(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子エミッタ上にダイヤモンド材料層を形成する方法であって：
反応炉（３０１）を設ける段階；
前記反応炉（３０１）内に電子エミッタ（５０２）を配置する段階；
前記電子エミッタ（５０２）に対して離れて位置する引き出し電極を前記反応炉（３０１）内に配置して、それらの間に領域を定める段階；
前記電子エミッタ（５０２）において電界が発生し、それにより前記電子エミッタ（５０２）から電子を放出させるように、前記引き出し電極（５０７）と前記電子エミッタ（５０２）との間に電圧源から電圧を印加する段階；および
前記反応炉（３０１）内の前記電子エミッタ（５０２）と前記引き出し電極（５０７）との間の領域に炭素含有分子反応ガスを提供し、そのため、前記電子エミッタ（５０２）によって放出された電子が前記炭素含有反応ガスの一部を正イオン化ラジカルおよびエッチング反応体としての水素に解離させることによって前記反応炉（３０１）内で反応ガスを発生させ、その後このラジカルを電子エミッタ（５０２）に向けて加速し、その上に被着させると共に、前記反応炉内の前記電子エミッタ（５０２）と前記引き出し電極（５０７）との間の領域における前記水素を被着されたラジカルと優先的に反応させて、ダイヤモンド形成物の除去よりも高い速度で被着ラジカルの非ダイヤモンド形成物を除去する段階；
を含むことを特徴とする電子エミッタ上にダイヤモンド材料層を形成する方法。
【請求項２】
電子エミッタ上にダイヤモンド材料層を形成する方法であって：
反応炉（３０１）を設ける段階；
表面に絶縁層（５０８）が形成され該絶縁層は該絶縁層を通って形成された開口部（５０９）を有するところの支持基板（５０１）と、前記絶縁層（５０８）上にかつ前記開口部（５０９）の周囲に形成された引き出し電極（５０７）と、前記開口部（５０９）内に配置されかつ前記支持基板（５０１）に動作可能に結合された電子放出先端部（５０２）とを含む電子放出構造を前記反応炉内に配置する段階；
前記引き出し電極（５０７）と前記支持基板（５０１）との間に外部電圧源（５１０）から電圧を印加し、前記電子放出先端部（５０２）から電子を放出させる段階；および
前記反応炉内に炭化水素反応体を提供し、前記放出された電子の少なくとも一部が該炭化水素反応体の一部を正イオン化ラジカルおよびエッチング反応体としての水素に解離させて、その後該ラジカルを前記電子放出先端部（５０２）に向けて加速させ、その上に被着させると共に、前記水素を被着ラジカルと優先的に反応させて、ダイヤモンド形成物の除去よりも高い速度で被着ラジカルの非ダイヤモンド形成物を除去する段階；
を含むことを特徴とする電子エミッタ上にダイヤモンド材料層を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、ダイヤモンド膜を形成する方法に関し、さらに詳しくは、ダイヤモンド膜を選択的に形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
ダイヤモンド膜はさまざまな基板材料上に形成／被着できることが当技術分野で知られている。また、ダイヤモンド膜形成は、基板表面上の選択的に処理された箇所で優先的に行なうことができることが知られている。
【０００３】
しかし、選択的処理を施すことのできない物理的な形状上にダイヤモンド材料を優先的に形成／被着することが望ましい場合には、従来の方法は利用できない。
【０００４】
