JPH01298093A - ダイヤモンド膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、グラファイト等をターゲットとして基体上に
ダイヤモンド蒸着膜を製造する方法に関する。

［従来の技術］ ダイヤモンドは非常に硬い、電気絶縁性が高い、熱伝導
性が高い、屈折率が高いなどの特性を有する。したがっ
て、薄膜状のダイヤモンドは、絶縁膜、保護膜、電子素
子材料、あるいは光学薄膜としての利用が期待されてお
り、既にスピーカー振動板などに実用されている例もあ
る。

そのようなダイヤモンド薄膜を気相から合成する方法と
しては、従来より、例えば下記（ａ）および下記（ｂ）
のような方法が知られている。

（ａ）イオンビーム蒸着法により炭素原子含有イオンを
蒸発させ、かつそのイオンを電界印加引き出しを行ない
加速して基体に衝突させ、その基体上にダイヤモンドと
類似の特性を有するカーボン膜を形成するＰＶＤ法。

上記（ａ）のようなＰＶＤ法においては、基体温度が低
温で、硬質で絶縁性に優れる炭素膜を形成することがで
きる。

（ｂ）メタンなどの炭化水素と大過剰の水素の混合ガス
を、熱電子放出部材存在下であるいは無電極放電により
分解し、加熱された基体上にＳＰ３結合を有するカーボ
ンを選択的に蒸着させるＣＶＤ法。

上記（ｂ）のようなＣＶＤ法においては、一般にアモル
ファス成分の少ないダイヤモンド多結晶膜を形成するこ
とができる。

なお、上記（ｂ）のようなＣＶＤ法においては、基底状
態のメチルラジカルが成膜反応に深く関与していると推
定されているやしたがって、メチルラジカルを発生し易
い材料（例えばアセトン、アルコール等）を用いること
により成膜速度を上昇させることができるという報告も
ある（第４４回金属表面アカデミツク研究討輪講演概要
）、また、炭素−炭素結合の形成およびダイヤモンド構
造の生成は十分に加熱された基体上表面反応によるため
気相中でメチルラジカル同士が不必要な重合反応を起こ
さないように、あるいは析出した不必要なグラファイト
成分を除去するために大過剰の水素ガスが必要とされる
。一般にＣＨ４−Ｈ，系では、メタンガス分圧５％以下
で良好なダイヤモンドが得られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記（ａ）のようなＰＶＤ法で成膜を行
なう場合には、アモルファス成分の多い膜しか得られな
い。

また、上記（ｂ）のようなＣＶＤ法においては、以下の
ような問題が有る ・成膜速度が遅い。

・基体を高温（８００℃以上）に加熱しなければならな
い。それ故に、耐熱性を有する基板しか使用できない。

・基板に微小な傷を形成する等の特別の処理をしないと
、良好なダイヤモンド結晶が得られない。

・原料ガスに大過剰の水素ガスを混合するので、成膜速
度が遅く、その表面の凹凸も大きい。

つまり、上記（ａ）　、　（ｂ）のどちらの方法も、低
温下で、膜質の良好なダイヤモンド膜を迅速に製造でき
る方法ではなかった。

本発明は、そのような課題を解決するためになされたも
のであり、その目的は、低温下で、膜質の良好なダイヤ
モンド膜を迅速に製造できる方法を提供することにある
。

【課題を解決するための手段］ 本発明は、不活性ガス、水素ガスおよび窒素ガスより成
る群より選ばれた一種以上のガスからの電子サイクロト
ロン共鳴プラズマを引き出して基板上に照射した状態で
、グラファイトまたはダイヤモンドをターゲットとして
、電子銃により該基板上にダイヤモンドを気相成長させ
ることを特徴とするダイヤモンド膜の製造方法である。

更に詳しく述べるならば、本発明の製造方法は、下記（
イ）および（ロ）のような特定の方法を同時に行なって
、ダイヤモンド膜を製造することを主な特徴とする。

（イ）グラファイトまたはダイヤモンドという炭素のみ
から構成される物質（ターゲット）を、電子銃により蒸
発させ、その蒸発物質を基板上に蒸着することにより、
ダイヤモンド膜を成膜する。

（ロ）不活性ガス、水素ガス、窒素ガスより成る群より
選ばれた一種以上のガスの高密度な電子サイクロトロン
共鳴（ＥＣＲ）プラズマを引き出し、基板上にアシスト
照射する。

上記（イ）および（ロ）の方法を同時に行なうことによ
り、低温で、しかも熱フイラメント法やμ−ＰＣＶＤ法
などの従来のＣＶＤ法（ｂ）のようにＨの混入すること
が無く、かつ３　ｐ　２炭素の混入が無い、Ｓｐ３炭素
のみの結晶性の良好なダイヤモンド膜を、基体を特別に
処理することなく成膜できる。

いいかえるならば、（ロ）の高密度および高励起状態の
ＥＣＲプラズマを基体に照射す方法を併用することによ
り、結晶性が高く、二重結合を含む炭素が少ないダイヤ
モンド類似の性質をもった炭素膜が合成できる。

これは、ＥＣＲプラズマの高密度で高励起状態のイオン
や電子が基体表面の活性化状態を上げるため、炭素原子
が基体表面でマイグレーションを行ない、結晶性が上昇
し、更には、結晶状態の弱いアモルファスやグラファイ
ト相が除去されていくためである。

