JPH07297137A

JPH07297137A - シリコンカーバイト薄膜層の形成方法及び形成装置

Info

Publication number: JPH07297137A
Application number: JP6084598A
Authority: JP
Inventors: Kenji Maeda; 健司前田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】Ｓｉ基板の表面に均一なＳｉＣの薄膜層を形
成する。【構成】Ｓｉ基板11の表面にＳｉＣ薄膜層を形成する
に際し、真空中においてＣ試料へのアブレーション用レ
ーザ光L2の照射により微粒化されたＣを生成する。ま
た、この超微粒子Ｃに対し、Ｈ₂の供給、高電圧の印
加、紫外線レーザ光の照射により微粒化を促進させ、サ
イズ効果が得られるnmオーダまで微粒化する。Ｓｉ基板
11の表面に紫外線レーザ光L1を照射して、光化学反応に
より該表面を活性化させる。その後、超微粒子Ｃを、キ
ャリヤガスによりＳｉ基板11の表面に向って移動させ、
基板の表面のＳｉと結合させてＳｉ基板11表面にＳｉＣ
の薄膜層を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコンカーバイト
（以下ＳｉＣ）薄膜層の形成方法及び形成装置に係り、
特に、シリコン（以下Ｓｉ）基板の表面に均一なＳｉＣ
薄膜層を形成するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、表面に良好なＳｉＯ₂膜を形成す
ることができ、且つ耐熱性及び耐食生に優れているＳｉ
Ｃの薄膜層を、半導体デバイス基板や冷却素子基板の表
面層として形成することが注目されている。

【０００３】また、このＳｉＣ薄膜を利用し、切削用刃
物の表面にセラミックコーティングを施すことにより表
面硬度の向上を図ることも可能である。

【０００４】更に、例えば特開平３−１７７３９８号公
報に開示されているような基板上にダイヤモンドの薄膜
を生成する技術に関し、Ｓｉや銅のベース基板表面にＳ
ｉＣ薄膜層を形成しておき、その表面にダイヤモンド薄
膜を形成するようにすれば、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層
として機能し、基板に対するダイヤモンドの密着性を良
好に得ることができることも知られている。つまり、ベ
ース基板表面のダイヤモンドに対する結晶構造の違いや
熱膨張係数の違い等に起因するダイヤモンドの成長性及
び安定性の課題を、ダイヤモンドに対し結晶構造が近く
且つ熱膨張係数が略一致するＳｉＣ薄膜層を形成してお
くことによって解消できる。このように、ＳｉＣ薄膜は
極めて利用価値が高いものである。

【０００５】そして、このようなＳｉＣ薄膜層を形成す
る手段として、従来より、例えば、文献「薄膜技術」
（昭和５７年１２月１日共立出版株式会社発行、早川
茂，和佐清孝著）P15 〜22に開示されているように、イ
オンビーム、スパッタ蒸着法、ＣＶＤ（化学気相成長
法）等が採用されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述したよ
うな手段は、膜厚を均一に得ることが難しく、膜厚が不
均一となるために以下のような不具合がある。

【０００７】半導体デバイス基板や冷却素子基板に利用
した場合、その信頼性が十分に得られない。また、セラ
ミックコーティングとして利用した場合には、表面硬度
が不均一になる。更に、ダイヤモンドの薄膜生成に利用
する場合には、ダイヤモンドの密着性が十分に得られな
い。このため、上述したような製法はＳｉＣ薄膜層の形
成に最適なものであるとはいえず、このＳｉＣ薄膜層の
形成について改良の余地があった。

【０００８】本発明は、この点に鑑みてなされたもので
あって、基板の表面に均一なＳｉＣの薄膜層を形成する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明に係る方法は、レーザ光を利
用して超微粒子炭素（以下炭素は元素記号Ｃで示す）を
生成し、一方で、Ｓｉ基板表面を光化学反応によって活
性化させておき、この超微粒子ＣとＳｉとを結合させる
ようにした。具体的には、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉＣ
薄膜層を形成する形成方法を前提とし、真空中において
Ｃ試料(4) へのレーザ光(L2)照射により超微粒化された
Ｃを生成する超微粒子生成工程と、前記Ｓｉ基板(11)の
表面に反応光(L1)を照射して、光化学反応により表面層
を活性化させる基板活性化工程と、前記超微粒子生成工
程によって生成された超微粒子Ｃを、基板活性化工程に
よって活性化されたＳｉ基板(11)の表面に散布して基板
(11)の表面層のＳｉと結合させてＳｉ基板(11)表面にＳ
ｉＣの薄膜層を選択的に形成するＳｉＣ薄膜層形成工程
とを行うようにしている。

【００１０】請求項２記載の発明は、前記請求項１記載
のＳｉＣ薄膜層の形成方法において、超微粒子生成工程
と同時に、超微粒子Ｃに反応光(L1)を照射して、光化学
反応により該超微粒子Ｃの微粒化を促進させる光化学反
応工程を行うようにしている。

【００１１】請求項３記載の発明は、前記請求項１また
は２記載のＳｉＣ薄膜層の形成方法において、反応光を
紫外線レーザ光(L1)としている。

【００１２】請求項４記載の発明は、前記請求項１、２
または３記載のＳｉＣ薄膜層の形成方法において、超微
粒子生成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給し
てガス反応により超微粒子Ｃの微粒化を促進させるガス
反応工程を行うようにしている。

