JPH05345696A - Production of diamond film - Google Patents

Production of diamond film

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JPH05345696A
JPH05345696A JP15666392A JP15666392A JPH05345696A JP H05345696 A JPH05345696 A JP H05345696A JP 15666392 A JP15666392 A JP 15666392A JP 15666392 A JP15666392 A JP 15666392A JP H05345696 A JPH05345696 A JP H05345696A
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JP
Japan
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ion beam
substrate
gas
dopant element
carbon
Prior art date
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Pending
Application number
JP15666392A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Miura
毅 三浦
Kazutaka Irie
和隆 入江
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Japan Steel Works Ltd
Original Assignee
Japan Steel Works Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To obtain a diamond film applicable to high-temperature electronic devices, showing excellent characteristics such as hardness, corrosion resistance and heat resistance. CONSTITUTION:A carbon-containing target 7 is irradiated with irradiated with a first ionic beam 6 and sputtered. Carbon is fed to the surface of a substrate 11 opposing to the target 7 and a dopant element-containing second ionic beam 9 is injected to the surface of the substrate 11.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はダイヤモンド膜の製造方
法に関し、特に、硬さ、耐蝕性、耐熱性などに優れた特
性を示し、高温電子機器への応用展開を可能とするため
の新規な改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a diamond film, and in particular, it exhibits excellent properties such as hardness, corrosion resistance, and heat resistance, and is a novel material for application to high temperature electronic equipment. Regarding improvement.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、ダイヤモンドは硬い、耐熱性に
優れている、熱伝導度が大いなどに加えてバンドギャッ
プが極めて大きい、電子・正孔ともにSiの電子程度の
移動度をもっている。また、比誘導率が低いために高温
半導体として注目され研究開発が盛んに行われている。
中でも、次の二つがよく検討されている。第1の従来例
は、1986年オーム社から発行のニューダイヤモンド
誌第10頁から第15頁に開示されたダイヤモンド半導
体に記載されているように、ソ連のVaviLovらのグル
ープが検討している、SiやGaAsなどの既存半導体素
子の製造において行われているイオン注入法を活用する
方法である。これは、ダイヤモンドにドーパント元素と
してB、Al、P、C、Li、Arなどを用い、それらを
40〜100KeVのエネルギーで1015〜1016ions
/cm2のイオン注入を行い、1400℃で2時間アニー
リングして半導体ダイヤモンドを得るものである。次
に、第2の従来例は、ダイヤモンド気相合成法を活用す
る方法である。すなわち、特開昭62−70295号公
報に開示されたn型半導体ダイヤモンド膜の製造方法に
記載されているように、マイクロ波プラズマCVD法も
しくは熱分解CVD法にて、ドーパント元素P、Asも
しくはSbを含むガス、炭化水素ガス及び水素からなる
反応ガスを熱分解、もしくはプラズマ分解し基板上に蒸
着して半導体ダイヤモンド膜を得るものである。
2. Description of the Related Art Generally, diamond is hard and has excellent heat resistance, has a large thermal conductivity, has an extremely large band gap, and has a mobility as high as that of Si electrons for both electrons and holes. In addition, due to its low specific induction, it has attracted attention as a high-temperature semiconductor and is being actively researched and developed.
Among them, the following two are well considered. The first conventional example is examined by the group of VaviLov et al. Of the Soviet Union, as described in the diamond semiconductor disclosed on pages 10 to 15 of New Diamond magazine issued by Ohmsha in 1986. This is a method that utilizes the ion implantation method that is performed in the manufacture of existing semiconductor elements such as Si and GaAs. This is because B, Al, P, C, Li, Ar, etc. are used as a dopant element in diamond, and 10 15 to 10 16 ions are applied at an energy of 40 to 100 KeV.
/ Cm 2 of ion implantation and annealing at 1400 ° C. for 2 hours to obtain semiconductor diamond. Next, the second conventional example is a method of utilizing the diamond vapor phase synthesis method. That is, as described in the method for producing an n-type semiconductor diamond film disclosed in JP-A-62-70295, the dopant element P, As or Sb is formed by the microwave plasma CVD method or the thermal decomposition CVD method. A semiconductor diamond film is obtained by thermally decomposing or plasma-decomposing a reaction gas composed of a gas containing hydrogen, a hydrocarbon gas and hydrogen.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のダイヤモンド膜
の製造方法は、以上のように構成されていたため、次の
ような課題が存在していた。すなわち、前述のイオン注
入法では、イオンの注入深さが非常に浅い(サブミクロ
ン)うえにイオン注入によって結晶そのものがダメージ
を受けるため、十分な半導体特性を得ることができなか
った。特に、n型半導体ダイヤモンドは例えば、特開昭
62−70295号公報に開示されているが、これまで
にまだ得られていないと言われている。また、ダメージ
を回復するためには1000℃以上の高温による熱処理
が必要であり、取り扱いが難しく、コストが高くつくと
共に、品値が安定しないなどの多くの問題があった。ま
た、前述のダイヤモンド気相合成によるn型半導体ダイ
ヤモンド膜の製造法では、プラズマCVD法や熱分解C
VD法であるため、高温処理(700〜800℃以上)
となるので取り扱いが難しく、膜中に大きな応力が残
り、使用時に破壊されやすく、不純物元素(ドーパン
ト)量を制御することが極めて難しいなどの課題があっ
た。
The conventional diamond film manufacturing method has the following problems because it is configured as described above. That is, in the above-described ion implantation method, the ion implantation depth is very shallow (submicron) and the crystal itself is damaged by the ion implantation, so that sufficient semiconductor characteristics cannot be obtained. In particular, n-type semiconductor diamond is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-70295, but it is said that it has not been obtained so far. Further, in order to recover damage, heat treatment at a high temperature of 1000 ° C. or higher is required, which is difficult to handle, costly, and the product value is not stable. In addition, in the above-mentioned method for producing an n-type semiconductor diamond film by diamond vapor phase synthesis, plasma CVD method or thermal decomposition C
Since it is a VD method, high temperature treatment (700-800 ° C or higher)
Therefore, there are problems that it is difficult to handle, large stress remains in the film, it is easily broken during use, and it is extremely difficult to control the amount of impurity elements (dopants).

