JP2679067B2 - ダイヤモンド膜付基板の製造方法 - Google Patents

ダイヤモンド膜付基板の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、放熱基板、スローアウェイチップ等の工
具、あるいはIC絶縁膜等に好適に利用可能なダイヤモン
ド膜付基板の製造方法に関する。 [従来の技術] ダイヤモンドの合成技術としては、従来より、炭素粉
末を触媒の存在下、高温高圧下で処理する方法が知られ
ているが、近年、低圧下でダイヤモンドを合成する方法
が開発されて注目を集めている。 低圧下でダイヤモンドを合成する代表的な方法として
は、数百ワットのマイクロ波で水素と炭化水素ガスとの
混合気体にプラズマを発生させ、プラズマ内に設置され
た基板上にダイヤモンドを成長させるマイクロ波プラズ
マCVD法、800〜1000℃に加熱した基板直上に、2000℃以
上に加熱したフィラメントを設け、水素と炭化水素ガス
をフィラメントを通して基板に吹付けて基板上にダイヤ
モンドを成長させる熱フィラメントCVD法等が挙げら
れ、これらの方法で得られたダイヤモンド膜付基板は、
その優れた熱伝導性から、例えば放熱基板としての用途
が期待されている。 [発明が解決しようとする問題点] しかしながら、このようにして得られたダイヤモンド
膜付基板において、ダイヤモンド膜の熱伝導性を向上さ
せるためには、より高純度のダイヤモンド膜を形成する
ことが望ましいが、その場合、ダイヤモンド膜と基板と
の密着性が低いという問題点があり、実用化のネックと
なっていた。 本発明は上記実情に鑑み成されたものであり、その目
的は、高い熱伝導性を有するとともに、基板とダイヤモ
ンド膜との密着性に優れたダイヤモンド膜付基板を提供
することにある。 [問題点を解決するための手段] 本発明者等は、上記実情に鑑み鋭意検討を行なった結
果、本発明に到達した。すなわち、その要旨は、基板表
面に、ダイヤモンド膜を形成してなる成膜装置内におい
て、基板温度、炭素を組成に含むガスの濃度、および成
膜時間を含む成膜条件を第1の条件に設定して、CVD法
により上記基板表面にアモルファス状炭素を主成分とす
る膜を形成するアモルファス状炭素膜形成工程と、 上記アモルファス状炭素膜の成膜に用いたのと同一の
成膜装置内において、上記アモルファス状炭素膜形成工
程に連続して行われるとともに、上記成膜条件を第2の
条件に設定して、CVD法により上記アモルファス状炭素
膜表面にダイヤモンド膜を連続的に形成するダイヤモン
ド膜形成工程とを備えることを特徴とするダイヤモンド
膜付基板に存する。 本発明において、基板としては、シリコン単結晶、タ
ングステン、モリブデン等の金属、窒化ケイ素、炭化ス
イ素等のセラミックス、またはタングステンカーバイド
等の超硬材料等が挙げられる。 アモルファス状炭素を主成分とする膜(以下、アモル
ファス状炭素膜という)とは、アモルファス状炭素から
なる膜あるいはアモルファス状炭素とダイヤモンドとの
混合膜であり、アモルファス状炭素の含有量が高いほど
密着性が向上するので好ましい。ただし、熱伝導性はダ
イヤモンドとの混合膜の法が良好であるので、用途に応
じてその組成を調節すればよい。 基板上にダイヤモンド膜およびアモルファス状炭素膜
を形成する方法としては、プラズマCVD法、熱フィラメ
ントCVD法等、これらの膜を形成する方法として知られ
ている公知のCVD法のいずれによってもよい。本発明で
は、基板表面に、このアモルファス状炭素膜とダイヤモ
ンド膜を、同一の成膜装置内において、成膜条件を変更
することにより連続的に形成する。これにより、アモル
ファス状炭素膜表面に不純物等が付着するのが抑制さ
れ、これら膜の密着性がより向上する。 例えば、プラズマCVD法を採用する場合には、反応装
置内に基板を配し、水素とメタンの混合ガスを供給する
とともに、300W〜1kWのマイクロ波を導いてプラズマを
発生させ、基板上にダイヤモンドあるいはアモルファス
状炭素を成長させる。この時、原料ガス中のメタン濃度
を変更することでダイヤモンド膜とアモルファス状炭素
とを作り分けることができ、例えばマイクロ波出力700
W、基板温度800℃の条件では、メタン濃度を1%(容量
%)以下とするとダイヤモンド膜が生成し、メタン濃度
を1%より多くするとアモルファス状炭素膜が生成す
る。 ダイヤモンドとアモルファス状炭素の作り分けは、基
板温度の増減によっても可能であり、マイクロ波出力50
0〜700W、メタン濃度1%の条件では、基板温度700〜10
