JPH03500066A - レーザイオン給源から材料層を生成する方法及び装置 - 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】 レーザイオン給源から材料層を生成する方法及び装置本発明は真空環境内でレー ザ溶発ブルーム乃至煙（ｐｌｕｍｅ　）からイオンを抽出することによってサブ ストレート上に材料の層を生成する方法及びＩＩに関するものである。一実施例 において、本発明は殆ど一様の厚さ、１オングストロームに近い表面平滑度、及 び純ダイヤモンドに近い一様の屈折率（約２．４）を有するダイヤモンド状炭素 フィルムを生成する方法に係る。

近年、様々の理由から、ダイヤモンド状炭素コーティングを生成することに大き な関心が寄せられている。第１に、ダイヤモンド状炭素は物理的酷使に殆ど耐え 得る、従って、保護面として極めて有用である極度に硬い表面である。ダイヤモ ンド状炭素は光学的に透明（例えば、赤外線スペクトルにおいて）であり、従っ て、センサ光学装置光学回路、量子ウェル（量子井戸）などの保護のごとき様々 の光学装置応用面において役立つと考えられる。さらに、ダイヤモンド状炭素は 高専熱性に加えて高電気抵抗性を有し、このことは尋常でない組合せである。

従って、ダイヤモンド状炭素フィルムは極めて望ましいヒートシンク特性を備え た保護兼抵抗性コーティングとして電子機器産業において極めて有用であるとは 当然のこととされる。ダイヤモンド状炭素は、ドーピングを施されたときは、そ れ自体、高い温度及び放射単位を含む著しく不利な条件下で動作し得る超小型回 路ＶＲ置のための技術的基礎を禍成する半導体として作用し得る。従って、半導 体産業において可能とされる使用のために商業的な量を以てダイヤモンド状炭素 フィルムを生産するための技術を開発することに関し大きな関心が存在する。

現在、ダイヤモンド状炭素フィルムの生産のため四つの主要な方法が研究されて いる。即ち、［１］イオンビーム析出、［２］化学的蒸気析出、［３］プラズマ 強化式化学的蒸気析出、及び［４］スパツタ析出である。イオンビーム析出法は 典型的に高真空ｆｆｉ境内でフィラメントの加熱によって炭素イオンを生成しそ してサブストレートにおける析出のために選択されたエネルギになるまで炭素イ オンを加速することを含む。イオンビームシステムはフィルムを成長させる炭素 イオンフルエンス（ｉｏｎｆｌｕｅｎｃｅ　）中の不純物のレベルを下げるため 差別ボンピング及びマスセパレーション（質ω分前）技術を使用する。ダイヤモ ンド状炭素の合格フィルムは得られるが、これらフィルムは生産するのに高い費 用を要し且つ１日当たり５０オングストロ一ム台の極めて遅い成長率で生産され るに過ぎない。

化学的蒸気析出性とプラズマ強化式化学的蒸気析出法は、運転と関連問題とに関 しては同様である。両方法は炭素イオン及び中性炭素原子を生成してサブストレ ート上に析出させるためＣＨ３ｏＨＳＣ２Ｈ２、及びｃＨ３ｏＨｃＨ３のごとき 有機蒸気の解離を使用す６゜不運なことに、解離の副産物は成長中の、イルムを しばしば汚染する。化学的蒸気析出及びプラズマ強化式化学的蒸気析出は何れも 実用的準佼のフィルム成長率を達成するが、そのようなフィルムの光学特性は貧 弱であり、殆どの商業的用途には適しない。

スパッタリング析出は、通常、２個のイオン給源を有し、その１個はグラファイ ト給源からサブストレート上への炭素のスパッタリングのためのものであり、他 の１個の給源は成長するフィルムにおける望まれないグラファイトのボンドを破 砕するためのものである。例えば、アルゴンイオンスパッタリングガンは真空室 内においてグラファイトターゲットから純炭素原子を飛散させ、そしてこれら炭 素原子はサブストレート上に凝着される。

同時に、他方のアルゴンイオン給源は前記サブストレートを共同衝撃して成長中 の炭素フィルム内のダイヤモンド状即ち四面体ポンドのためにグラファイトボン ドの破砕を増強する。スパッタリング析出における＾真空圧（１０から１０−４ トル）は厄介でありそして化学的蒸気析出及びプラズマ強化式化学的蒸気析出に おいて遭遇されるレベルに匹敵するレベルのフィルムの汚染を惹起する。

従って、商業的生産レベルにおける高品質ダイヤモンド状炭素を得るための多く の試みが為されてきたが、結果はこれまでのところ悲観的である。イオンビーム 析出による方法は合格品質のフィルムを生産するが、その理い成長率が非実用的 である。化学的蒸気析出方法及びスパッタ方法はほとんどの環境において不合格 フィルムを生む汚染を生じがちである。すべての既知方法は高温度を必要とし、 それはもし光学サブストレートのコーティングが希望されるならば実行不可能で あることがしばしば判る。既知方法は何れも実行するには複雑で厄介な装置を必 要とする。

材料がその取扱いまたは操作において極度に難しい場合、ダイヤモンド状炭素の 生成は、所望の物理的特性を有する材料の層を形成することに関する一般的問題 の単に一つの例である。他のそのような材料の例は、珪素、ゲルマニウム、砒化 ガリウム及び最近発見された半導性物質であってセラミックスの取扱いが難かし いものとして一般的に特徴づけられるもの（例えば、イツトリウム−バリウム化 合物）のごとき半導体を含む。従って、商業的な量を以て高品質ダイヤモンド状 炭素層を生成し得る方法及び装置を実現することは恐らく重要な前進である。さ らに、もしそのような方法及び装置が、在来技術を使用するときは取掻いまたは 生産が難しいその他のタイプの材料の層を生成することにおいて有用であるなら ば、それは恐ら（注目に値する。