【0004】本発明は以上のような課題を解決するため
に、なされたもので、特に、イオンビームでのスパッタ
リングによる低温成膜と同時にドーパントイオンビーム
を注入し、硬さ、耐蝕性、耐熱性などに優れた特性を示
し、高温電子機器への応用展開を可能としたダイヤモン
ド膜の製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above problems. In particular, a dopant ion beam is injected at the same time as low temperature film formation by sputtering with an ion beam to obtain hardness, corrosion resistance and heat resistance. It is an object of the present invention to provide a method for producing a diamond film, which exhibits excellent characteristics as described above and is applicable to high-temperature electronic devices.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明によるダイヤモン
ド膜の製造方法は、スパッタリング粒子と注入イオンを
基板表面で混合させてミキシング膜を形成させるように
したダイヤモンド膜の製造方法において、イオンビーム
を炭素を含むターゲットに照射させてスパッタリング
し、前記ターゲットに対向して設けられた基板の表面に
炭素を供給し、前記基板の表面に炭素を凝集させつつド
ーパント元素を含むイオンビームを注入させる方法であ
る。
The method for producing a diamond film according to the present invention is a method for producing a diamond film in which sputtered particles and implanted ions are mixed on the surface of a substrate to form a mixing film. Is a method of irradiating a target including a target and sputtering, supplying carbon to the surface of the substrate provided facing the target, and injecting an ion beam containing a dopant element while aggregating the carbon on the surface of the substrate. ..

【0006】さらに詳細には、1つのイオン源にドーパ
ント元素を含むガスおよび不活性ガスを導入し、前記ド
ーパント元素を含むイオンビームと不活性ガスイオンビ
ームとの複合イオンビームを発生させ、この複合イオン
ビームを質量分析器の軌道上でそれぞれ単独の第1、第
2イオンビームに分離し、前記不活性ガスイオンビーム
からなる前記第1イオンビームを前記ターゲットに照射
させてスパッタリングして前記基板の表面に炭素を供給
し、前記基板の表面に炭素を凝集させつつ他方のドーパ
ント元素を含む前記第2イオンビームを注入させる方法
である。
More specifically, a gas containing a dopant element and an inert gas are introduced into one ion source, and a composite ion beam of an ion beam containing the dopant element and an inert gas ion beam is generated. The ion beam is separated into a first ion beam and a second ion beam, which are independent of each other on the trajectory of the mass spectrometer, and the target is irradiated with the first ion beam composed of the inert gas ion beam, and sputtering is performed to perform sputtering of the substrate. It is a method of supplying carbon to the surface and injecting the second ion beam containing the other dopant element while aggregating the carbon on the surface of the substrate.

【0007】さらに詳細には、1つのイオン源にドーパ
ント元素を含むガス、炭化水素ガスおよび不活性ガスを
導入し、前記ドーパント元素を含むイオンビームと炭化
水素ガスイオンビームと不活性ガスイオンビームとの複
合イオンビームを発生させ、この複合イオンビームを質
量分析器の軌道上でそれぞれ単独の第1、第2イオンビ
ームに分離し、前記炭化水素ガスイオンビーム又は前記
炭化水素ガスイオンビームと不活性ガスイオンビームと
の複合状のイオンビームからなる前記第1イオンビーム
を前記ターゲットに照射させてスパッタリングして前記
基板上に水素を含む炭素原子層を成膜しつつ、前記ドー
パント元素を含む前記第2イオンビームを注入させる方
法である。
More specifically, a gas containing a dopant element, a hydrocarbon gas and an inert gas are introduced into one ion source, and an ion beam containing the dopant element, a hydrocarbon gas ion beam and an inert gas ion beam are introduced. A composite ion beam is generated, and the composite ion beam is separated into a first ion beam and a second ion beam, which are independent of each other, on the trajectory of the mass spectrometer, and is inert to the hydrocarbon gas ion beam or the hydrocarbon gas ion beam. While irradiating the target with the first ion beam composed of a complex ion beam with a gas ion beam to form a carbon atom layer containing hydrogen on the substrate by sputtering, the first ion beam containing the dopant element is formed. This is a method of implanting two ion beams.

