JPH01317197A - ダイヤモンド薄膜基板およびその製法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は均一で緻密なダイヤモンド薄膜を有するダイヤ
モンド薄膜基板およびその製法に関する。

［従来の技術・発明が解決しようとする課題］従来、マ
イクロ波ＣＶＤ法、熱フイラメントＣＶＤ法などの気相
合成法によって、ダイヤモンド、シリコン、Ｍｏ、　Ｗ
　、　Ｔｉ、、Ｔａなどからなる基板上にダイヤモンド
薄膜が形成されている。しかし、基板としてダイヤモン
ドでないものを用いたばあいには、ダイヤモンドの核発
生密度が小さく、膜状のダイヤモンドかえられないとい
う欠点を有している。

この問題を解決するため （１）基板を粒径１〜１１００Ｊ１程度のダイヤモンド
パウダーによって研磨し、そののち気相合成法によりダ
イヤモンド薄膜を形成させる方法（２）粒径１〜１００
７Ｍ程度のダイヤモンドパウダーをエタノール中に分散
させたもので基板を超音波研磨し、そののちダイヤモン
ド薄膜を形成させる方法 などの方法が開発されている。

これらの方法によると未処理の基板と比較して核発生密
度は向上するが、やはり緻密なダイヤモンド薄膜はえら
れにくく、１ρ以下の膜厚では膜状物かえられないとい
う問題や、均一な核発生密度のものかえられず、面内に
おいて核発生密度の分布が生じ、均一な膜が形成できな
いという問題がある。また電気的特性においても、粒界
などの影響のためか天然ダイヤモンドと比べてかなり特
性の劣ったものしかえられないという問題がある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは、これらの従来法によってえられるダイヤ
モンド薄膜基板の欠点を改善すべく鋭意研究を重ねた結
果、シリコンカーバイド膜を中間層として設けたのち、
特定の条件でダイヤモンド薄膜を形成させることにより
、ダイヤモンドペーストまたはダイヤモンドパウダーに
よって基板の前処理をしなくても、均一で緻密で電気的
特性の良好なダイヤモンド薄膜かえられることを見出し
、本発明に到達した。

すなわち本発明は、 基板上に設けられた膜厚１０Å〜１００遍のシリコンカ
ーバイドからなる中間膜、さらにその上に設けられたダ
イヤモンド薄膜からなるダイヤモンド薄膜基板および 前記ダイヤモンド薄膜基板を製造するに際し、ＣＶＤ法
によってダイヤモンド薄膜を形成することを特徴とする
ダイヤモンド薄膜基板の製法に関する。

［実施例］ 本発明に用いられる基板としては、たとえばＣｕ’、　
’ｄ　、　Ｎｏ、　Ｔｉ、Ｔａｓ　Ｃｕ合金、Ｎ合金、
Ｔ１合金、Ｔｉｃ　、　ＴｉＮなどの金属製の基板、バ
イコール、ミオセラム、アルミナ、ジルコニア、マグネ
シアなどのセラミックス製の基板、結晶Ｓｉｓ　（ｉａ
Ａｓ。

ＩｎＰなどの半導体基板などがあげられるが、これらに
限定されるものではない。

本発明においては、前記基板上に膜厚１０Å〜１００、
ｉｍ、好ましくは１００Å〜１０加のシリコンカーバイ
ドからなる中間膜が形成された基板が用いられる。

前記膜厚が１０人未満になると均一なシリコンカーバイ
ド膜かえられず島状になり、１００崩をこえると応力の
値が大きくなり、基板のそりが大きくなる。

前記シリコンカーバイドとは、炭素含量が好ましくは４
０　ａｔｎ＋％以上（ケイ素と炭素との合計量に対する
割合、以下同様）、さらに好ましくは５０〜７０　ａｔ
ｍ％、ケイ素含量が好ましくは６０ａｔＩ１１％以下（
ケイ素と炭素との合計量に対する割合、以下同様）、さ
らに好ましくは３０〜５０ａｔｍ％で、水素原子、ハロ
ゲン原子などを好ましくは１０　ａｔｍ％以下（全原子
に対する割合）、さらに好ましくは５　　ａｔｍ％以下
の範囲で含有しているものであり、水素原子、ハロゲン
原子などとして、とくに水素原子を５　　ａｔ■％以下
の範囲で含有するものが好ましい。

前記シリコンカーバイドからなる中間膜は、多結晶のシ
リコンカーバイド膜であってもよく、アモルファスまた
は微結晶を含むアモルファスシリコンカーバイド膜であ
ってもよいが、アモルファスまたは微結晶を含むアモル
ファスシリコンカーバイド膜であるのが、核発生密度が
向上するなどの点から好ましい。