本発明は、高品質ダイヤモンド状炭素層を生成するその能力において、そして従 来においては生産または取扱いが極めて困難であったその他の材料を生成するそ の能力において、主要な進歩を提供する。本発明に従って生成されるダイヤモン ド状炭素層は、物理的硬さ、電気的強さ、高導熱性、及び光学的透明性のごとき 極めて望ましい特性を有する。例えば、本発明に従って形成されたダイヤモンド 状炭素層は、変動が３％未満である一様の厚さ、約±１オングストロームの表面 平滑度、４０ＭΩ／αを超える抵抗率、及び２．５に近い一様な屈折率を示した 。そのようなダイヤモンド状炭素層は、大面積（例えば、１０ｃｍ２）に亘る２ ｏμ／ｈを超える高成長率を以て生成された。本発明に従って生成されるダイヤ モンド状炭素層は、ＩＩを生じることなしに光学サブストレートのコーティング を可能にする空温で形成される。

さらに、本発明はその他の生成または取扱いが烈しい材料の層を生成するのに有 用であり、その結果、ダイヤモンド状炭素層のドーピング、サブストレート上に おける生成困Ｉ材料からの交互配！１ｉの生成、またはその生成が伝統的に困難 または不可能であった材料層のサブストレート上における生成の可能性を生じる 。

概括的に言えば、本発明に従う装置は真空室、該室内に位置されるターゲット、 及び該ターゲラｉし指向されそして集束されるレーザを有する。ターゲットのこ のレーザ溶発は、ターゲット材料をブルーム乃至煙（ｐｌｕｍｅ　）として射出 し、レーザビームがこのプルームを部分的にイオン化する。分離機構が前記室内 に位置されそして前記プルームの区域からイオンを抽出してそれらを前記室内の イオン進行経路に沿って推進するための電位で帯電される。サブストレートがイ オンを集束して材料層を生成するようにイオン進行経路に沿って前記室内に配置 される。ダイヤモンド状炭素を生成するため、本質的に純粋なグラフフィトから 成るターゲットがレーザ溶発とともに使用されそれは炭素蒸気であるブルームを 投射しそしてブルームの一部分をイオン化して炭素イオンを生じさせる。前記分 ｍｍ構はグラファイトターゲットから離された加速グリッドであって前記ブルー ムから炭素イオンを分離するため負電位＜２００−２０００ボルト）に帯電され たものを有する。

本発明に従って材料の層を生成する方法は、概括的に前記室内にターゲット物質 を配置する過程と、前記室内に真空を生じさせる過程と、レーザビームをターゲ ット上に指向しそして集束させる過程とを有する。前記方法は、さらに、ターゲ ット物質のブルームを投射するためレーザビームによってターゲットの一部分を 溶発させる過程と、前記ブルームの区域内にイオンを生じさせるためレーザビー ムによって前記ブルームの一部分をイオン化する過程と、前２イオンの少なくと も一部分を前記ブルームの区域から前記室内の帯電した電位に向かって運動させ る過程と、前記イオンを収集してサブストレート上に材料の層を形成するように サブストレートを位置させる過程とを含む。ダイヤモンド状炭素を生成するため 、ターゲット材料はグラファイトから成り、イオンは炭素イオンであり、そして 高圧の負帯電した電位はイオンをターゲットから分離するためにターゲットから 離されて位置される。そのような方法によって生産されタタイヤモンド状炭素製 品は、変動率約３％未満の厩ね一様の厚さと、約１０オングストローム未満の表 面粗さとを達成し得る。好ましくは、そのような方法によって生産されたダイヤ モンド状炭素製品は、約２．０を超える屈折率と、約４０ＭΩ／１より大きい抵 抗率とを有する。

本発明の高性能化された装置においては、第１と第２のターゲットが真空室内に 配置され、そしてレーザビームを各ターゲットに対し選択的に指向して材料のブ ルームを投射しそして材料の少なくとも一部分をイオン化するための機構が含ま れる。−修正型においては、指向手段は各ターゲットにそれぞれ指向される２本 のビームにレーザビームを分割するためのビームスプリッタと適当なミラーとを 含む。さらに、前記指向手段は各レーザビームの進行経路に配置されたアイリス 絞りであって各ターゲットに選択的にレーザビームを指向するように制御可能で あるものを有する。言うまでもなく、前２高性能化型は代替的に２個のレーザ、 即ち各ターゲットを選択的に溶発するため各ターゲットに対し１個、を有し得る 。

さらに他の一修正型においては、負電位に帯電し得る加速グリッドは各ターゲッ トに隣接して位置されそして電子シャッタ装置が前記グリッドに結合されて各タ ーゲットからイオンを選択的に分離するとともにイオンをサブストレートへ指向 する。かくして、高性能化実施例は同時的に各ターゲットからの材料をイオン化 しそして混合イオンのフルエンスをサブストレートへ指向するように運転され臀 る。代替的に、高性能化実施例は異なる材料の一連の層をサブストレート上に指 向するように運転され得る。

高性能化装置を使用する好ましい一方法においては、ターゲット材料の一つはサ ブストレート上にダイヤモンド状炭素層を生成するため純粋に近いグラファイト から成る。第２のターゲットはダイヤモンド状炭素のドープされた層を生成する ため、または、ダイヤモンド状炭素層とドーピング物質層との交互配列のため硼 素または燐のごときドーピング材料を有する。例えば、ダイヤモンド状炭素のド ープされた層が形成されて（Ｎ−Ｐ−Ｎ接合）半導性ダイヤモンド状炭素を形成 し得る。高性能化装置及び方法は多くの異なるタイプの材料層を生成するのに有 用であることは理解されるであろう。