【００１３】請求項５記載の発明は、前記請求項４記載
のＳｉＣ薄膜層の形成方法において、反応ガスを水素ガ
スとしている。

【００１４】請求項６記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４または５記載のＳｉＣ薄膜層の形成方法にお
いて、超微粒子生成工程と同時に、超微粒子Ｃを高電圧
励起分解させて微粒化を促進させると共にプラズマ状態
の安定化により超微粒子を高品質化させる分解工程を行
うようにしている。

【００１５】請求項７記載の発明は、前記請求項１、
２、３、４、５または６記載のＳｉＣ薄膜層の形成方法
において、ＳｉＣ薄膜層を、表面にダイヤモンド薄膜が
形成されるものとしている。

【００１６】請求項８記載の発明は、上述した請求項１
記載の発明に係るＳｉＣ薄膜層の形成方法に使用される
装置に係る。具体的には、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉＣ
薄膜層を形成するための形成装置を前提とし、真空中に
おいてＣ試料(4) へのレーザ光(L2)の照射により超微粒
化されたＣを生成させる超微粒子生成手段(20)と、前記
Ｓｉ基板(11)の表面に反応光(L1)を照射して、光化学反
応により表面層を活性化させる基板活性化手段(21)と、
前記超微粒子生成手段(20)によって生成された超微粒子
Ｃを基板活性化手段(21)によって活性化された基板(11)
の表面層のＳｉと結合させ、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉ
Ｃの薄膜層を選択的に形成するように、超微粒子Ｃを、
Ｓｉ基板(11)の表面に向って移動させる超微粒子移動手
段(22)とを備えさせた構成としている。

【００１７】請求項９記載の発明は、前記請求項８記載
のＳｉＣ薄膜層の形成装置において、超微粒子生成手段
(20)に、Ｃ試料(4) 表面にアブレーション用レーザ光(L
2)を照射するレーザ装置(16)を備えさせた構成としてい
る。

【００１８】請求項１０記載の発明は、前記請求項８記
載のＳｉＣ薄膜層の形成装置において、基板活性化手段
(21)に、Ｓｉ基板(11)に向って紫外線レーザ光(L1)を照
射する紫外線レーザ装置(17)を備えさせた構成としてい
る。

【００１９】請求項１１記載の発明は、前記請求項８ま
たは１０記載のＳｉＣ薄膜層の形成装置において、基板
活性化手段(21)に、Ｓｉ基板(11)に近接して配置され且
つ該Ｓｉ基板(11)に向って紫外線を照射する紫外線ラン
プ(12)を備えさせた構成としている。

【００２０】請求項１２記載の発明は、前記請求項８、
１０または１１記載のＳｉＣ薄膜層の形成装置におい
て、基板活性化手段(21)に、Ｓｉ基板(11)を所定温度に
加熱するヒータ(10b) を備えさせた構成としている。

【００２１】

【作用】上記の構成により、本発明では以下に述べるよ
うな作用が得られる。請求項１記載の発明に係る方法で
は、先ず、真空中においてＣ試料(4) にレーザ光(L2)を
照射し、これによってＣ試料(4) の表面部分から超微粒
子Ｃを生成させる。また、この動作と同時若しくは先立
ってＳｉＣ薄膜層を形成しようとするＳｉ基板(11)の表
面に反応光(L1)を照射して光化学反応により該表面を活
性化させる。その後、超微粒子ＣをＳｉ基板(11)の表面
に散布すると、このＣとＳｉとが容易に反応して結合
し、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉＣの薄膜層が形成され
る。この際、超微粒子Ｃは活性化されたＳｉ基板(11)の
表面の全体に亘って均等に反応することになるので、Ｓ
ｉ基板(11)の表面には均一なＳｉＣ薄膜層が得られる。

【００２２】請求項２記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃに反応光(L1)を照射す
ると、光化学反応によって該超微粒子Ｃは微粒化が促進
され、サイズ効果を得ることができる程度まで微粒化す
る。そして、超微粒子Ｃがサイズ効果を得ることができ
るnmオーダまで微粒化された状態にあっては、基板(11)
表面のＳｉとの反応が迅速に行える。また、この場合、
反応光(L1)は、Ｓｉ基板(11)表面を活性化させる機能
と、超微粒子Ｃの微粒化を促進させる機能とを兼ね備え
ている。

【００２３】請求項３記載の発明では、光化学反応を行
わせる反応光を紫外線レーザ光(L1)としたために、必要
な領域にのみ反応光を照射することができ、効率良く選
択的に光化学反応を行うことができる。

【００２４】請求項４記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃに反応ガスを供給する
と、ガス反応によって該超微粒子Ｃは微粒化が促進さ
れ、この場合にもサイズ効果を得ることができる程度ま
で微粒化することができる。

【００２５】請求項５記載の発明では、超微粒子の微粒
化を促進させるガス反応を行わせる反応ガスを水素ガス
としたために、簡単な製法で得られる反応ガスを用いて
効率良く微粒化を行うことができる。