【0008】さらに詳細には、1つのイオン源にドーパ
ント元素を含むガス、酸化炭素ガスおよび不活性ガスを
導入し、前記ドーパント元素を含むイオンビームと酸化
炭素ガスイオンビームと不活性ガスイオンビームとの複
合イオンビームを発生させ、この複合イオンビームを質
量分析器の軌道上でそれぞれ単独の第1、第2イオンビ
ームに分離し、前記酸化炭素イオンビーム又は前記酸化
炭素イオンビームと不活性ガスイオンビームとの複合状
のイオンビームからなる第1イオンビームを前記ターゲ
ットに照射させてスパッタリングして前記基板上に酸素
を含む炭素の原子層を成膜しつつ、前記ドーパント元素
を含む前記第2イオンビームを注入させる方法である。
More specifically, a gas containing a dopant element, a carbon oxide gas and an inert gas are introduced into one ion source, and an ion beam containing the dopant element, a carbon oxide gas ion beam and an inert gas ion beam are introduced. A composite ion beam is generated, and the composite ion beam is separated into a first ion beam and a second ion beam, respectively, on the orbit of the mass spectrometer, and the carbon dioxide ion beam or the carbon dioxide ion beam and an inert gas ion are separated. The second ion containing the dopant element while irradiating the target with a first ion beam composed of a complex ion beam with the beam to form an atomic layer of carbon containing oxygen on the substrate by sputtering. This is a method of injecting a beam.

【0009】さらに詳細には、前記基板に注入する前記
ドーパント元素を含む前記イオンビームが最大スパッタ
収率となる入射角より大で且つスパッタ率が1.0より
小である方法である。
More specifically, it is a method in which the ion beam containing the dopant element implanted into the substrate is larger than the incident angle at which the maximum sputtering yield is obtained and the sputtering rate is smaller than 1.0.

【0010】さらに詳細には、前記ドーパント元素が
B、Al、P、As、LiもしくはSbからなる群から選ば
れた1種以上である方法である。
More specifically, it is a method in which the dopant element is one or more selected from the group consisting of B, Al, P, As, Li and Sb.

【0011】さらに詳細には、前記ターゲットおよび基
板に水素ガスを吹きつける方法である。
More specifically, it is a method of blowing hydrogen gas onto the target and the substrate.

【0012】[0012]

【作用】本発明によるダイヤモンド膜の製造方法におい
ては、炭素を含むターゲットに第1イオンビームを照射
させてスパッタリングすると共に、このターゲットに対
向して設けられた基板の表面に炭素を供給し、前記基板
の表面に炭素を凝集させつつドーパント元素を含む第2
イオンビームを注入させることにより、室温で品質の安
定した任意の膜層の半導体ダイヤモンド膜を安く得るこ
とができる。
In the method for producing a diamond film according to the present invention, a target containing carbon is irradiated with the first ion beam for sputtering, and carbon is supplied to the surface of the substrate provided facing the target. Second, containing a dopant element while aggregating carbon on the surface of the substrate
By injecting the ion beam, a semiconductor diamond film of an arbitrary film layer having stable quality at room temperature can be obtained at low cost.

【0013】[0013]

【実施例】以下、図面と共に本発明によるダイヤモンド
膜の製造方法の好適な実施例について詳細に説明する。
図1及び図2は本発明によるダイヤモンド膜の製造方法
に適用する装置を示すためのもので、図1は概略構成
図、図2は図1のミキシングチャンバの詳細構成図であ
る。図1において符号1で示されるものはイオン源であ
り、このイオン源1には2種類のイオン源ガス(例えば
Ar、PH3)を導入する第1、第2ガス導入管1a、1
bが設けられている。このイオン源1に形成されたイオ
ン放出口1Cの外側には放出されたイオン(Ar+
+)を加速して複合イオンビーム3とする加速電極2
が設けられている。
The preferred embodiments of the method for producing a diamond film according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
1 and 2 show an apparatus applied to the method for producing a diamond film according to the present invention. FIG. 1 is a schematic configuration diagram and FIG. 2 is a detailed configuration diagram of the mixing chamber of FIG. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an ion source, and the ion source 1 has first and second gas introduction pipes 1a, 1a for introducing two kinds of ion source gases (for example, Ar and PH 3 ).
b is provided. Outside the ion emission port 1C formed in the ion source 1, the emitted ions (Ar + ,
Accelerating electrode 2 for accelerating P + ) into a composite ion beam 3
Is provided.