特に好ましい一形式において、高性能化装置はサブストレートに対するイオンの 衝突を操作するためターゲットとサブストレートとの間に位置されるイオン光学 系を有する。例えば、そのようなイオン光学系は、イオンの一部分がサブストレ ートに達するのを阻止してサブストレート上に所望の材料パターンを生じさせる ためのマスクを含む。さらに、前記イオン光学系はイオンフルエンスの寸法を縮 小してサブストレート上に小パターンを生じさせるためマスクとサブストレート との間に拡大機構を有し得る。選択的に、イオン光学系はイオンビーム内へのイ オンフルエンスを拡大する機構と、サブストレート上に所望パターンを得るよう にイオンビームを偏向するための偏向板とを有し得る。そのようなイオン光学系 は量子ウェル、光学回路または少量の特注集積回路の生産のごとき広汎な各種の 適用において特に有用であることは理解されるはずである。

本願において、用語“層″は一般的にコーティングまたはフィルムと同義的に使 用され、そしてサブストレート上に析出または成長される材料を含意する。しか し、サブストレートは必ずしも層と異なる材料ではなく、それは単にイオンのた めの収集源として働くことが理解さるべきである。従って、サブストレートはダ イヤモンドまたはダイヤモンド状炭素であってその上にダイヤモンド状炭素の層 が受取られて一様の物理的特性を有する同質部分を生成するものから構成され得 る。

本願において、′ダイヤモンド状炭素“はダイヤモンドの物理的特性の幾つかを 有する物質のための一般的名称として使用されている。本発明に従って生成され る物質の物理的特性に鑑みて、層は代替的にダイヤモンドまたはダイヤモンド状 炭素と呼ばれ得る。用語”ダイヤモンド状炭素”は一般的に非晶質及び微晶質原 子構造を有しモして０％から４０％の範囲内の任意の水素濃度を有する炭素材料 を包含する。従って、用語１ダイヤモンド状炭素“の使用は、−特定構造タイプ 、（例えば、非晶質、微品質、大結晶の多結晶質、または単結晶）または結晶粒 界にお番ブる量大サイト内の水素またはその他不純物の百分率のごとき特定組成 タイプを示すごとく理解されてはならない。特定構造または組成特徴は特記され る。

第１図は本発明に従う基本装置を図解する部分横断面に基づく上面図である。

第２図は第１図のＩ！２−２に沿って取られた部分断面に基づく部分側面図であ る。

第３図は第１図のＩ！３３−３に沿って取られた部分断面に基づく部分側面図で ある。

第４図は本発明の高性能化実流例の概略図である。

第５図は第４図のイオン光学系の一実施例の拡大斜視図である。

１、第１図−第３図の実り 第１図−第３図を検討すると、本発明に基づく装置１０の基本実施例が図示され る。概括的に言えば、前記装置はレーザ１２、真空室１４、ターゲット組立体１ ６、分１機構１８及びサブストレート組立体２ｏを有する。

第１図のレーザ１２は、トリガ方式またはＱスイッチ方式の何れかで運転され得 るネオジム−ガラスレーザである。トリガ方式においては、レーザ１２は１０マ イクロ秒パルスにおいて約１０ジユールのエネルギーを生成し、一方、Ｑスイッ チ方式においては、レーザ１２は名目的に１０ナノ秒パルスにおいて１ジユール のエネルギーを生成スる°好ましり′マ・Ｑスイッチ方式が採用サレル。

それによってより晶いパワー密度が得られるからである。

Ｉ　Ｘｌ　０６Ｗ／ａ２を超えるパワー密度が本発明にお６ｓでは好ましいと考 えられ、それは言うまでもなくＱスイッチ方式によって得られる。十分なパワー 密度を有するいかなる鋭いパルスレーザも本発明に従って運転されると考えられ る（例えば、ＸｅＦ、ＫｒＦ、＊７：はＡｒＦレーザ）。ターゲットに集束され て得られる最大パワー密度を有するレーザを使用することが好ましいと考えられ る。

真空室１４は好ましくは約２×１０−６トルの動作環境を有する。真空室１４は 第１図に示されるごとき外面に密閉して位置される水晶窓２４を有するベル形ハ ウジング２２を有する。ベル形ハウジング２２は、その内部への接近を可能にす るため、プレートテーブル２６（第２図−第３図）と密閉係合するように上置ま たは工時され得る。

第１図において見られるように、集束レンズ３０がレーザビームを集束するため レーザビームの進行経路に沿って配置される。図示レンズ３ｏは約１２ＣＩＭの 焦点距離を有し、そしてｖ１４の相対寸法の故に室１４内に位置けられたターゲ ット支持体３４を有する。モータ３６は柱３８の頂に取付けられ、柱３８はテー ブル２６から垂直方向上方に延びている。第１図−第３図に図示される実施例に おいては、高純度グラファイト（９９，９９９％）から成るターゲット４０がタ ーゲット支持体３４に取付けられる。

分ｗｉ機構１８は同一平面上の複数のワイヤを有する加速グリッド４２を、ター ゲット４０から約４ｏ離されて有する。図示実施例において、加速グリッド４２ は約２００−２０００ボルトの高負電位に導線（図示せず）を通じて帯電され得 る。ファラデーケージ４４が加速グリッド４２からサブストレート組立体２ｏの 区域へ延びていて加速グリッド４２とサブストレート組立体２ｏとの間の流動空 間を漂遊電界（グリッド４２に接続された導線からのそれらのごとき）から絶縁 する。

