JPH03197389A - 物質層の形成方法 - 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〕 この発明は、ある処理対象物の表面にある物質、例えば
ダイヤモンド状炭素を層状に形成する物質層の形成方法
に関する。

〔従来の技術〕

このような物質層の形成方法としては、従来より種々の
ものが知られている。例えば、電解メツキ、真空蒸着、
さらにはケミカルペーパーデポジッション（ＣＶＤ）等
である。

このような種々の従来技術の中からダイヤモンド状炭素
の薄膜形成に関する技術をみると、例えば、特公昭５Ｂ
−２５０４１号、特公昭６２−７２６２号、特開昭５７
−６１６４４号、特開昭６１−２０１６９３号、特開昭
６２−２７０４９５号、特開昭６３−２８８６５号、特
開昭６３−１１２４９７号、特開平１−８７７７６号等
により多くのものが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、これらの従来技術は、何れも、真空という条
件、あるいはレーザ光等のエネルギー源による処理とイ
オンビーム等による再処理という複数の異子段の組合せ
といった条件等を必要としているものである。しかし、
このような種々の条件は、何れも、その技術の工業的実
用化について大きな制約となってくるものである。

このような従来の事情に鑑み、本発明者は、常圧大気中
でも物質層、具体的にはダイヤモンド状炭素層を処理対
象物に形成することの可能性について研究を重ねてきた
。そして、その結果、得られたのがここに提供する発明
である。

〔課題を解決するための手段及び作用〕この発明による
物質層の形成方法は、母材にレーザ光を照射し、この照
射により発生したプラズマ中のイオンを処理対象物に定
着・結晶化させるものとし、この際に用いるレーザ光を
パルス化して照射するようにしている。

この方法によると常圧大気中でも、例えばダイヤモンド
状炭素層を処理対象物に形成することができる。しかも
、その形成速度は前記した従来技術のものに比べ格段と
言える程に速いものである。

レーザ光をパルス化して照射するという本発明による方
法がこのようなことを可能としている理由は、必ずしも
明らかでない。ただ、かなりありそうな推測という条件
付ではあるが、以下のように考えることができる。

すなわち、レーザ光をパルス化して照射することにより
″アブレーションプルム（ａｂｌａｔｉｏｎ　ｐｌｕｍ
ｅ）”というイオンが高密度且つ高速であるプラズマを
母材から発生させることができる。このアブレーション
プルムは、その高密度性及び高速性故に、空気に対する
“押し除は効果”つまり空気を略完全に押し除けること
により空気中においても空気と混合することのないよう
な状態となる効果を発揮し、これにより層形成のための
イオンについて高密度且つ高純度の状態が得られる。つ
まり、レーザ光のパルス照射にてアブレーションプルム
を形成させることにより空気の影響を略完全に排除でき
るということであり、したがって空気中でも可能となる
ということである。

このようなアブレーションプルムを効率よく発生させる
ためには、立上り時間が０．５ｍｓｅｃ　（５００μｓ
ｅｃ　）以下でパルス幅が１００ｍ５ｅｃ以下の方形波
であるパルスにしてレーザ光を照射するのが好ましい。

この物質層の形成方法は、母材として固形材を用いるこ
とでより好ましいものとなる。すなわち、アブレーショ
ンプルムは母材が固形材であることでより効率よく発生
させることができる。

この物質層の形成方法は、処理対象物としてレーザ光に
対し透明のものを用い、この透明の処理対象物を透過さ
せてレーザ光を母材に照射するようにするようにすれば
、より効率のよいものとなる。その理由は、前述のレー
ザ光のパルス化と同様の条件付で以下のようなものと考
えられる。

すなわち、処理対象物を透過して来るレーザ光は、処理
対象物に向かって来るアブレーションプルムを再加熱す
ることにより、そのプラズマ温度の維持に作用すると共
に、処理対象物に定着・結晶化した物質を加熱すること
によりその結晶成長を促進するのに作用し、このような
二重の作用により秀れた生成効率が得られるということ
である。

この物質層の形成方法は、母材として高純度の炭素板を
用いることにより、ダイヤモンド状炭素層を形成するこ
とができる。

〔実　施　例〕

以下、この発明による物質層の形成方法の一実施例を説
明する。

レーザ光としてはＹＡＧレーザ（波長；　１．０６μｍ
）を用い、これをパルス化して照射した。ここでパルス
は、立上り時間が０．５ｍｓｅｃ　（５００μｓｅｃ　
）以下でパルス幅（パルス持続時間）が１００　ｍ５ｅ
ｃ以下の方形波とすることが好ましい。使用した処理対
象物は、ガラス板で、ＹＡＧレーザに対して透明である
。母材は、純度９９．９９９％の焼成炭素の固形板を用
いている。

以上のような条件による加工方法は第１図に示すような
ものである。

すなわち、図示せぬレーザ発振器からのレーザ光ｌをレ
ンズ２で集光し、このレーザ光ｌを処理対象物であるガ
ラス板３を透過させて母材４の表面に照射する。この際
、レーザ光ｌの焦点が出来るだけ母材４の表面に合うよ
うにする。