前記シリコンカーバイド膜の形成方法にはとくに限定は
なく、基板上に所定のシリコンカーバイド膜を形成しう
るかぎりいかなる方法によって形成してもよいが、成膜
方法、成膜時の条件などにより形成されたシリコンカー
バイド膜の構造などが異なるため、適宜選択して採用す
るのが好ましい。

前記成膜方法としては、たとえばスパッター法、蒸着法
、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの方法があげられる
が、これらのうちではたとえば第７図に示すような装置
を用いたプラズマＣＶＤ法で形成するのが、より低温で
緻密なシリコンカーバイド膜が形成されるため好ましい
。

第７図はＲＰを用いてシリコンカーバイド膜を形成させ
る装置の一例を説明するための図である。

ＲＦ電源（１）、マツチング回路（２）およびＲＦ電極
（３）により発振せしめられたＲＰにより、反応ガス入
口（４）から導入されたＣＨ４＋　５ｉＨａ　＋　Ｈ２
などの反応ガスをＯＥＳ　（プラズマ分光分析）により
制御しながらプラズマ化し、ヒーター（５）上の基板（
６）にシリコンカーバイドを堆積させ、排気ガスは排気
ガス出口（７）より排出される。

プラズマＣＶＤ法でシリコンカーバイド膜を形成する際
の条件としては、成膜時の基板温度か３００〜８００℃
であるのが緻密なシリコンカーバイド膜を均一にうると
いう点から好ましく、５００〜８００℃であるのがさら
に好ましい。また反応圧力としては通常０，１〜ＬＯＴ
ｏｒｒ程度、好ましくは０．３〜２　Ｔｏｒｒ程度が採
用される。

プラズマＣＶＤ法により形成したシリコンカーバイド膜
は処理なしに中間層として使用可能であるが、アニール
処理によって膜の耐熱性、膜のネットワーク化をさらに
進めることにより一層緻密な膜をうることかでき、より
好ましいシリコンカーバイド膜を形成しうる。アニール
時の雰囲気としては、真空中またはＮ２中が好ましい。

前記アニール処理の条件としては、７００〜１４００℃
で２時間程度の条件が一般的で、７００〜１０００℃で
２時間程度アニールするのが好ましい。

本発明のダイヤモンド薄膜基板は前記シリコンカーバイ
ド膜上にダイヤモンド薄膜が設けられた基板である。

前記ダイヤモンド薄膜とは、ラマンスペクトル法、Ｘ線
回折法によりダイヤモンドと同定可能なもので、実質的
に無定形炭素（アモルファスカーボン）やグラファイト
を含まないダイヤモンドが基板面上の所望の部分に実質
的に均一かつ緻密に形成され、薄膜状態になっているも
ののことであり、膜厚としては通常０．１〜３００痺程
度、好ましくは０．２〜１００ｓ１程度、核発生密度と
しては１０６個孟程度以上、好ましくは１０８個４程度
以上のものである。

本発明におけるダイヤモンド薄膜は、前記のごときダイ
ヤモンドが通常は１０７〜１０１０個４程度形成された
ものであるため、従来のダイヤモンドペーストなどを用
いて研磨してえられたダイヤモンド薄膜などと比較して
、均一でより緻密なダイヤモンド薄膜かえられる。

前記膜厚が０．１虜程度未満になると膜になりにくくな
る傾向が生じ、３００珊程度をこえるとダイヤモンド薄
膜の応力で基板から剥離しやすくなる傾向が生じる。

つぎにダイヤモンド薄膜の成膜方法について説明する。

ダイヤモンド薄膜の成膜には現在用いられているいずれ
の方法（プラズマＣＶＤ法、熱フイラメント法、熱プラ
ズマ法など）を用いてもよいが、プラズマＣＶＤ法、と
くにたとえば第８図に示すような装置を用いたマイクロ
波ＣＶＤ法が安定性、均一性などの点から優れている。

第８図はマイクロ波励起プラズマを用いてダイヤモンド
薄膜を形成させる装置の一例を説明するための図である
。

通常、２４５０ＭＨｚのマイクロ波発振機（８）で発振
せしめられたマイクロ波がアイソレーター（９）を経由
し、整合器旧）でマツチング調整されたのち、導波管０
２）をとおってプラズマゾーン０４）に導かれ、反応ガ
ス人口０３）から導入されたＣＨ４＋８２などの反応ガ
スをＯＥＳ　（プラズマ分光分析）により制御しながら
プラズマ化し、シリコンカーバイド膜を有する基板口上
に堆積させ、排気ガスは排気ガス出口Ｏｅより排出され
る。この際、冷却水人口０７）より冷却水を供給し、プ
ランジャー（ｌＥ９を用いてプラズマが基板上に発生す
るように調整される。なお、図中、００は電力モニター
である。

