JP2728477B2 - Synthesis method of vapor phase diamond - Google Patents

Synthesis method of vapor phase diamond

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はダイヤモンド粒子の製造法に関し、特に表面
研磨用砥粒として好適な、さらに樹脂、金属、ビトリフ
ァイド結合剤などと混合成形して砥石としての使用に好
適な多結晶ダイヤモンドの気相法による合成法に関す
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention relates to a method for producing diamond particles, and is particularly suitable as an abrasive for surface polishing, and is further formed by mixing with a resin, a metal, a vitrified binder and the like to form a whetstone. The present invention relates to a method for synthesizing a polycrystalline diamond suitable for use by a gas phase method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

ダイヤモンドは最も硬い物質として知られ、砥粒に使
用されている。その製法は超高圧法が古くから用いられ
ているが近年は気相法により合成する方法も提案されて
いる。気相法では多くは膜状のダイヤモンドが析出する
が、生成条件により粒状のダイヤモンドが得られる。
Diamond is known as the hardest substance and is used in abrasives. The ultra-high pressure method has been used for a long time, but a method of synthesizing it by a gas phase method has recently been proposed. In the gas phase method, film-like diamond is mostly deposited, but granular diamond is obtained depending on the production conditions.

粒状ダイヤモンドを得る方法の一つに超高圧法が有す
る。
One of the methods for obtaining granular diamond is the ultra-high pressure method.

超高圧法で製造したダイヤモンドの微細な粒子を核と
して、この周囲にCVDダイヤを析出させる方法がある。
There is a method in which fine diamond particles produced by an ultra-high pressure method are used as nuclei and a CVD diamond is deposited around the cores.

従来のダイヤ粒子を核として用いる方法は核となるダ
イヤモンドが高価であること、及び核となるダイヤモン
ド粒子は大粒のダイヤモンドを粉砕するか、あるいはダ
イヤモンドを加工する際に発生する屑のダイヤモンドを
分級する等により得られるものであるが、粒子が鋭いエ
ッジを持つ等、球形に近いような形状のものは得られ難
く、そのためにこれを核として成長させたダイヤモンド
粒子は球体に近いものにするのは困難であった。
The conventional method using diamond particles as a nucleus is that the core diamond is expensive, and the core diamond particles crush large diamonds or classify the scrap diamond generated when processing diamonds. However, it is difficult to obtain a shape close to a sphere, such as a particle having a sharp edge, and it is difficult to make a diamond particle grown with this as a nucleus close to a sphere. It was difficult.

砥粒としての使用、特に物体の表面を平滑にするため
の研磨においては独立粒としては球形に近い粒子が望ま
しい。また粒子の結晶構造は主として多結晶であって、
研磨に使用されている間に次々に新しい結晶面が現れて
いるものが優れている。
In use as abrasive grains, particularly in polishing for smoothing the surface of an object, particles close to spherical are desirable as independent grains. The crystal structure of the particles is mainly polycrystalline,
It is better that new crystal planes appear one after another while being used for polishing.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

本発明の目的はダイヤモンド粒子を砥石の要素として
利用した場合、マトリックスである母材物質ともなじみ
易く、砥粒としての研削性能にすぐれ、且つ表面処理を
必要としない形状のダイヤモンド粒子を提供することに
ある。
An object of the present invention is to provide a diamond particle having a shape which is easily compatible with a matrix material as a matrix when diamond particles are used as an element of a grindstone, has excellent grinding performance as abrasive grains, and does not require surface treatment. It is in.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本件発明者は上記の目的を達成すべく鋭意研究した結
果、核となる粒子がダイヤモンドと同素体の炭素材、す
なわちカーボンブラック又はグラファイト粒子を使用す
ることによって、核粒子から無理なくダイヤモンドの結
晶成長が始まり、このため生成したダイヤモンドの結晶
体は熱ひずみや応力ひずみに強じんな特性が得られるこ
と、また核形成剤の形態の選択度が広いので、このこと
により生成ダイヤモンドの形態を用途に対応させること
が可能であることを見出し、本件発明を完成するに至っ
た。
The inventors of the present invention have conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, the use of a carbon material whose nucleus particles are allotrope with diamond, that is, carbon black or graphite particles, allows diamond crystal growth from the core particles without difficulty. Beginning, the resulting diamond crystal has properties that are resistant to thermal strain and stress strain, and the nucleating agent has a wide choice of forms, which allows the form of the formed diamond to be adapted to the application The inventors have found that the present invention can be performed, and have completed the present invention.

すなわち、本件発明の要旨は含酸素有機化合物あるい
は酸素または水を添加した有機化合物を原料とし、気相
法によりダイヤモンドを合成する方法に於いて、カーボ
ンブラックまたはグラファイト粒子を核形成剤としてダ
イヤモンドを生成させることを特徴とする気相法ダイヤ
モンドの合成法にある。
That is, the gist of the present invention is to provide a method for synthesizing diamond by a gas phase method using an oxygen-containing organic compound or an organic compound to which oxygen or water is added as a raw material, and producing diamond using carbon black or graphite particles as a nucleating agent. And a method for synthesizing a vapor-phase diamond.