レーザ光ｌが照射された母材４からは、各パルスの立上
り毎に“アブレーションプルム（ａｂｌａｔｉｏｎ　ｐ
ｌｕｍｅ）”　〔以下、単に“プルム”という〕が発生
する。このプルム５は、パルス化されたレーザ光ｌの照
射で生じる“線爆（アブレーション）”という現象によ
り母材４から高速で噴出するもので、プラズマ化した炭
素よりなり、炭素イオン（Ｃ”　、Ｃ″″、Ｃ″′＋等
）を高密度且つ高純度で含むものである。ここで、プル
ム５をより高速化させるためには、“線爆”をより効率
よく生じさせるのがよ（、“線爆”を効率よく生じさせ
るには母材４は固い固形材であることが好ましい。

第２図は、コンピュータ処理して得られたプルム５の画
像を模式化して示すもので、濃淡（ハツチングの粗密）
は温度に対応するが、−これから分かるように、濃く現
れる高温部分が上下方向に複数か所存在する。これは、
母材４の表面から発生した高温のブルム５が上昇中に一
旦冷えた後、レーザ光ｌにより再加熱され再び高温にな
る、という状態を示しているものと考えられる。このよ
うに、プルム５をレーザ光ｌにて再加熱し、後述のよう
にガラス板３に種結晶を定着させる際に、出来るだけプ
ルム５の高温状態を維持するようにすることが、結晶生
成にとってより好ましい結果をもたらす。換言すれば、
ブルム５がレーザ光ｌの照射方向に対し逆向きに発生す
るようにレーザ光ｌを母材４に対し照射し、発生したブ
ルム５を常にレーザ光ｌで加熱できるような状態とする
ことがより好ましい条件であるということである。

プルム５中の炭素イオンはガラス板３に衝突し、ガラス
板３の表面に先ず種結晶７（第３図）を形成する。この
種結晶７は、レーザ光１の透過性が悪いため、ガラス板
３を透過して来るレーザ光ｌを吸収し、これにより加熱
され、均一な結晶８つまりダイヤモンド状炭素層８へと
成長する（第４図）。

この間の現象とパルスとの関係は、パルスの立上りにお
いてプルム５が発生し、パルスの持続中にプルム再加熱
及び種結晶加熱を行うものと考えられる（第５図）。

パルス化されたレーザ光１をさらに照射し続けると、均
一な結晶８はレーザ光ｌを透過させるので、「プルム５
の発生→結晶８上への種結晶７の形成→均一結晶８の上
乗せ成長」という現象が生じ、各パルス毎にこれが繰り
返され、所望の厚みのダイヤモンド状炭素層８が成長・
形成されてゆく。

パルス幅が９ｍ５ｅｃでエネルギーが２５ジユール／パ
ルスであるレーザ光において、パルス１個当たりで形成
される結晶のサイズは、その厚みが約１７μｍ前後で、
その面積が約３ｍｍ”前後であった。

ここで、結晶８の成長を適度な状態に止め、第６図に示
すようなりスリ状の表面を持ったダイヤモンド状炭素層
８ｓを形成することも可能である。

このようなダイヤモンド状炭素層８ｓは切削工具等に好
適なものとなる。

この方法の大きな長所は、常圧大気中でダイヤモンド状
炭素層のような物質層を簡単にしかも従来のものに比べ
格段に高速で形成できるということである。しかし、こ
れが可能となる理由については、前述の説明の域をでな
い。ただ、経験則的には以下のような点が言える。

ガラス板３と母材４との距離が、パルス幅、パルスパワ
ー、パルスエネルギー等と相関しつつダイヤモンド状炭
素層の成長・形成に関与する。−応、パルス幅が９　ｍ
５ｅｃでエネルギーが２５ジユール／パルスの場合には
１．５〜３ｃｍが好ましいという結果が得られているが
、これは当然にパルス幅等が異なることによって変化す
ることになる。

これは、ガラス板３と母材４との距離が、ガラス板３に
衝突するブルム５の温度、その際の炭素イオンの濃度、
純度等に関係するからと考えられる。

パルス幅の調整もダイヤモンド状炭素層の成長・形成に
関与する。具体的には、パルス幅が余り狭いと成長・形
成の効率が悪くなり、また余り広くなるとパルス化効果
が減少してしまう。このような理由からパルス幅は上限
として１００ｍ５ｅｃ程度の値が挙げられ、下限として
は０．２　ｆｌｓｅｃ程度の値が挙げられる。

レーザ光のエネルギーレベルの調整も結晶（物質層）の
生成状態に影響するので、これらを適宜に制御すること
により、結晶の大きさや状態をある程度任意に制御する
ことが可能である。好ましいエネルギーレベルとしては
、１−１００ジユール／パルスが挙げられる。

