１３】
本発明によればさらに、前記集束イオンビームのビーム照射タイミングを、所定時間の照射と所定時間の休止とが繰り返されるインターバルタイミングとした前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置された複数のガスノズルを設ける前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、前記ガスノズルを、その先端が基板からの距離が５００μｍ以下になるように配置する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置されたガスノズルと、ビーム照射位置の周囲に配置されたガス反射壁とを設ける前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁の高さを、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁の幅を、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁を、基板を囲うような形状に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を説明する。
【００２１】
集束イオンビーム装置と芳香族炭化水素ガスを用いた分解生成物形成方法において、本発明における形成方法の重要な指標となるのが成長速度である。
【００２２】
一般的にイオン照射による分解生成反応では、イオンと原料ガスとの直接の反応ではなく、イオン照射によって生じる２次電子が表面吸着ガスを分解する反応が主たる分解生成反応過程となる。
【００２３】
近年の集束イオンビーム装置の性能向上により集束イオンビームの有効ビーム径は５〜７ナノメートル程度となっている。
【００２４】
このような細いビームが基板もしくは分解生成物に照射されると、約３０ｋｅＶのイオンの場合数十ナノメートルの深さ侵入、前方散乱によりやはり数十ナノメートル程度広がって、基板もしくは分解生成物中で停止する。
【００２５】
この間の反応素過程として、オージェ過程や原子の外核角励過程、起非弾性散乱過程を経て、数ｅＶから数ｋｅＶの２次電子が放出される。これらの低エネルギーの２次電子の反応断面積は大きく、表面に吸着された原料ガスを非平衡で分解し、ＤＬＣが生成される。
【００２６】
結局、このような分解生成反応では、供給ガスが表面に吸着層を作る速さと２次電子量とで、化学平衡が形成される。つまり、ガス供給を多くし、同時に供給量に合わせてイオン照射量を増やせば、生成反応が優勢となって成長速度が速くなる。
【００２７】
しかし、実験的に知り得た結果では、図２に示すように、成長速度が速すぎると、生成物のヤング率は低くなる。
【００２８】
また、同じ成長速度であっても、単位時間のイオン照射量が少ない場合（イオン電流用が少ない場合に相当）にも、ヤング率は低くなる。
【００２９】
即ち、ＤＬＣピラーなどでそのヤング率を高くするには、成長速度とイオン電流用を適度に制御することが必要である。ガス供給を止め、かつイオン照射だけでは、基板はイオンスパッタされる。
【００３０】
イオンビームによるガスの分解生成反応では、原料ガスの分解生成反応と同時に、このイオンスパッタがおこり、イオン衝撃によるアモルファス化やたたき込みなどが起こり、ダイヤモンド状炭素生成物の硬度を硬くしていると考えられる。
【００３１】
つまり、本発明で示すような適当なイオン電流量と成長速度を与えることで、ＤＬＣ生成物のヤング率を制御し、ほぼ自然ダイヤモンドと同程度ヤング率を有するＤＬＣ生成物を得ることができる。
【００３２】
さらに、基板上の局所ガス分圧を制御する方法として、複数のガスノズルをイオンビーム照射位置中央に向けて配置し、基板表面上のガス分圧を高める方法が有効である。
【００３３】
しかし、利用するイオンビーム電流量によっては、必ずしも原料ガス分圧を高くすることが有効とはいえない。
【００３４】
そのような場合、単一ガスノズルと基板周囲のガス分圧を均一化する方法として、照射部分周囲をガス反射壁で囲う方法も有効である。
【００３５】
以上、超高強度ダイヤモンド状炭素分解生成物を得る方法として、集束イオンビーム装置と炭化水素ガスによる化学分解生成反応によるダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）構造物の形成方法において、該イオンビームの照射量を０．１〜１０ｐＡのイオンビーム電流量と、ＤＬＣ構造体の成長速度が０．５〜５μｍ／分である超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法成長方法が有効である。
【００３６】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、該集束イオンビーム装置のビーム照射タイミングを、一定の照射と休止を繰り返すインターバルタイミングを用いたビーム照射を用いる。