ダイヤモンド薄膜は、たとえば基板温度６００〜１００
０℃程度、好ましくは７００〜１０００℃程度、さらに
好ましくは８５０〜９００℃程度、反応圧力５〜３００
Ｔｏｒｒ３００Ｔｏｒｒ程２０〜１００Ｔｏｒｒ程度で
、好ましくは３００ｗ〜１ｋＷ程度のマイクロ波を用い
たマイクロ波ＣＶＤ法のごとき方法によるのがよい。

このようにしてえられたダイヤモンド薄膜基板は、比抵
抗１０１３〜１０１５Ω印、誘電率５〜６、屈折率２．
３８〜２．４０、硬度＞８０００　、密度３．４〜３　
、６　ｇ　／　ｃａのごとき特性を有し、半導体ヒート
シンク、バイトまたはカッタードリルの保護膜、赤外線
用反射防止膜、スピーカー用振動板などの用途に好適に
使用されうる。

つぎに本発明の基板を実施例に基づき説明する。

実施例１および比較例１ 第７図に示すようなプラズマＣＶＤ装置を用いて、ＣＨ
４７５ＳＣＣＭ　、ＳｉＨ４１５ｓｅｃＭ　、）１２１
１００５ｅｃ。

圧力Ｉ　Ｔｏｒｒ、基板温度３５０℃、ＲＦパワー４０
０Ｗなる成膜条件にて基板である単結晶シリコン面（５
１１）上に３０００人の厚さのシリコンカーバイド膜を
堆積させた。

堆積させた膜中のＣ量をＸ線光電子分光（ＸＰＳ）法に
て調べたところ、ｅｏ　ａｔｍ％で、反射型のＦＴＩＲ
法により求めた膜中の水素量は１０　ａｔｍ％であった
。

そののち、電気炉を用いて昇温速度２０℃７ｍ１ｎで昇
温し、９００°Ｃで２時間保持したのち冷却速度２０℃
／ｍｉｎで冷却してアニールした。

アニール後の膜中の水素量は２　　ａｔｍ％であった。

また、Ｘ線回折法により結晶性を調べたか、明瞭なピー
クは存在しておらず、アモルファス構造であることを確
認した。

つぎに、第８図に示すようなマイクロ波ＣＶＤ装置のＢ
Ｎ製のホルダー上に前記シリコンカーバイド膜を形成し
たシリコン基板をセットし、ＣＨ４１５ＳＣＣＭ　、０
２３ＳＣＣ）Ｉ、　Ｈ２ＬＯＯ３ＣＣＭ、圧力４０Ｔｏ
ｒｒｓマイクロ波（ＭＷ）パワー４００Ｗ、基板温度８
５０°Ｃなる成膜条件でダイヤモンド薄膜を形成させた
。

えられたダイヤモンド薄膜を形成させた基板表面を走査
電子顕微鏡（ＳＥＸ）を用いて観察したところ、第１図
および第２図（それぞれえられたダイヤモンド薄膜の５
０００倍および４００倍の８８Ｍ写真で、薄膜を構成す
るダイヤモンド粒子の構造（形状）、分布状態などを示
す）に示すように、表面全体に均質かつ高密度にダイヤ
モンドが形成されたダイヤモンド薄膜基板がえられてい
た。なお、ダイヤモンド薄膜の核発生密度は１０７〜１
０８個４てあった。

えられたダイヤモンド薄膜基板をラマンスペクトル法お
よびＸ線回折法にしたがって評価したところ、無定形炭
素（アモルファスカーボン）やグラファイトを含まない
ダイヤモンドであった。

比較のためにシリコンカーバイド膜を設けていない他は
前記と同様にして作製したダイヤモンド薄膜の８８Ｍ写
真を第３図および第４図（それぞれ５０００倍および４
００倍）に示す。なお、シリコン基板はダイヤモンドペ
ーストにて研磨していないものを用いた。

第１図〜第４図から、シリコンカーバイド膜を中間層と
して設けることにより、飛躍的に核発生密度が増加する
ことがわかる。

実施例２ 第７図に示すような装置を用いて、ＣＨ４７０ＳＣＣＭ
、ＳＳｉＨ４２０ＳＣＣ、）１２１１００５ＣＣ、圧力
Ｉ　Ｔｏｒｒｓ基板温度４００℃、ＲＰパワー４００ｗ
なる成膜条件にて、実施例１と同様にして基板である単
結晶シリコン（１１１）上に膜厚１０００人のシリコン
カーバイド膜を堆積させた。

