JP5066651B2 - エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法およびこの下地基板を使用するエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents
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Description
この成膜されたイリジウム(Ir)下地の表面へ、イオンを含む直流プラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してなるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法であって、
直流プラズマによりバイアス核発生処理を施すに際して、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を7〜25mm、陽極―基板間距離を5〜11mmとした場合、放電気体をH 2 およびCH 4 、CH 4 濃度を2〜5%、放電気体圧力を80〜150Torr、放電電流密度を150〜250mA/cm 2 、放電電圧を250〜760V、基板温度を800〜1100℃、放電時間を30〜120秒の条件で行うことを特徴とする。
この成膜されたイリジウム(Ir)下地の表面へ、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を7〜25mm、陽極―基板間距離を5〜11mmとした場合、放電気体をH2およびCH4、CH4濃度を2〜5%、放電気体圧力を80〜150Torr、放電電流密度を150〜250mA/cm2、放電電圧を250〜760V、基板温度を800〜1100℃、放電時間を30〜120秒の条件で、イオンを含むプラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を形成し、
前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板上に、多電極型直流プラズマCVD装置を使用して、エピタキシャルダイヤモンド自立膜を得ることを特徴とする。
前記スパッタリング法によりイリジウム(Ir)膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板は、イリジウム(Ir)を成膜する表面の面方位を{100}とすると共に研磨面とすることを特徴とする。
図2は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するためのエピタキシャルIr薄膜を製造する高周波スパッタリング装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図2に示す高周波スパッタリング装置10において、排気系11はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、10-8Torr台まで真空排気が可能である。スパッタリング時の放電気体はアルゴン(Ar)を使用し、マスフローコントローラ12により流量調節が可能に構成されている。予備排気およびスパッタリング成膜時の圧力は、電離真空計により測定される。高周波電源13は、ターゲット14側および基板ヒータ15側の両方に接続可能とされている。ターゲット14には、直径5cm、純度99.95%以上のイリジウムIrが使用されている。また、ターゲット14の直下には、プレスパッタリング時にイリジウムIrが基板側に飛散するのを防止するため、シャッタ16が設置されている。基板ヒータ15は、直流電源17に接続されており、最高加熱温度1000℃で、大きさが直径5cmである。また、ターゲット14は、基板ヒータ15の約8cm上に設置されている。基板ヒータ15に隣接して、成膜時にイリジウムIrが金属配線に堆積するのを防止するため、絶縁板18を介して防着板19が設置されている。
基板20として単結晶酸化マグネシウムMgOを使用し、この基板20の面方位は{100}であり、大きさは直径1インチ(2.5cm)、厚さは1mm、研磨は片面研磨で、この研磨面側にエピタキシャルIrが成膜される。基板20を設置した後、真空チャンバ内を3×10-7Torr以下まで排気する。基板20を680℃まで加熱し、基板表面に付着している吸着ガス等を飛ばす。次に、Arを5sccm導入した後、圧力を1.5×10-3Torrに調節する。基板ヒータ15側に高周波電力を30W投入することにより、基板ヒータ15表面にプラズマを発生させる。このプラズマ処理を30分間行うことにより、基板20表面の吸着物を除去し、清浄表面を露出させる。次に、ターゲット14側に高周波電力を50W投入してターゲット14表面にプラズマを発生させる。最初の15分間は、大気圧リークした際に吸着したターゲット14表面の吸着物を除去するために、シャッタ16を閉じてプレスパッタリングを行う。そして、シャッタ16を開けて基板20表面にエピタキシャルIrの成膜を90分間行う。この際の成膜速度は、5nm/min.で、膜厚は450nmである。表1は、エピタキシャルIr薄膜の成膜条件を示す。