サブストレート組立体２ｏはテーブル２６から上方へ垂直に延びる取付ペデスタ ル５ｏを有する。サブストレートブラケット５２がペデスタル５０の頂に結合さ れ、サブストレート５４がブラケット５２に結合されている。

提示実施例において、サブストレート５４はブラケット５２に結合された直径７ ．５０１のシリコン１１１デイスクから成る。図面において、サブストレート５ ４はターゲット４０の表面から概ね１５１のところに位置されている。イオンフ ルエンス進行経路は一般的にターゲット４０から加速グリッド４２とファラデー ケージ４４とを通じてサブストレート５４に至るように画成される（第１図）。

運転時、第１図−第３図の実施例は、室温において動作しつつ比較的高析出量を 以て高品質ダイヤモンド状炭素を生成し得る。サブストレート５４は破片による 播種またはダイヤモンドかまたはその他の粒子による研磨処理を何ら必要としな い。運転は空温で行われるからダイヤモンド状炭素は光学サブストレートに対し てそれに損傷を生じさせることなしに付着され得る。ターゲット４０とサブスト レート５４を位置決めした後、真空室１４は約２×１０−６トルに達するまで排 気される。レーザー２は１０ナノ秒の持続時間でパルス化されるＱスイッチ方式 によって運転される。レーザビームはレンズ３ｏを通じて集束されて約ｌＸ１０ 　Ｗ／α２のパワー密度をターゲット４ｏの面において生成する。理論によって 拘束されることなしに、レーザビームの効果は、グラフフィトのターゲットから 炭素蒸気プルームを投射することであると考えられる。集束されたビームは前記 プルームの一部分をイオン化して炭素イオンを生成すると考えられる。中性炭素 原子は等方性を以て膨張し、室１４内の高真空ｒｊＡ境は前記プルーム区域の周 囲の中性フラックスを急速に減衰させる。従ってサブストレート５４の区域への 中性炭素原子の膨張は最小であり、はとんど汚染をれている間、約１０００ボル ト（２００−２０００ボルトの範囲）の電位になるまで負に帯電される。高負電 位は前記ブルーム区域から炭素イオンを引き寄せそしてグリッド４２を通じてサ ブストレート５４に達するイオンフルエンス経路上においてイオンを直線方向に 加速する。

ファラデーケージ４４は漂遊電界を絶縁してターゲット４０からサブストレート ５４へのイオンの偶然の偏向を防止する。

レーザ１２の使用率は比較的低いが、装置１０は２０μ／ｈに達するダイヤモン ド状炭素成長率を達成し得る。

グラファイトターゲット４０上に集束されるレーザのいっそう高いパワー密度は 、さらに高い成長率をも達成するであろう。生成されたダイヤモンド状炭素層は 鏡のように滑らかであり且つ一様であり、テストパターンにおいて知覚できるほ どの歪みまたは反射像を生じない。ラマンスペクトルは１０００ａｘ−１−１６ ００ｃｍ−１の長さを以て延びる底辺に対し１５６０Ｃ１−１の高さにピークを 形成する三角形構造を有するダイヤモンド状炭素を示す。

ダイヤモンド状炭素層の一様の厚さは驚くべきものであり、厚さの相異は約３％ を下回る。約１８０オングストロームの相対均等厚さを有する一試料は、約±１ オングストロームの表面粗さを有した。前記ダイヤモンド状炭素層はダイヤモン ドの屈折率に近接する１、５−２．４の範囲内のほとんど不変の屈折率を示した 。前記ダイヤモンド状炭素層の表面で測定される抵抗率は典型的に４０ＭΩ／α を超える。６００℃で焼鈍された層は５００Ω／αを下回る表面抵抗率を示す。

前記ダイヤモンド状炭素層は沸騰水中に１時間そして１０％ＨＣＬ溶液中に１／ ２１１１ｉ５浸漬された後、それらは少しも損なワｒｔスニ原状を維持していた 。

ターゲット４０上の特定位置に溶発を生じさせるため多サイクルに亘ってレーザ を動作させることが望ましいと考えられる。炭素蒸気ブルームを生成しそして投 射するレーザ溶発は、衝突するビームによって、ターゲット４０にキャピテイを 形成してプラズマブルームを閉込めるとともにブルームのイオン化を促進する傾 向を有する。

何回かの反復の後、前記キャビティの深さはいっそう著しくなり、従ってレーザ スポットの焦点距離から遠くなり、その結果として、パワー密度の効率が減少す る。この段階において、前記モータ３６を運転してターゲット４０を回転させ、 それにより、グラファイトターゲットの新表面を溶発のためにレーザ１２に指向 することが望ましいと考えられる。

装置１１０によって成長させられるダイヤモンド状炭素層の一様の光学的品質及 び物理的特性は、部分的に、レーザ溶発によって形成されるプラズマブルーム中 の中性原子に対する炭素イオンの高い比率から生じると考えられる。さらに、自 由電子は炭素イオンと一緒にそれらの加速グリッド４２を通じてのサブストレー ト５４への走行において追随すると考えられる。このことは、部分的に、はとん ど汚染を有しない品質でのダイヤモンド状炭素層の高成長率（２０μ／ｈ）を説 明し、それは蒸気析出方式またはスパッタ析出方式においてイオンビームから従 来得られたいかなる結果をも遥かに凌１！する。

２、第４図−第５図の実施例 第４図−第５図を検討すると、本発明に基づく装置の高性能化実施例１００が図 示される。超高真空（２×１０’トル）　空１　ｏ　２ハ、Ｌ／−ｆｔ’−ムｌ 　０４カ室１０２内に指向された態様で取り囲んでいる（レーザは示されない） 、１対のビームスプリッタ１０６がレーザビーム１０４の経路に配置され、該ス プリッタはミラー１０８と共に３本の分離された平行するレーザビームを生じさ せる。言うまでもなく、ビームスプリッタとミラーとの配列を排除するために、 ３個の独立したレーザを組み込んで３本の独立したレーザビームを形成すること は可能である。