【００３７】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、集束イオンビーム装置のガス供給系において、ビーム照射位置に向かって複数のガスノズルを配置し、かつガスノズル先端位置が基板からの距離が大きくとも５００μｍ以下にするガスノズル配置構成方法と特徴とする。
【００３８】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、該集束イオンビーム装置のガス供給系において、ビーム照射位置の周囲に、ガスノズルと基板間の距離程度の高さをもち、また同距離程度の範囲を少なくとも１面以上の壁面によって構成されるガス反射壁を設けることを特徴とする。
【００３９】
【実施例】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１を参照すると、本発明の第一の実施の形態として超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法が示されている。
【００４１】
集束イオンビームが基板に照射され、同時に原料ガスが導入されている。原料ガスとしてはフェナントレンを用いている。イオンビーム照射位置にＤＬＣピラーが成長する。このとき、ビームの照射位置をＸ−Ｙで走査することで、３次元構造体、例えば、ビーカーやベローズのような形状のもの、あるいは、ワイングラスのような形状のもの等、自由に作成することが可能である。
【００４２】
このような３次元構造体を作ることが可能である点が、イオンビームによるＤＬＣ構造体作成技技術の大きな特徴である。このような３次元構造体を製造できる主たる要因は、イオンビームの物体中への侵入長・拡散長が比較的短いからである。つまり、イオン励起による２次電子の発生領域が狭いことを意味する。
【００４３】
このために、ポイントで照射するイオンビームの周囲数十ナノメートルの範囲で表面吸着層の分解生成反応が起こり、ナノスケールのピラーが成長する。
【００４４】
ここで、イオンビームの位置をピラー中心から序々にラジアル方向に移動させると、２次電子の発生場所も移動していく。
【００４５】
ビームポジションの移動にともない、移動側のピラー側壁での２次電子発生が始まり、側壁での分解生成反応により、側壁方向側（移動方向側）でＤＬＣの成長が起こる。
【００４６】
つまり、オーバーハングの形状が、１本のイオンビームで形成できるわけである。２次電子の発生領域が狭いために、側壁での成長範囲は数十ナノメートルに限定されることで、側壁での成長物が基板に到達・接触することはない。
【００４７】
ここで、イオンビームをＸ−Ｙ方向でスキャンし回転運動を与え、上（Ｚ）方向へ成長速度が１回転したときに、元の成長部分と接触しない程度に十分速ければ、例えば、コイルスプリングのような形状が形成できる。
【００４８】
ビームの回転速度が速く、回転毎の成長がＺ方向に連続し、さらにビームの回転半径を周期的に変調してやると、例えば、図６に示すようなベローズやビーカーのよな形状が成長する。さらに、このようなビームの回転による回転楕円体の成長とピラー成長を組み合わせると、ワイングラスのような形状も作成可能である。
【００４９】
このような造形物形状に対する自由度の高い制御が可能な集束イオンビームによるＣＶＤであるが、本発明を応用することで構造物の場所による硬さを自由に制御することが可能となる。
【００５０】
その条件は、例えば、原料ガスとしてフェナントレンを用い、直径約１００ナノメートルの極細のＤＬＣピラー成長に対する条件は、図２に示す曲線で示され、１ｐＡのイオンビームで原料ガス分圧を調整し（これは装置の排気量に依存し、各装置固有の値を持つ）、ＤＬＣピラーの成長速度を１．２〜２．０μｍ／分程度にすると、そのピラーのヤング率は７００〜９００ＧＰａが得られる。
【００５１】
この硬さは、ＷＣタングステンカーバイドの約６００ＧＰａを上回り、これは、ほぼ天然ダイヤモンド１２２０ＧＰａに近い値であり、極めて硬いＤＬＣ構造物を容易に得ることができる。逆に、ガス分圧を制御し成長速度を３μｍ／分程度に設定するとヤング率は２００ＧＰａ程度に、さらに早い成長速度にすると８０ＧＰａとなり、これは、アルミニウムや金のヤング率と同程度となる。このように、本発明を適用することで、ＦＩＢ（Focused Ion Beam、集束イオンビーム）ＣＶＤによるＤＬＣ構造物の硬さを、非常に広い範囲で自由に制御することが可能となる。
【００５２】
本発明でも使用するＦＩＢＣＶＤの装置では、一般に、供給ガス分圧の均一性をよくする必要がある。これは、表面吸着層形成速度が全周で均一でないと全方位にわたって均一な成長速度が得られないからである。良好な３次元構造を得るには、例えば、図３に示すような複数本のガス供給ノズルを装置内に設置することで達成される。
【００５３】
一方、ガス分圧の均一性を安価に制御する方法としては、図４に示すような方法もある。
【００５４】