【0014】この加速電極2の出力側2aには、前記複
合イオンビーム3の軌道上に質量分析器4が設けられて
おり、印加された磁場により前記複合イオンビーム3を
独立の第1、第2イオンビーム6、9に分離する。この
質量分析器4の出力端4aには、この質量分析器4によ
り分離されたそれぞれ独立の第1、第2イオンビーム
6、9の軌跡を電界によって個別に微調整できる第1偏
向部5a及び第2偏向分離5bで構成された複合イオン
ビーム偏向装置5が設けられている。
On the output side 2a of the accelerating electrode 2, a mass spectrometer 4 is provided on the trajectory of the composite ion beam 3, and the composite ion beam 3 is independently isolated by the applied magnetic field. The two ion beams 6 and 9 are separated. At the output end 4a of the mass analyzer 4, a first deflecting unit 5a capable of individually finely adjusting the loci of the independent first and second ion beams 6 and 9 separated by the mass analyzer 4 by an electric field, and A composite ion beam deflector 5 composed of the second deflection separation 5b is provided.

【0015】前記複合イオンビーム偏向装置5を通過し
た各イオンビーム6、9のうち、一方の質量の大きいA
r+の第1イオンビーム6はそのまま直進してミキシング
チャンバ12内のターゲット7を照射してスパッタリン
グ原子8を発生させ、他方の質量の小さいドーパント元
素を含むP+の第2イオンビーム9はビームスキャナ1
0を通過して前記ミキシングキャンバ12内の基板11
を照射する。前述の質量分析器4は各イオンビーム6、
9の軌跡に対して垂直方向に印加された磁場を有し、こ
の磁場を通過する各イオンビーム6、9は、加速された
電圧が同じであれば、その原子特有の原子量(質量数)
とイオンの荷電数との比に対応した曲率半径ρで湾曲し
た軌跡を描く。例えば、Ar+(ρ1)とP+(ρ2)の場
合には、次の数1における(1)式
Of the ion beams 6 and 9 that have passed through the composite ion beam deflector 5, one of the ion beams 6 and 9 having a large mass A
The r + first ion beam 6 goes straight as it is and irradiates the target 7 in the mixing chamber 12 to generate sputtering atoms 8. On the other hand, the P + second ion beam 9 containing the dopant element having a small mass is the beam. Scanner 1
Substrate 11 in the mixing camber 12 passing through 0
Irradiate. The above-mentioned mass spectrometer 4 uses each ion beam 6,
The ion beams 6 and 9 having a magnetic field applied in the direction perpendicular to the locus of 9 and passing through the magnetic fields have the same accelerated voltage, but the atomic weight (mass number) peculiar to the atom.
And draw a curved locus with a radius of curvature ρ corresponding to the ratio of the number of charged ions. For example, in the case of Ar +1 ) and P +2 ), Equation (1) in the following equation 1

【0016】[0016]

【数1】 [Equation 1]

【0017】となり前記第1イオンビームと第2イオン
ビームの軌跡は分離される。また、前述のターゲット7
の第1イオンビーム6の照射により発生するスパッタリ
ング原子8により基板11上にミキシング膜11aが形
成される。さらに前述ターゲット7と基板11が設置さ
れているミキシングチャンバ12にはスパッタリング原
子8および前記ミキシング薄膜11aと反応する反応ガ
ス14を導入する反応ガス導入管15が設けられてい
る。また、前述のイオン源1からターゲット7及び基板
11までの各イオンビーム6、9の軌跡は図示しない容
器内に収容されて10-4〜10-8Torrの真空に保持さ
れている。次に、前述の構成に基づき、本出願人が実際
に行った実験例について述べる。
The trajectories of the first ion beam and the second ion beam are separated. In addition, the target 7
The mixing film 11 a is formed on the substrate 11 by the sputtering atoms 8 generated by the irradiation of the first ion beam 6. Further, the mixing chamber 12 in which the target 7 and the substrate 11 are installed is provided with a reaction gas introducing pipe 15 for introducing a reaction gas 14 which reacts with the sputtering atoms 8 and the mixing thin film 11a. The trajectories of the ion beams 6 and 9 from the ion source 1 to the target 7 and the substrate 11 described above are housed in a container (not shown) and maintained in a vacuum of 10 −4 to 10 −8 Torr. Next, an example of an experiment actually performed by the applicant based on the above-mentioned configuration will be described.

【0018】[0018]

【実験例1】イオン源1に各ガス導入管1a、1bから
それぞれArガス0.1ccMとPH3ガス0.06ccMを導
入し、Ar+、P+の複合イオンビーム3を生成した。こ
の複合イオンビーム3を加速電極2に電圧20KVを負
荷し、イオン源1のイオン放出口1Cから引出し、質量
分析器4の電磁石に電流13Aを通電し磁場を発生させ
てAr+とP+とに分離し、Ar+(イオンビーム電流30
0μA)を照射角θ1=75°としたグラファイト(純
度99.995%)からなるターゲット7に照射してス
パッタリングし、P+(イオンビーム電流30μA)を
照射角θ2=80°としたシリコンの基板11に照射し
た。8時間照射後、膜厚200μm、膜抵抗400Ω・c
mのPを含むダイヤモンド状炭素膜が得られた。
[Experimental Example 1] Ar gas 0.1 ccM and PH 3 gas 0.06 ccM were introduced into the ion source 1 from the respective gas introduction pipes 1a and 1b to generate a composite ion beam 3 of Ar + and P + . A voltage of 20 KV is applied to the accelerating electrode 2 of the composite ion beam 3 to extract it from the ion emission port 1C of the ion source 1, and a current 13A is applied to the electromagnet of the mass analyzer 4 to generate a magnetic field to generate Ar + and P + . Separated into Ar + (ion beam current 30
0 μA) is applied to a target 7 made of graphite (purity 99.995%) with an irradiation angle θ 1 = 75 ° and sputtered, and P + (ion beam current 30 μA) is irradiated with silicon with an irradiation angle θ 2 = 80 °. The substrate 11 was irradiated. After irradiation for 8 hours, film thickness 200μm, film resistance 400Ω · c
A diamond-like carbon film containing m P was obtained.