アイリス絞り１１０が３個のレンズ１１２の手前においてレーザビーム経路に配 置されて、それにより、それぞれレンズ１１２に達するレーザエネルギの量を制 御する。レンズ１１２はそれぞデれ３本のレーザビームをそれぞれのターゲット １２１，１２２．１２３上に集束する。図示実施例においては、ターゲット１２ ３は純粋に近いグラファイトであり、一方、ターゲット１２１．１２２はドーピ ング用不純物、即ち硼素及び燐である。第４図において見られるように、加速グ リッド１２５，１２６．１２７が互いに概ね整合されてそれぞれのターゲット１ ２１−１２３に隣接して配置される。電子シャッタ１３０．１３２がそれぞれの 加速グリッド１２５．１２６に印加される負電圧を制御りする。そのような電子 シャッタはグリッド１２７にも同様に配置され得ることは理解されよう。

第４図に示されるように、加速グリッド１２５−１２７はサブストレート１４０ に至るイオンフルエンス進行経路を画成するように整合されている。グリッド１ ２７とサブストレート１４０との間には、イオン光学系１４２がイオンフルエン スを操作するために配置される。第４図において、イオン光学系は特定パターン に従ってイオンがそれを通過することを許すマスク１４４、拡大機構１４６及び 偏向板１４８を含む。拡大機構１４６は好ましくはイオンフルエンスの横断区域 を減じるように、または、イオンビーム内にイオンフルエンスを形成するように 働く。第５図はサブストレート１４０上に縮小パターンを形成するマスク１４４ 及び拡大機構１４６の一実施例を図示する。

使用時、Ｖｉｌｌｌｏｏの運転は第１図−第３図に示された装置１０の運転と同 様である。室１０２は、ターゲット１２１−１２３及びサブストレート１４０を 室１０２内に配置した後、約２Ｘ１０’ｔ−ルになるように排気される。レーザ ビーム１０４はビームスプリッタ１０６とミラー１ｏ８とによって３本のセグメ ントに分割され、これらセグメントはそれぞれのアイリス絞り１１０を通過して レンズ１１２によってターゲット１２１−１２３上に集束される。各アイリス絞 り１１ｏはそれぞれのレンズ１１２に到達するレーザエネルギの量をＩＩＩ　ｔ ｉｌｌ　するように選択的に働かされ得る。かくして、各アイリス絞り１１０の 動作はターゲット１２１−１２３におけるレーザ連発を制御し得、それはレーザ 溶発特性及び連発ブルーム内の材料ｓｒ！１を制御し得る。

各電子部品１３０−１３２の動作は各加速グリッド１２５．１２６に達する負電 位（約２００−２０００ボルトの範囲内）を制御する。図示された実流例におい て、加速グリッドｉ２５．１２７はサブストレート１４０まで直線方向に延びる イオンフルエンスコラムを生成するように概ね互いに整合される。レーザ連発ブ ルームに垂直に働く磁場は、イオンフッ９レエンスコラム内にイオンを指向する ために、いくつかの修正形式において有用であり得る。

図示された配列において、ターゲット１２１−１２３はイオンフルエンスコラム 内でイオンの混合物を生成するように同時に連発され得、またはアイリス絞り１ １０は特定ターゲット１２１−１２３を順次に連発するように動作され得る。例 えば、ダイヤモンド状炭素の第１の層は、ターゲット１２１．１２２に対応する アイリス絞り１１０を閉鎖し、そしてグラファイトターゲット１２３のレーザ連 発及びイオン化だけを残すことによって生成されそして析出され得る。ダイヤモ ンド状炭素層の一次析出の後、硼素ターゲット１２２はダイヤモンド状炭素の硼 素ドープ層を生成するようにグラフフィトターゲット１２３と同時に連発され得 る。言うまでもなく、燐［８１２１も燭ドープダイヤモンド状炭素層または燐の 単一層を生成するように同様に選択的に連発され得る。そのような硼素層及び燐 層はＰＮ接合を形成するように交互に配置され得それにより半導性ダイヤモンド 状炭素が得られる。言うまでもなく、各種のその他材料がターゲット１２１−１ ２３に代えて使用され得る。

イオンフルエンスコラムはイオン光学系１４２によって有利に制御される。例え ば、第５図に示されるように、マスク１４４は特定パターン（この場合は′Ｘ＃ パターン）に従って成るイオンの通過を阻止し、一方、他のイオンの通過を許す ようにイオンフルエンスコラム内に配置される。マスク１４４を通過するイオン は拡大機構１４６を通過し、そこにおいてフルエンスコラムは横断面を縮小され てサブストレート１４０上にマスクパターンと相補形の拡大パターンを生じさせ る。言うまでもなく、各種のマスク１４４が様々の適用のための幾何学的形状を 生成するため、または材料にパターンを画成するために使用されまたは互換され 得る。例えば、マスク１４４は回路ステンシルを有し得、その場合、ターゲット １２３は半導体材料から成り、そしてターゲット１２１は半導体ドーピング材料 から成り得る。かくして、特注集積回路が小規模生産基準で形成され得る。さら に、ターゲット１２１−１２３の一つは、集積回路上にダイヤモンド状炭素保護 兼導熱層を組込むため、グラファイトから成り得る。