従って、従来技術の欠点の少なくとも一部を克服し、かつ／または選択的ダイヤモンド材料被着を行なう新たな技術を提供する方法が必要とされる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この必要性等は、電子エミッタ上にダイヤモンド膜を形成する方法を提供することによって実質的に満たされ、この方法は：反応炉内に配置された、電子を放出する電子エミッタを設ける段階；反応炉内に配置され、かつ、電子エミッタに対して離れて配置された引き出し電極（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を設ける段階；外部印加電圧が電子エミッタにおいて電界を発生し、それにより電子エミッタから電子放出を発生するように、引き出し電極と電子エミッタとの間に動作可能に結合された外部電圧源から電圧を印加する段階；炭素含有分子反応ガスの少なくとも一部が電子エミッタと引き出し電極との間の領域に配置されるように、反応炉内に炭素含有分子反応ガスを提供する段階；前記電子エミッタによって放出された電子の少なくとも一部が、炭素含有分子反応体の少なくとも一部を正イオン化ラジカルおよびエッチング反応体としての水素に解離し、その後この正イオン化ラジカルを電子エミッタに向けて加速し、その上に被着させ、かつ前記水素の少なくとも一部が被着材料と優先的に反応して、ダイヤモンド形成物の除去よりも高い速度で、被着された材料の非ダイヤモンド形成物を除去する段階によって構成される。
【０００６】
【実施例】
図１において、基板に材料を被着させるために用いられる、従来技術で周知の反応炉１０１を概略的に示す。反応炉１０１は、反応ソース・マニフォルド１０３が動作可能に結合される実質的に真空の空間を定める。一般に、マニフォルド１０３は、個々のソース反応体供給源（図示せず）に取付けられた複数の入力管を有するパイプ／配管システムとして実現され、反応炉１０１にソース反応体の所定の混合を与える一つの出力管を有して図示されている。排出口１０２は、反応炉１０１に導入された反応体が排出されるように、反応炉１０１に動作可能に結合された配管／パイプからなる。反応炉１０１内で基板ホールダ１０５の上に基板１０６が配置されて示されている。フィラメント１０４は、基板１０６の付近に設けられ、外部電圧源１０７に動作可能に結合されている。電圧源１０７をフィラメントに印加すると、フィラメント１０４は加熱され、マニフォルド１０３を介して反応炉１０１に導入された反応ガスの反応を誘発する。基板表面付近および基板表面上で生じる反応により、基板表面に材料被着を行なう。
【０００７】
本実施例の場合には、基板表面に被着される材料はダイヤモンド材料で、これは単結晶または多結晶でもよい。
【０００８】
図２は、本発明の方法に従って用いられる材料被着反応炉２０１の概略図である。反応炉２０１は、図１について説明したように反応ソース・マニフォルド２０３が動作可能に結合されている実質的に真空の空間を定める。図２には、排出口２０２および基板ホールダ２０５も示し、これらは図１で説明したものと同様な構造である。さらに、図２は、外部電圧源２０７が基板ホールダ２０５と引き出し電極２１２との間で動作可能に結合されていることを示している。本方法では、支持基板２０６は基板ホールダ２０５に動作可能に結合され、かつその上に配置されている。このように構成され、接続されると、電圧源２０７は基板２０６に電界を発生する。
【０００９】
図３は、図２の支持基板２０６の一部の拡大図であり、その表面上に形成された複数の電子エミッタ２１４を示す。電子エミッタ２１４は、従来の技術において説明した一般に用いられる多くの方法のうちの任意の方法により、支持基板２０６上に選択的に形成され、かつ、支持基板２０６に動作可能に結合される。
【００１０】
ここで、図３に示す構造を含む電子エミッタ２１４を反応炉２０１内に配置し、反応ガスの混合を反応ソース・マニフォルド２０３を介して反応炉２０１に導入し、電圧源２０７によって発生した電界により、引き出し電極２１２と基板２０６との間の領域に電子放出を発生し、その領域にある少なくとも一部の反応体を正のラジカル化イオンに解離し、ラジカル化イオンの少なくとも一部を負の電子エミッタに向けて優先的に加速し、かつその上に被着させて、残りの反応成分の一部は被着された反応材料の形成物の一部を優先的／選択的に除去し、残りの被着材料は実質的にダイヤモンド材料となる方法について検討する。
【００１１】
上記の方法では、ラジカル化され被着される反応成分は、例えば、メタン，ブタン，プロパンおよびアセチレンなどの炭素含有分子であることが好ましいが、これらに限定されるものではない。被着材料の不要な形成物を選択的に除去するために用いられる反応成分は、例えば、水素である。
