JPH01298095A - ダイヤモンド状炭素膜の製造方法 - 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］ 本発明はダイヤモンド状炭素膜を高速に成長させる気相
合成方法に関する。

［従来の技術］ 従来から知られているダイヤモンド膜あるいはダイヤモ
ンド状炭素膜の気相生成方法を、大きく分類すると次の
２つに分けられる。

■黒鉛のスパッタリングによるか、あるいは炭化水素ガ
スをイオン化して生成した含炭素イオン、を電界で加速
するかなどして、基板に炭素源を衝突させて成膜するＰ
ＶＤ法。

■熱電子放出部材の加熱（特開昭５８−９１１０［１号
）や、マイクロ波プラズマ（特公昭６１−３３２０号）
、高周波プラズマ（特公昭６１−２６３２号）などによ
り原料ガスを分解して、加熱された基板上にダイヤモン
ドを生成するＣＶＤ法。なお、ＣＶＤ法として、磁場を
マイクロ波または高周波と同時に印加してプラズマを生
成し、加熱された基板上にダイヤモンドを生成する方法
（特開昭６１−３６２００号）や、電子サイクロトロン
共鳴プラズマを生成してダイヤモンドを生成する方法（
特開昭６０−１０３０９８号）も知られている。

〔発明が解決しようとしている課題〕

■のＰＶＤ法は一般に基板温度が低温で成膜でき、表面
が平坦なアモルファス性の高いダイヤモンド状炭素膜が
得られるが、光学バンドギャップ、電気伝導度、熱価導
度、屈折率などの特性は天然ダイヤモンドに比べて相当
小さい欠点がある。

一方■のＣＶＤ法は一般に多結晶性のダイヤモンド膜が
生成でき、その熱伝導率、硬さなど天然ダイヤモンドに
近い特性を有しているが、その生成条件に関しては、基
板温度が６００℃以上と高いという欠点があった。その
ため、高温で使用可能な基板材料が限定され、また熱膨
張率の違いなどによる膜応力、はがれの原因となる。

本発明は上記の問題点を解決し、熱伝導率、光学バンド
ギャップ、屈折率、電気伝導度が天然ダイヤモンドに極
めて近いダイヤモンド状炭素膜を、今までよりずっと低
温で高速成長させる方法を提供するものである。

１課題を解決するための手段］ すなわち本発明は、低圧の炭素含有ガスを含む反応室内
にセットされた基板の温度を調節しつつ、該反応室内に
、光を導入すると共に、磁場中マイクロ波によってプラ
ズマを発生させることにより、基板上にダイヤモンド状
炭素膜を生成することを特徴とするダイヤモンド状炭素
膜の製造方法である。

以下本発明についてさらに詳細に説明する。

第１図、第２図に各々本発明に用いたダイヤモンド状炭
素膜製造装置の概略を示す。電磁石１を配した反応室２
に、ガス導入口４から原料となる炭素含有ガスと、マイ
クロ波導入管３からマイクロ波を導入してプラズマを生
成し、電磁石１による磁場により高活性化された核プラ
ズマと光源８から窓６を通して入射する紫外光成分とに
よって、原料ガスを分解して所定の温度に調節された基
板７の上にダイヤモンド状炭素膜を生成するものである
。

Ｃ（炭素）がＳＬ（シリコン）と異なる点はＳＰ”混成
軌道状態が安定に存在できる点であり、そのために炭素
膜はＳＰ２やＳＰ３軌道を含む種々雑多な生成物が生成
する。その中でＳＰ３炭素のみから成り結晶性の高いダ
イヤモンド膜を生成できる一従来のＣＶＤ法においては
反応室内の圧は１ＯＴｏｒｒ以上と高く、Ｈ２ガス分圧
が高い条件であり、メチルラジカルが成膜に関与し、水
素ラジカルが不必要に生成したＳＰ”炭素成分を除去す
るとされている（Ｍ、Ｋａｍｏ　ｅｔａｌ、。

Ｊ、Ｃｒｙｓｔ　Ｇｒｏｗｔｈ　６２（１９８３）６４
２）。

本発明では第１に、マイクロ波の導入に加え磁場を印加
する。この場合、圧力を１０Ｔｏｒｒさらに好ましくは
５　Ｔｏｒｒ以下の低圧力で安定な放電が可能となるた
め、マイクロ波の電子サイクロトロン共鳴吸収が効果的
に起きることにより、原料ガスの分解効率が上がり、ま
た活性種の平均自由行程が長くな・るために高分解活性
種あるいは高励起活性種など短寿命成分をも有効に成膜
に寄与させることができる。

第２に、それらの必要な高励起活性種を、プラズマ発生
と同時に紫外光成分を含む光照射することによって効果
的にかつ効率的に、生成することができる。そのために
本発明では、特にＳＰ２炭素の混入によって特性が低下
することなく低温で高速にダイヤモンド状炭素膜ができ
る。

原料となる炭素含有ガスはメタン、エタン、エチレン、
アセチレン、ベンゼン、トルエンなどの炭化水素類、ア
セトン、ベンゾフェノンなどのケトン類、アルコール類
、アミン類、イミン類、−酸化炭素、二酸化炭素などあ
るいはＣＸ、、　ＣＨＸ３゜ＣＨ２ＸＩ　ＣＨ３Ｘ、Ｃ
Ｊ２Ｘ２．　Ｃ２Ｘ４．　Ｃ２Ｘ２　（Ｘ＝Ｆ、　ＣＩ
。

