JP2016506450A - Ｃｖｄによりダイヤモンド層を作製する方法 - Google Patents

Abstract

マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＣＶＤ）合成技法を用い、合成ダイヤモンド材料により、非耐火性及び／又は非平面基板（８）をコートする方法であって、この方法は、・上側表面を備える支持基板（２）；・支持基板の上側表面に配置され且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈｇまで延びる１つ又は複数の導電性耐火性防護体（６）；及び支持基板の上側表面に配置され、且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈｓまで延び、高さｈｓが高さｈｇより小さく、高さの差ｈｇ−ｈｓが０．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板を備える複合基板アセンブリ（１）を形成すること；・複合基板アセンブリをマイクロ波プラズマＣＶＤ反応器のプラズマチャンバ内に設置すること；・プラズマチャンバ内に、炭素含有ガス及び水素含有ガスを含むプロセスガスを供給すること；・プラズマチャンバにマイクロ波を供給して、複合基板アセンブリの上方の位置にマイクロ波プラズマを生成すること；並びに・合成ダイヤモンド材料を、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板に成長させることを含む。

Description

本発明の特定の実施形態は、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＣＶＤ）合成技法を用い、合成ダイヤモンド材料により、非平面及び／又は非耐火性基板を形状に沿ってコートする方法に関する。本発明の特定のさらなる実施形態は、高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料により形状に沿ってコートされた非平面及び／又は非耐火性部材を含めた、非平面及び／又は非耐火性多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド部材に関する。

合成ＣＶＤダイヤモンド皮膜は、熱フィラメント、マイクロ波プラズマ、及びＤＣアークジェット反応器を含めた、様々な方法を用い、成長させることができる。これらの方法のそれぞれは、その長所を有する。ＤＣアークジェット蒸着システムは、大きな局所成長速度を有する傾向があるが、電極／ノズルの腐食、大きなガスの消費量、及び比較的小さい適用面範囲を欠点として有する。熱フィラメント反応器は、大面積及び３次元形状をコートできるが、皮膜厚さが限られ、またダイヤモンド材料の品質が比較的劣る。対照的に、マイクロ波ＣＶＤ合成ダイヤモンドは、自立性の平面多結晶ウェハの形の高品質バルクダイヤモンド材料を生産するための主要な方法として確立されている。残念ながら、マイクロ波プラズマ法は、マイクロ波の電場とコートされている非平面基板又はワークピースとの間の不都合な相互作用のために、非平面基板をコートについては限られた能力しか有さない。工具インサート又はスピーカードームマンドレルのような実に単純な３次元形状のコーティングは、出隅での電場濃度、又は逆に入隅での電場の弱さの影響によって、難しくされる。電場のこの変化は、ダイヤモンド皮膜の品質と厚さの両方の一様性に悪影響を及ぼす。例えば、今日まで、マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器は、切削工具インサートを形状に沿ってコートするために、成功裏には用いられていない。このような切削工具インサートのコーナーで、大きな電場は、決定的に重要な切削エッジを太くすること及び丸くすることにつながり、こうして、それらを、意図されたそれらの目的に不適切にする。
融点又は熱ショックの点で熱に影響を受け易い、シリコンのような非耐火性材料もまた、マイクロ波プラズマが非耐火性基板材料を損傷させる傾向があるため、マイクロ波プラズマ反応器において一様にコートしようとすると厄介である。

上記に鑑み、求められているのは、非耐火性基板及び／又は３次元（すなわち、非平面）形状、例えば、切削工具インサート及びスピーカードームマンドレルを、基板材料の表面に一様にコートされた高品質多結晶ＣＶＤダイヤモンド材料を生じ得るマイクロ波プラズマＣＶＤダイヤモンド合成技法を用い、エッジ及びコーナーで不適切に丸くなること及び太くなることなく並びに／又は基板材料を不適切に損傷させることなく、形状に沿ってコートするための方法である。
前記の課題を解決することが、本発明の特定の実施形態の目的である。

