(57)【要約】【課題】大面積、三次元形状に高密度の薄膜の硬質炭素膜の成膜法及び成膜装置を提供すること。【解決手段】基板表面に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子を含んだガスクラスターのイオンビームを照射することにより、超微粒子若しくは超微粒子とガスの化合物を形成し、超微粒子がグラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）で表される球状炭素類、ガスがアルゴンから成る硬質炭素膜の成膜方法を用い、ガスクラスターイオンビーム装置において、ガスボンベとガスクラスター発生部の間に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子供給手段を備えるよう構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子を含んだガスクラスターのイオンビームを照射することにより、超微粒子若しくは超微粒子とガスの化合物を形成することを特徴とする硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項２】
超微粒子がグラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）で表される球状炭素類、ガスがアルゴンから成ることを特徴とする請求項１記載の硬質炭素膜の成膜方法。
【請求項３】
ガスクラスターイオンビーム装置において、ガスボンベとガスクラスター発生部の間に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子供給手段を備えたことを特徴とする成膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクラスターイオンビームを用いた超微粒子の成膜方法及びその装置に関するものである。更に詳しくは、高硬度、耐磨耗、大面積、均一膜厚である、硬質炭素膜の成膜方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光デバイス精密加工ハンドブック第２章、第４節ガスクラスターイオンビームによると、ガスクラスターイオンビームプロセスでは、通常数ｋｅＶから数十ｋｅＶ程度の加速エネルギー固体表面に衝突するが、平均クラスターサイズは数千個と非常に大きいため、一原子当りの持つエネルギーは、数ｅＶから数十ｅＶとなり、超低エネルギーのイオンビームを実現できるだけでなく、数千個の超低エネルギー原子を同一個所に照射することができ、照射領域のエネルギー密度が高くなる特徴の記述がある。
【０００３】
ガスクラスターイオンビーム装置において、ガスクラスターイオンビームは、ノズルの小孔から高圧ガスを真空中に噴出させ、断熱膨張による過冷却過程を経て形成される。クラスター生成室には単原子の残留ガスも多く存在するため、スキマーと呼ばれる円錐状のアパーチャーを設け、ビーム中心部のクラスターイオンビームのみをイオン化室に導き、電子ビーム照射等によって正イオン化され、加速電圧通常数ｋＶから数十ｋＶ程度に加速され、クラスターサイズの小さいものを磁界等で除去するための質量分離部を経て、基板に照射される。
【０００４】
ガスクラスターイオンは照射領域に高密度のエネルギーを与えるため、照射領域は高温・高圧状態となり、基板温度を上げることなく高密度の薄膜を形成することが可能となり、蒸着等と併用することにより、ガスクラスターイオン援用薄膜形成プロセスとして応用されている。
【０００５】
ガスクラスターイオンビームによる固体表面処理方法として、特許文献１に提案されている。ガスクラスターイオンビームを援用蒸着して硬質炭素膜を形成する方法が、特許文献２に提案されている。
【０００６】
又、超微粒子の成膜方法として、ガス・デポジション方法が特許文献３、特許文献４に提案されている。
【０００７】
ガス・デポジション方法では、生成室内でガス中加熱蒸発法により生成された超微粒子は、キャリアガスによって輸送管内を通り、膜成長室に輸送される。成長室は、真空排気されており、輸送官から送り出される超微粒子はノズルを通って基板に照射して超微粒子薄膜を形成する。
【０００８】
超微粒子の生成、捕集方法、ガス・デポジション法に関しては、特許文献５に以下のように記述されている。
【０００９】
非特許文献１の「超微粒子の製造法−物理的方法」に要約されているように、抵抗過熱法（ガス中蒸発法）、高周波誘導法、プラズマ法、電子ビーム加熱法、レーザビーム加熱法の加熱蒸発方法があり、生成された超微粒子は不活性ガスであるＨｅ，Ａｒ等のキャリアガス流によって輸送され水冷された捕集面に付着させる方法を採るのが一般的である。
【００１０】
又、特許文献６によると、マイクロ波を照射する超微粒子の製造方法及び超微粒子に関する発明の記述がある。金属塩を溶媒中に溶解或いは分散した溶液に、還元性の有機溶媒存在下でマイクロ波を照射することによって、金属の超微粒子が製造できる。又、還元性の有機溶媒の代わりに硫黄を共存させることによって、金属硫化物微粒子が得られる。
【００１１】
本発明で使用される超微粒子は、その製造方法に左右されるものでない。
【００１２】
【特許文献１】特許第２６６２３２１号公報
【特許文献２】特開２００１−１９２８０７号公報
【特許文献３】特開昭５９−８０３６１号公報
【特許文献４】特開昭６０−１０６９６４号公報
【特許文献５】特開平６−２７２０２６号公報
【特許文献６】特開２０００−１９２８０７号公報
【非特許文献１】「超微粒子ハンドブック」（フジテクノシステム）第２２５〜２３１ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記ガスクラスターイオン援用薄膜形成プロセスでは、ガスクラスターイオンビームの範囲が蒸着範囲に比べて狭いため、大面積化と高密度化の両立が困難であった。又、ガスクラスターイオンビームと蒸着粒子は、互いに異なる角度から基板に入射するため、複雑な３次元形状に高密度な薄膜を形成することが困難であった。
【００１４】
又、上記ガス・デポジション法では、超微粒子のエネルギーが、イオンビームプロセスに比較して低いため、高密度化が困難であった。
