JPH03166369A - ダイヤモンド膜の形成方法 - 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］ 本発明は基板表面にＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を形
或する方法に関する。

［従来の技術］ 近年、気相戒長法を用いた低圧におけるダイヤモンド合
或の研究が活発に行われている。ところでダイヤモンド
膜はダイヤモンド基板の上にはエビタキシャル成長可能
であるが、シリコン単結晶などの基板の上には現在のと
ころエビタキシャル或長を起す技術は確立ざれていない
。

ダイヤモンド膜は、例えばシリコン基板上における形成
過程において、まず第１段階でシリコン基板の上に島状
に多数のダイヤモンド核が発生し、核はその表面で付着
原子を集めなから粒或長して大きな結晶粒となり、やが
て結晶粒と結晶粒とが接合して膜を形成し始める。その
後はシリコン基板に対して垂直方向に或長し、膜は次第
に厚くなる。このような成長過程を経ているために、従
来の形成方法においてはダイヤモンド膜は多結晶の集ま
った表面凹凸の激しい膜となっている。そのため、この
ダイヤモンド膜を半導体膜、耐摩耗膜などとして使用す
る場合には、表面の凹凸を減らして平滑な膜とする必要
がある。

このような不具合を解決するために、樋口等は、熱フィ
ラメントＣＶＤ法でダイヤモンド膜を形戒するに先立っ
て基板表面をダイヤモンド粉末で研磨する方法を提案し
ている。

「粉体及ヒ粉末冶金Ｊ　　ＶＯＬ３６Ｎ（１２、Ｐ１３
９　（１９８９） このように基板に細かい微細な傷を付けることにより、
ダイヤモンド膜の形或の初期においてダイヤモンド核の
発生密度が増大するので、表面の凹凸が減少し平滑性が
向上する。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記した文献に記載された形成方法では
、得られるダイヤモンド膜は平滑性が充分とはいえなか
った。また、基板の研磨とダイヤモンド膜の形成とは連
続して行うことができず別工程となる。したがって作業
効率の面からはあまり好ましい方法とはいえない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、
ダイヤモンド核の発生密度を増やす工程とダイヤモンド
膜の形或工程とを連続して行い、平滑な表面のダイヤモ
ンド膜を形或することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明のダイヤモンド膜の形或方法は、基板表面に基板
を構成する分子の結合エネルギーより大きな光子エネル
ギーをもつレーザー光を照躬し、次いでＣおよび｛−１
を含む原料ガスの存在下でＣＶＤ法により基板表面にダ
イヤモンド膜を形戒することを特徴とする。

本発明の最大の特徴は、ダイヤモンド膜の形或に先立っ
て基板表面にレーザー光を照射するところにある。この
レーザー光は、基板を構戒する分子の結合エネルギー（
シリコン基板にあってはＳ−３ｉ結合の結合エネルギー
１．８ｅＶ）よりも大きな光子エネルギーをもつものが
用いられる。

このようなレーザー光としてはエキシマレーザー光が代
表的である。例えばＡｒＦエキシマレーザーにおいては
、その光子エネルギーは６．４ｅＶと３　ｉ　−３　ｉ
結合の結合エネルギーよりもかなり大きい。したがって
このようなレーザー光を照躬することによって、例えば
シリコン基板最表面の３ｉ原子を活性化することができ
る。つまり基板最表面に３ｉの未結合手を多く出すこと
ができる。

なお、レーザー光としては、エキシマレーザー以外に、
その他ガスレーザー、自由電子レーザーＸ線レーザーな
どを用いることもできる。

なお、エキシマレーザーを形成する元素としては、アル
ゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガス元素と、塩素
、フッ素、臭素、よう素などのハロゲン元素の種々の組
合わせを用いることができる。

レーザー光が照射された基板には、次いでＣＶＤ法によ
りダイヤモンド膜が形成される。このダイヤモンド膜を
形成するＣＶＤ法としては、熱フィラメントＣＶＤ法、
マイクロ波プラズマＣＶＤ法、電子衝撃ＣＶＤ法（ＥＡ
ＣＶＤ法）、高周波プラズマＣＶＤ法、高周波アークプ
ラズマＣＶＤ法などを用いることができる。反応ガスと
しては、メタンと水素、または気化させたアルコール、
アセトン、アセチレンなどと水素の混合ガスが用いられ
る。

