JP2009035442A - ダイヤモンドの加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダイヤモンドを低コストで精度良く加工する方法を提供する。
【解決手段】加工を施したい導電性ダイヤモンドを陽極１にして、陰極３との間で、導電率が１１．５Ｓｍ^−１以下である濃硫酸溶液２０を介して通電することによって陽極１と陰極３との間に電位差を生じさせて電解反応により導電性ダイヤモンドを電気化学的に加工する。濃硫酸溶液２０としては硫酸濃度８０〜９６質量％が好適であり、電解温度を５〜４０℃にして、電流密度６０〜１，０００Ａ／ｄｍ^２により通電を行うのが望ましい。導電性ダイヤモンドは、通電に際しマスク材で表面の一部を覆っておくことで、所望の形状に加工を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、工具や電子デバイスなどに利用される導電性あるいは半導体のダイヤモンドの加工方法に関し、特に機械的な加工方法では困難である複雑な形状の加工を可能にする電気化学的なダイヤモンドの加工方法に関するものである。

ダイヤモンドは非常に硬度が高く難加工性の材料であり、これを加工する場合、ダイヤモンド同士で研磨する機械的な加工方法によるか、真空下で酸素プラズマによりエッチングする方法が知られている（特許文献１参照）。
特開２０００−００１３９３号公報

しかし、上記した従来のダイヤモンド加工方法のうち、ダイヤモンド同士の機械的な研磨による方法では、加工精度を上げるのは困難であるという問題がある。また、真空下で酸素プラズマによりエッチングする方法では、真空チャンバーなど高価な設備を必要とし、コスト面で工業性に劣るという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、低コストで精度良くダイヤモンドを加工することができるダイヤモンドの加工方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明のダイヤモンドの加工方法のうち、第１の本発明は、加工を施したい導電性ダイヤモンドを陽極にして、陰極との間で、１８℃における導電率が１１．５Ｓｍ^−１以下の濃硫酸溶液を介して通電することによって前記陽極と前記陰極との間に電位差を生じさせて電解反応により前記導電性ダイヤモンドを電気化学的に加工することを特徴とする。

第２の本発明のダイヤモンドの加工方法は、前記第１の本発明において、前記濃硫酸溶液が硫酸濃度８０〜９６質量％であることを特徴とする。

第３の本発明のダイヤモンドの加工方法は、前記第１または第２の本発明のいずれかにおいて、前記電解反応における電流密度を６０〜１，０００Ａ／ｄｍ^２とすることを特徴とする。

第４の本発明のダイヤモンドの加工方法は、前記第１〜第３の本発明のいずれかにおいて、前記電解反応の際の濃硫酸溶液の温度を５〜４０℃とすることを特徴とする。

第５の本発明のダイヤモンドの加工方法は、前記第１〜第４の本発明のいずれかにおいて、前記導電性ダイヤモンド表面の一部をマスク材で覆って前記通電を行うことを特徴とする。

第６の本発明のダイヤモンドの加工方法は、前記第１〜第５の本発明のいずれかにおいて、前記陽極と陰極との間で前記濃硫酸溶液を通液しつつ循環をさせて前記通電を行うことを特徴とする。

本発明では、加工対象とする導電性ダイヤモンドを陽極にして電解を行うことで導電性ダイヤモンドの電極面が電気化学的に加工される。そのメカニズムは明らかには解明されていないが、以下の通り推測している。
被電解液が低温、高粘性、低イオン濃度といったイオンフラックスが低い状態で電解すると、過剰な電流に対して被電解液が電荷を運びきれなくなるため、ダイヤモンド電極のカーボンが電荷として剥ぎ取られ、酸素分子と結合して酸化することで電荷を補うと考えられる。ここで、被電解液が低イオン濃度を示すという点で、導電率が、１１．５Ｓｍ^−１以下であることが必要となる。該導電率は、電解反応時の温度範囲において該条件を満たすものであればよく、通常は、１８℃の導電率で表すことができる。濃硫酸溶液の導電率の測定方法としては、濃硫酸溶液に白金電極などを浸して溶液抵抗を測定することにより導電率を求める電極法がある。また、濃硫酸溶液に電磁誘導による交流電流を流し、その電流を電磁誘導によって検出して導電率を求める電磁誘導法もある。

ここで低イオン濃度となる被電解液としては濃硫酸溶液が考えられる。というのは、濃硫酸溶液は９６質量％といった高濃度で存在することができ、このような高濃度ではイオンは急速に他イオンと結合して分子状になるからである。（図４参照）
一方、他の塩酸、硝酸、燐酸は一定濃度以上になると揮発してしまい、硫酸のような高濃度の溶液にならないため、イオンフラックスが低くならず被電解液としては好ましくないことになる。