１本のガスノズルを用いるので装置設計上の自由度も高くなる。このガスノズルに対向するように、高さがガスノズルと基板間の距離程度のガス反射壁を設ける方法である。この反射壁はノズルに対向した１面ないし直角を挟んだ２面、３面の囲い込み、さらには曲面で構成するなどの方法がある。
【００５５】
また、ガス分圧の制御は実際にはなかなか難しい。その理由は、ここで用いている成長速度を達成する、典型的な装置内ガス分圧が１０−７Ｔｏｒｒのオーダーであるからである。これは、装置の残留ガスのレベルと同程度となる。勿論、一般的には、基板近傍のガス分圧は、この値よりも高いと予測されるが、正確な値を決定することは困難であり、また、実用上あまり本質的な意味がない。
【００５６】
このような状況で適切なガス分圧を制御性よく得るための方法が、図５に示すタイムインターバルを用いた成長制御方法である。本発明の本質は、適切な量の表面吸着量とそれに対応した適切な量の照射イオンビーム量とが、ＤＬＣ構造物の硬さを規定する点にある。低いガズ分圧の時には、例えば、イオンビームの照射時間と、必要であればガス供給をも、周期的なタイミングで制御することで、ＤＬＣピラーの硬度を制御することが可能である。
【００５７】
以上のような装置構成と、イオン照射量およびピラー成長速度の条件を、実際の構造物に適応した例を示す。
【００５８】
例えば、図６に示すＤＬＣベローズは、最初基板上で形成した後に切り離し、マイクロ部品を結合するパーツとして屈伸運動などが必要な場所にマイクロマシンの一部として使われることが想定される。ここで重要な機能は、ベローズののび縮みとその耐久性である。
【００５９】
即ち、ベローズのエッジ部では硬く接着され、伸縮部では柔軟に伸縮することが必要である。このような場所による硬さの制御は本発明に開示する成長技術を応用することで簡単に達成することが可能である。
【００６０】
また、ＤＬＣピラーを応用したナノピンセットなどにおいても、同様の機能が求められる。
【００６１】
例えば、図７に示すように、ピラーの一部に柔らかい部分を導入することで、ピラー両端では硬く、屈曲が必要な場所のみを柔らかいＤＬＣで連続形成することが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による集束イオンビームを用いた超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を用いることで、自由にＤＣＬ構造体の強度を通常金属から自然ダイヤモンドに近い非常に広い範囲で自由に硬度を制御することが可能となり、高機能ナノ構造体を容易に得るための基本的設計指針を与える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を説明するための図である。
【図２】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法の成長条件を示す図である。
【図３】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給方法を示す図である。
【図４】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給方法を示す図である。
【図５】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給タイミングとビーム照射タイミングを示す図である。
【図６】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を適応した構造体例を示す図である。
【図７】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を適応した構造体例を示す図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、超微細加工方法に関し、特に、超強度弾性ダイヤモンド状炭素の微細構造体の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンド状炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）化合物による薄膜や微細構造体は、その機械的特性、即ち、耐摩耗性、硬さ（ヤング率）などの点で非常に優れており、工業応用上、非常に重要である。
【０００３】
例えば、ＣＶＤ法によって形成されるＤＬＣ膜は、磁気ヘッドやハードディスクなどの磁気記憶媒体の表面保護膜に広く利用され、今日のエレクトニクス技術社会に不可欠の要素技術となっている。
【０００４】
このＤＬＣ膜などは、例えば芳香族系炭化水素をガスとし、光、電子ビーム、イオンビームを用い、表面励起反応によって原料ガスを分解生成することでダイヤモンド状薄膜を得る方法等が比較的よく知られている。
【０００５】
特に、近年の電子ビームやイオンビームを用いた電子・イオン励起反応によるＤＬＣ分解生成物は、例えば、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー誌２０００年（ＶＯＬ６）３１８１−３１８４ページにあるように、その加工寸法を数ナノメートルで制御することが可能であり、さらに、３次元の中空構造をも作り出すことが可能であることが示され、極めて重要なナノ加工技術となっている。
