JP2005001972A

JP2005001972A - ダイヤモンド膜の形成方法及び形成用基材

Info

Publication number: JP2005001972A
Application number: JP2003197464A
Authority: JP
Inventors: Yuuki Kimura; 勇気木村; Chihiro Shiyounai; 千尋墻内
Original assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Current assignee: Kansai Technology Licensing Organization Co Ltd
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2005-01-06
Anticipated expiration: 2023-06-10
Also published as: JP4441602B2

Abstract

【課題】ダイヤモンド膜を容易にかつ低コストで形成できるダイヤモンド膜の形成方法及び形成用基材を提供する。
【解決手段】基板（被成膜物）２の表面２ａにケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、基板２の表面２ａにダイヤモンド膜を形成する。基板２の表面２ａに形成されたダイヤモンド膜を真空中で４００乃至８００℃に加熱する。上記ダイヤモンド膜の形成方法において基板２の表面２ａに同時に真空蒸着するケイ素及び炭素が、ケイ素及び炭素の各粉末を含む混合物の焼結体からなる形成用基材である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイヤモンド膜の形成方法及びそれに使用される形成用基材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の技術としては、
（１）ダイヤモンド合成触媒作用を有するリン元素溶媒を使用し、ダイヤモンド種結晶上に、１６５０℃以上のダイヤモンドの熱力学的安定条件下でダイヤモンド結晶を育成する方法（例えば、特許文献１参照）、
（２）黒鉛等の非ダイヤモンド炭素をリン元素と共存させ、１６５０℃以上のダイヤモンドの熱力学的安定条件下で処理して、ダイヤモンドを回収する方法（例えば、特許文献１参照）、
（３）プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンドを合成する方法（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）、
（４）炭化水素とこれに混合する水素を反応ガスとするマイクロ波プラズマ法によるリンドープダイヤモンドの合成において、リンをドーパントとし、リンに結合する水素を解離させてダイヤモンド中に水素と結合することなくリンを不純物として導入する方法（例えば、特許文献４参照）、
等が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−１２３５６２号公報（第２−５頁）
【特許文献２】
特開平５−３２４８９号公報（第２−３頁，図１）
【特許文献３】
特開平９−４０４９３号公報（第２−３頁，図１，図２）
【特許文献４】
特開平１０−８１５８７号公報（第２−４頁）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記（１）及び（２）の方法では１６５０℃以上、上記（３）の方法では３５０〜１２００℃、上記（４）の方法では９００〜１１００℃の高温条件が必須であるので、コスト高であるという問題点がある。
【０００５】
この発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、ダイヤモンド膜を容易にかつ低コストで形成できるダイヤモンド膜の形成方法及び形成用基材を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためのダイヤモンド膜の形成方法は、被成膜物の表面にケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、前記被成膜物の表面にダイヤモンド膜を形成するものである。
【０００７】
請求項２のダイヤモンド膜の形成方法は、前記被成膜物の表面に形成されたダイヤモンド膜を真空中で４００乃至８００℃に加熱するものである。
【０００８】
