JPH10125672A - 絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡略かつ高精度に形成され得る絶縁性の微細
な表面パターンを含む炭素膜を提供する。 【解決手段】 絶縁性表面パターンを有する炭素膜は、
フッ素原子で覆われた第１の絶縁性表面パターンと；水
素原子，酸素原子，水酸基，および金属原子から選択さ
れた１種によって覆われた第２の表面パターンとを含ん
でいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭素膜の表面処理に
関し、特に、電子デバイスに用いるためにフッ素化され
た絶縁性の表面パターンを有する炭素膜とその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭
素膜の表面は、その表面の炭素原子のダングリングボン
ドが水素原子で終端している場合にｐ型の導電性を示
す。したがって、近年はこのような水素終端した表面領
域を含む炭素膜を用いて電子デバイスを形成することが
試みられている。ところで、炭素膜の表面に集積回路を
形成するためには、水素終端した表面領域であるｐ型導
電性領域の他に回路素子分離のための絶縁性表面領域を
も形成する必要がある。

【０００３】このように、炭素膜の表面に導電性領域と
絶縁性領域との２種類の領域を形成する方法の一例が、
応用物理学会１９９４年秋季学術講演会予稿集２０ｐ−
Ｐ−９において中村らによって提案されている。中村ら
によれば、まずＭＰＣＶＤ法によって形成された炭素膜
を空冷して、その表面全体が絶縁化される。そして、炭
素膜の絶縁化された表面上に、ＲＦスパッタ法でＳｉＯ
₂ 膜が部分的に形成される。そのＳｉＯ₂ 膜をマスクと
して、たとえば３５Ｔｏｒｒの圧力下の水素プラズマ中
で８００℃にて２分間炭素膜を処理することによって、
炭素膜表面にｐ型導電性の水素終端領域が形成される。

【０００４】炭素膜の表面に導電性領域と絶縁性領域を
形成する方法のもう１つの例が、応用物理学会１９９５
年秋季学術講演会予稿集２９ｐ−Ａ−１２において外園
らによって提案されている。外園らによれば、まず全表
面が水素終端された炭素膜が用意され、その炭素膜表面
上に所定のパターンのＡｕマスクが形成される。この炭
素膜表面をＡｒ⁺ イオンで照射することによって、Ａｕ
マスクで覆われていない表面領域が絶縁化される。この
とき、Ａｒ⁺ イオンの照射条件としては、たとえば３０
ｋｅＶの加速電圧と１．７×１０¹⁴ｉｏｎｓ／ｃｍ² の
ドーズ量が用いられる。なお、Ａｕマスクはそのまま金
属導電領域として利用することができ、また、Ａｕマス
クの全部または一部が除去された領域はｐ型導電性領域
として利用することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の中村らによる先
行技術においては、炭素膜表面上にＳｉＯ₂ マスクを形
成するために、処理されるべき各炭素膜ごとにＣＶＤ
法，フォトリソグラフィ法，さらにエッチングなどの多
くの工程を必要とし、手間がかかる。

【０００６】外園らの技術においても、炭素膜表面上に
Ａｕマスクを形成するために、各炭素膜ごとに蒸着，フ
ォトリソグラフィ，さらにエッチングなどの多くの工程
を必要とする。また、Ａｕマスクの周縁部におけるイオ
ンの回り込みやイオン衝撃による２次電子などの影響に
よって、絶縁化表面パターンの周縁部がぼやけやすい。
さらに、イオン衝撃によって炭素膜が損傷を受けること
もある。

【０００７】以上のような先行技術における課題に鑑
み、本発明は、簡略かつ高精度に形成され得る微細な絶
縁性表面パターンを含む炭素膜とその製造方法を提供す
ることを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の態様によ
る絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜は、フ
ッ素原子で覆われた第１の絶縁性表面パターンと；水素
原子，酸素原子，水酸基，および金属原子から選択され
た１種によって覆われた第２の表面パターンとを含むこ
とを特徴としている。

【０００９】このような本発明の第１の態様による絶縁
性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜においては、
フッ素原子で覆われた第１の表面パターンによって撥水
性で極めて安定な絶縁表面を得ることができる。また、
第２の表面パターンが水素原子で覆われている場合に
は、その第２の表面パターンは集積回路におけるｐ型導
電領域として利用することができる。さらに、第２の表
面パターンが酸素原子もしくは水酸基によって覆われて
いる場合には、これらの酸素原子や水酸基は親水性であ
るので、その第２の表面パターン上に無電界めっきによ
って金属層パターンを形成することができ、そのような
金属パターンは集積回路における電気配線パターンとし
て利用することができる。

