JPH0222458A - 薄膜の合成方法 - 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、不純物等の取シ込みのない緻密で良質な特性
を有する薄膜の合成方法に関するものである。

従来の技術 以下に、従来の技術の一例としてダイヤモンド薄膜、ダ
イヤモンド状炭素薄膜等の硬質炭素薄膜について記す。

ダイヤモンドは硬さ、熱伝導率、光透過率、音響特性、
耐食性など数々の物理的、化学的特性において、あらゆ
る物質の中で最も優れている。又、ダイヤモンド状炭素
薄膜は、前記諸特性がダイヤモンドに近い値を示し例え
ば刃物等の硬質保護膜として応用されている。従来、こ
の様なダイヤモ＼ ンド薄膜、ダイヤモンド状炭素薄膜（以下、これらを−
括して硬質炭素膜と記す）の合成方法には大別して、例
えば炭素原子を含む熱プラズマによるＣＶＤ法と、例え
ば炭素原子の真空蒸着と同時にイオンを照射するＰＶＤ
法とがある。ＰＶＤ法によれば、基板を加熱しなくても
硬質炭素薄膜が合成可能なため、基体の耐熱性を問わず
各種材質の基体上へも硬質炭素膜の応用が可能である。

前記ＰＶＤ法による硬質炭素膜の合成方法の代表的従来
例を第２図を用いて以下に述べる。第２図に示す従来例
は、イオン・バキューム壷デボジ演予稿集１ａａ−Ｔ−
ｃａ）。この従来例による硬質炭素薄膜の合成方法につ
いて略記する。まず硬質炭素薄膜を合成する基体２ｏを
真空容器１４内に設置し、例えば１Ｏ−６Ｔｏｒｒまで
真空ポンプ１５で真空排気する。次に炭素原子の供給源
であるグラファイト塊２３に電子銃１６から電子ビーム
１７を照射し、炭素原子を昇華させ、シャッター１８を
開き、基体２ｏ上へ炭素原子１９を到達させる。

この従来例では基体２０上へ炭素原子１９が到達すると
同時にイオンカニ７２２から例えばＮｏイオン２１を加
速、照射する。この従来例では、例えば前記イオンガン
２２の加速電圧を１００〜ＳＯＯ■、代表的には２００
ＶでＮｏイオン２１を加速し、前記Ｎｏイオン２１と炭
素原子１９の個数比を０．１〜ｏ、８、代表的には０．
２５とした場合、アモルファス中に、粒径２〜５（μｍ
）のダイヤモンド微結晶が混在した硬質炭素薄膜が合成
されている。

この従来例ではＨｅ、Ａｔ等のイオンによっても硬質炭
素薄膜が合成可能である。ところが、前記Ｎｅイオン２
１を同時に照射することなく炭素原子１９のみが基体２
０上へ到達する場合には、いわゆる蒸着炭素薄膜と呼ば
れる軟質炭素薄膜が合成される。すなわち、前記従来の
技術で硬質炭素薄膜を合成するには、Ｎｅイオン等で炭
素原子と同時に基体上を照射することが必要欠くべかざ
るものとなっている。ここで、前記イオンの効果は、前
記炭素原子を、イオンのもつエネルギーで衝撃し、ダイ
ヤモンドの合成条件を実現することである。

発明が解決しようとする課題 前記従来の技術では例えばＨｅ、Ａｒ、Ｎｅイオン等を
同時照射するため、前記硬質炭素薄膜中には必然的にＨ
ｅ　、Ｎｅ　、Ａｒ等の単原子ガスが取υ込まれてしま
う。この結果、硬質炭素薄膜中に空孔をつくったシ、膜
の結晶性を乱してしまい、緻密で物理的特性、化学的特
性等に優れた良質の硬質炭素薄膜を合成することは困難
である。

また、以上記した硬質炭素薄膜の合成以外にも例えばＡ
ｘイオンを利用し比較的低温でも結晶質の薄膜を合成す
る例は、金、銅、シリコン等の薄膜についても数多くあ
る。しかし、いずれも合成した薄膜中には前記Ａｒが取
り込まれてしまい、緻密で良質な特性を有する薄膜を合
成することは困難である。

課題を解決するだめの手段 従来技術にあった問題点は、前記イオンを照射せず、他
の手段によって前記イオンと同等のエネルギー、照射密
度で炭素原子等の薄膜の構成原子を照射することで解消
できる。我々は種々の検討の結果、薄膜の構成原子を基
体表面に到達させると同時に、少なくとも前記構成原子
が到達した基体部分にレーザー光を照射することを特徴
とした薄膜の合成方法によって、緻密で物理的特性、化
学的特性に優れた良質の薄膜を合成可能とした。

