JPH06321691A

JPH06321691A - 高配向性ダイヤモンド薄膜を使用した光学部品

Info

Publication number: JPH06321691A
Application number: JP5112000A
Authority: JP
Inventors: Kozo Nishimura; 耕造西村; Hisashi Koyama; 久小山; Koji Kobashi; 宏司小橋
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1993-05-14
Filing date: 1993-05-14
Publication date: 1994-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】表面が平坦で光透過率が極めて高く、研磨を
実施する必要がないため、欠陥が少なく光吸収が少ない
高配向性ダイヤモンド薄膜を使用した光学部品を提供す
る。【構成】気相合成によって形成されたダイヤモンド薄
膜であって、その薄膜表面積の５０％以上がダイヤモン
ドの（１００）結晶面又は（１１１）結晶面から構成さ
れており、隣接する（１００）結晶面又は（１１１）結
晶面について、その結晶面方位を表すオイラー角｛α，
β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦１０
°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同時に満足
する高配向性ダイヤモンド薄膜により光伝搬部分が構成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学窓及び光集積回路等
の光学部品に関し、特に配向度が高い高配向性ダイヤモ
ンド薄膜を使用した光学部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンドは硬度が高く、耐熱性、耐
薬品性及び耐放射線性が優れており、電気的には優れた
絶縁体である。ダイヤモンドのバンドギャップは約５．
４ｅＶと大きく、ダイヤモンドはＢ等のドーピングによ
り半導体化することが可能であり、高温半導体としての
応用が期待されている。また、キャリア移動度も１８０
０cm²/V sと大きく、その飽和速度も２．７×１０⁷cm/s
とＳｉの約３倍の極めて大きな値を有する。また、破壊
電界も１０⁷V/cmと大きいことから、高出力及び高速素
子への適用が検討されている。

【０００３】また、ダイヤモンドは光学材料としても、
優れた特性を有しており、紫外領域から、可視領域及び
赤外領域の広い領域にわたって透明であるため、光学窓
への応用などが検討されている。

【０００４】このような優れた特性を持つダイヤモンド
を薄膜として安価な方法で、プラズマ反応を利用して気
相から合成する方法が１９８０年代前半に確立された。
この気相合成方法は、ダイヤモンドペースト等で傷つけ
処理をした基板上に、メタンと水素の混合ガスをマイク
ロ波等で励起することにより、多結晶ダイヤモンド薄膜
を合成できる。例えば、メタン濃度が０．５％程度、基
板温度が８００℃、ガス圧が３５Torrの条件で、Ｓｉ等
の基板上にダイヤモンドの明瞭な結晶面（１１１），
（１００）を持つ多結晶膜を、０．３μm/hrの成長速度
で合成できる。

【０００５】また、バルクダイヤモンドと同様に、Ｂ等
の不純物をドーピングすることによりダイヤモンド薄膜
を半導体化することができる。上述したダイヤモンド薄
膜の高い機能性材料としてのポテンシャルに鑑みて、ダ
イヤモンド薄膜をコーティングした超硬工具、ダイヤモ
ンドをコーティングしたスピード振動板、ヒートシン
ク、ダイオード及びトランジスタ等の電子デバイスの開
発が進められている。

【０００６】光学窓へのダイヤモンドの応用としては、
マイクロ波プラズマＣＶＤ法を用いて基板を回転させな
がらダイヤモンドを合成したり、プラズマと基板との相
対位置を変えながらダイヤモンドを合成することによ
り、任意形状の光学部品を製作する方法が提案されてい
る（特開平３−１６９９８号）。この従来技術において
は、光学部品の製作のために使用するダイヤモンド薄膜
は多結晶である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、多結晶
ダイヤモンド薄膜の表面粗さは合成条件にも依存する
が、一般に０．１〜０．５μｍ程度と大きく、表面粗さ
による表面散乱のために光の透過率が減少するという問
題点がある。表面粗さと透過率の関係については、P.K.
Backmann and D.U.Wiechert等が文献（Diamond and Re
lated Materials Vol.1, p.422(1992)）に提案している
ように、表面粗さが大きくなると透過率が減少するとい
う傾向が知られている。特に、表面粗さと光の波長が同
程度の大きさになると、表面粗さによる散乱効果が顕著
になり、透過率の減少も著しくなる。