【0019】[0019]

【実験例2】イオン源1に各ガス導入管1a、1bから
それぞれArガス0.1ccMとPH3ガス0.06ccMを導
入し、Ar+、P+の複合イオンビーム3を生成した。こ
の複合イオンビーム3を加速電極2に電圧20KVを負
荷し、イオン源1のイオン放出口1Cから引出し、質量
分析器4の電磁石に電流13Aを通電し磁場を発生させ
てAr+とP+とに分離し、Ar+(イオンビーム電流30
0μA)を照射角θ1=75°としたグラファイト(純
度99.995%)からなるターゲット7に照射してス
パッタリングし、P+(イオンビーム電流30μA)を
照射角θ2=80°としたシリコン基板11に照射し
た。その際ミキシングチャンバ12内に反応ガス導入管
15を通してH2ガスからなる反応ガス14を0.04cc
M導入した。8時間照射後、膜厚200μm、膜抵抗1
KΩ・cmのPを含むダイヤモンド状炭素膜が得られた。
[Experimental Example 2] Ar gas of 0.1 ccM and PH 3 gas of 0.06 ccM were introduced into the ion source 1 from the respective gas introduction tubes 1a and 1b to generate a composite ion beam 3 of Ar + and P + . A voltage of 20 KV is applied to the accelerating electrode 2 of the composite ion beam 3 to extract it from the ion emission port 1C of the ion source 1, and a current 13A is applied to the electromagnet of the mass analyzer 4 to generate a magnetic field to generate Ar + and P + . Separated into Ar + (ion beam current 30
0 μA) is applied to a target 7 made of graphite (purity 99.995%) with an irradiation angle θ 1 = 75 ° and sputtered, and P + (ion beam current 30 μA) is irradiated with silicon with an irradiation angle θ 2 = 80 °. The substrate 11 was irradiated. At that time, the reaction gas 14 consisting of H 2 gas was passed through the reaction gas introduction pipe 15 into the mixing chamber 12 to obtain 0.04 cc.
M was introduced. After irradiation for 8 hours, film thickness 200μm, film resistance 1
A diamond-like carbon film containing P of KΩ · cm was obtained.

【0020】[0020]

【実験例3】イオン源1に各ガス導入管1a、1bから
それぞれN2ガス0.1ccMとB26ガス及びCOガス
0.06ccMを導入し、N2 +、B+、CO+の複合イオン
ビーム3を生成した。この複合イオンビーム3を加速電
極2に電圧20KVを負荷し、イオン放出口1Cから引
出し、質量分析器4の電磁石に電流13Aを通電し、磁
場を発生させてN2 +、B+とCO+とに分離し、N2 +およ
びCO+(イオンビーム電流100μA)を照射角θ1
75°としたグラファイト(純度99.995%)ター
ゲット7に照射しスパッタリングし、B+(イオンビー
ム電流30μA)をビームスキャナ10に500Hz、
1KVの電圧を負荷して振動させつつ照射角θ2=80
°としたシリコン基板11に照射した。その際ミキシン
グチャンバ12内に反応ガス導入管15を通してH2
スを0.04ccM導入した。8時間照射後、膜厚250
μm、膜抵抗1Ω・cmのBを含むダイヤモンド状炭素膜
が得られた。
[Experimental Example 3] N 2 gas of 0.1 ccM and B 2 H 6 gas and CO gas of 0.06 ccM were introduced into the ion source 1 from the gas introduction pipes 1a and 1b, respectively, and N 2 + , B + , and CO + of A composite ion beam 3 was generated. The composite ion beam 3 is applied to the accelerating electrode 2 with a voltage of 20 KV, extracted from the ion emission port 1C, and a current 13A is applied to the electromagnet of the mass analyzer 4 to generate a magnetic field to generate N 2 + , B + and CO +. And separated into N 2 + and CO + (ion beam current 100 μA) irradiation angle θ 1 =
The graphite 7 (purity 99.995%) at 75 ° is irradiated and sputtered, and B + (ion beam current 30 μA) is applied to the beam scanner 10 at 500 Hz,
Irradiation angle θ 2 = 80 while vibrating by applying a voltage of 1 KV
The silicon substrate 11 having a temperature of 90 ° was irradiated. At that time, 0.04 ccM of H 2 gas was introduced into the mixing chamber 12 through the reaction gas introducing pipe 15. After irradiation for 8 hours, film thickness 250
A diamond-like carbon film containing B having a thickness of μm and a film resistance of 1 Ω · cm was obtained.