イオン光学系１４２のさらに他の一修正はサブストレート１４０上に−パターン を注文画成するため拡大機構１４６と偏向板１４８とを使用することである。即 ち、拡大機構１４６はイオンビーム内にイオンフルエンスを集束するのに使用さ れる。偏向板１４８はイオンフルエンスの所望パターンをサブストレート１４０ 上に生成するためベクトルスキャン方式でイオンビームを操作し得る。代替的に 、偏向板１４８は、イオンビームがラスタ一方式でサブストレートを連続的に走 査するにつれて、アイリス絞り１１０及びグリッド１２５−１２７がイオンフル エンスをオン・オフ制御するように動作されることによって、ラスタースキャン パターンに従ってイオンビームを操作し得る。

非常に多様のその他材料が、請求の範囲によって限定されるごとき本発明の範囲 から逸脱することなしに、横様の適用のための各種の異なる形式の層を生成する べく前記装Ｍ１０または￥ｉ装１００において使用され得る。

ｆνｃ；ｌ１ｐ２　Ｆ！９ｔＪ 国際調査報告 国際調査報告 ＵＳεｅＤユ６０７ ＳＡ　２εζ１ε

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．第１の進行経路に沿ってレーザビームを指向するように選択的に動作し得る レーザ手段、至、 前記室内に真空を生じさせる手段、 概ね第１の進行経路に沿って位置されて前記室内にターゲット材料を保持する手 段、 前記ターゲット材料の一部分を投射しそしてイオン化するようにレーザビームを ターゲット位置に集束するために前記第１の進行経路に沿って配置された集束手 段、前記室内に配置されそして前記室内で第２の進行経路に沿ってターゲット位 置からイオンを運動させるための電位に帯電し得る分離手段、及び 前記室内に第２の進行経路に沿って配置されたサブストレートであってその表面 上にイオンを収集してそこに材料の層を生じさせるものを支持する手段を有する 材料の層を生成するための装置。 ２．請求の範囲第１項に従う装置において、前記室が窓を有しそして前記レーザ が前記室の外方に位置され、前記第１の進行経路が前記窓を横切っている装置。 ３．請求の範囲第１項に従う装置において、前記分離手段が前記ターゲット保持 手段とサブストレート支持手段との間に前記第２の進行経路に沿って位置された グリッドを有する装置。 ４．請求の範囲第３項に従う装置にむいて、前記グリッドが、約２００−２００ ０ボルトの範囲内の負電位に帯電可能である装置。 ５．請求の範囲第３項に従う装置において、前記第２の進行経路を外部電界から 絶縁するために前記グリッドと前記サブストレート支持手段との間に位置された 手段を有する装置。 ６．請求の範囲第１項に従う装置において、炭素イオン及びダイヤモンド状炭素 層を生成するため本質的にグラファイトから構成されるターゲット材料を有する 装置。 ７．請求の範囲第１項に従う装置において、前記ターゲット保持手段が前記ター ゲットと係合するためのブラケットと、前記ターゲットを選択的に運動させるた めに前記ブラケットに結合されたモータとを有する装置。 ８．請求の範囲第１項に従う装置において、前記集束手段が前記ターゲットから 約１２ｃｍ離して前記室内に位置されたレンズであって約１２ｃｍの焦点距離を 有するものを含む装置。 ９．請求の範囲第１項に従う装置において、前記真空を生じさせる手段が最高約 ２×１０−６トルの真空を前記室内に生じさせるように動作可能である装置。 １０．請求の範囲第１項に従う装置において、第３の進行経路に沿って第２のレ ーザビームを指向する手段と、前記室内で概ね前記第３の進行経路に沿って配置 された他のターゲット保持手段とを有する装置。 １１．請求の範囲第１項に従う装置において、イオンの一部分が前記サブストレ ートに達するのを阻止するため前記第２の進行経路に沿って配置されたマスクで あってそれに対応するパターンに従って前記層を生成させるものを有する装置。 １２．請求の範囲第１項に従う装置において、前記レーザ手段が約１×１０６Ｗ ／ｃｍ２より大きいパワー密度を前記ターゲットにおいて生じさせるように動作 可能である装置。 １３．窓を有する室、 前記室内に真空を生じさせる手段、 レーザビーム進行経路に沿って前記室内に前記窓を通じてレーザビームを指向す るように配置されそして選択的に動作可能であるレーザ、 前記室内に配置されたグラファイトターゲット、前記ターゲットからの炭素蒸気 のブルームを投射するため、そして、前記ブルームの一部分をイオン化して炭素 イオンを生じさせるため、前記グラファイトターゲット上に前記ビームを集束す るように前記レーザビーム進行経路に沿って位置されたレンズ手段、前記グラフ ァイトターゲットから離されて前記室内に配置された加速グリッドであって、前 記ブルームから炭素イオンを分離しそして前記炭素イオンを該グリッドを通じて 前記ターゲットからイオン進行経路に沿って運動させるもの、及び 前記イオン進行経路に沿って前記室内に配置されたサブストレートであって、そ れと前記グラファイトターゲットとの間に前記グリッドが位置されて、その表面 に前記炭素イオンを収集してダイヤモンド状炭素の層を形成するためのもの を有するダイヤモンド状炭素の層をサブストレート上に生成する装置。 １４．請求の範囲第１３項に従う装置において、前記室内に配置されたドービン グ材料から成るターゲットと、ドービング材料イオンを生じさせるため前記ドー ビング材料ターゲットにレーザビームを選択的に指向する手段とを有し、前記ド ービング材料ターゲットが、前記サブストレート上にドービング材料イオンを収 集するため前記イオン進行経路に沿って前記ドービング材料イオンを運ふように 配置されている装置。 １５．