本発明の第１の態様によれば、マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＣＶＤ）合成技法を用い、合成ダイヤモンド材料により、非耐火性及び／又は非平面基板をコートする方法が提供され、この方法は、
上側表面を備える支持基板；
支持基板の上側表面に配置され且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈ_gまで延びる、１つ又は複数の導電性耐火性防護体；及び
支持基板の上側表面に配置され、且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈ_sまで延び、高さｈ_sが高さｈ_gより小さく、高さの差ｈ_g−ｈ_sが０．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板
を備える複合基板アセンブリを形成すること；
複合基板アセンブリをマイクロ波プラズマＣＤ反応器のプラズマチャンバ内に設置すること；
プラズマチャンバ内に、炭素含有ガス及び水素含有ガスを含むプロセスガスを供給すること；
プラズマチャンバにマイクロ波を供給して、複合基板アセンブリの上方の位置にマイクロ波プラズマを生成すること；並びに
合成ダイヤモンド材料を、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板に成長させること
を含む。

本発明の第２の態様によれば、
非平面ベース；
及び、非平面ベースの表面の多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティング
を備え、
非平面ベースが、平面に投影された時、５ｍｍ以上の最長直線寸法を有し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、５〜１００μｍの範囲の厚さを有し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さが、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの平均厚さの７５％以下で変化し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、マイクロ波プラズマＣＶＤ合成技法を示す、ミクロンスケールの連晶ダイヤモンドグレイン及び低ｓｐ２炭素含有量を備え、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、長さ２ｍｍを超えて延びるクラックを有さない、
複合部材が提供される。

本発明のよりよい理解のために、また本発明が如何に実施され得るかを示すために、これから、添付図を参照して単に例としてのみ、本発明の実施形態を説明する。

本発明において用いられる複合基板アセンブリの横断面図を示す図である。 図１に示される複合基板アセンブリの上面図を示す図である。 本発明の別の実施形態による複合基板アセンブリの横断面図を示す図である。 図３に示される複合基板アセンブリの上面図を示す図である。 図３及び４に示される複合基板アセンブリを備えるマイクロ波プラズマＣＶＤ反応器を示す図である。 形状に沿ってコートされた高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の一様な層を備えるドームを示す図である。 その切削エッジの回りに形状に沿ってコートされた品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の一様な層を備える切削工具インサートを示す図である。

本発明の実施形態は、３次元／非平面基板及び／又はシリコンのような非耐火性基板をコートするために、本明細書において「間接的プラズマ成長」として説明されるＣＶＤ合成ダイヤモンド合成法を用いる。この方法は、マイクロ波プラズマとダイヤモンド材料によりコートされる基板との間の領域に延びる導電性耐火性防護体を用いる。導電性耐火性防護体は、適切な強度のプラズマが、１つ又は複数の基板が配置され得る領域の上方で安定的に持続され得るように、マイクロ波電場に一定の焦点を提供する。基板は、基板の表面の電場が、例えば尖った出隅で、局所的な破壊を引き起こすのに必要とされる電場より小さいように、導電性耐火性防護体の表面より、極僅かだけ下方に位置する。こうして、基板は、直接曝されているというよりむしろマイクロ波プラズマから遮蔽されていると考えることができ、用語「間接的プラズマ成長」はこのためである。しかし、基板は、その上へのダイヤモンドの成長を達成するために、マイクロ波キャビティに依然として物理的に曝されていることが特筆され得る。遮蔽は、電気的な性質のものであり、コートされる１つ又は複数の基板の周辺の回りに置かれるように配置構成され得る導電性耐火性防護体によって行われる。例えば、導電性耐火性防護体は、リング、又はプラズマチャンバの中央回転軸に中心がある一連の同心リングの形であってよい。代わりに、導電性耐火性防護体は、コートされる基板の周辺領域の回りで、支持基板から上向きに延び、且つコートされる基板の上側表面より高く延びる、複数の柱又は突起の形であってもよい。

本発明の実施形態の間接的プラズマ成長法は、複合基板アセンブリの形成を含み、その例が、図１及び２に例示され、図１は横断面図を示し、図２は、上面図を示す。複合基板アセンブリ１は、上側表面４を備える支持基板２；支持基板２の上側表面４に配置され、且つ支持基板２の上側表面４の上方に高さｈ_gまで延びる、複数の導電性耐火性防護体リング６；及び、支持基板２の上側表面４に配置され、且つ支持基板２の上側表面４の上方に高さｈ_sまで延びる、複数の非平面基板８；を備え、ここで、高さｈ_sは高さｈ_gより小さい。例示された実施形態は、同心であるように配列され且つ支持基板２の中央回転軸に中心がある、３つの導電性耐火性防護体リング６を備える。非平面基板は、導電性耐火性防護体リング６によって画定される環状領域に配置された、複数の金属切削インサート８を含む。