【０００８】この問題点を解決するために、多結晶ダイ
ヤモンド薄膜の表面を研磨する方法が報告されている
（特開平３−６３７３号）が、研磨を行うと薄膜に強い
応力が加わり、薄膜に内部欠陥が生じ易い。また、研磨
を行うためには、比較的厚い多結晶ダイヤモンド薄膜を
用いる必要があり、薄膜の製造プロセスが長くなると共
に、製造コストが増加するという問題点が生じる。更
に、多結晶膜には表面粗さ以外に結晶内部に欠陥が多く
含まれているために、光吸収が単結晶に比較して大きい
という問題点もある。このため、多結晶膜で製作した光
学窓の透過率は、可視光の波長の範囲では５０％程度と
小さい。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、表面が平坦で光透過率が極めて高く、研磨
を実施する必要がないため、欠陥が少なく光吸収が少な
い高配向性ダイヤモンド薄膜を使用した光学部品を提供
することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高配向性ダ
イヤモンド薄膜を使用した光学部品は、気相合成によっ
て形成されたダイヤモンド薄膜であって、その薄膜表面
積の５０％以上がダイヤモンドの（１００）結晶面又は
（１１１）結晶面から構成されており、隣接する（１０
０）結晶面又は（１１１）結晶面について、その結晶面
方位を表すオイラー角｛α，β，γ｝の差｛△α，△
β，△γ｝が｜△α｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜
△γ｜≦１０°を同時に満足する高配向性ダイヤモンド
薄膜により光伝搬部分が構成されていることを特徴とす
る。

【００１１】図１は本発明に係る（１００）結晶面が高
度に配向したダイヤモンド薄膜表面の構造を模式的に示
す。薄膜面内に相互に直交するＸ軸及びＹ軸を定義し、
薄膜表面の法線方向をＺ軸と定義する。ｉ番目及びそれ
に隣接するｊ番目のダイヤモンド結晶面の結晶面方位を
表すオイラー角を夫々｛α_i，β_i，γ_i｝、｛α_j，
β_j，γ_j｝とし、両者の角度差を｛△α，△β，△γ｝
とする。

【００１２】オイラー角｛α，β，γ｝は基準結晶面を
基準座標のＺ、Ｙ、Ｚ軸の周りに角度α、β、γの順に
回転して得られる結晶面の配向を表す。

【００１３】本発明においては、｜△α｜≦１０°、｜
△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同時に満足する高
配向性ダイヤモンド薄膜であるため、結晶が高度に配向
し、単結晶膜と同様にキャリアの移動度が高い。

【００１４】（１１１）結晶面についても同様にオイラ
ー角の角度差の絶対値がいずれも１０°以下である場合
に、結晶が高度に配向し、キャリアの移動度が高くな
る。このような高配向性ダイヤモンド薄膜は、例えば、
シリコン基板を鏡面研磨した後、メタンガスを含有する
気相中で基板に負のバイアスを印加しつつマイクロ波を
照射することにより形成することができる。

【００１５】

【作用】シリコン基板上にダイヤモンド薄膜を合成する
と通常は多結晶のダイヤモンド薄膜が成長する。しか
し、ダイヤモンド合成方法を適切にすることにより、例
えば、ＳｉＣ（１００）単結晶基板上に、表面に成長し
たダイヤモンド粒子のうち、５０％以上の粒子が基板と
同じ方位（１００）面に配向している高配向性ダイヤモ
ンド薄膜を合成することができる。この方法において
は、予め基板の傷付け処理を行わず、通常の合成時のメ
タン濃度よりも高い濃度のメタンガスを用いて、基板表
面を炭化させ、その後、メタン濃度を下げて通常の条件
によりダイヤモンドを合成する。本願発明者らはこの合
成時間を長くすることにより、高度に配向したダイヤモ
ンド薄膜を合成できることを見いだした。また、ＳｉＣ
（１１１），Ｓｉ（１００），Ｓｉ（１１１）を基板に
用いても同様の結果が得られる。

【００１６】また、この高配向性ダイヤモンド薄膜は、
ラマン散乱及びカソードルミネッセンス等の評価による
と、結晶性も優れており、欠陥が少なく、単結晶に近い
性質を有している。