【００１５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、大面積、三次元形状に高密度の薄膜の硬質炭素膜の成方法及び成膜装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を達成するため、請求項１記載の発明は、基板表面に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子を含んだガスクラスターのイオンビームを照射することにより、超微粒子若しくは超微粒子とガスの化合物を形成することを特徴とする。
【００１７】
請求項２記載の発明は、超微粒子がグラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）で表される球状炭素類、ガスがアルゴンから成ることを特徴とする。
【００１８】
請求項３記載の発明は、ガスクラスターイオンビーム装置において、ガスボンベとガスクラスター発生部の間に、粒径５００ｎｍ以下の超微粒子供給手段を備えるよう構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、超微粒子を含有したガスクラスターイオンビームを得ることができ、従来のガスクラスターイオン援用薄膜形成プロセスではできなかった、スキャンを行いながら成膜できるため、大面積、三次元形状に成膜可能となった。又、ガス・デポジション法では困難であった高密度の膜を、ガスクラスターイオンビームと微粒子を同時に照射することで可能になった。
【００２０】
更に、グラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）で表される球状炭素類から成る超微粒子を含んだアルゴンガスクラスターのイオンビームを照射することにより、大面積、三次元形状に高密度な硬質炭素膜が形成することが達成された。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら、具体的に説明する。ここで、本発明の成膜装置の模式図を図１に示す。
【００２２】
図１において、１は供給ガスの高圧ガスボンベである。供給ガスは、超微粒子供給手段２を経て、超微粒子を混合したガスとしてガスクラスター生成室３に至る。ガスクラスター室は、図示されない真空ポンプにより真空に排気されており、前述の超微粒子を混合したガスは、ノズルの小孔から高圧ガスを真空中に噴出されてガスクラスターが形成される。
【００２３】
超微粒子を混合したガスクラスターは、スキマー４を経て、イオン化室５に導かれ、イオナイザー６によって正イオン化され、加速、静電レンズ７によって数ｋＶから数十ｋＶ程度に加速され、クラスターサイズの小さいものを磁界等で除去するための質量分離部８を経て、成膜室９の基板１０に照射される。
【００２４】
基板１０は、図示されていないＸＹＺθの４軸ステージに連結され、超微粒子を混合したガスクラスターイオンビームがスキャンできるようになっている。
【００２５】
そして、超微粒子供給手段２にグラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）で表される球状炭素類から成る超微粒子を、供給ガスとしてＡｒを用いて成膜することで、耐熱性劣化要因である水素を含まない高密度な硬質炭素膜が形成することが達成された。
【実施例１】
【００２６】
超硬（ＷＣ）基板に対して、炭素系超微粒子を混合したガスクラスターイオンビームを照射して、硬質炭素膜を形成した。
【００２７】
その際、炭素系超微粒子としては、粒径５００ｎｍ以下のグラファイト、カーボンナノチューブ、Ｃｎ（但し、ｎは６０、７０、７６、８４等より選ばれた整数である。）を用い、クラスターソースガスにはアルゴンを用いた。アルゴンガスクラスターは、５ＫｅＶ以上で加速され、クラスターサイズの小さいものは、磁場により曲げられ、基板には大きなアルゴンガスクラスターイオンと炭素系超微粒子が照射され、成膜された。成膜された硬質炭素膜は、所望の硬度と表面粗さのものが得られた。
【００２８】
又、加速電圧が５ｋｅＶ以下では、硬度が劣化することが確認され、粒径５００ｎｍ以上では、表面粗さが劣化することが確認された。
【実施例２】
【００２９】
ガラス基板に対して、金属超微粒子を混合したガスクラスターイオンビームを照射して、反射膜を形成した。
【００３０】
その際、金属超微粒子としては、粒径５００ｎｍ以下のアルミ、銀を用い、クラスターソースガスにはアルゴンを用いた。アルゴンガスクラスターは、５ＫｅＶ以上で加速され、クラスターサイズの小さいものは、磁場により曲げられ、基板には大きなアルゴンガスクラスターイオンと金属超微粒子が照射され、成膜された。成膜された金属膜は、所望の反射率が得られた。
【００３１】
又、加速電圧が５ｋｅＶ以下及び、粒径５００ｎｍ以上では、反射率が劣化することが確認された。
【実施例３】
【００３２】
ガラス基板に対して、酸化物超微粒子を混合したガスクラスターイオンビームを照射して、保護膜を形成した。
【００３３】
その際、酸化物超微粒子としては、粒径５００ｎｍ以下のアルミナ、チタニアを用い、クラスターソースガスには酸素を用いた。酸素ガスクラスターは、５ＫｅＶ以上で加速され、クラスターサイズの小さいものは、磁場により曲げられ、基板には大きなアルゴンガスクラスターイオンと金属超微粒子が照射され、成膜された。成膜された酸化膜は、所望の耐湿性が得られた。
【００３４】
又、加速電圧が５ｋｅＶ以下及び、粒径５００ｎｍ以上では、耐湿性が劣化することが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る成膜装置の模式図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    高圧ガスボンベ
２    超微粒子供給手段
３    ガスクラスター生成室
４    スキマー
５    イオン化室
６    イオナイザー
７    加速、静電レンズ
８    質量分離部
９    成膜室
１０  基板
【図１】
2006193800.tif 000003