特許 6644313 ダイヤモンドの加工方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6644313

(24)【登録日】2020年1月10日

(45)【発行日】2020年2月12日

(54)【発明の名称】ダイヤモンドの加工方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/302 20060101AFI20200130BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 201A

【請求項の数】1

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2015-223559(P2015-223559)

(22)【出願日】2015年11月16日

(65)【公開番号】特開2017-92356(P2017-92356A)

(43)【公開日】2017年5月25日

【審査請求日】2018年11月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114074

【弁理士】

【氏名又は名称】大谷 嘉一

(72)【発明者】

【氏名】徳田 規夫

(72)【発明者】

【氏名】猪熊 孝夫

(72)【発明者】

【氏名】中西 一浩

(72)【発明者】

【氏名】長井 雅嗣

【審査官】 佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０４７５６７９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０１３３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３３５５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０４９６６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平０１−０３９９６６（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ダイヤモンドの加工部位にＮｉ膜，Ｆｅ膜，Ｓｉの酸化膜及びＡｌの酸化膜のうち、いずれかの膜を形成するステップを有し、次にＨ_２Ｏが０．０１〜３０％の範囲で含有する不活性ガスとの混成ガスを用いて前記膜を形成した部位を前記ダイヤモンドの所定の結晶面に沿った異方性エッチング加工するステップを有し、
前記エッチング加工する温度は５００℃以上で、前記膜の溶融温度以下の雰囲気温度で行われることを特徴とするダイヤモンドの加工方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ダイヤモンドの加工方法に関し、特にエッチング処理による加工方法に係る。

【背景技術】

【0002】

ダイヤモンドは、硬くて化学的にも安定な物質であり、加工が困難な物質の１つである。
そこで、従来から反応性エッチング（ＲＩＥ）や誘導結合プラズマエッチング（ＩＣＰ）等が採用されている。
これらのエッチング加工方法は、専用の装置が必要で高価となるだけでなく、エッチングによるダイヤモンド表面へのダメージが大きい問題がある。
特許文献１には、不活性ガス及びハロゲン含有ガスからなる混合ガスを使用しているが、プラズマエッチング加工である点で上記と同様の課題を有している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第５７１４０５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明は、ダイヤモンド表面へのダメージが少なく、高速で低コストのエッチングによるダイヤモンド加工方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明に係るダイヤモンドの加工方法は、ダイヤモンドの加工部位に金属又は半金属及びその合金あるいは無機化合物の膜を形成するステップと、不活性ガス及びＨ_２Ｏの混成ガス又は真空下でＨ_２Ｏを用いて前記膜を形成した部位をエッチング加工するステップとを有することを特徴とする。
ここで、不活性ガス及びＨ_２Ｏの混成ガス又は真空下でＨ_２Ｏを用いてエッチング加工する温度は５００℃以上で、前記膜の溶融温度以下の雰囲気温度で行われるのが好ましい。

【0006】

従来のエッチング加工は、エッチングしない部分をマスキングする方法が一般的であるのに対して、本発明はダイヤモンドの表面は直接エッチング作用がなく、金属又は半金属及びその合金あるいは無機化合物の膜を介して、この膜形成した部分のダイヤモンドをエッチングする点に特徴がある。
高温気体状のＨ_２Ｏは、ダイヤモンドの表面に対して直接的にはエッチング作用がない。
しかし、ダイヤモンド表面に上記の膜を形成し、Ｈ_２Ｏでエッチングすると膜中にカーボンが固溶し、ダイヤモンド表面をエッチングする作用があることが、本発明者らによって見出されたものである。
このような膜としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｖ，Ｍｏ，Ｒｕ，Ｗ及びそれらの合金、またそれらの無機化合物が例として挙げられ、無機化合物には酸化物，水酸化物，炭化物が例として挙げられる。
また、半金属であるＳｉの酸化物やＡｌの酸化物が例として挙げられる。

【0007】

本発明にて不活性ガスは、アルゴン，ヘリウム，窒素のガスが例として挙げられ、Ｈ_２Ｏの混合方法に制限はなく、例えば不活性ガスを水中に投入し、バブリングにより混合させてもよく、また気体にしたＨ_２Ｏを混合してもよい。
本発明は、ダイヤモンドの表面に形成した膜へのカーボンの固溶促進を目的にＨ_２Ｏを反応させる点に特徴がある。
従って、真空下においてＨ_２Ｏガスを投入してもよい。
例えば、電気炉の中に上記膜を形成したダイヤモンドを置き、５００℃〜１５００℃（膜が溶融しない範囲）、好ましくは７００℃〜１１００℃に加熱した中にＨ_２Ｏを混合させたガスを流入させてもよい。
Ｈ_２Ｏの量は、混合ガス中に０．０１％以上含有していればよく、好ましくは０．０１％〜３０％、さらに好ましくは０．０１％〜５％の範囲である。
また、ダイヤモンドの表面に形成する膜の厚みは、Ｈ_２Ｏとの反応性を考慮し、１ｎｍ〜１ｍｍ、好ましくは１００ｎｍ〜１μｍの範囲がよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、ダイヤモンドの加工を施したい部位に上記の膜を形成し、これを５００℃〜１５００℃の不活性ガスとＨ_２Ｏとの混合ガス雰囲気中、あるいは真空下でＨ_２Ｏガス雰囲気中に配置するだけで、上記膜を介してエッチングできる。
よって、エッチングガスは、直接ダイヤモンドをアタックしないので、エッチングダメージが殆どなく、高速で安価にエッチング加工できる。
また、詳細は後述するが結晶方位が｛１１１｝面で停止する異方性エッチングであり、加工制御しやすい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明に係るエッチング加工方法を試験評価するのに用いた装置の構成例を示す。