また、請求項３のダイヤモンド膜の形成用基材は、請求項１又は２記載のダイヤモンド膜の形成方法において被成膜物の表面に同時に真空蒸着するケイ素及び炭素が、ケイ素及び炭素の各粉末を含む混合物の焼結体からなる形成用基材である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態に係るダイヤモンド膜１の形成方法は、図１及び図２に示すように、基板（被成膜物）２の表面２ａにケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、基板２の表面２ａにダイヤモンド膜１を形成するものである。
【００１０】
被成膜物としては、基板２の他、ドリルの刃の先端部、複雑な形状の部品、原子オーダーの隙間や溝を表面に有する部品等、各種の形状・材質のものが挙げられる。ダイヤモンド膜１は、真空蒸着の時間等を適宜に調整することによって、数百Å〜数μｍ、あるいは数μｍ以上の厚さとすることができる。
【００１１】
基板２は、図１のような真空蒸着装置３の高真空容器４内に、表面２ａが下向きとなるようにして適宜の支持手段により水平に支持される。この真空蒸着装置３は、前記基板２等が内部に収容される高真空容器４と、この高真空容器４にバルブ５を介して接続された高真空ポンプ６とを備えている。高真空ポンプ６は、高真空容器４内を高真空状態に排気可能である。なお、真空蒸着装置３の構成は特に限定されるものではなく、従来公知の各種のものを使用することができる。
【００１２】
ケイ素及び炭素を同時に真空蒸着するには、図１及び図３のような炭素棒７とケイ素粉末８とを使用することができる。
【００１３】
炭素棒７は、図３及び図４に示すように、低規則性炭素粉末を直径が数ｍｍ、長さが数十ｍｍの丸棒状に焼結してなるものであって、その長手方向の中央には発熱用細部９が設けられている。この発熱用細部９は、適宜の幅及び深さの溝１０を炭素棒７の長手方向に対して直角方向に形成することによって設けられており、発熱用細部９の上面９ａには適宜の直径及び深さの充填穴１１が形成されている。なお、炭素を真空蒸着するための炭素源としては、低規則性炭素の他、黒鉛、フラーレン、カルビン等が挙げられる。また、炭素棒７の形状やサイズ（径・長さ等）、発熱用細部９の形状やサイズ（厚さ・長さ・幅等）、充填穴１１の形状・サイズ（径・深さ等）・形成位置等は特に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００１４】
ケイ素粉末８は、前記充填穴１１に充填されている。このケイ素粉末８の粒径は特に限定されるものではないが、蒸発容易性等の面から数十ｎｍ〜数百μｍが適当である。
【００１５】
このケイ素粉末８を充填穴１１に充填した炭素棒７は、図１に示すように、高真空容器４内に、発熱用細部９の上面９ａが上向きとなるようにして適宜の支持手段により基板２と対向するように支持される。この炭素棒７の長手方向の両端には直流電源（ＤＣ）１２等により電圧が印加され、他の部分よりも電気抵抗が高い発熱用細部９が発熱するようになっている。
【００１６】
このような真空蒸着装置３を使用して高真空容器４内を高真空状態とし、炭素棒７に電圧を印加して発熱用細部９を発熱させ、発熱用細部９から炭素が蒸発すると共に、ケイ素粉末８からケイ素が蒸発するように構成しておけば、基板２の表面２ａにケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することができる。真空蒸着する時間は特に限定されるものではないが、数十分間〜数時間が適当である。基板２は、特に加熱する必要がなく、室温のままでよい。このようにしてケイ素及び炭素を同時に真空蒸着すれば、ケイ素が触媒として機能するために基板２の表面２ａにダイヤモンド膜１が形成されると考えられる。
【００１７】
同時に真空蒸着するケイ素と炭素の割合（原子数比）は特に限定されるものではないが、ケイ素の方が炭素よりも少なくなるようにしておくのが望ましい。ケイ素と炭素の割合を変更するには、発熱用細部９の形状やサイズ（厚さ・長さ・幅等）、充填穴１１の形状やサイズ（径・深さ等）、ケイ素粉末８の充填量等を適宜に調整すればよい。
【００１８】
ケイ素及び炭素を同時に真空蒸着する方法としては、上記のような高真空下で炭素棒７等の炭素源自体を抵抗加熱する方法の他、高真空下でケイ素粉末８等のケイ素源と低規則性炭素・黒鉛・フラーレン・カルビン等の炭素源とを、アーク放電により加熱する方法、レーザ光照射により加熱する方法、電子線照射により加熱する方法、Ｔａ（タンタル）・Ｍｏ（モリブデン）・Ｗ（タングステン）等の高融点金属等を発熱体として抵抗加熱する方法等が挙げられる。
【００１９】