【００１２】
上記に一つの具体的な方法では、炭素含有分子成分のラジカル化（解離）は、炭素含有分子反応体に結合される電子エネルギによって行なわれる。電子は、電子エミッタから電界によって誘発される電界放出によってこの領域内に放出される。そうすることにより、炭素結合は崩壊し、ラジカル化された炭素含有分子が生じる。ラジカル化炭素含有分子が正にイオン化されると、この分子は負の電子エミッタに引き寄せられ、その上に優先的に被着される。反応炉２０１内に存在する水素などの別の反応体は、炭素のグラファイト形成物などの被着炭素含有分子成分の望ましくない形成物を、炭素のダイヤモンド形成物などの被着炭素含有分子成分の望ましい形成物よりもより速く侵食して、電子エミッタ２１４の表面におけるダイヤモンドの形成に有利な反応速度が得られる。
【００１３】
一つの具体的な方法では、電子エネルギ結合によって誘発される炭素含有分子のラジカル化は、放出電子を実質的に連続（ＤＣ）供給することによって行なわれる。パルス化モード動作（ｐｕｌｓｅｄ  ｍｏｄｅ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）  という別の具体的な方法では、炭素含有分子のラジカル化は、放出電子をパルス化供給することによって行なわれる。パルス化モード動作の場合には、反復率（パルス周波数）はメガヘルツ台でもよい。パルス化モード動作を利用する望ましい特徴は、ラジカル化された炭素含有分子は、電子エミッタ表面に対して遮られることなく移動する可能性があることである。パルス化モード動作の場合には、外部電圧源２０７が、引き出し電極２１２と基板ホールダ２０５との間に非一定電圧（非ＤＣ電圧）を与えることによって、パルス化モードを行なう。
【００１４】
図４において、本発明による反応炉３０１の概略図を示し、これは前に図２を参照して説明しており、図２について説明した特徴は同様であるが、参照番号は「３」から開始している。図４は、排気口３０２，基板ホールダ３０５および基板ホールダ３０５と基板ホールダ３０５上に配置された支持基板３０６との間に動作可能に結合された外部電圧源３０７を含む。図５は、各電子エミッタが複数の開口部の開口部内に配置され、かつ、支持基板３０６の表面上に配置された電子エミッタ３１４を含む支持基板３０６の拡大図を示す。複数の開口部は、支持基板３０６上に設けられた絶縁層３１７によって定められ、その上に引き出し電極３１６が形成されており、それを通して複数の開口部が形成されている。
【００１５】
図４において、電圧源３０７は、支持基板３０６の引き出し電極３１６と基板ホールダとの間に動作可能に結合され、電界が電子エミッタ３１４付近の支持基板３０６において発生するようになっている。そうすることにより、当技術分野で周知なように、電子が電子エミッタ３１４から電子エミッタ３１４付近の領域内に放出される。放出された電子は、反応ガスの炭素含有分子成分にエネルギを結合し、図２で説明した反応を引き起こし、優先的に被着されたダイヤモンド膜を形成する。
【００１６】
図６は、図３について説明した電子放出構造の拡大側面断面図であり、優先的／選択的に被着されたダイヤモンド材料層をさらに示している。支持基板４０１は、その表面上に設けられ、かつ、そこに動作可能に結合された電子放出先端部４０２を有する。引き出し電極４４０は、支持基板４０１に対して離れて設けられており、その間に領域が定められている。外部電圧源４１０は、引き出し電極４４０と支持基板４０１との間に動作可能に結合されている。電圧源４１０を印加することにより、電子が放出先端部４０２からこの領域に放出される。
【００１７】