堆積させた膜中のＣ量をＸＰＳ法にて調べたところ、５
５　ａｔｌ１１％で、反射型のＰＴＩＲ法より求めた膜
中の水素量は８　　ａｔｍ％であった。

そののち、電気炉を用いて昇温速度２０℃／ｍｉｎで昇
温し、９００℃で２時間保持したのち冷却速度２０℃／
ｍｉｎで冷却してアニールした。

アニール後の膜中の水素量は１　ａｔｍ％であった。ま
た、Ｘ線回折法によりアモルファス構造であることを確
認した。

つぎに、ダイヤモンドペーストにてシリコンカーバイド
膜を形成した基板を２分間程度研磨した。

５ＥＸ（５万倍）で研磨後の表面状態を調べたが、シリ
コンカーバイド膜上に傷などは観察されず、またシリコ
ンカーバイド膜のはがれも全く認められなかった。

そののち、第８図に示す装置を用い、実施例１と同様に
してＣＨ４１５ｓｅｃＭ　、０２３ＳＣＣＭ、１２１０
０８００Ｍ、圧力４０Ｔｏｒｒ、　ＭＷパワー４００ν
、基板温度８５０°Ｃなる成膜条件でダイヤモンド薄膜
を形成させた。

えられたダイヤモンド薄膜を形成させた基板表面をＳＥ
Ｍを用いて観察したところ、第５図（えられたダイヤモ
ンド薄膜の１０００倍の８８Ｍ写真）に示すように、表
面全体に均質かつ高密度にダイヤモンドが形成されたダ
イヤモンド薄膜基板かえられていた。なお、ダイヤモン
ド薄膜の核発生密度は１０８〜１０９個々であった。

えられたダイヤモンド薄膜基板の結晶性を実施例１と同
様にして評価したところ、無定形炭素およびグラファイ
トを含まないダイヤモンド薄膜であった。

比較のためにシリコンカーバイド膜を設けず、シリコン
ウェハーをダイヤモンド、ペーストで同様に２分間研磨
し、第８図に示す装置を用いて同条件にてダイヤモンド
を堆積させてえられたダイヤモンド薄膜の１０００倍の
８８Ｍ写真を第６図に示す。

第５図および第６図から、シリコンカーバイド膜を中間
層とすることにより緻密なダイヤモンド薄膜かえられる
ことがわかる。

なお、実施例１〜２と同様にして作製した厚さ８珊のシ
リコンカーバイド膜のビッカース硬度は、３０００〜４
０００で、単結晶シリコンカーバイドと同程度に高硬度
のものであった。

ダイヤモンドペーストにてシリコンカーバイド膜を研磨
する効果は、より硬いものをダイヤモンドでペーストす
ることにより一層鋭利な傷が発生し１、核発生密度が増
加したと考えられる。

［発明の効果コ 本発明のダイヤモンド薄膜基板は、基板上にシリコンカ
ーバイド膜を設けた上に、実質的に無定形炭素やグラフ
ァイトを含まないダイヤモンドを設けた従来存在しなか
ったダイヤモンド薄膜基板である。このような基板か本
発明の方法によりえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ実施例１でえられた本発
明のダイヤモンド薄膜基板表面を５０００倍および４０
０倍で観察したばあいのＳＥＮ写真で、薄膜を構成する
ダイヤモンド粒子の構造（形状）、分布状態などを示す
写真、第３図および第４図はそれぞれ比較例１でえられ
た基板表面を５０００倍および４００倍で観察したばあ
いのＳＥＮ写真で、薄膜を構成するダイヤモンド粒子の
構造（形状）、分布状態などを示す写真、第５図は実施
例２でえられた本発明のダイヤモンド薄膜基板表面を１
０００倍で観察したばあいの８８Ｍ写真、第６図は比較
例２でえられた基板表面を１０００倍で観察したばあい
の８８Ｍ写真、第７図はシリコンカーバイド膜を形成す
るのに用いるＲＰプラズマＣＶＤ装置の一例に関する説
明図、第８図はダイヤモンド薄膜を形成するのに用いる
ＭＷプラズマＣＶＤ装置の一例に関する説明図である。 （図面の主要符号） （６）二基　板 （８：シリコンカーバイド膜を有する基板片１　図 第２図 ７５μｍ 第３図 ６．０μｍ ′″Ａ１４　図 ７５１１ｍ 第５図 才６０ オフ図 オ８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基板上に設けられた膜厚１０Å〜１００μｍのシリ
   コンカーバイドからなる中間膜、さらにその上に設けら
   れたダイヤモンド薄膜からなるダイヤモンド薄膜基板。 ２　請求項１記載のダイヤモンド薄膜基板を製造するに
   際し、ＣＶＤ法によってダイヤモンド薄膜を形成するこ
   とを特徴とするダイヤモンド薄膜基板の製法。