JPS63206388A - ダイヤモンド薄膜の作製方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、真空蒸着とイオンビーム照射との併用によ
って、基体上にダイヤモンド薄膜を作製する方法に関す
る。

〔従来の技術〕

従来、基体上にダイヤモンド薄膜を作製（合成）する手
段としては、炭化水素や有機化合物系のガスを用いたプ
ラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法等の化学気相成長法が採ら
れていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが上記のような従来の方法においては、■炭化水
素や有機化合物系のガスではダイヤモンドの結晶成長と
同時にグラファイトの析出が生じる、■基体およびガス
雰囲気を高温（例えば８００℃〜１０００℃程度）に加
熱して処理する必要があるため、基体として使用できる
材質が大幅に限定される、等の問題があった。

そこでこの発明は、このような問題点を解決したダイヤ
モンド薄膜の作製方法を提供することを主たる目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明の第１の方法は、真空中で基体に対して、炭素
の蒸着と、炭化水素系ガス、有機化合物系ガス、ケイ素
系ガスおよび水素ガスの内の少なくとも一種から成るガ
スまたは当該ガスと不活性ガスとの混合ガスをイオン化
して得られたイオンビームの照射とを行うことによって
、前記基体上にダイヤモンド薄膜を作製することを特徴
とする。

この発明の第２の方法は、真空中で基体に対して、炭素
の蒸着と、炭化水素系ガス、有機化合物系ガス、ケイ素
系ガスおよび水素ガスの内の少なくとも一種から成るガ
スまたは当該ガスと不活性ガスとの混合ガスをイオン化
して得られたイオンビームの照射と、炭素イオンビーム
の照射とを行うことによって、前記基体上にダイヤモン
ド薄膜を作製することを特徴とする。

〔作用〕

第１の方法によれば、照射イオンが、基体に蒸着された
グラファイト構造の炭素からダイヤモンド結晶を得るた
めの核形成エネルギー供給源として作用し、これによっ
て基体上にダイヤモンド薄膜が作製される。

また第２の方法によれば、上記作用に加えて更に、照射
炭素イオンが、核形成エネルギー供給源のみならず膜形
成炭素供給源としても作用するため、ダイヤモンド薄膜
の成膜速度がより向上する。

〔実施例〕

第１図は、この発明に係る第１の方法を実施する装置の
一例を示す概略図である。真空容器（図示省略）内に、
例えばホルダ２に取り付けられて基体（例えば基板）４
が収納されており、当該基体４に向けて蒸発源８および
イオン源１６が配置されている。

蒸発源８は、図示例のものは電子ビーム蒸発源であり、
蒸発材料１０として炭素ペレットを有しており、それを
電子ビームによって加熱蒸気化して得られる炭素１２を
基体４の表面に蒸着させることができる。もっとも、炭
素は昇華性であるため電子ビーム蒸発源では膜形成速度
が遅い場合もあり、その場合は蒸発源８を、炭素から成
るターゲットを不活性ガスイオンの照射やマグネトロン
放電によってスパツクさせる方式の蒸発源、あるいは炭
素から成るカソードにおける真空アーク放電によって炭
素を蒸発させる方式の蒸発源等としても良く、更には以
上のものを併用しても良い。

イオン源１６も特定の方式のものに限定されるものでは
ないが、例えばプラズマ閉込めにカスプ磁場を用いるパ
ケット型イオン源が好ましく、それによれば供給された
ガスＧをイオン化して均一で大面積のイオンビーム１８
を基体４の表面に向けて照射することができるので、一
度に大面積の処理が可能になる。尚、１４は基体４上に
作製される薄膜の膜厚モニタである。

イオン源１６に供給するガスＧとしては、炭化水素系ガ
ス（例えばメタンガス、エタンガス等）、有機化合物系
ガス（例えばアセトン等）、ケイ素系ガス（例えばモノ
シランガス、ジシランガス等）および水素ガスの内の少
なくとも一種からなるガス、即ちこれらの単一ガスまた
は混合ガスを用いる。あるいは、当該ガスの濃度を制御
するために、当該ガスと不活性ガス（例えばアルゴンガ
ス、ヘリウムガス等）との混合ガス（希釈ガス）を用い
ても良い。

