(57)【要約】【課題】  膜厚方向における物性の均一性を向上させることができる炭素膜の改質方法とこの方法により得られた改質炭素膜とを提供する。【解決手段】  １０００ｅＶを超えるエネルギを有しているフォトンが全体の８０％を超えているシンクロトロン放射光３を炭素膜５に照射することによって炭素膜５を改質する方法である。また、この方法によって得られた改質炭素膜である。このようなシンクロトロン放射光３はフィルタ２の透過光であり得る。【選択図】        図１
2006036564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素膜にシンクロトロン放射光を照射することによって炭素膜を改質する方法であって、前記シンクロトロン放射光を構成するフォトンのうち８０％を超えるフォトンが１０００ｅＶを超えるエネルギを有していることを特徴とする、炭素膜の改質方法。
【請求項２】
前記シンクロトロン放射光はフィルタの透過光であることを特徴とする、請求項１に記載の炭素膜の改質方法。
【請求項３】
前記フィルタはベリリウム、アルミニウムまたはポリイミドのいずれかからなることを特徴とする、請求項２に記載の炭素膜の改質方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の炭素膜の改質方法によって得られた、改質炭素膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は炭素膜の改質方法および改質炭素膜に関し、特に膜厚方向における物性の均一性を向上させることができる炭素膜の改質方法とその方法により得られた改質炭素膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、炭素膜は、その機械的特性および化学的安定性を利用して、たとえば工具、金型、機械部品、電気部品または光学部品などの被覆材料として主に用いられていた。しかしながら、近年、炭素膜の応用分野は多岐にわたっており、それぞれの応用分野に応じて、様々な物性を有する炭素膜の開発が進められている。
【０００３】
たとえば、特許文献１には、ＤＬＣ膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）からなる炭素膜の一部にイオンビーム、電子線、陽子線、α線若しくは中性子線などの粒子線または光線、Ｘ線若しくはγ線などのエネルギ線を照射することによって炭素膜の一部を改質した偏光子を作製する方法が開示されている。この偏光子を作製する方法は以下のようにして行なわれる。
【０００４】
まず、図４の模式的断面図に示すように、ＤＬＣ膜からなる炭素膜１１の表面上に屈折率分布のパターンを転写したマスク１２を設置する。次いで、図５の模式的断面図に示すように、このマスク１２の斜め上方からたとえばヘリウムイオンまたはアルゴンイオンなどのイオンビーム１３を照射する。すると、図６の模式的断面図に示すように、炭素膜１１のうちイオンビーム１３の照射部分１４においては炭素膜が改質して屈折率が高くなる。一方、イオンビーム１３の非照射部分１５においては炭素膜が改質せず屈折率は変化しない。このように炭素膜１１中に屈折率の分布を形成することによって偏光子を作製することが可能となる（特許文献１の段落[００７０]〜[００７９]参照）。
【０００５】
また、特許文献２には、ＤＬＣ膜からなる炭素膜の一部に粒子線またはエネルギ線を照射し、炭素膜の一部を改質することによって光導波路を作製する方法が開示されている。この光導波路を作製する方法は以下のようにして行なわれる。まず、図７の模式的断面図に示すように、石英ガラスの基板１６上にＤＬＣ膜からなる炭素膜１１を形成する。そして、図８の模式的断面図に示すように、この炭素膜１１の所定領域に粒子線としてたとえばイオンビーム１３を照射することによって照射部分１４を改質し、照射部分１４の屈折率を他の部分よりも高くする。このように炭素膜１１中に高い屈折率を有する部分を形成することによって光導波路を作製することが可能となる（特許文献２の段落[００２１]〜[００２５]参照）。
【特許文献１】特開２００３−２４８１９３号公報
【特許文献２】特開２００４−２０７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、炭素膜に照射された粒子線やエネルギ線は、炭素膜の表面から膜厚方向に進むにつれて減衰していくため、炭素膜の改質量が膜厚方向に向けて減少してしまう。それゆえ、改質炭素膜を用いた偏光子や光導波路などの製品においては、その膜厚方向に物性のばらつきが生じることがあった。
【０００７】
本発明の目的は、膜厚方向における物性の均一性を向上させることができる炭素膜の改質方法とその方法により得られた改質炭素膜とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンが全体の８０％を超えるシンクロトロン放射光を炭素膜に照射することを特徴とする炭素膜の改質方法である。
