JP2534079Y2 - 人工ダイヤモンド析出装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この考案は、結晶性のよい人工ダ
イヤモンドを析出させることができる人工ダイヤモンド
析出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、人工ダイヤモンドの析出生成方法
として様々な方法が提案され実用に供されているが、と
りわけ加熱したフィラメント（高エネルギー体）により
反応ガスを分解させて基板等の被処理材の表面に人工ダ
イヤモンドを析出させる方法は、比較的簡単な装置で安
定した人工ダイヤモンド膜を高速で成膜することができ
ることから特に注目されている方法である。

【０００３】上記の方法では、例えば、図５に示す様な
人工ダイヤモンド析出装置（以下、単に析出装置と略称
する）１が用いられる。この析出装置１は、基板（被処
理材）２にダイヤモンドを析出させるための石英製の反
応室３と、該反応室３に主としてＣＨ₄，Ｃ₂Ｈ₂等の炭
化水素と該炭化水素のキャリアガスとなるＨ₂ガスとで
構成される反応ガスＧを導入するＭｏ製の反応ガス導入
管４と、前記反応室３から反応ガスＧを排出する反応ガ
ス排出管５とから概略構成されている。

【０００４】反応室３には、制御機構６により制御さ
れ、該反応室３内を上下方向に移動自在かつ任意の位置
に固定自在なる昇降装置８が設けられており、該昇降装
置８の上部８ａには複数の基板２，…を支持するための
Ｍｏ製のワークホルダ９が固定されている。また、この
ワークホルダ９の下面には熱電対１０が取り付けられて
いる。

【０００５】この反応室３には、該反応室３の上部位置
に移動したワークホルダ９に支持される基板２の表面２
ａと対向する所定間隔上方の位置に、金属タングステン
（Ｗ）もしくは金属タンタル（Ｔａ）製の螺旋状のフィ
ラメント（高エネルギー体）１１が水平に設けられてい
る。また、この反応室３の周囲には該反応室３を加熱す
るための電気炉１２が配設されている。

【０００６】次に、この析出装置１を用いて基板２の表
面２ａにダイヤモンドを成膜する方法について説明す
る。まず、反応ガス導入管４を用いて反応ガスＧを反応
室３内に導入し、この反応ガスＧをフィラメント１１か
らワークホルダ９に向かう様に垂直下方に流下させ、反
応ガス排出管５により反応室３の外方へ排出させる。

【０００７】この間、反応室３内の雰囲気圧力を１０〜
３００ｔｏｒｒに保持しながらフィラメント１１を１５
００〜２５００℃に加熱して、反応ガスＧの加熱活性化
を図るとともに、所定間隔下方に配置された基板２の表
面２ａの温度を電気炉１２を用いて８００〜１０００℃
の範囲内で保ち、この状態で反応ガスＧを熱分解させて
基板２の表面２ａに人工ダイヤモンドを析出させる。

【０００８】この場合、反応ガスＧはフィラメント１１
により分解されて活性化された遊離炭素（Ｃ）となり、
基板２の上方からワークホルダ９の周囲１３に向かって
流れ、この活性化された遊離炭素が基板２の表面２ａに
速やかに推積し、該表面２ａにグラファイト構造とダイ
ヤモンド構造が混在して形成される。ここでは、グラフ
ァイト構造の方が弱い構造であるから反応ガスＧの分解
時に生成される原子状の水素（Ｈ）により表面２ａから
選択的に除去されダイヤモンド構造のみが残ることとな
る。ダイヤモンドが析出された基板２は、昇降装置８に
より下方に所定距離移動され自然冷却される。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
析出装置１には次の様な欠点があった。すなわち、図６
に示すように、フィラメント１１からワークホルダ９に
向かう反応ガスＧの流れは、ワークホルダ９を通り抜け
ることができないために、ワークホルダ９の周囲１３に
向いこの周囲１３から下方に流下することとなり、活性
化された遊離炭素は、中央部の基板２より外側の基板２
により多く堆積することとなる。