【０００６】
このようなＤＬＣによるナノ３次元構造体の作成技術は、ナノスケールでのメカニカルデバイス（ＮＥＭＳ）やバイオエレクトロニクスへの応用が考えられ、医療分野や、航空宇宙工学、量子演算コンピュータなどの次世代エレクトロニクスにいたる広範囲な分野での応用が期待される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このようなダイヤモンド状炭素の重要な基礎物性である硬さ（ヤング率）は、実際のデバイス、例えば共振を利用したフィルタや、ナノメカニカルデバイスなどの応用を考えたときに、極めて重要なパラメータであり、自然ダイヤモンドに近いものができるようになると、その工業的応用範囲は非常に広い。
【０００８】
従来報告されているＣＶＤ法による薄膜は磁気ヘッドや磁気記憶媒体の耐摩耗用保護膜として利用されているが、そのヤング率は約６００ＧＰａであった。自然界に産出される自然ダイヤモンド結晶の硬さが１２２０ＧＰａであり、地上で最大の硬さを誇る。一方、人工合成による薄膜の硬さはこの自然ダイヤの約半分である。また、近年注目されているナノチューブの硬さは約１０００ＧＰａであり、自然ダイヤモンドに近い。
【０００９】
発明者等は、研究の結果、ある条件のもとで、分解生成反応プロセスとイオンによるスパッタ衝撃との平行条件を制御しながら成長させることで、例えば、直径８０ナノメートル程度で２０μｍの長さを持つピラーにおけるヤング率をほぼ自然ダイヤモンド並の１０００ＧＰａレベルまでを達成・制御させる技術を開発した。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、原料ガスとして、例えば、フェナントレン（Ｃ１４Ｈ１０）およびピレン（Ｃ１６Ｈ１０）ガスを用い、基板近傍に局所的に高いガス分圧維持させるためのガスノズルおよび基板上にガスを閉じこめる構造を有し、イオンビームによる照射条件を０．１〜１０ｐＡの集束イオンビーム電流量と、その時の成長速度が０．５〜５μｍ／分の範囲で制御することである技術を提供する。尚、収束イオンビームの原料ガス分圧が、１０ −７ Ｔｏｒｒオーダーレベルであってもよい。
【００１１】
即ち、本発明によれば集束イオンビームによる炭化水素ガスの化学分解生成反応を利用したダイヤモンド状炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）構造体の形成方法において、前記集束イオンビームの照射量を０．１〜１０ｐＡのイオンビーム電流量でもって制御することを特徴とする超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１２】
本発明によればまた、ダイヤモンド状炭素構造体の成長速度を０．５〜５μｍ／分にする前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１３】
本発明によればさらに、前記集束イオンビームのビーム照射タイミングを、所定時間の照射と所定時間の休止とが繰り返されるインターバルタイミングとした前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置された複数のガスノズルを設ける前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１５】
さらに、本発明によれば、前記ガスノズルを、その先端が基板からの距離が５００μｍ以下になるように配置する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置されたガスノズルと、ビーム照射位置の周囲に配置されたガス反射壁とを設ける前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁の高さを、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１８】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁の幅を、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００１９】
また、本発明によれば、前記ガス反射壁を、基板を囲うような形状に設定する前記超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を説明する。
【００２１】
集束イオンビーム装置と芳香族炭化水素ガスを用いた分解生成物形成方法において、本発明における形成方法の重要な指標となるのが成長速度である。
【００２２】
一般的にイオン照射による分解生成反応では、イオンと原料ガスとの直接の反応ではなく、イオン照射によって生じる２次電子が表面吸着ガスを分解する反応が主たる分解生成反応過程となる。