【0021】[0021]

【実験例4】イオン源1に各ガス導入管1a、1bから
それぞれCH4ガス0.1ccMおよびN2ガスとPH3ガス
0.06ccMを導入し、CH3 +、P+、N+の複合イオン
ビーム3を生成した。この複合イオンビーム3を加速電
極2に電圧20KVを負荷し、イオン放出口1Cから引
出し、質量分析器4の電磁石に電流11Aを通電し、磁
場を発生させてN+、CH3 +とP+とに分離し、N+とC
3 +(イオンビーム電流200μA)を照射角θ2=7
5°とした図1の基板11の位置にグラファイト(純度
99.995%)ターゲット7を置いて照射しスパッタ
リングし、P+(イオンビーム電流20μA)を照射角
θ1=80°とした図1のターゲット7の位置に置いた
シリコン基板11に照射した。8時間照射後、膜厚20
0μm、膜抵抗100Ω・cmのPを含むn型半導体ダイヤ
モンド膜が得られた。すなわち、図1には示していない
が、本実験例では、ターゲット7と基板11の位置を互
いに逆の位置とした場合について述べている。
[Experimental Example 4] CH 4 gas of 0.1 ccM and N 2 gas and PH 3 gas of 0.06 ccM were introduced into the ion source 1 from the respective gas introduction pipes 1a and 1b to form a composite of CH 3 + , P + and N + . Ion beam 3 was generated. This composite ion beam 3 is loaded on the accelerating electrode 2 with a voltage of 20 KV, extracted from the ion emission port 1C, and a current of 11 A is applied to the electromagnet of the mass spectrometer 4 to generate a magnetic field to generate N + , CH 3 + and P +. Separated into and N + and C
Irradiation angle θ 2 = 7 with H 3 + (ion beam current 200 μA)
The graphite (purity 99.995%) target 7 was placed on the substrate 11 of FIG. 1 at 5 ° and was irradiated and sputtered, and P + (ion beam current 20 μA) was irradiated at an irradiation angle θ 1 = 80 °. The silicon substrate 11 placed at the position of the target 7 was irradiated. After irradiation for 8 hours, film thickness 20
An n-type semiconductor diamond film containing P having a thickness of 0 μm and a film resistance of 100 Ω · cm was obtained. That is, although not shown in FIG. 1, this experimental example describes a case where the positions of the target 7 and the substrate 11 are opposite to each other.

【0022】なお、前記基板11に注入する不純物のド
ーパント元素を含むイオンビーム6は、図3で示すよう
に、最大のスパッタ収率となる入射角より大で且つスパ
ッタ率が1.0より小である範囲Aを使用している。ま
た、このドーパント元素は、B、Al、P、As、Liも
しくはSbからなる群から選ばれた1種以上を用いると
好適であると共に、ターゲット7及び基板11に水素ガ
スを吹きつけつつ成膜を行うこともできることは述べる
までもないことである。また、イオン源1にドーパント
元素を含むガス、炭化水素ガス及び不活性ガスを導入
し、ドーパント元素を含むイオンビームと炭化水素ガス
イオンビームと不活性ガスイオンビームとの複合イオン
ビーム3を発生させ、炭化水素ガスイオンビーム又は炭
化水素ガスイオンビームと不活性ガスイオンビームとの
複合状のイオンビームからなる第1イオンビーム6をタ
ーゲット7に照射させ、基板11上に水素を含む炭素原
子層を成膜しつつ第2イオンビーム9を注入することも
できる。さらに、イオン源1にドーパント元素を含むガ
ス、酸化炭素ガス及び不活性ガスを導入し、ドーパント
元素を含むイオンビームと酸化炭素ガスイオンビームと
不活性ガスイオンビームとの複合イオンビーム3を発生
させ、酸化炭素イオンビーム又は酸化炭素イオンビーム
と不活性ガスイオンビームとの複合状のイオンビームか
らなる第1イオンビーム6をターゲット7に照射させ、
基板11上に酸素を含む炭素原子層を成膜しつつ第2イ
オンビーム9を注入することもできる。
As shown in FIG. 3, the ion beam 6 containing the impurity dopant element to be implanted into the substrate 11 is larger than the incident angle at which the maximum sputtering yield is obtained and the sputtering rate is smaller than 1.0. The range A is used. It is preferable to use at least one selected from the group consisting of B, Al, P, As, Li, and Sb as the dopant element, and to form a film while blowing hydrogen gas on the target 7 and the substrate 11. It goes without saying that you can also do. Further, a gas containing a dopant element, a hydrocarbon gas and an inert gas are introduced into the ion source 1 to generate a composite ion beam 3 of an ion beam containing the dopant element, a hydrocarbon gas ion beam and an inert gas ion beam. The target 7 is irradiated with the first ion beam 6 composed of a hydrocarbon gas ion beam or a composite ion beam of a hydrocarbon gas ion beam and an inert gas ion beam, and a carbon atomic layer containing hydrogen is formed on the substrate 11. It is also possible to inject the second ion beam 9 while forming a film. Further, a gas containing a dopant element, a carbon oxide gas and an inert gas are introduced into the ion source 1 to generate a composite ion beam 3 of an ion beam containing the dopant element, a carbon oxide gas ion beam and an inert gas ion beam. The target 7 is irradiated with a first ion beam 6 composed of a carbon oxide ion beam or a composite ion beam of a carbon oxide ion beam and an inert gas ion beam,
It is also possible to implant the second ion beam 9 while forming a carbon atom layer containing oxygen on the substrate 11.