図3は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を製造するための前記エピタキシャルIr薄膜を成膜した下地基板20′へバイアス核発生処理を行う対向電極型直流プラズマ発生装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図3に示す対向電極型直流プラズマ発生装置30において、排気系31はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、10-8Torr台まで真空排気が可能である。バイアス核発生時の放電気体は水素(H2)およびメタン(CH4)を使用し、マスフローコントローラ32により流量調節が可能に構成されている。なお、この場合、放電気体は、個別に流量調節を行ってもよい。圧力は予備排気時に電離真空計により、バイアス核発生時にバラトロン真空計により測定される。装置中央部では、基板ホルダ33上のイリジウム(Ir)下地基板20′と陽極34が一定距離を置いて平行に設置されている。基板ホルダ33は、放電電力印加用の直流電源35に接続され、陽極34は接地されている。Ir下地基板20′を加熱するため、交流電源36に接続されたヒータ37が、基板ホルダ33の下部に設置されている。放電を開始させるため、可動式のトリガ38が基板ホルダ33と接触できる位置に設置されている。
*陽極34:モリブデンMo製円板が使用されている。
*基板ホルダ33:直径50mm、厚さ1mmのMo製円板は、発生するプラズマに対して十分に大きいことが重要であり、放電時には陰極として作用する。
*直流電源35:安定化電源回路等の電子制御機構を含み、出力は1kWである。
*ヒータ37:他の部分と電気的に絶縁されたMo製の発熱体のみに電流を流すことが可能である。
*トリガ38:直径0.5mmのタングステン(W)ワイヤが使用されている。
なお、トリガ38を使用する理由は、バイアス核発生条件として定めた放電気体圧力100Torrで放電させる必要があることから、パッシェンの法則を考慮すると本実施例における直流電源35では放電開始電圧を出力できないため、放電のきっかけを与える火花を発生させる必要があることである。すなわち、トリガ38は、火花を発生させるために使用される。
基板ホルダ33の中央部に、直径1インチ(2.5cm)のIr下地基板20′を設置し、トリガ38を基板ホルダ33に接触させた後、真空チャンバ内を1×10-6Torr以下まで排気する。次に、ヒータ37を電流52A、電圧3.0Vで通電し、基板温度を約400℃に設定する。その後、加熱を中止して基板の自然放冷を行った後、H2およびCH4を合計100Torr導入する。また、放電気体を計500sccm導入しながら、ロータリーポンプによる排気で圧力を一定に保つ。そして、再び基板の加熱を10分間行う。その後、基板ホルダ33に直流電圧を印加し、トリガ38を開放させる。火花をきっかけとして放電が開始される。放電開始後には、基板ホルダ33内に設置した熱電対で測定した温度を基に、温度コントローラによりヒータ制御を行うことで、バイアス核発生時の基板温度を安定化する。
図4は、本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜を製造するための前記バイアス核発生処理を施したエピタキシャルIr下地基板40、すなわち本発明に係るエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を使用して、エピタキシャルダイヤモンド成長処理を行う多電極型直流プラズマCVD装置の一実施例を示す概略構成図である。
すなわち、図4に示す多電極型直流プラズマCVD装置50において、排気系51はロータリーポンプとターボ分子ポンプとからなり、10-8Torr台まで真空排気が可能である。エピタキシャルダイヤモンド成長時の放電気体は水素(H2)およびメタン(CH4)を使用し、マスフローコントローラ52により流量調節が可能に構成されている。なお、この場合、放電気体は、個別に流量調整を行ってもよい。圧力は予備排気時に電離真空計により、エピタキシャルダイヤモンド成長時にバラトロン真空計により測定される。装置中央部には、水冷台53に置かれた2枚のMo製円板54の上部に前記Ir下地基板40が設置され、40mm上方に3本の陰極55が18mm間隔で配置されている。陰極55には各1台ずつ直流電源56が接続されている。可動式のMo製シャッタ57がIr下地基板40の2mm上方に設置されており、接地と浮動電位との切り替えが可能に構成されている。
*直流電源56:安定化電源回路等の電子制御機構を含み、1台の出力は3kWである。
*陰極55:直径5mmのタンタル(Ta)製ロッドに直径1mmのTa製ロッドが接続されている。直径1mmの陰極は先端を丸くし、その根元が削られている。
Mo製円板54の中央部に、直径1インチ(2.5cm)のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板40を設置した後、真空チャンバ内を1×10−6Torr以下まで排気する。H2を5Torr導入した後、接地したシャッタ57をエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板40の上方へ回転させる。各陰極55に電力を投入して、陰極55−シャッタ57間で放電を開始させる。放電電流は陰極55の1本当り300mAである。H2を114Torrまで徐々に導入した後、陰極55の1本当り放電電流を1000mAまで徐々に増加させる。
次いで、CH4を導入して圧力を120Torrに設定する。放電気体を計500sccm導入しながら、ロータリーポンプによる排気で圧力を一定に保つ。陰極55の1本当りの放電電流を1266mAまで徐々に増加させる。CH4を導入した時から10分後にシャッタ57を開き、陰極55−基板間の放電に移行させる。放電が完全に移行した後に、シャッタ57を浮動電位に切り替える。陰極55−基板間の放電に移行した時から、ダイヤモンド成長開始とする。基板温度は、オプティカルパイロメータを使用して基板側面を測定する。