これは、ガスＧに炭化水素系ガスや有機化合物系ガスを
用いれば、蒸着炭素１２にそれと同系の、即ち炭素系の
イオンビーム１８が照射されるため、それによって蒸着
炭素１２をより励起し易くなるからであり、ガスＧにケ
イ素系ガスを用いれば、イオンビーム１８として照射さ
れたケイ素はＳＰ３混成軌道しか取らず、グラファイト
の析出を抑制すると共にダイヤモンド形成に有効に作用
するからであり、ガスＧに水素ガスを用いれば、イオン
ビーム１８として照射された水素が、蒸着炭素１２中の
グラファイトをメタン、エタン等の炭化水素系のガスと
して取り除く作用をするからであり、またガスＧに上記
のようなガスの混合ガスを用いれば、上記のような各作
用を併合した結果を得ることができるからである。

なおケイ素系ガスを含む混合ガスを用いる場合は、基体
４上に蒸着される炭素１２に対するイオンビーム１８と
して照射されるケイ素イオンの粒子数比は、０．１％〜
１０％程度で十分である。

膜作製に際しては、真空容器内を例えば１０−５〜１０
−’Ｔｏ　ｒ　ｒ程度にまで排気した後、蒸発源８から
の炭素１２を基体４上に蒸着させるのと同時に、または
それと交互に、イオン源１６からのイオンビーム１８を
基体４に向けて照射する。その際、照射イオンの蒸着炭
素１２に対する粒子比（組成比）イオン／炭素は、０．
１％〜１００％程度の範囲内にするのが好ましく、具体
的にはこの範囲内でイオンビーム１８のエネルギーおよ
び炭素１２の蒸着速度に応じて適切な値が選択される。

上記処理の結果、照射イオンが、基体４上に蒸着された
グラファイト構造の炭素１２からダイヤモンド結晶を得
るための核形成エネルギー供給源として作用し、これに
よって例えば第２図に示すように、基体４の表面にダイ
ヤモンド薄膜６が作製される。

その場合、イオンビーム１８のエネルギーは、その照射
によってダイヤモンド薄膜６の内部にダメージ（欠陥部
）が発生するのを極力少なくする観点から、１０ＫｅＶ
程度以下の低エネルギー、より好ましくは数百ｅＶ程度
以下にするのが良く、またその下限は特にないが、イオ
ン源１６からイオンビーム１８を引出せる限度から、現
実的には１０ｅＶ程度以上になる。

また、基体４に対するイオンビーム１８の照射角度（即
ち第１図に示すように基体４の表面に対する垂線との間
の角度）θは、０°〜６０°程度の範囲内にするのが好
ましく、そのようにすれば、イオンビーム１８の照射に
伴う蒸着炭素１２のスパッタを小さく抑えることができ
る。

また、膜作製時には、必要に応じて基体４を加熱手段（
図示省略）によって数百℃程度まで加熱、あるいは冷却
手段（図示省略）によって冷却しても良く、加熱すれば
熱励起によってダイヤモンド形成の反応を促進すること
ができると共に、ダイヤモンド薄膜６中に発生する欠陥
部を成膜中に除去することができ、また冷却すれば基体
４が熱に弱い場合にその保護を図ることができる。