【0023】[0023]

【発明の効果】本発明によるダイヤモンドの製造方法
は、以上のように構成されているため、次のような効果
を得ることができる。すなわち、一つのイオン源から2
種類以上のイオンビームを生成し、それらを質量分析器
によってそれぞれの独立した軌道に分離し、一方の第1
イオンビームをグラファイトのターゲットに照射してス
パッタリングし、基板の表面に炭素のスパッタ原子を供
給し、その基板の表面に炭素を凝集させてダイヤモンド
を生成しつつ、他方のドーパント元素の第2イオンビー
ムを注入することによって、室温でドーパント注入量を
制御し品質の安定した任意の膜厚の半導体ダイヤモンド
膜を安価に安定して得ることができる。従って、高温用
電子機器に適用される電子デバイスの基材を安価に供給
できる効果は極めて大切である。
Since the method for producing diamond according to the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained. That is, 2 from one ion source
Generate more than one type of ion beam and separate them into their respective orbits by the mass spectrometer.
The second ion beam of the other dopant element while irradiating the target of graphite with the ion beam to perform sputtering, supplying the sputtered atoms of carbon to the surface of the substrate and causing the carbon to aggregate on the surface of the substrate to generate diamond. By injecting, the semiconductor diamond film having an arbitrary film thickness with stable quality can be stably obtained at low cost by controlling the dopant injection amount at room temperature. Therefore, the effect of inexpensively supplying the base material of an electronic device applied to high-temperature electronic equipment is extremely important.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるダイヤモンドの製造方法に適用す
る装置の概略を示す構成図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus applied to a diamond manufacturing method according to the present invention.

【図2】図1のミキシングチャンバを示す拡大詳細構成
図である。
2 is an enlarged detailed configuration diagram showing the mixing chamber of FIG. 1. FIG.

【図3】イオンビームの入射角とスパッタの収率の関係
を示す特性図である。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between an incident angle of an ion beam and a sputtering yield.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 イオン源 3 複合イオンビーム 4 質量分析器 6 第1イオンビーム 7 ターゲット 9 第2イオンビーム 11 基板 1 Ion Source 3 Composite Ion Beam 4 Mass Spectrometer 6 First Ion Beam 7 Target 9 Second Ion Beam 11 Substrate