図３及び４は、曲面ダイヤモンドダイヤフラム又はドームの製造に適する複合基板アセンブリの別の実施形態の横断面図及び上面図を例示する。このようなドームは、静的又は動的圧力差を伴う用途を含めて、様々な用途に使用され得る。例えば、ほぼ静的な圧力差が必要とされるが、材料が電磁放射に透明である必要がある場合、曲面ダイヤモンドダイヤフラムは、曲がった状態が薄い層に付加的な剛性をもたらすため、適切であり得る。動的用途、例えば音響ピックアップ又は音響ドライバの場合には、曲がった状態は、剛性のあるドームを提供し、これはまた、非常に軽量であり、構造体の共鳴モードによる干渉なしに、高振動数に応答できる。先に論じられた配列と同様に、複合基板アセンブリ１０は、上側表面４を有する支持基板２を備える。シリコンのドームマンドレルの形の複数の非平面基板１４は、支持基板２の上側表面４に配置される。例示された配列において、ドームマンドレル１４は、支持基板２に嵌め込まれた台座１２に支えられている。例示された実施形態は、支持柱１６に支えられ、且つ同心であるように配列され、支持基板２の中央回転軸に中心がある、２つの導電性耐火性防護体リング６を備える。ドームマンドレルは、導電性耐火性防護体リング６によって画定される環状領域に配置される。

導電性耐火性防護体の上端表面と非平面基板の上端表面との間の高さの差ｈ_g−ｈ_sは、０．２〜１０ｍｍの範囲にあり、任意選択で、７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、又は３ｍｍより小さく、任意選択で、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、又は２ｍｍより大きい。例えば、高さの差ｈ_g−ｈ_sは、０．３ｍｍ〜１０ｍｍ、０．５ｍｍ〜７ｍｍ、１ｍｍ〜５ｍｍ、１ｍｍ〜４ｍｍ、又は２ｍｍ〜３ｍｍの範囲にあり得る。導電性耐火性防護体は、用いられている複合基板アセンブリの上を覆って位置するプラズマから非平面基板を保護するために非平面基板より十分に高いが、非平面基板から余りに遠ざけられたプラズマにより非平面基板でのダイヤモンド材料の蒸着が悪影響を受ける程は高すぎないように、位置するべきである。原則として、高さの差ｈ_g−ｈ_sは、非平面基板をプラズマの近くに保つことによって、非平面基板での成長速度を増大させるが同時に非平面基板をプラズマから保護するのに効果的であるように小さく保たれ得る。
１つ又は複数の導電性耐火性防護体は、連続又は不連続リングの形であってよいが、最も好ましくは連続リングの形であり得る。先に論じられた実施形態において示されたように、複合基板アセンブリは、少なくとも２つの導電性耐火性防護体を備え得るが、これらは、例えばリングにおける短い不連続部を無視して、回転対称又は実質的に回転対称であり且つプラズマチャンバの中央回転軸に中心があるように配置構成され得る。複合基板アセンブリの全体は、回転対称であり且つプラズマチャンバの中央回転軸に中心があるように配置構成され得る。このような配列は、プラズマチャンバの対称性を保ち、一様なプラズマを生成する助けとなる。特に、基板の構造は、基板の上方の電場プロフィールに影響を及ぼすので、対称な基板構造が、対称電場プロフィールを保持し、非平面基板に一様なダイヤモンド蒸着を達成するために望ましいことが特筆され得る。

代わりに、リング構造を用いるのではなく、導電性耐火性防護体は、基板でのダイヤモンドの成長の間にプラズマから非平面基板を保護するように、支持基板から上向きに延び且つ非平面基板の回りに分布する、複数の柱又は突起を備えていてもよい。柱は、上記の理由で、回転対称状に分布し得る。このような耐火性防護体構造は、基板の上方の電場プロフィールと不都合には相互作用しないと考えられる。
１つ又は複数の導電性耐火性防護体は、マイクロ波プラズマの下での過酷な熱的及び化学的環境に耐えることができる如何なる導電性金属材料から形作られてもよい。例には、タンタル、モリブデン、タングステン、又はグラファイトが含まれる。