上記第１の方法の特徴を列挙すれば次の通りである。

■　照射イオンのエネルギーによってグラファイトの析
出を抑制でき、均質なダイヤモンド薄膜６が得られる。

■　熱励起を主体としていないため低温処理が可能であ
り、その結果基体４として使用できる材質の範囲が大幅
に広がる。

■　従来の方法においては、気相中で生じるイオンの運
動エネルギーが小さいため、基体に対するダイヤモンド
薄膜の密着性が悪く剥離し易いという問題もあったが、
この例の方法では、イオンビーム１８のエネルギーを前
述した範囲内である程度大きくすれば、イオンの押込み
（ノックオン）作用によって例えば第２図に示すように
基体４とダイヤモンド薄膜６との界面付近に両者の構成
物質から成る混合層（ミキシング層）５が形成され、こ
れが言わば模のような作用をするので、基体４に対する
ダイヤモンド薄膜６の密着性が良（剥離しにくくなる。

■　炭素１２の蒸着を併用するため、従来の方法に比べ
て短時間で大きな膜厚が得られ、ダイヤモンド薄膜６の
作製効率が良い。

第３図は、この発明に係る第２の方法を実施する装置の
一例を示す概略図である。上記第１の方法との相違点を
主に説明すると、ここでは基体４に対する炭素１２の蒸
着とイオンビーム１８の照射に加えて更に、炭素イオン
ビーム２６を照射するようにしている。当該炭素イオン
ビーム２６は、例えば図示例のように、イオン源２０か
ら引き出された炭素イオンを含むイオンビーム２２を、
質量分析器２４等によって質量分析することによって得
られる。またそのようにして得られた炭素イオンビーム
２６は、必要に応じて走査電極２８等によってＸＹ方向
に走査して、その面積を広げても良い。

尚この場合も、イオンビーム１８の場合と同様の理由か
ら、炭素イオンビーム２６のエネルギーは１０ｅＶ〜１
０ＫｅＶ程度の範囲内に、また炭素イオンビーム２６の
基体４に対する照射角度は０°〜６０”程度の範囲内に
するのが好ましい。

この第２の方法によれば、第１の方法による作用に加え
て更に、照射炭素イオンが、前述したような核形成エネ
ルギー供給源のみならず膜形成炭素供給源としても作用
するため、前述した第１の方法の■〜■の特徴に加えて
更に、ダイヤモンド薄膜６の成膜速度がより向上すると
いう特徴がある。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明に係る第１の方法によれば、グラ
ファイトの析出を抑制して均質なダイヤモンド薄膜を効
率良く作製することができる。しかも低温処理が可能で
あるため、基体として使用できる材質の範囲が大幅に広
がる。またダイヤモンド薄膜の基体に対する密着性を向
上させることも可能である。

またこの発明に係る第２の方法によれば、上記のような
第１の方法の効果に加えて更に、ダイヤモンド薄膜の成
膜速度がより向上するという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る第１の方法を実施する装置の
一例を示す概略図である。第２図は、この発明に係る方
法によってダイヤモンド薄膜が作製された基体の一例を
拡大して部分的に示す概略断面図である。第３図は、こ
の発明に係る第２の方法を実施する装置の一例を示す概
略図である。 ４・・・基体、６・・・ダイヤモンド薄膜、８・・・蒸
発源、１２・・・炭素、１６・・・イオン源、１８・・
・イオンビーム、２６・・・炭素イオンビーム、Ｇ・・
・ガス。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）真空中で基体に対して、炭素の蒸着と、炭化水素
   系ガス、有機化合物系ガス、ケイ素系ガスおよび水素ガ
   スの内の少なくとも一種から成るガスまたは当該ガスと
   不活性ガスとの混合ガスをイオン化して得られたイオン
   ビームの照射とを行うことによって、前記基体上にダイ
   ヤモンド薄膜を作製することを特徴とするダイヤモンド
   薄膜の作製方法。
2. （２）真空中で基体に対して、炭素の蒸着と、炭化水素
   系ガス、有機化合物系ガス、ケイ素系ガスおよび水素ガ
   スの内の少なくとも一種から成るガスまたは当該ガスと
   不活性ガスとの混合ガスをイオン化して得られたイオン
   ビームの照射と、炭素イオンビームの照射とを行うこと
   によって、前記基体上にダイヤモンド薄膜を作製するこ
   とを特徴とするダイヤモンド薄膜の作製方法。