【００２６】請求項６記載の発明では、超微粒子Ｃの生
成動作と同時に、この超微粒子Ｃを高電圧分解させるこ
とにより、該超微粒子Ｃは微粒化の促進及びプラズマ状
態の安定化による高品質化が図れ、この場合にもサイズ
効果を得ることができる程度まで微粒化することができ
る。

【００２７】請求項７記載の発明では、請求項１記載の
発明に係る方法によって得られたＳｉＣ薄膜層の表面に
はダイヤモインドの薄膜が形成されることになる。この
場合、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層として機能し、基板(1
1)に対するダイヤモンドの密着性を均一且つ良好に得る
ことができる。

【００２８】請求項８記載の発明に係る装置によるＳｉ
Ｃ薄膜の形成動作にあっては、先ず、真空中において超
微粒子生成手段(20)によりＣ試料(4) にレーザ光(L2)を
照射し、これによってＣ試料(4) の表面部分から超微粒
子Ｃを生成する。また、この動作と同時若しくは先立っ
てＳｉＣ薄膜層を形成しようとするＳｉ基板(11)の表面
に基板活性化手段(21)により反応光(L1)を照射して光化
学反応により該表面を活性化させる。その後、超微粒子
移動手段(22)により超微粒子ＣをＳｉ基板(11)に向って
移動させ、その表面に散布すると、このＣとＳｉとが容
易に反応して結合し、Ｓｉ基板(11)の表面にＳｉＣの薄
膜層が選択的に形成される。この際、超微粒子Ｃは活性
化されたＳｉ基板(11)の表面の全体に亘って均等に反応
することになるので、均一なＳｉＣ薄膜層が得られる。

【００２９】請求項９記載の発明では、Ｃ試料(4) 表面
にアブレーション用レーザ光(L2)を照射すると、該表面
がアブレーションされて容易且つ迅速に超微粒子Ｃが得
られる。このように、レーザ光によってＣ試料(4) 表面
から超微粒子Ｃを生成するようにしているので、必要な
領域、つまりＣ試料(4) 表面にのみ反応光を照射するこ
とができ、効率良く超微粒子Ｃを生成することができ
る。また、局部的な加熱であるために、熱の影響によっ
てＣ試料(4) 以外の部材から不純物が発生するようなこ
ともなく、高品質のＳｉＣ薄膜が得られる。

【００３０】請求項１０記載の発明では、Ｓｉ基板(11)
に紫外線レーザ光(L1)を照射すると、該Ｓｉ基板(11)の
表面が迅速に活性化される。この場合にも、レーザ光(L
1)を利用したことで、必要な領域にのみ照射でき、効率
良くＳｉ基板(11)を活性化できる。

【００３１】請求項１１記載の発明では、Ｓｉ基板(11)
に紫外線ランプ(12)から紫外線を照射することにより、
該Ｓｉ基板(11)の表面を活性化することができる。ま
た、大面積のＳｉ基板(11)を活性化させるような場合で
も、この紫外線ランプ(12)の大きさをＳｉ基板の大きさ
に対応した大型のものを使用すれば、Ｓｉ基板(11)表面
の全体を均一に活性化させることができる。

【００３２】請求項１２記載の発明では、Ｓｉ基板(11)
をヒータ(10b) により加熱することにより、該Ｓｉ基板
(11)に照射される反応光(L1)と相俟って該表面を迅速に
活性化することができる。

【００３３】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基いて説明す
る。先ず、本発明に係る方法によりＳｉＣ薄膜層を形成
するための薄膜層形成装置について説明する。図１は、
薄膜層形成装置(1) の全体図を示している。この装置
(1) は、Ｃの超微粒子を生成し、それを光化学反応によ
り活性化したＳｉ基板表面のＳｉに結合させることによ
って該Ｓｉ基板表面にＳｉＣの薄膜層を形成するもので
ある。

【００３４】本図の如く、この薄膜層形成装置(1) は、
内部にチャンバ(A) が形成されたケーシング(2) を備え
ている。このケーシング(2) は、側面に排気管(2a)が接
続されている。この排気管(2a)は、図示しない真空ポン
プに接続されており、真空ポンプの駆動によりケーシン
グ(2) 内の空気を排出して該ケーシング(2) 内を真空状
態にするようになっている。

【００３５】次に、ＳｉＣ薄膜層の形成に際し、Ｃの超
微粒子を生成するための構成について説明する。

【００３６】ケーシング(2) の底部の中央部には試料台
(3) が設置されている。この試料台(3) は上面に試料
(4) が載置されるものであって、その内部には冷却水が
流通される冷却水配管(3a)が挿通されている。また、前
記試料(4) としては例えばプラズマ焼結されたＣが採用
される。