上記のような方法によれば、室温で基板２の表面２ａにダイヤモンド膜１を形成でき、その形成速度も大きいので、ダイヤモンド膜１を容易にかつ低コストで得ることができるという利点がある。また、低コストで得られるダイヤモンド膜１は熱伝導率が非常に高いので、熱伝導率が高い銅の代替材料として各種の用途に使用できるという利点がある。
【００２０】
ここで、基板２の表面２ａに形成されたダイヤモンド膜１を高真空下で適宜の加熱手段により４００〜８００℃、好ましくは５００〜８００℃、より好ましくは６００〜８００℃に加熱すれば、ダイヤモンド膜１の表面１ａに複数（斑点状）のダイヤモンド結晶を形成できるという利点がある。ダイヤモンド結晶のサイズや相互の間隔等は、ダイヤモンド膜１の加熱温度や加熱時間等によってナノ（ｎｍ）オーダーで制御することができる。
【００２１】
第２実施形態に係るダイヤモンド膜１の形成方法は、図５に示すように、第１実施形態において、充填穴１１にケイ素粉末８を充填した炭素棒７の代わりに、形成用基材２７を使用するものである。
【００２２】
形成用基材２７は、ケイ素粉末と炭素粉末とを含む混合物の焼結体で構成されている。炭素としては、低規則性炭素、黒鉛、フラーレン、カルビン等が挙げられるが、コストや入手容易性等の面から低規則性炭素が好適である。この形成用基材２７は、図６に示すように、第１実施形態の炭素棒７と同様の形状であるが、ケイ素をあらかじめ含有しているので、発熱用細部９の上面９ａには充填穴１１が設けられていない。なお、形成用基材２７の形状やサイズ（径・長さ等）、発熱用細部９の形状やサイズ（厚さ・長さ・幅等）、ケイ素と炭素の含有比（原子数比）等は特に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００２３】
基板２は、図５のような第１実施形態と同様の真空蒸着装置３の高真空容器４内に、表面２ａが上向きとなるようにして適宜の支持手段により水平に支持することができる。形成用基材２７は、高真空容器４内に、発熱用細部９の上面９ａが下向きとなるようにして適宜の支持手段により基板２と対向するように支持することができる。この形成用基材２７の長手方向の両端には直流電源１２等により電圧が印加され、他の部分よりも電気抵抗が高い発熱用細部９が発熱するようになっている。なお、基板２や形成用基材２７を配置する位置や形成用基材２７の配置の向き等は特に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
【００２４】
真空蒸着装置３を使用して高真空容器４内を高真空状態とし、形成用基材２７に電圧を印加して発熱用細部９を発熱させ、発熱用細部９から炭素及びケイ素が蒸発するように構成しておけば、基板２の表面２ａにケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、基板２の表面２ａにダイヤモンド膜１を形成することができる。その他の手順、利点等は第１実施形態と同様である。
【００２５】
また、形成用基材２７によれば、ケイ素及び炭素をあらかじめ含有しているので、上記のような方法に好適に使用できると共に、基板２や形成用基材２７を真空蒸着装置３の高真空容器４内の適宜の位置に配置できるという利点がある。
【００２６】
【実施例】
次に、この発明の実施例について説明する。
〔実施例１〕
低規則性炭素粉末を直径５ｍｍ、長さ２５ｍｍの丸棒状に焼結してなる炭素棒（東洋カーボン株式会社製）を使用した。この炭素棒の長手方向の中央には、幅７ｍｍ、深さ３ｍｍの溝を炭素棒の長手方向に対して直角方向に形成することによって発熱用細部を設けた。この発熱用細部の上面の中央には、直径２ｍｍ、深さ１ｍｍの充填穴を形成した。この充填穴には、粒径が数十μｍのケイ素粉末を充填した。
【００２７】
真空蒸着装置として、直径１７ｃｍ、高さ３０ｃｍのガラスシリンダー製（外側をステンレス鋼板で被覆）の高真空容器にバルブを介して高真空ポンプを接続したものを使用した。高真空容器内の上方には、被成膜物としての非晶質炭素基板をその表面が下向きとなるようにして支持した。高真空容器内の下方には、上記の充填穴にケイ素粉末を充填した炭素棒を発熱用細部の上面が上向きとなるようにして非晶質炭素基板と対向するように支持した。次いで、高真空容器内を高真空状態（１×１０^−４Ｐａ）とし、炭素棒の両端に直流電源で電圧を印加することによって、非晶質炭素基板（室温）の表面にケイ素及び炭素を同時に真空蒸着して薄膜を形成した。
【００２８】