そして、濃硫酸溶液中の硫酸濃度は８０〜９６質量％がよく、９０〜９６質量％にすることがさらに望ましい。８０質量％を下限としたのは、この濃度以上から急激に分子状の硫酸が増加しはじめて、硫酸イオンや硫酸水素イオンなどのイオン成分が減少するからである。（図４参照）

ダイヤモンドを電解によって、平滑に加工するためには、電解時に陽極と陰極に供給されるイオンフラックスが十分でない方が有利である。このような理由から、電解温度の選定も特に重要であり、５〜４０℃とするのが良く、５〜２５℃とするのが最適である。
また、イオンフラックスの点において、電解時の電流密度も重要であり、６０〜１，０００Ａ／ｄｍ^２とするのが良く、７５〜１，０００Ａ／ｄｍ^２が最適である。このように電流密度を高くとるために、陰極材料としても導電性ダイヤモンド電極を選定するのが望ましい。

また、被加工材であるダイヤモンドまたは所望により陰極に用いるダイヤモンドは、導電性を有する必要があり、純粋なダイヤモンドにボロン、窒素、リンあるいはイオウなどの不純物が固溶していて、これらの不純物濃度が炭素原子に対して、５０ｐｐｍ〜１０，０００ｐｐｍ含有されて導電性を与えるものが望ましい。なお、陽極とされる導電性ダイヤモンドは、通電を行う電源の正極に直接接続されて陽極とされるものの他、バイポーラ電極として用いられ、通電に際し陽極が一方側に分極するものの含まれるものであり、本発明としてはバイポーラ電極のみを加工の対象とするものであってもよい。

また、電解加工の際には、濃硫酸溶液をダイヤモンド電極面と平行方向に、通液線速度を１０〜１０，０００ｍ／ｈで接触処理させることが望ましく、さらに濃硫酸溶液を通液しつつ循環させるのが望ましい。

また、本発明では、特に、被加工材を微細加工する際には、テフロン（商標）などのような耐食性の高い有機材料でマスク材を作製することで、ダイヤモンドを所望の形状に電解加工することが可能となる。マスク材は被加工材である導電性ダイヤモンドの非加工部を覆うことができればよく、加工形状に合わせて適宜の形状とする。なお、マスク材は形状の異なるものを複数にして、電解反応当初より被加工材である導電性ダイヤモンドの一部を覆うものであっても良く、電解途中で導電性ダイヤモンドの一部を覆うようにしても良く、また、電解途中でマスク材を取り除いても良い。これにより導電性ダイヤモンドを深さの異なる形状に加工することもできる。

以上説明したように、本発明のダイヤモンドの加工方法によれば、加工を行う導電性ダイヤモンドを陽極にして、陰極との間で、１８℃における導電率が１１．５Ｓｍ^−１以下である濃硫酸溶液を介して通電することによって前記陽極と前記陰極との間に電位差を生じさせて電解反応により前記導電性ダイヤモンドを電気化学的に加工するので、従来、不可能とされていたダイヤモンドの電解加工が可能となり、真空装置のような高価で大掛かりな設備を必要とすることなく、簡便な方法で微細な加工を行うことができる。

以下に、本発明の一実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。
被加工ダイヤモンドは、種々の方法によって製造することができ、ボロン、窒素、リンあるいはイオンなどの不純物を炭素原子に対して５０〜１０，０００ｐｐｍの範囲で固溶させて導電性を与えておく。これを陽極１とする。この陽極１の加工部分を除いた非加工部分をテフロンなどのマスク材２によってマスキングしておく。なお、マスク材には、濃硫酸電解に対して耐性のある種々の材料を用いることができる。陰極３には、導電性ダイヤモンド電極を用いるのが望ましい。

上記陽極１および陰極３を図１のように電解反応装置５に組み込む。この際に陽極１と陰極３との間に導電性ダイヤモンドで構成されるバイポーラ電極４を組み込んで、陽極が分極する側に同じくマスク材２でマスキングすることでダイヤモンドを複数枚同時に加工することができる。すなわち、陽極１と陰極３の間のダイヤモンドはバイポーラで分極して、陽極面のみが加工される。

この実施形態では、マスク材２は、中央に開口部２ａを有している。さらに、マスク材２は、後述する被電解液の通液方向に沿ってマスキングを損なわないように通液路２ｂが形成されている。該通液路は、貫通孔や溝によって形成することができる。この実施形態では、通液方向にそって開口部２ａ、すなわち導電性ダイヤモンドの加工部域とマスク材２の外部とを連ねるように貫通孔形状の通液路２ｂが設けられている。