【００１０】外側に配置された基板２の表面２ａでは遊
離炭素が速やかに推積されて弱い結合のグラファイト構
造は反応ガスＧの分解時に生成される原子状の水素
（Ｈ）により表面２ａから選択的に除去され良好な人工
ダイヤモンドを析出することができるが、一方、中央部
に配置された基板２の表面２ａでは反応ガスＧの流れが
弱いために該基板２の表面２ａに推積される遊離炭素量
が少なく、グラファイト構造を選択除去することもでき
ない等、様々な問題が生じることとなる。したがって、
良好な人工ダイヤモンドは外側に配置された基板２にし
か析出されず、製品歩留まりが極めて悪いという欠点が
あった。

【００１１】人工ダイヤモンドを析出させるには、かな
りの反応時間を必要とするものであるから、上記の製品
歩留まりの低下は装置の効率を著るしく低下させること
となる。この考案は、上記の事情に鑑みてなされたもの
であって、以上の欠点を有効に解決することができる析
出装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この考案は次の様な析出装置を採用した。すなわ
ち、被処理材にダイヤモンドを析出させるための反応室
と、該反応室に反応ガスを導入する反応ガス導入管と、
前記反応室から反応ガスを排出する反応ガス排出管と、
前記被処理材を支持するワークホルダと、前記ワークホ
ルダに支持される前記被処理材の表面と対向する位置に
設けられたフィラメントとを具備してなる人工ダイヤモ
ンド析出装置において、前記ワークホルダとフィラメン
トの周囲にこれらを囲む箱体を設け、該箱体に、一端に
前記反応ガスを導入する吸気口を設けるとともに他端に
反応ガスを排出する排気口を設け、前記ワークホルダに
は、複数の孔が形成されてなることを特徴としている。

【００１３】

【作用】この考案の析出装置では、前記ワークホルダと
フィラメントの周囲にこれらを囲む様に、一端に前記反
応ガスを導入する吸気口を有するとともに他端に反応ガ
スを排出する排気口を有する箱体を設けることにより、
該箱体の内部の反応ガスに滞留を生じさせ、該反応ガス
を広範囲で均一に熱分解する。

【００１４】また、ワークホルダに複数の孔が形成され
ていることにより、フィラメントからワークホルダに向
かう反応ガスの流れは均一な層流となり、フィラメント
により分解されて生成した活性化された遊離炭素は、ワ
ークホルダに保持された被処理材の表面に均一に堆積す
る。

【００１５】また、この反応ガスは、吸気口から箱体の
内部に流入するために、箱体の内部の方が外部より圧力
が高く、差圧が陽圧になる。したがって、箱体の内部に
滞留する反応ガスは、前記差圧によりワークホルダに向
かう均一な層流となり、ワークホルダ及びこの箱体とワ
ークホルダとの間の狭窄部から下方に均一に流下する。

【００１６】

【実施例】以下、この考案の実施例について図１ないし
図４を基に説明する。この考案の析出装置２１は、従来
例で説明した析出装置１の構成要素であるワークホルダ
９とフィラメント１１の周囲に、これらを囲む様に箱体
２２を設け、更にワークホルダ９を改良したものであ
り、この箱体２２と改良したワークホルダ以外の構成要
素については同一の番号を付し、説明を省略する。

【００１７】この箱体２２は、図１に示す様に外形が略
直方体状の石英製の箱からなるもので、上部の天板２３
の中央部には反応ガスＧを導入するための吸気口２４が
形成され、この吸気口２４には垂直上方に突出するノズ
ル２５が取り付けられている。また、この箱体２２の下
部は開放されて、反応ガスＧを排出する排気口２６にな
っている。

【００１８】また、ワークホルダ３１は、図２に示す様
に円形状の石英板３２の周囲を除く部分にＭｏ製の網
（複数の孔）３３が形成されたものである。

【００１９】次に、この箱体２２及びワークホルダ３１
の作用について図１に基づき説明する。反応室３内に導
入された反応ガスＧは、ノズル２５を経由する間に均一
な層流となり、吸気口２４から箱体２２の内部２７に流
入する。この流入した反応ガスＧは、箱体２２の側壁２
８及びワークホルダ３１により内部２７に閉じ込められ
内部２７に滞留する。この間に、反応ガスＧはフィラメ
ント１１により均一に熱分解されて活性化された遊離炭
素（Ｃ）となる。