00℃でダイヤモンド膜が、500〜600℃でアモルファス状
炭素膜が生成する。また、マイクロ波出力を増減させる
ことによっても可能である。 アモルファス状炭素膜の膜厚は、通常、1〜数μmが
好ましい。ダイヤモンド膜の膜厚は、用途によって異な
るが、例えば、超硬工具のコーティング膜としてダイヤ
モンド膜を形成する場合には、約5μm程度、放熱基板
に用いる場合には約50μm以上の厚さとするのが好まし
い。 なお、ダイヤモンド膜は、これを構成する結晶の粒径
が大きく、表面粗度が大きいので、表面の平坦性を向上
させるために、アモルファス状炭素膜およびダイヤモン
ド膜を形成した基板上面に、さらにアモルファス状炭素
膜を形成した構造としてもよい。この場合、表面層であ
るアモルファス状炭素膜の膜厚は、通常、1〜数μmが
好ましく、表面の平坦性を損なわない範囲でできるだけ
薄くするのがよい。 また、上記基板上にアモルファス状炭素膜を形成する
に際し、結晶が成長しやすくするために、予め基板表面
をダイヤモンドペースト等で研磨して微細なキズをつけ
ておいてもよい。 [作用] 本発明においては、同一装置内において基板上にアモ
ルファス状炭素膜およびダイヤモンド膜を連続的に形成
することにより、密着性の高いダイヤモンド膜付基板が
得られる。アモルファス状炭素膜を介在させることによ
り、基板とダイヤモンド膜の間の密着性が向上する理由
は必ずしも明らかではないが、膜を形成する粒子の大き
さに関連があるものと思われる。 すなわち、ダイヤモンド膜は多結晶膜であり(第6図
参照)、各結晶の大きさは、ダイヤモンドが高純度とな
るほど大きくなる。このため、高純度のダイヤモンド膜
は基板上での安定性が悪く、密着性が低下して剥離しや
すい。これに対し、アモルファス状炭素を主成分とする
膜は、はるかに粒径が小さいため(第4図参照)、基板
上の安定性がよく、さらにダイヤモンド膜との密着性も
良好であるので基板とダイヤモンド膜との間の接着剤と
しての役割を果たすものと考えられる。さらにこれらの
膜を同一装置内で続けて成膜するので、アモルファス状
炭素膜表面に不純物等が付着することがなく、アモルフ
ァス状炭素膜とダイヤモンド膜の間の密着性も優れたも
のとなる。 [実施例] 次に本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明
はその要旨を越えない限り、以下の実施例により限定さ
れるものではない。 実施例1 次に示す方法で、第1図に示すダイヤモンド膜付基板
を作製した。第3図には本実施例において使用した装置
を示す。図において、直交する石英管よりなる反応管51
内には、10mm角のシリコン基板1が配してあり、反応管
51に連通する原料ガス供給管52より原料ガスを供給する
とともに、マイクロ波導波管53よりマイクロ波を導い
て、反応管51内でプラズマを発生させた。原料ガスとし
ては、水素:メタン=100:3(容量比)のガスを使用
し、マイクロ波出力700W、反応管圧力50Torr、基板温度
800℃の条件で1時間成膜し、シリコン基板1上にアモ
ルファス状炭素膜2を形成した。なお、図中、54は整合
器、55はアイソレータ、56は電源である。 得られた膜付基板の外観を電子顕微鏡で観察し、写真
を撮影して第4図に示す。表面は微粒子の集合体からな
り、平坦である。また、第5図にはラマンスペクトルの
測定結果を示すが、1550cm-1付近にi−カーボンと呼ば
れるアモルファス状炭素の幅広いピークが、また、1330
cm-1付近にはダイヤモンドの弱いピークが確認され、こ
の膜がダイヤモンドを含むアモルファス状炭素膜である
ことが確認された。なお、基板1上に生成したアモルフ
ァス状炭素膜2の膜厚は約1μmであった。 続いて、原料ガス中のメタン濃度を変化させ、アモル
ファス状炭素膜2を形成したシリコン基板1上に、さら
にダイヤモンド膜3を成膜した。原料ガスとして、水
素:メタン=100:1(容量比)のガスを使用し、同様の
方法で、8時間成膜した。得られた膜付基板の外観を電
子顕微鏡で観察し、写真を撮影した。第6図に示すよう
に、表面には凹凸があり、結晶粒子が明確に見える。ま
た、第7図のラマンスペクトルでは、1330cm-1付近にダ
イヤモンドの鋭いピークが観察され、この粒子がダイヤ
モンド結晶であることが確認された。シリコン基板1上
に生成したダイヤモンド膜3の膜厚は約5μmであっ
た。 次に、得られたダイヤモンド膜付基板の接着強度を測