以下、本件発明を詳しく説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail.

表面にダイヤモンドを生成させるカーボンブラック又
はグラファイトの粒状あるいは粉末状物は砥石等におい
てはその成形の際にダイヤモンドに対してフィラーとし
ての役割を果たす。
Granules or powders of carbon black or graphite that form diamond on the surface play a role as a filler for diamond in the forming of a grindstone or the like.

カーボンブラック又はグラファイトの粒径は50Å以上
のものは広く使用でき、同時にこれらの核形成剤は表面
に多数の活性点が存在しており、原料の吸着作用と同時
に雰囲気中の原子状水素等のラジカル化学種との反応に
よるエッチングにより体積減少するが核発生点は増大す
るものと思われる。又、核形成剤の形状により生成ダイ
ヤモンドの形態も影響を受け、例えば金平糖等、所定形
状のダイヤモンドを得ることが可能である。
Carbon black or graphite having a particle size of 50 mm or more can be widely used, and at the same time, these nucleating agents have a large number of active sites on the surface. It is thought that the volume decreases due to the etching by the reaction with the radical species, but the nucleation point increases. Further, the shape of the formed diamond is also affected by the shape of the nucleating agent, and it is possible to obtain a diamond having a predetermined shape, for example, confetti.

本発明の方法は通常の気相法がそのまま適用できる。
例えばダイヤモンドを生成させるための核形成剤粒は通
常の気相法の如く、基板上に遊動可能状態に分散させて
もよい。
In the method of the present invention, a normal gas phase method can be applied as it is.
For example, nucleating agent particles for producing diamond may be dispersed in a free state on a substrate as in a normal gas phase method.

核形成剤の表面に生成するダイヤモンドは多くは粒状
で大部分は0.1〜100μmである。ダイヤモンド粒子のサ
イズは反応条件、特に反応時間でコントロールが可能で
あり、且つ粒度分布は鋭いという特徴を有する。また粒
子形状も従来の超高圧法6〜8面体単結晶に近い形状の
ものやあるいは多数の突起を有する形状のものも析出し
得る。そして生成ダイヤモンドも純粋のもののみでな
く、i−カーボンが混入したものも合成できる。
The diamond formed on the surface of the nucleating agent is mostly granular and mostly 0.1 to 100 μm. The size of the diamond particles can be controlled by the reaction conditions, especially the reaction time, and the particle size distribution is sharp. In addition, a particle having a shape close to that of a conventional ultrahigh-pressure hexahedral single crystal or a shape having a large number of projections can be deposited. Then, not only the pure diamond but also the diamond mixed with i-carbon can be synthesized.

一方、カーボンブラック又はグラファイトの微粒を残
存粒子径がサブミクロンサイズに選択させて基板上に分
散させれば均質なダイヤモンド薄膜を析出させることが
可能である。
On the other hand, if fine particles of carbon black or graphite are dispersed on a substrate with the remaining particle diameter selected to be submicron, a uniform diamond thin film can be deposited.

カーボンブラックは数百Åの球状体で多くは連鎖状に
連って粒体となり、又グラファイトも粉砕、分級その他
によって粒体とすることができ、その表面には炭素以外
のH、OH基等が多くの場合存在するがこれらの付着反応
基は熱処理により除くことができる。又、これらのカー
ボンブラックまたはグラファイト粒子を核形成剤として
使用する場合、二次粒子径は1〜50μmの粒体であるこ
とが好ましい。1μm未満の粒径の場合はラジカルによ
るエッチングで消失し、ダイヤ生成核として働きにくい
ので好ましくなく、一方50μmを上廻る場合は残存量が
多くなりすぎ、生成ダイヤの使用目的にもよるが残存グ
ラファイト又はカーボンブラック除去等の処理が必要と
なるので好ましくない。
Carbon black is a few hundred square meters of spheres, many of which are linked in a chain to form granules.Graphite can also be granulated by pulverization, classification, etc. Are often present, but these attached reactive groups can be removed by heat treatment. When these carbon black or graphite particles are used as a nucleating agent, the particles preferably have a secondary particle diameter of 1 to 50 μm. If the particle size is less than 1 μm, it is lost by etching with radicals and it is difficult to work as a diamond generation nucleus, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 50 μm, the residual amount becomes too large. Alternatively, a treatment such as removal of carbon black is required, which is not preferable.

これらのカーボンブラック又はグラファイト粉末をダ
イヤモンド合成領域に置くと原子状水素、メチルラジカ
ル等の活性種によりエッチングが起り、固体粒子又は気
化して減少して行く。一方それと同時にダイヤモンド結
晶の析出可能な活性点が固体−気体界面に出現し、ダイ
ヤモンド析出が始まり、その後はダイヤモンドが核形成
剤表面を覆に従ってエッチングは停止し、ダイヤモンド
の成長が続くものと考えられる。
When these carbon black or graphite powders are placed in a diamond synthesis region, etching is caused by active species such as atomic hydrogen and methyl radicals, and solid particles or vaporized particles are reduced. On the other hand, at the same time, active points where diamond crystals can be deposited appear at the solid-gas interface, diamond deposition starts, and thereafter, etching stops as the diamond covers the nucleating agent surface, and diamond growth is thought to continue. .