【００２０】また、ワークホルダ３１に網３３が形成さ
れていることにより、フィラメント１１からワークホル
ダ３１に向かう反応ガスＧの流れは上下方向の均一な層
流となり、フィラメント１１により分解されて生成した
活性化された遊離炭素は、ワークホルダ３２に保持され
た基板２，…の表面に均一に堆積する。この表面２ａに
は、グラファイト構造とダイヤモンド構造が混在して形
成されるが、グラファイト構造は反応ガスＧの分解時に
生成される原子状の水素（Ｈ）により表面２ａから選択
的かつ良好に除去され、ダイヤモンド構造のみが残るこ
ととなる。したがって、弱い結合のグラファイト構造は
選択的に除去され極めて結晶性のよい人工ダイヤモンド
が析出する。

【００２１】また、この反応ガスＧは、吸気口２４から
箱体２２の内部２７に流入するために、箱体２２の内部
２７の方が外部２９より圧力が高く、差圧が陽圧にな
る。したがって、箱体２２の内部２７に滞留する反応ガ
スＧは、前記差圧によりワークホルダ３１に向かう均一
な層流となり、ワークホルダ３１の網３３及びこの箱体
２２とワークホルダ３１との間の狭窄部３５から下方に
均一に流下する。

【００２２】いま、上記のワークホルダ３１とフィラメ
ント１１を箱体２２で囲み、 反応ガス組成：容量割合でＨ₂／ＣＨ₄＝１０００cc/min／１０cc/min フィラメント１１と基板２の表面２ａとの距離：５０mm 反応室３内の雰囲気圧力：５０torr フィラメント１１の加熱温度：２０００℃ 反応時間：５時間 冷却：自然冷却（炉冷） の条件で人工ダイヤモンドの析出を行ったところ、基板
２の表面２ａには、平均膜厚４μmの人工ダイヤモンド
膜が均一に形成された。また、ワークホルダ２１に保持
された基板２の全てに均一な人工ダイヤモンド膜が形成
されており、従来と比べて製品の歩留まりが大幅に向上
することがわかった。

【００２３】以上説明した様に、この考案の析出装置に
よれば、箱体２２の上部の天板２３に吸気口２４が形成
され、下部が開放されて排気口２６としたので、導入さ
れた反応ガスＧを箱体２２の内部２７に効果的に閉じ込
め、長時間滞留させることができ、反応ガスＧを均一に
熱分解することができる。

【００２４】また、ワークホルダ３１には円形状の石英
板３２の周囲を除く部分にＭｏ製の網３３が形成されて
いるので、遊離炭素を含む反応ガスＧの流れは、ワーク
ホルダ３１に向かう均一な層流となり、前記遊離炭素を
ワークホルダ３１に保持された基板２の表面２ａに均一
かつ速やかに推積させることができ、弱い結合のグラフ
ァイト構造は原子状水素により選択的に除去され極めて
結晶性のよい人工ダイヤモンドを析出させることができ
る。

【００２５】また、箱体２２の内部２７の方が外部２９
より圧力が高く、差圧が陽圧になるので、箱体２２の内
部２７に滞留する反応ガスＧは、前記差圧によりワーク
ホルダ３１に向かう均一な層流となり、ワークホルダ３
１の網３３及びこの箱体２２とワークホルダ３１との間
の狭窄部３５から下方に均一に流下させることができ
る。

【００２６】以上により、ワークホルダ３１に保持され
た全ての基板２の表面２ａに均一に人工ダイヤモンドを
成膜させることができ、製品歩留まりを大巾に向上させ
ることができる。

【００２７】図３のワークホルダ４１も、前記ワークホ
ルダ３１と同様に従来例のワークホルダ９を改良したも
のである。このワークホルダ４１は、円形状の石英板４
２の周囲を除く部分にパンチングにより格子（複数の
孔）４３が形成されたものである。このワークホルダ４
１においても、前記ワークホルダ３１と全く同一の作
用、効果を有する。