以上の説明から分かるように、この方法は、レーザ光の
パルス化、プルムの再加熱、種結晶のレーザ光加熱によ
る結晶成長、という要素を持っている。これらの要素は
、必ずしも以上の実施例のような構成においてのみ実現
されるものであるとは限らない。すなわち、第７図に示
すように、複数のレーザ光１を用い、それぞれのレーザ
光１をプルム５の発生、ブルム５の再加熱、種結晶の加
熱に用いるようにすることによっても実現可能である。

勿論、この場合には、プルム発生用のレーザ光だけをパ
ルス化すれば足ることになる。このような構成の長所は
、レーザ光ｌに対し透明でない処理対象物９にも物質層
を形成することができるということである。

尚、以上の実施例は、レーザ光としてＹＡＧレーザを用
いているが、勿論その他のレーザ光を用いることも可能
である。特に、ＣＯ！レーザの場合には、シリコン結晶
やゲルマニウム結晶に対し透過性を持っているので、例
えば半導体基板の処理について有利である。

また、以上の実施例は、母材として炭素を用い、ダイヤ
モンド状炭素層を処理対象物に形成する例であったが、
この発明の方法は、これに限られず、母材として適宜の
ものを選択することにより、各種の物質について適用で
きることは勿論である。

また、この発明は常圧大気中での処理が可能という点に
特徴を持っているものであるが、このことは必ずしも常
圧大気中での処理に限定することを意味するものではな
い。すなわち、本方法を空気による影響のより少ない減
圧雰囲気や特定のガス雰囲気と組み合わせるようにすれ
ば、より高品質の物質層の形成が可能となる。

以上の説明から理解できるように、この発明による方法
は、必要な物質層をその形成範囲及び厚みを正確に制御
しながら形成できるという特徴も持っている。このよう
な特徴は、例えば半導体の製造に応用することにより非
常に大きな利点をもたらす。そのためには、例えば以下
のような方法で応用することができる。

すなわち、先ず母材として炭素固形板を用い前述のよう
なダイヤモンド状炭素層よりなる絶縁層を形成する。次
いで、母材として炭素固形板の他に砒素（Ａｓ）の固形
板を用い、炭素プラズマと砒素プラズマを混合状態で発
生させ、不純物として砒素が含まれるダイヤモンド状炭
素層をＮ層として形成する。そして更に、母材として炭
素固形板の他にガリウム（Ｇａ）の固形板を用い、炭素
プラズマとガリウムプラズマを混合状態で発生させ、不
純物としてガリウムが含まれるダイヤモンド状炭素層を
Ｐ層として形成する。そして、これらの各層の形成に際
しては、プルムが基板（処理対象物）に到達する範囲（
面積）を制御するためのスリット部材を適宜に用い処理
対象物に定着・結晶する物質層の範囲を任意に制御する
ことによりＰＮ接合を形成する。

〔発明の効果〕

この発明による物質層の形成方法は、レーザ光をパルス
化して母材に照射するようにしているものであり、これ
により常圧大気中でも、例えば古くよりその実用化技術
が模索されてきているダイヤモンド状炭素層の形成を可
能とする。しかも、単に常圧大気中で可能とすることに
より工業化における制約条件を軽減するというだけでな
く、その処理手段自体も従来の技術に比べより単純化さ
れ、さらにダイヤモンド状炭素層の形成速度が従来のも
のに比べ格段に向上したものとなっており、半導体への
応用等を含めて種々の用途に大きな期待を持たれている
ダイヤモンド状炭素層の工業的利用へ大きく寄与できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による物質層の形成方法におけるレー
ザ光の照射状態を示す図、 第２図は、プルムの模式図、 第３図は、種結晶が定着した状態の処理対象物の図、 第４図は、物質層が形成された状態の処理対象物の図、 第５図は、パルスと現象の関係についての説明図、 第６図は、ヤスリ状の表面を持つ物質層が形成された状
態の処理対象物の図、 第７図は、他の実施例によるレーザ光の照射状態を示す
図、そして 第８図〜第１０図は、各々、本発明の方法にて形成され
たダイヤモンド状炭素層の結晶構造の写真である。 第 図 第８図 第９図 第１０図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）、母材にレーザ光を照射し、この照射により発生
   したプラズマ中のイオンを処理対象物に定着・結晶化さ
   せてなる物質層の形成方法であって、レーザ光をパルス
   化して照射することを特徴とする物質層の形成方法。
2. （２）、パルスは、立上り時間が０．５ｍｓｅｃ（５０
   ０μｓｅｃ）以下でパルス幅が１００ｍｓｅｃ以下の方
   形波であることを特徴とする請求の範囲（１）記載の物
   質層の形成方法。
3. （３）、母材が固形材であることを特徴とする請求の範
   囲（１）記載の物質層の形成方法。
4. （４）、処理対象物としてレーザ光に対し透明のものを
   用い、この透明な処理対象物を透過させてレーザ光を母
   材に照射させることを特徴とする請求の範囲（１）記載
   の物質層の形成方法。
5. （５）、母材が高純度の炭素固形材であり、形成される
   物質層がダイヤモンド状炭素層であることを特徴とする
   請求の範囲（１）〜請求の範囲（４）何れか記載の物質
   層の形成方法。