次に実施例、比較例を挙げ本発明を更に説明する。 Next, the present invention will be further described with reference to Examples and Comparative Examples.

〔実施例〕〔Example〕

反応空間約2リットルである熱フィラメント法の気相
法ダイヤモンド合成装置を使用した。日立粉末社製カー
ボンブラック(平均約4μm粒径)をメタノール中で超
音波分散させて懸濁させ、この懸濁液を20mm×20mmのシ
リコンウェハー上に分散させた。
A hot filament method gas phase diamond synthesis apparatus having a reaction space of about 2 liters was used. A carbon black (average particle size of about 4 μm) manufactured by Hitachi Powder Co., Ltd. was suspended in methanol by ultrasonic dispersion, and the suspension was dispersed on a 20 mm × 20 mm silicon wafer.

この懸濁液を分散させ乾燥させたシリコンウェハーを
合成装置内の基板ホルダー上に取付けた。フィラメント
温度を2200℃、基板温度を700℃に保ち、T−ブタノー
ル1.5容量%を含む水素ガスを100NCC/分で2時間装置に
導入した。
This suspension was dispersed and the dried silicon wafer was mounted on a substrate holder in the synthesis apparatus. While maintaining the filament temperature at 2200 ° C. and the substrate temperature at 700 ° C., hydrogen gas containing 1.5% by volume of T-butanol was introduced into the apparatus at 100 NCC / min for 2 hours.

ついで基板を光学顕微鏡で調べた結果、基板中央には
10〜15μmの自形の出たダイヤモンド粒が多数析出して
いることを確認した。第1図は基板上に生成したダイヤ
モンド粒子結晶の1000倍の走査電子顕微鏡(SEM)の写
真を示す。またこれらの析出物を薄膜X線回折法により
解析した結果、ダイヤモンド結晶による回折ピークを認
めた。
Next, as a result of examining the substrate with an optical microscope,
It was confirmed that a large number of diamond grains having a self-shape of 10 to 15 μm were precipitated. FIG. 1 shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of a diamond particle crystal formed on a substrate at a magnification of 1000 times. Further, as a result of analyzing these precipitates by a thin film X-ray diffraction method, a diffraction peak due to a diamond crystal was recognized.

〔比較例〕(Comparative example)

実施例で用いたと同様に反応空間、約2リットルであ
る熱フィラメント法の気相法ダイヤモンド合成装置を使
用した。
In the same manner as in the example, a hot-filament gas-phase diamond synthesis apparatus having a reaction space of about 2 liters was used.

鉄製丸棒をやすりで削り、得られたフレーク状粉末
(10〜100μm)をアルコール洗浄し、乾燥後20mm×20m
mのシリコンウェハー上に分散し、実施例と同一条件で
実験を行った。
A steel round bar is filed with a file, and the obtained flake-like powder (10 to 100 μm) is washed with alcohol, dried and then 20 mm x 20 m
An experiment was performed under the same conditions as those of the examples by dispersing the particles on a m silicon wafer.

ついで基板を取り出し顕微鏡で調べた結果、基板上に
はグラファイトが多く、鉄粉にはスス状のカーボンが析
出し、ダイヤモンドは確認されなかった。
Then, the substrate was taken out and examined with a microscope. As a result, much graphite was present on the substrate, soot-like carbon was precipitated on the iron powder, and no diamond was confirmed.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明による安価な方法で安定した再現性のよいダイ
ヤモンドを合成することができる。
A stable and reproducible diamond can be synthesized by the inexpensive method according to the present invention.

又、生成ダイヤモンドはそのまま表面研磨用砥粒とし
て好適であり、さらに樹脂、ビトリファイド、金属結合
剤などと混合成形して砥石としても好適である。
Further, the produced diamond is suitable as a polishing grain for surface polishing as it is, and is also suitable as a grindstone by mixing and molding with a resin, vitrified, a metal binder and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は実施例の生成したダイヤモンド粒子結晶の1000
倍のSEM写真を示す。
FIG. 1 shows a sample of 1000 diamond particles generated in the example.
The SEM photograph of the magnification is shown.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】含酸素有機化合物あるいは酸素または水を
添加した有機化合物を原料とし、熱フィラメント法によ
りダイヤモンドを合成する方法であって、カーボンブラ
ックまたはグラファイト粒子を核形成剤としてダイヤモ
ンドを生成させることを特徴とする気相法ダイヤモンド
の合成法。
1. A method of synthesizing diamond by a hot filament method using an oxygen-containing organic compound or an organic compound to which oxygen or water is added as a raw material, wherein the diamond is formed using carbon black or graphite particles as a nucleating agent. A method for synthesizing a vapor phase diamond, characterized in that:
【請求項2】カーボンブラックまたはグラファイト粒子
の平均粒径が1〜50μmである請求項1記載の気相法ダ
イヤモンドの合成法。
2. The method according to claim 1, wherein the average particle size of the carbon black or graphite particles is 1 to 50 μm.
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