熱フィラメントＣＶＤ法では、反応容器内の圧力は約数
＋ＴＯ「「に保持され、反応ガスとしてはメタンと水素
または、気化させたアルコール、アセトンなどと水素の
混合ガスを用いる。水素に対する炭化水素ガスの濃度は
０．５〜２％である。

基板としては、シリコン単結晶、モリブデン、炭化珪素
焼結体などを用いることができる。

マイクロ波プラズマＣＶＤ法は、原料ガスと水素の分解
をプラズマを用いて行う方法である。反応時の圧力は数
〜数十ＴＯｒｒの間で、反応ガス中のメタン濃度は０．
５〜２％とざれる。基板としては、シリコン単結晶、モ
リブデンなどが用いられる。

ＥＡＣＶＤ法では、基板ホルダとしてモリブデンが用い
られ、フィラメントとの間に直流電圧が印ｈａされる。

基板としては炭化珪素焼結体、シリコン単結晶、モリブ
デン、炭化タングステン焼結体、立方晶窒化硼素焼結体
など種々の種類が用いられる。そして基板ホルダとフィ
ラメント間に電圧を印加して放電を発生させ、基板表面
に電子衝撃を加える。すると放電により気体が分解しダ
イヤモンドが或長ずる。

高周波プラズマＣＶＤ法は、反応ガスとしてはやはりメ
タンと水素の混合ガスを用いているが、メタン濃度は他
の方法と比べると約５％程度高いところでもダイヤモン
ドの合成が可能である。

なお熱フィラメントＣＶＤ法は、装置が最も簡単であり
特に好ましい。

［発明の作用および効果］ 本発明のダイヤモンド膜の形或方法では、ＣＶＤ法によ
るダイヤモンド膜の形成に先立って、基板を構成する分
子の結合エネルギーより大きな光子エネルギーをもつレ
ーザー光が照射，される。これにより基板表面の分子の
結合が活性化され、自然酸化膜を形或している酸素が除
去ざれて３ｉの未結合手（ダングリングボンド）が多く
出るものと推察される。そしてこの活性化によって生じ
た未結合手は、次のダイヤモンド膜の形成工程において
ダイヤモンド核形或サイトになり易く、ダイヤモンドの
核発生密度が増加するものと考えられる。実際にレーザ
ー光を照則しないものに比べて、核発生密度は１００倍
程度に増加している。このように密度が高くなると、結
晶粒の小さいまま隣りの結晶粒と結合して膜を形或する
ため、従来のものに比べて表面が平滑なダイヤモンド膜
を形或することができる。ざらに基板とダイヤモンド膜
との密着性も向上する。

そして本発明のダイヤモンド膜の形或方法によれば、レ
ーザー光の照射とダイヤモンド膜の形戒とは連続して行
うことができるので、ダイヤモンド核の発生密度が極め
て向上したダイヤモンド膜を、容易に、かつ工数少なく
形或することができる。すなわち本発明は、レーザーフ
ラッシュ熱フィラメントＣＶＤ法とも称するべき新しい
ダイヤモンド膜の形戒方法を提案するものである。

［実施例］ 以下実施例により具体的に説明する。

第１図に本実施例に用いたレーザーフラッシュ熱フィラ
メントＣＶＤ装置の概略構成図を示す。

この装置は、真空反応室１０をもつ反応容滞１と、真空
反応室１０内にエキシマレーザー光を照則するレーザー
照射装置２と、真空反応室１０内に反応ガスを供給する
ガス供給部３と、よりなる。

真空反応室１０内には基板ホルダ１１が斜めに傾けられ
て保持ざれ、基板ホルダ１１内には埋め込みヒータ１２
が設けられている。基板ホルダ１１にはシリコン基板１
３が保持され、シリコン基板１３に対向してフィラメン
ト１４が設けられている。また反応容器１には、レーザ
ー光導入ポート１５が設けられ、レーザー光入躬窓１６
よりシリコン基板１３表面に４５度の角度でレーザー光
が照射ざれるように構成されている。そして反応容器１
には、排気ポンプ１８をもつ排気通路１７が形或されて
いる。