作　　用 レーザー光は周知の様に高密度な高エネルギ光であり、
このエネルギーによって炭素原子を衝撃しダイヤモンド
の合成条件を実現できる。以下にレーザー光の作用につ
いて詳細に記す。レーザ光は高エネルギーの光子の集合
であり、その密度は前記従来例に記したイオンビームの
照射密度に比べ１００倍以上もの高密度エネルギービー
ムである。又、レーザー光の光子１個のもつエネルギー
はそのレーザー光の波長によって決まり、例工Ｉｄ　Ａ
ｒ　Ｆエキシマレーザ−光では波長が１９３（ｎｍ　）
　テロ、Ｑｅ　ｖ）、あるいはＦ２エキシマレーザ−光
では１５７（ｎｍ）で７，９（ｅｖ）である。この様な
高エネルギーの光子は、レーザー光が高密度であるため
、炭素原子に容易に多光子吸収され、その結果、炭素原
子は高エネルギー状態に励記され、ダイヤモンドの合成
条件を実現する。従って炭素原子を基体表面に到達させ
ると同時に、少なくとも前記炭素原子が到達した基体部
分にレーザー光を照射することでダイヤモンド薄膜、あ
るいはダイヤモンド状炭素薄ｊ漢といった硬質炭素薄膜
が基体上に合成できる。本発明では前記従来例に記した
Ｈｅ、Ｎｏ、Ａｒ等のイオンビームを基体上に照射しな
いため硬質炭素薄膜中にＨｅ、Ｎｏ、Ａｒ等の単原子ガ
ス等の不純物が取９込まれることはない。

また、金、銅、シリコン等の薄膜の合成についてもレー
ザー光の照射によυ同様な作用が生じ、前記薄膜中に不
純物が取り込まれることはない。

実施例 以下に本発明の一実施例として硬質炭素薄膜の合成方法
を第１図を用いて記す。まず硬質炭素薄膜を合成する基
体γを真空容器１内に設値し、例えば１σ６Ｔｏｒｒま
で真空ポンプ２で真空排気する。

次に炭素原子の供給源であるグラファイト塊１３に電子
銃３から電子ビーム４を照射し、炭素原子を昇華させ、
シャッター５を開き基体Ｔ上へ炭素原子６を到達させる
。同時に、ＡｒＦエギシマレザー発振器１２から出たレ
ーザー光は、例えば凹レンズ１１と凸レンズ１ｏにより
基体Ｔ上の炭素原子到達面積に相当する程度拡大され、
光学窓９を通過しレーザー光８となり基体γ上の炭素原
子６を照射する。以」二の手順で硬質炭素薄膜が基体γ
上へ合成されていく。

本実施例では硬質炭素薄膜の膜質に最も大きく影響する
のは前記レーザー光８のパワー密度でちった。レーザー
光８のパワー密度はＡｒＦエキシマレーザ−発振器１２
の発振パワー、および凸レンズ１０．凹レンズ１１との
組合せによって変化させた。第１表に代表的合成例を示
す。

第　　１ 表 このよ）、にレーザーパワー密度が１．１０と増加する
程、ヌープ硬さは４０００．７０００（Ｋ７−　／　ｒ
ｄ　）、密度は２．６．３．３　（Ｑ　／ｃｒＡ）と、
比較対象のダイヤモンド単結晶に近くなり、その時の膜
の結晶性もアモルファス、アモルファスと微結晶の混在
トなった。

従来のＰＶＤ法で合成された硬質炭素薄膜では、アモル
ファスの場合、ヌープ硬さは２０００〜３０００（与／
ｄ）、密度は１．ｓ　〜２．２　（ｑ　／ｃｎｔ）程度
であったが、本実施例によれば、アモルファスでもヌー
プ硬さが４０００　（Ｋｐ　／　ｍＡ　）、密度が２．
６　（ｔｉ　／ｃｎｉ　）と硬く、緻密なものが合成で
きた。

これは、従来の硬質炭素薄膜中には例えばＨｅ、Ｎｅ。

Ａｒ等の単原子ガスが取り込まれていたのに対し、本実
施例では前記単原子ガス等の不純物は取り込まれないた
めである。同様なことが、アモルファスと微結晶の混在
膜（第１表参照）に関しても言え、不純物の取シ込みは
ない。

以上は本発明で例えば硬質炭素薄膜を合成する場合のほ
んの一例にすぎない。硬質炭素薄膜以外にも、例えばｉ
前記金、銅、シリコン等の薄膜の合成では、例えば第１
図に示すグラファイト塊を各々金、銅、シリコンとする
ことで基体上には各々金原子、銅原子、シリコン原子が
到達し、同時にレーザー光を照射することで、不純物の
取り込みのなく結晶性の均質な薄膜が低温大面積に合成
できる。

発明の効果 以上の様に本発明では薄膜の構成原子を基体表面に到達
させると同時に、少なくとも前記構成原子が到達した基
体部分にレーザー光を照射するととで薄膜を合成する。

その結果、薄膜中には不純物の取り込みがなく、空孔を
つくらたり結晶性を乱すことはない。

すなわち、緻密で良質な特性を有する薄膜が合成可能と
なった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の硬質炭素薄膜を合成する一実施例の概
略図、第２図は従来の硬質炭素膜の合成方法の概略図で
ある。 ６・・・・・・炭素原子、了・・・・・・基体、８・・
・・・・レーザ光。 代理人の氏名　弁理士　粟　野　重　孝　ほか１名基　
イネ ＡｒＦ工午ンマレーブー多色關 ６−炭素源子 ７−基体 ａ・・レープ−光 グラファイト土鬼

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 薄膜の構成原子を基体表面に到達させると同時に、少な
   くとも前記構成原子が到達した基体部分にレーザー光を
   照射することを特徴とした薄膜の合成方法。