【００１０】本発明の第２の態様による絶縁性のフッ素
化表面パターンを有する炭素膜の製造方法は、炭素膜の
全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガスに接触さ
せてフッ素化し；酸素と水素から選択された一方の元素
を含むガス雰囲気中に炭素膜を配置し；光マスクを介し
て２５０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波長の光を所定の
パターンで炭素膜の表面に照射することによって、その
所定のパターン内でフッ素元素を選択された水素または
酸素で置換することを特徴としている。

【００１１】このような本発明の第２の態様による絶縁
性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法に
おいては、高精度の光マスクを介して所定の短波長の光
を炭素膜の表面に照射することによって、炭素膜の表面
と強固に結合しているフッ素原子を水素原子または酸素
原子と置換することができる。したがって、この置換反
応において炭素膜を高温にする必要がないので、炭素膜
の熱的損傷を防止することができる。また、反応原子中
の電子を波長の短い光を用いて励起するので、光マスク
を用いたパターニングにおける回折効果が小さく、空間
選択性の高い高精度のフッ素化表面パターンを得ること
ができる。

【００１２】本発明の第３の態様による絶縁性のフッ素
化表面パターンを有する炭素膜の製造方法は、炭素膜の
全表面を絶縁性にするためにフッ素を含むガス中に接触
させてフッ素化し；炭素膜の表面を水の薄膜層で覆い；
光マスクと水の薄膜層を介して２５０ｎｍ〜１００ｎｍ
および１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内に含まれる波長の光
を所定のパターンで炭素膜の表面に照射することによっ
て、所定のパターン内でフッ素元素を酸素と水酸基の少
なくとも一方で置換することを特徴としている。

【００１３】このような本発明の第３の態様による絶縁
性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法に
おいては、炭素膜表面上のフッ素原子が光照射の下に酸
素原子もしくは水酸基と置換され得る。したがって、炭
素膜は雰囲気調整し得る真空容器内に配置する必要がな
く、炭素膜上のフッ素原子の一部をより簡便に酸素原子
もしくは水酸基と置換することができる。なお、このよ
うな本発明の第３の実施の態様によって得られる炭素膜
上のフッ素化された表面パターンの微細な精度は本発明
の第２の態様による方法の場合と同様であることが容易
に理解されよう。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の１つの実施の形態におい
ては、まず炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフッ素
化される。この炭素膜は、ダイヤモンド膜やダイヤモン
ド構造を含むダイヤモンド状炭素膜であることが望まし
い。炭素膜の表面をフッ素化させるには、炭素膜をフッ
素ガス中に一定時間保持すればよい。このフッ素化反応
は低温でも進行するが、炭素膜を２００℃〜３００℃の
温度に加熱すれば反応速度が高められる。

【００１５】炭素膜の表面における炭素原子のダングリ
ングボンドがフッ素原子で終端された場合、それらのフ
ッ素原子は炭素膜表面上で極めて安定に存在し得る。特
に、ダイヤモンド膜またはダイヤモンド状炭素膜の表面
がフッ素化された場合、そのフッ素化表面は非常に安定
な撥水性の絶縁表面になる。このとき、炭素膜表面が絶
縁性になるためには、表面におけるすべての炭素原子が
フッ素原子に覆われる必要がなく、それらの炭素原子の
５０％以上がフッ素原子によって覆われれば十分な絶縁
性が得られる。

【００１６】以上のことから、炭素膜表面をフッ素化す
ることによって、容易にその炭素膜表面を安定な絶縁性
表面にし得ることが理解されよう。しかし、このこと
は、逆に言えば、炭素膜表面上のフッ素原子を熱的に脱
離させたり他の原子もしくは分子と置換することによっ
て絶縁性フッ素化表面をパターン化することが困難であ
ることを意味する。たとえば、炭素膜表面上のフッ素原
子を熱エネルギによる活性化によって水素原子と置換す
るには、５００℃以上の温度が必要である（たとえば、
ＪＮＤＦ第９回ダイヤモンドシンポジウム講演要旨集，
１９９５，第６４頁下から第４行〜第３行参照）。した
がって、５００℃以上の温度における熱プロセスによっ
て炭素膜の絶縁性フッ素化表面から所定の領域中のフッ
素原子を除去して絶縁性表面をパターン化することは困
難である。そこで、本発明においては、光照射による原
子の活性化を利用して炭素膜表面上のフッ素原子を他の
原子もしくは分子で置換することによって、絶縁性フッ
素化表面をパターン化することを意図している。なお、
本願明細書においては、光とは可視光のみならず紫外線
やＸ線などをも含む意味で用いられている。