【図2】（ａ）〜（ｄ）は本発明に係るエッチング加工のプロセスを示した模式図である。

【図3】（ａ）は表面（１００）のダイヤモンド基板の上にＮｉの膜を形成した状態、（ｂ）はエッチング加工後、（ｃ）はＮｉ膜を除去した状態を示す。

【図4】表面（１１０）のダイヤモンド基板の上に角度を変えてＮｉ膜パターンを形成した状態を示す。

【図5】（ａ）〜（ｆ）はエッチングパターンを模式的に示す。

【図6】０°Ｎｉパターンのエッチング加工状態を示す。

【図7】４５°Ｎｉパターンのエッチング加工状態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明に係るダイヤモンドのエッチング加工方法を実験評価したので以下説明する。
図１に実験方法を示す。
不活性ガスとしてＮ_２ガスを用いて、このＮ_２ガスを容器に入れた水中に投入及びバブリングし、Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏの混成ガスを生成させた。
エッチング処理装置として、電気炉を用いて内部を所定の高温に保持し、上記Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏの混成ガスを電気炉中にフローさせた。

【0011】

＜実験１＞
図２にプロセスを模式的に示す。
表面が（１００）面のダイヤモンド基板を用いて、表面を熱混酸（濃硫酸：濃硝酸＝３：１）で前処理した後に、真空蒸着法を用いて膜厚約３５０ｎｍのＮｉ膜を図２（ｂ）に示すように形成した。
その表面写真及び膜厚形状を図３（ａ）に示す。
次に図１に示した実験装置を用いて、電気炉内に上記Ｎｉ膜を形成したダイヤモンドを配置し、雰囲気温度を９００℃に設定した。
Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏの混成ガスを電気炉中にフローさせ、１時間、エッチング処理した。
その状態を図２（ｃ）に模式的に示し、図３（ｂ）に表面写真を示す。
Ｎｉ膜を形成した部分のダイヤモンドがエッチングされているのが確認された。
これはＨ_２ＯがＮｉ膜中にカーボンが固溶するのを促進したと推定される。
次に、熱混酸でＮｉを除去後に希硝酸で表面を洗浄した。
その模式図を図２（ｄ）に示し、写真を図３（ｃ）に示す。
エッチング形状としてはＮｉ膜部分が深堀されたトレンチ構造になっており、側面｛１１１｝面で底面が（１００）面からなる結晶面となっているのが確認された。
図３（ｃ）に測定結果を示すように
・エッチング深さ：３１．３μｍ
・エッチングレート：３１．３μｍ／ｈ
・角度θ_１：５４．７°であった。
比較のためにＮｉ膜を表面に形成した上記と同様のダイヤモンド基板を電気炉内に配置し、Ｈ_２ガスをフローさせたところ、Ｎｉ膜がない部分のダイヤモンドの表面のアタックはほとんど認められないものの、Ｎｉ膜部分のダイヤモンドのエッチングレートは０．４３μｍ／ｈとわずかであった。
また同様に、Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏの替わりにＮ_２ガスのみをフローさせたところ、ダイヤモンド表面へのアタックはないものの、エッチングレートは０．９６μｍ／ｈと小さかった。
なお、Ｎ_２＋Ｈ_２Ｏ混成ガスの替わりにＡｉｒをフローさせると、エッチングレート１５μｍ／ｈ程度認められるものの、Ｎｉ膜が形成されていない部分のダイヤモンド表面もエッチングされていた。
このことから、Ｎ_２＋Ｎ_２Ｏ混成ガス中のＨ_２ＯがＮｉ膜を介してダイヤモンド表面をアタックしていることが明らかになった。

【0012】

＜実験２＞
次に結晶面が（１１０）面のダイヤモンド基板の表面に図４に示すように角度を変えてＮｉパターンを真空蒸着法により形成した。
このときのＮｉ膜度は約５００ｎｍであった。
このダイヤモンド基板を電気炉内に配置し、実験１と同様の条件にてアニール処理（エッチング処理）した。
すると０°Ｎｉパターンは、模式図では図５（ｃ）,（ｄ）に示し、写真では図６に示すようなエッチング加工形状を示し、４５°Ｎｉパターンでは模式図、図５（ｅ），（ｆ）写真、図７に示すようなエッチング加工形状となった。
ここで、エッチング側面は結晶方位｛１１１｝面で停止していることが確認され、図６に示した角度θ_２は３５．２°であった。

【0013】

＜実験３＞
実験１における条件にて、電気炉の雰囲気温度を１０００℃にした以外は同一の条件にてエッチング加工した。
すると５ｍｉｎで約０．３ｍｍのダイヤモンド基板に貫通孔が形成されており、さらにエッチング速度が速くなることが確認できた。

【0014】

上記実験は、ダイヤモンドの表面にＮｉ膜を形成した例であったが、その後の確認でＦｅ膜、Ｓｉの酸化膜、Ａｌの酸化膜でも同様のエッチングプロセスが確認された。
＜産業上の利用可能性＞

【0015】

本発明に係るダイヤモンドのエッチング加工方法は、エレクトロニクス分野における各種デバイスの製作、バルクダイヤモンドのカッテング方法等、ダイヤモンドの各種加工に利用できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】