１つ又は複数の非平面基板は、例えばドームマンドレルのために、シリコン又は炭化ケイ素のような非金属材料から形作られ得る。この場合、１つ又は複数の非平面基板は、成長の後、１つ又は複数の自立性非平面多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド部材を得るために、合成ダイヤモンド材料から取り外されてもよい。
代わりに、１つ又は複数の非平面基板は、金属材料、又はＷＣのような金属炭化物から形作られていてもよく、この場合、合成ダイヤモンド材料は、金属又は炭化物材料に付着した永続的コーティング（例えば、多金属ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料によりコートされた金属又は炭化物工具又は磨耗部品）を形成する。

図５は、図３及び４に例示された複合基板アセンブリを備える、マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器を例示する。マイクロ波プラズマ反応器は、次の基本的構成要素を備える：プラズマチャンバ５０；先に論じられた複合基板アセンブリを支えるために（例示されている例では、これは、スペーサワイヤ５３を介して行われる）プラズマチャンバに配置された基板ホルダ５２；プラズマチャンバ５０内にプラズマ５６を生成するためのマイクロ波発生器５４；誘電体ウインドー６０を通してマイクロ波発生器５４からプラズマチャンバ５０にマイクロ波を供給するためのマイクロ波カップリング配置構成５８；ガス供給源６５からプラズマチャンバ５０にプロセスガスを供給し、それらをプラズマチャンバから除去するための、１つ又は複数のガス入口６２及び１つ又は複数のガス出口６４を備えるガスフローシステム；並びに、基板冷却装置６６。
図５に例示されている複合基板アセンブリは、図３及び４に例示されているものと同じであり、同じ参照番号が用いられている。

プラズマチャンバは、用いられる定在マイクロ波を支える共鳴キャビティを形作るように設計される。１つの配置構成によれば、プラズマチャンバは、用いられるＴＭ_01n定在マイクロ波（例えば、ＴＭ₀₁₁モード）を支えるように設計される。動作周波数は、４００〜５００ＭＨｚ、８００〜１０００ＭＨｚ、又は２３００から２６００ＭＨｚの範囲にあり得る。炭素供給源及び分子状水素を含む原料ガスは、プラズマ反応器の容器に供給され、定在マイクロ波によって活性化されて、高電場領域においてプラズマを生成できる。適切な基板が、プラズマのごく近傍に存在すると、ラジカルを含む反応性炭素が、プラズマから基板に拡散し、その上に蒸着され得る。原子状水素もまた、プラズマから基板に拡散できて、ダイヤモンドの成長が起こり得るように、基板から非ダイヤモンド炭素を選択的にエッチング除去できる。
使用に際して、複合基板アセンブリは、例示されているように、プラズマチャンバ内に置かれ、炭素含有ガス及び水素含有ガスを含むプロセスガスがプラズマチャンバに供給され、マイクロ波がプラズマチャンバに供給されて、複合基板アセンブリの上を覆う位置にマイクロ波プラズマを生成する；合成ダイヤモンド材料は、非平面基板１４上に成長させられる。先に論じられたように、導電性耐火性防護体リング６は、適切な強度のプラズマが、１つ又は複数の非平面基板が置かれる領域の上方で安定的に持続され得るように、マイクロ波電場に一定の焦点を提供する。非平面基板は、ワークピースの表面での電場が、局所的な破壊を引き起こすのに必要とされる電場より小さいように、耐火性金属導体の表面より、極僅かに下方に位置する。

上記に加えて、ダイヤモンドの成長の間の導電性耐火性防護体の稼働中温度が、プラズマの収束化に影響を及ぼすこともまた特筆され得る。防護体の高い温度は、プラズマを防護体構造に連結させ、防護体構造の温度が１５００Ｋを超えて上昇すると、放射損失が温度を一層一様にする助けとなり、それが、ひいては、プラズマが、複合基板アセンブリの上を覆って、一層一様に分布する助けとなる。このため、好ましくは、ダイヤモンドの成長の間、複合基板アセンブリは、プラズマチャンバ内に配置構成され、成長条件（例えば、マイクロ波パワー、ガス圧力、及び／又は基板温度）は、防護体構造の温度が、１５００Ｋ、１７００Ｋ、１９００Ｋ、又は２０００Ｋを超えるように制御される。