これまで説明した構造は、図２で説明したのと同様な環境内で優先的に設けられ、この環境では反応ガスが存在し、従って、反応ガスはこの領域内に存在する。この領域内に放出される電子（放出先端部４０２から外側に向かう矢印によって示されている）は、反応ガスの炭素含有分子成分にエネルギを与え、炭素含有分子を正にイオン化する。次に、ラジカル化された炭素含有イオンが負の電子放出先端部４０２に向かって加速され（放出先端部４０２に向かう破線矢印によって示されている）、そこに被着される。反応ガスのエッチング成分は被着材料の非ダイヤモンド形成物と優先的に反応し、そのためダイヤモンド材料４０６の層／膜が放出先端部４０２上に優先的／選択的に被着される。
【００１８】
図６に示すように、このように被着させるためには、放出先端部４０２の全域においてダイヤモンド膜を形成する必要はない。高エネルギ領域は形状的な不連続性と関連しているので、炭素含有分子のラジカル化が行なわれた後に、炭素含有分子の核形成（ｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ）およびその後のダイヤモンド膜形成は、放出先端部４０２のその部分においてのみ優先的に進行する。
【００１９】
図７は、図５において説明したのと同様な電子エミッタ５０２の拡大側面断面図である。支持基板５０１が設けられ、その上に電子を放出する電子エミッタ５０２が設けられている。絶縁層５０８は、支持基板の表面上に設けられ、引き出し電極５０７は、絶縁層５０８上に設けられている。当技術分野で周知なように、まず絶縁層５０８および引き出し電極５０７を形成し、引き出し電極５０７および絶縁層５０８に開口部５０９をエッチングして、次に支持基板５０１の表面上の開口部５０９内に電子エミッタ５０２を被着させることによって電子エミッタ５０２は実現できる。図４で説明したのと同様な環境においてこのように形成され設けられ、かつ、動作可能に結合された外部電圧源５１０を有する場合、ダイヤモンド材料層５０６は電子エミッタ５０２の少なくとも一部の上に優先的／選択的に被着される。
【００２０】
以上、電子エミッタの電子放出先端部の少なくとも一部の上にダイヤモンド膜を選択的に被着させる方法が開示される。さらに、放出電子を利用して炭素含有分子にエネルギを与え、その後この炭素含有分子を電子放出先端部に被着させる方法も開示される。また、電子放出先端部の少なくとも一部上に設けられたダイヤモンド膜層を含む装置も開示される。従って、選択的処理を受けない物理的形状上にダイヤモンド材料を優先的に形成／被着させる方法が開示され、それによって得られる装置も開示される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のダイヤモンド膜被着反応炉の一つの例を示す概略図である。
【図２】本発明によるダイヤモンド膜反応炉の概略図である。
【図３】図２の構造で用いられる電子エミッタの一部の拡大側面概略図である。
【図４】本発明によるダイヤモンド膜反応炉の概略図である。
【図５】図４の構造で用いられる電子エミッタの拡大側面概略図である。
【図６】本発明による方法を実施することによって実現される選択的ダイヤモンド被覆電子エミッタの実施例の拡大側面断面図である。
【図７】本発明による方法を実施することによって実現される選択的ダイヤモンド被覆電子エミッタの別の実施例の拡大側面断面図である。
【符号の説明】
２０１，３０１  反応炉
２０２，３０２  排気口
２０３，３０３  反応ソース・マニフォルド
２０５，３０５  基板ホールダ
２０６，３０６  支持基板
２０７，３０７  外部電圧源
２１２  引き出し電極
２１４，３１４  電子エミッタ
３１６  引き出し電極
３１７  絶縁層
４０１  支持基板
４０２，５０２  電子放出先端部
４０６，５０６  ダイヤモンド材料層
４１０，５１０  外部電圧源
４４０  引き出し電極
５０７  引き出し電極
５０８  絶縁層
５０９  開口部
【図１】
0003584049.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003584049.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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