【００３７】また、ケーシング(2) の上壁内面にはセラ
ミック製で中空円錐台状のレーザ導入コーン(5) が、上
壁外面でレーザ導入コーン(5) に対向した位置にはレー
ザ導入ユニット(6) が夫々取付けられている。このレー
ザ導入ユニット(6) にはアブレーション用レーザ装置(1
6)が接続されている。そして、試料(4) とレーザ導入コ
ーン(5) とが所定間隔を存して鉛直方向に対向配置され
ていることにより、アブレーション用レーザ装置(16)か
らのアブレーション用レーザ光がレーザ導入ユニット
(6) 及びレーザ導入コーン(5) の内部を通過して試料台
(3) 上の試料(4)に照射されて該試料(4) をアブレーシ
ョンするようになっている。また、前記アブレーション
用レーザ装置(16)としては、例えば１kWＹＡＧレーザ
（レーザ光：５〜５００Hz，１〜１００Ｊ）が採用され
る。このようにして本発明でいう超微粒子生成手段(20)
が構成されている。

【００３８】また、レーザ導入ユニット(6) には反応ガ
ス導入配管(7) が接続されている。この反応ガス導入配
管(7) は、レーザ導入ユニット(6) 及びレーザ導入コー
ン(5) を経て試料(4) に向ってバッファガスとしてのＨ
ｅと反応ガスとしてのＨ₂とを供給するものである。

【００３９】更に、前記レーザ導入コーン(6) の下端部
の開口部の縁部にはリング型の電極(8) が配設されてい
る。また、この電極(8) と試料台(3) との間には図示し
ない直流電源が接続されており、電極(8) を陽極、試料
台(3) を陰極として、この両者間に例えば５〜２０kV程
度の高圧電圧が印加されるようになっている。

【００４０】次に、Ｓｉ基板(11)の表面を光化学反応に
より活性化させる構成について説明する。

【００４１】ケーシング(2) の一方の側壁には、移動用
マニュピレータ(9) によって支持された基板取付け台(1
0)が配設されている。この基板取付け台(10)は台本体(1
0a)と該台本体(10a) の裏面側に配置されたヒータ(10b)
とを備えてなる。また、台本体(10a) の前面には単結
晶構造のＳｉ基板(11)が取付けられる。更に、図２及び
図３にも示すように、基板取付け台(10)に近接してＯ型
の紫外線ランプ(12)が配設されている。この紫外線ラン
プ(12)は、台本体(10a) に取付けられたＳｉ基板(11)の
表面を紫外線により活性化させるものである。また、こ
の紫外線ランプ(12)にはＳｉ基板(11)の表面に向って効
果的に紫外線を照射するための反射板(12a) が設けられ
ている。

【００４２】また、図１の如くケーシング(2) における
前記基板取付け台(10)に対向する他方の側壁の内面には
セラミック製で中空円錐台状の整流用コーン(13)が、該
側壁の外面で整流用コーン(13)に対向した位置には反応
光導入ユニット(14)が夫々取付けられている。この反応
光導入ユニット(14)には紫外線レーザ装置(17)が接続さ
れている。そして、Ｓｉ基板(11)と整流用コーン(13)と
が水平方向に所定間隔を存して対向配置されていること
により、紫外線レーザ装置(17)からのレーザ光が反応光
導入ユニット(14)及び整流用コーン(13)内部を通過して
基板取付け台(10)のＳｉ基板(11)に対して照射するよう
になっている。また、前記紫外線レーザ装置(17)として
は、例えばエキシマレーザ（レーザ光：２００Hz，１０
〜３００mJ）が採用される。このようにして本発明でい
う基板活性化手段(21)が構成されている。

【００４３】また、反応光導入ユニット(14)にはキャリ
ヤガス導入配管(15)が接続されている。このキャリヤガ
ス導入配管(15)は、反応光導入ユニット(14)及び整流用
コーン(13)を経てＳｉ基板(11)に向ってキャリヤガスと
してのＨｅとＨ₂とを供給するものである。これにより
本発明でいう超微粒子移動手段(22)が構成されている。

【００４４】このような構成により、各機器は、試料
(4) とレーザ導入コーン(5) とを結ぶ直線（図１におけ
る仮想線ｔ１）と、Ｓｉ基板(11)と整流用コーン(13)と
を結ぶ直線（図１における仮想線ｔ２）とが直交するよ
うに配置されていることになる。即ち、レーザ導入コー
ン(5) を通過して試料(4) に照射されるアブレーション
用レーザ光及びレーザ導入コーン(5) を経て試料(4) に
向って供給される反応ガスの通路と、整流用コーン(13)
を通過してＳｉ基板(11)に照射される紫外線レーザ光及
び整流用コーン(13)を経てＳｉ基板(11)に向って供給さ
れるキャリヤガスの通路とが互い干渉するような配置状
態となっている。

【００４５】次に、上述の如く構成された薄膜層形成装
置(1) によるＳｉ基板(11)表面へのＳｉＣ薄膜層の形成
動作について図４を用いて説明する。このＳｉＣ薄膜層
の形成動作は、基板活性化工程、超微粒子生成工程、Ｓ
ｉＣ薄膜層形成工程からなる。