上で概略が示された手順を用いると、
非平面ベース；
及び、非平面ベースの表面の多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティング
を備え、
非平面ベースは、平面に投影された時、５ｍｍ以上の最長直線寸法を有し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、５〜１００μｍの範囲の厚さを有し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さは、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの平均厚さの７５％以下で変化し、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの大部分の面積に渡って、マイクロ波プラズマＣＶＤ合成技法を示す、ミクロンスケールの連晶ダイヤモンドグレイン及び低ｓｐ２炭素含有量を備え、前記大部分の面積は、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの全面積の少なくとも７０％、８０％、９０％、９５％、９８％であり、
多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、長さ２ｍｍを超えて延びるクラックを有さない、複合部材を製造することが可能である。

ｓｐ２炭素含有量は、適切に較正されたラマン分光法を用い、測定できる。多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、マイクロ波プラズマＣＶＤ合成技法を示す、ミクロンスケールの連晶ダイヤモンドグレイン、及び０．１％、０．０１％、又は０．００１％以下のｓｐ２炭素含有量を備える。すなわち、マイクロ波プラズマＣＶＤ合成技法は、熱フィラメントのような他のダイヤモンド合成技法と比べた場合、高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料を生じる。

ｓｐ２炭素は、工具用途での耐摩耗性及び音響用途での剛性のような機械的特性に悪影響を及ぼすので、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの成長の間、ｓｐ２炭素の生成を最低限にすることが重要であることが見出された。ｓｐ２炭素含有量を測定するために、ラマン分光法が特に有用な技法であることが見出された。非ダイヤモンド炭素のピークは、１５８０ｃｍ^-1−グラファイト；１３５０〜１５８０ｃｍ^-1−ナノクリスタリットグラファイト；及び１５５０〜１５００ｃｍ^-1−アモルファスカーボン及びグラファイト相；を含む。ｓｐ２炭素が、合成ダイヤモンド材料のラマンスペクトルにおいて、かなりの程度、明白である場合、その材料は、劣った機械的特性を有すると推定されることが見出された。このため、好ましくは、ｓｐ２炭素含有量は、材料のラマンスペクトルにおいて、如何なる顕著な非ダイヤモンド炭素ピークも示さないほどに、十分に小さい。ｓｐ３ダイヤモンドラマンピークは、約１３３２ｃｍ^-1にある。特定の実施形態によれば、ラマン励起源としてヘリウム−ネオンレーザー（６３３ｎｍ）を用いると、バックグラウンドを差し引いた後、約１３３２ｃｍ^-1にあるｓｐ３ダイヤモンドラマンピークの高さの２０％、１０％、５％、１％、０．１％、０．０１％、又は０．００１％以下である、約１５５０ｃｍ^-1のｓｐ２炭素のピークを有するダイヤモンドラマンスペクトルが得られる。代わりに、ｓｐ２炭素の量は、約１３３２ｃｍ^-1にあるｓｐ３ダイヤモンドラマンピークの高さを、そのピークの局所バックグラウンド（ｓｐ２炭素のような不純物に起因する）の高さに対して、求めることによって評価されてもよい。特定の実施形態によれば、７８５ｎｍのラマン励起源を用いると、ラマンスペクトルにおける局所バックグラウンド強度の１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、又は７０％以上である、約１３３２ｃｍ^-1のｓｐ３炭素ピークを有するダイヤモンドラマンスペクトルが得られる。

非平面ベースは、凸型ドームを備え、外縁スカートが凸型ドームのエッジから延びていてもよく、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、凸型ドームの表面全体を覆って配置され、且つ外縁スカートの少なくとも一部まで下って延びる。例えば、図６は、形状に沿ってコートされた高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料７２の一様な層を備えるシリコンドームマンドレル７０を例示する。好ましくは、シリコンドームマンドレルは、凸型ドームを備え、実質的に円柱状のスカート領域が凸型ドームのエッジから下向きに延びている。本明細書に記載されている間接的プラズマ成長技法は、高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の一様な層が、凸型ドームと、下は実質的に円柱状のスカート領域の少なくとも一部との両方の上を覆ってコートされることを可能にし、ダイヤモンドのテーパー状エッジは、実質的に円柱状のスカート領域に限定され、好ましくは、実質的に円柱状のスカート領域の長さの５０％、４０％、３０％、２０％、１０％以下に限定される。凸型ドームは、５ｍｍ〜８０ｍｍ、５ｍｍ〜５０ｍｍ、１０ｍｍ〜４０ｍｍ、１５ｍｍ〜３５ｍｍ、又は２０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲の直径を有し得る。さらに、凸型ドームは、１０ｍｍ〜１２０ｍｍ、１０ｍｍ〜８０ｍｍ、２０ｍｍ〜７０ｍｍ、３０ｍｍ〜６０ｍｍ、４０ｍｍ〜５５ｍｍ、又は４５ｍｍ〜５５ｍｍの範囲の曲率半径を有する。