定した。生成したダイヤモンド膜の表面および基板裏面
に接着剤を塗布し、それぞれに引張り試験用治具を接着
した後、引張り試験に供したところ、剥離強度は75〜10
5kgであった。剥離面を観察すると、アモルファス状炭
素膜2の裏面にシリコンが多量に付着しており、剥離が
膜と基板の界面で生じたのではなく、膜がシリコン基板
1をえぐって剥離したものであること、すなわち、基板
との密着が非常に強固であることがわかる。 比較例 原料ガスとして、水素:メタン=100:1(容量比)の
ガスを使用し、成膜時間を8時間として実施例1と同様
の方法で、シリコン基板上に膜厚約5μmのダイヤモン
ド膜を形成した。得られたダイヤモンド膜付基板を引張
り試験に供したところ、30〜60kg/cm2で剥離した。剥離
面を観察すると、ダイヤモンド膜と基板との界面に沿っ
てきれいに剥離しており、実施例1の場合に比べ、ダイ
ヤモンド膜と基板との密着性が低いことがわかる。 実施例2 実施例1で得られたダイヤモンド膜付基板上に、さら
に膜厚約1μmのアモルファス状炭素膜2を形成した
(第2図)。原料ガスとして、水素:メタン=100:3
(容量比)のガスを使用し、成膜時間は1時間とした。
得られたダイヤモンド膜付基板を引張り試験に供したと
ころ、剥離強度は75〜105kg/cm2で、シリコン基板1を
えぐって剥離していた。また、外観は第4図と同様で、
表面の平坦度は良好であった。なお、熱伝導率は約740W
/mKで実用上充分に高い値であった。 実施例2を採用することによって、基板との密着性が
よいばかりでなく、平坦度に優れ、熱伝導性も良好なダ
イヤモンド膜付基板を得ることができた。 [発明の効果] 本発明においては、基板とダイヤモンド膜との間に、
アモルファス状炭素を主成分とする膜を形成し、これら
膜を同一装置内で引き続き成膜したから、基板との密着
性が著しく向上する。このため、基板上に直接ダイヤモ
ンド膜を形成した場合に比べ、剥離強度が飛躍的に向上
し、かつ熱伝導性に優れたダイヤモンド膜付基板が得ら
れる。
【図面の簡単な説明】 第1図および第2図は本発明のダイヤモンド膜付基板の
構成を示す概略断面図、第3図は本発明のダイヤモンド
膜付基板を製造する装置の概略構成図、第4図はアモル
ファス状炭素を主成分とする膜の結晶構造を示す顕微鏡
写真、第5図はアモルファス状炭素を主成分とする膜の
ラマンスペクトル図、第6図はダイヤモンド膜の結晶構
造を示す顕微鏡写真、第7図はダイヤモンド膜のラマン
スペクトル図である。 1……基板 2……アモルファス状炭素を主成分とする膜 3……ダイヤモンド膜
フロントページの続き (72)発明者 服部 正 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−241898(JP,A)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 1.基板表面に、ダイヤモンド膜を形成してなるダイヤ
    モンド膜付基板の製造方法であって、 成膜装置内において、基板温度、炭素を組成に含むガス
    の濃度、および成膜時間を含む成膜条件を第1の条件に
    設定して、CVD法により上記基板表面にアモルファス状
    炭素を主成分とする膜を形成するアモルファス状炭素膜
    形成工程と、 上記アモルファス状炭素膜の成膜に用いたのと同一の成
    膜装置内において、上記アモルファス状炭素膜形成工程
    に連続して行われるとともに、上記成膜条件を第2の条
    件に設定して、CVD法により上記アモルファス状炭素膜
    表面にダイヤモンド膜を連続的に形成するダイヤモンド
    膜形成工程とを備えることを特徴とするダイヤモンド膜
    付基板の製造方法。 2.上記第2の条件は、第1の条件に対して、炭素を組
    成に含むガスの濃度を減少させ、または基板温度を高く
    したものである特許請求の範囲第1項記載のダイヤモン
    ド膜付基板の製造方法。 3.上記成膜装置内において、上記ダイヤモンド膜形成
    工程に連続して行われるとともに、上記成膜条件を第3
    の条件に設定して、CVD法により上記ダイヤモンド膜基
    板表面にアモルファス状炭素を主成分とする膜を連続的
    に形成する表面膜形成工程をさらに備える特許請求の範
    囲第1項または第2項記載のダイヤモンド膜付基板の製
    造方法。
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