【０００９】
ここで、本発明の炭素膜の改質方法において、上記のシンクロトロン放射光はフィルタの透過光であり得る。
【００１０】
また、本発明の炭素膜の改質方法においては、上記のフィルタはベリリウム、アルミニウムまたはポリイミドのいずれかからなっていてもよい。
【００１１】
また、本発明は、上記の炭素膜の改質方法によって得られた改質炭素膜である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、膜厚方向における物性の均一性を向上させることができる炭素膜の改質方法とその方法により得られた改質炭素膜とを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本願の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００１４】
（炭素膜）
本発明に用いられる炭素膜は、炭素または炭素と水素とを主成分とする膜のことをいう。本発明に用いられる炭素膜は特に限定されないが、たとえばダイヤモンド膜、ＤＬＣ膜および非晶質炭素膜などが挙げられる。ここで、ダイヤモンド膜は結晶質であって、Ｘ線回折においてダイヤモンド構造を反映した回折線が見られる炭素膜のことをいう。なお、ダイヤモンド膜は微量の水素を含んでいてもよい。また、ＤＬＣ膜は非晶質であって、ヌープ硬度が１０００以上である炭素膜のことをいう。また、非晶質炭素膜は非晶質であって、ヌープ硬度が３０以上１０００未満である炭素膜のことをいう。
【００１５】
このような炭素膜は、たとえば石英、シリコンまたはガラスなどからなる基板上に、プラズマＣＶＤ法などの各種ＣＶＤ法、イオン化蒸着法またはスパッタリング法などの方法によって形成することができる。
【００１６】
（シンクロトロン放射光）
本発明においては、１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンが全体の８０％を超えるシンクロトロン放射光（以下、「高エネルギＳＲ光」と略すこともある）が上記の炭素膜に照射される。これは、このような高エネルギＳＲ光を上記の炭素膜に照射することによって、膜厚方向に物性がより均一な改質炭素膜が得られることを本発明者が見い出したことによるものである。これにより、たとえば１０μｍ〜１００μｍ程度の膜厚における改質炭素膜の膜厚方向における物性の均一化が可能となる。なお、１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンが全体の９０％を超えれば炭素膜の膜厚方向の物性の均一性がより促進され、１００％になればなお均一性が向上する。
【００１７】
このような高エネルギＳＲ光は、たとえば図１の模式図に示す方法によって得ることができる。たとえば１０００ｅＶ以下の低エネルギを有するフォトンと１０００ｅＶを超える高エネルギを有するフォトンとが混在したＳＲ白色光１がフィルタ２に照射される。なお、ＳＲ白色光１は従来から用いられている放射光の一種であり、たとえば大きなエネルギを有する電子などの荷電粒子を磁場で曲げたときに軌道の接線方向に放射される放射光であり得る。
【００１８】
ここで、減衰の大きい１０００ｅＶ以下の低エネルギを有するフォトンの多くはフィルタ２で遮断されるが、減衰の小さい１０００ｅＶを超える高エネルギを有するフォトンはフィルタ２でわずかしか遮断されずに多くが透過する。これにより、フィルタ２を透過した高エネルギＳＲ光３を基板４上に形成された炭素膜５に照射することができる。なお、フィルタ２の材質や厚みについては、フィルタ２を透過したフォトンのうち８０％を超えるフォトンが１０００ｅＶを超えるエネルギを有するように適宜調整することができる。このようなフィルタ２としては、たとえばＢｅ（ベリリウム）、Ａｌ（アルミニウム）またはポリイミドなどの原子番号の小さい元素から構成されるたとえば１μｍ〜５００μｍの厚みのフィルム状のものを用いることができる。Ｂｅ、Ａｌまたはポリイミドは、低エネルギを有するフォトンの吸収が大きく、高エネルギを有するフォトンの吸収は比較的小さい。たとえば、約２０μｍ以上の厚みのＢｅからなるフィルタ、約７μｍ以上の厚みのＡｌからなるフィルタ、または約６μｍ以上の厚みのＡｌからなるフィルタにおいては、１０００ｅＶ以下のエネルギを有するフォトンの透過率をフィルタ透過前の約１０％以下にまで低減することができる。一般に、フィルタの膜厚を厚くすれば、１０００ｅＶ以下のエネルギを有するフォトンの割合は減少し、炭素膜の膜厚方向の物性の均一性は改善されるが、フィルタの膜厚を過度に厚くすると１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンもある程度減少して炭素膜の改質に必要な時間が長くなる場合があるので、炭素膜の膜厚方向の物性の均一性および改質時間などを考慮して、適宜最適な材質、厚さのフィルタが選択されることが好ましい。