本発明における基体温度は、室温〜３００℃程度でよい
。

本発明の方法においては、成膜の際の基体温度が低いの
で、基体として例えば光学ガラス、プラスチック、Ｉ’
ｌｌなどを用いることができる。

本発明に用いることのできる不活性ガスとは、例えばヘ
リウム、アルゴンガスなとである。

本発明の電子サイクロトロン共鳴に用いるマイクロ波は
、１〜１０　Ｇ　＋＋□程度のものが望ましく、その投
入電力は５０〜５００Ｗ程度が望ましい。

第１図は、本発明の方法に用いることのできる成膜装置
の一例を示す模式図である。この図に示すような、 （ａ）電子銃によりターゲットを基体上に蒸着する手段
と、 （ｂ）基体上にプラズマをアシスト照射する手段との双
方の手段を有する装置を用いて本発明を実施することが
できる。

第１図に示す装置には、（ａ）の手段として、成膜室１
の内部に、ターゲットを蒸発させるための電子銃２と、
基体４を設置するための基体ホルダー９と、基体４上に
形成される膜の膜厚をモニターするための膜厚モニター
５とが備えられている。

また、（ｂ）の手段として、空洞共振器としてのプラズ
マ生成室３と、プラズマ生成室３に接続されたマイクロ
波導波管６およびガス導入管８と、電子サイクロトロン
共鳴のための磁界を発生させるため及びプラズマを成膜
室１に導くための磁気勾配を発生させるための磁気コイ
ル７が備えられている。

また、プラズマ生成室３は成膜室１に接続されており、
プラズマ生成室３で生成されたプラズマが、成膜室１内
の基体４に直接照射できるような接続角度になっている
。

成膜室１内に基体４を設置し、所定の反応条件でグラフ
ァイトまたはダイヤモンドを電子銃２によって基体４上
に蒸着させ、それと同時に、プラズマ生成室３内にマイ
クロ波導波管６およびガス導入管８より各々マイクロ波
および原料ガスを導入し、かつ磁気コイル７により磁界
を発生させて、その原料ガスのＥＣＲプラズマを形成し
、このプラズマを磁気コイル７により発生させた磁界勾
配により成膜室１に導き、基体４上にアシスト照射する
ことによって、本発明の方法を行なうことができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。

実施例１ 第１図に示した装置を用い、以下のような条件で本発明
の方法を実施した。

基体４としてＳｉを用い、基体温度は１００℃とし、成
膜室１内の真空度はＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとした。

また、プラズマ生成室３の真空度は２　Ｘ　１０−’Ｔ
ｏｒｒとし、ガス導入管８よりヘリウムガスを１１０５
ＣＣで導入し、磁気コイル７によりマイクロ波導入窓位
置で８７５ガウスの磁界を発生させ、同時に２、４５Ｇ
）ｌｚのマイクロ波を投入パワー５００Ｗでマイクロ波
導波管６からプラズマ生成室３へ導波し、電子サイクロ
トロン共鳴（ＥＣＲ）を用いて、へ、リウムのＥＣＲプ
ラズマを形成した。

次に、そのヘリウムのＥＣＲプラズマを磁気コイル７の
磁界により成膜室１に引き出した。この時の成膜室１の
真空度はＩ　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒとした。次に、その
ＥＣＲプラズマを基体４上に照射しつつ、グラファイト
を電子銃により蒸着してダイヤモンド膜を形成した。こ
の膜の成膜速度は６μｌＩ／時であった。

得られたダイヤモンド膜は、Ｘ線および電子線回折によ
りダイヤモンド結晶であることが認められ、ＳＥＭ観察
によれば結晶の自形が認められる膜であった。また、そ
の膜のビッカース硬度は８０００にｇ／ｍｍ”で、ラマ
ンスペクトルを測定すると１３３０ｃｍ−’にダイヤモ
ンドのスペクトル線が非常に強い強度で得られ、アモル
ファス性を示すブロードなスペクトル線はほとんど見ら
れなかった。

実施例２ マイクロ波の投入パワーを！００ＷとしてヘリウムのＥ
ＣＲプラズマを形成した以外は実施例１と全く同様にし
て成膜を行なった。この膜の成膜速度は５μｍ／時であ
った。

得られたダイヤモンド膜は、Ｘ線および電子線回折によ
りダイヤモンド結晶が認められ、ＳＥＭ観察によれば平
滑な膜であった。ビッカース硬度は６０００Ｋｇ／ｍｍ
”で、ＦＴ−Ｉ　ＲスペクトルによりＣ＝Ｃ結合がきわ
めて少ないことを確認した。

実施例３ マイクロ波の投入パワーを１００ＷとしてＨ２とＮ２を
それぞれ５　ＳＣＣＭ導入し、ＥＣＲプラズマを形成し
た以外は実施例１と全く同様にして成膜を行なった。こ
の膜の成膜速度は３　ｐｒｘ　７時であった。

得られたダイヤモンド膜は、Ｘ線および電子線回折によ
りダイヤモンド結晶が認められ、ＳＥＭ観察によれば平
滑な膜であった。ビッカース硬度は６０００にｇ／ｍｍ
”で、ＦＴ−Ｉ　ＲスペクトルによりＣ＝Ｃ結合がきわ
めて少ないことを確認した。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、低温下で、膜質の
良好なダイヤモンド膜を迅速に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法に用いることのできる装置の一例
を示す模式図である。 １・・・成膜室　　　　　　２・・・電子銃３・・・プ
ラズマ生成室　　４・・・基体５・・・膜厚モニター　
　　６・・・マイクロ波導波管７・・・磁気コイル　　
　　８・・・ガス導入管９・・・基体ホルダー

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 不活性ガス、水素ガスおよび窒素ガスより成る群より選
   ばれた一種以上のガスからの電子サイクロトロン共鳴プ
   ラズマを引き出して基板上に照射した状態で、グラファ
   イトまたはダイヤモンドをターゲットとして、電子銃に
   より該基板上にダイヤモンドを気相成長させることを特
   徴とするダイヤモンド膜の製造方法。