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 スパッタリング粒子と注入イオンを基板
(11)表面で混合させてミキシング膜(11a)を形成させる
ようにしたダイヤモンド膜の製造方法において、第1イ
オンビーム(6)を炭素を含むターゲット(7)に照射させて
スパッタリングし、前記ターゲット(7)に対向して設け
られた基板(11)の表面に炭素を供給し、前記基板(11)の
表面に炭素を凝集させつつドーパント元素を含む第2イ
オンビーム(9)を注入させることを特徴とするダイヤモ
ンド膜の製造法。
1. Sputtered particles and implanted ions on a substrate
(11) In the method for producing a diamond film, which is mixed on the surface to form a mixing film (11a), a target (7) containing carbon is irradiated with a first ion beam (6) and is sputtered, Supplying carbon to the surface of the substrate (11) provided so as to face (7), and injecting a second ion beam (9) containing a dopant element on the surface of the substrate (11) while aggregating carbon. And a method for manufacturing a diamond film.
【請求項2】 1つのイオン源(1)にドーパント元素を
含むガスおよび不活性ガスを導入し、前記ドーパント元
素を含むイオンビームと不活性ガスイオンビームとの複
合イオンビーム(3)を発生させ、この複合イオンビーム
(3)を質量分析器(4)の軌道上でそれぞれ単独の第1、第
2イオンビーム(6、9)に分離し、前記不活性ガスイオン
ビームからなる前記第1イオンビーム(6)を前記ターゲ
ット(7)に照射させてスパッタリングして前記基板(11)
の表面に炭素を供給し、前記基板(11)の表面に炭素を凝
集させつつ他方のドーパント元素を含む前記第2イオン
ビーム(9)を注入させることを特徴とする請求項1記載
のダイヤモンド膜の製造方法。
2. A gas containing a dopant element and an inert gas are introduced into one ion source (1) to generate a composite ion beam (3) of an ion beam containing the dopant element and an inert gas ion beam. , This composite ion beam
(3) is separated into a single first and second ion beam (6, 9) on the orbit of the mass spectrometer (4), and the first ion beam (6) composed of the inert gas ion beam is separated. The target (7) is irradiated and sputtered to the substrate (11)
2. The diamond film according to claim 1, wherein carbon is supplied to the surface of the substrate, and the second ion beam (9) containing the other dopant element is injected while aggregating the carbon on the surface of the substrate (11). Manufacturing method.
【請求項3】 1つのイオン源(1)にドーパント元素を
含むガス、炭化水素ガスおよび不活性ガスを導入し、前
記ドーパント元素を含むイオンビームと炭化水素ガスイ
オンビームと不活性ガスイオンビームとの複合イオンビ
ーム(3)を発生させ、この複合イオンビーム(3)を質量分
析器(4)の軌道上でそれぞれ単独の第1、第2イオンビ
ーム(6、9)に分離し、前記炭化水素ガスイオンビーム又
は前記炭化水素ガスイオンビームと不活性ガスイオンビ
ームとの複合状のイオンビームからなる前記第1イオン
ビーム(6)を前記ターゲット(7)に照射させてスパッタリ
ングして前記基板(11)上に水素を含む炭素原子層を成膜
しつつ、前記ドーパント元素を含む前記第2イオンビー
ム(9)を注入させることを特徴とする請求項1記載のダ
イヤモンド膜の製造方法。
3. A gas containing a dopant element, a hydrocarbon gas and an inert gas are introduced into one ion source (1), and an ion beam containing the dopant element, a hydrocarbon gas ion beam and an inert gas ion beam are provided. The composite ion beam (3) is generated, and the composite ion beam (3) is separated into the first and second ion beams (6, 9) respectively on the orbit of the mass spectrometer (4), and the carbonization is performed. The target (7) is irradiated with the first ion beam (6) composed of a hydrogen gas ion beam or a composite ion beam of the hydrocarbon gas ion beam and an inert gas ion beam, and the substrate is sputtered ( 11. The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein the second ion beam (9) containing the dopant element is implanted while forming a carbon atom layer containing hydrogen on the layer 11).
【請求項4】 1つのイオン源(1)にドーパント元素を
含むガス、酸化炭素ガスおよび不活性ガスを導入し、前
記ドーパント元素を含むイオンビームと酸化炭素ガスイ
オンビームと不活性ガスイオンビームとの複合イオンビ
ーム(3)を発生させ、この複合イオンビーム(3)を質量分
析器(4)の軌道上でそれぞれ単独の第1、第2イオンビ
ーム(6、9)に分離し、前記酸化炭素イオンビーム又は前
記酸化炭素イオンビームと不活性ガスイオンビームとの
複合状のイオンビームからなる第1イオンビーム(6)を
前記ターゲット(7)に照射させてスパッタリングして前
記基板(11)上に酸素を含む炭素原子層を成膜しつつ、前
記ドーパント元素を含む前記第2イオンビーム(9)を注
入させることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド
膜の製造方法。
4. A gas containing a dopant element, a carbon oxide gas and an inert gas are introduced into one ion source (1), and an ion beam containing the dopant element, a carbon oxide gas ion beam and an inert gas ion beam are provided. The composite ion beam (3) is generated, and the composite ion beam (3) is separated into the first and second ion beams (6, 9) respectively on the orbit of the mass spectrometer (4), and the oxidation is performed. On the substrate (11), the target (7) is irradiated with a first ion beam (6) composed of a carbon ion beam or a complex ion beam of the carbon dioxide ion beam and an inert gas ion beam, and the target is sputtered. The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein the second ion beam (9) containing the dopant element is implanted while forming a carbon atom layer containing oxygen in the film.
【請求項5】 前記基板(11)に注入する前記ドーパント
元素を含む前記第2イオンビームが最大スパッタ収率と
なる入射角より大で且つスパッタ率が1.0より小であ
ることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド膜の製
造方法。
5. The second ion beam containing the dopant element to be implanted into the substrate (11) is larger than an incident angle at which the maximum sputtering yield is obtained and the sputtering rate is smaller than 1.0. The method for producing a diamond film according to claim 1.
【請求項6】 前記ドーパント元素がB、Al、P、A
s、LiもしくはSbからなる群から選ばれた1種以上で
あることを特徴とする請求項1記載のダイヤモンド膜の
製造方法。
6. The dopant element is B, Al, P, A
The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein the diamond film is one or more selected from the group consisting of s, Li and Sb.
【請求項7】 前記ターゲット(7)および基板(11)に水
素ガスを吹きつけることを特徴とする請求項1記載のダ
イヤモンド膜の製造方法。
7. The method for producing a diamond film according to claim 1, wherein hydrogen gas is blown onto the target (7) and the substrate (11).
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6340393B1 (en) 1998-07-07 2002-01-22 Japan Science And Technology Corporation Method for synthesizing n-type diamond having low resistance
WO2007108525A1 (en) * 2006-03-17 2007-09-27 Canon Kabushiki Kaisha Film deposition apparatus and method of film deposition

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