【００１７】図１は、全表面がフッ素化によって絶縁性
にされた炭素膜をパターニングする方法の一例を説明す
るための概略的な断面図である。図１の方法において、
真空チャンバ１内の試料ステージ２上に炭素膜３がセッ
トされる。炭素膜３上には所定のパターンを有する光マ
スク４が配置され、その光マスク４はマスクフレーム４
ａによって支持されている。なお、光マスク４はマスク
フレーム４ａなしに直接炭素膜３上に配置されてもよい
ことは言うまでもない。

【００１８】真空チャンバ１は、窓膜５によって封止さ
れている。窓膜５として、必要に応じて、特定の波長の
光を選択するためのフィルタ膜を用いてもよい。真空チ
ャンバは、まず排気弁６を介して真空にされる。その
後、水素原子または酸素原子を含むガスがガス導入弁７
を介して導入される。そして、炭素膜３の表面には光マ
スク４を介して光８が照射される。光８は原子中の電子
を励起することによって原子を活性化し、化学反応を促
進させる。そのために、光８として、２５０ｎｍ〜０．
１ｎｍの範囲内の短い波長を有する光が用いられる。こ
のような短い波長範囲の光は紫外線やＸ線に相当する
が、シンクロトロン放射光を用いれば、このような波長
範囲の任意の波長を有する光を利用することができる。
光８としてシンクロトロン放射光を用いる場合、通常は
シンクロトロン装置の真空を維持するために真空弁９が
設けられる。しかし、場合によっては、窓膜５と真空弁
９のいずれか一方を省略することも可能である。

【００１９】図１の真空チャンバ１内に水素原子を含む
ガスが導入されている場合、炭素膜３のフッ素化された
表面のうち、光マスク４を介して光８が照射された領域
のみにおいてフッ素原子が水素原子に置換される。そし
て、炭素膜の水素化された表面はｐ型導電性領域にな
り、残存するフッ素化表面領域が絶縁性表面パターンと
して残される。

【００２０】このとき、置換反応は原子を熱的に活性化
させて行なわれるのではなく、光によって原子中の電子
を励起することによって行なわれるので、炭素膜が熱的
損傷を受けることがない。また、フッ素化表面のパター
ニングは微細で高精度の光マスクを通過した光によって
行なわれ、しかも回折効果の小さな短波長の光によって
行なわれるので、微細で高精度の絶縁性表面パターンの
形成が可能となる。

【００２１】ところで、図１の真空チャンバ１内に酸素
ガスを含むガスが導入されている場合、光マスク４を介
して光８が照射された領域の表面は、フッ素原子と置換
した酸素原子で終端することになる。このように酸素原
子で終端した表面は親水性であり、他方、フッ素化表面
パターンは撥水性であるので、親水性表面領域上のみに
おいて無電界めっきによって容易に金属膜パターンを形
成することができる。

【００２２】以上のようにして得られた微細で高精度の
フッ素化表面の絶縁性パターンおよび水素化表面のｐ型
導電性パターンもしくは金属化された導電配線パターン
を含む炭素膜を用いて、その表面上にＴＦＴ等を含む高
密度の集積回路を形成することが可能となる。

【００２３】図２は、全表面がフッ素化によって絶縁性
にされた炭素膜をパターニングする方法のもう１つの例
を説明するための概略的な断面図である。図２の方法に
おいては、試料ステージ２上に炭素膜３がセットされ
る。炭素膜３上には水の薄膜層１０が付与され、その水
の薄膜層１０上には押さえシートもしくは板１１が被せ
られる。そして、光マスク４が押さえシートもしくは板
１１上に配置される。このような状態において、窓膜５
と光マスク４を介して光８が炭素膜３の表面に照射され
る。

【００２４】このとき、光８として、好ましくは２５０
ｎｍ〜１００ｎｍおよび１ｎｍ〜０．１ｎｍの波長範囲
に含まれる波長を有する光が用いられる。なぜならば、
１００ｎｍ〜１ｎｍの範囲内の波長を有する光を十分透
過できる窓膜がないためである。また、炭素膜３が大気
中に配置されている場合には、大気中の酸素によって吸
収されにくい１８０ｎｍより大きな波長を有する光を用
いることが好ましい。なお、炭素膜３をたとえばヘリウ
ム雰囲気中に配置すれば、酸素による光の吸収を考慮す
る必要はない。

