JP3008466B2 - ダイヤモンド微粉末を用いるダイヤモンド薄膜の選択成長法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ダイヤモンド薄膜形成を選択的に形成する
方法に関するものである。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題） ダイヤモンドは、すべての物質の中で最高の硬度と熱
伝導度をもち、研磨材、カッターなど広く工業的に利用
されている。ダイヤモンドの合成は高温高圧法による製
造法が広く知られている。高圧高温法によるダイヤモン
ド合成法は製造方法が複雑であること、製造装置が大型
になり経済的でないことなど、ダイヤモンド製造法とし
ては種々の難点がある。一方、最近開発された低圧気相
法によるダイヤモンドの合成はその製造方法が簡単で、
経済的なダイヤモンドの製造方法である。気相法による
ダイヤモンド合成は、薄膜状ダイヤモンドの合成に特徴
がある。ダイヤモンド薄膜は半導体レーザー、LSIデバ
イスの放熱板などの電子材料、また高温半導体としても
注目され研究が進んでいる。

低圧気相法によるダイヤモンド薄膜形成の難点の一つ
は、均一な薄膜が得難いことである。シリコンやタング
ステンを基板として、ダイヤモンドを成長させると、塊
状のダイヤモンド粒子が成長し、表面が荒れて、滑らか
な膜が得られない。この問題の解決策として、ダイヤモ
ンド薄膜形成に先だって、基板に前処理を施すことが提
案されている。たとえば、粒径数ミクロン程度のダイヤ
モンド粉末の懸濁液に基板を浸し、一定時間超音波で撹
拌すると、ダイヤモンド薄膜の成長が促進され、滑から
な膜が形成されることがある。その理由としてこの前処
理によって基板表面に“きず”が生じ、結晶成長核の密
度が５桁も増大するため考えられている。しかしなが
ら、この従来の方法は再現性に欠け必ずしも滑らかな膜
が形成されるとは限らない。

本発明は、表面が滑らかで、均質なダイヤモンド薄膜
を再現性よくしかも選択的に形成する方法を提供するこ
とを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明の選択成長方法は、ダイヤモンド粉末を種結晶
として基板表面に形成しそのあとダイヤモンド薄膜を選
択的に形成する。種結晶として粒径数十nm以下のダイヤ
モンド微粉末を用い、これを基板表面に高密度に埋め込
み、これを成長核としてホモエピタキシャルで表面が滑
らかで均質な薄膜が形成できる。ダイヤモンド薄膜を選
択的に形成する方法は、まず、基板の全表面にダイヤモ
ンド微粉末種結晶を植えこみ、通常のリソグラフィー技
術に従ってパターン形成をする。つぎに、パターン形成
の保護膜で被覆されていない基板表面にあるダイヤモン
ド微粉末を酸素プラズマ気中で反応させ、これらのダイ
ヤモンド微粉末をエッチングし除く。つづいて、保護膜
を一除去し基板上のダイヤモンド微粉末を露出させ、通
常のダイヤモンドの低圧気相成長にしたがって、該当基
板上のダイヤモンド微粉末が残っている部分に、ダイヤ
モンドを選択的に成長させる。

ダイヤモンド微粉末の除去には、酸素プラズマによる
化学反応を利用する他に、イオン照射、イオンスパッ
タ、電子線照射など物理的方法によりダイヤモンド微粉
末を破壊する方法も有効である。ダイヤモンド薄膜を形
成する基板材料は、ダイヤモンドが気相成長できるもの
であれば、その種類に格別の限定はなく、たとえば、酸
化物、窒化物、半導体、金属、半金属があげられる。低
圧気相法ではダイヤモンドを形成する方法は、熱気相
法、プラズマ気相法、電子衝撃気相法等のダイヤモンド
製造方法であればどれでもよい。

なお、微粉末を植えこむ前に基板上に、SiO₂、Si₃N₄
等の保護膜のパターンを形成しておき、そのあと微粉末
を植えこみ、保護膜をエッチング等で除去し、保護膜が
形成されていなかった部分にのみ微粉末を残す方法を用
いてもよい。また微粉末を全面に植えこんだあと、収束
イオンビーム、収束電子ビームを所望の部分に照射して
その部分の微粉末を破壊し、そのあと薄膜成長を行なう
と選択的に薄膜を形成できる。

本発明の方法が従来のダイヤモンド薄膜の選択形成技
術と相違する点は、ダイヤモンド薄膜形成に先だって、
粒径数十nmのダイヤモンド微粉末を基板表面に人為的に
形成しそれを種結晶にすることにより、表面な滑らかで
均質なダイヤモンド薄膜が再現よく製造できる点にあ
る。前述の従来の方法では、基板の前処理により基板表
面に何らかのきずを生じさせ、結晶成長核を増加するこ
とに主眼がおかれていたが、結晶成長核の実体は不明で
あった。本発明者は滑らかなダイヤモンド薄膜が形成さ
れるのは基板につけたきずのためではなく、きずをつけ
るために用いた粒径数ミクロン程度のダイヤモンド粉末
の一部が微粉末となり超音波によって基板表面に植えこ
まれた場合であることを発見した。従来はダイヤモンド
粉末は基板にきずをつけるために用いていたので常に
「植えこみ」が生じるとは限らず再現性が悪かったので
ある。