【００１９】
図２に、ＳＲ白色光とこのＳＲ白色光をＢｅからなる２５μｍの厚みのフィルタに透過させた後の高エネルギＳＲ光のそれぞれについて、フォトンのエネルギとフォトンの量との関係の一例を示す。なお、図２において、横軸はフォトンのエネルギを示し、縦軸は横軸に示されているそれぞれのエネルギを有するフォトンの相対量を示している。ここで、ＳＲ白色光は、実線６で囲まれた領域で表わされるように１０００ｅＶ以下の低いエネルギを有するフォトンを多量に有しているが、フィルタ透過後の高エネルギＳＲ光は破線７で囲まれた領域で表わされるように１０００ｅＶ以下の低いエネルギを有するフォトンはほとんどフィルタで遮断されていることがわかる。
【００２０】
炭素膜に照射される高エネルギＳＲ光が、１０００ｅＶを超えるエネルギを有しているフォトンを全体の８０％よりも多く有しているかどうかについては、適切な格子定数を有する結晶を用いたモノクロメータで高エネルギＳＲ光を分光した後に光電子増倍管などで１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンの量を相対的に算出することによって確認することができる。
【００２１】
なお、高エネルギＳＲ光の照射は１回のみ行なわれてもよく、数回にわたって行なわれてもよい。また、上記のフィルタを交換することなどにより異なるエネルギ分布を有するＳＲ光を照射することもできる。この場合には、炭素膜の膜厚方向に改質量の分布を細かく調節することができる。
【００２２】
（改質炭素膜）
本発明において、改質炭素膜とは、上記の炭素膜に上記の高エネルギＳＲ光が照射された後の膜のことをいう。
【００２３】
図３に、炭素膜にＳＲ白色光を照射した場合と高エネルギＳＲ光とを照射した場合のそれぞれについての改質炭素膜の膜厚方向における屈折率の変化の一例を示す。なお、図３において、横軸は改質炭素膜の膜厚方向における深さを示し、縦軸は横軸に示されているそれぞれの深さの箇所における屈折率を示している。
【００２４】
図３において、ＳＲ白色光および高エネルギＳＲ光の照射前の炭素膜の屈折率は炭素膜のどの部分においても膜厚方向にほぼ一定である（図３の実線８参照）。
【００２５】
ここで、ＳＲ白色光は低いエネルギを有するフォトンを多く含んでおり、低いエネルギを有するフォトンは炭素膜の表面近傍の照射部分を改質しやすい傾向にある。したがって、ＳＲ白色光を照射した場合には、図３の破線９に示すように、炭素膜の表面近傍の照射部分において改質効果が大きくなるためその部分の屈折率が大きくなるが、改質炭素膜の表面近傍から膜厚方向に深くなるにつれて改質効果が小さくなるため屈折率があまり大きくならない。
【００２６】
一方、高エネルギＳＲ光を照射した場合には、大きなエネルギを有するフォトンはその照射部分の膜厚方向により深い位置まで到達する傾向にあるため、図３の破線１０に示すように、炭素膜の表面近傍の照射部分とその照射部分の膜厚方向に深い箇所とにおける改質効果の差があまり大きくなく、改質炭素膜の膜厚方向における屈折率のばらつきが少なくなる。なお、上記においては、高エネルギＳＲ光の照射による炭素膜の改質効果として屈折率の変化を例にして説明したが、高エネルギＳＲ光が照射されたことによるその他の物性の変化についても改質炭素膜の膜厚方向のばらつきが少なくなることは言うまでもない。
【００２７】
本発明における改質炭素膜はその膜厚方向における物性のばらつきが少なくなる傾向にあるので、たとえば電子部品、Ｇｅ（ゲルマニウム）などの赤外線窓材のＡＲ（Anti-Reflection）コート、光導波路、回折光学素子または記録媒体などの用途に好適に用いられる。
【実施例】
【００２８】
（実施例１）
ＳＲ白色光を厚さ２５μｍのＢｅからなるフィルタを透過させることによって９０％以上のフォトンが１０００ｅＶよりも大きく２０００ｅＶ以下のエネルギを有する高エネルギＳＲ光を得た。そして、この高エネルギＳＲ光を屈折率１．５５、厚さ４μｍの水素を含有する非晶質炭素膜に３０分照射した。
【００２９】
そして、この高エネルギＳＲ光の照射後の改質炭素膜について分光エリプソにより屈折率の測定を行なった。その結果、改質炭素膜の最表面における屈折率は１．７６であり、最表面からの深さ４μｍの箇所における屈折率は１．７０であった。
【００３０】
（比較例１）
約５０ｅＶ〜２０００ｅＶのエネルギを有するフォトンから構成され、１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンが全体の８０％以下であるＳＲ白色光をＢｅからなるフィルタを透過させずに１時間照射したこと以外は実施例１と同様にして、ＳＲ白色光の照射後の改質炭素膜の屈折率の測定を行なった。その結果、改質炭素膜の最表面における屈折率は１．８８であり、最表面からの深さ４μｍの箇所における屈折率は１．５８であった。