ターゲット物質を室内に配置する過程、前記ターゲットを包囲する前記室 内に真空を生じさせる過程、 レーザビームを前記ターゲットに指向する過程、レーザビームを前記ターゲット に対し集束する過程、前記ターゲット物質のブルームを投射するために前記ター ゲットに対し集束された前記レーザビームによって前記ターゲットの一部分を溶 発する過程、前記ブルームの区域内にイオンを生じさせるために前記ブルームに 衝突する前記レーザビームによって前記ブルームの一部をイオン化する過程、 イオン進行経路に沿って前記室内において帯電した電位に向かって前記区域から イオンの少なくとも一部を運動させる過程、 前記イオン進行経路に沿ってサブストレートを位置させる過程、 前記サブストレート上に材料の層を形成するように前記サブストレートにイオン を収集する過程を有する材料の層を生成する方法。 １６．請求の範囲第１５項に従う方法において、レーザを前記質の外側に位置さ せることと、前記レーザビームを前記室の窓を通じて前記ターゲットに指向する こととを含む方法。 １７．請求の範囲第１５項に従う方法において、前記集束過程がレンズを前記室 内に配置することを含む方法。 １８．請求の範囲第１５項に従う方法において、複数の位置において前記ターゲ ットを溶発するように前記ターゲットを周期的に回転させる過程を有する方法。 １９．請求の範囲第１５項に従う方法において、前記ターゲットとサブストレー トとの間において離間位置に帯電電位を位置させる過程を有する方法。 ２０．請求の範囲第１９項に従う方法において、前記電位とサブストレートとの 間を走行するイオンを外部電界から絶縁する過程を有する方法。 ２１．請求の範囲第１９項に従う方法において、前記サブストレートに働突する イオンのエネルギを調節するために前記電位とサブストレートとの間に他の一電 界を及ぼす過程を有する方法。 ２２．請求の範囲第１５項に従う方法において、前記ターゲット材料がグラファ イトから成り、前記イオンが炭素イオンから成り、そして前記層がダイヤモンド 状炭素から成る方法。 ２３．請求の範囲第２２項に従う方法において、前記サブストレートが珪素から 成る方法。 ２４．請求の範囲第２２項に従う方法において、前記ダイヤモンド状炭素層が概 ね一様の厚さ及び約１０オングストローム未満の表面粗さを有する方法。 ２５．請求の範囲第２２項に従う方法において、前記ダイヤモンド状炭素層が約 １．５−２．５の範囲内の屈折率を有する方法。 ２６．請求の範囲第２２項に従う方法において、前記ダイヤモンド状炭素層が４ ０ＭＯ／ｃｍより大きい抵抗性を有する方法。 ２７．請求の範囲第１５項に従う方法において、前記室内に第２の物質から成る 第２のターゲットを配置する過程、レーザビームを両ターゲットに指向する過程 、及びレーザビームを前記第１及び第２の両ターゲットに集束する過程を有する 方法。 ２８．請求の範囲第２７項に従う方法において、レーザビームが前記室内におい て前記第１及び第２のターゲットに対し同時的に指向されそして集束される請求 の範囲第２７項の方法。 ２９．請求の範囲第２７項に従う方法において、前記室内で前記第１及び第２の ターゲットに対し選択的にそして逐次的にレーザビームを指向しそして集束する ことを含む方法。 ３０．請求の範囲第２７項に従う方法にむいて、前記指向する過程が単一のレー ザを動作させる下位過程と、前記ビームの一部分を各ターゲットに指向するよう に前記ビームを分割する下位過程とを含む方法。 ３１．請求の範囲第２７項に従う方法において、前記指向する過程が、ビームを それぞれ第１及び第２のターゲットに指向するように２個のレーザを運転する下 位過程を有する方法。 ３２．請求の範囲第３１項に従う方法において、前記運転する下位過程が各ター ゲットのために所望パワー密度を達成するように各レーザを独立的に運転するこ とを含む方法。 ３３．請求の範囲第２７項に従う方法において、前記指向する過程が、個別ビー ム進行経路に沿ってアイリス絞りを配置する下位過程と、それぞれのターゲット を選択的に溶発するように各アイリス絞りを動作させる下位過程とを含む方法。 ３４．請求の範囲第１５項または第２７項に従う方法において、前記サブストレ ートの手前に前記イオン進行経路に沿ってマスクを配置する過程と、前記サブス トレート上に材料の所望パターンを形成するように前記イオンの一部分に対しマ スキングを行う過程とを有する方法。 ３５．請求の範囲第３４項に従う方法において、前記マスクとサブストレートと の間にイオン光学系を配置する過程と、前記マスクから前記サブストレート上に 出現するイオンを拡大する過程とを有する方法。 ３６．請求の範囲第１５項または第２７項に従う方法において、前記イオン進行 経路に沿ってイオン光学系を配置する過程と、イオンフルエンスを集束する過程 と、集束されたイオンを選択的に前記サブストレート上へ操作する過程とを含む 方法。 ３７．請求の範囲第３６項に従う方法にむいて、前記操作する過程が前記イオン 光学系とサブストレートとの間に前記イオン進行経路に沿って偏向板を配置する 下位過程と、前記集束されたイオンフルエンスを所望パターンに従って前記サブ ストレート上に偏向させる下位過程とを含む方法。 ３８．請求の範囲第３７項に従う方法において、前記偏向させる下位過程が、前 記サブストレート上でラスターパターンを走査することと、前記イオン進行経路 に沿って走行するように選択的にイオンを生じさせることとを含む方法。 ３９．請求の範囲第３７項に従う方法において、前記偏向させる下位過程が、所 望パターンに従って前記サブストレートのベクトルスキャンを生じさせることを 含む方法。 ４０．請求の範囲第２７項に従う方法において、前記第１のターゲットがダイヤ モンド状炭素を生成するためのグラファイトから成り、第２のターゲットが前記 層に選択的にドービングを行うためのドービング材料から成る方法。 ４１．請求の範囲第４０項に従う方法において、前記ドーピング材料が硼素から 成る方法。 ４２．