【００２３】
近年の集束イオンビーム装置の性能向上により集束イオンビームの有効ビーム径は５〜７ナノメートル程度となっている。
【００２４】
このような細いビームが基板もしくは分解生成物に照射されると、約３０ｋｅＶのイオンの場合数十ナノメートルの深さ侵入、前方散乱によりやはり数十ナノメートル程度広がって、基板もしくは分解生成物中で停止する。
【００２５】
この間の反応素過程として、オージェ過程や原子の外核角励過程、起非弾性散乱過程を経て、数ｅＶから数ｋｅＶの２次電子が放出される。これらの低エネルギーの２次電子の反応断面積は大きく、表面に吸着された原料ガスを非平衡で分解し、ＤＬＣが生成される。
【００２６】
結局、このような分解生成反応では、供給ガスが表面に吸着層を作る速さと２次電子量とで、化学平衡が形成される。つまり、ガス供給を多くし、同時に供給量に合わせてイオン照射量を増やせば、生成反応が優勢となって成長速度が速くなる。
【００２７】
しかし、実験的に知り得た結果では、図２に示すように、成長速度が速すぎると、生成物のヤング率は低くなる。
【００２８】
また、同じ成長速度であっても、単位時間のイオン照射量が少ない場合（イオン電流用が少ない場合に相当）にも、ヤング率は低くなる。
【００２９】
即ち、ＤＬＣピラーなどでそのヤング率を高くするには、成長速度とイオン電流用を適度に制御することが必要である。ガス供給を止め、かつイオン照射だけでは、基板はイオンスパッタされる。
【００３０】
イオンビームによるガスの分解生成反応では、原料ガスの分解生成反応と同時に、このイオンスパッタがおこり、イオン衝撃によるアモルファス化やたたき込みなどが起こり、ダイヤモンド状炭素生成物の硬度を硬くしていると考えられる。
【００３１】
つまり、本発明で示すような適当なイオン電流量と成長速度を与えることで、ＤＬＣ生成物のヤング率を制御し、ほぼ自然ダイヤモンドと同程度ヤング率を有するＤＬＣ生成物を得ることができる。
【００３２】
さらに、基板上の局所ガス分圧を制御する方法として、複数のガスノズルをイオンビーム照射位置中央に向けて配置し、基板表面上のガス分圧を高める方法が有効である。
【００３３】
しかし、利用するイオンビーム電流量によっては、必ずしも原料ガス分圧を高くすることが有効とはいえない。
【００３４】
そのような場合、単一ガスノズルと基板周囲のガス分圧を均一化する方法として、照射部分周囲をガス反射壁で囲う方法も有効である。
【００３５】
以上、超高強度ダイヤモンド状炭素分解生成物を得る方法として、集束イオンビーム装置と炭化水素ガスによる化学分解生成反応によるダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）構造物の形成方法において、該イオンビームの照射量を０．１〜１０ｐＡのイオンビーム電流量と、ＤＬＣ構造体の成長速度が０．５〜５μｍ／分である超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法成長方法が有効である。
【００３６】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、該集束イオンビーム装置のビーム照射タイミングを、一定の照射と休止を繰り返すインターバルタイミングを用いたビーム照射を用いる。
【００３７】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、集束イオンビーム装置のガス供給系において、ビーム照射位置に向かって複数のガスノズルを配置し、かつガスノズル先端位置が基板からの距離が大きくとも５００μｍ以下にするガスノズル配置構成方法と特徴とする。
【００３８】
前記超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法は、該集束イオンビーム装置のガス供給系において、ビーム照射位置の周囲に、ガスノズルと基板間の距離程度の高さをもち、また同距離程度の範囲を少なくとも１面以上の壁面によって構成されるガス反射壁を設けることを特徴とする。
【００３９】
【実施例】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１を参照すると、本発明の第一の実施の形態として超強度弾性ダイヤモンドライクカーボン形成方法が示されている。
【００４１】
集束イオンビームが基板に照射され、同時に原料ガスが導入されている。原料ガスとしてはフェナントレンを用いている。イオンビーム照射位置にＤＬＣピラーが成長する。このとき、ビームの照射位置をＸ−Ｙで走査することで、３次元構造体、例えば、ビーカーやベローズのような形状のもの、あるいは、ワイングラスのような形状のもの等、自由に作成することが可能である。
【００４２】
このような３次元構造体を作ることが可能である点が、イオンビームによるＤＬＣ構造体作成技技術の大きな特徴である。このような３次元構造体を製造できる主たる要因は、イオンビームの物体中への侵入長・拡散長が比較的短いからである。つまり、イオン励起による２次電子の発生領域が狭いことを意味する。