【００３１】
上記の結果から、高エネルギＳＲ光を照射して得られた実施例１の改質炭素膜は、ＳＲ白色光を照射して得られた比較例１の改質炭素膜よりも膜厚方向における屈折率のばらつきが少なくなっていることが確認された。
【００３２】
（実施例２）
ＳＲ白色光を厚さ１００μｍのＢｅからなるフィルタを透過させて得られた８５％以上のフォトンが１５００ｅＶ以上３０００ｅＶ以下のエネルギを有する高エネルギＳＲ光を、水素含有量が３２原子％のＤＬＣ膜および水素含有量が２８０ｐｐｍのダイヤモンド膜にそれぞれ５０分間ずつ照射してそれぞれの膜から水素を脱離させた。
【００３３】
そして、高エネルギＳＲ光の照射後の改質ＤＬＣ膜および改質ダイヤモンド膜についてそれぞれ反跳原子検出法（Elastic Recoil Detection Analysis; ERDA）により水素含有量を測定した。その結果を表１および表２に示す。
【００３４】
なお、表１および表２において、最表面における水素含有量は、高エネルギＳＲ光の照射後の改質ＤＬＣ膜および改質ダイヤモンド膜のそれぞれの最表面の水素含有量を測定したものである。また、表１および表２において、深さ１．５μｍおよび深さ５μｍの箇所における水素含有量は、アルゴンイオンを用いて改質ＤＬＣ膜および改質ダイヤモンド膜のそれぞれについて最表面からそれぞれ深さ１．５μｍおよび５μｍのエッチングを行なって露出した表面の水素含有量を測定したものである。
【００３５】
（比較例２）
約５０ｅＶ〜３０００ｅＶのエネルギを有するフォトンから構成され、１０００ｅＶを超えるエネルギを有するフォトンが全体の８０％以下であるＳＲ白色光を、Ｂｅからなるフィルタを透過させずに、水素含有量が３２原子％のＤＬＣ膜および水素含有量が２８０ｐｐｍのダイヤモンド膜にそれぞれ２０分間ずつ照射したこと以外は実施例２と同様にして、ＳＲ白色光の照射後の改質炭素膜の水素含有量を測定した。その結果を表１および表２に示す。
【００３６】
【表１】
2006036564.tif 000003
【００３７】
【表２】
2006036564.tif 000004
【００３８】
表１および表２に示すように、高エネルギＳＲ光を照射して得られた実施例２の改質ＤＬＣ膜および改質ダイヤモンド膜はそれぞれ、ＳＲ白色光を照射して得られた比較例２の改質ＤＬＣ膜および改質ダイヤモンド膜よりも膜厚方向における水素含有量のばらつきが少なく、水素の脱離がより均一に行なわれていることが確認された。
【００３９】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明によれば、１０００ｅＶを超えるエネルギを有しているフォトンが全体の８０％を超える高エネルギＳＲ光をダイヤモンド膜、ＤＬＣ膜または非晶質炭素膜などの炭素膜に照射することによって、高エネルギＳＲ光の照射により得られた改質炭素膜の膜厚方向における物性の均一性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明において高エネルギＳＲ光を照射する場合の好ましい一例を示した模式図である。
【図２】ＳＲ白色光と高エネルギＳＲ光についてのフォトンのエネルギとフォトンの量との関係の一例を示した図である。
【図３】ＳＲ白色光と高エネルギＳＲ光を照射した場合の改質炭素膜の膜厚方向における屈折率の変化の一例を示した図である。
【図４】従来において、屈折率分布のパターンが転写されたマスクを設置した後の炭素膜の一例の模式的な断面図である。
【図５】従来において、マスクの斜め上方からイオンビームを照射しているときの炭素膜の一例の模式的な断面図である。
【図６】従来において、イオンビームの照射後の炭素膜の一例の模式的な断面図である。
【図７】従来において、基板上に形成された炭素膜の一例の模式的な断面図である。
【図８】従来において、イオンビームの照射後の炭素膜の一例の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  ＳＲ白色光、２  フィルタ、３  高エネルギＳＲ光、４，１６  基板、５，１１  炭素膜、７，９，１０  破線、６，８  実線、１２  マスク、１３  イオンビーム、１４  照射部分、１５  非照射部分。
【図１】
2006036564.tif 000005
【図２】
2006036564.tif 000006
【図３】
2006036564.tif 000007
【図４】
2006036564.tif 000008
【図５】
2006036564.tif 000009
【図６】
2006036564.tif 000010
【図７】
2006036564.tif 000011
【図８】
2006036564.tif 000012