【００４６】先ず、基板活性化工程として、台本体(10
a) の前面にＳｉ基板(11)を取付け、この状態で真空ポ
ンプを駆動させて、ケーシング(2) 内の空気を排気管(2
a)から排出して該ケーシング(2) 内を高真空状態にす
る。これと同時に基板取付け台(10)のヒータ(10b) に通
電して台本体(10a) 及びＳｉ基板(11)を所定温度（例え
ば９００℃）に調整する。また、紫外線レーザ装置(17)
を起動させ、紫外線レーザ光(L1)を反応光導入ユニット
(14)及び整流用コーン(13)の内部を通過させて基板取付
け台(10)のＳｉ基板(11)に対して照射する。これによ
り、Ｓｉ基板(11)表面が光化学反応によって活性化す
る。このため、Ｓｉ基板(11)の表面は他物質との反応を
起こし易い状態になる。また、この際、図４の如く紫外
線レーザ光(L1)をデフォーカスし、Ｓｉ基板(11)の表面
全体を紫外線レーザ光(L1)により活性化させる。更に、
この際、キャリヤガス導入配管(15)から反応光導入ユニ
ット(14)及び整流用コーン(13)を経てＳｉ基板(11)に向
ってキャリヤガスとしてのＨｅとＨ₂とを供給してお
く。

【００４７】この動作と同時若しくはこの動作の後に超
微粒子生成工程を行う。この工程では、アブレーション
用レーザ装置(16)を起動させ、アブレーション用レーザ
光(L2)をレーザ導入ユニット(6) 及びレーザ導入コーン
(5) の内部を通過させて試料台(3) 上の試料(4) に照射
する。この照射は、レーザ光をデフォーカスし、試料
(4) 表面の全面に照射できるようにする。これにより、
該試料(4) はアブレーションされてＣの超微粒子が生成
される。また、このアブレーション用レーザ光の照射と
同時に、反応ガス導入配管(7) からレーザ導入ユニット
(6) 及びレーザ導入コーン(5) を経て試料(4) に向って
ＨｅとＨ₂とを供給する（例えば１０Torr）。これによ
り、Ｈ₂が反応ガスとして作用し試料(4) 表面からのＣ
の蒸発速度が加速され、効率良くＣの超微粒子が生成さ
れ、且つ微粒化も促進される（本発明でいうガス反応工
程）。具体的には、一般的に使用されるＡｒやＨｅを単
独で使用した場合よりも超微粒子の径を１桁オーダ小さ
くすることができ、サイズ効果を良好に得ることができ
る数nmの超微粒子Ｃを容易に得ることができる。

【００４８】更に、このＣの超微粒子の生成動作と同時
に、電極(8) と試料台(3) との間に例えば５〜２０kV程
度の高圧電圧を印加する。これにより、超微粒子Ｃは高
電圧励起分解され、また、この超微粒子ＣをＨｉボルト
放電によりプラズマ化した部分（図５における領域Ｂ）
に閉じ込めることができ、より高い効率で超微粒子Ｃの
生成及び更なる微粒化と超微粒子Ｃの高品質化が促進で
きる（本発明でいう分解工程）。また、このようにして
生成された超微粒子Ｃに対して整流用コーン(13)から導
入されている前記紫外線レーザ光(L1)が照射されてお
り、この照射による光化学反応によっても超微粒子Ｃの
微粒化が促進される（本発明でいう光化学反応工程）。
つまり、この紫外線レーザ光(L1)は、Ｓｉ基板(11)表面
を活性化させる機能と、超微粒子Ｃの微粒化を促進させ
る機能とを兼ね備えていることになる。

【００４９】そして、このようにして得られた超微粒子
Ｃは６nm程度に形成されることになり、融点降下や飽和
蒸気圧の上昇に伴って分解が容易に行われるサイズ効果
が顕著に起こる。

【００５０】この動作の後、ＳｉＣ薄膜層形成工程に移
る。この工程では、超微粒子Ｃがキャリヤガスによって
Ｓｉ基板(11)に向って移動し、活性化されたＳｉ基板(1
1)の表面に散布される。そして、この際、サイズ効果に
より極めて活性状態にある超微粒子Ｃと活性化されたＳ
ｉ基板(11)の表面のＳｉとが容易に反応して結合し、Ｓ
ｉＣとなる。このような反応状態が、活性化されたＳｉ
基板(11)表面の全体において均一に行われる。更に、こ
の反応が行われている状態において紫外線ランプ(12)や
紫外線レーザから紫外線を照射させることにより、光化
学反応によるＳｉＣ薄膜の成長を促進できる。

【００５１】このように、１つの系の中で、超微粒子Ｃ
の生成及び該超微粒子ＣとＳｉとの結合反応が行われ
る。つまり、図４に示した各領域Ｄ，Ｅ，Ｆのうち、領
域Ｄでは、アブレーションによる超微粒子Ｃの生成、分
解励起及び光化学反応による微粒化の促進が、領域Ｅで
は、分解励起、光化学反応及び超微粒子Ｃの成長が、領
域Ｆでは、Ｓｉ基板と超微粒子Ｃとの間での光化学反
応、超微粒子Ｃのサイズ効果によるＳｉとの反応及びＳ
ｉＣ薄膜の成長が夫々起こっている。

【００５２】これによってＳｉ基板(11)表面の極めて表
面層においてのみ、その全体に亘ってＳｉＣ薄膜層が均
一な厚さで形成されることになる。

【００５３】このＳｉＣ薄膜層の生成プロセスについて
詳しく説明すると、先ず、図６に示すようなＳｉの単結
晶基板に対し紫外線を照射することにより、図７のよう
に基板表面が光化学反応によって活性化する。そして、
図８に示すように、この活性化された基板の表面にサイ
ズ効果により反応が容易な状態となっている超微粒子Ｃ
を散布すると、ＣとＳｉとが結合し、基板表面において
図９に示すようなＳｉＣ薄膜層が形成されることにな
る。