【００２８】図４のワークホルダ５１も、前記ワークホ
ルダ３１，４１と同様に従来例のワークホルダ９を改良
したものである。このワークホルダ５１は、円形状の石
英板５２の周囲を除く部分にパンチングにより複数の孔
５３，…が形成されたものである。このワークホルダ５
１においても、前記ワークホルダ３１，４１と全く同一
の作用、効果を有する。

【００２９】

【考案の効果】以上説明した様に、この考案の析出装置
によれば、被処理材にダイヤモンドを析出させるための
反応室と、該反応室に反応ガスを導入する反応ガス導入
管と、前記反応室から反応ガスを排出する反応ガス排出
管と、前記被処理材を支持するワークホルダと、前記ワ
ークホルダに支持される前記被処理材の表面と対向する
位置に設けられたフィラメントとを具備してなる人工ダ
イヤモンド析出装置において、前記ワークホルダとフィ
ラメントの周囲にこれらを囲む箱体を設け、該箱体に、
一端に前記反応ガスを導入する吸気口を設けるとともに
他端に反応ガスを排出する排気口を設け、前記ワークホ
ルダには、複数の孔が形成されてなることとしたので、
反応室に導入された反応ガスを箱体の内部に効果的に閉
じ込め、長時間滞留させることができ、反応ガスを均一
に熱分解することができる。

【００３０】また、前記ワークホルダには、複数の孔が
形成されてなることとしたので、遊離炭素を含む反応ガ
スの流れは、ワークホルダに向かう均一な層流となり、
前記遊離炭素をワークホルダに保持された被処理材の表
面に均一かつ速やかに推積させることができ、弱い結合
のグラファイト構造は原子状水素により選択的に除去さ
れ極めて結晶性のよい人工ダイヤモンドを析出させるこ
とができる。

【００３１】また、箱体の内部の方が外部より圧力が高
く、差圧が陽圧になるので、箱体の内部に滞留する反応
ガスは、前記差圧によりワークホルダに向かう均一な層
流となり、ワークホルダの複数の孔及びこの箱体とワー
クホルダとの間の狭窄部から均一に流出させることがで
きる。

【００３２】以上により、ワークホルダに保持された全
ての被処理材の表面に均一に人工ダイヤモンドを成膜さ
せることができ、製品歩留まりを大巾に向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の析出装置の箱体及びワークホルダの一
例を示す概略断面図である。

【図２】本考案の析出装置のワークホルダの一例を示す
全体斜視図である。

【図３】本考案の析出装置のワークホルダの一例を示す
全体斜視図である。

【図４】本考案の析出装置のワークホルダの一例を示す
全体斜視図である。

【図５】従来の析出装置の概略図である。

【図６】従来の析出装置の反応ガスの流れを示す図であ
る。

【符号の説明】

２１ 人工ダイヤモンド析出装置 ２ 基板（被処理材） ２ａ 表面 ３ 反応室 ４ 反応ガス導入管 ５ 反応ガス排出管 ６ 制御機構 ８ 昇降装置 ９ ワークホルダ １０ 熱電対 １１ フィラメント（高エネルギー体） １２ 電気炉 ２２ 箱体 ２３ 天板 ２４ 吸気口 ２５ ノズル ２６ 排気口 ２７ 内部 ２８ 側壁 ２９ 外部 ３１ ワークホルダ ３２ 石英板 ３３ 網（複数の孔） ３５ 狭窄部 ４１ ワークホルダ ４２ 石英板 ４３ 格子（複数の孔） ５１ ワークホルダ ５２ 石英板 ５３ 孔

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理材にダイヤモンドを析出させるた
   めの反応室と、該反応室に反応ガスを導入する反応ガス
   導入管と、前記反応室から反応ガスを排出する反応ガス
   排出管と、前記被処理材を支持するワークホルダと、前
   記ワークホルダに支持される前記被処理材の表面と対向
   する位置に設けられたフィラメントとを具備してなる人
   工ダイヤモンド析出装置において、 前記ワークホルダとフィラメントの周囲にこれらを囲む
   箱体を設け、 該箱体に、一端に前記反応ガスを導入する吸気口を設け
   るとともに他端に反応ガスを排出する排気口を設け、 前記ワークホルダには、複数の孔が形成されてなること
   を特徴とする人工ダイヤモンド析出装置。