室、 前記室内に真空を生じさせる手段、 前記室内に配置された第１と第２のターゲット、レーザビームを生成する手段、 材料を投射しそして材料の少なくとも一部分をイオン化するようにレーザビーム を各ターゲットに指向するため前記第１と第２のターゲットに相対して配置され た手段、 前記室内に配置された分離手段であって前記投射された材料からイオンを分離す るとともに前記ターゲットからイオン進行経路に沿って前記イオンを運動させる ための電位に帯電可能であるもの、 前記イオン進行経路に沿って前記室内に配置されたサブストレートであってその 表面に材料の層を形成するように前記イオンを収集するもの を有するサブストレート上に材料の層を生成する装置。 ４３．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記指向する手段が単一のビー ムを２本のビームに分割するためのビームスブリッタを有する装置。 ４４．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記指向する手段が各レーザビ ームを各ターゲットにそれぞれ集束するために配置されたレンズを有する装置。 ４５．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記指向する手段が各ターゲッ トに選択的にレーザビームを供給するように各レーザビームの進行経路に配置さ れたアイリス絞りを有する装置。 ４６．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記ビームを生成する手段が、 前記第１と第２のターゲットにそれぞれ指向された第１と第２のレーザを有する 装置。 ４７．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記ビームを生成する手段が、 約１×１０６Ｗ／ｃｍ２より大きいパワー密度を以てレーザビームを各ターゲッ トにおいて生成するように動作可能である装置。 ４８．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記真空手段が前記至を約２× １０−６トルになるまで排気するように動作可能である装置。 ４９．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記分離手段が約２００−２０ ００ボルトの範囲内の負電位に帯電可能のグリッドを有する装置。 ５０．請求の範囲第４２項に従う装置において、前記分離手段が各ターゲットに それぞれ隣接して配置された１対のグリッドを有する装置。 ５１．請求の範囲第５０項に従う装置において、両グリッドが前記イオン進行経 路において直線状に整合されている装置。 ５２．請求の範囲第５０項に従う装置において、前記グリッドが一方のグリッド のみを帯電させるように選択的に動作可能である装置。 ５３．請求の範囲第４０項に従う装置において、前記サブストレートに対するイ オンの衝突を操作するため前記イオン進行経路に沿って配置されたイオン光学系 を有する装置。 ５４．請求の範囲第５３項に従う装置において、前記イオン光学系が前記イオン の一部分が前記サブストレートに達するのを阻止するためのマスクを有する装置 。 ５５．請求の範囲第５４項に従う装置において、前記マスクのパターンと相補形 である縮小寸法のパターンを生じさせるように前記マスクとサブストレートとの 間に前記イオンフルエンスを拡大する手段を有する装置。 ５６．請求の範囲第５３項に従う装置において、前記イオン光学系がイオンビー ム内へ前記イオンフルエンスを拡大する手段を有する装置。 ５７．請求の範囲第５６項に従う装置において、前記サブストレートにおける所 望パターンに前記イオンビームを偏向させるために偏向板を有する装置。 ５８．請求の範囲第５７項に従う装置において、前記偏向板がラスタースキャン 内で動作可能である装置。 ５９．請求の範囲第５７項に従う装置において、前記偏向板がベクトルスキャン 内で動作可能である装置。 ６０．炭素のブルームを投射するためにレーザビームによって真空環境内でグラ ファイトターゲットの一部分を溶発する過程、 炭素イオンを生成するようにレーザビームによって前記ブルームの一部をイオン 化する過程、イオン進行経路に沿って負帯電した電位に向かって前記ブルームか らイオンの少なくとも一部を分離する過程、及び 前記イオン進行経路に配置されたサブストレート上に炭素イオンを収集して前記 ダイヤモンド状炭素層を前記サブストレート上に形成する過程 を含む工程によって生成される、変動率約３％未満の一様の厚さ及び約２．０よ り大きい概ね一様の屈折率を有するダイヤモンド状炭素層。 ６１．請求の範囲第６０項に従うダイヤモンド状炭素層にむいて、該層が前記厚 さの約１％未満の表面粗さを有するダイヤモンド状炭素層。 ６２．請求の範囲第６０項に従う装置において、該層が４０ＭＯ／ｃｍより大き い抵抗率を有する装置。 ６３．請求の範囲第６０項に従う装置において、前記層が２．３より大きい屈折 率を有する装置。 ６４．請求の範囲第６０項に従う装置において、前記層が半導体として働く一つ または複数のドービング材料を有する請求の範囲第６０項の装置。 ６５．請求の範囲第６４項に従う装置において、前記ドービング材料が硼素また は燐から成る装置。 ６６．請求の範囲第６０項に従う装置において、前記工程の前記分離する過程が 、前記ターゲットを接地することと、前記グラファイトターゲットとサブストレ ートとの間で離間された加速グリッドを約２００−２０００ボルトの範囲内で負 帯電することとを含む装置。 ６７．請求の範囲第６０項に従う装置において、前記工程の前記溶発する過程が 、レーザを運転することと、少なくとも１×１０６Ｗ／ｃｍ２のパワー密度を前 記グラファイトターゲットにおいて得るように前記レーザビームを集束すること とを含む装置。 ６８．請求の範囲第６４項に従う装置において、前記工程がドービングターゲッ トを溶発しそしてドービングイオンを生成するようにイオン化することと、前記 ドービングイオンを分離することと、そして半導体として働くドーア層を生成す るように前記ドービングイオンを前記炭素イオンと共に前記サブストレート上に 収集することとを含む装置。