得られた薄膜の厚さは約２０ｎｍであり、薄膜中のケイ素の割合は３０ａｔ％であった。この薄膜の高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲＴＥＭ）写真及び電子線回折（ＥＤ）パターンを図７に、赤外吸収（ＩＲ）スペクトルチャート（ＫＢｒ錠剤法で測定）を図８に示す。図７中の高分解能透過型電子顕微鏡写真、図７中のハローな電子線回折パターン、及び図８中の３．４μｍ、９．５μｍ、１０．５μｍの吸収ピークから明らかなように、得られた薄膜は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）をわずかに含有するが、１〜２ｎｍサイズのダイヤモンド微結晶を含有するダイヤモンド膜であることが分かった。なお、得られた薄膜においては、グラファイト（黒鉛）の微結晶は検出されなかった。
【００２９】
〔実施例２〕
実施例１で得られたダイヤモンド膜を高真空下（１×１０^−４Ｐａ）、６００℃で１時間加熱した。加熱処理後のダイヤモンド膜の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真及び電子線回折パターンを図９に示す。図９中の透過型電子顕微鏡写真から明らかなように、他の部分よりも暗く視認される斑点状の結晶は、５〜８ｎｍのサイズであった。また、高分解能透過型電子顕微鏡写真の観察結果から、斑点状の結晶は２又はそれ以上のダイヤモンドの多結晶体であることが分かった。
【００３０】
〔実施例３〕
実施例１で得られたダイヤモンド膜を高真空下（１×１０^−４Ｐａ）、８００℃で１時間加熱した。加熱処理後のダイヤモンド膜の透過型電子顕微鏡写真及び電子線回折パターンを図１０に、高分解能透過型電子顕微鏡写真を図１１に示す。図１０の透過型電子顕微鏡写真及び図１１の高分解能透過型電子顕微鏡写真から明らかなように、他の部分よりも暗く視認される斑点状のダイヤモンド結晶のサイズは１０〜３０ｎｍであった。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の発明によれば、被成膜物の表面にケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、被成膜物の表面にダイヤモンド膜を形成するので、室温でダイヤモンド膜を形成でき、その形成速度も大きい。そのため、ダイヤモンド膜を容易にかつ低コストで得ることができる。また、低コストで得られるダイヤモンド膜は熱伝導率が非常に高いので、熱伝導率が高い銅の代替材料として各種の用途に使用できる。
【００３２】
請求項２の発明によれば、被成膜物の表面に形成されたダイヤモンド膜を真空中で４００乃至８００℃に加熱するので、ダイヤモンド膜の表面に複数（斑点状）のダイヤモンド結晶を形成できる。
【００３３】
請求項３の発明によれば、既述のダイヤモンド膜の形成方法において被成膜物の表面に同時に真空蒸着するケイ素及び炭素が、ケイ素及び炭素の各粉末を含む混合物の焼結体からなる形成用基材であるので、既述の方法に好適に使用できると共に、被成膜物や形成用基材を真空蒸着装置の高真空容器内の適宜の位置に配置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るダイヤモンド膜の形成方法において、ケイ素及び炭素を同時に真空蒸着する様子を示す説明図。
【図２】基板の表面にダイヤモンド膜を形成した状態を示す要部拡大断面図。
【図３】充填穴にケイ素粉末を充填した炭素棒の斜視図。
【図４】充填穴にケイ素粉末を充填する前の炭素棒の斜視図。
【図５】第２実施形態に係るダイヤモンド膜の形成方法において、ケイ素及び炭素を同時に真空蒸着する様子を示す説明図。
【図６】形成用基材の斜視図。
【図７】実施例１で得られたダイヤモンド膜の高分解能透過型電子顕微鏡写真及び電子線回折パターン。
【図８】実施例１で得られたダイヤモンド膜の赤外吸収スペクトルチャート。
【図９】実施例２における加熱処理後のダイヤモンド膜の透過型電子顕微鏡写真及び電子線回折パターン。
【図１０】実施例３における加熱処理後のダイヤモンド膜の透過型電子顕微鏡写真及び電子線回折パターン。
【図１１】実施例３における加熱処理後のダイヤモンド膜の高分解能透過型電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
１ダイヤモンド膜
２基板（被成膜物）
２ａ表面
２７形成用基材

Claims

被成膜物の表面にケイ素及び炭素を同時に真空蒸着することによって、前記被成膜物の表面にダイヤモンド膜を形成することを特徴とするダイヤモンド膜の形成方法。
前記被成膜物の表面に形成されたダイヤモンド膜を真空中で４００乃至８００℃に加熱する請求項１記載のダイヤモンド膜の形成方法。
請求項１又は２記載のダイヤモンド膜の形成方法において被成膜物の表面に同時に真空蒸着するケイ素及び炭素が、ケイ素及び炭素の各粉末を含む混合物の焼結体からなる形成用基材であることを特徴とするダイヤモンド膜の形成用基材。