【００２５】２５０ｎｍ〜１００ｎｍの波長の光８が用
いられる場合、そのような光に対して高い透過性を有す
るシリカガラス，ＬｉＦ，またはポリイミドなどが押さ
えシートもしくは板１１および窓膜５として用いること
ができる。他方、１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波長の
光８が用いられる場合、そのような波長の光に対して良
好な透過性を有するベリリウムが押さえシートもしくは
板１１や窓膜５として用いることができる。

【００２６】図２に示されているように光８が炭素膜３
に照射される場合、炭素膜３の表面において光８による
原子の活性化によって、フッ素原子が酸素原子もしくは
水酸基と置換される。こうして、酸素原子もしくは水酸
基によって覆われた炭素膜表面は浸水性表面となり、残
存するフッ素化表面領域が撥水性の絶縁表面パターンと
して残される。したがって、その親水性表面領域上のみ
において無電界めっきによって容易に金属膜パターンを
形成することができる。

【００２７】さらに、図２に示された方法において、水
の層１０として昇温された湯を用いるか、または水の層
１０がホウ酸，過酸化水素水，もしくはアンモニア水を
含む溶液を用いることで炭素膜表面上のフッ素原子を水
との反応によって酸素原子もしくは水酸基と置換する反
応を促進させることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、簡易か
つ高精度に形成され得る絶縁性の微細な表面パターンを
含む炭素膜とその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により炭素膜表面上に絶縁性フッ素化表
面パターンを形成する方法の一例を示す概略的な断面図
である。

【図２】本発明により炭素膜表面上に絶縁性フッ素化表
面パターンを形成するもう１つの例を示す概略的な断面
図である。

【符号の説明】

１ 真空チャンバ ２ 試料ステージ ３ 炭素膜 ４ 光マスク ４ａ マスクフレーム ５ 窓膜 ６ 排気弁 ７ ガス導入弁 ８ 照射光 ９ 真空弁 １０ 水の薄膜層 １１ 押さえシートもしくは板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 フッ素原子で覆われた第１の絶縁性表面
   パターンと、 水素原子，酸素原子，水酸基，および金属原子から選択
   された１種によって覆われた第２の表面パターンとを含
   むことを特徴とする絶縁性のフッ素化表面パターンを有
   する炭素膜。
2. 【請求項２】 前記第１の絶縁性表面パターン内では表
   面炭素原子の５０％以上がフッ素原子によって覆われて
   いることを特徴とする請求項１に記載の炭素膜。
3. 【請求項３】 前記炭素膜はダイヤモンド構造を含むこ
   とを特徴とする請求項１または２に記載の炭素膜。
4. 【請求項４】 炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフ
   ッ素を含むガスに接触させてフッ素化し、 酸素と水素から選択された一方の元素を含むガス雰囲気
   中に前記炭素膜を配置し、 光マスクを介して２５０ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内の波
   長の光を所定のパターンで前記炭素膜の表面に照射する
   ことによって、前記所定のパターン内で前記フッ素元素
   を前記選択された元素で置換することを特徴とする絶縁
   性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方法。
5. 【請求項５】 炭素膜の全表面を絶縁性にするためにフ
   ッ素を含むガス中に接触させてフッ素化し、 前記炭素膜の表面を水の層で覆い、 光マスクと前記水の層を介して２５０ｎｍ〜１００ｎｍ
   および１ｎｍ〜０．１ｎｍの範囲内に含まれる波長の光
   を所定のパターンで前記炭素膜の表面に照射することに
   よって、前記所定のパターン内で前記フッ素元素を酸素
   と水酸基の少なくとも一方で置換することを特徴とする
   絶縁性のフッ素化表面パターンを有する炭素膜の製造方
   法。
6. 【請求項６】 前記水は昇温されていることを特徴とす
   る請求項５に記載の炭素膜の製造方法。
7. 【請求項７】 前記水はホウ酸，過酸化水素水，および
   アンモニアから選択された１つを含むことを特徴とする
   請求項５または６に記載の炭素膜の製造方法。
8. 【請求項８】 酸素と水酸基の少なくとも一方によって
   フッ素が置換された前記所定パターン上に無電界めっき
   によって金属膜を形成することを特徴とする請求項４か
   ら７のいずれかの項に記載の炭素膜の製造方法。