【００４３】
このために、ポイントで照射するイオンビームの周囲数十ナノメートルの範囲で表面吸着層の分解生成反応が起こり、ナノスケールのピラーが成長する。
【００４４】
ここで、イオンビームの位置をピラー中心から序々にラジアル方向に移動させると、２次電子の発生場所も移動していく。
【００４５】
ビームポジションの移動にともない、移動側のピラー側壁での２次電子発生が始まり、側壁での分解生成反応により、側壁方向側（移動方向側）でＤＬＣの成長が起こる。
【００４６】
つまり、オーバーハングの形状が、１本のイオンビームで形成できるわけである。２次電子の発生領域が狭いために、側壁での成長範囲は数十ナノメートルに限定されることで、側壁での成長物が基板に到達・接触することはない。
【００４７】
ここで、イオンビームをＸ−Ｙ方向でスキャンし回転運動を与え、上（Ｚ）方向へ成長速度が１回転したときに、元の成長部分と接触しない程度に十分速ければ、例えば、コイルスプリングのような形状が形成できる。
【００４８】
ビームの回転速度が速く、回転毎の成長がＺ方向に連続し、さらにビームの回転半径を周期的に変調してやると、例えば、図６に示すようなベローズやビーカーのよな形状が成長する。さらに、このようなビームの回転による回転楕円体の成長とピラー成長を組み合わせると、ワイングラスのような形状も作成可能である。
【００４９】
このような造形物形状に対する自由度の高い制御が可能な集束イオンビームによるＣＶＤであるが、本発明を応用することで構造物の場所による硬さを自由に制御することが可能となる。
【００５０】
その条件は、例えば、原料ガスとしてフェナントレンを用い、直径約１００ナノメートルの極細のＤＬＣピラー成長に対する条件は、図２に示す曲線で示され、１ｐＡのイオンビームで原料ガス分圧を調整し（これは装置の排気量に依存し、各装置固有の値を持つ）、ＤＬＣピラーの成長速度を１．２〜２．０μｍ／分程度にすると、そのピラーのヤング率は７００〜９００ＧＰａが得られる。
【００５１】
この硬さは、ＷＣタングステンカーバイドの約６００ＧＰａを上回り、これは、ほぼ天然ダイヤモンド１２２０ＧＰａに近い値であり、極めて硬いＤＬＣ構造物を容易に得ることができる。逆に、ガス分圧を制御し成長速度を３μｍ／分程度に設定するとヤング率は２００ＧＰａ程度に、さらに早い成長速度にすると８０ＧＰａとなり、これは、アルミニウムや金のヤング率と同程度となる。このように、本発明を適用することで、ＦＩＢ（Focused Ion Beam、集束イオンビーム）ＣＶＤによるＤＬＣ構造物の硬さを、非常に広い範囲で自由に制御することが可能となる。
【００５２】
本発明でも使用するＦＩＢＣＶＤの装置では、一般に、供給ガス分圧の均一性をよくする必要がある。これは、表面吸着層形成速度が全周で均一でないと全方位にわたって均一な成長速度が得られないからである。良好な３次元構造を得るには、例えば、図３に示すような複数本のガス供給ノズルを装置内に設置することで達成される。
【００５３】
一方、ガス分圧の均一性を安価に制御する方法としては、図４に示すような方法もある。
【００５４】
１本のガスノズルを用いるので装置設計上の自由度も高くなる。このガスノズルに対向するように、高さがガスノズルと基板間の距離程度のガス反射壁を設ける方法である。この反射壁はノズルに対向した１面ないし直角を挟んだ２面、３面の囲い込み、さらには曲面で構成するなどの方法がある。
【００５５】
また、ガス分圧の制御は実際にはなかなか難しい。その理由は、ここで用いている成長速度を達成する、典型的な装置内ガス分圧が１０−７Ｔｏｒｒのオーダーであるからである。これは、装置の残留ガスのレベルと同程度となる。勿論、一般的には、基板近傍のガス分圧は、この値よりも高いと予測されるが、正確な値を決定することは困難であり、また、実用上あまり本質的な意味がない。
【００５６】
このような状況で適切なガス分圧を制御性よく得るための方法が、図５に示すタイムインターバルを用いた成長制御方法である。本発明の本質は、適切な量の表面吸着量とそれに対応した適切な量の照射イオンビーム量とが、ＤＬＣ構造物の硬さを規定する点にある。低いガズ分圧の時には、例えば、イオンビームの照射時間と、必要であればガス供給をも、周期的なタイミングで制御することで、ＤＬＣピラーの硬度を制御することが可能である。
【００５７】
以上のような装置構成と、イオン照射量およびピラー成長速度の条件を、実際の構造物に適応した例を示す。
【００５８】
例えば、図６に示すＤＬＣベローズは、最初基板上で形成した後に切り離し、マイクロ部品を結合するパーツとして屈伸運動などが必要な場所にマイクロマシンの一部として使われることが想定される。ここで重要な機能は、ベローズののび縮みとその耐久性である。
【００５９】
即ち、ベローズのエッジ部では硬く接着され、伸縮部では柔軟に伸縮することが必要である。このような場所による硬さの制御は本発明に開示する成長技術を応用することで簡単に達成することが可能である。