このような方法を用いるこの発明の装置について説明
すると、この装置は、ダイヤモンド微粉末を基板上に形
成する装置、ダイヤモンド微粉末を除去する装置、ダイ
ヤモンド薄膜を形成する装置からなっている。後者は、
内部を真空減圧状態とすることのできる加熱炉と、加熱
炉内に炭化水素ガスと水素ガスの混合ガスを供給する供
給系と、加熱炉内に基板を支持する系と、炭化水素ガス
と水素ガスを反応性ガスにする系からなっている。

（実施例） 第２図は、ダイヤモンド微粉末を基板表面に形成する
ための装置の一例を示したもので、超音波発生装置
（１）に連結された金属円盤（２）とこれに平行に設置
された基板（３）からなっている。基板はマイクロメー
ター（４）で金属板と垂直に可動する架台（５）に固定
される。また架台はチャック（６）により回転モーター
（７）にとりつけ、基板面と垂直な軸の回りに連続に回
転する。金属円盤（２）と基板（３）及び基板の架台
（５）は、水、アルコール、アセトン等の溶液に研磨
材、カッター等で使う粒径十ミクロン程度の通常のダイ
ヤモンド粉末が懸濁させた液を容れた容器（８）に浸さ
れている。金属円盤（２）と基板（３）の間隙を300μ
ｍと近接させ、10分程度超音波発生装置（１）により撹
拌し、基板をとりだして洗浄後、乾燥する。これによっ
て10μｍのダイヤモンド粉体が互いに衝突して粉砕し粒
径数十nm以下のダイヤモンド微粉末が基板表面に高密度
に埋め込まれる。つまり超音波によって粉末が基板につ
きささり、それが欠けて微粉末がうめこまれるわけであ
る。

第１図は、第２図の方法で作成した基板上のパターン
形成工程の一例を示したものである。全面にダイヤモン
ド微粉末（９）を形成したシリコン基板（３）に、パタ
ーン形成するための保護膜たとえばフォトレジスト膜
（12）を塗布する（（ａ）図）。この膜に、通常のリソ
グラフィ技術で線幅0.5μｍのパターン（12）を形成
し、保護膜で被覆されない部分のダイヤモンド微粉末
（９）を、酸素プラズマ（圧力４×10^-2Pa）に10分間露
出してエッチングし除去する（（ｂ）図）。つぎに、ダ
イヤモンド微粉を除去した基板（３）を、適当な溶媒例
えばアセトンに浸し保護膜を除去する（（ｃ）図）。な
お、微粉末を植えこむ前に基板（３）上に、SiO₂、Si₃N
₄等の保護膜のパターンを形成しておき、その後微粉末
を植えこみ、保護膜をエッチング等で除去し、保護膜が
形成されていなかった部分にのみ微粉末を残す方法を用
いても良い。このシリコン基板をダイヤモンド薄膜形成
装置に移し、試料温度850℃、炭化水素ガスと水素ガス
の体積混合比１％の混合ガス（圧力5x10³Pa）雰囲気中
で、60分間熱処理した。その結果、ダイヤモンド微粉末
９上に厚さと幅がともに0.5μｍのダイヤモンド薄膜の
パターン14が形成されていることを確認した（（ｄ）
図）。第１図（ａ）〜（ｄ）の工程を数回行なったが常
に同じ薄膜パターンが得られ、再現性があることを確認
した。

（発明の効果） 本発明によれば、基板上にダイヤモンド薄膜の選択成
長を再現性よく行なうことができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の選択成長法を示す断面図、第
２図はダイヤモンド微粉末を基板上にうめこむ装置の概
概略図。なお、図中の番号の次のものを示している。 １……超音波発生器、２……金属円盤、３……基板試
料、４……マイクロメーター、５……基板支持台、６…
…チャック、７……回転モーター、８……容器、９……
ダイヤモンド微粉末、10……フォトレジスト膜、11……
ダイヤモンド薄膜。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】数十ミクロンのダイアモンド粉末が懸濁さ
   せた溶液中に基板を浸し、超音波を発生させることで前
   記数十ミクロンのダイアモンド粉末を数十nmのダイアモ
   ンド微粉末に粉砕し、基板に埋め込まれた前記数十nm以
   下のダイアモンド微粉末を種結晶としてダイアモンドを
   選択的に形成することを特徴とするダイヤモンド薄膜の
   選択成長方法。
2. 【請求項２】超音波を発生する基台部と基板のダイアモ
   ンドを選択成長する面とが対向していることを特徴とす
   る請求項１記載のダイヤモンド薄膜の選択成長方法。