レーザー照則装置２は、エキシマレーザー光照躬部２０
と照則されたレーザー光を絞るレンズ２１とからなり、
レーザー光入射窓１６よりレーザー光導入ポート］５を
通じて、基板ホルダ１１に配置された基板１３にエキシ
マレーザー光を照則するように構成ざれている。

ガス供給部３は、マスフローコントローラ３０をもち真
空反応室］Ｏに−メタンガスを供給するメタンガス供給
管３１と、マスフローコントローラ３２をもち真空反応
室１０に水素ガスを供給する水素ガス供給管３３とから
構成されている。

上記装置を用いてダイヤモンド膜を形或した方法を以下
に説明する。

基板１３にはシリコンウエハを用い、ＲＣＡ洗浄（重金
属、油脂、無機物を除去する洗浄方法〉および２５μｍ
のダイヤモンド砥粒で傷付け処理後、真空反応室１０の
基板ホルダ１１に装着する。

次に排気ポンプ１８により真空反応室１０内を真空とす
るとともに、基板ホルダ１１の埋め込みヒータ１２で基
板１３を９　０　０　’Ｃに加熱し、レーザー光入則窓
１６より波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザー光を
照射する。このエキシマレーザー光はパルスエネルギー
１　８０ｍＪ／ｐｕ　ｌ　ｓｅ，ビーム断面積２０ｍ２
、パルス光子数１，１２ｘ１０１Ｂ／ｐｕ　Ｉ　ｓｅ，
光子エネ／Ｌ，キ−６．　４ｅＶである。なおレーザー
光はレンズ１６により基板１３全体に照躬されるように
設定され、レーザーパワー密度は３６０ｍＪ／ｃｍ２　
−　ｐｕ　Ｉ　ｓｅてある。この照則パルス数は１〜５
である。又１パルスの発信時間は１　２ｎｓｅｃである
。

次にメタンカス供給管３１及び水素ガス供給管３３を開
き、マスフローコントローラ３０、３２て所定の流量に
調整した後真空反応室１０に供給する。なおメタンガス
の供給量は５０Ｃ／ｍｉｎ、水素ガスは５００ｃｃ／ｍ
ｉｎとした。そしてフィラメント１４でそのガスを活性
化して分解し、基板１３の表面にダイヤモンド膜を形或
する。このとき基板１３の表面温度は９　０　０　’Ｃ
に制御ざれている。なおガスは排気ポンプ１８によって
排気通路１７より排気される。

第２図に本実施例におけるダイヤモンド核の発生密度を
示す。また比較として、レーザー光を照射しないこと以
外は本実施例と同様にして形或されたダイヤモンド膜の
核発生密度を示す。なお、核発生密度の測定は、或膜開
始から３分後の基板のＳＥＭ写真をとり、単位面積あた
りの結晶粒を数えることにより行なった。

第２図より明らかなように、本実施例の形或方法では、
核発生密度は従来の方法よりも１００倍程度増加し、得
られたダイヤモンド膜の平滑性にも優れていた。なおレ
ーザーフラッシュの回数を１回と５回の２種類について
測定したが、いずれもダイヤモンド核発生密度は１０１
２／Ｃｍ２程度であり大きな差はない。したがって１回
で充分である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に用いたレーザーフラッシュ熱フィラメ
ントＣＶＤ装置の概略構戒説明図である。 第２図は実施例の方法と従来の方法のダイヤモンド核の
発生密度の差を示すグラフである。 １・・・反応容器　　　　　２・・・レーザー照削装置
３・・・ガス供給部　　　１０・・・真空反応室１１・
・・基板ホルダ　　　１２・・・埋め込みヒータ１３・
・・基板　　　　　　１４・・・フィラメント１５・・
・レーザー光導入ポート １６・・・レーザー光入躬窓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板表面に該基板を構成する分子の結合エネルギ
   ーより大きな光子エネルギーをもつレーザー光を照射し
   、次いでＣおよびＨを含む原料ガスの存在下でＣＶＤ法
   により該基板表面にダイヤモンド膜を形成することを特
   徴とするダイヤモンド膜の形成方法。