基板温度を890℃とし、表4に示すように、12通りの電極レイアウトの設定で、バイアス核発生を施したエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板に対して、それぞれエピタキシャルダイヤモンド成長を3分間行った。
このようにして、エピタキシャルダイヤモンド成長を行った基板の直径上を、SEMで、端部を除き、3mm間隔でそれぞれ7カ所観察し、各位置でのダイヤモンド粒子数密度を測定した。この結果、それぞれ測定された粒子数密度の平均値とばらつきは、表4に示す通りである。
表4から明らかなように、平均値は107−108/cm2、ばらつきは±20〜50%の範囲で変化した。従って、これらの実施例において、最も均一かつ高密度なダイヤモンド粒子が得られる条件としては、陽極直径が15mm、20mmで、陽極―基板間距離が8mmの電極レイアウトとした場合であることが確認された。
放電電流を増加させる場合は、発熱量は放電電流に比例し、基板ホルダの熱容量は体積と比例するから、放電電流と基板ホルダの体積の比を一定にすれば、大面積化に適用できると考えられる。
11 排気系
12 マスフローコントローラ
13 高周波電源
14 ターゲット
15 基板ヒータ
16 シャッタ
17 直流電源
18 絶縁板
19 防着板
20 基板
20′ Ir下地基板
30 対向電極型直流プラズマ発生装置
31 排気系
32 マスフローコントローラ
33 基板ホルダ
34 陽極
35 直流電源
36 交流電源
37 ヒータ
38 可動式のトリガ
40 バイアス核発生処理を施したIr下地基板/
/(エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板)
50 多電極型直流プラズマCVD装置
51 排気系
52 マスフローコントローラ
53 水冷台
54 Mo製円板
55 陰極
56 直流電源
57 Mo製シャッタ
Claims (4)
- 単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板上に、真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム(Ir)膜をエピタキシャル成長により成膜し、
この成膜されたイリジウム(Ir)下地の表面へ、イオンを含む直流プラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施してなるエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法であって、
直流プラズマによりバイアス核発生処理を施すに際して、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を7〜25mm、陽極―基板間距離を5〜11mmとした場合、放電気体をH2およびCH4、CH4濃度を2〜5%、放電気体圧力を80〜150Torr、放電電流密度を150〜250mA/cm2、放電電圧を250〜760V、基板温度を800〜1100℃、放電時間を30〜120秒の条件で行うことを特徴とするエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法。 - 前記真空蒸着法またはスパッタリング法によりイリジウム(Ir)膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板は、イリジウム(Ir)を成膜する表面の面方位を{100}とすると共に研磨面とすることを特徴とする請求項1記載のエピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の製造方法。
- 単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板上に、スパッタリング法によりイリジウム(Ir)膜をエピタキシャル成長により成膜し、
この成膜されたイリジウム(Ir)下地の表面へ、対向電極型直流プラズマ発生装置を使用し、陽極直径を7〜25mm、陽極―基板間距離を5〜11mmとした場合、放電気体をH2およびCH4、CH4濃度を2〜5%、放電気体圧力を80〜150Torr、放電電流密度を150〜250mA/cm2、放電電圧を250〜760V、基板温度を800〜1100℃、放電時間を30〜120秒の条件で、イオンを含むプラズマを暴露することによりエピタキシャルダイヤモンド核を形成するバイアス核発生処理を施して、エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板を形成し、
前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板上に、多電極型直流プラズマCVD装置を使用して、エピタキシャルダイヤモンド自立膜を得ることを特徴とするエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法。 - 前記エピタキシャルダイヤモンド膜下地基板の形成に際して、
前記スパッタリング法によりイリジウム(Ir)膜をエピタキシャル成長させる単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板は、イリジウム(Ir)を成膜する表面の面方位を{100}とすると共に研磨面とすることを特徴とする請求項3記載のエピタキシャルダイヤモンド膜の製造方法。
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