【００１７】なお、隣接する結晶面におけるオイラー角
の差の絶対値が１０°を超えると、ダイヤモンド粒子の
結晶面が基板の結晶面と大きくずれてしまうために、表
面粗さが増加し、表面散乱が増加する。その結果、透過
率が減少し、光学窓としての特性改善効果が得られな
い。従って、本発明の目的を達成するためには、｜△α
｜≦１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同
時に満足する高配向性ダイヤモンド薄膜を使用すること
が必要である。

【００１８】また、本発明においては、５０％以上の結
晶粒子が基板面とほぼ平行に並んでいるため、通常のマ
イクロ波プラズマＣＶＤ装置を用いて合成した多結晶ダ
イヤモンド薄膜と比較して表面粗さがその１０分の１以
下になる。このような低い表面粗さを有する高配向性膜
を用いると、表面が粗いことによる散乱が減少し、優れ
た結晶性を有するために結晶欠陥による光吸収が小さい
等の利点が得られる。このため、高配向性ダイヤモンド
薄膜は、特に可視光の範囲での透過率が増加し、単結晶
に似た光学特性を示すようになる。

【００１９】他の光学部品への高配向性ダイヤモンド薄
膜の応用例として、レンズ、プリズム、フィルタ、ミラ
ー等がある。先ず、高配向性膜をこれらの部品へコーテ
ィングすることにより、耐摩耗性が向上するばかりでは
なく、多結晶膜をこれらの光学部品にコーティングする
場合と比較して表面散乱が小さくなり、表面での光損失
を小さくできる。また、レンズ（マイクロレンズ）及び
フィルタ等を高配向性膜で製作することにより、表面散
乱が低下すること以外に紫外領域から遠赤外領域の広い
波長の範囲にわたって、光吸収が小さいレンズ及びフィ
ルタを製作することができるようになる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例についてその比較例と
比較して説明する。実施例１図２は高配向性ダイヤモンド薄膜の合成に使用する合成
装置を示す模式図である。この装置においては、チャン
バ１２内に基板ホルダ支持棒１３がその長手方向を水平
にして設置されており、この支持棒１３の先端には、基
板ホルダ１４が取り付けられている。そして、この基板
ホルダ１４に高配向性ダイヤモンド薄膜を合成すべき基
板１５がその面を垂直にして保持されるようになってい
る。基板ホルダ支持棒１３には、直流電源１６が接続さ
れていて、この直流電源１６により基板ホルダ１４を介
して基板１５に負のバイアス電源を印加する。また、チ
ャンバ１２は配管１７を介して排気ポンプ（図示せず）
に連結されており、この排気ポンプによりチャンバ１２
内が真空排気される。更に、チャンバ１２内には、マイ
クロ波の導波管１１が挿入されており、基板１５の表面
にマイクロ波を照射できるようになっている。更にま
た、チャンバ１２には反応ガスの供給源に接続された配
管及びその開閉バルブからなる反応ガス導入口１９が設
置されており、この導入口１９を介してそのバルブを開
にすることにより反応ガスがチャンバ１２内に供給され
るようになっている。なお、この反応ガスの供給量はマ
スフローコントローラ（図示せず）により制御される。

【００２１】このように構成された合成装置において
は、排気ポンプによりチャンバ１２内を真空排気しつ
つ、反応ガス導入口１９から原料ガスをチャンバ１２内
に導入し、直流電源１６により基板１５に負のバイアス
電源を印加する。そして、導波管１１によりマイクロ波
を基板１５に照射すると、基板１５の表面近傍にプラズ
マ１８が発生する。これにより、基板１５の表面にダイ
ヤモンド薄膜が堆積する。

【００２２】次に、この合成装置を使用して高配向性ダ
イヤモンド薄膜を合成した結果について説明する。高配
向性ダイヤモンド薄膜を形成する基板として直径１イン
チ、方位（１００）のシリコンウエハを用いた。基板を
図２に示すマイクロ波プラズマＣＶＤ装置のチェンバ１
２に設置し、メタン３％、水素９７％、ガス圧２５Tor
r、ガス流量３００cc/min、基板温度７００℃で１５分
間処理した。マイクロ波入力パワーはほぼ１０００Ｗで
あったが、基板温度を７００℃に維持するように微調整
した。これと同時に基板に直流電源１６により負バイア
ス電圧を印加した。負バイアスによる電流量は１０mA/c
m²であった。