代わりに、非平面ベースは、少なくとも２つの表面と、この２つの表面の間に配置されたエッジ又はコーナーを備える工具又は磨耗部品であってもよく、この場合、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、２つの表面の少なくとも一部の上を覆って配置され、前記エッジ又はコーナーを形状に沿ってコートする。エッジ又はコーナーは、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、又は０．１ｍｍ以下の曲率半径を有し得る。例えば、図７は、その切削エッジの回りに形状に沿ってコートされた高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料８２の一様な層を備える切削工具インサート８０を例示する。やはり、本明細書に記載されている間接的プラズマ成長技法は、高品質多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料の一様な層が、切削工具インサートの上端表面と、下は切削工具インサートの側面の少なくとも一部との両方の上を覆ってコートされることを可能にし、切削エッジの回りの形状に沿ったコーティングが、上端表面と側面の間に配置される。

上記ドーム及び工具の例において、多結晶ＣＶＤダイヤモンドコーティングは、完璧で丈夫なコーティングを提供するために十分に厚いと同時に、厚すぎて機能特性又は製造コストが犠牲にされるべきでない。多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さは、７μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、又は７０μｍ以上であり得る。特定の好ましい実施形態によれば、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さは、１０〜７０μｍ、２０〜６０μｍ、又は３０〜５０μｍの範囲にある。さらに、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さは、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの平均厚さの６０％、５０％、４０％、又は３０％以下で変化し得る。

（例１）
切削工具インサートのコーティング
高さ７ｍｍ、幅１ｍｍで、それぞれ直径１３０ｍｍ、７０ｍｍ及び２０ｍｍの３つのタンタルリングを、１４０ｍｍ×１２ｍｍのタングステン基板キャリア（これ自体は、マイクロ波プラズマＣＶＤ反応器内の支持表面のワイヤスペーサ上に置かれた）上に置いた。複数の炭化タングステン／６％Ｃｏ切削工具インサートを、切削工具インサートの最も高い点がタンタルリングの最も高い表面より低く位置するように、タンタルリングの間のタングステン基板キャリア表面に置いた。インサートを、ＣＨ₄／Ｈ₂プラズマ中、１８０ｔｏｒｒのプロセス圧力で２時間、コートした。得られた多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングは、一様で、高品質で、切削インサートのエッジの回りで形状に沿っていた。

（例２）
自立性ダイヤモンド曲面ダイヤフラム及びドームの製造
２６．３ｍｍの直径、２０ｍｍの曲率半径、及びスカート領域を含めて８ｍｍの高さを有する６つのシリコンマンドレルを、キャリア基板上に嵌め込まれた同じ直径の高さ６ｍｍの台座に、円形状に配置構成して等しい間隔で置いた。こうして、６つのシリコンマンドレルは、キャリア基板の上方１４ｍｍの高さまで延びていた。高さ７ｍｍ、幅１ｍｍ、及びそれぞれ１０ｍｍ及び１２８ｍｍの外径の２つのタンタルリングが、マンドレルの円形状の配置構成の両側に置かれた。タンタルリングは、高さ９．６ｍｍの支持柱上に置かれ、その結果、リングは、キャリア基板の上方１６．６ｍｍの高さまで延びていた。こうして、タンタルリングは、シリコンマンドレルより上方に２．６ｍｍ延びていた。

構造体を、公称ＴＭ₀₁₁モードで動作する８９６ＭＨｚマイクロ波プラズマ反応器のベースの中央に置いた。プラズマが、１８０ｔｏｒｒの圧力で、構造体上に確立された。３５μｍの厚さの多結晶ＣＶＤダイヤモンド皮膜が、各シリコンマンドレルの球状表面と、下はシリコンマンドレルの外側円柱状部分の約１ｍｍの範囲まで確立された。ダイヤモンドコーティングのスカート領域のレーザースコアリングの後、シリコンマンドレルを、ＨＦ／ＨＮＯ₃の溶液で分解して、ダイヤフラム又はドームとして用いられるのに適する特性を有する自立性ＣＶＤダイヤモンドシェル構造体を独立させた。
１つのドームを、エポキシによって、円筒状のスカート領域を用い、金属円筒へ装着し、これを低圧に排気して、静的な圧力ウインドーとしてのドームの有用性が例示された。
別のドームが、ボイスコイルに装着され、剛性のある高品質ダイヤモンド構造体であることを示す、７０ｋＨｚを超える音響破壊周波数を有することが実証された。