【００５４】そして、このようにして形成されたＳｉＣ
薄膜層としては、図１０〜図１２に示すような原子配置
のものが得られる。図１０は４Ｈ−ＳｉＣ、図１１は６
Ｈ−ＳｉＣ、図１２は３Ｃ−ＳｉＣであって、レーザ光
条件やガス条件、更にはヒータ(10b) の加熱条件等を調
整することにより所望のものを得ることができる。特
に、六方晶構造の６Ｈ−ＳｉＣは青色発行デバイスとし
て有効であり、立方晶構造の３Ｃ−ＳｉＣは電子回路用
として有効である。

【００５５】また、このようにして形成されたＳｉＣ薄
膜層はアモルファス状態になっていることがあるが、そ
の場合、各種条件の設定により、このアモルファス状態
から所望のＳｉＣ結晶構造に変換することができる。ま
た、条件の設定によってはＳｉ基板(11)表面の全体にア
モルファス状態のＳｉＣ薄膜層を形成することもでき
る。

【００５６】このように、本例によれば、従来のイオン
ビーム、スパッタ蒸着法、ＣＶＤ等では難しかった均一
なＳｉＣ膜を形成することができるので、以下に述べる
ような効果が発揮される。

【００５７】つまり、半導体デバイス基板や冷却素子基
板に利用した場合、表面に均一且つ良好なＳｉＯ₂膜を
形成することができ、また耐熱性及び耐食生に優れた層
を有することになるので、その信頼性を十分に得ること
ができる。また、切削用刃物の表面などにセラミックコ
ーティングとして利用した場合には、表面硬度を均一に
向上することができる。更に、ダイヤモンドの薄膜生成
に利用する場合には、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層として
機能し、基板に対するダイヤモンドの密着性を均一且つ
良好に得ることができる。

【００５８】また、紫外線レーザ(L1)のデフォーカス調
整や紫外線ランプ(12)の大きさを変更するのみで大面積
のＳｉ基板(11)に対してもその表面全体を活性化させる
ことができるので、大面積に高品質且つ均一なＳｉＣ薄
膜層を形成することができる。このため、上述したダイ
ヤモンドの薄膜生成に利用する場合には、従来では非常
に難しいとされていた大面積に高品質且つ均一なダイヤ
モンド薄膜を生成するといったことが容易に実現でき
る。また、このような大面積のＳｉ基板(11)表面にＳｉ
Ｃ薄膜層を形成しようとした場合には紫外線レーザ光を
大きくデフォーカスさせる必要があり、これに伴って紫
外線レーザ光のエネルギ密度が低くなってしまって短時
間でＳｉ基板(11)表面を十分に活性化することができな
いことが考えられるが、本例のものは、前記紫外線ラン
プ(12)を設けたことにより、この紫外線ランプ(12)から
の紫外線と紫外線レーザ光とが相俟って短時間でＳｉ基
板(11)表面を十分に活性化させることができる。

【００５９】また、Ｓｉ基板(11)の活性化状態を調整す
ることにより、ＳｉＣ薄膜層の厚さを任意に設定するこ
とができる。具体的は、紫外線ランプ(12)や紫外線レー
ザの紫外線エネルギ量を調整することにより行える。

【００６０】更に、超微粒子Ｃを得る手段は、レーザに
よる局部的な加熱であるので、ケーシング(2) 内全体が
高温度になるようなことがなく、このためケーシング内
壁に付着した不純物が系内に入込むようなことがないの
で、高品質のＳｉＣ薄膜層が得られる。また、冷却系な
どの構造が殆ど不要であるので、装置全体としての構造
がシンプルであって、製作やメンテナンスを容易に行う
ことができる。

【００６１】また、マニュピレータの駆動によりＳｉ基
板(11)の位置を適宜調整することによってＳｉ基板(11)
表面に散布される超微粒子Ｃの粒径を任意に調整でき
る。つまり、超微粒子Ｃがプラズマ化した部分(B) から
Ｓｉ基板(11)へ移動するまでの間にある程度成長するこ
とになるが、この成長時間をＳｉ基板(11)の位置により
調整して超微粒子Ｃの粒径を調整できる。

【００６２】また、この超微粒子Ｃの粒径は、プラズマ
化した部分での存在時間や各ガスの流量に依存するた
め、レーザ光のエネルギ量やガスの条件や、上述したＳ
ｉ基板の位置をパラメータとして例えば５〜５００nmの
間で任意に調整できる。

【００６３】また、前記各コーン(5),(13)は中空円錐台
状であることから、放電からの保護、ガスの整流及び高
温度の保護等の機能を備えている。

【００６４】尚、本例では、超微粒子Ｃを得るための手
段としてレーザアブレーションを採用したが、本発明
は、これに限らず、レーザ蒸発法やレーザプラズマ法等
を採用してもよい。