【００２３】その後、メタン０．５％、水素９９．４
％、酸素０．１％、ガス圧３０Torr、ガス流量３００cc
/min、基板温度８００℃で８０時間合成を続けた。この
結果、膜厚が約２０μｍで高配向したダイヤモンド薄膜
を基板上に合成できた。

【００２４】電子顕微鏡観察からこの膜表面の９８％が
（１００）結晶面で覆われていることが分かった。ま
た、この薄膜表面の法線方向から±５°の角度で２枚の
電子顕微鏡写真を撮影し、各写真の（１００）結晶面の
傾きを測定したところ、隣接する結晶面の傾きの差は｜
△α｜≦１°、｜△β｜≦１°、｜△γ｜≦１°、（△
α）²＋（△β）²＋（△γ）²＝１．４７であった。ま
た、その表面粗さを触針式の表面粗さ計を用いて測定し
たところ、平均表面粗さＲａ＝０．０５μｍであった。

【００２５】次に、この膜の端から約５mmの部分を残し
て同心円上にＳｉ基板をフッ酸により除去した。その
後、１２０℃に加熱したＣｒＯ₃＋Ｈ₂ＳＯ₄液中に１０
分間浸漬してＣｒＯ₃処理を行い、薄いグラファイト、
アモルファス層を除去した。

【００２６】得られた光学窓の透過率を２００nmから１
０００nmの範囲で測定した。図３は横軸に波長をとり、
縦軸に透過率をとって、高配向性膜と多結晶膜の透過率
の波長依存性を示す。得られた本実施例の高配向性膜の
透過率は天然IIａダイヤモンド（厚さ１ｍｍ）とほぼ同
じ値であり、作製した光学窓の透過率が優れていること
がわかる。また、光学窓に用いた高配向性膜の膜厚が２
０μｍと厚いため、干渉効果は認められなかった。比較
のために、同じ膜厚を有する多結晶膜をマイクロ波ＣＶ
Ｄ法により合成し、その透過率を測定した結果、この多
結晶膜の場合は得られた透過率は最大４６％に過ぎなか
った。

【００２７】このように、本実施例によれば、特に可視
光の範囲での透過率が向上し、単結晶に似た光学特性を
示すようになる。但し、結晶成長初期にＣＨ₄濃度を２
％程度にしてダイヤモンド薄膜を合成しているため、基
板を除去した後、クロム酸によりグラファイト、薄いア
モルファス層の除去を行う必要がある。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光伝搬部分が高配向性ダイヤモンド薄膜により構成され
ているので、表面が平坦で光透過率が極めて高い光学部
品を得ることができる。また、表面が平坦であるので、
研磨を実施する必要がないため、欠陥が少なく光吸収が
少ない光学部品を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高配向性ダイヤモンド薄膜の表面
とオイラー角との関係を示す図であって、図１（ａ）は
結晶面の基準配向、図１（ｂ）は（１００）結晶面が高
度に配向したダイヤモンド薄膜の表面形態を示す図であ
る。

【図２】マイクロ波合成装置を示す模式図である。

【図３】高配向性膜及び多結晶膜により構成した光学窓
の透過率の波長依存性を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１１；導波管１２；チャンバ１３；基板ホルダ支持棒１４；基板ホルダ１５；基板１６；直流電源１８；プラズマ１９；反応ガス導入口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、その薄膜表面積の５０％以上がダイヤ
モンドの（１００）結晶面から構成されており、隣接す
る（１００）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角
｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦
１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同時に
満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により光伝搬部分が
構成されていることを特徴とする高配向性ダイヤモンド
薄膜を使用した光学部品。
【請求項２】気相合成によって形成されたダイヤモン
ド薄膜であって、その薄膜表面積の５０％以上がダイヤ
モンドの（１１１）結晶面から構成されており、隣接す
る（１１１）結晶面の結晶面方位を表すオイラー角
｛α，β，γ｝の差｛△α，△β，△γ｝が｜△α｜≦
１０°、｜△β｜≦１０°、｜△γ｜≦１０°を同時に
満足する高配向性ダイヤモンド薄膜により光伝搬部分が
構成されていることを特徴とする高配向性ダイヤモンド
薄膜を使用した光学部品。