好ましい実施形態を参照しながら、本発明を詳細に示し説明してきたが、形態及び詳細における様々な変更が、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく成され得ることが、当業者には理解される。

Claims (33)

1. マイクロ波プラズマ化学気相蒸着（ＣＶＤ）合成技法を用い、合成ダイヤモンド材料により、非耐火性及び／又は非平面基板をコートする方法であって、
   上側表面を備える支持基板；
   支持基板の上側表面に配置され且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈ_gまで延びる、１つ又は複数の導電性耐火性防護体；及び
   支持基板の上側表面に配置され、且つ支持基板の上側表面の上方に高さｈ_sまで延び、高さｈ_sが高さｈ_gより小さく、高さの差ｈ_g−ｈ_sが０．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲にある、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板
   を備える複合基板アセンブリを形成すること；
   複合基板アセンブリをマイクロ波プラズマＣＶＤ反応器のプラズマチャンバ内に設置すること；
   プラズマチャンバ内に、炭素含有ガス及び水素含有ガスを含むプロセスガスを供給すること；
   プラズマチャンバにマイクロ波を供給して、複合基板アセンブリの上方の位置にマイクロ波プラズマを生成すること；並びに
   合成ダイヤモンド材料を、１つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板に成長させること
   を含む、方法。
2. 高さの差ｈ_g−ｈ_sが、７ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、又は３ｍｍ未満である、請求項１に記載の方法。
3. 高さの差ｈ_g−ｈ_sが、０．３ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、又は２ｍｍを超える、請求項１又は２に記載の方法。
4. 高さの差ｈ_g−ｈ_sが、０．３ｍｍ〜１０ｍｍ、０．５ｍｍ〜７ｍｍ、１ｍｍ〜５ｍｍ、１ｍｍ〜４ｍｍ、又は２ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある、請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
5. １つ又は複数の導電性耐火性防護体が、連続又は不連続リングの形である、請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
6. 複合基板アセンブリが、少なくとも２つの導電性耐火性防護体を備える、請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
7. １つ又は複数の導電性耐火性防護体が、タンタル、モリブデン、タングステン、又はグラファイトから形作られる、請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
8. １つ又は複数の導電性耐火性防護体が、回転対称であり、プラズマチャンバの中央回転軸に中心があるように配置構成される、請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
9. 複合基板アセンブリが、回転対称であり、プラズマチャンバの中央回転軸に中心があるように配置構成される、請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法。
10. 複合基板アセンブリが、複数の非耐火性及び／又は非平面基板を備える、請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
11. 複合基板が、同心であるように配置構成され且つそれらの間に環状領域を定める２つの導電性耐火性防護体を含み、複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、２つの導電性耐火性防護体の間の環状領域に置かれる、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
12. 複合基板が、同心であるように配置構成され、それらの間に内側及び外側環状領域を定める３つの導電性耐火性防護体を含み、複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、３つの導電性耐火性防護体の間の内側及び外側環状領域に置かれる、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
13. １つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、非金属材料から形作られる、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
14. １つ又は複数の非平面基板が、シリコン、炭化ケイ素、又は炭化タングステンから形作られる、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
15. １つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、シリコンから形作られる、請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法。
16. １つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、成長の後の合成ダイヤモンド材料から取り外されて、１つ又は複数の自立性非平面多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド部材を生じる、請求項１から１５までのいずれか１項に記載の方法。
17. １つ又は複数の非耐火性及び／又は非平面基板が、金属材料から形作られ、合成ダイヤモンド材料が、金属材料に付着したコーティングを形成し、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンド材料によりコートされた金属ベース材料を備える複合非平面部材を生じる、請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