【００６５】また、アブレーション用のレーザ装置(16)
としてＹＡＧレーザを採用したが、ＣＯ₂レーザや紫外
線レーザ等を採用してもよい。

【００６６】また、分解を主目的とする場合には、電極
(8) と基板取付け台(10)との間に、直流電源に代えて交
流電源を接続するようにしてもよい。

【００６７】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば以下に述べるような効果が発揮される。請求項１及び
８記載の発明によれば、レーザ光を利用して超微粒子Ｃ
を生成し、一方で、Ｓｉ基板表面を光化学反応によって
活性化させておき、この超微粒子ＣとＳｉとを結合させ
てＳｉ基板表面にＳｉＣ薄膜層を形成するようにしたた
めに、超微粒子Ｃが活性化されたＳｉ基板の表面の全体
に亘って均等に反応することになって、Ｓｉ基板の表面
に均一なＳｉＣ薄膜層を形成することができ、利用価値
が高いＳｉＣの特性を生かすことができる様々な部材
（例えば半導体デバイスや切削用工具）の表面に良好な
ＳｉＣ薄膜層を形成することができる。

【００６８】請求項２記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応光を照射して、光化
学反応により該超微粒子Ｃの微粒化を促進させるように
したので、超微粒子Ｃをサイズ効果を得ることができる
程度まで微粒化することができる。このため、基板表面
のＳｉとの反応が迅速に行え、短時間で高品質なＳｉＣ
薄膜層を形成することができる。また、この場合、反応
光に、Ｓｉ基板表面を活性化させる機能と、超微粒子Ｃ
の微粒化を促進させる機能とを兼ね備えさせることがで
き、装置全体としての構造の簡略化を図りながら上記効
果を得ることができる。

【００６９】請求項３記載の発明によれば、反応光を紫
外線レーザ光としたことにより、必要な領域にのみ反応
光を照射することができ、効率良く光化学反応を行うこ
とができる。

【００７０】請求項４記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃに反応ガスを供給してガス
反応により超微粒子Ｃの微粒化を促進させるようにした
ので、この場合にも、超微粒子Ｃをサイズ効果を得るこ
とができる程度まで微粒化することができる。このた
め、基板表面のＳｉとの反応が迅速に行え、短時間で高
品質なＳｉＣ薄膜層を形成することができる。

【００７１】請求項５記載の発明によれば、反応ガスを
Ｈ₂としたために、簡単な製法で得られる反応ガスを用
いて効率良く微粒化を行うことができ、実用性が高く、
且つ高品質のＳｉＣ薄膜層を形成する形成方法を得るこ
とができる。

【００７２】請求項６記載の発明によれば、超微粒子生
成工程と同時に、超微粒子Ｃを高電圧励起分解させて微
粒化を促進させると共にプラズマ状態の安定化により超
微粒子を高品質化させるようにしたので、この場合に
も、超微粒子Ｃをサイズ効果を得ることができる程度ま
で微粒化することができ、短時間で高品質なＳｉＣ薄膜
層を形成することができる。

【００７３】請求項７記載の発明によれば、ＳｉＣ薄膜
層を、表面にダイヤモンド薄膜が形成されるものとした
ために、ＳｉＣ薄膜層が構造緩和層として機能し、基板
に対するダイヤモンドの密着性を均一且つ良好に得るこ
とができる。

【００７４】請求項９記載の発明によれば、超微粒子生
成手段に、Ｃ試料表面にアブレーション用レーザ光を照
射するレーザ装置を備えさせ、レーザ光によってＣ試料
表面から超微粒子Ｃを生成するようにしたために、必要
な領域、つまりＣ試料表面にのみ反応光を照射すること
ができ、効率良く超微粒子Ｃを生成することができる。
また、局部的な加熱であるために、熱の影響によってＣ
試料以外の部材から不純物が発生するようなこともな
く、高品質のＳｉＣ薄膜を得ることができる。

【００７５】請求項１０記載の発明によれば、基板活性
化手段に、Ｓｉ基板に向って紫外線レーザ光を照射する
紫外線レーザ装置を備えさせ、レーザ光によってＳｉ基
板(11)を活性化させるようにしたために、必要な領域に
のみ照射でき、効率良くＳｉ基板(11)を活性化すること
ができる。

【００７６】請求項１１記載の発明によれば、基板活性
化手段に、Ｓｉ基板に近接して配置され、該Ｓｉ基板に
向って紫外線を照射する紫外線ランプを備えさせ、該紫
外線ランプからの紫外線照射により、Ｓｉ基板の表面を
活性化させるようにしたために、大面積のＳｉ基板を活
性化させるような場合でも、この紫外線ランプの大きさ
をＳｉ基板の大きさに対応した大型のものを使用すれ
ば、Ｓｉ基板表面の全体を均一に活性化させることがで
き、大面積のＳｉＣ薄膜層を容易に形成することができ
る。

【００７７】請求項１２記載の発明によれば、基板活性
化手段に、Ｓｉ基板を所定温度に加熱するヒータを備え
させ、Ｓｉ基板をヒータにより加熱するようにしたため
に、Ｓｉ基板に照射される反応光と相俟って該表面を迅
速に活性化することができ、ＳｉＣ薄膜層の形成動作を
短時間で行うことができ、高効率化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄膜層形成装置の内部構造を示す図である。