Ｂｒ、　Ｉ　）などのハロゲン化物など用いることがで
きる。また希釈あるいはプラズマ安定化のために水素ガ
スやＨｅ、　Ａ　ｒなどの希ガスを、単独あるいは複数
種類混合することもできる。

光源としては、原料ガス分子あるいは分解生成物に吸収
がある波長を含む光源を用いることができ、例えばＡｒ
Ｆレーザー、　に「Ｆレーザー、　　ＸｅＦレーザー、
　Ｎ２レーザーなど紫外に波長領域をもつエキシマレー
ザ−１ＹＡＧレーザーの第４．第３高調波水銀灯、Ｘｅ
ランプを用いることができる。

パワー密度は、分光吸収を行わせたい分子あるいは分解
生成物の濃度と吸収係数によって異なる。しかし、光照
射による基板表面上でのダメージ、基板温度の上昇を押
えるため、基板表面ではＩ　Ｘ　１０　’　Ｗ　／　ｃ
ｍ２以下が好ましい。

磁場強度は励起マイクロ波に依存するが例えば２、４５
ＧＨ２のマイクロ波を用いた場合、基板近傍で８７５ガ
ウス以上が好ましい。また磁場分布はビーチ磁場、ある
いはミラー型磁場であることが好ましい。

以下実施例を挙げて説明する。

〔実施例〕

実施例１ 第１図に示す装置を用い、炭素膜の成膜を行った。

基板７の位置で磁場強度８７５ガウスとした。原料ガス
として四塩化炭素と水素ガスを１：ｌで混合して反応室
に導入し、圧力を０．５Ｔｏｒｒに保った。２．４５６
Ｈ２，６００Ｗのマイクロ波を導入してプラズマを生成
すると同時に、ＡｒＦレーザーを基板と平行に基板上で
２０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ　ｃｍ”で照射した。

基板温度は４００℃に保った。得られた膜は、成膜速度
５μｍ／時間と算出され、電子線回折によりダイヤモン
ドが検出されたが、第３図に示すそのラマンスペクトル
から明らかなようにアモルファス成分が多い。しかしそ
の光学バンドギャップは４、ＯｅＶ、屈折率は２．ｌ、
電気伝導度はＩＱ−１３Ω−１ｃｍ−’であった。

実施例２ 実施例１と同様の装置を用い原料ガスとしてベンゼン、
Ｈ２を１：２で混合導入し、実施例１と同様のマイクロ
波、光を導入してプラズマを生成し、基板温度３５０℃
として成膜を行なった。成膜速度５μｍ／ｎｒであり、
電子線回折でダイヤモンドが検出された。電気伝導度は
ＩＱ−１３Ω−Ｉｃｍ″′であった。

実施例３ 第２図に示す装置を用い、基板７の位置で８８０Ｇの磁
場強度とした。原料ガスとしてベンゼン、Ｈｚ　、Ａｒ
を１：２：１で混合して用い、圧力を０．　ＩＴｏｒｒ
にした。２．４５Ｇｌ−１２，６００Ｗのマイクロ波と
ＡｒＦレーザー基板上で２５ｍＪ／ｐｕｌｓｅｃｍ２を
導入してプラズマを生成し、基板温度３５０℃で成膜し
た。得られた膜は、成膜速度６μｍ／時間と算出された
。電子線回折ではダイヤモンドが検出された。屈折率は
２．１、電気伝導度１０−＋３Ω−１ｃ　ｍ　−１、熱
伝導率は７　Ｗ　／　ｃｍｄｅｇであった。

比較例１ 実施例１と同様の装置で、ＡｒＦレーザーによる光照射
を行なわない以外は同様な条件で成膜を行なった。基板
温度４００℃では、得られた膜は、０．８μｍ／時間の
成膜速度と算出され、第４図に示すこの膜のラマンスペ
クトルからは、顕著なダイヤモンドのピークは検出され
なかった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、光を照射しつつ、磁場存在下マイ
クロ波を導入してプラズマを生成し、所定の温度に保っ
た基板上にダイヤモンド状炭素膜を生成することによっ
て、電気特性、光学特性を低下させることなく、今まで
より低温で高速に、ダイヤモンド状炭素膜を生成するこ
とができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に用いた装置の概略図、第２図
は本発明の別の実施例に用いた装置の概略図、第３図は
実施例により得た炭素膜のラマンスペクトル図、第４図
は比較例により得た炭素膜のラマンスペクトル図である
。 １、電磁石、 ２、反応室、 ３、マイクロ波導波管、 ４、ガス導入管、 ５、基板ホルダー、 ６、光導入窓、 ７、基板、 ８、光源。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）低圧の炭素含有ガスを含む反応室内にセットされた
   基板の温度を調節しつつ、該反応室内に、光を導入する
   と共に、磁場中マイクロ波によってプラズマを発生させ
   ることにより、基板上にダイヤモンド状炭素膜を生成す
   ることを特徴とするダイヤモンド状炭素膜の製造方法。