18. 非平面ベース；
    及び、非平面ベースの表面の多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティング
    を備え、
    非平面ベースが、平面に投影された時、５ｍｍ以上の最長直線寸法を有し、
    多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、５〜１００μｍの範囲の厚さを有し、
    多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さが、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの平均厚さの７５％以下で変化し、
    多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの大部分の面積に渡って、マイクロ波プラズマＣＶＤ合成技法を示す、ミクロンスケールの連晶ダイヤモンドグレイン及び低ｓｐ２炭素含有量を備え、前記大部分の面積が、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの全面積の少なくとも７０％であり、
    多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、長さ２ｍｍを超えて延びるクラックを有さない、
    複合部材。
19. 前記大部分の面積が、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの全面積の少なくとも８０％、９０％、９５％、又は９８％である、請求項１８に記載の複合部材。
20. 非平面ベースが、凸型ドームを備え、外縁スカートが凸型ドームのエッジから延びており、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、凸型ドームの表面全体を覆って配置され且つ外縁スカートの少なくとも一部まで下って延びる、請求項１８又は１９に記載の複合部材。
21. 外縁スカートが、テーパー状エッジを備え、テーパー状エッジが、外縁スカートの長さの５０％、４０％、３０％、２０％、又は１０％以下をなす、請求項２０に記載の複合部材。
22. 凸型ドームが、５ｍｍ〜８０ｍｍ、５ｍｍ〜５０ｍｍ、１０ｍｍ〜４０ｍｍ、１５ｍｍ〜３５ｍｍ、又は２０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲の直径を有する、請求項２０又は２１に記載の複合部材。
23. 凸型ドームが、１０ｍｍ〜１２０ｍｍ、１０ｍｍ〜８０ｍｍ、２０ｍｍ〜７０ｍｍ、３０ｍｍ〜６０ｍｍ、４０ｍｍ〜５５ｍｍ、又は４５ｍｍ〜５５ｍｍの範囲の曲率半径を有する、請求項２０から２２までのいずれか１項に記載の複合部材。
24. 非平面ベースが、少なくとも２つの表面と、前記２つの表面の間に配置されたエッジ又はコーナーを備える工具又は磨耗部品であり、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングが、２つの表面の少なくとも一部の上を覆って配置され、前記エッジ又はコーナーを形状に沿ってコートする、請求項１８に記載の複合部材。
25. エッジ又はコーナーが、５ｍｍ、３ｍｍ、１ｍｍ、０．５ｍｍ、又は０．１ｍｍ以下の曲率半径を有する、請求項２４に記載の複合部材。
26. 多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの厚さが、７μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、５０μｍ、又は７０μｍ以上である、請求項１８から２５までのいずれか１項に記載の複合部材。
27. 多結晶ＣＶＤダイヤモンドコーティングの厚さが、１０〜７０μｍ、２０〜６０μｍ、又は３０〜５０μｍの範囲にある、請求項１８から２６までのいずれか１項に記載の複合部材。
28. 多結晶ＣＶＤダイヤモンドコーティングの厚さが、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの外縁エッジでのあらゆるテーパリングを除いて、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドコーティングの平均厚さの６０％、５０％、４０％、又は３０％以下で変化する、請求項１８から２７までのいずれか１項に記載の複合部材。
29. 非平面ベースが、金属、シリコン、炭化ケイ素、又は炭化タングステンから形作られる、請求項１８から２８までのいずれか１項に記載の複合部材。
30. 非平面ベースがシリコンから形作られる、請求項１８から２９までのいずれか１項に記載の複合部材。
31. ｓｐ２炭素含有量が、０．１％、０．０１％又は０．００１％以下である、請求項１８から３０までのいずれか１項に記載の複合部材。
32. ｓｐ２炭素含有量は、ラマン励起源としてヘリウム−ネオンレーザー（６３３ｎｍ）を用いた場合、バックグラウンドを差し引いた後、約１３３２ｃｍ^-1にあるｓｐ３ダイヤモンドラマンピークの高さの２０％、１０％、５％、１％、０．１％、０．０１％、又は０．００１％以下である、約１５５０ｃｍ^-1のｓｐ２炭素のピークを有するラマンスペクトルを、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドが有する量である、請求項１８から３１までのいずれか１項に記載の複合部材。
33. ｓｐ２炭素含有量が、７８５ｎｍのラマン励起源を用いた場合、ラマンスペクトルにおける局所バックグラウンド強度の１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、又は７０％以上である、約１３３２ｃｍ^-1のｓｐ３炭素ピークを有するラマンスペクトルを、多結晶ＣＶＤ合成ダイヤモンドが有する量である、請求項１８から３２までのいずれか１項に記載の複合部材。

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