【００６０】
また、ＤＬＣピラーを応用したナノピンセットなどにおいても、同様の機能が求められる。
【００６１】
例えば、図７に示すように、ピラーの一部に柔らかい部分を導入することで、ピラー両端では硬く、屈曲が必要な場所のみを柔らかいＤＬＣで連続形成することが可能である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による集束イオンビームを用いた超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を用いることで、自由にＤＣＬ構造体の強度を通常金属から自然ダイヤモンドに近い非常に広い範囲で自由に硬度を制御することが可能となり、高機能ナノ構造体を容易に得るための基本的設計指針を与える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を説明するための図である。
【図２】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法の成長条件を示す図である。
【図３】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給方法を示す図である。
【図４】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給方法を示す図である。
【図５】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法のガス供給タイミングとビーム照射タイミングを示す図である。
【図６】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を適応した構造体例を示す図である。
【図７】本発明による超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法を適応した構造体例を示す図である。
Claims (11)
- 集束イオンビームによる炭化水素ガスの化学分解生成反応を利用したダイヤモンド状炭素（ダイヤモンドライクカーボン、ＤＬＣ）構造体の形成方法において、
前記集束イオンビームの照射を０．１〜１０ｐＡのイオンビーム電流量で行い、
ダイヤモンド状炭素構造体の成長速度を０．５〜５μｍ／分とすることを特徴とする超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。 - 前記ダイヤモンド状炭素構造体の前記成長速度が、０．５〜２．０μｍ／分であることを特徴とする請求項１に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ダイヤモンド状炭素構造体の前記成長速度が、１．２〜２．０μｍ／分であることを特徴とする請求項１または２に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 収束イオンビームの原料ガス分圧が、１０ −７ Ｔｏｒｒオーダーレベルである請求項 1 乃至３のいずれか一項に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ダイヤモンド状炭素構造体のヤング率が７００〜９００Ｇｐａである請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置された複数のガスノズルを設ける請求項１乃至５のいずれか一項に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ガスノズルを、その先端が基板からの距離が５００μｍ以下になるように配置する請求項６に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記集束イオンビームを照射するための集束イオンビーム装置におけるガス供給系に、ビーム照射位置に向かって配置されたガスノズルと、ビーム照射位置の周囲に配置されたガス反射壁とを設ける請求項１乃至７のいずれか一項に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ガス反射壁の高さを、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する請求項８に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ガス反射壁の幅を、基板と前記ガスノズルと間の距離と同程度に設定する請求項８または９に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
- 前記ガス反射壁を、基板を囲うような形状に設定する請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の超強度弾性ダイヤモンド状炭素の形成方法。
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