ECRプラズマ法によるダイヤモンドの超微細加工

采用ECR等离子体法对金刚石进行超细加工

• 批准号: 10750096
• 负责人: 清原 修二
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Tokyo University of Science, Yamaguchi
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 1999
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-10750096/
• 关键词: CVDダイヤモンド薄膜; 電子サイクロトロン共鳴プラズマ; 原子間力顕微鏡; レーザラマン分光法; 微細ラインパターン; 電子ビームリソグラフィ; ナフテン酸金属塩; 電子サイクロトロン共鳴; ダイヤモンド; 酸素プラズマ

ダイヤモンド薄膜電子デバイスの技術課題の一つである微細加工技術に注目し、ダイヤモンドに対して活性な酸素ガスを用いてCVDダイヤモンド薄膜の電子サイクロトロン共鳴(ECR)プラズマ加工の加工特性(加工速度のマイクロ波パワー、ガス流量、負バイアス電圧依存性)について検討し、最適加工条件を見出した。実験試料には単結晶シリコン基板[10×10×5mm^3]上に熱フィラメントCVD法で合成し、表面を機械研摩により鏡面仕上げしたダイヤモンド薄膜[膜厚12μm、表面粗さRa10nm]を用いた。その加工は、ECR型プラズマ加工装置で行った。加工前後の表面粗さの測定には、原子間力顕微鏡(AFM)を用い、結晶構造の評価には、顕微レーザラマン分光法を用いた。また、電子ビームリソグラフィ技術を利用したCVD(化学気相合成)ダイヤモンド薄膜の超微細ラインパターン形成についても検討した。電子ビームリソグラフィで微細パターンを形成するのに最も重要なものがマスクレジストであるが、本研究では、酸素プラズマに対して耐性のあるナフテン酸金属塩をマスク材料として用いた。そのために、ナフテン酸金属塩の露光特性およびECR酸素プラズマ加工特性について検討し、最適露光条件で描画を行い、また得られた高選択比で加工を行い超微細ラインパターンを形成した。その結果、加工速度はガス流量の増加とともに増し、3sccmで最大となり、その後ガス流量の増加とともに減少した。これは3sccmまでの低ガス流領域では反応ガスが不足し、3sccm以上の高ガス流領域では活性種の排気によって制限されるため加工速度が減少すると考えられる。負のバイアス電圧-200Vまでは化学的作用により表面粗さは増加するが、それ以上では、化学的作用に物理的なスパッタリングの作用が相乗され表面粗さは減少した。バイアス電圧を印加しない場合、5hr加工後においても結晶構造に変化はなかったが、バイアス電圧-200Vを印加した場合、加工時間1hrまではダイヤモンドを示す1333cm^<-1>のピーク(sp^3軌道)と基板のシリコンを示すピーク(520cm^<-1>)のみであったが、2hr以上ではそれらに加えて無定形炭素を示す1500cm^<-1>付近にブロードなピークが現われ、5hrになるとグラファイトを示す1580cm^<-1>(sp^2軌道)のピークが現われ、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜に変化した。ECR酸素プラズマ条件:マイクロ波パワー300W、ガス流量3sccmで、基板バイアス電圧0V、-100V、-200Vにおいて選択比は、それぞれ約10、12、14が得られた。これらの条件で1時間加工後の線幅1、0.5μmのラインパターンの高さは、(a)V_b=0Vで約1μm、(b)Vb=-100Vで約2μm、(c)Vb=-200Vで約3μmと負のバイアス電圧が増すことで、化学的作用にスパッタリングによる物理的作用が相乗され、高さは得られたものの、スパッタされたマスクが表面に付着する残渣の影響で、表面性状が悪化することが分かった。また、顕微レーザラマン分光法を用いて、作製したパターンの結晶構造を評価した結果、作製前と同じラマンピークを示し、結晶構造に変化はなかった。

针对金刚石薄膜电子器件的技术问题之一的微细加工技术，我们研究了CVD金刚石薄膜的电子回旋共振（ECR）等离子体加工特性（加工速度微，研究了波功率、气体流量等）。速率和负偏压依赖性，并找到了最佳处理条件。实验样品采用热丝CVD法在单晶硅基板[10 x 10 x 5 mm^3]上合成的金刚石薄膜[膜厚12 μm，表面粗糙度Ra 10 nm]，表面进行镜面加工通过机械抛光。使用ECR型等离子体处理装置进行处理。使用原子力显微镜（AFM）测量加工前后的表面粗糙度，并使用微型激光拉曼光谱评估晶体结构。我们还研究了使用电子束光刻在 CVD（化学气相合成）金刚石薄膜中形成超细线图案。掩模抗蚀剂是电子束光刻中形成精细图案的最重要元素，在本研究中，使用耐氧等离子体的环烷酸金属盐作为掩模材料。为此，我们研究了环烷酸金属盐的曝光特性和ECR氧等离子体处理特性，在最佳曝光条件下进行绘制，并利用所获得的高选择性进行处理以形成超细线图案。结果，处理速度随着气体流量的增加而增加，在3sccm时达到最大值，然后随着气体流量的增加而降低。这被认为是因为在3sccm以下的低气流区域中反应气体不足，并且在3sccm以上的高气流区域中由于受到排气的限制而导致处理速度降低。活跃物种。当负偏压达到-200V时，表面粗糙度因化学作用而增加，但在该电压以上，化学作用与物理溅射的作用相结合，表面粗糙度降低。当不施加偏压时，即使加工5小时后晶体结构也没有变化，但当施加-200V的偏压时，1333cm^<-1>的峰表明金刚石（sp^3轨道） ）和表示基板硅的峰值（520cm^<-1> ），但超过2小时后，除此之外，在1500 cm^<-1>附近出现了表明无定形碳的宽峰，5小时后，在1580 cm^<-1>处出现了宽峰（sp^2轨道）表明石墨出现）峰出现，薄膜转变为类金刚石碳（DLC）薄膜。 ECR氧等离子体条件：微波功率为300W，气体流量为3sccm，在衬底偏压为0V、-100V和-200V时分别获得约10、12和14的选择比。在这些条件下处理1小时后，线宽为1、0.5μm的线图案的高度为(a)在V_b=0V时约1μm，(b)在V_b=-100V时约2μm，(c) Vb=- 200V 时约 3μm 的负通孔随着溅射电压的增加，化学效应与溅射的物理效应相结合，虽然获得了高度，但由于溅射掩模Ta表面附着的残渣的影响，表面质量变差。另外，使用微型激光拉曼光谱评价制作的图案的晶体结构，结果显示与制作前相同的拉曼峰，晶体结构没有变化。

项目成果

S.Kiyohara,K.Ayano,K.Mori: "Micropattering of Chemical-Vapor-Deposited Diamond Films in Electron Beam Lithography"Jpn.J.Appl.Phys.. (印刷中). (2000)

S.Kiyohara、K.Ayano、K.Mori：“电子束光刻中化学气相沉积金刚石薄膜的微图案化”Jpn.J.Appl.Phys.（出版中）。

S.Kiyohara,Y.Yagi,K.Mori: "Plasma Etching of CVD Diamond Films Using an ECR-type Oxygen Source"Nano technology. 10巻・4号. 385-388 (1999)

S.Kiyohara、Y.Yagi、K.Mori：“使用 ECR 型氧源等离子蚀刻 CVD 金刚石薄膜”纳米技术，第 10 卷，第 4 期。385-388 (1999)