ラジカル低温プラズマ照射法によるナノ結晶ダイヤモンド核成長制御

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15340195
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 飯塚 哲 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20151227)
• キーワード: ナノ結晶ダイヤモンド / 電子温度制御 / 低電子温度プラズマ / グリッド法 / ダジカル制御 / 誘導結合高周波放電

研究概要

初年度は、ダイヤモンド生成に有効な低電子温度プラズマの高密度化、及びオリフィスによるラジカル制御、並びに成膜実験を行った。
プラズマの高密度化のために2つの方法を新しく採用した。第1に水素の高解離ラジカルである原子状ラジカルを生成するために誘導結合型の高周波放電を用いた。水素ラジカルは炭化水素膜のグラファイト成分を選択的にエッチングして、ダイヤモンド成分を基板上に残す役割をする。第2に低電子温度化のために用いた負バイアスグリッドを通過した電子を再加速するための方法をとり入れた。これにより従来よりも約1桁プラズマ密度が上昇し、電子温度がおよそ0.5eVで電子密度がおよそ3×10^<11>/cm^3の高密度低電子温度プラズマを生成することに成功した。
基板を設置したプロセス領域の低電子温度プラズマ領域に混入する高解離ラジカルを制御するためにオリフィスを設け、高い電子温度をもつ誘導型高周波放電部へのCH4ガスの流入を制御した。オリフィスの直径を変えることにより、CH4の高解離成分であるC、CH、CH2などの非ダイヤモンド形成要素の生成を制御した。
プロセス領域には約800度に加熱したNi基板を設置し、表面に堆積した薄膜をラマン分光装置によって解析した。この結果、オリフィス直径が大きいときにはアモルファスグラファイトが主に生成され、オリフィス直径が小さいときにはナノクリスタルダイヤモンド形成を示唆するラマンスペクトルが得られた。オリフィスによるラジカル制御により、ナノクリスタルダイヤモンド形成のためのプラズマ条件が明らかにされた。

研究成果

• [文献書誌] T.Shimizu, S.Iizuka, K.Kato, N.Sato: "High quality diamond formation by electron temperature control in methane-hydrogen plasma"Plasma Sources Science and Technology. 12. 821-825 (2003)
• [文献書誌] Reijiro Ikada, Satoru Iizuka: "Low electron-temperature plasma created by γ effect"The XXVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases. 1. 101-102 (2003)
• [文献書誌] R.Ikada, K.Segawa, G.Nishimura, K.Kato, S.Iizuka: "Electron-temperature control of inductively coupled RF discharge Plasma"The 20^<th> Symposium on Plasma Processing. 57-58 (2003)
• [文献書誌] G.Nishimura, T.Shimizu, T.Abe, S.Iizuka, N.Sato: "Characteristic properties of fine-diamond particles levitated in hydrogen-methane plasma"The 20^<th> Symposium on Plasma Processing. 99-100 (2003)
• [文献書誌] R.Ikada, G.Nishimura, K.Kato, S.Iizuka: "Production of high density and low electron-temperature plasma using inductively coupled RF discharge"The 16^<th> Symposium on Plasma Science for Materials. 68-68 (2003)