上記電解反応装置５の陽極１および陰極３は、直流電源６に接続するとともに、電極間に通液されるように、テフロン（商標）製の送り管７ａと戻し管７ｂとを接続し、該送り管７ａおよび戻し管は、被電解液として硫酸濃度８０〜９６質量％の濃硫酸溶液２０（導電率１１．５Ｓｍ^−１以下）を収容した石英製の貯留槽８に接続する。送り管７ａに送液ポンプ９を設けることで貯留槽８と電解反応装置５との間で濃硫酸溶液の循環が可能になる。また、送液ポンプ９の後段には、電解によって温度が上昇する濃硫酸溶液の冷却を行う冷却器１０を設置する。

次に、上記装置の動作について説明する。
送液ポンプ９を動作させて送り管７ａ、戻り管７ｂを介して濃硫酸溶液を電解反応装置５に循環供給する。この際に、電極間での濃硫酸溶液の通液速度が、電極面と平行な方向で１０〜１００００ｍ／ｈとなるようにする。また、濃硫酸溶液が電解反応装置５での電解反応に際し、５〜４０℃となるように冷却器１０によって温度調整をする。
また、上記直流電源６により陽極１と陰極３とに通電する。該通電によってバイポーラ電極４が分極して、陽極面、陰極面が出現して電解反応が生じる。通電を継続することで陽極１の電極面とバイポーラ電極の陽極出現面が電気化学的な加工がなされる。図３は、電解反応によって加工がなされた陽極１の電極面を示す図であり、マスク材２の開口部２ａの形状に沿って加工凹部１ａが形成されている。

（実施例１）
上記実施形態で説明した装置を用いて、導電性シリコンを基板にした５０ｍｍ角（厚さ５ｍｍ）のボロンドープダイヤモンド電極５枚を用意し、うち２枚を陽極と陰極とした。陽極と陰極以外の３枚はバイポーラ電極とした。また、マスク材は、電極に合わせて同じく５０ｍｍ角として、開口部を２０ｍｍ角とした。
電解反応装置と石英製の貯留槽の間はテフロン（商標）配管で接続し、溶液の送液には、ベローズ製ポンプを利用した。
被電解液を９０ｗｔ％の濃硫酸溶液（１８℃導電率１０．７６Ｓｍ^−１）として、２リットルの濃硫酸溶液を電解反応装置で循環処理した。電流密度を７５Ａ／ｄｍ^２（７，５００Ａ／ｍ^２）として、電解温度を２５℃に保ちながら１５０時間電解を継続したところ、陽極面には、図３の陽極１に示すように深さ５μｍで２ｃｍ角の加工凹部１ａを得ることができた。なお、バイポーラ電極の陽極面にも同様の凹部が形成された。

（比較例１）
電解液を３０ｗｔ％の硫酸溶液（１８℃導電率７２．４３Ｓｍ^−１）とした以外は、実施例１と同様の条件で試験を行ったところ、ダイヤモンドの加工はできなかった。

（比較例２）
電流密度を２０Ａ／ｄｍ^２（２，０００Ａ／ｍ^２）とした以外は、実施例１と同様の条件で試験を行ったところ、ダイヤモンドの加工はできなかった。

（比較例３）
電解温度を５０℃とした以外は、実施例１と同様の条件で試験を行ったところ、ダイヤモンドの加工はできなかった。なお、この際の硫酸溶液の導電率は１９．５Ｓｍ^−１であった。

本発明の一実施形態の方法に用いられる装置を示す図である。 同じく、マスク材を示す斜視図である。 同じく、電解反応によって加工がなされた導電性ダイヤモンドを示す斜視図である。 濃度の異なる硫酸溶液の解離平衡を示すグラフである。

符号の説明

１ 陽極
１ａ 加工凹部
２ マスク材
２ａ 開口部
２ｂ 通液路
３ 陰極
４ バイポーラ電極
５ 電解反応装置
６ 直流電源
７ａ 送り管
７ｂ 戻し管
８ 貯留槽
９ 送液ポンプ
１０ 冷却器
２０ 濃硫酸溶液

Claims (6)

1. 加工を施したい導電性ダイヤモンドを陽極にして、陰極との間で、１８℃における導電率が１１．５Ｓｍ^−１以下である濃硫酸溶液を介して通電することによって前記陽極と前記陰極との間に電位差を生じさせて電解反応により前記導電性ダイヤモンドを電気化学的に加工することを特徴とするダイヤモンドの加工方法。
2. 前記濃硫酸溶液が硫酸濃度８０〜９６質量％であることを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドの加工方法。
3. 前記電解反応における電流密度を６０〜１，０００Ａ／ｄｍ^２とすることを特徴とする請求項１または２に記載のダイヤモンドの加工方法。
4. 前記電解反応の際の前記濃硫酸溶液の温度を５〜４０℃とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
5. 前記導電性ダイヤモンド表面の一部をマスク材で覆って前記通電を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。
6. 前記陽極と陰極との間で前記濃硫酸溶液を通液しつつ循環をさせて前記通電を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンドの加工方法。

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