【図２】基板取付け台周辺部を示す図である。

【図３】赤外線ランプを示す図である。

【図４】ＳｉＣ薄膜層の形成動作を説明するための図１
相当図である。

【図５】超微粒子Ｃの生成動作を説明するための試料周
辺部を示す図である。

【図６】Ｓｉ単結晶を示す図である。

【図７】Ｓｉ基板表面の活性化状態を示す図である。

【図８】超微粒子Ｃの散布状態を示す図である。

【図９】ＳｉＣ薄膜層が形成された状態を示す図であ
る。

【図１０】４Ｈ−ＳｉＣの原子配置状態を示す図であ
る。

【図１１】６Ｈ−ＳｉＣの原子配置状態を示す図であ
る。

【図１２】３Ｃ−ＳｉＣの原子配置状態を示す図であ
る。

【符号の説明】

(1) 薄膜層形成装置 (4) 試料 (10b) ヒータ (11) Ｓｉ基板 (12) 紫外線ランプ (20) 超微粒子生成手段 (21) 基板活性化手段 (22) 超微粒子移動手段 (L1) 紫外線レーザ光（反応光） (L2) アブレーション用レーザ光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板(11)の表面にシリコンカー
バイト薄膜層を形成する形成方法であって、真空中において炭素試料(4) へのレーザ光(L2)の照射に
より超微粒化された炭素を生成する超微粒子生成工程
と、前記シリコン基板(11)の表面に反応光(L1)を照射して、
光化学反応により表面層を活性化させる基板活性化工程
と、前記超微粒子生成工程によって生成された超微粒子炭素
を、基板活性化工程によって活性化されたシリコン基板
(11)の表面に散布して基板(11)の表面層のシリコンと結
合させ、シリコン基板(11)の表面にシリコンカーバイト
の薄膜層を選択的に形成するシリコンカーバイト薄膜層
形成工程とからなるシリコンカーバイト薄膜層の形成方
法。
【請求項２】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素に反応光(L1)を照射して、光化学反応により該超微粒
子炭素の微粒化を促進させる光化学反応工程を行うこと
を特徴とする請求項１記載のシリコンカーバイト薄膜層
の形成方法。
【請求項３】反応光は紫外線レーザ光(L1)であること
を特徴とする請求項１または２記載のシリコンカーバイ
ト薄膜層の形成方法。
【請求項４】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素に反応ガスを供給してガス反応により超微粒子炭素の
微粒化を促進させるガス反応工程を行うことを特徴とす
る請求項１、２または３記載のシリコンカーバイト薄膜
層の形成方法。
【請求項５】反応ガスは水素ガスであることを特徴と
する請求項４記載のシリコンカーバイト薄膜層の形成方
法。
【請求項６】超微粒子生成工程と同時に、超微粒子炭
素を高電圧励起分解させて微粒化を促進させると共にプ
ラズマ状態の安定化により超微粒子を高品質化させる分
解工程を行うことを特徴とする請求項１、２、３、４ま
たは５記載のシリコンカーバイト薄膜層の形成方法。
【請求項７】シリコンカーバイト薄膜層は、表面にダ
イヤモンド薄膜が形成されるものであることを特徴とす
る請求項１、２、３、４、５または６記載のシリコンカ
ーバイト薄膜層の形成方法。
【請求項８】シリコン基板(11)の表面にシリコンカー
バイト薄膜層を形成するための形成装置であって、真空中において炭素試料(4) へのレーザ光(L2)の照射に
より超微粒化された炭素を生成させる超微粒子生成手段
(20)と、前記シリコン基板(11)の表面に反応光(L1)を照射して、
光化学反応により表面層を活性化させる基板活性化手段
(21)と、前記超微粒子生成手段(20)によって生成された超微粒子
炭素を基板活性化手段(21)によって活性化された基板(1
1)の表面層のシリコンと結合させ、シリコン基板(11)の
表面にシリコンカーバイトの薄膜層を選択的に形成する
ように、超微粒子炭素を、シリコン基板(11)の表面に向
って移動させる超微粒子移動手段(22)とを備えたことを
特徴とするシリコンカーバイト薄膜層の形成装置。
【請求項９】超微粒子生成手段(20)は、炭素試料(4)
表面にアブレーション用レーザ光(L2)を照射するレーザ
装置(16)を備えていることを特徴とする請求項８記載の
シリコンカーバイト薄膜層の形成装置。
【請求項１０】基板活性化手段(21)は、シリコン基板
(11)に向って紫外線レーザ光(L1)を照射する紫外線レー
ザ装置(17)を備えていることを特徴とする請求項８記載
のシリコンカーバイト薄膜層の形成装置。
【請求項１１】基板活性化手段(21)は、シリコン基板
(11)に近接して配置され且つ該シリコン基板(11)に向っ
て紫外線を照射する紫外線ランプ(12)を備えていること
を特徴とする請求項８または１０記載のシリコンカーバ
イト薄膜層の形成装置。
【請求項１２】基板活性化手段(21)は、シリコン基板
(11)を所定温度に加熱するヒータ(10b) を備えているこ
とを特徴とする請求項８、１０または１１記載のシリコ
ンカーバイト薄膜層の形成装置。